劉 威，袁 鍵

(1.金陵科技學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)與通信工程學(xué)院，江蘇 南京 211169；2.亨通集團(tuán)有限公司 江蘇亨通工控安全研究院，江蘇 蘇州 215131)

0 引 言

水印和隱寫的區(qū)別之處在于水印強(qiáng)調(diào)不可感知性，而隱寫強(qiáng)調(diào)不可檢測(cè)性[1]。根據(jù)隱藏?cái)?shù)據(jù)嵌入位置的不同，數(shù)字音頻水印可分為無(wú)編碼(或編碼前)水印和有編碼水印兩類[2]；若按嵌入原理，可分為擴(kuò)頻通信水印和量化指數(shù)調(diào)制(quantization index modulation，QIM)水印[3]。本文所涉及的公共交換電話網(wǎng)(PSTN)聲帶信道是指用于傳輸窄帶語(yǔ)音(通帶范圍為0.3 kHz～3.4 kHz)的模擬信道，語(yǔ)音編解碼的標(biāo)準(zhǔn)為G.711。

語(yǔ)音水印一直是國(guó)內(nèi)外信息隱藏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。如文獻(xiàn)[4]應(yīng)用基于感知成形法的水印算法來對(duì)數(shù)字電話錄音作取證分析。文獻(xiàn)[5]提出一種對(duì)抗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的語(yǔ)音水印方法。文獻(xiàn)[6]提出一種抗重捕獲和去同步攻擊的語(yǔ)音水印方法。文獻(xiàn)[7]基于離散小波低頻子帶和擴(kuò)展抖動(dòng)調(diào)制的語(yǔ)音水印方法。但是，上述水印算法要么未考慮PSTN聲道信道的模擬帶通和平坦衰落特性，要么需要較高的采樣率[7]。文獻(xiàn)[8]提出一種奇異譜分析的音頻水印方法。文獻(xiàn)[9]將語(yǔ)音視為干擾信號(hào)，并采用擴(kuò)頻通信來傳遞水印數(shù)據(jù)，并應(yīng)用到射頻領(lǐng)域。文獻(xiàn)[10]利用小波變換和格點(diǎn)矢量化進(jìn)行語(yǔ)音水印。文獻(xiàn)[11]提出多尺度Costa算法(scalar costa scheme，SCS)進(jìn)行語(yǔ)音水印。這些算法使用矢量量化器或抖動(dòng)調(diào)制器將水印信號(hào)嵌入載體信號(hào)，通常水印系統(tǒng)容量較高，但容易受幅度變換攻擊。

本文提出了結(jié)合擴(kuò)頻通信和聽覺感知濾波的水印方法，改進(jìn)了產(chǎn)生、嵌入與提取水印信號(hào)的方法。其主要?jiǎng)?chuàng)新總結(jié)如下：

(1)語(yǔ)音水印信號(hào)采用曼徹斯特非歸零線碼，且在嵌入水印信號(hào)時(shí)利用子帶技術(shù)改善心理聲學(xué)模型和聽覺感知濾波器。

(2)設(shè)計(jì)了帶水印信號(hào)的預(yù)處理算法，可抵御重量化攻擊和非線性濾波攻擊等。

1 PSTN聲帶信道攻擊的分析

水印系統(tǒng)對(duì)攻擊應(yīng)是頑健的。常見的攻擊包括加性噪聲、濾波、重量化、重采樣、有損壓縮等。本文所涉及的PSTN聲帶信道具有以下特點(diǎn)：①信道是模擬、帶通的；②攻擊由PSTN聲帶信道的固有屬性造成，即并非存在某一個(gè)可能的、單獨(dú)的攻擊，而是同時(shí)存在多個(gè)攻擊(稱為聯(lián)合攻擊)；③水印算法須是實(shí)時(shí)的。

總體上，PSTN聲帶信道可被視為一個(gè)具有有限脈沖響應(yīng)和非線性相位的帶通濾波器，脈沖響應(yīng)的周期約為10 ms，信道時(shí)延一般不超過4 ms，這種特性不以硬件電路的改變而改變[12]。其中，帶通特性決定了傳統(tǒng)的全通帶水印算法是不能被直接使用的，必須加以修正以適應(yīng)該特性。

由于PSTN聲帶信道主要由雙絞線和PSTN網(wǎng)絡(luò)(端局線路卡和主干網(wǎng))組成[13]，因此，本文將信道聯(lián)合攻擊細(xì)分為雙絞線信道攻擊和PSTN網(wǎng)絡(luò)信道攻擊(如圖1所示)，并分別加以討論。其中，雙絞線信道代表從用戶到端局之間的物理線路特性，可用線性濾波器E(z) 加上噪聲n(t) 來描述。為了對(duì)抗該類攻擊，可以在提取端采用FIR類型的遞歸最小二乘自適應(yīng)均衡器來對(duì)信道進(jìn)行補(bǔ)償[14]。

圖1 聲帶信道攻擊模型

在聲帶信道中，壓擴(kuò)攻擊最為常見，主要包括重量化攻擊和非線性濾波攻擊兩類。其中，“壓擴(kuò)”表示壓縮和擴(kuò)展兩部分，其標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)：μ律(美國(guó)和日本采用)和A律(歐洲和中國(guó)采用)，ITU-T G.711標(biāo)準(zhǔn)[15]規(guī)定了壓擴(kuò)的實(shí)現(xiàn)原理。

由于壓擴(kuò)攻擊不但引入了量化噪聲，而且影響通過信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，因此，為了使帶水印信號(hào)盡可能通過線路卡，需要在嵌入端使用預(yù)處理算法來使帶水印信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)能對(duì)抗該攻擊。不同攻擊產(chǎn)生的位置、類型、對(duì)抗方法見表1。

表1 信道攻擊的總結(jié)

若假設(shè)量化噪聲是AWGN型的，壓擴(kuò)標(biāo)準(zhǔn)為μ律，文中仿真用到的攻擊類型總結(jié)見表2。其中，前3個(gè)攻擊屬于獨(dú)立攻擊，后2個(gè)攻擊屬于聯(lián)合攻擊。獨(dú)立攻擊主要用來與其它算法的結(jié)果作比較，聯(lián)合攻擊則模擬了真實(shí)的PSTN聲帶信道。

表2 仿真中用到的信道攻擊類型

2 提出的語(yǔ)音水印算法

2.1 所提算法的原理概述

本文的PSTN聲帶信道水印算法由嵌入端、信道、提取端3部分組成。其中信道部分已經(jīng)在上一節(jié)分析過了，本節(jié)將具體描述嵌入端和提取端的算法原理。

水印嵌入如圖2所示。載體語(yǔ)音信號(hào)x(n) 經(jīng)過帶通濾波器后，進(jìn)行帶通心理聲學(xué)模型(psychoacoustic model，PAM)分析，得到子帶掩蔽頻響特性曲線，該曲線用來設(shè)計(jì)聽覺譜成形濾波器H(f)。 隱藏信息bm∈{0,1} 先與擴(kuò)頻序列c相乘，經(jīng)過帶通濾波器和聽覺譜成形濾波器后，生成水印信號(hào)w(n)。 水印信號(hào)w(n) 與載體信號(hào)x(n) 相加，生成帶水印信號(hào)y(n)。y(n) 經(jīng)預(yù)處理后，送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成模擬的嵌入信號(hào)s(t)。 文中語(yǔ)音信號(hào)的采樣頻率為fs=8000 Hz， 量化位數(shù)為16 bits。下面詳細(xì)介紹擴(kuò)頻、聽覺感知濾波器和預(yù)處理的工作原理。

圖2 嵌入端

圖3 提取端

本文的水印算法細(xì)分為以下3個(gè)步驟：

(1)根據(jù)擴(kuò)頻原理，生成水印信號(hào)。

(2)嵌入水印信號(hào)，生成帶水印信號(hào)。

(3)根據(jù)失真的帶水印信號(hào)，提取水印信號(hào)。

下面將詳細(xì)介紹上述步驟涉及到的算法原理與實(shí)現(xiàn)。

2.2 生成語(yǔ)言水印信號(hào)

PMan(f)=Tbsin4(πfTb/2)/(πfTb/2)2

(1)

在區(qū)間 [0,2R] 內(nèi)，該線碼功率譜密度函數(shù)的正頻率部分如圖4所示。可以看出，選用曼徹斯特非歸零碼，可以保證主瓣能量集中在通帶內(nèi)，適用于帶通濾波攻擊。

圖4 曼徹斯特非歸零碼的功率譜密度

若在一個(gè)符號(hào)周期Tb內(nèi)對(duì)p(t) 進(jìn)行采樣，可得到一個(gè)包含Nb個(gè)樣本點(diǎn)的序列c=[c0,c1,…,cNb-1]T， 進(jìn)而可將離散的已擴(kuò)信號(hào)v(n) 表示為

(2)

其中，am=2bm-1∈{-1,+1} 為水印序列，bm∈{0,1} 為原始消息序列，Mb為水印序列的比特?cái)?shù)量。v(n) 的產(chǎn)生也可以通過串聯(lián)擴(kuò)頻碼c得到，即vm=amc。v(n) 經(jīng)過帶通濾波和聽覺譜成形濾波器H(f) 后，生成水印信號(hào)w(n)。 由于1比特的消息對(duì)應(yīng)于Nb個(gè)樣本點(diǎn)，所以水印信號(hào)的比特率R=fs/Nbbit/s。

2.3 嵌入語(yǔ)音水印信號(hào)

2.3.1 設(shè)計(jì)聽覺感知濾波器

本文設(shè)計(jì)心理聲學(xué)模型及對(duì)應(yīng)的聽覺感知濾波器算法來抵抗PSTN聲帶信道的帶通特性。提出了通帶內(nèi)子帶頻率掩蔽的算法，以圖2為例，對(duì)xbp(n) 做無(wú)重疊的分幀處理，在一幀內(nèi)，將其通帶頻率范圍分成若干個(gè)子帶，在各個(gè)子帶內(nèi)分別計(jì)算頻率掩蔽曲線，阻帶內(nèi)的頻響曲線部分舍棄，如圖5所示。圖中包括了載體信號(hào)、掩蔽門限和感知濾波器3種頻響曲線，還有低頻和高頻兩個(gè)阻帶，中間的通帶被分成若干子帶，用于根據(jù)載體信號(hào)的頻響計(jì)算掩蔽門限的頻響。

圖5 通帶內(nèi)按子帶劃分的3種頻響曲線

計(jì)算聽覺掩蔽頻響曲線的步驟為：

(1)計(jì)算xbp(n) 的通帶功率譜

Px(f)=10·log10(|X(f)|2/Nfft)

(3)

其中，f∈[fl,fh]，fl為通帶的低截止頻率，fh為通帶的高截止頻率，X(f) 為xbp(n) 的離散傅里葉變換，Nfft為變換的點(diǎn)數(shù)。當(dāng)然，也可以使用其它正交變換，如離散余弦變換、離散Hartley變換等。另外，在通帶內(nèi)共有Nbp個(gè)頻點(diǎn)，功率譜的單位為dB。

(2)將通帶分成M個(gè)子帶，每個(gè)子帶的樣本點(diǎn)個(gè)數(shù)為Nsub=Nbp/M， 分別計(jì)算各個(gè)子帶內(nèi)的功率譜平均值

(4)

其中，Px(fn) 代表子帶k內(nèi)頻點(diǎn)fn處的功率譜。

(3)對(duì)各子帶作動(dòng)態(tài)壓縮

Px(fn)=[Px(fn)+μk]/2

(5)

其中，n∈[(k-1)Nsub+1,Nsub]，k=1,2,…,M。

(4)令Px(f) 通過擴(kuò)展函數(shù)獲得通帶內(nèi)各臨界頻帶的功率譜密度Px,cb(f)。 其中擴(kuò)展函數(shù)是一個(gè)10階的對(duì)稱FIR濾波器。

(5)根據(jù)Px,cb(f)， 依子帶計(jì)算頻率掩蔽曲線M(f)。 其中，第1個(gè)子帶內(nèi)M(f) 的頻響曲線與Px,cb(f) 的相同。在第2個(gè)子帶內(nèi)，對(duì)Px,cb(f) 每2個(gè)頻點(diǎn)計(jì)算平均值，將該值賦給M(f)。 在第3個(gè)子帶內(nèi)，對(duì)Px,cb(f) 每3個(gè)頻點(diǎn)計(jì)算平均值，將該值賦給M(f)。 以此類推，在第M個(gè)子帶內(nèi)，對(duì)Px,cb(f) 每M個(gè)頻點(diǎn)計(jì)算平均值，將該值賦給M(f)。

(6)考慮聽覺效果，再次調(diào)整M(f) 的范圍

M(f)=M(f)-β

(6)

其中，β用來調(diào)節(jié)掩蔽門限M(f) 的最終值，單位為dB。

水印信號(hào)的功率譜密度Sw(f) 不能超過M(f)， 否則會(huì)被聽出來。為了達(dá)到最優(yōu)性能，需要滿足Sw(f)=M(f)。

2.3.2 帶水印信號(hào)的預(yù)處理

嵌入端中采用預(yù)處理的目的是讓帶水印信號(hào)工作在最佳動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。這是因?yàn)樵驾d體信號(hào)為16-bit均勻量化，而端局線路卡中的ADC為13-bit(μ律)或者12-bit(A律)量化，然后再經(jīng)過壓擴(kuò)，產(chǎn)生非線性失真。因此，信號(hào)經(jīng)過線路卡時(shí)，幅值過低的帶水印信號(hào)將不能通過線路卡。本文水印系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工作范圍如圖6所示，其中，16-bit均勻量化的動(dòng)態(tài)范圍大約為96 dB，人耳的聽力范圍大約為90 dB，μ律的動(dòng)態(tài)范圍為僅48.4 dB。若帶水印信號(hào)落在灰色區(qū)域內(nèi)，則不能通過線路卡。為此，帶水印信號(hào)本身應(yīng)處在該動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，或者采用預(yù)處理算法，使帶水印信號(hào)處于該動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。

圖6 動(dòng)態(tài)范圍

ITU G.169標(biāo)準(zhǔn)建議采用預(yù)處理來保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，并且使語(yǔ)音或者聲帶信令音頻的衰減最小化[15]，但它沒有具體給出標(biāo)準(zhǔn)算法。

本文預(yù)處理算法如下。預(yù)處理被建模成線性增益函數(shù)g(n)， 其與輸入信號(hào)x(n) 相乘，產(chǎn)生輸出信號(hào)y(n)=g(n)x(n)。 輸入和輸出信號(hào)電平通過對(duì) |x(n)|k和 |y(n)|k進(jìn)行低通濾波得到，k=1,2,…。 為了簡(jiǎn)便起見，文中采用單極點(diǎn)低通濾波器為H(z)=(1-a)/(1-az-1)， 0

Px(n)=aPx(n-1)+(1-a)x2(n)
Py(n)=aPy(n-1)+(1-a)y2(n)

(7)

預(yù)處理算法通過最小化誤差e(n)=Pref-Py(n) 的平方得到，其中，Pref是y(n) 的一個(gè)參考(目標(biāo))信號(hào)功率水平。求解e2(n) 關(guān)于g(n) 梯度，可以得到

(8)

其中用到了近似的Py(n)=g2(n)Px(n)。 這樣，可以產(chǎn)生最小均方(LMS)意義上的自適應(yīng)算法

g(n)=g(n-1){1+μPx(n)[Pref-Py(n)]}

(9)

其中，μ>0是步進(jìn)值，用來控制增益信號(hào)g(n) 的變化速率。小的步長(zhǎng)值會(huì)使更新速度變慢，大的步長(zhǎng)值則使更新加快。最優(yōu)的步進(jìn)值取決于預(yù)設(shè)的目標(biāo)信號(hào)電平范圍，如果Pref>Py(n)， 那么g(n)>g(n-1)， 如果Pref

(1)估計(jì)輸入信號(hào)的電平Px(n)；

(2)更新增益信號(hào)g(n)；

(3)產(chǎn)生輸出信號(hào)y(n)=g(n)x(n)；

(4)估計(jì)輸出信號(hào)的水平Py(n)；

(5)對(duì)于新的輸入樣本，重述以上4個(gè)步驟。

2.4 提取水印信號(hào)

(10)

其中， sign(·) 為符號(hào)函數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)語(yǔ)音的樣本來自TIMIT數(shù)據(jù)庫(kù)[16]，采樣頻率為8 kHz。從語(yǔ)音數(shù)據(jù)庫(kù)中隨機(jī)選擇了20個(gè)樣本作為載體信號(hào)，其中男性10人，女性10人。水印嵌入頻帶為300 Hz～3400 Hz。

帶水印的語(yǔ)音信號(hào)服從于多種信道攻擊，仿真中使用的信道類型如下：

(1)理想全通信道。

(2)帶通濾波。采用FIR數(shù)字帶通濾波器濾波，階數(shù)為N=200，通帶為300 Hz～3400 Hz。

(3)重量化。為AWGN型，大小為80 dB。

(4)μ律壓擴(kuò)。非線性攻擊，算法符合ITU-T G.711標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(5)重量化與μ律壓擴(kuò)的組合。

(6)帶通濾波、重量化與μ律壓擴(kuò)的組合。

需要說明的是，重量化引起的噪聲被設(shè)置到一個(gè)很低的水平，以便有良好的BER性能。實(shí)際的PSTN聲帶信道中會(huì)有噪聲增大的情況出現(xiàn)，此時(shí)需要改變參數(shù)配置，如增加擴(kuò)頻增益、降低速率、使用高效的編碼和調(diào)制技術(shù)等。

3.2 語(yǔ)音水印系統(tǒng)容量分析

PSTN是個(gè)帶限信道，根據(jù)香農(nóng)公式，信道容量為Cpstn=Wlog2(1+P/N) bit/s， 其中，W表示帶寬，P/N是信號(hào)噪聲的功率比(單位不是dB)。假定W為3 kHz，噪聲門限為35 dB，則可以算出Cpstn≈35 k(bit/s)， 其典型應(yīng)用的例子為ITU-T V.34標(biāo)準(zhǔn)，此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有以下特點(diǎn)：

(1)為了減少碼間干擾，嵌入端需要對(duì)QAM信號(hào)做脈沖成形和上變頻，產(chǎn)生帶限的帶通信號(hào)；通常，一個(gè)符號(hào)對(duì)應(yīng)于若干個(gè)樣本點(diǎn)(上采樣)。

(2)提取端需要復(fù)雜的載波同步、時(shí)序同步和等效低通信道均衡技術(shù)(如判決反饋均衡器)。

本文的水印系統(tǒng)與該類系統(tǒng)的差異在于：

(1)信道條件惡劣，信噪比極低(一般不超過-15 dB，此時(shí)的理論速率僅為43 bit/s)。

(2)收發(fā)機(jī)制不同，本文中的嵌入端直接將二進(jìn)制符號(hào)映射為擴(kuò)頻序列，沒有做脈沖成形和上變頻；提取端中則是使用一個(gè)碼元周期內(nèi)擴(kuò)頻波形的離散化序列進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，無(wú)載波同步、時(shí)序同步和等效低通均衡技術(shù)。

由于存在這些顯著差異，需重新推導(dǎo)本文所用系統(tǒng)的容量與誤碼率的關(guān)系。

(11)

由式(12)可以推出錯(cuò)誤概率為

Pe=P(αm≥0|bm=0)P(bm=0)+
P(αm<0|bm=1)P(bm=1)

(12)

在等概嵌入時(shí)，式(13)簡(jiǎn)化為

(13)

在不同SNR下的比特率-誤碼率曲線如圖7所示，可以看出當(dāng)信噪比為-15 dB時(shí)，若速率為45 bit/s，誤碼率Pe≈10-2； 若速率為27 bit/s，誤碼率Pe≈10-3。 這個(gè)結(jié)果表明，在該信噪比條件下，水印信號(hào)剛好足夠低，且不被聽出來。

圖7 不同信噪比條件下的速率-誤碼率曲線

3.3 系統(tǒng)性能評(píng)估

3.3.1 頑健性

實(shí)驗(yàn)比較了前文中提到的理想信道和其余5類信道攻擊下的誤碼率情況。在40 bit/s的速率下，仿真結(jié)果如圖8所示。攻擊類型1為理想信道，其結(jié)果作為比較的依據(jù)。從圖中可以看出，帶通濾波(類型2)導(dǎo)致了誤碼率的輕微下降，這是由于已擴(kuò)信號(hào)通過帶通濾波器后有一小部分信號(hào)被濾除了，引起了能量的損失。重量化攻擊(類型3)對(duì)于系統(tǒng)性能的影響很小，與理想信道條件下結(jié)果近似，這是因?yàn)榕c有用信號(hào)相比，量化噪聲的功率很小。壓擴(kuò)攻擊(類型4)使得誤碼率有所增加，但是使用了由于預(yù)處理算法，依然保持在較低的水平。重量化與壓擴(kuò)聯(lián)合攻擊(類型5)下，系統(tǒng)的性能與單獨(dú)的壓擴(kuò)攻擊結(jié)果近似，這說明在聯(lián)合攻擊中起主導(dǎo)作用的是壓擴(kuò)攻擊。在帶通濾波、重量化和壓擴(kuò)聯(lián)合攻擊(類型6)下，系統(tǒng)的性能進(jìn)一步下降，誤碼率變?yōu)?.2%，但依然可接受。

圖8 水印系統(tǒng)對(duì)各種類型信道攻擊的頑健性

3.3.2 綜合性能比較

在帶通濾波、重量化和壓擴(kuò)聯(lián)合攻擊下，表3給出了各種傳輸速率下的誤碼率情況。與圖7中的理論結(jié)果相比較，該結(jié)果處于-15 dB和-20 dB的理論曲線之間。

表3 聯(lián)合攻擊下的傳輸速率與誤碼率情況

表4給出了算法性能比較的結(jié)果，從中可以看出，所提方法優(yōu)于大多數(shù)當(dāng)前的語(yǔ)音水印算法。涉及到的信道攻擊類型更加完整，考慮了聯(lián)合攻擊，并且實(shí)現(xiàn)了較高的容量和較低的誤碼率，以及高效的帶寬利用。此外，還設(shè)計(jì)了嵌入端和提取端的完整結(jié)構(gòu)，還考慮了PSTN聲帶信道中存在的雙絞線信道、端局信道、主干網(wǎng)信道等實(shí)際信道的情況。文獻(xiàn)[4，5]雖然有較高的速率，但是均未考慮PSTN聲帶信道的攻擊，難以在實(shí)際中應(yīng)用；文獻(xiàn)[9]沒有采用感知濾波技術(shù)，各項(xiàng)指標(biāo)最差；文獻(xiàn)[3]考慮了帶通濾波攻擊的情況，但是沒有考慮端局攻擊，而且速率比本文低；文獻(xiàn)[17]中沒有考慮帶通濾波攻擊和端局攻擊，同時(shí)其誤碼率較高，不具有實(shí)用參考價(jià)值。

表4 水印算法性能比較

3.3.3 聽覺效果

水印算法通常要求隱藏信息不被察覺到，且?guī)⌒盘?hào)與原始載體信號(hào)的聽覺差異應(yīng)盡可能小。本文采用總體信噪比、分段信噪比和語(yǔ)音質(zhì)量感知評(píng)價(jià)(PESQ)這3個(gè)客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)來衡量聽覺效果。

(1)總體信噪比

(14)

(2)分段信噪比

(15)

該方法將x(n) 分成若干幀，式中Nseg為幀長(zhǎng)，M幀的數(shù)量。與整體SNR一樣，該值越大，說明失真越小。

(3)語(yǔ)音質(zhì)量的感知評(píng)價(jià)

在ITU-T P.862中給出了PESQ標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)文獻(xiàn)[18]，PESQ的分?jǐn)?shù)與主觀評(píng)價(jià)的打分具有很強(qiáng)的相關(guān)性，其優(yōu)點(diǎn)在于它具有客觀評(píng)價(jià)的特征，同時(shí)又能反應(yīng)主觀評(píng)價(jià)。PESQ的值計(jì)算公式如下[18]

PESQ=4.5-0.1·dsym-0.0309·dasym

(16)

其中，dsym為平均對(duì)稱干擾值，dasym為平均非對(duì)稱干擾值。另外，PESQ的值一般在1～4.5之間。

表5列出了采用上述評(píng)價(jià)方法，將本文算法與其它算法對(duì)比的平均結(jié)果。從表中可以看出，本文算法在信噪比較高的情況下，保持了良好的聽覺不可感知性。具體來說，本文算法的整體SNR和分段信噪比大約在15 dB左右，比其它算法要低，這是由于PSTN聲帶信道的帶通特性造成了載體語(yǔ)音的能量損失。即便如此，本文算法的PESQ值較高，在8 kHz采樣率的條件下，該值僅比文獻(xiàn)[4]略低，優(yōu)于文獻(xiàn)[9]、文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[17]。這說明本文水印算法的聽覺不可感知性良好。文獻(xiàn)[5]的整體信噪比和PSEQ值雖然都比本文算法高，但是其載體語(yǔ)音的采樣率高(44.1 kHz)，這意味著在同樣的嵌入速率下，水印對(duì)載體的損害也較小。

表5 聽覺效果評(píng)價(jià)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了PSTN聲帶信道中的語(yǔ)音水印問題，提出了結(jié)合擴(kuò)頻通信和聽覺感知濾波的水印算法。PSTN聲帶信道存在時(shí)變線性濾波、帶通濾波、重量化、非線性濾波和頻偏等多種攻擊，為了對(duì)抗這些攻擊，改進(jìn)了擴(kuò)頻通信和聽覺感知濾波器的設(shè)計(jì)，還提出了利用預(yù)處理算法來減少重量化和非線性濾波對(duì)水印系統(tǒng)性能的影響。這些機(jī)制保證了水印系統(tǒng)對(duì)PSTN聲帶信道的頑健性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與其它優(yōu)秀算法相比，所提水印系統(tǒng)對(duì)于帶通濾波、壓擴(kuò)等攻擊具有高頑健性，嵌入容量較高，且有滿意的聽覺效果。

由于提出的水印算法是基于擴(kuò)頻通信的，與基于量化指數(shù)調(diào)制的水印算法相比，其固有容量較低，未來考慮將高容量的水印算法應(yīng)用于PSTN聲帶信道水印系統(tǒng)中。