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淺談面向公共信息傳播的音頻水印算法
摘要：提出了一種基于小波分解和倒譜技術(shù)的音頻數(shù)字水印算法，該算法通過對(duì)原始音頻進(jìn)行小波多級(jí)分解，從中選取低頻系數(shù)進(jìn)行倒譜變換。通過統(tǒng)計(jì)均值的計(jì)算和調(diào)整方法設(shè)計(jì)，完成了水印的嵌入。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法能夠有效地抵抗A/D和D/A攻擊，誤碼率為O，隱藏容量較大。同時(shí)，本算法還能夠抵抗一定的AMR攻擊，為手機(jī)音頻的安全傳播和管理提供了新的前景。
關(guān)鍵詞：音頻水印;小波變換;倒譜;模/數(shù)轉(zhuǎn)換;AMR格式
0、引言
在電視廣播、交通臺(tái)和音樂會(huì)等公共信息傳播領(lǐng)域，音頻的版權(quán)管理和安全傳輸都非常重要。如果采用數(shù)字水印技術(shù)，則需要水印算法能夠抵抗A/D和D/A轉(zhuǎn)換。目前，具有這種變換的類型可以劃分為三種。第種是基于電纜傳輸方式，以電話線傳播和直通電纜連接為典型，所受干擾小。電話線方式是公用信道，能夠傳播很遠(yuǎn)，傳輸秘密水印的載體可以是話音或音樂等類型;而直通電纜方式一般在一個(gè)辦公實(shí)驗(yàn)的局部環(huán)境中。第二種是基于廣播方式，通過廣播媒體或?qū)Ｓ妙l道進(jìn)行傳播。第三種是基于空氣直接傳播方式，會(huì)遭遇各種干擾，通常只能近距離設(shè)計(jì)。由于音頻水印的遠(yuǎn)程傳輸和提取具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，這些音頻傳播水印技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)受到了極大重視并有所成果。在空氣傳播水印信息方面，德國(guó)的steinebach等人…開展了最早的研究，通過設(shè)定5—4oocm的多個(gè)不同間距，同時(shí)使用了4種不同的麥克風(fēng)，研究了5種音頻類型的水印技術(shù)，在5～180cm的間距普遍獲得了良好的提取效果。隨后，日本的achibana等人口研究將水印實(shí)時(shí)地隱藏到公共環(huán)境如音樂演奏會(huì)的音樂之中，能夠成功地在一個(gè)30s音樂片段內(nèi)隱藏64b的消息，測(cè)試的空氣傳播距離為3m。在電話網(wǎng)絡(luò)傳播方面，加拿大的chen等人開展了模擬電話通道的隱藏，在誤碼率小于0.001時(shí)，其數(shù)據(jù)帶寬達(dá)到了265bps。日本的Modegi等人設(shè)計(jì)了一套非接觸水印提取方案，通過手機(jī)來廣播或轉(zhuǎn)存水印音頻，然后，通過計(jì)算機(jī)將秘密從轉(zhuǎn)存的音頻文件提取出來。隱藏帶寬達(dá)到61.5bps，提取率高于90%。但是，這幾種研究結(jié)果并沒有對(duì)算法做詳細(xì)描述。在直通電纜傳播方面，項(xiàng)世軍等人采用了三段能量比值方法，嵌人的是一串32b信息，雖然提取效果比較好，但由于實(shí)驗(yàn)容量太小，實(shí)用性不夠，且對(duì)同步技術(shù)有較高的要求;王讓定等人采用改進(jìn)的量化方法、馬冀平等人”采用了DCT方法，嵌入的都是小圖片，但提取效果一般，僅可辨認(rèn)。雷贄等人在短波廣播含水印音頻算法方面取得了可喜的進(jìn)展，通過多種同步方案和算法設(shè)計(jì)，使水印提取的模擬和實(shí)測(cè)過程都達(dá)到了較好的效果，但實(shí)驗(yàn)容量很小。此外，由守杰等人設(shè)計(jì)了一種相似度計(jì)算方法，由于是非盲提取，不適于廣播通信領(lǐng)域。作者利用小分段的直方圖特性，開展了抗A/D轉(zhuǎn)換的音頻水印初步研究，在每段開頭總能獲得正確提取，但在每段的后續(xù)隱藏效果不佳，還需要做許多改進(jìn)。
可見，在面向公共音頻傳播方面，如何既能提高隱藏效果又能增大容量，仍然是音頻水印算法要解決的一個(gè)難題。本文通過數(shù)據(jù)特性分析，采用倒譜技術(shù)和小波分解方法，成功地解決了問題，且能夠抵抗一定的手機(jī)彩鈴AMR攻擊，為實(shí)用化提供了重要基礎(chǔ)。
1、數(shù)據(jù)特性描述
音頻信號(hào)經(jīng)過具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換的傳輸過程時(shí)，必然要涉及到以下問題：
1)音頻信號(hào)要經(jīng)歷傳輸過程中的外加干擾，包括50Hz的工頻電信號(hào)，因此，需要選擇大于50Hz的音頻頻率信號(hào);
2)因聲卡特性不同，音頻轉(zhuǎn)換過程不一定具有線性模型;
3)傳輸中錄制的音量往往與播放的音量不一致，這要求水印算法能夠抵抗音量的大范圍變化;
4)傳輸中錄制開始時(shí)刻可能早于也可能晚于播放時(shí)刻而且結(jié)束時(shí)刻也不一定一致，所以水印隱藏的起始位置需要沒置標(biāo)志;
5)轉(zhuǎn)換過程具有一定的濾波特點(diǎn)，可濾除較高頻率信號(hào)。
1.1音頻頻率范圍選擇
對(duì)照音頻頻率響應(yīng)特性圖可以發(fā)現(xiàn)，在低頻部分的閾值比2kHz～4kHz的要高得多，不容易察覺;尤其是1kHz以下部分，其不可感知性要好得多。文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)也表明，音頻數(shù)據(jù)通過A/D和D/A轉(zhuǎn)換后，其低頻范圍700Hz以下的損失非常小。可見，選擇在頻率為(50，700)范圍內(nèi)的音頻數(shù)據(jù)，用于信息隱藏非常有利。
1.2倒譜系數(shù)的選取方法
倒譜變換在音頻水印中已經(jīng)具有了較強(qiáng)的健壯性，能夠抵抗噪聲、重采樣、低通濾波、重量化和音頻格式轉(zhuǎn)換等常見攻擊。倒譜變換后的數(shù)據(jù)特征表現(xiàn)為：倒譜系數(shù)在中間部分的差異很小，而在兩端的變化很大。
圖1是對(duì)音頻進(jìn)行7級(jí)小波分解后，選取5～7級(jí)高頻數(shù)據(jù)部分進(jìn)行倒譜變換情形。在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理時(shí)，如果讓全部數(shù)據(jù)參與，則計(jì)算結(jié)果在隱藏前后有明顯變化;如果不考慮兩側(cè)若干個(gè)大數(shù)據(jù)，僅以中間大部分?jǐn)?shù)據(jù)參與運(yùn)算，則計(jì)算結(jié)果容易保持在一個(gè)穩(wěn)定范圍內(nèi)。
進(jìn)一步，如果將計(jì)算的均值移除，即相當(dāng)于此時(shí)的均值為0。然后，在0的上下兩邊產(chǎn)生一個(gè)偏差，如2，以分別隱藏比特信息“1”和“0”。則在提取時(shí)，只需要判斷所求均值是否大于0，就可以求得水印比特。這種方法，稱之為“數(shù)據(jù)分離調(diào)整”技術(shù)。
2、算法分析與設(shè)計(jì)
2.1隱藏算法流程設(shè)計(jì)
將原始音頻分段時(shí)，段數(shù)至少是水印比特?cái)?shù)。然后，對(duì)每段數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分解，取其低頻系數(shù)進(jìn)行倒譜變換，采用前述的數(shù)據(jù)分離調(diào)整技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)水印比特嵌入。之后，先后重組倒譜系數(shù)和小波系數(shù)，獲得含有水印信息的音頻段，從而構(gòu)造為新的音頻。該算法流程如圖2所示。
為了增強(qiáng)可靠性，對(duì)水印信息先做糾錯(cuò)處理，采用BCH編碼方法。算法的主要工作是尋找合理的參數(shù)優(yōu)化配置，使隱藏效果達(dá)到最優(yōu)。參數(shù)主要有：小波分解級(jí)數(shù)、分段的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)幀的間距、上下分離的閾值將數(shù)據(jù)幀的間距設(shè)置為數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度的倍數(shù)，最大為1，最小為0。期間選擇多個(gè)系數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)都可以成功實(shí)現(xiàn)隱藏。
2.2水印嵌入算法設(shè)計(jì)
1)水印信息處理。
音頻載體分段數(shù)至少應(yīng)該大于，才能滿足隱藏要求。
假設(shè)每段長(zhǎng)為，該段經(jīng)過小波變換的級(jí)分解后，各級(jí)小波系數(shù)長(zhǎng)度分別為：
取低頻系數(shù)部分，使之頻率范圍位于(50，l000)內(nèi)，則需要構(gòu)造一個(gè)組合的低頻小波系數(shù)集合。以8kHz音頻為例，實(shí)施7級(jí)小波分解后，所選擇的低頻系數(shù)部分為：
P的長(zhǎng)度非常重要。如果太小了，對(duì)隱藏不利;反之，就需要更長(zhǎng)的音頻載體。所以，音頻分段與小波分解具有密切的關(guān)系。
3)倒譜變換。
復(fù)倒譜變換對(duì)于信號(hào)序列的均值大于或等于0時(shí)，其逆變換可逆;否則不可逆。為此，需要計(jì)算指定段信號(hào)的均值，若均值小于0則取反。然后對(duì)所有指定段進(jìn)行復(fù)倒譜變換。
4)倒譜系數(shù)的選取。
去掉首尾波動(dòng)很大的部分，而選擇中間平穩(wěn)的部分嵌入水印。假設(shè)兩端各去掉L0個(gè)數(shù)據(jù)，則實(shí)際用于隱藏水印的倒譜系數(shù)長(zhǎng)度為：
5)去均值化處理。
計(jì)算剩余部分的均值，然后用每一個(gè)倒譜系數(shù)減去該均值，得到倒譜系數(shù)的相對(duì)值。
6)嵌入水印。
給定一個(gè)閾值T，采用整體上下拉開的思路，對(duì)以上的相對(duì)倒譜系數(shù)進(jìn)行修改，得到最終的倒譜系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)水印的嵌入。
7)重構(gòu)音頻信號(hào)。
對(duì)嵌入水印的段重構(gòu)后，實(shí)施復(fù)倒譜反變換。然后進(jìn)行小波重構(gòu)，從而得到含有水印比特的音頻段。將所有這些段重構(gòu)，就獲得了含全部水印信息的音頻。
2.3水印提取
水印提取過程的前半部分與嵌入過程是一樣。在提取出比特序列后，再經(jīng)過BCH解碼處理，從而得到隱藏的水印比特序列。水印提取的流程如圖3所示。
對(duì)獲得的倒譜系數(shù)去兩側(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算剩下的倒譜系數(shù)平均值。按照以下規(guī)則進(jìn)行隱藏信息的提�。�
在信息傳播方面.針對(duì)A/D和D/A傳播采用『_直通電纜的傳輸方式，在單機(jī)上用電纜將音頻輸入輸出口相連。傳輸線為音頻線1.8m和延長(zhǎng)線1.8m，共3.6m。此外，針對(duì)手機(jī)彩鈴傳播采用了AMR方式。隱藏水印設(shè)計(jì)了三種方案，如圖4所示。
小容量的便于AMR處理，大容量的便于實(shí)用化。
仿真工具為Matlab7.2.使用windowsMediaPldrver播放器播放音頻載體，使用CoolEdit Pro工具進(jìn)行錄音、編輯和攻擊處理。
基本參數(shù)選擇為：選用Harr小波進(jìn)行7級(jí)小波分解后，按照式(4)選取低頻系數(shù)區(qū)域，所得頻段在77.5～5o0Hz范圍。式(7)中的為L(zhǎng)0，式(9)中T值的合適范圍在0.005～0.025中實(shí)驗(yàn)選取。式(3)中的取值為3200非常合適，此時(shí)，實(shí)際參與計(jì)算均值的數(shù)據(jù)為155。
3.2音頻載體的影響
音頻載體選擇了三種，如表1所示，
其采樣頻率8kHz，樣本精度為16b，單聲道，段的長(zhǎng)度為3200。音頻轉(zhuǎn)換為8kHz的目的是為了今后在電話網(wǎng)上的隱蔽傳輸，并可以轉(zhuǎn)化為AMR文件，傳輸?shù)绞謾C(jī)中，成為手機(jī)彩鈴的版權(quán)管理目的。
經(jīng)過A/D和D/A傳播后，4×4水印提取的誤碼情況如表1所示�？梢�，載體的選用非常重要;同時(shí)，從音頻質(zhì)量上考慮，選用較小的T值更有利于保證信噪比。所以，以下的實(shí)驗(yàn)采用的是“奧運(yùn)主題歌”。
3.3閾值參數(shù)的合理計(jì)算
選擇了水印“北”進(jìn)行比較測(cè)試，如圖5所示。結(jié)果表明，在T值為0.016時(shí)，誤碼率為0，效果最佳。為此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)也采用該值。
3.4大容量A/D和D/A傳輸
采用圖像水印“北京”進(jìn)行大容量測(cè)試，音頻載體選用“奧運(yùn)主題歌”。圖6為經(jīng)過A/D和D/A轉(zhuǎn)換前后的數(shù)據(jù)均值計(jì)算對(duì)比情況.共有BcH編碼的555個(gè)數(shù)據(jù)。按照式(10)
提取后，能夠完全正確提取，且誤碼率為0。進(jìn)一步，將本文算法的實(shí)驗(yàn)效果與已有屬于盲提取的研究結(jié)果相比較，如表2所示。
可見，本文算法雖然帶寬小，但水印能夠正確提取，而且嵌入容量較大。由于實(shí)驗(yàn)中使用了8kHz的音頻載體，能夠廣泛應(yīng)用于語(yǔ)音傳輸和手機(jī)彩鈴等場(chǎng)合，所以在電話網(wǎng)絡(luò)廣播方面的實(shí)用性強(qiáng)。
3.5抗AMR轉(zhuǎn)換
隨著手機(jī)彩鈴的普遍使用，彩鈴的安全傳播和管理將成為新的問題。本算法在這方面也開展了新的嘗試，將水印隱藏在彩鈴中，可以起到版權(quán)保護(hù)或秘密信息傳播的作用。
目前手機(jī)錄音放音格式多數(shù)是AMR格式，要求算法能夠抵抗AMR轉(zhuǎn)換攻擊。在上述的音頻載體中成功完成水印嵌入后，需要將采樣精度l6b、采樣頻率為8000的波形音頻轉(zhuǎn)換為AMR格式，就可以存入手機(jī)中使用或發(fā)送給他人。提取時(shí)，先將AMR文件轉(zhuǎn)換為wAV格式，然后再提取水印信息。
AMR轉(zhuǎn)換工具為MIKS0FTMobiIeAMR convener，可以進(jìn)行WAVE與AMR兩種格式的相互轉(zhuǎn)換。實(shí)驗(yàn)中使用的水印信息為圖4(a)水印，采用BcH(31，16，3)，閩值設(shè)置為0.0195時(shí)，B脒達(dá)到0，取得了滿意的效果。
4、結(jié)語(yǔ)
鑒于音頻信號(hào)的低頻特征，并綜合應(yīng)用倒譜技術(shù)和小波多級(jí)分解方法，成功地實(shí)現(xiàn)了抗A/D和D/A轉(zhuǎn)換的音頻水印算法，誤碼率為0，不需要同步碼;而且，隱藏信息具有較大的容量，具備了一定的實(shí)用性;同時(shí)，算法還能夠抵抗一定的AMR攻擊，既能實(shí)現(xiàn)手機(jī)彩鈴的安全傳播和管理，又能在線錄制手機(jī)通信中的含水印音頻，具有較好的應(yīng)用前景。今后，需要在AMR文件中隱藏大容量水印信息，使之更具有實(shí)用性。
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