基于鲁棒QR分解的剪切波域音频水印嵌入及检测方法

摘要

本发明公开一种基于鲁棒QR分解的剪切波域音频水印嵌入及检测方法，利用非下采样剪切波变换良好的频域局部化特征、多方向性、平移不变性以及接近最优的稀疏表示能力，并且分解后各子带音频与原始音频具有相同的长度，加上QR分解良好的数值稳定性，其分解得到的R矩阵为一个上三角稳定矩阵，将水印嵌入在R矩阵的上三角内，再结合同步码技术。实验结果表明：本发明既能够抵抗常规的信号处理，又可有效抵抗去同步攻击，具有良好的不可感知性和鲁棒性。此外，还具有设计简单、易于实现等优点。

说明书

技术领域

本发明属于数字音频水印技术领域，尤其是一种既能够抵抗常规的信号处理，又 可有效抵抗去同步攻击的基于鲁棒QR分解的剪切波域音频水印嵌入及检测方法。

背景技术

数字水印（DigitalWatermarking）是一种可以在开放网络环境下保护版权和认 证来源及完整性的新技术。音频水印技术，就是将具有特定意义的标记（水印），利用数据嵌 入的方法隐藏在数字音频产品中，用以证明创作者对其作品的所有权，并作为鉴定、起诉非 法侵权的依据，同时通过对水印的检测和分析保证数字信息的完整可靠性，从而成为知识 产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。数字音频水印必然会受到各种形式的攻击，对水 印系统的攻击分为常规攻击和去同步攻击。常规攻击包括添加噪声、重新采样、滤波、MP3压 缩等，它会造成水印信号能量的减少；去同步攻击包括抖动攻击、幅度变化、声调变化、剪 切、时间尺度缩放等，这些攻击操作会造成原始水印和提取出的水印产生同步错误，因此检 测不出来准确的水印。

现在的数字音频水印方法大致可以分为时域和变换域两大类。时域是通过修改宿 主音频信号的时域采样值而嵌入水印，该类方法的抗攻击能力比较差，而且水印容量小。变 换域是通过修改宿主音频信号的变换域系数进行水印嵌入，常用的变换有离散傅里叶变换 （DFT）、离散余弦变换（DCT）、离散小波变换（DWT）和提升小波变换（LWT）等，该类方法不仅抗 攻击能力强，水印容量大，而且与数据压缩标准兼容。其中对于变换域中的剪切波变换是由 Guo等人在2007年构造出来的，该方法不仅能产生最优逼近，而且具有离散化的实现，目前 在图像去噪、图像融合以及目标边缘检测等领域有了一定研究成果。但是，现有绝大多数音 频水印算法仅仅能够对抗常规的信号处理，而无法有效抵抗去同步攻击。

发明内容

本发明是为了解决现有技术所存在的上述技术问题，提供一种既能够抵抗常规的 信号处理，又可有效抵抗去同步攻击的基于鲁棒QR分解的剪切波域音频水印嵌入及检测方 法。

本发明的技术解决方案是：一种基于鲁棒QR分解的剪切波域音频水印嵌入方法， 其特征在于按照如下步骤进行：

步骤11：水印编码：将二值水印图像置乱加密为安全水印矩阵，其中

再对其进行降维处理，即将二维水印图像转换为一维二进制水印序列：

最后按照下式，对进行BPSK调制映射，以得到一维的{-1,1}反相序列：

；

步骤12：根据数字水印与同步码大小，对原始音频载体进行分段，然后利用时间域音频 样本统计特性嵌入同步码，具体如下：

步骤121：将按同步码长度分成段，每一段含有个音频样本， 即

；

步骤122：计算的平均值，即

；

步骤123：采用量化方法嵌入同步码，即对每一段，修改其均值，以 嵌入一位同步码，修改策略为:

其中，为修改前音频样本值，为修改后的音频样本值，且有

=,

其中，为取模运算，为量化步长；

步骤13：水印信号的嵌入：

步骤131：将音频后半部分映射成二维矩阵的形式，并进行非下采样剪切波变换得到 低频子带；

步骤132：根据水印的长度对低频子带分块，并对每小块矩阵进行QR分解得到一个上三 角矩阵R；

步骤133：选择R矩阵的第一行元素进行水印嵌入，修改强度和的大小由水印信息 位决定，公式如下：

其中为量化步长；

步骤134：由和计算出量化结果和，公式如下：

其中，floor(.)为向下取整，ceil(.)为向上取整，为量化步 长，C为R矩阵的第一行元素系数；

步骤135：将水印嵌入在R矩阵的第一行系数中，公式如下：

其中C为选择嵌入水印的系数，为修改的系数，abs(.)取绝对值；

步骤136：用代替R矩阵的第一行元素系数C，进行逆QR分解得到含水印的子块，然后 将所有含水印的子块重构回去得到含水印的低频子带，再利用非下采样逆剪切波变换，将 含水印的低频子带系数与高频子带系数合并，得到含水印的二维形式音频，最后还原为一 维形式的音频，再重构到原来的音频数据段当中得到含水印的数字音频；

步骤14：重复步骤2～步骤3对其它音频数据段进行同步码与水印信息的嵌入。

一种与上述嵌入方法对应的基于鲁棒QR分解的剪切波域音频水印检测方法，其特 征在于按照如下步骤

步骤21：采用通讯领域中的帧同步码逐位比较方式查找同步码，根据检测到的同步码， 以两个相邻同步码之间的音频数据段作为待提取水印的侯选音频数据段；

步骤22：水印信号的提取，具体如下：

步骤221：对获得的含水印音频数据段映射成二维形式并进行非下采样剪切波变换得 到低频子带，对低频子带进行分块，然后对每个子块进行QR分解得到一个上三角矩阵；

步骤222：选择矩阵的第一行元素进行水印提取，公式如下：

其中，ceil(.)为向上取整，为矩阵的第一行元素系数，为 量化步长，为模运算函数；

步骤23：重复步骤21～步骤22，对每个相邻同步码间的音频水印数据段进行水印提取， 并利用“择多原则”求出最优水印信息：

；

步骤24：水印解码：

对所有提取最优水印信息进行解调BPSK调制，得到二进制序列：

；

对进行升维处理，得到水印图像矩阵，再对进行逆置乱解密，得到所提取的 二值图像水印：

。

本发明利用非下采样剪切波变换良好的频域局部化特征、多方向性、平移不变性 以及接近最优的稀疏表示能力，并且分解后各子带音频与原始音频具有相同的长度，加上 QR分解良好的数值稳定性，其分解得到的R矩阵为一个上三角稳定矩阵，将水印嵌入在R矩 阵的上三角内，再结合同步码技术，设计出了一种基于鲁棒QR分解的剪切波域音频水印嵌 入及检测方法。实验结果表明：本发明既能够抵抗常规的信号处理，又可有效抵抗去同步攻 击，具有良好的不可感知性和鲁棒性。此外，还具有设计简单、易于实现等优点。

附图说明

图1是本发明实施例原始音频的波形图。

图2是本发明实施例嵌入水印后音频的波形图。

具体实施方式

一种基于鲁棒QR分解的剪切波域音频水印嵌入方法，其特征在于按照如下步骤进 行：

步骤11：水印编码：将二值水印图像置乱加密为安全水印矩阵，其中

为了便于将二维水印图像嵌入到一维音频信号中，再对其进行降维处理，即将二维水 印图像转换为一维二进制水印序列：

最后按照下式，对进行BPSK调制映射，以得到一维的{-1,1}反相序列：

；

步骤12：根据数字水印与同步码大小，对原始音频载体进行分段，然后利用时间域音频 样本统计特性嵌入同步码，具体如下：

步骤121：将按同步码长度分成段，每一段含有个音频样本， 即

；

步骤122：计算的平均值，即

；

步骤123：采用量化方法嵌入同步码，即对每一段，修改其均值，以嵌入 一位同步码，修改策略为:

其中，为修改前音频样本值，为修改后的音频样本值，且有

=,

其中，为取模运算，为量化步长；

步骤13：水印信号的嵌入：

步骤131：将音频后半部分映射成二维矩阵的形式，并进行非下采样剪切波变换得到 低频子带；

步骤132：根据水印的长度对低频子带分块，并对每小块矩阵进行QR分解得到一个上三 角矩阵R；

步骤133：选择R矩阵的第一行元素进行水印嵌入，修改强度和的大小由水印信息 位决定，公式如下：

其中为量化步长；

步骤134：由和计算出量化结果和，公式如下：

其中，floor(.)为向下取整，ceil(.)为向上取整，为量化 步长，C为R矩阵的第一行元素系数；

步骤135：将水印嵌入在R矩阵的第一行系数中，公式如下：

其中C为选择嵌入水印的系数，为修改的系数，abs(.)取绝对值；

步骤136：用代替R矩阵的第一行元素系数C，进行逆QR分解得到含水印的子块，然后 将所有含水印的子块重构回去得到含水印的低频子带，再利用非下采样逆剪切波变换，将 含水印的低频子带系数与高频子带系数合并，得到含水印的二维形式音频，最后还原为一 维形式的音频，再重构到原来的音频数据段当中得到含水印的数字音频；

步骤14：重复步骤2～步骤3对其它音频数据段进行同步码与水印信息的嵌入。

一种与上述嵌入方法对应的基于鲁棒QR分解的剪切波域音频水印检测方法，其特 征在于按照如下步骤

步骤21：采用通讯领域中的帧同步码逐位比较方式查找同步码，根据检测到的同步码， 以两个相邻同步码之间的音频数据段作为待提取水印的侯选音频数据段；

步骤22：水印信号的提取，具体如下：

步骤221：对获得的含水印音频数据段映射成二维形式并进行非下采样剪切波变换得 到低频子带，对低频子带进行分块，然后对每个子块进行QR分解得到一个上三角矩阵；

步骤222：选择矩阵的第一行元素进行水印提取，公式如下：

其中，ceil(.)为向上取整，为矩阵的第一行元素系数，为 量化步长，为模运算函数；

步骤23：重复步骤21～步骤22，对每个相邻同步码间的音频水印数据段进行水印提取， 并利用“择多原则”求出最优水印信息：

；

步骤24：水印解码：

对所有提取最优水印信息进行解调BPSK调制，得到二进制序列：

；

对进行升维处理，得到水印图像矩阵，再对进行逆置乱解密，得到所提取的二 值图像水印：

。

本发明实施例原始音频的波形图如图1所示，是本发明实施例嵌入水印后音频的 波形图如图2所示，可以看出本发明实施例嵌入水印后音频与原始音频差别很小，即本发明 具有很好的感知透明性。

本发明实施例与现有技术数字水印对常规信号处理的抵抗能力对比如表1。

本发明实施例与现有技术数字水印对去同步攻击的抵抗能力对比如表2。

表1数字水印对常规信号处理的抵抗能力

表2数字水印对去同步攻击的抵抗能力

结果表明：本发明实施例既能够抵抗常规的信号处理，又可有效抵抗去同步攻击，具有 良好的鲁棒性。