《數(shù)字音頻水印技術(shù)》

1、數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-12 數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-12 隨著因特網(wǎng)的普及和數(shù)字化音樂(lè)制品的大量制作和發(fā)行，人們可以很方便的從互聯(lián)網(wǎng)上下載音樂(lè)產(chǎn)品，但這也給非法侵權(quán)者提供了機(jī)會(huì)，致使很多侵害產(chǎn)權(quán)的音樂(lè)被以不同的方式發(fā)布，這樣不但給音樂(lè)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)損失，而且阻礙了它的發(fā)展。于是，對(duì)音頻數(shù)據(jù)實(shí)施版權(quán)保護(hù)變得越來(lái)越重要，音頻數(shù)字水印技術(shù)由此而生。音頻數(shù)字水印技術(shù)是在原始音頻數(shù)據(jù)中嵌入秘密信息水印，但不影響原始音頻的聽(tīng)覺(jué)質(zhì)量，在音頻中嵌入的秘密信息可以有很多種形式如文字、圖像、作品序列號(hào)等。水印信息和原始音頻數(shù)據(jù)

2、緊密結(jié)合在一塊，通常情況下音頻中嵌入的水印，人們?cè)诼?tīng)覺(jué)上根本察覺(jué)不到，并且還要能夠有效地抵抗不法侵權(quán)行為的攻擊。1.1 研究背景研究背景數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-121.2 理論依據(jù)理論依據(jù) 數(shù)字水印技術(shù)是一種信息隱藏技術(shù)，其基本思想是在不影響信息可用性的前提條件下，利用人耳聽(tīng)覺(jué)的掩蔽效應(yīng)（人耳只對(duì)最明顯的聲音反應(yīng)敏感，而對(duì)于不敏感的聲音，反應(yīng)則較不為敏感。例如在聲音的整個(gè)頻率譜中，如果某一個(gè)頻率段的聲音比較強(qiáng)，則人就對(duì)其它頻率段的聲音不敏感了。應(yīng)用此原理，人們發(fā)明了mp3等壓縮的數(shù)字音樂(lè)格式，在這些格式的文件里，只突出記錄了人耳朵較為敏感的中頻段聲音，而對(duì)于較高和較低的

3、頻率的聲音則簡(jiǎn)略記錄，從而大大壓縮了所需的存儲(chǔ)空間。），對(duì)數(shù)字產(chǎn)品嵌入秘密信息，用來(lái)保護(hù)數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)和證明數(shù)字產(chǎn)品的可靠性，以及為用戶提供產(chǎn)品的附加信息等等。數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-12 音頻數(shù)字水印技術(shù)就是在音頻中添加某些數(shù)字信息來(lái)保護(hù)數(shù)字媒體的版權(quán)，證明數(shù)字產(chǎn)品的真實(shí)可靠性。水印信息嵌入在音頻載體中，不能影響原始音頻的完整性和可用性。從數(shù)字通信的角度來(lái)講，可以把音頻數(shù)字水印技術(shù)理解為用擴(kuò)頻等通信技術(shù)把一個(gè)窄帶信號(hào)（水印）放在在一個(gè)寬帶信道（載體）上傳輸；從信號(hào)處理的角度來(lái)講，可以把音頻數(shù)字水印技術(shù)看作是把一個(gè)作為水印信息的弱信號(hào)疊加到原始音頻載體的強(qiáng)背景上。一個(gè)完

4、整的數(shù)字音頻水印系統(tǒng)包括水印的生成、水印的嵌入和水印的提取或檢測(cè)三個(gè)基本環(huán)節(jié)。1.3 水印的嵌入和檢測(cè)水印的嵌入和檢測(cè)數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-121.3.1 水印嵌入的基本框架水印嵌入的基本框架數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-121.3.2 水印檢測(cè)的基本框架水印檢測(cè)的基本框架數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-121.4 對(duì)音頻數(shù)字水印的要求對(duì)音頻數(shù)字水印的要求要想成功地在數(shù)字音頻媒體中隱藏水印， 必須注意以下幾方面的要求：1. 對(duì)數(shù)據(jù)變換處理操作的穩(wěn)健性 要求水印本身應(yīng)能經(jīng)受得住各種有意無(wú)意的攻擊。 典型的攻擊有添加噪聲、 數(shù)據(jù)壓縮、 濾

5、波、 重采樣、 A/D-D/A轉(zhuǎn)換、 統(tǒng)計(jì)攻擊等。 2. 聽(tīng)覺(jué)相似性 數(shù)字水印是在音頻載體對(duì)象中嵌入一定數(shù)量的掩蔽信息， 為使得第三方不易察覺(jué)這種嵌入信息， 需謹(jǐn)慎選擇嵌入方法， 使嵌入信息前后不產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)可感知的變化。 數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-123. 是否需要原始數(shù)據(jù)進(jìn)行信息提取 根據(jù)數(shù)據(jù)嵌入和提取方案的不同設(shè)計(jì)， 有些方案可以不需要借助于原始數(shù)據(jù)進(jìn)行信息提取， 這一性能將影響方案的用途和性能。 4. 數(shù)據(jù)提取誤碼率 數(shù)據(jù)提取誤碼率也是音頻水印方案中的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)， 因?yàn)橐环矫娲嬖趤?lái)自物理空間的干擾， 另一方面信道中傳輸?shù)男盘?hào)會(huì)發(fā)生衰減和畸變， 再加上人為的數(shù)據(jù)變

6、換和攻擊， 都會(huì)使數(shù)據(jù)提取的誤碼率增加。5. 嵌入數(shù)據(jù)量指標(biāo) 根據(jù)用途的不同， 在有些應(yīng)用場(chǎng)合中必須保證一定的嵌入數(shù)據(jù)量， 如利用音頻載體進(jìn)行隱蔽通信。 數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-12 1.5 音頻數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用音頻數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用1. 版權(quán)保護(hù) 數(shù)字音頻作品的所有者為了表明其對(duì)作品內(nèi)容的所有權(quán)，采用音頻數(shù)字水印技術(shù)將具有特定意義的水印嵌入到原始音頻數(shù)據(jù)中，接著公開(kāi)自己的音頻作品。在不法分子聲稱自己對(duì)所公開(kāi)的嵌入水印的音頻作品擁有所有權(quán)時(shí)，該作品的真正所有者利用檢測(cè)或提取算法，檢測(cè)或提取出音頻作品中嵌入的水印信息，這時(shí)就可以很有力地證明該音頻作品中含有水印，同時(shí)也用

7、來(lái)證明所有者對(duì)作品的所有權(quán)。需要注意的是，該應(yīng)用要求水印具有較好的感知透明性、安全性和魯棒性。2. 信息標(biāo)識(shí) 在該應(yīng)用中，把數(shù)字作品的一些信息如標(biāo)題、注釋等內(nèi)容以水印的形式嵌入到數(shù)字作品中。水印用來(lái)提供更多有關(guān)數(shù)字作品內(nèi)容的信息，如一首歌曲的作曲者、演唱者等。這種隱式注釋不需要增加額外的帶寬、不影響原始作品內(nèi)容，且不容易丟失。數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-123. 數(shù)字指紋 數(shù)字指紋通常被用于進(jìn)行盜版跟蹤，它可以有效地避免合法用戶對(duì)數(shù)字產(chǎn)品進(jìn)行非法的復(fù)制和傳播甚至非法牟取暴利。作品的所有者將不同的水印嵌入到每個(gè)數(shù)字作品拷貝中，以此來(lái)防止不法分子非法復(fù)制和傳播數(shù)字作品，這就是所

8、謂的數(shù)字指紋。作品所有者發(fā)現(xiàn)沒(méi)有經(jīng)過(guò)授權(quán)的拷貝時(shí)，就可以借助檢索指紋來(lái)追蹤該拷貝的出處。4. 廣播監(jiān)控 利用數(shù)字水印技術(shù)可以在廣告、音樂(lè)作品等媒體中嵌入水印信息，而且嵌入的水印是不可感知的。在播放含有水印的多媒體數(shù)據(jù)時(shí)，監(jiān)控設(shè)備會(huì)利用水印信息來(lái)自動(dòng)監(jiān)控這些媒體的相關(guān)信息如播放的時(shí)間、次數(shù)等。數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-125. 認(rèn)證和完整性校驗(yàn) 如今以難以覺(jué)察的方式對(duì)數(shù)字作品進(jìn)行篡改已經(jīng)變得越來(lái)越容易。雖然傳統(tǒng)的數(shù)字簽名技術(shù)也可以用來(lái)進(jìn)行數(shù)字作品的認(rèn)證，但驗(yàn)證時(shí)需要將原始簽名和所驗(yàn)證的作品一同傳送，一旦簽名丟失，數(shù)字作品便無(wú)法進(jìn)行認(rèn)證。使用數(shù)字水印技術(shù)將簽名嵌入作品中是一種

9、比較好的解決方法。數(shù)字水印技術(shù)是通過(guò)檢驗(yàn)提取出的水印的完整性來(lái)檢驗(yàn)數(shù)字作品內(nèi)容的完整性的，先用嵌入水印時(shí)所設(shè)定的唯一的密鑰把水印提取出來(lái)，然后再檢驗(yàn)數(shù)字作品內(nèi)容的完整性。數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-121.6 常見(jiàn)的音頻數(shù)字水印攻擊常見(jiàn)的音頻數(shù)字水印攻擊 音頻文件遭受主動(dòng)攻擊后，即使合法用戶也不能正確讀取水印信息；被動(dòng)攻擊嘗試破解數(shù)字水印算法，難度要大得多。在實(shí)際的應(yīng)用中，破解數(shù)字水印算法比較困難，數(shù)字水印主要面臨的是主動(dòng)攻擊。盡管常見(jiàn)的信號(hào)處理操作不是一種攻擊，但它也會(huì)對(duì)水印信息造成一定程度的破壞。所以，一種有效的水印算法要能夠有效地抵抗常見(jiàn)的信號(hào)處理操作。下面列舉常見(jiàn)的

10、攻擊手段和信號(hào)處理方法：1. 濾波：濾波器增加或?yàn)V除選定部分的頻譜，主要的攻擊手段是低通濾波；2. 添加噪聲：在嵌入水印的音頻文件中加入白噪聲或者有色噪聲；3. 時(shí)域重采樣：改變音頻信號(hào)的采樣頻率，對(duì)信號(hào)進(jìn)行下采樣和上采樣； 4. 剪切：剪切掉含水印音頻的一小部分，并不會(huì)影響音頻的質(zhì)量，這對(duì)于要求同步性的水印來(lái)說(shuō)是一個(gè)有效的攻擊；數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-125. 時(shí)域拉伸：延長(zhǎng)或者縮短音頻信號(hào)的持續(xù)時(shí)間。6. 壓縮攻擊：音頻壓縮主要是去除音頻信號(hào)中的冗余信息，而這些冗余信息正好是有些水印算法嵌入水印的位置，因此也可以把音頻壓縮看作一種攻擊手段。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，音頻水

11、印算法需要抵抗的信號(hào)處理或者惡意攻擊的要求也不盡相同。數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-122 典型的音頻數(shù)字水印算法典型的音頻數(shù)字水印算法 經(jīng)典的音頻數(shù)字水印算法可以分為：時(shí)域音頻水印算法、變換域音頻水印算法和壓縮域音頻水印算法等。時(shí)域音頻數(shù)字水印算法把水印信息直接嵌入到原始音頻信號(hào)的采樣點(diǎn)幅值上，該類算法比較容易實(shí)現(xiàn)，而且快速，嵌入的信息量較大，但對(duì)常規(guī)數(shù)字信號(hào)處理的魯棒性普遍較低；變換域音頻水印算法先對(duì)原始音頻信號(hào)實(shí)施某種變換運(yùn)算(如DCT變換、DFT變換、DWT變換等)，然后根據(jù)人類聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)特性，通過(guò)修改某些變換系數(shù)的方式來(lái)嵌入水印信息。變換域算法的優(yōu)點(diǎn)是：抵抗干擾和抗惡

12、意攻擊的能力較強(qiáng)，魯棒性好。缺點(diǎn)是計(jì)算量太大；壓縮域音頻水印算法是直接把水印信號(hào)添加在經(jīng)過(guò)壓縮編碼的音頻信號(hào)中，輸出的是含水印的壓縮編碼的音頻信號(hào)，它能夠有效地避免壓縮算法編解碼的復(fù)雜過(guò)程。數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-122.1 時(shí)域音頻數(shù)字水印算法時(shí)域音頻數(shù)字水印算法（1）最不重要位）最不重要位(LSB)算法算法 LSB(Least Significant Bit，最不重要位)28算法是由Bender W等人在1996年提出的，是一種最簡(jiǎn)單的水印算法。任何形式的秘密數(shù)據(jù)（水?。┒伎梢钥醋魇且淮M(jìn)制位流，而音頻文件的每一個(gè)采樣值也是用二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示的。該方法是用代表秘密數(shù)

13、據(jù)的二進(jìn)制位來(lái)替換音頻信號(hào)的采樣值的最不重要位（一般為最低位），以達(dá)到在音頻信號(hào)中嵌入秘密數(shù)據(jù)的目的，提取水印時(shí)只要把相應(yīng)的最低位取出來(lái)，就能恢復(fù)出嵌入的秘密信息。該方法是一種盲水印算法，在提取水印的過(guò)程中不需要原始音頻信號(hào)的參與。 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：秘密數(shù)據(jù)嵌入和提取算法簡(jiǎn)單，速度快；音頻信號(hào)里可編碼的數(shù)據(jù)量大。缺點(diǎn)是：對(duì)某些信號(hào)處理技術(shù)比較敏感，也就是說(shuō)對(duì)一些信號(hào)處理的魯棒性較差，若在嵌入水印的過(guò)程中沒(méi)有采取冗余技術(shù)，含水印音頻就不能抵抗有損壓縮、重采樣、濾波等信號(hào)處理操作。在實(shí)際應(yīng)用中，LSB方法只能用于一些魯棒性較低的場(chǎng)合。數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-12原始語(yǔ)音信

14、號(hào)（“床前明月光”）去掉低2比特位的語(yǔ)音信號(hào)（聲音信號(hào)聽(tīng)不出差別） 數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-12去掉低4比特位的語(yǔ)音信號(hào)（聲音信號(hào)聽(tīng)不出差別） 去掉低6比特位的語(yǔ)音信號(hào)（聲音中有極少的背景噪音，不易被察覺(jué)） 數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-12去掉低8比特位的語(yǔ)音信號(hào)（聲音中有較明顯的背景噪音） 去掉低10比特位的語(yǔ)音信號(hào)（聲音中有很強(qiáng)的噪音，但話音仍較清晰） 數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-12（2）基于回聲的音頻水印算法）基于回聲的音頻水印算法 回聲隱藏（Echo Hiding）算法最早由Gruhl等人于1996年提出，它是通過(guò)在時(shí)域

15、中引入回聲的方式把秘密數(shù)據(jù)嵌入到載體數(shù)據(jù)中，也是一種經(jīng)典的音頻數(shù)字水印算法。它利用了人類聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的另一特性： 音頻信號(hào)在時(shí)域的向后屏蔽作用， 即弱信號(hào)在強(qiáng)信號(hào)消失之后變得無(wú)法聽(tīng)見(jiàn)。 弱信號(hào)可以在強(qiáng)信號(hào)消失之后50200 ms的作用而不被人耳察覺(jué)。在該算法中，編碼器先把載體數(shù)據(jù)延遲一定的時(shí)間，然后疊加到原始的載體數(shù)據(jù)上來(lái)產(chǎn)生回聲。編碼器一般用兩個(gè)不同的延遲時(shí)間來(lái)嵌入“0”和“1”。回聲隱藏算法的感知透明性較好，具有一定的魯棒性，但第三方可以用檢測(cè)回聲的方法把水印檢測(cè)出來(lái)。數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-1210ab11cd0e0f1g1011001m1m01a0b1c1d0e0f

16、1g將原始信號(hào)分為小段以嵌入數(shù)據(jù)產(chǎn)生“1”和“0”回聲信號(hào)數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-12a1b0c1d1e0f0g10101“1”混 合 信 號(hào)“0”混 合 信 號(hào) 將延時(shí)為m0的信號(hào)和“0” 混合信號(hào)相乘， 延時(shí)為m1的信號(hào)和“1” 混合信號(hào)相乘， 最后將兩個(gè)信號(hào)相加得到含水印信號(hào)。構(gòu)造的混合信號(hào)數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-12 回聲編碼水印嵌入流程圖含 水 印 音 頻數(shù) 據(jù) 段DFT復(fù) 對(duì) 數(shù)IDFT平 方復(fù) 倒 譜 的 自 相 關(guān)水 印 比 特回聲編碼水印提取流程圖原始音頻數(shù) 據(jù)音 頻數(shù)據(jù)段分段回聲混入含水印音頻數(shù)據(jù)衰減延 時(shí)水印比特段組合數(shù)字音

17、頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-122.2 變換域音頻數(shù)字水印算法變換域音頻數(shù)字水印算法（1）相位水印算法）相位水印算法 Bender W等人在1996年提出了相位水印算法，它利用人耳聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)對(duì)絕對(duì)相位不敏感，而對(duì)相對(duì)相位敏感的特性，用代表水印信息的參考相位來(lái)替換原始音頻段的絕對(duì)相位，然后調(diào)整其它的音頻段，這樣就可以使各音頻段之間的相對(duì)相位保持不變。相位水印算法的一個(gè)不足是：如果水印信息的參考相位發(fā)生劇烈變化，那么就會(huì)有明顯的相位差異（Phase Dispersion）出現(xiàn)，這不但會(huì)增加接受方譯碼的難度，還會(huì)影響水印信息的感知透明性。數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-1

18、2（2）擴(kuò)頻水?。U(kuò)頻水印 一般情況下，為了有效地降低能量和保持有效的帶寬，在實(shí)施通信的信道中，都需要把信息聚集在很窄的頻譜范圍內(nèi)。還有，為了更方便地對(duì)信息流進(jìn)行編碼1，基本的頻譜擴(kuò)展技術(shù)一般會(huì)把編碼數(shù)據(jù)分散到比較多的頻譜中去。常用的擴(kuò)頻通信方法有直接序列擴(kuò)頻編碼(Direct Sequence Spread Spectrum Encoding，DSSS)，該方法類似于在音頻中加上寬帶噪聲，首先把秘密數(shù)據(jù)藏在信號(hào)的相位上，然后對(duì)偽隨機(jī)序列和載波作乘法運(yùn)算，最后把衰減后的信號(hào)加到音頻序列上。數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-12（3）離散傅里葉變換域（）離散傅里葉變換域（DFT）

19、Tilki和Beex提出了一種離散傅里葉變換域音頻水印算法，該方法先對(duì)音頻信號(hào)實(shí)施離散傅里葉變換，然后選擇中頻段變換系數(shù)（2.46.4KHz）來(lái)嵌入水印信息，用表示水印序列的頻譜分量替換相應(yīng)的離散傅里葉系數(shù)。采用該方法嵌入水印，如果嵌入到音頻信號(hào)中的水印信息不是很大，并且水印信息的幅度比當(dāng)前的音頻信號(hào)小，此時(shí)該方法對(duì)噪聲、磁帶的顫動(dòng)及錄音失真都具有一定的魯棒性。在文獻(xiàn)中，Tilki和Beex利用短時(shí)傅里葉變換，通過(guò)修改相位來(lái)嵌入一個(gè)隱藏的附加信道。數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-12（4） 離散小波變換域（離散小波變換域（DWT）算法）算法 小波變換具有良好的時(shí)頻局部特性，利用小波變換在音頻信號(hào)中嵌入水印，可以獲得較好的魯棒性，含水印音頻信號(hào)能夠在一定程度上抵抗攻擊。鈕心忻等34在2000年提出了一種基于小波變換的數(shù)字水印算法，該方法嵌入的不是一般的水印信號(hào)，而是把高斯白噪聲作為水印信號(hào)嵌入到音頻信號(hào)的小波變換域中。該方法先利用小波變換對(duì)原始音頻信號(hào)實(shí)施小波分解（ 級(jí)小波分解），對(duì)于前 級(jí)的粗糙分量不作任何處理，然后通過(guò)處理第 級(jí)的精細(xì)分量來(lái)嵌入水印。數(shù)字音頻水印技術(shù)數(shù)字音頻水印技術(shù) 2014-5-122.3 壓縮域音頻數(shù)字水印算法壓縮域音頻數(shù)字水印算法 壓縮水印系統(tǒng)輸入的是未壓縮的音頻信