音频水印嵌入算法研究

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3.0 陈辉 2024-11-20 5 4 1.27MB 73 页 15积分

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摘要

随着数字化多媒体产品的大量制作和发行，数字产品的版权保护也变得越来越

重要。数字水印作为一种版权保护的新技术近年来得到人们的普遍关注，通过对

数字产品进行不可觉察的修改，数字水印把版权信息嵌入到被保护的数字产品中。

当对数字产品的版权有争议时，可以将数字产品中的水印信息提取出来以证明版

权所有者的身份。虽然人们也可以通过加密来保护数字产品，但是如果密码被破

译就失去保护作用了，而被保护数据中的水印很难被非法用户除去，因此数字水

印技术在产权保护上具有相当大的优势。

论文在总结国内外数字水印技术的基础上，主要研究音频水印嵌入算法。具体

贡献如下：

（1）提出了基于小波变换的音频水印算法。该算法首先通过对音频信号进行小波

分解得到信号的时变低频分量，然后通过扩频和改进离散余弦变换（MDCT）将水

印信息分散嵌入低频分量；最后通过误差修正获得较高的水印提取准确率。实验

结果表明：该算法增大了水印信号的嵌入量，在保证水印安全性和隐蔽性的同时，

对常见攻击还具有较好的鲁棒性。

（2）研究了把线性调频信号(LFM)作为二元水印的音频水印算法。LFM 信号在时

频平面中表现为直线，当水印信息被破坏后，只要能在时频平面上准确定位该直

线就能实现水印恢复。通常情况下，提取水印的误码率达到 20%左右，通过

Hough-Radon 变换（HRT）可以将这种带有污染的水印序列准确再现出来。然而，

HRT 是一个全局搜索算法，它的时间复杂度较大，以致严重限制了该算法的实际

应用，成为了该算法的瓶颈。论文采用线性回归和聚类分析方法，大大缩小了 HRT

的搜索范围，显著缩短了搜索时间。而且在提取水印的误码率达到 20%时，仍然

可以准确定位时频直线。

关键词：音频水印 Hough-Radon 变换线性调频信号线性回归层次

聚类分析小波分解改进的离散余弦变换扩频

ABSTRACT

Along with the large production of the multimedia, the copyright protection of them

is becoming more and more important. Digital watermarking has received great

attention recently as a kind of new technique to protect the copyright. The watermarking

technique embeds invisible codes in digital data, and it can be extracted to identify the

code could also be used to protect the digital production, it will lose such function if the

production is decoded, while the watermark in the protected data is hard to remove.

Hence, there are more advantages of digital watermarking in protecting the copyrights.

Based on large research results of the researchers working on digital watermarking,

this paper focuses on the algorithm for audio watermarking. The mainly contributions of

it are as follows:

(1) An algorithm for audio watermarking based on wavelet decomposition is

proposed. The algorithm first deals with the audio signal using wavelet decomposition

to get the time-variant low frequency components of the audio signal. Then, the

spectrum of the low frequency components is spread and the watermark is embedded

into the low frequency components spread by using the MDCT (Modified Discrete

Cosine Transform). Finally, the better veracity of extracting the watermark is assured by

using error correction. By using the method, the amount of the embedded watermark

bits is increased; the security and imperceptibility of the embedded watermark is

ensured. In the mean time, the watermarking scheme is also robust to the common

signal processing.

(2) A new binary audio watermarking algorithm is studyed. As watermark message, a

liner frequency modulation (LFM) signal is embedded in an audio signal. Since LFM

signal is localized as a straight line in the time-frequency (TF) plane, we can recover the

original watermark sequence by detecting the line in the image of the TF plane.

Although Hough-Radon transform (HRT) can correctly find the embedded watermark

message after common signal operations for bit error rates up to 20% by detecting the

line in the image, it needs to search for the parameters in a global space, and therefore it

has high computational capacity and costs large amount of time, which makes the

method not feasible for real-time application. In order to solve this problem, we propose

a new scheme that combining the liner regression and hierarchical clustering to

accelerate the execution of the HRT algorithm. Since our method searches for the

parameters at local, it can reduce the computational capacity and save large amount of

time. The simulation results show that our scheme could not only detect the embedded

watermark message after common signal processing operations for bit error rates up to

20%, but also accelerate the execution of the HRT algorithm many times.

Key words: Audio Watermarking, HRT, LFM, Liner Regression,

hierarchical clustering, Wavelet decomposition, Modified discrete

cosine transform, Spectrum spread

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

§1.1 论文的选题背景和研究意义 .................................... 1

§1.2 水印的历史和数字水印技术的研究现状 .......................... 3

§1.3 本文的结构 .................................................. 6

第二章数字音频水印算法简介 .......................................... 7

§2.1 数字音频水印算法的理论模型 .................................. 7

§2.2 数字音频水印算法的设计 ...................................... 8

§2.2.1 数字音频水印的嵌入位置 ................................ 8

§2.2.2 数字音频水印的具体嵌入方式 ........................... 12

§2.3 数字音频水印的评价标准 .................................... 14

§2.4 数字音频水印算法分类 ....................................... 15

第三章基本概念和原理 ............................................... 18

§3.1 小波分析的基本原理 ......................................... 18

§3.1.1 小波的产生 ........................................... 18

§3.1.2 小波的本质 ........................................... 18

§3.1.3 小波分析的本质 ....................................... 19

§3.1.4 离散小波变换 ......................................... 22

§3.2 聚类分析的基本原理 ......................................... 25

§3.2.1 聚类分析的方法 ....................................... 25

§3.2.2 距离和相似系数 ....................................... 26

§3.2.3 系统聚类法 ........................................... 28

§3.2.4 类个数的确定 ......................................... 30

§3.3 Radon 变换的基本原理 ....................................... 30

§3.3.1 Radon 变换原理 ....................................... 30

§3.3.2 Radon 变换的性质 ..................................... 31

§3.3.3 离散 Radon 变换 ....................................... 32

§3.3.4 Radon 变换的计算 ..................................... 33

§3.3.5 用 Radon 变换检测直线 ................................. 33

§3.4 时频分析的基本理论 ......................................... 33

§3.4.1 时频分布的表示方法 ................................... 34

§3.4.2 三种线性时频表示方法对多分量 LFM 信号的检测 ........... 37

第四章基于小波分解和改进离散余弦变换的音频水印算法 ................. 40

§4.1 引言 ....................................................... 40

§4.2 水印算法设计原理 ........................................... 41

§4.3 算法 ....................................................... 42

§4.3.1 水印嵌入算法 ......................................... 42

§4.3.2 水印检测过程 ......................................... 44

§4.3.3 误差修正 ............................................. 44

§4.3.4 水印效果评价 ......................................... 44

§4.4 仿真结果 ................................................... 45

§4.5 本章小结 ................................................... 47

第五章基于 LFM 信号检测的音频水印算法 ............................... 48

§5.1 引言 ....................................................... 48

§5.2 二元水印序列的产生 ......................................... 49

§5.3 水印嵌入与提取 ............................................. 49

§5.3.1 水印嵌入算法 ......................................... 49

§5.3.2 水印检测算法 ......................................... 50

§5.4 水印提取值修正算法 ......................................... 51

§5.5 仿真实验 ................................................... 54

§5.5.1 水印位检测与恢复：结果和讨论 ......................... 54

§5.5.2 直线的检测时间：结果与讨论 ........................... 58

§5.6 小结 ....................................................... 59

第六章结束语 ....................................................... 60

参考文献 ............................................................ 62

在读期间公开发表的论文和承担的科研项目 .............................. 66

致谢 .............................................................. 67

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摘要随着数字化多媒体产品的大量制作和发行，数字产品的版权保护也变得越来越重要。数字水印作为一种版权保护的新技术近年来得到人们的普遍关注，通过对数字产品进行不可觉察的修改，数字水印把版权信息嵌入到被保护的数字产品中。当对数字产品的版权有争议时，可以将数字产品中的水印信息提取出来以证明版权所有者的身份。虽然人们也可以通过加密来保护数字产品，但是如果密码被破译就失去保护作用了，而被保护数据中的水印很难被非法用户除去，因此数字水印技术在产权保护上具有相当大的优势。论文在总结国内外数字水印技术的基础上，主要研究音频水印嵌入算法。具体贡献如下：（1）提出了基于小波变换的音频水印算法。该算法首先通过对音频信...

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