同步音频水印算法的实现

第28卷 第4期 吉首大学学报(自然科学版)Vol.28 No.4 2007年7月J ournal of J ishou University(Natural Science Edi ti on)Jul.2007文章编号:1007-2985(2007)04-0074-04同步音频水印算法的实现张国武,曾巧明(中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙 410008)摘 要:目前的音频水印算法缺乏有效的同步技术,笔者应用通信网同步方法,提出了一种快速重同步音频有意义音频水印算法.该算法利用时域水印技术嵌入同步信息,从而对抗音频在时间轴上可能受到的攻击,借助变换域基于小波变换增强音频的鲁棒性,水印为一幅二值图像.仿真实验表明该算法产生的水印在对抗加性Gaussian噪声、MP3压缩和裁剪等方面具有良好的稳健性,可用于数字音频产品的版权保护.关键词:同步;小波变换;稳健性中图分类号:TP301.6 文献标识码:A数字水印技术是把数据(水印)嵌入到多媒体文件中去,以保护所有者对多媒体所拥有的版权.当所有者权益被侵犯时,可通过对水印的检测来得到证明.由于人的听觉系统(HAS)要比视觉系统(HVS)敏感,相对于静止图像和视频信号,在音频信号中嵌入数字水印更为困难[1].通常,音频数字水印应具有以下3个特性.(1)不可觉察性.加入水印后的语音信号比起原语音信号对人耳来讲应该是听起来无差别的;(2)鲁棒性.未被授权的个人或团体企图通过一些处理方法,去除或修改嵌入的水印信息时,会引起原语音信号音质的明显下降;而对于常见的信号处理操作,如传输、过滤、重采样、有损压缩等,嵌入的信息应损坏很小,并在一定正确概率的基础上可以被检测到;(3)可靠性.水印嵌入和检测方法对未被授权的第3方而言,应是保密且不能被轻易破解的,而那些合法的所有者或使用者,通过水印的检测过程,来证实自己的合法行为,以达到版权保护的目的.目前常用的音频水印技术[2],按水印嵌入方式来分可以分为2类:时域法和变换域法.时(空)域算法的算法简单、运行速度快,但抗干扰能力差.变换域法有离散傅里叶变换(DFT)算法、离散余弦变换(DCT)算法、离散小波变换(DWT)算法等,该类算法复杂度较高,但鲁棒性好.由于小波变换具有良好的时频局部特性,因此成为目前频域法水印的主流技术.目前,一些主要的算法,由于缺乏一种有效的同步机制,无法抵抗音频裁剪等攻击,水印的稳健性不强.笔者研究了一种结合时域和变换域的音频水印算法,这种算法借鉴无线语音传输系统的同步技术,在时域上嵌入了同步信号,实现了语音信号受裁剪等攻击后的快速重同步.为了在满足不可感知性的前提下获得良好的抗噪声、MP3和裁剪等攻击的稳健性能,嵌入的水印信号将水印作为一幅二值图像来处理与隐藏,利用小波变换将水印嵌入到音频信息中.在水印提取时,使用了同步码检测技术,能够知道水印嵌入的起始点.1 算法原理由于语音信号是时间轴上的函数,剪裁等攻击会引起严重的同步错误.为了在检测时保持水印的同步,笔者提出了在隐藏有意义水印的同时,在语音信号中嵌入同步信息.一般来说,同步信息的数据量远小于水印数据量.所提出算法结合了变换域和时域水印技术.由于变换域上的水印能量能较均匀地扩散到时域上,对水印的不可感知性和稳健性比较有利,占隐藏数据量大部分的水印采用变换域方法嵌入于原始语音信号中.而为了实现快速重同步,同步信号的隐藏则采用时域水印技术.考虑到语音信息量一般比较庞大,如果进行全局DWT变换,计算量太大.因此笔者设计的算法对原始语音信号f(t)进行分段处理.在每个分段点处嵌入同步码.水印数据则嵌入到每段语音信号.隐藏了水印的语音信号受到各种攻击(MP3、噪声、低通滤波、剪裁等)后,从中检测的水印将不可避免地发生错误.为了降低检测水印的差错率,从而提高水印的稳健性,收稿日期:2007-05-21作者简介:张国武(1978-),男,湖南常德人,中南大学信息科学与工程学院硕士生,主要从事ERP的研究与应用.图1 算法原理图笔者设计的算法对每段语音信号做IDWT 变换以获取加入水印的语音信号.提取水印时,首先在待测语音信号中沿时间轴搜索同步信号,并利用数字通信的帧同步原理实现快速重同步.然后根据同步信号对语音数据分段.提取出一个估计的隐藏水印.图1是所提出算法的原理框图.2 同步码和水印的嵌入2.1同步码嵌入考虑数据隐藏中不可感知性和稳健性的基本要求,同步码需要满足如下条件:具有尖锐特性的自相关函数;具有较短的码长.笔者选用12b 的巴克码(Bark Code)作为同步码,巴克码是一种常用的群同步码,它是一种非周期序列,一个n 位的巴克码为{x 1,x 2,x 3, ,x n },x 1的取值为 1,其自相关函数为R (j )=n -j i =1x i x i +j =n j =0,0, 1 0<j <n ,0 j n .(1)当j 为负值时的自相关函数值,与正值对称,自相关函数在j =0时出现尖锐单峰.假设同步码为A 比特,每段语音信号有B 个抽样点,则共有M 段语音信号,记第i 段语音信号为R i (j ),同步码为B (j ),且同步码嵌入于每段信号的第1至第A 个抽样点中.嵌入算法如下:R i (j )=R i (j )-R i (j )mod S +3S /4 B (j )=1,R i (j )-R i (j )mod S +S /4 B (j )=0.(2)其中:1 i B ;1 j A ;S 为在满足不可察觉性的前提下,尽可能选择的大值;mod 为取模运算.R i (j )-R i (j )mod S 相当于R i (j )的低log 2S 位清零.同步码嵌入于每段信号R i (j )的第1至第A 的抽样点中,每段余下的B -A 个抽样点将用来隐藏水印数据.2.2水印的嵌入2.2.1音频信号的分解对R i (j )中上述的B -A 个抽样点,利用参考文献[3]提出的方法对每一段进行L 级的小波变换,保留前L -1级小波的细节分量及第L 级小波的近似分量不变,在第L 级小波的细节分量d 1中嵌入水印,假设d 1的长度为Ld 1.2.2.2水印信号的获取 由一幅二值数字图像,得到一个二值序列S ={s i ,0 i <N },其中s i 代表图像的点,1或-1表示该点为黑或白,且s i {-1,1}.利用一长度为N 的伪随机序列P 对S 进行调制,得到序列P ={p i ,0 i <N } p i {-1,1},(3)W ={w i ,0 i <N } w i {-1,1}.(4)其中:w i =s i p i ;0 i <N .将W 作为要嵌入的水印,其中(3)式中的伪随机序列P 对算法的安全性起着重要作用,由于P的伪随机性,W 也具有伪随机的特性,在攻击者不了解P 的情况下,很难检测到水印并将其破坏掉.2.2.3水印信号的嵌入 为保证嵌入水印后的信号质量和算法的稳健性,将水印W 分成等长的M 段,每段的水印长度为K ,且K =N M ,K Ld 1时将第m (0<m <M )段的K 个值依次嵌入到相应第m 段音频信号小波变换的序列d 1中,且d i (i )=d 1(i )[1+ w m (i -s 0)] s 0 i s 0+k ,0 s 0<L dl -K ,d 1(i ) 其他.(5)其中: 为伸缩因子(通过调整 的取值,可以使嵌入的水印在具有听觉不可见性的同时保证水印的强度足够大);s 0是序列d 1中嵌入水印的起始点.利用d 1和第L 级近似分量及前L -1级细节分量进行小波逆变换,得到嵌入水印后的第m 段信号.重复以上步骤,将得到的M 段信号依次合成为嵌入水印后的完整信号.水印嵌入过程中的所有参数都应由版权所有者或仲裁机构妥善保存,以便在水印检测时使用.3 同步码和水印的检测及提取同步码的检测方法是基于数字通信中的帧同步技术.笔者采用如下的综合抗衰落帧同步方案:在任何状态下,都同时进行监视和搜索输入的语音信号.如果在规定时间连续出现若干次 丢失原来的随后发现新的帧定位信号 或者 发现新的75第4期 张国武,等:同步音频水印算法的实现图2 同步码检测随后丢失原来的帧定位信号 ,就与之建立新的帧同步.如图2所示.其中: Found 指搜索到同步符; Lost 指失去同步符;N 1,N 2, 为整数;L 为嵌入同步码时相邻2个同步码的距离.按照上述检测原则,a ,b 和e 点被认为是同步码.搜索同步码和建立重同步的具体步骤:(1)对整段语音信号进行监测,提取与同步码的相关函数大于一定阈值的码;(2)在上述提取的码中相邻两码的距离满足分段要求的被认为是同步信息.同步信号的提取过程是嵌入过程的逆过程.使用最大似然译码来提取同步码的每个比特B (j ),1 j N .则它与同步码B 的相关函数定义为(B ,B )=N j =1B (j ) B (j ).(6)如果 (B ,B ) T ,则认为同步信号已搜索到.对待测信号同步信号后面的A -B 个抽样点,利用水印的嵌入的第1步,得到序列d 1,对未嵌入水印的原始音频信号,用同样的方法得到序列d 1.利用s 0,由(7)式得到第m 段的水印信号w m ,w m i =+1 1-d 1(i +s 0)d 1(i +s 0) 0 0 i <K ,-1 其他.(7)对所有M 段信号重复上述步骤,得到长度为N 的水印信号w m ,用序列P 对w m 进行调制,得到序列s i =p (i )w i 0 i <N .(8)s 即可得到水印图像.观察者可以直接观察比较水印和原始水印的相似度.为克服主观的影响,可采用一种客观的评价方法,用下式计算水印的相似程度[4]Sim =N N .(9)其中:N 表示提取出的水印图像和原始水印图像相同的像素数;N 是原始图像的总像素数.4 实验结果笔者采用N =7的同步码,语音信号为长度为2s,其抽样频率为44.1kHz,量化值为16b,内容为一段音乐的音频信号进行实验.选取N =7的巴克码1110010作为同步码.在计算相关函数时,它转化为B =[+1,+1,+1,-1,-1,+1,-1].在实验中权衡了稳健性和不可察觉性后,该算法采用S =8192,该参数对参与实验的语音信号能获得比较好的性能,即当要嵌入 1 时,低8位置为11000000,要嵌入0 时,低8位置为01000000.在实验中同步码相关函数阈值T 取2.4.每段信号长度取为1000个样点,对每段信号进行3层小波变换,水印是N =64的二值图像,嵌入水印时 =0.15,水印检测同步,对含有水印的信号不作任何处理.对处理后的信号进行水印检测并计算得到Sim 的值如图3所示.a 原始水印b 直接提取c 低通滤波d 加入白噪音e 采用上采样率f 采用上采样率g 重新量化 (Si m=0.9835)(Si m=0.7825)(Si m=0.7956)(Si m=0.9813)(Si m=0.9785) (Sim=0.7417)图3 处理后的信号进行水印检测的结果图实验结果如下:(1)低通滤波.采用长度为6阶,截止频率为22.05kHz 的巴特沃兹低通滤波器.水印检测结果如图2.(2)重新采样.上采样是将信号采样频率提升为48k Hz,再还原为原采样频率.下采样是将信号采样频率下降为22.08kHz,再还原为原采样频率.2次的检测结果见图3-e,f.(3)重新量化.将信号由16bit 量化为8bit,再量化为16bit,检测结果为图3-g.(4)噪声干扰.对信号在时域中加入高斯白噪音.信噪比取为10dB.水印结果检测表明仍能正确识别且没有误判.(5)音频压缩编码.对信号采用MP3编码标准,在不同的比特率下进行编码,比特率越低,信号压缩率越高.解码后水76吉首大学学报(自然科学版)第28卷印检测结果见表1所示.表1 不同比特率下信号的压缩比和解码后提取水印的Si m 值比特率 kbps压缩比Sim 值1604.4 10.94231285.5 10.94021126.3 10.9312967.4 10.9289808.8 10.91525 结语从实验结果可以分析,该算法结合时域 变换域水印技术,根据同步信号和水印不同的要求,采用在时域中嵌入同步码,在DWT 域中嵌入水印的方案,同时满足了水印稳健性和同步码检测计算量小的要求,对采样率的改变及MP3压缩有较强的稳健性,提取出来的水印比较清晰,该算法具有较强的稳健性和安全性.参考文献:[1] FRANK HARTUNG,MARTIN KUTTER.Multimedia Watermarking Techniques [J].Proceeding of IEEE,1999,87(7):1079-1107.[2] 李跃强,孙星明.一种健壮的数字音频水印时域算法[J].计算机工程与应用,2005,41(8):89-91.[3] 钮心忻,杨义先.基于小波变换的数字水印隐藏与检测算法[J].计算机学报,2000,23(1):21-27.[4] WON -GYUM KIM ,JONG C HAN LEE,WON DON LEE.An Audio Watermarki ng Scheme with Hidden Signatures [D].Beijing:Pro -ceedings of 2000on Information Securi ty,2000.The Implementation of a Synchronous Audio Watermarking AlgorithmZ HANG Guo -wu,ZE NG Qiao -ming(Central South Univ.of Information Science and En g ineering,Changsha 410008,China)Abstract :The current audio watermarking algorisms lack effective techniques for synchronization.In this paper,the synchronization scheme in communication network is adopted and a fast resynchronized meaning -ful audio watermarking algorithm is proposed.These are some characteristic:with the technology of spatial watermarking,synchronization signal is e mbedded into the audio signal in order to resist some possible attack along the time a xis;the algorithm which is based on the use of wavelet transform domain can enhance the robustness,and the watermark is a binary image here.The e xperiment results of the emula tion show that the algorithm has good robustness in the watermark confrontation ad -ditive Gaussian noise,MP3compression and cutting,and other aspec ts,and it can be used for digital audio products copyright protection.Key words :synchronization;wavelet transform;robustness(责任编辑 陈炳权)77第4期 张国武,等:同步音频水印算法的实现。