一种用于MP3文件版权保护的鲁棒水印算法

曹军梅

摘 要： 在详细分析MP3音频数据流结构的基础上，利用数字水印技术，提出一种版权保护的鲁棒音频水印算法。首先，选择MP3编码长窗中的中频对应的比例因子作为嵌入位置，保证了水印的不可感知性；其次，将二值图像水印进行混沌加密，提高了水印信息的安全性；并且实现了版权水印的盲提取。仿真实验证明，该算法不仅具有较好的透明性，而且对诸如噪声、滤波、采样、回声、剪切、压缩等攻击均具有较好的鲁棒性。

关键词： MP3； 比例因子； 数字水印； 版权保护

中图分类号： TN915?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）04?0006?03

Abstract： The MP3 audio data stream structure is analyzed. A new robust audio watermarking algorithm for copyright protection is proposed in combination with the digital watermarking technology. The scale factor corresponding to intermediate frequency in the long window of MP3 encoding is selected as the embedded location to ensure the watermarking imperceptibility. The chaotic encryption of binary image watermarking is conducted to improve the security of watermarking information. The blind extraction of copyright watermarking was realized with the algorithm. The simulation experimental results show that the algorithm not only has better transparency， but also possess good robust against the attacks of white noise， low?pass filtering， resampling， echo， shearing， compression， etc.

Keywords： MP3； scale factor； digital watermarking； copyright protection

0 引 言

随着互联网的普及和信息的数字化，MP3已成为当下Internet应用最为广泛的音频文件格式。通过网络发表和传播MP3文件给创作者和发行商带来了极大的便利，但同时非法拷贝、篡改、盗版等现象严重影响着MP3作品的版权和安全性。由此可见，MP3音乐作品的版权保护已显得十分重要。数字水印作为版权保护的一种新型的技术，弥补了加密技术不能对解密后的数据提供保护的不足，因此也成为人们研究的热点。

由于人类的听觉系统比视觉系统更加敏感[1]，所以在音频中嵌入水印信息难度更大。文献[2?4]提出将水印直接嵌入到MPEG音频流比例因子和MPEG编码的样本数据中，但这些算法都没有考虑自适应和同步，鲁棒性也不理想。本文在研究分析MP3文件音频数据的基础上，利用比例因子在MP3文件中存在冗余的特性，选择长窗中的中频对应的比例因子进行水印的嵌入，同时考虑了同步和实时性。

1 MP3数据流分析

MP3帧的数据分为边信息和主数据[5]。边信息包括解码必须的主数据开始位置、比例因子长度、与Huffman解码相关的信息、与逆量化相关的信息等。主数据的每帧中包含粒度0和粒度1两个粒度组，每个粒度组包含各声道数据，声道数据是MP3解码所需的比例因子和Huffman编码数据，当粒度组1共用粒度组0的比例因子时，粒度组1中的比例因子不传输。

编码器进行MP3编码时，在MDCT（Modified Discrete Cosine Transform）变换过程中，采用不同的窗来划分成数个比例因子带，长窗时576条频谱线被划分为21个比例因子带，短窗时576条频谱线被划分为12个比例因子带。长窗比短窗的敏感度更低[6]。对子带进行量化时，每个子带使用一个比例因子，音频的频率能量谱分布是非均匀的，它随频率的增大而减小，低频集中了大部分能量，是人耳比较敏感的区域，对音频重建有较大影响，在量化时采用精细的量化，而随着频率的增加量化精度下降[7]。

2 水印算法

2.1 嵌入位置的选择

为了满足水印的不可感知性、鲁棒性等特征，通过对MP3音频数据流分析可知，首先选择主数据中粒度组0，其次选择长窗中的中频对应的比例因子进行嵌入水印；在本算法中选择11～15共5个比例因子嵌入水印。

2.2 水印预处理

2.2.1 混沌加密

2.2.2 降维处理

由于MP3音频文件是一维的，为了将水印图像嵌入MP3音频中，需要对水印图像进行降维处理。将混沌加密后的水印Wl按公式（4）转化为一维水印，用一维数组存储：

2.3 水印嵌入步骤

（1） 对二值字符水印图像进行混沌加密和降维，具体方法见第2.2节。

（2） 读取MP3帧边信息，根据第2.1节原则选取比例因子。

（3） 根据水印W′[i]的值，按式（5）修改所选择的比例因子。

2.4 水印提取步骤

该算法是盲水印算法，即提取水印时不需要原MP3音频文件的参与。水印提取过程与嵌入过程相反：

（1） 读取 MP3 文件，获取比例因子信息，使用和嵌入水印时相同的原则，确定水印嵌入点，得到含水印信息的比例因子。

（2） 根据式（6），提取比例因子中的水印信息。

[Ws′k=SFW′ and 111] （6）

（3） 将最终得到的一维数组[Ws′k]恢复成N×N的二维矩阵[Ws′i，j]，然后根据密钥Key生成的混沌序列，对[Ws′i，j]进行解密得[W′x，y]，即提取的最终水印图像[W′]。

3 实验验证

仿真实验环境为VS 2010+Matlab 2010，MP3原始音频载体为采样频率44.1 kHz，双声道音频信号，水印选用了[64×64]的二值文本图像。由于采用的水印在感觉上是可视的，所以提取的水印信息很容易辨别。

3.1 不可感知性测试

不可感知性可能会随着测试人的不同而出现一定的差异，为了更加精确地评价水印的不可感知性，通常采用信噪比SNR（Signal Noise Ratio）对其进行评价，其值越高，不可感知性越好。

3.2 鲁棒性测试

4 结 语

本文在对MP3数据流分析的基础上，通过有选择地修改比例因子，设计出一种实用的 MP3版权保护音频数字水印算法。该算法具有计算简单、易于实时操作、水印盲提取等特点。实验证明，该算法具有较强的不可感知性和鲁棒性，可以有效地保护MP3 音乐作品的版权。

参考文献

[1] 张力光，王让定.心理声学模型及其在MP3编码中的应用[J].宁波大学学报（理工版），2010，23（3）：27?31.

[2] QIAO L， NAHRSTEDT K. Non?invertible watermarking methods for MPEG encoded audio [C]// SPIE Proceedings on Security and Watermarking of Multimedia Contents. USA： SPIE， 1999： 194?202.

[3] KOUKOPOULOS D， STAMATIOU Y. An dffient watermarking method for MP3audio files [J]. Computer technology， 2005， 7： 154?159.

[4] TAKAGI K， SAKAZAWA S. Light weight MP3 watermarking method for mobile terminals [C]// Proceedings of the 13th Annual ACM International Conference on Multimedia. [S.l.]： ACM， 2005： 107?128.

[5] 常辽豫，余小青，万旺根，等.MP3压缩域中语音分割的研究与实现[J].计算机应用，2009，29（4）：1189?1192.

[6] WANG C T， CHEN T S. A new audio watermarking based on modified discrete cosine transform of MPEG/audio layer [C]// Proceedings of IEEE International Conference on Networking， Sensing &Control. [S.l.]： IEEE， 2012： 984?989.

[7] 栗明呜.MP3音频数字水印技术研究[D].成都：西南交通大学，2010：38?50.

[8] 许红山.置乱技术在信息隐藏中的应用[J].广州大学学报（自然科学版），2004（2）：134?136.