关于面向公共信息传播的音频水印算法

                          作者：张晓明 禹召阳 李文治

    论文摘要：提出了一种基于小波分解和倒谱技术的音频数字水印算法，该算法通过对原始音频进行小波多级分解，从中选取低频系数进行倒谱变换。通过统计均值的计算和调整方法设计，完成了水印的嵌入。实验结果表明该算法能够有效地抵抗A／D和D／A攻击，误码率为O，隐藏容量较大。同时，本算法还能够抵抗一定的AMR攻击，为手机音频的安全传播和管理提供了新的前景。
　　论文关键词：音频水印；小波变换；倒谱；模／数转换；AMR格式

　　0引言
　　在电视广播、交通台和音乐会等公共信息传播领域，音频的版权管理和安全传输都非常重要。如果采用数字水印技术，则需要水印算法能够抵抗A／D和D／A转换。目前，具有这种变换的类型可以划分为三种。第种是基于电缆传输方式，以电话线传播和直通电缆连接为典型，所受干扰小。电话线方式是公用信道，能够传播很远，传输秘密水印的载体可以是话音或音乐等类型；而直通电缆方式一般在一个办公实验的局部环境中。第二种是基于广播方式，通过广播媒体或专用频道进行传播。第三种是基于空气直接传播方式，会遭遇各种干扰，通常只能近距离设计。由于音频水印的远程传输和提取具有广泛的应用价值，这些音频传播水印技术在国外已经受到了极大重视并有所成果。在空气传播水印信息方面，德国的steinebach等人…开展了最早的研究，通过设定5—4oocm的多个不同间距，同时使用了4种不同的麦克风，研究了5种音频类型的水印技术，在5～180cm的间距普遍获得了良好的提取效果。随后，日本的achibana等人口研究将水印实时地隐藏到公共环境如音乐演奏会的音乐之中，能够成功地在一个30s音乐片段内隐藏64b的消息，测试的空气传播距离为3m。在电话网络传播方面，加拿大的chen等人开展了模拟电话通道的隐藏，在误码率小于0．001时，其数据带宽达到了265bps。日本的Modegi等人设计了一套非接触水印提取方案，通过手机来广播或转存水印音频，然后，通过计算机将秘密从转存的音频文件提取出来。隐藏带宽达到61．5bps，提取率高于90％。但是，这几种研究结果并没有对算法做详细描述。在直通电缆传播方面，项世军等人采用了三段能量比值方法，嵌人的是一串32b信息，虽然提取效果比较好，但由于实验容量太小，实用性不够，且对同步技术有较高的要求；王让定等人采用改进的量化方法、马冀平等人”采用了DCT方法，嵌入的都是小图片，但提取效果一般，仅可辨认。雷贽等人在短波广播含水印音频算法方面取得了可喜的进展，通过多种同步方案和算法设计，使水印提取的模拟和实测过程都达到了较好的效果，但实验容量很小。此外，由守杰等人设计了一种相似度计算方法，由于是非盲提取，不适于广播通信领域。作者利用小分段的直方图特性，开展了抗A／D转换的音频水印初步研究，在每段开头总能获得正确提取，但在每段的后续隐藏效果不佳，还需要做许多改进。
　　可见，在面向公共音频传播方面，如何既能提高隐藏效果又能增大容量，仍然是音频水印算法要解决的一个难题。本文通过数据特性分析，采用倒谱技术和小波分解方法，成功地解决了问题，且能够抵抗一定的手机彩铃AMR攻击，为实用化提供了重要基础。
　　1数据特性描述
　　音频信号经过具有A／D和D／A转换的传输过程时，必然要涉及到以下问题：
　　1)音频信号要经历传输过程中的外加干扰，包括50Hz的工频电信号，因此，需要选择大于50Hz的音频频率信号；
　　2)因声卡特性不同，音频转换过程不一定具有线性模型；
　　3)传输中录制的音量往往与播放的音量不一致，这要求水印算法能够抵抗音量的大范围变化；

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