基于离散余弦变换音频数字水印鲁棒性研究

唐晗 吉首大学信息科学与工程学院

引言

数字水印技术即特定的信号加密技术，在声音、图像处理中嵌入能证明版权归属或者可以跟踪侵权行为的隐蔽信息，以确认内容是否真实完整，其所隐蔽加密信息与被保护的数字对象相关。数字水印的嵌入信息是不可见的，只能被专用监测器或者阅读器提取。由于攻击技术与方法的不断发展，要求数字水印具备较高的鲁棒性，因此改善数字水印算法，提高其鲁棒性以应对音频数字水印的抗攻击性成为亟待解决的问题。

1 音频数字水印

音频数字水印，分为两部分，一是嵌入，二是提取。首先，将数字音频嵌入音频文件，如WAV、MP3、AVI等，要保证嵌入水印后对原文件无影响。其次，通过阅读器将音频数字水印从原文件中文章提取出来。音频数字水印系统模型，见图1。

图1 音频数字水印系统模型

现行的音频水印算法大致有时域音频水印算法、变换域音频水印算法两种。其中，时域音频水印算法又分为最低有效算法、基于回声的水印算法，变换域音频水印算法由相位水印算法、扩频水印算法、离散小波变换域算法、离散傅里叶变换域算法、离散余弦变换域算法、倒谱域水印算法等几种方法构成。嵌入的水印信号可以定义为：

W=｛W(k|W(k∈U,k∈o,1,2,M-1｝

其中，W为原始水印，M为水印长度，U为水印值域。水印信号可以是二进制形，也可以是高斯噪声形式。

将数字水印系统的基本框架定义为{X，W，K ，G，E，D}。其中X为要被保护的数字产品。Xo为原始数字作品，Xw为含水印的数字作品，W为水印信号集合，K为水印密钥集合，G为利用密钥K和待嵌入水印的X共同生成水印的算法。

G：X×K→W,W=G(X,K)

E为水印W嵌入到数字作品X中的嵌入算法

E： Xo×W →Xw,Xw=E(Xo,W)

D为水印的检测算法

D： X×K →(0,1)

2 离散余弦变换音频数字水印

离散余弦变换（DCT）是目前应用较广泛数字水印。时域音频水印计算复杂度较低，其嵌入与提取相对容易，但鲁棒性较差。变换域音频数字水印，透明性、鲁棒性强，且能实现盲检测，但其缺陷是算法复杂，嵌入与提取速度均低于时域音频水印。离散余弦变换音频数字水印采用分段求取能量差值并进行比较，结合听觉系统的时域掩蔽效应实现水印信息的嵌入，可以满足同时速度与安全性的双重需求。

2.1 音频数字水印嵌入

比较能量差值[EDx1]和[EDx2]，修改相应段中音频载体信号取样值的方法实现在音频中嵌入水印信息。当水印比特为“1”时，通过对比能量差值，[EDx1＞EDx2]时不做改变，如果[EDx1≤EDx2]时，要修改取值使其满足[EDx1＞EDx2]。当水印比特为“0”时，通过对比能量差值，时不做改变，如果[EDx1＞EDx2]，同样需要修改取样值使其满足[EDx1≤EDx2]。可以看出，水印比特为“1”和为“0”，能量差值大小正好相反。

2.2 音频数字水印提取

将音频信号前两段的能量差值用[ED′x1]表示，后两段用[ED′x2]表示，在音频数字水印提取时，只需要比对前两段与后两段差值的大小，如提取水印比特为“1”时，提取算法为[ED′x1＞ED′x2]，提取水印比特为“0”时，其算法正好相反。离散余弦变换算法的音频数字水印在提取水印序列时不需要原始音频载体信号，可实现音频水印序列的盲提取。

2.3 音频数字格式转换

用不同格式将音频进行压缩，压缩对音频质量没有大的影响，格式的转换对音频水印而言就是一种攻击。比如，原始音频格式为WAV，转化为MP3格式后提取水印，水印变模糊，再从MP3转WAV格式后，水印清晰度仍未改变。这就说明，水印图像仍然能够辨析出，水印对格式转换具有一定鲁棒性。

2.4 音频数字水印攻击测试

外部攻击是测试水印鲁棒性的最有效方法，水印嵌入后，如果音频产生噪音，说明水印的透明度存在问题。加入白噪声来破坏水印，信噪比不断下降，水印质量会不断下降。离散余弦变换音频数字水印，信噪比越高，则水印清晰度越高，随着信噪比逐渐降低，水印会逐渐模糊，信噪比很小的时候，水印才会失效。因此离散余弦变换音频数字水印对白噪声的抗性很高，鲁棒性很好。

3 结语

综上所述，离散余弦变换音频数字水印算法，鲁棒性与不可觉察性是其基本要求。我国水印技术研究起步较晚，在这一新兴领域，基于DCT域的水印嵌入、提取、攻击等方面还有许多亟待解决的问题。