一種基于倒譜分析的音頻信息隱藏算法及其改進(jìn)

1、計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件Computer Applications and Software一種基于倒譜分析的音頻數(shù)字水印算法及其改進(jìn)摘 要 在分析一種基于倒譜系數(shù)統(tǒng)計(jì)平均值音頻水印算法基礎(chǔ)上，針對(duì)算法在魯棒性方面的不足進(jìn)行改進(jìn)。將一幀音頻信號(hào)分為兩個(gè)子塊，利用兩個(gè)子塊倒譜變換系數(shù)的不等關(guān)系來嵌入水印數(shù)據(jù)。通過添加平滑過渡區(qū)來解決水印嵌入所造成的幀之間的突變問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明算法改進(jìn)后可以抵抗大多數(shù)攻擊，尤其對(duì)剪切和時(shí)移攻擊有很好的魯棒性。最后，提出以改進(jìn)前水印算法來標(biāo)記水印同步起始位，同時(shí)采用改進(jìn)后的算法來嵌入水印數(shù)據(jù)的雙重水印嵌入方案。 關(guān)鍵詞倒譜分析 數(shù)字水印 魯棒性 平滑過渡A digital

2、 audio watermarking algorithm based on cepstrum analysis and its improvementAbstractThis paper analyzes a cepstrum-based audio watermarking algorithm via the mean-value manipulation, and improves the algorithm focusing onshortcomings in terms of robustness. A frame of the audio signal is divided int

3、o two sub blocks, and the watermark data is embed by using the unequal relationship of cepstrum transform coefficients between the two blocks. The problems of the mutation between frames caused by watermark embedding are solved by adding a smooth transition zone. The experimental results confirm tha

4、t the improved algorithm can resist most attacks and have good robustness especially for time-scaling and time-shift attack. Finally, this paper propose a watermark scheme that the conventional algorithm is used to initiate a start and the new one is used to actually embed watermark bits. KeywordsCe

5、pstrum analysis Digital watermarking Robustness Smooth transition0 引 言根據(jù)水印嵌入方式的不同，數(shù)字音頻水印算法可分為空域算法和變換域算法兩大類，空域水印對(duì)于類噪聲攻擊的抵抗性較差，如MPEG壓縮等處理。目前變換域方法較為普遍, 因?yàn)樽儞Q域方法通常具有較好的穩(wěn)健性, 對(duì)音頻壓縮、濾波及噪聲均有一定的抵抗力。倒譜分析是一種同態(tài)映射, 在語音識(shí)別中是一種最有效的特征提取方法, 還可用于語音信號(hào)的基音檢測、低比特率編碼的語音分析/綜合系統(tǒng)。本文介紹的兩種數(shù)字音頻水印算法均屬于倒譜域水印算法。(n)=IFFT(exp(FFT(c(n)

6、ejs(n) (2) s其中s(n)表示從FFT(s(n)所產(chǎn)生的相位譜。嵌入過程包括兩個(gè)主要步驟：Step1：計(jì)算偏置平均置D：D=c(i)i=1N-1N-1減去偏置平均值：c'(n)=c(n)-D (3)Step2：在指定的范圍Ic內(nèi)，如果嵌入數(shù)據(jù)Wm=0，倒譜保(n)： 持不變；如果嵌入數(shù)據(jù)Wm=1時(shí)，c'(n)改為cc'(n)+c(n)=c'(n)ifc'(n)<0&nIc (4)ifc'(n)0&nIc1 一種基于倒譜域的統(tǒng)計(jì)平均值數(shù)字水印算法倒譜表示法在語音分析和識(shí)別的研究中已被廣泛采用。由于音頻信號(hào)的倒譜系數(shù)具

7、有很大的不相關(guān)性，且倒譜能量主要集中在零點(diǎn)附近，可以根據(jù)倒譜系數(shù)分布將水印數(shù)據(jù)擴(kuò)展到音頻信號(hào)的幾個(gè)倒譜分量中，使每個(gè)分量的能量都較小而不易被檢測出來，從而保證對(duì)無意或有意的攻擊具有較高的安全性。時(shí)域音頻信號(hào)s(n)可使用傅里葉變換、復(fù)對(duì)數(shù)運(yùn)算以及逆傅立葉變換轉(zhuǎn)化為實(shí)倒譜表示c(n)。c(n)=IFFT(log(FFT(s(n) (1)(n)，通過在倒譜域中嵌入水印將公式（1）中的c(n)變成c(n)： 然后經(jīng)公式（2）逆變換至?xí)r域音頻信號(hào)s其中，Ic范圍選為65，66，.，1983。公式(4)中變量的值為4/M，其中M表示在Ic范圍內(nèi)滿足c'(n)<0這個(gè)條件的c'個(gè)數(shù)。

8、(n)在一幀內(nèi)的總和為0，另外，當(dāng)嵌入數(shù)據(jù)Wm=0時(shí)，c當(dāng)嵌入數(shù)據(jù)Wm=1時(shí)則為4。因此，可以通過將每一幀的倒譜系數(shù)和與閾值T'進(jìn)行比較來提取水印，在本文中T'取為3。1如果cc(n)T' (5)Wm=nI0其他情況由于該算法在運(yùn)算過程中倒譜系數(shù)會(huì)減去一個(gè)偏置平均計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件值，逆變換后音頻信號(hào)肯定會(huì)發(fā)生變化，因此，其透明性和魯棒性都會(huì)受到影響。基于此，提出下面的改進(jìn)算法。2 改進(jìn)算法2.1 水印嵌入與提取該算法利用了原始語音信號(hào)每一幀中兩個(gè)子塊內(nèi)倒譜系數(shù)平均值的不等關(guān)系來嵌入水印數(shù)據(jù)。首先，在一幀中分別設(shè)定兩個(gè)范圍IA和IB用于統(tǒng)計(jì)平均值的分析和比較，其中IA選為

9、65，.544 U 1504，. ，2043， IB選為545，.，1503，IA、IB和IAUIB的倒譜系數(shù)統(tǒng)計(jì)平均值分別設(shè)為MA，MB和MAB。根據(jù)MA和MB之間的不等關(guān)系，可以嵌入1bit數(shù)據(jù)，嵌入步驟如下所示：Step1：如果Wm=1且MA-MB<,則：AABNBT/2foriIA(6) i)=c(i)-M+M+AN+NBc(Ac(i)-MB+MAB-NT/2NA+NBforiIB在這里作為一個(gè)閾值用來判斷MA和MB的關(guān)系，本文將其設(shè)定為0.002。Step2：如果Wm=0且MB-MA，則：c(AABNBT/2c(i)=i)-M+M-NA+NBforiIA (7) Ac(i)-M

10、B+MAB+NT/2N+NforiIBABStep3：如果以上兩種情況均不是，則倒譜系數(shù)保持不變。對(duì)倒譜系數(shù)的修改不可避免地改變了幀能量。為了防止幀能量的波動(dòng)，將s(n)重新調(diào)整為： N-1(i)s(n)=s(n)(si=0)1/2(8)N-1s2(i)i=0由于經(jīng)過以上一系列運(yùn)算后每一幀倒譜系數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均值并未改變，則上一部分中描述的算法仍然可以用來嵌入額外的水印。因此，水印容量可以通過兩種算法的嵌入而增加一倍。當(dāng)然，這樣做必然會(huì)使得嵌入水印后的語音信號(hào)透明性有所下降。為了提取水印，在接收端分別計(jì)算IA和IB范圍內(nèi)的倒譜系數(shù)平均值，設(shè)為MA和MB，并通過以下公式來提取水印數(shù)據(jù)Wm 。W1如果

11、MA>MBm=(9)0如果MAMB2.2 幀之間的平滑過渡由于水印嵌入過程以幀為單位，因而可能導(dǎo)致在幀結(jié)點(diǎn)的突變。這種突變往往導(dǎo)致不理想的嵌入效果，不僅降低了音頻質(zhì)量，也暴露了水印的位置。為了彌補(bǔ)這一缺陷，本文提出在突變的幀之間插入一個(gè)額外平滑過渡區(qū)。具體地講，設(shè)dk(i)表示水印嵌入后的第k幀的波形偏差，即dk(i)=sk(i)-sk(i) (10)其中sk(i)和sk(i)分別表示原始的和嵌入水印后的音頻信號(hào)的第i個(gè)樣本。假設(shè)第k幀覆蓋樣本指數(shù)從t+1至t+ N，第（k+1）幀開始位置為t+ N'+1且N'> N，則區(qū)間（t+ N+1，t+ N'）可以充

12、當(dāng)幀之間的緩沖邊界，以減輕dk(i)的突變。本文采用了分段保形三次插值法以達(dá)到平滑過渡的目的。通過從第k個(gè)和第k +1個(gè)幀構(gòu)成的已知點(diǎn)收集樣本，在過渡區(qū)中利用插值法得到未知點(diǎn)的偏差，即dk(i)| i= t+ N+1，.，t+ N'。然后音頻信號(hào)修改為sk(i)= sk(i)+dk(i), i =t+ N+1，.，t + N'。實(shí)驗(yàn)顯示在使用該方法后幀之間的突變消失了，而且主觀音頻聽覺測試也證實(shí)在音頻信號(hào)在質(zhì)量方面有了很大的改善。3 性能比較3.1 透明性比較為測試算法改進(jìn)前后的透明性，從幾個(gè)CD專輯中收集3段不同風(fēng)格的錄音，音頻信號(hào)以16位分辨率及44.1kHz的頻率進(jìn)行采樣

13、，嵌入數(shù)據(jù)則采用20bit二進(jìn)制序列。圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，算法改進(jìn)前后透明性都非常不錯(cuò)，水印數(shù)據(jù)嵌入前后語音信號(hào)的波形并沒有產(chǎn)生大的變化，透明性良好。3.2 魯棒性比較為了檢驗(yàn)算法改進(jìn)前后的魯棒性，本文還測試了在下列攻擊中水印提取的正確率：表1 兩種算法魯棒性對(duì)比性。但是另一方面，算法改進(jìn)前嵌入水印數(shù)據(jù)為0的情況下，當(dāng)嵌入水印的載體語音遭受時(shí)移和時(shí)間壓縮、伸展攻擊時(shí)，算法魯棒性明顯下降，而算法改進(jìn)后這種情況下的魯棒性明顯提高，問題得到了很好的解決。因此從表1可以得出結(jié)論，算法計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件 3 改進(jìn)后魯棒性有所提高，尤其是對(duì)時(shí)移攻擊和時(shí)間伸展、壓縮攻擊的抵抗能力得到了明顯的提升。3.34 結(jié)語盡

14、管改進(jìn)前后的兩種倒譜水印算法能在無干擾的情況下同時(shí)進(jìn)行水印嵌入，但是必然會(huì)對(duì)總體透明性和魯棒性產(chǎn)生一定影響。因此本文提出利用這兩種基于倒譜的水印算法形成一個(gè)兼容性的水印系統(tǒng)有著特殊的前景。具體來講，就是利用改進(jìn)后的算法來嵌入數(shù)字水印，而利用改進(jìn)前的算法標(biāo)記水印起始位置。這種工作方式可以看作雙通道水印，也就是一個(gè)用來進(jìn)行數(shù)據(jù)嵌入，另一個(gè)則用作標(biāo)記。在用來標(biāo)記的通道中，數(shù)據(jù)位通常保持為0，若出現(xiàn)6個(gè)連續(xù)的比特“1”則表示水印啟動(dòng)。下圖對(duì)雙通道水印進(jìn)行了闡釋。ab通道2 嵌入水印數(shù)據(jù)圖1 雙通道水印示意圖參 考 文 獻(xiàn)1 X. He, M.S. Scordilis, Efficiently sync

15、hronized spread-spectrum audiowatermarking with improved psychoacoustic model, Res. Lett. SignalProcess (2008) Article ID 251868.2 X.Y. Wang, P.P. Niu, H.Y. Yang, A robust digital audio watermarkingbased on statistics characteristics, Pattern Recognition 42 (2009)30573064.3 S. Xiang, H.J. Kim, J. Huang, Audio watermarking robust againsttime-scale modification and MP3 compression, Signal Process. 88 (2008)23722387.4 張敏瑞,易克初.倒譜域音頻與圖像水印算法J西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,6:730- 7385 白樹鋒.魯棒性音頻水印算法的研究D.南京郵電大學(xué).2013.6 邸崢.基于小波分析的數(shù)字音頻水印技術(shù)的研究D