音頻嵌入數(shù)字水印研究方案

根據(jù)這一特性可知：水印嵌入到音頻數(shù)據(jù)的合適的高頻或者低頻分量上，都可以合理預(yù)期不破壞原始音頻的質(zhì)量。這一點(diǎn)可從后續(xù)試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。

3 算 法

本算法采用DWT，包含水印嵌入、水印檢測(cè)以及水印攻擊三個(gè)主要部分。水印的工作原理如圖2所示。水印的檢測(cè)需要原始音頻數(shù)據(jù)。

3.1 水印嵌入算法

（1）將待嵌入水印圖像置亂。本算法簡(jiǎn)單地采用偽隨機(jī)數(shù)算法消除數(shù)據(jù)的相關(guān)性。（2）將原始音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度一維分解，并分別提取低頻系數(shù)和三層高頻系數(shù)。為獲取較好的穩(wěn)健性，本算法將水印數(shù)據(jù)嵌入到音頻數(shù)據(jù)的第三層高頻分量上。（3）根據(jù)公式Vw（i）=V（i）+（α+e）×W（i）嵌入水印數(shù)據(jù)。其中V（i）為音頻數(shù)據(jù)位，W（i）為水印數(shù)據(jù)位，Vw（i）為嵌入水印后的音頻數(shù)據(jù)位，α為水印嵌入強(qiáng)度，e值作為修正，取值10-20。通過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)α值取為0.004時(shí)嵌入水印效果較為理想。（4）將嵌入水印數(shù)據(jù)后的音頻進(jìn)行IDWT變換，即得到包含水印的音頻數(shù)據(jù)。

3.2 水印檢測(cè)算法

（1）將含有水印的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度一維分解，并提取其三層高頻分量系數(shù)。

（2）檢測(cè)算法為嵌入算法的逆過程，需要原始音頻數(shù)據(jù)參與檢測(cè)，表達(dá)為：

W（i）=（Vw（i）-V（i））/（α+e），其中α以及e的值同嵌入算法中確定的值一致。

（3）步驟（2）得到的W（i）即為提取的一維水印信息序列，將其進(jìn)行升維處理，可以得到二維圖像形式。此結(jié)果便是檢測(cè)輸出的水印。

嵌入水印的原圖及一次嵌入后提取的水印分別如圖3和圖4所示。

4 部分試驗(yàn)

為測(cè)試本水印系統(tǒng)的性能，對(duì)加水印的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行各類攻擊，這里給出部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

定義：

Nc作為衡量所提取水印圖像與原始水印圖像的相似程度，從未被攻擊的含水印音頻中直接提取的水印與原水印圖像相似度高達(dá)0.9998。

（1）二選一迫選實(shí)驗(yàn)。對(duì)事先不知道精確原始音頻信號(hào)的測(cè)試者分別播放原始音頻和嵌入水印后的音頻，要求測(cè)試者指認(rèn)原始音頻。根據(jù)L.BONey等[5]的結(jié)論，如果二類音頻被指認(rèn)為原始音頻的比例大致相當(dāng)，則可認(rèn)為水印嵌入后沒有引起人耳感知上的顯著差別。試驗(yàn)中隨機(jī)選取同實(shí)驗(yàn)室學(xué)生8人，通過分別在不同wav文件中嵌入水印并隨機(jī)詢問的方法，結(jié)果約有53.4%的接受詢問者認(rèn)為原始音頻音質(zhì)更好。說明通過本系統(tǒng)嵌入的水印沒有引起原始音頻音質(zhì)上的顯著改變。

（2）將音頻截掉全部數(shù)據(jù)的n/10（n=1，2，3……），原始音頻數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度稍大于40 000，從第20 000位開始剪切。

根據(jù)圖5、圖6、圖7可知將音頻剪切掉約三分之一內(nèi)容后，仍可提取出較為明顯的水印圖案。如果剪切部分再多一些，則無法滿意地檢測(cè)出水印。但由于三分之一的剪切率將同時(shí)導(dǎo)致載體音頻數(shù)據(jù)的大量丟失，故這個(gè)結(jié)果是可以接受的。

（3）MP3壓縮。目前對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行MP3壓縮編碼是較為常用的一種音頻處理技術(shù)，其目標(biāo)為在不影響原始音頻信號(hào)品質(zhì)的前提下盡可能地減少音頻數(shù)據(jù)量。不同的比特率對(duì)應(yīng)了不同的MP3壓縮比。本試驗(yàn)對(duì)上面含有水印的一段音頻先進(jìn)行碼率為96Kbps的壓縮（壓縮比為7.4：1），然后進(jìn)行相映解碼處理，檢測(cè)得到的水印圖像如圖8所示。

5 結(jié) 論

近年來音頻數(shù)字水印領(lǐng)域尤其是變換域音頻水印嵌入與檢測(cè)方面的研究工作發(fā)展迅速，而離散小波分析（DWT）是近年來整個(gè)數(shù)字水印系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)之一。算法經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明具有很好的隱蔽性，對(duì)原始音頻的質(zhì)量幾乎沒有削弱，具備一定的抵抗剪切攻擊及其他攻擊的能力。為進(jìn)一步提高算法的穩(wěn)健性，應(yīng)該進(jìn)一步考慮如何利用更多HAS特性以及水印嵌入的位置和強(qiáng)度。顧及算法實(shí)用性，應(yīng)當(dāng)考慮增加嵌入水印的容量問題。這些都是需進(jìn)一步改善的方向。