基于离散小波变换的音频数字水印的研究(可编辑)

基于离散小波变换的音频数字水印的研究(可编辑) 基于离散小波变换的音频数字水印的研究 北京化工大学 硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 基于离散小波变换的音频数字水印研究 姓名:刘芳 申请学位级别:硕士 专业:计算机应用技术 指导教师:李学斌 20100526摘要 基于离散小波变换的 音频数字水印研究 摘要 随着计算机网络和多媒体技术的飞速发展,多媒体数据逐渐成为人们 获取信息的重要来源。然而,当前数字信号处理和互联网传输技术的迅猛 发展却令数据的版权保护面临严峻的挑战。因此,如何在开放的网络环境 下对数字作品实施有效的版权保护己经成为热门的研究课题。数字水印技 术作为信息安全领域的一个重要组成部分,是一种保护版权的有效途径。 数字水印技术依据某种算法将某些不可感知的数字信息添加到载体文件 中,并且接收方可以通过一定的方法将其提取出来作为版权信息的证明。 除此之外,数字水印还可以应用于保密通信、广播监视和信息标识,以及 访问控制等领域,因此研究数字水印具有十分重要的意义。 目前针对数字水印的研究与实现主要围绕在图像与视频水印方面。由 于人类听觉系统的敏感性,在音频中嵌入水印难度大,相关方面的技术还 不成熟,因此本文选取音频数字水印作为研究内容。通过研究数字水印的 三个重要特性,以及人类听觉系统的特性,总结并分析了多种音频水印算 法,本文选择在离散小波域中进行水印的嵌入。 本文首先设计了一种利用加性嵌入方法在小波分解低频系数中嵌入 水印的方法,该方法简单易行,面对多种攻击具有一定的鲁棒性。其次, 针对加性嵌入非盲提取、嵌入强度不可调整以及安全性差的缺点,设计了 一种基于序列加密的自适应量化嵌入水印方法,在提取水印时北京化工大学硕士学位论文 不需要原始音频信号的参与,是一种盲水印算法。此外,利用人类听觉系 统的频域掩蔽特性,设计了一种在离散小波变换的高频分量系数上嵌入水 印的盲水印方法,具有较强的不可感知性,且具有一定的鲁棒性。 关键词: 数字水印,音频,离散小波变换,量化,自适应,序 列,人类听觉系统 ? ?编?队? ‘、屺, ., ., . , . , . , , , ., . , ., , 北京化工大学硕士学位论文. ,,.,,,., ,,,, ., ,. , : , ,,, , , 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下, 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外, 本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文 的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标 明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名: 日期: 兰里里』:圭兰 室:盛 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定,即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘,允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全 部或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释:本学位论文属于保密范围,在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释:本学位论文不属于保密范围,适用本授 权书。 日期: 兰:兰:兰第一章绪论 第一章绪论 .课题研究的背景与意义 ..背景 近年来,计算机网络技术迅猛发展,促进了处在世界不同地区人们之间的相互交 流。与此同时,计算机多媒体技术日新月异,媒体资源大量数字化,多媒体信息的传 播与交流也达到了前所未有的广度和深度。 面对互联网业务的快速发展与普及,数字作品如音频、图像、视频以及文本文件 等信息的传播常常遭受到盗版问题的困扰。 一方面,数字形式对人们制作、保存、加工和传输多媒体信息带来了极大便利, 对比传统的模拟信息,数字信息可以借助互联网或者、等形式,大量、广范 围的快速传播,使得人们轻松获取海量信息;另一方面,如此方便的传播途径也给信 息的版权利益以及信息的安全性带来了很大程度上的隐患。当数字信息的创造者或生 产者辛辛苦苦创作出自己的作品后,这些数字形式的作品有可能借助被大量 人群任意获取、复制以及传播,使得自身的版权利益得到极大的损害,更为糟糕的是, 并不能够排除这些信息被任意篡改并传播的可能性,因而数字作品的所有者无法保护 合法权益不受侵害。 针对以上一些问题,人们对于如何保证数字作品的版权以及安全性进行了一系列 的探索与研究,包含密码学以及信息隐藏技术等内容,数字水印 技术就是相关领域的 一个重要组成部分。 ..数字水印的目的与意义 目前的版权保护系统大多是基于密码技术的,例如光盘的安全密码。通常 我们利用密钥将数字文件加密,形成密文再在网络上传播,使得没有密钥的接收者或 攻击者不能提取原始信息,以此实现对信息的保护。遗憾的是,密码技术并不能解决 所有问题,其存在着一些不足之处。首先,密码技术只能在接收方获取信息之前对信 息进行保护,一旦接收方从发送方得到信息并进行解密后,该信息就完全暴露了,与 普通的未加保护的内容别无二样,不能使信息所有者对购买者合法获取信息后如何处 理解密之后的信息进行监视。一旦用户购买数字产品后,一些盗版者就可以通过密钥 获取不加保护的内容副本,从而复制并发行该内容,也就是说,一旦数字产品被解密, 就不再具有安全性了,密码技术只保护破解之前的信息。此外,对数字信息加密后,北京化工大学硕士学位论文 破坏了原有信息的形式,造成一定程度上的不可理解性,不仅不 利于信息的传播,反 而会引起不法分子的注意,有可能会激发攻击者对加密产品的破解。 基于密码技术在保护信息安全方面的一些缺陷,人们通过研究与探索,将更多目 光投向了数字水印技术,希望能利用这一技术更好的保护数字信息安全。 数字水印与传统的印于钞票之中的水印相类似,这种技术的基本思想是把一些不 可见的特殊标记,通过一定的嵌入手段嵌入到音频、图像、视频以及文本等数字信息 当中去,在接收方利用一定的提取方法能够将这些特殊标记提取出来,并根据该提取 标记的相关信息来判断数字信息的版权所有,或者查看数字信息是否曾遭遇过篡改。 这些嵌入到数字文件中的特殊标记就称为数字水印。由于数字水印的不可感知性,嵌 入水印的数字媒体并不影响人们对它的理解;此外,潜在的非法拦截者很难从公开发 表的媒体信息中判断是否存在秘密信息,进而提取或进行攻击,从而保证了信息传播 过程的安全性。我们通过提取或检测水印来分析数字产品的完整 性,从而使数字水印 技术成为保护知识产权与数字产品认证与防篡改方面的有力工具。 除去在知识产权保护以及信息安全方面的需求,数字水印技术在目前其他一些领 域也存在一定的应用价值,例如广播监视,复制控制与设备控制,标志与注释,操作 追踪等【。 .数字水印研究的历史与现状 水印最早出现于大约年前的意大利,是从手工造纸技术中产生出来的,其主 要用来解决识别生产纸张的工厂,以此作为保证纸张质量的一种方法。“水印 成为术语大概起源于世纪末的德语词汇。与此同时,一 种伪造纸币的技术被伪币制造者创造出来,从而促进了水印技术的发展【】。 第一个类似于“数字水印方法的技术实例出现在年,由美国公司 的 申请了一项名为“ 的专利。 此项专利描述了一种将标识码嵌入到音乐中,以此来证明版权的方法,且嵌入的标识 码是不可感知的。这就是数字水印技术的起源。随后数字水印进入了飞速发展阶段, 包括基础研究领域与应用研究领域。 在’会议上发表了题为“ 的文章,这第一篇在主要会议上发表的关于数字水印的文章,也是 西 一篇具有历史价值的文献,它对水印的一些重要概念进行了阐述。此后,一些重要的 国际会议,著名期刊,杂志如,等都出版了有关的专题与文章。之后 ”。 等人在年出版了关于数字水印的专著“百 在研究数字水印的早期,成果大部分是各种水印算法,其中主要针对图像水印进 行研究,并且是在空间域进行实现。此类算法具有运算速度快且嵌入数据量大的优点, 但针对于图像的压缩、变换等攻击的抵抗力较差。为提高空域算法的鲁棒性,等 第一章绪论 人与年提出了一种基于扩频通信思想的水印 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 【】,也成为了数字水印技术中的 一个经典方案,但该算法也存在着非盲检测的缺点。随着图像水印研究的发展,文本, 音频,视频水印也得到了研究人员的重视,开始逐步发展。 目前音频数字水印的研究中己经提出了很多算法。一般根据嵌入水印时对音频信 号的处理方式不同,可把水印算法分为时域水印算法和变换域水印算法【】。时域算法 的主要代表有最低有效位、回声隐耐】等方法。时域数字水印算法是在时域中修改信 号样本达到嵌入水印的目的。文献】提出了通过在时域中修改音频信号采样数据最低 有效位值的方法,来嵌入水印信号,且在水印的提取过程中不需要原始音频信号的参 与,是一种盲水印算法。最低有效位方法是最简单的音频数字水印技术,其缺点是对某 些信号处理技术比较敏感,抗干扰能力差,噪声、压缩、滤波、重采样都会破坏水印 数据,因此实用价值较小。为此需要采用一些冗余技术对它编码,从而需要额外的比 特开销,如有的时域方法在原始数据上加入带有扩谱性质的伪随机序列【,可以提高 水印性能。 而变换域水印技术通过修改变换域系数来隐藏水印。常用的变换域方法有离散傅 里叶变换,离散余弦变换,离散小波变换等方法。文酬】提出了基于变换力日密.编码 的数字音频信号的水印算法。在嵌入过程中,首先将灰度级水印通过降维操作变为一 维的水印序列;然后计算水印序列的短时能量水印片断,确定嵌入水印的能量,最后在 离散傅里叶变换域实现水印的嵌入。该算法虽然能使水印嵌入的能量自适应随着音频 信号能量的变化而变化,但该算法在提取水印过程中需要原始信号的参与,不便于工 程实际应用。文献?】是一些基于离散余弦变换的音频数字水印算法。由于离散小波 变换与人类听觉系统的相关性【,更多的水印嵌入算法在离散小波域中完成。文献 【啦】是一些基于离散小波变换的盲水印算法,提取时不需要原始音频信号的参与,具 有较高的实用价值。此外,一些水印算法针对某种特定的攻击方法如有损压缩【,同 步攻击【砒】等,设计了有针对性的水印方案。由于人类听觉系统对于音频信号的感知 有一些特殊性质,提出了一些关于基于心理声学模型和听觉感知分析的离散小波域音 频水印算法【】。除去以上一些鲁棒水印算法,文献【】【】提出了脆弱水印的实现 方法,可以用于检测音频作品是否遭遇到篡改,这也是数字水印的一个应用方向。由 于在载体信号中添加额外的水印信息不可避免的会对原始信号造成影响,因此提出了 “零水印”】的概念,利用音频信号本身的特征构造水印信息,有效避免了对载体 信号的影响,这也是数字水印的一个新的研究方向。 由于人类听觉系统比人类视觉系统敏感的多,在音频信号中嵌入微弱水印就有可 能被感知,因此目前针对音频数字水印的研究远不如图像水印和视频水印那样充分且 已经在实际中被广泛应用,因此音频水印的研究将是未来水印研究的主要方向。而在 水印算法中变换域中嵌入的方法更加优越一些,特别是离散小波变换,与人类听觉系 统特性相符合。 北京化工大学硕士学位论文 数字水印技术是信息隐藏技术的一个重要组成部分,也是目前世 界上信息安全领 域的一个科技前沿。伴随着数字水印基础理论研究的不断深入,许多大学与国际上一 些大公司也在推进水印实现的工程技术方面做出努力,例如,贝尔实验室,日本 的盯信息与通信系统研发中心,等,在保护多媒体作品的知识产权领域不 断探索,并致力于数字水印技术的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化与实际应用研究。有的公司已经推出了关于 等。我国对于数字水印的 相关方面的软件,例如 , 研究开始的时间相对落后,但基于学术与实际应用两方面的因素,研究数字水印均具 有非常重要的意义,因此已经引起了信息安全领域研究人员的普遍关注,于年 开始每年召开一届研讨会,并于年召开了第一届数字水印技术研讨会,相关方 面的论文的发表数量也从此时开始快速增加。这些信息隐藏技术研讨会不仅对与数字 水印技术方面的术语作了 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 ,并针对水印技术的不同研究方向进行了广泛交流与深 入探讨,在极大程度上推动了数字水印技术的进步。 .论文的组织结构 论文共分为六章进行阐述, 主要组织结构安排如下: 第一章绪论 主要介绍课题的研究背景, 阐述了因何要研究数字水印技术。并对数字水印技术 的发展历程与现状进行了说明。 第二章数字水印技术 本章对于数字水印技术的基本原理与模型进行了介绍,并说明了数字水印的三个 主要特性和数字水印的分类。之后对数字水印的应用领域进行了总结。 第三章音频数字水印 本章简要说明了音频信号的数字化过程,介绍了人类听觉系统的特性,归纳了音 频数字水印的一些基本算法和 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 标准,以及针对音频水印的攻击手段。 第四章基于离散小波变换与音频数字水印 说明了小波理论的由来以及小波分析的思想,介绍了基于离散小波变换的音频数 字水印系统构成。 第五章基于离散小波变换的音频数字水印系统设计与实现 本章给出了三种基于离散小波变换的音频水印实现方案,并分别 进行了仿真实 验。 第六章总结与展望 全文总结,简述了所做工作以及水印方案的优缺点,并对今后的研究方向进行了 展望。 第二章数字水印技术 第二章数字水印技术 .数字水印的基本原理 所谓数字水印,就是在图像、音频、视频以及文本等数字媒体信息中嵌入的 某些特定信息,并且这些嵌入信息能够从载体中提取出来,可以用于保护数字产 品版权以及保证数字信息不被篡改等领域。这些用于保证版权的标志信息被称作 水印,根据数字媒体的形式不同可分为图像水印,音频水印,视频水印等。水印 信息嵌入到图像、音频、视频等载体中后,应当保持数字产品的可理解性与完整 性。理想的数字水印只允许版权拥有者对水印进行嵌入,但是所有接收数字媒体 信息的用户都能检测水印,从而验证数字水印方案的可行性。数 字水印系统保护 了数字媒体的版权,证明了产品的真实可靠性,并且能够提供数字产品的附加信 息。 数字水印可以通过两个方面来加深理解。从信号处理的方面来看,可把要嵌 入的水印看作是一个较弱信号,而相对应的数字媒体信息看成一个较强信号,如 果嵌入的水印信号相对于人类听觉系统或是人类视觉系统的感知能力强度很弱, 那么人们就不能够观察出是否存在水印,也就保证了数字水印系统的透明性。从 通信系统的方面看,如果把水印看成窄带信号,那么作为载体的多媒体信息就是 宽带信道,水印系统即为利用扩频技术传输窄带信号的通信系统。并且窄带信号 的能量分散到宽带信道之后就会变得极为微小,水印在接收方的提取就相当于提 取弱信号。 不论如何,从总体上看数字水印系统都包含水印的嵌入与提取两个重要组成 部分。数字水印系统的模型如图.所示。其中: 朋:要嵌入的水印信息; :作为载体的多媒体信息; :嵌入和提取水印时所需的密钥; 矿:将原始水印预处理得到的即将要嵌入的水印,若原始水印信 息不加 改变直接嵌入,那么有; .:对水印进行预处理的函数,锄,,:或者形,,而 .是将提取出的水印信息进行相反操作的函数; :包含水印的数字作品; .:嵌入水印的函数,形,; 北京化工大学硕士学位论文 .:对已经嵌入水印的数字作品进行攻击的函数; :接收端接收到的包含水印的数字信息,】,彳; .:对包含水印的数字信息检测是否含有水印的函数 。,三 妻柰器 矿:接收端提取出的水印信息; .:对水印进行提取的函数,,足矿; 疡:提取后的水印信息,而妒,,。 玩 朋 水印 有无 图数字水印系统模型. 图中用虚线标注的两个部分分别为水印的嵌入与提取过程。 .数字水印的特性 数字水印尽管存在许多方面的特征,但是其中最重要的是水印的不可感知 性,鲁棒性以及系统能够嵌入水印的容量这三个部分。数字水印系统虽然具有许 多实现方法,但是所有的探讨都离不开数字水印的三个重要特性之间的关系。下 面就这三个主要的水印特性进行分别介绍: 不可感知性 第二章数字水印技术 不可感知性又被称为透明性和保真度,从字面上非常容易理解,也就是嵌入 水印后的数字作品应当使人们感觉不出来是否嵌入了水印,或者是即使感觉到嵌 入了水印,但完全不影响用户的理解与使用,就好像水印是完全透明的一样。 数字水印分为可以感知的与不可感知的,这里的不可感知不是绝对意义上的 不可见性,针对于不同的应用领域,可分别选取可感知的和不可感知的数字水印。 当选取数字水印作为可见的版权标记使用时,此时即为可见的数字水印,典型的 应用实例是图像或视频上的版权标记;当水印应用于隐藏某些信息使用时,就要 求水印此时为不可见的,譬如在数字音频信息中嵌入水印时,往往需要水印信息 相对于用户是不可感知的。 不可感知性是与数字信息在嵌入水印前后的相似性相联系的。如果水印嵌入 前后,数字作品的改变非常小,那么必然会使用户的理解不受太大影响;反之, 如果水印嵌入的强度比较大,那么对原始的作为载体的数字信息肯定会进行同样 程度的改变,也就影响了用户的理解。数字水印的不可感知性除了能够保证用户 的理解之外,还有一个非常重要的优势,那就是数字水印信息不仅相对应合法的 接收者透明,同样也对潜在的攻击者保持透明,于是这些非法攻击者甚至无法判 断传输的数字作品是否含有水印信息,也就无从破解了。因此,从防止攻击的角 度上来看,数字水印具备密码技术所欠缺的优点。 鲁棒性 数字水印在传输过程当中,通常都会遭遇到噪声的干扰,此外人们经常会对 数字多媒体作品进行多种多样的处理,如压缩,滤波等等。另外不法分子对于数 字信息的有意破坏同样值得提醒注意。无论出于有意还是无意,数字多媒体信息 由发送方发送之后,经过一系列的操作,接收方所获得的数字信息较原来通常有 了改变,相对于数字水印系统,我们将施加于包含数字水印信息的改变看成是对 其的攻击。 具有鲁棒性的数字水印系统是指在数字信息经过种种攻击之后,仍然能够在 接收方提取或是检测出来的系统。以数字音频文件为例,常常经历滤波、压缩、 以及采样率变化的一系列操作,如果嵌入的水印信息在音频文件经过这一系列的 改变之后,依然能被提取出来,那么这个数字音频水印系统就是鲁棒的。鲁棒的 音频水印系统通常应用于版权认证与信息标识这些领域。 与鲁棒的数字水印系统相对应的是脆弱的数字水印系统。当含有 水印的脆弱 数字水印系统遭到攻击后,接收方通过检测与提取,能够发现原有的水印遭到了 攻击与破坏,进而判断出载体信息经历了变动。也就是说,接收方通过检测出破 碎的水印来推断数字载体信息的所受攻击。从这个角度讲,数字水印系统可以理 解为信息隐藏技术。 北京化工大学硕士学位论文 容量 数字水印系统的容量是载体能够嵌入的水印信息量,也被称为嵌入率、加载 率以及有效载荷。我们希望嵌入水印的容量越大越好,但嵌入的信息量通常受到 其他因素的限制,往往通过其他一些方法来改善。比如可以采取编码等方式对提 取出的水印进行纠错,以防止嵌入水印信息过少时带来的错误。 不可感知性、鲁棒性和容量这三者之间相互制约,如果要满足水印的不可感 知性,那么就意味着也许水印的嵌入强度不够,于是在水印传输的过程中一旦遭 遇噪声或有意攻击,势必系统的鲁棒性会受到削减;反之若想保 证数字水印系统 的鲁棒性,就不能不考虑水印的嵌入强度,应当保证嵌入的水印具有一定程度上 的强度,否则一旦遭遇攻击,接收方很有可能提取不出完整的水印。同理,当嵌 入水印的容量较大时,势必会对作为载体的数字多媒体作品造成某种程度的改 变,就会影响用户对于数字作品的理解,也就是破坏了数字水印系统的不可感知 性。数字水印的三个主要特性的相互关系如图.所示: 不可感知性 鲁棒性 图数字水印三特性关系.? 总而言之,在研究和设计数字水印系统时,我们始终要围绕数字水印的这三 个特性来开展工作,根据不同的实际需求,在三个因素之间不断权衡,以满足用 户的要求。 除此之外,数字水印还具有其他一些特性,如可证明性和通用性等。可证明 性是指在数字多媒体文件中嵌入保护版权所有者的标志信息后,合法用户能够对 所嵌入的这些水印信息进行正确提取,以此来判断数字产品的知识产权所有者信 息,并且避免出现版权信息出现异议的情况,不能发生同一个提取水印对应不同 所有者的情形。而通用性是指一个优秀的数字水印方案应当能够应用于不同种类 的数字多媒体格式。第二章数字水印技术 .数字水印的分类 数字水印根据不同的角度可划分为多种类型,这些类型之间相互联系,存在 交叉内容。 按照嵌入水印是否可察觉 根据水印的是否可察觉性,可将水印分为可感知水印和不可感知水印,可感 知水印是人们从听觉或是视觉上能够感知到的水印,譬如嵌入在图像或者视频上 的标志版权的可见水印。不可感知的水印是人类听觉和视觉系统无法感知到的水 印,只有当合法的数字文件拥有者判断版权所有者信息以及检测文件是否遭遇篡 改时才从接收到的数据中提取出水印来。 按照嵌入水印的载体信息种类 按照嵌入水印的载体信息种类,把数字水印分为文本水印、数字音频水印、 数字图像水印以及数字视频水印等类型。 按照水印的内容 按照水印的内容,把数字水印划分为有意义水印和无意义的水印。如果嵌入 的水印没有实际的具体含义,比如说只是一组伪随机码或者甚至是,比特来标 识是否在数字多媒体作品中嵌入了水印,那么我们把这些水印称为无意义的水 印。无意义的水印不像有意义的水印那样,具有实际的直观形象,比如一幅图像, 一段音频信号,本身就是一段多媒体信息。有意义的水印不但更符合人们的习惯, 更能够在水印系统遭到攻击之后,帮助人们理解并判断不完整的水印信息。无意 义的水印不具备直观性的特性,因此研究有意义的水印更有实用价值。 按照水印嵌入位置 按照水印嵌入位置可以将数字水印划分为时间域空间域和变换域水印。 时间域或空间域水印是直接在音频或者图像等载体上加入水印 信息。也就是 通过修改音频或图像的样本值来嵌入水印,典型的时域或空间域算法有最低有效 位算法。尽管时间域或空间域算法简单易于理解,且复杂度较低,但是不容易抵 抗各种攻击,因此主要应用在脆弱水印的方案中。 根据不同的变换域,变换域水印又可以细分为基于离散余弦变换的水 印,基于离散傅里叶变换的水印,基于离散小波变换的水印,基于 哈德玛变换的水印,基于奇异值分解的水印等。变换域水印的水印嵌入与 提取过程均在变换域中进行。由于变换域水印将水印能量均匀分散在不同频率区 间上,转换到时间域或是空间域后就遍布所有样本数据,因此其抵抗噪声与攻击 的能力较强。总体而言,变换域水印的鲁棒性要优于时间域或者空间域水印。 按照嵌入和提取水印过程中所用的密钥 北京化工大学硕士学位论文 在密码技术中,编码和解码过程所使用的密钥可以相同也可以不同,应用到 数字水印系统中来,可以把水印分为对称水印与不对称水印。目 前研究的数字水 印算法多应用对称密钥,这对于版权保护来说存在一定的隐患,因为嵌入水印时 与提取水印时都应用相同的密钥,检测水印者必然使用密钥,一旦该密钥被不法 分子获取,那么就有可能将嵌入的水印信息篡改或者是消除,甚至是添加一个伪 造的版权信息,使得合法的版权所有者权益受到侵害。针对这个问题,结合密码 技术人们对于如何在水印系统中使用非对称的密钥进行了一些探索。主要思想就 是在水印嵌入时使用私钥,将私钥的一部分提取出来作为公钥,水印提取方利用 公钥来检测水印,由于只掌握部分密钥,因此也就无法对水印信息进行完全消除。 按照水印的提取方法 按照水印的提取方法,把数字水印分为盲水印、半盲水印以及非盲水印。盲 水印是指在水印的提取过程中无需原始水印信息,同时也无需原始的数字多媒体 文件,仅凭接收到的含有数字水印的信息和密钥即可检测或提取出所需水印;半 盲水印也是无需原始数字多媒体文件,但需要原始的水印,就能够检测或提取出 所需水印;非盲水印就是两者同时具备才能够从含有水印的数据中检测或提取出 水印。显而易见,盲水印最符合实际中应用的要求,但同时也增加了水印方案设 计的难度。 按照是否嵌入水印 按照是否嵌入水印可以把水印分为普通数字水印与零水印。普通的数字水印 是在要保护的数字载体信息中额外添加一些标识信息,势必对原有信息造成改 变,因而造成了不可感知性与抵抗攻击能力之间的矛盾。零水印与普通数字水印 不同的是,它不需要额外嵌入信息,而是利用自身的一些特征信息来形成水印, 因此也就不会造成原有信号的失真。 .数字水印的主要应用领域 随着互联网技术的迅猛发展,数字多媒体信息的传播越来越容易,但是随之 而来产生了一系列问题,其中非常重要的一环就是如何应对日益猖獗的版权侵害 问题。与此同时,数字水印技术不断发展,逐渐成为信息安全领域的一支重要力 量。版权保护的要求成为了促进数字水印技术进步的重要因素,同时也是数字水 印技术实施的一个主要领域。 在当前这个信息时代,数量庞大的数字资源被人们创造出来,每一个数字作 品都凝结着创作者的心血与汗水,这些资源的价值通常难以被简单衡量。由于 和数字多媒体制作技术的已经深入到日常生活中来,人们可以轻松获取 第二章数字水印技术 或者复制这些数字资源,相对于作品凝聚着巨大的价值,对于信息的非法获取抑 或是非法传播可以称得上是相当容易。知识产权遭到破坏的后果众所周知,会极 大地打击创造者的原创积极性,长此以往必将形成恶性循环,带来残酷的结果。 因此这也成为了数字水印技术发展的重要原动力。在保护知识产权方面,数字水 印技术把能够证明所有者身份的标识作为水印嵌入到要保护的数字多媒体文件 中去,不但可以帮助合法的授权者判断数字文件的归属问题,更能够在数字作品 的传播过程中进行跟踪和监督。当数字作品被复制时,就能够修改复制次数的记 录,一旦复制次数超出了限定,那么该文件就无法继续在能够检测水印的媒体播 放器中播放。此外当用户被授权使用数字文件时,可以在其中嵌入包含该用户信 息的水印,一旦该用户未经许可向他人提供该数字文件的副本,那么从副本中能 够提取出非法提供者的信息,从而确定侵权行为的源头,进而制止侵权,追究责 任【。 数字水印主要的应用领域是保护数字多媒体信息的版权问题,除去这个主要 的应用方向,数字水印还具有另外广阔的发展空间,包含广播监视、信息标识【】 等内容。 数字音频水印可以应用在广播监视领域中,主要是在广播内容中添加一个特 定的音频标志,利用自动的检测以及统计设备,提取出水印信息。主要用于统计 广告的播放次数是否满足既定要求,此外还可以查看广播节目的来源,避免不经 授权而使用其它电台节目的行为。 数字音频水印同样可以作为音频文件的附加信息,包含有所有者信息,文件 类型,内容提示词等不同方面,帮助用户更好的搜寻与管理数字音频文件。 更为重要的是,数字音频水印可以嵌入一段不希望被他人获取的信息,由于 水印的不可感知性,没有经过授权的人员或机构很难从外表普通的数字音频文件 中察觉到是否含有隐藏信息,也就无从对保密数据进行截获与攻击。因而从这个 . 意义上来看,数字音频水印在保护隐秘信息的传播方面具有一定的作用。 .本章小结 本章首先简要介绍了数字水印技术的基本原理,并给出了数字水印系统的模 型。设计数字水印系统必须对水印的三个重要特性予以了解,并试图在三者之间 找寻到一个最佳的平衡点。接下来对数字水印的分类和应用领域 进行了介绍,为 研究音频数字水印打下了基础。第三章音频数字水印系统 第三章音频数字水印系统 .音频数字水印概述 随着数字化媒体的兴起,大量数字音像制品被大量制造并广泛传播。数字音 频制品就是其中一个重要的组成部分。当前音频作品的版权利益屡受侵害,因此 寻求一个合适的保护音频作品知识产权的方法的要求日益迫切。所谓音频数字水 印,就是将版权等一系列标识嵌入到数字音频文件中去,用于合法用户获取版权 信息,防止恶意侵袭者破坏版权标识,防止受保护的数字音频作品遭受非法复制 以及非法传播的一项信息安全技术。在数字音频的传播过程中引入水印,就是将 音频数字文件作为水印传播的载体,它具有使用跟踪,防止盗版,控制复制等一 系列作用,可以保证版权所有者信息不受侵害。此外还可用于保密信息的隐藏。 数字音频水印技术不仅涉及数字通信系统、数字信号处理技术,同样与密码 学以及信息安全技术乃至人类听觉系统存有密切联系,音频数字水印融合了多种 学科不同方面的内容,因此研究音频数字水印系统是一个极有发展前景的科研方 向。 与数字图像水印不同的是,由于人类听觉系统对于声音异常敏感,即使是微 小的噪声或者是改变都会造成水印的不可感知性受到影响,因此研究音频数字水 印技术更加具有挑战性。 ..数字化的音频信息 传统的音频信息是以模拟形式存在的,随着数字音频处理技术的兴起,越来 愈多的音频信号由模拟形式转换为数字形式进行存储与处理。模拟音频信号通过 模/数转换成为数字音频信号,在转换过程存在两种主要的转换参考衡量指标, 即量化精度与采样频斟驯。 量化精度包含许多方式,比如八比特,十六比特等。如果对于音频信号的精 度要求不高,则采用较低比特率的量化方式,比如八比特的‖率量化方式。低精 度的量化方式通常会使原始音频信息产生比较大的变化,特别是在八比特的‖率 量化方式中。为了避免低精度的量化方式对用户的影响,一般我们采用十六比特 的量化方式,譬如大家经常使用的格式就是采用十六比特的量化方式。 格式是由微软公司提供的一种通用的音频文件格式,也是系统中 默认的音频文件保存格式之一。格式不仅可以存放未经压缩的音频数据, 北京化工大学硕士学位论文 等待对其进行进一步处理,而且它的使用方式十分灵活,还能保存图像数据,不 同类型的数据存放在不同的区域,通过自身的独立标志信息相互区别开来。 格式就是一种量化精度较高的音频信息格式,可以保存相对较高质量的数据信 ‘ 息。 由信号与系统的相关理论我们知道信号的最高频率是和采样频率相关联的, 根据奈奎斯特定理,采样频率必须大于信号最高频率的两倍,这样才能够确保在 采样过程中不丢失频率信息。对于采样频率为的音频水印系统,能够嵌 入水印信息的音频载体的最高频率分量不应当超过 。 ..人类听觉系统 由于数字水印的一个重要特性是不可感知性,对于数字音频水印,就是要求 嵌入的水印不容易被听者分辨出来,因此必然要求我们对于人类听觉系统的特性 具备一定的了解。 人类听觉系统对于音频信号的敏感程度包括两个方面的因素,一是相位敏 感,对于音频信号的相对相位很敏感,而对绝对相位的影响不大;二是频率敏感, 人类听觉系统能够感知到的信号频率主要涉及.这个频率区间内,而 在此区间内又对..的频率更加敏感,处在..范围的音频信号 即使能量较小,也能让人类听觉系统比较容易的分辨出来。 人类听觉系统的另一个重要特性就是掩蔽特性。掩蔽特性包含时间域掩蔽和 频率域掩蔽。其中当时间域的音频信号中含有一个强音时,在此强音的前后的相 对较为微弱的音都会被掩盖掉,若一个较强音和较弱音出现在同 一时间,那么较 强音也会掩盖掉这个较弱音。频率域的掩蔽是指在频率域中,在一段频率区间内, 包含两个不同强度的信号时,人类听觉系统往往只能感知到强度较强的信号而忽 略相近频率范围内的较弱信号。根据人类听觉系统的掩蔽特性,出现了一些掩蔽 嵌入水印的算法。 由于人类听觉系统对于声音的敏感度远胜于人类视觉系统对于图像的敏感 度,很大程度上限制了音频水印信息的嵌入强度与嵌入容量,因此音频水印系统 的设计难度更大。 .音频数字水印的基本算法 音频数字水印的基本算法主要包含时间域和变换域两个重要组成部分。下面 就这两方面进行分别介绍。 第三章音频数字水印系统 ..时域算法 最低有效位算法 最低有效位算法又被称为最不主要位算法,针对于音频数字水印,当音频信 号采用不同的量化精度进行量化后,相对于最能代表信号幅值的最高位,音频数 据的最低一位就是最不容易被感知的一位,也是最不重要的一位。因此选取最低 有效位来进行水印的嵌入。这时的水印信息通常是一组二值序列。水印嵌入方法 就是直接用水印信息代替载体音频数据的最低有效位。这种嵌入方法的优点是嵌 入水印的容量可以很大,但同时也存在一些显而易见的缺点。首先对于强度不同 的载体数据,最低有效位的重要程度并不完全相同,如果载体是强度很弱的较为 安静的音频文件,那么即使是嵌入到最低有效位中也会影响音频文件的不可感知 性。更为重要的是,使用这种方法的水印系统的鲁棒性较差,一旦包含水印的数 字音频信息在传输过程中受到噪声的干扰或是有人故意攻击,那么肯定会造成载 体信息的改变,哪怕是一个微小的变化也会引起最低有效位的更改,进而影响到 水印的检测或提取。尽管采用这种方法嵌入水印非常方便,但势必影响防止攻击 的能力。因此这种方法在实际使用中只能应用于理想的端对端的数字系统中。如 果想要改善最低有效位水印系统的鲁棒性,只能通过引入纠错编码等技术来提高 检测水印的能力,但是纠错编码会引起嵌入数据量的增加,相应的就降低了能够 嵌入的水印信息量,削弱了此方法嵌入容量大的优势。 利用回声的水印算法 借鉴人类听觉系统的一个重要性质,即音频的掩蔽性质在时域中的特点,研 究出了利用回声的音频数字水印方法。音频的时域掩蔽性质是指较强信号对其前 后较弱信号的掩盖现象。当较弱信号出现在较强信号之后的.这个时间 段内,这个较弱信号就被较强信号所遮盖,无法被人类听觉系统感知。利用这个 重要性质,研究人员把载体音频信号作为较强信号,通过处理将载体信号的幅度 降低,作为较弱信号,水印信息就嵌入到这个较弱信号中来。之所以把这种方式 叫做利用回声的数字水印算法,是因为把载体信号看作是正常播放的声音,而把 降低幅度后的载体信号添加在前者时域隐蔽的范围中去,就像生活中我们听到的 回声一样。 利用回声的音频数字水印算法的框图如图.所示。 其中音频载体信号口?,用/来表示音频载体信号幅度的降 低幅度,是降低幅度后的音频信号相对于原来的时延,通常情况下。水 印信息就嵌入在时延中,不同时延代表着不同的水印信息值。 北京化工大学硕士学位论文 分帧 帧组合 图利用回声的音频数字水印算法框图 . ?口、 ? 小,蕊叫, 口即为包含回声的音频信号。还有一种时域算法对音频信号分帧,计算每帧的 能量并根据水印信息进行量化,按照量化前后的能量比值对时域样本值进行修 正,以此来完成水印的嵌入。 ..变换域算法 相位水印算法 由于人类听觉系统对于相对相位较为敏感,而对绝对相位不敏感的性质,研 究人员设计了一种在离散傅里叶变换域中的相位水印算法。该算法的实现方法是 把作为载体的音频信号分成一系列帧,并分别对每一帧进行离散傅里叶变换,得 到相位矩阵以及幅度矩阵。同时求得相近帧的相位差值,把要嵌入对水印信息借 助相位差值得到新的相位矩阵,也就是用相对相位取代载体音频信号的绝对相位 来完成水印信息的嵌入。接着用新得到的相位矩阵与之前的幅度矩阵进行离散傅 里叶反变换,恢复音频载体信号。嵌入水印对于载体信号的相位影响由式. 来定义。 罢,: ? ?,, 一等,缎 这种相位水印算法存在某种程度的不足之处,比如当要嵌入的水印信息变化过于 剧烈时,会造成提取水印的困难。此外也使得水印系统的不可感 知性得到削弱。 扩频水印算法 在一般的通信系统中,通常要传输的信号频率总是被控制在一个较小的范围 内,这样就可以在有限的带宽上传送尽可能多的信号。而扩频水印与传统的窄带 信号不同,其把一个窄带信号扩展到一个很大的频率范围中去,针对于数字水印 第三章音频数字水印系统 来说,就是把水印信息分散到大范围的频谱中来,因而原始水印的能量也分散开 来,因而具备宽带信号抗干扰的能力。 等人提出了一种直接嵌入伪随机码的水印嵌入方案,此时水印信息就 是伪随机码,同时利用了人类听觉系统的时域掩蔽性质,将水印信息进行多次滤 波。该水印算法提取水印时需要借助原始载体信息和伪随机码,因此是一种非盲 提取算法。另外一种扩频水印算法是借助直接序列扩频编码,其中使用到 了聊序列,在把水印信息嵌入到载体信号中后,再乘以加序列降低幅度后再叠 加到原始音频信号上,可以看作是将音频信号叠加了一个噪声,由于伪随机码与 白噪声的特性相类似,因此所叠加的噪声是一个宽带噪声。这种水印的提取过程 也要借助于原始音频信号和伪随机码等信息,因此也是非盲提取水印。 基于离散傅里叶变换的算法 基于离散傅里叶变换的水印算法主要是将载体音频信号进行离散傅里叶变 换,选取其中一定范围的离散傅里叶变换系数,将水印嵌入到这些变换系数上去。 通常所选取的离散傅里叶变换系数代表了音频载体的主要能量。例如一种算法即 为选取频率在..的系数,将嵌入水印信息位置的频率分量进行修改,从 而完成水印的嵌入。该算法在水印信息较少时能够满足一定的鲁棒性需求。另外 一种基于离散傅里叶变换的音频数字水印算法是把载体信号进行离散傅里叶变 换,对离散傅里叶变换系数的幅值以及相位进行单极性或双极性量化处理,该算 法的提取过程不需要原始水印的参与,是一种盲水印算法。 基于离散余弦变换的算法 基于离散余弦变换的算法的主要思想是:对于音频信号进行离散余弦变换, 选取适当的离散余弦变换系数进行水印的嵌入。然后再进行离散余弦反变换得到 包含水印的音频信号。爿以为载体音频信号,使用如下公式对其进行变换,得到 离散余弦变换系数: 尼兰刀叫等帆卜狲七,?’? /。由低频到高频 其中为信号长度,?取的整数次幂,芸 \‘ / 依次排列,通常选取较低频率的系数分量作为水印嵌入位置,以保证水印系统的 鲁棒性。 基于离散小波变换的算法 基于离散小波变换的算法思想是选取不同的小波基,将载体音频信号进行 级离散小波分解,根据应用需求从细节分量或概貌分量中挑选适当的频率分量进 行水印的嵌入。 北京化工大学硕士学位论文 除去以上一些主要的音频水印算法,还有比特流水印,压缩水印以及抖动调 制水印等多种水印嵌入算法。此外一些算法融合了其他学科的内容,比如基于人 工神经网络的音频水印算法。 .音频数字水印的评价标准 基于数字水印的三个主要特性,即不可感知性,鲁棒性以及嵌入容量,一个 优秀的水印方案需要根据不同的实际应用要求在这三者之间寻找到一个平衡位 置。目前,对于音频数字水印的评价标准尚未达成统一的意见,学术领域与实际 应用领域都提出了一些自己的评价标准,其中的内容并不完全一致,下面通过主 观评价与客观评价两个方面分别进行介绍。 ..主观评价标准 选择判断评价 选择判断评价法的原理非常简单,就是提供一系列的音频信号供测试者聆 听。这些音频信号中既含有原始音频作品,也包含嵌入水印后的音频作品。由测 试者对这些未知的音频信号进行判断,选择其究竟是属于已经嵌 入水印的一组, 抑或是未经改变的原始音频作品。如果对于已经嵌入水印的音频信号,测试者无 法分辨是属于哪个类别,那么可以证明水印的嵌入是透明的。 质量评分 所谓质量评分,就是对一个已经嵌入水印的数字音频信号,组织一组测试者 分别聆听该音频,根据水印对于使用者的影响,对音频的质量进行评分,分为几 个不同等级,质量越高,等级越高。主观评价标准主要是借助于测试者的直观感 受进行评价的,主要衡量水印的不可感知性。 表质量评分标准 .? 添加水印带来影响 质量等级 评分 察觉不出 优 稍能察觉 良 能察觉,但不影响使用 中 对使用有一定的影响 较差 完全破坏原有信息 极差第三章音频数字水印系统 ..客观评价标准 信噪比 对于数字音频水印系统,可以将嵌入的水印视为叠加在载体音频信号上的噪 声,从这个角度来看,信噪比可以作为衡量水印不可感知性的一种方法。信噪比 较大的水印系统使用户更不容易察觉到水印信息的存在;反之,信噪比较小的水 印系统说明水印嵌入的强度较大,造成用户对于原始音频信息理解的困扰。信噪 比的定义如下式所示: 。‘’ 册删南 其中表示未加入水印的载体信息,。表示包含水印的音频信号。 误码率 误码率表明的是提取出的水印与原始水印信息的不同程度,误码率的 表达式如下所示: 陆, 姗鬻枷。% 归一化的相关系数 如果说误码率表明提取出的水印与原始水印的差异,那么归一化的相关系数 则表明两者之间的相似程度。归一化的相关系数的表达式如下所 示: . 、,/, 、,/, 砷卟器 其中为原始水印,形’为提取后的水印。 嵌入的水印可以是一组伪随机序列,也可以是一段具有实际意义的形象数据 信息,比如说是一幅图像。当嵌入的水印是一幅图像时,若图像为×的大小, 则此时的归一化的相关系数的表达式如下所示: 力 力 ??州 ??闩 ,矿’ 一些机构和组织也提出了一些综合性的水印评价标准。比如由际留 声机工业联盟首先制定的评价音频数字水印的评估标准。此外还有研究机构开 发出的标准音频测试软件。应用于音频水印系统的测试和评价, 是通过对于包含水印的音频信号进行一系列攻击实现的。 北京化工大学硕士学位论文 .攻击方法 数字音频信号在传输过程中,不可避免的会遭遇有意或无意的改变。譬如, 针对不同的用户需求,数字音频信号往往采用不同的采样频率,因此水印系统要 保持在不同采样频率下的鲁棒性。另外,随着数字多媒体技术的发展,数字音频 信号具有了更多的存储格式与压缩方法,我们同样希望数字水印方案能够应用于 不同情况之中。在实际应用过程当中,数字音频水印在传输过程中难免遭遇到噪 声的干扰,甚至会遇到故意消除和篡改水印的侵袭。种种对于数字音频信息的改 变,都可以视为是攻击行为。一个优秀的数字水印系统应当能够对于各种攻击具 有一定的鲁棒性。 针对数字水印的攻击方法主要有: 混入噪声 混入的噪声有可能是加性噪声或乘性噪声,白噪声或有色噪声。 滤波 滤波是数字信号处理技术中经常使用到的一个信号处理方式。比如音频播放 器中的均衡器就是通过滤波来调整不同频率分量的幅值来制造 多种音频效果的。 由于人类听觉系统的限制,实际中经常使用的是低通滤波方式。 有损压缩 由于数字媒体技术的不断发展,创造出越来越多的数字信息,数量极其庞大, 为了更加方便的存储和传输这些信息,创造出了多种压缩方法。针对于音频信息, 格式就是其中之一。由于压缩算法丢弃 被大众广泛使用的. 了人类听觉系统感知不到的一些音频信息,而某些音频水印嵌入算法恰巧是嵌入 在这些摒弃数据上的,因此对于这些嵌入算法产生的数据经过压缩后会破 坏掉水印信息,造成水印系统的性能较差。 改变采样频率 ’采样频率是音频信号数字化的一个重要参数,针对于不同背景、不同需求, 通常会选取不一样的采样频率,通常的音频采样频率包括,.,, ,,以及。此外我们也会对既有的音频信号进行上采样 与下采样,因此水印系统要适应采样频率的改变。 几何变形 针对于音频信号,常见的几何变形包括时域拉伸,延时和混响,样 点扰乱以 及剪裁等攻击等。最常见的几何变形就是在一段音频信息中去掉一部分样本点, 譬如某段无用信息,如果水印的嵌入与之有关,那么就很难找到正确的同步点以 提取水印,因此几何变形对于水印的提取产生的影响相当的大,目前大多数算法第三章音频数字水印系统 对于几何变形的探讨并不充分。 去除水印 有时候一些非法攻击者通过获取多个含有水印信息的音频文件,譬如相同文 件的不同副本,企图借助某些水印信息的类似于白噪声的特性来叠加信号得出平 均值,从而将嵌入的水印移走。目前对于去除水印攻击的防范方法主要是控制含 有相同水印文件的版本数量。如果攻击者不能够获取足够数量的音频文件,就无 法通过这种基于统计学的方法去除水印。 添加水印 数字水印应用于版权保护领域,要求提取出的水印要能够唯一的确定版权所 有者。而非法攻击者可能会截获音频信号并在其中添加自制的水 印,从而迷惑水 印提取者。虽然这种做法没有去除原有的水印,但带来的危害也是显而易见的。 .本章小结 以上一些内容简要说明了音频信号的数字化过程,总结了音频数字水印的一 些基本算法和评价标准,以及针