（计算机应用技术专业论文）基于离散小波变换的音频数字水印研究.pdf

摘要 基于离散小波变换的 音频数字水印研究 摘要 随着计算机网络和多媒体技术的飞速发展，多媒体数据逐渐成为人们 获取信息的重要来源。然而，当前数字信号处理和互联网传输技术的迅猛 发展却令数据的版权保护面临严峻的挑战。因此，如何在开放的网络环境 下对数字作品实施有效的版权保护己经成为热门的研究课题。数字水印技 术作为信息安全领域的一个重要组成部分，是一种保护版权的有效途径。 数字水印技术依据某种算法将某些不可感知的数字信息添加到载体文件 中，并且接收方可以通过一定的方法将其提取出来作为版权信息的证明。 除此之外，数字水印还可以应用于保密通信、广播监视和信息标识，以及 访问控制等领域，因此研究数字水印具有十分重要的意义。 目前针对数字水印的研究与实现主要围绕在图像与视频水印方面。由 于人类听觉系统的敏感性，在音频中嵌入水印难度大，相关方面的技术还 不成熟，因此本文选取音频数字水印作为研究内容。通过研究数字水印的 三个重要特性，以及人类听觉系统的特性，总结并分析了多种音频水印算 法，本文选择在离散小波域中进行水印的嵌入。 本文首先设计了一种利用加性嵌入方法在小波分解低频系数中嵌入 水印的方法，该方法简单易行，面对多种攻击具有一定的鲁棒性。其次， 针对加性嵌入非盲提取、嵌入强度不可调整以及安全性差的缺点，设计了 一种基于l o g i s t i c s 序列加密的自适应量化嵌入水印方法，在提取水印时 北京化工大学硕士学位论文 不需要原始音频信号的参与，是一种盲水印算法。此外，利用人类听觉系 统的频域掩蔽特性，设计了一种在离散小波变换的高频分量系数上嵌入水 印的盲水印方法，具有较强的不可感知性，且具有一定的鲁棒性。 关键词：数字水印，音频，离散小波变换，量化，自适应，l o g i s t i c s 序 列，人类听觉系统 a b s t ra c t r e s e a r c h o na u d i od i g i t a l 编t e r 队r n gb a s e do nd i s c r e t e 、7 i 屺a v e l e tt r a n s f o r m a b s t r a ct a l o n gw i t h t h er a p i dd e v e l o p m e n to f m u l t i m e d i a t e c h n o l o g ya n d c o m p u t e rn e t w o r k s ，t h ed i g i t a lm e d i ah a sb e c o m eam a i nw a yo fi n f o r m a t i o n c o m m u n i c a t i o n h o w e v e r ，t h ec u r r e n t l yr a p i dd e v e l o p m e n to fd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n ga n di n t e r n e tt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e sh a v et h r e a t e n e dt h ec o p y r i g h t o fd i g i t a ld a t as e v e r e l y t h e r e f o r e ，h o wt op r o t e c tt h ec o p y r i g h to fd i g i t a l p r o d u c t si na no p e nn e t w o r ke n v i r o n m e n te f f e c t i v e l yb e c o m e sa na t t r a c t i v e t o p i c a sa ni m p o r t a n tp a r t o fi n f o r m a t i o ns e c u r i t yt e c h n o l o g y ，d i g i t a l w a t e r m a r ki sa ne f f e c t i v es o l u t i o nt ot h ep r o t e c t i o no fc o p y r i g h t t h i s t e c h n o l o g ye m b e d ss o m en o n - p e r c e p t i o ni n f o r m a t i o ni n t os o m ec a r d e rd a t a ， a n dt h ei n f o r m a t i o nc a nb ee x t r a c t e da sap r o o fo fc o p y r i g h t i na d d i t i o n ，t h e d i g i t a lw a t e r m a r kc a nb eu s e di ns e c r e tc o m m u n i c a t i o n ，b r o a d c a s tm o n i t o r i n g ， i n f o r m a t i o ni d e n t i t y , a n da l s oa c c e s sc o n t r 0 1 t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho nd i g i t a l w a t e r m a r k i n gi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e a tp r e s e n t ，r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f d i g i t a lw a t e r m a r km a i n l yf o c u so n i m a g ew a t e r m a r ka n dv i d e ow a t e r m a r k b e c a u s eo ft h es e n s i t i v i t yo ft h e h u m a na u d i os y s t e m ，i ti sd i f f i c u l tt oe m b e dw a t e r m a r ki na u d i os i g n a l s ，s o i i i 北京化工大学硕士学位论文 a u d i od i g i t a lw a t e r m a r k i n gw a ss e l e c t e da sar e s e a r c ht o p i ci nt h i st h e s i s b ys t u d y i n gt h et h r e ei m p o r t a n tf e a t u r e so fd i g i t a lw a t e r m a r k ，a sw e l la st h e f e a t u r e so ft h eh u m a na u d i os y s t e m ，t h ed i s c r e t ew a v e l e td o m a i ni ss e l e c t e dt o e m b e dw a t e r m a r ka m o n g m a n ya u d i ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m s i nt h i st h e s i s ，f i r s t ，am e t h o db a s e do na d d i t i v ee m b e d d i n gi nl o w f r e q u e n c yc o e f f i c i e n t so fd i s c r e t ew a v e l e t st r a n s f o r mi sd e s i g n e d ，w h i c hc a l l b ee a s i l yr e a l i z e d ，a n di so fr o b u s t n e s sa g a i n s ts e v e r a la t t a c k s s e c o n d ，s i n c e t h e r ea r es o m es h o r t c o m i n g si na d d i t i v ee m b e d d i n ga l g o r i t h m ，s u c ha s n o n - b l i n de x t r a c t i n g ，f i x e de m b e d d i n gs t r e n g t ha n dp o o rs e c u r i t y , am e t h o d b a s e do n s e l f - a d a p t i v eb i p o l a rq u a n t i z a t i o n w i t h l o g i s t i c ss e q u e n c e e n c r y p t i n gi sd e s i g n e d ，w h i c hi s ab l i n da l g o r i t h mt h a tw a t e r m a r kc a nb e e x t r a c t e dw i t h o u to r i g i n a la u d i os i g n a l s f u r t h e r m o r e ，t a k i n ga d v a n t a g eo f h u m a na u d i os y s t e mf e a t u r e si nf r e q u e n c yd o m a i nm a s k i n g ，am e t h o dw h i c h e m b e d sw a t e r m a r ki n h i g hf r e q u e n c y c o e f f i c i e n t so fd i s c r e t ew a v e l e t s t r a n s f o r mi sa l s od e s i g n e d ，i ti si n a u d i b l ea n dr o b u s ta g a i n s ts e v e r a la t t a c k s k e yw o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，a u d i os i g n a l s ，d w t ，q u a n t i z a t i o n ， s e l f - a d a p t i v e ，l o g i s t i c ss e q u e n c e ，h u m a n a u d i os y s t e m i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，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 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：室：盛日期：兰里! 里! ：圭兰 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 日期：兰! ! ! ：兰：兰! 第一章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 1 1 1 背景 第一章绪论 近年来，计算机网络技术迅猛发展，促进了处在世界不同地区人们之间的相互交 流。与此同时，计算机多媒体技术日新月异，媒体资源大量数字化，多媒体信息的传 播与交流也达到了前所未有的广度和深度。 面对互联网业务的快速发展与普及，数字作品如音频、图像、视频以及文本文件 等信息的传播常常遭受到盗版问题的困扰。 一方面，数字形式对人们制作、保存、加工和传输多媒体信息带来了极大便利， 对比传统的模拟信息，数字信息可以借助互联网或者c d 、d v d 等形式，大量、广范 围的快速传播，使得人们轻松获取海量信息；另一方面，如此方便的传播途径也给信 息的版权利益以及信息的安全性带来了很大程度上的隐患。当数字信息的创造者或生 产者辛辛苦苦创作出自己的作品后，这些数字形式的作品有可能借助i n t e m e t 被大量 人群任意获取、复制以及传播，使得自身的版权利益得到极大的损害，更为糟糕的是， 并不能够排除这些信息被任意篡改并传播的可能性，因而数字作品的所有者无法保护 合法权益不受侵害。 针对以上一些问题，人们对于如何保证数字作品的版权以及安全性进行了一系列 的探索与研究，包含密码学以及信息隐藏技术等内容，数字水印技术就是相关领域的 一个重要组成部分。 1 1 2 数字水印的目的与意义 目前的版权保护系统大多是基于密码技术的，例如d v d 光盘的安全密码。通常 我们利用密钥将数字文件加密，形成密文再在网络上传播，使得没有密钥的接收者或 攻击者不能提取原始信息，以此实现对信息的保护。遗憾的是，密码技术并不能解决 所有问题，其存在着一些不足之处。首先，密码技术只能在接收方获取信息之前对信 息进行保护，一旦接收方从发送方得到信息并进行解密后，该信息就完全暴露了，与 普通的未加保护的内容别无二样，不能使信息所有者对购买者合法获取信息后如何处 理解密之后的信息进行监视。一旦用户购买数字产品后，一些盗版者就可以通过密钥 获取不加保护的内容副本，从而复制并发行该内容，也就是说，一旦数字产品被解密， 就不再具有安全性了，密码技术只保护破解之前的信息。此外，对数字信息加密后， 北京化工大学硕士学位论文 破坏了原有信息的形式，造成一定程度上的不可理解性，不仅不利于信息的传播，反 而会引起不法分子的注意，有可能会激发攻击者对加密产品的破解。 基于密码技术在保护信息安全方面的一些缺陷，人们通过研究与探索，将更多目 光投向了数字水印技术，希望能利用这一技术更好的保护数字信息安全。 数字水印与传统的印于钞票之中的水印相类似，这种技术的基本思想是把一些不 可见的特殊标记，通过一定的嵌入手段嵌入到音频、图像、视频以及文本等数字信息 当中去，在接收方利用一定的提取方法能够将这些特殊标记提取出来，并根据该提取 标记的相关信息来判断数字信息的版权所有，或者查看数字信息是否曾遭遇过篡改。 这些嵌入到数字文件中的特殊标记就称为数字水印。由于数字水印的不可感知性，嵌 入水印的数字媒体并不影响人们对它的理解；此外，潜在的非法拦截者很难从公开发 表的媒体信息中判断是否存在秘密信息，进而提取或进行攻击，从而保证了信息传播 过程的安全性。我们通过提取或检测水印来分析数字产品的完整性，从而使数字水印 技术成为保护知识产权与数字产品认证与防篡改方面的有力工具。 除去在知识产权保护以及信息安全方面的需求，数字水印技术在目前其他一些领 域也存在一定的应用价值，例如广播监视，复制控制与设备控制，标志与注释，操作 追踪等【1 1 。 1 2 数字水印研究的历史与现状 水印最早出现于大约7 0 0 年前的意大利，是从手工造纸技术中产生出来的，其主 要用来解决识别生产纸张的工厂，以此作为保证纸张质量的一种方法。“水印 ( w a t e r m a r k ) 成为术语大概起源于1 8 世纪末的德语词汇w a s s e r m a r k e 。与此同时，一 种伪造纸币的技术被伪币制造者创造出来，从而促进了水印技术的发展【2 】。 第一个类似于“数字水印 方法的技术实例出现在1 9 5 4 年，由美国m u z a c 公司 的e m i lh e m b r o o k e 申请了一项名为“i d e n t i f i c a t i o no fs o u n da n dl i k es i g n a l 的专利。 此项专利描述了一种将标识码嵌入到音乐中，以此来证明版权的方法，且嵌入的标识 码是不可感知的。这就是数字水印技术的起源。随后数字水印进入了飞速发展阶段， 包括基础研究领域与应用研究领域。v a ns c h y n e l 在i c i p 9 4 会议上发表了题为“a d i 西t a lw a t e r m a r k 的文章，这第一篇在主要会议上发表的关于数字水印的文章，也是 一篇具有历史价值的文献，它对水印的一些重要概念进行了阐述。此后，一些重要的 国际会议，著名期刊，杂志如i e e e ，s p i e 等都出版了有关的专题与文章。之后i n g e m a r c o x 等人在2 0 0 1 年出版了关于数字水印的专著“d i 百t mw a t e r m a r k ”。 在研究数字水印的早期，成果大部分是各种水印算法，其中主要针对图像水印进 行研究，并且是在空间域进行实现。此类算法具有运算速度快且嵌入数据量大的优点， 但针对于图像的压缩、变换等攻击的抵抗力较差。为提高空域算法的鲁棒性，c o x 等 2 第一章绪论 人与1 9 9 6 年提出了一种基于扩频通信思想的水印方案【3 】，也成为了数字水印技术中的 一个经典方案，但该算法也存在着非盲检测的缺点。随着图像水印研究的发展，文本， 音频，视频水印也得到了研究人员的重视，开始逐步发展。 目前音频数字水印的研究中己经提出了很多算法。一般根据嵌入水印时对音频信 号的处理方式不同，可把水印算法分为时域水印算法和变换域水印算法【4 】。时域算法 的主要代表有最低有效位、回声隐耐5 】等方法。时域数字水印算法是在时域中修改信 号样本达到嵌入水印的目的。文献 6 】提出了通过在时域中修改音频信号采样数据最低 有效位值的方法，来嵌入水印信号，且在水印的提取过程中不需要原始音频信号的参 与，是一种盲水印算法。最低有效位方法是最简单的音频数字水印技术，其缺点是对某 些信号处理技术比较敏感，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。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，如有的时域方法在原始数据上加入带有扩谱性质的伪随机序列【7 1 ，可以提高 水印性能。 而变换域水印技术通过修改变换域系数来隐藏水印。常用的变换域方法有离散傅 里叶变换，离散余弦变换，离散小波变换等方法。文酬3 】提出了基于变换- 力日密编码 的数字音频信号的水印算法。在嵌入过程中，首先将灰度级水印通过降维操作变为一 维的水印序列；然后计算水印序列的短时能量水印片断，确定嵌入水印的能量，最后在 离散傅里叶变换域实现水印的嵌入。该算法虽然能使水印嵌入的能量自适应随着音频 信号能量的变化而变化，但该算法在提取水印过程中需要原始信号的参与，不便于工 程实际应用。文献l 】是一些基于离散余弦变换的音频数字水印算法。由于离散小波 变换与人类听觉系统的相关性【1 2 1 ，更多的水印嵌入算法在离散小波域中完成。文献 【1 3 啦】是一些基于离散小波变换的盲水印算法，提取时不需要原始音频信号的参与，具 有较高的实用价值。此外，一些水印算法针对某种特定的攻击方法如有损压缩【2 3 1 ，同 步攻击【砒7 】等，设计了有针对性的水印方案。由于人类听觉系统对于音频信号的感知 有一些特殊性质，提出了一些关于基于心理声学模型和听觉感知分析的离散小波域音 频水印算法【2 8 - 3 0 】。除去以上一些鲁棒水印算法，文献【3 1 】【3 2 】提出了脆弱水印的实现 方法，可以用于检测音频作品是否遭遇到篡改，这也是数字水印的一个应用方向。由 于在载体信号中添加额外的水印信息不可避免的会对原始信号造成影响，因此提出了 “零水印” 3 3 - 3 6 】的概念，利用音频信号本身的特征构造水印信息，有效避免了对载体 信号的影响，这也是数字水印的一个新的研究方向。 由于人类听觉系统比人类视觉系统敏感的多，在音频信号中嵌入微弱水印就有可 能被感知，因此目前针对音频数字水印的研究远不如图像水印和视频水印那样充分且 已经在实际中被广泛应用，因此音频水印的研究将是未来水印研究的主要方向。而在 水印算法中变换域中嵌入的方法更加优越一些，特别是离散小波变换，与人类听觉系 统特性相符合。 3 北京化工大学硕士学位论文 数字水印技术是信息隐藏技术的一个重要组成部分，也是目前世界上信息安全领 域的一个科技前沿。伴随着数字水印基础理论研究的不断深入，许多大学与国际上一 些大公司也在推进水印实现的工程技术方面做出努力，例如m i t ，贝尔实验室，日本 的m 盯信息与通信系统研发中心，p h i l i p s 等，在保护多媒体作品的知识产权领域不 断探索，并致力于数字水印技术的标准化与实际应用研究。有的公司已经推出了关于 相关方面的软件，例如d i g m a r cc o r p o r a t i o n ，h i g h w a t e rf b i 等。我国对于数字水印的 研究开始的时间相对落后，但基于学术与实际应用两方面的因素，研究数字水印均具 有非常重要的意义，因此已经引起了信息安全领域研究人员的普遍关注，于1 9 9 9 年 开始每年召开一届研讨会，并于2 0 0 0 年召开了第一届数字水印技术研讨会，相关方 面的论文的发表数量也从此时开始快速增加。这些信息隐藏技术研讨会不仅对与数字 水印技术方面的术语作了规范，并针对水印技术的不同研究方向进行了广泛交流与深 入探讨，在极大程度上推动了数字水印技术的进步。 1 3 论文的组织结构 论文共分为六章进行阐述， 第一章绪论 主要介绍课题的研究背景， 的发展历程与现状进行了说明。 第二章数字水印技术 主要组织结构安排如下： 阐述了因何要研究数字水印技术。并对数字水印技术 本章对于数字水印技术的基本原理与模型进行了介绍，并说明了数字水印的三个 主要特性和数字水印的分类。之后对数字水印的应用领域进行了总结。 第三章音频数字水印 本章简要说明了音频信号的数字化过程，介绍了人类听觉系统的特性，归纳了音 频数字水印的一些基本算法和评价标准，以及针对音频水印的攻击手段。 第四章基于离散小波变换与音频数字水印 说明了小波理论的由来以及小波分析的思想，介绍了基于离散小波变换的音频数 字水印系统构成。 第五章基于离散小波变换的音频数字水印系统设计与实现 本章给出了三种基于离散小波变换的音频水印实现方案，并分别进行了仿真实 验。 第六章总结与展望 全文总结，简述了所做工作以及水印方案的优缺点，并对今后的研究方向进行了 展望。 4 第二章数字水印技术 第二章数字水印技术 2 1 数字水印的基本原理 所谓数字水印，就是在图像、音频、视频以及文本等数字媒体信息中嵌入的 某些特定信息，并且这些嵌入信息能够从载体中提取出来，可以用于保护数字产 品版权以及保证数字信息不被篡改等领域。这些用于保证版权的标志信息被称作 水印，根据数字媒体的形式不同可分为图像水印，音频水印，视频水印等。水印 信息嵌入到图像、音频、视频等载体中后，应当保持数字产品的可理解性与完整 性。理想的数字水印只允许版权拥有者对水印进行嵌入，但是所有接收数字媒体 信息的用户都能检测水印，从而验证数字水印方案的可行性。数字水印系统保护 了数字媒体的版权，证明了产品的真实可靠性，并且能够提供数字产品的附加信 息。 数字水印可以通过两个方面来加深理解。从信号处理的方面来看，可把要嵌 入的水印看作是一个较弱信号，而相对应的数字媒体信息看成一个较强信号，如 果嵌入的水印信号相对于人类听觉系统或是人类视觉系统的感知能力强度很弱， 那么人们就不能够观察出是否存在水印，也就保证了数字水印系统的透明性。从 通信系统的方面看，如果把水印看成窄带信号，那么作为载体的多媒体信息就是 宽带信道，水印系统即为利用扩频技术传输窄带信号的通信系统。并且窄带信号 的能量分散到宽带信道之后就会变得极为微小，水印在接收方的提取就相当于提 取弱信号。 不论如何，从总体上看数字水印系统都包含水印的嵌入与提取两个重要组成 部分。数字水印系统的模型如图2 1 所示。其中： ( 1 ) 朋：要嵌入的水印信息； ( 2 ) e ：作为载体的多媒体信息； ( 3 ) k ：嵌入和提取水印时所需的密钥； ( 4 ) 矿：将原始水印预处理得到的即将要嵌入的水印，若原始水印信息不加 改变直接嵌入，那么有w = m ； ( 5 ) g ( ) ：对水印进行预处理的函数，w = g 锄，c 0 ，k ：) 或者形= g ( m ，k ) ，而 g _ 1 ( ) 是将提取出的水印信息进行相反操作的函数； ( 6 ) s ：包含水印的数字作品； ( 7 ) s ( ) ：嵌入水印的函数，8 = s ( 形，c o ) ； 5 北京化工大学硕士学位论文 ( 8 ) 4 ( ) ：对已经嵌入水印的数字作品进行攻击的函数； ( 9 ) y ：接收端接收到的包含水印的数字信息，】，= 彳 ) ； ( 1 0 ) d ( ) ：对包含水印的数字信息检测是否含有水印的函数 。( y ，k ) = 三妻柰器 ( 1 1 ) 矿：接收端提取出的水印信息； ( 1 2 ) e ( ) ：对水印进行提取的函数，e ( y ，足) = 矿； ( 1 3 ) 疡：提取后的水印信息，而= g - l 妒，k ，c o ) 。 c 玩 朋 水印 有无 图2 - 1 数字水印系统模型 f i g 2 - 1t h em o d e lo fd i g i t a lw a t e r m a r k i n gs y s t e m 图中用虚线标注的两个部分分别为水印的嵌入与提取过程。 2 2 数字水印的特性 数字水印尽管存在许多方面的特征，但是其中最重要的是水印的不可感知 性，鲁棒性以及系统能够嵌入水印的容量这三个部分。数字水印系统虽然具有许 多实现方法，但是所有的探讨都离不开数字水印的三个重要特性之间的关系。下 面就这三个主要的水印特性进行分别介绍： ( 1 ) 不可感知性 6 第二章数字水印技术 不可感知性又被称为透明性和保真度，从字面上非常容易理解，也就是嵌入 水印后的数字作品应当使人们感觉不出来是否嵌入了水印，或者是即使感觉到嵌 入了水印，但完全不影响用户的理解与使用，就好像水印是完全透明的一样。 数字水印分为可以感知的与不可感知的，这里的不可感知不是绝对意义上的 不可见性，针对于不同的应用领域，可分别选取可感知的和不可感知的数字水印。 当选取数字水印作为可见的版权标记使用时，此时即为可见的数字水印，典型的 应用实例是图像或视频上的版权标记；当水印应用于隐藏某些信息使用时，就要 求水印此时为不可见的，譬如在数字音频信息中嵌入水印时，往往需要水印信息 相对于用户是不可感知的。 不可感知性是与数字信息在嵌入水印前后的相似性相联系的。如果水印嵌入 前后，数字作品的改变非常小，那么必然会使用户的理解不受太大影响；反之， 如果水印嵌入的强度比较大，那么对原始的作为载体的数字信息肯定会进行同样 程度的改变，也就影响了用户的理解。数字水印的不可感知性除了能够保证用户 的理解之外，还有一个非常重要的优势，那就是数字水印信息不仅相对应合法的 接收者透明，同样也对潜在的攻击者保持透明，于是这些非法攻击者甚至无法判 断传输的数字作品是否含有水印信息，也就无从破解了。因此，从防止攻击的角 度上来看，数字水印具备密码技术所欠缺的优点。 ( 2 ) 鲁棒性 数字水印在传输过程当中，通常都会遭遇到噪声的干扰，此外人们经常会对 数字多媒体作品进行多种多样的处理，如压缩，滤波等等。另外不法分子对于数 字信息的有意破坏同样值得提醒注意。无论出于有意还是无意，数字多媒体信息 由发送方发送之后，经过一系列的操作，接收方所获得的数字信息较原来通常有 了改变，相对于数字水印系统，我们将施加于包含数字水印信息的改变看成是对 其的攻击。 具有鲁棒性的数字水印系统是指在数字信息经过种种攻击之后，仍然能够在 接收方提取或是检测出来的系统。以数字音频文件为例，常常经历滤波、压缩、 以及采样率变化的一系列操作，如果嵌入的水印信息在音频文件经过这一系列的 改变之后，依然能被提取出来，那么这个数字音频水印系统就是鲁棒的。鲁棒的 音频水印系统通常应用于版权认证与信息标识这些领域。 与鲁棒的数字水印系统相对应的是脆弱的数字水印系统。当含有水印的脆弱 数字水印系统遭到攻击后，接收方通过检测与提取，能够发现原有的水印遭到了 攻击与破坏，进而判断出载体信息经历了变动。也就是说，接收方通过检测出破 碎的水印来推断数字载体信息的所受攻击。从这个角度讲，数字水印系统可以理 解为信息隐藏技术。 7 北京化工大学硕士学位论文 ( 3 ) 容量 数字水印系统的容量是载体能够嵌入的水印信息量，也被称为嵌入率、加载 率以及有效载荷。我们希望嵌入水印的容量越大越好，但嵌入的信息量通常受到 其他因素的限制，往往通过其他一些方法来改善。比如可以采取编码等方式对提 取出的水印进行纠错，以防止嵌入水印信息过少时带来的错误。 不可感知性、鲁棒性和容量这三者之间相互制约，如果要满足水印的不可感 知性，那么就意味着也许水印的嵌入强度不够，于是在水印传输的过程中一旦遭 遇噪声或有意攻击，势必系统的鲁棒性会受到削减；反之若想保证数字水印系统 的鲁棒性，就不能不考虑水印的嵌入强度，应当保证嵌入的水印具有一定程度上 的强度，否则一旦遭遇攻击，接收方很有可能提取不出完整的水印。同理，当嵌 入水印的容量较大时，势必会对作为载体的数字多媒体作品造成某种程度的改 变，就会影响用户对于数字作品的理解，也就是破坏了数字水印系统的不可感知 性。数字水印的三个主要特性的相互关系如图2 2 所示： 不可感知性 鲁棒性 图2 - 2 数字水印三特性关系 f i g 2 2t h er e l a t i o n s h i pb c t w o g i lt h et h r e ef e a t u r e s o fd i g i t a lw a t e r m a r k j 总而言之，在研究和设计数字水印系统时，我们始终要围绕数字水印的这三 个特性来开展工作，根据不同的实际需求，在三个因素之间不断权衡，以满足用 户的要求。 除此之外，数字水印还具有其他一些特性，如可证明性和通用性等。可证明 性是指在数字多媒体文件中嵌入保护版权所有者的标志信息后，合法用户能够对 所嵌入的这些水印信息进行正确提取，以此来判断数字产品的知识产权所有者信 息，并且避免出现版权信息出现异议的情况，不能发生同一个提取水印对应不同 所有者的情形。而通用性是指一个优秀的数字水印方案应当能够应用于不同种类 的数字多媒体格式。 第二章数字水印技术 2 3 数字水印的分类 数字水印根据不同的角度可划分为多种类型，这些类型之间相互联系，存在 交叉内容。 ( 1 ) 按照嵌入水印是否可察觉 根据水印的是否可察觉性，可将水印分为可感知水印和不可感知水印，可感 知水印是人们从听觉或是视觉上能够感知到的水印，譬如嵌入在图像或者视频上 的标志版权的可见水印。不可感知的水印是人类听觉和视觉系统无法感知到的水 印，只有当合法的数字文件拥有者判断版权所有者信息以及检测文件是否遭遇篡 改时才从接收到的数据中提取出水印来。 ( 2 ) 按照嵌入水印的载体信息种类 按照嵌入水印的载体信息种类，把数字水印分为文本水印、数字音频水印、 数字图像水印以及数字视频水印等类型。 ( 3 ) 按照水印的内容 按照水印的内容，把数字水印划分为有意义水印和无意义的水印。如果嵌入 的水印没有实际的具体含义，比如说只是一组伪随机码或者甚至是o ，1 比特来标 识是否在数字多媒体作品中嵌入了水印，那么我们把这些水印称为无意义的水 印。无意义的水印不像有意义的水印那样，具有实际的直观形象，比如一幅图像， 一段音频信号，本身就是一段多媒体信息。有意义的水印不但更符合人们的习惯， 更能够在水印系统遭到攻击之后，帮助人们理解并判断不完整的水印信息。无意 义的水印不具备直观性的特性，因此研究有意义的水印更有实用价值。 ( 4 ) 按照水印嵌入位置 按照水印嵌入位置可以将数字水印划分为时间域( 空间域) 和变换域水印。 时间域或空间域水印是直接在音频或者图像等载体上加入水印信息。也就是 通过修改音频或图像的样本值来嵌入水印，典型的时域或空间域算法有最低有效 位算法。尽管时间域或空间域算法简单易于理解，且复杂度较低，但是不容易抵 抗各种攻击，因此主要应用在脆弱水印的方案中。 根据不同的变换域，变换域水印又可以细分为基于离散余弦变换( d c t ) 的水 印，基于离散傅里叶变换( d f t ) 的水印，基于离散小波变换( d w t ) 的水印，基于 哈德玛变换的水印，基于奇异值分解( s v d ) 的水印等。变换域水印的水印嵌入与 提取过程均在变换域中进行。由于变换域水印将水印能量均匀分散在不同频率区 间上，转换到时间域或是空间域后就遍布所有样本数据，因此其抵抗噪声与攻击 的能力较强。总体而言，变换域水印的鲁棒性要优于时间域或者空间域水印。 ( 5 ) 按照嵌入和提取水印过程中所用的密钥 9 北京化工大学硕士学位论文 在密码技术中，编码和解码过程所使用的密钥可以相同也可以不同，应用到 数字水印系统中来，可以把水印分为对称水印与不对称水印。目前研究的数字水 印算法多应用对称密钥，这对于版权保护来说存在一定的隐患，因为嵌入水印时 与提取水印时都应用相同的密钥，检测水印者必然使用密钥，一旦该密钥被不法 分子获取，那么就有可能将嵌入的水印信息篡改或者是消除，甚至是添加一个伪 造的版权信息，使得合法的版权所有者权益受到侵害。针对这个问题，结合密码 技术人们对于如何在水印系统中使用非对称的密钥进行了一些探索。主要思想就 是在水印嵌入时使用私钥，将私钥的一部分提取出来作为公钥，水印提取方利用 公钥来检测水印，由于只掌握部分密钥，因此也就无法对水印信息进行完全消除。 ( 6 ) 按照水印的提取方法 按照水印的提取方法，把数字水印分为盲水印、半盲水印以及非盲水印。盲 水印是指在水印的提取过程中无需原始水印信息，同时也无需原始的数字多媒体 文件，仅凭接收到的含有数字水印的信息和密钥即可检测或提取出所需水印；半 盲水印也是无需原始数字多媒体文件，但需要原始的水印，就能够检测或提取出 所需水印；非盲水印就是两者同时具备才能够从含有水印的数据中检测或提取出 水印。显而易见，盲水印最符合实际中应用的要求，但同时也增加了水印方案设 计的难度。 ( 7 ) 按照是否嵌入水印 按照是否嵌入水印可以把水印分为普通数字水印与零水印。普通的数字水印 是在要保护的数字载体信息中额外添加一些标识信息，势必对原有信息造成改 变，因而造成了不可感知性与抵抗攻击能力之间的矛盾。零水印与普通数字水印 不同的是，它不需要额外嵌入信息，而是利用自身的一些特征信息来形成水印， 因此也就不会造成原有信号的失真。 2 4 数字水印的主要应用领域 随着互联网技术的迅猛发展，数字多媒体信息的传播越来越容易，但是随之 而来产生了一系列问题，其中非常重要的一环就是如何应对日益猖獗的版权侵害 问题。与此同时，数字水印技术不断发展，逐渐成为信息安全领域的一支重要力 量。版权保护的要求成为了促进数字水印技术进步的重要因素，同时也是数字水 印技术实施的一个主要领域。 在当前这个信息时代，数量庞大的数字资源被人们创造出来，每一个数字作 品都凝结着创作者的心血与汗水，这些资源的价值通常难以被简单衡量。由于 i n t e r n e t 和数字多媒体制作技术的已经深入到日常生活中来，人们可以轻松获取 l o 第二章数字水印技术 或者复制这些数字资源，相对于作品凝聚着巨大的价值，对于信息的非法获取抑 或是非法传播可以称得上是相当容易。知识产权遭到破坏的后果众所周知，会极 大地打击创造者的原创积极性，长此以往必将形成恶性循环，带来残酷的结果。 因此这也成为了数字水印技术发展的重要原动力。在保护知识产权方面，数字水 印技术把能够证明所有者身份的标识作为水印嵌入到要保护的数字多媒体文件 中去，不但可以帮助合法的授权者判断数字文件的归属问题，更能够在数字作品 的传播过程中进行跟踪和监督。当数字作品被复制时，就能够修改复制次数的记 录，一旦复制次数超出了限定，那么该文件就无法继续在能够检测水印的媒体播 放器中播放。此外当用户被授权使用数字文件时，可以在其中嵌入包含该用户信 息的水印，一旦该用户未经许可向他人提供该数字文件的副本，那么从副本中能 够提取出非法提供者的信息，从而确定侵权行为的源头，进而制止侵权，追究责 任【3 7 1 。 数字水印主要的应用领域是保护数字多媒体信息的版权问题，除去这个主要 的应用方向，数字水印还具有另外广阔的发展空间，包含广播监视、信息标识【3 8 】 等内容。 数字音频水印可以应用在广播监视领域中，主要是在广播内容中添加一个特 定的音频标志，利用自动的检测以及统计设备，提取出水印信息。主要用于统计 广告的播放次数是否满足既定要求，此外还可以查看广播节目的来源，避免不经 授权而使用其它电台节目的行为。 数字音频水印同样可以作为音频文件的附加信息，包含有所有者信息，文件 类型，内容提示词等不同方面，帮助用户更好的搜寻与管理数字音频文件。 更为重要的是，数字音频水印可以嵌入一段不希望被他人获取的信息，由于 水印的不可感知性，没有经过授权的人员或机构很难从外表普通的数字音频文件 中察觉到是否含有隐藏信息，也就无从对保密数据进行截获与攻击。因而从这个 意义上来看，数字音频水印在保护隐秘信息的传播方面具有一定的作用。 2 5 本章小结 本章首先简要介绍了数字水印技术的基本原理，并给出了数字水印系统的模 型。设计数字水印系统必须对水印的三个重要特性予以了解，并试图在三者之间 找寻到一个最佳的平衡点。接下来对数字水印的分类和应用领域进行了介绍，为 研究音频数字水印打下了基础。 第三章音频数字水印系统 第三章音频数字水印系统 3 1 音频数字水印概述 随着数字化媒体的兴起，大量数字音像制品被大量制造并广泛传播。数字音 频制品就是其中一个重要的组成部分。当前音频作品的版权利益屡受侵害，因此 寻求一个合适的保护音频作品知识产权的方法的要求日益迫切。所谓音频数字水 印，就是将版权等一系列标识嵌入到数字音频文件中去，用于合法用户获取版权 信息，防止恶意侵袭者破坏版权标识，防止受保护的数字音频作品遭受非法复制 以及非法传播的一项信息安全技术。在数字音频的传播过程中引入水印，就是将 音频数字文件作为水印传播的载体，它具有使用跟踪，防止盗版，控制复制等一 系列作用，可以保证版权所有者信息不受侵害。此外还可用于保密信息的隐藏。 数字音频水印技术不仅涉及数字通信系统、数字信号处理技术，同样与密码 学以及信息安全技术乃至人类听觉系统存有密切联系，音频数字水印融合了多种 学科不同方面的内容，因此研究音频数字水印系统是一个极有发展前景的科研方 向。 与数字图像水印不同的是，由于人类听觉系统对于声音异常敏感，即使是微 小的噪声或者是改变都会造成水印的不可感知性受到影响，因此研究音频数字水 印技术更加具有挑战性。 3 1 1 数字化的音频信息 传统的音频信息是以模拟形式存在的，随着数字音频处理技术的兴起，越来 愈多的音频信号由模拟形式转换为数字形式进行存储与处理。模拟音频信号通过 模数转换成为数字音频信号，在转换过程存在两种主要的转换参考衡量指标， 即量化精度与采样频斟驯。 量化精度包含许多方式，比如八比特，十六比特等。如果对于音频信号的精 度要求不高，则采用较低比特率的量化方式，比如八比特的率量化方式。低精 度的量化方式通常会使原始音频信息产生比较大的变化，特别是在八比特的率 量化方式中。为了避免低精度的量化方式对用户的影响，一般我们采用十六比特 的量化方式，譬如大家经常使用的w a v 格式就是采用十六比特的量化方式。 w a v 格式是由微软公司提供的一种通用的音频文件格式，也是w i n d o w s 系统中 默认的音频文件保存格式之一。w a v 格式不仅可以存放未经压缩的音频数据， 1 3 北京化工大学硕士学位论文 等待对其进行进一步处理，而且它的使用方式十分灵活，还能保存图像数据，不 同类型的数据存放在不同的区域，通过自身的独立标志信息相互区别开来。w a v 格式就是一种量化精度较高的音频信息格式，可以保存相对较高质量的数据信 息。 由信号与系统的相关理论我们知道信号的最高频率是和采样频率相关联的， 根据奈奎斯特定理，采样频率必须大于信号最高频率的两倍，这样才能够确保在 采样过程中不丢失频率信息。对于采样频率为2 2 k h z 的音频水印系统，能够嵌 入水印信息的音频载体的最高频率分量不应当超过ll k h z 。 3 1 2 人类听觉系统 由于数字水印的一个重要特性是不可感知性，对于数字音频水印，就是要求 嵌入的水印不容易被听者分辨出来，因此必然要求我们对于人类听觉系统的特性 具备一定的了解。 人类听觉系统对于音频信号的敏感程度包括两个方面的因素，一是相位敏 感，对于音频信号的相对相位很敏感，而对绝对相位的影响不大；二是频率敏感， 人类听觉系统能够感知到的信号频率主要涉及2 0 h z 2 0 k h z 这个频率区间内，而 在此区间内又对3 0 0 3 4 k h z 的频率更加敏感，处在3 0 0 3 4 k h z 范围的音频信号 即使能量较小，也能让人类听觉系统比较容易的分辨出来。 人类听觉系统的另一个重要特性就是掩蔽特性。掩蔽特性包含时间域掩蔽和 频率域掩蔽。其中当时间域的音频信号中含有一个强音时，在此强音的前后的相 对较为微弱的音都会被掩盖掉，若一个较强音和较弱音出现在同一时间，那么较 强音也会掩盖掉这个较弱音。频率域的掩蔽是指在频率域中，在一段频率区间内， 包含两个不同强度的信号时，人类听觉系统往往只能感知到强度较强的信号而忽 略相近频率范围内的较弱信号。根据人类听觉系统的掩蔽特性，出现了一些掩蔽 嵌入水印的算法。 由于人类听觉系统对于声音的敏感度远胜于人类视觉系统对于图像的敏感 度，很大程度上限制了音频水印信息的