摘 要：提出的基于可視密碼術(shù)的小波域量化系數(shù)音頻數(shù)字水印方案，采用可視密碼術(shù)的方法，通過特定算法將秘密信息隱藏到一定數(shù)量的圖片中，這些圖片作為水印嵌入到數(shù)字作品中，恢復(fù)者可以通過將特定數(shù)量的圖片疊加在一起，通過人的視覺系統(tǒng)就能識別恢復(fù)出原來的秘密信息，無需大量的計算和密碼學(xué)的知識，所以可以為更多的人使用。



關(guān)鍵詞：數(shù)字水?。浑x散小波變換；可視密碼術(shù)；量化

中圖分類號：TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2008)11-084-02

Study of Audio Watermarking in Wavelet Domain Based on the Visual Cryptography



ZHAO Bo，BIAN Jinlai，GAO Fei

(Qingdao Branch，Navy Aviation Engineering Institute，Qingdao，266041，China)



Abstract：This paper puts forward audio watermarking in wavelet domain based on the visual cryptography，using visual cryptography theory，hiding the secret information into a certain pictures through specific algorithm，and these pictures can be embedded into digital product.Recuperater plus a certain pictures，through human vision systems，we can renew the initial secret information，however，don′t need mass of calculation and cryptography knowledge，so more people can use it.



Keywords：digital watermarking;discrete wavelet transform;visual cryptography;quantification

音頻數(shù)字水印技術(shù)是解決音頻數(shù)據(jù)版權(quán)保護(hù)的有效手段，本文提出了一種基于量化的小波域音頻數(shù)字水印算法，其優(yōu)點在于水印的嵌入對音頻信號的影響較小，能夠使觀察者無法察覺其變化，將可視密碼術(shù)引入數(shù)字水印的生成，解密的時候不需要運算，只要經(jīng)過人類的視覺系統(tǒng)就可以識別，增加了數(shù)字水印的隱秘性和安全性。

1 方案描述

作為能證明著作者版權(quán)信息的水印可以是有意義的字符，可以是一串偽隨機序列，也可以是比較直觀的圖像，因為圖像信息在沒有受到嚴(yán)重?fù)p壞的情況下一般還能夠辨認(rèn)出來，故本次設(shè)計選用的是含數(shù)據(jù)量較小，但又不失一般性的二值圖像作為水印來處理與隱藏。

1.1 可視密碼術(shù)對水印的處理

為提高水印的抗攻擊能力，用改進(jìn)的(4，4)可視密碼術(shù)對水印進(jìn)行處理。如圖1所示，C01~C03用于加密白色像素點，C10~C13用于加密黑色像素點。它們具有以下屬性：任何一個單一的子密鑰塊包括5個黑子像素；C01~C03里的任意兩個子密鑰塊的疊加包括7個黑子像素，任意3個和4個子密鑰塊的疊加包括8個黑子像素。C10~C13里的任意兩個子密鑰塊的疊加包括7個黑子像素，任意3個子密鑰塊的疊加包括8個黑子像素，4個子密鑰塊的疊加包括9個黑子像素?？梢钥闯?，當(dāng)子密鑰塊數(shù)目少于4的時候，黑子像素和白子像素是無法區(qū)分的。只有當(dāng)4個子密鑰塊都疊加到一起的時候，視覺上才能區(qū)分黑(全黑)和白(8/9黑)。

圖1 (4，4)可視密碼術(shù)

1.2 水印的降維處理

假設(shè)W是M1×M2的二值圖像，它可表示為：



W={w(i，j)，0≤i



式中w(i，j)∈{0，1}，為了將二維的二值圖像嵌入到一維的數(shù)字音頻信號中，將其進(jìn)行降維處理，將二維圖像變?yōu)橐痪S序列：



V={v(k)=w(i，j)，0≤i

式中Se={s(n)，0≤n<(M1M2+3p)L}是與水印嵌入相關(guān)的部分(M1，M2是水印圖像像素的寬度與高度，p是同步碼的周期長度，并且在水印序列中插入了3個同步碼序列，L是音頻分段的長度)，Sr={s(n)，(M1M2+3p)L≤n

把用于嵌入水印的Se分成M1M2+3p個長度為L的數(shù)據(jù)段，即:



Se={se(k)}，0≤k<(M1M2+3p)}



式中se(k)表示第k個音頻數(shù)據(jù)段。

1.4 分段DWT變換并嵌入水印

分段完成之后，需要對每一個數(shù)據(jù)分段se(k)作H層的DWT變換。

(1) 對每一音頻數(shù)據(jù)段se(k)分別作H層離散小波變換。



De=DWT(se)={De(k)=DWT(se(k))，

k=O(j)，0≤j



式中De(k)={de(k)(t)，0≤t

(2) 在離散小波變換域內(nèi)確定水印的嵌入?yún)^(qū)域。

音頻段se(k)進(jìn)行小波變換的結(jié)果De(k)中包含一組近似分量D0e(k)和H組細(xì)節(jié)分量D1e(k)，D2e(k)，…，DHe(k)，即:



De(k)=D0e(k)⊕D1e(k)⊕D2e(k)⊕…⊕DHe(k)



為了提高水印系統(tǒng)的魯棒性，本方案選取小波系數(shù)的近似分量D0e(k)作為水印的嵌入?yún)^(qū)域，并且每個音頻分段的D0e(k)只重復(fù)嵌入一個水印比特信息，重復(fù)次數(shù)為TIME，重復(fù)嵌入的次數(shù)最大TIMEmax=L/2H。

(3) 修改小波系數(shù)采用量化系數(shù)方法。

(4) 小波反變換，重建音頻信號

前面的過程完成了水印數(shù)據(jù)嵌入到小波域，然后需要把每個分段數(shù)據(jù)修改后的小波結(jié)果進(jìn)行反變換復(fù)原成音頻信號，并且把分段連在一起構(gòu)成嵌入水印信息的音頻

S′e和與水印嵌入無關(guān)的Sr組合成完整的目標(biāo)音頻信號。

1.5 水印的檢測

水印檢測是水印嵌入的逆過程。

(1) 首先把待檢測音頻數(shù)據(jù)相應(yīng)地分成兩部分，即嵌入有水印的部分S′e和與嵌入無關(guān)的部分Sr。

(2) 把S′e進(jìn)行與嵌入時相同的分段處理，即相同的分段起始位置和相同的分段長度L。然后把每一段分段數(shù)據(jù)S′e(k)(k表示第k段)進(jìn)行H層的DWT變換得到小波變換系數(shù)D′e(k)={

d′e

(k)(t)，0≤t

d′e(k)(t)是第k個音頻段S′e(k)的離散小波變換D′e(k)中的第t個系數(shù)。

(3) 尋找水印嵌入的位置提取水印。在嵌入時本文選擇的是在小波系數(shù)的近似分量(低頻分量)中嵌入的，因此提取時也是通過檢測近似分量提取水印比特。設(shè)檢測出的水印比特為V

(4) 根據(jù)多少判定的方法決定某個音頻段嵌入的水印比特。初始化計數(shù)值num=0，依次檢測TIME個V′s(k)(t)，如果V′s(k)(t)=1，就將計數(shù)值num自增1(即num+ +)。檢測完一個數(shù)據(jù)分段中提取的

V′s

(k)(t)，如果num>TIME/2，那么本段嵌入的二值數(shù)據(jù)V′s(k)=1；否則如果num

(5) 對一維的水印數(shù)據(jù)進(jìn)行升維處理，變換成二維圖像數(shù)據(jù)，并且在界面里顯示出來。

2 水印系統(tǒng)實驗仿真

以前面給出的(4，4)加密方案構(gòu)造水印，設(shè)要隱藏的明文信息是“吉”字，由仿真程序生成的子密鑰圖片如圖2所示。

圖2 (4，4)加密方案生成的子密鑰圖片

將子密鑰key4作為水印嵌入到上述音頻信息中，提取出的子密鑰圖像如圖3所示，將提取的子密鑰圖像與其余3幅子密鑰圖像進(jìn)行疊加，最終恢復(fù)出的代表版權(quán)信息的水印圖像如圖4所示。

圖3 提取的子密鑰圖像

圖4 用提取的子密鑰恢復(fù)的水印

圖5 三幅子密鑰疊加結(jié)果

圖5是提取子密鑰圖像和其余兩幅子密鑰圖像的疊

加結(jié)果，從圖5可以看出，單幅子密鑰和少于4幅子密鑰的[CM)]

疊加結(jié)果都不能恢復(fù)原始的明文信息，只有4幅子密鑰的疊加結(jié)果才能恢復(fù)原始的明文信息，當(dāng)然，可視密鑰的形成是將明文圖像的每一個像素分成多個子像素來表示，恢復(fù)時會有對比度的損失，恢復(fù)得圖像會變暗。

本論文方案也有不足仍需要繼續(xù)深入研究，由于可視密碼術(shù)方法是通過特定算法將秘密信息隱藏到多張圖片中進(jìn)行分存，使得圖片單位面積對應(yīng)的信息量減少，故從另一方面講可視密碼術(shù)在增加水印的安全性的同時也降低了水印信息的嵌入量。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］劉海燕，鄭雪峰，王穎.數(shù)字音頻水印主要算法的研究比較\\[J\\].計算機應(yīng)用研究，2007，24(9):136-139.



［2］黃俊波，丁源源，王虹.一種新的基于量化的音頻數(shù)字水印算法\\[J\\].電腦與信息技術(shù)，2004(1):24-27.



［3］Wu Shaoquan，Huang Jiwu，Huang Daren，et al.Self-Synchronized Audio Watermark in DWT Domain.IEEE，2004.



［4］Naor M，Pinkas B.VisualAuthentication and Identification.Advances in Cryptology:CRYPTO 97.Lecture Notes in Computer Science，1997:322-336.



［5］Doug Stinson.Visual Cryptography Threshold Schemes\\[J\\].Dr.Dobb′s Journal，San Mateo，1998:36-43.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。