數(shù)字音頻水印技術

1、數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 數(shù)字音頻水印技術數(shù)字音頻水印技術 數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 隨著因特網(wǎng)的普及和數(shù)字化音樂制品的大量制作和發(fā)行， 人們可以很方便的從互聯(lián)網(wǎng)上下載音樂產(chǎn)品，但這也給非法 侵權者提供了機會，致使很多侵害產(chǎn)權的音樂被以不同的方 式發(fā)布，這樣不但給音樂產(chǎn)業(yè)帶來很大的經(jīng)濟損失，而且阻 礙了它的發(fā)展。于是，對音頻數(shù)據(jù)實施版權保護變得越來越 重要，音頻數(shù)字水印技術由此而生。音頻數(shù)字水印技術是在 原始音頻數(shù)據(jù)中嵌入秘密信息水印，但不影響原始音頻 的聽覺質量，在音頻中嵌入的秘密信息可以有很多種形式如 文字、圖像、作品序列號等。水印信

2、息和原始音頻數(shù)據(jù)緊密 結合在一塊，通常情況下音頻中嵌入的水印，人們在聽覺上 根本察覺不到，并且還要能夠有效地抵抗不法侵權行為的攻 擊。 1.1 研究背景研究背景 數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 1.2 理論依據(jù)理論依據(jù) 數(shù)字水印技術是一種信息隱藏技術，其基本思想是在不影響信息可用性的 前提條件下，利用人耳聽覺的掩蔽效應（人耳只對最明顯的聲音反應敏感，而 對于不敏感的聲音，反應則較不為敏感。例如在聲音的整個頻率譜中，如果某 一個頻率段的聲音比較強，則人就對其它頻率段的聲音不敏感了。應用此原理， 人們發(fā)明了mp3等壓縮的數(shù)字音樂格式，在這些格式的文件里，只突出記錄了 人耳朵較

3、為敏感的中頻段聲音，而對于較高和較低的頻率的聲音則簡略記錄， 從而大大壓縮了所需的存儲空間。），對數(shù)字產(chǎn)品嵌入秘密信息，用來保護數(shù) 字產(chǎn)品的版權和證明數(shù)字產(chǎn)品的可靠性，以及為用戶提供產(chǎn)品的附加信息等等。 數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 音頻數(shù)字水印技術就是在音頻中添加某些數(shù)字信息來 保護數(shù)字媒體的版權，證明數(shù)字產(chǎn)品的真實可靠性。水印 信息嵌入在音頻載體中，不能影響原始音頻的完整性和可 用性。從數(shù)字通信的角度來講，可以把音頻數(shù)字水印技術 理解為用擴頻等通信技術把一個窄帶信號（水?。┓旁谠?一個寬帶信道（載體）上傳輸；從信號處理的角度來講， 可以把音頻數(shù)字水印技術看作是把一個

4、作為水印信息的弱 信號疊加到原始音頻載體的強背景上。一個完整的數(shù)字音 頻水印系統(tǒng)包括水印的生成、水印的嵌入和水印的提取或 檢測三個基本環(huán)節(jié)。 1.3 水印的嵌入和檢測水印的嵌入和檢測 數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 1.3.1 水印嵌入的基本框架水印嵌入的基本框架 數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 1.3.2 水印檢測的基本框架水印檢測的基本框架 數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 1.4 對音頻數(shù)字水印的要求對音頻數(shù)字水印的要求 要想成功地在數(shù)字音頻媒體中隱藏水印， 必須注意以下幾方面的要求： 1. 對數(shù)據(jù)變換處理操作的穩(wěn)健性 要求

5、水印本身應能經(jīng)受得住各種有意無意的攻擊。 典型的攻擊有添加 噪聲、 數(shù)據(jù)壓縮、 濾波、 重采樣、 A/D-D/A轉換、 統(tǒng)計攻擊等。 2. 聽覺相似性 數(shù)字水印是在音頻載體對象中嵌入一定數(shù)量的掩蔽信息， 為使得第三 方不易察覺這種嵌入信息， 需謹慎選擇嵌入方法， 使嵌入信息前后不產(chǎn)生 聽覺可感知的變化。 數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 3. 是否需要原始數(shù)據(jù)進行信息提取 根據(jù)數(shù)據(jù)嵌入和提取方案的不同設計， 有些方案可以不需要借助 于原始數(shù)據(jù)進行信息提取， 這一性能將影響方案的用途和性能。 4. 數(shù)據(jù)提取誤碼率 數(shù)據(jù)提取誤碼率也是音頻水印方案中的一個重要技術指標， 因為 一

6、方面存在來自物理空間的干擾， 另一方面信道中傳輸?shù)男盘枙l(fā)生 衰減和畸變， 再加上人為的數(shù)據(jù)變換和攻擊， 都會使數(shù)據(jù)提取的誤碼 率增加。 5. 嵌入數(shù)據(jù)量指標 根據(jù)用途的不同， 在有些應用場合中必須保證一定的嵌入數(shù)據(jù)量， 如利用音頻載體進行隱蔽通信。 數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 1.5 音頻數(shù)字水印技術的應用音頻數(shù)字水印技術的應用 1. 版權保護 數(shù)字音頻作品的所有者為了表明其對作品內(nèi)容的所有權，采用音頻數(shù)字水印 技術將具有特定意義的水印嵌入到原始音頻數(shù)據(jù)中，接著公開自己的音頻作品。 在不法分子聲稱自己對所公開的嵌入水印的音頻作品擁有所有權時，該作品的真 正所有者利用

7、檢測或提取算法，檢測或提取出音頻作品中嵌入的水印信息，這時 就可以很有力地證明該音頻作品中含有水印，同時也用來證明所有者對作品的所 有權。需要注意的是，該應用要求水印具有較好的感知透明性、安全性和魯棒性。 2. 信息標識 在該應用中，把數(shù)字作品的一些信息如標題、注釋等內(nèi)容以水印的形式嵌入 到數(shù)字作品中。水印用來提供更多有關數(shù)字作品內(nèi)容的信息，如一首歌曲的作曲 者、演唱者等。這種隱式注釋不需要增加額外的帶寬、不影響原始作品內(nèi)容，且 不容易丟失。 數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 3. 數(shù)字指紋 數(shù)字指紋通常被用于進行盜版跟蹤，它可以有效地避免合法用戶對數(shù)字產(chǎn)品 進行非法的復制

8、和傳播甚至非法牟取暴利。作品的所有者將不同的水印嵌入到每 個數(shù)字作品拷貝中，以此來防止不法分子非法復制和傳播數(shù)字作品，這就是所謂 的數(shù)字指紋。作品所有者發(fā)現(xiàn)沒有經(jīng)過授權的拷貝時，就可以借助檢索指紋來追 蹤該拷貝的出處。 4. 廣播監(jiān)控 利用數(shù)字水印技術可以在廣告、音樂作品等媒體中嵌入水印信息，而且嵌入 的水印是不可感知的。在播放含有水印的多媒體數(shù)據(jù)時，監(jiān)控設備會利用水印信 息來自動監(jiān)控這些媒體的相關信息如播放的時間、次數(shù)等。 數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 5. 認證和完整性校驗 如今以難以覺察的方式對數(shù)字作品進行篡改已經(jīng)變得越來越容易。雖然傳 統(tǒng)的數(shù)字簽名技術也可以用來

9、進行數(shù)字作品的認證，但驗證時需要將原始簽名 和所驗證的作品一同傳送，一旦簽名丟失，數(shù)字作品便無法進行認證。使用數(shù) 字水印技術將簽名嵌入作品中是一種比較好的解決方法。數(shù)字水印技術是通過 檢驗提取出的水印的完整性來檢驗數(shù)字作品內(nèi)容的完整性的，先用嵌入水印時 所設定的唯一的密鑰把水印提取出來，然后再檢驗數(shù)字作品內(nèi)容的完整性。 數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 1.6 常見的音頻數(shù)字水印攻擊常見的音頻數(shù)字水印攻擊 音頻文件遭受主動攻擊后，即使合法用戶也不能正確讀取水印信息；被動攻 擊嘗試破解數(shù)字水印算法，難度要大得多。在實際的應用中，破解數(shù)字水印算法 比較困難，數(shù)字水印主要面臨的是

10、主動攻擊。盡管常見的信號處理操作不是一種 攻擊，但它也會對水印信息造成一定程度的破壞。所以，一種有效的水印算法要 能夠有效地抵抗常見的信號處理操作。 下面列舉常見的攻擊手段和信號處理方法： 1. 濾波：濾波器增加或濾除選定部分的頻譜，主要的攻擊手段是低通濾波； 2. 添加噪聲：在嵌入水印的音頻文件中加入白噪聲或者有色噪聲； 3. 時域重采樣：改變音頻信號的采樣頻率，對信號進行下采樣和上采樣； 4. 剪切：剪切掉含水印音頻的一小部分，并不會影響音頻的質量，這對于要求同 步性的水印來說是一個有效的攻擊； 數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 5. 時域拉伸：延長或者縮短音頻信號的持

11、續(xù)時間。 6. 壓縮攻擊：音頻壓縮主要是去除音頻信號中的冗余信息，而這些冗余信息正好 是有些水印算法嵌入水印的位置，因此也可以把音頻壓縮看作一種攻擊手段。 針對不同的應用場合，音頻水印算法需要抵抗的信號處理或者惡意攻擊的要求也 不盡相同。 數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 2 典型的音頻數(shù)字水印算法典型的音頻數(shù)字水印算法 經(jīng)典的音頻數(shù)字水印算法可以分為：時域音頻水印算法、變換域音頻水印 算法和壓縮域音頻水印算法等。時域音頻數(shù)字水印算法把水印信息直接嵌入 到原始音頻信號的采樣點幅值上，該類算法比較容易實現(xiàn)，而且快速，嵌入 的信息量較大，但對常規(guī)數(shù)字信號處理的魯棒性普遍較低；變

12、換域音頻水印 算法先對原始音頻信號實施某種變換運算(如DCT變換、DFT變換、DWT變換等)， 然后根據(jù)人類聽覺系統(tǒng)特性，通過修改某些變換系數(shù)的方式來嵌入水印信息。 變換域算法的優(yōu)點是：抵抗干擾和抗惡意攻擊的能力較強，魯棒性好。缺點 是計算量太大；壓縮域音頻水印算法是直接把水印信號添加在經(jīng)過壓縮編碼 的音頻信號中，輸出的是含水印的壓縮編碼的音頻信號，它能夠有效地避免 壓縮算法編解碼的復雜過程。 數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 2.1 時域音頻數(shù)字水印算法時域音頻數(shù)字水印算法 （1）最不重要位）最不重要位(LSB)算法算法 LSB(Least Significant Bit

13、，最不重要位)28算法是由Bender W等人在1996年提出 的，是一種最簡單的水印算法。任何形式的秘密數(shù)據(jù)（水?。┒伎梢钥醋魇且淮?二進制位流，而音頻文件的每一個采樣值也是用二進制數(shù)來表示的。該方法是用 代表秘密數(shù)據(jù)的二進制位來替換音頻信號的采樣值的最不重要位（一般為最低 位），以達到在音頻信號中嵌入秘密數(shù)據(jù)的目的，提取水印時只要把相應的最低 位取出來，就能恢復出嵌入的秘密信息。該方法是一種盲水印算法，在提取水印 的過程中不需要原始音頻信號的參與。 這種方法的優(yōu)點是：秘密數(shù)據(jù)嵌入和提取算法簡單，速度快；音頻信號里可 編碼的數(shù)據(jù)量大。缺點是：對某些信號處理技術比較敏感，也就是說對一些信號 處

14、理的魯棒性較差，若在嵌入水印的過程中沒有采取冗余技術，含水印音頻就不 能抵抗有損壓縮、重采樣、濾波等信號處理操作。在實際應用中，LSB方法只能 用于一些魯棒性較低的場合。 數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 原始語音信號（“床前明月光”） 去掉低2比特位的語音信號（聲音信號聽不出差別） 數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 去掉低4比特位的語音信號（聲音信號聽不出差別） 去掉低6比特位的語音信號（聲音中有極少的背景噪音，不易被察覺） 數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 去掉低8比特位的語音信號（聲音中有較明顯的背景噪音） 去掉低10比特位的語

15、音信號（聲音中有很強的噪音，但話音仍較清晰） 數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 （2）基于回聲的音頻水印算法）基于回聲的音頻水印算法 回聲隱藏（Echo Hiding）算法最早由Gruhl等人于1996年提出，它是通 過在時域中引入回聲的方式把秘密數(shù)據(jù)嵌入到載體數(shù)據(jù)中，也是一種經(jīng)典 的音頻數(shù)字水印算法。它利用了人類聽覺系統(tǒng)的另一特性： 音頻信號在時 域的向后屏蔽作用， 即弱信號在強信號消失之后變得無法聽見。 弱信號可 以在強信號消失之后50200 ms的作用而不被人耳察覺。在該算法中，編碼 器先把載體數(shù)據(jù)延遲一定的時間，然后疊加到原始的載體數(shù)據(jù)上來產(chǎn)生回 聲。編碼器一般用兩

16、個不同的延遲時間來嵌入“0”和“1”?；芈曤[藏算 法的感知透明性較好，具有一定的魯棒性，但第三方可以用檢測回聲的方 法把水印檢測出來。 數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 10 ab 11 cd 0 e 0 f 1 g 1011001 m1 m0 1 a 0 b 1 c 1 d 0 e 0 f 1 g 將原始信號分為小段以嵌入數(shù)據(jù) 產(chǎn)生“1”和“0”回聲信號 數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 a 1 b 0 c 1 d 1 e 0 f 0 g 1 0 1 0 1 “1”混 合 信 號 “0”混 合 信 號 將延時為m0的信號和“0” 混合信號相乘， 延時為

17、m1的信號和“1” 混合信 號相乘， 最后將兩個信號相加得到含水印信號。 構造的混合信號 數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 回聲編碼水印嵌入流程圖 含 水 印 音 頻 數(shù) 據(jù) 段 DFT復 對 數(shù)IDFT 平 方 復 倒 譜 的 自 相 關 水 印 比 特 回聲編碼水印提取流程圖 原始音頻 數(shù) 據(jù) 音 頻 數(shù)據(jù)段 分段 回聲混入 含水印 音頻數(shù)據(jù) 衰減 延 時 水印比特 段組合 數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 2.2 變換域音頻數(shù)字水印算法變換域音頻數(shù)字水印算法 （1）相位水印算法）相位水印算法 Bender W等人在1996年提出了相位水印算法，它利

18、用人耳聽覺系統(tǒng)對絕 對相位不敏感，而對相對相位敏感的特性，用代表水印信息的參考相位來替 換原始音頻段的絕對相位，然后調整其它的音頻段，這樣就可以使各音頻段 之間的相對相位保持不變。相位水印算法的一個不足是：如果水印信息的參 考相位發(fā)生劇烈變化，那么就會有明顯的相位差異（Phase Dispersion）出現(xiàn)， 這不但會增加接受方譯碼的難度，還會影響水印信息的感知透明性。 數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 （2）擴頻水?。U頻水印 一般情況下，為了有效地降低能量和保持有效的帶寬，在實施通信的信 道中，都需要把信息聚集在很窄的頻譜范圍內(nèi)。還有，為了更方便地對信息 流進行編碼1，

19、基本的頻譜擴展技術一般會把編碼數(shù)據(jù)分散到比較多的頻譜 中去。常用的擴頻通信方法有直接序列擴頻編碼(Direct Sequence Spread Spectrum Encoding，DSSS)，該方法類似于在音頻中加上寬帶噪聲，首先把秘 密數(shù)據(jù)藏在信號的相位上，然后對偽隨機序列和載波作乘法運算，最后把衰 減后的信號加到音頻序列上。 數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 （3）離散傅里葉變換域（）離散傅里葉變換域（DFT） Tilki和Beex提出了一種離散傅里葉變換域音頻水印算法，該方法先對音 頻信號實施離散傅里葉變換，然后選擇中頻段變換系數(shù)（2.46.4KHz）來嵌 入水印信息

20、，用表示水印序列的頻譜分量替換相應的離散傅里葉系數(shù)。采用 該方法嵌入水印，如果嵌入到音頻信號中的水印信息不是很大，并且水印信 息的幅度比當前的音頻信號小，此時該方法對噪聲、磁帶的顫動及錄音失真 都具有一定的魯棒性。在文獻中，Tilki和Beex利用短時傅里葉變換，通過修 改相位來嵌入一個隱藏的附加信道。 數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 （4） 離散小波變換域（離散小波變換域（DWT）算法）算法 小波變換具有良好的時頻局部特性，利用小波變換在音頻信號中嵌入水印， 可以獲得較好的魯棒性，含水印音頻信號能夠在一定程度上抵抗攻擊。鈕心忻 等34在2000年提出了一種基于小波變換的數(shù)字水印算法，該方法嵌入的不是一 般的水印信號，而是把高斯白噪聲作為水印信號嵌入到音頻信號的小波變換域 中。該方法先利用小波變換對原始音頻信號實施小波分解（ 級小波分解），對 于前 級的粗糙分量不作任何處理，然后通過處理第 級的精細分量來嵌入水印。 數(shù)字音頻水印數(shù)字音頻水印技術技術 2014-5-12 2.3 壓縮域音頻數(shù)字水印算法壓縮域音頻數(shù)字水印算法 壓縮水印系統(tǒng)輸入的是未壓縮的音頻信號， 輸出的是嵌入水印的音頻比特 流。 下圖是Siebenhaar等提出的一種