音频信息隐藏与水印算法

关于音频信息隐藏与水印算法124.1概述一、音频信号的数字化1、模拟

数字（A/D转化）量化精度和瞬态采样频率高质量音频的量化方式最流行的格式：16b线性量化低质量多采用8bμ律量化采样频率：8kHz、9.6kHz、10kHz、12kHz、16kHz、16kHz、22.05kHz和44.1kHz、2、压缩算法对数字化音频的影响。第2页,共72页，2024年2月25日，星期天3概述二、音频信号传送环境复制重采样数

模

数转化空气中传播第3页,共72页，2024年2月25日，星期天4概述3、对音频数字水印的要求对数据变换处理操作的稳健性听觉透明性是否需要原始数据进行信息提取数据提取误码率嵌入数据量指标安全性依赖因素第4页,共72页，2024年2月25日，星期天5概述4、数字音频水印系统的典型应用便于对音频素材进行查找和检索执行自动任务知识产权保护第5页,共72页，2024年2月25日，星期天6语音各个比特位的作用原始语音信号（“床前明月光”）

第6页,共72页，2024年2月25日，星期天7语音各个比特位的作用（1）去掉低2比特位的语音信号（声音信号听不出差别）

第7页,共72页，2024年2月25日，星期天8语音各个比特位的作用（2）去掉低4比特位的语音信号（声音信号听不出差别）

第8页,共72页，2024年2月25日，星期天9语音各个比特位的作用（3）去掉低6比特位的语音信号（声音中有极少的背景噪音，不易被察觉）

第9页,共72页，2024年2月25日，星期天10语音各个比特位的作用（4）去掉低8比特位的语音信号（声音中有较明显的背景噪音）

第10页,共72页，2024年2月25日，星期天11语音各个比特位的作用（5）去掉低10比特位的语音信号（声音中有很强的噪音，但话音仍较清晰）

第11页,共72页，2024年2月25日，星期天12音频数字水印技术

音频信号的特点一维信号人耳听觉系统（HAS）比人眼视觉系统（HVS）灵敏得多对音频水印的要求不可感知性稳健性同步要求盲水印第12页,共72页，2024年2月25日，星期天13人类听觉特性在音频文件中嵌入水印的各种方法一般都要利用人类听觉系统的某些特性，即人的听觉生理—心理特性。20Hz—20KHz；26个带通滤波器；音频掩蔽效应，分为时域掩蔽和频域蔽效应。掩蔽音，被掩蔽音；频域掩蔽：宽带噪声，纯音；频率高

易掩时域掩蔽：前向掩蔽、后向掩蔽、同时掩蔽心理声学特点：绝对相位不敏感，相对相位敏感同时对不同频率信号敏感程度不同。第13页,共72页，2024年2月25日，星期天14频域掩蔽算法1）计算频谱。2）确定纯音和噪声成分3）去除被掩蔽成分4）计算局部掩蔽阈值与整体掩蔽阈值5）掩蔽是可以叠加的第14页,共72页，2024年2月25日，星期天15第15页,共72页，2024年2月25日，星期天16时域音频水印算法最低有效位方法（LSB）回声隐藏法

其他的时域水印方法

第16页,共72页，2024年2月25日，星期天17其他的时域水印方法Kim等人的方法，等间隔修改样点的幅度值来嵌入水印。Bassia等人通过将水印信号与原始信号直接相加的方式实现了一个1比特水印算法。Mansour等人通过改变音频信号两个连续的最大值和最小值之间中间段的相对长度方法来植入数字水印。第17页,共72页，2024年2月25日，星期天18变换域音频水印相位水印算法扩频水印算法DFT法DCT法DWT法第18页,共72页，2024年2月25日，星期天19压缩域音频水印技术通常有3种方法可以得到带水印的压缩音频1、在非压缩域进行嵌入水印，再压缩；2、在压缩域上进行水印嵌入；这种方法避免了复杂的编解码过程，但稳健性不高，而且能够嵌入的水印容量不大3、解压后，将水印植入，再重新压缩。这种方法稳健性较高，但需要复杂的编码和解码过程，运算量大，实时性不好例1例2第19页,共72页，2024年2月25日，星期天20音频水印的分类在原始音频信号中嵌入在音频编码器中嵌入，这种方法稳健性较高，但需要复杂的编码和解码过程，运算量大，实时性不好在压缩后的音频数据流中直接嵌入，这种方法避免了复杂的编解码过程，但稳健性不高，而且能够嵌入的水印容量不大（压缩域数字水印）第20页,共72页，2024年2月25日，星期天21基于内容的音频水印技术思想：在水印过程中，充分利用媒体中重要的数据特征，既可以直接使用特征进行水印的嵌入和提取，也可以作为标准水印方法的辅助手段，用于确定水印嵌入的参考位置和方向。例子1：例子2：第21页,共72页，2024年2月25日，星期天22数字音频水印的攻击Stirmarkforaudio里的攻击方法：一、动态改变：

1）幅度压缩；

2）降噪二、滤波：

1）高通滤波；

2）低通滤波；

3）均衡；

4）左右声道分离；三、回响：

1）延时；

2）混响；第22页,共72页，2024年2月25日，星期天23四、转换：

1）重采样

2）倒置五、添加噪声：六、调制：

1）和声；

2）镶边；

3）增强；七、时域拉伸和单调变化

1）音调变化；

2）时间拉伸；八、样点置乱

1）零插值；2）样点复制；

3）样点置换；4）样点剪切。第23页,共72页，2024年2月25日，星期天24抵抗同步攻击的几种方法1）穷举搜索2）显式同步3）自相关4）恒定水印5）隐含同步第24页,共72页，2024年2月25日，星期天25音频水印需解决的问题缺乏有效的同步技术完善对数字水印方案的评价研究

寻找与新一代压缩标准MP3、MPEG相适应的数字音频水印算法

研究音频与视频结合的数字水印，达到对多媒体数据的完整保护

在实用性方面，研究数字水印的网络快速自动验证技术，降低水印提取算法的复杂性

第25页,共72页，2024年2月25日，星期天26第26页,共72页，2024年2月25日，星期天27计算频谱：对每16ms的信号s(n)，其采样点数为N=512，用Hamming窗进行加窗处理计算s(n)的功率谱：第27页,共72页，2024年2月25日，星期天28确定纯音和噪声成分。如果某个频谱成分的局部极大值（S(k)>S(k+1)且S(k)≥S(k-1))满足下式：则是纯音第28页,共72页，2024年2月25日，星期天29去除被掩蔽成分，分为以下两步。1）根据绝对听阈曲线，把在绝对听阈以下的纯音和噪声成分去除。2）对相互间隔小于0.5Bark的多个纯音成分，只保留其中的有最大值的那一个。第29页,共72页，2024年2月25日，星期天30计算局部掩蔽阈值与整体掩蔽值。对原始的N/2个频域采样点，只有其中的一部分采样点被用来计算整体掩蔽阈值。层I和层II所用到的采样点不同。层I：频带被划分为30个子带，开始6个子带中所有频率点都用到，接下来的6个子带的频率点每2个用到1个，余下来的18个子带每4个频率用到1个。共用到108个频率。层II：频带被划分为30个子带，开始3个子带的所有频率点都用到，接下来的3个子带的频率点每2个用到1个，然后6个子带的频率点每4个用到1个，余下的18个子带每8个频率用到1个。共用到132个频率。第30页,共72页，2024年2月25日，星期天31掩蔽是可以叠加的。第31页,共72页，2024年2月25日，星期天32第32页,共72页，2024年2月25日，星期天33最不重要位方法优点是本身简单易实现；音频信号里可编码的数据量大；安全性完全依赖于密钥；嵌入和提取算法简单，速度快。不足是容易引入可感知噪声；稳健性差。应用范围：通常只应用于封闭的数字到数字的环境下。第33页,共72页，2024年2月25日，星期天34声音信号中的回声隐藏原理：人耳对一个较强声音后（或前）的极短时间内的较弱声音的不可察觉性方法：在数字声音信号中引入回声，引入回声的位置不同则代表了秘密信息

第34页,共72页，2024年2月25日，星期天35回声隐藏算法嵌入原始信号，回声信号伪装信号为秘密信息为“0”，延迟为秘密信息为“1”，延迟为在语音信号中隐藏多个秘密信息比特把信号分段，每段隐藏一比特

第35页,共72页，2024年2月25日，星期天36基于回声的水印算法利用了人类听觉系统的后向掩蔽作用。对一些有损压缩的算法具有一定的稳健性。具体算法：设音频序列S={s(n),0≤n<N},则含有回声的音频序列Y为：第36页,共72页，2024年2月25日，星期天37水印嵌入流程图如下：原始音频数据音频数据段回声混入含水印音频数据延时水印比特段组合分段衰减第37页,共72页，2024年2月25日，星期天38回声隐藏算法提取同步对每段信号求倒频谱自相关值，自相关峰值出现的位置，就对应了秘密信息比特

第38页,共72页，2024年2月25日，星期天39回声隐藏算法的特点回声隐藏算法的优点具有非常好的隐藏效果，并且具有较好的抗攻击能力，对于一般的数字信号处理如加入随机噪声、滤波、重采样和失真压缩等均具有较好鲁棒性该方法的弱点嵌入容量较小，计算量较大一般秘密信息嵌入量为2bps-64bps，其大小与传输环境和参数设计有关

要求信号同步第39页,共72页，2024年2月25日，星期天40第40页,共72页，2024年2月25日，星期天41第41页,共72页，2024年2月25日，星期天42声音信号中的相位隐藏人类的听觉系统特别敏感，声音信号中微弱的噪声都能够被察觉出来。但是，听觉系统对声音的相位变化不太敏感，因此，可以考虑在声音的相位中隐藏信息

第42页,共72页，2024年2月25日，星期天43声音信号中的相位隐藏嵌入将声音信号分段，分别进行DFT变换，得到每一段的幅频特性和相频特性对第一个信号片段的相位进行修改，根据嵌入比特为“0”或“1”决定相位。并且在保持后面相位差不变的情况下修改绝对相位结合原来的幅频特性和新的相位特性，计算傅立叶反变换，恢复语音信号

第43页,共72页，2024年2月25日，星期天44具体步骤：1）设原始音频序列为S={s(i),0≤i<L}，将S分割成N个等长的小段。2）对每段进行K点的离散付里叶变换（DFT）。生成相位矩阵和幅度矩阵。3）计算并存储相邻的相位差。4）对于水印序列W，当为了1时，相位值用-π/2表示，为0时，用π/2表示5）利用相位差重新产生相位矩阵6）利用原始幅度矩阵和新相位矩阵反变换得到含水印的音频信号第44页,共72页，2024年2月25日，星期天45声音信号中的相位隐藏提取找到信号的分段，计算DFT，检测出初始相位，恢复秘密信息

要求：信号同步该算法的不足：当代表水印数据的参考相位急剧变化时，会出现明显的相位离差。第45页,共72页，2024年2月25日，星期天46具体步骤：1）在已知发送方信号段长度的情况下，将接收到的音频信号分段。2）提取出第一段，对它做DFT，计算相位值。3）根据相应的阈值，对相位值进行检测，得到0或1值，构成水印序列。第46页,共72页，2024年2月25日，星期天47扩频水印扩频技术有两种方法：跳频扩频和直接序列扩频（DSSS），水印技术中多采用的是直接序列扩频技术。水印嵌入步骤如下：1）设水印序列为P，其长度为L：2）设切普速率（chiprate,为扩频的倍数）用cr来表示，使用cr=C对序列P进行比特重复，即过采样，从而形成调制信号。3）设有一个伪随机m序列，使用其对调制信号进行扩频，生成扩频水印信号。4）嵌入水印检测过程与嵌入过程相反。第47页,共72页，2024年2月25日，星期天48DFT方法步骤：1）首先对音频信息进行DFT变换；2）选择对其中2.4-6.4KHz的DFT系数进行水印嵌入，并用表示水印序列的频谱分量来替换相应的DFT系数。特点：该技术对噪声、录音失真、磁带颤动都具有一定的稳健性。第48页,共72页，2024年2月25日，星期天49DCT法步骤：1）设计线性移位寄存器，产生置乱序列，该序列由寄存器结构和初始状态共同决定。2）嵌入水印，其中经过三个过程，一、对原始语音信号进行DCT变换；二、选取前m值作为添加水印的位置；三、生成水印，并嵌入水印四、序列重置，并IDCT变换

水印检测过程相反第49页,共72页，2024年2月25日，星期天50基于小波变换的音频水印算法嵌入数字水印为一个随机信号选择适当的小波基对原始语音信号进行L级分解，在第L级的小波细节分量中嵌入水印水印嵌入算法第50页,共72页，2024年2月25日，星期天51基于小波变换的音频水印算法提取在水印检测端（作品所有者或第三方认证机构），原始的语音信号以及水印信号需要保留以备检测时用

对L级分解的细节分量，利用原始语音信号找到隐藏了N个随机数的位置，求计算提取水印与原始水印的相关值，判断是否有水印信号存在

第51页,共72页，2024年2月25日，星期天52基于小波变换的音频水印算法算法特点水印信号放在了语音信号能量最大的部分一方面语音信号遮盖了水印的影响，使其不易被发觉

另一方面即使受到一定的破坏，只要语音信号有一定的可懂度，水印信号就可以检测出来

第52页,共72页，2024年2月25日，星期天53实验结果第53页,共72页，2024年2月25日，星期天54实验结果第54页,共72页，2024年2月25日，星期天55实验结果第55页,共72页，2024年2月25日，星期天56基于HAS的小波包域数字语音水印

人类的听觉系统（HAS）比视觉系统（HVS）敏感得多

基于心理声学模型的小波包域数字语音水印算法该算法根据心理声学模型，计算载体音频信号的掩蔽门限利用人耳听觉的临界频率与小波包子带间的相似特性，将DFT域掩蔽门限映射到小波包域将水印信号嵌入到中低频小波包系数中，嵌入强度由掩蔽门限自适应控制

第56页,共72页，2024年2月25日，星期天57采用音频MPEG-1中的心理声学模型，掩蔽门限计算方法：计算信号功率密度谱（信号分帧）划分临界频带——临界频带是一种频域心理学或音质测度，反映了人耳的频率选择性及可分辨被掩蔽音频信号的最小带宽

每一个频带对自身和周围频带都有掩蔽作用计算全局掩蔽门限第57页,共72页，2024年2月25日，星期天58第58页,共72页，2024年2月25日，星期天59将DFT域的掩蔽门限映射到小波包域

DFT对信号的频带划分是线性等间隔的，而小波域分析可以对信号进行有效的时频分解，在高频段其频率分辨率较差，而在低频频段其时间分辨率较差小波包分析能够为信号提供一种更加精细的分析方法，它将频带进行多层次划分，对多分辨分析没有细分的高频部分进一步分解，并能够根据被分析信号的特征，自适应的选择相应频带，使之与信号频谱相匹配，从而提高了时频分辨率

第59页,共72页，2024年2月25日，星期天60八级小波域分析

八级小波包分析

第60页,共72页，2024年2月25日，星期天61水印嵌入根据心理声学模型计算出要保护的原始音频信号在DFT域的最小掩蔽门限，然后把它映射到小波包域中，得到上述各小波包子带的最小掩蔽门限

利用最小掩蔽门限和强度因子对水印进行幅度调制，调节嵌入强度

第61页,共72页，2024年2月25日，星期天62水印提取需要原始音频信号

第62页,共72页，2024年2月25日，星期天63原始音频信号和含