（信号与信息处理专业论文）一种基于音频的多重数字水印算法研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着网络技术的飞速发展，数字多媒体的存储、复制与传播变得 非常方便。人们可以通过互联网方便快捷地获得多媒体信息，还可以得到与原 始数据完全相同的复制品，因此对多媒体内容的版权保护与内容认证已成为亟 待解决的问题。数字水印技术在这种背景下产生，并得到了飞速地发展。数字 水印技术通过在被保护数字对象中嵌入某些秘密信息即水印( w a t e r m a r k i n g ) 来 证明版权归属或跟踪侵权行为。水印的嵌入不会影响原内容的价值和使用，且 不能被人感知、系统察觉和很难被清除。由于数字水印是实现版权保护和内容 认证的有效方法，因此己成为多媒体信息安全领域的一个研究热点。特别对鲁 棒性水印进行了广泛深入地研究，提出了许多好的算法，用以实现多媒体的版 权保护，相对来说，对实现多媒体内容完整性认证的脆弱水印研究要少一些， 把两者结合起来的多重数字水印研究就更少了。 本文提出的一种多重数字水印算法是基于数字音频内容的版权保护和内容 完整性认证功能的结合。多重水印被分为两个部分：鲁棒水印和脆弱水印，其 中鲁棒水印实现内容的版权保护；脆弱水印实现内容完整性认证。鲁棒水印嵌 入到线性移位寄存器基础上的离散余弦变换域，此方法利用了线性移位寄存器 和离散余弦变换的优点，使水印更加稳健。脆弱水印是利用最不重要位算法将 脆弱水印嵌入，实现音频内容完整性认证。仿真结果表明多重数字水印具有音 频内容版权保护和完整性认证的功能。多重水印算法在受到滤波、重新量化和 重采样等攻击时，其鲁棒性水印部分具有很好的稳健性，能够完成保护音频内 容版权的功能；脆弱水印部分则发挥其易损的特性，音频内容受到攻击即水印 被破坏，从而实现音频内容完整性认证的功能。将多重水印与单一数字水印进 行了实验比较，仿真实验结果表明，多重水印中的鲁棒水印会受到脆弱水印嵌 入和提取的影响，但是功能上依然能够很好地实现音频内容版权的保护。最后 论文提出一种基于d w t 和l s b 相结合的多重音频数字水印算法，将两者比较， 得出基于d c t 和l s b 相结合的多重音频数字水印算法在频域结合时域上的优 越性。 关键词：多重数字水印，版权保护，内容认证，线性移位寄存器，离散余 弦变换 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，丽n lt h ed e v e l o p m e n ta tf u l ls p e e do ft h en 咖o r kt e c h n o l o g y ， t h es t o r a g ea n dc o p yo ft h ed i g i t a lm u l t i m e d i ab e c o m ev e r yc o n v e n i e n t p e o p l ec a n o b t a i ni n f o r m a t i o no fm u l t i m e d i ac o n v e n i e n t l y t h r o u g hi n t c m e t , w h i c hm a y i n f l u e n c et h em u l t i m e d i ac o p y r i g h tp r o t e c t i o na n de c o n o m i cb e n e f i t so ft h ea u t h o 娼 t h e r e f o r e , m u l t i m e d i ac o p y r i g h tp r o t e c t i o na n dc o n t e n ta u t h e n t i c a t i o nh a v eb e c o m e s e r i o u sp r o b l e m st h a tn e e dt ob es o l v e du r g e n t l y d i 西t a lw a t e r m a r k i n gi sd e v e l o p e d t or e s o l v et h e s ep r o b l e m s d i g l t a lw a t e r m a r k i n gp r o t e c t st h ec o p y r i g h ta n dc o n t e n t a u t h e n t i c a t i o nb ye m b e d d i n gs o m es e c r e ti n f o r m a t i o n , w h i c hi sc a l l e dw a t e r m a r k i n g t h ee x i s t e n c eo ft h ew a t e r m a r k i n gi nt h ed i g i t a lp r o d u c t ss h o u l dn o ti n f l u e n c et h e q u a l i t yo ft h eo r i g i n a ld i g i t a lp r o d u c to b v i o u s l ya n di t i sd i f f i c u l tt or e l l l o v et h e w a t e r m a r k i n g t h e r ea r em a n yp a p e r sa b o u tr o b u s td i g i t a lw a t e r m a r k i n g , b u tp a p e r s a b o u tf r a g i l ed i g i t a lw a t e r m a r k i n ga r ef e w e r t h u s ，t h er e s e a r c ho fm u l 6 p l ed i g i t a l w a t c n n a r k i n gi su s u a l l yi g n o r m i nt h i sp a p e r , ak i n d o fm u l t i p l ed i g i t a lw a t e r m a r ka l g o r i t h mi sp r o v i d e d , w h i c h c a nb ea p p l i e dt oc o p y r i g h tp r o t e c t i o na n dc o n t e n ta u t h e n t i c a t i o na tt h es a m et i m e t h em u l t i p l ew a t e r m a r k i n gi sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：r o b u s tw a t e r m a r ka n df r a g i l e w a t e r m a r k t h er o b u s tw a t e r m a r ki su s e dt op r o v i d et h ec o p y r i g h tp r o t e c t i o no f a u d i o ；t h ef r a g i l ew a t e r m a r ki s u s e df o ra u t h e n t i c a t i o no ft h ec o n t e n lt h e e m b e d d i n go fr o b u s tw a t e r m a r ki sb a s e do nl i n e a rs h i f tr e g i s t e ra n dd i s c r e t ec o s i n e t r a n s f o n n s i n c et h i sa l g o r i t h mc o m b i n e st h em e r i t so ft w ot r a n s f o r m s ，i tc a ng e t b e t t e rp e r f o r m a n c e t h ee m b e d d i n go ff r a g i l ew a t e r m a r ki sb a s e do nl e a s ts i g n i f i c a n t b i t a l g o r i t h m t h i st r a n s f o r mc o m p l e t e st h ea u t h e n t i c a t i o no ft h ec o n t e n t t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sk i n do fm u l t i p l ed i g i t a lw a t e r m a r k i n gp r o v i d e s c o p y r i g h tp r o t e c t i o na sw e l l 弱c o n t e n ta u t h e n t i c a t i o n ，a n di ta l s op e r f o r mw e l lu n d e r t h ea t t a c k s ，s u c ha sf i l t e r i n g , r e , - q u a n t i z a t i o n , r e s a m p l e c o m p a r i n gm u l t i p l e w a t e r m a r k 丽t l las i n g l ed i 百t a lw a t e r m a r k , t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t m u l t i p l ew a t e r m a r k si nr o b u s tw a t e r m a r kw i l lb ev u l n e r a b l ea g a i n s tt h ei m p a c to f i i 武汉理工大学硕士学位论文 w a t e r m a r ke m b e d d i n g , b u tt h ef u n c t i o ns t i l lb ea b l et oa c h i e v eo na u d i oc o n t e n t c o p y r i g h tp r o t e c t i o nf u n c t i o n f i n a l l y , p a p e rp r e s e n t sad 、胛a n dl s bb a s e do na c o m b i n a t i o no fm u l t i p l ea u d i od i g i t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m , a f t e rt h ec o m p a r i s o n , t h ed c ta n dt h el s b b a s e dc o m b i n a t i o no fm u l t i p l ea u d i od i g i t a lw a t e r m a r k i n g a l g o r i t h mi nt h ef r e q u e n c yd o m a i nc o m b i n e d 、斩mt h et i m ed o m a i ni st h e a d v a n t a g e o u s k e y w o r d s ：m u l t i p l ed i g i t a lw a t e r m a r k i n g , c o p y r i g h tp r o t e c t i o n , c o n t e n t a u t h e n t i c a t i o n , l i n e a rs h i f tr e g i s t e r , d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作tn 确的说明并表示了谢意。 橼辫日期：趔 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：蝤导师签名： l 纬一 日期：2 壁盟! 至之7 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 2 0 世纪9 0 年代，随着计算机、网络和通信技术的飞速发展，特别是因特 网的普及，信息的安全保护问题日益突出。多媒体作品( 图像、视频、声频等) 传播的范围和速度突飞猛进，但同时盗版的现象也愈演愈烈，于是保护数字音 像产品的版权，维护创作者的合法利益，成为关系文化市场繁荣的重大课题。 数字水印技术( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 正是在这个背景下诞生的，它是一种新的信 息隐藏技术，它的基本思想是在数字图像、音频和视频等作品中嵌入秘密的信 息( 即水印) 以便保护数字产品的版权。根据使用场合的不同，水印可分为3 类：可见水印；不可见一脆弱水印；不可见一稳健水印。基于版权保护的数字 水印即属于后一类水印，它要具有隐形性，水印在嵌入后不应引起被保护作品 明显的质量退化，如音频上的水印不应干扰音频的听觉欣赏效果；具有较强的 稳健性，能够经受一般信号处理、几何变换以及恶意攻击，使得版权信息最终 仍然能够被提取出来；具有确定性，数字水印所携带的版权信息能够被唯一确 定地鉴别。基于内容保护的数字水印即属于不可见一脆弱水印，它要具有隐形 性，水印在嵌入后不应引起被保护作品明显的质量退化，对一般攻击具有脆弱 性，当音频信号被篡改时，系统能够很容易体现出来。因此，基于音频内容版 权的保护和内容的认证具有很重要的实际意义，本文研究的内容正是基于这一 背景展开的。 1 2 数字水印的国内外发展现状 1 9 9 4 年在一次国际重要学术会议上由t i r k e l 等人发表了题目为。a d i g i t a l w a t e r m a r k 的第一篇有关数字水印的文章，当时他们已经意识到了数字水印的 重要性，提出了数字水印的概念及可能的应用，并针对灰度图像提出了两种向 图像最低有效位【1 1 中嵌入水印的算法。1 9 9 6 年在英国剑桥牛顿研究所召开了第一 届国际信息隐藏学术研讨会，标志着信息隐藏学【2 】的诞生，而作为信息隐藏学主 武汉理工大学硕士学位论文 要分支之一的数字水印技术【3 】的研究也得到了迅速的发展。至1 1 9 9 9 年第三届国际 信息隐藏学术研讨会，数字水印成为主旋律，全部3 3 篇文章中有1 8 篇是关于数 字水印的研究。 近年来，音频水印的研究工作发展速度很快，大多数文献都将音频水印算 法分为两类：一类是时域算法，一类是变换域算法。最早关于音频水印技术的 研究始于1 9 9 0 年，由b e n d e r 等提出了l s b 编码f 4 1 、回声编码【5 】、扩颇编码f 6 】和相 位编码【7 】等四种时域算法，b o n e y 等将c o x 方案【8 1 应用到音频信号中，取得了很好 的实验结果。其后，又有研究者对上述几种算法进行了改进与完善，但现有技 术离真正有效保护知识产权的目标仍有很大距离。 目前，国内外对于音频水印投入了大量的研究工作，且提出了许多关于音 频数字水印的算法，但是绝大多数关于音频水印的文献的研究集中在提高数字 水印的鲁棒性和不可听性上。目前国内外多重水印的算法研究主要集中在基于 图像的研究上，在音频信号中实现鲁棒水印和脆弱水印同时嵌入的多重水印算 法研究鲜有报道。脆弱水印主要用于音频内容的认证，它可以精确检测出媒体 信号在传输或传播过程中是否被篡改，当加载有这种水印的宿主信号在传输过 程中经历了线性或非线性变换后，则其上加载的水印信号就会被破坏。因此脆 弱水印非常适合用于信号内容的认证，鲁棒水印主要用于音频的版权保护。因 此，对于基于数字音频的多重水印算法的研究具有较为广泛的意义。 1 3 本文所做的主要工作 本文提出一种多重数字水印算法，其重点是依据数字水印的脆弱性和良好 鲁棒性的特性，实现音频内容完整性认证和版权保护的目的。多重数字水印具 有不同特性的子水印，利用不同的水印算法把不同性质的子水印加入音频，得 到可以保护其内容版权和内容完整认证数字音频。版权所有者和消费者可以依 据水印脆弱部分有无破损判断音频是否受到攻击，经过简单的操作演示来判断 作品的真伪，还可以根据良好鲁棒性部分来确定作品的版权所有者。本文提出 的一种多重数字水印算法，是在前人的基础上，嵌入鲁棒子水印时结合离散余 弦变换优点使鲁棒子水印具有更好的稳健性；嵌入脆弱子水印使用最低有效位 算法完成完整性认证。水印嵌入按鲁棒性从强到弱顺序，减小水印加入过程中 自身对水印的影响。水印的提取过程则和加入相反，先从脆弱性水印开始提取， 2 武汉理工大学硕士学位论文 这是由水印的特点和加入水印的算法所决定的。最后是对加水印音频进行仿真 实验，以检查多重水印成功与否，并附上各种实验的数据，图表和得出的结论。 论文共分五章，主要内容概要如下。 第l 章介绍了课题的研究背景以及目前国内外的研究现状等基本问题，同 时分析和提出了本文的主要研究工作。 第2 章研究了数字水印的主要研究领域和发展方向以及数字水印的数学模 型和常用算法。介绍了数字水印的原理及要求，对数字水印技术进行回顾与分 类总结，对比、分析现有的音频水印算法与技术，建立音频数字水印技术相关 理论的知识框架。 第3 章提出一种基于d c t 和l s b 相结合的多重音频数字水印算法。结合 上面的相关理论知识，综合考虑鲁棒水印和脆弱水印对信号处理的影响，采用 不同的嵌入方法分别具有不同稳健型的特点，给出了一种基于d c t 和相结合的 多重数字音频水印算法。并给出了该算法相关实验结果和分析，对算法在各种 攻击条件下的鲁棒性和脆弱性进行了实验，将多重水印与单一水印进行了比较。 第4 章提出一种基于d w t 和l s b 相结合的多重音频数字水印算法，对具 体算法进行了研究，并进行了仿真实验，并且与基于d c t 与l s b 相结合的多 重数字水印算法相比较，证明了基于d c t 和l s b 相结合的多重数字水印算法 的优越性。 第5 章对全文进行总结，并提出进一步的研究方向。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章多重数字水印 2 1 数字水印技术简介 数字水印技术( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) - - 种信息隐藏技术，它的基本思想是数 字图像、音频和视频等数字产品中嵌入秘密信息，以保护数字产品的版权、证 明产品的真实可靠性、跟踪盗版行为或者提供产品的附加信息。其中秘密信息 可以是版权标志、用户序列号或者产品的相关信息。一般地，它需要经过适当 变换，再嵌入到数字产品中。通常称变换后秘密信息为数字水印( d i 西t a l w a t e r m a r k i n g ) 。数字水印按载体不同可分为：数字音频和语音水印技术、数字 图像水印技术、文档水印技术、数字视频水印技术等。 数字水印一般具有以下特性： 感知透明性( i n v i s i b i l i t y ) ：利用人类视觉和听觉的特性，经过一系列隐藏处 理，使带水印的作品与原先的作品在品质上没有明显的差异，不影响其欣赏性。 不可检测性( u n d e t c c t a b i l i t y ) ：水印作品和普通作品在统计噪音分布上不存在 区别，使非法拦截者无法判断是否有隐蔽信息，攻击者无法用统计学方法确定 水印的位置。 鲁棒性( r o b u s m e s s ) 经过一些处理，多媒体数据发生一定程度的变化后， 版权所有者仍然可以证明水印的存在。 对含水印音频作品的任何信号处理操作都有可能擦除已经嵌入的水印，另 外，随着音频信号处理工具在因特网上的普及，一个没有任何音频信号处理操 作知识的人都有能力使用音频信号处理工具实施相应攻击。根据音频信号处理 知识，可以将含水印作品可能受到的信号处理操作【9 j 分为：动态范围改变、滤 波、改变数字音频效果、格式变化、有损压缩、添加噪声、时域拉伸、基音改 变和样本置乱。 除此之外，对于数字水印系统的鲁棒性进行评价，必须结合其应用背景。 通常，水印必须能够经得起如前所述常见的信号处理。在许多应用中，要求水 印算法对所有可能的处理都具有鲁棒性是没有必要的。因为应用领域不同，对 于数字水印鲁棒性的要求也不同，使用一个标准来评价应用于不同领域的水印 4 武汉理工大学硕士学位论文 算法是不恰当的。因此，针对不同的应用，水印算法鲁棒性的衡量就应采用不 同的准则。 2 2 数字水印的主要研究领域和发展方向 2 2 1 数字水印的主要研究领域 数字水印的提出是为了保护版权，然而随着其不断的发展，人们已经发现 了它的更多更广泛的应用。当前，数字水印的应用【i o 】大体可分为版权保护、数 字指纹、认证和完整性校验、内容标识和隐藏标识、使用控制、内容保护和安 全不可见通信等几方面，具体内容如下。 版权保护：当数字水印应用于版权保护时，其潜在的应用市场有：电子商 务、在线( 或离线) 分发多媒体内容以及大规模的广播服务。潜在的用户则有： 数字产品的创造者和提供者、电子商务和图像软件的供应商、数字图像、视频 摄录机、数字照相机和d v d 的制造者等。数字作品的所有者可用密钥产生一 个水印，并将其嵌入原始数据，然后公开发布他的水印版本作品。当该作品被 盗版或出现版权纠纷时，所有者即可利用数字水印技术从盗版作品或水印版权 作品中获取水印信号作为依据，从而保护所有者的权益。 数字指纹：为了避免数字产品被非法复制和散发，作者可将每个产品序列 号或不同d 作为的水印( 数字指纹) 分别嵌入合法的拷贝中。如果发现了未经 授权的拷贝，则通过检索指纹来追踪其来源。在此类应用中，水印必须是不可 见的，而且能抵抗恶意的擦除、伪造以及合谋攻击等。 认证和完整性校验：在许多应用中，需要验证数字内容未被修改或假冒。 尽管数字产品的认证可通过传统的密码技术来完成，但利用数字水印来进行认 证和完整性校验的优点在于认证同内容是密不可分的，因此简化了处理过程。 当对插入了水印的数字内容进行检验时，必须用惟的与数据内容相关的密钥 提取出水印，然后通过检验提取出的水印完整性来检验数字内容的完整性。数 字水印在认证方面的应用主要集中在电子商务和多媒体产品分发至终端用户等 领域。如数字作品被用于法庭、医学、新闻及商业时，常需确定它们的内容是 否被修改、伪造或特殊处理过。为实现该目的，通常可将原始图像分成多个独 立块，再将每个块嵌入不同的水印。同时可通过检测每个数据块中的水印信号， 5 武汉理工大学硕士学位论文 来确定作品的完整性。与其他水印不同的是，这类水印必须是脆弱的，并且检 测水印信号时，不需要原始数据。 内容标识和隐藏标识：此类应用中，插入的水印信息构成一个注释，提供 有关数字产品内容的进一步信息。数字水印可用于隐藏标识和标签，可在医学、 制图、多媒体索引和基于内容的检索等领域得到应用。 使用控制：在特定的应用系统中，多媒体内容需要特殊的硬件来拷贝和观 看使用，插入水印来标识允许的拷贝数，每拷贝一份，进行拷贝的硬件会修改 水印内容，将允许的拷贝数目减一，以防止大规模的盗版。 内容保护：在一些特定应用中，数字产品的所有者可能会希望要出售的数 字产品能被公开自由地预览，以尽可能多地招徕潜在的顾客，但也需要防止这 些预览的内容被他人用于商业目的，因此，这些预览内容被自动加上可见的但 同样难以除去的水印。对水印技术的要求是随着应用的不同而不同，针对不同 的应用，采用的技术也不一样。一个水印方案很难满足所有应用的所有要求， 因此，数字水印算法往往是针对某类应用而设计的。 2 2 2 数字水印的主要发展方向 今后数字水印技术的研究将侧重于完善数字水印理论，提高数字水印算法 的稳健性、安全性，研究其在实际网络中的应用，建立相关标准等。数字水印 在理论方面的工作包括建立更好的模型，分析各种媒体中隐藏水印信息的理论 容量，分析算法稳健性和抗攻击等性能。同时，也应重视对水印攻击方法的研 究，这有利于促进研制更好的数字水印算法。研究稳健性更好的水印算法仍是 数字水印的重点发展方向，但在提高算法稳健性的同时应当结合人类视觉特点 和听觉特点，以保持较好的透明性及有较大的信息容量。另外，应注意自适应 思想以及一些新的信号处理算法在水印算法中的应用，如分形编码【1 1 1 、混沌编 码【1 2 】等。 数字水印应用中安全性自然是很重要的要求，但水印算法的安全性不能靠 算法的保密而得到，这正如密码算法一样。研制更安全的数字水印算法仍是水 印研究的重点之一。此外，应根据不同的数字产品内容分等级插入水印，即对 较重要的内容和对安全性要求高的内容插入强度大、安全性好的水印，而对不 6 武汉理工大学硕士学位论文 太重要的内容和对安全性要求不高的内容插入强度小安全性一般的水印，以适 应实际应用的要求，这种分安全等级的水印方案有助于提高效率，也间接增强 了水印的安全性。 从实际应用的观点看，数字水印的研究的重点是以下方向：对于实际网络 环境下的数字水印应用，应重点研究水印的网络快速自动验证技术，这需要结 合计算机网络技术和认证技术；研究动态水印或具有交互性质的数字水印技术， 可以修改水印内容或者通过水印来实现某些控制，如读取、拷贝。这要求水印 中有可执行内容，在网络环境中可以通过在水印中加入j a v a 模块或含有特定的 u r l 等方法来实现。应该注意到，数字水印要得到更广泛的应用必须建立一系 列的标准或协议，如加载或插入水印的标准、提取或检测水印的标准、水印认 证的标准等都是急需的，因为不同的水印算法如果不具备兼容性，显然不利于 推广水印的应用。同时，需要建立一些测试标准，如s t i rm a r k 几乎已成为事实 上的测试标准软件，以衡量水印的稳健性和抗攻击能力。这些标准的建立将会 大大促进数字水印技术的应用和发展。 在网络的信息技术及电子商务迅速发展的今天，水印技术的研究更具有重 要意义。数字水印技术将对保护各种形式的数字产品起到重要作用，但必须认 识到数字水印技术并非是万能的，必须配合密码学技术及认证技术、数字签名 等技术一起使用。一个实用的数字水印方案必须有这些技术的配合才能抵抗各 种攻击，构成完整的数字产品版权保护的解决方案。 毫无疑问，数字水印技术将对保护各种形式的数字产品内容起到重要作用， 因此，尽管该领域还是个相对年轻的领域，但它已经吸引了众多的研究者。由 此可见，对数字水印攻击方法和水印算法设计的研究将有利于更好的水印方案 的出现和更成功的数字水印应用。 2 3 数字水印的数学模型和常见算法 2 3 1 数字水印的数学模型 通用的数字水印算法【1 3 】包括2 个基本过程：水印的嵌入( 印曲e d d i i l 曲和水 印的检测或提取( r e c o v e r y ) 。水印可由多种模型构成，如随机数字序列、数字标 识、文本及图像等。水印嵌入即将水印数据通过某种算法( 空域或变换域) 对 7 武汉理工大学硕士学位论文 原始信号进行修改，完成将水印信号加入原始数据中，如图2 1 所示。设，为 原始数字音频，形为水印信号，密钥为鬈，l 为加水印后的音频。水印的嵌 入过程可定义为一种映射：i 形l _ l 。如果用函数形式表达，可以表 示为：l = e ( i ，k ，矿) ，其中e 为编码函数。如果水印所有者不希望水 印被其他人知道，那么函数e 应该是非可逆的。这是将水印技术与加密算法结 合起来的一个通用方法，目的是为了提高水印的可靠性、安全性和通用性。 图2 1 水印的嵌入 水印信号的检测模型如图2 2 ，用以判断某一数据中是否含有指定的水印信 号。水印检测即从含水印的原始音频中恢复水印数据，或者判定水印是否存在。 水印检测是水印算法中最重要的步骤。检测过程的输出可以是恢复的水印， 也可以是某种置信度测量。置信度表示已知水印在所观察音频中出现的可能性 有多大。检测器的输出结果可以作为版权保护的潜在证据，这要求水印的检测 过程和算法应完全公开。 图2 2 水印的提取 频域法检测水印的原理是将原始信号与待检测信号同时进行变换域变换， 比较两者的区别，进行嵌入水印的逆运算，得出水印信息。如果是有物理意义 的水印，那么就此结束，如果是无物理意义的水印，如高斯噪声，就将得出的 水印与已知水印作比较，由相关性判断，待检测信号含不含水印，故水印的检 武汉理工大学硕士学位论文 测有两个结束点。 2 3 2 数字水印的常见算法 数字水印算法一般可分为：空域法【m 、变换域法【1 5 1 、分形域水印算法【1 6 1 和压缩域法【1 7 】等。它们的水印嵌入算法不同，各有其缺点。 ( 1 ) 空域算法 空域算法是指将水印信息直接嵌入到多媒体原始载体的数据中，即在媒体 信号空间域上实现水印嵌入。最不重要位方法( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ，l s b ) 是一 种最简单的嵌入方法。任何形式的秘密信息都可以转换成一串二进制码流，音 频文件的每一个采样数据也是用二进制数来表示。这样，可以将每一个采样值 的最不重要位( 多数情况下为最低位) ，用代表秘密信息的二进制位替换，以达 。 到在音频信号中嵌入秘密信息的目的。 ( 2 ) 变换域算法 变换域算法是指将水印信息嵌入到原始载体变换域系数中。该类算法中， 大部分水印算法采用了扩展频谱通信( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) 技术。 变换域有能量分布集中的特点，有利于保证水印的不可见性，因此目前的大部 分水印算法是在变换域中实现的。变换域算法主要有：离散傅立叶变换( d f t ) 、 离散余弦变换( d c t ) 、离散小波变换( d w d 和分形域水印算法等。 1 ) d f t 域的算法 傅立叶变换是一种经典而有效的数学工具，d f t 域的算法有利于实现水印 的仿射不变性，且可利用变换后的相位信息嵌入水印。o r u a n a i d h 提出了两种 d f t 域的水印算法。一种算法是将水印嵌入到d f t 系数的相位信息中，另外一 + 种算法实现了水印的平移、旋转和尺度拉伸不变性。 2 ) d c t 域的算法 d c t 域水印因其计算量较小，且与国际数据压缩标准( j p e g 、m p e g 、 h 2 6 1 2 6 3 ) 兼容，便于在压缩域中实现，是目前研究最多的一种数字水印。其主 要思想是在图像的d c t 变换域上选择中低频系数叠加水印信息。e k o c h 和 j z h a o 首先利用d c t 分解设计水印算法。他们不是把水印加载到整幅图像上， 而是随机地选取图像的一些区域加以改动以嵌入水印。c o x 的实现方案中，一 系列类似高斯白噪声数字水印数据，被嵌入到宿主图像离散余弦变换( d c t ) 系 数中。h s u 和w u 对c o x 的方案进行了改进，把图像进行5 * 5d c t ，然后将一 9 武汉理工大学硕士学位论文 个二进制序列作为水印放入d c t 中频频带。b a m i 等人则计算整个图像d c t ， 把一个实数序列嵌入d c t 的中频系数中。 3 1 d w t 域的算法 由于m p e g - 4 及j p e g 2 0 0 0 压缩标准的公布，基于小波域的水印算法也越 来越多。d e e p a 和d i m i t r i o s 对签名矩阵作小波变换后叠加到原始图像的小波变 换系数上，水印强度由图像空间频率的对比度决定。x g x i a 等提出的塔式水印 对宿主图像作多层小波变换并在每一层小波变换系数上加入水印。w a n g 等人搜 索图像中感知性强的系数所对应的小波系数并用于嵌入水印。 ( 3 ) 分形域水印算法 基于图像分形压缩的分形水印是由p u a t e 和j o r d a n 首先提出的。令要嵌入 的信息为b ，b ( o ，1 ) ，在图像中随机选取一区域块，将它分成两个相等的子区 域块，给每一个子块分配1 个比特，然后进行搜索，将子块中含有相应比特值 的区域块进行编码。在恢复过程中，先对含水印图像作分形压缩，然后进行全 局搜索，被标记块的位置包含了嵌入信息。实验表明，这种水印可以有效抵抗 j p e g 压缩，当j p e g 压缩质量为5 0 时，依然可以检测出水印。缺点是计算 量大，速度慢，这主要是由分形压缩导致的。d a v e r 和s c o t t 提出了一种类似的 水印算法，所不同的是他们并不对整幅图像编码，而仅对用户指定的区域编码。 给定两个区域，利用p u a t e 等人所建议的方法嵌入水印，这样大大缩短了计算 时间，这一思想后来被b a s 等人引入到d c t 域水印算法中。 “) 压缩域算法 压缩域算法广义上是指充分考虑j p e g 、m p e g 和v q 技术的结构和特性， 将水印嵌入到压缩过程的变量值域中，以提高对应压缩技术或压缩标准攻击的 鲁棒性为目标的嵌入算法。除以上方法分类外还可以分为： n e c 算法：该算法由n e c 实验室的c o x 等人提出，该算法在数字水印算 法中占有重要地位，其实现方法是，首先以密钥为种子来产生伪随机序列，该 序列具有高斯n ( 0 ，1 ) 分布，密钥一般由作者的标识码和图像的哈希值组成， 其次对图像做d c t 变换，最后用伪随机高斯序列来调制( 叠加) 该图像除直流 ( d c ) 分量外的1 0 0 0 个最大的d c t 系数。该算法具有较强的鲁棒性、安全性、 透明性等。由于采用特殊的密钥，增强水印鲁棒性和抗攻击算法，即水印信号 应该嵌入原数据中对人感觉最重要的部分，这种水印信号由独立同分布随机实 数序列构成，且该实数序列应该具有高斯分布n o ，1 ) 的特征。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 生理模型算法：人的生理模型包括人类视觉系统h v s ( h u m a nv i s u a l s y s t e m ) 和人类听觉系统h a s 。该模型不仅被多媒体数据压缩系统利用，同样 可以供数字水印系统利用。利用视觉模型的基本思想利用从视觉模型导出 j n d ( j u s tn o t i c e a b l ed i f f e r e n c e ) 描述来确定在图像的各个部分所能容忍的数字 水印信号的最大强度，从而能避免破坏视觉质量。也就是说，利用视觉模型来 确定与图像相关的调制掩模，然后再利用其来插入水印。这一方法同时具有好 的透明性和强健性。 2 4 多重数字水印的分类 从2 0 世纪9 0 年代初提出数字水印技术到现在1 8 ，1 9 年的时间，全世界范 围内这一领域的研究活动蓬勃发展，工业界对数字水印技术的关注也在不断增 加。对数字水印研究兴趣的突然增长很可能源于人们对版权保护问题的关注。 近年来，人们版权意识不断增强，数字作品的所有者在保护自己作品，维 护自己合法利益上不遗余力，在加强宣传的同时与科研单位合作开发了许多更 新、更有效的数字水印技术来保护自己的作品。消费者的版权意识也有很大的 提高，购买时更加注重数字产品的合法性。数字产品是否用别人的产品处理获 得的，内容是否完整等等，都是消费者进入了消费者考虑的范畴。购买正版数 字产品逐渐成为人们的消费理念，这就给多重数字水印技术的产生和发展提供 了良好的现实基础。多重数字水印是指在同一数字产品中嵌入不同性质的子水 印，达到不同的目的，不同子水印构成多重水印。如数字音频多重水印可以看 成在数字音频中同时嵌入一个脆弱子水印和一个鲁棒性子水印，前者可以用于 篡改提示，后者用于版权保护。本文就是基于这种思想来实现多重数字水印的 嵌入的。 具有不同特性( 如：脆弱性、半脆弱性、鲁棒性) 的多重数字水印满足了 版权所有者和消费者的需求，具有内容版权保护和完整性认证功能。本文实现 对数字音频的版权保护和完整性认证的多重数字水印是在对数字音频进行一系 列操作处理上实现的，就有必须对数字音频信号的特点和感知特性有所了解。 按照水印的嵌入的方式方法不同可以大致分为：变换域、空域结合变换域 【博】、v q 域【1 9 1 。其嵌入的方式方法在考虑单一嵌入优缺点的同时还要把它们有 机的结合起来，有时不得不牺牲某种性质水印的优点以谋求整体的最佳，所以 武汉理工大学硕士学位论文 说多重数字水印决不是简单的两个或几个不同性质水印加入，而是在综合考虑 整个系统的最佳。 2 4 1 变换域多重数字水印 近年来的水印文献大都集中在变换域，主要通过修改载体的变换域系数来 实现水印的嵌入过程。在变换域算法中，数字载体首先进行一种特定的正交变 换，该变换可以针对整个载体( 如整段音频) 或者载体的各个部分( 如对音频 进行分段) 。变换域水印嵌入算法的主要优点是：物理意义清晰；可充分利用人 类的感知特性；不可见性和鲁棒性好；与压缩标准兼容。文献中已有的各种变 换域数字水印技术，主要包括离散余弦变换( d c t ) 域、离散小波变换( d w t ) 域、 离散傅立叶变换( d f t ) 、离散分数傅立叶变换域、哈德码变换域、f r e s n e l 变换 域、矢量变换域、k l t 变换域、g a b o r 变换域、z e r n i k e 变换域等。其中，d c t 域、d w t 域和d f t 域比较常见：离散余弦变换( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o 啪， d c t ) 是数字信号处理技术中常用的线性变换之一，和傅立叶变换一样，也存 在着快速算法。 2 4 2 空域结合变换域多重数字水印 空域算法相对简单，实时性强，人们早期的水印研究基本上是基于空域的。 空域算法在鲁棒性上不如变换域算法和压缩算法，在版权保护中不能满足强鲁 棒性的要求，人们研究时空域算法多用于内容认证或篡改提示。结合变换域鲁 棒性的特性可以满足多重水印算法的要求。 2 4 3v q 域多重数字水印 基于两级v q 技术来嵌入脆弱水印和鲁棒水印，提出了一种新颖的多重水 印算法。在矢量量化第一级内，利用邻近索引的特征参数，如均值或方差，嵌 入一个水印，因为受到攻击之后水印索引的变化非常大，但其邻近索引的特征 参数相对稳定，从而使得该水印具有很强的鲁棒性；在第二级内，利用索引受 限技术嵌入另外一个水印，含水印索引的任何变化都将导致提取出来的水印与 原始水印产生差异，从而体现脆弱性。文献提出了一种基于d c t 和v q 相结合 的同时嵌入鲁棒性水印和脆弱水印以实现版权保护和内容鉴别双重功能的数字 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图像水印算法，其中对于鲁棒性水印和脆弱水印啄分别通过码字标记技术 和索引受限技术嵌入。 2 5 多重数字水印的生成 在嵌入水印之前，先介绍多重数字水印的生成。嵌入有意义的数字水印是 近年来图像水印技术的热门话题，并有可能成为未来音频水印技术研究的一个 重要方向。利用随机序列作为水印，对一些应用是合适的。然而，在另一些应 用场合，对嵌入音频的信息可能会有更高的要求。如帆等所分析，由随机 序列构成的水印作为所有权识别时，有时会存在不确定性问题，在许多场合， 要求嵌入数字音频的信息是有物理意义的或可视的，如有意义的文字串( 所有 者姓名、地址、标志等) 或者一个二值图像( 商标，印鉴等) 。这种有意义的水 印与伪随机噪声相比，具有优点是不言而喻的。与嵌入伪随机噪声序列不同， 嵌入有意义的水印带来一些新的问题： ( 1 ) 水印检测需要极高的正确率。当水印为有意义的文字串时哪怕l 比特 的错误，都会影响到整个水印的效果。因此，对有意义的可读水印，要求足够 低( 甚至为零) 的检测错误概率。由于嵌入水印图像存在因信号处理和噪声干 扰引起失真的可能性，这给水印的嵌入和检测带来许多问题。 ( 2 ) 有意义水印通常具有一定的数据量。在主音频长度一定的情况下，为 满足不可见性，嵌入过程更加困难。 ( 3 ) 当水印为有意义的文字串时，仍然需要保留伪随机序列的一些优点， 如随机性、秘密性等，以防止人为攻击。通常，在保证不可见性的前提下，可 嵌入图像信息依赖与以下几个方面： 1 ) 音频的长度。这个因素是显然的，音频长度越大，可嵌入的信息越多。 2 ) 嵌入对策。在空域还是频域嵌入水印、在哪些分量嵌入、嵌入强度多大 都直接影响可允许嵌入的信息量。 3 ) 噪声强度嵌入水印的音频可能遭遇信号处理或噪声干扰而导致失真。不 论何种情况，均可视为在水印音频上迭加噪声。为了使嵌入的信号能被正确检 测，噪声越强，允许嵌入的信号量越小。 在实际应用中，本文所加入的鲁棒水印和脆弱水印分别为随机序列和灰度 图像。 武汉理工大学硕士学位论文 2 6 数字音频信号特点及感知特性 由于本文提出的算法是基于数字音频的，就必须对音频信号的特点及感知 特性四】进行研究。 ( 1 ) 音频信号的数字化 声音是携带信息的极其重要的媒体。声音的种类繁多，如人类的话音、乐 器发出的声音、机器产生的声音以及自然界中存在的各种声音。这些声音既有 许多共同特征，又有各自的特性。从物理学的角度看，声音是通过空气传播的 一种连续的波，叫声波，声音的强弱体现在声波压力的大小上，音调的高低体 现在声音的频率上。对声音信号的分析表明，声音信号成为分量信号，声音信 号的一个重要参数就是带宽，它用来描述组成复合信号的频率范围，如高