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1、1,5.2 音频信息隐藏与水印算法,2,语音各个比特位的作用,原始语音信号（“床前明月光”）,3,语音各个比特位的作用（1）,去掉低2比特位的语音信号（声音信号听不出差别）,4,语音各个比特位的作用（2）,去掉低4比特位的语音信号（声音信号听不出差别）,5,语音各个比特位的作用（3）,去掉低6比特位的语音信号（声音中有极少的背景噪音，不易被察觉）,6,语音各个比特位的作用（4）,去掉低8比特位的语音信号（声音中有较明显的背景噪音）,7,语音各个比特位的作用（5）,去掉低10比特位的语音信号（声音中有很强的噪音，但话音仍较清晰）,8,音频数字水印技术,音频信号的特点 一维信号 人耳听觉系统（HA
2、S）比人眼视觉系统（HVS）灵敏得多 对音频水印的要求 不可感知性 稳健性 同步要求 盲水印,9,数字域音频水印 抵抗数模模数转换的音频水印（音频信息隐藏）强鲁棒性,10,时间域音频水印,最低有效位方法（LSB） 回声隐藏法 通过改变信号幅值的隐藏算法,11,变换域音频水印,傅氏变换 DCT变换 小波变换,12,声音信号中的回声隐藏,原理：人耳对一个较强声音后（或前）的极短时间内的较弱声音的不可察觉性 方法：在数字声音信号中引入回声，引入回声的位置不同则代表了秘密信息,13,回声隐藏算法,嵌入 原始信号 ，回声信号 伪装信号为 秘密信息为“0”，延迟为 秘密信息为“1”，延迟为 在语音信号中隐
3、藏多个秘密信息比特 把信号分段，每段隐藏一比特,14,回声隐藏算法,提取 同步 对每段信号求倒频谱自相关值，自相关峰值出现的位置，就对应了秘密信息比特,15,回声隐藏算法的特点,回声隐藏算法的优点 具有非常好的隐藏效果，并且具有较好的抗攻击能力，对于一般的数字信号处理如加入随机噪声、滤波、重采样和失真压缩等均具有较好鲁棒性 该方法的弱点 嵌入容量较小，计算量较大 一般秘密信息嵌入量为2bps-64bps，其大小与传输环境和参数设计有关 要求信号同步,16,声音信号中的相位隐藏,人类的听觉系统特别敏感，声音信号中微弱的噪声都能够被察觉出来。但是，听觉系统对声音的相位变化不太敏感，因此，可以考虑在
4、声音的相位中隐藏信息,17,声音信号中的相位隐藏,嵌入 将声音信号分段，分别进行DFT变换，得到每一段的幅频特性和相频特性 对第一个信号片段的相位进行修改，根据嵌入比特为“0”或“1”决定相位。并且在保持后面相位差不变的情况下修改绝对相位 结合原来的幅频特性和新的相位特性，计算傅立叶反变换，恢复语音信号,18,声音信号中的相位隐藏,提取 找到信号的分段，计算DFT，检测出初始相位，恢复秘密信息 要求：信号同步,19,基于小波变换的音频水印算法,嵌入 数字水印为一个随机信号 选择适当的小波基对原始语音信号进行L级分解，在第L级的小波细节分量中嵌入水印 水印嵌入算法,20,基于小波变换的音频水印算
5、法,提取 在水印检测端（作品所有者或第三方认证机构），原始的语音信号以及水印信号需要保留以备检测时用 对L级分解的细节分量，利用原始语音信号找到隐藏了N个随机数的位置，求 计算提取水印与原始水印的相关值，判断是否有水印信号存在,21,基于小波变换的音频水印算法,算法特点 水印信号放在了语音信号能量最大的部分 一方面语音信号遮盖了水印的影响，使其不易被发觉 另一方面即使受到一定的破坏，只要语音信号有一定的可懂度，水印信号就可以检测出来,22,实验结果,23,实验结果,24,实验结果,25,基于HAS的小波包域数字语音水印,人类的听觉系统（HAS）比视觉系统（HVS）敏感得多 基于心理声学模型的小
6、波包域数字语音水印算法 该算法根据心理声学模型，计算载体音频信号的掩蔽门限 利用人耳听觉的临界频率与小波包子带间的相似特性，将DFT域掩蔽门限映射到小波包域 将水印信号嵌入到中低频小波包系数中，嵌入强度由掩蔽门限自适应控制,26,采用音频MPEG-1中的心理声学模型，掩蔽门限计算方法： 计算信号功率密度谱 （信号分帧） 划分临界频带临界频带是一种频域心理学或音质测度，反映了人耳的频率选择性及可分辨被掩蔽音频信号的最小带宽 每一个频带对自身和周围频带都有掩蔽作用 计算全局掩蔽门限,27,28,将DFT域的掩蔽门限映射到小波包域 DFT对信号的频带划分是线性等间隔的，而小波域分析可以对信号进行有效
7、的时频分解，在高频段其频率分辨率较差，而在低频频段其时间分辨率较差 小波包分析能够为信号提供一种更加精细的分析方法，它将频带进行多层次划分，对多分辨分析没有细分的高频部分进一步分解，并能够根据被分析信号的特征，自适应的选择相应频带，使之与信号频谱相匹配，从而提高了时频分辨率,29,八级小波域分析 八级小波包分析,30,水印嵌入 根据心理声学模型计算出要保护的原始音频信号在DFT域的最小掩蔽门限，然后把它映射到小波包域中，得到上述各小波包子带的最小掩蔽门限 利用最小掩蔽门限和强度因子对水印进行幅度调制，调节嵌入强度,31,水印提取 需要原始音频信号,32,原始音频信号和含水印音频信号,33,算法
8、特点,鲁棒性强：可抵抗压缩、加噪、去噪、重采样（D/A、A/D转换）、低通滤波等常用音频信号处理的攻击 透明性好：从听觉上感觉不到音频信号发生任何变化（结合了听觉掩蔽效应，在不同区域调整嵌入强度） 算法较复杂：由于计算掩蔽门限比较复杂，因此基于心理声学模型的水印嵌入方法实时性还有待于提高,34,ABS语音编码算法,ABS（Analysis-By-Synthesis） 将语音综合算法引入编码器，在编码器中产生与译码器端完全一致的合成语音，将此合成语音与原始语音进行比较，根据某种预定误差准则，对各个参数进行计算和调整，使得合成语音和原始语音之间的误差达到最小 在编码端就能知道解码端信号的效果,35
9、,ABS示意图,36,基于LPC的ABS算法,基于LPC的合成分析系统结构,37,该基本原理可以引入信息隐藏之中，在语音信息隐藏编码方案中，引入语音合成器，将原始语音和嵌入后的复合语音码流分别解码、合成复合后语音 根据一定的误差准则，对所有的可能嵌入方法所得到的复合载体语音与原始语音比较并进行误差计算，确定出误差最小的一种嵌入方法，作为本帧入选的嵌入方案，其嵌入结果作为复合语音码流输出,38,基于ABS的信息隐藏算法,在信息隐藏端就能够知道监听端的效果以及接收端的误码率,语音编码与水印嵌入,载体 语音,水印,语音解码与 水印提取,39,抵抗GSM压缩编码的语音隐藏算法,GSM：码速率为13kb
10、it/s 的，带有长时预测环节的规则脉冲激励线性预测编码器(RPE-LTP) 隐藏方法 压缩编码后的码流中隐藏 原始语音中隐藏,40,隐藏方法 压缩编码后的码流中隐藏 优点：抗GSM压缩编码；可采用ABS算法； 问题：隐藏容量小；不实用，需要在手机内部嵌入模块 原始语音中隐藏 优点：可以在手机之外加模块 问题：要求隐藏算法抗GSM压缩编码；,41,基于语音能量比的隐藏算法 可以有效抵抗GSM压缩编码,42,语音同步问题研究,在PSTN网、GSM网中的语音传输，语音信号经过数模、模数转换，同步信息丢失，要求一种模拟同步的算法,43,音频水印的分类,在原始音频信号中嵌入 在音频编码器中嵌入，这种方法稳健性较高，但需要复杂的编码和解码过程，运算量大，实时性不好 在压缩后的音频数据流中直接嵌入，这种方法避免了复杂的编解码过程，但稳健性不高，而且能够嵌入的水印容量不大（压缩域数字水印）,44,音频水印需解决的问题,缺乏有效的同步技术 完善对数字水印方案的评价研究 寻找与新一代压缩标准MP3、MPEG相适应的数字音频水印算法 研究音频与视频结合的数字水印，达到对多媒体数据的完整保护 在实用性方面，研究数字水印的网络快速自动验证技术，降低水印提取算法的复杂性,
