DCT域上自适应抗HSI音频水印算法

【摘要】：音频水印算法将表示特定含义的信息(音频创作者的相关信息、音频文件的下载及传播记录)嵌入到音频文件中,不影响原始音频文件自身的品质;在发生版权纠纷的情况下,能够将嵌入音频中的水印信息正确地提取出来,即使嵌入水印后的音频受到信号处理攻击,水印提取的正确性也不会受到影响。在音频中嵌入水印可以实现音频版权的追踪,它的有效性不仅取决于嵌入水印后算法的不可感知性,还取决于提取时的鲁棒性。两者之间是相互制衡的,能否使两者达到更好的平衡是音频水印算法是否能够实用化的决定因素。近年来,基于离散余弦变换(Discrete Cosine Transform,DCT)的水印算法受到广泛关注,DCT变换计算效率高,对音频作该变换后,能量集中且守恒。本文针对DCT域上的音频水印,研究自适应嵌入技术和提取时的抗宿主信号干扰(Host Signal Interference,HSI)技术,保证嵌入的水印在不可感知的前提下,最大化水印提取的鲁棒性。自适应嵌入技术随宿主音频的不同,自适应地确定嵌入参数。信噪比(SignalNoise Ratio,SNR)常用于嵌入水印的不可感知性参数。目前基于SNR自适应的音频水印算法对于是否存在进一步提高嵌入参数的上限的空间,没有给出回答;对于DCT域上音频水印提取时处理HSI的算法,目前的研究没有利用HSI对水印提取的积极作用,算法的鲁棒性还有进一步提高的空间。基于以上自适应音频水印算法的研究现状,本文借鉴DCT域上自适应图像水印算法的思想,提出自适应抗HSI音频水印算法,在保证水印不可感知的前提下,最大化水印的鲁棒性。本文主要工作内容和创新点如下:(1)提出一种提高嵌入参数上限的自适应函数关系。在建立嵌入参数与SNR之间的函数关系时,将DCT能量守恒原理考虑其中,提高了嵌入参数的上限,从而更好地平衡水印的不可感知性和鲁棒性;在此基础上,对适合嵌入水印的音频分段,根据确定的函数关系自适应地确定每一段音频的嵌入参数,使得音频文件获得一致的SNR,并通过对五种不同类型的音频进行仿真实验来验证本文算法在不可感知性方面的有效性。(2)提出一种引入HSI控制因子提高算法鲁棒性的策略。通过理论分析可知,HSI对水印提取的结果既有积极作用,也有消极影响,引入HSI控制因子后,能够更好地消除HSI对水印提取的消极影响,同时通过HSI控制因子的合适取值,最大程度的保留其对水印提取的积极作用,进一步提高算法的鲁棒性,并通过对五种不同类型的音频进行仿真实验来验证本文算法在鲁棒性方面的有效性。对五种不同类型的音频进行仿真实验的结果表明,从不可感知性方面来说,本文算法的SNR大于现有算法的SNR,本文算法SNR的均值相比A-SNR算法、OPT-SNR算法、MO-PN算法和DCT-GA算法分别提高了4.6、3.7、3.2和1.3;从算法对常规攻击的鲁棒性方面来说,本文算法的误码率(Bit Error Rate,BER)均值明显优于ASNR算法和OPT-SNR算法,对于MP3攻击(64kbps),本文算法的BER相比MO-PN算法和DCT-GA算法分别提高了12.84%和2.12%,上述实验结果表明,本文算法具有良好的嵌入水印的不可感知性,同时,也提高了抵抗攻击的鲁棒性,使两者达到一个更高水平的平衡。本文以上述创新算法为关键技术,实现了数字音频水印隐蔽嵌入与鲁棒提取系统,包括用户登录、原始音频选择、水印信息生成、水印嵌入、添加攻击和水印提取六个模块。