[发明专利]一种基于对数量化索引调制的盲音频水印实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于对数量化索引调制的盲音频水印实现方法，采用本方法，不仅具有容量高、音质好的特点，还具有不可感知性好、鲁棒性好、复杂度低的优点，在各种水印攻击的情况下，仍能利用本方法正确的提取出水印，并且此方法能有效的抵抗幅度攻击。

背景技术

数字水印(Digital Watermarking)是利用人的知觉系统(如视觉或听觉系统)的冗余在图像、音频等载体中嵌入一些标识信息，但不影响原载体的使用价值。

根据水印载体的不同，可将水印技术分为视频水印、图像水印、音频水印等几大类。目前视频、图像水印技术已经发展的比较成熟，由于以下原因，音频水印渐渐成为了水印研究的重点和热点：其一，音频应用广泛，是人类交流的重要工具；其二，音频中存在大量冗余，方便嵌入水印信息。但音频水印有和图像水印有很大区别，主要因为：一、音频是一维信号；二、人类的听觉系统要比人类的视觉系统灵敏得多，听觉上的不可感知性上实现起来要比视觉更困难；三、音频数据量较大，且主要应用于广播、在线分发等环境，寻找原始音频十分困难，所以原则上水印的检测提取不应需要原始音频，即实现盲检测。

通常情况下，音频水印应该满足以下几个基本要求：(1)不可感知性：是指加入水印后影响原始音频质量的程度；(2)鲁棒性：是指添加了水印的音频能够抵抗各种攻击的程度；(3)容量：是指每秒嵌入到原始音频的水印的数量；(4)复杂度：是指算法的时间和空间复杂度。通常以上要求是相互矛盾的，因此我们往往根据实际应用的需要来选择一个平衡。

目前采用的音频水印的方法之一是：基于扩频的音频水印。主要优点是：可使信号在低功率发射情况下提高抗干扰能力，隐蔽性高，即使几个频段的信号丢失，仍可恢复信号，并且保证只有已知扩展函数的接收机才能检测信号，可以实现盲检测。主要缺点是：占用太多频谱，嵌入量小；盲检测前提是含水印的音频信号与水印随机信号之间必须达到完全同步。为得到较小的水印错误提取率，水印长度必须要足够大，但这样会增加检测复杂度并增加时延。

目前采用的音频水印的方法之二是：基于量化索引调制的音频水印。主要优点是：具有算法简单，复杂度低，嵌入的信息量大，容易实现盲提取，并且能够不可感知性、在鲁棒性、和容量之间达到平衡。主要缺点是：对噪声比较敏感，该算法使用固定的量化步长，引入了较大的量化噪声，因此对于量化噪声引起的数据波动而导致的提取误码较高。

发明内容

目前，基于量化索引调制的音频水印由于其在各个性能方面较优越并能达到较好的平衡，得到广泛关注和快速发展，但目前其量化过程都采取的是均匀量化、固定的量化步长，虽然其很容易实现，但对噪声敏感且其在鲁棒性和不可感知性方面的性能不是足够好。分析比较上面两种水印算法，不难发现音频水印矛盾在于既需要提高音频水印的鲁棒性，又需要提高音频水印的不可感知性。为此，本研究从这两方面考虑，提出了一种新的音频水印算法，解决现有的算法在鲁棒性和不可感知性方面的缺欠，以及克服复杂度高的困难，本发明有效的把向量范数的鲁棒性和对数量化的不可感知性结合起来，通过mu-law压扩把分段的小波近似系数的向量范数转换到变换域，然后嵌入扰乱的二进制水印图像，经过水印攻击后，提取出二进制水印图像。本发明提出的音频水印算法，不仅具有容量高、音质好的特点，还具有不可感知性好、鲁棒性好、复杂度低的优点，在各种水印攻击的情况下，仍能利用本方法正确的提取出水印，并且此方法能有效的抵抗幅度攻击。

本发明的特征在于，所述方法依次含有以下步骤：

步骤(1)在发射端，音频水印的嵌入过程，步骤依次如下；

步骤(1.1)对设定的原始音频信号X＝{x_i，1≤i≤L}进行2级离散小波变换DWT，采用的小波基是Db4，其中L为原始音频采样点的个数，然后得近似分量B＝{b_i，1≤i≤L/4}，把近似分量分成M×M个相互不重叠的帧S_i，1≤i≤M×M，M是正整数，每帧S_i的长度是这样每帧隐藏1比特二进制水印信息，其中二进制水印图像的大小是M×M；

步骤(1.2)根据公式：

σ_i＝||S_i||，