一種利用載體增強穩健性的多比特擴頻水印方法
【專利摘要】本發明的利用載體增強穩健性的多比特擴頻水印方法，包括：a)生成一組偽隨機序列；b)用函數對序列進行預處理；c)載體信號變換；d)預處理并求取內積；e)根據載體與水印的相關性計算水印功率衰減因子；f)水印信息嵌入；g)獲取含水印的多媒體信號。水印提取過程包括：h)含水印信號的變換；i)預處理含水印信號；j)生成參考序列；k)獲取判決變量；l)提取水印信息。本發明的多比特擴頻水印方法，充分利用載體來增強水印的穩健性，緩和了水印速率、透明度與穩健性之間的矛盾，從而獲得比現有方案更優異的性能。另一方面，本發明所述方法對載體類型、載體向量的獲得方式以及嵌入端與提取端的預處理方法沒有任何限制，具有很好的通用性。
【專利說明】一種利用載體增強穩健性的多比特擴頻水印方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種利用載體增強穩健性的多比特擴頻水印方法，更具體的說，尤其涉及一種對水印速率、透明度與穩健性進行優化的、利用載體增強穩健性的多比特擴頻水印方法。
【背景技術】
[0002]數字水印通常指在音頻、圖像、視頻等多媒體載體中嵌入難以被察覺的版權標識、控制信息或秘密消息等，并在接收端提取出這些信息。近年來，數字水印技術被廣泛應用于版權保護、真偽鑒定、設備控制、廣播監測和隱蔽通信等領域。數字水印系統的性能指標主要包括:透明度，反映嵌入水印對載體品質的影響；嵌入速率，即水印的信息速率；以及穩健性，即經過多媒體信號處理或惡意攻擊后水印的恢復能力。通常希望水印透明度好(對載體影響小)、速率高且穩健性強(能夠抵抗大多數信號處理和攻擊)，但三者難以兼得。
[0003]擴頻(Spread Spectrum, SS)調制是保密通信和第三代移動通信的關鍵技術，它能夠以極低的信號功率實現可靠的通信，由此也成為數字水印的一類基本方案。擴頻水印利用偽隨機序列將每個水印信息比特的能量分散后再疊加到載體上，接收端通過相關運算削弱與該偽隨機序列不相關的干擾并解調出水印信息。擴頻水印具有透明度好、穩健性強、易于實現自同步等優點，從而廣泛應用于穩健水印系統中。然而，傳統的擴頻水印存在兩大缺陷:
1)由于水印的頻譜需要被充分擴展以對抗干擾，而擴展后的水印頻譜不能超過載體帶寬，因此水印的嵌入速率受到極大的限制，通常只有載體速率的千分之一甚至萬分之一；
2)由于水印疊加到載體上，因此載體對水印的解調形成強干擾，限制了水印的穩健性，即使在無攻擊的條件下接收端也難以實現零誤碼的水印提取。
[0004]為了改善擴頻水印的嵌入速率，常采用多比特擴頻調制，如碼分多址(CodeDivision Multiple Access, CDMA)。該方案將水印比特等分成若干組,對每組中的各個水印比特分別采用擴頻調制，再將調制后的水印序列疊加并嵌入到載體信號中。然而，該方案等效于若干個獨立的一比特擴頻水印的疊加，其依然面臨載體對水印的干擾問題，隨著水印嵌入速率的提高其穩健性急劇惡化。
[0005]為了削弱擴頻水印中載體對水印的干擾，Malvar等提出了改進擴頻(ImprovedSpread Spectrum, ISS)調制技術,在嵌入端利用水印序列與載體信號的相關性來補償載體對水印的干擾，從而實現了無攻擊時零誤碼的水印提取。進一步地，Mayer等將改進擴頻調制擴展到基于CDMA的水印系統中，改善了多比特擴頻水印的穩健性。然而，最新的研究成果表明，擴頻水印中部分載體分量對水印的恢復具有積極作用，巧妙地利用這部分有益的載體分量將緩和水印的嵌入速率、透明度及穩健性之間的矛盾，進而提高擴頻水印系統的性能。現有的多比特擴頻水印方案或無視載體的干擾，或將其完全抵消，均無法發揮載體對水印的積極作用。
【發明內容】
[0006]本發明為了克服上述技術問題的缺點，提供了一種對水印速率、透明度與穩健性進行優化的、利用載體增強穩健性的多比特擴頻水印方法。
[0007]本發明的利用載體增強穩健性的多比特擴頻水印方法，其特別之處在于，包括水印嵌入和水印提取步驟，設需要在F個載體數據中嵌入個水印比特；所述水印嵌入通過以下步驟來實現:
a).生成偽隨機序列，偽隨機序列發生器根據給定的密鑰產生個長度為的偽隨機序列，用列向量\ { J = X--X )表示，序列中各元素取值為±1 ;偽隨機序列可以選用m序列、Gold序列、混沌序列等；
b).對偽隨機序列進行預處理，采用函數表達式為盡Θ的嵌入端預處理方法，對步驟a)中生成的偽隨機序列進行預處理，以使其符合水印透明度的要求；處理后的偽隨機序列記作4, = Ht(Jij),其中j = U ;該預處理過程可以是任意確定性的信號處理，如幅度壓
縮、濾波、基于感知模型的水印整形等，也可以是空操作(即盡(D = Uj');
c).載體信號變換，利用可逆的數學變換將載體信號轉換為可進行水印嵌入的嵌入域信號，并逐段分割為等長的、元素個數為/的載體向量m ;該變換方式可以是離散傅里葉變換、離散余弦變換或離散小波變換，或者為計算特征值、奇異值或范數的載體特征提取或分解方法；
d).預處理并求取內積，采用函數表達式為//,0的提取端預處理方法，對載體序列x和步驟b)中處理后的偽隨機序列U進行處理，處理后的結果分別為;預處理方法可以是放大、濾波、降噪等信號處理方法，也可以是空操作(即不處理)；
對于元素個數均為JV的列向量21和*2來說,定義向量內積為，其中
?表示向量轉置；按照下面的公式分別計算AO
【權利要求】
1.一種利用載體增強穩健性的多比特擴頻水印方法，其特征在于，包括水印嵌入和水印提取步驟，設需要在個載體數據中嵌入個水印比特；所述水印嵌入通過以下步驟來實現: a).生成偽隨機序列，偽隨機序列發生器根據給定的密鑰產生個長度為？的偽隨機序列，用列向量\ (J = X--,K )表示，序列中各元素取值為±1 ; b).對偽隨機序列進行預處理，采用函數表達式為的嵌入端預處理方法，對步驟a)中生成的偽隨機序列進行預處理，以使其符合水印透明度的要求；處理后的偽隨機序列記作 = Hi(Uj),其中 J = I,[； c).載體信號變換，利用可逆的數學變換將載體信號轉換為可進行水印嵌入的嵌入域信號，并逐段分割為等長的、元素個數為況的載體向量X ; d).預處理并求取內積，采用函數表達式為AVG的提取端預處理方法，對載體序列x和步驟b)中處理后的偽隨機序列進行處理，處理后的結果分別為; 對于元素個數均為JV的列向量4和1；2來說,定義向量內積為，其中 表示向量轉置；按照下面的公式分別計算A(X)、盡(氣/)與f個偽隨機序列Ui的內積:
2.根據權利要求1所述的利用載體增強穩健性的多比特擴頻水印方法，其特征在于，所述水印提取通過以下步驟來實現:h).含水印信號的變換，采用與步驟c)中相同的數學變換，將接收到的含水印的多媒體信號轉換為嵌入域信號，并逐段分割為元素個數力的含水印的序列y ;i).預處理含水印信號，采用與步驟d)中相同的提取端預處理方法,對含水印的序列y進行預處理，得到處理結果I/Ι)；j).生成參考序列，偽隨機序列發生器根據與步驟a)中相同的密鑰產生1個長度為F的參考序列A U=U )，序列Ui與步驟a)中的偽隨機序列h (j = l,…,K ) 一致；k).獲取判決變量，計算各參考序列與預處理后的含水印信號的內積，得到”個判決變量，記作5 =(4(:30,?},其中i；I).提取水印信息，根據判決變量的符號解調出嵌入的水印信息，恢復出的第〗個水印比特記作4 =sign(?i) ’其中sigri(')為取符號函數，。
3.根據權利要求2所述的利用載體增強穩健性的多比特擴頻水印方法，其特征在于，步驟a)中生成的偽隨機序列和步驟j)中生成的參考序列為m序列、Gold序列或混沌序列。
4.根據權利要求1或2所述的利用載體增強穩健性的多比特擴頻水印方法，其特征在于，步驟b)中對偽隨機序列進行預處理的方法為幅度壓縮、濾波、基于感知模型的水印整形或者空操作；在載體信號為音頻信號的情況下，則步驟b)中的預處理方法采用心理聲學模型對生成的偽隨機序列進行整形，其通過以下步驟來實現:b-D.轉換為子帶數據，利用分析子帶濾波器將音頻采樣序列χ和偽隨機序列~(J = U )進行分段，每段轉換為頻域的384個子帶數據，分別記作句，其中i = 0,--.，383 ；b-2).計算信號掩蔽比，通過MPEG-1心理聲學模型計算輸入音頻信號的32個子帶的信號掩蔽比，單位為dB，并以相鄰的12個值相同的形式將其插值為384個值，記為M(Ac).b-3).對子帶數據進行整形，按照下面的公式對偽隨機序列的子帶數據進行整形:SJk) = S1gn(S^,10—禪.輝)；其中函數mm(Y)返回兩個參數中的最小值；b-4).轉換至時域，利用合成子帶濾波器將整形后的偽隨機序列的子帶數據Suo(k)轉換回時域，得到。
5.根據權利要求1或2所述的利用載體增強穩健性的多比特擴頻水印方法，其特征在于，步驟c)所述的可逆的數學變換為離散傅里葉變換、離散余弦變換或離散小波變換，或者為計算特征值、奇異值或范數的載體特征提取或分解方法。
6.根據權利要求2所述的利用載體增強穩健性的多比特擴頻水印方法，其特征在于，步驟d)與步驟i)所述的提取端預處理方法為放大、濾波、降噪或者空操作。
7.根據權利要求1或2所述的利用載體增強穩健性的多比特擴頻水印方法，其特征在于，步驟e)中所述的盧的取值范圍為:0.5≤β≤0.8。
【文檔編號】G06T1/00GK103455972SQ201310408462
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月10日 優先權日:2013年9月10日
【發明者】張鵬, 李曄, 馬曉鳳, 樊燕紅, 姜競賽, 郝秋赟 申請人:山東省計算中心