基于可视密码术的小波域音频数字水印研究
音频数字水印技术是解决音频数据版权保护的有效手段，本文提出了一种基于量化的小波域音频数字水印算法，其优点在于水印的嵌入对音频信号的影响较小，能够使观察者无法察觉其变化，将可视密码术引入数字水印的生成，解密的时候不需要运算，只要经过人类的视觉系统就可以识别，增加了数字水印的隐秘性和安全性。
1 方案描述 作为能证明著作者版权信息的水印可以是有意义的字符，可以是一串伪随机序列，也可以是比较直观的图像，因为图像信息在没有受到严重损坏的情况下一般还能够辨认出来，故本次设计选用的是含数据量较小，但又不失一般性的二值图像作为水印来处理与隐藏。 1.1 可视密码术对水印的处理 为提高水印的抗攻击能力，用改进的(4，4)可视密码术对水印进行处理。如图1所示，C01~C03用于加密白色像素点，C10~C13用于加密黑色像素点。它们具有以下属性：任何一个单一的子密钥块包括5个黑子像素；C01~C03里的任意两个子密钥块的叠加包括7个黑子像素，任意3个和4个子密钥块的叠加包括8个黑子像素。C10~C13里的任意两个子密钥块的叠加包括7个黑子像素，任意3个子密钥块的叠加包括8个黑子像素，4个子密钥块的叠加包括9个黑子像素。可以看出，当子密钥块数目少于4的时候，黑子像素和白子像素是无法区分的。只有当4个子密钥块都叠加到一起的时候，视觉上才能区分黑(全黑)和白(8/9黑)。 图1 (4，4)可视密码术 假设W是M1×M2的二值图像，它可表示为： 式中w(i,j)∈{0,1}，为了将二维的二值图像嵌入到一维的数字音频信号中，将其进行降维处理，将二维图像变为一维序列： 式中se(k)表示第k个音频数据段。 1.4 分段DWT变换并嵌入水印 分段完成之后，需要对每一个数据分段se(k)作H层的DWT变换。 (1) 对每一音频数据段se(k)分别作H层离散小波变换。 De=DWT(se)={De(k)=DWT(se(k)), 式中De(k)={de(k)(t),0≤t<l}， <br="" de(k)(t)是第k个音频段se(k)的离散小波变换De(k)中的第t个系数。=""> (2) 在离散小波变换域内确定水印的嵌入区域。 为了提高水印系统的鲁棒性，本方案选取小波系数的近似分量D0e(k)作为水印的嵌入区域，并且每个音频分段的D0e(k)只重复嵌入一个水印比特信息，重复次数为TIME，重复嵌入的次数最大TIMEmax=L/2H。 (3) 修改小波系数采用量化系数方法。 (4) 小波反变换，重建音频信号 前面的过程完成了水印数据嵌入到小波域，然后需要把每个分段数据修改后的小波结果进行反变换复原成音频信号，并且把分段连在一起构成嵌入水印信息的音频 S′e和与水印嵌入无关的Sr组合成完整的目标音频信号。 1.5 水印的检测 水印检测是水印嵌入的逆过程。 (1) 首先把待检测音频数据相应地分成两部分，即嵌入有水印的部分S′e和与嵌入无关的部分Sr。 (2) 把S′e进行与嵌入时相同的分段处理，即相同的分段起始位置和相同的分段长度L。然后把每一段分段数据S′e(k)(k表示第k段)进行H层的DWT变换得到小波变换系数D′e(k)={ d′e (k)(t),0≤t<l}， <br=""> d′e(k)(t)是第k个音频段S′e(k)的离散小波变换D′e(k)中的第t个系数。 (3) 寻找水印嵌入的位置提取水印。在嵌入时本文选择的是在小波系数的近似分量(低频分量)中嵌入的，因此提取时也是通过检测近似分量提取水印比特。设检测出的水印比特为V (4) 根据多少判定的方法决定某个音频段嵌入的水印比特。初始化计数值num=0,依次检测TIME个V′s(k)(t)，如果V′s(k)(t)=1，就将计数值num自增1(即num+ +)。检测完一个数据分段中提取的 V′s (k)(t)，如果num>TIME/2，那么本段嵌入的二值数据V′s(k)=1；否则如果num (5) 对一维的水印数据进行升维处理，变换成二维图像数据，并且在界面里显示出来。 2 水印系统实验仿真 以前面给出的(4，4)加密方案构造水印，设要隐藏的明文信息是“吉”字，由仿真程序生成的子密钥图片如图2所示。 图2 (4，4)加密方案生成的子密钥图片 将子密钥key4作为水印嵌入到上述音频信息中，提取出的子密钥图像如图3所示，将提取的子密钥图像与其余3幅子密钥图像进行叠加，最终恢复出的代表版权信息的水印图像如图4所示。 图3 提取的子密钥图像 图4 用提取的子密钥恢复的水印 图5 三幅子密钥叠加结果 图5是提取子密钥图像和其余两幅子密钥图像的叠 加结果，从图5可以看出，单幅子密钥和少于4幅子密钥的[CM)] 叠加结果都不能恢复原始的明文信息，只有4幅子密钥的叠加结果才能恢复原始的明文信息，当然，可视密钥的形成是将明文图像的每一个像素分成多个子像素来表示，恢复时会有对比度的损失，恢复得图像会变暗。 本论文方案也有不足仍需要继续深入研究，由于可视密码术方法是通过特定算法将秘密信息隐藏到多张图片中进行分存，使得图片单位面积对应的信息量减少，故从另一方面讲可视密码术在增加水印的安全性的同时也降低了水印信息的嵌入量。