第6章+音频数字水印技术

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1、第6章音频数字水印技术6.1概述6.2人类听觉特性6.3时域音频水印算法6.4变换域音频水印算法6.5其他类型的水印算法6.6音频水印的评估标准和攻击6.7小结6.1概述6.1.1音频信号的数字化音频信号的数字化是指对模拟的声音信号进行A/D转换，使其转化为数字信号。这个过程有两个重要的参数：量化精度和瞬态采样频率。对高质量音频的量化方式最流行的格式是16bit线性量化，如Windows可视音频格式(WAV)和音频交换文件格式(AIFF)。另一种较低质量音频的量化方式一般采用8bitμ律量化。这些量化方法会使信号产生一些

2、畸变，在8bitμ律量化中显得更为明显。6.1.2音频信号传送环境在实践中，含有水印的音频信号从编码到解码之间有多种可能的传播途径。这里，我们仅考虑最普通的四种情形。第一种情形是声音文件从一个机器拷贝到另一个机器，其中没有任何形式的改变。第二种情形是信号仍然保持数字的形式，但采样率发生变化。第三种情形是信号被转换为模拟形式，通过模拟线路进行传播，在终端被重新采样。6.1.3对音频数字水印的要求要想成功地在数字音频媒体中隐藏水印，必须注意以下几方面的要求。1.对数据变换处理操作的稳健性要求水印本身应能经受得住各种有意无意的

3、攻击。典型的攻击有添加噪声、数据压缩、滤波、重采样、A/D-D/A转换、统计攻击等。2.听觉相似性数字水印是在音频载体对象中嵌入一定数量的掩蔽信息，为使得第三方不易察觉这种嵌入信息，需谨慎选择嵌入方法，使嵌入信息前后不产生听觉可感知的变化。3.是否需要原始数据进行信息提取根据数据嵌入和提取方案的不同设计，有些方案可以不需要借助于原始数据进行信息提取，这一性能将影响方案的用途和性能。4.数据提取误码率数据提取误码率也是音频水印方案中的一个重要技术指标，因为一方面存在来自物理空间的干扰，另一方面信道中传输的信号会发生衰减和畸

4、变，再加上人为的数据变换和攻击，都会使数据提取的误码率增加。5.嵌入数据量指标根据用途的不同，在有些应用场合中必须保证一定的嵌入数据量，如利用音频载体进行隐蔽通信。6.1.4数字音频水印系统的典型应用随着音频素材在互联网上的指数级增加，数字音频水印技术有着广泛的应用前景：(1)为了便于对音频素材进行查找和检索，可以用水印技术实现元数据(描述数据的数据)的传输，就是用兼容的隐藏的带内方式传送描述性信息。(2)在广播领域中，可以用水印技术执行自动的任务，比如广播节目类型的标识、广告效果的统计分析、广播覆盖范围的分析研究等。其

5、优点是不依赖于特定的频段。(3)用水印技术实现知识产权的保护，包括所有权的证明、访问控制、追踪非法拷贝等。这也是水印技术最初的出发点。6.2人类听觉特性频域掩蔽算法的具体实现步骤如下：(1)计算频谱。对每16ms的信号s(n)，其采样点数N=512，用Hamming窗h(n)进行加窗处理(6-1)s(n)的功率谱由下式得到(6-2)(2)确定纯音和噪音成分。这样做是因为纯音和噪音的掩蔽模型不同。如果某个频谱成分的局部极大值(S(k)＞S(k+1)且S(k)≥S(k-1))，满足下式：S(k)-S(k+j)≥7dBj∈{-

6、2,+2},if2＜k＜63j∈{-3,-2,+2,+3},if63≤k＜127(6-3)j∈{-6,-5,…,-2,+2,…,+5,+6},if127≤k≤250则该成分是纯音。(6-4)(3)去除被掩蔽成分，分为以下两步：①根据如图6-1所示的绝对听阈曲线，把在绝对听阈以下的纯音和噪音成分去除。②对相互间隔小于0.5Bark的多个纯音成分只保留其中有最大值的那一个。图6-1绝对听阈曲线图(4)计算局部掩蔽阈值与整体掩蔽阈值。对原始的N/2(即256)个频域采样点(用k代表)，只有其中的一部分采样点(用i代表)被用来

7、计算整体掩蔽阈值。层Ⅰ和层Ⅱ所用到的采样点不同。层Ⅰ：频带被划分为30个子带，最低频6个子带中所有采样点都用到，接下来的6个子带的采样点每2个用到1个，余下的18个子带的采样点每4个用到1个。层Ⅱ：频带被划分为30个子带，最低频3个子带的所有采样点都用到，接下来的3个子带的采样点每2个用到1个，接下来的6个子带的采样点每4个用到1个，余下的18个子带的采样点每8个用到1个。共用到采样点132个。(5)掩蔽是可以叠加的，因而在z(i)处具有的总掩蔽阈值LTg(i)为z(i)处的安静时阈值LTq(i)和所有临(6-8)6.3

8、时域音频水印算法6.3.1最不重要位方法最不重要位方法是一种最简单的水印嵌入方法。任何形式的水印都可以转换成一串二进制码流，而音频文件的每一个采样数据也是用二进制数来表示。这样，可以将每一个采样值的最不重要位(多数情况下为最低位)用代表水印的二进制位替换，以达到在音频信号中嵌入水印的目的。6.3.2基于回声的水印算法