抗時間尺度縮放攻擊的局部化魯棒數字音頻水印算法制造技術

本發明專利技術屬多媒信息安全技術領域，具體為一種抗時間尺度縮放攻擊的局部化魯棒數字音頻水印算法。它包括水印嵌入區域的選取、水印嵌入和水印檢測等步驟。其中，水印嵌入區域選擇在音頻波形上均對應于能量突然上升或下降的局部區域；水印嵌入選擇傅立葉域的交換系數法；水印檢測是水印嵌入算法的逆算法。本發明專利技術方法不依賴于對門限或假定參數的調整，可應用于不同種類的音頻信號中。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于多媒體信息安全中信息隱藏與數字水印
，具體涉及一種全新的能夠對數字音頻水印技術中最困難的時間域同步攻擊Time-Scale Modification進行高強度抵抗的魯棒性算法。
技術介紹
數字音頻水印技術是一種在不影響原始音頻質量的條件下向其中嵌入具有特定意義且易于提取信息的技術。作為對傳統密碼學的補充，數字水印提供了對音頻作品進行保護的功能，成為近年來的研究熱點。除了不為人的聽覺感知外，水印還必須能夠抵抗音頻信號處理及時間域的同步攻擊。同步攻擊對任何水印系統都是一個嚴重的問題，尤其是對數字音頻水印系統。時間域的音頻同步攻擊主要包括隨機剪切和保持音調不變的時間尺度縮放TSM(Time-ScaleModification)，它們并不除去已嵌入的水印，而是在嵌入和檢測位置間引起錯位，從而使水印無法正確檢測。TSM攻擊已成為數字音頻水印技術中一個極具挑戰性的研究難題。TSM是一類改變音頻信號時間尺度并保持音調不變的算法，也是MPEG4標準的關鍵特征之一。TSM在音樂合成、音頻/視頻同步以及商業廣播應用中都十分重要。一些TSM算法是基于時間域的，如OLA(Overlap-and-Add)和SOLA(Synchronized Overlap-and-Add)，另一些是基于頻域技術的，如LSEE-MSTFTM(Least Square Error Estimation from ModifiedShort Time Fourier Transform Magnitude)。TSM周期性地向原始音頻中增加或刪除一些偽數據，或使用復雜的時間縮放技術來保持音調不變。它是一種非常嚴重的對音頻水印系統的攻擊，至今仍沒有特別有效的抵抗方法。根據國際音樂組織SDMI(Secured Digital MusicInitiative)第二階段魯棒性檢測要求，一個可實用的數字音頻水印系統應該能夠抵抗達到±4％的TSM攻擊。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提出一種基于音樂內容分析的局部化魯棒數字音頻水印算法，用以抵抗音頻信號處理攻擊并解決由于隨機剪切以及時間尺度縮放等引起的時間域同步問題。本專利技術提出的局部化魯棒數字音頻水印算法，包括水印嵌入區域的選取、水印嵌入和水印檢測等步驟。水印嵌入區域選擇在音頻波形上均對應于能量突然上升或下降的局部區域，作為音樂邊緣，它們通常代表音符的開始、變調，以及鼓、鐃鈸、響板等打擊樂器，而這些聲音又與最重要的音樂節奏信息緊密相關。為了保持高的聽覺質量，這些局部區域在各種音頻信號處理中都盡可能被保留不變。因此，在這些相對安全的區域內嵌入水印，水印就完全有可能避開音頻信號處理和TSM等時間域上的同步攻擊。此外，在各個局部區域內嵌入的水印對隨機剪切具有自然的抵抗力，只要被剪切的樣本不在這些區域內就不會對水印的檢測造成任何影響。1、水印嵌入區域的選取通過對各種不同類型的現代音樂，比如流行音樂、搖滾、輕音樂等，進行廣泛的測試后，我們發現在大多數情況下，在對原始音樂進行5級小波分解后，軍鼓聲主要集中于第三級細節信號d3子帶，表現為圖1中黑色所示的一系列明顯的峰值，而其它樂器和人聲的能量則十分微弱。我們在原始音頻的波形上選擇與d3子帶系列峰值相對應的一系列小的局部區域作為水印嵌入區域。這些區域通常代表與音樂節奏密切相關的鼓聲。圖2是鋼琴曲和薩克斯在+10％TSM處理后的d3子帶波形，與圖1相比，可以看到雖然各峰值的絕對位置由于時間拉長而有所變化，但每個峰值附近的小局部區域并沒有大的改變。這意味著即使經過高強度的時間伸縮后，水印仍然可以在與嵌入時幾乎相同的局部區域內檢測，這大大的增強了抵抗TSM攻擊的能力。2、水印嵌入算法本專利技術選擇傅立葉域的交換系數法來嵌入水印即先挑選一系列FFT系數對，當嵌入比特1時，強制隨機挑選出來的兩個系數前邊的比后邊的大；當嵌入比特0時，強制前邊的系數比后邊的小。這種交換系數法在各種攻擊下要比奇偶調制、量化等嵌入方法更穩定。選擇傅立葉域是因為FFT(快速傅立葉變換)系數的幅度具有平移不變性。3、水印檢測算法水印檢測算法基本是水印嵌入算法的逆算法。首先按照與嵌入時同樣的順序挑選出一系列的FFT系數對。在每個系數對中，若前邊的系數大于后邊的系數，則提取出一比特1；若前邊的系數小于后邊的系數，則提取出一比特0；若恰好相等則規定提取出一比特1。本專利技術具有一個突出的優點，即不像以前文獻中提出的方法那樣高度依賴于對某些門限或假定參數的調整，可以不加修改地應用到不同種類的音頻信號中。附圖說明圖1為鋼琴曲和薩克斯的原始波形(灰色)和d3級子帶波形(黑色)，其中，(a)為鋼琴曲及其d3子帶波形，(b)為薩克斯及其d3子帶波形。圖2為鋼琴曲和薩克斯在+10％TSM后的波形(灰色)和d3級子帶波形(黑色)，其中，(a)為+10％時間尺度擴展后的鋼琴曲及其d3子帶波形，(b)為+10％時間尺度擴展后的薩克斯及其d3子帶波形。具體實施例方式1、水印嵌入區域的選取選擇水印嵌入區域的具體步驟如下(1)首先對輸入的原始音頻進行5級小波分解；(2)對d3子帶采用去噪技術進行平滑，使峰值更突出；(3)計算d3子帶上的所有局部峰值{Pi}；(4)原始音頻上的水印嵌入區域R，按照式(1)計算R＝{Ri|Ri＝Pi-ROILength/4Pi+ROILength×3/4-1} (1)其中ROILength是每個小嵌入區域的長度，相當于一個音符或鼓聲的長度。2、水印嵌入算法具體的水印嵌入步驟如下所示(1)設iPeakNum是步驟1中全部Pi的數目，則嵌入區域的數目ROINum按式(2)計算，目的是保證其為奇數以便在檢測時應用擇多原則ROINum＝iPeakNum+(iPeakNum mod2-1) (2)其中mod為取余數的運算符；(2)根據式(1)在原始波形上計算相應的嵌入區域；(3)確定全部水印嵌入區域后，對每個區域進行FFT變換，挑選1kHz-6kHz的中低頻交流FFT系數用于水印嵌入；(4)采用的水印是式(3)所示的64比特偽隨機序列W，為了便于在檢測中應用擇多原則，在嵌入前先使用BPSK(1→-1，0→+1)，根據式(4)將W調制到反相序列W’(+1，-1)。實驗結果表明采用64比特的水印能夠保持比較高的音頻質量，若嵌入128比特或更多則會引起比較明顯的聽覺失真，即超出了4096樣本小區域的水印容量。W＝{w(i)|w(i)∈{1，0}，1≤i≤64}(3)W′＝{w＇(i)|w＇(i)＝1-2×w(i)，w(i)∈{+1，-1}，1≤i≤64} (4)(5)為增加水印的安全性，我們利用式(5)所示的Hybrid混沌動力方程[1]來隨機選擇嵌入過程中的FFT系數對；嵌入時選擇(-1，+1)之間的任意一個實數作為密鑰；由于混沌序列對初始值的極其敏感性，即使公布算法，若沒有正確的密鑰也不可能得到正確的FFT交換系數對，從而檢測出水印； chaotic(x)=1-2x2-1≤x<-0.51-12(-2x)1.2-0.5≤x<01-2x0≤x≤0.5-(2x-1)0.70.5<x≤1---(本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種抗時間尺度縮放攻擊的局部化魯棒數字音頻水印算法，其特征在于包括水印嵌入區域的選取、水印嵌入區域的選取、水印嵌入和水印檢測，其中：水印嵌入區域選擇在原始音頻波形上與ｄ３子帶系列峰值相應的局部區域；水印嵌入選擇傅立葉域的交換 系數法：當嵌入比特１時，強制隨機挑選出來的兩個系數前邊的比后邊的大；當嵌入比特０時，強制前邊的系數比后邊的小；水印檢測是水印嵌入算法的逆算法：首先按照與嵌入時同樣的順序挑選出一系列的ＦＦＴ系數對；在每個系數對中，若前邊的系數大于后邊 的系數，則提取出一比特１；若前邊的系數小于后邊的系數，則提取出一比特０；若恰好相等則規定提取出一比特１。

【技術特征摘要】
1.一種抗時間尺度縮放攻擊的局部化魯棒數字音頻水印算法，其特征在于包括水印嵌入區域的選取、水印嵌入區域的選取、水印嵌入和水印檢測，其中水印嵌入區域選擇在原始音頻波形上與d3子帶系列峰值相應的局部區域水印嵌入選擇傅立葉域的交換系數法當嵌入比特1時，強制隨機挑選出來的兩個系數前邊的比后邊的大；當嵌入比特0時，強制前邊的系數比后邊的小；水印檢測是水印嵌入算法的逆算法首先按照與嵌入時同樣的順序挑選出一系列的FFT系數對；在每個系數對中，若前邊的系數大于后邊的系數，則提取出一比特1；若前邊的系數小于后邊的系數，則提取出一比特0；若恰好相等則規定提取出一比特1。2.根據權利要求1所述的水印算法，其特征在于選擇水印嵌入區域的具體步驟如下(1)首先對輸入的原始音頻進行5級小波分解；(2)對d3子帶采用去噪技術進行平滑，使峰值更突出；(3)計算d3子帶上的所有局部峰值{Pi}；(4)原始音頻上的水印嵌入區域R，按照式(1)計算R＝{Ri|Ri＝Pi-ROILength/4∶Pi+ROILength×3/4-1}(1)其中ROILength是每個小嵌入區域的長度，相當于一個音符或鼓聲的長度。3.根據權利要求2所述的水印算法，其特征在于水印嵌入步驟如下所示(1)設iPeakNum是步驟1中全部Pi的數目，則嵌入區域的數目ROINum按式(2)計算，ROINum＝iPeakNum+(iPeakNum mod 2-1) (2)其中mod為取余數的運算符；(2)根據式(1)在原始波形上計算相應的嵌入區域；(3)確定全部水印嵌入區域后，對每個區域進行FFT變換，挑選1kHz-6kHz的中低頻交流FFT系數用于水印嵌入；(4)采用的水印是式(3)所示的64比特偽隨機序列W，在嵌入前先使用BPSK(1→-1，0→+1)，根據式(4)將W調制到反相序列W’(+1，-1)；W＝{w(i)|w(i)∈{1，0}，1≤i≤64} (3)W′＝{w′(i)|w′(i)＝1-2×w(i)，w′(i)∈{+1，-1}，1≤i≤64} (4)(5)利用式(5)所示的Hybrid混沌動力方程來隨機選擇嵌入過程中的FFT系數對；嵌入時選擇(-1，+1)之間的任意一個實數作為密鑰；chaotic(x)=1-2x2-1≤x<-0.51-12(-2x)1.2-0.5≤x<01-2x0≤x≤0.5-(2x-1)0.70.5<x≤1---(5)]]>ChaoticN(x)是一個基于chao...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李偉，薛向陽，陸佩忠，
申請(專利權)人：復旦大學，
類型：發明
國別省市：31[中國|上海]