音頻水印原型系統的設計

宋慧　趙晨潔

摘要：為扼制盜版、保護音樂版權，提出了音頻水印原型系統設計。本文在音頻水印算法理論研究的基礎上，采用UML的方法對音頻水印原型系統進行了需求分析，并在此基礎上完成了系統的設計。

關鍵詞：音頻水印;系統設計;水印嵌入;水印提取

中圖分類號：TP309.7 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）15-0242-03

通過對音樂發行過程的調研發現非法復制和盜版問題日益突出，如何對音樂進行版權保護是目前亟須解決的問題。在對音頻水印嵌入、提取、測試等相關技術的研究之后，為了解決音樂發行商的音樂產品的版權問題，本文設計了一個音頻水印原型系統，該系統主要用于對音樂產品的版權進行保護。

1 系統需求描述

1.1 系統角色描述

音頻水印原型系統的用戶主要是音樂發行商，下面對音樂發行商的業務流程進行分析。音樂發行商進行音樂產品發行之前，首先對音樂產品進行統一處理，并給音樂產品加上版權信息，對含有版權信息的音樂產品進行性能測試，只能測試結果達到一定標準之后才可以對音樂產品實行發行。當遇到版權糾紛時，音樂發行商對發生糾紛的音樂產品進行水印提取并與原來的版權信息進行匹配，通過這種方式確認音樂產品的版權，以判定音樂產品的所有權歸屬。

1.2 系統功能描述

通過對音樂發行需求的調研和分析，本文對用戶的需求進行描述。對于音樂發行商來說，他們需要一個快速準確、操作簡單、可視化展現結果的系統來幫助音樂發行商進行音樂產品版權的保護。音頻水印原型系統將目前常用的一些音頻水印嵌入算法模塊納入系統中，通過系統的幫助，用戶可以根據自身需要進行組合，實現水印嵌入及水印提取工作。系統還將給出該算法在常規音頻攻擊下的性能測試結果，用戶根據測試結果進行算法的分析及調整。因此音頻水印原型系統應該包括以下幾個功能模塊：水印嵌入模塊、添加攻擊模塊、水印提取模塊、結果分析模塊。基于上述描述，系統的功能應包括以下幾個方面：

（1）水印嵌入功能：選擇被嵌入的音頻、選擇版權信息、生成水印序列、選擇嵌入位置及嵌入方法;將水印嵌入到音頻文件中，給出嵌入成功的提示，并生成含有水印的音頻文件;

（2）添加攻擊功能：完成對含有水印的音頻文件添加常見音頻攻擊，生成攻擊后的音頻文件并進行保存;

（3）水印提取功能：將水印信息從含有水印的音頻文件中提取出，將提取的水印保存到指定的文件夾下，并給出提取成功的提示;

（4）結果分析功能：選擇原始水印和提取水印圖像，將選擇的圖像顯示在界面上，并給出原始水印和提取水印的NC、BER值[1]。

根據上面的用戶功能需求描述，采用UML標準建模語言描述問題模型，則音頻水印原型系統的用例如圖1所示。音頻水印原型系統中包含水印嵌入、添加攻擊、水印提取、結果分析4個用例。

水印嵌入用例包含選擇音頻用例、選擇版權信息用例、生成水印序列用例、選擇嵌入位置用例、選擇嵌入規則及水印序列嵌入用例6個子用例[2]。選擇音頻用例為選擇系統要嵌入水印的音頻文件，系統將保留其路徑信息;選擇版權信息用例，選擇系代表版權信息的圖標并獲得版權信息圖標的大小;生成水印序列用例包括Arnold變換、降維、選擇水印序列是選擇待嵌入的水印信息是否與音頻內容無關等操作;選擇嵌入位置用例是選擇水印嵌入過程中使用到的一些變換操作;選擇嵌入規則用例包含量化嵌入規則和零水印嵌入規則;水印序列嵌入用例為采用選擇的嵌入規則將水印嵌入到選擇的音樂文件當中，并生成帶水印的音頻文件并返回嵌入提示信息[3]。

添加攻擊用例包含加噪用例、低通濾波用例、重采樣用例、MP3壓縮壓縮、重量化用例5個子用例，分別為對含水印的音頻文件添加相應的攻擊操作，并生成攻擊后的含水印音頻文件。

水印提取用例為對含有水印的音頻文件進行水印的提取，并對提取的水印進行保存操作。結果分析用例為選擇原始水印和提取水印圖像，選擇的圖像進行界面顯示并給出原始水印和提取水印的BER、NC值，由計算BER用例及計算NC用例組成[4]。

2 系統設計

2.1 水印嵌入模塊的設計

水印嵌入模塊是音頻水印原型系統的核心模塊，該模塊完成將水印嵌入到原始音頻產品中的功能，圖2為水印嵌入模塊活動圖。水印嵌入模塊由含擇音頻、選擇版權信息、生成水印序列、選擇嵌入位置、選擇嵌入規則和水印序列嵌入子模塊組成。下面對其中主要的子功能模塊進行介紹。

2.1.1選擇音頻

本系統中用到的音樂文件均為wav格式的無損音樂，選擇音頻文件以后，將返回音頻文件的大小及采樣率信息。

2.1.2選擇版權信息

本系統使用的代表版權信息的水印圖片都是bmp格式，選擇版權信息后，進行數據的讀入并將返回版權信息圖片的大小并在界面上進行版權信息圖片的顯示。

2.1.3生成水印序列

進行水印序列的生成，先選擇水印序列生成是否與內容有關，如果選擇是，則提取音頻特征MFCC并選擇第一階進行編碼操作得到二值特征序列，然后將二值特征序列與經過Arnold變換、降維操作后的二值版權信息序列進行Xor操作，便獲得含有音頻特征的待嵌入的水印序列，如果選擇否，則將經過Arnold變換、降維操作后的二值版權信息序列作為待嵌入的水印序列。

2.1.4選擇嵌入位置

選擇嵌入位置模塊按照所選擇的嵌入位置對原始音頻進行相應的變換或者分解操作，該模塊包含DWT模塊、DCT模塊、SVD三個子模塊，它們在當前算法中被經常使用，用戶可以根據自己的需要進行組合，如可以組合為DWT+DCT、DWT+SVD、DWT+DCT+SVD等，同時也可以不進行組合單獨進行使用。

2.1.5選擇嵌入規則

選擇嵌入規則模塊主要包括量化嵌入規則和零水印嵌入規則，也就是文獻[5]和[6]采用的嵌入規則，在此不再贅述。若選擇量化嵌入的規則，那么則采用奇偶量化的方式完成水印的嵌入過程;若選擇零水印嵌入規則，那么就采用記錄位置索引的方式完成水印嵌入操作。在完成選擇過嵌入規則操作后，進行水印嵌入時，通過所選擇的嵌入規則完成對水印嵌入的操作及一系列的逆變換過程，最終生成的含水印的音頻文件并進行保存。

2.2 添加攻擊模塊的設計

添加攻擊模塊，主要實現的是對含水印的音頻添加各種常見攻擊的操作，主要包括加噪、低通濾波、重采樣、Mp3壓縮、重量化及各種攻擊參數設置操作。當用戶進行添加攻擊的操作時，首先判斷待攻擊的音頻文件是否存在、是否選擇了攻擊方式、對攻擊參數是否進行了相應的參數設置，若全部存在則對含水印的音頻進行添加攻擊操作，否則彈出提示窗口并給出相應的提示信息。

2.3 水印提取模塊的設計

水印提取模塊主要是進行水印提取算法的實現過程，需要對含水印的音頻文件進行和水印嵌入時相似的操作，其水印提取的活動圖如圖3所示。首先需要對選取的待提取的音頻實行同嵌入水印時一樣的操作，比如若在嵌入預操作中選擇的是DWT+SVD的組合，那么在水印提取模塊也要進行同樣的操作，然后根據提取規則進行水印的提取，便得到一維的水印序列，如果水印序列與音頻內容相關，則將其與音頻特征序列實行Xor操作，獲得一維版權水印數組，再對一維版權水印數組依次進行升維操作及Arnold反變換，最后便得到提取的版權水印圖像。其中，采用文獻[7]和[8]所描述的提取規則進行水印序列的提取，在此不再贅述。

2.4 ?結果分析模塊的設計

結果分析模塊既可以完成對算法性能的評價，又可以在發生版權糾紛時完成水印匹配、版權驗證的任務。為了使分析結果客觀公正，取在算法中多被采用的原始水印和提取水印的NC和BER作為評價指標。用戶進入結果分析模塊后，首先進行原始水印圖片和提取水印圖片的選擇，如果沒有進行選擇，那么會向用戶給出進行相應操作的提示信息，在完成原始水印圖片和提取水印圖片選擇操作后，所選擇的圖像將在界面上進行顯示，點擊計算按鈕將會給出相應結算結果。

3 結束語

針對音樂發行商如何對音樂產品版權進行保護的問題，在對音頻水印嵌入、提取、測試等相關技術的研究之后，本文設計了一個音頻水印原型系統，本系統系統納入了常規水印算法，并可根據需求進行算法組合，主要用于對音樂產品版權保護方面，音樂發行商可以方便地對音樂產品的版權進行保護及認證。

參考文獻：

[1] 王卿， 王汀， 胡貞. 基于cRIO的快速伺服控制原型系統設計[J]. 計算機測量與控制， 2018， 26（4）.

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[7] 宋慧，李晨，田麗華，張玉龍.基于音頻特征MFCC的混合域脆弱水印算法[J].計算機工程與設計，2017，38（7）：1885-1890.

[8] 宋慧，李晨，田麗華. 基于音頻特征MFCC的零水印算法[J]. 計算機應用與軟件，2016， 33（10）：140-144.

[9] 李振舉. 遙感云計算平臺原型系統設計與實現[J]. 測繪與空間地理信息， 2018（1）：1-5.

【通聯編輯：張薇】