《信号处理》课件05 音频信息隐藏与水印算法.pptx

1、音频信息隐藏技术 音频信号的特点l一维信号l人耳听觉系统（HAS）比人眼视觉系统（HVS）灵敏得多对音频信息隐藏技术的要求l透明性l鲁棒性（强鲁棒，抗模数转换）l同步要求l盲检测12023-5-22信息隐藏与数字水印时间域音频算法最低有效位方法lLSBlLease Significant Bit回声隐藏法 22023-5-22信息隐藏与数字水印LSB原理原始语音信号（“床前明月光”）32023-5-22信息隐藏与数字水印LSB原理（1）去掉低2比特位的语音信号（声音信号听不出差别）42023-5-22信息隐藏与数字水印LSB原理（2）去掉低4比特位的语音信号（声音信号听不出差别）52023-5

2、-22信息隐藏与数字水印LSB原理（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）62023-5-22信息隐藏与数字水印LSB原理（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）72023-5-22信息隐藏与数字水印LSB原理（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）82023-5-22信息隐藏与数字水印LSB原理（5）结论l数字化音频中，低有效比特对音质贡献弱。l改变低有效比特不会显著影响音质。2023-5-22信息隐藏与数字水印9LSB算法LSB算法实现l嵌入：用水印替换最低（或次低等）有效比特0110 0011 0101 0111

3、 0111 0110 0 0 10110 0010 0101 0110 0111 0111l提取：提取最低（或次低等）有效比特组合为水印。102023-5-22信息隐藏与数字水印LSB算法LSB算法设计l选择样点样点幅值大小与其掩蔽能力有关静音段幅值较小的样点不宜用于隐藏。2023-5-22信息隐藏与数字水印11不适合隐藏适合隐藏LSB算法LSB算法设计l选择比特位低比特位对音质影响小，但容易受到干扰。例如：幅值为6(110B)的样点，哪怕幅度仅变化1，其多个比特位也会发生变化，若幅值减小1，变为5（101B），则最低、次低有效比特位变化；122023-5-22信息隐藏与数字水印LSB算法LS

4、B算法设计l选择比特位若幅值增大1，变为7（111B），则最低有效比特位发生变化。若在次低或第3比特位隐藏水印，则不容易受噪声干扰，但嵌入前后样点幅值的变化幅度由1上升到2或4。132023-5-22信息隐藏与数字水印LSB小结LSB算法参数包括：l样点和比特位置的选取LSB算法性能：l透明度高l容量大l鲁棒性差142023-5-22信息隐藏与数字水印LSB算法思考题l某音频采用8比特无符号数量化，已知该音频使用了LSB算法嵌入了秘密信息，且部份样点值为127，125，110，则可从中提取的秘密信息是？l我们学习生活中传送音频的方式有哪些？LSB适用于哪些应用？2023-5-22信息隐藏与数字

5、水印15回声隐藏原理l掩蔽效应：强信号的存在会使其附近的弱信号难以被感知。l当回声与原声的间隔充分接近时，人耳难以区别回声和原声。162023-5-22信息隐藏与数字水印回声隐藏如何应用掩蔽效应隐藏秘密信息？l回声和原声间的延迟在一定范围内人耳都难以察觉，l亦即可以人为添加不同延迟的回声。2023-5-22信息隐藏与数字水印17回声隐藏如何应用掩蔽效应隐藏秘密信息？l要隐藏二进制信息，只需用两种不同延迟的回声分别代表0、1比特。l例如，回声延迟为1毫秒代表比特“1”，回声延迟为2毫秒代表比特“0”，这样，要隐藏0，那么我们在原声上添加延迟为2毫秒的回声。2023-5-22信息隐藏与数字水印18

6、回声隐藏如何“生成”回声信号？l回声信号，可简单模拟为，原始信号经过时延和幅度衰减后产生的信号。l设原信号为x(t)，时延为，衰减为，l则叠加回声的信号为:ly(t)=x(t)+x(t-)2023-5-22信息隐藏与数字水印19回声隐藏2023-5-22信息隐藏与数字水印20回声隐藏2023-5-22信息隐藏与数字水印21回声隐藏例：若回声延迟为1毫秒代表比特“1”，回声延迟为2毫秒代表比特“0”，回声幅度衰减系数为0.5，请给出下面信号对应的0、1回声信号，以及在这个信号上嵌入比特“1”以后所得信号222023-5-22信息隐藏与数字水印回声隐藏232023-5-22信息隐藏与数字水印标识比

7、特“1”的回声信号标识比特“0”的回声信号原始信号叠加回声“1”后的合成信号回声隐藏如何提取水印？l水印信息，即0、1比特，与回声延迟相关联，l提取信息最自然的思路就是检测回声延迟。l回声是原始信号平移、线性缩放后生成的信号，与原信号相关性较强，l可否使用自相关系数检测回声延迟？242023-5-22信息隐藏与数字水印回声隐藏自相关，延迟为自相关，延迟为600个样点个样点自相关，延迟为自相关，延迟为1000个样点个样点2023-5-22信息隐藏与数字水印25语音信号自身具有相关性，当回声延迟足够大时，能通过自相关系数检测延迟，但这样条件下的透明性和容量性能不佳。图示语音信号采样率为8000Hz

8、，即每(1/8000)秒，或每(1/8)毫秒产生一个采样点。回声信号比原声信号延迟N个样点，即延迟N*(1/8)毫秒。因此，若N等于600，则延迟为75毫秒。若N等于1000，则延迟为，125毫秒。略过深入讨论回声隐藏（深入讨论）如何提取水印？l研究水印嵌入过程，可建模为线性系统2023-5-22信息隐藏与数字水印26回声隐藏（深入讨论）272023-5-22信息隐藏与数字水印回声隐藏（深入讨论）282023-5-22信息隐藏与数字水印回声隐藏（深入讨论）292023-5-22信息隐藏与数字水印回声隐藏（深入讨论）302023-5-22信息隐藏与数字水印回声隐藏（深入讨论）简单回声核倒谱（局部

9、）简单回声核倒谱（局部）312023-5-22信息隐藏与数字水印回声隐藏（深入讨论）典型回声核典型回声核典型回声核的复典型回声核的复倒谱倒谱32010020030040050060000.10.20.30.40.50.60.70.80.910100200300400500600-0.100.10.20.30.40.50.60.70.80.92023-5-22信息隐藏与数字水印回声隐藏（深入讨论）典型回声核（局部典型回声核（局部）典型回声核的复典型回声核的复倒谱倒谱（局部）（局部）33102030405060708000.10.20.30.40.50.60.70.80.9102030405060

10、708000.20.40.60.812023-5-22信息隐藏与数字水印 回声隐藏（深入讨论）混合信号复倒谱混合信号复倒谱混合混合信号复倒谱（信号复倒谱（局部）局部）34020040060080010001200-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.811020304050607080-0.500.512023-5-22信息隐藏与数字水印 回声隐藏（深入讨论）混合信号复混合信号复倒谱自相关倒谱自相关-20-15-10-5051015200.10.20.30.40.50.60.70.80.91混合信号复倒谱自混合信号复倒谱自相关（局部）相关（局部）02468101214160.

11、20.30.40.50.60.70.80.911.11.2352023-5-22信息隐藏与数字水印回声隐藏（深入讨论）2023-5-22信息隐藏与数字水印360510152025303540455000.20.40.60.811.21.41.6回 声 延 迟:80510152025303540455000.10.20.30.40.50.60.70.80.9回 声 延 迟:12回声延迟分别为8个和12个样点，左图为嵌入8个样点延迟回声后所得分段倒谱信号，右图倒谱信号对应延迟为12个样点。回声隐藏如何提取水印？l使用倒谱自相关系数检测。l倒谱自相关系数在回声延迟位置处有峰值2023-5-22信息隐

12、藏与数字水印37略过深入讨论回声隐藏（深入讨论）382023-5-22信息隐藏与数字水印回声隐藏（深入讨论）392023-5-22信息隐藏与数字水印回声隐藏如何隐藏多个比特？l语音信号分为多个片段，每个分段加入对应不同回声例：若回声延迟为0.5毫秒代表比特“1”，回声延迟为1毫秒代表比特“0”，回声幅度衰减系数为0.5，分段长度为2毫秒，请给出下面信号嵌入比特“1,0”以后所得信号2023-5-22信息隐藏与数字水印40回声隐藏412023-5-22信息隐藏与数字水印422023-5-22信息隐藏与数字水印回声隐藏系统图回声隐藏2023-5-22信息隐藏与数字水印43回声隐藏2023-5-22

13、信息隐藏与数字水印44回声隐藏2023-5-22信息隐藏与数字水印45回声隐藏稳健性分析l演示一：利用回声隐藏原理嵌入和提取秘密信息。通过这个实验显示，回声隐藏算法能够在不显著影响音质的条件下，隐藏秘密信息。比对直接提取（未受攻击），和添加了25dB高斯噪声后提取的误码率。结果证明，回声隐藏算法抗高斯噪声攻击较强。462023-5-22信息隐藏与数字水印回声隐藏稳健性分析l演示二：对隐写语音分别进行A律、mu律压扩编解码。比对直接提取（未受攻击），和编解码后提取的误码率。结果证明，回声隐藏算法能够抵抗A律、mu律等压缩编码攻击。472023-5-22信息隐藏与数字水印回声隐藏稳健性分析l演示三

14、：对隐写语音进行低通滤波，截至频率为3.4kHz比对直接提取（未受攻击），和低通滤波后提取的误码率。结果证明，回声隐藏算法能够抵抗低通滤波攻击482023-5-22信息隐藏与数字水印回声隐藏稳健性分析l演示四：对隐写语音进行播放、录制。比对直接提取（未受攻击），和模数/数模转换后提取的误码率。结果证明，回声隐藏算法能够抵抗模数/数模转换攻击。492023-5-22信息隐藏与数字水印回声隐藏稳健性分析l抗噪声性能l抗A律、mu律压缩性能l抗滤波性能l抗D/A、A/D转换性能l适合使用电话信道的保密通信502023-5-22信息隐藏与数字水印回声隐藏思考题l回声隐藏参数：分段大小和回声衰减系数主要

15、影响算法的哪些指标？l根据实验数据分析以下参数条件下，算法的透明性、稳健性和容量，可得出什么结论？第一：回声衰减系数为0.6，分段大小分别为：1024，2562023-5-22信息隐藏与数字水印51回声隐藏思考题l根据实验数据分析以下参数条件下，算法的透明性、稳健性和容量，可得出什么结论？第二：分段大小为1024，回声衰减系数为0.6和0.32023-5-22信息隐藏与数字水印52回声隐藏性能分析l容量与具体环境参数有关，若载体为8000Hz采样语音，则容量约为30比特每秒或更少l透明性调整参数可以获得较好听觉效果l稳健性抗失同步攻击性能较好l容量、透明性和稳健性难以兼得532023-5-22

16、信息隐藏与数字水印回声隐藏研究方向l回声核多回声多位置分频段l自适应调整衰减系数幅度功率谱掩蔽曲线542023-5-22信息隐藏与数字水印略过深入讨论回声隐藏的改进-前后向算法（深入讨论）2023-5-22信息隐藏与数字水印55回声隐藏的改进-前后向算法（深入讨论）前后向回声核函数表示为：其复倒谱为：同样利用级数展开核函数傅里叶变换，再做逆变换，则核函数倒谱为：其回声位置处幅值为：即：2023-5-22信息隐藏与数字水印56回声隐藏算法改进-PN算法（深入讨论）572023-5-22信息隐藏与数字水印回声隐藏算法改进-自适应算法（深入讨论）根据幅度根据MPEG psycho-acoustic

17、Model1582023-5-22信息隐藏与数字水印回声隐藏算法的改进多位置、合成分析引入多组延迟，在多个位置检测回声。隐藏后不立即输出秘密信息，经过信道后调整衰减系数，提取秘密信息，若能正确恢复，则输出，否则调整系数再次隐藏。592023-5-22信息隐藏与数字水印ABS算法流程602023-5-22信息隐藏与数字水印变换域音频水印傅氏变换DCT变换小波变换612023-5-22信息隐藏与数字水印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。听觉系统对声音的绝对相位变化不太敏感可以考虑在声音的相位中隐藏信息。622023-5-22信息隐藏与数字水印声音信号

18、中的相位隐藏2023-5-22信息隐藏与数字水印63声音信号中的相位隐藏2023-5-22信息隐藏与数字水印64声音信号中的相位隐藏2023-5-22信息隐藏与数字水印65声音信号中的相位隐藏2023-5-22信息隐藏与数字水印66声音信号中的相位隐藏2023-5-22信息隐藏与数字水印67声音信号中的相位隐藏2023-5-22信息隐藏与数字水印68声音信号中的相位隐藏2023-5-22信息隐藏与数字水印69声音信号中的相位隐藏2023-5-22信息隐藏与数字水印70声音信号中的相位隐藏嵌入l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。l对第一个信号片段的相位进行修改，

19、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。712023-5-22信息隐藏与数字水印声音信号中的相位隐藏嵌入l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。722023-5-22信息隐藏与数字水印相位隐藏步骤732023-5-22信息隐藏与数字水印声音信号中的相位隐藏提取l找到信号的分段，计算DFT，检测出初始相位，恢复秘密信息 l要求：信号同步742023-5-22信息隐藏与数字水印声音信号中的相位隐藏思考题l使用相位隐藏算法，若语音按照每段512个样点分割，那么100个分段最多隐藏多少比特秘密信息？为什么？2023-5-22信息隐

20、藏与数字水印75算法评估1、样点的绝对相位发生了变化，但相邻片断间的相对相位保持不变，可以获得较好隐藏效果。2、改变某些频率分量的相位，尽量使相位平滑，可以改善隐藏效果。3、算法容量为8到32bps。762023-5-22信息隐藏与数字水印基于小波变换的音频水印算法嵌入l数字水印为一个随机信号l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l水印嵌入算法77)(1)()(ixididLL2023-5-22信息隐藏与数字水印基于小波变换的音频水印算法提取l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 l对L级分解的细节分

21、量，利用原始语音信号找到隐藏了N个随机数的位置，求l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 78/)1)(/)()(ididixLL2023-5-22信息隐藏与数字水印基于小波变换的音频水印算法算法特点l一方面语音信号遮盖了水印的影响，使其不易被发觉 l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 792023-5-22信息隐藏与数字水印基于小波变换的音频水印算法算法特点l单比特算法l非盲检测802023-5-22信息隐藏与数字水印基于声音心理模型的信息隐藏算法临界带（bark）频率（Hz）临界带（bark）频率（Hz）低频高频带宽低频高频带宽

22、001001001320002320320110020010014232027003802200300100152700315045033004001001631503700550440051011017370044007005510630120184400530090066307701401953006400110077709201502064007700130089201080160217700950018009108012701902295001200025001012701480210231200015500350011148017202402415500220506550121720

23、2000280812023-5-22信息隐藏与数字水印临界带和频谱基于声音心理模型的信息隐藏算法掩蔽曲线2023-5-22信息隐藏与数字水印82基于声音心理模型的信息隐藏算法832023-5-22信息隐藏与数字水印掩蔽曲线计算方法基于声音心理模型的信息隐藏算法隐藏算法l1、选取特定bark子带用于隐藏，例如15l2、计算该bark域掩蔽阈值，T(15)l3、统计掩蔽阈值下的频率分量个数，记为kl4、根据秘密信息，调整前后k/2个频率分量的能量l5、做逆变换重构语音842023-5-22信息隐藏与数字水印基于声音心理模型的信息隐藏算法算法特点l1、透明度高l2、容量在每分钟30-50比特范围内l

24、3、鲁棒性强：抵抗MP3压缩同步要求低852023-5-22信息隐藏与数字水印扩频隐藏原理原理：扩频通信的抗干扰能力862023-5-22信息隐藏与数字水印扩频隐藏步骤872023-5-22信息隐藏与数字水印基于MATLAB的算法分析1、正交变换的选择DCT、DWT、FFT2、嵌入位置的选择3、衰减系数的确定882023-5-22信息隐藏与数字水印前沿问题合成分析在信息隐藏中的应用抗低比特率压缩编码算法的信息隐藏算法信息隐藏中的同步问题892023-5-22信息隐藏与数字水印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

25、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2023-5-22信息隐藏与数字水印90ABS语音编码算法 91基于LPC的合成分析系统结构 2023-5-22信息隐藏与数字水印ABS语音编码算法 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隐蔽载体语音码流分别解码、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隐蔽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

26、案，其嵌入结果作为隐蔽载体语音码流输出922023-5-22信息隐藏与数字水印基于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93语音编码与水印嵌入载体语音水印语音解码与水印提取2023-5-22信息隐藏与数字水印前沿问题合成分析在信息隐藏中的应用抗低比特率压缩编码算法的信息隐藏算法信息隐藏中的同步问题942023-5-22信息隐藏与数字水印抗低比特率压缩编码算法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l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。952023-5-22信息隐藏与数字水印抗低比特率压缩编码算法音频水印的分类在压缩

27、后的音频数据流中直接嵌入l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）。962023-5-22信息隐藏与数字水印抵抗GSM压缩编码的语音隐藏算法GSM：码速率为13kbit/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l压缩编码后的码流中隐藏l原始语音中隐藏972023-5-22信息隐藏与数字水印抵抗GSM压缩编码的语音隐藏算法方案分析l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。2023-5-22信息隐藏与数字水印98抵抗GSM压缩编码的语音隐

28、藏算法方案分析l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；2023-5-22信息隐藏与数字水印99相邻分段能量比算法基于语音能量比的隐藏算法l可以有效抵抗GSM压缩编码l统计压缩编码前后分段能量比，90%小于1.5l调整相邻分段能量比，使之大于1.5，则90%的分段所隐藏的信息能够被正确提取1002023-5-22信息隐藏与数字水印前沿问题合成分析在信息隐藏中的应用抗低比特率压缩编码算法的信息隐藏算法信息隐藏中的同步问题1012023-5-22信息隐藏与数字水印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同步算法的思想：利用噪声的自相关和互相关性。在接收端可以利用滑动相关来进行同步检测 1022023-5-22信息隐藏与数字水印