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：（）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)的時間域嵌入倒譜域提取，水印的嵌入和提取均在時間域完成，能夠在回聲幅度很小的情況下保持高檢測率；基于人類聽覺特性對音頻進行能量劃分，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)果證明該算法對常見攻擊具有好的透明性和魯棒性。關(guān)鍵詞：數(shù)字水印；回聲隱藏；倒譜；序列文獻標(biāo)識碼：中圖分類號：，、：，引言數(shù)字水印技術(shù)是近幾年來國際學(xué)術(shù)界興起的一個前沿研究領(lǐng)域。它通過在被保護的數(shù)字多媒體對象中嵌入秘密信息水

2、印，對這些對象的版權(quán)歸屬權(quán)進行判定。水印信息可以是版本、作者、持有人的姓名和序列號等。按照被保護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)里的一種時間域水印嵌入算法，其優(yōu)點很多，如隱藏算法簡單，算法不產(chǎn)生噪聲，隱藏效果好，但同時也存在缺點，當(dāng)回聲幅度減小時，在水印提取時，正確率就會降低；當(dāng)回聲幅度增大時，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率是回聲隱藏的難點。本文使用序列對傳統(tǒng)的單回聲內(nèi)核作了改進，使用心理聲學(xué)模型對音頻信號按照能量進行了分類，使得水印能夠自適應(yīng)地嵌入，實驗驗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率。信息。）定義兩種不同的回聲延遲、。比特對應(yīng)，比特對應(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)定的段長分段（接收方已知，）。）求出各段的倒譜值，比較每一段信號中和處的倒譜值（）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、安全性和檢測率這三個方面對傳統(tǒng)回聲隱藏算法進行了改進?？驁D如下。圖中，表示回聲內(nèi)核的符號控制，表示卷積。算法使用段長，參與水印嵌入的音頻數(shù)據(jù)位置，和序列三個密鑰來保證算法的安全性。水印透明性的提高在時間域，

4、修改音頻信號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性能，改進后的算法首先計算每個音頻段的能量，對于能量較大的數(shù)據(jù)段，嵌入水印時選取較大的衰減系數(shù)，對于能量較小的數(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：回聲隱藏的弱點就是任郵局訂閱號：元年回聲隱藏算法回聲隱藏通過在時域引入回聲將數(shù)據(jù)嵌入到音頻信號中。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；（）：含回聲的音頻信號；：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，每段隱藏一個比特的秘密姚鐘涵：碩士研究生基金項目：陜西省自然科學(xué)研究計劃項目基金（編號：）技術(shù)應(yīng)用例軟件天地中文核心期刊微計算機信息（測控自動化）年第卷第期何第三方都能夠檢測回聲。改進后的算法是對回聲內(nèi)核作了加密處理，利用一個序列（密鑰）來改變回聲內(nèi)核的極性。）透明性：水印提取時采用自相關(guān)檢測，它是利用序列自身的分布特性進行水印提取，對于回聲幅度依賴性較傳統(tǒng)的回聲隱藏不明顯，因此改進后

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，在提取時按段長將含水印載體分段，用每一段信號與序列作自相關(guān)檢測，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。試驗結(jié)果攻擊測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。對含水印載體做各種攻擊檢測魯棒性，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。由圖知算法對加噪和重采樣魯棒性較好，對濾波稍差一些。嵌入過程圖各種攻擊下提取的水印我們構(gòu)造一個檢測器來定量

7、檢測算法的性能指標(biāo)，結(jié)果如選取幅×的二值圖像作為實驗用圖，其中第個圖。圖像作為水印嵌入到音頻載體中，歸一化相關(guān)系數(shù)是對提取的水印和原始水印的相似度進行定量的評價。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的回聲嵌入過程。本算法對回聲內(nèi)核進行了改進，用序列中的和分別控制內(nèi)核里衰減系數(shù)的正負，如圖所示。此時，嵌入過程就不是圖中簡單的移位相加，假設(shè)序列的長度與圖中回聲的長度相同，那么依照圖中的對應(yīng)規(guī)則，圖中表示回聲的每一位數(shù)據(jù)都被添加了正負號，然后再與音頻載體進行疊加，完成嵌入。在圖中，若（為根據(jù)實際需要設(shè)定的閾值）則判斷音頻載體中含有水印。圖為不作攻擊時

8、提取的水印圖像通過檢測器的響應(yīng)圖，圖為加噪之后提取的水印通過檢測器的響應(yīng)圖，圖為做重采樣之后提取的水印通過檢測器的響應(yīng)圖，圖為做濾波之后提取的水印通過檢測器的響應(yīng)圖。響應(yīng)曲線由個作為校驗水印的二值圖像與通過檢測提取恢復(fù)出的實際水印圖像做相關(guān)運算得到，其中橫軸表示圖像個數(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。圖一段音頻信號的嵌入過程圖檢測器的相應(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▽υ肼暪艉椭夭蓸庸趑敯粜院?，濾波的和數(shù)值稍低，因為含水印載體經(jīng)過低通濾波后高頻成分被濾掉，對音頻信號有一定損失。圖各種攻擊下的和誤碼率

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

10、索要數(shù)據(jù)的場合。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）適合于實時響應(yīng)更快的場合，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)可以在最快的時間內(nèi)完成，實際應(yīng)用時定時就可以很好地處理。但缺點是不方便觀察雙方是否通信正常，以及程序設(shè)計比較復(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)的實時性要求，因此這些場合中，此兩種通信模式及算法可以互換使用。測法的數(shù)據(jù)恢復(fù)率明顯優(yōu)于功率倒譜檢測?？偨Y(jié)本文作者創(chuàng)新點：用一個衰減系數(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，使用序列對內(nèi)核進行改造加密，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)檢測方面（自相關(guān)檢測法），這種時域嵌入時域提取的算法，在數(shù)據(jù)恢復(fù)率方面得到了很大的提升。算法對加高斯白噪聲和重采樣攻擊時魯棒性強，對濾波的抵抗力較差，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)論圖兩種檢測法下的數(shù)據(jù)恢復(fù)率參考文獻溫秀梅李虹司亞超，一種基于傅利葉域的音頻水印嵌入算法，微計算機信息，；楊榆白劍徐迎暉鈕心忻楊義先，回聲隱藏的研究與實現(xiàn)，中山大學(xué)學(xué)報，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，自動化專業(yè)。研究方向為信息安全、信號處理、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)字圖像與音頻信號處理，計算機與通信網(wǎng)絡(luò)安全，智能信息處理與模式識別，數(shù)字水?。幻?，男，漢族，陜西西安，西安建筑科技大學(xué)碩士研究生，計算機專業(yè)。主要研究方向為信息安全、數(shù)字水印，信號處理。：，：，（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)號信箱）姚鐘涵（收稿日期：）（修稿日期：）此兩種通信模式和算法實現(xiàn)分別應(yīng)用在作者開發(fā)的“中國石油加油站通信處理軟件”，“普通

13、加油站管理軟件”中，并通過實際加油站萬到萬條核心數(shù)據(jù)“交易記錄”來進行分析和驗證，結(jié)果是沒有一條數(shù)據(jù)丟失，實時性也較好，很好地滿足了系統(tǒng)的要求。實際的串口通信的應(yīng)用證明了這兩種基于定時器機制通信模式的合理性和實用性，因此具有廣泛的實用價值，可推廣到一般的串口通信應(yīng)用中。本文作者創(chuàng)新點：從具體的串口通信協(xié)議出發(fā)，提出了兩種通信模式，針對這兩種通信模式分別給出了具體的算法實現(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時性和準(zhǔn)確性等關(guān)鍵問題。參考文獻宋宏偉，甄然加油站中央控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)微計算機信息，：作者簡介：王衛(wèi)峰（），男，漢族，湖北天門人，碩士研究生，主要研究方向為實時數(shù)據(jù)通信；姚正治（），男，遼寧人，高級工程師，主要研究方向為信號處理；劉金剛（），男