音频数字水印技术的研究与应用.docx
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音频数字水印技术的研究与应用
音频数字水印技术的研究与应用
李武民
（吉首大学信息科学与工程学院，湖南吉首416000）
摘要
随着音频数字媒体盗版、侵权事件的日益增多，音频数字媒体的版权问题日益受到人们关注。
数字水印是解决音频媒体版权保护问题的重要手段，应用于版权保护的数字水印要求较高的鲁棒性，随着各种攻击技术和方法的发展，如何提高音频数字水印方法的抗攻击能力，尤其是提高音频水印的鲁棒性成为一个亟待解决的问题。
本文针对应用于版权保护的音频数字水印算法进行了研究，介绍了音频数字水印技术及其主要算法，音频数字版权保护系统的基本框架。
分析了一种基于离散小波的算法，使用MATLAB对其水印的嵌入与提取进行仿真、检测。
结果表明：
离散小波算法对提高水印的鲁棒性方面具有很强的优势。
关键词：
音频数字；版权保护；数字水印；MATLAB仿真；鲁棒性；
Audiodigitalwatermarktechnologyresearchandapplication
LiWuming
（collegeofinformationscienceandengineering,JishouUniversity,jishouhunan416000）
Abstract
Withtheaudiodigitalmediapiracyviolations,increase,audiodigitalmediacopyrightproblemshavebeenmorepeopletopayattentionto.Digitalwatermarkingissolveaudiomediacopyrightprotectionoftheimportantmethod,usedincopyrightprotectionfordigitalwatermarkinghighrobustness,withallkindsofattacktechniquesandmethodsofdevelopment,howtoimprovetheaudiodigitalwatermarkmethodabilityagainsttheattack,especiallyimproveaudiowatermarkingrobustnessbecomeaurgentproblemtobesolved.Thispaperappliedtotheprotectionofthecopyrightaudiodigitalwatermarkalgorithmisstudied,thispaperintroducestheaudiodigitalwatermarktechnologyandthemainalgorithm,audiodigitalcopyrightprotectionsystemofthebasicframework.Analysisbasedondiscretewaveletalgorithm,usingMATLABtothewatermarkembeddingandextractionsimulationandtesting.Theresultsshowthatthediscretewaveletalgorithmtoimprovetherobustnessofwatermarkinghasastrongadvantage.
Keywords:
Audiodigital;Thecopyrightprotection;Digitalwatermarking;MATLABsimulation;Robustness;
目录
第一章绪论1
1.1课题研究背景及意义1
1.2音频信息隐藏技术的现状1
1.3研究内容及主要贡献2
第二章音频数字水印技术3
2.1音频数字信号的特点3
2.1.1音频数字水印的定义3
2.1.2音频数字水印的特性4
2.2声学基本知识4
2.2.1人类听觉特性4
2.2.2音频信号数字化5
2.2.3音频信号的数字存储格式5
2.3音频数字水印的研究现状5
2.4数字音频水印的版权保护系统5
2.4.1现状分析5
2.4.3版权保护系统的功能框架理论分析6
第三章音频数字水印算法的主要算法介绍8
3.1音频数字水印算法的定义8
3.2音频数字水印的典型算法8
3.2.1时域音频水印算法8
3.2.2变换域音频水印算法10
第四章一种基于离散小波变换的水印算法的性能分析13
4.1算法的基本思想13
4.2算法的设计思路和过程13
4.3水印的嵌入和提取14
4.3.1嵌入水印12
4.3.2提取水印12
4.4实验结果及性能分析12
第五章总结与展望17
5.1论文工作总结17
5.2下一步展望17
参考文献20
致谢21
附录一22
附录二23
附录三24
附录四25
第1章绪论
1.1课题研究背景及意义
二十一世纪是数字时代，通信技术的迅速发展和计算机网络的普遍应用，使人们可以通过互联网收发信息，可以随时传上自己创作的数字图像、音乐、视频等作品，也可以进行学术交流。
然而，也正是由于网络的这种便捷性、传播迅速的优点使其很容易被非法拷贝，导致数字产品的版权、完整性、有效性得不到保证，严重损害了创作者的利益。
而一些具有特殊意义的数字信息，如涉及司法诉讼、政府机要等信息，更是遭到了不法分子地恶意攻击和随意篡改等，这一系列问题给当今科学家带来了巨大挑战。
数字水印技术是最近几年国际提出的一种新的数字产品版权和数字维护的技术。
它将特制的标记嵌入到数字图像、声音、文档图书、视频等数字作品之中，用以保护作者权益。
我国学术界对数字水印技术的研究也方兴未艾，已经有相当一批有实力的科研机构投入到这一领域的研究中来，有的已经取得了重要研究成果。
信息隐藏及数字水印技术作为一个前沿研究领域，它与信息安全、信息隐藏、数据加密等均有密切的关系。
随着数字化和网络化技术的迅速发展，一方面为实现信息高速无失真的传播和灵活的编辑、修改提供了便利的手段，同时也对数字化产品的版权保护和多媒体数据库的安全管理提出了严峻的挑战，因为在“数字世界”中进行盗版、伪造和窜改已变得十分容易。
作为信息隐藏领域的一个重要分支——数字水印技术，为多媒体信息安全、版权保护和产品防伪无疑提供了一种有效的手段和强大的、潜在的应用市场。
特别是在网络技术和应用迅速发展的今天，数字水印技术的研究更具现实意义。
1.2音频信息隐藏技术的现状
信息隐藏技术具有悠久的历史来源，是有古老的的掩密技术发展而来，是近些年来信息安全领域出现的一种新技术，该技术对于隐秘通信具有重大意思。
它将秘密信息嵌入到看上去普通的信息中进行传送，以防止第三方检测出秘密信息。
也就是说，信息隐藏技术就是建立用来传送秘密信息的隐蔽信道。
通常称待隐藏的信息为秘密信息，它可以是版权信息或秘密数据，也可以是一个序列号；而公开的掩护音频信息称为掩护载体。
音频信息隐藏系统主要由下述两部分组成：
（1）信息侵入算法：
在密钥的控制下将秘密信息隐藏到掩护对象中；
（2）信息检索/提取算法：
根据密匙从掩护载体中检测/恢复出秘密信息；
音频隐藏系统的通用模型如图1-1所示：
秘密信息
秘密信息
密匙
→
↓↓↑
检测器
通信信道
嵌入算法
音频载体
→→→
↑
密匙
图1-1音频信息隐藏系统的通用模型
1.3研究内容及主要贡献
本课题研究目的是通过对现有要求对音频数字水印方法的分析，设计一种基于小波变换的数字音频水印算法，以提高音频水印抵抗重量化、裁剪、加躁等攻击的能力，用来对原音频水印信息进行保护，对数字产品的版权、完整性、有效性的保证。
并理论分析一个基于数字水印的版权保护系统，加强对对数字产品版权的保护。
第2章音频数字水印技术
2.1音频数字信号的特点
2.1.1音频数字水印的定义
目前有许多文献讨论有关数字水印技术的问题，而数字水印依然没有得到一个明确的统一的定义。
现在学界比较赞同杨义先等的看法，他认为“数字水印是永久镶嵌在其他数据中去有鉴别性的数字信号或模式”，因为可见水印是可以感知的，但它的存在并不影响宿主数据的可用性，嵌入的水印同样可以起到鉴别的目的。
音频数字水印技术则是在保持对原始音频的听觉感知上，通过特定的算法，利用人类听觉不可感知性把一些标志性隐秘信息嵌入到音频文件中，从而保护音频的版权和音频的完整性。
这些隐秘信息可以是一段作者的序列号、有意义的文本或者一幅图形甚至视频。
水印信息被嵌入后应当是不可察觉的，不影响原始音频音质。
但可以通过一些计算与操作进行检测或提取。
音频数字水印系统模型、音频数字水印系统的嵌入模型和检测模型分别如下图2-1、图2-2和图2-3所示。
提取的水印
音频攻击
水印数据
原始音
频信号
受攻击后
音频信号
传输信道
含水印的
音频信号
嵌入算法
提取算法
↓↓↑
→→→→→
图2-1音频数字水印系统模型
水印预处理
水印信息
→
水印音频信号
嵌入算法
↓
原始音频信号
→→
↑↑
感知模型
图2-2音频数字水印嵌入模型
水印音频信号
↓
检测算法
→
原始音频信号
无水印
↓NO
是否存在水印
→
↓YES
提取的水印
水印逆处理
→
图2-3音频数字水印检测模型
2.1.2音频数字水印的特性
一般来说，音频数字水印不仅具有水印本身固有属性外，还具有自身许多方面的特征。
最基本，最重要的是水印的不可感知性，鲁棒性以及嵌入容量这三个特性。
不可感知性又称透明性，是指利用人类听觉系统的属性和载体信息冗余，通过一些列数字水印算法将水印嵌入到原始载体，而嵌入水印后的载体在听觉上没有产生失真，数据包含的信息没有受到影响。
在感知性上是透明的。
鲁棒性是指接收方得到的受到攻击后的数字作品在提取或检测后得到的水印没有遭到不可识别的破坏。
主要用于版权保护和版权归属认证。
容量是指载体能够嵌入的水印信息的多少。
容量越大能嵌入量就越大，水印系统也就越好。
但由于水印系统受到多方面因素的影响，嵌入的水印容量是不确定的。
为增大嵌入容量，我们可采取对其进行编码等做法。
2.2声学基本知识
2.2.1人类听觉特性
在音频文件中嵌入水印的各种方法一般都要利用人类听觉系统的某些特性，即人的听觉生理--心理特性。
使用这些特性主要是为了满足水印的不可感知性。
首先，人的听觉具有掩蔽效应。
掩蔽效应是指一个较弱但可以听到的声音由于另外一个较强的声音的出现而变得无法听到的现象。
掩蔽的效果依赖于掩蔽音和被掩蔽音的时域与频域特性。
频域和时域掩蔽效应有各自的特性及局限，频域掩蔽效应局限在频率域而时域掩蔽效应则局限在时间域。
其次，人耳对声音信号的绝对相位不敏感，而只对其相对相位敏感。
最后，人耳对不同频率段声音的敏感度不同，通常可以听见20Hz--18kHz的信号，但对300--3400Hz范围内的信号最为敏感，幅度很低的信号也能被听见，而在低频区域高频区，能被人耳听见的掩蔽信号幅度要高得多。
2.2.2音频信号数字化
传统的音频信息都是模拟形式的，原始音频信号在实践与幅度上都是连续变化的一维模拟信号。
若要用计算机对其进行处理，需先对音频信号进行数字化。
模数转换分为采样、量化、编码三部分。
2.2.3音频信号的数字存储格式
音频经过A/D变换后的存储格式主要有：
WAV，数字音频波形格式；MIDI，用于音频合成的数字乐器合成器。
目前我们遇到的多数为.wav和.mid文件。
2.3音频数字水印的研究现状
在我国加入WTO与网络技术应用迅速发展的今天，音频数字水印技术得到了突飞猛进的发展，它的安全可靠、易分辨、易识别、检测提取易操作，难以伪造等特点受到广大制造商的亲睐。
音频数字水印技术是在不影响内容的价值和使用前提下，通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌入到音频信号中，并且嵌入的信息不能被人的听觉系统察觉到，只有通过专用的检测器或阅读器才能识别。
2.4数字音频水印的版权保护系统
2.4.1现状分析
随着Internet的普及。
Internet迅速成为音乐发布的重要渠道，消费者可以很方便地从网上下载音乐等音频文件。
然而大量侵害知识产权的非法数字音频的发布，却使音频版权所有者蒙受了巨大的经济损失。
因此音频版权保护技术就成为当今信息产业的研究热点。
经过学者们的学习与研究，在音频数字水印的版权保护系统方面已取得了突飞猛进的发展，作为初学者我将对版权保护系统的基本功能框架及其理论构建做个理论的分析。
2.4.2版权保护系统的基本功能框架
功能架构定义了数字版权保护系统的高层模块。
每个模块又可细化为若干子模块。
这些模块担任了不同的角色，互相协作，保证整个数字版权保护系统的功能要求。
音频版权系统功能架构有三个模块组成：
版权的创建获取、管理与使用，如图2-1所示。
音频版权保护系统功能结构
版权创建获取
版权使用
版权管理
↓↓↓
存储
使用权限管理
交易
使用跟踪管理
权限创建
权限验证
↓↓↓↓↓↓
内容
元数据
支付
执行
↓↓↓↓
权限流动
↓
打包
许可证
↓↓
权限
角色
操作
↓↓↓
图2-1音频版权保护系统的功能构架
2.4.3版权保护系统的功能框架理论分析
（1）版权创建获取模块
版权创建获取模块支持权限的验证、创建和流动。
权限验证对创建的音频类容是否包含合法有效的权限进行检测；权限创建为新的类容分配权限；权限流动允许通过一系列回顾或者是类容权限许可的工作流程步骤加工数字化内容。
（2）版权管理模块
版权管理模块支持产品的存储和交易。
音频内容可以保存在分布式数据库中，也可以通过交易转移版权使用许可，模块还可以对音频内容及其源数据执行存取与检索操作。
（3）版权使用模块
版权使用模块支持使用权限管理和使用跟踪管理的功能，从而确保音频内容的使用环境与赋予的权限相匹配，且若音频内容使用许可协议中具有许可跟踪的条款，则还要对用户使用音频内容进行跟踪监督。
以三个功能模块为音频保护系统提供了核心功能。
功能机构解决了音频版权保护系统问题中的一部分，但是为了能向复杂性和多层次关系提供支持，音频数字版权保护系统还必须支持大多数的兼容的信息模块。
第3章音频数字水印算法的主要算法介绍
3.1音频数字水印算法的定义
音频数字水印算法，就是将数字水印通过水印嵌入算法，嵌入到音频文件中（如wav，mp3，avi等等），但是又对音频文件原有音质无太大影响，或者人耳感觉不到它的影响。
相反通过水印提取算法，将音频数字水印从音频宿主文件中完整的提取出来。
这些嵌入的水印，和提取出来的水印，就叫音频数字水印。
3.2音频数字水印的典型算法
将根据水印加载方式的不同，典型的音频数字水印算法可分为两类：
时域数字音频水印和变换域数字音频水印算法。
前者直接将水印信息嵌入到音频信号的时域选定的采样数据中，后者首先对原始音频信号进行某种变换运算（如DCT变换、DFT变换、DWT变换等等），然后通过修改其频域信号中某些指定的频域系数嵌入数据。
虽然变换域算法的计算量比时域变换的计算量大，但是变换域算法的鲁棒性、抗干扰和抗恶意攻击的能力都比时域算法强。
因此在现有的音频数字水印算法中，大多数的算法都是采用变换域音频水印算法，使其更具有实用价值。
3.2.1时域音频水印算法
音频水印的时域算法是在时域中构造水印。
原始信号不需要进行任何交换，将水印信号直接嵌入到音频信号中。
时域音频水印算法比较容易，实现使用的开销也少。
但是，抵抗各种攻击的能力较差。
时域算法中最主要的算法是最低比特位（LSB）算法、回升隐藏（Echohiding）算法等。
（1）最低有效算法（LSB）
最低有效位算法又称最不重要位（leastsingnificantbit,LSB）算法。
它是将秘密数据嵌入到载体数据中一种最为简单的方法。
任何形式的水印都可以转换成一串二进制码流，而音频文件的每一个采样数据也是二进制数来表示。
为了信号的不可感知性，一般要选取最低有效位来嵌入水印。
该算法是一种把秘密信息嵌入原始数据最简单的嵌入算法。
该算法实现简单，信息嵌入和提取速度快，嵌入水印的容量大。
但是该算法抗干扰能力差，比如噪声、压缩、滤波、重采样等攻击都会破坏水印数据，如果不采用冗余技术，其实用价值将很小。
目前，对最不重要位的主要改进是根据人耳听觉掩蔽效应，可在音频信号的高位进行隐蔽，在保证秘密信息的隐蔽性的基础上，提高水印的鲁棒性、稳健性。
低位比特码本身简单易实现，音频信号里可编码的数据量大，水印嵌入和提取算法简单，速度快。
但是其最大缺点是对某些信号处理技术比较敏感，即对信号处理的稳健性很差。
为此需要采用一些冗余技术对它编码，从而需要额外的比特开销。
（2）基于回声的水印算法
基于回声嵌入水印的算法是一种经典的音频水印算法，它是利用人耳听觉系统的掩蔽效应得出的。
音频信号的向后掩蔽效应使得弱信号出现在强信号之后，弱信号将因为强信号的存在而变得无法听见，算法涉及的参数包括回声的幅度和延时。
通过回声将数据嵌入到音频信号，首先在音频信号中加入回声，根据回声延迟的不同来嵌入“0”或“1”。
在接收端根据接收信号加入的回声延迟来判断嵌入的是“0”或“1”，进而得到水印信息。
文献检测回声的方法是用复倒谱来实现的，观察嵌入水印信号的音频信号的复倒谱，找到水印嵌入的位置。
在回声延迟的时间位置峰值明显高于周围峰值，检测结果是根据不同延迟处的峰值大小判断嵌入的信息。
回声算法最初是由Gruhl等人提出，此后又有学者对其算法进行了改进。
下图3-1是利用回声隐藏算法的音频数字水印算法的框图。
回声混入
原始音频
数据
音频
数据段
含水印
音频数据
分段
→→→
↑
延时
水印比特↓衰减
→
图3-1回声编码水印嵌入流程图
回声隐藏算法原理是：
设S={s（n）,0<=ns（n）,0<=ny（n）=
s（n）+Ks（n-m）,m<=n其中，信号和回声间的延时是m，一般m<通过修改m的值来进行水印信息的嵌入。
3.2.2变换域音频水印算法
基于变换域的音频水印技术，一般是对原始音频通过某种变换得到其变换域内的系数，然后修改变换域系数来隐藏水印。
常用的变换域方法有相位水印算法、扩频水印算法、离散小波变换（DWT）、离散傅里叶变换（DFT）、离散余弦变换（DCT）、倒谱域水印算法等。
由于在这些算法中水印都是被嵌入在变换后的频域系数中，因此又称频域算法。
（1）相位水印算法
相位水印算法利用人耳的听觉系统对绝对相位不敏感，而对相对相位敏感的特性，使用代表水印数据的参考相位替换原始音频段的绝对相位。
并对其他的音频段进行调整，以保持各段之间的相对相位不变。
LieWenNung等利用频域掩蔽模型，通过扩大或缩小三个相邻数据块在采样点的幅值，保持他们的相对能量关系以嵌入水印，提取时不需要原始信号，同步问题通过在水印信号中加入同步码字来实现。
它可以抵抗MP3压缩、低通滤波、幅度归一化、剪切以及相同采样率的D/A、A/D转换，但不能抵抗重采样、样本精度转换、单声道/多声道转换和时间伸缩等攻击。
它的一个缺陷是：
代表水印数据的参考相位急剧变化时，会出现显示的相位离差。
（2）扩频水印算法
一般来说，在通信信道中，要保持有效的带宽和降低能量，总是需要把信息集中在尽可能窄的频谱范围内。
另一方面，要将编码数据分布到尽可能多的频谱中去，以便对信息流进行编码。
这样，即便某些频率存在干扰，它也不会影响数据的接收。
目前，存在多种扩频通信的方法，其中常用的方法有直接序列扩频编码（DSSS，DirectSequenceSpreadSpectrumEncoding）。
该方法是将水印数据隐藏在载波的相位上，然后将载波与伪随机序列（一般采用m序列作为伪随机码）相乘，衰减后再加到音频序列上，类似于加上宽带噪声。
水印的提取方法就是水印的嵌入方法的逆操作。
还有一种方法就是直接将衰减的伪随机序列加到音频序列上，如果要嵌入多比特，可以采用不同的水印比特乘以伪随机序列加到音频序列的不同位置上。
水印检测提取时计算载体数据与伪随机序列的相关系数，如果载体数据未经嵌入水印，相关系数的期望值为0，当伪随机序列长度较大时，相关系数的概率取值应在0附近；而如果载体数据是经过嵌入水印的，相关系数与水印数据、嵌入强度有关，可以通过相关系数恢复出水印。
（3）离散小波变换域（DWT）算法
小波变换具有多分辨率、时域局部化、计算复杂度低等优点，因此小波变换在众多信号处理领域得到了广泛应用。
有参考文献提出一种基于DWT的自同步音频水印算法。
他们采用m序列作为同步信号，并和水印信息一起隐藏在DWT域低频子带中，利用DWT的时域局部性，解决了同步信号的鲁棒性与其搜索计算量之间的矛盾。
也有参考文献提出了一种基于小波变换的水印隐藏和检测算法，把高斯白噪声作为水印信号嵌入到原始音频信号小波变换域。
用这种算法隐藏水印具有良好的隐蔽性，且能抵抗多种强干扰和常见的信号处理操作。
（4）离散傅里叶变换域（DFT）算法
傅里叶变换域算法是先对音频信号进行傅里叶变换，选择其中的中频段2.4KHz-6.4KHz的傅里叶变换系数来进行数据嵌入，即用表示秘密数据序列的频谱分量来替换相应的傅里叶变换系数，选择中频段使得数据被保存在最敏感的低频范围之外。
如果嵌入数据量不是很大且其幅度相对于当前的音频量好像比较小，则该技术对噪声、录音失真及磁带的颤动都具有一定的鲁棒性。
有参考文献提出一种基于DFT域的量化音频水印算法，该算法根据不同的水印信息用不同的量化器去量化原始信号。
提取水印是根据待检查数据与不同量化结果的距离恢复嵌入的信息。
（5）离散余弦变换域（DCT）算法
有关参考文献提出了一种基于DCT域的改进Patchwork音频水印算法。
该算法先随机选择两个DCT系数集合A和B，再通过对A增加一个常量，对B减去一个常量来分别修改它们的系数均值，水印的提取通过分析两个系数集合的统计
量关系来进行。
也有参考文献提出了一种将灰度图像嵌入到音频信号的数字水印算法。
该算法依据人类听觉系统（HAS）择段做DCT变换，并通过修改中高频DCT系数完成水印信息的自适应嵌入。
（6）倒谱域水印算法
倒谱域水印算法，是近两年研究者们才提出来的，是将信息掩藏到信号倒谱域的水印算法，这些算法主要利用了信号倒谱变换系数的不相关性，且倒谱能量主要集中在零点附近等性质。
现研究表明，大的倒谱系数在声音信号中的是容易被感知的，为保证透明性一般都其舍去不用，仅仅修改较小的倒谱系数。
第4章一种基于离散小波变换的水印算法的性能分析
4.1算法的基本思想
所谓小波，即小区域的波，是一种特殊的长度有限，平均值为0的波形。
小波变换就是将信号分解为一系列的小波函数的叠加，而这些小波函
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