一種基于回聲隱藏的數(shù)字音頻水印算法(1)

1、軟件天地文章編號(hào)：（）一種基于回聲隱藏的數(shù)字音頻水印算法（西安建筑科技大學(xué)；西安交通大學(xué)）姚鐘涵王慧琴，毛力摘要：本文提出了一種新的基于回聲隱藏的算法，該算法有別于傳統(tǒng)的時(shí)間域嵌入倒譜域提取，水印的嵌入和提取均在時(shí)間域完成，能夠在回聲幅度很小的情況下保持高檢測(cè)率；基于人類聽覺特性對(duì)音頻進(jìn)行能量劃分，根據(jù)能量的不同自適應(yīng)地嵌入回聲，序列的引入提高了水印的安全性和不可見性；仿真結(jié)果證明該算法對(duì)常見攻擊具有好的透明性和魯棒性。關(guān)鍵詞：數(shù)字水??；回聲隱藏；倒譜；序列文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：中圖分類號(hào)：，、：，引言數(shù)字水印技術(shù)是近幾年來國(guó)際學(xué)術(shù)界興起的一個(gè)前沿研究領(lǐng)域。它通過在被保護(hù)的數(shù)字多媒體對(duì)象中嵌入秘密信息水

2、印，對(duì)這些對(duì)象的版權(quán)歸屬權(quán)進(jìn)行判定。水印信息可以是版本、作者、持有人的姓名和序列號(hào)等。按照被保護(hù)載體的種類音頻水印、文本水印和可以將數(shù)字水印技術(shù)劃分為：圖像水印、視頻水印等?；芈曤[藏是音頻水印技術(shù)里的一種時(shí)間域水印嵌入算法，其優(yōu)點(diǎn)很多，如隱藏算法簡(jiǎn)單，算法不產(chǎn)生噪聲，隱藏效果好，但同時(shí)也存在缺點(diǎn)，當(dāng)回聲幅度減小時(shí)，在水印提取時(shí)，正確率就會(huì)降低；當(dāng)回聲幅度增大時(shí)，又得不到好的隱藏效果。因此在回聲不可感知的情況下如何提高水印的檢測(cè)率是回聲隱藏的難點(diǎn)。本文使用序列對(duì)傳統(tǒng)的單回聲內(nèi)核作了改進(jìn)，使用心理聲學(xué)模型對(duì)音頻信號(hào)按照能量進(jìn)行了分類，使得水印能夠自適應(yīng)地嵌入，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證算法具有良好的不可感知性，并且

3、得到了較高的水印檢測(cè)率。信息。）定義兩種不同的回聲延遲、。比特對(duì)應(yīng)，比特對(duì)應(yīng)。）根據(jù)每段應(yīng)該嵌入比特值選擇或?qū)?yīng)的內(nèi)核與該段進(jìn)行卷積。最后完成段合并。水印提取過程為：）將接收到的數(shù)據(jù)（）按照預(yù)定的段長(zhǎng)分段（接收方已知，）。）求出各段的倒譜值，比較每一段信號(hào)中和處的倒譜值（）和（），若前者大于后者，則判為，反之，則判為。技術(shù)創(chuàng)新一種新的回聲隱藏算法本文提出的基于回聲隱藏的算法，主要是在透明性、安全性和檢測(cè)率這三個(gè)方面對(duì)傳統(tǒng)回聲隱藏算法進(jìn)行了改進(jìn)?？驁D如下。圖中，表示回聲內(nèi)核的符號(hào)控制，表示卷積。算法使用段長(zhǎng)，參與水印嵌入的音頻數(shù)據(jù)位置，和序列三個(gè)密鑰來保證算法的安全性。水印透明性的提高在時(shí)間域，

4、修改音頻信號(hào)后的透明性較之頻率域差，因此本算法選取音頻載體的一部分嵌入數(shù)據(jù)來保證透明性，選取的位置作為密鑰。選用固定的衰減系數(shù)是傳統(tǒng)回聲隱藏的做法，為了提高靜音段回聲隱藏的檢測(cè)性能，改進(jìn)后的算法首先計(jì)算每個(gè)音頻段的能量，對(duì)于能量較大的數(shù)據(jù)段，嵌入水印時(shí)選取較大的衰減系數(shù)，對(duì)于能量較小的數(shù)據(jù)段則選取較小的衰減系數(shù)。這樣就保證了在能量較大數(shù)據(jù)段嵌入幅度較大的回聲，提高了檢測(cè)率，在能量較小的數(shù)據(jù)段嵌入幅度較小的回聲，保證了透明性。如圖所示。水印安全性的提高序列的引入主要考慮：）安全性：回聲隱藏的弱點(diǎn)就是任郵局訂閱號(hào)：元年回聲隱藏算法回聲隱藏通過在時(shí)域引入回聲將數(shù)據(jù)嵌入到音頻信號(hào)中。在數(shù)字音頻中加入回

5、聲的方法可表示為：（）：原始音頻信號(hào)；（）：含回聲的音頻信號(hào)；：延遲，：能量衰減。，（）被稱作回聲內(nèi)核，回聲隱藏通過在音頻信號(hào)中引入不同的回聲延遲來嵌入比特位“”和“”。水印嵌入過程為：）首先將音頻載體分割成段，每段隱藏一個(gè)比特的秘密姚鐘涵：碩士研究生基金項(xiàng)目：陜西省自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目基金（編號(hào)：）技術(shù)應(yīng)用例軟件天地中文核心期刊微計(jì)算機(jī)信息（測(cè)控自動(dòng)化）年第卷第期何第三方都能夠檢測(cè)回聲。改進(jìn)后的算法是對(duì)回聲內(nèi)核作了加密處理，利用一個(gè)序列（密鑰）來改變回聲內(nèi)核的極性。）透明性：水印提取時(shí)采用自相關(guān)檢測(cè)，它是利用序列自身的分布特性進(jìn)行水印提取，對(duì)于回聲幅度依賴性較傳統(tǒng)的回聲隱藏不明顯，因此改進(jìn)后

6、的回聲內(nèi)核可以將回聲的衰減系數(shù)大幅度的降低。含水印的載體就具有與序列相同的分布特征，在提取時(shí)按段長(zhǎng)將含水印載體分段，用每一段信號(hào)與序列作自相關(guān)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在回聲幅度很小的情況下，回聲的延遲處有明顯的峰值，大大優(yōu)于倒譜域的提取方法。試驗(yàn)結(jié)果攻擊測(cè)試選取秒的格式歌曲作為載體，采樣頻率，水印選取名為“西安建大”、像素為×的二值圖像。對(duì)含水印載體做各種攻擊檢測(cè)魯棒性，如圖，為原始水印，為不受攻擊的情況下提取的水印，為加高斯白噪聲之后提取的水印，為重采樣之后提取的水印，為濾波之后提取的水印。由圖知算法對(duì)加噪和重采樣魯棒性較好，對(duì)濾波稍差一些。嵌入過程圖各種攻擊下提取的水印我們構(gòu)造一個(gè)檢測(cè)器來定量

7、檢測(cè)算法的性能指標(biāo)，結(jié)果如選取幅×的二值圖像作為實(shí)驗(yàn)用圖，其中第個(gè)圖。圖像作為水印嵌入到音頻載體中，歸一化相關(guān)系數(shù)是對(duì)提取的水印和原始水印的相似度進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)。技術(shù)創(chuàng)新提取過程圖算法的系統(tǒng)框圖圖按照能量自適應(yīng)地嵌入回聲圖為某一段音頻信號(hào)的回聲嵌入過程。本算法對(duì)回聲內(nèi)核進(jìn)行了改進(jìn)，用序列中的和分別控制內(nèi)核里衰減系數(shù)的正負(fù)，如圖所示。此時(shí)，嵌入過程就不是圖中簡(jiǎn)單的移位相加，假設(shè)序列的長(zhǎng)度與圖中回聲的長(zhǎng)度相同，那么依照?qǐng)D中的對(duì)應(yīng)規(guī)則，圖中表示回聲的每一位數(shù)據(jù)都被添加了正負(fù)號(hào)，然后再與音頻載體進(jìn)行疊加，完成嵌入。在圖中，若（為根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定的閾值）則判斷音頻載體中含有水印。圖為不作攻擊時(shí)

8、提取的水印圖像通過檢測(cè)器的響應(yīng)圖，圖為加噪之后提取的水印通過檢測(cè)器的響應(yīng)圖，圖為做重采樣之后提取的水印通過檢測(cè)器的響應(yīng)圖，圖為做濾波之后提取的水印通過檢測(cè)器的響應(yīng)圖。響應(yīng)曲線由個(gè)作為校驗(yàn)水印的二值圖像與通過檢測(cè)提取恢復(fù)出的實(shí)際水印圖像做相關(guān)運(yùn)算得到，其中橫軸表示圖像個(gè)數(shù)，縱軸表示歸一化相關(guān)系數(shù)，在各種攻擊下響應(yīng)均有明顯的峰值。圖一段音頻信號(hào)的嵌入過程圖檢測(cè)器的相應(yīng)曲線圖中數(shù)據(jù)為各種攻擊下提取水印的（信噪比）和（峰值信噪比），用來衡量算法的魯棒性?？梢钥吹剿惴▽?duì)噪聲攻擊和重采樣攻擊魯棒性好，濾波的和數(shù)值稍低，因?yàn)楹≥d體經(jīng)過低通濾波后高頻成分被濾掉，對(duì)音頻信號(hào)有一定損失。圖各種攻擊下的和誤碼率

9、分析圖使用序列對(duì)回聲內(nèi)核的改進(jìn)水印檢測(cè)率的提高本算法直接在時(shí)間域完成水印的提取。由于在嵌入的過程中，是用一個(gè)序列控制了回聲內(nèi)核衰減系數(shù)的正負(fù)號(hào)，因此圖是分別使用自相關(guān)檢測(cè)和功率倒譜檢測(cè)對(duì)數(shù)據(jù)的恢復(fù)率情況，可以明顯看出，使用自相關(guān)檢測(cè)法，在衰減系數(shù)段僅為時(shí)，數(shù)據(jù)恢復(fù)率就達(dá)到，衰減系數(shù)段增加到時(shí)，數(shù)據(jù)恢復(fù)率就達(dá)到了，功率倒譜檢測(cè)法在衰減系數(shù)增加到時(shí)，數(shù)據(jù)恢復(fù)率才達(dá)到，因此，使用自相關(guān)檢例元年郵局訂閱號(hào)：軟件天地（上接第頁）此通信模式適合于需要實(shí)時(shí)觀察通信雙方是否通信正常的場(chǎng)合（如在使用串口轉(zhuǎn)換集線器實(shí)現(xiàn)多串口通信的系統(tǒng)中，可以查看中間機(jī)與硬件之間連接的集線器的燈是否閃爍來判斷），以及終端主動(dòng)向后臺(tái)

10、索要數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。而且此通信模式算法結(jié)構(gòu)清楚，程序?qū)崿F(xiàn)上比較容易，分析通信過程也比較方便。通信模式）適合于實(shí)時(shí)響應(yīng)更快的場(chǎng)合，由于沒有通信模式）的發(fā)送接收握手消息，每次讀取串口緩沖區(qū)可以在最快的時(shí)間內(nèi)完成，實(shí)際應(yīng)用時(shí)定時(shí)就可以很好地處理。但缺點(diǎn)是不方便觀察雙方是否通信正常，以及程序設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。在很多串口通信應(yīng)用中，每秒響應(yīng)到次的就能滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，因此這些場(chǎng)合中，此兩種通信模式及算法可以互換使用。測(cè)法的數(shù)據(jù)恢復(fù)率明顯優(yōu)于功率倒譜檢測(cè)?？偨Y(jié)本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：用一個(gè)衰減系數(shù)段代替?zhèn)鹘y(tǒng)的固定衰減，提出了一種基于能量分析的自適應(yīng)嵌入算法，與此同時(shí)，使用序列對(duì)內(nèi)核進(jìn)行改造加密，使得算法的安全性得以提

11、升。仿真結(jié)果證明，通過適當(dāng)?shù)膮?shù)選取，改進(jìn)后的算法在透明性和安全方面都高于傳統(tǒng)的回聲隱藏算法，尤其是在數(shù)據(jù)檢測(cè)方面（自相關(guān)檢測(cè)法），這種時(shí)域嵌入時(shí)域提取的算法，在數(shù)據(jù)恢復(fù)率方面得到了很大的提升。算法對(duì)加高斯白噪聲和重采樣攻擊時(shí)魯棒性強(qiáng)，對(duì)濾波的抵抗力較差，抗壓縮攻擊效果不理想，在以后的工作中應(yīng)著手于這方面的研究。結(jié)論圖兩種檢測(cè)法下的數(shù)據(jù)恢復(fù)率參考文獻(xiàn)溫秀梅李虹司亞超，一種基于傅利葉域的音頻水印嵌入算法，微計(jì)算機(jī)信息，；楊榆白劍徐迎暉鈕心忻楊義先，回聲隱藏的研究與實(shí)現(xiàn)，中山大學(xué)學(xué)報(bào)，卷，王曉亞倒譜在語音的基音和共振峰提取中的應(yīng)用，工程應(yīng)用，卷，：作者簡(jiǎn)介：姚鐘涵，男，漢族，陜西西安，西安建筑科技

12、大學(xué)碩士研究生，自動(dòng)化專業(yè)。研究方向?yàn)樾畔踩?、信?hào)處理、數(shù)字水印、智能控制理論與方法等；王慧琴，女，漢族，山西長(zhǎng)治，西安交通大學(xué)博士，西安建筑科技大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域包括數(shù)字圖像與音頻信號(hào)處理，計(jì)算機(jī)與通信網(wǎng)絡(luò)安全，智能信息處理與模式識(shí)別，數(shù)字水??；毛力，男，漢族，陜西西安，西安建筑科技大學(xué)碩士研究生，計(jì)算機(jī)專業(yè)。主要研究方向?yàn)樾畔踩?、?shù)字水印，信號(hào)處理。：，：，（西安西安建筑科技大學(xué)）姚鐘涵王慧琴毛力（西安交通大學(xué)）王慧琴通訊地址：（西安建筑科技大學(xué)號(hào)信箱）姚鐘涵（收稿日期：）（修稿日期：）此兩種通信模式和算法實(shí)現(xiàn)分別應(yīng)用在作者開發(fā)的“中國(guó)石油加油站通信處理軟件”，“普通

13、加油站管理軟件”中，并通過實(shí)際加油站萬到萬條核心數(shù)據(jù)“交易記錄”來進(jìn)行分析和驗(yàn)證，結(jié)果是沒有一條數(shù)據(jù)丟失，實(shí)時(shí)性也較好，很好地滿足了系統(tǒng)的要求。實(shí)際的串口通信的應(yīng)用證明了這兩種基于定時(shí)器機(jī)制通信模式的合理性和實(shí)用性，因此具有廣泛的實(shí)用價(jià)值，可推廣到一般的串口通信應(yīng)用中。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：從具體的串口通信協(xié)議出發(fā)，提出了兩種通信模式，針對(duì)這兩種通信模式分別給出了具體的算法實(shí)現(xiàn)，成功地解決了在開發(fā)串口通信上層軟件過程中遇到的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性等關(guān)鍵問題。參考文獻(xiàn)宋宏偉，甄然加油站中央控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)微計(jì)算機(jī)信息，：作者簡(jiǎn)介：王衛(wèi)峰（），男，漢族，湖北天門人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閷?shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信；姚正治（），男，遼寧人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)處理；劉金剛（），男