一種安全的數字音頻水印方案

摘 要:提出一種安全的數字音頻水印算法，利用密鑰生成的序列作為水印同步碼，并在時間域嵌入同步碼。水印信息采用分塊結構化編碼方式，水印分塊中采用校驗碼機制，水印內容采用量化方式嵌入在小波變換域，水印分塊在音頻段中循環冗余嵌入方式，以抵抗同步攻擊的能力。提出的算法不僅具有較好的不可感知性，對低通濾波、噪聲、重量化、重采樣、MP3壓縮等信號處理具有較好的魯棒性;同時對抵抗隨機裁剪攻擊、抖動攻擊、時間延展等同步攻擊具有很好的魯棒性。關鍵詞:音頻水印; 同步攻擊; 安全水印; 水印同步碼

中圖分類號:TN919-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)22-0139-03

A Security Digital Audio Watermarking Scheme Based on Synchronization Technique

XU Ri1， XUE Hui-jun2

(1.Department of Computer Science， Inner Mongolia Business Trade Vocational College， Hohhot 010010， China;

2.Department of Computer Science， Inner Mongolia Electronic Information Vocational Technical College， Hohhot 010010， China)

Abstract: A security digital audio watermarking scheme is introduced， which uses a random sequence generated by private key as watermarking synchronization code and embeds the synchronization code in the time domain of audio signal. The block-structured coding is used in watermarking information， the check code mechanism is used in watermarking block， the sub-block watermarking is embedded in the wavelet transform domain. Experimental results show that the proposed scheme is inaudible and robust against common signals processing such as low-pass filtering， re-quantify， resample， MP3 compression and equalization etc， and is robust against desynchronization attacks such as random cropping， time-scale modification， and jittering.

Keywords: audio watermarking; synchronization attack; security watermarking; watermarking synchronization code

0 引 言

數字音頻水印技術作為數字音頻作品版權保護的有效手段，已經得到學術和產業界重視[1-3]。目前，針對音頻水印算法的研究很多。但是抵抗隨機裁剪、抖動攻擊往往很容易讓水印信息無法正確提取。文獻[4]把信號短時平均幅度從低向高改變，并將改變程度最大的點作為特征點，并采用給定幅度參數閾值t1和t2來控制特征點數，其算法不具有通用性。文獻[5]以變換域上的局部極值點作為特征點進行定位，嵌入和提取過程都是從音頻的起始點分幀，用時間域裁剪攻擊會出現幀移現象。文獻[6]將同步信息添加到音頻幀數據的小波域中，在裁剪攻擊或抖動攻擊中，同樣會引起幀移并逐步加大。文獻[7-11]采用音頻特性定位或嵌入同步碼的方式實現水印在同步方面的魯棒性。上述水印算法基本沒有考慮水印信息的安全性能，這些算法在公開的情況下，基本上可以很容易地把水印信息去除。

在此提出一種安全的音頻水印方案，利用密鑰序列生成同步碼，同步碼嵌入在音頻載體的時間域。對水印信息進行結構化分塊，結構化水印信息包括分塊編號、分塊水印信息、校驗信息等。分塊水印嵌入在音頻信號的離散小波變換系數上，提高了水印算法的安全性，在未知密鑰的情況下很難檢索到水印的同步碼，水印內容嵌入到小波變換域上，增強了水印信息的魯棒性。仿真實驗驗證了水印在抵抗同步攻擊、抖動攻擊方面具有很好性能，對常見的音頻信號處理也具有良好的魯棒性。

1 水印算法設計

1.1 水印信息預處理

一般而言，作為版權侵權追蹤中水印嵌入的實際需要，嵌入的水印信息可以是代表該版權歸屬的企業標識或企業名稱等信息，其水印信息內容不大。比較適合作為水印信息的形式，通常可采用二值圖像或灰度圖像。水印信息預處理的目的在于增加水印抵抗攻擊的能力，在部分的水印分塊提取錯誤時，不至于影響其他水印分塊的提取。預處理分為以下幾個步驟。

(1) 水印信息分塊。

水印信息通常采用可視的二值或灰度圖像形式，以方便實際應用中對版權歸屬的確認。在此，以二值圖像作為水印討論，把水印信息分成n×n(n取4或8)大小的塊，對水印圖像做預處理，可以恰當的數量分塊。

(2) 分塊水印信息結構化。

經過分塊的水印信息進行結構化處理。首先，在分塊信息之前增加分塊編號信息，分塊信息進行二進制序列化，然后根據密鑰進行置亂處理，最后增加二位校驗位，一位為分塊編號校驗和;另一位作為水印信息校驗和。

1.2 水印同步碼

在水印檢測時實用的水印系統不能依賴原始的載體[1]，必須是盲檢測，這就要求嵌入的水印必須能正確地定位，任意選擇一定長度的音頻載體，只要其中嵌入完整的水印信息，即可正確的提取其中的水印信息。同時，要求水印算法可以公開，水印算法的安全性不能依賴于算法的保密來實現。本算法提出的同步碼是由密鑰生成的序列。利用m序列生產器，生成長度為k的序列碼，作為同步碼。

1.3 同步碼嵌入

為提高水印信息檢索效率，同步碼嵌入在水印載體的時間域。水印嵌入位置對于水印的魯棒性影響很大，水印嵌入位置的選取極為重要，同步碼的嵌入步驟如下:

(1) 嵌入位置檢索。假設需要嵌入水印的音頻載體為A={a(n)，1≤n≤N}，確定一個寬度為Lw的滑動窗口，Lw的取值與同步碼的長度k相同，即Lw=k。把滑動窗口在音頻載體的時間軸上移動檢索，計算窗口內音頻采樣點的能量值Ej=∑i=j+Lw-1i=ja(i)×a(i)，選取窗口中能量Ej大于某一個閾值TE的音頻段作為同步碼嵌入的音頻段。

(2) 同步碼嵌入。對(1)中選取的音頻段，每一個音頻采用點嵌入一個比特的同步碼，嵌入方法為直接修改音頻采用點最低2~4位上，采用直接的位替換方案，直接把同步碼位逐個按序替換方法，替換位置在最低第2，3，4位上選擇，選擇方法為采用密鑰生成0~1之間的隨機數序列，根據隨機數序列所在的位置確定同步碼被替換的位置。由于滑動窗口的長度與同步碼的長度一致，所以這就很容易實現同步碼的嵌入。

(3) 在檢索到一個同步碼的嵌入音頻段之后，其長度為La的音頻段，即為用于嵌入水印的音頻載體。假設分塊水印長度為M，則La取值為4M。

(4) 下一個同步碼的檢索，在長度為La的音頻之后，繼續重復(1)步驟檢索同步碼嵌入位置。

1.4 水印嵌入

在上述音頻信號中，根據檢索到的同步碼可以確定水印分塊的嵌入音頻信號段，并且音頻信號段的長度為La，假設嵌入音頻分塊的音頻信號為Aj={a(i)，j+1≤i≤j+La}。水印嵌入的步驟如下:

(1) 對音頻信號Aj進行N層小波變換，這里N一般取2或3。音頻信號在進行小波變換后分為低頻系數和高頻系數。音頻信號的能量主要集中在低頻系數，因此選擇小波的低頻系數用于水印分塊的嵌入;

(2) 采用量化的水印嵌入方案進行修改低頻系數。修改后的低頻系數及保留的高頻系數部分，經過小波逆變換，生成Aj的幾位嵌入水印分塊音頻段。

1.5 水印提取

水印的提取過程與水印嵌入過程類似，具體步驟如下:

(1) 生成同步碼，使用嵌入時候相同的密鑰生成同步碼序列。

(2) 對于待檢測的音頻信號，根據嵌入時候確定的滑動窗口，在時間域檢索同步碼，計算滑動窗口內音頻信號的能量，對于大于閾值αTE(這里α取值為0~1之間，小于1;如果α為1，可能造成同步音頻信號無法檢索到)的滑動窗口，按照嵌入時候相同的方案提取出同步碼，若為同步碼，則定位到嵌入水印的音頻為其后的Lw長音頻段，否則繼續檢索。

(3) 對于檢索到的同步碼，即可確定其后的Lw長的音頻段中嵌入的分塊水印內容。取其后的Lw音頻段，進行N層小波變換，按照與嵌入相同的方式，在低頻系數提取水印分塊。

(4) 如果提取的分塊水印滿足水印分塊的結構，即水印分塊號在正確值范圍，同時分塊的校驗碼都是正確的，則可認為提取的水印分塊是正確的。否則，認為水印分塊提取的信息是錯誤的，拋棄提取的水印分塊，繼續步驟(2)。水印的分塊嵌入過程是把同步碼及水印分塊信息多次循環地嵌入在音頻信號中。因此在音頻信號足夠長的情況下，很容易地提取到各個水印分塊。

(5) 把提取的完整的各個水印分塊，按照分塊編號，重新組合成完整的水印。

2 實驗結果

為驗證所提出水印算法的性能，本文在Window XP和Matlab 7.1環境下進行仿真。實驗中，選用原始信號為44.1 kHz，分辨率為16 b，長度為31 s的單聲道數字音頻信號。水印信息選取32×32的二值圖像，如圖1所示。算法中采用3層DB -2小波基。同步碼長度k的取值為16，滑動窗口大小即為Lw=k=16。其中，能量閾值TE取值為1.5，這個閾值的選擇根據情況做調整，用它將影響同步碼的定位，也影響水印的魯棒性能。 表1給出了本文算法和文獻[6]算法的抵抗攻擊能力對照結果。

圖1 二值水印圖像

表1 數字水印對部分常規攻擊的抵抗能力

未攻擊

隨機剪切

1 024樣點2 048樣點重量化

重采樣

22.05 kHz11.025 kHz高斯噪聲

MP3

256 kHz

文獻[6]算法

NC1.0000.8650.8410.9860.8920.8390.9210.735

BER00.1220.1650.0020.2020.2380.0920.324

PSNR42.75122.42119.75239.34221.16219.09830.65819.652

本文算法

NC1.0001.0000.9951.0001.0000.9820.9020.759

BER000.024000.0050.1090.339

PSNR42.75038.17435.72139.98237.16536.42025.42618.765

通過上述的實驗數據可以看到，算法對于隨機裁剪攻擊具有很好的性能，對常見信號處理具有較好的魯棒性，對MP3壓縮處理和高斯噪聲處理，略低于文獻[5]的性能，其他的如重采樣、重量化等攻擊都表現很好的性能，特別是對隨機裁剪攻擊，具有很好的魯棒性。

3 結 語

在此提出了一種安全的音頻水印算法，它采用的水印同步碼及水印同步碼的嵌入位置均通過了密鑰控制，增加了水印的安全性。同步碼嵌入在時間域上可以大大減低同步碼的檢索效率。把水印嵌入在小波變換域上，采用了水印分塊的方法，并對每個分塊應用校驗碼技術，提高了水印的魯棒性。仿真實驗驗證了水印是安全和有效的。本文算法的缺點在于滑動窗口計算能量之后，需要一個預先設定的能量閾值。然而這個閾值的確定，可能因為音頻類別的不同而不同，因此實際上可以尋找更好的方案，以實現可以自適應的調節。在同步的基礎上進一步提高水印在抵抗MP3壓縮攻擊、噪聲攻擊的性能，將是下一步的研究課題。

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