基于小波變換的音頻數字水印研究

摘要：介紹了數字音頻水印技術的發展背景和小波變換思想，給出了一種基于小波變換的音頻數字水印及增強性攻擊檢測方案，最后總結了該方案的優點以及當前存在的問題。

關鍵詞：數字音頻水印；離散小波變換；版權保護

中圖分類號：TP309 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044(2008)31-0949-02

Research on Audio Digital Watermarking Algorithms Based on DWT

CAO Dan， MA Wu-gang

(Henan University of Technology， Zhengzhou 450001)

Abstract: We introduce the development background and the idea of wavelet transformation. An algorithm of digital audio watermarking based on Discrete Wavelet Transform(DWT) is proposed. It caused the watermark system anti-attack capability big enhancement. In addition， Their advantages and and the existing problems are also dicussed.

Key words: digital audio watermarking; discrete wavelet transform(DWT); copyright protection

1 引言

隨著計算機網絡技術和多媒體信息處理技術在全世界的迅猛發展，使得人們能夠方便快捷的制作、加工、分發和傳送各種多媒體制品，而且這種復制和傳送幾乎可以無損地進行，對正版制造商的權益造成巨大的損失。因而，如何對數字產品進行版權保護成為人們十分關注的問題。

數字音頻水印是利用數字音頻信號中的冗余信息，在不影響音頻信號質量的前提下，把額外的水印信息隱藏于其中的技術。與圖像水印和視頻水印一樣，數字音頻水印是一門新興的學科，它集音頻信號處理、密碼學、通信理論、編碼理論、信號壓縮和人類聽覺系統理論于一體，是多學科交匯的技術。

2 數字音頻水印

2.1 數字音頻水印原理及通用模型

從數字通信的角度看，水印嵌入可理解為在一個寬帶信道(載體音頻信號)上用擴頻通信技術傳輸一個窄帶信號(水印信號)。水印的檢測則是一個有噪信道中弱信號的檢測問題。

數字音頻水印系統的原理框圖如圖1所示，代表用戶特定信息的水印數據用水印嵌入器嵌入到原始音頻信號中。嵌入水印的音頻信號可以用與原始音頻信號相同的方式傳輸、存儲和使用。任何已有的音頻播放器都可以順利地播放嵌入水印的音頻信號而不需作任何改變。

圖2為經典的數字通信系統原理框圖，包括編碼器、調制器、解調器、解碼器四個功能模塊。對比圖1和圖2可知，水印的嵌入模塊實質上等同于通信中的調制器，水印的提取模塊實質上等同于通信中的解調器。

2.2 數字音頻水印系統的基本要求

1) 感知透明性感。它要求含水印音樂制品與原始音樂制品之間不存在感知上的差異，并且二者經過相同的信號處理操作后也不應該存在感知差異。

2) 魯棒性。魯棒性是指除非信號處理操作嚴重降低了載體音頻作品的品質，否則經過信號處理操作后，水印檢測器應該仍能檢測出載體作品中是否含水印。

3) 盲/非盲水印檢測。所謂盲水印檢鍘是指不依賴于未嵌入水印的原始音頻信號中直接恢復水印信號。

4) 載荷。在使用水印技術進行隱密通信應用中，對信息載荷的要求一般很高。

5) 計算復雜性。計算復雜性的要求也是隨著應用環境的不同而不同，一般而言，要求檢測器的復雜性要低于嵌入器的復雜性。

6) 錯誤率。在版權保護應用中，為了增加證據的說服力，一般要求水印檢測器具有較低的虛警率。

7) 安全性。當水印技術用于版權保護時，一個重要的問題是如何確定版權所有者，特別是當音頻作品中含有多個水印，各方都聲稱具有作品版權時，如何解決這種“死鎖”問題等。

2.3 數字音頻水印的評價標準

音頻信號中的信息隱藏不同于圖像和視頻。在聲音中隱藏信息的難點在于:一方面人的聽覺比視覺更敏感，因此對音頻水印算法的魯棒性和不可感知性要求更高；另一方面，對聲音信號的評價還沒有一個比較有效的標準。通常情況下，對采用不同嵌入機制的音頻水印算法分別采用不同的客觀度量方法，目前比較常用的方法可歸結如下：

1) 信噪比：把嵌入的水印信號看作是加載到原始音頻信號上的噪聲，可通過計算信噪比來衡量嵌入的水印信息對音頻信號的影響程度。

2) 峰值信噪比：當水印信息嵌入到音頻信號后，通過觀察其峰值信噪比可以定量地評價嵌入水印的音頻信號。

3) 相關系數：為檢驗提取的水印信號與嵌入的水印信號之間的相似性，一般可通過計算它們的歸一化相關系數來判定。

4) 歸一化漢明距離：對于水印信號為二進制序列的情況，可以通過計算提取的水印信號與嵌入的水印信號之間的歸一化漢明距離來檢測其相似性。

5) 計算復雜度：對于各種應用和要求的水印算法，計算復雜度是考證水印算法是否合適的一個重要指標，但不同的應用范圍對計算復雜度的具體要求有所不同。

3 基于小波變換的音頻數字水印

3.1 小波變換

小波分析是一種信號的時間-尺度(時間-頻率)分析方法，它既繼承和發展了短時傅立葉變換的局部化思想，又具有多分辨率分析的特點，而且在時頻兩域都具有表征信號局部特性的能力，同時又克服了窗口大小不隨頻率變化的缺點，是進行信號時、頻分析，處理時變非穩態信號的比較理想的工具。

對于音頻這樣的時變信號，利用小波分析作為數學工具具有很多優良的性能。

1) 兼具時—頻域的局部化信息。小波既具有付氏分析的頻域處理能力、又彌補了傳統付氏分析無時域局部化信息的致命弱點。小波分析對時頻空間的自適應劃分對語音的非平穩信號處理非常有利。

2) 小波變換具有多分辨率，也叫多尺度的特點，它把信號分解成獨立的子帶并獨立地進行處理，可以對人耳聽覺系統進行更好的模擬。

3) 多樣的基函數。使用不同的基函數會得到不同的特征提取，針對語音信號的復雜性，它可以提供靈活多樣的處理方案。

4) 算法的計算效率高，便于軟件實現。

3.2 水印的嵌入和提取

為了提高數字水印的嵌入與檢測速度，將采用逐行嵌入水印信號的策略，即每個音頻數據段將嵌入二值水印圖像的一行水印信息。首先，將原始數字音頻信號分解成兩部分，取出與水印嵌入有關的音頻段，同時，對原始水印序列進行降維、置亂、加密的預處理操作。其次，選擇離散小波對音頻段做3級小波分解，得到不同級別分辨率下的組細節小波系數和一組近似小波系數。再次，選擇部分小波系數以嵌入水印序列。最后，將嵌入水印信息的小波系數替代原來的系數分量，再做小波逆變換，就得到含水印信號的音頻信號。整個嵌入過程如圖3所示。

水印提取過程是水印嵌入的逆過程， 水印提取時的具體過程如下：

1) 采取與嵌入算法對應的離散小波分解，將音頻信號由時域映射到頻域。該算法為非盲水印算法。首先，分別將原始音頻信號和待檢測的音頻信號進行對應的離散小波分解.經離散小波分解后，得到對應的第N級小波細節系數。

2) 對這部分音頻段作DWT變換，提取低頻系數。

3) 通過比較原始音頻信號與含水印音頻信號的小波系數，從而提取水印信號記，此過程需要原始音頻信號。

4) 對提取出的一維水印序列進行逆置換，最終得到二維的水印圖像。

3.3 音頻數字水印的增強攻擊檢測

在實際應用當中，音頻信號會不同程度的受到環境噪聲的干擾，噪聲會影響到音頻信號的質量，使許多語音處理系統的性能惡化。音頻信號增強的目的是從含有噪聲的信號中提取原始音頻信號，提高音頻信號的信噪比。本文對含有水印的音頻信號加入噪聲，然后進行信號增強處理，比較前后的波形和聽覺效果，其步驟如下：將讀入的音頻信號加入正態隨機噪聲并進行小波分解；估算含有噪聲的音頻方差；獲取去噪的閾值并對小波分解的高頻系數進行閾值量化，得到去噪后的音頻信號。

4 總結

數字水印技術是解決數字產品版權保護的有效途徑，隨著新一代音頻壓縮標準的出現，對音頻數據產品的保護也越來越重要。該文以音頻數據作為嵌入對象，以二值圖像作為水印信息，在小波變化域的系數上嵌入水印，該算法對有損壓縮、濾波等攻擊有較強的魯棒形。但是在水印的嵌入和檢測過程中沒有考慮同步問題，以及該文的水印信息是二值圖像，把其他形式的信息作為水印嵌入到音頻信號中等都是以后需要研究的問題。

參考文獻：

[1] 鈕心忻，楊義先.基于小波變換的數字水印隱藏與檢測算法[J].計算機學報.2002，23(1):21-27.

[2] 余燕忠，王新偉.DCT域水印算法的穩健性分析[J].計算機工程，200，29(3):81-83.

[3] 陳琦，王炳錫.一種基于DCT變換的語音數字水印算法研究[J].信號處理，2001，6(3):238-241.