音频水印嵌入算法研究

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3.0 陈辉 2024-11-20 12 4 1.27MB 73 页 15积分

侵权投诉

摘要

随着数字化多媒体产品的大量制作和发行，数字产品的版权保护也变得越来越

重要。数字水印作为一种版权保护的新技术近年来得到人们的普遍关注，通过对

数字产品进行不可觉察的修改，数字水印把版权信息嵌入到被保护的数字产品中。

当对数字产品的版权有争议时，可以将数字产品中的水印信息提取出来以证明版

权所有者的身份。虽然人们也可以通过加密来保护数字产品，但是如果密码被破

译就失去保护作用了，而被保护数据中的水印很难被非法用户除去，因此数字水

印技术在产权保护上具有相当大的优势。

论文在总结国内外数字水印技术的基础上，主要研究音频水印嵌入算法。具体

贡献如下：

（1）提出了基于小波变换的音频水印算法。该算法首先通过对音频信号进行小波

分解得到信号的时变低频分量，然后通过扩频和改进离散余弦变换（MDCT）将水

印信息分散嵌入低频分量；最后通过误差修正获得较高的水印提取准确率。实验

结果表明：该算法增大了水印信号的嵌入量，在保证水印安全性和隐蔽性的同时，

对常见攻击还具有较好的鲁棒性。

（2）研究了把线性调频信号(LFM)作为二元水印的音频水印算法。LFM 信号在时

频平面中表现为直线，当水印信息被破坏后，只要能在时频平面上准确定位该直

线就能实现水印恢复。通常情况下，提取水印的误码率达到 20%左右，通过

Hough-Radon 变换（HRT）可以将这种带有污染的水印序列准确再现出来。然而，

HRT 是一个全局搜索算法，它的时间复杂度较大，以致严重限制了该算法的实际

应用，成为了该算法的瓶颈。论文采用线性回归和聚类分析方法，大大缩小了 HRT

的搜索范围，显著缩短了搜索时间。而且在提取水印的误码率达到 20%时，仍然

可以准确定位时频直线。

关键词：音频水印 Hough-Radon 变换线性调频信号线性回归层次

聚类分析小波分解改进的离散余弦变换扩频

ABSTRACT

Along with the large production of the multimedia, the copyright protection of them

is becoming more and more important. Digital watermarking has received great

attention recently as a kind of new technique to protect the copyright. The watermarking

technique embeds invisible codes in digital data, and it can be extracted to identify the

code could also be used to protect the digital production, it will lose such function if the

production is decoded, while the watermark in the protected data is hard to remove.

Hence, there are more advantages of digital watermarking in protecting the copyrights.

Based on large research results of the researchers working on digital watermarking,

this paper focuses on the algorithm for audio watermarking. The mainly contributions of

it are as follows:

(1) An algorithm for audio watermarking based on wavelet decomposition is

proposed. The algorithm first deals with the audio signal using wavelet decomposition

to get the time-variant low frequency components of the audio signal. Then, the

spectrum of the low frequency components is spread and the watermark is embedded

into the low frequency components spread by using the MDCT (Modified Discrete

Cosine Transform). Finally, the better veracity of extracting the watermark is assured by

using error correction. By using the method, the amount of the embedded watermark

bits is increased; the security and imperceptibility of the embedded watermark is

ensured. In the mean time, the watermarking scheme is also robust to the common

signal processing.

(2) A new binary audio watermarking algorithm is studyed. As watermark message, a

liner frequency modulation (LFM) signal is embedded in an audio signal. Since LFM

signal is localized as a straight line in the time-frequency (TF) plane, we can recover the

original watermark sequence by detecting the line in the image of the TF plane.

Although Hough-Radon transform (HRT) can correctly find the embedded watermark

message after common signal operations for bit error rates up to 20% by detecting the

line in the image, it needs to search for the parameters in a global space, and therefore it

has high computational capacity and costs large amount of time, which makes the

method not feasible for real-time application. In order to solve this problem, we propose

a new scheme that combining the liner regression and hierarchical clustering to

accelerate the execution of the HRT algorithm. Since our method searches for the

parameters at local, it can reduce the computational capacity and save large amount of

time. The simulation results show that our scheme could not only detect the embedded

watermark message after common signal processing operations for bit error rates up to

20%, but also accelerate the execution of the HRT algorithm many times.

Key words: Audio Watermarking, HRT, LFM, Liner Regression,

hierarchical clustering, Wavelet decomposition, Modified discrete

cosine transform, Spectrum spread

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

§1.1 论文的选题背景和研究意义 .................................... 1

§1.2 水印的历史和数字水印技术的研究现状 .......................... 3

§1.3 本文的结构 .................................................. 6

第二章数字音频水印算法简介 .......................................... 7

§2.1 数字音频水印算法的理论模型 .................................. 7

§2.2 数字音频水印算法的设计 ...................................... 8

§2.2.1 数字音频水印的嵌入位置 ................................ 8

§2.2.2 数字音频水印的具体嵌入方式 ........................... 12

§2.3 数字音频水印的评价标准 .................................... 14

§2.4 数字音频水印算法分类 ....................................... 15

第三章基本概念和原理 ............................................... 18

§3.1 小波分析的基本原理 ......................................... 18

§3.1.1 小波的产生 ........................................... 18

§3.1.2 小波的本质 ........................................... 18

§3.1.3 小波分析的本质 ....................................... 19

§3.1.4 离散小波变换 ......................................... 22

§3.2 聚类分析的基本原理 ......................................... 25

§3.2.1 聚类分析的方法 ....................................... 25

§3.2.2 距离和相似系数 ....................................... 26

§3.2.3 系统聚类法 ........................................... 28

§3.2.4 类个数的确定 ......................................... 30

§3.3 Radon 变换的基本原理 ....................................... 30

§3.3.1 Radon 变换原理 ....................................... 30

§3.3.2 Radon 变换的性质 ..................................... 31

§3.3.3 离散 Radon 变换 ....................................... 32

§3.3.4 Radon 变换的计算 ..................................... 33

§3.3.5 用 Radon 变换检测直线 ................................. 33

§3.4 时频分析的基本理论 ......................................... 33

§3.4.1 时频分布的表示方法 ................................... 34

§3.4.2 三种线性时频表示方法对多分量 LFM 信号的检测 ........... 37

第四章基于小波分解和改进离散余弦变换的音频水印算法 ................. 40

§4.1 引言 ....................................................... 40

§4.2 水印算法设计原理 ........................................... 41

§4.3 算法 ....................................................... 42

§4.3.1 水印嵌入算法 ......................................... 42

§4.3.2 水印检测过程 ......................................... 44

§4.3.3 误差修正 ............................................. 44

§4.3.4 水印效果评价 ......................................... 44

§4.4 仿真结果 ................................................... 45

§4.5 本章小结 ................................................... 47

第五章基于 LFM 信号检测的音频水印算法 ............................... 48

§5.1 引言 ....................................................... 48

§5.2 二元水印序列的产生 ......................................... 49

§5.3 水印嵌入与提取 ............................................. 49

§5.3.1 水印嵌入算法 ......................................... 49

§5.3.2 水印检测算法 ......................................... 50

§5.4 水印提取值修正算法 ......................................... 51

§5.5 仿真实验 ................................................... 54

§5.5.1 水印位检测与恢复：结果和讨论 ......................... 54

§5.5.2 直线的检测时间：结果与讨论 ........................... 58

§5.6 小结 ....................................................... 59

第六章结束语 ....................................................... 60

参考文献 ............................................................ 62

在读期间公开发表的论文和承担的科研项目 .............................. 66

致谢 .............................................................. 67

第一章绪论

§1.1 论文的选题背景和研究意义

随着网络通信的普及，许多传统媒体内容都向数字化转变，并且在电子商务中

即将占据巨大市场份额，如mp3的网上销售，数字影院的大力推行，网上图片、电

子书籍销售等等，在无线领域，随着移动网络由第二代到第三代的演变，移动用

户将能方便快速的访问因特网上数字媒体内容，基于有线或无线网络的数字媒体

内容的应用将是信息时代新的传统。但是，数字媒体内容的安全问题成了瓶颈问

题，制约着众多商业应用的进程。虽然成熟的密码学是解决当前网络信息安全的

主要手段，但是，对于多媒体内容存在两大问题。①密码系统虽然可以保护内容

的传输，但是却无法知道合法消费者怎样处理解密后的内容。②随着计算机处理

能力的快速提高，这种通过不断增加密钥长度来提高系统密级的方法变得越来越

不安全。而数字水印技术嵌入的水印很难被除去，因此在产权保护上有相当大的

优势。

数字水印作为一项很有潜力的解决手段，最近几年成为了商业界和学术界共同

关注的焦点，如拷贝保护技术工作组（CPTWG, Copy Protection Technique Working

Group）从 1995 年开始致力于基于 DVD 的视频版权保护研究，安全数字音乐创始

（SDMI, Secure Digital Music Initiative）从 1999 年开始研究音频的版权版护，数字

水印是其中的核心关键技术。数字水印（Digital Watermarking）是往多媒体数据（如

图像、声音、视频信号等）中添加某些数字信息（水印）而不影响原数据的视听

效果（此处我们只讨论人们普遍关心的不可见水印），并且这些数字信息可以部分

或全部从混合数据中恢复出来，以达到版权保护等作用。

数字水印的目的是保护数字作品的知识产权，然而随着该技术的发展，又延伸

出了更多更广的应用。目前，数字水印技术的应用大体上可以分为版权保护、认

证和完整性校验、使用控制、广播监视等几个方面。下面对这些应用进行简单介

绍：

(1) 版权保护

数字媒体包括音像制品、数字广播、 DVD 、MP3 等。例如在发行的每个拷

贝中嵌入不同的水印，称为数字指纹，其目的是通过授权用户的信息来识别数据

的发行拷贝，监控和跟踪使用过程中的非法拷贝。传统的加密方法对多媒体内容

的保护和完整性认证具有一定的局限性。首先，加密方法只用在通信的信道中，

一旦被解密，则信息就完全变成明文；另外，密码学中的完整性认证是通过数字

音频水印嵌入算法研究

签名方式实现的，它并不是直接嵌到多媒体信息之中，因此无法察觉信息在经过

加密系统之后的再次传播与内容的改变。

针对以上情况，数字水印技术将一段特殊的信息隐藏在文本、图像、视频、

音频等多媒体数据中，然后公开发布他的水印版本作品。这种特殊的信息即数字

水印永久地和多媒体数据结合在一起。当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有

者即可从盗版作品或水印版作品中获取水印信号作为依据，从而保护所有者的权

益。

(2) 数字指纹

为了避免数字产品被非法复制和散发，作者可在每个产品拷贝中分别嵌入不同

的水印(称为数字指纹)。如果发现了未经授权的拷贝，则通过检索指纹来追踪其来

源。这类水印技术常被用来进行盗版跟踪，它可以有效防止合法用户对数字产品

进行非法复制和传播以及非法牟利。

(3) 印刷防伪

目前市场上使用的防伪技术，在商品流通过程中仍存在着许多弊端，如技术独

占性和惟一性差；易伪造和泄露核心技术；只能满足于产品的真假鉴别功能；将

防伪识别的正常费用转嫁给了消费者。而基于数字水印的印刷防伪技术与传统的

印刷防伪技术不同，它彻底更新了印刷防伪的传统观念，并在印刷防伪中具有独

特的性质。作为识别标志的水印以视觉不可见的形式隐藏在印刷品中，只有通过

计算机软件或特定的检测设备才可识别。隐藏的水印标志可以是有意义的数字和

随机的数码、文本信息、图像甚至声音。用户可以根据被保护物品的不同要求加

入不同内容的水印信息，它也不会因为印刷品经过的各种地点和人员而变异，在

这些环节上没有泄露和扩散的可能性。

数字水印的加入和加入的内容具有随机性。每一种印刷品所隐藏的数字水印可

以不同，加入水印的位置也是随机的，技术掌握人本身也不知晓水印的隐藏位置，

这样的随机性和变化特征使伪造者难以仿冒伪造。

(4) 篡改提示

当数字作品被用于法庭、医学、新闻及商业时，常需确定它们的内容是否被修

改、伪造或特殊处理过。为实现该目的，通常可将原始图象分成多个独立块，再

将每个块加入不同的水印。同时可通过检测每个数据块中的水印信号，来确定作

品的完整性。与其他水印不同的是，这类水印必须是脆弱的，并且检测水印信号

时，不需要原始数据。

(5) 完整性保护

对于完整性保护来说，可以定时检测隐藏在作品中的数字水印，如果遭受攻击、

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摘要：

摘要随着数字化多媒体产品的大量制作和发行，数字产品的版权保护也变得越来越重要。数字水印作为一种版权保护的新技术近年来得到人们的普遍关注，通过对数字产品进行不可觉察的修改，数字水印把版权信息嵌入到被保护的数字产品中。当对数字产品的版权有争议时，可以将数字产品中的水印信息提取出来以证明版权所有者的身份。虽然人们也可以通过加密来保护数字产品，但是如果密码被破译就失去保护作用了，而被保护数据中的水印很难被非法用户除去，因此数字水印技术在产权保护上具有相当大的优势。论文在总结国内外数字水印技术的基础上，主要研究音频水印嵌入算法。具体贡献如下：（1）提出了基于小波变换的音频水印算法。该算法首先通过对音频信...

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