数字音频水印技术课件

1、数字音频水印技术,随着因特网的普及和数字化音乐制品的大量制作和发行，人们可以很方便的从互联网上下载音乐产品，但这也给非法侵权者提供了机会，致使很多侵害产权的音乐被以不同的方式发布，这样不但给音乐产业带来很大的经济损失，而且阻碍了它的发展。于是，对音频数据实施版权保护变得越来越重要，音频数字水印技术由此而生。音频数字水印技术是在原始音频数据中嵌入秘密信息水印，但不影响原始音频的听觉质量，在音频中嵌入的秘密信息可以有很多种形式如文字、图像、作品序列号等。水印信息和原始音频数据紧密结合在一块，通常情况下音频中嵌入的水印，人们在听觉上根本察觉不到，并且还要能够有效地抵抗不法侵权行为的攻击。,1.1 研

2、究背景,1.2 理论依据,数字水印技术是一种信息隐藏技术，其基本思想是在不影响信息可用性的前提条件下，利用人耳听觉的掩蔽效应（人耳只对最明显的声音反应敏感，而对于不敏感的声音，反应则较不为敏感。例如在声音的整个频率谱中，如果某一个频率段的声音比较强，则人就对其它频率段的声音不敏感了。应用此原理，人们发明了mp3等压缩的数字音乐格式，在这些格式的文件里，只突出记录了人耳朵较为敏感的中频段声音，而对于较高和较低的频率的声音则简略记录，从而大大压缩了所需的存储空间。），对数字产品嵌入秘密信息，用来保护数字产品的版权和证明数字产品的可靠性，以及为用户提供产品的附加信息等等。,音频数字水印技术就是在音频

3、中添加某些数字信息来保护数字媒体的版权，证明数字产品的真实可靠性。水印信息嵌入在音频载体中，不能影响原始音频的完整性和可用性。从数字通信的角度来讲，可以把音频数字水印技术理解为用扩频等通信技术把一个窄带信号（水印）放在在一个宽带信道（载体）上传输；从信号处理的角度来讲，可以把音频数字水印技术看作是把一个作为水印信息的弱信号叠加到原始音频载体的强背景上。一个完整的数字音频水印系统包括水印的生成、水印的嵌入和水印的提取或检测三个基本环节。,1.3 水印的嵌入和检测,1.3.1 水印嵌入的基本框架,1.3.2 水印检测的基本框架,1.4 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

4、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

5、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。,1.5 音频数字水印技术的应用,1. 版权保护 数字音频作品的所有者为了表明其对作品内容的所有权，采用音频数字水印技术将具有特定意义的水印嵌入到原始音频数据中，接着公开自己的音频作品。在不法分子声称自己对所公开的嵌入水印的音频作品拥有所有权时，该作品的真正所有者利用检测或提取算法，检测或提取出音频作品中嵌入的水印信息，这时就可以很有力地证明该音频作品

6、中含有水印，同时也用来证明所有者对作品的所有权。需要注意的是，该应用要求水印具有较好的感知透明性、安全性和鲁棒性。 2. 信息标识 在该应用中，把数字作品的一些信息如标题、注释等内容以水印的形式嵌入到数字作品中。水印用来提供更多有关数字作品内容的信息，如一首歌曲的作曲者、演唱者等。这种隐式注释不需要增加额外的带宽、不影响原始作品内容，且不容易丢失。,3. 数字指纹 数字指纹通常被用于进行盗版跟踪，它可以有效地避免合法用户对数字产品进行非法的复制和传播甚至非法牟取暴利。作品的所有者将不同的水印嵌入到每个数字作品拷贝中，以此来防止不法分子非法复制和传播数字作品，这就是所谓的数字指纹。作品所有者发现

7、没有经过授权的拷贝时，就可以借助检索指纹来追踪该拷贝的出处。 4. 广播监控 利用数字水印技术可以在广告、音乐作品等媒体中嵌入水印信息，而且嵌入的水印是不可感知的。在播放含有水印的多媒体数据时，监控设备会利用水印信息来自动监控这些媒体的相关信息如播放的时间、次数等。,5. 认证和完整性校验 如今以难以觉察的方式对数字作品进行篡改已经变得越来越容易。虽然传统的数字签名技术也可以用来进行数字作品的认证，但验证时需要将原始签名和所验证的作品一同传送，一旦签名丢失，数字作品便无法进行认证。使用数字水印技术将签名嵌入作品中是一种比较好的解决方法。数字水印技术是通过检验提取出的水印的完整性来检验数字作品内

8、容的完整性的，先用嵌入水印时所设定的唯一的密钥把水印提取出来，然后再检验数字作品内容的完整性。,1.6 常见的音频数字水印攻击,音频文件遭受主动攻击后，即使合法用户也不能正确读取水印信息；被动攻击尝试破解数字水印算法，难度要大得多。在实际的应用中，破解数字水印算法比较困难，数字水印主要面临的是主动攻击。尽管常见的信号处理操作不是一种攻击，但它也会对水印信息造成一定程度的破坏。所以，一种有效的水印算法要能够有效地抵抗常见的信号处理操作。 下面列举常见的攻击手段和信号处理方法： 1. 滤波：滤波器增加或滤除选定部分的频谱，主要的攻击手段是低通滤波； 2. 添加噪声：在嵌入水印的音频文件中加入白噪声

9、或者有色噪声； 3. 时域重采样：改变音频信号的采样频率，对信号进行下采样和上采样； 4. 剪切：剪切掉含水印音频的一小部分，并不会影响音频的质量，这对于要求同步性的水印来说是一个有效的攻击；,5. 时域拉伸：延长或者缩短音频信号的持续时间。 6. 压缩攻击：音频压缩主要是去除音频信号中的冗余信息，而这些冗余信息正好是有些水印算法嵌入水印的位置，因此也可以把音频压缩看作一种攻击手段。 针对不同的应用场合，音频水印算法需要抵抗的信号处理或者恶意攻击的要求也不尽相同。,2 典型的音频数字水印算法,经典的音频数字水印算法可以分为：时域音频水印算法、变换域音频水印算法和压缩域音频水印算法等。时域音频数

10、字水印算法把水印信息直接嵌入到原始音频信号的采样点幅值上，该类算法比较容易实现，而且快速，嵌入的信息量较大，但对常规数字信号处理的鲁棒性普遍较低；变换域音频水印算法先对原始音频信号实施某种变换运算(如DCT变换、DFT变换、DWT变换等)，然后根据人类听觉系统特性，通过修改某些变换系数的方式来嵌入水印信息。变换域算法的优点是：抵抗干扰和抗恶意攻击的能力较强，鲁棒性好。缺点是计算量太大；压缩域音频水印算法是直接把水印信号添加在经过压缩编码的音频信号中，输出的是含水印的压缩编码的音频信号，它能够有效地避免压缩算法编解码的复杂过程。,2.1 时域音频数字水印算法,（1）最不重要位(LSB)算法 LS

11、B(Least Significant Bit，最不重要位)28算法是由Bender W等人在1996年提出的，是一种最简单的水印算法。任何形式的秘密数据（水印）都可以看作是一串二进制位流，而音频文件的每一个采样值也是用二进制数来表示的。该方法是用代表秘密数据的二进制位来替换音频信号的采样值的最不重要位（一般为最低位），以达到在音频信号中嵌入秘密数据的目的，提取水印时只要把相应的最低位取出来，就能恢复出嵌入的秘密信息。该方法是一种盲水印算法，在提取水印的过程中不需要原始音频信号的参与。 这种方法的优点是：秘密数据嵌入和提取算法简单，速度快；音频信号里可编码的数据量大。缺点是：对某些信号处理技术

12、比较敏感，也就是说对一些信号处理的鲁棒性较差，若在嵌入水印的过程中没有采取冗余技术，含水印音频就不能抵抗有损压缩、重采样、滤波等信号处理操作。在实际应用中，LSB方法只能用于一些鲁棒性较低的场合。,原始语音信号（“床前明月光”） 去掉低2比特位的语音信号（声音信号听不出差别）,去掉低4比特位的语音信号（声音信号听不出差别）,去掉低6比特位的语音信号（声音中有极少的背景噪音，不易被察觉）,去掉低8比特位的语音信号（声音中有较明显的背景噪音）,去掉低10比特位的语音信号（声音中有很强的噪音，但话音仍较清晰）,（2）基于回声的音频水印算法,回声隐藏（Echo Hiding）算法最早由Gruhl等人于

13、1996年提出，它是通过在时域中引入回声的方式把秘密数据嵌入到载体数据中，也是一种经典的音频数字水印算法。它利用了人类听觉系统的另一特性： 音频信号在时域的向后屏蔽作用， 即弱信号在强信号消失之后变得无法听见。 弱信号可以在强信号消失之后50200 ms的作用而不被人耳察觉。在该算法中，编码器先把载体数据延迟一定的时间，然后叠加到原始的载体数据上来产生回声。编码器一般用两个不同的延迟时间来嵌入“0”和“1”。回声隐藏算法的感知透明性较好，具有一定的鲁棒性，但第三方可以用检测回声的方法把水印检测出来。,将原始信号分为小段以嵌入数据,产生“1”和“0”回声信号,将延时为m0的信号和“0” 混合信号

14、相乘， 延时为m1的信号和“1” 混合信号相乘， 最后将两个信号相加得到含水印信号。,构造的混合信号,回声编码水印嵌入流程图,回声编码水印提取流程图,2.2 变换域音频数字水印算法,（1）相位水印算法,Bender W等人在1996年提出了相位水印算法，它利用人耳听觉系统对绝对相位不敏感，而对相对相位敏感的特性，用代表水印信息的参考相位来替换原始音频段的绝对相位，然后调整其它的音频段，这样就可以使各音频段之间的相对相位保持不变。相位水印算法的一个不足是：如果水印信息的参考相位发生剧烈变化，那么就会有明显的相位差异（Phase Dispersion）出现，这不但会增加接受方译码的难度，还会影响水

15、印信息的感知透明性。,（2）扩频水印,一般情况下，为了有效地降低能量和保持有效的带宽，在实施通信的信道中，都需要把信息聚集在很窄的频谱范围内。还有，为了更方便地对信息流进行编码1，基本的频谱扩展技术一般会把编码数据分散到比较多的频谱中去。常用的扩频通信方法有直接序列扩频编码(Direct Sequence Spread Spectrum Encoding，DSSS)，该方法类似于在音频中加上宽带噪声，首先把秘密数据藏在信号的相位上，然后对伪随机序列和载波作乘法运算，最后把衰减后的信号加到音频序列上。,（3）离散傅里叶变换域（DFT）,Tilki和Beex提出了一种离散傅里叶变换域音频水印算法，

16、该方法先对音频信号实施离散傅里叶变换，然后选择中频段变换系数（2.46.4KHz）来嵌入水印信息，用表示水印序列的频谱分量替换相应的离散傅里叶系数。采用该方法嵌入水印，如果嵌入到音频信号中的水印信息不是很大，并且水印信息的幅度比当前的音频信号小，此时该方法对噪声、磁带的颤动及录音失真都具有一定的鲁棒性。在文献中，Tilki和Beex利用短时傅里叶变换，通过修改相位来嵌入一个隐藏的附加信道。,（4） 离散小波变换域（DWT）算法,小波变换具有良好的时频局部特性，利用小波变换在音频信号中嵌入水印，可以获得较好的鲁棒性，含水印音频信号能够在一定程度上抵抗攻击。钮心忻等34在2000年提出了一种基于小波变换的数字水印算法，该方法嵌入的不是一般的水印信号，而是把高斯白噪声作为水印信号嵌入到音频信号的小波变换域中。该方法先利用小波变换对原始音频信号实施小波分解（ 级小波分解），对于前 级的粗糙分量不作任何处理，然后通过处理第 级的精细分量来嵌入水印。,2.3 压缩域音频数字水印算法,压缩水印系统输入的是未压缩的音频信号， 输出的是嵌入水印的音频比特流。 下图是Siebenhaar等提出的一种压缩水印系统方案框图。 这一方案的优点是在压缩参数和水印参数之间可以实现最佳的匹配； 可一步处理(同时实现音频压