專(zhuān)利名稱(chēng)：基于dwt-dct-svd的音頻盲水印算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出一種基于DWT-DCT-SVD的音頻盲水印算法，該算法具有較好的透明性，且算法的效率較高。屬于數(shù)字水印領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及，越來(lái)越多的數(shù)字化多媒體內(nèi)容信息紛紛以各種形式在網(wǎng)絡(luò)上快速的交流和傳播。如何對(duì)數(shù)字化多媒體內(nèi)容進(jìn)行有效的管理和保護(hù)，成為信息安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。信息隱藏可以在載體中嵌入難以被感知的秘密信息以保護(hù)數(shù)字內(nèi)容的版權(quán)或用于保密通信，可以很好的解決上述問(wèn)題。信息隱藏不同于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)加密，數(shù)據(jù)加密隱藏信息的內(nèi)容，讓第三方看不懂；信息隱藏不但隱藏了信息的內(nèi)容，而且隱藏了信息的存在性，讓第三方看不見(jiàn)。隱寫(xiě)術(shù)與數(shù)字水印是信息隱藏的兩個(gè)重要研究分支， 采用的原理都是將一定量的信息嵌入到載體數(shù)據(jù)中，但由于應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)合的不同， 對(duì)具體的性能要求不同。數(shù)字水印是通過(guò)對(duì)載體進(jìn)行難以被感知的改動(dòng)，從而嵌入與載體有關(guān)的信息，嵌入的信息不一定是秘密的，也有可能是可見(jiàn)。數(shù)字水印的目的是保護(hù)數(shù)字內(nèi)容的所有權(quán)。音頻水印嵌入的信息可以是音頻版權(quán)保護(hù)信息、作品序列號(hào)、藝術(shù)家和歌曲名字等，用于音頻的版權(quán)保護(hù)、盜版追蹤和擁有者識(shí)別等。(這里參考雷老師的大論文內(nèi)容再增加一點(diǎn)吧)目前的音頻水印算法主要分為時(shí)域算法和變換域算法.在時(shí)域上，大部分水印算法不能抵抗一些常見(jiàn)的攻擊，如Ko等人提出的回聲隱藏算法等[5]。在變換域中，一般都是將水印信號(hào)或音頻載體信號(hào)進(jìn)行離散小波變換、離散余弦變化或奇異值分解，然后在變換域中嵌入水印信號(hào)，但這種方法一般都不能實(shí)現(xiàn)水印盲提取，不利于實(shí)際應(yīng)用W-7]。但目前也有一些半盲水印[8]和盲水印。2010 年，Vivekananda Bhat K等提出一種利用SVD變換和抖動(dòng)調(diào)制量化的音頻水印方案W]，該算法中未提及嵌入水印后的音頻信號(hào)的SNR值。文獻(xiàn)[9-10]都給出一些音頻水印算法，但它們對(duì)某些攻擊的魯棒性不好，如文獻(xiàn)[9]對(duì)低通濾波和重采樣攻擊的誤碼率超過(guò)10%。 文獻(xiàn)[10]對(duì)MP3壓縮攻擊的誤碼率達(dá)到對(duì)％。發(fā)明內(nèi)容針對(duì)以上問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于DWT-DCT-SVD的音頻盲水印算法，該算法具有較好的透明性和較強(qiáng)的魯棒性，且算法的效率較高。本發(fā)明包括兩個(gè)主要算法，水印嵌入算法、水印提取算法。在水印嵌入算法中，對(duì)原始音頻進(jìn)行分段，每段的長(zhǎng)度為1600個(gè)樣點(diǎn)。對(duì)每段音頻進(jìn)行一維二級(jí)DWT變換，取出DWT變換后的近似分量cA2，對(duì)近似分量cA2進(jìn)行一維DCT 變換，將DCT變換后前1/4系數(shù)取出，轉(zhuǎn)化為10*10的矩陣，并對(duì)此矩陣進(jìn)行SVD變換，得到 S矩陣，在S矩陣中嵌入水印信息。因?yàn)镾矩陣具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，將S矩陣的S(l，l)和 S(2, 2)取出來(lái)，利用|^(1,1)/0 (2,2)*Δ)」的奇偶性嵌入水印信息。在水印提取算法中，對(duì)含水印的音頻信息進(jìn)行一維二級(jí)DWT變換，然后將變換后得到的小波近似分量cA2進(jìn)行DCT變換，取出DCT變換后的系數(shù)前四分之一組成長(zhǎng)度為100 的向量Yil，再將向量Yil轉(zhuǎn)化為10*10的矩陣jsi，對(duì)矩陣jsi進(jìn)行SVD變換，得到一個(gè) 10*10的對(duì)角陣Sw，然后將每一個(gè)對(duì)角矩陣Sw的第一個(gè)值Sw(1，1)和第二個(gè)值SwQ，2)取出來(lái)進(jìn)行對(duì)比以判斷以得到一位水印信息，若Sw(l，l)/(Sw(2，2)*A)接近偶數(shù)，則水印信息為0，若奴1，1)/^(2，2)*八)接近奇數(shù)，則水印信息為1，最后得到提取的水印信息1，將 W變?yōu)?維圖像矩陣，得到水印圖像。本發(fā)明是一個(gè)盲水印算法，水印提取時(shí)不需要原始音頻文件的參與。但嵌入水印時(shí)分段的長(zhǎng)度大小需要作為密鑰傳遞給提取方以完成水印信息的提取。本發(fā)明具有易于實(shí)現(xiàn)、執(zhí)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)踐中具有較高的理論與應(yīng)用價(jià)值。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。圖1是本發(fā)明提出的音頻水印嵌入算法流程圖。圖2是本發(fā)明提出的音頻水印提取算法流程圖。圖3、4、5是本發(fā)明提出的音頻水印嵌入算法，分別在選取男女生對(duì)話(huà)、流行音樂(lè)和古典音樂(lè)為原始音頻載體時(shí)，得到的透明性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。
具體實(shí)施例方式假設(shè)原始音頻信號(hào)為A= {a(i)，0彡i彡Length}。二值水印圖像為W= {w(i, j)，0< i <M，0< j <M}，其中w(i，j) e {0,1}代表二值水印圖像的第i行、第j列像素值。本發(fā)明以32*32的二值圖像作為水印信息。在實(shí)際使用時(shí)，水印信息的大小可以隨意改變。圖1表示了本發(fā)明提出的音頻水印嵌入算法，具體步驟如下步驟一水印圖像預(yù)處理選擇二值圖像作為水印圖像，其大小為M1*M。因?yàn)檩d體是一維的音頻文件，為了能將二維的二值圖像作為水印信息嵌入載體中，需要對(duì)二值圖像進(jìn)行降維處理，把二維圖像轉(zhuǎn)化為一維向量，通過(guò)w = {w(i) =W(HiljlIi2)jO^m1 ^ M1, 0 ^ m2 ^ M2, i=miXM2+m2}降維操作，水印w中的像素wOii1, m2)由向量w中的元素w(i) 表不。步驟二 將原始音頻分段，每段的長(zhǎng)度為1600樣點(diǎn)，對(duì)每個(gè)分段進(jìn)行一維二級(jí)DWT 變換，取出DWT變換后的近似分量cA2，cA2的長(zhǎng)度為400。步驟三對(duì)近似分量cA2進(jìn)行DCT變換，取出變換后的系數(shù)前四分之一組成長(zhǎng)度為 100的向量Yil，并將這個(gè)向量轉(zhuǎn)化為10*10的矩陣jsi步驟四對(duì)每個(gè)10*10的矩陣jsi進(jìn)行SVD變換，得到一個(gè)10*10的對(duì)角陣S。步驟五將每個(gè)對(duì)角矩陣S的第一個(gè)值S(l，l)取出來(lái)，對(duì)其進(jìn)行水印嵌入，嵌入方法為當(dāng)|_風(fēng)1,1)/⑵(2,2)*Δ)」是偶數(shù)，若嵌入的水印是1，則加() =S(2,2)* Δ * (|_鄧,1)/05(2，2)乂)」+1)’若嵌入的水印是0，則加(1，1)=8(2,2)!^丄即,1)/(1 (2，2)*旬」;當(dāng)
Ρ(1,1)/Ρ(2，2)*Δ)」是奇數(shù)，若嵌入的水印是 1，則加(u) =S(2,2)*L5(1'1)/(5(2'2)*A)J^
嵌入的水印是 0，則加(1 1) =S(2,2)* (L·^1，1)/⑶2,2)*Δ)」+1)。步驟六對(duì)嵌入水印后的Sw矩陣進(jìn)行SVD反變換，得到矩陣S’。步驟七將S’變成一維向量，替換步驟三中得到的矩陣Yi的前四分之一值得到新的Yi，，對(duì)Yi ’進(jìn)行一維IDCT變換，得到含水印的Calw0
步驟八用含水印的Calw代替步驟二得到近似分量，和步驟二得到的二級(jí)細(xì)節(jié)分量利一級(jí)細(xì)節(jié)分量進(jìn)行一維二級(jí)逆小波變換，得到嵌入水印后的音頻分段。步驟九所有分段進(jìn)行水印嵌入后，得到含水印音頻文件。圖2表示了本發(fā)明提出的水印提取算法，具體步驟如下步驟一讀取嵌入水印后的含水印音頻文件，得到含水印音頻數(shù)據(jù)Yw。步驟二 將含水印音頻分段，每段的長(zhǎng)度為1600樣點(diǎn)，對(duì)每個(gè)分段進(jìn)行一維二級(jí) DffT變換，得到近似分量cA2。步驟三將cA2進(jìn)行DCT變換，取出DCT變換后的系數(shù)前四分之一組成長(zhǎng)度為100 的向量Yil，并將這個(gè)向量轉(zhuǎn)化為10*10的矩陣jsi。步驟四對(duì)每個(gè)10*10的矩陣jsi進(jìn)行SVD變換，得到一個(gè)10*10的對(duì)角陣Sw。步驟五將每個(gè)對(duì)角矩陣Sw的第一個(gè)值Sw (1，1)和第二個(gè)值SwQd)取出來(lái)進(jìn)行比較以得到一位水印信息，判別公式若Sw(l，l)/(Sw(2J)*A)接近偶數(shù)，則水印信息為 0，若Sw(l，l)/(SW2，2)*A)接近奇數(shù)，則水印信息為1。步驟六所有分段進(jìn)行以上步驟后，得到提取的水印信息W，將W變?yōu)?維圖像矩陣，得到水印圖像。圖3、4、5分別示意實(shí)驗(yàn)樣本Speech、Classic和Pop的載體音頻與未受攻擊的嵌入水印后的音頻的時(shí)域波形圖。從圖中可以看出，在選取的3種音頻中嵌入水印前后的波形圖幾乎看不出有多大差別，說(shuō)明本發(fā)明具有很好的透明性。本發(fā)明試驗(yàn)中對(duì)加載水印音頻進(jìn)行以下頑健性測(cè)試(1)無(wú)攻擊，(2)添加20dB的高斯噪聲，(3)以0.5倍的采樣率做非整數(shù)倍下采樣，以11.025kHZ為截止頻率的低通濾波，(5)8bit重新量化，(6)在641ibit/S的比特率下進(jìn)行MP3壓縮，(7)、在32kbit/s的比特率下進(jìn)行MP3壓縮，(8)在U81ibit/S的比特率下進(jìn)行MP3壓縮，(9)替換。表1給出了本發(fā)明在100%的嵌入率下，三種不同類(lèi)型的加載水印音頻對(duì)上述攻擊方式的誤碼率和相關(guān)系數(shù)。表1不同音頻類(lèi)型在音頻攻擊后的比較表
權(quán)利要求
1.基于DWT-DCT-SVD的音頻盲水印算法，其特征在于結(jié)合離散小波變換(DWT)、離散余弦變換(DCT)和奇異值分解(SVD)，將原始音頻數(shù)據(jù)分段后進(jìn)行一維二級(jí)小波變換 (DWT)，再將DWT變換后的近似分量進(jìn)行余弦變換(DCT)，然后把DCT變換后的前四分之一系數(shù)進(jìn)行奇異值分解(SVD)，在變換后的S矩陣中嵌入水印信息。因?yàn)镾矩陣具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，將S矩陣的S(l，l)和S(2，2)取出來(lái)，利用[^(1,1)/(5(2,2)*Δ/」的奇偶性嵌入水印信息。水印嵌入在DWT變換后的近似分量中，因此本發(fā)明具有較好的魯棒性。同時(shí)S矩陣具有較好穩(wěn)定性，各種常見(jiàn)的音頻信號(hào)處理不會(huì)對(duì)S的值產(chǎn)生較大影響，因此本發(fā)明能抵抗各種常見(jiàn)音頻常規(guī)信號(hào)處理攻擊。S矩陣還有一個(gè)重要特點(diǎn)就是調(diào)整S矩陣的值不會(huì)影響到音頻信號(hào)質(zhì)量，因此本發(fā)明具有較好的透明性。
2.如權(quán)利要求1所說(shuō)的基于DWT-DCT-SVD的音頻盲水印算法的的水印提取算法，其特征在于對(duì)含水印的音頻信息進(jìn)行一維二級(jí)DWT變換，然后將變換后得到的小波近似分量 cA2進(jìn)行DCT變換，取出DCT變換后的系數(shù)前四分之一組成長(zhǎng)度為100的向量Yil，再將向量Yil轉(zhuǎn)化為10*10的矩陣jsi，對(duì)矩陣jsi進(jìn)行SVD變換，得到一個(gè)10*10的對(duì)角陣Sw， 然后將每一個(gè)對(duì)角矩陣Sw的第一個(gè)值Sw(l，l)和第二個(gè)值SwQd)取出來(lái)進(jìn)行對(duì)比以判斷以得到一位水印信息，若Sw(l，l)/(Sw(2，2)*A)接近偶數(shù)，則水印信息為0，若w(l，1)/ (Sw (2, 2) * Δ )接近奇數(shù)，則水印信息為1，最后得到提取的水印信息W，將W變?yōu)?維圖像矩陣，得到水印圖像。
全文摘要
隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及，大量的音頻信息以各種形式在網(wǎng)絡(luò)上快速的交流和傳播。為防止音頻的盜版、復(fù)制等非法操作，本發(fā)明提出了一種結(jié)合離散小波變換、離散余弦變換和奇異值分解的音頻盲水印算法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻信息的版權(quán)保護(hù)。本發(fā)明先對(duì)原始音頻進(jìn)行分段，每段的長(zhǎng)度為1600個(gè)樣點(diǎn)，再對(duì)每段音頻進(jìn)行一維二級(jí)DWT變換，取出DWT變換后的近似分量cA2，對(duì)近似分量cA2進(jìn)行一維DCT變換，將DCT變換后前1/4系數(shù)取出，轉(zhuǎn)化為10*10的矩陣，并對(duì)此矩陣進(jìn)行SVD變換，得到S矩陣，在S矩陣中嵌入水印信息。實(shí)驗(yàn)表明本發(fā)明具有較好的透明性，同時(shí)對(duì)MP3壓縮、重采樣、重量化、加噪、低通濾波和裁剪替換等常規(guī)音頻信號(hào)處理攻擊具有較強(qiáng)的魯棒性。
文檔編號(hào)G10L19/00GK102496367SQ201110404129
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者朱憲花, 楊榆, 賈曉蕓, 郭玉翠, 雷敏 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)