基于变分模态分解和傅里叶变换的小波域音频零水印方法

本发明涉及信息加密，具体为基于变分模态分解和傅里叶变换的小波域音频零水印方法。

背景技术：

1、当今，由于网络和计算机通信技术的飞速发展，多媒体文件可以很容易地被人们分发、共享和操纵。毫无疑问，这大大增加了对版权保护的需求。而数字水印是一种很有前途的保护数字音频产品不受篡改的技术。具体地说，零水印技术以不可感知的方式将版权信息隐藏在原始音频信号中。它已成为研究者们关注的焦点。然而，良好的零水印方案还需要足够鲁棒以抵抗许多有意或无意的攻击。因此本文在提高鲁棒性能方面做了一些努力。根据水印提取是否需要原始音频信号和水印，水印技术可分为非盲(包括半盲)水印和盲水印。非盲水印要求原始音频和水印参与水印提取，而盲水印则不需要。

2、现有的零水印方案可以大致分为两组：基于时域和基于变换域。对于零水印算法来说，确定零水印的构造区域至关重要，并且直接影响到了算法的性能。在以往的研究中，通常选择原始音频的特征参数构造零水印来保证水印信息的安全性，并且还要保证在各信号攻击之下具有很强的鲁棒性。所以，选择合适的区域和音频特征是设计一个好的零水印系统的关键。变换域方法由于其简单有效而比时域方法更受欢迎。

3、目前，先进的零水印方案主要基于离散余弦变换(dct)、离散小波变换(dwt)、奇异值分解(svd)或多变换域的组合。基于变换域的零水印算法利用了原始音频信号的本质特征。更多的，现有的算法中，有人提出了基于非负矩阵分解(nmf)的音频零水印方案，在抵抗信号攻击和移位攻击中有着很好的鲁棒性。也有学者使用了基于于图傅里叶变换的方案来进行音频信号的特征提取，也同样具有不错的鲁棒性。但现有的零水印方案并能有效地抵抗常见攻击。

技术实现思路

1、本发明的目的是：针对现有的零水印方案不能有效地抵抗常见攻击的问题，提出基于变分模态分解和傅里叶变换的小波域音频零水印方法。

2、本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：

3、基于变分模态分解和傅里叶变换的小波域音频零水印方法，所述方法包括水印的嵌入步骤和水印的提取步骤：

4、所述水印的嵌入步骤具体包括：

5、步骤11：获取包含显著性特征的图像，并将该图像进行二值化处理，得到二值水印图像，所述二值水印图像的大小为n×n，n为整数；

6、步骤12：将二值水印图像进行阿诺德置乱处理，并将置乱后的二值水印图像转换为一维水印序列c，

7、步骤13：获取音频信号x；

8、步骤14：将音频信号x均匀划分为s个不重叠的帧，所述s为一维水印序列c的长度；

9、步骤15：将划分后的音频信号x的每一帧分别进行小波变换，之后逐帧进行变分模态分解，得到每一帧所有的imf，即模态分量；

10、步骤16：选取音频信号x每一帧中首个imf进行快速傅里叶变换，得到每一帧中首个imf各频率的幅值，并选取其中最高幅值ηi，1≤i≤s；

11、步骤17：选取音频信号x每一帧中的最高幅值，并求平均值，得到mean(ηi)；

12、步骤18：根据ηi和mean(ηi)的大小关系形成极性向量bi，之后将极性向量bi与一维水印序列c进行异或运算，得到水印密钥key，进而完成零水印的嵌入，所述水印密钥key表示为：

13、

14、所述水印的提取步骤具体包括：

15、步骤21：获取待提取水印的音频信号x0，将音频信号x0作为音频信号x重复上述步骤，得到极性矢量bi'；

16、步骤22：将极性向量bi'和水印密钥key进行异或运算，得到一维水印序列c'，所述一维水印序列c'表示为：

17、

18、步骤23：将一维水印序列c'进行解除置乱处理，得到二值水印图像。

19、进一步的，所述置乱后的二值水印图像表示为：

20、

21、其中，x和y分别表示像素点坐标，x'和y'分别表示置乱后的像素点坐标。

22、进一步的，所述一维水印序列c表示为：

23、c＝{c(i)＝c(1),c(2),…,c(s),1≤i≤s,s＝n2}

24、其中，c(i)表示图像的像素点，s表示二值图像的总像素数。

25、进一步的，所述步骤14中将音频信号x均匀划分为s个不重叠的帧，每一帧的长度表示为：

26、q＝floor(x_len/s)

27、其中，x_len表示音频信号x的长度。

28、进一步的，所述变分模态分解中，惩罚因子α为2000，模态数k＝10

29、进一步的，所述mean(ηi)表示为：

30、

31、其中，m表示最高幅度值的个数。

32、进一步的，所述极性向量bi表示为：

33、

34、进一步的，所述步骤23中二值水印图像表示为：

35、

36、进一步的，所述步骤13中音频信号x的时长为30秒。

37、进一步的，所述步骤11中n＝32。

38、本发明的有益效果是：

39、本申请首先将输入音频信号分割成固定帧，然后应用小波变换、变分模态分解(vmd)算法和快速傅立叶变换(fft)提取原始音频信号的特征向量。最后，将特征向量与进行了阿诺德置乱的数字水印序列进行异或运算，实现零水印的嵌入。本申请的技术方案与现有的零水印方案相比，本申请的技术方案可以有效地抵抗常见攻击，尤其是在噪声攻击下有很好的鲁棒性。

技术特征：

1.基于变分模态分解和傅里叶变换的小波域音频零水印方法，其特征在于：所述方法包括水印的嵌入步骤和水印的提取步骤：

2.根据权利要求1所述的基于变分模态分解和傅里叶变换的小波域音频零水印方法，其特征在于：所述置乱后的二值水印图像表示为：

3.根据权利要求2所述的基于变分模态分解和傅里叶变换的小波域音频零水印方法，其特征在于：所述一维水印序列c表示为：

4.根据权利要求3所述的基于变分模态分解和傅里叶变换的小波域音频零水印方法，其特征在于：所述步骤14中将音频信号x均匀划分为s个不重叠的帧，每一帧的长度表示为：

5.根据权利要求4所述的基于变分模态分解和傅里叶变换的小波域音频零水印方法，其特征在于：所述变分模态分解中，惩罚因子α为2000，模态数k＝10。

6.根据权利要求5所述的基于变分模态分解和傅里叶变换的小波域音频零水印方法，其特征在于：所述mean(ηi)表示为：

7.根据权利要求6所述的基于变分模态分解和傅里叶变换的小波域音频零水印方法，其特征在于：所述极性向量bi表示为：

8.根据权利要求7所述的基于变分模态分解和傅里叶变换的小波域音频零水印方法，其特征在于：所述步骤23中二值水印图像表示为：

9.根据权利要求1所述的基于变分模态分解和傅里叶变换的小波域音频零水印方法，其特征在于：所述步骤13中音频信号x的时长为30秒。

10.根据权利要求1所述的基于变分模态分解和傅里叶变换的小波域音频零水印方法，其特征在于：所述步骤11中n＝32。

技术总结基于变分模态分解和傅里叶变换的小波域音频零水印方法，涉及信息加密技术领域，针对现有的零水印方案不能有效地抵抗常见攻击的问题，本申请首先将输入音频信号分割成固定帧，然后应用小波变换、变分模态分解(VMD)算法和快速傅立叶变换(FFT)提取原始音频信号的特征向量。最后，将特征向量与进行了阿诺德置乱的数字水印序列进行异或运算，实现零水印的嵌入。本申请的技术方案与现有的零水印方案相比，本申请的技术方案可以有效地抵抗常见攻击，尤其是在噪声攻击下有很好的鲁棒性。技术研发人员：夏颖,郭扬,张光妲,王艳春,赵婧,张泽鑫,李宗岳,王岩,何胤北受保护的技术使用者：齐齐哈尔大学技术研发日：技术公布日：2024/1/15