基于m序列调制的自适应音频数字水印算法研究

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1、第28卷第3期2004年6月Vol.28No.3June2004武汉理工大学学报(紅谯)JournalofWuhanUniversityofTechnology(TransportationScience&Engineering)基于m序列调制的自适应音频数字水印算法研究祟王虹黄俊波(武汉理工大学倍息工程学院武汉摘要！提出了一种基Tm序列调制的自适应咅菽数字水印算法.水印图像降维为一维序列，再将水印序列伪随机排序并与m序扌号进行分段离散小波变换•把经过调制的水印信息自适应地嵌入到原音频倍号小波分解中等尺度绝对值较大的分盘上•仿真实验证明了算法的稳健性和不可觉樂性.关後词：

2、音频数字水印：自适应;离散小液变换;m序列中图法分类号‘TN912.3收積口期,2004-02-08王如，女,41岁，期敎授，主更研究饌域为信息理论及应用•湖北省自然科学墓金型目资助〈批准号,20011.3013)0引言音频数字水印技术UF】是近年来的研究热点之一•该技术通过向音频文件中嵌入秘密信息以达到版权保护、掩蔽通信等目的.当所有者权益被侵犯时，可通过对水印的检测来得到证明•随着数字音像制品和音乐制品的大量制作和发行，音频数据的版权保护也显得越来越重要.通过在音频载体中嵌入水印信息，可以实现拷贝限制、使用跟踪、盗用确认等功能•近年来，有关音频数字水印技术的研究工作发

3、展很快,尤其在变换域音频佶息的数据嵌入技术，由于其能将信息嵌入到载体的敏感区域，使得研究更具有实用性.数字音频信号的水印嵌入算法是音頻信号水印处理技术中重要的组成部分•由于人的听觉系统(HAS)要比视觉系统(HVS)更敏感，相对于静止图像和视频信号,在音频信号中嵌入数字水印更为困难.通常，音频数字水印具有以下特性.1)不可闻性•嵌人音頻信号中的数字水印对于人耳是无法听到的，即嵌入的水印对信号品质的改变非常有限，人耳较难区分原始音频信号和嵌入水印后的音頻信号$2)安全性.未经授权的人无法检测到水印或将水印抹去；3)稳健性•在不严重损害音质的前提下，水印能够抵抗无意或恶意的攻

4、击.这样的攻击包括对嵌入水印的音频信号逍行滤波，加入噪声，重新采样，重新扯化和有损压缩等.音频数字水印算法的实现有两种方法，时城的方法和变换域的方法⑷.时域的方法是直接将水印嵌入到音频信号的采样数据中；而变换域的方法是首先对音频信号采样数据进行变换，然后在变换域内通过修改变换系数的方法嵌入水印信息，最后经过逆变换恢复出含有水印信息的数字音频信号•与田像和视频水印相比,迄今为止对音频水印算法的研究还不成熟，原因在于人类听觉系统比人类视觉系统更加敏感，水印算法很难在保证不可觉察性的同时又具有良好的鲁棒性.文中提出了一种基于m序列调制的自适应音频数字水印算法.该算法首先将视觉上

5、可辨的二值水印图像降维为一维序列，再将一维水印序列伪随机排序并与m序列作扩频调制，最后对数字音频信号进行分段离散小波变换AT,把经过调制的水印倍息用排序的方法自适应地嵌入到原咅频信号小波分解中等尺度绝对值较大的分裁上•仿真实验证明了算法的稳健性和不可觉察性.1数字音频信号的水印嵌入1.1水印图像的预处理假设水印层视觉可辨的、大小为的二值图像，它可表示为W=(1)式中tw(i,j)W{0,1}・由于W是二维的二值图像，要将其嵌入到一维的数字音频信号S中，必须对其进行降维处理，将二维图像变为一维序列V={v(k)=s(d,j),0MdVAA,O

6、2)为了消除序列V中相邻元素的相关性，提髙嵌入水印的稳健性，采用线性反馈移位器生成的伪随机序列对V中所有元素作伪随机排序V—Permute(V)={vz(/r)=f(人)，0W爪A'VMiM?}(3)通过伪随机排序操作，序列V中的第F个元素移动到V,中第k个元素的位置上.为了进一步提髙水印的抗攻击能力，对水印序列进行扩频调制，用密钥K”作随机种子产生m序列{「(/)},用&(?)}与水印序列他⑷}作扩频调制得到调制序列{$("},扩频因子为加s(l)=1>([1/加»丿㊉m(l)(4)耳⑷』⑴€{0,1}(0£怡VMA&O<1V(5)式中：□为向负方向取整函数'㊉为异或运

7、算符.扩频调制具有抗干扰、低功率谱密度、保密性好等许多优点，其本质是利用带宽换取信噪比.在水印算法中，它是利用水印信道容量的增大换取算法稳健性的改善，扩频因子的选择要在容足与稳健性之间作相应的折衷.1.2音频信号的分段处理假设S是含有N个采样数据的原始数字音频信号，它可以表示为S={j(n),0W刀VN}(6)式中：sG)E{0,1,・・・，(2，—1)}是第”个数据的幅度值"为表示每个数据所用的信息位数.为了讨论方便，将式(6)中的原始数字咅频信号分解成两部分：与水印嵌入有关部分和与水卬嵌入无关部分，即S=S,+(7)式中：