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南京理工大学硕士沦文 用于语音内容认证的数字水印算法研究 摘要 数字水都作为一种数字多媒体保护技术，近年来蕊展迅速，被公认是解决多媒体 信息安全的一种有效手段。数字水印技术可以用予舨权保护、多媒体认诞等方瑟。摆 对于图像水印技术，语音水印技术研究相对较少。本文重点研究了语音信号的内容认 证技术，以区别内容保留操作和恶意篡改操作，对提出的算法进行了实验分析，验证 了算法的有效性。 论文主要磅究：】二作如下： ( 1 ) 系统综述了脆弱性数字水印技术的概念、框架、性能要求及其特性；同时介绍了 现有的音频水印技术方法，并给出了音频水印的主要攻击手段和几种常用的评价 标准。 ( 2 ) 在语音产生模型的基础上研究了一嵇基于该摸型娓半脆弱性数字水印算法，通过 对语音信号的线谱对( l s p ) 参数嵌入水印信息来实现。实验分析表明，该算法对信 粤幅值的比例缩放具有鲁棒性，而对高斯臼噪声具有半脆弱性，因此适用于语音 认证。 ( 3 ) 提出了基于语音编解弼信嗓比的小波域语音认证水印算法，根据编解码的信噪比 确定爱化步长，保证了水印的不可感知性。实验分析可以看出：算法对各种常用 的内容保留操作( 重采样、高斯自嗓声、压缩等) 具有较强的鲁棒性，而对恶意 篡改非常敏感。 ( 4 ) 提出了一种基予语音特征的半脆弱性语音水印算法，将每帧语膏信号的特征参数 嵌入到该帧的小波变换系数中，利用特征值的变化来进行认证；为了增加算法对 内容保留操作的鲁棒性，本文还提出了“多帻集体翔定”的方法，克服了单喷涮 定的缺陷。 关键字：数字水印半脆弱性 内容认证语音模型语音特征 第1 页 南京理工大学礤士论文用予语音内容认证辩数字水印算法研究 a b s t r a c t a sam e t h o df o rd i g i t a lm u l t i m e d i ap r o t e c t i o n ，d i g i t a lw a t e r m a r k i n gh a sb e e n d e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n ty e a r sa n d i th a sb e e nr e g a r d e da sa l le f f e c t i v es o l u t i o nt os o l v e t h es e c u r i t yp r o b l e mo fm u l t i m e d i a d i g i t a lw a t e r m a r k i n gi su s e df o rc o p y r i g h tp r o t e c t i o n ， a u t h e n t i c a t i o no fm u l t i m e d i aa n ds oo n h o w e v e r , c u r r e n t l ya v a i l a b l es p e e c hw a t e r m a r k i n g t e c h n i q u ei sf a rb e y o n dm a t u r ey e tc o m p a r e dw i t ht h ei m a g ew a t e r m a r k i n g t h i st h e s i s f o c u s e so ns p e e c h 。c o n t e n ta u t h e n t i c a t i o nw a t e r m a r k i n g 采g o f i t h m 遗o r d e rt 。d i s t i n g u i s h v a r i o u s c o n t e n t p r e s e r v i n go p e m t i o n s f r o mm a l i c i o i l s t a m p e r i n g e x p e r i m e n t s a r e p e r f o r m e d t ot e s tt h ee f f e c t i v e n e s so f p r o p o s e d 越g 砸畦l f n s t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n dc o n t r i b u t i o n so ft h i st l e s i sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h i st h e s i ss y s t e m a t i c a l l y d e s c r i b e st h e c o n c e p t ，f r a m e w o r k ，t h et e c h n i q u e r e q u i r e m e n t sa n do t h e r t r a i t so f 矗毽鲫ew a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e s ，s u m m a r i z e sa l lk i n d s o fe x i s t e n ta u d i o w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m s ，f i n a l l y i n t r o d u c e st h ea t t a c k sa n d b e n c h m a r k so fa u d i ow a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e s ( 2 ) as e m i - f r a # l es p e e c hw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do ns p e e c hm o d e li sr e s e a r c h e d ， 。w h i c h i sr e a l i z e d b yq u a n t i z a t i o n o ft i n e s p e c t r u mp a i r ( l s p ) p a r a m e t e r s e x p e r i m e n t s s h o wt h a tt h ea l g o r i t h mi sr o b u s ta g a i n s t a m p l i t u d es c a l i n g a n d s e m i - f r a g i l et ow h i t en o i s ea d d i t i o n ，, a n dt h u ss u i t a b l ef o rs p e e c ha u t h e n t i c a t i o n ， ( 3 ) as p e e c hc o n t e n ta u t h e n t i c a t i o nw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do ns n ro fs p e e c h c o d e ci nw a v e t e td o m a i ni sp r o p o s e d t h es t e po fq u a n t i z a t i o ni sc a l c u l a t e db ys n rs o t h a tt h ei m p e r c e p t i b i l i t yo fw a t e r m a r ki s g u a r a n t e e d e x p e r i m e n t ss h o w t h a tt h e a l g o r i t h mi sr o b u s ta g a i n s ts e v e r a lo p e r a t i o n s ，s u c ha sr e s a m p l i n g ，w h i t en o i s ea d d i t i o n ， c o m p r e s s i o na n ds oo n ，a n di ss e n s i t i v et om a l i c i o u st a m p e r i n g ( 彤as e m i f r a g i l ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mw h i 穗t a k e ss p e e c hf e a t u r ea sw a t e r m a r ki s p r o p o s e d t h ed e c i s i o ni sm a d eb yt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ef e a t u r eo fw a t e r m a r k e d s p e e c ha n de x t r a c t e dw a t e r m a r kf r o me v e r ys p e e c hf r a m e 赫o r d e rt oe n h a n c et h e r o b u s t n e s sa g a i n s tc o n t e n tp r e s e r v i n go p e r a t i o n s ， m u l t i - f r a m ed e c i s i o n ”i sp r o p o s e d w h i l ed e c i 惑o nm a d eb ys i n 辫ef r m n ei sn o tw o r kw e l l x e yw o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，s e m i f r a g i l e ，c o n t e n ta u t h e n t i c a t i o n ， s p e e c hm o d e l ，s p e e c h f e a t u r e 第m 嚣 声饔 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文孛，豫了加以标注帮致滏的部分接，不包含茭傻久已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历丽使 用过的车孝料。与我一圊工作的同事对本学僚论文做出豹贡献均已在论文 中作了明确的说踢。 研究生签名：垄出垄加f 年7 月4 日 学位论文使用授权声明 甫索理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全都内容，可以向有关帮门或机构送交荠 授权冀保存、簧圈或_ 匕弼公布本学位论交韵部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理： 瘴衰建工大学联童论文建于语音海帘辕涟豹彀宇承豫舞榷研究 重绪谂 l 1 论文的避艨背景和研巍意义 辕羞痿感技拳约进步裙谤冀撬辩络麓逶速发襞，数字箩漂棼( 数掌巨豫、数字程 颥、音频及挺维诗算祝鬣形 靛疲甭取褥了谅入翡敷麓，越来越多豁数字窳侮遥过两 络进行传输，数字媒体眷帮模羧媒律笼法跑攒豹优点，如数字信警穰容易进符编辩， 可敬罐方便、楚壹、羌失嶷懿复翻，数字声音、文零、图像和镘顿暴予透过奄子豹残 耪莲熬系统低徐翥效逸邈这餐戆黎势配等。鼗字媒体鹃这莹霞纛一隽嚣器逡了嚣箕蘸 技术麴发袋耩计算枫弼络，特澍楚i n t e m e t 携发震；翁一方西又带来了薪懿简麓，帮 对数字多媒体靛髹护。 黪数字多蒴l 髂熬器势势秀嚣个嫠分：一是黢援辍笋；篡燕藩器裳整蕊、毖实犍 等 穰笋，鬻诀谣。关予雾媒俸静舨檄保护已有论文瀚避魏，嚣多媒磐诀蔹，藏泛露 年来戆着计嚣掇多媒俸按零霹阙络援承豹茨展褥产懋劳菱袋起来的，当藩黪辫凌方案 主要集中程脆弱毪数字求龌技零壮瓢。 囊予数字多攥僖易予被修浚，翟鞲在箕蠹容受戮搭疑蕊辩镤，一令憝够霹黎验证 篡改发生露露熬囊傍鉴嬲簌绞裁显褥游鬻羹要瓣。磐谯许多应怒数据零熬场含，所有 者或授权者一般对于数字稚晶麓奏伪验涯是感兴趣熬，因必缝髋 # 常关心骤番数字作 瑟是否旋簪黢遥；舞在溪漤数攘露串，暴鸯鹜缘爨露发生变毒| 二，辩予诊蘩缝栗愚 # 豢 重要魏；叉如在法庭上，不论怒拔番，还是原豢豹溅a 提供夔转为涯撂豹照片或声磐 资料，虫予法富剽颧是以辫实为依据，因北必须爨诞这些资料的嶷实缓，才能为正礁 避爨寨提供肖力餐涯据；凌赣麓出服壤棼j 杂志筵，互作人员必矮貉正鸯恶意攻壹者瓣 蘑发表照片进行篡改嚣繁采弱损失；在军事嚣络遴德巾，落謇蠹餐瓣囊糖鉴别魂会彩 响到国家姻安全。艨考这然应熙，郝爨求对数字多嫩体信息鲍宠憋性与真伪 生避行验 涯。 谈及数学多攥露蠹辫谈汪，莺先液警鬟及熬爨，盔镶奎逶籍孛舆骞重要律爝匏鼗 字签名技裂钔。大容知邋，在保密通僚中，信息发送者是用其私铡，通过对魇传内容 进行加密落簿米德到签名黼数，由于发傣蠢的私钥只裔他本人才搿，所以他一熙完成 了签名，倭傈涯了发绩太蠢法援蔟彗发过滚售惠( 瑟苓霹羝羧瞧) 。骜信惠跤浚毒牧 至口报文詹，就可以用发送者的公识对数字签名鹃真嶷性进露验诞。经验证_ j 巴谈瓣签名 电文，即确保撤文信息在缀签名后来被熊改。数字懿名尽管可以姆所传内容越存放， 也可攀独襻放，但数字多媒体信息经越趣密后，容翳弓l 起攻击嚣既好奇和注意，并舞 被玻洚豹霹驻缝，褥一巍蕊密文箨经过致瓣詹，箕漆客裁煮全邂鹱丁：嚣盈窝义苓鑫 许一点点的改动( 甚至毹括一般传输中的压缩) ，褥则接收者无法恢复正确信息。在 繁l 囊 1 绪论硕士论丈 数字多媒体数据量如此巨大的今天，尽管压缩技术是为了提高传输的速度不得不采取 的有效措施，但也可能造成有用信息破坏阍。而近年来发展起来的脆弱性数字水印技 术则克服了传统数字签名技术的缺点。所谓脆弱性数字水印技术就是在保证多媒体一 定视( 听) 觉质量的前提下，将数字、序列号、文字、图像标志等信息嵌入到数字多 媒体产品中，当数字多媒体受到怀疑时，可将该水印提出用于多媒体内容的真伪鉴别， 并且指出篡改位置，甚至攻击类型等。 从以上的分析可以看出，对于知识爆炸和科技发明层出不穷的时代，数字产品的 内容真伪鉴别是摆在人们面前需要迫切解决的新问题，而脆弱性数字水印技术是解决 这类问题的一种非常有效的技术；同时它又是一个多学科交叉的技术，这又给研究工 作带来一定的难度和挑战性。因此，无论从理论角度还是应用角度来看，开展对脆弱 性数字水印技术的研究，不仅具有重要的学术意义，还有极为重要的经济意义。 1 2 国内外的研究现状 数字水印开始提出主要用于数字图像。此后，研究人员将数字水印的概念扩展到 视频和声音等领域。国际上在数字水印方面的研究开始于1 9 9 2 年，但是由于水印技 术表现出作为解决多媒体保护问题有效手段的良好应用前景，引起了国内外一些大公 司的关注。目前开展数字水印研究的大公司有母m 公司w a t s o n 研究中心，微软公司 剑桥研究院，贝尔实验室等，美国军方和财政部也给予了支持。近几年来，该领域研 究的发展速度非常快，i e e e 的t r a n s a c t i o n 及许多国际重要刊物都组织了数字水印的 技术专刊，s p 砸和i e e e 的一些重要的国际会议还开辟了相关的专题。 我国学术界的反应也很快，一些科研机构和大学投入到该领域的研究中，并且取 得了许多高水平的成果。1 9 9 9 年1 2 月何德全院士、周忠义院士、蔡吉人院士与有关 应用研究单位联合发起召开了我国第一届信息隐藏技术学术研讨会，以促进国内信息 隐藏技术的研究工作。随后的几年里，第二属至第五届信息隐藏技术学术研讨会相继 召开，每届会议都取得了很好的交流效果，其中数字水印技术作为信息隐藏的一个主 要分支，得到了与会专家学者的深入研究和探讨，促进了数字水印技术的快速发展和 应用。 当前脆弱性数字水印的研究主要从完全脆弱性水印、半脆弱性水印、自嵌入式水 印三个层次进行研究。其中，在完全脆弱性水印的层次上，如何有效地抵抗“伪认证 的攻击”是一个急需解决的问题；在半脆弱性水印的层次上，目前主要集中在能够抵 抗各种压缩和常规信号处理等的脆弱性水印算法，如何有效的区分常用的内容保留操 作和内容篡改操作是一个很有意义的研究方向；在自嵌入式水印层次上，最重要的功 能就是要能对篡改进行定位，并且恢复被篡改的内容，因此如何能够有效的恢复被篡 改的部分是这个层次的主要研究问题。目前大多数的脆弱性水印研究均集中于图像水 第2 页 南京理工大学碛士诗文精于谱音礴霹试诞的数字承鄢蒜睡研究 鼙醵磺究降塌，嚣黠謇褥簇，特裂是语鬻麓麓霸毪承球技米曩 j 礤究煞 # 豢少。个宪 麓匏数字多媒体产最囊伪撩剥系统瘦该包捶嚣椽、瀑啻懿及考携颓，爱苏辩予多媒俸 磐令悫容熟冀伪鉴别磺究郄是耍急霉瓣决的。 憨之，积蘸黠于多嶷钵产晶囊谯熬裂方蕾约求印麟究还远寒藏熬，遗鸯许多泛题 鸯待予瓣凌。 1 3 本论文赍孽狮究正稚发章节安捧 零漾溪采源手鏊家巍然耱学蒸金( b k 6 0 3 7 4 0 6 6 ) “绩惫憨藏驰撬德摸墅覆篡盛焉 磷究”，本文支要疆究疆豢痿号赘凌客试 萎算法，蔡爨熬莛裁够嚣嬲警逶弱疼寮缳留 操作_ 耱恶懑孵滤容簇教竣潞，文孛对掰张拳赡弱性落鬻术零雾注遴符了硬究、炎验每 分褥。全文懿建銮安捧鳃下： 纂l 豢蹙缝论部分。 繁2 鬻嚣先壤述了燧弱缝数字痰躲技术的耀美知识，从其蠛念框架、性能要求躲 受度，探键了脆弱性数字零印懿特性；然髓对入耳孵燮特瞧进行了简孽鹣会缨，最后 奔籍了瑶脊髓些啻羲求露方法，黉鲶象了夸颓承帮童要熬攻鑫警较露a 癸黉蔻耱浮 价捶撩。 第3 攀介缓了语誊臻罨的产生模型及其线性獭测分析方法，研究了一种基予该榛 登夔享凌鹗毽窳鼙纂法，劳霹算法逐褥了实验努耩。 第4 鬣舟缓了种基于语音缡艇确信噪比的小波域半脆弱性数字求印算法，分别 针对伪随帆序列水印萃畦潺嵌特征水印进行了实验，分析了它们的髋能。 豢5 露对零文懿工稼遴纾了总结，著对浯蠹信号淹容认证算漩存在的斑鬈撵毖了 改遘意见。 幕3 菱 南京理工大学磁士论文糟子谱音内霹试证的数字承印算法研究 2 薅嚣牲鬻颏曩字承露技寒 2 1 筑弱搜数譬永印搜零檄述 赣藿多攥薅瓣络逶穰按零鹣飞速发震，数字爨转熬安垒维护溜瑟瑟蔻突爨。蟊蘸， 采用数字水印技术进行数字媒体的认诵己成为信意认证领域静研究热煮( 主娶集中在 图像方面) ，用于媒体认诞的数字承印艘包括完食脆弱饿数字水卵和半脆弱髋数字 痰鼙。 2 。1 1 搋弱僚数字永印的概念及分癸 艟弱馊数譬承零就怒农保涯数字媒体攘患一是援擞( 孵堂) 威爨熬兹提下，姆与 媒薅蠹容裰美袋誉辖关鲍椽悫痿惠终隽瘩零壹攘嵌入薹# 媒体蠹容巾，当媒俸蠹容器要 认涯辩，霹褥水露提取凌来以鉴定其怒雷冀实完整，弗星孬为媒体囊实毪窝宠熬瞧瀑 护，水印零寤应对篡改舆鹰定的敏感性靼脆弱性， 一般博况下，根摆求姆识别篡改麴链龙可以将冀分为： l 完全脆弱戆鼗享永霹( f r a g i l e w a t e r m a r k ) 完全脆弱性数字水期主要应用予精确认证。它鼹纂本鲍侄务搬的是永印能够捡测 出任何对媒体敬动的操作城媒体完整性的破坏操作。即媒体中程一个比特的信息被改 变，诀话舔将茺法逶避h 3 1 ，熟在医学强缘数据痒串，塞予鹜像静一点点浚动郝霹戆会 影响最后的诊断结果，鞠她要求嵌入的水邸就应当瘸子完全脆弱帔数字承印。 ( 2 ) 半臆弱性数字水印( s e m i - f r a g i l e w a t e r m a r k ) 赣确认涟遥鼹予多张场合。铡熟，文零信患蔹教变了一焉拿字符一困必仅仅涉 及凡个眈耨就麓交戒安疆上完金不霹盼海惫。但袭鬻像或税额、帮簇葵舞中，乡董援： 特的改变不会造成原作塞腹上的改变。事实上，在开放的网络环嵫中，如媒体的有损 压缩她理怒不可避免的，瓶这嵇处理会改变媒体中的许多比特，缎在秘觉( 听觉) 感 翔上不会逡袋锰簿改交，毽是这类焚溪一般苓会逶遴耱礁诀谨。慧戆来说，完全藤器 性数字水印的备棒性太麓，其无论对惑意篡改还是尉正常的媒体娥理都非常敏感，实 用性不强。因此，同时舆衡脆弱性釉静棒性两种功缝的半脆弱性水印应运而擞，半脆 嚣挂承露褒蜜瑟一定程度懿零冕僖号处理操终匏同粒，还霹敷把藏鬻嚣信号处趣鞍恶 意篡改区剐对待【措l 。篡改发生时，遵曼脆弱水印认证黎统不仅可以毽供篡改静破坏嚣及 篡改位置，甚至可以帮助分析篡改类激。 2 。1 1 2 燕嚣拣数字永窝懿一般糕黎 佟必数字媒嚣奏癸缝程完整瞧绦护懿纛弱援水露浆添麴与一缎承露懿添热在藤 理上是基本攘嗣的，从数孛镕号处趱晌焦度哥敷爨感是慰原始媒体熬调铡避糕。霪 纂s 夏 2 舱弱性音频数字水印技术硕士论文 2 1 与图2 2 分别给出了水印的添加与数字媒体的认证框图( 其中虚线为可选内容) 。 l 图2 1 水印的添加过程 图2 2 媒体的认证过程 由于脆弱性数字水印要检测出篡改位置并进行定位，因此，在一般情况下，在水 印添加时，嵌入的水印信息可以是与原始媒体内容相关的信息( 如提取原始媒体的内 容或特征作为水印信息) ，也可以是与原始媒体内容不相关的信息( 如由密钥创建的 随机序列或标识创作者版权的二值商标图像等) 。首先根据要进行真伪鉴别的层次对 原始媒体进行特征提取，再将水印信息嵌入到原始媒体中，就得到添加水印后的媒体。 在媒体验证时，通过水印提取算法提取出水印，将之与原始水印信息相比较，若二者 一致，则认为媒体未被更改；若二者不一致，则认为媒体已被更改，并给出有关媒体 改动的详细信息。若提取出的原始媒体的内容或特征作为水印信息嵌入媒体中，并确 保水印的嵌入不会改变媒体的这些内容或特征，则媒体验证时，只需将提取出的水印 信息与被测媒体的相同内容或特征进行比较，而不必再另外提供原始水印信息，根据 比较结果来判断媒体的真实性与完整性。目前存在的各类水印算法，其区别主要在于 水印信息的生成和嵌入两个方面。 第6 页 鸯索理z 丈擘磺士豫丈掰子语音蠹释扶鹾懿蠡字采罐冀法研究 2 1 3 艨嚣热数字拳枣器滚怒趋耀关要求 魏弱槛数字承窜圭簧癍焉予媒体瓣防篡改。敬游篡改滔蘑霹骧定义旁：辫子给 澎豹( 慰斑豹簸媒体必m ) 霹疑媒体搬，懿榘在誉辩遂巍始媒体醚豹倦琵下列凝 m 巅? 菪栽确定m = 鹾，瓣谈隽氧耋 蹙爵僖懿。在发送蕊，穗承印偿号嵌入到德主媛 髂孛，在接黧媾疆襄这些表露麓苏捡灏宿主摸薅跫器援篡羧，辩蒸2 3 簧示。 阔2 , 3 熬改梭潮流程稚蹋 簸主瑟熬势稽哥戳餐凌，数字爨薅谈谜翡纂本嚣戆是麓溅臻髂是否获瑟意 安金性 系统澎篡骞 囊强筑撬# 法薮簿纛力，璐受凌鑫誊骧泽拳露券绞詹 洼复爨、镌避 承露攥俸，搜褥篡泼爱懿媒薅钹然熊裟捡溅器接受。戆骣缝数字求辩技零熬安垒往来 源予弼令方露：一个是它缝不霹燮察镶，这毅嗣是爨然器孛一些擞物的伪装篷，减少 了其技攻赘鹩讶能瞧；= 是采塞传统窦码学对傣息豹保护。嚣一个脆弱性本霹黎绕嚣 走蠢囊篷瘸避，一觳寒涎，窳露系统麴舞法应该是公殍瓣，这襻表露稳安全馥簸完全 婊赖予密铡，嚣此密钥黪搜索空间应该足够大，以熊敬瘫考接颤爨懋钥线想如滋减少 密镄的搜囊空解。 ( 3 零靠萑 系统成具蠢较小豹谖捻率秘漏捡攀，虫子认迸捡澳l 结果直接笑容到嶷体蚋爨伪及 其赝具有的价馑大小，暇j 蛙：误梭率秘灞检率是浮债黢弱性水印畚绫性熊的重要搬标， 魂 蒹硷溅懿准橇霹靠应惑袋涯系统设诗的美建。 ( 4 ) 捡溺孵不需要骧赚媒体( 盲硷测) 脆弱饿水印是以媒体认证为目的艘，所以在提取_ 和检测时誉成该需要威贻煤体， 纂事菱 2 脆弱性音频效字水印技术 硕士论文 否则就失去了认证的意义。 2 1 4 脆弱性水印与鲁棒性水印的区别 脆弱性水印的目的是检测出数字媒体在传输或分发过程中是否被非法编辑、修 改，破坏或恶意篡改过；而鲁棒性水印是为了保护数字媒体的版权。由于目的不同， 所以脆弱性水印与鲁棒性水印具有较大的差别”j 。 ( 1 ) 对媒体变化的敏感度不同 由于脆弱性水印要求能够检测出被保护媒体上的任何非法改动，所以要有足够的 敏感度；而鲁棒性水印则恰恰相反，他要求对一般的媒体处理和攻击操作不敏感，在 含水印媒体经过处理或攻击后还能够提取出有用的水印信息。 ( 2 ) 对嵌入水印后的媒体的质量要求不同 因为脆弱性水印是用来保护数字媒体内容的真实性和完整性的，所以要求它本身 对原始信息的影响要尽量的小；而鲁棒性水印在这个方面没有严格的要求。 ( 3 ) 需要抵御的攻击不同 鲁棒性水印需要抵抗的攻击可分为基本攻击、鲁棒攻击、表示攻击、解释攻击等， 而脆弱性水印则不需要抵御以上的攻击，只要抵抗“伪认证”攻击，因为对脆弱性水 印攻击的目的不是要将水印信息移去或使其不能被检测到，而是在篡改多媒体内容的 同时不损坏水印信息。 ( 4 ) 检测时需要的信息不同 鲁棒性水印在提取时一股需要原始媒体，而对于脆弱性水印正如2 1 3 节( 4 ) 所 述，检测时不需要原始媒体这一要求。 2 2 人耳听觉系统特性 在音频文件中嵌入水印的方法有很多是利用了人耳的听觉系统特性蔬“。人耳 听觉系统对音频文件中附加的随机噪声敏感，并能觉察出微小扰动，它具有复杂的特 性，涉及到有关心理声学和生理声学方面的问题，通常需用非线性模型表示。心理声 学的一个重要特性就是人耳的掩蔽效应，声音信号在人的听觉系统中会经过非线性加 工，掩蔽效应正是由于这种听觉的非线性引起的常见心理声学现象。人耳听觉系统具 有如下一些特性“： 首先，人的听觉具有掩蔽效应。掩蔽效应是指一个较弱但可以听到的声音由于另 外一个较强的声音的出现而变得无法听到的现象。掩蔽的效果依赖于掩蔽音和被掩蔽 音的时域和频域特性。因此，听觉掩蔽可以分为频域掩蔽和时域掩蔽。 频域掩蔽指在频域发生的掩蔽现象。如果在一定频率范围内，同时存在能量相差 一定程度的一强一弱两个信号时，弱音不被入耳察觉，即被强音“掩蔽”掉，则较强 第8 页 南煮理工大学磺童论文蔼子谱音舞释试诳静数字承帮冀法蒋究 懿音称力掩蔽蜜，弱毒豫舞装整袋音。把一令缝誊落律淹爨掾，翅聚它鲍声嚣级低予 绝黠阕蠖( 嶷静霹兹辑溯篷) ，它是辑誉见豹。出乎令较强壤芍麓存在，瞬赞阏值 不冠子安静拜尊的嘲值，农接近较强信母频率的频攀怂，听觉阕毽鼗熄毫，叛阈德称为 掩蔽溯篷，獭信号的声聪缀低乎掩蔽耀德簿，它被掩羧。一个掩蔽皆盼掩蔽阕链依赣 予频攀、声蕊缀敬爱掩鬣箨竣楚蘸售每懿缝砉藏噪声将缝。售号颡搴筵褰魏整器被蓬 旋。 辩域掩藏是棚邻时腭上的声音之闻的掩放现象，分为超前掩蔽( p r e - m a s k i n g ) 和 海磊蕤菠( p o s t - m a s k i n g ) ，超嚣撬簸燕撂较强熬蔻羧誊燕臻之懿较骣豹接掩鬣誊菱法 昕剜，潞磁掩蔽是指较强歙掩蔽音漕失之詹较弱的被掩蔽素无法龋掰。产生辩城掩蔽 的主要原麒鼹人的大脑处耀信息需要裁费一定的对阅。一般来说，超前掩蔽很魍，只 鸯大懿5 2 0 m s ，凝港露掩蔽霹以持续5 0 2 0 0 m s 。这个区澍也惹缎骞彝理勰鲍。 其次，入耳对声音德器豹绝对稻位不被感，嚣必对其据簿稳经敏感。 另外，人耳对不同频段声音的敏感程度不同，通常入耳可弧听见2 0 h z 一2 0 k h z 的 僖号，但瓣2 k h z 4 k h z 藏匿内的信号壤为敏感，幅魔很低的信蟹也能被听见，而程 低赣嚣蟊嵩蹶莲，缝被入莓褥霆黥营露穰凄要塞褥多。帮嫠露箍秽声蓬缓弱声音，爻 耳实际感受到的音量也怒随频率面变化的。 ： 2 3 啻颡数譬永瘁技零综述 2 3 1 常用黥啻频数字承搿技术方法 扶薅究承印嵌入技术的角发考虑，一般援撂拳邸嫩入域鳇誉翳，霹把水印爨法分 隽薅域求印冀洼器交换域窳鼙算法。箭誊煮接褥承秘售怠嵌入戮音频信号戆辩域选定 熬采撑数攥孛，主要骞壤不重要燕法( l s b ) f 勰、瓣声憋藏雾滚( e c h o c o d i n g ) 扛3 】； 秀压卷善焱对音频绩号豹袋榉数摄邀镑适当黪变热( 鲢可以全嬲避纷选霹以分段进 行) ，然慧将求翠继患敷入到变换域选定懿系数上，最后避过甥成的爱变换璧掏燃鑫 孝窳窜售惠熬攥嚣售芎，嚣爱囊爨竣骞洼鸯褒觳薅立靖交换法( d f t ) l l 睨l l 、离散衾 弦变抉法( d c t ) 嘞、离教小波变换法( d w t ) t 3 s - 4 2 ) 以及糨馒溅c 1 0 1 等。 2 3 。1 1 鞋域啻颓数字朱辩捧法 l s b 拳露葬法是一辩最篙荜煞数铤嵌入秀法。镊旃嚣穆密数瀑都霄踱誊稼燕一枣 二迸澍位流，雨音额文件的每一个采榉数据也是二避寄数来表看专静。这样，胃戳将每 一个袋撵德藤最琴重要彼，多数请凝下为最低位，翔代表秘密数搭豹：透露9 使替捺， 爨达戮在帮蒺痿号孛缡娼逡秘整数强麓委戆。该方法零：旁麓荸易嶷瑗，誊颗繁鸯蕞壤 磷静数嚣蘩天，永铎嵌入_ 葶嚣撬敲黧法褥单、侠速。蕊繇点慧露袋黧信号处臻技术毙较 敏感，抗干扰缆力差，噪声、蘧缩，滤波、重采样镣都会破坏承球数据，爨忿安瘸徐 鬟9 夏 2 脆弱性音频数字水印技术硕士论文 值较小 回声隐藏水印算法也是一种时域水印算法。所谓回声隐藏，就是通过引入回声的 方式将水印信息隐藏到载体数据中。它利用了人类听觉系统的特性之一：声音信号在 时域的滞后掩蔽作用，即人耳对跟在强音信号后面的弱信号是不敏感的。这种方法是 将原始信号分段，每一段都嵌入一个回声。嵌入算法将载体数据以一定的衰减程度延 迟一定的时间叠加到原始载体数据上以产生回声，可以用不同的延迟时间标志水印数 据的“0 ”和“1 ”。系统的参数包括回声的延时和幅度回声的最大延时必须小于人 耳觉察到失真存在的下限。一般情况下，延时范围应取在5 0 m s 。2 0 0 m s ，大于2 0 0 m s 会影响水印的隐蔽性，小于5 0 m s 会增加水印提取的难度。提取过程是通过计算编码 信号倒谱的自相关、搜索其峰值出现的位置来实现的。回声隐藏不是将水印数据作为 随机噪声嵌入到载体数据中，所以对一些有损压缩具有一定的稳健性，但其缺点是容 易被第三方察觉。 2 3 1 2 交换域音频数字水印算法 变换域水印技术是通过修改变换域系数来隐藏水印。常用的变换域方法有d f t 、 d c f 、d w t 以及相位法等，前面的几种变换主要是在变换系数的幅度值上进行水印 信息的嵌入，而相位法则主要是在d f t 变换系数的相位值上进行嵌入的。 离散傅立叶变换( d f t ) 方法对某一帧音频信号频域系数的修改被扩散到该帧所 有的时域采样点。而且，如果水印的频域嵌入只影响频域系数的幅度，提取水印时可 以不要求水印信号的精确同步。因为帧起始位置的偏差会引起频域系数的相位发生变 化，对幅度影响不大，故只要提取时的一帧信号与嵌入时的一帧信号绝大部分重合就 可以正确恢复出水印信号。将水印隐藏在低频部分具有较好的稳健性；而水印隐藏在 高频部分则有更好的隐蔽性。因为人的听觉对低频更敏感，而压缩和低通滤波会损害 更多的高频部分。王向阳等在文献 1 9 】中提出了一种用于内容完整性保护的脆弱数字 音频水印算法，该算法首先将视觉可辨的二值水印图像降维成一维水印序列并对其进 行随机置乱，再从原始数字音频信号中随机选取采样数据并进行快速傅立叶变换 ( w r ) ，最后结合人类听觉系统( h a s ) 计算可感知噪声阙值j n d ( j u s tn o t i c e a b l e d i s t o r t i o n ，或称为临界可感觉失真) ，并依此选卿系数通过量化处理嵌入水印信 息，该算法提取水印信息时不需要原始数字音频信号，该脆弱音频水印算法不仅具有 较好的透明性，而且对诸如叠加噪声、有损压缩、低通滤波、重新采样、重新量化等 攻击均具有较好的鲁棒性。w u 等人 2 0 2 1 提出了两种用于检验内容完整性的脆弱性语 音水印技术，即指数级量化的奇偶调制技术和线性相加水印技术，并在检钡4 局部恶意 篡改，容忍内容保留操作，错误检测率和虚假检测率的统计结果等方面进行比较，这 两种方法均在d f t 域嵌入水印，不需要额外的辅助数据来进行完整性校验，并且都能 第l o 页 i 暂慕理工大学磷量论交稿子语音雨容试程酶戴字隶舀l 释镣研究 够恕誉露鲢斑餐窳羹撵撵秘恶意窜改送努努慕，搔数绫奄鼹璃露技术在检测禺豁内容 篡改憝力上冤好，嚣线魏糨撩零露接零缝寨忍更甄珏：特率魏语蠢缡解礤( 如c e l p ) 。 鼹教余馘变换( d c t ) 是数字售晕处理中嚣用到的一耪变换，瞧子其具有很强魈 熊量攫缩爨力帮熊摆关鼹力，显有块迷辫法，嚣此褒寄颞僚号蜃缭帮编码中褥划广泛 豹应簿，鑫豢簇数字拳露露法孛，蠢予离散余弦交抉是实交换，簧予瘩箨豹壹揍嵌入， 褥到了普遮的应用。文欺 2 2 1 提出了一种在同一音频传品中加入罄棒水印和臆弱水印 的多水印算法。该算法谯d c t 域添加髓机序列作为罄榛水印，然殿通过实施适当的漫 纯繁臻，囊溪在叁薅拳露熬基疆主趱入了懿骚承霉，在嚣謇蒺终瑟孛鞋这撵懿方式 加入两秘水印后，通过一定的控制，两种水印可以越剿不丽的雅耀。整个系统具有联 合脏伪的功熊，一方面实现版权保护，另方氟鉴宛作品是否被篡改过。通过计算提 取戆艨弱水馨，易对音频傣号浆溅始 叟终嶷结论，j i 孬摄取擞的罄梅水印对诸如滤波、 重采铎、热礤等攻击袭域滋彘好的稳键性，具有缣护敝较鹣瑷戆。 离散小波变换( d 、t ) 是近几年来发展越来的非常有效的一种数字信号触理技 术，由于它谯辟雩域和频域周时舆有良好的局部化特健，对离频采取逐渐细化的时域藏 空域多长，获嚣琴聚焦斧辑辩象戆径惹绥爹，嘉毒多分辨率骜波，d w t 熬这耱鞋蔟 分析特性和多分辨率特性特别适用于谱频这种时变信号，在数字水印领域得到了广泛 的应用。q u a n 等人1 挝出了一种用于确保啻频偿鼯可信性的脆弱水印算法，该算 法姆i f f p e g - i ，瑾声擎模鹫珏尾予小波包变换域孛，逶遗适当选择莲予感翔摸燮瓣小 波包錾函数，使分解褥到的波谱子带稔够霹量接近簸界频带，承印信息在薰纯过程串 被嵌入到小波包系数中，稔测算法不仪熊够认 正音频的完蘩性，而鼠能够在时城和频 域中定位拔簇教区域。c a i 簿澎l 提出了静剩粥脆弱经数字水印技寒进行客观的啻颞 质量测量彦塞，该方法戆程d w t 藏拳j 霭交往豹技零嵌入蕊蘧瓿黪弼，在攫取承臻熬 时候不需要原始的音颓储母，同时还采用自适威控制的方法对不同的音额蒲弩滚取优 化的量化疹长，增强了水印比特提取的正确率。 耀链瘩露法$ 穰充分鼙j 惩7 入莓凝燮系统懿姆後，毅天莓辩岁喾黪耀霞稳健敏感， 而对绝对籀位不敏蓥。熬擎这个特点，可瑷露水印缩息漏耩声膏蔼号的绝对榴往，丽 稻对稠位嚣蛩保持不交。如先将声誉储号努成很多段，每段律k 杰的d f t ，设第t 段的禊谴必娥玉是，露= 毛麓一k ，稳怼枢霞矗圣9 ，鼬= 辔( f + l ，动一婚( t ，) 。稷辩墩印信 号嚣馕改变第一段静绝辩裙霞，镪翔褥隐藏。0 ”憝霞嚣懿耀程爝4 彤，2 ”莰蛰，稳 藏“i ”酌位鬣的稻位蔺“万，2 ”代潜。艟傈持带交，也就怒谎报箔修改邋的钌始 横位襁稳使签构逢声音像母豹裙忿，辩修改后翡颡谗俸i d f t 就得到含承印盼嵇号。 蜜疆疆翳，只要穗霞数燮弦被瀑裁霞一定懿旗溲蠹，尽警嫠号装澎霹戆蓑玺魄较尉受 的交纯，晰众仍然感觉不融任侮可察鬣翡失真。程襁位编稻串，豫藏静数据怒舔裾霞 谱中特定韵衽住或裙彼炎他来表汞豹。酉戳将砻籁臻号分段，求旃】羧撂哭豫藏猩第一 第舔夏 2 晚弱性音频数字水印技米硕士论文 段中，段与段之间的相位差保持不变。检索时只要提取第一段的相位谱信息就可以了。 系统的参数包括段的大小和相位的变化量。但是这种对大多数的音频压缩技术十分敏 感。 除以上介绍的方法外，还有一些利用压缩编码后的比特流水印、结合压缩过程的 压缩水印、扰动调制水印等方法，限于篇幅就不再介绍了。目前研究较多还是要属变 换域的方法，主要是因为相比时域水印方法，变换域有很多优点，突出的一点是鲁棒 性得到了加强。 2 3 2 音频数字水印的主要攻击手段 由于在实际应用中，破解数字水印算法十分困难，水印主要面临的是主动攻击。 主动攻击的方法比较简单，而且易于传播，是一种主要的攻击手段。常见的信号处理 虽然不是一种攻击，但是它也会破坏水印信息。因此，一种成熟的水印算法必须能够 抵抗常见的信号处理操作。下面列举通常的攻击手段和信号处理方法： ( 1 ) 加入噪声：可以加入白噪声或者有色噪声； ( 2 ) 剪切：对于静音段做非常小的剪切，并不影响声音的质量，但是对于要求 同步性的水印是一个有效的攻击； ( 3 ) 滤波：滤波操作非常频繁地应用在声音信号中，例如，增强某一特定频率 元素，降低某一频率元素，主要的攻击手段是低通滤波； ( 4 ) 时域重采样：通过下采样和上采样，可以损失部分音频信息，是一种比较 常用的攻击手段； ( 5 ) 压缩攻击：压缩主要是去掉音频信号中的冗余信息，而这正是某些水印算 法加入水印的位置，因此压缩也是一种攻击手段，常见的压缩算法有m p 3 和各种语 音编解码； ( 6 ) 多拷贝平均：对同一音乐作品的多个发行版本进行数值平均，利用水印的 随机性去除水印； ( 7 ) 多重水印攻击：攻击者使用自己的算法在声音数据中添加水印，即使这种 操作不可能破坏真正的水印，也会造成水印标志的困难。尤其是对于没有原始数据的 盲检测水印，一股很难判断哪一个水印操作在前，哪一个在后。 从上述分析来看，加水印的算法要比攻击水印的算法难得多，加水印的算法通常 要经受各种常用的信号处理和恶意的攻击。针对不同的应用，需要抵抗何种信号处理 或是恶意攻击的要求也不尽相同，例如：对于版权保护，水印算法不仅要经受住各种 常用的信号处理，还要能够抵抗住恶意的攻击，这样才能识别出版权的所有者；对于 内容的完整性认证，水印算法只要能经受住实际环境中可能遇到的信号处理就可以 了，对于恶意的攻击则要保持很高的敏感性。 第1 2 页 南京理工犬擘硬士论文 用于语静芮窖认证的数字水印算法研究 2 3 3 啻羧水田盼浮侨标准 除了设计数字水印方法之外，嚣一个重要的阏题是建立对水印的评价和基准，这 不仅包括对鲁棒性的评价，还包括由水印处理引入的失真的主观和定量评价。下面针 对音频傣号，给出水印常用的一些谨馀方法。 i ) 圭裁褥觉溺试 为衡蹙音频水印的质量，我们魑用客观的d j 舻一级( s d g ) 来进行主观听觉测 试。表2 1 显示了在s d g 中每个记泵的平均值。 表2 1 圭麓差裂等缀 s d g d e s c r i p t i o n 0 0 i m p e r c e p t i b l e 1 0 p e r c e p t i b l e ，b u tn o ta n n o y i n g 一2 o s l i g h t i n ga n n o y i n g - 3 o a n n o y i n g 4 0 v e r ya n n o y i n g 给十个人昕原始的膏频和加入水印的音频，然后让他们根据s d g 的标准进行分 类。主观质量的评价结果求出均值，s d g 记录值的均值越接近零，意味着加入水印 戆音频帮骧始音颓越藤戳，毫说臻农窜懿苓霉感翅淫蘧努。 ( 2 ) 信啜比( s n r ) 评价水印嵌入后原始音频信号的被影响程度，除了利用人耳定性的评价以外，还 可以采用定量静谔价标准。对含水印赡音频信号避莓定量评价静标准信嗓毖 ( s n r ) 定义魏下： r ，2 ( ) 一蛾掷l 蒜丽 ( 2 一1 ) 这里i ( 1 【) 和i 伙) 分别是原始音频信号与加入水印的音频信号的采样值，n 是音频信号 的采撵数。s n r 表明原始音频与加水印敢音频之超足乎不筵感擞懿差剩，s n r 懿值 越大，说绢两者的褶钦发越高。 ( 3 ) 误码率( b e r ) 对嵌入水印的鲁棒性可以用误硝率来度量。b e r 反映的是提取出来的水印与原 来痰窜静麓羯瞧。定义为： b 职= 鬻舢 ( 2 - 2 ) 第1 3 页 2 脆弱性音频数字水印技术 硕士论文 ( 4 ) 篡改评估函数( t a f ) 篡改评估函数主要是针对脆弱性水印的一种评价内容被篡改的程度。其计算公式 如下： t a f ( w , 们2 亩善。m ( 2 - 3 ) 其中：w 为原始水印，w 为提取出的水印，0 为异或操作，n 为水印的长度。从公式 中可以看出，t a f 值的取值范围在o l 之间，t a f 越接近1 ，说明w 和w 的差别 越大，被篡改的可能性就越高；t a f 越接近0 ，说明w 和w 越相似，被篡改的可能 性就越小。 ( 5 ) 相关系数( n c ) 如果在音频信号中嵌入的水印为图像，则为定量的评价提取的水印与原始水印的 相似性，采用归一化相关系数作为评价标准，其定义为： 一 艺艺w ( 以j ) w 训) n c ( w ，w =( 2 4 ) 式中：w 为原始水印，w 为提取的水印，他们的大小为m i x m 2 。 2 3 4 目前存在的问题和发展趋势 互联网和多媒体处理技术的的飞速发展使得对数字音频水印技术的需求越来越 迫切，应该说这种技术尚处于比较初级的阶段，还有许多技术层和协议层的问题需要 进一步解决。时域水印技术相对容易实现且计算量较小，但抵抗攻击的能力较差。频 域水印技术通常利用音频掩蔽效应和扩频技术的思想，具有较强抵抗攻击的能力，但 实现较为复杂。对一维的音频信号来说，同步攻击引起的后果是极其严重自钆需要给 予特别的注意。总而言之，到目前为止，还没有一种音频水印算法是完美和真正实用 的。 虽然数字水印技术已经取得了诸多进展，但仍有许多挑战性的研究难题急待解 决，例如水印嵌入和检测的数学模型、可靠的水印恢复、水印容量估计、最佳水印检 测、信道编码在数字水印中的应用、错误概率的界限、攻击模型及反攻击、大规模实 验测试和比较、水印系统的安全性、时间空间域的同步问题等等。水印技术必须与 密码学、多媒