軍事通信中基于DCT域直流分量的音頻數字水印技術研究

萬旭光+劉凡

摘 要： 軍事通信中，應將確保信息的絕對安全擺在首要位置。目前我軍的野戰通信以無線通信手段為主，通信雙方的身份識別是確保戰場無線通信安全的基本前提?；诂F役通信裝備，為提高戰場通信的安全性，設計了基于DCT變換在DC分量嵌入及提取水印的方案，可為身份識別提供保障。通過Matlab仿真，與普遍現行的小波變換（DWT）技術在不可感知性、提取可信度和抗干擾性三個方面進行對比，結果表明該方法更具有優勢，更適用于戰場通信環境的身份識別。

關鍵詞： 軍事通信； 信息安全； 音頻數字水??； DCT變換； 身份識別

中圖分類號： TN915.851?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）13?0006?03

Abstract： It is necessary to ensure to give first priority to the information absolute security in military communication. At present， the field communication of Chinese army mainly relies on the wireless communication means， and the identity recognition of the both communication sides is the basic premise to ensure the wireless communication security of battlefield. On the basis of active?service communication equipment， a DCT based scheme of embedding watermark in DC component and extracting the watermark from the DC component is designed to improve the communication security of battlefield， which can provide the safeguard for identity recognition. With Matlab simulation， this technology is compared with prevalent discrete wavelet transform （DWT） technology in the aspects of imperceptibility， extraction credibility and anti?interference. The results show that the technology is suitable for the identity recognition in the battlefield communication environment.

Keywords： military communication； information security； audio digital watermarking； DCT transform； identity recognition

0 引 言

在軍事通信領域，信息在傳輸過程中易被篡改和竊取的問題十分突出?；谖臆姮F役通信裝備的實際，在作戰行動中，野戰通信以無線通信為主要手段，戰術分隊作戰指令的上傳下達目前仍主要依靠音頻傳輸。在此過程中，敵方可截收信號并傳達錯誤指令，所以音頻指令的身份真偽確認對我軍作戰信息的安全和作戰行動的成敗具有重要意義。

數字水印技術以其較高的保真性和良好的不可感知性，作為傳統加密方法的有效補充手段逐漸被廣泛接受。數字水印算法的主要目的就是將安全信息秘密地隱藏于宿主之中。在軍事通信應用中，數字水印信息可以用于識別信息發送者的身份，對所接收信息的完整性及可靠性進行驗證，可在很大程度上防止敵方利用偽身份傳達錯誤指令，大幅提高作戰指揮信息傳遞的準確性和安全性，本文為現役通信裝備嵌入可靠性更高的音頻數字水印提供了實現方案。

1 在DC分量嵌入水印的技術實現方案

1.1 相關算法介紹

離散余弦變換（Discrete Cosine Transform，DCT）的正反變換公式有計算速度快的特點。由于音頻處理所用的是一維變換，這里只給出一維的相關公式：

1.2 將水印嵌入DC分量的論證

將水印嵌入不同的DCT分量，將對水印的相關特性產生不同的影響：在高頻分量嵌入，嵌入水印后的數據對攻擊敏感，但抗壓縮能力下降，穩健性不夠；在低頻分量嵌入，由于低頻分量占據聽覺重要分量，穩健性較好，會導致不可感知性下降；在中低頻交流分量即AC分量嵌入，效果折中，較為常用；在直流分量即DC分量嵌入，通常用于信息標記。

現階段，多數水印嵌入技術均選擇AC分量作為嵌入對象，并逐漸形成共識。然而，本文認為DC分量比AC分量更適合作為水印信號的嵌入載體。本觀點的提出基于以下兩個方面：

（1） 振幅方面。DC系數要遠大于AC系數，這代表若將水印信號嵌入DC系數會帶來更大的感覺容量，也擁有更多的改變裕度。

（2） 穩健性方面。通常，戰場上傳輸的音頻信號較有可能遭遇到諸如添加干擾噪聲、低通濾波干擾、進行截取剪切等處理過程，在這些處理中，就穩健性而言，將水印嵌入DC分量的效果要遠好于將水印嵌入AC分量。

因此，在DCT域， DC分量更加適合于嵌入水印。 本文提出的新算法就是在DCT域將水印嵌入DC分量，下面對該方案進行詳細的論證。

1.3 數字水印算法嵌入及提取框架

圖1為本文提出的將數字水印算法嵌入DC分量的原理結構框圖。

圖2為相應數字水印算法的提取結構原理框圖。該嵌入算法采用的是不完全水印系統，所以在數字水印的恢復過程中需要有原始數據的參與，這個過程與水印的嵌入過程相反。

1.4 數字水印算法的設計實現

數字水印算法的設計實現基本思想如下：

（1） 對原始信號進行DCT變換，得出DC系數。

（2） 對DC系數進行處理。將擴頻后的水印信息嵌入到經過DCT變換后的DC系數當中。

（3） 重構含水印信息的DC系數。用IDCT恢復嵌入水印的原始信號。

（4） 擴頻。為增強信號的穩健性和隱蔽性，將已嵌入水印的信號進行擴頻調制。

（5） 解擴。解擴經信道傳輸的信號，得到解擴后含水印的原始信號。

（6） 離散余弦分解。對解擴后含水印的原始信號進行離散余弦分解，分離并檢測DC系數，提取出水印信息后，計算得出水印信息的正確率，依據正確率大小識別信息發送者身份的真偽。

2 抗干擾性能分析

戰場的無線信道環境干擾樣式復雜，易出現如單音、多音、部分頻帶干擾等。為驗證所提出的算法在干擾環境下抗干擾性能的優越性，現以單音干擾為例，仿真實現算法的水印提取可信度并與DWT的相關性能作比較。

圖3為加入單音干擾的功率譜密度。

2.1 DCT與DWT擴頻后幅度變化對比

單音干擾條件下DWT和DCT水印嵌入后的幅度值對比見圖4。圖4表明，采用DCT方法的優勢十分明顯。在干信比為2 dB單音干擾條件下，嵌入水印信息后的數據幅度變化明顯小于采用DWT方法所得數據。所以，DC分量嵌入水印的DCT技術在音頻嵌入的不可感知性及隱蔽性方面優于DWT技術。

2.2 DCT與DWT水印提取可信度對比

單音干擾條件下DWT和DCT水印提取可信度對比見圖5。從圖5可以看出，同樣在信道條件較差（信噪比=0 dB）時，采用DCT方法提取的水印信息可信度為93.4%，而采用DWT方法的可信度為90.6%，DCT高出近3%。同時，隨著信道條件的優化， DCT曲線的變化更陡，證明信道條件的改善對水印提取的可信度有很大幫助。

幅度值對比（α=0.2）

可信度對比（α=0.2）

由此可見，DCT對信道條件的要求更低，更加適應戰場復雜的通信環境，同時，身份識別的準確率也更高，保證了水印信息的可靠性。

3 不可感知性分析

分析的基本方法：選取一段6 s的音頻。對其進行CVSD編碼，而后嵌入水印。經解碼后分析音頻信號的頻譜圖。測試方案框圖如圖6所示。

3.1 音頻信號的頻譜圖分析

原始音頻信號頻譜如圖7所示。嵌入水印后音頻信號波形如圖8所示。

由圖7、圖8對比可知，嵌入水印后的信號頻譜與原信號頻譜變化差別不大，經解碼后，頻譜圖基本完全相同。通過實際波形對比，再次驗證了DCT水印嵌入方法的不可感知性。

3.2 人耳聽覺測試論證差別

為更加充分地論證其不可感知性，下面將解碼后的原信號頻譜和嵌入水印的信號頻譜經過平滑濾波，再次以音頻文件的形式請10人進行試聽對比（事先并未告知任何信息）。統計結果如表1所示。

統計結果表明，就人耳聽覺測試而言，兩者相似度極高，無法準確分辨出兩者的區別，充分證明了其優越的不可感知性。

4 結 語

本文基于音頻數字水印技術在軍事通信特別是在作戰中野戰通信對于身份識別的重要作用，提出了在DC分量嵌入數字水印的DCT技術的實現方案，列出了算法設計實現的步驟。采用Matlab仿真及人耳試聽的方式充分證明了該技術在抗干擾性、可信度和不可感知性等方面的優越性，為現役通信裝備加裝數字水印系統提供了實現方案。

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