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科 科 技l论 I坛 种基于小波变换的音频水印算法 陆 佰林 (扬 州环境资源职 业技术学院 ， 江苏 扬 州 225127) 摘要 ： 数字音频水印是水印技术 中重要的组成部分， 提 出了一种基 于音频小波变换 的水印算法 ， 在音频小波 变换域的近似分量 中通过量化策 略嵌入水。 并实现了水印的盲提取。水印采用二值图 像 ， 比使用伪随即水印序列更加直观。仿真实验表明本算法的水印具有很好的鲁棒性和不可 感知性。 关键词 ： 音频水印 ： 离散 小波变化 ； 量化 引言 近年来 ， 网络通讯技术 和多媒体的迅猛发 展 ， 给人们的物质文化生活带来的极 大的改 变 ， 特别是 mp3 等数字音频压缩 技术的盛行 ， 给我 们带来 了丰富多彩的视听享受。但是 因为多媒 体极容易复制和修改 ，网上肆无忌惮 的复制 和 传播 盗版多媒体制品 ，使 得大量艺术作 品的版 权得不到有效保护 ，作者和发行 者的利益受 到 极大损害 。 在这种背景下 ， 一种新 的数字产 品版权保 护技术——数字水印应运而生 ，该技术被认 为 是解决数 字产 品知识 产权 问题的重 要手段 ， 已 经成 为当前 的热点研究领域之一 ，当前的数字 水 印研究 中， 以图像水 印研究最为深入 ， 而对于 音频水 印的研究相对较少 ，一方面因为音频单 位时间内的采样点较少 ，可嵌入水印信息就要 少 ，另一方 面由于人类听觉系统要 比视觉系统 更 加灵敏 ， 也给音频水 印的嵌入增加 了难度。 本 文提出 了一种基 于小 波变换 的音频 水印算 法 ， 在音 频小波变换域 的近似分量嵌入水印 ，对常 见的音频处理有很好 的鲁棒性 。 1 算法基本思想 小波变换 fDw 是一 种信号 的时间 一频 率分析方法 ， 具有多分辨率 分析的特点 ， 在时 频域都有表征信号局部特征的能力， 即在低频 部分有 较高 的频率 分辨 率和较 低 的时 间分辨 率 ，高频 部分有较 高的时 间分辨率和较低的频 率分辨率 。通过小波分析， 音频信息被分为两部 分， 低频分量 ca和高频分量 cd， 低频分量可 以继 续分解以进行更 高级别 的小波分析 。 本文算法在音频信号的小波变换域嵌入 水印 ， 可 以抵 抗诸如 重采样 、 加 噪 、 m p3 压缩等 信号处理 ， 使数 字产品的版权得到保护 。 本算法 中先对原音频信号进行 4 级小波变换后 ，把水 印嵌入 到 占有音频大部 分能量的近似分量 ca4 中， 实验 中水印都采用直观的二值 图像 。 在嵌人 水 印的过程中 ，采用了双极性量化嵌入方法01 ， 实现 了水印的盲提取。 2 水印算法实现 2． 1水印的嵌人过程 设 Ae表示含有 L 个采样数据的原始数字 音频信号 ， 它可以表示为 ： ={Ⅱ (f)， o<t<， J) ， 其中Ⅱ (f)∈ {o， 1 2 ， (2 一 1 1}是第1个数据的 幅度值， P 为每个数据用的比特数。 设 w 是二值 图像水 。且 幅大小 为 M1× M2 的二值图像 ， 可表示为 ： W={w (i， n 0 i< M1 ， o 其中W ( i， j ) E {0， 1)为二值图像的像素值。 为 了取消水印图像的像素 的空 间相关性 ， 首先对 图像进 行 Arnold 置乱变换[41 。然后对水 (1) <M2 } (2) 印图像进行降维操作，使其转化为一维的二值 序列 ： V ={ve／ = w (i， n o<i<ML0< j < M2， ?=i~MI+斗 (3) 对原始音频信号进行 4 层小波分解，选取 近似分量 ca4 中最大 的 5 × M1× M2 个系数 嵌 入水印序列 v ， 嵌入过程 采用双极性量化 方法， 为 了进 一步提 高鲁棒 性 ，这 里我们 把水 印 序列 v 重 复嵌入 了 5 次 ，虽 然这对 嵌入 的 水 印容 量 有 所减 少 ， 茬 大 的 提 高 了 鲁 值得注意 的是 量 化步长的值越大 ， 水 印的鲁棒性越好 ， 但是取值 过大 的话会使数字音频 信号严重失真 ，降低水 印的使用价值。 2-2 水印的提取过程 设 As是待检测的含水印音频信号，检测 过程如下 ： 首先对 As 进行 4 级小波 变换 ，根据量化 策略 ， 对第 四级近似分量 ca4 提取水印。 得到水 印序列后 ， 利用公式 (3)的把序列还 原升维成二值图像。 将 升维后 的二 值图像 进行 Arnold 逆置乱 就得到 了水印 图像。 3 仿真实验 实 验 中 选 取 长 度 32s， 采 样 频 率 44． 1kHz， 16bits 量 化 ， 一 段音 频信号 ， 选 取 64 x 64 的二值 图像作为水印信号 ， 如图 l (a)所示 ， 在 含水印音频 信号 中提取 的水印如 图 lfb)所示 。 图中可 以看 出，几乎分辨不 出嵌入前后水 印的 区别。 我们让 2(1个听觉正常的人反复听嵌 人水 印前后的两段音乐，同样 分辨不出哪一个是嵌 人水印的音乐， 可见算法具有很好 的不可闻性 。 为了测试 算法的鲁棒 性 ， 对嵌人水 印的音 频信号作如下处理： 3． 1 添加白噪声 ：将信号加入信 噪比为 30dB 的高斯 白噪声 ， 提取的水印如图 2(a)。 3． 2 重量化： 将含水印音频信号先进行 8bit 量化， 再量化为 16bit， 提取的水印如图 2(b)。 3_3 重 采 样 ：将 音 频 信 号 先 下 采 样 到 32KHz， 再上采样 到 44． 1KHz， 提取 的水印如 图 2fc)。 3． 4 有损压缩： 将含水印音频信号进行 5． 5： 1m p3 压缩 ， 提取的水印如图 2(d)。 3． 5 低通滤波： 将含水印信号通过截止频 率 10KHz 的低通滤波器 ， 提取的水印如图 2fe)。 图 2． (a)(b)(c)(d)(e) 依 次为从受到添加 白噪 声 、 重量化 、 重采样 、 有损压缩 、 低通滤 波攻击 的 音频中提取的水印从图中我们可以看出， 本算 一图 1 (a)原水 印 (b)提取的水印 (a ) (b ) ( ) 图 2 (d ) (e ) 法水 印对于各种音频处理攻击具有很好 的鲁棒 性 。 4 结论 提 出 了一种 基于小 波变换 的音频水 印算 法，在音频信号的近似小波分量实现水印的嵌 入 ， 可以抵抗重采样 、 有损压缩 、 低通 滤波等常 见攻击 ， 对于音频信号的版权保护很有应用价 值 。 参考文献 [1]H Inoue，A Miyazaki，T Katsura．An Image W atermarking Method B as ed Transform[C]．Proc of ICIP．Vo1 3．1999： 296— on the W av el et 30 0 ． [2]P． Meerwald， A ． Uh1 ．A survey of wavelet- do— main watermarking algorithms[J]．Proceedings of SPIE ， E l ectronic Imagi ng， Sec ur i ty and W ater- marki ng o f Multimedia C ontents 1II， P． W ． W ong and E r J． Delp， eds．43 14，SPIE ， USA)， Jan． 200 1． f3IT 玮， 闰伟 齐， 齐东旭．基 于 A rnold 变换 的数 字图像置乱技 术l J 1 ．计算机辅助设计 与图形学 学报， 2001， (04)： 338— 341． 【 4]杨 洋， 陈小平． 一种 变换域的音频 多水印算法 探 索【 J 】 ． 微 电子 学与计算机．2001，21(6)： 63~66． [5]王炳锡， 陈琦， 邓峰森． 数 字水印技 术【 M]． 西安： 西安 电子科技 大学出版社， 2003． 作者简介： 陆佰林 ( 1981～ )， 男， 江 苏新沂人 ， 硕士研 究生，主要研 究方向为网络技 术与信息 安 全 (San Jose，CA， 一3 4—