音频数字水印技术

6.2 人类听觉特性
频域掩蔽算法的具体实现步骤如下：
(1) 计算频谱。 对每16 ms的信号s(n)， 其采样点数 N=512， 用Hamming窗h(n)进行加窗处理
8
h(n) 3 [1 cos(2 n )]
2
N
(6 - 1)
第6章 音频数字水印技术
s(n)的功率谱由下式得到
S(k) 10 lg[
s(n), 0≤n＜m s(n)+λs(n-m), m≤n＜N
(6 - 9)
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原始音频 分段 数据
音频 数据段
水 印 比特
衰减 延时
回声混入 段组合
含水印 音 频 数据
图 6 - 2 回声编码水印嵌入流程图
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在实际的应用中， 为了提高水印嵌入的效率， Gruhl 采取的方法如下：
水印算法运算速度快， 因此除了对回声算法进行研究 外， 一些学者对时域的其他算法进行了深入研究， 提 出了一些新的算法。
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Kim等认为将水印信号嵌入时域中每一个样点会使 人耳产生感知， 他们每间隔一定的距离(3～5个样点)， 通过修改样点的幅度值而嵌入水印。 在水印检测时不 需要原始音频信号， 而是根据嵌入水印的样点附近的 样点值估计该点的原始值， 进而获得嵌入的水印。
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层Ⅱ： 频带被划分为30个子带， 最低频3个子带的 所有采样点都用到， 接下来的3个子带的采样点每2个 用到1个， 接下来的6个子带的采样点每4个用到1个， 余下的18个子带的采样点每8个用到1个。 共用到采样 点132个。
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(5) 掩蔽是可以叠加的， 因而在z(i)处具有的总掩蔽 阈值LTg(i)为z(i)处的安静时阈值LTq(i)和所有临
j∈{-2,+2}, if 2＜k＜63
j∈{-3, -2, +2, +3}, if 63≤k＜127
(6 - 3)
j∈{-6, -5, …, -2, +2, …, +5, +6}, if 127≤k≤250
则该成分是纯音。
S (k 1)
S(k)
S (k 1)
Stm (k ) 10 lg[10 10 10 10 10 10 ]
图 6 - 6 回声编码水印提取流程图
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回声水印的嵌入过程也可以看作音频信号和一个回 声内核进行卷积， 回声内核如图6 - 7所示。 图中m是 回声延时， λ是回声的衰减系数。
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1
m
图 6 - 7 回声内核
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6.3.3 其他的时域水印方法 虽然最不重要位方法有一些局限性， 但由于时域
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幅 度 f (t) L
L
L
E1
E2
E3
t
Sec_ 1
Sec_ 2
Sec_ 3
图 6 - 8 使用三个相邻的样点段以嵌入水印示意图
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加 权 系数
w 1.0
t L (a) w为 大 于 1的 情 形
加 权 系数
1.0
w t
L (b) w为 小 于 1的 情 形
图 6 - 9 段边界处的渐变加权曲线
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6.4 变换域音频水印算法
6.4.1 相位水印算法 相位水印算法利用人耳听觉系统对绝对相位不敏感
以及对相对相位敏感的特性， 使用代表水印数据的参 考相位替换原始音频段的绝对相位， 并对其他的音频 段进行调整， 以保持各段之间的相对相位不变。 相位 编码的具体步骤如下：
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6.1.2 音频信号传送环境 在实践中， 含有水印的音频信号从编码到解码之
间有多种可能的传播途径。 这里， 我们仅考虑最普通 的四种情形。
第一种情形是声音文件从一个机器拷贝到另一个 机器， 其中没有任何形式的改变。
第二种情形是信号频数字水印技术
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6.1.4 数字音频水印系统的典型应用 随着音频素材在互联网上的指数级增加， 数字音
频水印技术有着广泛的应用前景： (1) 为了便于对音频素材进行查找和检索， 可以用
水印技术实现元数据(描述数据的数据)的传输， 就是 用兼容的隐藏的带内方式传送描述性信息。
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第三种情形是信号被转换为模拟形式， 通过模拟 线路进行传播， 在终端被重新采样。
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6.1.3 对音频数字水印的要求 要想成功地在数字音频媒体中隐藏水印， 必须注
意以下几方面的要求。 1. 对数据变换处理操作的稳健性 要求水印本身应能经受得住各种有意无意的攻击。
典型的攻击有添加噪声、 数据压缩、 滤波、 重采样、 A/D-D/A转换、 统计攻击等。
(6 - 4)
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(3) 去除被掩蔽成分， 分为以下两步： ① 根据如图6 - 1所示的绝对听阈曲线， 把在绝对 听阈以下的纯音和噪音成分去除。 ② 对相互间隔小于0.5 Bark的多个纯音成分只保留 其中有最大值的那一个。
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比 特误 码 率
0.3 5 0.3 0.2 5 0.2 0.1 5 0.1 0.0 5
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Lie等提出的方法与Kim的方法类似， 不同处是将每 个比特的水印信号嵌入到一段音频信号中。 具体算法 如下所述。
水印嵌入算法： 将音频信号f(x)分段， 每段长度为 L。 将任意相连的三段分别记为sec_1、 sec_2 和sec_3。 每段的能量定义为：
xi L1
E1 f (x)
法。 它利用了人类听觉系统的另一特性： 音频信号在 时域的向后屏蔽作用， 即弱信号在强信号消失之后变 得无法听见。 弱信号可以在强信号消失之后50~200 ms 的作用而不被人耳察觉。
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设音频序列S={s(n), 0≤n＜N}， 按下式即可得到含有 回声的音频序列Y：
y(n)=
LTg (i) 10lg 10LTq (i)/0
m
10 LTlm( z( j),z(i))/10
m
10 LTnm ( z( j),z(i))/10
j1
j1
(6 - 8)
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6.3 时域音频水印算法
6.3.1 最不重要位方法 最不重要位方法是一种最简单的水印嵌入方法。
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2. 听觉相似性 数字水印是在音频载体对象中嵌入一定数量的掩蔽 信息， 为使得第三方不易察觉这种嵌入信息， 需谨慎 选择嵌入方法， 使嵌入信息前后不产生听觉可感知的 变化。 3. 是否需要原始数据进行信息提取 根据数据嵌入和提取方案的不同设计， 有些方案 可以不需要借助于原始数据进行信息提取， 这一性能 将影响方案的用途和性能。
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4. 数据提取误码率 数据提取误码率也是音频水印方案中的一个重要技 术指标， 因为一方面存在来自物理空间的干扰， 另一方 面信道中传输的信号会发生衰减和畸变， 再加上人为的 数据变换和攻击， 都会使数据提取的误码率增加。 5. 嵌入数据量指标 根据用途的不同， 在有些应用场合中必须保证一定 的嵌入数据量， 如利用音频载体进行隐蔽通信。
(1) 假设要嵌入的水印比特为“1011001”， 先将整个 音频信号分成如图6 - 3所示的7段。
(2) 分别使用式(6 - 9)， 得到延时分别为m0和m1的两 个含有回声的信号， 如图6 - 4所示。
(3) 构造“1”混合信号和“0” 混合信号， 如图6 - 5所 示。
第6章 音频数字水印技术
第6章 音频数字水印技术
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6.1 概述 6.2 人类听觉特性 6.3 时域音频水印算法 6.4 变换域音频水印算法 6.5 其他类型的水印算法 6.6 音频水印的评估标准和攻击 6.7 小结
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6.1 概 述
6.1.1 音频信号的数字化 音频信号的数字化是指对模拟的声音信号进行A/D
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(1) 设原始音频序列为 S={s(i), 0≤i＜L}
将S分割成N个等长的小段 sn={sn(i), 0≤n＜N, 0≤i＜K}
其中K=L/N。
(6 - 13) (6 - 14)
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(2) 对第n段sn(i)进行K点的离散傅里叶变换(DFT)。 生成相位矩阵φn(ωk)和幅度矩阵An(ωk)(0≤k＜K)。
a
b
c
d
e
f
g
1
0
1
1
0
0
1
图 6 - 3 将原始信号分为小段以嵌入数据
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a
b
c
d
e
f
g
m1
1
0
1
1
0
0
1
m0
1
0
1
1
0
0
1
图 6 - 4 产生“1”和“0”回声信号(用虚线表示)
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a
b
c
d
e
f
g
1 1 0
1 0
0
1
1
0
0
1
“ 1”混 合 信 号
“ 0”混 合 信 号
转换， 使其转化为数字信号。 这个过程有两个重要的 参数： 量化精度和瞬态采样频率。
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对高质量音频的量化方式最流行的格式是16 bit线 性量化， 如Windows可视音频格式(WAV)和音频交换文 件格式(AIFF)。 另一种较低质量音频的量化方式一般采 用8 bit μ律量化。 这些量化方法会使信号产生一些畸 变， 在8 bit μ律量化中显得更为明显。
任何形式的水印都可以转换成一串二进制码流， 而音 频文件的每一个采样数据也是用二进制数来表示。 这 样， 可以将每一个采样值的最不重要位(多数情况下为 最低位)用代表水印的二进制位替换， 以达到在音频信 号中嵌入水印的目的。
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6.3.2 基于回声的水印算法 利用回声嵌入水印的算法是一种经典的音频水印算
1
N 1
s(n)h(n) exp( j2
nk )]2
(6 - 2)
N n0
N
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(2) 确定纯音和噪音成分。 这样做是因为纯音和噪 音的掩蔽模型不同。 如果某个频谱成分的局部极大值 (S(k)＞S(k+1)且S(k)≥S(k-1))， 满足下式：
S(k)-S(k+j)≥7 dB
0 30
空域 小 波域
40 50 60 70 80 90 100 JP EG压 缩 品 质
图 6 - 1 绝对听阈曲线图
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(4) 计算局部掩蔽阈值与整体掩蔽阈值。 对原始的N/2(即256) 个频域采样点(用k代表)， 只有 其中的一部分采样点(用i代表)被用来计算整体掩蔽阈 值。 层Ⅰ和层Ⅱ所用到的采样点不同。 层Ⅰ： 频带被划分为30个子带， 最低频6个子带中 所有采样点都用到， 接下来的6个子带的采样点每2个 用到1个， 余下的18个子带的采样点每4个用到1个。
(2) 在广播领域中， 可以用水印技术执行自动的任 务， 比如广播节目类型的标识、 广告效果的统计分析、 广播覆盖范围的分析研究等。 其优点是不依赖于特定 的频段。
(3) 用水印技术实现知识产权的保护， 包括所有权 的证明、 访问控制、 追踪非法拷贝等。 这也是水印技 术最初的出发点。
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x xi
E2
xi 2 L1
f
(x)
x xi L
xi 3L1
E3
f
x xi 2 L
(x)
(6 - 10)
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其中xi表示sec_1的起始样点。 将三段的能量按从大 到小进行排列， 重新表示为Emax、 Emid和Emin。 计算它 们的能量差：
A=Emax-Emid B=Emid-Emin
图 6 - 5 构造混合信号
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(4) 将延时为m0的信号和“0” 混合信号相乘， 延时 为m1的信号和“1” 混合信号相乘， 最后将两个信号相 加得到含水印信号。
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含 水 印音 频 数据段
DFT
复 对 数 平 方 ID FT 复 倒 谱的 自 相 关
比较 yˆ(m0 )和 yˆ(m1) 水 印 比 特
(6 - 11)
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(1) 当水印比特为1时， 如果
A-B=Emax-2Emid+Emin≥(Emax+2Emid+Emin)·d， 则不对信号修改； 否则增加Emax或减小Emid， 直至 A-B≥(Emax+2Emid+Emin)·d。
(2) 当水印比特为0时， 如果
B-A=2Emid-Emin-Emax≥(Emax+2Emid+Emin)·d， 则不对信号 修改； 否则增加Emid或减小Emin， 直至 B-A≥(Emax+2Emid+Emin)·d。