基于相位調(diào)制的立體聲音頻數(shù)字水印

數(shù)字水印是一項(xiàng)為保護(hù)多媒體知識(shí)產(chǎn)權(quán)而發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，其作用就是將數(shù)字、文字、圖像等版權(quán)信息嵌入到多媒體數(shù)據(jù)(載體信號(hào))中。數(shù)字音頻水印就是將靛權(quán)信息嵌入到音頻載體信號(hào)中，以實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)、加密通信及鑒別數(shù)據(jù)真?zhèn)蔚裙δ堋?BR>
嵌入載體信號(hào)的水印必須有較好的魯棒性和不可感知性。為此，需要利用人類聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)(HAS)的一些特性進(jìn)行水印的嵌入。目前的研究表明，人類聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)對(duì)音頻信號(hào)的相位是不敏感的。具體表現(xiàn)為：在高頻段，人耳對(duì)音頻信號(hào)的相對(duì)相位變化不敏感；在低頻段，人耳對(duì)聲音的絕對(duì)相位不敏感。因此，許多研究者針對(duì)這些性質(zhì)提出了一些水印算法。例如，相位編碼法，該算法是在保證相鄰相位差不變的情況下，改變信號(hào)的絕對(duì)相位，這種做法的結(jié)果是相鄰頻率分量的相對(duì)相位關(guān)系與原始音頻信號(hào)的相對(duì)相位關(guān)系有較大的差別；另一種方法是，將音頻信號(hào)通過(guò)無(wú)限脈沖響應(yīng)(ⅡR)的全通濾波器，從而將水印信息嵌入到原始音頻信號(hào)的相位上，無(wú)限脈沖響應(yīng)的全通濾波器通常具有較復(fù)雜的相位特性，所以使用這種方法嵌入的水印一般具有較差的不可感知性。

本文通過(guò)總結(jié)以上方法，提出一種新的水印算法。將原始音頻信號(hào)通過(guò)全通濾波器，循環(huán)地改變?nèi)V波器的群時(shí)延，以達(dá)到嵌入水印信號(hào)的目的。信號(hào)通過(guò)全通濾波器后，改變的只是它的相頻特性，因此，該方法又稱為動(dòng)態(tài)相位調(diào)制法。

1 水印的嵌入與檢測(cè)
1．1 相位調(diào)制
通過(guò)一個(gè)時(shí)變的全通濾波器對(duì)原始音頻信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制。全通濾波器利用一個(gè)ⅡR濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的知識(shí)，這個(gè)ⅡR濾波器可以通過(guò)一組有限脈沖響應(yīng)(FIR)的濾波器來(lái)近似地實(shí)現(xiàn)，這樣做的好處是利用這些線性相位濾波器，使時(shí)變的全通濾波器的群時(shí)延在整個(gè)頻率范圍內(nèi)變?yōu)橐恢?，然后通過(guò)一個(gè)正弦函數(shù)控制群時(shí)延，使該濾波器的相位特性循環(huán)變化。該全通濾波器的相位特性可以用下式表示：

式中，Tpm表示最大群時(shí)延，ωpm表示調(diào)制率(調(diào)制角頻率)，φpm表示初相位。Tpm和ωpm的取值能影響水印的可見(jiàn)性，因此它們是該相位調(diào)制濾波器(PMF)的重要參數(shù)。通過(guò)對(duì)ωpm進(jìn)行頻移鍵控，可以實(shí)現(xiàn)水印的嵌入。

考慮到需要對(duì)水印信號(hào)進(jìn)行盲檢測(cè)，同時(shí)為了提高檢測(cè)出的水印的信噪比，本文對(duì)其中一個(gè)聲道的調(diào)制信號(hào)加上一個(gè)相偏π，于是得到：

1．2 相位解調(diào)
本文利用短時(shí)離散傅立葉變換對(duì)加入了水印的音頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。
在時(shí)刻t，調(diào)制后的音頻信號(hào)的相頻特性可以表示為：

由上式可以看出，通過(guò)離散傅立葉變換可以計(jì)算左右聲道的相位差。首先，左右聲道的信號(hào)分別經(jīng)過(guò)一個(gè)哈寧窗調(diào)節(jié)權(quán)值，然后在t時(shí)刻計(jì)算N點(diǎn)離散傅立葉變換。于是得到t時(shí)刻的相位差：。又因?yàn)楸疚氖褂玫氖蔷€性相位的濾波器，所以得到△T，最后，對(duì)△T(ω)求均值，估計(jì)出t時(shí)刻的相位調(diào)制信號(hào)：

因?yàn)橥粋€(gè)音頻信號(hào)的兩個(gè)聲道在相位上具有很強(qiáng)的相關(guān)性，用θd(ω，t)表示原始音頻信號(hào)左右聲道的相位差。于是△θ(ω)又可以表示為：

由此可以看出，檢測(cè)到的水印信號(hào)具有3dB的信噪比增益。