滕焱

基于聲道低頻能量比的自同步數(shù)字音頻水印算法研究

滕焱

（阜陽幼兒師范高等?？茖W校，安徽 阜陽 236015）

目前數(shù)字音頻水印算法，未曾在音頻中嵌入同步信號，導(dǎo)致嵌入水印的音頻存在不可感知性、抗攻擊性和魯棒性等性能差問題，為此提出基于聲道低頻能量比的自同步數(shù)字音頻水印算法研究。采用降維和加密的方式，預(yù)處理數(shù)字水?。环侄翁幚頂?shù)字音頻，并嵌入同步信號，采用聲道低頻能量比技術(shù)，將數(shù)字水印圖像，嵌入數(shù)字音頻；設(shè)計水印圖像提取步驟，提取水印圖像。實驗結(jié)果表明，確定數(shù)字音頻攻擊方式，不可感知性、抗攻擊性和魯棒性等性能指標的計算公式，對比3組算法的不可感知性、抗攻擊性和魯棒性，此次研究的自同步數(shù)字音頻水印算法，具有較優(yōu)的不可感知性、抗攻擊性和魯棒性。

聲道低頻能量比；自同步數(shù)字；數(shù)字音頻；水印算法

當前人類已經(jīng)邁入數(shù)字化信息時代，通過數(shù)字媒體，傳播、獲取音頻、視頻等網(wǎng)絡(luò)信息，極大豐富了人們的生活，提高了信息的傳輸效率。但是，隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，引發(fā)了數(shù)字化信息的安全問題，如侵犯版權(quán)、非法拷貝軟件或文檔、肆意篡改數(shù)字信息等，面對這些問題，有學者在信息加密技術(shù)、數(shù)字簽名技術(shù)和數(shù)字水印技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出數(shù)字音頻水印技術(shù)，保護數(shù)字信息的版權(quán)保護和安全，引起了國際學術(shù)屆的廣泛關(guān)注和深入研究[1-3]。

目前國內(nèi)外對于數(shù)字音頻水印研究，分為算法和系統(tǒng)框架兩個方面，主要研究成果集中在算法方向，并根據(jù)音頻載體的類型，將算法分為壓縮和非壓縮兩種。根據(jù)算法的效率以及算法的特點，還可以將算法分為時域算法和變換域算法兩類，可以將水印嵌入到適當?shù)淖儞Q域系數(shù)中，保護音頻和視頻版權(quán)。壓縮域數(shù)字音頻水印算法的研究，可以分為基于MPEG的壓縮域數(shù)字音頻水印算法、比特流音頻水印方法、組合壓縮音頻水印算法三類[4-6]。然而，上述研究的數(shù)字音頻水印算法，卻存在抗攻擊性能低下的問題，為此引入聲道低頻能量比，提出基于聲道低頻能量比的自同步數(shù)字音頻水印算法研究。

1 研究基于聲道低頻能量比的自同步數(shù)字音頻水印算法

1.1 預(yù)處理數(shù)字水印

（2）水印圖像加密。置亂處理式(2)得到的數(shù)字水印圖像序列，需要采用Logistic混沌映射，產(chǎn)生二值混沌序列，其處理公式如下：

根據(jù)式(3)得到的加密數(shù)字音頻水印圖像，利用混沌序列對初始值的敏感性，對數(shù)字水印圖像進行加密處理，得到的水印頻譜具有較高的均衡性和安全性。

1.2 嵌入同步信號

1.3 基于聲道低頻能量比嵌入數(shù)字音頻水印

數(shù)字音頻水印圖像預(yù)處理后，在數(shù)字音頻中，嵌入同步信號，此時，即可采用聲道低頻能量比技術(shù)，將數(shù)字水印圖像，嵌入數(shù)字音頻中，其嵌入過程如下：

（7）重復(fù)步驟3～6，直至所有水印信息全部嵌入整段數(shù)字音頻信號中，完成了水印的嵌入。

1.4 提取數(shù)字音頻水印

依據(jù)上一節(jié)設(shè)計的數(shù)字水印圖像嵌入過程，提取數(shù)字音頻水印，其提取過程如圖1所示。

圖1 水印提取過程

根據(jù)Logistic混沌映射，產(chǎn)生二值混沌序列，對逆置亂前的水印序列進行解密，得到一維序列；將一維序列升維，得到二維圖像，其升維過程為水印圖像預(yù)處理中，降維的逆過程。

2 仿真實驗

采用對比仿真實驗的方式，以聲道低頻的音樂作為此次實驗的原始數(shù)字音頻，在MATALB仿真軟件上，驗證此次研究的自同步數(shù)字音頻水印算法。并將此次研究的自同步數(shù)字音頻水印算法，記為A算法，選擇兩組傳統(tǒng)的自同步數(shù)字音頻水印算法，分別記為B算法和C算法。

2.1 實驗準備

圖2 算法運行環(huán)境拓撲結(jié)構(gòu)圖

2.2 實驗結(jié)果

2.2.1 第1組實驗

選擇MATALAB軟件，對本組實驗選擇的流行音樂，選擇MP3壓縮、隨機剪切、低通濾波、下采樣攻擊、添加高斯白噪聲、去噪攻擊、重量化、上采樣攻擊等攻擊方式，攻擊此次實驗選擇的三種算法，采用式(12)計算3種算法的相關(guān)系數(shù)，驗證3種算法的對攻擊的抵抗能力，其實驗結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，B算法和C算法在此次實驗設(shè)置的攻擊方式的攻擊下，其相關(guān)系數(shù)與未受攻擊之間分別存在0.18和0.16的差距，表明兩組算法所提取的水印信息與原始水印的相似度較低，受到攻擊時抗攻擊性能較差；而A算法在此次實驗設(shè)置的攻擊方式的攻擊下，其相關(guān)系數(shù)與未受攻擊之間僅存在0.02的差距。由此可見，此次研究的自同步數(shù)字音頻水印算法，所提取的水印信息與原始水印的相似度較高，受到攻擊時具有較優(yōu)的抗攻擊性。

表1 對攻擊的抵抗能力測試結(jié)果

2.2.2 第2組實驗

采用3組算法，分別在此次實驗選擇的古典、鄉(xiāng)村、爵士、流行、藍調(diào)五種類型的音頻中，嵌入水印，并采用式(13)計算3組算法，分別5種類型的音的信噪比，驗證3組算法的不可感知性，其實驗結(jié)果，如表2所示。

表2 不可感知性對比結(jié)果 dB

從表2中可以看出，3組算法所得到的信噪比均大于音頻信噪比的最低要求。但是B算法的信噪比明顯低于A算法和C算法的音頻信噪比，其不可感知性最差；而A算法的信噪比明顯高于B算法和C算法的音頻信噪比，可見，此次研究的自同步數(shù)字音頻水印算法，其嵌入水印對數(shù)字音頻質(zhì)量損傷較小，與原始音頻之間幾乎不存在差距，具有較優(yōu)的不可感知性。

2.2.3 第3組實驗

基于第1組和第2組實驗結(jié)果進行第3組實驗，從此次實驗選擇的5種音頻中選擇其中的古典音頻作為第3組實驗的實驗對象。通過誤碼率驗證3組算法的魯棒性。算法的誤碼率越接近于0，所提取的水印信息與原始水印的錯誤數(shù)越小，魯棒性越好，則算法的誤碼率計算公式如下：

表3 算法魯棒性測試結(jié)果

從表3中可以看出，B算法和C算法在此次實驗設(shè)置的攻擊方式的攻擊下，算法的誤碼率較為接近，然而，B算法和C算法的誤碼率與未受攻擊之間存在0.28的差距，表明兩組算法所提取的水印信息與原始水印的錯誤數(shù)較大，算法的魯棒性較差；而A算法在此次實驗設(shè)置的攻擊方式的攻擊下，其誤碼率與未受攻擊之間僅存在0.02的差距?？梢姡舜窝芯康淖酝綌?shù)字音頻水印算法所提取的水印信息與原始水印的錯誤數(shù)較小，具有較優(yōu)的魯棒性。

3 結(jié)束語

綜上所述，此次研究自同步數(shù)字音頻水印算法，充分利用聲道低頻能量比，在數(shù)字音頻中嵌入水印，提高水印的不可感知性、抗攻擊性和魯棒性。雖然此次研究的自同步數(shù)字音頻水印算法已經(jīng)具有較優(yōu)的不可感知性、抗攻擊性和魯棒性，但是還需深入研究不可感知性、抗攻擊性和魯棒性的平衡效果。

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Research on self-synchronization digital audio watermarking algorithm based on channel low frequency energy ratio

TENG Yan

(Fuyang Preschool Education College, Anhui Fuyang 236015, China)

At present, digital audio watermarking algorithm has not embedded synchronous signal in audio, which leads to the poor performance of imperceptibility, anti-attack and robustness. Therefore, a self-synchronous digital audio watermarking algorithm based on the low frequency energy ratio of sound channel is proposed. Using dimension reduction and encryption to preprocess the digital watermark; segmenting the digital audio and embedding the synchronous signal, using the low-frequency energy ratio technology of sound channel to embed the digital watermark image into the digital audio; designing the watermark image extraction steps to extract the watermark image. The experimental results show that determine the digital audio attack mode, the calculation formula of imperceptibility, anti attack and robustness, and compare the imperceptibility, anti attack and robustness of the three groups of algorithms. The self-synchronization digital audio watermarking algorithm in this study has better imperceptibility, anti attack and robustness.

channel low frequency energy ratio；self-synchronization digital；digital audio；watermarking algorithm

2021-04-15

2020年度安徽省質(zhì)量工程省級教學研究項目“基于知識社會創(chuàng)新形態(tài)下運用微課提升高職音樂教學質(zhì)量的路徑探索”（2020jyxm1425）；2020年度安徽省質(zhì)量工程省級教學團隊（音樂教育專業(yè)實踐課教學團隊）（2020jxtd192）

滕焱（1980-），女，安徽阜陽人，講師，碩士，主要從事音樂學應(yīng)用研究，tennn999@163.com。

TN912

A

1007-984X(2021)05-0006-05