基于量化的音樂(lè)水印算法研究

許文英 李德

摘 要： 本文提出一種基于音頻序列的分組量化數(shù)字水印算法，該算法通過(guò)音頻自身的序列來(lái)計(jì)算特征值，不僅使其具有更好地抗攻擊能力，而且充分利用了離散余弦變換的壓縮特性，改善了數(shù)字水印的壓縮與隱藏效果。在本文中通過(guò)選取中低頻系數(shù)與分組量化算法結(jié)合MP3壓縮特性來(lái)提高數(shù)字水印的不可感知性與魯棒性。在保證不可感知性與魯棒性的良好平衡的前提下，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字水印的低通濾波，疊加噪聲，音頻壓縮等攻擊，均有較好的穩(wěn)健性，特別是對(duì)于低通濾波與疊加噪聲有很強(qiáng)的抗攻擊能力。

關(guān)鍵詞： 音樂(lè)水印;量化技術(shù);音頻特征

隨著因特網(wǎng)的發(fā)展與普及，越來(lái)越多的數(shù)字產(chǎn)品在網(wǎng)上非法傳播，特別是音頻的非法傳播非常嚴(yán)重，本文針對(duì)音頻文件進(jìn)行嵌入水印來(lái)有效防止音頻文件在網(wǎng)上的非法傳播。[1]目前音頻水印算法可歸納為兩類，即空間域算法與變換與算法。[2]本文采用變換域分組量化水印方法，變換域水印方法比空間域水印方法具有較好的穩(wěn)健性[3]且分組量化算法對(duì)于音頻攻擊具有很好的魯棒性（Robustness），不可感知性（Inaudibility）和安全性（Security）。[1]為了發(fā)揮DCT（Discrete cosine transform）域的能量壓縮特性與改善人耳的聽覺透明性，文獻(xiàn)[4]提出將水印嵌入在音頻的中低頻系數(shù)上。

本文把水印信號(hào)嵌入到DCT系數(shù)的中低頻系數(shù)上，結(jié)合分組量化算法進(jìn)一步提高了音頻的魯棒性與不可感知性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看到不僅可以提高音頻文件的不可感知性，而且對(duì)于疊加噪聲，音頻壓縮，低通濾波等攻擊有較好的抗攻擊能力。

1 水印嵌入和提取方案

本文提出一種簡(jiǎn)單且易于操作的量化技術(shù)來(lái)對(duì)水印的特征值進(jìn)行量化，這種量化算法不僅利用音頻自身的序列來(lái)計(jì)算特征值，而且通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于魯棒性與不可感知性也有較好的折中。

1.1 水印嵌入過(guò)程

為了能更好地抵抗音頻壓縮與提高嵌入后的音頻噪聲比，本文中選取二維DCT后的中低頻系數(shù)，具體步驟如下：

（1）首先把原始音頻根據(jù)水印信息的長(zhǎng)度劃分成若干個(gè)小段;

（2）在每一段中選取前N個(gè)序列，再把N個(gè)序列劃分成小塊;

（3）把每一個(gè)長(zhǎng)度為N/10塊的序列變成M*M的小塊;

（4）對(duì)每一個(gè)M*M進(jìn)行2DCT變換，選取K個(gè)中低頻系數(shù)，組成中低頻系數(shù)數(shù)組;

（5）根據(jù)量化算法計(jì)算一段的特征值與嵌入強(qiáng)度，再將水印嵌入到音頻當(dāng)中。

1.2 水印提取過(guò)程

本文實(shí)現(xiàn)的是自適應(yīng)混合域數(shù)字音頻水印算法屬于盲水印算法，故提取水印信號(hào)時(shí)不需要原始音頻載體。

（1）把已嵌入水印的音頻載體根據(jù)水印的長(zhǎng)度分段，再?gòu)拿恳欢沃腥〕銮癗個(gè)序列;

（2）把前N個(gè)序列分成小塊，再形成M*M的小塊;

（3）把每一個(gè)小塊進(jìn)行2DCT變換，從中取出K個(gè)中低頻系數(shù)，組成數(shù)組;

（4）計(jì)算每一段的特征值，然后跟集合Q0與Q1進(jìn)行比較，確定水印信息。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文針對(duì)不同的音頻進(jìn)行了低通濾波（Low-pass Filtering），疊加噪聲（Add noise），音頻壓縮（Compressor）等攻擊實(shí)驗(yàn)，分別以L/A/C表示，并檢測(cè)BER與SNR的值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同的音樂(lè)類型抵抗L/A/C攻擊的抵抗能力有所差異。Classical音樂(lè)對(duì)攻擊的抵抗能力最好，Rock音樂(lè)對(duì)各類攻擊的抵抗能力最差。其SNR分別為35dB和40dB，而針對(duì)C類攻擊的BER分別為0%和20%。

3 結(jié)論

本算法實(shí)現(xiàn)根據(jù)音頻文件自身的序列來(lái)計(jì)算特征值與嵌入強(qiáng)度，不僅操作簡(jiǎn)單而且易于實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看到該算法對(duì)于低通濾波，疊加噪聲的攻擊有很好的抗攻擊能力。不過(guò)該算法也有一點(diǎn)不足之處，該算法對(duì)于音頻壓縮攻擊具有一定的缺陷，如何提高對(duì)音頻壓縮攻擊的抗攻擊能力是下一步的工作重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]S.W.Shin，J.W.Kim，J.U.Choi.Development of Audio Watermarking Algorithm using Audio Feature Quantization.Telecommunication Review.2002，12（5）：654-662.

[2]Lie W N，Chang L C.Robust and high-quality time-domain audio watermarking subject to psycho acoustic masking.In：Proceedings of the IEEE international Symposium on Circuit and System.Arizona，USA.2002，2：45-48.

[3]王向陽(yáng)，楊紅穎，趙紅.一種可抵抗MP3壓縮的音頻水印算法.自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2007，33（3）：248-252.

[4]朱奎龍，侯麗敏.抗解壓縮/壓縮攻擊的MP3壓縮域音頻水印.上海大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，14（4）：331-335.