軍事通信中基于DCT域直流分量的音頻數(shù)字水印技術(shù)研究

萬旭光+劉凡

摘 要： 軍事通信中，應(yīng)將確保信息的絕對安全擺在首要位置。目前我軍的野戰(zhàn)通信以無線通信手段為主，通信雙方的身份識別是確保戰(zhàn)場無線通信安全的基本前提?；诂F(xiàn)役通信裝備，為提高戰(zhàn)場通信的安全性，設(shè)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(xiàn)行的小波變換（DWT）技術(shù)在不可感知性、提取可信度和抗干擾性三個方面進(jìn)行對比，結(jié)果表明該方法更具有優(yōu)勢，更適用于戰(zhàn)場通信環(huán)境的身份識別。

關(guān)鍵詞： 軍事通信； 信息安全； 音頻數(shù)字水?。?DCT變換； 身份識別

中圖分類號： TN915.851?34 文獻(xiàn)標(biāo)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(lǐng)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(xiàn)役通信裝備的實際，在作戰(zhàn)行動中，野戰(zhàn)通信以無線通信為主要手段，戰(zhàn)術(shù)分隊作戰(zhàn)指令的上傳下達(dá)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(dá)錯誤指令，所以音頻指令的身份真?zhèn)未_認(rèn)對我軍作戰(zhàn)信息的安全和作戰(zhàn)行動的成敗具有重要意義。

數(shù)字水印技術(shù)以其較高的保真性和良好的不可感知性，作為傳統(tǒng)加密方法的有效補(bǔ)充手段逐漸被廣泛接受。數(shù)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(yīng)用中，數(shù)字水印信息可以用于識別信息發(fā)送者的身份，對所接收信息的完整性及可靠性進(jìn)行驗證，可在很大程度上防止敵方利用偽身份傳達(dá)錯誤指令，大幅提高作戰(zhàn)指揮信息傳遞的準(zhǔn)確性和安全性，本文為現(xiàn)役通信裝備嵌入可靠性更高的音頻數(shù)字水印提供了實現(xiàn)方案。

1 在DC分量嵌入水印的技術(shù)實現(xiàn)方案

1.1 相關(guān)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(guān)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(guān)特性產(chǎn)生不同的影響：在高頻分量嵌入，嵌入水印后的數(shù)據(jù)對攻擊敏感，但抗壓縮能力下降，穩(wěn)健性不夠；在低頻分量嵌入，由于低頻分量占據(jù)聽覺重要分量，穩(wěn)健性較好，會導(dǎo)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(biāo)記。

現(xiàn)階段，多數(shù)水印嵌入技術(shù)均選擇AC分量作為嵌入對象，并逐漸形成共識。然而，本文認(rèn)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(shù)要遠(yuǎn)大于AC系數(shù)，這代表若將水印信號嵌入DC系數(shù)會帶來更大的感覺容量，也擁有更多的改變裕度。

（2） 穩(wěn)健性方面。通常，戰(zhàn)場上傳輸?shù)囊纛l信號較有可能遭遇到諸如添加干擾噪聲、低通濾波干擾、進(jìn)行截取剪切等處理過程，在這些處理中，就穩(wěn)健性而言，將水印嵌入DC分量的效果要遠(yuǎn)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?qū)⑺∏度隓C分量，下面對該方案進(jìn)行詳細(xì)的論證。

1.3 數(shù)字水印算法嵌入及提取框架

圖1為本文提出的將數(shù)字水印算法嵌入DC分量的原理結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為相應(yīng)數(shù)字水印算法的提取結(jié)構(gòu)原理框圖。該嵌入算法采用的是不完全水印系統(tǒng)，所以在數(shù)字水印的恢復(fù)過程中需要有原始數(shù)據(jù)的參與，這個過程與水印的嵌入過程相反。

1.4 數(shù)字水印算法的設(shè)計實現(xiàn)

數(shù)字水印算法的設(shè)計實現(xiàn)基本思想如下：

（1） 對原始信號進(jìn)行DCT變換，得出DC系數(shù)。

（2） 對DC系數(shù)進(jìn)行處理。將擴(kuò)頻后的水印信息嵌入到經(jīng)過DCT變換后的DC系數(shù)當(dāng)中。

（3） 重構(gòu)含水印信息的DC系數(shù)。用IDCT恢復(fù)嵌入水印的原始信號。

（4） 擴(kuò)頻。為增強(qiáng)信號的穩(wěn)健性和隱蔽性，將已嵌入水印的信號進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制。

（5） 解擴(kuò)。解擴(kuò)經(jīng)信道傳輸?shù)男盘枺玫浇鈹U(kuò)后含水印的原始信號。

（6） 離散余弦分解。對解擴(kuò)后含水印的原始信號進(jìn)行離散余弦分解，分離并檢測DC系數(shù)，提取出水印信息后，計算得出水印信息的正確率，依據(jù)正確率大小識別信息發(fā)送者身份的真?zhèn)巍?/p>

2 抗干擾性能分析

戰(zhàn)場的無線信道環(huán)境干擾樣式復(fù)雜，易出現(xiàn)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(huán)境下抗干擾性能的優(yōu)越性，現(xiàn)以單音干擾為例，仿真實現(xiàn)算法的水印提取可信度并與DWT的相關(guān)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(kuò)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(yōu)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(shù)據(jù)幅度變化明顯小于采用DWT方法所得數(shù)據(jù)。所以，DC分量嵌入水印的DCT技術(shù)在音頻嵌入的不可感知性及隱蔽性方面優(yōu)于DWT技術(shù)。

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(yōu)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(yīng)戰(zhàn)場復(fù)雜的通信環(huán)境，同時，身份識別的準(zhǔn)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(jìn)行CVSD編碼，而后嵌入水印。經(jīng)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(jīng)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(jīng)過平滑濾波，再次以音頻文件的形式請10人進(jìn)行試聽對比（事先并未告知任何信息）。統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

統(tǒng)計結(jié)果表明，就人耳聽覺測試而言，兩者相似度極高，無法準(zhǔn)確分辨出兩者的區(qū)別，充分證明了其優(yōu)越的不可感知性。

4 結(jié) 語

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

參考文獻(xiàn)

[1] 李曉峰，周寧，周亮，等.通信原理[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[2] 楊榆.信息隱藏與數(shù)字水印實驗教程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2012.

[3] 許文麗，王命宇，馬君.數(shù)字水印技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[4] 楊其睿.基于DCT的Android 系統(tǒng)數(shù)字水印加密的設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2014.

[5] 王小軍.數(shù)字音頻水印算法的研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2015.

[6] 唐鑫.音頻數(shù)字水印若干關(guān)鍵算法研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2015.

[7] 童鐘.一種基于HVS和DC分量的DCT域數(shù)字水印算法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（23）：81?83.

[8] 方春城，譚忠明，林若波，等.基于DCT域自適應(yīng)數(shù)字圖像水印技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（15）：76?78.

[9] 馬睿，高梅，石云，等.基于DCT域和DWT域的視頻數(shù)字水印算法[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016（3）：149?150.

[10] 王凱，譚暢，何新江.基于DCT域的數(shù)字水印加密算法的改進(jìn)[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2015，28（8）：116?117.