基于回声的音频水印算法

张道德 UCAS

第4题 基于回声的音频水印算法

利用回升嵌入水印的算法是一种经典的音频水印算法。它利用了人类听觉系统的一个特性：音频信号在时域的后向掩码作用，即弱信号在强信号消失之后变得无法听清。

4.1算法介绍

设音频序列{(),0}S s n n N =≤≤，按照下式即可得到含有回声的音频序列~

Y ：

~

() 0()()() s n n m

y n s n s n m m n N

λ≤<⎧=⎨

+-≤≤⎩ 其中m 是信号和回声间的延时，一般取m N ≤，λ为衰减系数。

在回声编码中通过修改m 来嵌入水印信息，水印嵌入流程图如下：

对音频数据文件，先将其分成若干包含相同样点数的片段，每个片段时间约为几个到几十个毫秒，样点数记为N 。每段用来嵌入一比特的水印信息。在水印嵌入阶段，对每段信号使用前面的回声序列构造方式，选择0m m =则在信号中嵌入比特0，选择1m m =则在信号中嵌入比特1。延时0m 和1m 是以人耳听不到回声信号为准则选取，最后将所有回声信号段串联成连续信号。

回声编码中水印提取流程如下图：

对一个音频回声信号，水印提取关键在于确定回声的延时。利用复倒谱可将回声从原始信号中分离出来。设回声信号~

()y n 的复倒谱自相关为~

()y n 。由于引入回声的延时只有0m 和1m 两种可能，因此，只有比较~

()y n 在0m 和1m 处的取值，根据其中较大者即可判断回声延时，从而确定嵌入的一比特消息。 Def 用归一化相关系数计算两个向量的相似性，表达式是这样的：

分子是两个向量的内积，分母分别是两个向量的模。

4.2 编程实现与分析

4.2.1 回声水印算法的程序实现与分析

在本试验嵌入过程中，我们选取音频数据为440000个，每4400（即4400N =）个音频数据中嵌入1比特信息，因此最多嵌入100比特的信息。首先我们将这440000个音频数据存储在维数4400100⨯的矩阵当中，选取01200,300m m ==，即

当嵌入比特信息0b =，~

000() 0()()() s n n m y n s n s n m m n N λ≤<⎧=⎨+-≤≤⎩

当嵌入比特信息1b =，~

1

11() 0()()() s n n m y n s n s n m m n N

λ≤<⎧=⎨+-≤≤⎩

其中，λ为衰减系数。

在本试验信息提取过程中，我们将存储嵌入信息的440000个音频数据存储在维数4400100⨯的矩阵当中；然后在每一次提取1比特信息的过程中，首先对这4400个音频数据分别进行DFT 、复对数、IDFT 变换；最后比较0()y m 与1()y m ，

01010,()()

1,()()

y m y m b y m y m >⎧=⎨

<⎩

在本试验中，我们选择的嵌入信息为100比特随机选择的信息。我们取衰减系数0.2λ=，运行很多次的实验结果都很理想，我们选取10次实验数据如下表：

但是，但我们取其他数值时（从0开始增加）就会出现波动如下表：

表4.2衰减系数与误码率、相关系数的关系表

根据上述表格可以绘制如下图

图4.1衰减系数与误码率、相关系数的关系图

结论：看见为了使误码率减小，相关系数增大必须相应的衰减系数必须增大。 4.2.2 程序编码

%*****************************************************************************

0.02

0.04

0.06

0.080.10.12

0.14

0.16

0.18

衰减系数

*******

基于回声的水印嵌入算法

①嵌入水印算法

function [AudioArray,TextLength,fs,bits]=EchoWater(AudioName,InsetText,h)

%AudioName为音频的名称；

%InsetText为嵌入文本信息；

%AudioArray为嵌入文本信息后的数组；

%TextLength为嵌入文本信息的长度信息；

%h为衰减系数；

%fs表示采样频率（HZ）,bits表示量化位数，用于还原成声音

%注：该算法设置为最多嵌入１００比特信息，每4400个声音中嵌入1bit信息；%即我们在此算法中取N=4000，嵌入"1"时，取m=200；嵌入"0"时，取m=300。[AudioArray,fs,bits]=wavread(AudioName);%读取声音

AudioLength=length(AudioArray);

if AudioLength<440000

disp('音频长度太短')

end

TextLength=length(InsetText);

if TextLength>100

disp('嵌入信息长度过长，只最嵌入１００比特')

end

%******************************************************************************* *

%回声水印算法

%延时200个点代表“1”，延时300个点代表“0”。

y=AudioArray(1:440000);

N=4400;

L1=100;

y=reshape(y,N,L1);

y=y';

for k=1:TextLength

if (InsetText(k)==1)

y(k,:)=y(k,:)+h.*[zeros(1,200),y(k,1:N-200)];

else

y(k,:)=y(k,:)+h.*[zeros(1,300),y(k,1:N-300)];

end

end

y=y';

AudioArray(1:440000)=reshape(y,1,440000);%R是嵌入信息的隐写信号;