音頻信息隱藏與水印算法

音頻信息隱藏與水印算法1第1頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二4.1概述一、音頻信號的數字化1、模擬數字（A/D轉化）量化精度和瞬態(tài)采樣頻率高質量音頻的量化方式最流行的格式：16b線性量化低質量多采用8bμ律量化采樣頻率：8kHz、9.6kHz、10kHz、12kHz、16kHz、16kHz、22.05kHz和44.1kHz、2、壓縮算法對數字化音頻的影響。2第2頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二概述二、音頻信號傳送環(huán)境復制重采樣數模數轉化空氣中傳播3第3頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二概述3、對音頻數字水印的要求對數據變換處理操作的穩(wěn)健性聽覺透明性是否需要原始數據進行信息提取數據提取誤碼率嵌入數據量指標安全性依賴因素4第4頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二概述4、數字音頻水印系統(tǒng)的典型應用便于對音頻素材進行查找和檢索執(zhí)行自動任務知識產權保護5第5頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二語音各個比特位的作用原始語音信號（“床前明月光”）

6第6頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二語音各個比特位的作用（1）去掉低2比特位的語音信號（聲音信號聽不出差別）

7第7頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二語音各個比特位的作用（2）去掉低4比特位的語音信號（聲音信號聽不出差別）

8第8頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二語音各個比特位的作用（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）

9第9頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二語音各個比特位的作用（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）

10第10頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二語音各個比特位的作用（5）去掉低10比特位的語音信號（聲音中有很強的噪音，但話音仍較清晰）

11第11頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二音頻數字水印技術

音頻信號的特點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12第12頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二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個帶通濾波器；音頻掩蔽效應，分為時域掩蔽和頻域蔽效應。掩蔽音，被掩蔽音；頻域掩蔽：寬帶噪聲，純音；頻率高易掩時域掩蔽：前向掩蔽、后向掩蔽、同時掩蔽心理聲學特點：絕對相位不敏感，相對相位敏感同時對不同頻率信號敏感程度不同。13第13頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二頻域掩蔽算法1）計算頻譜。2）確定純音和噪聲成分3）去除被掩蔽成分4）計算局部掩蔽閾值與整體掩蔽閾值5）掩蔽是可以疊加的14第14頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二15第15頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二時域音頻水印算法最低有效位方法（LSB）回聲隱藏法

其他的時域水印方法

16第16頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二其他的時域水印方法Kim等人的方法，等間隔修改樣點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現了一個1比特水印算法。Mansour等人通過改變音頻信號兩個連續(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字水印。17第17頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二變換域音頻水印相位水印算法擴頻水印算法DFT法DCT法DWT法18第18頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二壓縮域音頻水印技術通常有3種方法可以得到帶水印的壓縮音頻1、在非壓縮域進行嵌入水印，再壓縮；2、在壓縮域上進行水印嵌入；這種方法避免了復雜的編解碼過程，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，但需要復雜的編碼和解碼過程，運算量大，實時性不好例1例219第19頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二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，但需要復雜的編碼和解碼過程，運算量大，實時性不好在壓縮后的音頻數據流中直接嵌入，這種方法避免了復雜的編解碼過程，但穩(wěn)健性不高，而且能夠嵌入的水印容量不大（壓縮域數字水印）20第20頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二基于內容的音頻水印技術思想：在水印過程中，充分利用媒體中重要的數據特征，既可以直接使用特征進行水印的嵌入和提取，也可以作為標準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2：21第21頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二數字音頻水印的攻擊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；

2）混響；22第22頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二四、轉換：

1）重采樣

2）倒置五、添加噪聲：六、調制：

1）和聲；

2）鑲邊；

3）增強；七、時域拉伸和單調變化

1）音調變化；

2）時間拉伸；八、樣點置亂

1）零插值；2）樣點復制；

3）樣點置換；4）樣點剪切。23第23頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二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4）恒定水印5）隱含同步24第24頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二音頻水印需解決的問題缺乏有效的同步技術完善對數字水印方案的評價研究

尋找與新一代壓縮標準MP3、MPEG相適應的數字音頻水印算法

研究音頻與視頻結合的數字水印，達到對多媒體數據的完整保護

在實用性方面，研究數字水印的網絡快速自動驗證技術，降低水印提取算法的復雜性

25第25頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二26第26頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二計算頻譜：對每16ms的信號s(n)，其采樣點數為N=512，用Hamming窗進行加窗處理計算s(n)的功率譜：27第27頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二確定純音和噪聲成分。如果某個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28第28頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二去除被掩蔽成分，分為以下兩步。1）根據絕對聽閾曲線，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的多個純音成分，只保留其中的有最大值的那一個。29第29頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二計算局部掩蔽閾值與整體掩蔽值。對原始的N/2個頻域采樣點，只有其中的一部分采樣點被用來計算整體掩蔽閾值。層I和層II所用到的采樣點不同。層I：頻帶被劃分為30個子帶，開始6個子帶中所有頻率點都用到，接下來的6個子帶的頻率點每2個用到1個，余下來的18個子帶每4個頻率用到1個。共用到108個頻率。層II：頻帶被劃分為30個子帶，開始3個子帶的所有頻率點都用到，接下來的3個子帶的頻率點每2個用到1個，然后6個子帶的頻率點每4個用到1個，余下的18個子帶每8個頻率用到1個。共用到132個頻率。30第30頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二掩蔽是可以疊加的。31第31頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二32第32頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二最不重要位方法優(yōu)點是本身簡單易實現；音頻信號里可編碼的數據量大；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。應用范圍：通常只應用于封閉的數字到數字的環(huán)境下。33第33頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二聲音信號中的回聲隱藏原理：人耳對一個較強聲音后（或前）的極短時間內的較弱聲音的不可察覺性方法：在數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

34第34頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二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秘密信息比特把信號分段，每段隱藏一比特

35第35頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二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：設音頻序列S={s(n),0≤n<N},則含有回聲的音頻序列Y為：36第36頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二水印嵌入流程圖如下：原始音頻數據音頻數據段回聲混入含水印音頻數據延時水印比特段組合分段衰減37第37頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二回聲隱藏算法提取同步對每段信號求倒頻譜自相關值，自相關峰值出現的位置，就對應了秘密信息比特

38第38頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二回聲隱藏算法的特點回聲隱藏算法的優(yōu)點具有非常好的隱藏效果，并且具有較好的抗攻擊能力，對于一般的數字信號處理如加入隨機噪聲、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嵌入容量較小，計算量較大一般秘密信息嵌入量為2bps-64bps，其大小與傳輸環(huán)境和參數設計有關

要求信號同步39第39頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二40第40頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二41第41頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二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

42第42頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二聲音信號中的相位隱藏嵌入將聲音信號分段，分別進行DFT變換，得到每一段的幅頻特性和相頻特性對第一個信號片段的相位進行修改，根據嵌入比特為“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合原來的幅頻特性和新的相位特性，計算傅立葉反變換，恢復語音信號

43第43頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二具體步驟：1）設原始音頻序列為S={s(i),0≤i<L}，將S分割成N個等長的小段。2）對每段進行K點的離散付里葉變換（DFT）。生成相位矩陣和幅度矩陣。3）計算并存儲相鄰的相位差。4）對于水印序列W，當為了1時，相位值用-π/2表示，為0時，用π/2表示5）利用相位差重新產生相位矩陣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44第44頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二聲音信號中的相位隱藏提取找到信號的分段，計算DFT，檢測出初始相位，恢復秘密信息

要求：信號同步該算法的不足：當代表水印數據的參考相位急劇變化時，會出現明顯的相位離差。45第45頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二具體步驟：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，計算相位值。3）根據相應的閾值，對相位值進行檢測，得到0或1值，構成水印序列。46第46頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二擴頻水印擴頻技術有兩種方法：跳頻擴頻和直接序列擴頻（DSSS），水印技術中多采用的是直接序列擴頻技術。水印嵌入步驟如下：1）設水印序列為P，其長度為L：2）設切普速率（chiprate,為擴頻的倍數）用cr來表示，使用cr=C對序列P進行比特重復，即過采樣，從而形成調制信號。3）設有一個偽隨機m序列，使用其對調制信號進行擴頻，生成擴頻水印信號。4）嵌入水印檢測過程與嵌入過程相反。47第47頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二DFT方法步驟：1）首先對音頻信息進行DFT變換；2）選擇對其中2.4-6.4KHz的DFT系數進行水印嵌入，并用表示水印序列的頻譜分量來替換相應的DFT系數。特點：該技術對噪聲、錄音失真、磁帶顫動都具有一定的穩(wěn)健性。48第48頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二DCT法步驟：1）設計線性移位寄存器，產生置亂序列，該序列由寄存器結構和初始狀態(tài)共同決定。2）嵌入水印，其中經過三個過程，一、對原始語音信號進行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49第49頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二基于小波變換的音頻水印算法嵌入數字水印為一個隨機信號選擇適當的小波基對原始語音信號進行L級分解，在第L級的小波細節(jié)分量中嵌入水印水印嵌入算法50第50頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二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證機構），原始的語音信號以及水印信號需要保留以備檢測時用

對L級分解的細節(jié)分量，利用原始語音信號找到隱藏了N個隨機數的位置，求計算提取水印與原始水印的相關值，判斷是否有水印信號存在

51第51頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二基于小波變換的音頻水印算法算法特點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

52第52頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二實驗結果53第53頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二實驗結果54第54頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二實驗結果55第55頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二基于HAS的小波包域數字語音水印

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

基于心理聲學模型的小波包域數字語音水印算法該算法根據心理聲學模型，計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將水印信號嵌入到中低頻小波包系數中，嵌入強度由掩蔽門限自適應控制

56第56頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二采用音頻MPEG-1中的心理聲學模型，掩蔽門限計算方法：計算信號功率密度譜（信號分幀）劃分臨界頻帶——臨界頻帶是一種頻域心理學或音質測度，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

每一個頻帶對自身和周圍頻帶都有掩蔽作用計算全局掩蔽門限57第57頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二58第58頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二將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行有效的時頻分解，在高頻段其頻率分辨率較差，而在低頻頻段其時間分辨率較差小波包分析能夠為信號提供一種更加精細的分析方法，它將頻帶進行多層次劃分，對多分辨分析沒有細分的高頻部分進一步分解，并能夠根據被分析信號的特征，自適應的選擇相應頻帶，使之與信號頻譜相匹配，從而提高了時頻分辨率

59第59頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二八級小波域分析

八級小波包分析

60第60頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二水印嵌入根據心理聲學模型計算出要保護的原始音頻信號在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