專利名稱：一種基于傅立葉離散對數(shù)坐標(biāo)變換的穩(wěn)健音頻水印方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多媒體信號(hào)處理領(lǐng)域，具體是一種基于傅立葉離散對數(shù)坐標(biāo)變換的穩(wěn)健音頻水印技術(shù)。

背景技術(shù)：
近幾年來，數(shù)字水印技術(shù)在許多應(yīng)用領(lǐng)域體現(xiàn)了它的重要性，并得到了廣泛的重視。目前大多數(shù)數(shù)據(jù)隱藏的研究和文獻(xiàn)集中于圖像水印。隨著數(shù)字音頻的廣泛使用，盜版行為如通過網(wǎng)絡(luò)下載MP3再進(jìn)行盜版發(fā)布等已常有發(fā)生。作為一種保護(hù)音頻知識(shí)產(chǎn)權(quán)的有效手段，數(shù)字音頻水印正在受到越來越多人的重視。
根據(jù)檢索，到目前為止尚未發(fā)現(xiàn)關(guān)于傅立葉離散對數(shù)變換在音頻信號(hào)方面的應(yīng)用報(bào)道。在本發(fā)明中，發(fā)現(xiàn)傅立葉離散對數(shù)變換在音頻處理中具有很好的特性。這說明如果把水印信息嵌入提取過程引入傅立葉離散對數(shù)變換，所得的音頻水印對信號(hào)處理將是非常穩(wěn)健的。這對于保護(hù)音頻作品在經(jīng)過MP3壓縮、低通濾波等信號(hào)處理后的版權(quán)識(shí)別來說，這種技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于傅立葉離散對數(shù)變換的多比特?cái)?shù)字音頻水印方法。
本發(fā)明方法的技術(shù)方案如下一種基于傅立葉離散對數(shù)變換的穩(wěn)健音頻水印方法，本方法包括水印嵌入和水印提取兩大過程，其特征在于，所述水印嵌入過程的具體步驟為 a.根據(jù)所需嵌入的多比特水印，計(jì)算得到待嵌入的水印矩陣；水印包括多比特的有意義信息序列和模板序列； b.對宿主音頻做一維離散傅立葉變換，并平移直流成分到幅度譜中央，然后將步驟a中的水印矩陣嵌入所得的傅立葉系數(shù)幅度譜內(nèi)； c.對嵌入水印后的傅立葉系數(shù)進(jìn)行逆傅立葉變換，得到加水印的音頻，水印嵌入過程結(jié)束； 所述水印提取是水印嵌入的逆過程，具體步驟如下 d.對待測音頻進(jìn)行一維離散傅立葉變換，并平移直流成分到幅度譜中心； e.對具有相同離散對數(shù)極坐標(biāo)的傅立葉系數(shù)取平均值，得到一個(gè)二維的傅立葉系數(shù)幅度矩陣； f.根據(jù)原始模板與幅度矩陣計(jì)算得到與嵌入水印同步的幅度矩陣； g.用原始偽隨機(jī)調(diào)制序列對步驟f中得到的幅度矩陣進(jìn)行解擴(kuò)頻調(diào)制，得到有意義的多比特水印信息。
所述水印嵌入過程的詳細(xì)做法為 ①確定要嵌入的水印矩陣；水印包括L比特的有意義信息序列m{m(i)，i＝0，...，L-1，m(i)∈{0，1}}和模板序列T，用密鑰key生成長度為Np的雙極性的偽隨機(jī)調(diào)制序列p＝[pi；j＝0，...，Np-1}(pi∈{-1，1})和長度為NT的模板序列T{Tn；n＝0...NT-1，}(Tn∈{-1，1})，對有意義比特信息的每一比特進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制。如果有意義信息比特m(i)是“1”，則把它擴(kuò)頻調(diào)制為p的同相序列并得到擴(kuò)頻序列如果有意義信息比特m(i)是“-1”，則把它擴(kuò)頻調(diào)制為p的反相序列，即Wi＝-1×p，得到待嵌入的二進(jìn)制信息水印數(shù)據(jù)W{wi；0≤i≤L×Np-1}；記M＝L×Np+NT，把擴(kuò)頻序列Wi和模板序列T按順序排成一個(gè)長為M的水印序列WT{wt(m)；0≤m≤M-1}，這樣每個(gè)有意義信息比特調(diào)制生成的擴(kuò)頻序列占用序列WT的Np個(gè)位置，模板序列T也按順序存放在序列WT的最后NT個(gè)位置構(gòu)成原始模板Tm，序列WT的元素wt(m)由雙極性比特“1”和“-1”構(gòu)成； ②對宿主音頻做長度為d的一維離散傅立葉變換，其中d為宿主音頻的長度，將直流成分移到傅立葉幅度譜的中央，并且幅度譜中心作為直角坐標(biāo)系原點(diǎn)，在傅立葉系數(shù)幅度譜的右半部分中嵌入水印，嵌入?yún)^(qū)域位于傅立葉系數(shù)幅度譜的歸一化頻率值為fn的中頻附近，把嵌入?yún)^(qū)域的傅立葉系數(shù)的坐標(biāo)r按公式(1)變換成離散對數(shù)坐標(biāo)lρ； R＝fn×d(1) 其中r是該幅值點(diǎn)到對應(yīng)于傅立葉幅度譜中心點(diǎn)(直流成分點(diǎn))的距離，a是一個(gè)大于1而接近于1的常數(shù)，如可取a＝21/M、a＝22/M或者a＝24/M等；R是對數(shù)坐標(biāo)

的原點(diǎn)，一般取R對應(yīng)的歸一化頻率值fn接近中頻的位置，如取fn＝0.2，這樣R＝fn×d＝0.2×d，Doffset是一個(gè)保證lρ≥0的偏移常數(shù)，如可取M/2；式中floor()函數(shù)表示向下取整函數(shù)； ③對加入水印后的傅立葉系數(shù)進(jìn)行逆傅立葉變換，得到加水印的音頻，水印嵌入過程結(jié)束。
所述公式(1)還表明嵌入?yún)^(qū)域的傅立葉系數(shù)極徑r滿足a-M/2×R≤r＜aM/2×R，對應(yīng)于直角坐標(biāo)系中水印嵌入?yún)^(qū)域是個(gè)區(qū)間，這樣由公式(1)得到的離散對數(shù)坐標(biāo)范圍為，0≤lρ＜M；按加性嵌入公式(2)或乘性嵌入公式(3)嵌入水印 c(r)＝c(r)+α×W(lρ)(2) c(r)＝c(r)×(1+α×W(lρ))(3) 公式(2)和(3)表明，水印的嵌入不需要對音頻的DFT系數(shù)進(jìn)行內(nèi)插運(yùn)算，所以消除了音頻內(nèi)插插值失真，在傅立葉幅度譜的左半部分根據(jù)傅立葉變換關(guān)于幅度譜中心直流成分點(diǎn)的對稱性對稱嵌入相同的水印。
所述水印提取過程的詳細(xì)做法為 ①對待測音頻進(jìn)行長度為d′的一維離散傅立葉變換，其中d′為待測音頻的長度，并平移直流成分到幅度譜中心。幅度譜中心作為直角坐標(biāo)系原點(diǎn)，把傅立葉系數(shù)幅度譜的上半平面歸一化頻率為fn附近的中頻傅立葉系數(shù)的坐標(biāo)從直角坐標(biāo)變換到離散對數(shù)坐標(biāo)lρ，如公式(4)所示。
R′＝fn×d′(4) Doffset是一個(gè)保證lρ≥0的偏移常數(shù)，如可取M′/2；一般取M′＞M，如可取M′＝2M； ②對具有相同離散對數(shù)坐標(biāo)lρ的傅立葉系數(shù)(這些系數(shù)在直角坐標(biāo)系下位于一個(gè)區(qū)間內(nèi))取平均值，作為傅立葉系數(shù)幅度序列amp(lρ)的一個(gè)元素，這樣可以得到一個(gè)傅立葉系數(shù)幅度序列amp{amp(m)|0≤m＜M′}； ③由于音頻的縮放變換表現(xiàn)為對數(shù)極徑(即lρ方向)方向上的平移，因此將原始模板Tm與幅度序列amp根據(jù)相關(guān)定理進(jìn)行幅度相關(guān)或者相位相關(guān)快速匹配計(jì)算，并根據(jù)最大相關(guān)值確定嵌入水印WT在幅度序列amp中的位置，從而得到與嵌入水印WT同步的幅度序列mp{mp(m)|0≤m＜M}； 將原始模板Tm補(bǔ)0形成與幅度序列amp同樣長度的序列g(shù)(m)，它們之間的平移相關(guān)值是
0≤k＜M′ 這里“ο”表示相關(guān)運(yùn)算；根據(jù)相關(guān)定理，即空域中兩個(gè)函數(shù)的相關(guān)等于它們的DFT頻域系數(shù)乘積的傅立葉反變換，有 r(k)＝amp(m)οg(m)＝IDFT(AMP*(u)G(u))(6) 其中AMP*(u)＝DFT(amp(m))，G(u)＝DFT(g(m))，即AMP(u)、G(u)分別是amp(m)、g(m)的一維傅立葉變換系數(shù)，“*”表示復(fù)數(shù)共軛，所以可以采用下列公式(7)快速計(jì)算相關(guān)值r(k) r(k)＝IDFT[AMP(u)G*(u)](7) 也可計(jì)算平移相位相關(guān)值rφ(k) 其中φAMP(u)是AMP(u)的相角； 由于原始模板序列跟嵌入模板的幅度序列具有相關(guān)性，因此由相關(guān)值序列r(k)的最大值可以確定嵌入水印位置，得到與嵌入水印WT同步的幅度序列mp{mp(m)|0≤m＜M}； ④用原始偽隨機(jī)調(diào)制序列p對mp序列進(jìn)行解擴(kuò)頻調(diào)制，得到有意義的多比特信息。按嵌入Wi時(shí)的位置和順序從mp中取出與Wi對應(yīng)的Np個(gè)傅立葉系數(shù)，并組成一段序列，每段與Np bits的原始PN碼p進(jìn)行相關(guān)，若相關(guān)值大于0，則判決嵌入信息比特為“1”，否則判決嵌入信息比特為“0”。
本發(fā)明方法在音頻的傅立葉幅度系數(shù)中嵌入水印，每個(gè)系數(shù)嵌入的水印數(shù)據(jù)根據(jù)該系數(shù)的離散對數(shù)坐標(biāo)來確定。當(dāng)音頻遭受拉伸、剪裁和DA/AD轉(zhuǎn)換等攻擊時(shí)，在傅立葉離散對數(shù)域幅度系數(shù)和水印信息仍有很強(qiáng)相關(guān)性。檢測提取水印時(shí)，根據(jù)原始模板與嵌入的模板間相關(guān)來重同步信息水印，再提取有意義水印信息比特串，由于在水印嵌入和檢測過程中不需要對音頻或者其傅立葉幅度系數(shù)進(jìn)行音頻內(nèi)插運(yùn)算，因而不會(huì)引入插值失真和節(jié)省了時(shí)間。



圖1是本發(fā)明方法水印嵌入過程的流程圖。
圖2是本發(fā)明方法水印提取過程的流程圖。
圖3是嵌入水印的具體示意圖。通過離散對數(shù)變換建立幅度序列與水印序列的對應(yīng)關(guān)系，再對幅度序列嵌入對應(yīng)的水印比特。
圖4是音頻波形圖，(a)原始音頻；(b)加水印音頻，SNR為47.12dB；(c)加水印音頻經(jīng)揚(yáng)聲器-麥克風(fēng)翻錄的音頻；(d)加水印音頻經(jīng)過隨意裁剪10％的音頻。
圖5是進(jìn)行DA/AD轉(zhuǎn)換的測試環(huán)境，(a)雙聲道揚(yáng)聲器；(b)單聲道揚(yáng)聲器。將含水印的音頻通過揚(yáng)聲器播放麥克風(fēng)錄音，如圖示，每組測試包含4個(gè)測試點(diǎn)，即揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)的距離分別為30cm、100cm、200cm和300cm。
圖6是音頻進(jìn)行DA/AD轉(zhuǎn)換的幅度譜對照圖，曲線1代表含水印音頻，曲線2和3分別代表使用音頻線翻錄的音頻和揚(yáng)聲器-麥克風(fēng)翻錄的音頻。
圖7是音頻受到剪裁攻擊的幅度譜對照圖，曲線1代表含水印音頻，曲線2和3分別代表任意剪裁5％后的音頻和任意剪裁50％后的音頻。

具體實(shí)施例方式 如圖1、2所示分別為本發(fā)明方法水印嵌入和水印提取的流程示意圖。本發(fā)明方法中，嵌入的水印分為模板和有意義信息，在音頻的離散傅立葉幅度系數(shù)中嵌入水印，每個(gè)水印比特嵌入哪些傅立葉幅度系數(shù)中根據(jù)傅立葉幅度系數(shù)的離散對數(shù)坐標(biāo)確定。當(dāng)音頻遭受拉伸、剪裁和DA/AD轉(zhuǎn)換等攻擊時(shí)，在傅立葉離散對數(shù)域幅度系數(shù)和水印信息仍有很強(qiáng)相關(guān)性。檢測提取水印時(shí)，根據(jù)原始模板與嵌入模板的傅立葉離散對數(shù)域幅度系數(shù)之間的相關(guān)來重同步信息水印，再提取有意義水印信息比特串，由于在水印嵌入和檢測過程中不需要對音頻或者其傅立葉幅度系數(shù)進(jìn)行音頻內(nèi)插運(yùn)算，因而不會(huì)引入插值失真和節(jié)省了時(shí)間。作為一種新穎的音頻水印技術(shù)，本發(fā)明可用于數(shù)字音頻所有權(quán)的保護(hù)、廣播監(jiān)控、音頻認(rèn)證等。
在下面的實(shí)例中，利用本方法在20秒的音樂中嵌入72比特的有意義信息，音頻格式wav格式，16位，采樣率為44100，單聲道。圖3所示是嵌入水印的具體示意圖。通過離散對數(shù)變換建立幅度序列與水印序列的對應(yīng)關(guān)系，再對幅度序列嵌入對應(yīng)的水印比特。水印嵌入過程的做法為 1)準(zhǔn)備72比特有意義信息。
2)對有意義比特串進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制。先用密鑰生成數(shù)值為±1的模板信息和偽隨機(jī)序列PN，PN的碼長為32。當(dāng)有意義比特為1時(shí)，該比特被擴(kuò)頻調(diào)制成p的正相序列Wi＝+1×p；當(dāng)有意義比特為0時(shí)，該比特被擴(kuò)頻調(diào)制為-p。把擴(kuò)頻調(diào)制得到的32位序列拼接成一列，所有擴(kuò)頻調(diào)制得到的序列最終長為2304。模板序列T長為1152，它接在前面的信息水印序列后面構(gòu)成長為M＝3456的水印序列WT(如圖3所示)。序列WT的元素wt(m)由雙極性比特“1”和“-1”構(gòu)成。
3)在音頻傅立葉幅度譜的幅度譜中嵌入水印，取fn＝0.2，取a＝21/M。
4)對加水印的傅立葉系數(shù)進(jìn)行逆變換，得到水印音頻，水印音頻SNR＝47.12dB。
水印檢測提取的做法為 1)將待測音頻進(jìn)行DFT變換。
2)取M′＝2M＝6912，將傅立葉系數(shù)的直角坐標(biāo)進(jìn)行離散對數(shù)坐標(biāo)變換。對具有相同離散對數(shù)坐標(biāo)的傅立葉系數(shù)取平均值，平均值作為幅度序列中一個(gè)元素，形成長為M′＝6912的幅度序列amp(m)。
3)將模板序列g(shù)(m)與幅度序列amp(m)根據(jù)相關(guān)定理進(jìn)行相關(guān)匹配快速計(jì)算，并根據(jù)最大相關(guān)匹配值在幅度序列amp(m)中確定嵌有水印的區(qū)域，得到與嵌入水印WT同步的幅度序列mp{mp(m)|0≤m≤M-1}。
4)用原始偽隨機(jī)調(diào)制序列p對amp序列進(jìn)行解擴(kuò)頻調(diào)制，從amp中取出與Wi對應(yīng)的相鄰32個(gè)傅立葉系數(shù)，與32bits的原始PN碼p進(jìn)行相關(guān)，若相關(guān)值大于0，則判決嵌入信息比特為“1”，否則判決嵌入信息比特為“0”。解擴(kuò)之后就得到恢復(fù)的72比特有意義信息，水印提取結(jié)束。
圖4～圖7所示是對嵌有72比特有意義水印的音頻(SNR＝47.12dB)進(jìn)行各種攻擊的檢測。其中圖4是音頻波形圖，(a)原始音頻；(b)加水印音頻，SNR為47.12dB；(c)加水印音頻經(jīng)揚(yáng)聲器-麥克風(fēng)翻錄的音頻；(d)加水印音頻經(jīng)過隨意裁剪10％的音頻。圖5是進(jìn)行DA/AD轉(zhuǎn)換的測試環(huán)境，(a)雙聲道揚(yáng)聲器；(b)單聲道揚(yáng)聲器。將含水印的音頻通過揚(yáng)聲器播放麥克風(fēng)錄音，如圖示，每組測試包含4個(gè)測試點(diǎn)，即揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)的距離分別為30cm、100cm、200cm和300cm。圖6是音頻進(jìn)行DA/AD轉(zhuǎn)換的幅度譜對照圖，曲線1代表含水印音頻，曲線2和3分別代表使用音頻線翻錄的音頻和揚(yáng)聲器-麥克風(fēng)翻錄的音頻。圖7是音頻受到剪裁攻擊的幅度譜對照圖，曲線1代表含水印音頻，曲線2和3分別代表任意剪裁5％后的音頻和任意剪裁50％后的音頻。
以下是對嵌有72比特有意義水印的音頻(SNR＝47.12dB)進(jìn)行各種攻擊的檢測結(jié)果。下列各表中的“Attack Type”表示含水印音頻受到的攻擊類型，“BER”表示錯(cuò)誤提取的比特?cái)?shù)與總比特?cái)?shù)之比。假如采用BCH(72，60)糾錯(cuò)編碼(糾錯(cuò)能力為5個(gè)比特)，則下列表中的“BER”均可以完全糾錯(cuò)而得到?jīng)]有錯(cuò)誤的60比特水印有意義消息。表1為國際公認(rèn)的音頻水印魯棒性測試工具Stirmark forAudio對含水印音頻進(jìn)行攻擊后的檢測結(jié)果。表2為含水印音頻遭受任意剪裁攻擊后的檢測結(jié)果，例如“Cropping(10％)”表示對含水印音頻任意裁剪10％后再進(jìn)行檢測。表3為含水印音頻在時(shí)域和頻域伸縮后的檢測結(jié)果，例如“time stretch80％”為時(shí)域上伸縮音頻到原來長度的80％而保持基本頻率不變，“pitch shift80％”的效果為音頻的各基本頻率變?yōu)樵瓉淼?0％而保持時(shí)間長度不變，“resample 80％”為以原來80％的采樣率對音頻重采樣，故音頻長度和基本頻率發(fā)生變化。表4為音頻進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后的檢測結(jié)果，包括量化精度轉(zhuǎn)換，如“16bit->8bit”即每個(gè)樣本由16位變成8位表示，采樣率轉(zhuǎn)換，如“44.1kHz->8kHz”，MP3壓縮，如“Mp3，48Kbps，44100Hz”表示采樣率44100Hz并且碼速為48kbps的MP3壓縮。表5為DA/AD轉(zhuǎn)換后的檢測結(jié)果，即含水印音頻通過揚(yáng)聲器播放使用麥克風(fēng)翻錄，“單聲道”表示單個(gè)揚(yáng)聲器，“雙聲道”表示立體聲揚(yáng)聲器，“30cm”表示麥克風(fēng)與揚(yáng)聲器的距離。
表1 Stirmark for Audio的測試結(jié)果 表2任意剪裁攻擊的結(jié)果 表3 TSM拉伸攻擊的結(jié)果 表4 格式轉(zhuǎn)換攻擊的結(jié)果 表5 DA/AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果
權(quán)利要求
1、一種基于傅立葉離散對數(shù)坐標(biāo)變換的穩(wěn)健音頻水印方法，本方法包括水印嵌入和水印提取兩大過程，其特征在于，所述水印嵌入過程的具體步驟為
a.根據(jù)所需嵌入的多比特水印，計(jì)算得到待嵌入的水印矩陣；水印包括多比特的有意義信息序列和模板序列；
b.對宿主音頻做一維離散傅立葉變換，并平移直流成分到幅度譜中央，然后將步驟a中的水印矩陣嵌入所得的傅立葉系數(shù)幅度譜內(nèi)；
c.對嵌入水印后的傅立葉系數(shù)進(jìn)行逆傅立葉變換，得到加水印的音頻，水印嵌入過程結(jié)束；
所述水印提取是水印嵌入的逆過程，具體步驟如下
d.對待測音頻進(jìn)行一維離散傅立葉變換，并平移直流成分到幅度譜中心；
e.對具有相同離散對數(shù)極坐標(biāo)的傅立葉系數(shù)取平均值，得到一個(gè)二維的傅立葉系數(shù)幅度矩陣；
f.根據(jù)原始模板與幅度矩陣計(jì)算得到與嵌入水印同步的幅度矩陣；
g.用原始偽隨機(jī)調(diào)制序列對步驟f中得到的幅度矩陣進(jìn)行解擴(kuò)頻調(diào)制，得到有意義的多比特水印信息。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的穩(wěn)健音頻水印方法，其特征是所述水印嵌入過程的詳細(xì)做法為
①確定要嵌入的水印矩陣；水印包括L比特的有意義信息序列m{m(i)，i＝0，...，L-1，m(i)∈{0，1}}和模板序列T，用密鑰key生成長度為Np的雙極性的偽隨機(jī)調(diào)制序列p＝{pj；j＝0，...，Np-1}(pj∈{-1，1})和長度為NT的模板序列T{Tn；n＝0...NT-1，}(Tn∈{-1，1})，對有意義比特信息的每一比特進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制。如果有意義信息比特m(i)是“1”，則把它擴(kuò)頻調(diào)制為p的同相序列并得到擴(kuò)頻序列，如果有意義信息比特m(i)是“-1”，則把它擴(kuò)頻調(diào)制為p的反相序列，即Wi＝-1×p，得到待嵌入的二進(jìn)制信息水印數(shù)據(jù)W{wi；0≤i≤L×Np-1}；記M＝L×Np+NT，把擴(kuò)頻序列Wi和模板序列T按順序排成一個(gè)長為M的水印序列WT{wt(m)；0≤m≤M-1}，這樣每個(gè)有意義信息比特調(diào)制生成的擴(kuò)頻序列占用序列WT的Np個(gè)位置，模板序列T也按順序存放在序列WT的最后NT個(gè)位置構(gòu)成原始模板Tm，序列WT的元素wt(m)由雙極性比特“1”和“-1”構(gòu)成；
②對宿主音頻做長度為d的一維離散傅立葉變換，其中d為宿主音頻的長度，將直流成分移到傅立葉幅度譜的中央，并且幅度譜中心作為直角坐標(biāo)系原點(diǎn)，在傅立葉系數(shù)幅度譜的右半部分中嵌入水印，嵌入?yún)^(qū)域位于傅立葉系數(shù)幅度譜的歸一化頻率值為fn的中頻附近，把嵌入?yún)^(qū)域的傅立葉系數(shù)的坐標(biāo)r按公式(1)變換成離散對數(shù)坐標(biāo)lρ；
R＝fn×d(1)
其中r是該幅值點(diǎn)到對應(yīng)于傅立葉幅度譜中心點(diǎn)(直流成分點(diǎn))的距離，a是一個(gè)大于1而接近于1的常數(shù)，如可取a＝21/M、a＝22/M或者a＝24/M等；R是對數(shù)坐標(biāo)
的原點(diǎn)，一般取R對應(yīng)的歸一化頻率值fn接近中頻的位置，如取fn＝0.2，這樣R＝fn×d＝0.2×d，Doffset是一個(gè)保證lρ≥0的偏移常數(shù)，如可取M/2；式中floor()函數(shù)表示向下取整函數(shù)；
③對加入水印后的傅立葉系數(shù)進(jìn)行逆傅立葉變換，得到加水印的音頻，水印嵌入過程結(jié)束。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的穩(wěn)健音頻水印方法，其特征是所述公式(1)還表明嵌入?yún)^(qū)域的傅立葉系數(shù)極徑r滿足a-M/2×R≤r＜aM/2×R，對應(yīng)于直角坐標(biāo)系中水印嵌入?yún)^(qū)域是個(gè)區(qū)間，這樣由公式(1)得到的離散對數(shù)坐標(biāo)范圍為，0≤lρ＜M；按加性嵌入公式(2)或乘性嵌入公式(3)嵌入水印
c(r)＝c(r)+α×W(lρ)(2)
c(r)＝c(r)×(1+α×W(lρ))(3)
公式(2)和(3)表明，水印的嵌入不需要對音頻的DFT系數(shù)進(jìn)行內(nèi)插運(yùn)算，所以消除了音頻內(nèi)插插值失真，在傅立葉幅度譜的左半部分根據(jù)傅立葉變換關(guān)于幅度譜中心直流成分點(diǎn)的對稱性對稱嵌入相同的水印。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的穩(wěn)健音頻水印方法，其特征是所述水印提取過程的詳細(xì)做法為
①對待測音頻進(jìn)行長度為d′的一維離散傅立葉變換，其中d′為待測音頻的長度，并平移直流成分到幅度譜中心。幅度譜中心作為直角坐標(biāo)系原點(diǎn)，把傅立葉系數(shù)幅度譜的上半平面歸一化頻率為fn附近的中頻傅立葉系數(shù)的坐標(biāo)從直角坐標(biāo)變換到離散對數(shù)坐標(biāo)lρ，如公式(4)所示。
R′＝fn×d′(4)
Doffset是一個(gè)保證lρ≥0的偏移常數(shù)，如可取M′/2；一般取M′＞M，如可取M′＝2M；
②對具有相同離散對數(shù)坐標(biāo)lρ的傅立葉系數(shù)(這些系數(shù)在直角坐標(biāo)系下位于一個(gè)區(qū)間內(nèi))取平均值，作為傅立葉系數(shù)幅度序列amp(lp)的一個(gè)元素，這樣可以得到一個(gè)傅立葉系數(shù)幅度序列amp{amp(m)|0≤m＜M′}；
③由于音頻的縮放變換表現(xiàn)為對數(shù)極徑(即lp方向)方向上的平移，因此將原始模板Tm與幅度序列amp根據(jù)相關(guān)定理進(jìn)行幅度相關(guān)或者相位相關(guān)快速匹配計(jì)算，并根據(jù)最大相關(guān)值確定嵌入水印WT在幅度序列amp中的位置，從而得到與嵌入水印WT同步的幅度序列mp{mp(m)|0≤m＜M}；
將原始模板amp補(bǔ)0形成與幅度序列amp同樣長度的序列g(shù)(m)，它們之間的平移相關(guān)值是
0≤k＜M′
這里“о”表示相關(guān)運(yùn)算；根據(jù)相關(guān)定理，即空域中兩個(gè)函數(shù)的相關(guān)等于它們的DFT頻域系數(shù)乘積的傅立葉反變換，有
r(k)＝amp(m)оg(m)＝IDFT(AMP*(u)G(u))(6)
其中AMP(u)＝DFT(amp(m))，G(u)＝DFT(g(m))，即AMP(u)、G(u)分別是amp(m)、g(m)的一維傅立葉變換系數(shù)，“*”表示復(fù)數(shù)共軛，所以可以采用下列公式(7)快速計(jì)算相關(guān)值r(k)
r(k)＝IDFT[AMP(u)G*(u)](7)
也可計(jì)算平移相位相關(guān)值rφ(k)
rφ(k)＝IFFT[AMPφ(u)G*(u)]，
其中φAMP(u)是AMP(u)的相角；
由于原始模板序列跟嵌入模板的幅度序列具有相關(guān)性，因此由相關(guān)值序列r(k)的最大值可以確定嵌入水印位置，得到與嵌入水印WT同步的幅度序列mp{mp(m)|0≤m＜M}；
④用原始偽隨機(jī)調(diào)制序列p對mp序列進(jìn)行解擴(kuò)頻調(diào)制，得到有意義的多比特信息。按嵌入Wi時(shí)的位置和順序從mp中取出與Wi對應(yīng)的Np個(gè)傅立葉系數(shù)，并組成一段序列，每段與Np bits的原始PN碼p進(jìn)行相關(guān)，若相關(guān)值大于0，則判決嵌入信息比特為“1”，否則判決嵌入信息比特為“0”。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種新穎的穩(wěn)健音頻水印方法，嵌入的水印分為模板和有意義信息，本發(fā)明在音頻的離散傅立葉幅度系數(shù)中嵌入水印，每個(gè)水印比特嵌入哪些傅立葉幅度系數(shù)中根據(jù)傅立葉幅度系數(shù)的離散對數(shù)坐標(biāo)確定。當(dāng)音頻遭受拉伸、剪裁和DA/AD轉(zhuǎn)換等攻擊時(shí)，在傅立葉離散對數(shù)域幅度系數(shù)和水印信息仍有很強(qiáng)相關(guān)性。檢測提取水印時(shí)，根據(jù)原始模板與嵌入模板的傅立葉離散對數(shù)域幅度系數(shù)之間的相關(guān)來重同步信息水印，再提取有意義水印信息比特串，由于在水印嵌入和檢測過程中不需要對音頻或者其傅立葉幅度系數(shù)進(jìn)行音頻內(nèi)插運(yùn)算，因而不會(huì)引入插值失真和節(jié)省了時(shí)間。作為一種新穎的音頻水印技術(shù)，本發(fā)明可用于數(shù)字音頻所有權(quán)的保護(hù)、音頻認(rèn)證和廣播監(jiān)控等。
文檔編號(hào)G06F17/14GK101101754SQ20071002878
公開日2008年1月9日 申請日期2007年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月25日
發(fā)明者康顯桂, 銳 楊, 黃繼武 申請人:中山大學(xué)