基于OFDM数字音频水印同步技术探究

1、基于OFDM数字音频水印同步技术探究 摘要：本文提出了一种基于OFDM同步音频数字水印方案。主要是通过对原始水印进行随机化处理、编码调制及正交变换，在时域内嵌入同步码来确定水印的嵌入位置。实验结果表明，该算法对DA/AD变换具有良好的鲁棒性，同时证明了该算法的可行性和优越性。 关键字：正交频分复用 音频水印 同步技术 DA/AD攻击 1.引言 近年来，多媒体技术与数字网络通讯的迅猛发展，使得数字化音乐制品和音像制品的大量制作和发行变得日益普及化、简单化，音频数据的版权保护也显得越来越重要。数字音频水印是一种很好的版权保护措施，已经成为数字水印的一个重要研究方向，也是目前信息安全领域中的一个新的

2、研究热点1。 研究音频水印的同步具有非常重要的意义。首先，进行实时水印检测时，必须通过检测同步信号获取水印嵌入的正确位置，才能提取水印信息；其次，对语音的各种处理往往会造成数据量的变化和数据的位移，这时同样需要通过同步码获取水印的嵌入位置。 2.同步信号 所谓同步信号就是用来标志水印嵌入位置的特征点或特征区域。按照同步信号的来源可以将其分为外同步和自同步2，本文采用外同步法，即将同步信号如同水印信息一样需要嵌入和提取过程。到目前为止，人们主要采用四种措施设计抵抗同步攻击的稳健音频水印方案，分别为穷举搜索3、扩频水印扩频码相结合、利用原始音频重要特征、同步码等。其中，同步码方案具有较为明显的技术

3、优势。按照同步的功用来分，同步可以分为载波同步、位同步(码元同步)、群同步(帧同步)和网同步(通信网中用)等四种4。 在水印系统中，一般使用群同步技术。实现群同步的方法有两种，即连贯式插入法和间隔式插入法。本文用到的就是连贯式插入法，连贯式插入法就是在每群的开头集中插入群同步码字的同步方法。目前最常用的群同步码组是巴克码。 3.水印的嵌入算法 3.1水印预处理 本文选取的水印是一幅二值图像，要将其嵌入到一维的音频信号中，首先必须进行降维处理，使之成为一维二值序列；然后对一维水印序列进行置乱。具体步骤如下： (1)水印图像的降维处理 假设所选取的二值水印图像为w，那么将其转换为一维序列w的方法为

4、： （1） (2)水印的编码 水印信号在嵌入音频文件之前，要进行一系列的变换，以提高它的随机性和相关性。本文对水印信息首先进行随机化，然后再对其进行OFDM编码，最后又进行了一次正交变换，这样就生成了待嵌入的水印序列。 (3)水印序列置乱处理 上面所提到的随机化，就是要将水印序列进行置乱处理。首先生成一个混沌序列，其个数与待置乱的一维水印序列相同。按照顺序将混沌序列与该水印序列中的元素一一对应，然后将混沌序列按照从小到大排序，那么水印序列就相应的被置乱了。 3.2同步码的嵌入 同步码在音频水印中的作用至关重要。当我们进行水印的实时提取时，必须通过准确的检测同步码来确定水印嵌入的正确位置。同步码

5、能否准确定位水印的嵌入位置决定了音频水印的实时性、有效性，因此同步码的稳健性也就成了水印检测系统的关键。 为了减少同步码的搜索计算量，实现快速重同步，本文将同步信号嵌入在时间域上。同时，为解决好稳健性和不可察觉性相冲突的矛盾，满足两者之间的基本要求，同步码必须是具有尖锐特性的自相关函数且具有较短的码长。 在选取同步码时，要正确选取同步码的长度，如果码长过长，则在时域内检索同步信号就需要耗费较长时间，若是过短，则会出现同步码的重复率过高，在宿主音频中产生假同步的概率就越大5。 把同步码插人到水印序列里形成新的序列再嵌入到音频数据里面。同步码与水印信息的数据结构如表1所示： 表1数据结构图 同步码

6、 水印信息 同步码 水印信息 本文选用N=12的巴克码(Barkcode)111110011010作为同步码嵌入音频中，巴克码是一种常用的群同步码，它是一种具有非周期序列的二进制码组6。设是同步信号，则其自相关函数为: （2） 其中，N为码元长度，为码组中第j个码元的值。 巴克码在计算自相关函数时，需要转化为B=+1,+1,+1,+1,+1,-1,-1,+1,+1,-1,+1,-1。表示式为： （3） 3.3水印嵌入 嵌入水印的步骤如下： 步骤一分段 要将水印信息嵌入音频文件中，首先要对原始音频进行分段，且每段音频长度相同。设原始音频信号为： ,分别对这N个子载波进行调制。选取子载波间隔使各个

7、子载波在周期T内相互正交。取即可满足此条件，各子载波频率为，因此，一个周期内OFDM的信号表达式为： （4） 以间隔对上式进行采样（采样频率），得到： （5） 由以上两式可见，和为离散傅里叶变换对（DFT），因此，OFDM信号波形可以由IDFT变换得到。 因此，对音频段做DFT变换，得到DFT的系数序列，取其中某一频段作为待嵌入的音频信号C，假设C序列的长度为N。 步骤二调制 将水印信息转化为长度为的二值序列w，然后对此二值序列进行MQAM调制，成为复符号W（W的长度为）。QAM调制中，取。本文水印信息选取的是二值图像。 步骤三量化 对待嵌入的音频信号C进行量化，也就是将原始音频信号的第n个频

8、域样本量化到复平面中的，经过此变换而引起的失真取决于量化步长。量化步长越小，则隐蔽性就越好。反之，隐蔽性较差而鲁棒性较好。 步骤四嵌入水印 将水印信息嵌入到音频段C中，嵌入式可采用QIM（扰动调制，是量化指数调制的一种具体表现）技术，将水印向量与待嵌入音频向量相加，得到已嵌入水印的新向量，其表达式为： （6） 在此过程中，将同步码与水印信息一同嵌入到音频段中，且在每一段中都嵌入相同的水印信息和同步码，重复循环这一操作过程，直到把整个音频段都用完为止，即在整个音频段中都嵌入水印信息。水印嵌入的结构如图2所示： 步骤五逆变换 对已嵌入水印的信号E取其共轭，然后用E及分别替换其在原来音频信号C中的位

9、置。将得到的音频段做IDFT，使其恢复到时域，此时生成的音频信号中已经嵌入了同步码及水印信息。图3为基于OFDM同步音频水印的嵌入流程图。 3.4同步码的检测 同步码的提取过程是嵌入过程的逆过程。同步码的检测方法是采用基于数字通信中的帧同步码逐位比较技术，从时域提取出已嵌入的同步码。 搜索同步码和建立重同步的具体步骤是: 对整段音频信号进行检测，提取与同步码的自相关函数相比大于一定阈值的码。 在上述提取的码中相邻两码的距离满足分段要求的被认为是同步信息。 设表示已嵌入音频信号的一个采样值，根据下式检测可能已嵌入的同步信号（P为量化系数）： 根据上式搜索其中的同步码。搜索同步码和建立重同步是对整

10、段音频信号进行检测，使其提取自相关函数大于一定阈值，设是待检测的音频序列，若 （8） 那么就认为是一个同步信号，其中M是个设定的阈值。 3.5水印的提取算法 水印提取时基于相关性的盲检测，无需原始音频信号。先搜索检测出嵌入到音频中的同步码，然后根据同步码的位置对水印嵌入位置进行定位，从而建立水印的重同步。 先将待检测音频信号进行分段检测，若每段有A个采样点，其中B个采样点嵌入的是同步码，在确定同步码位置后，先用带通滤波器滤除同步信号频段以外的音频成分，然后将同步码与接收端产生的各段的标识信号窗口样本进行互相关。 取出嵌入水印的音频段后，将其进行DFT，表示为。然后对其进行量化，得到。为保证嵌入

11、数据提取的准确性，选取量化步长与嵌入时步长一致。 选取第n个音频段，将音频数据向量与量化后向量相减，即可得到恢复嵌入的符号流： （9） 然后，对所有的音频段重复上述操作，恢复出各段水印信息并将他们组合起来，然后对其进行调制并解密，最后此的二进制水印序列升维，从而恢复出水印图像。 4.仿真实验与结果分析 4.1水印嵌入测试 本实验中，采用一段长为30s、WAVE格式的音频文件。该音频为单声道的音频，采样频率为44.1kHz，量化精度为16bits。同步信号取的是12位Bark码。水印为大小为32x32带有“传媒大学”字样的二值图像。将水印信息和同步码嵌入到这段30s的音频段中。 水印嵌入前后音频

12、信号波形图如图5所示。 嵌入水印信息前后的音频信号与原始音频信号信噪比为SNR=98.56dB，由此可以看出这个信噪比是非常高的，从听觉上感觉不到任何差异。 4.2水印提取测试 实验在WindowsXP环境下Matlab7.0平台上完成的。图7为原始水印图像，图8显示为未受攻击时从音频中提取出的水印图像。 从图中可以看出，原始水印与从音频中提取出的水印从视觉上看不出任何差别，SNR=0，可以对水印信息进行正确提取。 在提取水印图像时，首先要搜索同步码，本文在每一音频段的段前段后都嵌入了相同的同步码，因此只要检测到同步码，就能确定水印的嵌入位置，就可以正确的提取水印信息。在本实验提取水印过程中，

13、同时把段前段后的同步码也一起提取显示出来。下面就是提取的段前段后的同步码信息。 4.3水印抗DA/AD变换测试 根据音频水印在DA/AD变换的过程中可能受到在时间轴上的伸缩以及波形失真影响，而在OFDM算法中，同步信号的引入和重定位搜索可以定位水印嵌入位置的开始点，进而可以正确的提取水印信息。 图9为原始音频信号与DA/AD变换后的音频信号波形图。 本文算法与文献3-5中的算法分别做了DA/AD攻击实验，还列举了抗高斯噪声的详细比较。 从图中可看出，基于OFDM算法经DA/AD攻击后提取出来的水印图像和原始水印图像具有更加明显的相似性。该试验结果表明，经DA/AD变换后能够正确地检测提取出嵌入

14、到音频信号中的水印图像，本文算法不仅有效地提高了抗DA/AD攻击的性能，同时也说明了该算法具有良好的鲁棒性。 结语 本文提出了一种基于OFDM同步音频数字水印算法。该算法通过对原始水印进行随机化处理、编码调制及正交变换，在时域内嵌入同步码来确定水印的嵌入位置，从而实现了音频水印的同步性、实时性。本文算法对DA/AD变换具有良好的鲁棒性，同时表明了该算法的可行性和优越性。 参考文献 1HVJagadish,Miningdeviantsinatimeseriesdatabase.The1999IntlConfonVeryLargeDatabases(VLDB99),Edinburgh,UK,1999. 2李伟,袁一群.数字音频水印技术综述.通信学报,2005,26(2):100-111. 3LieW,ChangL.Robustandhigh-qualitytime-domainaudiowatermarkingsubjeettoPsyehoaeoustiemasking.In:IEEEIntemationalSymposiumonCircuitsandSystetns,2001:45-48.