基于量化的音樂水印算法研究

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，該算法通過音頻自身的序列來計算特征值，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。在本文中通過選取中低頻系數(shù)與分組量化算法結(jié)合MP3壓縮特性來提高數(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，特別是對于低通濾波與疊加噪聲有很強的抗攻擊能力。

關(guān)鍵詞： 音樂水印;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重，本文針對音頻文件進行嵌入水印來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[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)合分組量化算法進一步提高了音頻的魯棒性與不可感知性。通過實驗可以看到不僅可以提高音頻文件的不可感知性，而且對于疊加噪聲，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

本文提出一種簡單且易于操作的量化技術(shù)來對水印的特征值進行量化，這種量化算法不僅利用音頻自身的序列來計算特征值，而且通過實驗可以發(fā)現(xiàn)對于魯棒性與不可感知性也有較好的折中。

1.1 水印嵌入過程

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)水印信息的長度劃分成若干個小段;

（2）在每一段中選取前N個序列，再把N個序列劃分成小塊;

（3）把每一個長度為N/10塊的序列變成M*M的小塊;

（4）對每一個M*M進行2DCT變換，選取K個中低頻系數(shù)，組成中低頻系數(shù)數(shù)組;

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

1.2 水印提取過程

本文實現(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，故提取水印信號時不需要原始音頻載體。

（1）把已嵌入水印的音頻載體根據(jù)水印的長度分段，再從每一段中取出前N個序列;

（2）把前N個序列分成小塊，再形成M*M的小塊;

（3）把每一個小塊進行2DCT變換，從中取出K個中低頻系數(shù)，組成數(shù)組;

（4）計算每一段的特征值，然后跟集合Q0與Q1進行比較，確定水印信息。

2 實驗結(jié)果及分析

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

實驗結(jié)果不同的音樂類型抵抗L/A/C攻擊的抵抗能力有所差異。Classical音樂對攻擊的抵抗能力最好，Rock音樂對各類攻擊的抵抗能力最差。其SNR分別為35dB和40dB，而針對C類攻擊的BER分別為0%和20%。

3 結(jié)論

本算法實現(xiàn)根據(jù)音頻文件自身的序列來計算特征值與嵌入強度，不僅操作簡單而且易于實現(xiàn)。同時，通過實驗可以看到該算法對于低通濾波，疊加噪聲的攻擊有很好的抗攻擊能力。不過該算法也有一點不足之處，該算法對于音頻壓縮攻擊具有一定的缺陷，如何提高對音頻壓縮攻擊的抗攻擊能力是下一步的工作重點。

參考文獻：

[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，楊紅穎，趙紅.一種可抵抗MP3壓縮的音頻水印算法.自動化學(xué)報，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，2008，14（4）：331-335.