音頻水印原型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

宋慧　趙晨潔

摘要：為扼制盜版、保護(hù)音樂版權(quán)，提出了音頻水印原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文在音頻水印算法理論研究的基礎(chǔ)上，采用UML的方法對(duì)音頻水印原型系統(tǒng)進(jìn)行了需求分析，并在此基礎(chǔ)上完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：音頻水印;系統(tǒng)設(shè)計(jì);水印嵌入;水印提取

中圖分類號(hào)：TP309.7 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）15-0242-03

通過對(duì)音樂發(fā)行過程的調(diào)研發(fā)現(xiàn)非法復(fù)制和盜版問題日益突出，如何對(duì)音樂進(jìn)行版權(quán)保護(hù)是目前亟須解決的問題。在對(duì)音頻水印嵌入、提取、測(cè)試等相關(guān)技術(shù)的研究之后，為了解決音樂發(fā)行商的音樂產(chǎn)品的版權(quán)問題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)音頻水印原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用于對(duì)音樂產(chǎn)品的版權(quán)進(jìn)行保護(hù)。

1 系統(tǒng)需求描述

1.1 系統(tǒng)角色描述

音頻水印原型系統(tǒng)的用戶主要是音樂發(fā)行商，下面對(duì)音樂發(fā)行商的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行分析。音樂發(fā)行商進(jìn)行音樂產(chǎn)品發(fā)行之前，首先對(duì)音樂產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)一處理，并給音樂產(chǎn)品加上版權(quán)信息，對(duì)含有版權(quán)信息的音樂產(chǎn)品進(jìn)行性能測(cè)試，只能測(cè)試結(jié)果達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)之后才可以對(duì)音樂產(chǎn)品實(shí)行發(fā)行。當(dāng)遇到版權(quán)糾紛時(shí)，音樂發(fā)行商對(duì)發(fā)生糾紛的音樂產(chǎn)品進(jìn)行水印提取并與原來的版權(quán)信息進(jìn)行匹配，通過這種方式確認(rèn)音樂產(chǎn)品的版權(quán)，以判定音樂產(chǎn)品的所有權(quán)歸屬。

1.2 系統(tǒng)功能描述

通過對(duì)音樂發(fā)行需求的調(diào)研和分析，本文對(duì)用戶的需求進(jìn)行描述。對(duì)于音樂發(fā)行商來說，他們需要一個(gè)快速準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)單、可視化展現(xiàn)結(jié)果的系統(tǒng)來幫助音樂發(fā)行商進(jìn)行音樂產(chǎn)品版權(quán)的保護(hù)。音頻水印原型系統(tǒng)將目前常用的一些音頻水印嵌入算法模塊納入系統(tǒng)中，通過系統(tǒng)的幫助，用戶可以根據(jù)自身需要進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)水印嵌入及水印提取工作。系統(tǒng)還將給出該算法在常規(guī)音頻攻擊下的性能測(cè)試結(jié)果，用戶根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行算法的分析及調(diào)整。因此音頻水印原型系統(tǒng)應(yīng)該包括以下幾個(gè)功能模塊：水印嵌入模塊、添加攻擊模塊、水印提取模塊、結(jié)果分析模塊?；谏鲜雒枋?，系統(tǒng)的功能應(yīng)包括以下幾個(gè)方面：

（1）水印嵌入功能：選擇被嵌入的音頻、選擇版權(quán)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(duì)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(jìn)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(jié)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(jù)上面的用戶功能需求描述，采用UML標(biāo)準(zhǔn)建模語言描述問題模型，則音頻水印原型系統(tǒng)的用例如圖1所示。音頻水印原型系統(tǒng)中包含水印嵌入、添加攻擊、水印提取、結(jié)果分析4個(gè)用例。

水印嵌入用例包含選擇音頻用例、選擇版權(quán)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(guī)則及水印序列嵌入用例6個(gè)子用例[2]。選擇音頻用例為選擇系統(tǒng)要嵌入水印的音頻文件，系統(tǒng)將保留其路徑信息;選擇版權(quán)信息用例，選擇系代表版權(quán)信息的圖標(biāo)并獲得版權(quán)信息圖標(biāo)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(nèi)容無關(guān)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(guī)則用例包含量化嵌入規(guī)則和零水印嵌入規(guī)則;水印序列嵌入用例為采用選擇的嵌入規(guī)則將水印嵌入到選擇的音樂文件當(dāng)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(gè)子用例，分別為對(duì)含水印的音頻文件添加相應(yīng)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(duì)含有水印的音頻文件進(jìn)行水印的提取，并對(duì)提取的水印進(jìn)行保存操作。結(jié)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(jìn)行界面顯示并給出原始水印和提取水印的BER、NC值，由計(jì)算BER用例及計(jì)算NC用例組成[4]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 水印嵌入模塊的設(shè)計(jì)

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

2.1.1選擇音頻

本系統(tǒng)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(quán)信息

本系統(tǒng)使用的代表版權(quán)信息的水印圖片都是bmp格式，選擇版權(quán)信息后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀入并將返回版權(quán)信息圖片的大小并在界面上進(jìn)行版權(quán)信息圖片的顯示。

2.1.3生成水印序列

進(jìn)行水印序列的生成，先選擇水印序列生成是否與內(nèi)容有關(guān)，如果選擇是，則提取音頻特征MFCC并選擇第一階進(jìn)行編碼操作得到二值特征序列，然后將二值特征序列與經(jīng)過Arnold變換、降維操作后的二值版權(quán)信息序列進(jìn)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(jīng)過Arnold變換、降維操作后的二值版權(quán)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(duì)原始音頻進(jìn)行相應(yīng)的變換或者分解操作，該模塊包含DWT模塊、DCT模塊、SVD三個(gè)子模塊，它們?cè)诋?dāng)前算法中被經(jīng)常使用，用戶可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行組合，如可以組合為DWT+DCT、DWT+SVD、DWT+DCT+SVD等，同時(shí)也可以不進(jìn)行組合單獨(dú)進(jìn)行使用。

2.1.5選擇嵌入規(guī)則

選擇嵌入規(guī)則模塊主要包括量化嵌入規(guī)則和零水印嵌入規(guī)則，也就是文獻(xiàn)[5]和[6]采用的嵌入規(guī)則，在此不再贅述。若選擇量化嵌入的規(guī)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(guī)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(guī)則操作后，進(jìn)行水印嵌入時(shí)，通過所選擇的嵌入規(guī)則完成對(duì)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(jìn)行保存。

2.2 添加攻擊模塊的設(shè)計(jì)

添加攻擊模塊，主要實(shí)現(xiàn)的是對(duì)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(shù)設(shè)置操作。當(dāng)用戶進(jìn)行添加攻擊的操作時(shí)，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(duì)攻擊參數(shù)是否進(jìn)行了相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，若全部存在則對(duì)含水印的音頻進(jìn)行添加攻擊操作，否則彈出提示窗口并給出相應(yīng)的提示信息。

2.3 水印提取模塊的設(shè)計(jì)

水印提取模塊主要是進(jìn)行水印提取算法的實(shí)現(xiàn)過程，需要對(duì)含水印的音頻文件進(jìn)行和水印嵌入時(shí)相似的操作，其水印提取的活動(dòng)圖如圖3所示。首先需要對(duì)選取的待提取的音頻實(shí)行同嵌入水印時(shí)一樣的操作，比如若在嵌入預(yù)操作中選擇的是DWT+SVD的組合，那么在水印提取模塊也要進(jìn)行同樣的操作，然后根據(jù)提取規(guī)則進(jìn)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(nèi)容相關(guān)，則將其與音頻特征序列實(shí)行Xor操作，獲得一維版權(quán)水印數(shù)組，再對(duì)一維版權(quán)水印數(shù)組依次進(jìn)行升維操作及Arnold反變換，最后便得到提取的版權(quán)水印圖像。其中，采用文獻(xiàn)[7]和[8]所描述的提取規(guī)則進(jìn)行水印序列的提取，在此不再贅述。

2.4 ?結(jié)果分析模塊的設(shè)計(jì)

結(jié)果分析模塊既可以完成對(duì)算法性能的評(píng)價(jià)，又可以在發(fā)生版權(quán)糾紛時(shí)完成水印匹配、版權(quán)驗(yàn)證的任務(wù)。為了使分析結(jié)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(píng)價(jià)指標(biāo)。用戶進(jìn)入結(jié)果分析模塊后，首先進(jìn)行原始水印圖片和提取水印圖片的選擇，如果沒有進(jìn)行選擇，那么會(huì)向用戶給出進(jìn)行相應(yīng)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(jìn)行顯示，點(diǎn)擊計(jì)算按鈕將會(huì)給出相應(yīng)結(jié)算結(jié)果。

3 結(jié)束語

針對(duì)音樂發(fā)行商如何對(duì)音樂產(chǎn)品版權(quán)進(jìn)行保護(hù)的問題，在對(duì)音頻水印嵌入、提取、測(cè)試等相關(guān)技術(shù)的研究之后，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)音頻水印原型系統(tǒng)，本系統(tǒng)系統(tǒng)納入了常規(guī)水印算法，并可根據(jù)需求進(jìn)行算法組合，主要用于對(duì)音樂產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)方面，音樂發(fā)行商可以方便地對(duì)音樂產(chǎn)品的版權(quán)進(jìn)行保護(hù)及認(rèn)證。

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【通聯(lián)編輯：張薇】