音頻嵌入數字水印研究方案

根據這一特性可知：水印嵌入到音頻數據的合適的高頻或者低頻分量上，都可以合理預期不破壞原始音頻的質量。這一點可從后續試驗中得到驗證。

3 算 法

本算法采用DWT，包含水印嵌入、水印檢測以及水印攻擊三個主要部分。水印的工作原理如圖2所示。水印的檢測需要原始音頻數據。

3.1 水印嵌入算法

（1）將待嵌入水印圖像置亂。本算法簡單地采用偽隨機數算法消除數據的相關性。（2）將原始音頻數據進行多尺度一維分解，并分別提取低頻系數和三層高頻系數。為獲取較好的穩健性，本算法將水印數據嵌入到音頻數據的第三層高頻分量上。（3）根據公式Vw（i）=V（i）+（α+e）×W（i）嵌入水印數據。其中V（i）為音頻數據位，W（i）為水印數據位，Vw（i）為嵌入水印后的音頻數據位，α為水印嵌入強度，e值作為修正，取值10-20。通過試驗，發現α值取為0.004時嵌入水印效果較為理想。（4）將嵌入水印數據后的音頻進行IDWT變換，即得到包含水印的音頻數據。

3.2 水印檢測算法

（1）將含有水印的音頻數據進行多尺度一維分解，并提取其三層高頻分量系數。

（2）檢測算法為嵌入算法的逆過程，需要原始音頻數據參與檢測，表達為：

W（i）=（Vw（i）-V（i））/（α+e），其中α以及e的值同嵌入算法中確定的值一致。

（3）步驟（2）得到的W（i）即為提取的一維水印信息序列，將其進行升維處理，可以得到二維圖像形式。此結果便是檢測輸出的水印。

嵌入水印的原圖及一次嵌入后提取的水印分別如圖3和圖4所示。

4 部分試驗

為測試本水印系統的性能，對加水印的音頻數據進行各類攻擊，這里給出部分實驗結果。

定義：

Nc作為衡量所提取水印圖像與原始水印圖像的相似程度，從未被攻擊的含水印音頻中直接提取的水印與原水印圖像相似度高達0.9998。

（1）二選一迫選實驗。對事先不知道精確原始音頻信號的測試者分別播放原始音頻和嵌入水印后的音頻，要求測試者指認原始音頻。根據L.BONey等[5]的結論，如果二類音頻被指認為原始音頻的比例大致相當，則可認為水印嵌入后沒有引起人耳感知上的顯著差別。試驗中隨機選取同實驗室學生8人，通過分別在不同wav文件中嵌入水印并隨機詢問的方法，結果約有53.4%的接受詢問者認為原始音頻音質更好。說明通過本系統嵌入的水印沒有引起原始音頻音質上的顯著改變。

（2）將音頻截掉全部數據的n/10（n=1，2，3……），原始音頻數據位長度稍大于40 000，從第20 000位開始剪切。

根據圖5、圖6、圖7可知將音頻剪切掉約三分之一內容后，仍可提取出較為明顯的水印圖案。如果剪切部分再多一些，則無法滿意地檢測出水印。但由于三分之一的剪切率將同時導致載體音頻數據的大量丟失，故這個結果是可以接受的。

（3）MP3壓縮。目前對音頻信號進行MP3壓縮編碼是較為常用的一種音頻處理技術，其目標為在不影響原始音頻信號品質的前提下盡可能地減少音頻數據量。不同的比特率對應了不同的MP3壓縮比。本試驗對上面含有水印的一段音頻先進行碼率為96Kbps的壓縮（壓縮比為7.4：1），然后進行相映解碼處理，檢測得到的水印圖像如圖8所示。

5 結 論

近年來音頻數字水印領域尤其是變換域音頻水印嵌入與檢測方面的研究工作發展迅速，而離散小波分析（DWT）是近年來整個數字水印系統研究的熱點之一。算法經實驗表明具有很好的隱蔽性，對原始音頻的質量幾乎沒有削弱，具備一定的抵抗剪切攻擊及其他攻擊的能力。為進一步提高算法的穩健性，應該進一步考慮如何利用更多HAS特性以及水印嵌入的位置和強度。顧及算法實用性，應當考慮增加嵌入水印的容量問題。這些都是需進一步改善的方向。