立體聲音頻數(shù)字水印設(shè)計(jì)

摘　要： 提出了一種可進(jìn)行盲檢測的數(shù)字音頻水印算法。該算法利用人類聽覺系統(tǒng)對音頻相位變化的不敏感性，通過時(shí)變的全通濾波器，對原始音頻信號進(jìn)行相位調(diào)制。為了實(shí)現(xiàn)盲檢測，將水印信號通過頻移鍵控（PSK）賦值到立體聲信號的左右聲道上，然后采用短時(shí)離散傅立葉變換的方法對嵌入水印的音頻信號進(jìn)行檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該算法具有良好的不可感知性和魯棒性。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字水印越來越多被應(yīng)用。數(shù)字水印（Digital Watermarking）技術(shù)是將一些標(biāo)識信息（即數(shù)字水?。┲苯忧度霐?shù)字載體當(dāng)中（包括多媒體、文檔、軟件等）或是間接表示（修改特定區(qū)域的結(jié)構(gòu)），且不影響原載體的使用價(jià)值，也不容易被探知和再次修改。但可以被生產(chǎn)方識別和辨認(rèn)。通過這些隱藏在載體中的信息，可以達(dá)到確認(rèn)內(nèi)容創(chuàng)建者、購買者、傳送隱秘信息或者判斷載體是否被篡改等目的。數(shù)字水印是信息隱藏技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。

嵌入載體信號的水印必須有較好的魯棒性和不可感知性。為此，需要利用人類聽覺系統(tǒng)（HAS）的一些特性進(jìn)行水印的嵌入。目前的研究表明，人類聽覺系統(tǒng)對音頻信號的相位是不敏感的。具體表現(xiàn)為：在高頻段，人耳對音頻信號的相對相位變化不敏感；在低頻段，人耳對聲音的絕對相位不敏感。因此，許多研究者針對這些性質(zhì)提出了一些水印算法。將音頻信號通過無限脈沖響應(yīng)（IIR）的全通濾波器，從而將水印信息嵌入到原始音頻信號的相位上，無限脈沖響應(yīng)的全通濾波器通常具有較復(fù)雜的相位特性，所以使用這種方法嵌入的水印一般具有較差的不可感知性。

本文通過總結(jié)以上方法，提出一種新的水印算法。將原始音頻信號通過全通濾波器，循環(huán)地改變?nèi)V波器的群時(shí)延，以達(dá)到嵌入水印信號的目的。信號通過全通濾波器后，改變的只是它的相頻特性，因此，該方法又稱為動態(tài)相位調(diào)制法。

1 水印的嵌入與檢測

1.1 相位調(diào)制

載波的相位對其參考相位的偏離值隨調(diào)制信號的瞬時(shí)值成比例變化的調(diào)制方式，稱為相位調(diào)制，或稱調(diào)相。調(diào)相和調(diào)頻有密切的關(guān)系。調(diào)相時(shí)，同時(shí)有調(diào)頻伴隨發(fā)生；調(diào)頻時(shí)，也同時(shí)有調(diào)相伴隨發(fā)生，不過兩者的變化規(guī)律不同。實(shí)際使用時(shí)很少采用調(diào)相制，它主要是用來作為得到調(diào)頻的一種方法

通過一個(gè)時(shí)變的全通濾波器對原始音頻信號進(jìn)行相位調(diào)制。全通濾波器利用一個(gè)IIR濾波器來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)數(shù)字信號處理的知識，這個(gè)IIR濾波器可以通過一組有限脈沖響應(yīng)（FIR）的濾波器來近似地實(shí)現(xiàn)，這樣做的好處是利用這些線性相位濾波器，使時(shí)變的全通濾波器的群時(shí)延在整個(gè)頻率范圍內(nèi)變?yōu)橐恢?，然后通過一個(gè)正弦函數(shù)控制群時(shí)延，使該濾波器的相位特性循環(huán)變化。該全通濾波器的相位特性可以用下式表示：

式中，τpm表示最大群時(shí)延，ωpm表示調(diào)制率（調(diào)制角頻率），Φpm表示初相位。τpm和ωpm的取值能影響水印的可見性，因此它們是該相位調(diào)制濾波器（PMF）的重要參數(shù)。通過對ωpm進(jìn)行頻移鍵控，可以實(shí)現(xiàn)水印的嵌入。

考慮到需要對水印信號進(jìn)行盲檢測，同時(shí)為了提高檢測出的水印的信噪比，本文對其中一個(gè)聲道的調(diào)制信號加上一個(gè)相偏π，于是得到：

式中，h（i，n） {i∈0，……M-1}隨C（n）變化。

1.2 相位解調(diào)

本文利用短時(shí)離散傅立葉變換對加入了水印的音頻信號進(jìn)行解調(diào)。

在時(shí)刻t，調(diào)制后的音頻信號的相頻特性可以表示為：

由此可以看出，檢測到的水印信號具有3dB的信噪比增益。

1.3 基于FSK的水印編碼

FSK（Frequency-shift keying）是信息傳輸中使用得較早的一種調(diào)制方式，它的主要優(yōu)點(diǎn)是： 實(shí)現(xiàn)起來較容易，抗噪聲與抗衰減的性能較好。在中低速數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛的應(yīng)用。最常見的是用兩個(gè)頻率承載二進(jìn)制1和0的雙頻FSK系統(tǒng)。技術(shù)上的FSK有兩個(gè)分類，非相干和相干的FSK。在非相干的FSK ，瞬時(shí)頻率之間的轉(zhuǎn)移是兩個(gè)分立的價(jià)值觀命名為馬克和空間頻率，分別為。 在另一方面，在相干頻移鍵控或二進(jìn)制的FSK ，是沒有間斷期在輸出信號。

（1）嵌入過程：頻移監(jiān)控（FSK）的通常定義為：

Ci（t）=Acos（ωit+Φ），i=1，……M

式中，頻率ωi從M個(gè)離散值中選擇，初始相位Φ取任意值。

通過擴(kuò)展帶寬可以得到MFSK編碼，擴(kuò)頻的大小與所取的M值有關(guān)。水印嵌入時(shí)，將相應(yīng)的數(shù)字信息賦值給相應(yīng)的ωi，從而產(chǎn)生一個(gè)相位調(diào)制信號Ci（t），這就是基于FSK調(diào)制的相位調(diào)制信號。水印嵌入過程就是將原始音頻信號同PMF的脈沖響應(yīng)做卷積來實(shí)現(xiàn)的。

（2）檢測過程：首先，利用DFT計(jì)算出解調(diào)信號（t）的能量譜；然后，計(jì)算出這個(gè)能量譜峰值處的頻率，通過解碼這個(gè)峰值頻率得到一個(gè)水印信息；最后，將解碼出的水印信息組合，得到完整的水印信息。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

本文采用采樣率為44.1kHz的16bit編碼的雙聲道音頻信號，信號長度為180s。水印信號采用一個(gè)64×64的二值圖像。嵌入時(shí)的具體參數(shù)如表1所示。

在水印信號嵌入前，可以采用擴(kuò)頻技術(shù)[5]，通過原始數(shù)據(jù)的頻域擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)水印信息的加入。從而提高水印的檢測精度，并能隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)密鑰，但同時(shí)也增加了嵌入水印的數(shù)據(jù)量。

本文采用的相位調(diào)制濾波器由256個(gè)有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器組成，如圖1所示。

水印檢測時(shí)，每65 536點(diǎn)作為一個(gè)數(shù)據(jù)段，對其進(jìn)行采樣間隔為16的N點(diǎn)短時(shí)離散傅立葉變換，其中取N=256。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本文采用識別率（SHR）對檢測到的水印進(jìn)行性能上的估測。識別率定義為正確識別的水印與嵌入水印之比。公式如下：

采用不同音頻信號提取后的識別率如表2所示。

為了驗(yàn)證算法的魯棒性，需對該嵌入水印的音頻信號進(jìn)行攻擊處理。這些攻擊包括：低通濾波、時(shí)域壓縮、添加噪聲等。對受攻擊后檢測出的水印性能的評測，也是利用識別率來衡量的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（如表3），該算法對時(shí)域壓縮有明顯的抵抗力，對其他攻擊也有較好的魯棒性。

本文討論了一種基于相位調(diào)制的數(shù)字音頻水印算法，同時(shí)給出了該水印的盲檢測算法。水印是基于FSK的，F(xiàn)SK并結(jié)合了速降（Downhill），速滑（Speed），特技輪滑（Acrobatic rollerskating）是一種全新的，融入較多元素，反應(yīng)現(xiàn)代輪滑發(fā)展的玩兒法。由本文的檢測算法可得：當(dāng)該立體聲信號被濾掉一個(gè)聲道時(shí)，水印將不再起作用。