一种安全的数字音频水印方案

摘 要:提出一种安全的数字音频水印算法,利用密钥生成的序列作为水印同步码,并在时间域嵌入同步码。水印信息采用分块结构化编码方式,水印分块中采用校验码机制,水印内容采用量化方式嵌入在小波变换域,水印分块在音频段中循环冗余嵌入方式,以抵抗同步攻击的能力。提出的算法不仅具有较好的不可感知性,对低通滤波、噪声、重量化、重采样、MP3压缩等信号处理具有较好的鲁棒性;同时对抵抗随机裁剪攻击、抖动攻击、时间延展等同步攻击具有很好的鲁棒性。关键词:音频水印; 同步攻击; 安全水印; 水印同步码

中图分类号:TN919-34文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)22-0139-03

A Security Digital Audio Watermarking Scheme Based on Synchronization Technique

XU Ri1, XUE Hui-jun2

(1.Department of Computer Science, Inner Mongolia Business & Trade Vocational College, Hohhot 010010, China;

2.Department of Computer Science, Inner Mongolia Electronic Information Vocational Technical College, Hohhot 010010, China)

Abstract: A security digital audio watermarking scheme is introduced, which uses a random sequence generated by private key as watermarking synchronization code and embeds the synchronization code in the time domain of audio signal. The block-structured coding is used in watermarking information, the check code mechanism is used in watermarking block, the sub-block watermarking is embedded in the wavelet transform domain. Experimental results show that the proposed scheme is inaudible and robust against common signals processing such as low-pass filtering, re-quantify, resample, MP3 compression and equalization etc, and is robust against desynchronization attacks such as random cropping, time-scale modification, and jittering.

Keywords: audio watermarking; synchronization attack; security watermarking; watermarking synchronization code

0 引 言

数字音频水印技术作为数字音频作品版权保护的有效手段,已经得到学术和产业界重视[1-3]。目前,针对音频水印算法的研究很多。但是抵抗随机裁剪、抖动攻击往往很容易让水印信息无法正确提取。文献[4]把信号短时平均幅度从低向高改变,并将改变程度最大的点作为特征点,并采用给定幅度参数阈值t1和t2来控制特征点数,其算法不具有通用性。文献[5]以变换域上的局部极值点作为特征点进行定位,嵌入和提取过程都是从音频的起始点分帧,用时间域裁剪攻击会出现帧移现象。文献[6]将同步信息添加到音频帧数据的小波域中,在裁剪攻击或抖动攻击中,同样会引起帧移并逐步加大。文献[7-11]采用音频特性定位或嵌入同步码的方式实现水印在同步方面的鲁棒性。上述水印算法基本没有考虑水印信息的安全性能,这些算法在公开的情况下,基本上可以很容易地把水印信息去除。

在此提出一种安全的音频水印方案,利用密钥序列生成同步码,同步码嵌入在音频载体的时间域。对水印信息进行结构化分块,结构化水印信息包括分块编号、分块水印信息、校验信息等。分块水印嵌入在音频信号的离散小波变换系数上,提高了水印算法的安全性,在未知密钥的情况下很难检索到水印的同步码,水印内容嵌入到小波变换域上,增强了水印信息的鲁棒性。仿真实验验证了水印在抵抗同步攻击、抖动攻击方面具有很好性能,对常见的音频信号处理也具有良好的鲁棒性。

1 水印算法设计

1.1 水印信息预处理

一般而言,作为版权侵权追踪中水印嵌入的实际需要,嵌入的水印信息可以是代表该版权归属的企业标识或企业名称等信息,其水印信息内容不大。比较适合作为水印信息的形式,通常可采用二值图像或灰度图像。水印信息预处理的目的在于增加水印抵抗攻击的能力,在部分的水印分块提取错误时,不至于影响其他水印分块的提取。预处理分为以下几个步骤。

(1) 水印信息分块。

水印信息通常采用可视的二值或灰度图像形式,以方便实际应用中对版权归属的确认。在此,以二值图像作为水印讨论,把水印信息分成n×n(n取4或8)大小的块,对水印图像做预处理,可以恰当的数量分块。

(2) 分块水印信息结构化。

经过分块的水印信息进行结构化处理。首先,在分块信息之前增加分块编号信息,分块信息进行二进制序列化,然后根据密钥进行置乱处理,最后增加二位校验位,一位为分块编号校验和;另一位作为水印信息校验和。

1.2 水印同步码

在水印检测时实用的水印系统不能依赖原始的载体[1],必须是盲检测,这就要求嵌入的水印必须能正确地定位,任意选择一定长度的音频载体,只要其中嵌入完整的水印信息,即可正确的提取其中的水印信息。同时,要求水印算法可以公开,水印算法的安全性不能依赖于算法的保密来实现。本算法提出的同步码是由密钥生成的序列。利用m序列生产器,生成长度为kУ男蛄新,作为同步码。

1.3 同步码嵌入

为提高水印信息检索效率,同步码嵌入在水印载体的时间域。水印嵌入位置对于水印的鲁棒性影响很大,水印嵌入位置的选取极为重要,同步码的嵌入步骤如下:

(1) 嵌入位置检索。假设需要嵌入水印的音频载体为A={a(n),1≤n≤N},确定一个宽度为Lw的滑动窗口,Lw的取值与同步码的长度k相同,即Lw=k。把滑动窗口在音频载体的时间轴上移动检索,计算窗口内音频采样点的能量值Ej=∑i=j+Lw-1i=ja(i)×a(i),选取窗口中能量Ej大于某一个阈值TE的音频段作为同步码嵌入的音频段。

(2) 同步码嵌入。对(1)中选取的音频段,每一个音频采用点嵌入一个比特的同步码,嵌入方法为直接修改音频采用点最低2~4位上,采用直接的位替换方案,直接把同步码位逐个按序替换方法,替换位置在最低第2,3,4位上选择,选择方法为采用密钥生成0~1之间的随机数序列,根据随机数序列所在的位置确定同步码被替换的位置。由于滑动窗口的长度与同步码的长度一致,所以这就很容易实现同步码的嵌入。