摘　要： 提出了一種可進(jìn)行盲檢測的數(shù)字音頻" title="音頻">音頻水印算法。該算法利用人類聽覺系統(tǒng)對(duì)音頻相位變化的不敏感性，通過時(shí)變的全通濾波器，對(duì)原始音頻信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制。為了實(shí)現(xiàn)盲檢測，將水印信號(hào)通過頻移鍵控(PSK)賦值到立體聲信號(hào)的左右聲道上，然后采用短時(shí)離散傅立葉變換的方法對(duì)嵌入水印的音頻信號(hào)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。
　　關(guān)鍵詞： 數(shù)字音頻水印 相位調(diào)制 頻移鍵控 短時(shí)離散傅立葉變換

　　數(shù)字水印" title="數(shù)字水印">數(shù)字水印是一項(xiàng)為保護(hù)多媒體知識(shí)產(chǎn)權(quán)而發(fā)展起來的技術(shù)，其作用就是將數(shù)字、文字、圖像等版權(quán)信息嵌入到多媒體數(shù)據(jù)(載體信號(hào))中。數(shù)字音頻水印就是將版權(quán)信息嵌入到音頻載體信號(hào)中，以實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)、加密通信及鑒別數(shù)據(jù)真?zhèn)蔚裙δ堋?br /> 　　嵌入載體信號(hào)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^[1]。目前的研究表明，人類聽覺系統(tǒng)對(duì)音頻信號(hào)的相位是不敏感的^[2]。具體表現(xiàn)為：在高頻段，人耳對(duì)音頻信號(hào)的相對(duì)相位變化不敏感；在低頻段，人耳對(duì)聲音的絕對(duì)相位不敏感。因此，許多研究者針對(duì)這些性質(zhì)提出了一些水印算法。例如，相位編碼法^[3]，該算法是在保證相鄰相位差不變的情況下，改變信號(hào)的絕對(duì)相位，這種做法的結(jié)果是相鄰頻率分量的相對(duì)相位關(guān)系與原始音頻信號(hào)的相對(duì)相位關(guān)系有較大的差別；另一種方法是，將音頻信號(hào)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(hào)的相位上^[4]，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(hào)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(hào)的目的。信號(hào)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(dòng)態(tài)相位調(diào)制法。
1 水印的嵌入與檢測
1.1 相位調(diào)制
　　通過一個(gè)時(shí)變的全通濾波器對(duì)原始音頻信號(hào)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(hào)處理的知識(shí)，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，τ_pm表示最大群時(shí)延，ω_pm表示調(diào)制率(調(diào)制角頻率)，Φ_pm表示初相位。τ_pm和ω_pm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(duì)ω_pm進(jìn)行頻移鍵控，可以實(shí)現(xiàn)水印的嵌入。
　　考慮到需要對(duì)水印信號(hào)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(duì)其中一個(gè)聲道的調(diào)制信號(hào)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(duì)加入了水印的音頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。
　　在時(shí)刻t，調(diào)制后的音頻信號(hào)的相頻特性可以表示為：


　　由此可以看出，檢測到的水印信號(hào)具有3dB的信噪比增益。
1.3 基于FSK的水印編碼
　　(1)嵌入過程：頻移監(jiān)控(FSK)的通常定義為：
　　C_i(t)=Acos(ω_it+Φ)，i=1，……M
　　式中，頻率ω_i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ω_i，從而產(chǎn)生一個(gè)相位調(diào)制信號(hào)C_i(t)，這就是基于FSK調(diào)制的相位調(diào)制信號(hào)。上面提到的相位調(diào)制濾波器(PMF)，其相位特性就是隨這個(gè)相位調(diào)制信號(hào)而變化。水印嵌入過程就是將原始音頻信號(hào)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(hào)(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(hào)，信號(hào)長度為180s。水印信號(hào)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(hào)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(duì)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(shí)別率(SHR)對(duì)檢測到的水印進(jìn)行性能上的估測。識(shí)別率定義為正確識(shí)別的水印與嵌入水印之比。公式如下：
　　
　　采用不同音頻信號(hào)提取后的識(shí)別率如表2所示。

　　為了驗(yàn)證算法的魯棒性，需對(duì)該嵌入水印的音頻信號(hào)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(duì)受攻擊后檢測出的水印性能的評(píng)測，也是利用識(shí)別率來衡量的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(如表3)，該算法對(duì)時(shí)域壓縮有明顯的抵抗力，對(duì)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。由該算法產(chǎn)生的水印具有較好的不可見性；又因?yàn)榍度胨r(shí)，運(yùn)用多種保密技術(shù)，該算法對(duì)多種攻擊處理具有良好的魯棒性。與以往的水印算法相比，水印的不可見性和魯棒性都有不同程度的提高。由本文的檢測算法可得：當(dāng)該立體聲信號(hào)被濾掉一個(gè)聲道時(shí)，水印將不再起作用。
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