一种用于版权管理的数字音频水印算法的制作方法

专利名称：一种用于版权管理的数字音频水印算法的制作方法
技术领域：
本发明提出了一种用于媒资版权管理的音频水印算法。
背景技术：
数字音频水印技术作为信息安全技术领域的一个重要方向，在认证多媒体来源、 进行所有权认证和追踪非授权行为得到广泛的应用，具有十分广阔的应用前景[1]。在广播 电视等的节目制作过程当中，希望能对多媒体素材的使用情况能进行及时的统计分析，以 便进行媒体资料和版权使用的管理。通过在多媒体资料中加入用于标识特定素材的水印信 息，之后通过水印解码得到相关素材的使用情况，可以为媒资管理过程提供更为便捷、有力 的支持。基于实际的需要，我们需要水印在媒资版权管理系统有如下特点。1)能标识版权、 媒资信息，需要嵌入的水印信息具有一定信息容量。2)具有一定安全性，避免未授权方恢复 和修改水印。幻更强的鲁棒性。在音频内容的使用过程中，可能会对音频做一些编辑，如任 意位置的剪切、拼接、MPEG压缩等等。要求嵌入的水印较高的鲁棒性，在经过编辑操作且能 分辨出原始内容的情况下，也可以顺利解出嵌入信息并可由此得到时长信息。4)能确认嵌 入信息的时长，且具有一定的时间精度。以便于对播放的内容进行时长统计。用于对需要 付费的节目使用时间管理等。从Tirkel等人提出数字水印的概念以来，短短十几年时间里，数字水印技术的发 展可以说是日新月异，并逐步深入和成熟。数字水印技术的发展包括数字水印算法的设计、 数字水印攻击、数字水印算法的测试及评判、数字水印技术的理论研究等等。Cox等人提出 的扩频水印的算法在数字水印技术发展中具有里程碑的意义。Cox等人认为，数字水印不仅 要达到不可感知性，即实现隐蔽通信，还要抵抗各种攻击，具有鲁棒性。因此他认为，在保证 不可感知性的同时，要把水印信息嵌入到宿主信号的感知最主要部分。之后，各种鲁棒性算 法如雨后春笋般涌现出来。目前，在水印的调制方式上，一般把水印算法分为基于Cox提出 的扩频水印类算法和Chen等人提出的量化索引调制水印算法(QIM)。由于扩频水印在进行 解码时载体音频会对水印信号有一定影响，因此在解码时需设法减少这种影响从而提高水 印的鲁棒性。由于载体音频的影响，扩频水印方法的嵌入的码率受到一些限制，在通过水印 对素材进行使用统计时的时间精度不高。另外，如果水印的同步信号一旦出现误码会导致 整个一个周期的水印信息丢失，使得水印算法在随机剪切、拼接、插入等常见多媒体编辑操 作后的出现很多水印信息因此而丢失，从而进一步影响到对素材使用情况统计的时长精确 率。

发明内容
本发明的目的在于，为克服目前的算法存在嵌入水印信息的鲁棒性和时间精度都 不高，在进行多媒体编辑的随机剪切、拼接等操作后水印信息丢失严重，导致很难对嵌入的 水印信息分析得到多媒体素材的使用情况进行精确统计等问题，本发明提出一种用于媒资版权管理的音频水印算法。为达到上述目的，本发明提出了一种用数字音频水印进行版权管理的方法，该方 法包含水印信息的嵌入方法和水印信息的提取检测方法，其中，所述的水印信息的嵌入方法包含以下步骤(1-1)水印信息预处理，首先对水印信息的加密和编码，得到水印编码信息序列 Iei,0 ^ i < LB}；(1-2)对得到的水印编码信息{ei，0 ^ i < Lb}进行成帧封装；首先，将嵌入的含媒资版权管理信息的水印编码信息分成N段，并以不同的扩频 码标识不同的分段；然后，将每个水印编码信息的分段之前都加入一位同步位，信息位和同 步位采用不同的扩频码，得到水印嵌入信息Iwi,0彡i < ls+lb}；(1-3)对得到的水印嵌入信息Iwi,0彡i < Ls+Lb}序列进行基带平衡调制，调制时 将一个比特的水印嵌入信息隐藏在连续几帧的音频信号之中，得到平衡基带调制后的信号 S ；(1-4)将信号S调制到原始音频信号中，调制公式如下；γ(η) = χ(η) · l(f(n).s"(n)其中，{Χ(η)，0 <n<N}为待嵌入水印的音频信号在频域的幅值，且X(n)单位为 dB ； {w(n),0 <n<N}为扩频码，该扩频码由嵌入比特的类型是信息位还是同步位来确定， α (η)通过心理声学模型计算得出，用于控制嵌入能量；(1-5)最后将嵌入水印的信号Y(Ii)再结合原来的相位信息做IFFT变换，完成一帧 的嵌入，再将完成水印嵌入的各帧之间做重叠相加，恢复时域信号，得到嵌入水印的音频信 号，从而完成水印的嵌入过程；所述的水印信息的提取和检测方法包含以下步骤(2-1)相关解码，该过程与编码的过程相反，通过相关解码获得虚警概率和漏警概 率；(2-2)同步过程，该同步过程包含帧同步和数据同步，用于解出同步分段的信息 码；(2-3)分段信息拼接，根据拼接判定条件将连续出现且符合周期性规律的若干完 成解码的分段拼接在一起，得到音频的使用时间信息；其中，拼接判定条件为1)帧同步位置ΡΟ&与上一个分段的帧同步位置Pos1符合I P0S2-P0S1-Lf I < Ls, Lf 为一个分段理论上的长度，Ls根据实验确定；2)得到的扩频码序号为之前扩频码序号下一个应该出现的序号；3)解码结果与之前一个周期分段的结果相同；同时满足以上三个条件便将分段实施拼接，并计算拼接的第一个分段到最后一个 分段的采样点距离，然后通过采样率得到音频的使用时间；(2-4)水印信息还原，完成水印信息的提取检测。作为本发明的一个改进，所述的同步过程采用相关特性减少误同步，具体步骤 为限定得分Sw超过某一阈值，该参数的计算公式如下
权利要求
1.一种用数字音频水印进行版权管理的方法，该方法包含水印信息的嵌入方法和水印 信息的提取检测方法，其中，所述的水印信息的嵌入方法包含以下步骤(1-1)水印信息预处理，首先对水印信息的加密和编码，得到水印编码信息序列{ei; 0 ^ i < LB}；(1-2)对得到的水印编码信息{ei，0 ^ i < Lb}进行成帧封装； 首先，将嵌入的含媒资版权管理信息的水印编码信息分成N段，并以不同的扩频码标 识不同的分段；然后，将每个水印编码信息的分段之前都加入一位同步位，信息位和同步位 采用不同的扩频码，得到水印嵌入信息{巧，0彡i < Ls+Lb}；(1-3)对得到的水印嵌入信息Iwi,O < i < Ls+Lb}序列进行基带平衡调制，调制时将一 个比特的水印嵌入信息隐藏在连续几帧的音频信号之中，得到平衡基带调制后的信号S ； (1-4)将信号S调制到原始音频信号中，调制公式如下； Y(η) = X(η) · 10w(n)-s'a(n)其中，{Χ(η)，0 <n<N}为待嵌入水印的音频信号在频域的幅值，且X(n)单位为dB ； {w(n),0<n<N}为扩频码，该扩频码由嵌入比特的类型是信息位还是同步位来确定， α (η)通过心理声学模型计算得出，用于控制嵌入能量；(1-5)最后将嵌入水印的信号Υ(η)再结合原来的相位信息做IFFT变换，完成一帧的嵌 入，再将完成水印嵌入的各帧之间做重叠相加，恢复时域信号，得到嵌入水印的音频信号， 从而完成水印的嵌入过程；所述的水印信息的提取和检测方法包含以下步骤(2-1)相关解码，该过程与编码的过程相反，通过相关解码获得虚警概率和漏警概率； (2-2)同步过程，该同步过程包含帧同步和数据同步，用于解出同步分段的信息码； (2-3)分段信息拼接，根据拼接判定条件将连续出现且符合周期性规律的若干完成解 码的分段拼接在一起，得到音频的使用时间信息； 其中，拼接判定条件为1)帧同步位置Ρ0&与上一个分段的帧同步位置Pos1符合IPos2-Posi-Lf I <LS，、为 一个分段理论上的长度，Ls根据实验确定；2)得到的扩频码序号为之前扩频码序号下一个应该出现的序号；3)解码结果与之前一个周期分段的结果相同；同时满足以上三个条件便将分段实施拼接，并计算拼接的第一个分段到最后一个分段 的采样点距离，然后通过采样率得到音频的使用时间； (2-4)水印信息还原，完成水印信息的提取检测。
2.根据权利要求1所述的用数字音频水印进行版权管理的方法，其特征在于，所述的 同步过程采用相关特性减少误同步，具体步骤为限定得分Sw超过某一阈值，该参数的计算公式如下sw = YjCik)-W(k)k其中，C(k)为解码得分； ff(k)为窗函数，计算公式如下其中，Lp为统计得到的正向峰与反向峰的平均距离。
3.根据权利要求1所述的用数字音频水印进行版权管理的方法，其特征在于，所述的 水印信息预处理具体步骤为首先利用若干规则产生RSA算法的公钥e和密钥d ；然后利用RSA算法的加密公式对水印信息序列加密；加密后的信息IcJ经过BCH编码，形成加密的水印编码信息Iei, 0彡i < Lb}。
4.根据权利要求1所述的用数字音频水印进行版权管理的方法，其特征在于，所述的 若干规则为随意选择两个大的质数P和q，P不等于q，计算N = pq ；根据欧拉函数，不大于N且与 N互质的整数个数为(p-1) (q-Ι)；选择一个整数e与(p_l) (q_l)互质，并且e小于(p_l) (q-1)；用以下这个公式计算d :，dXe三1 (mod(p-1) (q_l))将ρ和q的记录销毁。
5.根据权利要求1所述的用数字音频水印进行版权管理的方法，其特征在于，所述的 同步过程在搜索同步位的过程中，采用滑动相关的方法，步骤为首先，设定一个滑动步长进行相关；然后，取相关得分的最大的位置作为帧同步的位 置；最后，找到合适的帧同步位置后，进行数据同步，确定数据的起始位置。
6.根据权利要求1所述的用数字音频水印进行版权管理的方法，其特征在于，所述的 水印信息还原包含以下步骤首先，设拼接到一起的分段的解码结果序列为Iei ‘ }，先将该结果进行BCH解码得到 信息Ici' }；然后，再将水印信息Ici' }通过RSA算法进行解密，得到m'；最后将m'表 示为二进制序列Im' J，完成信息的解密过程。
7.根据权利要求6所述的用数字音频水印进行版权管理的方法，其特征在于，所述的 RSA算法解密步骤为先将Ici' }表示为整数c'；然后，根据RSA算法的解密公式进行解密，具体解密公式如下c' d = m' (mod N)。
8.根据权利要求1所述的用数字音频水印进行版权管理的方法，其特征在于，所述的 扩频码为平衡Gold码。
9.根据权利要求1所述的用数字音频水印进行版权管理的方法，其特征在于，所述的 分段信息拼接时对于某些孤立出现的分段具体处理步骤为当分段同时符合以下条件时被拼接到一起；1)帧同步位置PO&与上一个分段的帧同步位置Pos1符合IP0S2-P0S1-N· LfI < Ls, Lf 与Ls定义与之前相同，且N <分段数；2)得到的扩频码序号为之前扩频码序号后N个应该出现的序号；3)解码结果与之前一个周期分段的结果相同。
全文摘要
本发明涉及一种用数字音频水印进行版权管理的方法，该方法将水印信号嵌入到音频信号能量的对数域中使解码与幅度无关；通过对嵌入的水印信息的帧结构进行合理设计，使得解嵌结果的时长统计精度达到秒级，并且在各种剪切、拼接、插入其他音频信号等操作下解码时间精度和解码正确率不受影响；嵌入的信息采用RSA数字签名算法进行加密，使得嵌入信息具有保密性；嵌入算法有效地利用了音频的短时平稳具有的相关性减少了载体音频对水印信息的干扰，从而显著地改善了水印解出的成功率和准确率。本方法通过引入数字水印技术对入媒资库的音频素材进行标识，之后通过对播出流或音频文件的解码分析得到素材的使用情况，从而获得版权付费信息。
文档编号G10L19/00GK102074240SQ201010621150
公开日2011年5月25日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者刘建, 赵学敏, 郭宇弘, 颜永红 申请人:中国科学院声学研究所, 北京中科信利技术有限公司