[发明专利]一种基于双向预测和泛化扩展的可逆音频水印方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可逆音频水印的嵌入和提取方法，特别涉及一种基于双向预测和泛化扩展的可逆音频水印方法。

背景技术

数字信息革命给人类的社会和生活带来了深刻的变化，同时也带来了新的挑战和创新机遇。数字多媒体作品的可完美复制和世界范围内几乎不需要代价的分发，使数字版权保护及内容完整性验证等安全问题成为迫切需要解决的问题。数字水印将一些信息隐藏在数字图像、视频或者音频信号中，已经成为一种保护数字媒体内容安全的有效手段。在现有的大多数数字水印方法中，由于水印信号的引入，宿主媒体会被永久的改变并无法还原到嵌入水印前的状态。虽然水印引入的失真通常很小并不容易被人的感知系统所察觉，但在一些对数据保真度要求极高的特殊领域中，如医学诊断图像、卫星遥感图像或者法律证据图像等，任何微小的失真都是不被允许的。因此数字水印技术在这些领域的应用受到了很大的限制。为了解决该问题，人们提出了可逆数字水印的概念，这种水印方案可以保证在提取端将宿主媒体精确还原到其未被嵌入水印时的原始状态。自从1997年Barton第一次提出可逆水印的概念以来，近年来已有学者提出一些可逆水印算法。已有的算法基本上包括两种方式，即在空域上嵌入和在频域上嵌入，由于在空域上嵌入可逆水印，实现相对简单，嵌入容量大，从而成为最近研究的热点，空域上的不可见可逆水印主要分为三类：基于压缩、基于差值扩展和基于直方图修改。

基于压缩的可逆水印主要策略是采用无损压缩算法对人体感官不易察觉的部分进行压缩以腾出空间来嵌入水印。例如，Fridrich(J.Fridrich，J.Golian，and R.Du.Invertible authentication[A].In SPIE Proc.of Security and Watermarking of Multimedia Content.2002：197-208)等人针对图像载体，通过对图像的最低有效位(Least Significant Bit，LSB)进行压缩，然后将压缩后的LSB数据和水印数据一起嵌入到新图像的LSB中，从而实现了可逆图像水印算法。该方法的弱点在于其水印的嵌入容量非常有限，且完全依赖于无损压缩算法的压缩效率。基于差值扩展的可逆水印主要策略是，利用载体信号内容存在相关性，即相邻载体单元(如图像的像素、音频的采样值等)具有相近的值，因而它们的差值比较小，通过扩展差值来将额外的数据嵌入其中。Tian(J.Tian.Reversible data embedding using a difference expansion[J].IEEE Trans.Circuits Systems and Video Technology.2003，13(8)：890-896)第一次提出了基于差值扩展(Difference Expansion，DE)的可逆图像水印，其正是利用相邻像素之间的关联性，扩展相邻像素之间的差值并在其LSB中嵌入水印信息。该方法相比已有的算法来说提高了水印的嵌入容量且降低了图像的失真，但其附加信息所占的空间仍然比较大，像素间的冗余性也没有得到充分的发掘。基于直方图修改的可逆水印主要策略是，利用载体单元的统计特征，在载体单元或其差值的直方图上进行修改和移动来嵌入水印，该方法最早有Vleeschouwer(C.D.Vleeschouwer，J.F.Delaigle，and B.Macq.Circular interpretation of bijective transformations in lossless watermarking for media asset management[J].IEEE Trans.Multimedia.2003，5(1)：97-105)等人提出，他通过移动图像的像素直方图峰值点两侧的像素以空出位置来在峰值点进行水印嵌入。该方法相比已有算法也提高了水印容量和图像质量，但仍有提高的空间。