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图13.2 “音高-频率”曲线
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(3) 掩蔽效应
一种频率的声音阻碍听觉系统感受另一种频率的声音，这种现象 称为听觉掩蔽效应。前者称为掩蔽声音，后者称为被掩蔽声音。 听觉掩蔽取决于屏蔽声音与被掩蔽声音的幅值与时域特性，可分 为频域掩蔽和时域掩蔽。
第十三章 音频水印
13.1音频水印特点 13.2音频水印算法评价标准 13.3音频水印分类及比较 13.4 DCT域分段自适应音频水印算法实例 13.5小结
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互联网技术的迅速发展和音频压缩技术的日益成熟使 得以MP3为代表的网络音乐在互联网上广泛传播。但 是，肆无忌惮的复制和传播盗版音乐制品使得艺术作 品的作者和发行者的利益受到极大损害。在这种背景 下，能够有效地实行版权保护的音频数字水印(Digital Audio Watermarking)技术变得越来越重要，已成为一 个十分热门的研究领域。
数字音频水印技术将具有特定意义的信息嵌入到原始 音频中而不显著地影响其质量。根据不同的应用，嵌 入的水印数据可以是版权信息、序列号、文本(如音乐 或艺术家的名字)、一个小的图像甚至是一小段音频。 水印隐藏在宿主音频数据中通常不为人所感知，此外 还必须能够抵抗常规音频信号处理以及某些恶意的攻 击。
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图13.1 人耳对响度的感知随频率变化的曲线
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(2) 对音高的感知
客观上用频率来表示声音的音高，单位为Hz。 而主观感觉的音高单位则是“(美)”。它们也是 两个不同又有联系的概念。主观音高与客观音 高的关系可用下式表示。
人耳对响度的感知有一个从听阈到痛阈的范围， 对频率同样也有一个感知范围。人耳可以听见 的最低频率约为20Hz，最高频率约为18000Hz。 图13.2就反映了人耳对响度感知能力随着信号 频率变化的规律。
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13.1.1人类听觉系统 (HAS-Human Auditory System)
人耳的机理相当复杂，它就像一个频率分析仪，能够 探测到从10Hz至20000Hz的声音。描述人类听觉系统 的感知特性一般从下面三个方面来分析：响度、音高 和掩蔽效应。
(1) 对响度的感知 声音的响度即声音的强弱。在物理上，声音的响度使用客观测量 单位来度量，即声压单位（达因/平方厘米）或声强单位(瓦特/平 方厘米)。在心理上，主观感觉的声音强弱使用响度级“方(phon)” 或“宋(sone)”来度量。这两种感知声音强弱的计量单位是完全不
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一个好的音频水印算法应该具备如下性质： (1) 水印必须嵌入到宿主音频数据中，否则很容易被修改或除去。 (2) 水印必须具有感知透明性，即不能对原始音频的质量产生明显的影响。 (3) 为保证水印的安全性，一般在嵌入过程和检测过程中要使用密钥。 (4) 水印应该对 MP3 有损压缩、低通滤波、噪声、重采样等音频信号处理具
频域掩蔽是指听觉信号中，若两个信号的频率相近，那么较强的 信号将淹没较弱的信号。实验证明低频信号可以有效地掩蔽高频 信号，但高频信号对低频信号的掩蔽作用不明显。在当代高质量 声音编码技术中就使用了频率掩蔽模型。
时域掩蔽比较直观，它是指强音和弱音同时或几乎同时出现时， 强音屏蔽弱音的现象。时域掩蔽包括超前掩蔽与滞后掩蔽。超前 掩蔽是指在强掩蔽声音出现前，被掩蔽声音不可听见。滞后掩蔽 是指在强掩蔽声音消失后，被掩蔽声音不可听见。产生时域掩蔽 的主要原因是人的大脑处理信息需要花费一定的时间。一般来说， 超前掩蔽大约只有5~20ms，而滞后掩蔽可以持续50~200ms。
。 同的两个概念，但它们之间又有一定的联系
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当声音弱到人耳刚刚可以听见时，称此时的声音强度 为“听阈”。例如，1KHz纯音的声强达到时，人耳刚 能听见，此时的客观响度级定义为零dB声强级，而主 观响度级定义为零方。另一种极端的情况是声音强到 是人耳感到疼痛，我们称这个阈值为“痛阈”。例如， 当频率为1KHz的纯音声强达到120dB左右时，人耳感 到疼痛，此时主观响度级为120方。实验表明，“听阈” 和“痛阈”都随频率变化。图13.1说明了人耳对响度 的感知随频率变化的特性。图中最上面的一条曲线是 “痛阈”随频率变化的曲线，最下面的一条曲线是 “听阈” 随频率变化的曲线，这两条曲线之间的区域 就是人耳的听觉范围。由图13.1可见，1KHz的10dB的 声音和200Hz的30dB的声音，在人耳听起来具有相同 的响度。
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(4) 对于频域信号中的相位分量和幅值分量， 人耳对幅值和相对相位更为敏感，而对绝对相 位不敏感。
(5) 人耳对不同频段声音的敏感程度不同，通 常人耳可以听见20Hz~18KHz的信号，对 2KHz~4KHz范围内的信号最为敏感，在此范围 内幅度很低的信号也能被听见，而在低频区和 高频区，同样低幅度的信号就可能无法被听见。 即使对同样声压级的声音，人耳实际感觉到的 音量也是随频率而变化的。
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13.1音频水印特点
在音频中加入水印，要考虑到音频载体
信号的在人类听觉系统、音频格式以及
传送环境等方面的特点。与图像和视频
相比，音频信号在相同的时间间隔内采
样的点数少。这使得音频信号中可嵌入
的信息量要比可视媒体也要少。并且由 于人耳听觉系统(HAS)要比人眼视觉系统 (HVS)敏感得多，因此听觉上的不可知觉 性实现起来要比视觉上困难得多。
有鲁棒性。 (5) 嵌入和检测的计算代价要足够小以进行实时处理。 (6) 在大多数情形下，水印检测不应该需要原始音频，即进行盲检测，因为
寻找原始音频是十分困难的。 (7) 水印算法最好是公开的，即安全性应依赖于密钥的选择而不是对算法进
行保密。
设计一个水印系统满足以上全部要求是很困难的。有些性质如鲁 棒性、透明性和数据容量之间是相互矛盾的，因此，在这些要求 中寻找最佳平衡是水印系统设计的目标。