一種安全的數(shù)字音頻水印方案

摘 要:提出一種安全的數(shù)字音頻水印算法，利用密鑰生成的序列作為水印同步碼，并在時間域嵌入同步碼。水印信息采用分塊結(jié)構(gòu)化編碼方式，水印分塊中采用校驗碼機制，水印內(nèi)容采用量化方式嵌入在小波變換域，水印分塊在音頻段中循環(huán)冗余嵌入方式，以抵抗同步攻擊的能力。提出的算法不僅具有較好的不可感知性，對低通濾波、噪聲、重量化、重采樣、MP3壓縮等信號處理具有較好的魯棒性;同時對抵抗隨機裁剪攻擊、抖動攻擊、時間延展等同步攻擊具有很好的魯棒性。關(guān)鍵詞:音頻水印; 同步攻擊; 安全水印; 水印同步碼

中圖分類號:TN919-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)22-0139-03

A Security Digital Audio Watermarking Scheme Based on Synchronization Technique

XU Ri1， XUE Hui-jun2

(1.Department of Computer Science， Inner Mongolia Business Trade Vocational College， Hohhot 010010， China;

2.Department of Computer Science， Inner Mongolia Electronic Information Vocational Technical College， Hohhot 010010， China)

Abstract: A security digital audio watermarking scheme is introduced， which uses a random sequence generated by private key as watermarking synchronization code and embeds the synchronization code in the time domain of audio signal. The block-structured coding is used in watermarking information， the check code mechanism is used in watermarking block， the sub-block watermarking is embedded in the wavelet transform domain. Experimental results show that the proposed scheme is inaudible and robust against common signals processing such as low-pass filtering， re-quantify， resample， MP3 compression and equalization etc， and is robust against desynchronization attacks such as random cropping， time-scale modification， and jittering.

Keywords: audio watermarking; synchronization attack; security watermarking; watermarking synchronization code

0 引 言

數(shù)字音頻水印技術(shù)作為數(shù)字音頻作品版權(quán)保護的有效手段，已經(jīng)得到學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界重視[1-3]。目前，針對音頻水印算法的研究很多。但是抵抗隨機裁剪、抖動攻擊往往很容易讓水印信息無法正確提取。文獻[4]把信號短時平均幅度從低向高改變，并將改變程度最大的點作為特征點，并采用給定幅度參數(shù)閾值t1和t2來控制特征點數(shù)，其算法不具有通用性。文獻[5]以變換域上的局部極值點作為特征點進行定位，嵌入和提取過程都是從音頻的起始點分幀，用時間域裁剪攻擊會出現(xiàn)幀移現(xiàn)象。文獻[6]將同步信息添加到音頻幀數(shù)據(jù)的小波域中，在裁剪攻擊或抖動攻擊中，同樣會引起幀移并逐步加大。文獻[7-11]采用音頻特性定位或嵌入同步碼的方式實現(xiàn)水印在同步方面的魯棒性。上述水印算法基本沒有考慮水印信息的安全性能，這些算法在公開的情況下，基本上可以很容易地把水印信息去除。

在此提出一種安全的音頻水印方案，利用密鑰序列生成同步碼，同步碼嵌入在音頻載體的時間域。對水印信息進行結(jié)構(gòu)化分塊，結(jié)構(gòu)化水印信息包括分塊編號、分塊水印信息、校驗信息等。分塊水印嵌入在音頻信號的離散小波變換系數(shù)上，提高了水印算法的安全性，在未知密鑰的情況下很難檢索到水印的同步碼，水印內(nèi)容嵌入到小波變換域上，增強了水印信息的魯棒性。仿真實驗驗證了水印在抵抗同步攻擊、抖動攻擊方面具有很好性能，對常見的音頻信號處理也具有良好的魯棒性。

1 水印算法設(shè)計

1.1 水印信息預(yù)處理

一般而言，作為版權(quán)侵權(quán)追蹤中水印嵌入的實際需要，嵌入的水印信息可以是代表該版權(quán)歸屬的企業(yè)標識或企業(yè)名稱等信息，其水印信息內(nèi)容不大。比較適合作為水印信息的形式，通常可采用二值圖像或灰度圖像。水印信息預(yù)處理的目的在于增加水印抵抗攻擊的能力，在部分的水印分塊提取錯誤時，不至于影響其他水印分塊的提取。預(yù)處理分為以下幾個步驟。

(1) 水印信息分塊。

水印信息通常采用可視的二值或灰度圖像形式，以方便實際應(yīng)用中對版權(quán)歸屬的確認。在此，以二值圖像作為水印討論，把水印信息分成n×n(n取4或8)大小的塊，對水印圖像做預(yù)處理，可以恰當?shù)臄?shù)量分塊。

(2) 分塊水印信息結(jié)構(gòu)化。

經(jīng)過分塊的水印信息進行結(jié)構(gòu)化處理。首先，在分塊信息之前增加分塊編號信息，分塊信息進行二進制序列化，然后根據(jù)密鑰進行置亂處理，最后增加二位校驗位，一位為分塊編號校驗和;另一位作為水印信息校驗和。

1.2 水印同步碼

在水印檢測時實用的水印系統(tǒng)不能依賴原始的載體[1]，必須是盲檢測，這就要求嵌入的水印必須能正確地定位，任意選擇一定長度的音頻載體，只要其中嵌入完整的水印信息，即可正確的提取其中的水印信息。同時，要求水印算法可以公開，水印算法的安全性不能依賴于算法的保密來實現(xiàn)。本算法提出的同步碼是由密鑰生成的序列。利用m序列生產(chǎn)器，生成長度為k的序列碼，作為同步碼。

1.3 同步碼嵌入

為提高水印信息檢索效率，同步碼嵌入在水印載體的時間域。水印嵌入位置對于水印的魯棒性影響很大，水印嵌入位置的選取極為重要，同步碼的嵌入步驟如下:

(1) 嵌入位置檢索。假設(shè)需要嵌入水印的音頻載體為A={a(n)，1≤n≤N}，確定一個寬度為Lw的滑動窗口，Lw的取值與同步碼的長度k相同，即Lw=k。把滑動窗口在音頻載體的時間軸上移動檢索，計算窗口內(nèi)音頻采樣點的能量值Ej=∑i=j+Lw-1i=ja(i)×a(i)，選取窗口中能量Ej大于某一個閾值TE的音頻段作為同步碼嵌入的音頻段。

(2) 同步碼嵌入。對(1)中選取的音頻段，每一個音頻采用點嵌入一個比特的同步碼，嵌入方法為直接修改音頻采用點最低2~4位上，采用直接的位替換方案，直接把同步碼位逐個按序替換方法，替換位置在最低第2，3，4位上選擇，選擇方法為采用密鑰生成0~1之間的隨機數(shù)序列，根據(jù)隨機數(shù)序列所在的位置確定同步碼被替換的位置。由于滑動窗口的長度與同步碼的長度一致，所以這就很容易實現(xiàn)同步碼的嵌入。

(3) 在檢索到一個同步碼的嵌入音頻段之后，其長度為La的音頻段，即為用于嵌入水印的音頻載體。假設(shè)分塊水印長度為M，則La取值為4M。

(4) 下一個同步碼的檢索，在長度為La的音頻之后，繼續(xù)重復(fù)(1)步驟檢索同步碼嵌入位置。

1.4 水印嵌入

在上述音頻信號中，根據(jù)檢索到的同步碼可以確定水印分塊的嵌入音頻信號段，并且音頻信號段的長度為La，假設(shè)嵌入音頻分塊的音頻信號為Aj={a(i)，j+1≤i≤j+La}。水印嵌入的步驟如下:

(1) 對音頻信號Aj進行N層小波變換，這里N一般取2或3。音頻信號在進行小波變換后分為低頻系數(shù)和高頻系數(shù)。音頻信號的能量主要集中在低頻系數(shù)，因此選擇小波的低頻系數(shù)用于水印分塊的嵌入;

(2) 采用量化的水印嵌入方案進行修改低頻系數(shù)。修改后的低頻系數(shù)及保留的高頻系數(shù)部分，經(jīng)過小波逆變換，生成Aj的幾位嵌入水印分塊音頻段。

1.5 水印提取

水印的提取過程與水印嵌入過程類似，具體步驟如下:

(1) 生成同步碼，使用嵌入時候相同的密鑰生成同步碼序列。

(2) 對于待檢測的音頻信號，根據(jù)嵌入時候確定的滑動窗口，在時間域檢索同步碼，計算滑動窗口內(nèi)音頻信號的能量，對于大于閾值αTE(這里α取值為0~1之間，小于1;如果α為1，可能造成同步音頻信號無法檢索到)的滑動窗口，按照嵌入時候相同的方案提取出同步碼，若為同步碼，則定位到嵌入水印的音頻為其后的Lw長音頻段，否則繼續(xù)檢索。

(3) 對于檢索到的同步碼，即可確定其后的Lw長的音頻段中嵌入的分塊水印內(nèi)容。取其后的Lw音頻段，進行N層小波變換，按照與嵌入相同的方式，在低頻系數(shù)提取水印分塊。

(4) 如果提取的分塊水印滿足水印分塊的結(jié)構(gòu)，即水印分塊號在正確值范圍，同時分塊的校驗碼都是正確的，則可認為提取的水印分塊是正確的。否則，認為水印分塊提取的信息是錯誤的，拋棄提取的水印分塊，繼續(xù)步驟(2)。水印的分塊嵌入過程是把同步碼及水印分塊信息多次循環(huán)地嵌入在音頻信號中。因此在音頻信號足夠長的情況下，很容易地提取到各個水印分塊。

(5) 把提取的完整的各個水印分塊，按照分塊編號，重新組合成完整的水印。

2 實驗結(jié)果

為驗證所提出水印算法的性能，本文在Window XP和Matlab 7.1環(huán)境下進行仿真。實驗中，選用原始信號為44.1 kHz，分辨率為16 b，長度為31 s的單聲道數(shù)字音頻信號。水印信息選取32×32的二值圖像，如圖1所示。算法中采用3層DB -2小波基。同步碼長度k的取值為16，滑動窗口大小即為Lw=k=16。其中，能量閾值TE取值為1.5，這個閾值的選擇根據(jù)情況做調(diào)整，用它將影響同步碼的定位，也影響水印的魯棒性能。 表1給出了本文算法和文獻[6]算法的抵抗攻擊能力對照結(jié)果。

圖1 二值水印圖像

表1 數(shù)字水印對部分常規(guī)攻擊的抵抗能力

未攻擊

隨機剪切

1 024樣點2 048樣點重量化

重采樣

22.05 kHz11.025 kHz高斯噪聲

MP3

256 kHz

文獻[6]算法

NC1.0000.8650.8410.9860.8920.8390.9210.735

BER00.1220.1650.0020.2020.2380.0920.324

PSNR42.75122.42119.75239.34221.16219.09830.65819.652

本文算法

NC1.0001.0000.9951.0001.0000.9820.9020.759

BER000.024000.0050.1090.339

PSNR42.75038.17435.72139.98237.16536.42025.42618.765

通過上述的實驗數(shù)據(jù)可以看到，算法對于隨機裁剪攻擊具有很好的性能，對常見信號處理具有較好的魯棒性，對MP3壓縮處理和高斯噪聲處理，略低于文獻[5]的性能，其他的如重采樣、重量化等攻擊都表現(xiàn)很好的性能，特別是對隨機裁剪攻擊，具有很好的魯棒性。

3 結(jié) 語

在此提出了一種安全的音頻水印算法，它采用的水印同步碼及水印同步碼的嵌入位置均通過了密鑰控制，增加了水印的安全性。同步碼嵌入在時間域上可以大大減低同步碼的檢索效率。把水印嵌入在小波變換域上，采用了水印分塊的方法，并對每個分塊應(yīng)用校驗碼技術(shù)，提高了水印的魯棒性。仿真實驗驗證了水印是安全和有效的。本文算法的缺點在于滑動窗口計算能量之后，需要一個預(yù)先設(shè)定的能量閾值。然而這個閾值的確定，可能因為音頻類別的不同而不同，因此實際上可以尋找更好的方案，以實現(xiàn)可以自適應(yīng)的調(diào)節(jié)。在同步的基礎(chǔ)上進一步提高水印在抵抗MP3壓縮攻擊、噪聲攻擊的性能，將是下一步的研究課題。

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