（计算机软件与理论专业论文）数字音频水印算法的研究.pdf

摘要 随着网络技术的飞速发展，以及媒体资源的数字化，使得盗版问题和版权纠 纷成为一个迫切需要解决的社会问题。数字水印技术被公认是目前解决版权问题 的一种有效方式，被国际学术界广泛关注。 本文首先阐述了本课题的研究背景和意义，介绍了数字水印的相关概念、分 类。同时，针对数字音频水印，详细介绍了其特点、常见算法、攻击和评价标准。 本文首先改进实现了基于小波变换的音频水印算法。该算法首先对水印图片 进行了置乱预处理，对音频信号进行小波变换，在低频系数量化嵌入水印信息。 实验表明该算法鲁棒性较好。 最后，通过对已有算法的分析，提出了一种基于均值量化的小波域自同步数 字音频水印算法。该算法是一种盲水印算法，水印提取不需要原始音频信号的参 与。算法设计中运用了均值量化的策略，音频信号小波分解后，在低频系数中隐 藏水印信息；引入了同步信号的思想，利用同步信号定位水印隐藏位置。实验表 明，该算法具有较强的鲁棒性、抗攻击性、抗裁剪性，算法设计是完全成功的。 关键词：音频水印，小波变换，均值量化，同步信号 a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g y h o w e v e r ，t h ep r o b l e mo fp i r a c y a n dc o p y r i 曲td i s p u t e sh a v eb e c o m ea nu r g e n ts o c i a lp r o b l e mn e e d e dt ob er e s o l v e d t h ed i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yh a sb e e ng e n e r a l l ya c k n o w l e d g e da sa n e f f e c t i v ew a yt os e t t l ec o p y r i e h ti s s u e s ，a n dh a sb e c o m eah o ts p o to fr e s e a r c hi nt h e i n t e r n a t i o n a la c a d e m i cc o m m u n i t y t h i se s s a y p r e s e n t st h ea l g o r i t h mo fa u d i ow a t e r m a r k i n gb a s e do nw a v e l e t t r a n s f o r m a t i o n t h ea l g o r i t h m f i r s t l y s c r a m b l e st h ep i c t u r eo fw a t e r m a r kf o r p r e - p r o c e s s i n g ， m o r e d e c o m p o s e si n t o w a v e l e tt r a n s f o r mf o ra u d i os i g n a l ， t h e nt h ea l g o r i t h me m b e d sw a t e r m a r k st h r o u g ht h el o w f r e q u e n c yc o e f f i c i e n t so f w a v e l e td e c o m p o s i t i o n ，a n dc a r r i e so u tas i m u l a t i o ne x p e r i m e n to ft h ea l g o r i t h m f i n a l l y , t h i se s s a yp r e s e n t st h ea l g o r i t h mo fas e l f - s y n c h r o n i z a t i o n o ft h e w a v e l e t - d o m a i nw a t e r m a r k i n gf o rd i g i t a la u d i ob a s e do nt h ea v e r a g eq u a n t i t a t i v eb y t h ea n a l y s i so fe x i s t i n ga l g o r i t h m s t h i sk i n d o fa l g o r i t h mi sab l i n dd e t e c t i o n a l g o r i t h m ，w h i c hi n t r o d u c e s t h ei d e at oq u a n t i f yt h em e a nc o e f f i c i e n t a f t e rt h e w a v e l e td e c o m p o s i t i o no fa u d i os i g n a l ，t h em e a n i n gl o , a ，一f r e q u e n c yc o e f f i c i e n t sa r e q u a n t i f i e da v e r a g e l ya n de m b e d d e di n t o t h ew a t e r m a r k ，t h ei d e ao fe m b e d d e d s y n c h r o n i z a t i o ns i g n a l si si n t r o d u c e da n ds y n c h r o n o u ss i g n a li sp e r f o r m e dt ol o c a t e t h ew a t e r m a r ke m b e d d e dp o s i t i o nt or e s i s ts h i f t i n g ，c u t t i n ga n do t h e ra t t a c k s e x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h ep r o p o s e da l g o r i t h mh a sp o w e r f u lc o m m o ni m a g e p r o c e s s i n ga n dg e o m e t r i ca t t a c k s a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti sv e r yp e r f e c t l 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 ，w a v e l e tt r a n s f o r m ? m e a n q u a n t i z a t i o n ， s y n c h r o n i cs i g n a l 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。 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。 本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研 究所等机构将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它 相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：塑q l 指导教师签名： 3 q q l 年b 月i i e l 砷年石月1 日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得西北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了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者签名：卵。p 泸哆年易月， 日 西北大学硕士学位论文 1 1 论文研究背景和选题意义 第一章绪论 伴随着数字多媒体技术以及互联网技术的飞速发展，数字信息作品的创作、存储和 传输都变的十分方便与快捷。但是，网络的这种方便与快捷也暴露出了严重的问题，某 些恶意的个人和团体利用数字多媒体技术的易于复制和快速传播的特性，在没有经过作 品所有者允许和授权的情况下任意复制、传播，篡改数字多媒体作品，从中牟取私利。 这种行为严重损害了艺术作品作者以及发行者的知识产权，使其蒙受了巨大的经济损 失。 目前，网络上的非法传播已经是非常的猖狂和盛行，这种现象的肆意蔓延已经造成 了恶劣的社会影响，对数字化产业的发展产生了巨大的威胁。这种现象破坏了市场秩序， 损害合法者的利益，妨碍数字化产业市场的发展。面对如此盛行和猖狂的非法盗版传播 行为，对于数字多媒体技术版权的创作者和所有者来说，他们有着强烈、紧迫的反盗维 权的要求和渴望n 2 1 。如果使用传统的加密技术已经不能满足人们的需要，因为传统的 加密技术保护范围小，安全性不足，流通性较差，正是在这种形势下，产生了以信息隐 藏技术为核心的数字水l ；p ( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 技术。数字水印技术弥补了传统加密技 术的缺点。 通过数字水印技术，我们可以利用数字嵌入的手段，在数字图像、声音、文档、图 书、视频等的数字作品中隐藏具有特定意义的数字标记，这种数字标记就是我们常说的 水印。一旦发生产权纠纷矛盾，可以通过对水印的检测和分析，用以证明所有者对其作 品的所属权，同时检测提取的标记水印信息还可作为鉴定、起诉非法侵权的证据。 数字水印技术可以保证数字信息的完整性和可靠性。因此，这一方法成为知识产权 保护和数字多媒体防伪的有效手段儿4 。数字水印技术被认为是解决版权问题的有效方 式，也是多媒体信息安全研究领域中的重要分支阳：。 1 2 数字水印的概念 数字水印是向保护的数字对象，如数字图像、视频、音频等中隐藏某些不可见的标 记，从而证明版权归属、认证数字内容来源的真实性、提供有关数字内容的其他附加信 息、确认跟踪侵权行为。这些信息可以是作者的序列号、公司标志、有意义的文本等等 i ? j o 第一章绪论 数字水印作为多媒体信息安全研究领域中的个重要分支，在有些文献中，信息隐 藏、信息伪装、数字指纹等概念与数字水印概念很相近，在很多场合中经常把这几个名 称互相重叠且不加区别的使用。 1 3 数字水印的基本原理 目前，数字水印还没有一个标准的模型归。总的来说，数字水印系统由一个水印嵌 入系统和一个水印提取系统组成0 。 水印的嵌入系统，是指水印信息、载体数据和一个可选的秘钥。在这里使用秘钥主 要是用来提高水印系统的安全性，增强抵抗攻击的能力。水印的嵌入系统是数字水印系 统模型的核心部分。 水印的提取系统，是指水印信号的提取，在这个过程当中原始数据并不是必须需要 的。对于现在多数学者研究的盲水印，在检测的时候就不需要原始数据。 下面参照文献。给出数字水印系统的一般模型。数字水印嵌入模型，如图1 1 所示， 数字水印提取模型，如图1 2 所示。 图1 1 数字水印嵌入模型 i 一一一一。! ， 原始载傩数据- ! 图1 2 数字水印提取模型 在这里需要说明的是，原始载体数据不一定参与水印的提取过程，所以在图1 2 中 原始载体数据用虚线表示。 2 西北大学硕士学位论文 1 4 数字水印的分类 数字水印的分类方法有很多种，不同的出发点导致了不同的分类。最常见的分类有 以下几种4 1 。 1 、按水印所附载的载体数据划分 可划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印、软件水印、数据库水印等。 这种划分是根据水印所依附的载体。所以，由于载体的不同水印类型也就不同。今后， 随着数字多媒体技术的不断发展，将会有更多种类的数字媒体出现，那么也会同时产生 相应载体的多种水印技术。 2 、按水印的特性划分 按照水印的特性，我们可以把水印划分为不可见水印( i n v i s i b l ew a t e r m a r k ) 和可 见水t ；p ( v i s i b l ew a t e r m a r k ) 两种。 ( 1 ) 不可见水印 不可见水印，顾名思义是看不见的水印，将水印隐藏，视觉上不可见或无法察觉。 不可见水印是比可见水印应用更为广泛的一种水印。把水印信息嵌入到图像、视频或音 频中，表面上是察觉不到的，可是一旦发生版权纠纷等类似的问题时，版权所有者可以 利用相关的技术从作品中提取出水印标记，从而证明该作品的所有权或者完整性，为鉴 定、起诉非法侵权提供证据。 不可见水印又可以划分为脆弱性水印( f r a g i l ew a t e r m a r k ：) 和鲁棒性水印( r o b u s t w a t e r m a r k ) 。 脆弱性水印，可以通过对水印的检测，判定是否对载体进行了修改或进行了何种修 改。而鲁棒性水印，指嵌入的水印的作品在经历了非恶意的攻击或一定程度内的恶意攻 击后，水印仍具有可被提取的能力。 ( 2 ) 可见水印 可见水印，顾名思义是可以看见的水印。可见水印主要应用在图像中，用以防止这 些图像被用作于商业用途。可见水印也可用在视频或音频中，应用在音频当中就是可听 水印。在我们的生活当中，经常会看见各种各样的可见水印的使用实例，可见水印最常 见的例子就是电视屏幕左上角的电视台的台标和人们生活中密切接触到的钞票中的水 印，这些都是我们用肉眼可以直接看见的可见水印。 作为可见水印，应当具有以下的特点，在图像中可见但不明显：在保证质量的前提 下，水印难被去除掉；水印的视觉突出效果在不同的载体中应具有一致的效果。 3 第一苹绪论 3 、按水印检测过程划分 按照检测过程可将其分为非盲水印、半盲水印、盲水印三种类型。判断的标准主要 是依据水印信息的提取过程中是否依赖原始载体和原始水印。 非盲水印，指检测中需要原始载体和原始水印的信息。相反的，盲水印在检测的过 程中不需要这两者的参与，只需要密钥。半盲水印，指检测只需要原始水印信息。 盲水印是水印技术研究学者们研究和关注的热点。 4 、按用途划分 不同的应用需求造就了不同的水印技术，按用途可划分为证件防伪、版权标识、篡 改提示、隐蔽标识水印。 证件的伪造已经给社会造成了极大的危害，从街头繁荣的假证兜售生意，无处不在 的制假小广告，足以表明其对社会危害的严重程度。证件防伪水印作为一类比较特殊的 水印，将防伪标- i , ? _ j j l l 入身份证、毕业证、学位证、护照等各种证件中，用以表明真伪。 由于用在证件防伪，故而证件防伪水印的算法不能太复杂，要考虑到证件快速检测的要 求，而且要能抵挡打印扫描所引起的几何失真和像素值失真。 版权标识水印，目前数字作品的版权保护机制还很不完善，盗版侵权现象十分严重， 社会迫切呼唤版权标识水印的广泛应用。这种水印技术侧重隐蔽性和鲁棒性，忽视其水 印容量，是当前研究的热点。 篡改提示水印，现有的多媒体技术已经发展的比较成熟，使得篡改、复制变的非常 容易，且不易被察觉。篡改提示水印是为了标识载体信号的完整性和真实性。 5 、按水印隐藏的位置划分 可划分为时( 空) 域数字水印和变换域数字水印。 时( 空) 域数字水印，直接在信号空间上叠加水印信息。总的来说，这种方法具有 算法简单、速度快、具有较大的信息嵌入量，容易实现的优点。时( 空) 域数字水印的 缺点是数字水印系统的鲁棒性较差。时( 空) 域数字水印方法中最具有代表性的方法就 是最不重要位( l s b ) 方法。 变换域水印则指分别在d c t 、d f t 等频域、时频变换域和小波变换域上隐藏水印信 息。使用变换域数字水印的方法相对于使用时( 空) 域数字水印的方法，可以使水印系 统具有更好的鲁棒性。变换域数字水印方法中，利用小波分析的多分辨特性，可以更好 的结合人类的视觉系统和听觉系统的特性，提高水印系统的性能。目前，变换域水印受 到了更多人们的重视，很多学者投入到变换域水印的研究当中，也取得了很多成果。 可以说，每一种信号变化空间上都有可能隐藏水印。随着数字信号处理技术的发展， 4 西北大学硕士学位论文 数字水印技术也将出现更多新的类型。 1 5 数字水印技术的应用 目前，数字水印技术在数字产品版权保护、票据防伪、数据隐藏、隐蔽通信等各个 方面均有着重要的应用_ 。 1 、数字版权保护 数字版权保护是数字水印发展的源动力，也是数字水印技术的一个十分重要的应用 方面：。伴随着计算机和互联网的发展，数字水印技术版权保护应用越来越广泛，凸现 出其越来越重要的意义。 现今，越来越多的作品、创意都以多媒体数据的形式来存储和表述，如数码照片、 m p 3 音乐、数字电影等等。与创作者艰辛的创作历程相比，利用成熟的多媒体技术，对 数字作品进行篡改和复制，确是一件非常容易的事情，并且这种复制几乎可以达到以假 乱真的程度，人们通常很难分辨真伪。唱片业和电影业就是这种盗版现象最典型的受害 案例，据美国唱片行业协会估算，全世界每年因盗版而造成的经济损失高达5 0 亿美元。 正是这种猖狂的篡改和复制使得很多公司蒙受着巨大的经济损失，同时也严重损害了作 品的原创者的经济利益。为了维护自己的权益，有些原创者不得不采取一些可见版权标 志，这类水印标识紧紧依附于原作品，很难被移去，水印牢固的附着性严重损害了数字 产品的质量。 目前，数字水印技术利用数据隐藏原理，在原始载体中不可感知的隐藏版权标识， 这种不可感知性，既不损害原作品，同时又起到了版权保护的作用。所以说，数字版权 保护是数字水印发展的源动力。数字产品版权保护已经成为数字水印研究发展的一个主 要方向。而今，用于版权保护的数字水印技术已经逐步进入了初步实用化的阶段。比如， 人们经常使用的p h o t o s h o p 软件中就集成了数字水印的插件。然而，目前市场上的数字 水印产品在技术上还不够成熟，水印产品在遭受人为恶意攻击的情况下，水印信息容易 被破坏或破解。版权保护的数字水印技术真正、完全的应用到人们的现实生活和工作中 还需要一段很长的时间。 2 、声像数据的隐藏标志和篡改信息 有些数据的标识信息往往比数据本身更具有更高的保密价值，甚至有些时候，因为 缺少了标识信息，造成数据有时可能失去意义，无法使用。 数字7 j e p 技术解决了如何在原始文件上标识不方便体现的重要信息的难题。我们可 以利用数字水印技术将那些重要的标志信启、隐藏到原始文件中，使得重要的标识信息人 5 一 第一苹绪论 们无法直接看到。如果想要获取这些隐藏的重要信息，只有通过特殊的提取程序，才能 得到隐藏的重要标识数据。 3 、商务交易中的票据防伪 金融安全对于国家和个人都是尤为重要的，不论是传统商务还是电子商务，票据的 安全性，票据的防伪技术都是十分重要的。 传统的商务交易中经常会使用货币、支票及其他的各种票据。为了保证经济运行的 正常秩序，在人们使用的货币和各种票据中已经使用了一些传统的票据防伪手段，比如 钞票、支票上可见的水印。但是高质量图像输入输出设备，如高精度彩色复印机、彩色 激光打印机的出现，使得货币、支票及其他的各种票据的伪造另人难以辨别。传统的票 据防伪技术已经不能适应社会和人们的需求，需要高科技、新颖的票据防伪技术。数字 水印技术正是一种高端、新颖、复合性的票据防伪技术手段。目前，多国和研究机构都 开始研究票据防伪水印技术。尝试着在高精度彩色打印机和复印机的输出中加入不可见 的水印信息，并通过扫描票据来判断是否存在水印，从而达到迅速鉴别的目的。 当今，伴随互联网的迅速普及，电子商务得到了快速发展和普及。如今，人们足不 出户只要通过一台连接着互联网的电脑就可以进行电子支付、网络营销、网上购物等活 动。近几年繁荣发展的电子商务，正在悄悄改变着我们的生活习惯和方式，它对于我们 的重要性是不言而喻的。伴随着电子商务中的各种交易，出现了大量的电子文件和票据。 这些电子文件和票据也需要防伪和认证，数字水印技术可以为各种票据提供不可见的认 证标志，大大增加了伪造的难度。 4 、数据的篡改提示 伴随着数字多媒体技术以及网络技术的飞速发展，数字信息被a l r i 频繁而且广泛的 传播与利用着。但是，随之而来造成的后果是，某些恶意的个人和团体正是利用了数字 多媒体技术的易于复制和快速传播的特性，在未经作品所有者允许的情况下随意篡改、 传播他人的作品和成果，这种现象如今在网络上已经甚为猖狂和肆虐，这种行为严重的 损害了原创者以及发行者的知识产权，使其蒙受巨大的经济损失，造成了极其恶劣的社 会影响。既然，现有的多媒体信号处理技术可以做到“移花接木”而不被人所察觉。那 么，我们又如何提高图像、音频、视频文件的安全性，防范他人的恶意篡改? 数字水印 的篡改提示是解决这个问题的一个理想的途径。通过隐藏水印的状态可以判定原始的文 件信息是否被篡改。 5 、隐藏通信及其对抗 数字水印技术提供了一种非密码的安全途径，它打破了传统的密码学加密思路，即 西北大学硕士学位论文 学术界利用公用网络进行保密数据传送数据“文件加密”的传输模式。数字水印技术可 以利用数字化多媒体信号相对于人的视觉、听觉冗余，进行各种时( 空) 域和变换域的 信息隐藏，从而达到隐藏通信的目的。 综上所述，数字水印作为多媒体信息安全研究领域中的一个重要分支，在以数字化 为特征的信启、技术的变革中具有十分重要的地位和意义。如今，数字水印技术的研究已 成为世界各国许多研究机构和人员的重要课题。每年都有大量的关于数字水印的论文在 国内外发表，很多优秀的科研成果孕育而生，许多实用的数字水印专利被申请，很多数 字水印的产品进入市场被人们所应用。目前，在我国已经有大量的研究人员投入到该领 域的研究中，并且取得了很多重要的成果，也有一些技术已经得到了实际的应用。但是， 就目前人们对数字水印技术的迫切要求来看，现有的水印技术还很不成熟，实施应用的 范围还很有限。在今后的研究当中，还有很多亟待解决的问题需要研究和解决。 1 6 数字水印技术研究现状 1 、数字水印技术研究现状 大约在7 0 0 年前，在手工造纸技术中出现了纸张上的水印。这是水印的最先应用实 例。 1 9 5 4 年，美国的m u z a c 公司，申请了一项专利。这项专利是将标识码让人不可感 知的隐藏到音乐中，从而证明对其音乐作品的所有权。这是迄今知道的最早的“数字水 印”技术。 1 9 9 3 年，t r k e l 等人发表了一篇文章，首次提出了“数字水印”这一概念。直到2 0 世纪9 0 年代初期，“数字水印”技术才真正流行起来。 数字水印技术自9 3 年被提出以来，人们对其产生了浓厚的热情与关注，在很多研 究机构和学者的不断探索和努力之下，数字水印技术得到了迅速的发展。早期的数字水 印算法主要在时( 空) 域实现，而且主要集中在数字图像方面。随后扩展到视频、音频、 数据库、文本、软件等各个领域。如今，数字水印技术成为了以保护多媒体版权信息为 目的的一门新兴技术。 数字水印从正式被提出到现今，经历了十几年的历程。目前数字水印已经成为学术 界和国内外一些大公司研究的热点，关注的焦点。国际学术界对于信息、隐藏和数字水印 领域也表现出了高度的关注。关于数字水印的研究成果和文章近几年呈现迅速的增长势 头，很多创新的研究成果接连不断的出现，研究的领域也不断的扩大。在国际上，有很 多组织、机构、研究所、实验室都在进行数字水印技术方面的研究和完善工作。比较有 第一章绪论 影响的有，美国的m i t 大学、p u r d u e 大学、i b m 研究所、英国的剑桥大学、德国的 e r l a n g e nn u r e m b e r g 大学以及日本的n e c 研究所等等。 随着对数字水印技术的不断研究，许多大学和公司的研究成果也被相继在一些实际 场合中得到了广泛的应用，取得了较好的经济效应和社会反响。如a d o b es y s t e m s 公 司在图像编辑软件a d o b ep h o t o s h o p 中，就安装了标准数字水印软件，人们可以直接 在图像处理编辑软件中很轻松的添加水印信息。目前，很多知名的大公司已经推出了自 己的数字水印软件产品，具有代表性的有美国的d i g i m a r c 公司、a l p h a 公司、m e d i a s e c 公司、a c t i v a t e dc o n t e n t 公司、英国的s i g n u m 技术公司、荷兰的p h i l i p s 公司研发中 心。 在国内，也有很多学者投入到数字水印技术的研究之中。比较有代表性的数字水印 研究人员，有哈尔滨工业大学的孙圣和，北京邮电大学的杨义先、钮心忻等。他们较早 的投入到了数字水印技术的研究中，并且取得了很多开创性的研究成果。他们的研究成 果给很多后续的研究者，带来了启示和研究的基础。除了这许多研究的学者，在国内也 有很多研究、生产水印技术的研究开发公司。具有代表性的有成都宇飞信息工程有限责 任公司和上海阿须数码技术有限公司。上海阿须数码技术有限公司，涉及到数字印章、 p d f 文本、视频、音频等多方面的数字水印技术的研究。 尽管在数字水印的研究、发展的过程中出现了很多研究成果，但是，总的来说，相 对其他的计算机技术而言，数字水印技术仍然是一个不成熟的研究领域。目前，在已经 报道的研究成果中，图像水印和视频水印技术的处理分析方法较多，理论较为完善；文 本水印技术研究的人员也比较多，算法体系比较成熟、完善；数据库水印、软件水印研 究的深度和广度远不及图像水印和视频水印，研究成果也不多；音频水印技术的研究成 果也相对较少。主要因为人类的听觉的敏感性，音频文件中隐藏水印信息就好比在音频 文件中加入了噪音，水印信启、的加入完全可以严重影响音频文件的质量。所以说，音频 水印的研究具有一定的难度，研究者在不断提高水印的鲁棒性的同时还要不断提高水印 的不可感知性是音频水印研究中的一个难点。目前，人们对音频水印的研究还没有突破 时空域和变换域的范围。音频水印技术的关注热点总是围绕小波分析手段，使用不同的 嵌入策略，音频水印技术的研究缺乏有力的创新。总的来说，对于数字水印的研究历程， 我们还要走很长的路，还有许多研究工作需要去尝试和完成。 我们相信即将出现令人振奋的研究成果，同时也希望随着数字水印技术的不断发 展，数字水印的应用范围能得到广泛的实施，研究的成果转化为有效的直用成果。数字 水印技术能在现实中真正得到广泛的应用，使社会、人们能够获得实际的好处和经济效 8 西北大学硕士学位论文 益。 2 、音频水印研究现状 伴随着互联网的迅速发展以及音频压缩技术的不断完善，人们对数字音频水印技术 广泛应用的迫切渴望变得越来越紧迫n 引。同时，数字版权的创作者和所有者强烈、迫切 的反盗维权意识也大大推动了数字音频水印的研究进程和发展速度。 现有的数字音频算法仍然还有许多技术问题有待进一步解决，仍有很多挑战性的研 究难题等待解决。现有的数字水印技术需要出现突破陈规，开创性的研究成果。 音频水印的研究方向主要有时域算法和频域算法。 时域算法是将水印信息直接嵌入到音频信号的采样数据中，以达到隐藏的目的，嵌 入容量较大，嵌入算法容易实现。但是，这种算法水印系统的鲁棒性较差，抵抗攻击的 能力较弱。 频域算法是将音频信号的采样数据进行适当的变换，再将水印信息嵌入到变换域选 定的系数上，然后通过相应的逆变换得到含有水印信息的音频信号。相对于时域算法， 频域算法一般具有较好的鲁棒性，并且抵抗攻击的能力也较强。 在音频水印算法的研究当中，为了提高水印系统的鲁棒性和不可感知性，很多研究 者还将心理声学模型中的听觉掩蔽效应运用到研究当中，并且取得了比较满意的实验效 果。但是，到目前为止，还没有一种音频水印算法可以称得上是完美和真正实用的。音 频水印技术的研究中还有很多挑战性的研究难题等待解决。例如音频数字水印的数学模 型建立和隐藏容量分析。至今人们不知道如何去划分数字音频载体隐藏水印的容量，如 何度量人的感观失真度与水印隐藏量之间的关系。又比如，目前，多数学者的主要研究 重点都放在如何将水印信启、完美的隐藏到在音频载体信启、中，让人无法感知水印的存 在，而很少有学者研究如何判断数字音频作品中是否嵌有水印信息，以及如何消除或者 完整的提取这些水印信息。 数字音频水印技术，作为数字水印的一个重要的研究方向，要想取得突破性的研究 成果，必须与密码学、信息安全、信息与计算机科学、通信与信息系统、信号与信息处 理、应用数学、控制理论、软件工程、数字媒体设计等多个学科有效的结合，打破陈规， 特别是要突破现有的总是围绕小波分析变换嵌入方法的策略，调整思路，尝试创新，才 会在数字音频水印的研究中，出现创新性的研究成果。 1 7 本文的主要工作 本文研究的方向是数字水印技术中的数字音频水印。在研究中，本文以现有的，较 9 第一章绪论 为成熟的数字音频水印算法为理论基础，对算法的进行充分的分析和仔细的研究，提出 了自己的改进和创新思路。经过m a t l a b 仿真环境验证，本文改进和提出的算法是完全 可行的，并且算法具有良好的鲁棒性。 全文分为5 章节，各章内容如下： 第一章绪论。 阐述了本文研究背景、选题意义，介绍了数字水印技术的概念、分类、应用范围及 目前国内外水印技术的研究情况，着重分析了音频水印技术的研究现状。 第二章数字音频水印技术。 首先介绍了音频信号和人类昕觉特征，重点分析了常见的几种数字音频水印技术， 最后阐述了常见的数字音频水印攻击方法及和音频水印系统的性能评测标准。 第三章基于小波变换的音频水印算法。 首先阐述了小波变换的一些基本概念和理论，实现并改进了一种基于小波变换的音 频水印算法。该算法首先将水印图片置乱降维，音频信号进行小波变换，选取低频系数 量化隐藏水印。 第四章一种基于均值量化的小波域自同步数字音频水印算法。 经过对已有的数字音频水印算法的充分的分析和研究，创新思路，完善水印系统性 能设计。本文提出了一种基于均值量化的小波域自同步数字音频水印算法，该算法是一 种盲水印算法，检测时不需要原始音频信号；引入了系数均值量化的思想，音频信号进 行小波分解后，对其中的低频系数进行均值量化，嵌入水印；引入了嵌入同步信号的思 想，利用同步信号来定位水印的嵌入位置，以抵抗平移、裁剪等攻击。 第五章总结与展望。 总结了全文的工作和研究结果，结合目前数字音频水印技术的国内外研究现状，对 今后的研究工作和研究方向进行了展望。 两北大学硕士学位论文 2 。1 音频信号 第二章数字音频水印 数字音频水印的载体是音频信号。数字音频水印技术就是在音频信号中隐藏 水印信息。因为，在计算机中数据的传播使用的是数字信号，所以说就需要首先 将模拟信号转化戏数字信号然后才能进行信号的传输、复制。音频信号的数字化 【1 射，指的就是这种将模拟的声音信号转换为数字信号的过程。 数字音频信号有两个重要的参数，采样频率和量化精度。 采样频率是指计算机每秒钟采集多少个声音的样本。采样频率是表述声音文 件质量熬标准。采样频率的单位为 z ( 赫兹) 。采样频率越高，说明采样时间间 隔越短，那么单位时间里获得的南音的样本也就越多。数字音频采样频率越高， 得到的声音的样本数量也就越多，数字音频失真度也裁越奎。数字音频的声波表 示也就越精确n4 。通常，声卡的采样频率为1i k h z ，这样的声音成为电话音质； 4 4 。lk h z 的采样频率为普通c 0 麴采样频率，也称作音质。 数字音频量化精度是指将模拟信号分成多少个筹级，量化精度有1 6 b i t 、 2 4 b i t 、3 2 b i t 线性量化等多种格式。w a v 文件通常采用1 硒i 专线性量化格式。壁 化精度越高，声音听起来越细腻。 采样频率越满，音频量化精度越大，数字化音频文件的质量也就越嵩，相应 的音频文件存储的容量也越大。 2 2 声音特性与听觉特性 】i 、声音的特征 声音的三个特性：响度、音调、音色。这三个特性也就是人们常说的声音的 三要素弼。 响度，是人耳判断声音响亮的程度，人们从感觉上判断声音的强弱。 音调，声音的高低被称作音调。音调是入耳对声音频率的感受。人们可以通 过听觉分辨声音调子的高低程度。频率高的声音听起来感觉它的音调“高”。音 调的变化是声音中的一个重要部分，音调可以使得声音不再单调。 音色，指声音的特色，音色声音的感觉特性。音色的不同取决于不同的泛音， 第二章数字音频水印技术 正是这些泛音决定了其不同的音色。人类的听觉是很灵敏的，不同的发声体音色 不同。所以说，我们可以依据不同的音色，通过人类的听觉系统来辨别不同类型 的发声体。音色是声音中容易触动和吸引人的一种表现手段。 2 、人耳听觉特征 不同的人之间，人耳的听觉特性存在着较大的差异。人的听觉系统在接收声 音的同时，还具有选择、分析的作用，并且还可以判别响度、音调和音色。这种 复杂的听觉系统性能，有些时候在某种程度上还受到大脑作用的控制。所以，人 们认为人耳的听觉特性除了受到对声音的方位、晌度、音调、音色的不同感知能 力和敏感程度的影响因素之外，听觉特性还涉及到有关生理声学和心理声学方面 的问题1 别。 ( 1 ) 、昕觉强度和频率 声音能否被听到，取决于频率和强度。声音能被听得见的最低声压称为“听 阈”，它和声音的频率有关。低于2 0 h z 的次声波和高于2 0 k h z 的超声波，人耳的 听觉系统是无法听到的。 声压级的单位是分贝( d b ) ，可以用来表示声音的大小。1 个分贝，是人刚 刚可以感觉到声音的存在，当超过1 0 0 分贝的时候，人耳的听觉就很难承受，听 力会受到损伤。 一般来说，正常人能够听到频率为2 0 h z 2 0 k h z 的声波。但是由于人的个体 差异，每个人的听觉对不同声音的敏感程度不同，不同声音要想达到相同的听力 效果，需要的声音强度也有所不同。但是，总的来说，人耳的听力系统在2 k h z 5 k h z ，这个频率段最为敏感。随着频率的升高或降低，人耳的听觉灵敏度开始逐 渐下降。 西北太学硕学证论文 。”譬品嚣产1 “1 ” 图2 1 人耳的听闽曲线 ( 2 ) 、临界带宽 为了描述噪声的存在会对纯音产生掩蔽的效果，才引* tj i 自界带宽的概念。 临界带宽与中心频率存在着密切的关系。一个纯音可以被阻它为中心频率，并且 具有一定带宽的连续噪音所掩蔽，如果在这一频带内噪声功率等于该纯音的功 率，那么该纯音处于刚好能被听到的临界状态，即称这一带宽为“临界带宽”。 在心理声学等与听觉特性有关的信号处理分析中，经常采用“临界带宽”作为频 带划分的尺度。 ( 3 ) 、掩蔽效应 如果我们要是考虑到人对声音的主观反应，那么人耳的掩蔽效应则显得尤为 重要。人耳的掩蔽效应是指，当同时存在一个较强和一个较弱的声音时，人们关 注了较强的声音的同时忽略了较弱的声音。 掩蔽效应分为时域掩蔽和频域掩蔽。 时域掩蔽是指在时间相邻的声音信号之间出现的掩蔽效应。产生时域掩蔽的 原因是大脑在处理信息的过程中花费丁一定的时间。时域掩蔽又分为超前掩蔽和 滞后掩蔽。图22 时域的掩蔽效直，从图中我们可以看出，前掩蔽时间较短 而后掩蔽时司较长，大约可以持续5 0 2 0 0 m s 。回亩隐藏技术就利用了时域掩蔽 的滞后掩蔽效应的特性。 一 一 一 一 一 一 一 舻艮醚黔阻鳓鼢疆甬鞋襄 第二章数字音频水印技术 1 6 01 8 002 04 06 08 01 0 0 1 2 01 4 0 时同( 毫秒) 图2 2 时域掩蔽 频域掩蔽，也称同时掩蔽。是指时间上同时出现两种不同频率的声音之间的 掩蔽效应。也就是说，两种强弱不同的信号同时出现时，较强的信号将掩蔽较弱 的信号。 2 3 音频水印系统的基本要求 一个成功的数字音频水印系统，须满足多个条件，其中最主要的三个要求是 鲁棒性、不可感知性、容量n 6 ：。 1 、鲁棒性 数字水印的鲁棒性是指数字作品在经历了各种信号处理或者各种攻击之后， 数字水印的可提取性或可检测性。在数字水印系统中，鲁棒性是极为重要的。 对于图像水印，鲁棒性是指经过常见的信号处理操作如打印扫描、旋转、图 像缩放等，水印系统能通过检测得到水印的能力，经过处理后水印能够被提取出， 说明水印系统的鲁棒性好。对于音频水印，鲁棒性是指未经受权的人很难去除或 者根本去除不掉水印。 2 、不可感知性 不可感知性是衡量信号在被处理前后的相似性。对于音频水印而言，要求听 觉上的不可以被察觉。也就是说，含有水印的音频文件从听觉上，感觉不到发生 了什么改变。最理想的情况是含有水印的音频文件和原始音频文件在听觉上是一 1 4 如 加 印 如 知 西北大学硕士学位论文 致的。为了提高数字音频水印系统的性能，很多数字音频水印系统的设计中都考 虑到了人耳听觉系统的特性和声音掩蔽效应的作用。 3 、容量 容量也被称为嵌入率，指单位时间内或在一个作品中最多嵌入水印的比特 数。一般我们要求水印容量尽量的大。 4 、提取误码率 通常要求较低的误码率。 5 、计算效率 在数字水印系统的设计中，人们也期望不断的提高系统的计算效率。人们总 希望能优化计算效率，通常要求较高的计算效率，要求数字水印系统能够实时实 现。 在以上的数字音频水印系统的衡量指标当中，各指标之间相互制约，而又相 互牵制。在相互的关系和矛盾之中，人们面临的最突出的问题就是不可能设计一 个鲁棒性、不可感知性、水印容量，都达到最优的数字音频水印系统。在实际的 数字音频水印系统设计中要权衡这三者的关系，进行三者性能的折中。一个较为 成功的数字音频水印系统总是能最大限度的处理与协调好，不可感知性，鲁棒性、 水印容量三者之间的矛盾，使整个数字音频水印系统处于最佳性能状态，这样就 是最优方案。 2 4 常见的数字音频水印技术 】、最不重要位算法 最不重要位算法n ( l s b ) ，是一种时域音频水印算法，该方法简单易实现。 最不重要位方法的思路是，首先将水印信息用二进制表示后，隐藏到音频文 件的采样数据中，隐藏的过程中选择隐藏位置的时候选择的是音频信号采样值的 最不重要位( 一般是音频文件的最低位) ，以使得整个水印系统获得一个较好的不 可感知性。 利用最不重要位方法嵌入水印信息，多数情况下为音频信号相对不重要的最 低位，因此在其中嵌入水印信息对噪音的抵抗能力较差。另外，由于嵌入位置确 定，也容易遭受攻击。为了提高最不重要位方法抵抗各种攻击的能力，可以用伪 第二毫数字音频水印技术 随机序列发生器来产生伪随机信号控制嵌入位置。收发双方可以通过一个初始值 ( 即密钥) 来提高整个数字音频水印系统的安全性，如果其他的人想要提取出水 印信息，预先设置了密钥，在不知道密钥的情况，很难完成水印信息的提取工作。 在实际的应用当中，最不重要位方法通常只用于封闭的数字到数字的环境之 中。最不重要位方法简单容易实现，水印信息嵌入容量大，但是该算法却存在着 鲁棒性较差的缺点。为了改善提高这种算法的鲁棒性，有些研究者尝试将水印信 息嵌入到载体音频数据的较高位，可是这样的做法却导致了音频水印系统的不可 感知性大大降低的后果。通常，为了改善提高其鲁棒性，很多人采用自适应策略， 这种自适应的策略就是在水印信启、嵌入的过程中，根据音频信号的能量自适应的 调整水印隐藏点。 2 、回声隐藏算法 回声隐藏算法利用了人耳听觉系统的滞后掩蔽效应n 8 。2 。该特性表明，如果 同时存在一个较强和一个较弱的声音时候，人们的听觉注意力由于关注了较强的 声音，而造成较弱的声音信号在较强的声音信号消失之后5 0 - - - 2 0 0 m s 的时间之 内，不容易被人的听觉所察觉。回声隐藏利用载体数据的空间环境特征，诸如墙 壁、家具、物品所产生的回声，来嵌入水印信息。 3 、相位水印算法 该算法利用了人耳听觉系统对绝对相位不敏感及对相对相位敏感的特性乩。 在水印信息的嵌入过程中，把原始音频段的绝对相位用水印信息的参考相位来代 替。 相位水印算法的水印信息嵌入过程。先将音频信号分段，每段作k 点的 肼丁。设第1 7 段的相位为0 ( 7 固七= 1 ，2 ，k ，相对相位 ( 马句= ( 刀+ 1 ，句一( 珏句，根据水印信号的不同取值来修改音频信号第一段 的绝对相位。为了提高音频水印的抵抗攻击的性能，设计中应扩大参考相位间的 差距。可以将隐藏“0 的位置的相位修改为“万2 ”，隐藏“1 ”的位置的相位 修改为“一万2 9 9 a q ) 维持不变。然后根据调整的初始相位和相位差再次构造信 号相位，进行傅立叶逆变换，就可以得到含有水印的音频信号。 相位水印算法的水印信启、提取过程。首先将含水印的音频信号按照与嵌入过 1 6 西北大学硕士学伫论文 程相同的分段数量进行音频信号的分段，分段完成之后，提取出第一段相位，作 d f t 变换，计算相位值，确定水印信息比特值的取值是o 或是取值为1 ，根据提 取的水印比特的取值排序，构造出水印信启、的序列，这样就可以提取出隐藏的水 印信息。 该算法存在的问题和不足是，当参考相位突然发生很大的变化时，会造成明 显的相位离差，这样会造成音频信号的严重失真。所以，我们要尽量使转换平缓， 以减小相位离差而带来的音频失真。 相位水印算法改进的方法：平缓转换。在水印的嵌入过程中，可采取在相位 值的改变点增加间隔的策略，但是这样做会在减小相位离差急剧变化的同时带来 降低水印嵌入的容量的损害，故而，在水印的嵌入过程中需要在嵌入量和嵌入效 果之间进行权衡，寻求二者的最佳平衡点。 4 、扩频水印算法 扩频通信在军事中的应用已有半个多世纪，并且在近些年被广泛应用到民用 通讯。 扩频通信可以看作是一种把信息隐藏在宽频伪随机噪声中的通讯方式乜1 ；。由 于扩频通信具有伪随机编码和信号处理的特点，所以扩频通信具有较强的抗干扰 能力和保密性。 扩频通信方式有多种。直序扩频编码算法( d s s s ) 是最常用的一种。 1 9 9 5 年，c o x 等心2 j 在传统通信系统的基础上，提出了扩频水印的概念。b o n e y 他3 3 等人将c o x 等的扩频水印方案应用到音频信号中，取得了很好的实验效果，尤其 是在抵抗音频压缩方面性能优越。他们在算法中添加了一个伪随机序列，同时利 用了人类听觉系统的掩蔽效直特性。 5 、变换域音频水印算法 近些年，出于对一些压缩格式的数字音乐制品进行版权保护的需