數字音頻水印及其在廣播系統中的應用

曹軍梅

（延安大學 計算中心，陜西 延安716000）

對數字作品進行保護的傳統方法是密碼術，但密碼術只能保護傳輸中的內容或訪問控制，一旦被解密或被用戶訪問，被破解的音頻副本就可以被任意盜版和傳播，因而不能有效地判定用戶的合法性，必須結合新的技術對即使解密后的音頻產品進行全程跟蹤。在這種背景下，能夠有效地實行版權保護的數字音頻水印技術應運而生。廣播數字化和網絡化的快速發展，特別是移動流媒體業務和數字多媒體業務的應用，推動了數字音頻水印技術的快速發展，并得到初步應用。

1 數字音頻水印基本原理

數字音頻水印就是在不影響原始音頻質量的前提下向其中嵌入和提取數字水印的過程。水印與原始音頻數據緊密結合并隱藏在其中，通常是不可聽到的，而且能夠抵抗一般音頻信號處理和盜版者的某些惡意攻擊。

1.1 音頻水印系統模型

數字音頻水印系統主要由3部分組成：水印的生成、嵌入和提取或檢測。其中水印的嵌入是最重要的部分。

1）水印W的生成 典型的水印信號依賴于密鑰k、水印信息 Iw和原始數字音頻 V，即 W=fw（Iw，k，V）,式中 fw是不可逆的[1]，k常常起到對水印信息Iw進行編碼和指定嵌入位置的作用。水印信號可以是二值序列、高斯噪聲序列、混沌序列或其它有意義的形式。

2）水印嵌入算法Ew的設計 嵌入過程的通式Vw=Ew（V，Iw，k），其中，Vw表示嵌入水印后的數字音頻，Ew為數字水印嵌入算法。Cox提出了3種水印嵌入公式：①v'i=vi+αwi；②v'i=vi（1+αwi）；③v'i=vieαwi）；其中：vi為原始音頻數據，wi為水印數據，a為嵌入強度因子，為數字或矩陣。①為線性嵌入，②③為非線性嵌入。水印信號通常嵌入在空域、變換域中。

3）水印檢測或提取算法Dw檢測水印的通式為：①有原始數字音頻 V時:=Dw（Vw，V，k）；②有原始數字水印 W 時：=Dw（Vw，W，k）；③沒有原始信息時：=Dw（Vw，k）；其中,表示提取的水印，Dw為數字水印提取算法,Vw表示含水印的數字音頻。

檢測水印的方法通常有兩種：一是有原水印,作嵌入信號的提取或相關性驗證；二是盲檢測，必須對嵌入信息作全搜索或分布假設檢驗等。如果水印信號是隨機信號（偽隨機信號或二值圖像）,證明檢測信號是水印信號一般采用歸一化相關系數NC作為評價標準，通式為:

1.2 音頻水印技術的性能指標

數字音頻水印技術包含的主要性能指標[2]為：

1）可證明性 水印應能為受保護的數字音頻作品的歸屬提供完全可靠的證據。

2）透明性 在音頻水印中，最重要的一點是數字水印的感知透明性，就是嵌入的水印不能明顯地改變聽覺效果，不被覺察。對于音頻信號而言，數字音頻水印就是一種額外的噪聲。往往以信噪比或峰值信噪比為指標。設信噪比為RS,N，N為音頻數據段長度，vi為原始音頻采樣數據，為嵌入水印后音頻采樣數據，則：

3）魯棒性 在實際應用中，數字音頻水印的魯棒性非常重要。這里所說的魯棒性是指水印不受包括疊加噪聲、有損壓縮、低通濾波、重新采樣、重新量化、比例縮放、數模和模數轉換等常用信號處理及幾何攻擊、解釋性攻擊、共謀攻擊的影響。同時，音頻水印算法必須具備某種同步機制，以對抗時間域上的同步攻擊。

4）水印的數據率 水印引起的相對額外比特開銷必須足夠小。

5）低復雜性 水印算法應該容易實現，以方便其集成到一般電子產品中。

6）公開性 水印算法應該公開，安全性最好依賴于密鑰而不是算法的秘密性。

2 音頻水印算法的分析

數字水印技術涉及密碼學、通信、編碼理論、擴頻、信號處理、數據壓縮、噪聲理論、視聽覺感知等理論，因此，水印算法也利用了這些學科的知識。常用的音頻水印算法有以下幾種。

2.1 時間域音頻水印算法

時間域水印算法通過直接修改媒體的內容以嵌入水印信息，它簡單、易實現,但魯棒性較差。時間域算法可通過LSB[3]、偽隨機置換、量化和抖動、回聲數據隱藏等技術實現。

2.2 變換域音頻水印算法

變換域水印算法魯棒性較高，具有較好的不可感知性，隱藏信息量也大，也能與壓縮標準有機結合。目前主要集中在DCT域、DWT域及其他正交域。基本是通過對原數據進行變換，根據所嵌入的水印調整變換系數，再用反變換映像到空域，接收方通過相應的變換來恢復或檢測水印。王向陽等人提出了基于DCT與DWT域的自適應水印算法[4]，Solana公司則把數據植入到音頻信號的子帶，并開發了一個叫作EDNA的數字音頻標記產品。

2.3 擴頻域音頻水印算法

擴頻域水印算法將擴頻技術引入水印中，使得水印技術可以有著與密碼學類似的安全性。方法為將水印用偽隨機信號調制，加入到音頻信號或其變換域中。由于高頻區嵌入水印對透明性非常有利，但對魯棒性效果差；而低頻區嵌入水印對魯棒性有利，但感知效果卻無法接受。擴頻技術可通過將一個能量信號嵌入到音頻每個頻帶[5]來緩解這些矛盾。

2.4 基于感知模型音頻水印算法

2.5 混沌音頻水印算法

混沌序列易于產生、數量大、保密性好且自相關性強而互相關性弱，因此易于從其他信號或者干擾中分離出來，用作水印時具有較大的優勢。其算法是：一維離散映射F：U～U，為一實值序列軌跡。 方程可表示為 Z（n＋1）=F（Z（n），λ），Z（n）∈U,λ∈IR，n表示迭代次數；λ為控制參數。混沌序列難以破譯，但在特定條件下混沌實值序列可由窮舉法逆推出來。實值序列二值化后丟失了部分信息，具有符合水印要求的不可逆性，幾乎不可破譯。

2.6 基于神經網絡、模糊及遺傳理論的音頻水印算法

發送端可通過調整網絡的權重使水印逼近原始音頻信號的感知特性，在接收端也可用訓練好的網絡提取水印[6]。利用三層前饋神經網絡具有很強非線性逼近能力的特點，通過權重的調節就可以建立原始音頻采樣點與嵌入水印后音頻采樣點之間的對應關系，該關系反映了數字水印的特征，因而可實現盲檢測。另外，還可以用遺傳算法對網絡的運算速度、提取質量進行優化。

3 在廣播系統中的應用

根據上述對數字音頻水印技術的分析和目前廣播系統安全措施的不足，提出將音頻水印用于廣播系統安全管理，并通過仿真實驗證明是可行的。

1）廣播信號源文件傳輸中的安全檢測 電臺文件傳輸系統的安全性主要包括：①音頻文件回傳系統的安全性，記者外出采訪的音頻文件，經過回傳系統傳回電臺，如果系統中管理信息或用戶登錄信息泄露，電臺就無法分清所傳的音頻文件本身是否由真正合法用戶提供，所以必須對音頻文件本身的合法性進行驗證。②電臺之間的音頻文件交換系統的安全性，全國電臺基本已實現前端數字化，各電臺之間音頻文件的直接交換越來越頻繁，如何保證電臺音頻文件交換系統數據本身的安全和版權問題，也是當前關心的重要問題。數字音頻水印技術能夠很好地滿足上述要求，可以在傳送之前利用水印處理技術將所需要傳送的音頻文件嵌入水印，即添加用戶和節目標識等，同時用私有密鑰加密水印。在接收方，對所收到的音頻文件首先利用公有密鑰進行解密處理，驗證用戶的合法性。由于在水印的添加過程中，已經包含了節目標識，所以增加了版權的驗證性。對于無法識別或提取不到水印的音頻文件，可以認為是不合法文件，或者是文件受到了惡意破壞。由于LSB算法比較簡單，對音頻的保真性也較好，同時其傳輸通道的性能較好，對水印的魯棒性要求很低，因此很適合用于文件傳輸系統。通過仿真實驗證明，利用LSB的算法可實現音頻文件傳輸中的安全性。

2）廣播節目的版權認證 廣播節目的監測除了質量監測之外，還應包含節目合法性監測。合法監測主要分為兩種，一種是異地代為發射的節目監測，這種監測主要是防止異地插播自己本地的節目和廣告。另外一種是防止非法攻擊的監測，這種監測主要是為了安全播出。不管是什么樣的監測，都是對節目進行身份驗證，確信接收到的信號是本臺實際傳送的信號，而水印技術的最大特點就是進行版權認證，可以對音頻信號最前端——數字音頻文件添加魯棒性數字水印。在發射地或可接收地安裝數字水印接收檢測設備，可以很方便地檢測出這些水信息，以此來驗證節目的合法性。由于在水印的嵌入和提取過程中均需要密鑰處理，對其他人而言，密鑰本身是保密的，所以即使知道水印的嵌入算法，對音頻水印而言也是絕對安全的。由于DCT域算法可有效地與HAS結合，也兼容國際數據壓縮標準，還能夠保證水印的魯棒性和透明性，同時計算復雜性也較低。通過仿真實驗證明，利用基于HAS的DCT水印算法可實現音頻文件的版權認證。

3）節目播出的監視 在廣播電臺做廣告的廠商，想監視某個廣播頻道是否按時播出了他們的廣告，廣播節目等內容，生產商想知道廣播電臺播出自己作品的時間和次數是否超過了允許的次數限制，在每條廣告或每個廣播節目的音頻中嵌入數字音頻水印，即將每條廣告或每個廣播節目音頻文件在制作完成后嵌入包含用戶、廣告廠商識別號或廣播節目生產商標識的數字水印，這些水印隨著廣告或廣播節目一起播出和發射，廠商或生產商利用水印監視功能系統（軟件或硬件）就可以準確監視自己作品播出的次數、時間等。這種方法還可以用于電臺內部廣告部門的監測和統計，同時也是對播出部門的有效監督。由于，擴頻水印具有非常好的魯棒性，能夠抵抗傳輸過程中的信道噪音、濾波、重取樣、有損壓縮編碼、D/A或A/D轉換等多種信號處理。通過仿真實驗證明，利用擴頻水印算法可以監視廣播節目播出的時間及次數。

4 結束語

在分析和探討了數字音頻水印技術的基礎上，提出將數字音頻水印技術應用于廣播系統安全管理，并通過仿真實驗證明了該思路的可行性。就目前來說，音頻數字水印在廣播電視領域的應用還不多見。但隨著廣播系統數字化的進一步深入，這一新技術的應用前景將是十分樂觀的。

[1]Craver S,Memon N,Yeo B L,et al.Resolving rightful ownerships with invisible watermarking techniques:limitations,attacks and implications[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,1998 （4）:573-586.

[2]ARNOLD M.Audio watermarking;features,applications and algorithms[C]//IEEE International Conference on Multimedia and Expo（ICME）,2000:1013-1016.

[3]Bassia P,Pitas I,Nikolaidis N,et al.Robust audio watermarking in the time domain.[J]IEEE Transactions on Multimedia,2001,3（2）:232-241.

[4]王向陽，楊紅穎，趙紅.一種新的自適應數字音頻水印算法[J].計算機工程，2005，31（7）：133-135.

WANG Xiang-yang,YANG Hong-ying,ZHAO-Hong.A new adaptive digital audio watermarking algorithm[J]Computer Engineering,2005,31（7）:133-135.

[5]Kirovski D,Malvar H.Robust spread-spectrum audio watermarking[C]//Salt Lake City:IEEE International Conference on Acoustics,Speech,and Signal Processing,2001 （3）:1345-1348.

[6]曹軍梅.數字水印技術分析及其在電視領域的應用[J].電子設計工程，2009，17（6）:78-80。

CAO Jun-mei.Analysis of digital watermarking technology and its application in television field[J].Electronic Design Engineering，2009，17（6）:78-80.