MIDI数字水印算法

２００７年第２４卷第１１期微电子学与计算机１引言乐器数字接口ＭＩＤＩ（ＭｕｓｉｃａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＤｉｇｉｔａｌＩｎｔｅｒｆａｃｅ）是数字音乐的国际标准。

任何电子乐器，只要有处理ＭＩＤＩ消息的微处理器，并有合适的硬件接口，都可成为一个ＭＩＤＩ设备。

ＭＩＤＩ的广泛使用，使ＭＩＤＩ数字作品的版权保护迫在眉睫，但是目前对ＭＩＤＩ格式的数字水印算法研究的还很少。

由于ＭＩＤＩ存储的是演奏指令，有些指令的修改并不影响听觉，基于这个原理，文中通过修改这些特殊的指令提出了一种ＭＩＤＩ数字水印算法。

２ＭＩＤＩ文件简介一个标准ＭＩＤＩ文件［１］基本上是由两部分组成：头块和音轨块。

头块用来描述整个ＭＩＤＩ文件的基本信息。

音轨块则包含一系列的由ＭＩＤＩ消息构成的ＭＩＤＩ数据流。

原则上，可以为某种声音、某种乐谱、某种乐器等分配一个音轨块。

ＭＩＤＩ文件基本结构如表１所示。

头块出现在ＭＩＤＩ文件开头，有三种方式来描述文件，它由１４个字节按表２组成。

头块之后剩下的文件部分是一个或多个音轨块，每一个音轨块按表３组成。

每一个ＭＩＤＩ事件的构成：ＭＩＤＩ事件＝＜ｄｅｌｔａｔｉｍｅ＞＜ＭＩＤＩ消息＞＜ｄｅｌｔａｔｉｍｅ＞采用可变长编码，它决定了其后的ＭＩＤＩ消息被执行的时间。

一个ＭＩＤＩ消息是由一个状态字节及多个数据字节构成。

ＭＩＤＩ消息根据性质可分成通道消息（ＣｈａｎｎｅｌＭｅｓｓａｇｅ）和系统消息（ＳｙｓｔｅｍＭｅｓｓａｇｅ）两大类。

通道消息是对单一的ＭＩＤＩＣｈａｎｎｅｌ起作用，其Ｃｈａｎｎｅｌ是利用状态字节的低４位来表示，可从０到１５共有１６个ｃｈａｎｎｅｌ。

通道消息又分为声音消息和模式消息。

声音消息用于控制合成器的声音产生。

模式消息则为最多达１６条通道分配声音关系，包括设定单音模式或复音模式等。

系统消息应用于整个系统而不是特定通道，并表２ＭＩＤＩ头块格式标识符串（４字节）：＂ＭＴｈｄ＂头块数据区长度（４字节）：６头块数据区（６字节）ＭＩＤＩ数字水印算法高海英，吕锐（解放军信息工程大学电子技术学院，河南郑州４５０００４）摘要：基于ＭＩＤＩ文件中一些特殊指令的修改不影响人耳听觉效果的原理，提出了一种盲检测的ＭＩＤＩ数字水印算法，算法具有理想的透明性。

关键词：数字水印；乐器数字接口标准；水印容量中图分类号：ＴＰ３０９文献标识码：Ａ文章编号：１０００－７１８０（２００７）１１－００８３－０２ＤｉｇｉｔａｌＷａｔｅｒｍａｒｋＡｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒＭＩＤＩＧＡＯＨａｉ－ｙｉｎｇ，ＬＶＲｕｉ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＰＬＡＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０００４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｔｈａｔｍｏｄｉｆｙｉｎｇｓｏｍｅｓｐｅｃｉａｌｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｃａｎｎｏｔａｆｆｅｃｔｈｕｍａｎｈｅａｒｉｎｇ，ａｂｌｉｎｄ－ｄｅ－ｔｅｃｔｅｄｄｉｇｉｔａｌｗａｔｅｒｍａｒｋａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒＭＩＤＩｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｐａｐｅｒ．Ｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｉｍｐｅｒｃｅｐｔｉｂｌｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｇｉｔａｌｗａｔｅｒｍａｒｋ；ＭＩＤＩｓｔａｎｄａｒｄ；ｗａｔｅｒｍａｒｋｃａｐａｃｉｔｙ收稿日期：２００６－１１－１１基金项目：国家自然科学基金项目（９０６０４０２２）表１ＭＩＤＩ文件基本结构头块音轨块１…音轨块ｎ表３ＭＩＤＩ音轨块格式标识符串（４字节）：＂ＭＴｒｋ＂音轨块数据区长度（４字节）：单位为字节音轨块数据区：由多个ＭＩＤＩ事件构成８３且不含有任何通道码。

有三种系统消息：公共消息、实时消息和专用消息。

公共消息提供的功能有选择歌曲、用拍子数来设定歌曲位置指针，及向合成器发出旋律请求。

实时消息用来设定系统的实时参数，包括时钟、启动、停止定序器、从停止位置恢复定序器和系统复位。

系统专用消息包含了厂商特定的数据，如标识、系列号、模型号及其他信息。

３ＭＩＤＩ数字水印算法原理ＭＩＤＩ文件的声音消息有７种，如表４所示。

改变ＭＩＤＩ文件的部分声音消息并不影响ＭＩ－ＤＩ文件的听觉效果，通过实验，改变声音开启的最低位比特，乐器编号的最低位比特，通道触动压力的低４比特位，都不会引起听觉差异，因此在这三种声音消息中嵌入水印信息。

３．１水印嵌入算法假设水印信息表示成０、１比特串，其中水印信息的前１０比特用来表示水印信息的长度，水印长度是ｗｍｌｅｎｇｔｈ。

载体ＭＩＤＩ文件的第ｎ个音轨块的长度是ｌｅｎｇｔｈ［ｎ］，则水印嵌入算法如下：Ｓｔｅｐ１ｉ＝０，ｊ＝０，ｎ＝１；Ｓｔｅｐ２若ｉ＞＝ｌｅｎｇｔｈ［ｎ］，ｎ＝ｎ＋１，ｉ＝０；若ｊ＞＝ｗｍｌｅｎｇｔｈ＋１０，水印嵌入完毕，结束；Ｓｔｅｐ３从ＭＩＤＩ文件的第ｎ个音轨块的数据区中读取第ｉ个字节ｓ［ｉ］：（１）若（ｓ［ｉ］＆０ｘｆ０）＝０ｘ９０，则在第ｉ＋２个字节ｓ［ｉ＋２］中嵌入１比特水印信息ｗｍ［ｊ］（０或１），ｓ′［ｉ＋２］是嵌入水印后的第个字节，嵌入方式如下：ｓ′［ｉ＋２］＝（ｓ［ｉ＋２］＆０ｘｆｅ）＾ｗｍ［ｊ］ｉ＝ｉ＋３，ｊ＝ｊ＋１，返回Ｓｔｅｐ２；（２）若（ｓ［ｉ］＆０ｘｆ０）＝０ｘｃ０，则在第ｉ＋１个字节ｓ［ｉ＋１］中嵌入１比特水印信息ｗｍ［ｊ］（０或１），ｓ′［ｉ＋１］是嵌入水印后的第ｉ＋１个字节，嵌入方式如下：ｓ′［ｉ＋１］＝（ｓ［ｉ＋１］＆０ｘｆｅ）＾ｗｍ［ｊ］ｉ＝ｉ＋２，ｊ＝ｊ＋１，返回Ｓｔｅｐ２；（３）若（ｓ［ｉ］＆０ｘｆ０）＝０ｘｄ０，则在第ｉ＋１个字节ｓ［ｉ＋１］中嵌入４比特水印信息ｗｍ［ｊ］至ｗｍ［ｊ＋３］，ｓ′［ｉ＋１］是嵌入水印后的第ｉ＋１个字节，嵌入方式如下：ｓ′［ｉ＋１］＝（ｓ［ｉ＋１］＆０ｘｆ０）＾（ｗｍ［ｊ］＊８＋ｗｍ［ｊ＋１］＊４＋ｗｍ［ｊ＋２］＊２＋ｗｍ［ｊ＋３］）ｉ＝ｉ＋２，ｊ＝ｊ＋４，返回Ｓｔｅｐ２。

３．２水印提取算法水印提取是嵌入的逆过程：Ｓｔｅｐ１ｉ＝０，ｊ＝０，ｎ＝１；Ｓｔｅｐ２若ｉ＞＝ｌｅｎｇｔｈ［ｎ］，ｎ＝ｎ＋１，ｉ＝０；若ｊ＞＝１０，求出ｗｍｌｅｎｇｔｈ；若ｊ＞＝ｗｍｌｅｎｇｔｈ＋１０，水印提取完毕，结束；Ｓｔｅｐ３从ＭＩＤＩ文件的第ｎ个音轨块的数据区中读取第ｉ个字节ｓ′［ｉ］：（１）若（ｓ′［ｉ］＆０ｘｆ０）＝０ｘ９０，则在第ｉ＋２个字节ｓ′［ｉ＋２］中提取１比特水印信息ｗｍ［ｊ］（０或１），提取方式如下：ｗｍ［ｊ］＝ｓ′［ｉ＋２］＆０ｘ０１ｉ＝ｉ＋３，ｊ＝ｊ＋１，返回Ｓｔｅｐ２；（２）若（（ｓ′［ｉ］＆０ｘｆ０）＝０ｘｃ０，则在第ｉ＋１个字节ｓ′［ｉ＋１］中提取１比特水印信息ｗｍ［ｊ］（０或１），提取方式如下：ｗｍ［ｊ］＝ｓ′［ｉ＋１］＆０ｘ０１ｉ＝ｉ＋２，ｊ＝ｊ＋１，返回Ｓｔｅｐ２；（３）若（（ｓ′［ｉ］＆０ｘｆ０）＝０ｘｄ０，则在第ｉ＋１个字节ｓ′［ｉ＋１］中提取４比特水印信息ｗｍ［ｊ］至ｗｍ［ｊ＋３］，提取方式如下：ｗｍ［ｊ］＝（ｓ′［ｉ＋１］＞＞３）＆０ｘ０１；ｗｍ［ｊ＋１］＝（ｓ′［ｉ＋１］＞＞２）＆０ｘ０１；ｗｍ［ｊ＋２］＝（ｓ′［ｉ＋１］＞＞１）＆０ｘ０１；ｗｍ［ｊ＋３］＝ｓ′［ｉ＋１］＆０ｘ０１；ｉ＝ｉ＋２，ｊ＝ｊ＋４，返回Ｓｔｅｐ２。

４算法的具体实现和分析由于ＭＩＤＩ文件的存储容量很小，一般有２０ｋＢ～３０ｋＢ，而且文中提出的算法是对具体的几个指令进行修改，每个ＭＩＤＩ文件中这些特殊指令的个数是不同的，因此嵌入的水印容量也不同。

在ＭＩＤＩ文件嵌入水印之前，需要判断该载体文件能够嵌入的最大容量，保证嵌入的水印小于载体文件的表４ＭＩＤＩ文件声音消息声音消息功能描述数字字节描述８０－８Ｆ声音关闭１字节：音符号；２字节：音速９０－９Ｆ声音开启１字节：音符号；２字节：音速Ａ０－ＡＦ音键压力１字节：音符号；２字节：键压力Ｂ０－ＢＦ控制变化１字节：控制器号（０－１２１）；２字节：控制值Ｃ０－ＣＦ改变乐器１字节：乐器编号Ｄ０－ＤＦ通道触动压力１字节：压力Ｅ０－ＥＦ音调轮变化１字节：弯音轮变换值的低字节２字节：弯音轮变换值的高字节（下转第８８页）为Ｎ＋Ｌ＋Ｎｉ＝１!ｋｉ，根据前面的条件可以得到Ｎ＋Ｌ＋Ｎｉ＝１!ｋｉ≥Ｎ＋Ｌ＋Ｎｉ＝１!ｋｉ≥Ｎ＋Ｌ≥Ｌ，对结果分析可以发现随着任务执行时实体间会话次数的增加模型中安全任务的认证次数明显小于一般的认证机制和不使用临时安全域时的情况。

即使在最坏的情况下其需要的认证次数也与一般认证机制相同，而对普通任务来说这一情况更加明显。

由此可以得出该模型有效简化了网格环境下实体之间的认证。

５结束语网格安全是网格环境的一个核心问题，目前还没有一个统一的规范标准。

网格环境自身的特点决定了网格安全体系结构中认证机制的特殊性。

文中提出的认证模型在保证了网格实体可以进行安全认证的基础上又简化了认证机制，同时适应了网格环境下任务规模大，资源动态变化的特点。

参考文献：［１］ＳｙｅｄＮａｑｖｉ，ＭｉｃｈｅｌＲｉｇｕｉｄｅｌ．ＴｈｒｅａｔＭｏｄｅｌｆｏｒＧｒｉｄＳｅ－ｃｕｒｉｔｙＳｅｒｖｉｃｅｓ［Ｃ］．ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＧｒｉｄＣｏｍｐｕｔｉｎｇ－ＥＧＣ２００５：ＥｕｒｏｐｅａｎＧｒｉｄＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ａｍｓｔｅｒｄａｍ，ＴｈｅＮｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ，２００５：１０４８￣１０５５［２］ＴｕｅｃｋｅＳ．Ｇｒｉｄｓｅｃｕｒｉｔｙｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ（ＧＳＩ）ｒｏａｄｍａｐ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｒｉｄｆｏｒｕｍ．ｏｒｇ／ｓｅｃｕｒｉｔｙ／ｇｇｆｌ￣２００１￣０３／ｄｒａｆｔｓ／ｄｒａｆｔ－ｇｒｉｄｆｏｒｕｍ￣ｇｓｉ￣ｒｏａｄｍａｐ￣０２．ｔｘｔ，２００１［３］ＮａｔａｒａｊＮａｇａｒａｔｎａｍ，ＰｈｉｌｉｐｐｅＪａｎｓｏｎ．Ｓｅｃｕｒｉｔｙａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｆｏｒｏｐｅｎｇｒｉｄｓｅｒｖｉｃｅｓ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｌｏｂｕｓ．ｏｒｇ／ｏｇｓａ／Ｓｅｃｕｒｉｔｙ／ｄｒａｆｔ￣ｇｇｆ￣ｏｇｓａ￣ｓｅｃ￣ａｒｃｈ￣０１．ｐｄｆ［４］ＣｈｒｉｓＫａｌｅｒ，Ａｎｔｈｏｎｙ，Ｎａｄａｌｉｎ．Ｗｅｂｓｅｒｖｉｃｅｓｆｅｄｅｒａｔｉｏｎｌａｎｇｕａｇｅ（ＷＳ－Ｆｅｄｅｒａｔｉｏｎ）［ＥＢ／ＯＬ］．ＢＥＡａｎｄＩＢＭａｎｄＭｉｃｒｏｓｏｆｔａｎｄＲＳＡＳｅｃｕｒｉｔｙａｎｄＶｅｒｉＳｉｇｎ，ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ￣１０６．ｉｂｍ．ｃｏｍ／ｄｅｖｅｌｏｐｅｒｗｏｒｋｓ／ｗｅｂｓｅｒｖｉｃｅｓ／ｌｉｂｒａｒｙ／ｗｓ￣ｆｅｄ／，２００３［５］戴节勇，顾健．ＰＫＩ技术在网格安全中的应用［Ｊ］．计算机工程，２００５（３）：１５９￣１６１作者简介：吕锋男，（１９５３－），教授。

研究方向为分布式系统，网络安全。