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基于提升小波变换和混沌加密的数字音频水印算法研究中文摘要 基于提升小波变换和混沌加密的数字音频水印算法研究 中文摘要 数字音频水印技术被认为是解决数字音频产品版权保护的有效途径，它在不影响 音频使用价值的前提下将版权标识信息嵌入到原始音频中，通过检测水印以证实音频 文件的版权和完整性。 本文主要研究了基于提升小波变换和混沌加密的音频水印算法。主要工作包括： 阐述了数字音频水印的相关基础知识，分析了当前音频水印的现状； 针对现有音频水印算法中存在的未充分考虑人类听觉系统特性的不足，根据掩蔽 阈值，自适应确定最佳嵌入强度，以保证嵌入隐藏信息对人耳的不可感知性； 针对当前基于传统小波变换的音频水印方案需卷积运算，计算复杂、耗时等问题， 引入小波变换的提升算法，以提高算法嵌入和提取水印的执行效率； 针对m 序列存在的相关函数呈现周期性等安全性不高的问题，采用改进l o g i s t i c 混沌映射产生密钥序列加密隐藏信息，有效改善了水印的安全性； 现有很多音频水印算法在检测水印时依赖于与原始水印信号的精确对齐，一旦嵌 入位置丢失，水印就很难被正确检测。针对这一问题，通过修改低频提升小波变换系 数的统计平均值来实现水印的嵌入，并添加同步信号，增强水印抗同步攻击的鲁棒性。 选取了5 种不同类型的音乐进行了仿真实验，并且与传统的基于d f t 、d c t 、 d w t 的音频水印方案进行了对比，结果表明本文方法具有更好的不可感知性和安全 性，且能够更加有效地抵抗各种常见信号处理攻击。 最后，提出了算法的缺点及未解决的问题，给出了进一步研究和改进的方向。 关键词：音频水印、多分辨率分析、小波提升算法、混沌加密、听觉特性 作者：吴俊 指导老师：陶智 r e s e a r c ho nd i g i t a la u d i ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do i ll i f t i n gw a v e l e tt r a n s f o r ma n dc h a o t i ck e y s a b s t r a c t r e s e a r c ho nd i g i t a la u d i o w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e d o nl i f t i n gw a v e l e tt r a n s f o r ma n dc h a o t i ck e y s a b s t r a c t d i g i t a la u d i ow a t e r m a r k i n gi sc o n s i d e r e da sa ne f f e c t i v ew a y t or e s o l v et h ec o p y r i g h t p r o t e c t i o no fd i g i t a la u d i op r o d u c t s i te m b e d st h el o g oi n f o r m a t i o ni n t ot h eo r i g i n a la u d i o a tt h ep r e m i s eo fn o ta f f e c t i n gt h eu s eo fa u d i os i g n a l c o p y r i g h ta n di n t e g r i t yo fa u d i of i l e c a nb ec o n f i r m e dt h r o u g hw a t e r m a r kd e t e c t i o n t h i sp a p e rf o c u s e so na na u d i ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mr e s e a r c hb a s e do nl i f t i n g w a v e l e tt r a n s f o r ma n dc h a o t i ce n c r y p t i o n m a i nw o r ki n c l u d e sa sf o l l o w s ： g i v i n gs o m ef u n d a m e n t a lk n o w l e d g er e l a t e d t o d i g i t a la u d i ow a t e r m a r ka n d a n a l y z i n gt h es t a t u sq u oo fd i g i t a la u d i ow a t e r m a r k ； s o m eo ft h ee x i s t i n ga u d i ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m sd i dn o tt a k ee n o u g ha c c o u n to f h u m a na u d i t o r ys y s t e m ，i na l l u s i o nt ot h i s ；w ed e c i d e dt h ee m b e d d i n gs t r e n g t hi nt e r m so f m a s k i n gt h r e s h o l dv a l u e sa d a p t i v e l yw h i c hc a ne n s u r et h a tt h ee m b e d d e di n f o r m a t i o nc a r l n o tb ep e r c e i v e db yh u m a n e a r s ； a u d i ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mu s i n gc l a s s i c a lw a v e l e tt r a n s f o r mm u s tb ec a l c u l a t e d b yc o n v o l u t i o n , w h i c hn e e d sb i ga n dc o m p l e xc o m p u t a t i o n sa n dt a k e sal o to ft i m e t o m a k eo u ra l g o r i t h mm o r ee f f e c t i v ew ei n t r o d u c ew a v e l e t l i f t i n gm e t h o d ； a sw ek n o wt h a tt h ec o r r e l a t i o nf u n c t i o no fm s e q u e n c ec a nb ep e r i o d i c t h i sc a l l r e d u c et h es a f e t yo fd i g i t a la u d i ow a t e r m a r k t h e r e f o r ew ee m p l o ym o d i f i e dl o g i s t i cc h a o s m a p p i n gt oe n c r y p tt h es e q u e n c e st ob e h i d d e nw h i c hc a nf e a t u r e b e t t e rs e c u r i t y p e r f o r m a n c e ； m o s td e t e c t i o no fp r e s e n ta l g o r i t h m sw a sd e p e n d e n to nt h ee x a c ta l i g n m e n to fs i g n a l o fo r i g i na n dt ob ed e t e c t e d o n c et h ep o s i t i o nw a sl o s tb yr a n d o mc r o p p i n g ，t h e nt h er i g h t w a t e r m a r kc a n n o tb ed e t e c t e d s i m p l y b e f o r ee m b e d d i n gw a t e r m a r k ，w ea d d a s y n c h r o n i z a t i o nc o d ew h i c hm a k e st h ew a t e r m a r ks e l f - s y n c h r o n i z e da n de m b e dw a t e r m a r k l i r e s e a r c ho nd i g i t a la u d i ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do nl i f t i n gw a v e l e tt r a n s f o r ma n dc h a o t i ck e y sa b s t r a c t i n t ot h es t a t i s t i c a le x p e c t a t i o no fs u b b a n dc o e f f i c i e n t si nl i f t i n g w a v e l e td o m a i nw h i c hc a l l m a k eo u ra l g o r i t h mm o r er o b u s ta g a i n s ts y n c h r o n i z a t i o na t t a c k s ； s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sw e r eu n d e r5d i f f e r e n tt y p e so fm u s i c ，c o m p a r i s o n sw i t h t r a d i t i o n a ls c h e m e sb a s e do nd f t , d c t , d w tw e r em a d ea sw e l l e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a to u rm e t h o dh a sb e t t e rt r a n s p a r e n c ya n ds e c u r i t yp e r f o r m a n c e ，a n di ti sm o r e r o b u s ta g a i n s tv a r i o u sc o m m o ns i g n a lp r o c e s s i n ga t t a c k s ； a tl a s t ，t h ed i s a d v a n t a g ea n du n r e s o l v e dq u e s t i o n so ft h ep r o p o s e da l g o r i t h mw e r e g i v e na n dw ed i s c u s s e dt h ed i r e c t i o no ff u r t h e rs t u d y k e y w o r d s ：a u d i ow a t e r m a r k i n g ，m u l t i r e s o l u t i o na n a l y z e ，w a v e l e t - l i f t i n ga l g o r i t h m ， c h a o t i ck e y s ，h u m a na u d i t o r yp r o p e r t i e s i i i w r i t t e n b y w uj u n s u p e r v i s e db y t a oz h i 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 其他个人或集体己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：是堑垒 日期：丝习牟盆兰哆 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：丛 日 导师签名： 日期： 砂膨 基于提升小波变换和混沌加密的数字音频水印算法研究第一章序言 第一章序言 1 1 数字音频水印的研究背景及意义 计算机网络和多媒体信息处理技术的迅速发展使得数字化产品可以方便地制作、 存储和传输。这给人们带来了很大的便利，但也导致了大量非法使用问题的出现，严 重损害了所有者的知识产权( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s ) 。最初人们在发送数字作品前 先对其进行加密，合法的用户可以利用密钥来解密，对于非法用户来说，文件毫无用 处。密码系统可以保护内容的传输，却无法跟踪合法消费者怎样处理解密后的内容， 加密后的文件由于不可理解而妨碍了数字化信息的传播。传统的加密手段在一定程度 上制约着数字多媒体的广泛应用【1 】。人们开始寻找一种解密以后仍能够得到保护的方 案，以信息隐藏技术为核心的数字水e o ( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 技术应运而生【二5 1 。它将 具有确定性和保密性的信息有意识地嵌入到数字作品中，并作为原始数据的一部分保 留在其中，且不影响原始数字作品的使用价值1 6 , 7 】。即使在数字作品受到破坏或解密 之后仍可利用它来跟踪数据的复制和传输，用于证实数字作品的版权归属，从而达到 对数字作品的有效保护。 数字音频水印技术就是基于数字音频作品的版权保护而被提出的。与图像水印以 及视频水印不同，它利用人耳听觉感知系统的特性，在不影响原始音频信息格式和质 量的前提下将水印信息隐藏到音频信息中【8 l 。由于入耳的听觉系统比视觉系统更加敏 感，这使得在音频中嵌入隐藏信息难度更大。 数字音频水印是一个多学科高度交叉的新兴研究领域，它涉及了信号处理、密码 学、数学理论、通信理论、编码理论、数据压缩和人类听觉理论等多门学科。随着数 字音频水印技术的发展，其应用领域已经超出了版权保护的范畴，主要领域有3 】： 1 ) 版权保护 数字音频水印技术产生的最初源动力就是版权保护，将标志作品所有权的水印嵌 入到数字音频文件中，水印只为版权所有者所知，并能抵抗常见的信号处理和蓄意攻 击。目前已有许多用于版权保护的音频水印算法【1 4 19 1 。 基于提升小波变换和混沌加密的数字音频水印算法研究第一章序言 2 ) 隐蔽通信 把秘密信息嵌入到公开的音频中，利用公共网络来进行传输【2 0 ，2 1 1 。由于嵌入秘密 信息的数字音频在主观听觉上并未发生变化，攻击者很难察觉到秘密信息的存在。因 而传输的信道也是秘密的，这将有效减少遭受攻击的可能性。 3 ) 广播监控 将各不相同的水印嵌入到各个音乐片段中，并设立一个自动监控的接收站，用以 接收监控电台播放的影片或声音等媒体，并自动在媒体中搜寻这个唯一的音频水印， 这样便可以确切知道这些媒体被播放的时间、次数等相关信息2 2 ，2 3 。 4 ) 信息篡改检测 把水印嵌入到数字音频中，通过水印来判断数字音频是否已被篡改2 4 1 。 5 ) 使用控制 在数字信息中嵌入特定的控制信息，只有满足条件的使用者才能访问含水印的数 据。最近的h dd v d 产品测试已计划利用音频水印来保护产品的版权2 5 1 。 6 ) 数字指纹 为了避免数字音频产品被非法复制，可在每个产品拷贝中分别嵌入不同的水印 ( 数字指纹【2 6 】) 。如果发现未经授权的拷贝，可通过检索指纹来追踪其来源，达到信 息取证( i n f o r m a t i o nf o r e n s i c s ) 的目的。 7 ) 数据库内容注释【9 】 对于包含有大量音频数据的数据库，可以将含有数字产品内容信息的水印嵌入到 音频数据中，实现特征定位和识别，不需要额外的带宽，且标注信息不易丢失。 1 2 国内外相关领域的研究现状 数字水印技术是作为保护多媒体信息版权而发展起来的一项新兴技术，v a n s c h y n d e l 在i c i p 9 4 会议上发表的文章“ad i g i t a lw a t e r m a r k ”口丌，是第一篇在主要 会议上发表的关于数字水印的文章，阐明了一些关于水印的重要概念，被认为是一篇 具有历史价值的文献【2 8 1 。数字水印技术早期主要用于数字图像水印领域，此后研究人 员将其扩展到音频和视频等领域。自诞生至今也不过十几年的时间，其理论体系和方 法还较不完善，到目前为止，尚有很多技术难题和未知领域。 2 基于提升小波变换和混沌加密的数字音频水印算法研究第一章序言 ( 1 ) 国外研究现状 国外学术界高度关注对信息隐藏和数字水印技术的研究，自从1 9 9 6 年在英国剑 桥召开了第一届国际信息隐藏学术研讨会后，至今已经分别在英国、美国、德国、荷 兰等地举办了十届国际信息隐藏学术研讨会。 大量有关数字水印的文章和专题相继发表，几个有影响的国际会议，如i e e e i c i p ，i e e ei c a s s p ，a c mm u l t i m e d i a 等；还有一些国际权威杂志，如p r o c e e d i n g so f i e e e s i g n a lp r o c e s s i n g ，i e e e j o u r n a lo fs e l e c t e da r e a so nc o m m u n i c a t i o n ， c o m m u n i c a t i o no f a c m 等都相继出版了数字水印专辑。 世界著名大学和研究机构，如美国m i t 大学，英国剑桥大学、i b m 、n e c 、s o n y 、 p h i l i p s 、微软等，都在加速对数字水印技术的研究。已经有公司推出了一些软件产 品【2 9 1 ，如a d o b es y s t e m s 公司在a d o b ep h o t o s h o p4 0 中安装了标准数字水印软件；新 出现的视频压缩标准m p e g 一4 ( i s oi e c1 4 4 9 6 ) 提供了一个易于将密码和数字水印结 合起来的体制；d v d 工业标准包含拷贝控制和版权保护机制【2 5 】，利用数字水印来表 明多媒体数据的可拷贝状况。 1 9 9 6 年，b e n d e r 3 0 1 等首次提出了l s b 编码、回声编码、扩频编码和相位编码等 四种算法，b o n e y 等7 1 将c o x 方案应用到音频信号中，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和完善，但现有技术与真正能有效保护知识产 权的目标仍有距离。从综合性能上讲，变换域方法更加优越一些，是今后发展的主要 方向。 ( 2 ) 国内研究现状 国内的研究虽然较国外起步晚，但随着学术交流的不断加快和研究人员的共同努 力，我国一些科研机构也已投入到这一领域的研究中来。1 9 9 9 年1 2 月，我国召开了 第一届全国信息隐藏研讨会( c i h v ) 。并于2 0 0 0 年6 月、2 0 0 1 年9 月、2 0 0 2 年8 月、 2 0 0 4 年1 1 月、2 0 0 6 年8 月、2 0 0 7 年1 1 月、分别在北京、西安、大连、广州、哈尔 滨、南京等地召开了第二至七届研讨会。 2 0 0 0 年1 月，由国家”8 6 3 ”智能机专家组和中科院自动化所模式识别国家重点 实验室组织召开了数字水印学术研讨会，来自国家自然科学基金委员会、国家信息安 全测评认证中心、中国科学院、清华大学、上海交通大学、北京大学等单位的专家学 基于提升小波变换和混沌加密的数字音频水印算法研究第一章序言 者和研究人员深入讨论了数字水印的关键技术，报告了各自的研究成果。2 0 0 4 年， 成都宇飞信息工程有限责任公司率先开发出国内外第一个印刷打印数字水印软件并 在信息安全、防伪、版权保护、电子政务等领域投入了商业化应用。该项目的实旋标 志着我国数字水印技术的研究己经进入了商业化、产业化发展的阶段。近几年，关于 数字音频水印的学术研究论文一直在不断增加。总体上看，我国相关的研究与世晃水 平同步，而且有自己独特的研究思路。 1 3 当前数字音频水印研究存在的问题 与图像和视频数据相比，音频信号在每个时间间隔内采样的点数要少得多，加之 人的听觉系统比视觉系统要敏感，水印嵌入后要不为人耳所感知，相对较为困难。数 字音频水印技术仍有以下问题有待深入研究【3 u ： 1 ) 数字音频水印方法中还没有出现例如图像l e n a 这样的标准测试样本，给客观评 价水印的性能带来了困难； 2 )目前尚未出现能够评价数字音频水印算法性能的统一标准：如信噪比与不可感知 性之间的定量关系、归一化相关函数值与可靠检测之间的定量关系等； 3 ) 基于传统小波变换的音频水印算法需要通过卷积完成，计算复杂、运算速度慢、 对内存的需求量较大【3 2 1 ，制约水印方案走向实用化； 4 ) 现有大部分的音频水印算法，都不同程度存在水印容量小、提取水印需要原始音 频、算法计算量大以及未充分考虑人类听觉系统( h a s ) 特性等一系列不足之处。 如何充分利用h a s ，改善水印隐蔽性与稳健性，增大嵌入强度仍是目前音频水印 算法的重要发展方向； 5 ) 同步问题是数字音频水印需要解决的关键问题之一。虽然现在已经有不少算法能 够很好的抵抗一般的信号处理攻击，但音频信号采样点的数量发生变化或偏移 时，如何判别水印的嵌入位置便成了正确提取水印信息的前提条件；已有不少学 者提出一些同步方法【3 3 ，3 4 1 ，但仍然还有很多需要改进之处。 4 基于提升小波变换和混沌加密的数字音频水印算法研究第一章序言 1 4 本文的主要研究内容 本文主要研究基于提升小波变换和混沌加密的音频水印算法。针对上述1 3 中的 问题( 3 ) ，将小波提升算法引入数字音频水印嵌入和提取方案，以提高算法的执行效 率；针对1 3 中的问题( 4 ) 在设计水印嵌入方案时，结合人耳的听觉特性自适应确 定水印嵌入强度，保证嵌入隐藏信息对人耳的不可感知性；针对1 3 中的问题( 5 ) 基于稳定水印( i n v a r i a n tw a t e r m a r k ) 的思想寻找一个对各种攻击不敏感的物理量来嵌 入隐藏序列，通过修改低频提升小波变换系数的统计平均值来实现水印的嵌入，并且 在水印信息前添加同步信号，使得水印具有自同步能力；同时采用了混沌映射产生密 钥序列来加密隐藏信息，有效提高了隐藏信息的安全性；提取水印过程不需要原始音 频信号，实现了水印信息盲提取。内容安排如下： 第1 章：介绍了课题的背景与研究的意义，以及国内、国外的研究现状； 第2 章：概述了数字音频水印的基本概念、模型、分类，并介绍了几种典型的音 频水印算法，以及常见的音频水印攻击方式和的评价标准： 第3 章：研究了听觉掩蔽效应及其相关的计算，以及如何将其应用于水印嵌入强 度的自适应确定； 第4 章：分析了小波变换的多分辨率思想，及其提升算法； 第5 章：提出了一种基于提升小波变换和混沌加密的音频水印算法，并给出了水 印的嵌入与提取方法。 第6 章：对本文中的算法进行了仿真实验，并与几种水印算法的性能进行了对比 和分析； 第7 章：对本文所做的工作进行了总结，并指出不足之处及下一步的研究重点。 基于提升小波变换和混沌加密的数字音频水印算法研究第二章数字音频水印概述 第二章数字音频水印概述 2 1 数字音频水印基本知识 一般来说，数字音频水印是在不影响原始音频质量的条件下，通过一定算法在数 字音频中嵌入具有特定意义且易于提取的信息技术【l 。被嵌入的信息可以是版权标识 符、作品序列号、图像等。与传统密码学相比，水印一直存在于宿主音频中，可以一 直对音频作品提供保护，而传统加密在解密之后就不再受到任何保护【3 3 】。 具有版权保护功能的数字音频水印除应具备信息隐藏技术的一般特点外，还应具 备如下几个基本特性【3 5 j ：较强的鲁棒性，水印信息在一般的信号处理、几何变换以及 恶意攻击后，仍然能被正确提取；透明性，水印在嵌入后不应引起被保护音频明显的 听觉质量退化；确定性，水印所携带的版权信息能够被唯一确定。一个完整的数字音 频水印系统的框架如图2 1 所示 3 6 】： 图2 1 数字音频水印系统 代表用户特定信息的水印数据被嵌入到原始音频信号中，音乐发布时，嵌入水印 的音频可以用与原始音频信号相同的方式传输、存储和使用。任何已有的音频播放器 都可以顺利地播放嵌入水印的音频信号而不需作任何改变。通过水印提取步骤可以从 含水印音频中检测嵌入的附加水印数据。 传输噪声 图2 2 数字通信系统框图 图2 2 为经典的数字通信系统原理框图，包括编码器、调制器、解调器、解码器 6 基于提升小波变换和混沌加密的数字音频水印算法研究 第二章数字音频水印概述 四个功能模块。从理论的角度看，水印的嵌入实质上等同于通信中的调制器，水印的 提取实质上等同于通信中的解调器。而传输噪声则等同于嵌入水印的音频可能受到的 各种信号处理攻击。许多通信领域的理论和技术可以有效地应用到信息隐藏及数字水 印技术中，但一个水印信道和一个经典的通信信道还是有重要区别的【3 3 】： ( 1 ) 由各种信号处理以及攻击引起的噪声本质不同而且难以建模描述。 ( 2 ) 对水印信号的约束是由人的感知系统决定的，这比传统通信中简单的l 2 模 型复杂得多而且至今尚未被人们完全理解。这些区别使通信理论和信息论中的很多理 论结果难以直接应用到水印技术中。 2 2 数字音频水印的分类 按照不同的标准，对于音频水印，通常有如下的分类【3 7 】： 1 ) 根据水印信号的内容可以分为无意义水印和有意义水印： 无意义水印信号通常是伪随机实数序列、伪随机二值序列及混沌序列等，检测时 需利用原始水印信号进行相关性检测，判断水印是否存在的；有意义水印通常是有意 义的图像、文本、声音等，其显著特点是所提取的水印非常直观，不需要再利用原始 的水印信号进行相关性判断【3 8 】。 2 ) 按照水印抗攻击的能力可以分为脆弱水印和鲁棒水印： 脆弱水印是指对常见信号处理操作比较敏感的水印。只要嵌入水印的信号稍被修 改，嵌入其中的水印就会变化或消失。脆弱水印主要通过提取出水印的完整性来证实 产品的完整性和真实性3 9 削】。鲁棒水印则要求对常见的信号处理攻击具有较好的鲁棒 性。有些水印系统将鲁棒水印和脆弱水印结合起来，用鲁棒水印进行版权认证，用脆 弱水印进行完整性认证【1 9 , 4 5 - 5 0 。 3 ) 按照嵌入信息的容量可以分为1 比特水印和多比特水印： 1 比特水印是指嵌入的水印信息没有具体的含义，检测结果只分为有水印和无水 印两种情况；多比特水印是指嵌入的水印信息具有一定的含义。如版权、产品标识码、 出版时间等。多比特水印方案更具有实际应用价值【5 1 】。 4 ) 按照水印检测的方式可以分为盲水印和非盲水印： 盲水印也称为公有水印，是指检测时不需要用到原始宿主的数据，水印的提取只 基于提升小波变换和混沌加密的数字音频水印算法研究第二章数字音频水印概述 由含水印的音频信息本身决定【4 习；非盲水印是指检测时需要用到原宿主的数据，因此 只能由原始作品的持有者进行检测，而且生成的水印难以被伪造。 5 ) 按照水印的嵌入过程是否可逆可以分为对称水印和非对称水印： 对称水印是指嵌入与检测的过程是互逆的。如果已知检测原理就能够轻易地删除 水印，所以检测算法是不公开的；非对称水印是指检测算法公开，但无法根据检测算 法去除己嵌入的水印。 6 ) 按照水印嵌入的位置分为时域水印和变换域水印： 时域水印的嵌入通过修改原始音频数据的时域采样值实现。典型时域算法有最不 重要位算法、回声隐藏算法等；变换域算法是通过数学变换，将一个域内的数字信号 映射到另一个域内。典型的算法有离散傅里叶变换( d f t ) 、离散余弦变换( d c t ) 、倒 谱变换、离散小波变换( d w t ) 等算法。 2 3 典型数字音频水印算法 数字音频水印的算法有很多种，目前公认比较成熟的音频数字水印技术有：最不 重要位法，回声隐藏方法，相位编码方法，扩展频谱方法，变换域算法等。 1 ) 最不重要位方法 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 ) 是一种最简单的数据嵌入方法。任何 的秘密数据都可以看作是一串二进制位流，而音频文件的每一个采样数据也是用二进 制数来表示，将每个采样值的最不重要的二进制位用代表秘密数据的二进制位代替， 实现在音频信号中嵌入秘密数据的目的。嵌入和提取算法简单，速度快，音频信号里 可编码数据量大，但对信道干扰及数据操作的抵抗力很差。 2 ) 回声隐藏法 回声隐藏( e c h oh i d i n g ) t 5 2 , 5 3 1 是利用引入回声来将秘密数据嵌入到载体中。载体数 据和经过回声隐藏的隐秘数据对于人耳来说，前者就像是从耳机里听见的声音，没有 回声，而后者就向从扬声器里听到的声音由所处的空间产生的回声。因此，回声算法 与其他方法不同，是将秘密数据作为载体数据的环境条件，而不是当作随机噪声嵌入 到载体数据中，所以这种方法具有很好的透明性和稳健性。但缺点在于易被第三方察 觉，信道噪声、人为篡改都会降低水印的正确提取率。 8 基于提升小波变换和混沌加密的数字音频水印算法研究 第二章数字音频水印概述 3 ) 相位编码法 相位编码方法( p h a s ec o d i n g ) 5 4 】也是一种较为有效的编码方法。它充分利用了人 类听觉感知系统( h a s ) 对声音绝对相位不敏感及其对相对相位敏感的特性【5 5 】。基于这 个特点，用代表秘密数据位的参考相位替换原载体音频段的绝对相位，并对其它音频 段进行相应调整，以保持各段之间的相对相位不变。根据通信理论，相位调制对噪声 信号具有较强的鲁棒性，但缺点是对音频压缩算法敏感。 4 ) 扩展频谱法 扩展频谱( s p r e a ds p e c t n 】m ) 水印算法【5 6 ，5 7 1 是借鉴扩频通信的思想，将水印信息扩 频到整个可听频谱范围内，将载体信号与水印和p n 序列一起调制，产生的随机序列 被扩频后加入原来的音频信号中。直序扩频编码( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m e n c o d i n g ，d s s s ) 是一种常见的方法。d s s s 中用一个伪随机数发生器来编码和用相同 的伪随机数发生器来解码。理想伪随机码具有类似白噪声的性质，它在频率范围内有 良好的频率响应。d s s s 产生了音频的附加随机干扰。应该弱化扩频码至大约原音频 文件动态范围的0 5 。 5 ) 变换域算法 变换域算法目前主要集中在d f t 域【5 3 】，d c t 4 5 ，5 9 1 域、d w t 域1 6 0 ，水印鲁棒性 较高，具有较好的不可感知性，隐藏信息量也大。基本是通过对原数据进行变换，根 据所嵌入的水印调整变换系数，再用反变换映像到空域，接收方通过相应的变换来恢 复或检测水印。 一般说来，空( 时) 域算法通常计算复杂度较低，运算速度快，但水印比较脆弱； 变换域算法复杂度较高，水印有较好的鲁棒性，是目前研究的热点。 6 ) 其他水印算法 也有文献提出一些新颖的算法，文献 6 1 , 6 2 提出一种将水印嵌入b a r k 子波变换系 数中，由于b a r k 子波变换是符合人耳听觉特性的，因此该算法能够在获得较好鲁棒 性的同时，不为人耳所感知；文献【6 3 】提出了一种基于d w t 的音频“零水印”算法。 2 4 数字音频水印攻击分析 音频数字水印技术要真正地应用到实际的版权保护、内容认证等领域必须考虑系 9 基于提升小波变换和混沌加密的数字音频水印算法研究第二章数字音频水印概述 统可能受到的各种攻击【6 4 1 ，下面介绍一些常见的攻击方法： 1 ) 线性或非线性滤波：滤除不需要的频率成分，例如：高通滤波、低通滤波、带通 滤波、带阻滤波等。 2 ) 量化精度变换：为适应不同的硬件播放条件，或者与不同量化精度的音频合成为 同一段音频，都需要改变音频信号的采样精度。 3 ) 采样频率变换：为适应不同的硬件播放条件，或与不同采样频率的音频合成为同 一个音频，都需要变换采样频率。 4 ) 添加噪声：可以加入高斯噪声或者有色噪声，影响水印的正确提取。 5 ) 压缩编码：m p 3 压缩算法充分利用了人类听觉模型，去掉了人耳听不到的信息， 而这正是某些水印算法加水印的位置。 6 ) 即同步攻击：对音频信号进行裁剪或伸展，可以破坏其原始结构，造成水印嵌入 位置丢失，使得水印无法正确提取，但却不会影响声音的质量。 7 ) 多拷贝平均：对同一个音乐作品的多个发行版本进行数值平均，利用水印的随机 性去除水印。 8 ) 多重水印攻击：攻击者使用自己的算法在音频数据中添加水印，即使这种操作不 能破坏真正的水印，也会造成水印标识的困难。 2 5 数字音频水印评价标准 ( 1 ) 主观评价 主观评价以人为主体来评价嵌入水印音频的质量。主观评价方法符合人类听话时 对语音质量的感觉，目前得到了广泛的应用的评价方法有： 1 ) 主观区分度( s d g ，s u b j e c t i v ed i f f e r e n c eg r a d e s ) 在i t u rb s 1 1 1 6 中定义了一个主观评分标准s d g 。将原始音频和含水印音频播 放给接受测试的评听人，让他们区分两者之间的差别并按照主观区分度s d g 打分， 结果加以平均作为主观听觉测试的评价标准。显然若得分为零或接近于零意味着两个 音频数据之间几乎没有差别。s d g 分值的含义【3 3 】如表2 1 所示： 1 0 基于提升小波变换和混沌加密的数字音频水印算法研究第二章数字音频水印概述 表2 1s d g 评分标准 s d g 得分描述 0 0 不可感觉 1 o 可感觉但不刺耳 2 0 轻微刺耳 3 o刺耳 4 0非常刺耳 2 ) 平均意见得分( m o s ，m e a no p i n i o ns c o r e ) 平均意见得分法是由c c i t t 推荐的主观评价方法，用于对嵌入水印音频整体听 觉质量的评价。m o s 采用5 级评分标准，得分为5 或接近于5 说明水印嵌入前后的 两个音频数据之间几乎没有差别。如表2 2 所裂3 4 】： 表2 2m o s 评分标准 m o s 得分音频质量描述 5 o 优异 相当于在专业录音棚的录音质量，语音非常清晰。 4 0良相当于长距离p s t n 网上的语音质量，语音自然流畅。 3 o 由 达到通信质量，听起来仍有一定困难。 2 o 差语音质量很差，很难理解。 1 0 极差语音不清楚，基本被破坏。 由于主观上和客观上的种种原因，不同实验者对同一音频的评价不尽相同，为了 消除主观和客观的因素，保证对被测试音频有一个中肯的评价，每次测试的评听人数 要足够多，测试环境也要尽量保持相同，所测音频材料也应足够丰富。 ( 2 ) 客观评价 客观评价【6 5 】作为一个可以定量评价数字音频水印的标准，在性能评价中占有十 分重要的地位。常用的客观评价方法有： 1 ) 信噪比( s n r ，s i g n a l - t o n o i s er a t i o ) 如果把嵌入的水印信号看作是加载到原始音频信号上的噪声，则可以通过计算信 噪比来衡量嵌入的水印信号对音频信号的影响程度。假设原始音频信号即宿主信号为 口( 玎) ，嵌入水印的音频信号为aw ( 玎) ，则信噪比表示为： 基于提升小波变换和混沌加密的数字音频水印算法研究第二章数字音频水印概述 | 一l a ( ”) 2 1 0 刈0 9 1 0 一 ( 2 1 ) 其中n 为音频信号的总采样点数，s n r 的单位是d b 。 2 ) 峰值信噪比( p s n r , p e a ks i g n a l - t o n o i s er a t i o ) 在宿主信号口( 门) 中嵌入水印信号之后，通过观察其峰值信噪比也可以定量地评价 隐秘信号的透明性。峰值信噪比的计算公式为： p s n r = 1 0 x l 0 9 1 0 一 ( 2 - 2 ) 其中口( ，z ) 是嵌入水印的音频信号，n 为音频信号的总采样点数，p s n r 的单位是d b 。 3 ) 归一化相关系数( n c ，n o r m a l i z e dc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t ) 为检验提取的水印信号与嵌入的水印信号之间的相似性，一般可通过计算它们的 归一化相关系数来判定，表达式为： n c ( a ，a ) = ( 2 3 ) 其中，a ( m ，2 ) 为原始水印图像，a ( 朋，门) 为提取出的水印图像，r 为二维水印图像的 行数，c 为水印图像的列数。 4 ) 误码率( b e r ，b i te r r o rr a t i o ) 水印算法的鲁棒性还可用提取出的水印误码率( b e r ) 来衡量。将提取出的水印与 原始水印逐位进行比较，最后得出提取出的水印与原始水印不相同的位所占整个水印 数据长度的百分比，也就是提取出的水印的错误率。设原始水印序列w ( 以) 、提取出 的水印序列w ( 疗) 长度为b ，则b e r 按如下公式计算： 。 1 掣l1 ，w ( n ) ”、 麟= 吉x l o o x 萎饼( 荔_ w ，w t ( n 甩) ) ( 2 - 4 ) 0 b 智i ，w ( 咒) = w ( 甩) 5 ) 归一化汉明距离( n h d ，n o r m a l i z e dh a m m i n gd i s t a n c e ) 、- 、 聆 b 蹦 _ 口 、j 胛m ，l 口 脚川c l 基于提升小波变换和混沌加密的数字音频水印算法研究第二章数字音频水印概述 对于水印信号为二进制序列的情况，可以通过计算提取的水印信号w ( n ) 与原始 的水印信号w ( ) 之间的归一化汉明距离来检测其相似性。假设水印序列的长度为n ， n h d 的计算公式如下： 叻= 专萎w ( 甩) 。w ，( 功 ( 2 5 ) 6 ) 相似性度量( s i m ，s i m i l a r i t y ) 为检验提取的水印信号与嵌入的水印信号之间的相似度，还可通过计算它们的相 似度来判定，表达式为： a ( m ，n ) x a ( 聊，2 ) s i m ( a ，a 7 ) = 型丁一 ( 2 6 ) 口2 ( m ，门) 其中，a ( m ，胛) 为原始水印图像，日( 聊，n ) 为提取出的水印图像，r 为二维水印图像的 行数，c 为水印图像的列数。 7 ) 计算复杂度 对于各种应用和要求的水印算法，计算复杂度是考证水印算法是否合适的一个重 要指标，但不同的应用范围对计算复杂度的具体要求有所不同。 除了以上几种客观评价方法外，对数谱距离、l p c 倒谱距离、巴克谱、m e l 谱等 都是经常用于音频质量客观评价的几种重要方法。在这类测度中，若测度计算结果取 值越小，说明失真音频与原始音频越接近，即音频质量越好。 2 6 本章小结 本章主要介绍了数字音频水印的基本概念、模型以及分类，并简要介绍了现有的 几种比较成熟的音频数字水印算法的基本思想，在此基础上给出了一些用于音频水印 的攻击方法，以及评价标准。 基于提升小波变换和混沌加密的数字音频水印算法研究第三章人耳听觉系统对声音的感知特性 第三章人耳听觉系统对声音的感知特性 人耳的听觉系统非常复杂，对不同强度、频率声音的听觉范围称为声域。在人耳 的声域范围内，影响声音听觉心理主观感受的因素主要有响度、音高、音色等特征和 掩蔽效应、高频定位等特性。相比其他因素，人耳掩蔽效应更重要，它是心理声学的 基础。下面着重介绍人耳的听觉掩蔽效应和掩蔽阈值的计算，以及如何将这一特性用 于确定水印嵌入的最佳强度以保证嵌入的水印信号不为人耳的听觉系统所感知。 3 1 人耳的听觉掩蔽效应 心理声学中的听觉掩蔽效应是指一个较弱的声音( 被掩蔽音) 的听觉感受被另一 个较强的声音( 掩蔽音) 影响的现象6 6 ，6 7 1 。例如，工厂机器噪音会淹没人的谈话声音， 此时被掩蔽掉的不可闻信号的最大声压级称为掩蔽门限或掩蔽阂值( m a s k i n g t h r e s h o l d ) ，在这个掩蔽阈值以下的声音将被掩蔽掉。图3 1 给出了一个具体的掩蔽 曲线。 o 0 2 0 1 0 5 1 5 1 0 2 0 图3 1一个l k h z 掩蔽声的掩蔽曲线 并非所有的声音都能被入耳听到，这取决于声音的强度和其频率范围。一般人可 以感觉到2 0 h z 2 0 k h z 、强度为5 一- , 1 3 0 d b 的声音信号。图中最底端的曲线表示最小 可听阈曲线，即在安静环境下，人耳对各种频率声音可以听到的最低声压，可见在 1 4 加酏 柏 加 o 基于提升小波变换和混沌加密的数字音频水印算法研究 第三章人耳听觉系统对声音的感知特性