【正文】 表32在不同類型音樂測試下的感知透明性Table 32 Transparency test under different types of music 水印圖像音樂類型圖33（a）圖33（b）ABX值SNR值A(chǔ)BX值SNR值古典樂%%流行樂%%民樂%%民謠%%電子樂%%平均值%%表33在不同話音測試下的感知透明性Table 33 Transparency test under different voice 水印圖像話音圖33（a）圖33（b）ABX值SNR值A(chǔ)BX值SNR值話音1%%話音2%%話音3%%話音4%%。本實(shí)驗(yàn)還選取4段不同的話音進(jìn)行感知透明性測試。、16位量化位數(shù)、單聲道、不同類型的WAV音樂進(jìn)行測試，Arnold變換的變換次數(shù)都是20，分段時每段音頻的樣本數(shù)都是400，為了提高水印的抗裁剪性，將水印信號重復(fù)嵌入了3次。4）剪切：分別將含水印音頻信號剪切掉原來的1/10，1/5，然后提取出水印圖像。 2）低通濾波：對嵌入水印后的音頻信號進(jìn)行濾波處理，選用長度為6階，截止頻率為4KHz的巴特沃茲低通濾波器。上采樣是先將音頻信號的采樣頻率提升到原來的2倍，然后再還原為原來的采樣頻率。具體攻擊過程如下：1）重采樣：有下采樣和上采樣。如果這種情況下不能正確提取出水印圖像，那么的取值和嵌入時相差很多時，更不可能提取出水印圖像，說明算法安全性較好。（2） 安全性實(shí)驗(yàn)測試提取水印時，每段音頻的樣本數(shù)的錯誤取值對提取結(jié)果的影響程度。（1）感知透明性，本實(shí)驗(yàn)通過ABX測試對音頻文件水印嵌入前后的音頻質(zhì)量進(jìn)行主觀評價。為了測試水印算法的各方面性能，實(shí)驗(yàn)選取內(nèi)容不同的兩幅圖像作為水印，如圖33（a）和圖33（b）所示，它們都是的二值圖像。具體提取規(guī)則如下：如果，提取出的水印比特為1；如果，提取出的水印比特為0；（3）由于嵌入水印時，在水印信息前也加入了同步點(diǎn)，所以要先去掉同步點(diǎn)， 然后將提取結(jié)果重新分為組，比較相同位置的0、1值，根據(jù)出現(xiàn)概率的多少判定0、1值，得到水印序列。置亂的圖像水印圖像含水印音頻信號分段計(jì)算、比較相鄰段能量根據(jù)提取規(guī)則提取水印水印Arnold反置亂圖32水印提取算法框圖Figure 32 Block diagram of watermark extraction algorithm水印的提取過程具體如下：（1）嵌入水印時，在每兩段音頻的第一段前加入了同步點(diǎn)，所以提取水印時，要先去掉每兩段音頻前的同步點(diǎn)，然后把含水印的音頻信號分成和嵌入水印時相同大小的段。本章提出的音頻數(shù)字水印算法在提取或檢測數(shù)字水印信號時不需要原始音頻信號的參與，是一種盲水印算法。為了能恢復(fù)出正確的水印圖像，同樣需要在水印信息前加入同步點(diǎn)。要在剪切后的含水印音頻中能正確找到和嵌入水印時相同的分段點(diǎn)，將嵌入水印的音頻段放回原來的位置時，需要在每兩段音頻的第一段前加入同步點(diǎn)。具體做法是：先將該段音頻的每個采樣值縮小1/100，重新計(jì)算該段音頻的能量，和相鄰段音頻能量進(jìn)行比較，如果該段能量還是大于相鄰段能量，繼續(xù)縮小，第二次將每個采樣值縮小2/100，以此類推，第三次縮小3/100，直到這段音頻的能量小于相鄰段能量。若，說明音頻信號的能量有逐漸增加的趨勢，根據(jù)人類聽覺系統(tǒng)的超前掩蔽特性（弱音被后面的強(qiáng)音掩蔽），縮小時，后面的強(qiáng)音會掩蔽縮小的，因此也不會產(chǎn)生明顯的影響。 水印信號為“0”時，如果，則不修改的值，使其保持不變。反之，則縮小，直到。水印嵌入算法框圖如圖31所示。（3）嵌入水印相鄰兩段音頻信號的能量分別記為，比較，的大小，根據(jù)嵌入水印的比特信息，結(jié)合人類聽覺系統(tǒng)特性，使或縮小或者保持不變。假設(shè)要嵌入的水印圖像有個像素信息，由于該算法是在兩段音頻信號中嵌入一個水印比特，所以的取值應(yīng)滿足： （）為了提高水印的抗裁剪性，本章算法將水印圖像重復(fù)嵌入到音頻信號中。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，時，嵌入水印的音頻信號與原始音頻信號相比在聽覺上差異不明顯。設(shè)原始音頻信號分段時每段音頻信號的長度為，的取值對算法性能的好壞有一定的影響。（1）分段為了使算法具有較好的魯棒性，在嵌入水印前，對原始音頻信號分段，使水印信息均勻的分布在音頻信號中。表31列出了不同值與Arnold變換周期之間的關(guān)系。Arnold變換具有周期性，即對圖像實(shí)施Arnold變換，當(dāng)變換到一定次數(shù)時，就會恢復(fù)出原始圖像，它的逆置亂就是根據(jù)周期特性來實(shí)現(xiàn)的[44]，通過逆置亂對加密后的圖像進(jìn)行解密。一幅的數(shù)字圖像的二維Arnold變換定義為：（）其中，表示變換前圖像像素的位置，表示變換后圖像像素的位置，為模運(yùn)算。Arnold變換是V. J. Arnold在遍歷理論的研究中提出的一種變換，也叫貓臉變換。目前，數(shù)字圖像置亂算法主要有：Hilbert曲線、仿射變換、幻方、Gray代碼、Arnold變換、FibonacciQ變換以及混沌序列等。數(shù)字圖像置亂是通過改變圖像中像素的位置或者像素的顏色，把原始圖像變換成一個雜亂無章的、看不清其內(nèi)容的新圖像。為了消除二值水印圖像的像素空間相關(guān)性，提高數(shù)字水印的安全性能，避免嵌入水印的音頻某部分受到破壞后不能恢復(fù)出水印，需要首先對二值圖像進(jìn)行置亂加密處理。作為秘密信息的數(shù)字水印有很多種形式，比如隨機(jī)信號、文字、圖形或者各種商標(biāo)。在嵌入水印的過程中，盡管縮小(或不改變)了某段音頻的能量，但通?？s小的幅度比較小，在聽覺上對音頻信號不會產(chǎn)生太大的影響，人耳幾乎察覺不到，因而感知透明性比較好。本章算法先把音頻信號劃分為若干個包含相同采樣點(diǎn)數(shù)的段，計(jì)算每段音頻的能量，比較相鄰兩段能量的大小，充分結(jié)合人類聽覺系統(tǒng)特性，根據(jù)能量比較的結(jié)果以及要嵌入的水印比特是“1”還是“0”，以縮小或不改變某段音頻信號能量的方式，將二值水印圖像嵌入到音頻信號中。（2）算法中比例因子的取值不容易確定，它對算法的魯棒性有很大的影響，要取得較好的效果，必須通過多次實(shí)驗(yàn)來確定一個合適的比例因子值，且不同的音頻的取值也不一樣。如果≥，提取的水印比特為“1”，否則提取的水印比特為“0”。其中參數(shù)為比例因子，控制修改的幅度。Lie提出的算法采用三個相鄰數(shù)據(jù)塊的能量關(guān)系來嵌入水印，設(shè)、分別表示三個相鄰數(shù)據(jù)塊的能量，將、按照能量大小進(jìn)行排序，排序后的能量重新表示為、計(jì)算他們的能量差，能量差表示為： （） （）嵌入算法根據(jù)能量差之間的關(guān)系來嵌入水?。海?）水印比特是“1”時，如果，則不對音頻信號做任何修改；否則增加或減少，直到滿足。本章內(nèi)容的介紹，為本課題的研究提供了理論基礎(chǔ)。||取樣1||雙聲道|| 16bit量化|聲道0(左)| 聲道0(左)|聲道1(右)|聲道1(右)||單聲道|| 16bit量化|聲道0|聲道0| 聲道0|聲道0| ||(低位字節(jié))|(高位字節(jié))|(低位字節(jié))| (高位字節(jié))| |||8bit量化|聲道0|聲道0 |聲道0 | 聲道0| | 單聲道| 取樣1| 取樣2 |取樣3 | 取樣4|圖25 Data塊的組成Figure 25 Composition of Datachunk根據(jù)Format塊中的采樣位數(shù)和聲道數(shù)，WAV數(shù)據(jù)的bit位置可以分為下面幾種形式，如圖26所示。| | 4 Bytes | | 39。| |接著后面是數(shù)據(jù)的大小，緊接著后面就是WAV數(shù)據(jù)，如圖25所示。 4 Bytes | | data| 數(shù)值為4 4 Bytes | | Size 39。 4 Bytes |============================ | ID 具體內(nèi)容 || Size | 4 Bytes | 數(shù)值為16或18，若為18，則最后有附加信息 | | FormatTag | 2 Bytes | 編碼方式，一般為0x0001 || Channels | 2 Bytes | 聲道數(shù)，1單聲道； 2雙聲道 | | SamplesPerSec | 4 Bytes | 采樣頻率 | | AvgBytesPerSec| 4 Bytes | 每秒所需字節(jié)數(shù) | | BlockAlign | 2 Bytes | 數(shù)據(jù)塊對齊單位 | | BitsPerSample | 2 Bytes | 采樣頻率 | | | 2 Bytes | 附加信息（可選，通過Size來判斷有無） |圖23 Format塊的組成Figure 23 Composition of Formatchunk (3) FactChunkFactChunk是可選字段，如圖24所示，它的ID是“fact”。 ===================================================| | 字節(jié)數(shù) | 具體內(nèi)容 |==================================================| ID | 4 Bytes | 39。通常情況下Size為16，此時最后沒有任何附加信息。WAVE39。RIFF39。最后是Type字段，用來表示該文件是WAV文件，即“WAVE”。下面逐一介紹每一個塊的具體內(nèi)容。每個塊的開頭都有標(biāo)示該塊的ID，均為4個字節(jié)。WAV文件是由若干個塊組成的，有RIFFWAVEChunk、FormatChunk、FactChunk和DataChunk。下面詳細(xì)介紹WAV文件格式，為確定在WAV格式音頻中嵌入水印的方案打下基礎(chǔ)。這種格式支持多種壓縮算法，如MSADPCM，CCITT A LAW。（3）誤碼率（）通常用水印的誤碼率來衡量嵌入音頻中的水印的抗攻擊能力，即含水印音頻被攻擊后提取出的水印與原始水印之間不同比特所占的百分率。設(shè)表示原始水印信號，表示提取的水印信號，歸一化漢明距離定義為： ()其中，為水印信號的長度，“”表示異或操作。,的值越接近1，說明原始水印圖像和提取出的水印圖像越相似，相關(guān)性越好。在音頻中嵌入水印時，如果水印為圖像，一般采用歸一化相關(guān)系數(shù)來客觀評價提取的水印圖像和原始水印圖像的相似性。數(shù)字水印系統(tǒng)要求嵌入音頻中的水印要能夠抵抗各種有意或無意的攻擊。根據(jù)國際唱片業(yè)協(xié)會（International Federation of Phonographic Industry，IFPI）對音頻數(shù)字水印系統(tǒng)提出的要求[42]，嵌入水印后的音頻信號至少可以提供20dB或者更高的信噪比。信噪比（Signal Noise Ratio，SNR）表示原始音頻信號和嵌入水印后音頻信號之間的失真度。解決該問題的方法之一是采用客觀評價方法。針對不同的測試者和不同的音樂進(jìn)行多次測試，并且記錄ABX測試的測試結(jié)果，當(dāng)最后的判斷結(jié)果的正確率非常接近50%時，就說明被測試算法的感知透明性較好，人耳很難覺察到音頻信號A和B的區(qū)別。（1）讓測試者聽取音頻信號A和B；