音頻信息隱藏與水印算法

關(guān)于音頻信息隱藏與水印算法第1頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六14.1概述一、音頻信號的數(shù)字化1、模擬數(shù)字（A/D轉(zhuǎn)化）量化精度和瞬態(tài)采樣頻率高質(zhì)量音頻的量化方式最流行的格式：16b線性量化低質(zhì)量多采用8bμ律量化采樣頻率：8kHz、9.6kHz、10kHz、12kHz、16kHz、16kHz、22.05kHz和44.1kHz、2、壓縮算法對數(shù)字化音頻的影響。第2頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六2概述二、音頻信號傳送環(huán)境復(fù)制重采樣數(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)化空氣中傳播第3頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六3概述3、對音頻數(shù)字水印的要求對數(shù)據(jù)變換處理操作的穩(wěn)健性聽覺透明性是否需要原始數(shù)據(jù)進(jìn)行信息提取數(shù)據(jù)提取誤碼率嵌入數(shù)據(jù)量指標(biāo)安全性依賴因素第4頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六4概述4、數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的典型應(yīng)用便于對音頻素材進(jìn)行查找和檢索執(zhí)行自動任務(wù)知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)第5頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六5語音各個(gè)比特位的作用原始語音信號（“床前明月光”）

第6頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六6語音各個(gè)比特位的作用（1）去掉低2比特位的語音信號（聲音信號聽不出差別）

第7頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六7語音各個(gè)比特位的作用（2）去掉低4比特位的語音信號（聲音信號聽不出差別）

第8頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六8語音各個(gè)比特位的作用（3）去掉低6比特位的語音信號（聲音中有極少的背景噪音，不易被察覺）

第9頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六9語音各個(gè)比特位的作用（4）去掉低8比特位的語音信號（聲音中有較明顯的背景噪音）

第10頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六10語音各個(gè)比特位的作用（5）去掉低10比特位的語音信號（聲音中有很強(qiáng)的噪音，但話音仍較清晰）

第11頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六11音頻數(shù)字水印技術(shù)

音頻信號的特點(diǎn)一維信號人耳聽覺系統(tǒng)（HAS）比人眼視覺系統(tǒng)（HVS）靈敏得多對音頻水印的要求不可感知性穩(wěn)健性同步要求盲水印第12頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六12人類聽覺特性在音頻文件中嵌入水印的各種方法一般都要利用人類聽覺系統(tǒng)的某些特性，即人的聽覺生理—心理特性。20Hz—20KHz；26個(gè)帶通濾波器；音頻掩蔽效應(yīng)，分為時(shí)域掩蔽和頻域蔽效應(yīng)。掩蔽音，被掩蔽音；頻域掩蔽：寬帶噪聲，純音；頻率高易掩時(shí)域掩蔽：前向掩蔽、后向掩蔽、同時(shí)掩蔽心理聲學(xué)特點(diǎn)：絕對相位不敏感，相對相位敏感同時(shí)對不同頻率信號敏感程度不同。第13頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六13頻域掩蔽算法1）計(jì)算頻譜。2）確定純音和噪聲成分3）去除被掩蔽成分4）計(jì)算局部掩蔽閾值與整體掩蔽閾值5）掩蔽是可以疊加的第14頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六14第15頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六15時(shí)域音頻水印算法最低有效位方法（LSB）回聲隱藏法

其他的時(shí)域水印方法

第16頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六16其他的時(shí)域水印方法Kim等人的方法，等間隔修改樣點(diǎn)的幅度值來嵌入水印。Bassia等人通過將水印信號與原始信號直接相加的方式實(shí)現(xiàn)了一個(gè)1比特水印算法。Mansour等人通過改變音頻信號兩個(gè)連續(xù)的最大值和最小值之間中間段的相對長度方法來植入數(shù)字水印。第17頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六17變換域音頻水印相位水印算法擴(kuò)頻水印算法DFT法DCT法DWT法第18頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六18壓縮域音頻水印技術(shù)通常有3種方法可以得到帶水印的壓縮音頻1、在非壓縮域進(jìn)行嵌入水印，再壓縮；2、在壓縮域上進(jìn)行水印嵌入；這種方法避免了復(fù)雜的編解碼過程，但穩(wěn)健性不高，而且能夠嵌入的水印容量不大3、解壓后，將水印植入，再重新壓縮。這種方法穩(wěn)健性較高，但需要復(fù)雜的編碼和解碼過程，運(yùn)算量大，實(shí)時(shí)性不好例1例2第19頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六19音頻水印的分類在原始音頻信號中嵌入在音頻編碼器中嵌入，這種方法穩(wěn)健性較高，但需要復(fù)雜的編碼和解碼過程，運(yùn)算量大，實(shí)時(shí)性不好在壓縮后的音頻數(shù)據(jù)流中直接嵌入，這種方法避免了復(fù)雜的編解碼過程，但穩(wěn)健性不高，而且能夠嵌入的水印容量不大（壓縮域數(shù)字水?。┑?0頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六20基于內(nèi)容的音頻水印技術(shù)思想：在水印過程中，充分利用媒體中重要的數(shù)據(jù)特征，既可以直接使用特征進(jìn)行水印的嵌入和提取，也可以作為標(biāo)準(zhǔn)水印方法的輔助手段，用于確定水印嵌入的參考位置和方向。例子1：例子2：第21頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六21數(shù)字音頻水印的攻擊Stirmarkforaudio里的攻擊方法：一、動態(tài)改變：

1）幅度壓縮；

2）降噪二、濾波：

1）高通濾波；

2）低通濾波；

3）均衡；

4）左右聲道分離；三、回響：

1）延時(shí)；

2）混響；第22頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六22四、轉(zhuǎn)換：

1）重采樣

2）倒置五、添加噪聲：六、調(diào)制：

1）和聲；

2）鑲邊；

3）增強(qiáng)；七、時(shí)域拉伸和單調(diào)變化

1）音調(diào)變化；

2）時(shí)間拉伸；八、樣點(diǎn)置亂

1）零插值；2）樣點(diǎn)復(fù)制；

3）樣點(diǎn)置換；4）樣點(diǎn)剪切。第23頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六23抵抗同步攻擊的幾種方法1）窮舉搜索2）顯式同步3）自相關(guān)4）恒定水印5）隱含同步第24頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六24音頻水印需解決的問題缺乏有效的同步技術(shù)完善對數(shù)字水印方案的評價(jià)研究

尋找與新一代壓縮標(biāo)準(zhǔn)MP3、MPEG相適應(yīng)的數(shù)字音頻水印算法

研究音頻與視頻結(jié)合的數(shù)字水印，達(dá)到對多媒體數(shù)據(jù)的完整保護(hù)

在實(shí)用性方面，研究數(shù)字水印的網(wǎng)絡(luò)快速自動驗(yàn)證技術(shù)，降低水印提取算法的復(fù)雜性

第25頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六25第26頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六26計(jì)算頻譜：對每16ms的信號s(n)，其采樣點(diǎn)數(shù)為N=512，用Hamming窗進(jìn)行加窗處理計(jì)算s(n)的功率譜：第27頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六27確定純音和噪聲成分。如果某個(gè)頻譜成分的局部極大值（S(k)>S(k+1)且S(k)≥S(k-1))滿足下式：則是純音第28頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六28去除被掩蔽成分，分為以下兩步。1）根據(jù)絕對聽閾曲線，把在絕對聽閾以下的純音和噪聲成分去除。2）對相互間隔小于0.5Bark的多個(gè)純音成分，只保留其中的有最大值的那一個(gè)。第29頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六29計(jì)算局部掩蔽閾值與整體掩蔽值。對原始的N/2個(gè)頻域采樣點(diǎn)，只有其中的一部分采樣點(diǎn)被用來計(jì)算整體掩蔽閾值。層I和層II所用到的采樣點(diǎn)不同。層I：頻帶被劃分為30個(gè)子帶，開始6個(gè)子帶中所有頻率點(diǎn)都用到，接下來的6個(gè)子帶的頻率點(diǎn)每2個(gè)用到1個(gè)，余下來的18個(gè)子帶每4個(gè)頻率用到1個(gè)。共用到108個(gè)頻率。層II：頻帶被劃分為30個(gè)子帶，開始3個(gè)子帶的所有頻率點(diǎn)都用到，接下來的3個(gè)子帶的頻率點(diǎn)每2個(gè)用到1個(gè)，然后6個(gè)子帶的頻率點(diǎn)每4個(gè)用到1個(gè)，余下的18個(gè)子帶每8個(gè)頻率用到1個(gè)。共用到132個(gè)頻率。第30頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六30掩蔽是可以疊加的。第31頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六31第32頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六32最不重要位方法優(yōu)點(diǎn)是本身簡單易實(shí)現(xiàn)；音頻信號里可編碼的數(shù)據(jù)量大；安全性完全依賴于密鑰；嵌入和提取算法簡單，速度快。不足是容易引入可感知噪聲；穩(wěn)健性差。應(yīng)用范圍：通常只應(yīng)用于封閉的數(shù)字到數(shù)字的環(huán)境下。第33頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六33聲音信號中的回聲隱藏原理：人耳對一個(gè)較強(qiáng)聲音后（或前）的極短時(shí)間內(nèi)的較弱聲音的不可察覺性方法：在數(shù)字聲音信號中引入回聲，引入回聲的位置不同則代表了秘密信息

第34頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六34回聲隱藏算法嵌入原始信號，回聲信號偽裝信號為秘密信息為“0”，延遲為秘密信息為“1”，延遲為在語音信號中隱藏多個(gè)秘密信息比特把信號分段，每段隱藏一比特

第35頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六35基于回聲的水印算法利用了人類聽覺系統(tǒng)的后向掩蔽作用。對一些有損壓縮的算法具有一定的穩(wěn)健性。具體算法：設(shè)音頻序列S={s(n),0≤n<N},則含有回聲的音頻序列Y為：第36頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六36水印嵌入流程圖如下：原始音頻數(shù)據(jù)音頻數(shù)據(jù)段回聲混入含水印音頻數(shù)據(jù)延時(shí)水印比特段組合分段衰減第37頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六37回聲隱藏算法提取同步對每段信號求倒頻譜自相關(guān)值，自相關(guān)峰值出現(xiàn)的位置，就對應(yīng)了秘密信息比特

第38頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六38回聲隱藏算法的特點(diǎn)回聲隱藏算法的優(yōu)點(diǎn)具有非常好的隱藏效果，并且具有較好的抗攻擊能力，對于一般的數(shù)字信號處理如加入隨機(jī)噪聲、濾波、重采樣和失真壓縮等均具有較好魯棒性該方法的弱點(diǎn)嵌入容量較小，計(jì)算量較大一般秘密信息嵌入量為2bps-64bps，其大小與傳輸環(huán)境和參數(shù)設(shè)計(jì)有關(guān)

要求信號同步第39頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六39第40頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六40第41頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六41聲音信號中的相位隱藏人類的聽覺系統(tǒng)特別敏感，聲音信號中微弱的噪聲都能夠被察覺出來。但是，聽覺系統(tǒng)對聲音的相位變化不太敏感，因此，可以考慮在聲音的相位中隱藏信息

第42頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六42聲音信號中的相位隱藏嵌入將聲音信號分段，分別進(jìn)行DFT變換，得到每一段的幅頻特性和相頻特性對第一個(gè)信號片段的相位進(jìn)行修改，根據(jù)嵌入比特為“0”或“1”決定相位。并且在保持后面相位差不變的情況下修改絕對相位結(jié)合原來的幅頻特性和新的相位特性，計(jì)算傅立葉反變換，恢復(fù)語音信號

第43頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六43具體步驟：1）設(shè)原始音頻序列為S={s(i),0≤i<L}，將S分割成N個(gè)等長的小段。2）對每段進(jìn)行K點(diǎn)的離散付里葉變換（DFT）。生成相位矩陣和幅度矩陣。3）計(jì)算并存儲相鄰的相位差。4）對于水印序列W，當(dāng)為了1時(shí)，相位值用-π/2表示，為0時(shí)，用π/2表示5）利用相位差重新產(chǎn)生相位矩陣6）利用原始幅度矩陣和新相位矩陣反變換得到含水印的音頻信號第44頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六44聲音信號中的相位隱藏提取找到信號的分段，計(jì)算DFT，檢測出初始相位，恢復(fù)秘密信息

要求：信號同步該算法的不足：當(dāng)代表水印數(shù)據(jù)的參考相位急劇變化時(shí)，會出現(xiàn)明顯的相位離差。第45頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六45具體步驟：1）在已知發(fā)送方信號段長度的情況下，將接收到的音頻信號分段。2）提取出第一段，對它做DFT，計(jì)算相位值。3）根據(jù)相應(yīng)的閾值，對相位值進(jìn)行檢測，得到0或1值，構(gòu)成水印序列。第46頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六46擴(kuò)頻水印擴(kuò)頻技術(shù)有兩種方法：跳頻擴(kuò)頻和直接序列擴(kuò)頻（DSSS），水印技術(shù)中多采用的是直接序列擴(kuò)頻技術(shù)。水印嵌入步驟如下：1）設(shè)水印序列為P，其長度為L：2）設(shè)切普速率（chiprate,為擴(kuò)頻的倍數(shù)）用cr來表示，使用cr=C對序列P進(jìn)行比特重復(fù)，即過采樣，從而形成調(diào)制信號。3）設(shè)有一個(gè)偽隨機(jī)m序列，使用其對調(diào)制信號進(jìn)行擴(kuò)頻，生成擴(kuò)頻水印信號。4）嵌入水印檢測過程與嵌入過程相反。第47頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六47DFT方法步驟：1）首先對音頻信息進(jìn)行DFT變換；2）選擇對其中的DFT系數(shù)進(jìn)行水印嵌入，并用表示水印序列的頻譜分量來替換相應(yīng)的DFT系數(shù)。特點(diǎn)：該技術(shù)對噪聲、錄音失真、磁帶顫動都具有一定的穩(wěn)健性。第48頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六48DCT法步驟：1）設(shè)計(jì)線性移位寄存器，產(chǎn)生置亂序列，該序列由寄存器結(jié)構(gòu)和初始狀態(tài)共同決定。2）嵌入水印，其中經(jīng)過三個(gè)過程，一、對原始語音信號進(jìn)行DCT變換；二、選取前m值作為添加水印的位置；三、生成水印，并嵌入水印四、序列重置，并IDCT變換

水印檢測過程相反第49頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六49基于小波變換的音頻水印算法嵌入數(shù)字水印為一個(gè)隨機(jī)信號選擇適當(dāng)?shù)男〔ɑ鶎υ颊Z音信號進(jìn)行L級分解，在第L級的小波細(xì)節(jié)分量中嵌入水印水印嵌入算法第50頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六50基于小波變換的音頻水印算法提取在水印檢測端（作品所有者或第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)），原始的語音信號以及水印信號需要保留以備檢測時(shí)用

對L級分解的細(xì)節(jié)分量，利用原始語音信號找到隱藏了N個(gè)隨機(jī)數(shù)的位置，求計(jì)算提取水印與原始水印的相關(guān)值，判斷是否有水印信號存在

第51頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六51基于小波變換的音頻水印算法算法特點(diǎn)水印信號放在了語音信號能量最大的部分一方面語音信號遮蓋了水印的影響，使其不易被發(fā)覺

另一方面即使受到一定的破壞，只要語音信號有一定的可懂度，水印信號就可以檢測出來

第52頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六52實(shí)驗(yàn)結(jié)果第53頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六53實(shí)驗(yàn)結(jié)果第54頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六54實(shí)驗(yàn)結(jié)果第55頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六55基于HAS的小波包域數(shù)字語音水印

人類的聽覺系統(tǒng)（HAS）比視覺系統(tǒng)（HVS）敏感得多

基于心理聲學(xué)模型的小波包域數(shù)字語音水印算法該算法根據(jù)心理聲學(xué)模型，計(jì)算載體音頻信號的掩蔽門限利用人耳聽覺的臨界頻率與小波包子帶間的相似特性，將DFT域掩蔽門限映射到小波包域?qū)⑺⌒盘柷度氲街械皖l小波包系數(shù)中，嵌入強(qiáng)度由掩蔽門限自適應(yīng)控制

第56頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六56采用音頻MPEG-1中的心理聲學(xué)模型，掩蔽門限計(jì)算方法：計(jì)算信號功率密度譜（信號分幀）劃分臨界頻帶——臨界頻帶是一種頻域心理學(xué)或音質(zhì)測度，反映了人耳的頻率選擇性及可分辨被掩蔽音頻信號的最小帶寬

每一個(gè)頻帶對自身和周圍頻帶都有掩蔽作用計(jì)算全局掩蔽門限第57頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六57第58頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六58將DFT域的掩蔽門限映射到小波包域

DFT對信號的頻帶劃分是線性等間隔的，而小波域分析可以對信號進(jìn)行有效的時(shí)頻分解，在高頻段其頻率分辨率較差，而在低頻頻段其時(shí)間分辨率較差小波包分析能夠?yàn)樾盘柼峁┮环N更加精細(xì)的分析方法，它將頻帶進(jìn)行多層次劃分，對多分辨分析沒有細(xì)分的高頻部分進(jìn)一步分解，并能夠根據(jù)被分析信號的特征，自適應(yīng)的選擇相應(yīng)頻帶，使之與信號頻譜相匹配，從而提高了時(shí)頻分辨率

第59頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六59八級小波域分析

八級小波包分析

第60頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六60水印嵌入根據(jù)心理聲學(xué)模型計(jì)算出要保護(hù)的原始音頻信號在DFT域的最小掩蔽門限，然后把它映射到小波包域中，得到上述各小波包子帶的最小掩蔽門限

利用最小掩蔽門限和強(qiáng)度因子對水印進(jìn)行幅度調(diào)制，調(diào)節(jié)嵌入強(qiáng)度

第61頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六61水印提取需要原始音頻信號

第62頁，共72頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)29分，星期六