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1、(10)申请公布号 CN 102855877 A (43)申请公布日 2013.01.02 CN 102855877 A *CN102855877A* (21)申请号 201210348906.3 (22)申请日 2012.09.19 G10L 19/018(2013.01) (71)申请人 武汉大学 地址 430072 湖北省武汉市武昌区珞珈山武 汉大学 (72)发明人 胡瑞敏 李彩容 涂卫平 (74)专利代理机构 武汉科皓知识产权代理事务 所 ( 特殊普通合伙 ) 42222 代理人 严彦 (54) 发明名称 一种抗 DA/AD 变换的音频水印方法 (57) 摘要 一种针对抗 DA/AD 。
2、攻击的数字音频水印方 法 ： 水印嵌入部分， 首先对音频信号进行分帧处 理， 对得到的帧信号进行离散小波分解， 在细节 子带系数上叠加 Chirp 信号， 然后计算细节子带 系数的时频变换， 并进行 Randon 变换， 根据相邻 帧 Randon 变换的统计矩大小关系完成水印嵌入， 最后进行逆小波变换还原得到时域音频信号。在 水印提取部分， 首先对音频信号进行分帧处理， 进 行离散小波分解， 然后对所得细节子带系数进行 时频变换， 再对所得时频变换系数进行 Randon 变 换， 计算其统计矩， 根据相邻帧矩的大小提取嵌入 水印比特。该方法具有水印提取率高， 性能稳健， 算法复杂性低、 计算。
3、开销小等特点。 本发明可用于 公共信息传播场景的数字音频版权保护领域， 具 有广阔的应用前景。 (51)Int.Cl. 权利要求书 3 页 说明书 6 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 3 页 说明书 6 页 附图 1 页 1/3 页 2 1. 一种抗 DA/AD 变换的音频数字水印方法， 其特征在于 ： 包括数字水印嵌入过程和数 字水印提取过程， 所述数字水印嵌入过程， 包括首先对音频信号进行分帧处理， 对得到的帧信号进行离 散小波分解， 在所得细节子带系数上叠加 Chirp 信号， 然后计算细节子带系数的时频变换， 并对所得时频变换系。
4、数进行 Randon 变换， 根据相邻帧 Randon 变换的统计矩大小关系完成 水印嵌入， 最后进行逆小波变换还原得到时域音频信号 ； 所述数字水印提取过程， 包括首先对音频信号进行分帧处理， 对得到的帧信号进行离 散小波分解， 然后对所得细节子带系数进行时频变换， 再对所得时频变换系数进行 Randon 变换， 计算其统计矩， 根据相邻帧矩的大小提取嵌入水印比特。 2. 根据权利要求 1 所述抗 DA/AD 变换的音频数字水印方法， 其特征在于 ： 所述数字水 印嵌入过程包括以下步骤， 步骤 1.1， 设长度为 L 的音频信号用 xi 表示， 其中， 1 i L ； 对音频信号进行分帧 处。
5、理， 帧长为 N， 每帧信号用 xnj 表示， 其中， 1 j N, 步骤 1.2， 对每帧信号 xnj 进行 1 级离散小波分解得到小波子带系数， 小波子带系 数包括细节子带系数和逼近子带系数 ； 取细节子带系数， 用表示， 其中 1 k ld， ld为细节子带系数长度 ； 步骤 1.3， 产生 Chirp 信号 c(l) 如下， c(l) chirp(T,F0,T1,F1) 其中， chirp(.) 为 Chirp 信号产生函数， 用于生成线性频率信号， 1 l ld； 在起始 时刻0时的瞬时频率参数为F0， 在终止时刻T1时的瞬时频率参数为F1； Chirp信号中样点的 时间序列记为 T。
6、， T 的长度等于步骤 1.2 所得细节子带系数长度 ld； 步骤 1.4， 将步骤 1.3 所得 Chirp 信号分别嵌入到相邻两帧信号的细节子带系数 上， 其中，1 k ld， 1 l ld， 为调节因子 ； 步骤 1.5， 根据步骤 1.4 得到的细节子带系数， 先计算时频变换， 然后对得到的时频变 换系数进行 radon 变换， 其中， PWD(.) 是伪维格纳分布变换函数， radon(.) 是拉东变换函数， 为角度参数， 取 值 0.180 ； Rm,Rm+1是拉东变换系数， 向量 xpm， xpm+1是极坐标矢量系数 ； 步骤 1.6， 根据步骤 1.5 得到的拉东变换系数计算相。
7、邻两帧信号的统计矩 Mm和 Mm+1， 权 利 要 求 书 CN 102855877 A 2 2/3 页 3 其中，和分别是向量 xpm和 xpm+1的质心， Rm() 和 Rm+1() 是拉东变换系数 Rm， Rm+1的列向量， 表示对应 角度的拉东变换系数 ； 步骤 1.7， 产生新的 Chirp 信号， 用 c1(l) 表示如下 ： c1(l) chirp(T,F0,T1,F2) 其中， chirp(.) 为 Chirp 信号产生函数， 用于生成线性频率信号 ； 1 l ld， 在起始 时刻 0 时的瞬时频率参数为 F0， 在终止时刻 T1时的瞬时频率参数为 F2， F1 F2； 步骤 。
8、1.8， 设音频信号 xi 中第 m、 m+1 位嵌入的水印信号为 w， w 的取值为 0 或 1 ； 根 据水印信号 w 对当前的细节子带系数进行嵌入操作， if(w 1)and(Mm Mm+1) if(w 0)and(Mm Mm+1) 其中，1 k ld， 1 l ld； 步骤 1.9， 当 w 1 且 Mm Mm+1或当 w 0 且 Mm Mm+1， 进入步骤 1.10， 否则返回步骤 1.5 ； 步骤 1.10， 对嵌入水印比特后的小波子带系数进行逆小波变换， 还原得到时域信号。 3. 根据权利要求 2 所述抗 DA/AD 变换的音频数字水印方法， 其特征在于 ： 所述数字水 印提取过。
9、程包括以下步骤， 步骤 2.1， 设长度为 L 的音频信号用 xi 表示， 其中， 1 i L ； 对音频信号进行分帧 处理， 帧长为 N， 每帧信号用 xnj 表示， 其中， 1 j N, 步骤 2.2， 对每帧信号 xnj 进行 1 级离散小波分解得到小波子带系数， 小波子带系 数包括细节子带系数和逼近子带系数 ； 取细节子带系数， 用表示， 其中 1 k ld， ld为细节子带系数长度 ； 步骤 2.3， 根据步骤 2.2 得到的细节子带系数， 先计算相邻两帧信号的时频变换， 然后 对得到的时频变换系数进行 radon 变换， 其中， PWD(.) 是伪维格纳分布变换函数， radon(。
10、.) 是拉东变换函数， 为角度 参数， 取值 0.180， Rm， Rm+1是拉东变换系数， 向量 xpm， xpm+1是极坐标矢量系数， 1 k ld； 权 利 要 求 书 CN 102855877 A 3 3/3 页 4 步骤 2.4， 根据步骤 2.3， 得到的拉东变换系数计算相邻两帧信号的统计矩， 分别用 Mm 和 Mm+1表示 ； 其中，和分别是向量 xpm和 xpm+1的质心， Rm() 和 Rm+1() 是拉东变换系数 Rm， Rm+1的列向量 ； 步骤 2.5， 根据步骤 2.4 计算得到的统计矩 Mm和 Mm+1大小关系提取水印信号， ifMm Mm+1d(m) 1 ifMm。
11、 Mm+1d(m) 0 d(m) 为水印信号提取结果， 权 利 要 求 书 CN 102855877 A 4 1/6 页 5 一种抗 DA/AD 变换的音频水印方法 技术领域 0001 本发明涉及音频数字水印领域， 具体的说， 本发明提出了一种抗 DA/AD 变换的音 频水印方法。 背景技术 0002 在公共信息传播场合， 如广播电视、 电影和音乐演唱会等， 音频的版权管理和安全 传输非常重要。如果采用传统的数字水印技术， 常受到数模转换 / 模数转换攻击， 如何设计 有效抵抗 DA/AD 的水印方法具有重要的现实意义和应用价值。 发明内容 0003 本发明所要解决的技术问题在于提供一种针对音。
12、频载体的抗 DA/AD 攻击的数字 水印方法， 能够实现对水印信息的可靠嵌入， 并在 DA/AD 攻击条件下能有效提取水印信息， 正确提取率高， 具有广泛的应用前景。 0004 本发明的技术方案为一种抗 DA/AD 变换的音频数字水印方法， 所述方法包括数字 水印嵌入过程和数字水印提取过程， 0005 所述数字水印嵌入过程， 包括首先对音频信号进行分帧处理， 对得到的帧信号进 行离散小波分解， 在所得细节子带系数上叠加 Chirp 信号， 然后计算细节子带系数的时频 变换， 并对所得时频变换系数进行Randon变换， 根据相邻帧Randon变换的统计矩大小关系 完成水印嵌入， 最后进行逆小波变。
13、换还原得到时域音频信号 ； 0006 所述数字水印提取过程， 包括首先对音频信号进行分帧处理， 对得到的帧信号进 行离散小波分解， 然后对所得细节子带系数进行时频变换， 再对所得时频变换系数进行 Randon 变换， 计算其统计矩， 根据相邻帧矩的大小提取嵌入水印比特。 0007 而且， 所述数字水印嵌入过程包括以下步骤， 0008 步骤 1.1， 设长度为 L 的音频信号用 xi 表示， 其中， 1 i L ； 对音频信号进行 分帧处理， 帧长为 N， 每帧信号用 xnj 表示， 其中， 1 j N, 0009 步骤 1.2， 对每帧信号 xnj 进行 1 级离散小波分解得到小波子带系数， 。
14、小波子带 系数包括细节子带系数和逼近子带系数 ； 取细节子带系数， 用表示， 其中 1 k ld， ld为细节子带系数长度 ； 0010 步骤 1.3， 产生 Chirp 信号 c(l) 如下， 0011 c(l) chirp(T,F0,T1,F1) 0012 其中， chirp(.) 为 Chirp 信号产生函数， 用于生成线性频率信号， 1 l ld； 在 起始时刻0时的瞬时频率参数为F0， 在终止时刻T1时的瞬时频率参数为F1； Chirp信号中样 点的时间序列记为 T， T 的长度等于步骤 1.2 所得细节子带系数长度 ld； 0013 步骤 1.4， 将步骤 1.3 所得 Chirp。
15、 信号分别嵌入到相邻两帧信号的细节子带系数 上， 说 明 书 CN 102855877 A 5 2/6 页 6 0014 0015 0016 其中，1 k ld， 1 l ld， 为调节因子 ； 0017 步骤 1.5， 根据步骤 1.4 得到的细节子带系数， 先计算时频变换， 然后对得到的时 频变换系数进行 radon 变换， 0018 0019 0020 0021 0022 其中， PWD(.) 是伪维格纳分布变换函数， radon(.) 是拉东变换函数， 为角度参 数， 取值 0.180 ； Rm， Rm+1是拉东变换系数， 向量 xpm， xpm+1是极坐标矢量系数 ； 步骤 1.6，。
16、 根据步骤 1.5 得到的拉东变换系数计算相邻两帧信号的统计矩 Mm和 Mm+1， 0023 0024 0025 其中，和分别是向量 xpm和 xpm+1的质心， Rm() 和 Rm+1() 是拉东变换系 数 Rm， Rm+1的列向量， 表示对应 角度的拉东变换系数 ； 0026 步骤 1.7， 产生新的 Chirp 信号， 用 c1(l) 表示如下 ： 0027 c1(l) chirp(T,f0,T1,F2) 0028 其中， chirp(.) 为 Chirp 信号产生函数， 用于生成线性频率信号 ； 1 l ld， 在 起始时刻 0 时的瞬时频率参数为 F0， 在终止时刻 T1时的瞬时频率。
17、参数为 F2， F1 F2； 0029 步骤 1.8， 设音频信号 xi 中第 m、 m+1 位嵌入的水印信号为 w， w 的取值为 0 或 1 ； 根据水印信号 w 对当前的细节子带系数进行嵌入操作， 0030 if(w 1)and(Mm Mm+1) 0031 0032 if(w 0)and(Mm Mm+1) 0033 0034 其中，1 k ld， 1 l ld； 0035 步骤 1.9， 当 w 1 且 Mm Mm+1或当 w 0 且 Mm Mm+1， 进入步骤 1.10， 否则返回 步骤 1.5 ； 步骤 1.10， 对嵌入水印比特后的小波子带系数进行逆小波变换， 还原得到时域信 号。。
18、 0036 而且， 所述数字水印提取过程包括以下步骤， 步骤 2.1， 设长度为 L 的音频信号用 xi 表示， 其中， 1 i L ； 对音频信号进行分帧处理， 帧长为 N， 每帧信号用 xnj 表示， 其中， 1 j N, 0037 步骤 2.2， 对每帧信号 xnj 进行 1 级离散小波分解得到小波子带系数， 小波子带 说 明 书 CN 102855877 A 6 3/6 页 7 系数包括细节子带系数和逼近子带系数 ； 取细节子带系数， 用表示， 其中 1 k ld， ld为细节子带系数长度 ； 0038 步骤 2.3， 根据步骤 2.2 得到的细节子带系数， 先计算相邻两帧信号的时频变。
19、换， 然后对得到的时频变换系数进行 radon 变换， 0039 0040 0041 0042 0043 其中， PWD(.) 是伪维格纳分布变换函数， radon(.) 是拉东变换函数， 为角 度参数， 取值 0.180， Rm， Rm+1是拉东变换系数， 向量 xpm， xpm+1是极坐标矢量系数， 1 k ld； 0044 步骤 2.4， 根据步骤 2.3， 得到的拉东变换系数计算相邻两帧信号的统计矩， 分别 用 Mm和 Mm+1表示 ； 0045 0046 0047 其中，和分别是向量 xpm和 xpm+1的质心， Rm() 和 Rm+1() 是拉东变换系 数 Rm， Rm+1的列向量。
20、 ； 0048 步骤 2.5， 根据步骤 2.4 计算得到的统计矩 Mm和 Mm+1大小关系提取水印信号， 0049 ifMm Mm+1d(m) 1 0050 ifMm Mm+1d(m) 0 0051 d(m) 为水印信号提取结果， 0052 本发明是一种针对 DA/AD 攻击的音频数字水印方法， 具有水印提取率高， 对多种 类型的音频文件测试， 性能稳健 ； 算法复杂性低、 计算开销小。 附图说明 0053 图 1 是本发明实施例的水印嵌入流程图。 0054 图 2 是本发明实施例的水印提取流程图。 具体实施方式 0055 以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。 0056 参见图 1，。
21、 实施例的数字水印嵌入部分 ： 首先对音频信号进行分帧处理， 对得到的 帧信号进行离散小波分解， 在所得细节子带系数上叠加 Chirp 信号， 然后计算细节子带系 数的时频变换， 并对所得时频变换系数进行 Randon 变换， 根据相邻帧 Randon 变换的统计 矩大小关系完成水印嵌入， 最后进行逆小波变换还原得到时域音频信号。具体嵌入步骤如 下 ： 说 明 书 CN 102855877 A 7 4/6 页 8 0057 （1） 设长度为 L 的音频信号用 xi 表示， 其中， 1 i L。i 即音频信号中样点 的索引， xi 表示长度为 L 的音频信号第 i 个样点值。对音频信号进行分帧处。
22、理， 帧长为 N， 每帧信号用 xnj 表示， 其中， 1 j N,j 即帧信号中样点的索引， n 为 帧数的索引， xnj 表示第 n 帧信号中第 j 个样点值。 0058 （2） 对每帧信号 xnj 进行 1 级离散小波分解得到小波子带系数。小波子带系 数包括细节子带系数和逼近子带系数。取细节子带系数， 用表示， 其中 1 k ld， ld为细节子带系数长度。k 即细节子带系数的索引，表示第 n 帧信号的 第 k 个小波子带系数。 0059 （3） 产生 Chirp 信号， Chirp 信号是包括特定周期数的 RF 脉冲模拟信号。用 c(l) 表示 Chirp 信号如下 ： 0060 c(。
23、l) chirp(T,F0,T1， F1) 0061 其中， chirp(.)为Chirp信号产生函数， 用于生成线性频率信号， 1lld； 在起 始时刻 0 时的瞬时频率参数为 F0， 在终止时刻 T1时的瞬时频率参数为 F1。l 表示 Chirp 信 号样点值的索引， 样点的时间序列记为 T， T 的长度等于步骤 （2） 所得细节子带系数长度 ld。 F0,T1,F1在具体实施时由用户根据具体情况指定。 0062 （4） 根据步骤 （1） （3） ， 将步骤 （3） 所得 Chirp 信号分别嵌入到相邻两帧信号经 过小波分解得到的细节子带系数上。 0063 0064 0065 其中，1 k。
24、 ld， 1 l ld， 为调节因子。具体实施时， 用 户可以根据具体情况指定 的取值， 建议取值为 0.03。 0066 （5） 根据步骤 （4） 得到的细节子带系数， 先计算其时频变换， 然后对得到的时频变 换系数进行 radon 变换。radon 变换为现有技术， 实施例变换如下 ： 0067 0068 0069 0070 0071 其中， PWD(.) 是伪维格纳分布变换函数， radon(.) 是拉东变换函数， 为角度参 数， 取值 0.180。Rm， Rm+1是拉东变换系数， 都是二维向量， 共有 181 列。向量 xpm， xpm+1 是极坐标矢量系数， 0072 1 k ld。。
25、 0073 （6） 根据步骤 （5） 得到的拉东变换系数计算相邻两帧信号的统计矩， 分别用 Mm和 Mm+1表示。 0074 说 明 书 CN 102855877 A 8 5/6 页 9 0075 0076 其中，和分别是向量 xpm和 xpm+1的质心， Rm() 和 Rm+1() 是拉东变换系 数 Rm， Rm+1的列向量， 表示对应 角度的拉东变换系数。 0077 （7） 产生新的 Chirp 信号， 用 c1(l) 表示如下 ： 0078 c1(l) chirp(T,F0,T1,F2) 0079 其中， chirp(.) 为 Chirp 信号产生函数， 用于生成线性频率信号， 1 l 。
26、ld； 在 起始时刻 0 时的瞬时频率参数为 F0， 在终止时刻 T1时的瞬时频率参数为 F2。F2在具体实施 时由用户根据具体情况指定， F1 F2。每次执行步骤 （7） 的 F2取值相同。 0080 （8） 根据相邻帧 Randon 变换的统计矩大小关系完成水印嵌入。设对应音频信号 xi 中第 m、 m+1 位嵌入的水印信号为 w， w 的取值为 0 或 1。根据水印信号 w 对当前的细节 子带系数进行嵌入操作 ： 0081 if(w 1)and(Mm Mm+1) 0082 0083 if(w 0)and(Mm Mm+1) 0084 0085 其中，1 k ld， 1 l ld。 0086。
27、 （9） 重复步骤 （5） （8） ， 直到当 w 1 时 Mm Mm+1或当 w 0 时 Mm Mm+1， 进入 步骤 （10） 。 0087 （10） 对嵌入水印比特后的小波子带系数进行逆小波变换， 还原得到时域信号。 0088 所述嵌入水印比特后的小波子带系数包括步骤 （9） 所得嵌入水印的细节子带系数 和步骤 （2） 所得的逼近子带系数， 逼近子带系数部分不需嵌入水印。 0089 参见图 2， 实施例的数字水印提取部分与数字水印嵌入部分相应 ： 首先对音频信 号进行分帧处理， 对得到的帧信号进行离散小波分解， 然后对所得细节子带系数进行时频 变换， 再对所得时频变换系数进行 Rando。
28、n 变换， 计算其统计矩， 根据相邻帧矩的大小提取 嵌入水印比特。具体提取步骤如下 ： 0090 （1） 设长度为 L 的音频信号用 xi 表示， 其中， 1 i L。对音频信号进行分帧 处理， 帧长为 N， 每帧信号用 xnj 表示， 其中， 1 j N, 0091 （2） 对每帧信号 xnj 进行 1 级离散小波分解得到小波子带系数。取细节子带系 数， 用表示， 其中 1 k ld，ld为细节子带系数长度。 0092 （3） 根据步骤 （2） 得到的细节子带系数， 先计算相邻两帧信号的时频变换， 然后对 得到的时频变换系数进行 radon 变换。 0093 0094 0095 0096 说。
29、 明 书 CN 102855877 A 9 6/6 页 10 0097 其中， PWD(.) 是伪维格纳分布变换函数， radon(.) 是拉东变换函数， 为 角度参数， 取值 0.180， Rm， Rm+1是拉东变换系数， xpm， xpm+1是极坐标矢量系数， 1 k ld。 0098 （4） 根据步骤 （3） 得到的拉东变换系数计算相邻两帧信号的统计矩， 分别用 Mm和 Mm+1表示。 0099 0100 0101 其中，和分别是向量 xpm和 xpm+1的质心， Rm() 和 Rm+1() 是拉东变换系 数 Rm， Rm+1的列向量。 0102 （5） 根据步骤 （4） 计算得到的统计。
30、矩 Mm和 Mm+1大小关系提取水印信号 ： 0103 ifMm Mm+1d(m) 1 0104 ifMm Mm+1d(m) 0 0105 d(m) 即水印信号提取结果， 0106 本发明所提供技术方案可采用计算机软件技术实现自动运行， 具体实施时可以相 应装置方式提供。本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所 属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似 的方式替代， 但并不会偏离本发明的精神或者超越所附步骤书所定义的范围。 说 明 书 CN 102855877 A 10 1/1 页 11 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102855877 A 11 。