[发明专利]从时频分析角度出发的鲁棒数字音频水印算法

权利要求书

1.一种从时频分析角度出发的鲁棒数字音频水印算法，其特征是：通过短时傅立叶变换在时频域选择低能量处嵌入水印实现水印对一般攻击的鲁棒性，包括以下步骤；

步骤1，水印嵌入位置的确定；

步骤2，水印的产生，嵌入；

步骤3，水印的检测和提取；

所述步骤1和步骤2中，确定水印嵌入位置并进行水印嵌入的步骤如下：

第一步：将音频信号分帧，每一帧进行希尔伯特变换消除信号对称性；

第二步：对信号进行非重叠短时傅立叶变换得到时频分布图；

第三步：在时频分布图中挑选中低频段进行加窗分块，计算每一小块的平均能量，按平均能量从小到大的顺序排序，在能量处于排序前50％的前半段中随机选出P块作为水印嵌入的具体位置，保存位置下标索引；

第四步：将产生的随机的二进制信息经过扩频码扩频，利用现有的改进扩频通信技术进行水印嵌入，即利用扩展码对水印信息进行扩频再进行水印嵌入，在嵌入时通过引入调节常数α调整水印嵌入强度，以权衡音频信号的质量和嵌入水印的鲁棒性，水印嵌入完成之后，将嵌有水印的时频图段代替主信号原来部分，并进行非重叠短时傅立叶逆变换得到嵌有水印的音频信号；

所述步骤3中水印提取检测的步骤如下：

第一步：对加水印音频信号进行非重叠短时傅立叶变换，得到加水印信号的时频分布图；

第二步：根据嵌入方提供的特征能量块下标索引找到水印嵌入位置，通过判断扩展码与嵌有水印信号特征能量块矢量的内积的正负性提取二进制水印，若内积符号为正，则恢复水印信息为1，若内积符号为负，则恢复水印信息为0；

所述步骤1中，水印嵌入位置的确定，具体包括以下步骤；

步骤1.1，对选取的音频段x进行非重叠分帧处理，得到每帧包含M₀个样本的x_i，对每一帧进行希尔伯特变换，以消除频谱在2π范围内的对称性，由于希尔伯特变换后的信号与原信号除了相位有所改变，其他的特性都不变，希尔伯特变换后的输出值仍记为x_i；

步骤1.2，对得到的音频信号进行非重叠短时傅立叶变换，得到信号的时频表达式Y；这一过程通过对信号每一帧x_i做快速傅立叶变换实现；

步骤1.3，在信号的时频域中选择一段中低频率区域作为可行的水印嵌入大范围，频率介于f₁＝60Hz和f₂＝2800Hz之间；

步骤1.4，对选定的水印嵌入大范围进行加窗操作，用窗宽为W的矩形窗将选定的时频区域分成多个正方形小块；

步骤1.5，根据正方形小块的平均能量大小随机选择能量较小的P小块作为水印嵌入的具体位置，这些嵌入位置也叫特征能量块，记录特征能量块在时频图中的具体下标索引并保存，以便发送给合法的水印提取方；

所述步骤2中，水印的产生，嵌入，具体包括以下步骤；

步骤2.1，产生P位二进制随机水印w∈{0,1}；

步骤2.2，将选定的每一个特征能量块进行矢量化，得到特征矢量产生一个伪随机序列作为扩展码；

步骤2.3，利用现有的改进扩频通信技术进行水印的嵌入：通过扩展码p对水印信息进行扩频，按照特征能量块在水印嵌入大范围的位置从上至下，从左至右，每一个特征矢量中嵌入一位水印；当水印取1时，嵌入+p，当水印取0时，嵌入-p，通过引入来消除主信号干扰；

步骤2.4，水印嵌入后，通过调节常数α来控制水印嵌入强度，取值为0＜α＜1，给定初始值α＝0.1，根据嵌入水印的不可感知性和鲁棒性性能，按步长±0.01逐步调整α取值，直到水印的不可感知性和鲁棒性得以权衡。

2.根据权利要求1所述的一种从时频分析角度出发的鲁棒数字音频水印算法，其特征是：所述步骤3中，水印的检测和提取，具体包括以下步骤；

步骤3.1，水印提取的前几个步骤和水印嵌入相同，将加有水印的音频信号x_w经过和步骤1.1，步骤1.2，和步骤1.4的操作后，得到分成多个小块的时频区域；

步骤3.2，根据水印嵌入方提供的水印嵌入位置的下标索引直接找到P块嵌有水印的特征块，对每一小块进行矢量化，按列从上至下排列，通过判断加水印矢量与扩频码的内积关系恢复水印，得到恢复的水印序列