（信号与信息处理专业论文）基于超混沌序列加密的数字音频水印算法.pdf

摘要 摘要 随着i n t e r n e t 的发展、音频压缩技术水平的提高以及信息隐藏技术领域研 究的逐步成熟，数字音频水印的应用越来越广泛。现在音频产品被侵权及非法篡 改的现象不断发生，由此给音频产品的版权人和创作者造成严重的损失。如何提 供音频产品的版权保护成了亟需解决的问题。作为音频产品版权保护的有效方 法，数字音频水印技术得到了广泛的研究及应用。 本文对数字音频水印的加密算法、嵌入算法、提取算法和解密算法进行了 研究，设计了一个基于超混沌序列加密的数字音频水印系统。系统能够对盲检测 数字音频水印进行加密、嵌入、提取和解密。 在数字音频水印图像的加密部分，本文提出了利用超混沌系统产生的超混 沌序列对数字音频水印图像进行加密置乱，并产生了多密钥。在不知道全部密钥 的情况下，无法恢复出有效水印图像。 在数字音频水印图像的嵌入部分，本文在常规方法上综合采用多种方法进 行水印图像的嵌入。该方法包括基于m p 3 音频信号的自适应分段、有效音频段的 选取、离散小波变换和离散余弦变换相结合的混合域方法、量化策略、分级嵌入 方法和音频段的重组。该嵌入算法具有较好的鲁棒性，在遭受到攻击之后，也能 提取出比较清晰的表示版权信息的水印图像。 对于这种盲检测数字音频水印的提取，不需要原始的音频信号，简化了水 印图像提取的操作。根据得到的多密钥和超混沌系统，利用已经提取出来的水印 信息可以解密出有效的水印图像。 实验证明，基于超混沌序列加密的数字音频水印算法是可行的。该算法在 不明确知道每一个密钥的时候很难解密出有效水印图像，具有良好的安全性。该 算法在遭受攻击的时候，能提取出完整的水印图像，具有良好的鲁棒性。算法还 能对音频产品起到版权保护和内容证实的作用，具有较高的使用价值。 关键词：数字音频水印；超混沌序列；h a s ；混合域 广东t 业大学硕上学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e t ，t h ei m p r o v e m e n to fc o m p r e s s i o n t e c h n i q u e so fa u d i oa n dt h em a t u r eo ft h es t u d y i n go fi n f o r m a t i o nh i d d i n g t e c h n i q u ef i e l d ，d i g i t a la u d i ow a t e r m a r k i n gh a sb e e na p p l i e dm o r ea n dm o r e w i d e l y n o wt h ed i g i t a lp r o d u c t sc a ne a s i l yb ec o p i e da n de d i t e d ，w h i c h c a u s et h ec o p y r i g h to w n e r so ft h ea u d i op r o d u c t sa n dt h ec r e a t o r ss e r i o u s l o s s h o wt oo f f e rt h ec o p y r i g h tp r o t e c t i o no fa u d i op r o d u c t sc r i e sf o r s o l u t i o n a sak i n do fe f f e c t i v em e t h o do fp r o t e c t i o nf o ra u d i op r o d u c t s c o p y r i g h t ，d i g i t a la u d i ow a t e r m a r k i n gh a v eb e e nr e s e a r c h e da n da p p l i e d w i d e l y a l g o r i t h mo fe m b e d d i n ga n de x t r a c t i n go fb l i n dd e t e c t i o nd i g i t a l a u d i ow a t e r m a r k i n gh a sb e e nr e s e a r c h e da n das y s t e mo fd i g i t a la u d i o w a t e r m a r k i n gb a s e do ne n c r y p ti o no fh y p e r c h a o sh a sb e e dd e s i g n e d t h e d e c r y p t i o n ，t h ee m b e d d i n g ，t h ee x t r a c t i o na n dt h ed e c r y p t i o nh a v eb e e n d o n et ob l i n dd e t e c t i o nd i g i t a la u d i ow a t e r m a r k i n gb yt h i s s y s t e m w h e ne n c r y p t i n gt h ew a t e r m a r k i n g ，h y p e r c h a o ss e q u e n c e sw h i c ha r e c r e a t e db yh y p e r c h a o ss y s t e mw e r eu s e dt oe n c r y p tt h ew a t e r m a r k in g ，w h ic h i sp r o p o s e df o rt h ef i r s tt i m ei nt h i sm e t h o d i nt h ep r o c e s s i n go f e n c r y p t i n gw a t e r m a r k i n g ，t h i sm e t h o dp r o d u c e sm u l t i p l ek e y s i fm u l t i p l e k e y sh a v en o tb e e nl e a r n e dc l e a r l y ，t h ee f f e c t i v ew a t e r m a r k i n gc a nn o t b ed e c r y p t e d w h e ne m b e d d i n gt h ew a t e r m a r k i n g ，m a n yk i n d so fm e t h o d sh a v eb e e nu s e d t oe m b e dd i g i t a la u d i ow a t e r m a r k i n g t h i sm e t h o di n c l u d e ss e l f a d a p t i v e s e g m e n to fm p 3a u d i os i g n a l ，t h es e l e c t i o no fe f f e c t i v ea u d i 0s i g n a l s e g m e n t ，h y b r i dd o m a i nb a s e do nd w ta n dd c t ，s t r a t e g yo fs e l f a d a p t i v e q u a n t i z a t i o n ，g r a d e de m b e d d i n ga l g o r i t h ma n dr e c o m p o s i n ga u d i os e g m e n t s t h i se m b e d d i n g a l g o r i t h mh a sn i c e rr o b u s t n e s s e v e ni ft h ea u d i op r o d u c e i i a b s t r a c t i sa g g r e s s e d ，t h i sa l g o r i t h mc a ne x t r a c tr e v e r s e l yc l e a rw a t e r m a r k i n g w h i c hi n s t r u c t sc o p y r i g h ti n f o r m a t i o n b e c a u s et h i sw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb e l o n g st ob l i n dd e t e c t i o n w a t e r m a r k i n g ，o r i g i n a la u d i os i g n a lw i l ln o tb en e e d e dw h e ne x t r a c t i n g a u d i ow a t e r m a r k i n g ，w h i c hm e a n st h eo p e r a t i o no fe x t r a c t i n gw a t e r m a r k i n g w i l lb es i m p l e r m u l t i p l ek e y s ，h y p e r c h a o ss y s t e ma n dt h ee n c r y p t e da u d i o w a t e r m a r k in gin f o r m a tio nw h ic hh a sb e e ne x t r a c t e da r eu s e dt od e c r y p t a u d i ow a t e r m a r k i n g a l g o r i t h mo fg r a d e de m b e d d i n gd i g i t a la u d i ow a t e r m a r k i n gb a s e do n e n c r y p t i o no fh y p e r c h a o sh a sb e e np r o v e dd o a b l eb ye x p e r i m e n t s t h e e f f e c t i v ew a t e r m a r k i n gc a nn o tb ed e c r y p t e di fm u l t i p l ek e y sa r en o tk n o w n c l e a r l y ，w h i c hm e a n st h i sa l g o r i t h mh a sn i c e rs e c r e c y t h i sa l g o r i t h mc a n g i v ea u d i op r o d u c t sc o p y r i g h tp r o t e c t i o na n dc o n t e n ta u t h e n t i c a t i o n ， w h i c hh a sh i g h e rv a l u e du s e k e y w o r d ：d i g i t a la u d i ow a t e r m a r k i n g ：h y p e r c h a o sa r r a y ：h a s ：h y b r i dd o m a i n i l l 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字： 指导教师签字： 6 5 如叼年厂月鸟日 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百t 匕 1 1 数字音频水印的发展现状 从1 9 9 9 年开始，安全数字音乐创始( s d m i ：s e c u r ed i g i t a lm u s i ci n i t i a t i v e ) 研究音频的版权保护，数字水印是其中的核心关键技术。数字音频水印技术是目 前信息安全技术领域的一个崭新的方向，是一种可以在开放的信息环境下保护版 权和认证来源及完整性的新型技术。数字音频水印是利用数字音频信号中的冗余 信息，在不影响音频信号质量的前提下，把额外的水印信息隐藏于其中的技术m 。 数字音频水印综合了音频信号处理、密码学、通信理论、编码理论、信号压缩和 人类听觉系统等多方面的知识幢，。近年来，该领域研究的发展速度非常快，有些 公司己推出了一些数字水印软件产品。数字音频水印技术已经成为实现数字音频 作品版权的保护和认证以及音频作品盗版跟踪的重要技术。 1 1 1 目的和意义 随着数字多媒体技术及互联网的迅猛发展，图像、视频和音频等多种形式 的多媒体数字作品的存储和传输都变得极其便利。以m p 3 为代表的网络音乐在互 联网上广泛传播就是得益于数字音频压缩技术的成熟。但是，i n t e r n e t 上肆无忌 惮的复制和传播盗版音乐制品，使得艺术作品的作者和发行者的利益受到极大损 害。在这种背景下，能够有效地实行版权保护的数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 技术应运而生。数字音频水印技术就是针对数字音频作品的版权保护提出来的。 数字音频水印是指将用于版权保护或内容检验的一些标志性信息通过一定 的算法嵌入到数字音频产品中。这些信息可以是作者的序列号、公司标志或有特 殊意义的文本等，它可以用来识别音频产品的原作者、发行者以及合法使用者对 数字音频产品的所有权。它不会影响原始产品的使用价值，并且不会被人感知到。 只有专用的检测器或计算机软件才可以检测出隐藏的数字音频水印，从而用以证 明创作者对其作品的所有权，并作为鉴定、起诉非法侵权的证据，同时通过水印 的检测和分析保证数字信息的完整可靠性，从而成为知识产权保护和数字多媒体 广东工业大学硕士学位论文 防伪的有效手段。由于水印信息与充当载体的音频数据紧密地结合在一起并隐藏 在其中，所以能够经受住一些不破坏载体数据的使用价值或商用价值的操作或恶 意的攻击而保存下来。尽管数字音频水印技术本身并不能直接阻止非法拷贝行 为，但能够通过验证产品的所有权来揭露非法拷贝和传播的行为，以法律手段对 其进行制裁，间接地打消盗版者非法复制的企图，起到保护知识产权的作用。 目前，数字音频水印技术已经运用在所有权证明、认证、隐式注释、拷贝 控制、隐秘通信、使用控制等方面。数字音频水印技术作为数据隐藏技术的一个 重要分支，为数字媒体产业与信息产业的发展作出了巨大的贡献。 1 1 2 研究现状 目前，从国内外有关数字水印方面的研究成果来看，人们对数字音频水印 的研究还处于初步阶段。但是，随着计算机网络通信技术和多媒体处理技术的迅 速发展，数字音频水印技术的研究和应用得到了越来越多的重视。早在1 9 9 6 年， b e n d e r 等提出了最低有效位、回声编码、扩频编码和相位编码等四种音频水印算 法；b o n e y 等将c o x 方案应用到数字音频信号中，对上述几种算法进行了改进和完 善，这些算法都属于时空域算法。其后，又有研究者提出了变换域算法。实验证 明时域水印算法具有简洁快速、嵌入区域灵活、隐藏信息量大等优点，但常常缺 乏对信号处理的鲁棒性；变换域算法的计算量虽然较时域算法大，但是变换域算 法的稳健性强，抗干扰和抗恶意攻击的能力也较时域算法好。 作为数字音频水印信号，必需具备如下特性：( 1 ) 听觉不可觉察性； ( 2 ) 密钥k e y 唯一性；( 3 ) 数字水印的不可逆性；( 4 ) 数字水印的鲁棒性。 目前文献阳阳，中采用的数字水印信号多种多样，具体可归纳如下：( 1 ) 伪随 机序列；( 2 ) 高斯白噪声序列；( 3 ) 有特定含义的数字水印信号；( 4 ) 有意义的二 值图像作为数字水印信号；( 5 ) 将图像调制分解，系数作为数字水印信号；( 6 ) 采用自相似特性的图像作为水印信号。 其中最常用的方法是采用伪随机序列作为数字水印信号，伪随机序列具有 类似白噪声的性质，但又具有周期性和规律性，可以人为的加以产生和复制，由 于移位寄存器的输出是由初始状态和反馈逻辑直接决定的，而且任取一段输出不 可能预测其它的输出，因此常选用m 序列或g o l d 序列等作为数字水印信号。i l l 、g o l d 2 第一章绪论 序列自相关性好，但互相关性却不够好，因此不利于水印的正确检测，且m 序列 和g o l d 序列的产生的数量有限，不能用于大规模的应用。传统的伪随机数水印产 生技术嵌入作者版权信息的方法，不具备随机序列对初值的敏感性，因此可能被 伪造。 早期的音频水印算法一般直接在音频的时域上嵌入信息。时域上嵌入的好 处是比较直观、计算复杂度较低，但是水印的稳健性和不可察觉性的矛盾难以解 决。相对于时域嵌入，变换域嵌入是目前研究的热点。这主要是因为变换域嵌入 可以把水印能量扩散到多个样本信息上，改善了水印的稳健性和不可察觉性。此 外，在变换域嵌入具有更大的灵活性。通过选取适当的变换域，可以提取出代表 音频本质特征的系数，如可以在音频的低频系数上嵌入达到提高稳健性的目的， 可以在中频系数上嵌入达到半脆弱水印的目的，也可以在高频系数上嵌入达到脆 弱水印的目的。而时域上的嵌入只能通过改变嵌入强度来达到稳健性和不可察觉 性的目的。也有一些基于音频压缩域( 如m p 3 域) 的算法研究，但由于在压缩域已 经滤掉了音频信号的大部分冗余信息，且水印编码与解码系统过于复杂，所以这 方面的研究进展并不是太大。 剑桥大学p e t i t c o l a s 等提出了一种叫做“m p 3 s t e g o ”的水印技术。m p 3 s t e g o 在压缩过程中将水印信息隐藏进m p 3 文件，隐藏过程发生在第三层编码的核心。 这种方法鲁棒性较差，作者承认任何攻击者可以通过解压比特流再重新压缩来除 去隐藏的水印信息。另一方面，m p 3 s t e g o 实际上并没有在压缩域上直接植入水印， 被处理的对象是p c m 数据，水印是在压缩过程中被植入的，因此很耗时。 q i a o 等n ，提出了两种将水印直接嵌入至u m p e g 音频流中的方法：第一个将水印 嵌入至u m p e g 音频流的比例因子( s c a l ef a c t o r s 比) 中；第二个将水印嵌入至u m p e g 编码的样本数据中。比例因子是使样本完全利用量化范围的乘数，共6 3 个级别 ( 0 - 6 2 ) 。当比例因子级别增加时声音增强，减小时声音变弱。实验表明比例因子 级别小的改变( 如增加或减少1 ) 不会被人感觉到，第一个方法的根据就在于此。 水印嵌入过程非常简单，就是把比例因子与相应的水印比特位相加。另一个方法 的基本思想是把水印比特序列加到编码样本序列上，可是，这些编码样本对改变 是非常敏感的。实验表明，如果把每个编码样本加1 或减1 ，引入的失真就很容易 被人耳检1 1 至1 。为了解决这个问题，作者引入了一个尺度参数s p ，在每s p 个样本 上，随机选择1 或2 个样本来嵌入水印。选择一个好的尺度参数可以使失真最小， 3 广东工业大学硕二l 学位论文 实验也验证了这一点。 x u 等阳】提出在压缩格式音频未完全解压缩状态下基于音频掩蔽效应自适应 地嵌入数字水印。使用这种方法，水印与音频内容高度相关并且植入速度会非常 快。 k o u k o p o u l o s 等阳，提出种直接作用至u m p 3 压缩域上的盲检测音频水印技术。 该算法把水印放置在压缩文件的比例因子域而不是直接嵌入到音频数据中，这样 就克服了p c m 数据域上算法不能抵抗压缩再压缩攻击的缺点。该算法既可用于版 权保护也可用于认证，其最大特点在于证明版权不是简单通过检测嵌入的水印数 据本身，而是使盗版者知道要提取出水印在计算上几乎是不可能的。需要说明的 是该算法不能抵抗解压缩再重新压缩的处理，但实际上盗版者通常不会这样做， 因为会引起音频听觉质量的严重下降。 其它的压缩域算法还有以下几种：文献“们在m p e ga u d i ol a y e r 2 压缩过程中 嵌入水印；文献n u 在矢量量化过程中植入水印；文献n 2 ，将水印直接嵌入至u s i g m a d e l t a 调制比特流中；文献n 3 ，在m p e g - i ia a c 压缩过程中通过修改压缩系数来植入 水印；文献n 町中的水印植入方法类似于m p 3 s t e g o 上直接植入水印，被处理的对象 是p c m 数据，水印是在压缩过程中被植入的，因此很耗时。 扩频水印方案n 5 枷7 ，也是流行的水印嵌入策略之一，目前已经得到了比较深 入的研究。该方案的主要思想是在音频中嵌入伪随机( p s e u d on o i s es e q u e n c e ) ， 然后通过计算音频水印与随机序列的相关值来检测水印，最大长度序列是最常见 的伪随机序列，俗称i l l 序列。 音频水印常用的变换有离散余弦变换( d c t ) n ”、离散傅立叶变换( d f t ) n 叼、离 散小波变换( d w t ) n 耵胁，、改进离散余弦变换( m d c t ) 幢小“。目前对d c t 、d f t 、d w t 等变 换域的研究己经比较深入，而m d c t 变换作为一种新颖而有效的时频分析工具也成 为了研究的热点。 国内对数字音频水印技术的研究起步较晚，但近几年的研究工作发展速度 很快，并取得了一定的成果，尤其在变换域音频信息的数据嵌入技术，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。目前更多的研究是讨论 如何设计数字水印方案或如何攻击数字水印，各种方案或产品还都有着这样或那 样的问题，有关数字水印的理论。如今还有许多未触及的研究课题，现有技术也 需要改进和提高。 4 第一章绪论 1 2 数字音频水印技术 数字水印类似于信息隐藏，它也是在数字多媒体中隐藏一些信息，隐藏的 信息包括数字作品的版权所有者、发行者、购买者、日期、序列号等等需要注明 的信息，但目的不是为了秘密传递这些信息，而是在检查盗版行为时，可以从数 字载体中提取出有关信息，用以证明数字产品的版权，指证盗版行为。数字水印 是目前学术界研究的一个前沿热门方向，可以向版权保护等问题提供一个潜在的 有效解决方案。从本质上讲，数字水印与信息隐藏是一样的，它们都是将信息嵌 入到数字载体中，但是两者所要求的特性有所不同。信息隐藏要求能够精确恢复 隐藏的信息，因为它传递的就是这些秘密信息；而数字水印则有所区别，只需要 证明载体中存在某一个数字水印即可，它可以用一些如相关性度量等方法实现， 不需要精确地恢复隐藏的数字水印。 1 2 1 数字音频的特点 1 2 1 1 声音信号的数字表示声音信号是典型的连续信号，不仅在时间上是连 续的，而且在幅度上也是连续的。在时间上连续是指在一个指定的时间范围内声 音信号的幅度有无穷多个，在幅值上连续是指幅度的数值有无穷多个。这种信号 我们称为模拟信号，计算机是无法对这种模拟信号进行处理的。计算机只能处理 时间上和幅度上都是有限的信号，也就是数字信号，要对声音信号进行计算机处 理，就必须对声音信号进行数字化( 即a d 转换) 。数字化实际上就是采样和量 化、编码。 连续时间的离散化通过采样来实现，在某些特定的时刻对模拟信号进行测 量叫做采样( s a m p l i n g ) ，每隔相等间隔采样一次，这种采样称为均匀采样，下面 我们使用的声音文件都是均匀采样。连续幅度的离散化通过量化来实现，也就是 把信号的强度划分成不同等级。如果幅度的划分是等间隔的，就称为线性量化， 否则就称为非线性量化。采样的精度，样本的大小是用每个声音样本的比特率 ( b i t s ) 表示的，它反映度量声音波形幅度的精度。脉冲编码调制p c m ( p u l s e c o d em o d u l a t i o n ) 是最简单的波形编码方式。 1 2 1 2w a y 格式w a v e 是录音时用的标准的w i n d o w s 文件格式，文件的扩展名 5 广东工业大学硕十学位论文 为“w a v ，数据本身的格式为p c m 或压缩型。 w a v 文件格式是一种由微软和i b m 联合开发的用于音频数字存储的标准，它 采用r i f f 文件格式结构，非常接近于a i f f 和i f f 格式。符合p i f fr e s o u r c e i n t e r c h a n g ef il ef o r m a t 规范。所有的w a v 都有一个文件头，这个文件头存放 音频流的编码参数。 w a v 对音频流的编码没有硬性规定，除了p c m 之外，还有几乎所有支持a c m 规范的编码都可以为w a y 的音频流进行编码。w a v e 文件可以存储大量格式的数 据，通常采用的音频编码方式是脉冲编码调制( p c m ) 。由于w a v 格式源自 w i n d o w s i n t e l 环境，因而采用l i t t l e e n d i a n 字节顺序进行存储。 1 2 2 音频水印系统的基本模型 一个完整的水印系统应包括水印的生成、嵌入和提取检测三部分。 1 。2 2 1 水印的生成水印信息可以是随机序列、字符串、图像等等。对于l s b 法，是将水印信息看成是比特流，嵌入到采样点的最低位，而在计算机中存储的 文件都可以看成是比特流。因此，从理论上说，任何文件都可以作为l s b 法的水 印信息。但是，直接将水印嵌入载体不利于水印的健壮性，一般都会对水印信息 进行加密预处理。加密系统常基于伪随机数发生器或混沌系统。 1 2 2 2 嵌入系统水印嵌入就是把水印信号按照一定的算法嵌入到原始音频 中。图1 1 为水印生成与水印嵌入系统框图，其中先将水印信息通过一定的算法 进行加密，然后对加密后的水印信息按嵌入算法嵌入到载体数据中去。 图1 1 水印嵌入系统 f i g 1 1s y s t e mo fe m b e d d i n gw a t e r m a r k i n g 6 第一章绪论 图1 2 水印提取系统 f i g 1 2s y s t e mo fe x t r a c t i n gw a t e r m a r k i n g 1 2 2 3 水印的提取与检测提取和检测时可以需要原始产品的参与，即非盲水 印；也可不需要原始产品的参与，即盲水印。若将水印技术用于产品的网络发布 和传播时，在检测使用原始产品则是个缺陷，因此当前大多数的水印提取、检测 算法不需要原始产品的参与。如图1 2 所示为一个盲水印系统的提取检测结构 图，从载体中提取出来的水印信息是经过加密的，因此，还要经过一个与水印加 密相逆的解密过程。 1 2 3 数字音频水印算法 音频水印主要利用音频文件的冗余信息和人类听觉系统的特点来加载水 印。根据水印加载方式的不同，数字音频水印可以分为三类：时域数字水印、变 换域数字水印和压缩域数字水印。大多数时域水印算法可以提供有效的水印嵌入 方案，且具有较大的信息嵌入量，但对语音信息处理的健壮性低；变换域水印算 法则具有较强的抵抗信号处理和恶意攻击能力，但其嵌入与提取过程相对复杂； 压缩域水印算法是直接把水印信号加在压缩音频上的方法，它可以避免压缩算法 编解码的复杂过程。下面简单介绍一下时域与变换域的典型算法。 1 2 3 1 水印信息加密算法对图像加密，即将图像置乱。所谓将图像“置乱”， 就是将图像的信息次序打乱，将a 像素移动到b 像素的位置上，b 像素移动到其他 像素的位置上使其变换成杂乱无章难以辨认的图像。置乱实际上就是图像的 加密，与加密保证安全性不同的是，将置乱的图像作为秘密信息再进行隐藏，可 以很大限度地提高载体的鲁棒性，所以图像置乱是信息隐藏中常用的一项技术。 7 广东工业大学硕十学位论文 1 h a s h 函数h a s h 函数是从关键字集合到地址集合的映像。h a s h 函数的作 用是将任意长度的报文映射为一个长度固定的h a s h 码。h a s h 码是报文的每一位 的函数。报文任意一位的改变都将导致h a s h 码的改变。常用的安全h a s h 函数有： m d 5 ，s h a 一1 等。 2 h a s h 表根据设定的哈希函数h ( x y z ) 和处理冲突的方法将一组关键字映 像到一个有限的连续的地址集( 区间) 上，并以关键字在地址集中的“像”作为 记录在表中的存储位置，这种表便称为哈希表，这一映像过程称为哈希造表或散 列，所得存储位置称哈希地址或散列地址。 3 m d 5 m d 5 的全称是m e s s a g e d i g e s ta l g o r i t h m 5 ( 信息一摘要算法) ，在 9 0 年代初由m i tl a b o r a t o r yf o rc o m p u t e rs c i e n c e 和r s ad a t as e c u r i t yi n c 的r o n a l dl 。r i v e s t 开发出来，经m d 2 、m d 3 和m d 4 发展而来。它的作用是让大 容量信息在用数字签名软件签署私人密钥前被“压缩”成一种保密的格式( 就是 把一个任意长度的字节串变换成一定长的大整数) 。不管是m d 2 、m d 4 还是m d 5 ， 它们都需要获得一个随机长度的信息并产生一个1 2 8 位的信息摘要。 m d 5 将任意长度的“字节串”映射为一个1 2 8 b i t 的大整数，并且是通过该 1 2 8 b i t 反推原始字符串是困难的，换句话说就是，即使你看到源程序和算法描 述，也无法将一个m d 5 的值变换回原始的字符串，从数学原理上说，是因为原始 的字符串有无穷多个，如不存在反函数的数学函数。 1 2 3 2 时域数字音频水印算法几种常见的时域数字水印嵌入算法有： 1 最低有效位方法( l s b )最低有效位( l s b ) 水印隐藏算法是将秘密信 息嵌入到载体数据中最简单的一种方法，属于时域隐藏算法。这种算法的基本思 想是：将秘密信号和载体信号均视为比特流序列，在隐藏秘密信息时，用秘密信 息的比特值替换载体语音信号中最不重要的比特值，达到在语音信号中隐藏秘密 信息的目的。 l s b 水印算法的特点和不足为：l s b 算法在8 位或1 6 位的语音采样信号中， 将每个采样点的最后一位作为替换位，可以获得非常好的隐藏效果和较大的隐藏 容量( f , 8 ；f 。1 6b s ，f 。为载体语音信号的采样率) 。经过嵌入后的复合载体 和原始的语音信号几乎没有差别。这一点可以从主观的听觉效果、嵌入前后的波 形比较和信噪比指标等得出。同时，l s b 算法简便，易于实现。但是，其不足也 是非常明显的。对信道干扰和数据操作的抵抗能力极差，一般的信号处理如滤波、 8 第一章绪论 压缩编码、时域缩放、缩放采样等都能导致水印信息无法恢复。 2 回声隐藏法回声隐藏法的原理是在离散信号f n 】引入回声a f n + a n 】， 通过修改信号和回声之间的延迟a n 来编码水印信息。水印提取时，计算每一个 信号片段中信号倒谱的自相关函数，在延迟a n 上会出现峰值。 回声隐藏法有很多优点，它对滤波、重采样、有损压缩等不敏感，嵌入算 法简单，但容易被第三方用检测回声的方法检测出来，易被察觉。由于在水印嵌 入时需要对信号进行分块处理，因此，水印提取时需要采取某种比较精确的同步 措施，否则会影响水印提取的正确率。 3 通过改变信号幅值的隐藏算法w e n - n u n gl i e 等利用频域掩蔽模型，通 过扩大或缩小三个相邻数据块的采样点幅值，保持它们的相对能量关系以嵌入水 印，提取时不需要原始信号，同步问题通过在水印信号中加入同步码字来实现。 它可抵抗m p 3 压缩、低通滤波、幅度归一化、剪切以及相同采样率的d a 、a d 转换，但不能抵抗重采样、样本精度转换、单声道、多声道转换和时间伸缩等攻 击。 1 2 3 3 变换域数字音频水印算法常见的在变换域中的数字水印算法有傅氏 变换域算法、离散余弦域算法和小波变换域算法等。 1 傅氏变换域算法相位编码是利用人类听觉系统对声音的绝对相位不敏 感，但对相对相位敏感的特性进行数字水印嵌入的。在相位编码中，载体信号首 先分成若干个短序列，然后进行d f f 变换，修改所有信号片段的绝对相位，同时 保持它们的相对相位不变，再通过i d f t 得到已嵌入水印信息的信号；在提取水 印之前，必须采用同步技术，找到信号的分段。已知序列长度，接收者就能计算 d f t ，并能检测出相位。该算法对载体信号的重采样有健壮性，但对大多数音频 压缩算法敏感。由于仅在第一个信号片段进行编码，水印容量很低。 2 离散余弦变换算法借助扩频通信的思想，可以将水印信号分散在尽可 能多的频段内。扩频水印技术可以抵抗有损压缩和其他一些具有信号失真的数据 处理。但是在水印嵌入的过程中会产生加性噪声，因此在水印嵌入时，需要同时 使用音频掩蔽技术，使得水印的嵌入对声音信号的听觉影响降至最低。另外，扩 频水印的提取算法较复杂，而且算法对于信号的同步要求较高，对于音频载体中 的变化健壮性差。 3 小波变换域算法小波变换是一种时频分析工具，它可以将信号分解到 9 广东_ 业大学硕士学位论文 时间域和尺度域上，不同的尺度对应不同的频率范围，对于音频信号这样的时变 信号而言，小波是一种很合适的工具，有许多基于小波变换的语音压缩和水印嵌 入算法。 1 2 4 数字音频水印系统的评价 目前，对数字音频水印的评价尚无统一的标准。学术界和工业界提出了一 些评估标准，其内容不尽相同。 1 2 4 。1 人耳的主观评价测试向听音者提供三个信号：第一个是作为参照的原 始信号，听音者知道它是原始信号；余下两个可能是原始信号，也可能是受攻击 信号，对听音者是盲的。听音者对余下两个信号进行打分，分值为1 0 - - - 5 0 ， 分别代表从非常差到感知不到改变的音质，采用的评分标准是i t v - r 制定的5 分 衰退等级。 由于该测试受人的主观因素影响较大，适合于作定性分析的场合。 1 2 4 2 信噪比信噪比( s n r ，s i g n a ln o i s er a t i o n ) 可对水印算法本身引起的 信号失真量进行定量评价。信噪比的定义如下： 1 4 - a ：1 2厶l s n r = 一l o l o g l o _ 了一 ( 卜1 ) 1 4 1 2 i = l 其中4 为嵌入前的音频，4 为嵌入水印后的音频。 1 2 4 3l f p i 水印稳健性标准国际留声机工业联盟( i f p i ) 在1 9 9 7 年对音频 水印技术提出的稳健性要求，可以看作是数字音频水印的最早标准。它要求水印 标记应满足以下要求： ( 1 ) 水印标记不能影响唱片的声音品质； ( 2 ) 使用任何方法都不能删除或改变嵌入的信息，除非声音差到不能用的 地步； ( 3 ) 水印经过以下变换后必须能够恢复：各种滤波和信号处理操作( 包括 两个连续的d a 和a d 转换) ；稳态压缩或1 0 的时间扩张；压缩变换( 例如：图 像m p e g 的数据压缩和多频带非线性振幅压缩) ；添加加性或乘性噪声；使用同 系统加入另一个标记信号；使用低音和中音频段产生群时延失真或高达1 5 d b 的 1 0 第一章绪论 频率响应失真；群时延失真和陷波滤波等。 1 2 4 4s tir m a r k 标准为了比较各种水印算法的优劣，应该有一个统一的测 试标准。英国剑桥大学的f a b i e np e t i t c o l a s 等人设计了一个通用的水印基准测 试软件s t i r m a r k ，从1 9 9 7 年1 1 月开始可免费下载并且公开了源代码。 s t i r m a r k 采用模块化设计以方便用户选择测试项目，测试的主要内容有： 感知性、算法容量、稳健性及速度等。 为了评价水印算法的健壮性，s t i r m a r k 根据攻击模式，提供了动态改变、 滤波、回响、转换、有损压缩、添加噪声、调制、时域拉伸和基音改变及样点置 乱等攻击方法。 1 2 5 水印检测指标 采用归一化相关系数( n o r m a l i z e dc r o s s - c o r r e l a t i o n ，n c ) 对抽取的水 印和原始水印的相似性进行定量评价，定义为： p ( 国，q ) m ，一1| v 一1 国( f ，歹) 皑( f ，j f ) i = o j = o ( 1 - 2 ) 其中c o 为原始二值图像，q 为提取出来的二值图像，如果该归一化相关系 数超过某一阈值t ，就判定数字音频信号中存在此数字水印( 阈值t 由用户根据 数字水印的具体应用背景而确定的) 。 1 3 问题及难点 现阶段数字音频水印技术的研究中存在以下的若干问题及难点： ( 1 ) 现有的算法在水印图像的加密部分中，采用幻方变换、二维a r n o l d 变换或者 一维l o g i s t i c 映射对水印图像进行置乱加密。这些加密算法具有一定的加密效 果。但是，寻找一种加密性能更好的加密算法，应该得到应有的重视。 ( 2 ) 现有的算法多为l 比特水印算法，即只能判断音频信号中存在水印或不存在水 印。而对多比特水印算法及水印的同步问题在许多论文中并没有得到应有的重 广东工业大学硕士学位论文 视。此外水印通道的信息量容量的大小也没有进入深入的研究。 ( 3 ) 现有的算法对水印模型的建立也没有进行深入的讨论，一般都是提出一种算 法，然后用若干音频段进行算法实验仿真，给出测试性能，最后给出一些实验结 论。为了保证水印算法对各种音频的稳健性和安全性，应从理论上建立水印系统 的模型并进行攻击误差分析。 ( 4 ) 现有的算法几乎都不能对抗几何变换攻击，如伸缩攻击、随机裁剪等，大多 数的研究对此也进行了回避。但随着研究的深入进行，学术界也提出了一些可以 在一定程度上抵抗几何攻击的算法，但离完全解决这一难题还有很大的距离。 ( 5 ) 相对于人眼对颜色的感知，人耳对不同频率的敏感程度差别很大，其中对 2 0 0 0 h z 一4 0 0 0 h z 范围的信号最为敏感。而在低频区和高频区，能被人耳听到的 s p l ( s o u n dp r e s s u r el e v e l ) 要高得多。所以，如何根据人耳听觉的特点来选择 水印的嵌入位置，提高水印的不可感知性，是研究的难点之一。 ( 6 ) 相比静止图像，音频信号的数据量要大得多，因此，很多算法要分块处理， 这样必须考虑块与块之间的一些问题，例如考虑怎么分块才是比较合适的。另外， 声音是一种非平稳信号，在对声音进行分块变换时，需要考虑信号的时变特性。 ( 7 ) 在数字音频水印的研究工作中，还缺乏统一的、系统的标准来对比不同数字 音频水印系统之间的性能差异。虽然现在己经有几个用于测试数字音频水印性能 的软件，女8 s t i r m a r kf o ra u d i o ，但还没有出现象图像水印中的l e n a ，b o o b o 等 用于测试的标准样本。因此，众多研究者在进行仿真实验时，往往是根据自己的 喜好或方便来选择不同的音频片断来进行测试，这样就给客观地评价水印算法的 性能造成了很大障碍。 1 。4 主要研究内容及各章节安排 本论文着重研究了水印图像的加密、水印图像的嵌入、水印图像的提取和 水印图像的解密，提出了基于超混沌序列加密的数字音频水印算法。算法的加密 部分使用超混沌序列对水印图像进行加密，嵌入部分根据h a s 原理自适应选取 出有效的音频段，在混合域上根据所选取的音频段的特点分级嵌入水印信息。具 体的内容分为： 第一章简要介绍数字音频水印的概念、目的、意义、发展现状、数字音频 1 2 第一章绪论 水印技术、研究的问题和难点、研究的主要内容和各章节安排。 第二章介绍整个算法的设计思想，给出算法的构成示意图，并对各部分进 行粗略描述。 第三章介绍水印图像加密部分。其中包括水印图像的生成、超混沌序列的 产生、水印图像的置乱加密、利用超混沌序列加密的优势和水印能量对稳健性的 影响分析等内容。 第四章介绍数字音频水印的嵌入部分，并介绍所用到的嵌入方法。其中包 括自适应分段分析、人类听觉系统( h a s ) 的介绍、自适应嵌入数字音频水印算 法分析、量化嵌入水印算法分析和分级嵌入方法设计。 第五章描述了数字音频水印的提取和水印图像的解密设计。 第六章展示了实验结果和数据表格，并对实验结果、鲁棒性和安全性进行 分析。 最后对全文进行总结。总结所做的主要工作以及取得的成果，指出不足并 对将来的研究工作进行展望。 广东t 业大学硕士学位论文 第二章基于超混沌序列加密的数字音频水印算法 基于超混沌序列加密的数字音频水印算法采用超混沌序列对水印图像进行 置乱加密，产生了多个密钥。在解密的时候，算法需要多个密钥，这就大大增加 了水印被破解的难度。在嵌入水印的时候，根据h a s 原理，选取出有效的音频段， 采用混合域和分级嵌入相结合的方法，选择能量较大的离散小波变换的第h 级近 似分量的离散余弦变换的中低频系数上分级嵌入水印信息。这种嵌入算法大大提 高了水印图像的鲁棒性和不可感知性，并且属于盲检测水印算法，盲检测是在提 取水印的过程中不需要原始音频信号，具有较高的使用价值。 2 1 设计思想 研究对象是数字音频水印，选用标志着版权保护或内容检验的一些标志性信 息的二值图像作为水印，选用采样频率为