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淺談面向公共信息傳播的音頻水印算法
摘要：提出了一種基于小波分解和倒譜技術(shù)的音頻數字水印算法，該算法通過(guò)對原始音頻進(jìn)行小波多級分解，從中選取低頻系數進(jìn)行倒譜變換。通過(guò)統計均值的計算和調整方法設計，完成了水印的嵌入。實(shí)驗結果表明該算法能夠有效地抵抗A/D和D/A攻擊，誤碼率為O，隱藏容量較大。同時(shí)，本算法還能夠抵抗一定的AMR攻擊，為手機音頻的安全傳播和管理提供了新的前景。
關(guān)鍵詞：音頻水印;小波變換;倒譜;模/數轉換;AMR格式
0、引言
在電視廣播、交通臺和音樂(lè )會(huì )等公共信息傳播領(lǐng)域，音頻的版權管理和安全傳輸都非常重要。如果采用數字水印技術(shù)，則需要水印算法能夠抵抗A/D和D/A轉換。目前，具有這種變換的類(lèi)型可以劃分為三種。第種是基于電纜傳輸方式，以電話(huà)線(xiàn)傳播和直通電纜連接為典型，所受干擾小。電話(huà)線(xiàn)方式是公用信道，能夠傳播很遠，傳輸秘密水印的載體可以是話(huà)音或音樂(lè )等類(lèi)型;而直通電纜方式一般在一個(gè)辦公實(shí)驗的局部環(huán)境中。第二種是基于廣播方式，通過(guò)廣播媒體或專(zhuān)用頻道進(jìn)行傳播。第三種是基于空氣直接傳播方式，會(huì )遭遇各種干擾，通常只能近距離設計。由于音頻水印的遠程傳輸和提取具有廣泛的應用價(jià)值，這些音頻傳播水印技術(shù)在國外已經(jīng)受到了極大重視并有所成果。在空氣傳播水印信息方面，德國的steinebach等人…開(kāi)展了最早的研究，通過(guò)設定5—4oocm的多個(gè)不同間距，同時(shí)使用了4種不同的麥克風(fēng)，研究了5種音頻類(lèi)型的水印技術(shù)，在5～180cm的間距普遍獲得了良好的提取效果。隨后，日本的achibana等人口研究將水印實(shí)時(shí)地隱藏到公共環(huán)境如音樂(lè )演奏會(huì )的音樂(lè )之中，能夠成功地在一個(gè)30s音樂(lè )片段內隱藏64b的消息，測試的空氣傳播距離為3m。在電話(huà)網(wǎng)絡(luò )傳播方面，加拿大的chen等人開(kāi)展了模擬電話(huà)通道的隱藏，在誤碼率小于0.001時(shí)，其數據帶寬達到了265bps。日本的Modegi等人設計了一套非接觸水印提取方案，通過(guò)手機來(lái)廣播或轉存水印音頻，然后，通過(guò)計算機將秘密從轉存的音頻文件提取出來(lái)。隱藏帶寬達到61.5bps，提取率高于90%。但是，這幾種研究結果并沒(méi)有對算法做詳細描述。在直通電纜傳播方面，項世軍等人采用了三段能量比值方法，嵌人的是一串32b信息，雖然提取效果比較好，但由于實(shí)驗容量太小，實(shí)用性不夠，且對同步技術(shù)有較高的要求;王讓定等人采用改進(jìn)的量化方法、馬冀平等人”采用了DCT方法，嵌入的都是小圖片，但提取效果一般，僅可辨認。雷贄等人在短波廣播含水印音頻算法方面取得了可喜的進(jìn)展，通過(guò)多種同步方案和算法設計，使水印提取的模擬和實(shí)測過(guò)程都達到了較好的效果，但實(shí)驗容量很小。此外，由守杰等人設計了一種相似度計算方法，由于是非盲提取，不適于廣播通信領(lǐng)域。作者利用小分段的直方圖特性，開(kāi)展了抗A/D轉換的音頻水印初步研究，在每段開(kāi)頭總能獲得正確提取，但在每段的后續隱藏效果不佳，還需要做許多改進(jìn)。
可見(jiàn)，在面向公共音頻傳播方面，如何既能提高隱藏效果又能增大容量，仍然是音頻水印算法要解決的一個(gè)難題。本文通過(guò)數據特性分析，采用倒譜技術(shù)和小波分解方法，成功地解決了問(wèn)題，且能夠抵抗一定的手機彩鈴AMR攻擊，為實(shí)用化提供了重要基礎。
1、數據特性描述
音頻信號經(jīng)過(guò)具有A/D和D/A轉換的傳輸過(guò)程時(shí)，必然要涉及到以下問(wèn)題：
1)音頻信號要經(jīng)歷傳輸過(guò)程中的外加干擾，包括50Hz的工頻電信號，因此，需要選擇大于50Hz的音頻頻率信號;
2)因聲卡特性不同，音頻轉換過(guò)程不一定具有線(xiàn)性模型;
3)傳輸中錄制的音量往往與播放的音量不一致，這要求水印算法能夠抵抗音量的大范圍變化;
4)傳輸中錄制開(kāi)始時(shí)刻可能早于也可能晚于播放時(shí)刻而且結束時(shí)刻也不一定一致，所以水印隱藏的起始位置需要沒(méi)置標志;
5)轉換過(guò)程具有一定的濾波特點(diǎn)，可濾除較高頻率信號。
1.1音頻頻率范圍選擇
對照音頻頻率響應特性圖可以發(fā)現，在低頻部分的閾值比2kHz～4kHz的要高得多，不容易察覺(jué);尤其是1kHz以下部分，其不可感知性要好得多。文獻的實(shí)驗也表明，音頻數據通過(guò)A/D和D/A轉換后，其低頻范圍700Hz以下的損失非常小�？梢�(jiàn)，選擇在頻率為(50，700)范圍內的音頻數據，用于信息隱藏非常有利。
1.2倒譜系數的選取方法
倒譜變換在音頻水印中已經(jīng)具有了較強的健壯性，能夠抵抗噪聲、重采樣、低通濾波、重量化和音頻格式轉換等常見(jiàn)攻擊。倒譜變換后的數據特征表現為：倒譜系數在中間部分的差異很小，而在兩端的變化很大。
圖1是對音頻進(jìn)行7級小波分解后，選取5～7級高頻數據部分進(jìn)行倒譜變換情形。在進(jìn)行統計處理時(shí)，如果讓全部數據參與，則計算結果在隱藏前后有明顯變化;如果不考慮兩側若干個(gè)大數據，僅以中間大部分數據參與運算，則計算結果容易保持在一個(gè)穩定范圍內。
進(jìn)一步，如果將計算的均值移除，即相當于此時(shí)的均值為0。然后，在0的上下兩邊產(chǎn)生一個(gè)偏差，如2，以分別隱藏比特信息“1”和“0”。則在提取時(shí)，只需要判斷所求均值是否大于0，就可以求得水印比特。這種方法，稱(chēng)之為“數據分離調整”技術(shù)。
2、算法分析與設計
2.1隱藏算法流程設計
將原始音頻分段時(shí)，段數至少是水印比特數。然后，對每段數據進(jìn)行小波分解，取其低頻系數進(jìn)行倒譜變換，采用前述的數據分離調整技術(shù)，以實(shí)現水印比特嵌入。之后，先后重組倒譜系數和小波系數，獲得含有水印信息的音頻段，從而構造為新的音頻。該算法流程如圖2所示。
為了增強可靠性，對水印信息先做糾錯處理，采用BCH編碼方法。算法的主要工作是尋找合理的參數優(yōu)化配置，使隱藏效果達到最優(yōu)。參數主要有：小波分解級數、分段的數據幀長(cháng)度、數據幀的間距、上下分離的閾值將數據幀的間距設置為數據幀長(cháng)度的倍數，最大為1，最小為0。期間選擇多個(gè)系數，結果發(fā)現都可以成功實(shí)現隱藏。
2.2水印嵌入算法設計
1)水印信息處理。
音頻載體分段數至少應該大于，才能滿(mǎn)足隱藏要求。
假設每段長(cháng)為，該段經(jīng)過(guò)小波變換的級分解后，各級小波系數長(cháng)度分別為：
取低頻系數部分，使之頻率范圍位于(50，l000)內，則需要構造一個(gè)組合的低頻小波系數集合。以8kHz音頻為例，實(shí)施7級小波分解后，所選擇的低頻系數部分為：
P的長(cháng)度非常重要。如果太小了，對隱藏不利;反之，就需要更長(cháng)的音頻載體。所以，音頻分段與小波分解具有密切的關(guān)系。
3)倒譜變換。
復倒譜變換對于信號序列的均值大于或等于0時(shí)，其逆變換可逆;否則不可逆。為此，需要計算指定段信號的均值，若均值小于0則取反。然后對所有指定段進(jìn)行復倒譜變換。
4)倒譜系數的選取。
去掉首尾波動(dòng)很大的部分，而選擇中間平穩的部分嵌入水印。假設兩端各去掉L0個(gè)數據，則實(shí)際用于隱藏水印的倒譜系數長(cháng)度為：
5)去均值化處理。
計算剩余部分的均值，然后用每一個(gè)倒譜系數減去該均值，得到倒譜系數的相對值。
6)嵌入水印。
給定一個(gè)閾值T，采用整體上下拉開(kāi)的思路，對以上的相對倒譜系數進(jìn)行修改，得到最終的倒譜系數，從而實(shí)現水印的嵌入。
7)重構音頻信號。
對嵌入水印的段重構后，實(shí)施復倒譜反變換。然后進(jìn)行小波重構，從而得到含有水印比特的音頻段。將所有這些段重構，就獲得了含全部水印信息的音頻。
2.3水印提取
水印提取過(guò)程的前半部分與嵌入過(guò)程是一樣。在提取出比特序列后，再經(jīng)過(guò)BCH解碼處理，從而得到隱藏的水印比特序列。水印提取的流程如圖3所示。
對獲得的倒譜系數去兩側數據，計算剩下的倒譜系數平均值。按照以下規則進(jìn)行隱藏信息的提�。�
在信息傳播方面.針對A/D和D/A傳播采用『_直通電纜的傳輸方式，在單機上用電纜將音頻輸入輸出口相連。傳輸線(xiàn)為音頻線(xiàn)1.8m和延長(cháng)線(xiàn)1.8m，共3.6m。此外，針對手機彩鈴傳播采用了AMR方式。隱藏水印設計了三種方案，如圖4所示。
小容量的便于A(yíng)MR處理，大容量的便于實(shí)用化。
仿真工具為Matlab7.2.使用windowsMediaPldrver播放器播放音頻載體，使用CoolEdit Pro工具進(jìn)行錄音、編輯和攻擊處理。
基本參數選擇為：選用Harr小波進(jìn)行7級小波分解后，按照式(4)選取低頻系數區域，所得頻段在77.5～5o0Hz范圍。式(7)中的為L(cháng)0，式(9)中T值的合適范圍在0.005～0.025中實(shí)驗選取。式(3)中的取值為3200非常合適，此時(shí)，實(shí)際參與計算均值的數據為155。
3.2音頻載體的影響
音頻載體選擇了三種，如表1所示，
其采樣頻率8kHz，樣本精度為16b，單聲道，段的長(cháng)度為3200。音頻轉換為8kHz的目的是為了今后在電話(huà)網(wǎng)上的隱蔽傳輸，并可以轉化為AMR文件，傳輸到手機中，成為手機彩鈴的版權管理目的。
經(jīng)過(guò)A/D和D/A傳播后，4×4水印提取的誤碼情況如表1所示�？梢�(jiàn)，載體的選用非常重要;同時(shí)，從音頻質(zhì)量上考慮，選用較小的T值更有利于保證信噪比。所以，以下的實(shí)驗采用的是“奧運主題歌”。
3.3閾值參數的合理計算
選擇了水印“北”進(jìn)行比較測試，如圖5所示。結果表明，在T值為0.016時(shí)，誤碼率為0，效果最佳。為此，后續實(shí)驗也采用該值。
3.4大容量A/D和D/A傳輸
采用圖像水印“北京”進(jìn)行大容量測試，音頻載體選用“奧運主題歌”。圖6為經(jīng)過(guò)A/D和D/A轉換前后的數據均值計算對比情況.共有BcH編碼的555個(gè)數據。按照式(10)
提取后，能夠完全正確提取，且誤碼率為0。進(jìn)一步，將本文算法的實(shí)驗效果與已有屬于盲提取的研究結果相比較，如表2所示。
可見(jiàn)，本文算法雖然帶寬小，但水印能夠正確提取，而且嵌入容量較大。由于實(shí)驗中使用了8kHz的音頻載體，能夠廣泛應用于語(yǔ)音傳輸和手機彩鈴等場(chǎng)合，所以在電話(huà)網(wǎng)絡(luò )廣播方面的實(shí)用性強。
3.5抗AMR轉換
隨著(zhù)手機彩鈴的普遍使用，彩鈴的安全傳播和管理將成為新的問(wèn)題。本算法在這方面也開(kāi)展了新的嘗試，將水印隱藏在彩鈴中，可以起到版權保護或秘密信息傳播的作用。
目前手機錄音放音格式多數是AMR格式，要求算法能夠抵抗AMR轉換攻擊。在上述的音頻載體中成功完成水印嵌入后，需要將采樣精度l6b、采樣頻率為8000的波形音頻轉換為AMR格式，就可以存入手機中使用或發(fā)送給他人。提取時(shí)，先將AMR文件轉換為wAV格式，然后再提取水印信息。
AMR轉換工具為MIKS0FTMobiIeAMR convener，可以進(jìn)行WAVE與AMR兩種格式的相互轉換。實(shí)驗中使用的水印信息為圖4(a)水印，采用BcH(31，16，3)，閩值設置為0.0195時(shí)，B脒達到0，取得了滿(mǎn)意的效果。
4、結語(yǔ)
鑒于音頻信號的低頻特征，并綜合應用倒譜技術(shù)和小波多級分解方法，成功地實(shí)現了抗A/D和D/A轉換的音頻水印算法，誤碼率為0，不需要同步碼;而且，隱藏信息具有較大的容量，具備了一定的實(shí)用性;同時(shí)，算法還能夠抵抗一定的AMR攻擊，既能實(shí)現手機彩鈴的安全傳播和管理，又能在線(xiàn)錄制手機通信中的含水印音頻，具有較好的應用前景。今后，需要在A(yíng)MR文件中隱藏大容量水印信息，使之更具有實(shí)用性。
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