基于離散余弦變換音頻數(shù)字水印魯棒性研究

唐晗 吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院

引言

數(shù)字水印技術(shù)即特定的信號加密技術(shù)，在聲音、圖像處理中嵌入能證明版權(quán)歸屬或者可以跟蹤侵權(quán)行為的隱蔽信息，以確認(rèn)內(nèi)容是否真實(shí)完整，其所隱蔽加密信息與被保護(hù)的數(shù)字對象相關(guān)。數(shù)字水印的嵌入信息是不可見的，只能被專用監(jiān)測器或者閱讀器提取。由于攻擊技術(shù)與方法的不斷發(fā)展，要求數(shù)字水印具備較高的魯棒性，因此改善數(shù)字水印算法，提高其魯棒性以應(yīng)對音頻數(shù)字水印的抗攻擊性成為亟待解決的問題。

1 音頻數(shù)字水印

音頻數(shù)字水印，分為兩部分，一是嵌入，二是提取。首先，將數(shù)字音頻嵌入音頻文件，如WAV、MP3、AVI等，要保證嵌入水印后對原文件無影響。其次，通過閱讀器將音頻數(shù)字水印從原文件中文章提取出來。音頻數(shù)字水印系統(tǒng)模型，見圖1。

圖1 音頻數(shù)字水印系統(tǒng)模型

現(xiàn)行的音頻水印算法大致有時域音頻水印算法、變換域音頻水印算法兩種。其中，時域音頻水印算法又分為最低有效算法、基于回聲的水印算法，變換域音頻水印算法由相位水印算法、擴(kuò)頻水印算法、離散小波變換域算法、離散傅里葉變換域算法、離散余弦變換域算法、倒譜域水印算法等幾種方法構(gòu)成。嵌入的水印信號可以定義為：

W=｛W(k|W(k∈U,k∈o,1,2,M-1｝

其中，W為原始水印，M為水印長度，U為水印值域。水印信號可以是二進(jìn)制形，也可以是高斯噪聲形式。

將數(shù)字水印系統(tǒng)的基本框架定義為{X，W，K ，G，E，D}。其中X為要被保護(hù)的數(shù)字產(chǎn)品。Xo為原始數(shù)字作品，Xw為含水印的數(shù)字作品，W為水印信號集合，K為水印密鑰集合，G為利用密鑰K和待嵌入水印的X共同生成水印的算法。

G：X×K→W,W=G(X,K)

E為水印W嵌入到數(shù)字作品X中的嵌入算法

E： Xo×W →Xw,Xw=E(Xo,W)

D為水印的檢測算法

D： X×K →(0,1)

2 離散余弦變換音頻數(shù)字水印

離散余弦變換（DCT）是目前應(yīng)用較廣泛數(shù)字水印。時域音頻水印計(jì)算復(fù)雜度較低，其嵌入與提取相對容易，但魯棒性較差。變換域音頻數(shù)字水印，透明性、魯棒性強(qiáng)，且能實(shí)現(xiàn)盲檢測，但其缺陷是算法復(fù)雜，嵌入與提取速度均低于時域音頻水印。離散余弦變換音頻數(shù)字水印采用分段求取能量差值并進(jìn)行比較，結(jié)合聽覺系統(tǒng)的時域掩蔽效應(yīng)實(shí)現(xiàn)水印信息的嵌入，可以滿足同時速度與安全性的雙重需求。

2.1 音頻數(shù)字水印嵌入

比較能量差值[EDx1]和[EDx2]，修改相應(yīng)段中音頻載體信號取樣值的方法實(shí)現(xiàn)在音頻中嵌入水印信息。當(dāng)水印比特為“1”時，通過對比能量差值，[EDx1＞EDx2]時不做改變，如果[EDx1≤EDx2]時，要修改取值使其滿足[EDx1＞EDx2]。當(dāng)水印比特為“0”時，通過對比能量差值，時不做改變，如果[EDx1＞EDx2]，同樣需要修改取樣值使其滿足[EDx1≤EDx2]?？梢钥闯?，水印比特為“1”和為“0”，能量差值大小正好相反。

2.2 音頻數(shù)字水印提取

將音頻信號前兩段的能量差值用[ED′x1]表示，后兩段用[ED′x2]表示，在音頻數(shù)字水印提取時，只需要比對前兩段與后兩段差值的大小，如提取水印比特為“1”時，提取算法為[ED′x1＞ED′x2]，提取水印比特為“0”時，其算法正好相反。離散余弦變換算法的音頻數(shù)字水印在提取水印序列時不需要原始音頻載體信號，可實(shí)現(xiàn)音頻水印序列的盲提取。

2.3 音頻數(shù)字格式轉(zhuǎn)換

用不同格式將音頻進(jìn)行壓縮，壓縮對音頻質(zhì)量沒有大的影響，格式的轉(zhuǎn)換對音頻水印而言就是一種攻擊。比如，原始音頻格式為WAV，轉(zhuǎn)化為MP3格式后提取水印，水印變模糊，再從MP3轉(zhuǎn)WAV格式后，水印清晰度仍未改變。這就說明，水印圖像仍然能夠辨析出，水印對格式轉(zhuǎn)換具有一定魯棒性。

2.4 音頻數(shù)字水印攻擊測試

外部攻擊是測試水印魯棒性的最有效方法，水印嵌入后，如果音頻產(chǎn)生噪音，說明水印的透明度存在問題。加入白噪聲來破壞水印，信噪比不斷下降，水印質(zhì)量會不斷下降。離散余弦變換音頻數(shù)字水印，信噪比越高，則水印清晰度越高，隨著信噪比逐漸降低，水印會逐漸模糊，信噪比很小的時候，水印才會失效。因此離散余弦變換音頻數(shù)字水印對白噪聲的抗性很高，魯棒性很好。

3 結(jié)語

綜上所述，離散余弦變換音頻數(shù)字水印算法，魯棒性與不可覺察性是其基本要求。我國水印技術(shù)研究起步較晚，在這一新興領(lǐng)域，基于DCT域的水印嵌入、提取、攻擊等方面還有許多亟待解決的問題。