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数字水印音频应用


数字音频水印理论与应用设想
数字水印(Digital Watermarking)技术是将一些标识信息(即 数字水印)直接嵌入数字载体(包括多媒体、文档、软件等)当中, 但不影响原载体的使用价值,也不容易被人的知觉系统(如视觉或听 觉系统)觉察或注意到。通过这些隐藏在载体中的信息,可以达到确 认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等目 的。数字水印是信息

隐藏技术的一个重要研究方向。 作为数字水印技术基本上具有下面几个方面的特点: 一、安全性:数字水印的信息应是安全的,难以篡改或伪造,同 时,应当有较低的误检测率,当原内容发生变化时,数字水印应当发 生变化,从而可以检测原始数据的变更;当然数字水印同样对重复添 加有很强的抵抗性 二、隐蔽性:数字水印应是不可知觉的,而且应不影响被保护数 据的正常使用;不会降质; 三、鲁棒性:是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后,数 字水印仍能保持部分完整性并能被准确鉴别。 可能的信号处理过程包 括信道噪声、滤波、数/模与模/数转换、重采样、剪切、位移、尺度 变化以及有损压缩编码等。主要用于版权保护的数字水印易损水印 (Fragile Watermarking) ,主要用于完整性保护,这种水印同样是在 内容数据中嵌入不可见的信息。当内容发生改变时,这些水印信息会 发生相应的改变,从而可以鉴定原始数据是否被篡改。

四、水印容量:是指载体在不发生形变的前提下可嵌入的水印信 息量。 嵌入的水印信息必须足以表示多媒体内容的创建者或所有者的 标志信息,或购买者的序列号,这样有利于解决版权纠纷,保护数字 产权合法拥有者的利益。尤其是隐蔽通信领域的特殊性,对水印的容 量需求很大。 核心技术: 1、基于小波算法的数字水印生成与隐藏算法:采用小波算法, 将数字图像的空间域数据通过离散小波变换(DWT)转换为相应的小 波域系数,并根据待隐藏的信息类型,对其进行适当的编码和变形, 再根据隐藏信息量的大小和相应的安全目标, 选择方形的频域系数序 列。 最后,将数字图像的频域系数经反变换转化为空间域数据。 2、 水印防复制技术: 当仿冒者得到含有数字水印的印刷包装后, 一定会设法复制(如采用高精度数字扫描仪),为防止数字水印信息被 复制, 数字水印嵌入软件在隐藏水印信息时采用了色谱当量给定算法, 这种方法可以保证仿冒者在满足工艺性调整原图的色彩时, 无法避免 改动色谱当量,这样就从根本上保证了水印不被复制。 3、抗衰减技术:从数字图像到印刷品,要经过制版、印刷等多 道工序,数字水印的特征在每个工序上都要被衰减,为保证数字水印 在最终印刷品上有足够的信号强度, 数字水印嵌入软件在生成水印信 息时充分考虑了足够的信号强度,确保经过多个工序时信号强度(鲁 棒性)仍能被可靠机读。 4、数字水印检验机读化:数字水印检验机读化可消除人为因素

的不确定性,提高检验速度,增强隐蔽信息(水印)识别的安全性,并 可和 RFID、紫外、磁条等已有成熟的防伪检验设备组成多重立体防 伪系统,提升综合安防水平。 由此可见,数字水印技术不同于简单的水印叠加,也不是以往的 将水印嵌入最低像素位,而是经过算法计算后,将水印平均嵌入到音 频频谱的中置频段内,以达到良好的抗衰减性。 压缩域算法是一种基于 JPEG、 MPEG 标准的压缩域数字水印系 统。它不仅节省了大量的完全解码和重新编码过程,而且在数字电视 广播及 VOD(Video on Demand)中有很大的实用价值。相应地,水印 检测与提取也可直接在压缩域数据中进行。下面介绍一种针对 MPEG-2 压缩视频数据流的数字水印方案。虽然 MPEG-2 数据流语 法允许把用户数据加到数据流中, 但是这种方案并不适合数字水印技 术,因为用户数据可以简单地从数据流中去掉,同时,在 MPEG-2 编码视频数据流中增加用户数据会加大位率, 使之不适于固定带宽的 应用,所以关键是如何把水印信号加到数据信号中,即加入到表示视 频帧的数据流中。对于输入的 MPEG-2 数据流而言,它可分为数据 头信息、运动向量(用于运动补偿)和 DCT 编码信号块 3 部分,在方 案中只有 MPEG-2 数据流最后一部分数据被改变,其原理是,首先 对 DCT 编码数据块中每一输入的 Huffman 码进行解码和逆量化,以 得到当前数据块的一个 DCT 系数;其次,把相应水印信号块的变换系 数与之相加,从而得到水印叠加的 DCT 系数,再重新进行量化和 Huffman 编码, 最后对新的 Huffman 码字的位数 n1 与原来的无水印

系数的码字 n0 进行比较,只在 n1 不大于 n0 的时候,才能传输水印 码字,否则传输原码字,这就保证了不增加视频数据流位率。该方法 有一个问题值得考虑, 即水印信号的引入是一种引起降质的误差信号, 而基于运动补偿的编码方案会将一个误差扩散和累积起来, 为解决此 问题, 该算法采取了漂移补偿的方案来抵消因水印信号的引入所引起 的视觉变形。 此外,以数字方式加入水印的音频由于改变了原有的频谱序列, 这就导致了水印的祛除必会影响到音频原本的完整性, 能有效保护原 始数据。 对于数字水印的抗衰减性, 我使用 Audition 分别对周杰伦的歌曲 《夜曲》和 Adudio Jungle 公司生产的一个音效文件进行人声消除处 理(也就是中置频谱的减弱) ,两个文件频谱变化的不同: 1、 处理 前 《夜曲》 :

配音:

2、吸取中置通道后

《夜曲》 :

配音:

从上面这四幅图对比可以很清晰地看出,减弱中置频率 (120HZ-20000HZ 人声频率)后,对于夜曲的频谱影响比 Audio Jungle 公司生产的配音特效的影响要大很多。

原因: 1、 《夜曲》作为一首商业歌曲,歌手的人声只是简单的叠加到北 京音乐中去,切为了增强歌曲的立体声效果,人声往往位于歌曲声场 的最中间位置,这样使得人声的频率均匀分布在中场两侧且对称。这 样在减弱位于中场且左右对称的频率时就造成了人声的大幅度削弱, 造成严重失真。 2、对于 Audio Jungle 生产的这首配音,采用数字水印技术将同 样为人声的音频通过算法分散加入到音乐的频谱序列中, 在减弱中置 频率后对其影响非常小。而且即使减掉超过 80%的频谱后,依然能 够听到水印的声音。 可见, 经过数字计算后的水印技术确实可以保证良好的稳定性和 抗衰减性。但是数字水印往往需要经过计算算法、汇编、MatLab 线 性嵌入,实际实施起来还是有很大难度的。 由于我对算法和 MatLab 的了解非常局限,所以没有做更加深入 的研究,但是对于数字水印在音频方面的应用,我有几下几点设想: 一 、音频信息传递的普遍性。随着网络的快速发展,QQ、MSN、 微信等一类聊天工具逐渐向语音化方向发展, 以音频为主的信息传递 变得更为普遍。这就给我们传递信息提供了更好的一个平台,无论是 在平时还是在战时, 将情报信息以数字水印的形式加入到一段音频中 后就可以方便快捷的传递出去,而且由于这类软件的高使用率,被敌 人发觉的可能性也就相应减小。 但是,往音频中添加水印, “同步”成为亟待解决的一个重要问题,

很多情况下由于同步做的不好,会造成在固定频率下语音的卡壳,而 且“同步”现在也成为数字音频水印的一个国际性研究课题。 二 、数字水印的广泛应用,音频知识产权保护性增强。随着文化产 业发展,不仅歌曲制品中可以添加水印,越来越普遍的语音小说也可 以添加水印,从而走入商业市场。 此外,随着技术的进一步发展,数字水印技术一定会越发成熟, 相应的一系列以数字音频水印为主的软件也将横空出世, 促进文化制 品的进一步发展。 三、隐蔽通信及其对抗 数字水印所依赖的信息隐藏技术不仅提供了非密码的安全途径, 更引发了信息战尤其是网络情报战的革命, 产生了一系列新颖的作战 方式,引起了许多国家的重视。 网络情报战是信息战的重要组成部分, 其核心内容是利用公用网 络进行保密数据传送。迄今为止,学术界在这方面的研究思路一直未 能突破“文件加密”的思维模式,然而,经过加密的文件往往是混乱无 序的,容易引起攻击者的注意。网络多媒体技术的广泛应用使得利用 公用网络进行保密通信有了新的思路, 利用数字化声像信号相对于人 的视觉、听觉冗余,可以进行各种时(空)域和变换域的信息隐藏, 从而实现隐蔽通信。 在军事方面,情报传递可以更加复杂多样。现在,声音情报在以 电磁波的形式传递过程中,及容易被地方截获破解。如果未来能够发 明出一种即时水印嵌入的声音加密机器,就可以在人说话的同时,将

需要加密的信息以数字水印的形式加入。这样,即时地方窃听到我军 的通话内容,就可以在不被发觉的情况下将情报传递出去。


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