【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 所以，在因特網(wǎng)普及的今天，版權(quán)保護(hù)的工作已經(jīng)不僅僅限于圖書(shū)，音像作品，如何讓網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的多媒體數(shù)字作品的版權(quán)得到保護(hù)也應(yīng)該得到應(yīng)有的重視。數(shù)字水印技術(shù)是一門(mén)新興的多學(xué)科交叉的應(yīng)用技術(shù)，它為最終解決數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)問(wèn)題提供了指引，并且在數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。目前，數(shù)字水印技術(shù)所涉及的領(lǐng)域很廣泛，包括數(shù)字視頻，音頻，圖像等多個(gè)方面。近年來(lái)，音頻作品在互聯(lián)網(wǎng)上如雨后春筍般涌現(xiàn)，給音頻數(shù)字水印技術(shù)帶來(lái)了廣闊的應(yīng)用前景。音頻數(shù)字水印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)音頻作品的版權(quán)保護(hù)和認(rèn)證，對(duì)盜版的音頻作品進(jìn)行跟蹤，還可以用于拷貝保護(hù)，在廣播領(lǐng)域中，音頻水印技術(shù)可以發(fā)揮更智能的作用，比如廣播站或節(jié)目類型的標(biāo)識(shí)、廣告效果的統(tǒng)計(jì)分析、廣播覆蓋范圍的分析研究等。而在國(guó)防和軍事領(lǐng)域中可以用于隱蔽通信，以實(shí)現(xiàn)秘密信息的傳遞 [1,2]。所以，對(duì)音頻數(shù)字水印處理算法的研究，不僅具有現(xiàn)實(shí)的學(xué)術(shù)意義，而且具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第一章 緒論21. 2 音頻數(shù)字水印技術(shù)概述 音頻數(shù)字水印技術(shù)的基本概念音頻數(shù)字水印技術(shù)是一種新興的信息隱藏技術(shù)，它的基本思想是在不影響原始音頻作品質(zhì)量的前提下，利用一定的嵌入算法向其中嵌入用于版權(quán)保護(hù)或內(nèi)容完整性檢驗(yàn)的一些標(biāo)志性信息，以達(dá)到保護(hù)產(chǎn)品的版權(quán)、證明產(chǎn)品的真實(shí)性、跟蹤盜版行為或者提供產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)信息等目的。 一般來(lái)說(shuō)，人們所能接受的數(shù)字音頻產(chǎn)品必須是滿足人們聽(tīng)覺(jué)要求的，所以在不破壞其使用價(jià)值和大部分聽(tīng)覺(jué)特性的前提條件下，嵌入數(shù)字水印而不被人耳察覺(jué)是有可行性的。因?yàn)槿魏螖?shù)字信號(hào)都有其固定的誤差，也就是所謂的噪聲。音頻數(shù)字水印的嵌入可以看作是將水印信息作為附加噪聲與原始音頻信號(hào)融合的過(guò)程，只要附加的噪聲強(qiáng)度能夠遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人的感覺(jué)器官能察覺(jué)到的最小強(qiáng)度，水印信息就可以不被人耳感知。但由于人類聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)（Human Auditory System, HAS）感覺(jué)聲音變化的靈敏度要高于人類視覺(jué)系統(tǒng)（Human Visual System, HVS）感覺(jué)圖像變化的靈敏度，所以在音頻信號(hào)中嵌入數(shù)字水印的難度相對(duì)較大。音頻數(shù)字水印技術(shù)的框架典型的音頻數(shù)字水印系統(tǒng)應(yīng)涵蓋水印的生成、嵌入和提取或檢測(cè)三部分。（1）水印的生成水印的生成要建立在水印的唯一性，不可逆性等屬性的基礎(chǔ)上。一般由偽隨機(jī)數(shù)字發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生水印序列，而且還要利用密鑰進(jìn)行加密。（2）水印的嵌入水印信息的嵌入是音頻數(shù)字水印系統(tǒng)的核心部分，通常需要考慮水印的兩個(gè)互相矛盾的要求，即透明性和魯棒性，需要根據(jù)具體的實(shí)際應(yīng)用在兩者之間做出一個(gè)折衷的選擇。在實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)的水印系統(tǒng)中，具有優(yōu)秀的魯棒性是算法應(yīng)該必須具備的。而在完整性驗(yàn)證等其他應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)魯棒性的要求則不是很高。音頻數(shù)字水印嵌入模型如圖 所示。南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第一章 緒論3原始音頻對(duì)象嵌入水印信息加密密鑰預(yù)處理 嵌入算法 含水印的信息圖 1. 1 典型音頻數(shù)字水印系統(tǒng)的嵌入模型（3）水印的提取或檢測(cè) 如果嵌入的是有意義的水印信息（如圖像等） ，就需要在隱秘音頻信號(hào)中提取水印信息。如果嵌入的是 1 比特水印信息（如 m 序列等） ，則需要檢測(cè)音頻中是否含有水印信息。音頻數(shù)字水印提取或檢測(cè)模型如圖 所示。原始音頻對(duì)象嵌入水印信息加密密鑰檢測(cè)或提取算法 后續(xù)處理原始水印對(duì)象提取水印對(duì)象水印提取或判定圖 1. 2 音頻數(shù)字水印系統(tǒng)的提取或檢測(cè)模型對(duì)音頻數(shù)字水印的要求理論上，一個(gè)成功的數(shù)字音頻水印算法應(yīng)該具備以下幾方面的要求（1）魯棒性魯棒性亦稱健壯性，是指含有水印信息的隱秘信號(hào)在經(jīng)過(guò)各種信號(hào)處理操作之后，產(chǎn)生了一定失真情況下，仍能保持水印的完整和可檢測(cè)性。魯棒性包含兩層含義：一是抗攻擊性：數(shù)字水印應(yīng)具有一定的安全性，能抵抗各種蓄意地攻擊，典型的攻擊有添加噪聲，數(shù)據(jù)壓縮，濾波，重采樣，數(shù)模轉(zhuǎn)化，統(tǒng)計(jì)攻擊等。二是抗干擾性：數(shù)字音頻水印應(yīng)具有抵南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第一章 緒論4抗一般的數(shù)字信號(hào)處理的能力，并繼續(xù)保持較好的可檢測(cè)性和完整性。（2）聽(tīng)覺(jué)透明性透明性即不可感知性，要求嵌入的水印信息盡量和原始音頻數(shù)據(jù)緊密融合在一起。嵌入水印后，為使第三方不易察覺(jué)這種嵌入信息，需謹(jǐn)慎選擇嵌入方法，使嵌入前后不產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)上可感知的變化，另外，嵌入的水印應(yīng)較少或不會(huì)影響到音頻產(chǎn)品的效果。（3）水印容量 即是保證聽(tīng)覺(jué)透明性和魯棒性的前提下能夠嵌入一段音頻信號(hào)中的最大信息量，它對(duì)于信息隱藏范圍的應(yīng)用應(yīng)該是最重要的指標(biāo)之一。（4）安全性依賴因素 安全性表現(xiàn)為水印在抵抗惡意攻擊方面的能力。音頻數(shù)字水印系統(tǒng)的安全性與密碼系統(tǒng)的安全性非常類似。水印嵌入的算法應(yīng)該公開(kāi)，安全性最好依賴于密鑰而不是算法的秘密性，并且只有擁有密鑰才能提取到正確的水印。（5）漏警概率虛警概率 在音頻水印技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，通常需要通過(guò)計(jì)算提取水印和原始水印的相關(guān)性來(lái)判斷是否存在水印。水印存在的情況下，卻檢測(cè)不到水印存在的概率稱為漏警概率；反之，水印根本不存在，卻檢測(cè)到水印存在的概率稱為虛警概率。（6）可靠性對(duì)于音頻產(chǎn)品的合法所有者來(lái)說(shuō)，可靠性是指水印信息應(yīng)當(dāng)易于從音頻產(chǎn)品中提取或檢測(cè)。在拷貝控制應(yīng)用中，對(duì)可靠性要求很高。例如，一般要求 DVD 視頻水印檢測(cè)器應(yīng)該在 1012 幀中有一次虛警，或在 1000 年連續(xù)操作中大約有 1 次虛警發(fā)生。（7）數(shù)據(jù)提取誤碼率數(shù)據(jù)提取誤碼率也是音頻水印方案中的一個(gè)非常重要的技術(shù)指標(biāo)。因?yàn)橐环矫嬗衼?lái)自物理空間的干擾，另一方面信道中傳輸?shù)男盘?hào)會(huì)發(fā)生衰減或畸變，再加上人為的數(shù)據(jù)變換和攻擊，都會(huì)使數(shù)據(jù)提取的誤碼率增加。（8）是否為盲水印是否需要原始數(shù)據(jù)進(jìn)行信息提取，原則上水印的檢測(cè)不應(yīng)該需要原始音頻，即實(shí)現(xiàn)盲檢測(cè)，因?yàn)閷ふ以家纛l是非常困難的。（9）確定性又叫做無(wú)歧義性，很多文獻(xiàn)將這一特性成為死鎖（deadlock） 。就是說(shuō)水印在判定所有權(quán)的問(wèn)題上能夠作為唯一判定的證據(jù)。（10）通用性南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第一章 緒論5 好的數(shù)字水印算法應(yīng)該有個(gè)很廣的使用范圍，兼容多種文件格式和多媒體文件，這在某種程度上使數(shù)字水印容易應(yīng)用到更多的地方。在以上的十個(gè)特性中，最突出的問(wèn)題是魯棒性，透明性和水印容量三者之間的平衡關(guān)系，但這三者之間又是存在矛盾的，其中，透明性和魯棒性是音頻水印的最基本要求，這兩個(gè)特性是一個(gè)矛盾的兩個(gè)方面， 魯棒性與嵌入的強(qiáng)度直接相關(guān)，即水印嵌入的強(qiáng)度越大，則魯棒性越好；但當(dāng)嵌入的強(qiáng)度超過(guò)一定范圍（HAS 所限定的范圍） ，又會(huì)影響到水印的透明性。因此，在研究水印嵌入算法的過(guò)程中，應(yīng)該折衷考慮這兩個(gè)矛盾因素。 音頻數(shù)字水印技術(shù)的分類音頻數(shù)字水印技術(shù)按照不同的標(biāo)準(zhǔn)可以分成很多種類別，分類的出發(fā)點(diǎn)不同導(dǎo)致類別的各不相同，它們之間既是相互聯(lián)系的，又是相互區(qū)別的，具體地說(shuō)，可進(jìn)行如下所述的分類：（1）按照水印的特性劃分可以分為脆弱水印和魯棒水印 脆弱水印是指對(duì)常見(jiàn)的信號(hào)處理操作比較敏感的一類水印，只要嵌入水印的原始信號(hào)稍加處理或修改，其中的水印就會(huì)變化或消失。脆弱水印主要作用是產(chǎn)品的完整性保護(hù)，它隨對(duì)象的修改而破壞，哪怕細(xì)小的改動(dòng)也會(huì)影響到水印的檢測(cè)效果和提取正確率，從而通過(guò)提取水印的完整性來(lái)證實(shí)產(chǎn)品的完整性、真實(shí)性。魯棒水印是一類抗攻擊性能非常強(qiáng)的水印。魯棒水印的應(yīng)用極其廣泛，主要應(yīng)用于保護(hù)數(shù)字產(chǎn)品的所有權(quán)。（2）按照水印的透明度可以分為可見(jiàn)水印和不可見(jiàn)水印可見(jiàn)水印一般為較淡或半透明的不礙觀看的圖案，就像是人名幣上的水印，也可以理解為一般意義上的圖像融合。不可見(jiàn)水印的應(yīng)用范圍更加廣泛，它隱藏在音頻作品中，不被察覺(jué)，但當(dāng)涉及到版權(quán)糾紛的情況出現(xiàn)時(shí)，版權(quán)所有者就可以提取作品中的水印來(lái)捍衛(wèi)自己的合法權(quán)益。 （3）按照嵌入信息的容量可以分為 1 比特水印和多比特水印1 比特水印是指只有“有水印”和“無(wú)水印”兩種情況，而水印本身不帶有任何信息，這種水印只含有 1 比特信息。多比特水印是指嵌入的信息具有一定的含義。如版權(quán)信息、產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)碼、發(fā)表時(shí)間、版權(quán)所有者姓名、地址、單位等等。相對(duì)于 1 比特水印來(lái)說(shuō)，多比特水印通常更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。（4）按照水印檢測(cè)的方式可以分為盲水印和非盲水印。盲水印在提取數(shù)據(jù)時(shí)可以直接通過(guò)嵌入Comment [想想想想1]: 是子波還是小波南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第一章 緒論6水印后的數(shù)據(jù)來(lái)提取水印信息。從應(yīng)用角度來(lái)看，有著廣泛的發(fā)展前途。如文獻(xiàn)[3]中提出了一種基于量化數(shù)字音頻信號(hào)頻域參數(shù)的水印嵌入算法。非盲水印則是指在水印的檢測(cè)過(guò)程中，需要未加水印的原始數(shù)據(jù)作為參考。對(duì)于這類算法可嵌入水印的位置選擇范圍較大，能充分地考慮到水印的魯棒性和隱蔽性的要求。文獻(xiàn)[4] 中提出了一種基于子波變換的水印處理方法，在數(shù)字音頻信號(hào)中嵌入了一個(gè)隨機(jī)的序列，該方法在提取水印時(shí)，需要用到原始的數(shù)字音頻信號(hào)。（5）按照水印嵌入的位置分為時(shí)域水印、變換域水印和壓縮域水印時(shí)域水印的嵌入是通過(guò)修改原始音頻數(shù)據(jù)的時(shí)域采樣值強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)的。時(shí)域的方法因?yàn)椴恍枰獙?duì)原始信號(hào)進(jìn)行變換域計(jì)算，所以計(jì)算量較少。變換域的算法嵌入水印的過(guò)程即是將水印，常見(jiàn)的變換域算法有：離散小波變換（Discrete Wavelet Transform, DWT） ；離散傅立葉變換（Discrete Fourier Transform, DFT） [5]；離散余弦變換（Discrete Cosine Transform, DCT） [68]等。水印的分類方法有很多，它們的區(qū)別是分析問(wèn)題的角度不同，一種水印方案通常融合了多種方法。音頻數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用目前數(shù)字水印的主要應(yīng)用有七個(gè)領(lǐng)域；廣播監(jiān)控、認(rèn)證或篡改檢測(cè)、版權(quán)保護(hù)、交易跟蹤拷貝控制、隱秘通信以及標(biāo)注水印。（1）廣播監(jiān)控 水印技術(shù)可以進(jìn)行對(duì)識(shí)別信息的編碼，利用自身隱藏在數(shù)字作品之中的特點(diǎn)，可以再?zèng)]有廣播信號(hào)相關(guān)片段的情況下，通過(guò)在媒體中搜尋這個(gè)唯一的數(shù)字水印，這些媒體被播放的時(shí)間、次數(shù)等相關(guān)信息便可以確切知道。（2）認(rèn)證或篡改檢測(cè) 在實(shí)際應(yīng)用中，必須要防止在一個(gè)已經(jīng)被篡改的音頻數(shù)據(jù)中再偽造用于認(rèn)證的水印的情況，并且希望定位到篡改的位置，并且區(qū)分惡意篡改和對(duì)內(nèi)容的正常操作（如中等強(qiáng)度的 MP3壓縮） 。（3）版權(quán)保護(hù) 版權(quán)保護(hù)是音頻數(shù)字水印最主要的應(yīng)用之一。即數(shù)字音頻作品擁有者可用密鑰產(chǎn)生水印，并將其嵌入原始音頻作品，公開(kāi)發(fā)布他的嵌入水印后的作品。如果發(fā)生版權(quán)糾紛，合法的版權(quán)擁有者就可以從作品中提取出水印，保護(hù)其權(quán)益。（4）交易跟蹤交易跟蹤是指可以利用水印來(lái)記錄音頻 作品的某個(gè)拷貝的交易次數(shù)。南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第一章 緒論7（5）拷貝控制在因特網(wǎng)上，發(fā)布數(shù)字作品的作者大多是希望人們只參閱其發(fā)布的媒體數(shù)據(jù)，卻不希望這些數(shù)據(jù)被拷貝。那么應(yīng)對(duì)這種狀況最好的辦法就是將水印嵌入到媒體數(shù)據(jù)中。（6）隱秘通信水印技術(shù)用于通信中具有良好的隱藏性，因?yàn)樗粌H隱藏了通信的內(nèi)容，而且還將通信過(guò)程的存在性也一并隱藏，這一點(diǎn)在軍事上有著非常重要的指導(dǎo)意義，特別是在戰(zhàn)爭(zhēng)狀態(tài)下，多一種通信方式可能就多一點(diǎn)獲勝的把握。（7）標(biāo)注水印即將作品的標(biāo)題、注釋等內(nèi)容（例如作品的作者，說(shuō)明，歌詞、網(wǎng)站鏈接和訂購(gòu)信息等等）以水印形式嵌入到該作品中，這種方式不易丟失，安全可靠， ，而且不會(huì)增加額外的帶寬 音頻數(shù)字水印技術(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表 主觀聽(tīng)覺(jué)測(cè)試區(qū)分度 SDG音頻數(shù)字水印技術(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有多種，但總體來(lái)說(shuō)可以分為主觀和客觀兩種。 一是主觀測(cè)試法。以人耳的主觀感受為評(píng)價(jià)算法質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，在音頻水印技術(shù)中，嵌入水印后的音頻產(chǎn)品與原始音頻產(chǎn)品相比較，理論上在聽(tīng)覺(jué)上不會(huì)存在非常大的差別，也就是說(shuō)嵌入水印后的音頻產(chǎn)品的聽(tīng)覺(jué)質(zhì)量不應(yīng)該受水印的影響。最常見(jiàn)的主觀測(cè)試法應(yīng)該是平均意見(jiàn)分法（Mean Opinion Score, MOS） ，該方法需要若干個(gè)測(cè)試者，根據(jù)他們對(duì)聽(tīng)過(guò)的音頻信號(hào)質(zhì)量的優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)分，把這些測(cè)試者的平均分?jǐn)?shù)作為對(duì)音頻信號(hào)質(zhì)量評(píng)價(jià)的結(jié)果。通用的標(biāo)準(zhǔn)大多是 5 分制，各個(gè)檔次的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表 所示。表 11 MOS 主觀標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)54321音頻質(zhì)量?jī)?yōu)良中差不能分辨描述音頻非常清晰 ， 相當(dāng)于專業(yè)錄音棚的質(zhì)量音頻自然流暢 ， 相當(dāng)于長(zhǎng)距離 P S T N 網(wǎng)上的語(yǔ)音質(zhì)量達(dá)到通信質(zhì)量 ， 但聽(tīng)起來(lái)有一定困難音頻質(zhì)量很差 ， 很難理解音頻基本被破壞 ， 聽(tīng)不清楚此外，在 ITUR 中還定義了一個(gè)主觀標(biāo)準(zhǔn)，即是主觀聽(tīng)覺(jué)區(qū)分度（Subjective Difference 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文