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基于小波变换的音频数字水印研究 基于小波变换的音频数字水印研究 中文摘要 数字水印技术是解决数字产品知识产权问题的一种重要手段，是信息隐藏研究领 域的一个重要分支，其基本思想是在不影响原作品的使用价值的情况下，在数字多媒 体产品中嵌入秘密信息，以便保护数字产品的版权，证明产品的真实可靠性或者提供 产品的一些附加信息。 随着m p 3 等音频压缩标准的广泛应用，对音频数字产品的版权保护显得越来越 重要，音频数字水印也必将成为热点研究课题之一。本文主要针对基于小波变换的音 频数字水印技术进行研究。文中首先阐述了数字水印技术的基本原理、研究现状以及 一些音频水印的典型算法，然后重点研究了几种小波变换域的数字音频水印算法，提 出了一种基于自适应量化的音频鲁棒水印和一种音频公开脆弱水印，最后结合两种不 同水印，设计了一种在音频小波变换域的不同位置同时嵌入两个不同作用的双水印算 法。本文算法中水印信号皆采用直观的二值图像印章，并把公钥加密理论、图像的混 沌加密等技术应用到音频数字水印中仿真实验表明，本文的水印算法具有很好的鲁 棒性、脆弱性和不可感知性，并且实现了水印的盲提取。 关键词：数字水印；离散小波交换；鲁棒性；不可感知性；混沌：双水印 作者：陆佰林 指导老师：朱艳琴 r e s e a r c ho fa u d i od i g i t a lw a t e r m a r k i n gb a s e do n 纬么v e l e tt r a n s f o r m a b s t r a c t d i g i t a lw a t e r m a r k i n gi s a l li m p o r t a n tt e c h n i q u ef o rp r o t e c t i o no fc o p y r i g h to fd i g i t a l w o r k s i ti sam a i na p p l i c a t i o no fi n f o r m a t i o nm d m gt e c h n i q u e 1 te m b e d ss e c r e t i n f o r m a t i o ni n t ot h ed i g i t a lm u l t i m e d i a , i no r d e rt op r o t e c tc o p 蜘g h to fw o r k s ；p r o v ei t s a u t h e n t i c i t ya n da p p e n dm f o n n a t i o no f w o r k s , b u t i tc a n n o tr e d u c et h ev a l u eo f w o r k s p r o t e c t i o no f c o p y r i g h to f d i # t a la u d i ow o r k sw i l lb em o 把a n dm o r ei m p o r t e m ta l o n g w i t he x t e n s i v ea p p l i c a t i o no f t h em p 3c o m p r e s s i o ns t a n d a r d ，a n da u d i ow a t e r m a r k i n gw i l l b eo f l eo ft h eh o t t e s ts u b j e c t s i nt h i sp a p e r , w cr e s e a r c hd i g i t a la u d i ow a t e r m a r k i n gi n d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r md o m a i nm a i n l y a tf i r s t , t h i sp a p e rp r e s e n t sb a s i cp r m c i p l eo f d i g i t a lw a t e r m a r k i n g , a c t u a l i t y , a n dt h et y p i c a la l g o r i t h m so fd i g i t a la u d i ow a t e r m a r k i n g a n dt h e n , w ed i s c u s st h ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m si nd w td o m a i n , a n dp r e s e n ta s e l f - a d a p t i v er o b u s tw a l e r m a r k i n ga n daf r a g i l ew a t e r m a r k i n g l a s t l y , w e ：d e s i g nad u a l w a t e r m a r k i n go fc o m b h l i n gb o t ho ft h e m , w h i c he m b e dt w ow a t e r m a r k si nd i 伍勰n t p o s i t i o n si nd w td o m a i n t h e w a t e r m a r k sa r cb i n a r yi m a g e s ，w h i c ha r em o r e i n t u i t i o n i s t i ct h a nr a n d o ms e q u e n c e s ，a n dw ea p p l yp u b l i cc r y p t o g r a ma l g o r i t h ma n dc h a o s s y s t e mt ot h ew a t e r m a r k i n g 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 tt h ea l g o r i t h m sa r cb l i n d , a n d t h e yh a v eb e a u t i f u lr o b u s t n e s s ，s e n s i t i v i t ya n di n a u d i b i l i t y k e y w o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ；d i s c r e t e w a v e l e tt r a n s f o r mp w l ) ；r o b u s t n e s s ； i n a u d i b i l i t y ；c h a o s ；d u a lw a t e r m a r k i n g w r i t t e nb yl ub a i l i n s u p e r v i s e db yz h uy a n q i n 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或 撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材 料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承 担本声明的法律责任。 研究生签名：一日期： 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、中国 社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论 文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 日期： 日期： 基于小波变换的音频数字水印研究 引言 引言 2 0 世纪9 0 年代以来，计算机网络通信技术和多媒体处理技术在全世界范围内得 到了迅猛发展。多媒体信息( 声音、图像、视频等) 的传输变得极为方便、直接和经 济，同时也极大地提高了信息表达的效率和准确性，大量多媒体信息得以通过网络广 泛地传播，极大地改善了人类的物质文化生活，也给人们带来了丰富多彩的视听享受。 特别是近几年，人们纷纷以网络形式发表各种形式的多媒体数字作品( 图像、视频、 音频等) ，但是网络给人们带来便利的同时也暴露出了越来越严重的安全问题，由于 数字多媒体易于被复制、修改的特性，使得大量数字多媒体作品的版权得不到有效的 保护。这样就引发出数字信息传输的安全问题和数字产品的版权保护问题。如何在网 络环境中实施有效的版权保护和信息安全手段，已经引起了国际学术界、企业界以及 政府有关部门的广泛关注。如何防止数字产品被侵权，已成为亟待解决的热门课题。 传统的版权保护系统多采用密码认证技术，密码技术主要是研究如何将要保护的 信息进行特殊的编码，形成不可识别的密文形式进行传递。但是这种密文对于没有密 钥的人群来说具有不可理解性，一定程度上限制了信息的传播范围，而且信息加密后 的密文容易引起攻击者的好奇和注意，从根本上增加了一种不安全性，并有可能因此 而被破解，而一旦加密信息被解密，则毫无安全性可言。即使攻击者无法破译密文， 他们也有可能将信息破坏，使持有密钥的合法使用者也无法获得正确的数字信息 数字水印技术在这种背景下应运而生，作为一种解决数字产品知识产权问题的重 要手段。数字水印技术已经成为当前的热点研究领域之一。数字水印技术是信息隐藏 研究领域的一个重要分支，是信息隐藏技术形象生动的应用。其基本思想是在数字多 媒体产品中嵌入秘密信息，以便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，并且不影响原作品的使用价值。在当前的数字水 印研究中，对数字图像水印的研究较为深入，而对于音频水印的研究相对较少，随着 m p 3 等音频压缩标准的广泛应用，对音频数字产品的版权保护需求也使得对音频数字 水印的研究越来越迫切。 数字水印技术是一门新兴的多学科交叉的应用技术，它涉及了不同的学科领域的 思想和理论，如信号处理、图像处理、信息论、编码理论、密码学、检测理论和随机 引言基于小波变换的音频数字水印研究 理论、计算机科学及网络技术等技术等。数字水印已成为多媒体信息安全研究领域发 展最快的热点技术，已经受到了国际学术界和企业界的高度关注。因此，无论从理论 角度还是应用角度来看，开展数字水印技术的研究，不但具有重要的学术意义，而且 还有着极为重要的经济意义。 2 基于小波变换的音频数字水印研究 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 多媒体信息比传统文字蕴涵更大的信息量，随着网络技术的迅速发展，多媒体信 息在各个领域中占据着越来越重要的地位。当代信息技术的迅猛发展和i n t e r n e t 的不 断扩大，使多媒体信息能以不同的形式在网络上方便、快捷地传输。但是，它给我们 带来方便的同时也带来了安全隐患，比如出现了敏感信息可以被轻易地被窃取、篡改、 非法复制和传播，多媒体信息的版权得不到有效地保护等问题，使得大量数字多媒体 作品的版权阿题受到很大的威胁。如何在网络环境中实施有效的版权保护和信息安全 手段，已经引起了国际学术界、企业界以及政府有关部门的广泛关注。近年来数字水 印技术被认为是解决数字产品知识产权问题的重要手段，已经成为当前的热点研究领 域之一，受到了社会各界的高度重视。 当前的数字水印研究中，以数字图像水印的研究最为深入，而对于音频水印的研 究相对较少，一方面因为音频单位时间内的采样点较少，可嵌入水印信息就要少，另 一方面由于人类听觉系统要比人类视觉系统更加灵敏，也给音频水印的嵌入增加了难 度。作为常见的多媒体数据型式，数字音频占有着除数字图像外最大的多媒体信息数 据量，占据着举足轻重的地位，但是当前对于音频数字水印的研究显然远远不够。文 本着重研究基于小波变换的音频数字水印算法，以实现对数字音频作品的版权保护。 1 2 数字水印基本概念 提到数字水印，人们首先可能会想到钞票中的水印【1 1 手拿一张1 0 0 元的钞票， 如果你观察带有毛主席肖像的一面，在灯光下可以看到左侧空白处有一个水印显现。 这个水印是在钞票制作过程中直接嵌入到纸币中的，因此人们很难伪造当然，除了 钞票，水印还可以用于其他物理对象甚至电信号中。音乐、图像和视频等所代表的数 字媒体就是一些常见的可嵌入水印的信号类型。本文所研究的音频数字水印技术就是 选择在数字音频信号中嵌入水印。 数字水印技术是信息隐藏研究领域的一个重要分支，它的基本思想是在数字图 像、音频、视频、文本等数字产品中嵌入秘密信息，以便保护数字产品的版权、证明 3 第一章绪论基于小波变换的音频数字水印研究 产品的真实可靠性或者提供产品的附加信息，并且不影响原作品的价值和使用。其中 的秘密信息可以是版权标志、用户序列号或者是产品的相关信息，通常我们称之为数 字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k ) ，在诸多文献中论及了各种形式的水印信号。通常，可以 统一表示为【习： w = 1 w ( i ) f w ( 0 ，i e l( 1 1 ) 其中，吃表示维数d 的水印域，d = l , 2 ，3 ，哦、晚、以分别表示音频、静止图 像和视频水印；u 表示水印信号的值域，可以是二值( u = o l 或秽= 一1 ，l ) 伪或者 实数( 例如高斯分布1 4 】或均匀分布 5 1 的水印) 。 水印处理系统的基本框架 6 1 可以定义为六元体( x 职墨g ；e p ) ，其中： x 代表所要保护的数字产品x 的集合。 矽代表所有可能水印信号彤的集合。 置是标示码( 也称水印密码) 的集合。 g 表示利用密钥置和待嵌入水印的x 共同生成水印的算法，即： g ：x x k 专w 或形= o ( x ，置)( 1 - 2 ) e 表示将水印矽嵌入数字产品弱中的嵌入算法，即： e ：x x w 专x 或邑= 皇( x o ，缈)( 1 - 3 ) 这里，弱代表原始的数字产品，代表嵌入水印后得到的数字产品。 d 代表水印检测算法，即 d ：x k 寸f 0 , 1 或 则固= f ：裟鬻岛， c - 呦 这里，凰和胁代表二值假设，分别表示水印的有无 1 3 数字水印技术研究现状 早期的数字水印技术主要是针对数字图像进行研究的，关于该技术的论述首见于 t t r k e l 等人在1 9 9 3 年的一篇文章1 7 1 。这篇文章首先提出了电子水印( e l e c t r o n i c w a t e r m a r k ) 的说法，其随后发表了另一篇题为“ad i g i t a lw a t e r m a r k ”的文章旧，正 式提出了“数字水印”这一术语。当时他们已经意识到了数字水印的重要性，并且提 出了可能的应用，包括图像标记，增强版权保护，防止伪造及控毒4 存取图像数据等。 4 基于小波变换的音频数字水印研究第一章绪论 1 3 1 国外研究现状 在社会各界对数字作品版权保护的高度重视下，水印技术稳步发展。为了提高水 印的鲁棒性，1 9 9 5 年c o x 等人提出一种基于扩频通信的思想唧，将水印嵌入图像感 知上最重要的频域因子中的水印方案。他们通过d c t 技术向图像中添加标记，以提 高水印对图像处理的鲁棒性。实验结果表明，该方案对各种普通图像处理操作，如缩 放、p e g 有损压缩、抖动和剪切等具有很好的鲁棒性。该文献同时指出，扩频方案 还可应用于音频和视频的数字水印技术中，但并未进行实验。c o x 方案已经成为数字 水印技术中一个比较经典的方案，但其也存在一些缺陷，其中最重要的一点就是水印 的提取需要原始图像的参与，不是一种盲水印方案。 1 9 9 6 年，p i t a s 提出了一种盲水印方案【l 川。该方案将灰度图像j 的像素集划分成 随机选择的两个具有相同像素个数的子集合 和口，假设划分方法为s ，将一个小的 正数置加到子集合 中的每一个像素值上，生成嵌入水印的图像。为了检测图像， 是否包含水印，利用同样的划分方法s ，将j ，划分成子集合a 匍口，分别计算a ，和矗 中像素的平均像素值p 和p | ，计算置- n ，一如如果孟， 置，则说明图像j 中含 有水印，否则就不含水印。这是因为s 是随机划分的，对于不含水印的图像应有譬 * o 。该算法是盲水印算法的一个代表，但很明显，该算法是一种空间域算法，它的 鲁棒性有待进一步提高。其后有一些研究人员在这一算法基础上进行过改进的研究。 其中有代表性的是v o y a t z i s 等l 】将混沌的方法引入到数字水印算法中，使得算法的鲁 棒性有所提高，但是仍然局限于空间域；k u n d u r 掣叼提出了一种基于d w t 的水印 算法，通过修改d w t 系数而嵌入水印，并且提出了使用脆弱性水印对图像所经受的 处理进行估计，进而更有效地对水印进行检测。 目前的数字水印研究中，对于音频水印的研究相对较少，一方面因为音频单位时 间内的采样点较少，可嵌入水印信息就要少，另一方面由于人类听觉系统( h u m a n a u d i t o r ys y s t e m , h a s ) 要比人类视觉系统( h u m a n v i s u a ls y s t e m , h v s ) 更加灵敏，也 使音频水印的嵌入更加困难。国际上对音频水印技术的研究最早见于1 9 9 6 年，b e n d e r 等在文献【1 3 】中提出了回声编码、扩频编码和相位编码等算法；p b a s s i a 等人在文献【1 4 】 中提出了通过改变音频信号采样数据最低有效位来嵌入数字水印；w o n - g y u m k i l n 提 出了在数字音频信号中直接嵌入数字印章的算法【l 习，该方法在提取水印信号时不需要 5 第一章绪论基于小波变换的音频数字水印研究 原始音频信号的参与；w uc h o n g - p i n g 等人提出了基于数字音频信号内容分析的离散 傅立叶变换域水印嵌入算法【1 6 1 ，该算法在提取水印时不需要原始音频信号，并且能够 抵抗常见的几种攻击；b o n e y 等1 刀将c o x 方案应用到音频信号中，取得了很好的实 验效果，其后，又有研究者对上述几种算法进行了改进和完善。 随着1 9 9 6 年在德国柏林的第一届信息隐藏国际学术研讨会的召开，数字水印技 术的研究得到了迅速的发展，剑桥大学、m m 研究中心、n e c 美国研究所、麻省理 工学院等都进行了广泛深入的研究，并召开了专门的国际学术研讨会进行定期交流。 从1 9 9 9 年开始，每年召开一次多媒体信息安全与数字水印大会，其会议论文主要是 关于数字水印技术方面的文章。 1 3 2 国内研究现状 在国内，清华大学、北京大学、北京邮电大学、中科院自动化所、浙江大学、国 防科技大等单位都有从事这一领域的学者。在我国信息安全领域的三位院士( 何德全、 周仲义、蔡吉人) 与有关应用研究单位联合发起下，我国于1 9 9 9 年1 2 月召开了第一 届信息隐藏会议，并连续于2 0 0 0 、2 0 0 1 、2 0 0 2 、2 0 0 4 、2 0 0 6 年召开了五届信息隐藏 研讨会( 第七届研讨会将于0 7 年1 1 月召开) ，我国的数字水印技术研究也得到了迅 猛的发展。 国内的数字水印研究也大多集中于图像水印。1 9 9 8 年，韦志辉等提出了一种基 于小波域中视觉门限模型的数字水印技术【1 8 1 ，对小波变换后的图像系数按不同方向、 不同层次子带分别加入水印，使得在每个小波系数所加的水印的幅值不超过此系数所 能掩盖的失真。随后，黄继武提出了一个利用块分类的自适应图像水印算法【1 9 1 。首先 将原始图像分块，并设计一个基于视觉掩蔽特性的分类器，根据分类的结果，将不同 强度的水印分量嵌入到不同图像块的d c t 低频系数中。牛夏牧等提出了一种基于多 分辨率分解的数字水印技术嗍，利用小波变换的多分辨率分解技术，把相同分辨率层 次的灰度级数字水印嵌入到对应层次的原始静态图像之中。 在音频数字水印研究方面，近年来我国的很多学者专家也取得了不错的成绩。 2 0 0 0 年，钮心忻、杨义先提出了一种基于小波变换的数字水印隐藏与检测方法1 2 ”， 对噪声干扰、重新采样等攻击有定的鲁棒性，不过该水印算法采用高斯分布随机噪 声为水印信号，而且没有实现水印的盲提取，实用性不高；次年，王秋生等对这一算 6 基于小波变换的音频数字水印研究第一章绪论 法作了改进圜，使用了视觉可辨的二值图像作为水印，选取改变离散余弦变换系数作 为水印的嵌入方式，但提取水印时仍然需要原始音频的参与，是一种明文水印算法； 2 0 0 5 年，高海英等提出了一种基于离散小波变换的音频水印算法嗍，选择对d w t 域的低频系数进行量化，从而嵌入二值图像水印，并且引入了同步信号的思想，对添 加噪声、有损压缩和重新量化有不错的鲁棒性，但对于重新采样攻击效果不理想。 对于目前的多水印研究，文献【冽中作者提出了一种基于小波变换域的双水印算 法，在图像的d w t 域嵌入一个识别水印和一个确认水印，但没有完成水印的盲提取； 文献【2 5 】提出了一种基于离散余弦变换的双水印算法，该算法在d c t 域添加随机序 列作为鲁棒性水印，然后通过实施适当的量化策略，实现在鲁棒水印的基础上加入了 脆弱性水印。 1 4 课题的主要内容 虽然这几年对数字水印的研究越来越多，但大部分集中于图像水印，而且盲水印 的鲁棒性还不够理想，功能也较为单一，实用性不足。本课题主要是针对音频数字水 印的研究，目标是进一步提高数字水印的安全性，鲁棒性和实用性。课题主要内容如 下： ( 1 ) 对音频数字水印系统进行研究并验证其特性，分析音频数字水印目前在信息 安全领域独有的优势，对音频数字水印的实用性进行可行性研究。 c 2 ) 目前数字水印技术为实现盲检测大多采用量化嵌入方案，而量化步长的选取 是其中的难题，常用的使用恒定步长的方案对水印的鲁棒性和不可感知性都有一定的 限制，本课题针对这一情况，结合人类听觉系统的特性，研究了一种自适应量化步长 的数字水印算法，进一步提高了水印的鲁棒性和不可感知性 ( 3 ) 对常用的基于私有密钥加密嵌入的音频脆弱水印算法进行分析研究，结合密 码学的公钥密码理论，提出了一种新的基于小波变换的公钥脆弱水印算法，并进行可 行性研究 ( 4 ) 分析现有音频数字水印的优缺点，结合上面提出的自适应音频数字水印算法 和公钥脆弱水印算法，提出了一种双水印算法，在同一音频段的不同位置嵌入两个不 同作用的水印信号，并把图像的混沌加密用于水印的加密上。提高了水印的鲁棒性和 安全性本文提出的数字音频信号的双水印嵌入算法是对多水印系统的进一步探索， 7 第一章绪论基于小波变换的音频数字水印研究 具有计算筒单、容易实现等优点，有很好的应用前景。 1 5 课题的意义 随着网络信息技术的发展，多媒体信息的交流变得极为方便，但也使得数字作品 的版权安全问题日益严重。本课题主要对一种可解决数字音频产品知识产权问题的重 要手段音频数字水印进行研究，目标就是进一步提高数字音频水印的鲁棒性、安 全性和实用性，有着深远的意义： ( 1 ) 密码学理论与音频数字水印技术在实际中综合应用，有利于提高水印信息的 安全性，从而可以有效地抵抗攻击和破解。在发生版权纠纷时，通过第三方从中提取、 检测水印，在有效保护版权所以者合法权益的同时，又打击了非法使用者的违法行为。 ( 2 ) 通过有效地利用量化策略，并使用自适应量化步长，可以在实现水印的盲提 取的基础上提高了数字水印的安全性和鲁棒性。 ( 3 ) 本课题的研究也可为其它形式的数字多媒体信息( 如图像、视频等) 的版权 保护提供参考，有利于全面打击盗版，从而建立完善的版权保护制度。这不仅对数字 作品版权所有者有着重要意义，而且直接影响到国民经济以及版权产业的发展 ( 4 ) 本课题的研究有利于切实、高效地进行知识产权的保护，提高整个国民的知 识产权保护意识，创造条件使我国尽快加入( w i p o 版权条约，有利于促进作为国民 经济新增长点的版权产业的蓬勃发展，在国际上树立我国保护知识产权的良好形象， 以及确立我国的完全市场经济地位。 1 6 本文组织结构 全文共分为六章，组织结构如下： 第一章：简要介绍了数字水印的基本概念和框架，以及目前数字水印技术在国内 外的研究现状，并给出了本课题研究的主要内容与意义 第二章：本章中首先介绍音频数字水印的基本模型、特性以及人类听觉系统的掩 蔽效应，接着阐述了一些音频数字水印的典型算法及评价标准。 第三章；本章中对使用恒定步长的量化方案的典型水印算法与本章提出的自适应 量化的音频数字水印算法进行了分析与比较。典型算法中对水印的鲁棒性和不可感知 性都有一定的限制，本课题针对这一情况，结合人类听觉系统的特性，研究了一种自 8 基于小波变换的音频数字水印研究第一章绪论 适应量化步长的数字水印算法，进一步提高了水印的鲁棒性 第四章：对常用的基于传统加密嵌入的音频脆弱水印算法进行分析研究，结合密 码学的公钥密码理论，提出了一种新的基于小波变换的公钥脆弱水印算法，并进行可 行性研究。 第五章：分析现有音频数字水印的优缺点，提出了一种双水印算法。结合自适应 音频数字水印算法和公钥脆弱水印算法，在同一音频段的不同位置嵌入两个不同作用 的水印信号，并把混沌理论应用到水印图像加密上，增强了水印算法的安全性、鲁棒 性。 第六章：总结全文，对音频数字水印技术的发展进行展望 9 第二章数字水印技术基础基于小波变换的音频数字水印研究 第二章数字水印技术基础 在讨论音频数字水印算法之前，我们首先了解一下数字水印及音频数字水印的一 些基本概念与特性。 2 1 数字水印的分类 数字水印的分类方法有很多种，分类的出发点不同导致分类的不同，它们之间既 有联系又有区别。最常见的分类角度包括以下几类： 1 按水印宿主媒体划分 按水印宿主数据类型，可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、 文本水印等。随着数字技术的发展，会有更多种类的数字媒体出现，同时也会产生相 应的水印技术。本文主要针对音频数字水印的研究，本章的后几节将详细介绍音频水 印的概念和特点。 2 按水印的特性划分 按水印的特性，可以将数字水印划分为鲁棒水印和脆弱数字水印两类。鲁棒水印 又称为稳健水印，是指加入的水印不仅能抵抗无意的攻击，而且能够抵抗一定失真内 的恶意攻击，并且一般的数据处理也不影响水印的检测。鲁棒水印主要用于在数字作 品中标识著作权信息，如作者信息、作品序号等。脆弱水印又称易碎水印，主要用于 完整性保护，与鲁棒水印的要求相反，脆弱水印必须对信号的改动很敏感，人们根据 脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过。 3 按水印的检测过程划分 按水印的检测过程，可以将数字水印划分为明文水印和盲水印。明文水印在检测 过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数据。一般来说，明 文水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本和安全性的限制。目前盲水印是学术 界研究的主流。 。 4 按水印的内容划分 按水印的内容，可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。有意义水印是指水 印本身也是某个数字图像或数字音频片段的编码；无意义水印则只对应于一段随机数 或者一个序列号有意义水印的优势在于，如果由于受到攻击或其他原因导致解码后 1 0 基于小波变换的音频数字水印研究 第二章数字永印技术基础 的水印破损，人们仍然可以通过视觉( 听觉) 确认是否含有水印。 5 按水印的用途划分 按水印的用途，可以将水印分为票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和 隐蔽标识水印等。票据防伪水印是一类比较特殊的水印，主要用于打印票据和电子票 据的防伪。版权标识水印是目前研究最多的一类数字水印，数字作品既是商品又是知 识作品，这种双重性决定了版权标识水印主要强调隐蔽性和鲁棒性，而对数据量的要 求相对较小。篡改提示水印是一种脆弱水印。隐蔽标识水印的目的是将保密数据的重 要标注隐藏起来 6 按水印嵌入位置划分 按水印嵌入的位置，可将水印分为时( 空) 域数字水印、变换域数字水印。时( 空) 域数字水印是直接在信号时( 空) 间上叠加水印信息，而变换域水印则指在离散余弦 变换( d c t ) 、离散傅立叶变换( d f t ) 和离散小波变换( d w t ) 等变换域隐藏水印。 随着数字水印技术的发展，各种水印算法层出不穷应该说，只要构成一种信号变换 就有可能在其变换空间内隐藏水印。 7 按水印所用密钥划分 按水印所用密钥划分，可以将数字水印分为私有水印和公开水印。私有水印只有 特定的密钥持有人才能够提取和检测，而公开水印可以被公众提取和检测。私有水印 在鲁棒性和安全性方面比公开水印更加出色，但公开水印在版权声明和侵权行为的预 防方面更有优势，是目前数字水印的发展方向之一 2 2 音频水印的基本模型 本文主要是针对音频数字水印的研究，通过前面的介绍，我们大体了解了数字水 印的主要特点当前的数字水印研究中，对图像水印的研究较为深入，而由于人类听 觉系统要比视觉系统更加灵敏且音频单位时间内的采样点比较少，使水印的嵌入比较 困难，所以一直以来对音频数字水印的研究相对较少。 音频数字水印的基本模型和其他形式的水印相似。水印嵌入和提取模型分别如图 2 - 1 、图2 - 2 所示从图2 - 1 我们可以看到，添加水印的过程是将含有版权或其它相关 信息的水印以某种方式嵌入原始音频文件 ，其过程中可利用一个可选的密钥量 控制水印的嵌入，最后产生加入水印的音频文件。 第二章数字水印技术基础基于小波变抉的音频数字水印研究 图2 - 2 描述的是明文水印的提取过程，即水印的提取需要用到原始音频文件a ， 而盲水印则在提取的时候不需要用到原始文件。 图2 1 水印嵌入模型 2 3 人类听觉系统 图2 - 2 水印提取模型 人类听觉系统( h a s ) 是在音频信号中嵌入数字水印的各种方法的基础，充分利 用人的听觉生理一心理特性闭可以使水印满足更好的不可感知性。 人类听觉系统具有很多重要的特性。首先人耳对于不同频率段的声音信号的敏感 度不同，通常人耳只能听到2 0 h z 2 0 k h z 的声音信号，其中对3 0 0 3 4 0 0 h z 范围内 的声音最为敏感，幅度很低的声音也能听见，而在低频和高频区，能被人耳听见的信 号幅度要高得多。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 另外，掩蔽效应也是人类听觉系统一个重要的特性。掩蔽效应是指由于一个较强 的声音的出现使得一个较弱但原本仍可以听见的声音变得无法听到的现象。掩蔽效应 又可分为时域掩蔽和频域掩蔽。如果在一定时间或频率范围内，存在能量相差一定程 度的一强一弱两个音频信号时，弱音不被人耳察觉，即被强音掩蔽掉，则较强的音称 为掩蔽音，较弱的音称为被掩蔽音。 时域掩蔽包括前掩蔽、后掩蔽和同时掩蔽。前掩蔽是指较强的掩蔽音出现之前较 弱的被掩蔽音无法听到，后掩蔽是指较强的掩蔽音消失后较弱的被掩蔽音无法听到， 基于小波变换的音频数字水印研究 第二章数字水印技术基础 而同时掩蔽是在一定时间内一个声音和另一个声音同时发生，较强的信号掩蔽了较弱 的信号使之无法听见。一般来说，前掩蔽发生在掩蔽音出现前5 2 0 m s ，后掩蔽发生 在掩蔽音消失后5 0 2 0 0 m s 。 频域掩蔽是指在频域发生的掩蔽现象把一个纯音调作为目标，如果它的声压级 低于绝对阈值( 安静时的听觉阈值) ，它是听不见的，由于一个较强信号的存在，听 觉阙值不同于安静时阈值，在接近较强信号频率的频率处，听觉阈值被提高，新阙值 称为掩蔽阈值，当信号的声压级低于掩蔽阙值时，它被掩蔽。一个掩蔽音的掩蔽阙值 依赖于频率、声压级，以及掩蔽和被掩蔽信号的纯音或噪音特性。用一个宽带的噪音 掩蔽一个纯音比用一个纯音掩蔽一个宽带的噪音要容易，而且信号频率越高就越容易 被掩蔽。 在数字水印系统设计时，研究听觉系统对声音的感知特性的目的是寻找音频信号 中与听觉感知不相关的部分，以确定水印嵌入的最佳位置和最大强度，在此强度下， 嵌入的水印信号不被听觉系统感知 2 4 音频数字水印典型算法 数字音频水印嵌入算法是音频信息水印处理技术中重要的组成部分。由于人的听 觉系统( h a s ) 要比视觉系统( h v s ) 更敏感，相对于静止图像和视频信息，在音频 信息中嵌入数字水印更为困难。音频数字水印最重要的特性有不可感知性、安全性、 鲁棒性，其中不可感知性和鲁棒性之间存在着相互制约的关系，应在两者间取得平衡 数字水印技术涉及了信号处理、数字通信、密码学、模式识别等多种学科，各专 业领域的研究者均有其独特的研究角度和方法，目前已经出现了很多种音频数字水印 方案，根据嵌入水印时对音频信号的处理方式不同，常把水印算法分为时域水印算法 和变换域水印算法。 2 4 1 时域音频数字水印 ( 1 ) l s b 方法。l s b 方法是将隐蔽信息嵌入到载体数据中最不重要的比特位上， 这是实现起来最简单的一种方法。水印数据可看成一串二进制数据流，而音频信号的 每一个采样数据也是用二进制来表示，可以将部分采样值的最不重要位用水印数据替 换掉，以达到在音频信号中嵌入水印的目的l s b 方法的嵌入和提取都很简单，可以 第二章数字水印技术基础基于小波变换的音频数字水印研究 隐藏的数据量也很大。它的主要弱点是抗干扰能力差，噪声、压缩、滤波、重采样都 会破坏水印数据，因此实用价值较小。 ( 2 ) 回声隐藏。通过引入回声的方式嵌入数据，系统的参数包括回声的延时和幅 度。回声的最大延时必须小于人耳觉察到失真存在的下限。将原始信号分段，每一段 都嵌入一个回声。提取过程是通过计算编码信号倒谱的自相关、搜索其峰值出现的位 置来实现的。通过引入回声将水印信息隐藏到载体数据中闭。它利用了人类听觉系统 的另一种特性声音信号在时域的后掩蔽作用，即人耳对跟在强信号之后的弱信号 是不敏感的。回声隐藏不是将永印数据作为随机噪声嵌入豺载体数据中，所以对一些 有损压缩具有一定的鲁棒性。回声隐藏的缺点是易被第三方察觉。 2 4 2 变换域音频数字水印 ( 1 ) 扩谱方法。利用直接序列扩谱技术( d s s s ) 的嵌入方法是将水印数据隐藏在 载波的相位上，然后将载波与m 序列相乘，衰减后再加到音频序列上，类似于加上 宽带噪声提取方法就是嵌入方法的逆操作。另一种扩谱方法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。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，相关系数期望为0 ，当伪随机序列长度较大时，相关系数 以概率l 取值在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。为了提高鲁棒性或隐蔽性，伪随机序 列在迭加前可以经过低通或带通处理。 ( 2 ) 相位法。用相位编码嵌入水印的方法是性能较好的方法之一。它充分利用了 人类听觉系统( h a s ) 的特性，即人耳对声音的相对相位敏感，而对绝对相位不敏感。 基于这个特点，可以用水印信息调制声音信号的绝对相位，而相对相位尽量保持不变 实验证实，只要相位的变化被限制在一定的限度内，尽管信号波形可能发生比较剧烈 的变化，听众仍然感觉不到任何可觉察的失真。在相位编码中，隐藏的数据是用相位 谱中特定的相位或相位变化来表示的。相位编码的缺点是对绝大多数音频压缩算法敏 感。 ( 3 ) 利用某种数学变换，包括快速傅里叶变换( f f t ) 、离散余弦变换( d c t ) 、 h a d a m a r d 变换和离散小波变换( d w t ) 等。将原始媒体数据变换到频率域中，把水 1 4 基于小波变换的音频数字水印研究第二章数字水印技术基础 印数据加入到某些频域系数中，再反变换形成含有水印数据的媒体数据。频域算法有 良好的鲁棒性，在经历了各种处理和攻击后，如加噪、滤波、重采样等，仍能保持很 高的可靠性, 2 9 1 。文献 2 9 1 给出了一种基于量化的小波变换域音频水印算法。首先将 视觉上可辨的二值图像水印降维为一维序列，再将序列作伪随机排序并与m 序列作 扩频调制，通过量化处理把水印信号嵌入到原音频信号分段小波变换选定的系数上 仿真实验证明算法具有很好的不可感知性和鲁棒性。 2 5 音频水印的特性 针对不同的应用，水印系统应具备相对的特性，每种特性的相对重要性取决于应 用要求和水印所起的作用，甚至对水印特性的解释也会随着应用场合有所变化。我们 这里主要讨论音频数字水印应该具有的一些基本特性： ( 1 ) 鲁棒性 鲁棒性也叫稳健性，是指嵌入水印后的音频数据在经历多种无意或有意的信号处 理过程后，数字水印仍能被准确鉴别。它对水印而言极为重要。一个数字水印应该能 够承受大量的、不同的物理和几何失真。在经过这些操作后，水印算法依然可以保证 提取出的水印可以轻易的被识别。需要注意的是，在某些情况下，鲁棒性毫无用处甚 至被极力避免，如水印研究的一个重要分支脆弱水印，它具有和鲁棒性完全相反的特 点 ( 2 ) 不可感知性 不可感知性也叫隐蔽性、透明性。数字水印必须是不可感知的，从而保证加入水 印的作品与原始作品之间的感知相似性。不可感知包含两方面的意思，一方面指听觉 上的不可闻性，因嵌入水印导致信号变化对观察者的听觉系统来讲应该是不可察觉 的，这是绝大多数音频数字水印算法应该达到的要求。另一方面，水印用统计方法也 应是不能恢复的，如对大量的用同样的方法处理过的信息产品使用统计方法也无法正 确提取水印或确定水印的存在。不可感知性和鲁棒性之间存在着折衷的关系，一定程 度上限制了水印鲁棒性的进一步提高。 ( 3 ) 可证明性 数字水印应该能为数字音频产品的归属者提供完全和可靠的证据。水印可以用来 判别对象是否受到保护，并能够监视被保护数据的传播、真伪的鉴别以及非法拷贝控 第二章数字水印技术基础基于小波变换的音频数字水印研究 制等。这实际上是发展水印技术的基本动力，虽然从现有的文献来看，对其研究相对 比较少。就目前已经出现的很多水印算法而言，攻击者完全可以破坏掉嵌入到数字产 品中的水印或复制出一个理论上存在的“原始数字产品”，这导致数字产品所有者不 能令人信服的提供版权归属的有效证据。因此一个好的水日1 算法应该能够提供完全没 有争议的版权证明，且为非可逆的、非对称的，在这方面还需要做很多的工作。 ( 4 ) 安全性 安全性表现为水印能够抵抗恶意攻击的能力。恶意攻击指任何意在破坏水印功用 的行为。我们知道水印系统设计过程中必须遵循基本的密码学原理来保证加密算法的 安全性，使密钥空间足够大，以抵制穷举攻击( e x h a u s t i v es e a r c ha t t a c k ) 。但是正如 计算机安全问题一样，保密算法的安全并不代表整个计算机系统的安全。作为一种特 殊的技术，数字水印具有不同于密码学的特征，仅仅依靠密钥来保证水印系统的安全 性是不够的而水印的鲁棒性对于系统安全来说，也仅仅是必要条件而不是充分条件。 2 6 音频水印的评价标准 虽然音频数字水印技术的发展在最近几年突飞猛进，学术界和企业界对它的关注 也不断增加，但其评价标准的建立仍有待时日，而要对水印系统进行合理的、公平的 评价，数字作品的感知质量、水印的鲁棒性是首要考虑的因素 2 6 1 感知质量 数字作品的质量决定其应用价值，所以数字水印必须是不可感知的，从而保证含 水印作品与原作品之问的感知相似性。但是如何测试感知相似性却是一个难题。目前， 人们一般使用主观评价和客观评价两种方法进行感知性测试。 评价一个作品的好坏，一个最直接的方法就是采用主观打分的方法。这里我们介 绍一种最常用的主观音质评价方法五级平均意见打分( m e a no p i n i o ns c o r e s ， m o s ) 嗍。m o s 是一种绝对等级打分方法，一般采用五级评分标准，受钡试者首先 听完被测试声音，然后从五个等级中选取一个等级作为他对所测试声音质量的评价， 表2 - 1 给出了m o s 评分方法的标准。 基于小波变换的音频数字水印研究 第二章数字水印技术基础 表2 - 1 m o s 评分标准 得分 质量级别失真级别 5 优 不可察觉 4 良 刚有察觉 3 中有一点令人讨厌 2 差明显察觉，令人讨厌，但可忍受 l 极差不可忍受 一般认为，m o s 得分在4 分以上的为高质量音频，3 5 分左右的为通信质量。 另外，为了消除观测者的经验、身体条件、试验条件和设备等各种主、客观因素 的影响，通常采用一些客观失真定量标准来做出客观的评价，其中最常用的度量方法 是归一化相关系数( n c ) 和峰值信噪比( p s n r ) ： 呱d w j o ，力 n c ( w ，彬) = ( 2 - 1 ) 其中w 和w 1 分别表示原始水印和提取的水印归一化相关系数常用来度量所提 取的水印和原始水印的相似程度，从上式可以看出，n c 值越接近1 ，表明提取的水 印越接近原始水印图像。 1 燃- 1 0 她1 0 1 l 瓴x m a x 蚶y 2 弦乃 其中，j ：代表原始音频第1 0 个采样点，腕代表嵌入水印后的音频第1 1 1 个采样点， 三表示音频的采样点总数。峰值信噪比常常用来度量含水印作品与原始的数字作品之 间的质量差别。 2 6 2 鲁棒性 鲁棒性，即稳健性，是数字水印的一项非常重要的指标( 对于脆弱性水印则相反) ， 嵌入的水印必须具有一定的能量来保证这一特性。我们知道水印的不可感知性与鲁棒 性之问存在着折衷关系，一定程度上限制了水印鲁棒性的进一步提高。另外，在一定 感知质量的情况下，水印的鲁棒性还与嵌入信息量、嵌入强度、音频尺度和特征有关。 因此，要公平的评价各种音频水印系统的性能，我们必须使用不同的测试音频库，并 以测试结果作为比较不同水印系统性能的依据。 水印的鲁棒性体现在音频水印系统抵抗一般信号处理及恶意攻击的能力。比如遭 第二章数字水印技术基础基于小波变换的音频数字水印研究 受到加性