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大容量MP3音頻數(shù)字水印算法研究
（作者未知） 2011/2/7
摘要 本文針對(duì)MP3音頻的壓縮原理和特點(diǎn)，提出了基于修改MDCT量化后系數(shù)的大容量音頻盲水印算法。利用心理聲學(xué)模型介入水印嵌入過程等方法提高水印的隱形性，使用哈希函數(shù)確保水印信息完整性，通過與MP3編/解碼過程相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了水印信息實(shí)時(shí)提取。通過實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證了水印的隱形性、水印容量、實(shí)時(shí)性等方面的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞 音頻數(shù)字水印，MDCT，水印容量，哈希函數(shù)。
0 引言
音頻資源在互連網(wǎng)絡(luò)、電子商務(wù)中扮演著重要的角色，隨著Internet網(wǎng)絡(luò)數(shù)量和帶寬不斷增長(zhǎng)，在線音樂日益流行，對(duì)網(wǎng)絡(luò)上音頻資源版權(quán)的保護(hù)亦變的非常重要。數(shù)字水印技術(shù)作為版權(quán)保護(hù)的一種手段，近來得到廣泛的研究和探討。數(shù)字水印技術(shù)是信息隱藏技術(shù)的衍生和拓展，其基本特點(diǎn)是魯棒性、隱蔽性和完整性等。人類聽覺系統(tǒng)（HAS）比人類視覺系統(tǒng)（HVS）具有更高的敏感性，在音頻信號(hào)中隱藏水印信息，對(duì)水印的隱蔽性有更高的要求，水印的隱藏也相應(yīng)更加困難。1996年文獻(xiàn)[1]提出了音頻數(shù)字水印技術(shù)，闡述了音頻數(shù)字水印的基本特點(diǎn)，提出使用PN序列作為水印發(fā)生器，并根據(jù)人類聽覺系統(tǒng)（HAS）的特點(diǎn)將PN序列嵌入到原始音頻信號(hào)中。文獻(xiàn)[2]在2001年提出了使用擴(kuò)頻技術(shù)和HAS掩蔽效應(yīng)將水印嵌入到非壓縮的原始音頻時(shí)域信號(hào)中的盲水印算法，并指出其算法具有抗MP3壓縮的能力。文獻(xiàn)[3]的作者提出了基于時(shí)域空間的魯棒音頻數(shù)字水印算法，作者通過將原始信號(hào)進(jìn)行分段處理，計(jì)算每段的能量，利用調(diào)節(jié)各段之間能量關(guān)系的方式嵌入和提取水印信息，論證了算法的魯棒性。[1][2][3]中描述的算法在水印的嵌入和提取過程中要求較大的計(jì)算量，不太能夠滿足網(wǎng)絡(luò)上音頻資源的實(shí)際需求。[4]闡述了音頻數(shù)字水印的基本特點(diǎn)，分析總結(jié)了當(dāng)前一些音頻數(shù)字水印算法，提出利用MP3編/解碼過程進(jìn)行水印嵌入和提取的算法。在文獻(xiàn)[4]中作者通過分析MDCT系數(shù)，對(duì)MDCT系數(shù)進(jìn)行修改，從而實(shí)現(xiàn)水印嵌入和提取操作。[4]的算法不能完全有效地檢測(cè)嵌入的水印信息，水印嵌入比例小。文獻(xiàn)[5]的作者提出利用SNR控制音頻水印嵌入放大因子的自適應(yīng)數(shù)字水印算法，在文中，作者通過使用小波變換技術(shù)、混沌序列生成技術(shù)等方法，實(shí)現(xiàn)了在音頻數(shù)據(jù)中嵌入圖片信息；在水印提取過程中，通過利用SNR改善提取的水印數(shù)據(jù)。文章中沒有具體針對(duì)MP3音頻資源進(jìn)行水印嵌入，且水印信息的嵌入量不大，水印檢測(cè)效率不高。
目前提出的音頻數(shù)字水印算法，不能很好的滿足嵌入容量、實(shí)時(shí)性等需求，同時(shí)，水印的隱形性不高，水印添加量擴(kuò)大時(shí)音質(zhì)下降嚴(yán)重，故上述文獻(xiàn)中提出的水印算法，難以應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中。本文提出的算法主要針對(duì)以上提出的三個(gè)問題。即大容量、實(shí)時(shí)性、音質(zhì)與水印容量的制衡關(guān)系。我們將水印信息分成兩個(gè)部分：水印信號(hào)和水印的Hash值。根據(jù)二者各自的特性添加到不同的頻段的MDCT非均勻量化系數(shù)上，其中水印Hash值作為水印完整性檢查的依據(jù)，用于確保水印信息不曾遭受篡改。水印嵌入/提取算法根據(jù)心理聲學(xué)模型的結(jié)果計(jì)算并修正MDCT系數(shù)中非均勻量化值，可以在MP3編/解碼過程中實(shí)時(shí)操作。算法中對(duì)添加水印后的信號(hào)計(jì)算最大噪聲值，再與心理模型得出的可容忍最大噪聲量進(jìn)行比較，若超出范圍則改進(jìn)量化因子后再重新添加水印，直到滿足要求。這個(gè)過程將水印信息引入的噪聲限制在合理的范圍之內(nèi)，同時(shí)保障了嵌入水印的信息量。水印添加位置的選擇遵循在失真度和水印信息量上制衡的原則，選取了MDCT系數(shù)的中頻部分，引入水印嵌入密度控制因子α，以便人為干預(yù)水印信息在MP3流中嵌入量和水印信息添加得分散度。實(shí)驗(yàn)表明，算法具有容量大、實(shí)時(shí)性、隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)。
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