音頻數(shù)字水印技術(shù)

音頻數(shù)字水印技術(shù)第1頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.1概述

6.1.1音頻信號(hào)的數(shù)字化音頻信號(hào)的數(shù)字化是指對(duì)模擬的聲音信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，使其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。這個(gè)過(guò)程有兩個(gè)重要的參數(shù)：量化精度和瞬態(tài)采樣頻率。第2頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)高質(zhì)量音頻的量化方式最流行的格式是16bit線性量化，如Windows可視音頻格式(WAV)和音頻交換文件格式(AIFF)。另一種較低質(zhì)量音頻的量化方式一般采用8bitμ律量化。這些量化方法會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生一些畸變，在8bitμ律量化中顯得更為明顯。第3頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

6.1.2音頻信號(hào)傳送環(huán)境在實(shí)踐中，含有水印的音頻信號(hào)從編碼到解碼之間有多種可能的傳播途徑。這里，我們僅考慮最普通的四種情形。第一種情形是聲音文件從一個(gè)機(jī)器拷貝到另一個(gè)機(jī)器，其中沒(méi)有任何形式的改變。第二種情形是信號(hào)仍然保持?jǐn)?shù)字的形式，但采樣率發(fā)生變化。第4頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三種情形是信號(hào)被轉(zhuǎn)換為模擬形式，通過(guò)模擬線路進(jìn)行傳播，在終端被重新采樣。第5頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

6.1.3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、濾波、重采樣、A/D-D/A轉(zhuǎn)換、統(tǒng)計(jì)攻擊等。第6頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2.聽覺(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)生聽覺(jué)可感知的變化。

3.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。第7頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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。第8頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

6.1.4數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的典型應(yīng)用隨著音頻素材在互聯(lián)網(wǎng)上的指數(shù)級(jí)增加，數(shù)字音頻水印技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景：

(1)為了便于對(duì)音頻素材進(jìn)行查找和檢索，可以用水印技術(shù)實(shí)現(xiàn)元數(shù)據(jù)(描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù))的傳輸，就是用兼容的隱藏的帶內(nèi)方式傳送描述性信息。第9頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

(2)在廣播領(lǐng)域中，可以用水印技術(shù)執(zhí)行自動(dòng)的任務(wù)，比如廣播節(jié)目類型的標(biāo)識(shí)、廣告效果的統(tǒng)計(jì)分析、廣播覆蓋范圍的分析研究等。其優(yōu)點(diǎn)是不依賴于特定的頻段。

(3)用水印技術(shù)實(shí)現(xiàn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，包括所有權(quán)的證明、訪問(wèn)控制、追蹤非法拷貝等。這也是水印技術(shù)最初的出發(fā)點(diǎn)。第10頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.2人類聽覺(jué)特性頻域掩蔽算法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)計(jì)算頻譜。對(duì)每16ms的信號(hào)s(n)，其采樣點(diǎn)數(shù)N=512，用Hamming窗h(n)進(jìn)行加窗處理(6-1)第11頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月s(n)的功率譜由下式得到(6-2)第12頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

(2)確定純音和噪音成分。這樣做是因?yàn)榧円艉驮胍舻难诒文Ｐ筒煌?。如果某個(gè)頻譜成分的局部極大值(S(k)＞S(k+1)且S(k)≥S(k-1))，滿足下式：

S(k)-S(k+j)≥7dB

j∈{-2,+2},if2＜k＜63

j∈{-3,-2,+2,+3},if63≤k＜127(6-3)j∈{-6,-5,…,-2,+2,…,+5,+6},if127≤k≤250

則該成分是純音。(6-4)第13頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

(3)去除被掩蔽成分，分為以下兩步：①根據(jù)如圖6-1所示的絕對(duì)聽閾曲線，把在絕對(duì)聽閾以下的純音和噪音成分去除。②對(duì)相互間隔小于0.5Bark的多個(gè)純音成分只保留其中有最大值的那一個(gè)。第14頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖6-1絕對(duì)聽閾曲線圖第15頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

(4)計(jì)算局部掩蔽閾值與整體掩蔽閾值。對(duì)原始的N/2(即256)個(gè)頻域采樣點(diǎn)(用k代表)，只有其中的一部分采樣點(diǎn)(用i代表)被用來(lái)計(jì)算整體掩蔽閾值。層Ⅰ和層Ⅱ所用到的采樣點(diǎn)不同。層Ⅰ：頻帶被劃分為30個(gè)子帶，最低頻6個(gè)子帶中所有采樣點(diǎn)都用到，接下來(lái)的6個(gè)子帶的采樣點(diǎn)每2個(gè)用到1個(gè)，余下的18個(gè)子帶的采樣點(diǎn)每4個(gè)用到1個(gè)。第16頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月層Ⅱ：頻帶被劃分為30個(gè)子帶，最低頻3個(gè)子帶的所有采樣點(diǎn)都用到，接下來(lái)的3個(gè)子帶的采樣點(diǎn)每2個(gè)用到1個(gè)，接下來(lái)的6個(gè)子帶的采樣點(diǎn)每4個(gè)用到1個(gè)，余下的18個(gè)子帶的采樣點(diǎn)每8個(gè)用到1個(gè)。共用到采樣點(diǎn)132個(gè)。第17頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

(5)掩蔽是可以疊加的，因而在z(i)處具有的總掩蔽閾值LTg(i)為z(i)處的安靜時(shí)閾值LTq(i)和所有臨

(6-8)第18頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.3時(shí)域音頻水印算法

6.3.1最不重要位方法最不重要位方法是一種最簡(jiǎn)單的水印嵌入方法。任何形式的水印都可以轉(zhuǎn)換成一串二進(jìn)制碼流，而音頻文件的每一個(gè)采樣數(shù)據(jù)也是用二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示。這樣，可以將每一個(gè)采樣值的最不重要位(多數(shù)情況下為最低位)用代表水印的二進(jìn)制位替換，以達(dá)到在音頻信號(hào)中嵌入水印的目的。第19頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

6.3.2基于回聲的水印算法利用回聲嵌入水印的算法是一種經(jīng)典的音頻水印算法。它利用了人類聽覺(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)法聽見。弱信號(hào)可以在強(qiáng)信號(hào)消失之后50~200ms的作用而不被人耳察覺(jué)。第20頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)音頻序列S={s(n),0≤n＜N}，按下式即可得到含有回聲的音頻序列Y：

y(n)=s(n),

0≤n＜ms(n)+λs(n-m),m≤n＜N(6-9)第21頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖6-2回聲編碼水印嵌入流程圖第22頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在實(shí)際的應(yīng)用中，為了提高水印嵌入的效率，Gruhl采取的方法如下：

(1)假設(shè)要嵌入的水印比特為“1011001”，先將整個(gè)音頻信號(hào)分成如圖6-3所示的7段。

(2)分別使用式(6-9)，得到延時(shí)分別為m0和m1的兩個(gè)含有回聲的信號(hào)，如圖6-4所示。

(3)構(gòu)造“1”混合信號(hào)和“0”混合信號(hào)，如圖6-5所示。第23頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖6-3將原始信號(hào)分為小段以嵌入數(shù)據(jù)第24頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖6-4產(chǎn)生“1”和“0”回聲信號(hào)(用虛線表示)第25頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖6-5構(gòu)造混合信號(hào)第26頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

(4)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)。第27頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖6-6回聲編碼水印提取流程圖第28頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月回聲水印的嵌入過(guò)程也可以看作音頻信號(hào)和一個(gè)回聲內(nèi)核進(jìn)行卷積，回聲內(nèi)核如圖6-7所示。圖中m是回聲延時(shí)，λ是回聲的衰減系數(shù)。第29頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖6-7回聲內(nèi)核第30頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

6.3.3其他的時(shí)域水印方法雖然最不重要位方法有一些局限性，但由于時(shí)域水印算法運(yùn)算速度快，因此除了對(duì)回聲算法進(jìn)行研究外，一些學(xué)者對(duì)時(shí)域的其他算法進(jìn)行了深入研究，提出了一些新的算法。第31頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

Kim等認(rèn)為將水印信號(hào)嵌入時(shí)域中每一個(gè)樣點(diǎn)會(huì)使人耳產(chǎn)生感知，他們每間隔一定的距離(3～5個(gè)樣點(diǎn))，通過(guò)修改樣點(diǎn)的幅度值而嵌入水印。在水印檢測(cè)時(shí)不需要原始音頻信號(hào)，而是根據(jù)嵌入水印的樣點(diǎn)附近的樣點(diǎn)值估計(jì)該點(diǎn)的原始值，進(jìn)而獲得嵌入的水印。第32頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

Lie等提出的方法與Kim的方法類似，不同處是將每個(gè)比特的水印信號(hào)嵌入到一段音頻信號(hào)中。具體算法如下所述。水印嵌入算法：將音頻信號(hào)f(x)分段，每段長(zhǎng)度為L(zhǎng)。將任意相連的三段分別記為sec_1、sec_2和sec_3。每段的能量定義為：(6-10)第33頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月其中xi表示sec_1的起始樣點(diǎn)。將三段的能量按從大到小進(jìn)行排列，重新表示為Emax、Emid和Emin。計(jì)算它們的能量差：

A=Emax-EmidB=Emid-Emin(6-11)第34頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

(1)當(dāng)水印比特為1時(shí)，如果

A-B=Emax-2Emid+Emin≥(Emax+2Emid+Emin)·d，則不對(duì)信號(hào)修改；否則增加Emax或減小Emid，直至

A-B≥(Emax+2Emid+Emin)·d。

(2)當(dāng)水印比特為0時(shí)，如果

B-A=2Emid-Emin-Emax≥(Emax+2Emid+Emin)·d，則不對(duì)信號(hào)修改；否則增加Emid或減小Emin，直至

B-A≥(Emax+2Emid+Emin)·d。第35頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖6-8使用三個(gè)相鄰的樣點(diǎn)段以嵌入水印示意圖第36頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖6-9段邊界處的漸變加權(quán)曲線第37頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.4變換域音頻水印算法

6.4.1相位水印算法相位水印算法利用人耳聽覺(jué)系統(tǒng)對(duì)絕對(duì)相位不敏感以及對(duì)相對(duì)相位敏感的特性，使用代表水印數(shù)據(jù)的參考相位替換原始音頻段的絕對(duì)相位，并對(duì)其他的音頻段進(jìn)行調(diào)整，以保持各段之間的相對(duì)相位不變。相位編碼的具體步驟如下：第38頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(1)設(shè)原始音頻序列為

S={s(i),0≤i＜L}

(6-13)將S分割成N個(gè)等長(zhǎng)的小段

sn={sn(i),0≤n＜N,0≤i＜K}

(6-14)其中K=L/N。第39頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

(2)對(duì)第n段sn(i)進(jìn)行K點(diǎn)的離散傅里葉變換(DFT)。生成相位矩陣φn(ωk)和幅度矩陣An(ωk)(0≤k＜K)。

(3)計(jì)算并存儲(chǔ)相鄰段對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的相位差

Δφn+1(ωk)=φn+1(ωk)-φn(ωk)

(6-15)

其中0≤n≤N-1,0≤k＜K。第40頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

(4)設(shè)水印序列W={wk,0≤k＜K),wk∈{0,1}。用下式定義wk所代表的相位值ifwk=1ifwk=0

(6-16)第41頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(5)對(duì)0＜n＜N,利用相位差重新產(chǎn)生相位矩陣：(6-17)第42頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

(6)利用修改的相位矩陣φ′n(ωk)和原始幅度矩陣An(ωk)(其中0≤n＜N,0≤k＜K)進(jìn)行IDFT，生成含水印的音頻信號(hào)。

第43頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月水印解碼時(shí)，首先要獲得含水印音頻信號(hào)的同步信息，信號(hào)段的長(zhǎng)度、DFT變換點(diǎn)數(shù)都應(yīng)該為解碼方所了解。具體說(shuō)來(lái)，解碼過(guò)程分以下三步：

(1)在已知發(fā)送方信號(hào)段長(zhǎng)度的情況下，將接收到的音頻信號(hào)分段。

(2)提取出第一段，對(duì)它做DFT，計(jì)算相位值。

(3)根據(jù)相應(yīng)的閾值，對(duì)相位值進(jìn)行檢測(cè)，得到0或1值，構(gòu)成水印序列。第44頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

6.4.2擴(kuò)頻水印在通常的通信信道中，為保持有效的帶寬和降低能量，總是需要把信息集中在盡可能窄的頻譜范圍內(nèi)。另一方面，基本的頻譜擴(kuò)展技術(shù)是將編碼數(shù)據(jù)分布到盡可能多的頻譜中去，以便對(duì)信息流進(jìn)行編碼。第45頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月使用DSSS方法的音頻數(shù)字水印的例子，水印嵌入的步驟如下：

(1)設(shè)水印序列為P，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)：P={pi,0＜i≤L},pi∈{-1,+1}。

(2)設(shè)切普速率(ChipRate，擴(kuò)頻倍數(shù))為cr，使用cr=C對(duì)P進(jìn)行比特重復(fù)(過(guò)采樣)，形成調(diào)制信號(hào)：ck=pi，其中(i-1)·C+1≤k≤i·C。第46頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

(3)設(shè)有一個(gè)偽隨機(jī)m序列，將m序列的元素由{0,1}映射為{+1,-1}，得到新的序列M={mk,0＜k≤L·C},mk∈{-1,+1}，使用mk對(duì)調(diào)制信號(hào)ck擴(kuò)頻，生成擴(kuò)頻水印信號(hào)wk：wk=ck·mk，其中0＜k≤L·C。

(4)設(shè)待嵌入水印的音頻信號(hào)為S，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)·C：S={sk,0＜k≤L·C}，利用下式得到嵌入水印后的信號(hào)：第47頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

6.4.3離散傅里葉變換域(DFT)方法

Tilki和Beex提出了一種DFT變換域音頻水印嵌入算法，這種變換的頻譜范圍是0~8kHz。首先對(duì)音頻信息進(jìn)行DFT，然后選擇其中頻率范圍為2.4~6.4kHz的DFT系數(shù)進(jìn)行水印嵌入，并用表示水印序列的頻譜分量來(lái)替換相應(yīng)的DFT系數(shù)。第48頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

6.4.4離散余弦變換域(DCT)方法

YeWang［14］提出了在時(shí)域?qū)π盘?hào)進(jìn)行序列變換，在頻域加入水印的方法。他首先根據(jù)偽隨機(jī)序列重新排列音頻采樣信號(hào)，然后對(duì)序列進(jìn)行修正離散余弦變換(MDCT,ModifiedDiscreteCosineTransform)，通過(guò)對(duì)MDCT的系數(shù)進(jìn)行改變以嵌入水印，然后再進(jìn)行逆變換得到嵌入水印后的音頻序列。使用的MDCT公式為

(6-18)第49頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月逆變換為

(6-19)第50頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

1.線性移位寄存器如圖6-10所示的n級(jí)線性移位寄存器電路，每級(jí)寄存器可取0或1這兩個(gè)狀態(tài)之一，各級(jí)寄存器抽頭，即乘法器系數(shù)ci=0或ci=1，但cn=1。設(shè)移位寄存器的初始狀態(tài)為(an-1，an-2，…，a1，a0)，它對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為s1，當(dāng)加上一個(gè)移位脈沖時(shí)，每一級(jí)的內(nèi)容右移給下一級(jí)，最末一級(jí)即第n級(jí)的內(nèi)容a0就是輸出，同時(shí)n個(gè)寄存器中的內(nèi)容按圖中的連線送至模2加法器中，運(yùn)算后反饋到第一級(jí)中去，第51頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月于是經(jīng)過(guò)一次移位以后移位寄存器的內(nèi)容變?yōu)?an，an-1，…，a2，a1)，它對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為s2，其中an滿足關(guān)系式

(6-20)第52頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖6-10n級(jí)線性移位寄存器第53頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2.水印的嵌入

(1)對(duì)原始語(yǔ)音信號(hào)x(n)進(jìn)行DCT變換。設(shè)每幀語(yǔ)音信號(hào)長(zhǎng)度為N，由下式得到DCT域的序列y(k)：(k=0,1,2,…,N-1)

(6-21)第54頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

(2)選取序列y(k)的前m個(gè)值(不包括y(0))作為添加水印的位置，同時(shí)應(yīng)滿足m=2n，其中n為整數(shù)。

(3)利用偽隨機(jī)序列發(fā)生器，產(chǎn)生一均值為0，方差為1的正態(tài)分布隨機(jī)序列w(n),n=1,2,…,m。

(4)將序列重置，還原成，用下式進(jìn)行IDCT變換，得到時(shí)域中嵌入水印的音頻信號(hào)，即n=0,1,2,…，N-1

(6-23)第55頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

3.水印的檢測(cè)對(duì)待檢測(cè)信號(hào)(n)，重復(fù)上述步驟(1)、(2)得到DCT域序列(sn)，利用原始信號(hào)的y(sn)，得到(n)，即

(6-24)(6-25)第56頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

4.仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果采用一段長(zhǎng)度1.024s，采樣頻率8kHz，量化為線性16bit，內(nèi)容為“坐飛機(jī)去廣州”的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行DCT變換時(shí)，每幀信號(hào)長(zhǎng)度取為2048個(gè)樣點(diǎn)。水印是長(zhǎng)度為512且具有正態(tài)分布N(0,1)的隨機(jī)實(shí)數(shù)序列，將水印分別嵌入各幀語(yǔ)音信號(hào)中。原始語(yǔ)音波形和嵌入水印后的語(yǔ)音波形分別如圖6-11、圖6-12所示。第57頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖6-11原始語(yǔ)音信號(hào)波形第58頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖6-12嵌入水印后語(yǔ)音信號(hào)波形第59頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

(1)低通濾波。采用長(zhǎng)度為6階，截止頻率為2kHz的巴特沃茲低通濾波器。檢測(cè)結(jié)果見表6-1。表6-1信號(hào)經(jīng)低通濾波后的檢測(cè)結(jié)果第60頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

(2)噪聲干擾。對(duì)信號(hào)在時(shí)域中加入高斯白噪聲。信噪比取為26dB。檢測(cè)結(jié)果見表6-2。表6-2信號(hào)加入白噪聲后的檢測(cè)結(jié)果第61頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

(3)重新采樣。對(duì)信號(hào)進(jìn)行一次插值和一次抽取處理，插值與抽取的倍數(shù)為3。檢測(cè)結(jié)果見表6-3。表6-3信號(hào)重新采樣后的檢測(cè)結(jié)果第62頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

(4)重新量化。先將信號(hào)從16bit量化成為8bit，再量化為16bit。檢測(cè)結(jié)果見表6-4。表6-4信號(hào)重新量化后的檢測(cè)結(jié)果第63頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

(5)語(yǔ)音壓縮編碼。對(duì)信號(hào)采用G.729進(jìn)行編碼和解碼。檢測(cè)結(jié)果見表6-5。表6-5信號(hào)壓縮編碼后的檢測(cè)結(jié)果第64頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

6.4.5離散小波變換域(DWT)方法

對(duì)于水印的添加而言，小波變換的類型、水印的種類、水印添加的位置以及水印的強(qiáng)度，這四大要素決定了水印添加算法的類型。其中水印的類型一般是預(yù)先就確定的，狹義來(lái)說(shuō),決定算法類型的是水印添加的位置和水印的強(qiáng)度兩大要素，同時(shí)它們也決定了算法的性能。而在水印的提取過(guò)程中，要求上述各要素與添加的過(guò)程保持一致，否則就無(wú)法將水印提取出來(lái)。在音頻水印中，將水印嵌入到小波域系數(shù)中可以獲得較好的穩(wěn)健性。第65頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在圖6-13中，(a)是原始水印圖像，(b)是信號(hào)未經(jīng)處理直接提取的水印圖像，(c)是信號(hào)經(jīng)低通濾波后提取的水印圖像，(d)是信號(hào)加入白噪聲后提取的水印圖像，(e)是信號(hào)改變采樣率后提取的水印圖像，(f)是對(duì)信號(hào)采用MP3編碼標(biāo)準(zhǔn)，在80kb/s的比特率下進(jìn)行編碼，解碼后水印檢測(cè)結(jié)果。第66頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖6-13使用小波變換算法中的水印圖像第67頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.5其他類型的水印算法

6.5.1比特流水印前面介紹的音頻水印算法中，音頻載體嵌入水印后得到的輸出信號(hào)是未壓縮的音頻內(nèi)容。比特流水印系統(tǒng)完全工作在比特流域，輸入和輸出信號(hào)都是經(jīng)過(guò)壓縮編碼的音頻信號(hào)。圖6-14是基于比特流的水印嵌入方案框圖。第68頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖6-14基于比特流的水印嵌入方案框圖第69頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

6.5.2壓縮水印壓縮水印系統(tǒng)輸入的是未壓縮的音頻信號(hào)，輸出的是嵌入水印的音頻比特流。圖6-15是Siebenhaar等［19］提出的一種壓縮水印系統(tǒng)方案框圖。這一方案的優(yōu)點(diǎn)是在壓縮參數(shù)和水印參數(shù)之間可以實(shí)現(xiàn)最佳的匹配；可一步處理(同時(shí)實(shí)現(xiàn)音頻壓縮和水印嵌入)，聯(lián)合優(yōu)化；計(jì)算復(fù)雜度較低。第70頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖6-15壓縮水印系統(tǒng)方案框圖第71頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月為了對(duì)嵌入的水印信號(hào)的能量進(jìn)行更加精確的控制，可以采用分析合成法實(shí)現(xiàn)頻域加權(quán)過(guò)程，充分考慮量化模塊的影響。分析合成法在語(yǔ)音編碼(比如CELP)和感知音頻編碼(比如MP3和AAC)中有著廣泛的應(yīng)用。圖6-16是求取水印權(quán)重的分析合成迭代循環(huán)的示意圖。第72頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖6-16求取水印權(quán)重的分析合成迭代循環(huán)示意圖第73頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

6.5.3擾動(dòng)調(diào)制水印

1.量化索引調(diào)制擾動(dòng)調(diào)制是量化索引調(diào)制(QIM)的一種具體實(shí)現(xiàn)。QIM是基于一組量化器工作的，每一個(gè)樣值用哪種量化器進(jìn)行量化取決于嵌入信息，換句話說(shuō)就是用嵌入信息來(lái)調(diào)制量化器。量化索引調(diào)制的嵌入函數(shù)為：

s(x;m)≈x,m(6-26)第74頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖6-17量化索引調(diào)制原理圖第75頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖6-17是量化索引調(diào)制的原理圖。假定每樣點(diǎn)嵌入1比特信息，因此m∈{0,1，需要兩種量化器，圖中分別以實(shí)心和空心圓表示。第76頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月量化單元的大小和形狀決定了引入的量化誤差大小，即失真程度。各量化器之間的最小距離dmin決定了該系統(tǒng)的穩(wěn)健性。dmin定義為(6-27)第77頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2.擾動(dòng)調(diào)制為了易于實(shí)現(xiàn)，以擾動(dòng)量化器來(lái)實(shí)現(xiàn)QIM中的一組量化器。所謂擾動(dòng)量化器，即先給宿主信號(hào)加上隨機(jī)擾動(dòng)信號(hào)，然后再進(jìn)行線性量化。這種量化索引調(diào)制被稱為擾動(dòng)調(diào)制(DitherModulation)。擾動(dòng)調(diào)制中的擾動(dòng)量化器有兩種結(jié)構(gòu)可以選擇，即非減(或有偏)擾動(dòng)量化器：

Qdm(x;m)=q［

x+dm］(6-28)

和減性(無(wú)偏)擾動(dòng)量化器：

Qdm(x;m)=q［

x+dm］-dm(6-29)第78頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖6-18兩種擾動(dòng)量化器結(jié)構(gòu)圖第79頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

3.擾動(dòng)調(diào)制在音頻域中的實(shí)現(xiàn)不同于以往在空域中應(yīng)用擾動(dòng)調(diào)制對(duì)靜止圖像嵌入水印，這里結(jié)合人耳聽覺(jué)特性給出在頻域中進(jìn)行擾動(dòng)調(diào)制的數(shù)字音頻水印方案。取出2～4kHz頻段內(nèi)的DFT系數(shù)，計(jì)算相應(yīng)的幅度值序列A，設(shè)序列長(zhǎng)度為N。為了便于進(jìn)一步的處理，對(duì)序列A進(jìn)行歸一化處理，即將序列中每個(gè)元素都除以A中的最大值A(chǔ)max。

(6-30)第80頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

1)水印嵌入的步驟第一步：將水印信息轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)度為Nw的二進(jìn)制碼流。第二步：將宿主信號(hào)分為Nc個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)＝1/Rm的數(shù)據(jù)單元，每一數(shù)據(jù)單元嵌入1比特信息(0或1)。

2)水印提取的步驟本方案在水印提取時(shí)不需要用到原始音頻信號(hào)，因此是一種公有水印方案。第81頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.6音頻水印的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和攻擊

6.6.1IFPI水印穩(wěn)健性標(biāo)準(zhǔn)

IFPI(國(guó)際留聲機(jī)工業(yè)聯(lián)盟)在1997年對(duì)音頻水印技術(shù)提出的穩(wěn)健性要求，可以看作為該技術(shù)的最早標(biāo)準(zhǔn)。IFPI提出這一要求的目的是尋求一種能夠生成反盜版行為的證據(jù)，跟蹤傳播者和其他人對(duì)音頻媒體的使用，以及控制音頻記錄復(fù)制的標(biāo)記方案。它要求水印標(biāo)記滿足以下的要求：第82頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

(1)水印標(biāo)記不能影響唱片的聲音品質(zhì)。

(2)使用任何方法都不能刪除或改變嵌入的信息，除非聲音質(zhì)量差到不能用的地步。

(3)水印經(jīng)過(guò)以下變換之后必須能夠恢復(fù)：各種濾波和信號(hào)處理操作(包括兩個(gè)連續(xù)的D/A和A/D轉(zhuǎn)換)；穩(wěn)態(tài)壓縮或10%的時(shí)間擴(kuò)張；壓縮變換(比如圖像MPEG的數(shù)據(jù)壓縮和多頻帶非線性振幅壓縮)；添加加性或乘性噪聲；使用同一系統(tǒng)加入另一個(gè)標(biāo)記信號(hào)；使低音和中高音頻段產(chǎn)生群時(shí)延失真或高達(dá)15dB的頻率響應(yīng)失真；群時(shí)延失真和陷波濾波等。第83頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

(4)如果提供20dB或更高的信噪比，嵌入標(biāo)記的數(shù)據(jù)信道應(yīng)能在糾錯(cuò)之后還有20b/s的帶寬，且與信號(hào)的電平和類型(如古典音樂(lè)、流行樂(lè)或話音)無(wú)關(guān)。第84頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

6.6.2StirMark標(biāo)準(zhǔn)音頻水印攻擊

StirMark不僅在圖像水印攻擊方面進(jìn)行了研究，同樣對(duì)音頻水印技術(shù)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和攻擊也進(jìn)行了深入的研究。StirMark的目標(biāo)是通過(guò)第三方獲得對(duì)一種水印算法的評(píng)價(jià)；只有這樣才可以提供對(duì)水印評(píng)估問(wèn)題的客觀解決。這也是構(gòu)建下一代StirMark標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)。第85頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

·

簡(jiǎn)單化：為便于測(cè)試被廣泛地接受，對(duì)現(xiàn)有的水印庫(kù)，該服務(wù)有簡(jiǎn)單的界面(用戶只需提供三個(gè)必須的函數(shù))。

·

用戶定制：對(duì)每一種水印算法，StirMark試圖使用不同的評(píng)價(jià)描述，而不用對(duì)應(yīng)用工具進(jìn)行再編譯。

·

模塊化和測(cè)試選擇：在較大系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用水印算法以完成某項(xiàng)目的(如阻止非法拷貝和圖像交易)。第86頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

·

感知性：對(duì)由水印算法本身引入的失真量進(jìn)行定性估計(jì)。StirMark允許附加的或使用者自己定義的度量矩陣，廣泛使用的最簡(jiǎn)單度量是PSNR。

·

算法容量：可以隱藏的信息數(shù)量。在多數(shù)應(yīng)用中，它是系統(tǒng)穩(wěn)健性的約束，因而穩(wěn)健性測(cè)試可以在隨機(jī)給定有效載荷大小的情況下進(jìn)行測(cè)試。

·

穩(wěn)健性：通過(guò)測(cè)定水印的檢測(cè)概率或比特錯(cuò)誤概率來(lái)進(jìn)行評(píng)定。

·速度：它對(duì)應(yīng)用的類型(軟件應(yīng)用或硬件應(yīng)用)有很大依賴性。第87頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖6-19建立在一組音頻模塊之上的對(duì)CD

信號(hào)播放的攻擊(以有線傳輸為例)第88頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

1.StirMark音頻攻擊分類為評(píng)估水印算法的弱點(diǎn)，StirMark建立了一組基于修改的攻擊方法。根據(jù)攻擊模式，可以進(jìn)行以下的攻擊分類：動(dòng)態(tài)改變：修改音頻信號(hào)的響度級(jí)。增加或降低信號(hào)幅度是最基本的攻擊。濾波：濾波器濾除或增加選定部分的頻譜。第89頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月回響：最普通的效果是延時(shí)和混響，根據(jù)延時(shí)和混響效果品質(zhì)的不同，StirMark提供了許多參數(shù)。轉(zhuǎn)換：音頻信號(hào)經(jīng)常受到格式變化的影響。第90頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2.StirMark音頻攻擊測(cè)試測(cè)試的主要目的有兩個(gè)：找到可以破壞嵌入在音頻信號(hào)中水印的方法；在各種攻擊下音頻信號(hào)的品質(zhì)是否改變。根據(jù)測(cè)試目的，測(cè)試共包括三個(gè)階段：

(1)確定攻擊方式：使用音頻編輯軟件和自己的攻擊算法對(duì)音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。

(2)水印攻擊：根據(jù)步驟(1)中確定的攻擊方式對(duì)不同的水印算法進(jìn)行攻擊。第91頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

(3)主觀測(cè)試：使用雙盲三刺激(doubleblindtriplestimulustest)方法對(duì)前兩步中的最佳攻擊進(jìn)行多個(gè)對(duì)象的測(cè)試。第92頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月使用以下6個(gè)不同性質(zhì)的信號(hào)對(duì)攻擊進(jìn)行評(píng)估：·

“SerenadedesAbschieds”：高品質(zhì)記錄的一首詩(shī)的朗讀。·

“Menuetto”：莫扎特的古典音樂(lè)，由小提琴演奏，十分平緩。·

“I'mready”：流行音樂(lè)，含有觀眾噪聲?！?/p>

“Timein”：爵士樂(lè)，吉它演奏?！?/p>

“Endorphinmachin”：非常響的搖滾樂(lè)?！?/p>

“City”：城市中的錄音，含有卡車發(fā)動(dòng)的聲音。第93頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

1)動(dòng)態(tài)改變幅度壓縮：使用壓縮算法可以降低音頻信號(hào)中的信號(hào)強(qiáng)度范圍，使信號(hào)的峰值限制在一定范圍內(nèi)，而不產(chǎn)生失真。使用如下設(shè)置：攻擊時(shí)間為1ms，釋放時(shí)間為500ms，輸出增益為0dB，確定門限為-50dB，壓縮比率為1∶1.1。這是非常快而且?guī)缀趼牪坏降脑O(shè)置，對(duì)所有信號(hào)放大的改變大于門限值。第94頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2)濾波高通濾波：將選定門限之下的頻率成分抹去，試驗(yàn)中設(shè)定為50Hz。低通濾波：將選定門限之上的頻率成分抹去，試驗(yàn)中設(shè)定為1.5kHz。均衡：使用均衡器可以降低每個(gè)頻帶的能量，范圍是48dB。左右聲道分離：對(duì)立體聲聲道，一個(gè)聲道的頻率降低，相應(yīng)另一個(gè)聲道會(huì)增加。第95頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

3)回響延時(shí)：將原始信號(hào)的延時(shí)拷貝疊加到原始信號(hào)之上，用于對(duì)空曠空間的仿真。

4)轉(zhuǎn)換重采樣：改變信號(hào)的采樣率。典型的降低采樣頻率是在CD制作中從48kHz降到44.1kHz。

5)添加噪聲隨機(jī)噪聲：對(duì)信號(hào)添加隨機(jī)噪聲，通過(guò)與原始信號(hào)比較給出相應(yīng)的隨機(jī)噪聲的大小。第96頁(yè)，課件共108頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

6)調(diào)制和聲：使用不同的時(shí)延、調(diào)制強(qiáng)度和元音數(shù)量，對(duì)信號(hào)增