CN101206861A - 数字音乐作品认证信息的嵌入方法及该作品的认证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字音乐作品认证信息的嵌入方法及该作品的认证方法，由于在水印认证信息嵌入的过程中是根据压缩的音频信号流的音频帧的唯一安全标识符生成的水印认证信息，再根据水印认证信息对主数据进行修改实现水印认证信息的嵌入，可以确保合法的作品可以通过后续的认证解码，而经过篡改的作品则不能通过认证解码，有效地保护了数字作品的完整性；由于水印认证信息是直接嵌入在压缩的音频信号流中，无需解码再编码，实时性强；由于水印嵌入的对象是可变长码字，而音频帧的主数据的表现形式是可变长码字，提高了水印认证信息的嵌入速率；认证信息的提取与解码过程相融合，即边水印认证边解码，因此数字音乐作品能够实施有效的播放控制。

Description

数字音乐作品认证信息的嵌入方法及该作品的认证方法

技术领域

本发明涉及一种数字音乐作品的数字水印技术，尤其是涉及一种数字音乐作品认证信息的嵌入方法及该作品的认证方法。

背景技术

近年来，随着数字多媒体及互联网技术的快速发展，信息安全问题显得非常突出。数字水印技术是目前信息安全领域的一个新方向，是一种可在开放网络环境下保护数字音乐作品版权和认证来源及数字音乐作品完整性的新型技术，已成为多媒体信号处理领域的一个研究热点。

目前，关于数字音乐作品的数字水印技术层出不穷，其主要利用数字音乐作品的冗余空间来实现水印的嵌入。由于未压缩的音频格式的作品具有较大的冗余空间，因此大多数的数字水印技术都是针对未压缩的音频格式的作品。而在实际应用中数字音乐作品绝大多数是以压缩格式进行存储和传输的，特别是在互联网上的数字音乐作品普遍以MPEG(Moving Picture Experts Group，运动图像专家组)压缩形式传播。由于压缩格式的数字音乐作品冗余空间极少，所以针对压缩的数字音乐作品的数字水印技术相对较少。

英国剑桥大学F.Petitcolas等人开发了一款针对MP3的数字水印软件MP3Stego，该软件根据量化和编码后误差长度的奇偶性作为水印嵌入的依据，嵌入的速率较低；由于被处理的对象是PCM(Pulse Code Modulation，脉冲编码调制)数据，水印是在压缩过程中嵌入的，其实时性较差。《基于MPEG编码音频的不可逆水印方法》作者：L.Qiao、K.Nahrstedt，该文中提出了两种将水印直接嵌入到MPEG音频码流中的方法。第一种是将水印嵌入到比例因子中，该方法首次提出在比例因子中嵌入水印，但没有给出顽健性测试结果；第二种是将水印嵌入到MPEG编码的样本数据中。《基于MPEG-2 AAC音频比特流的水印算法》作者：C.Neubauer、J.Herre，该方法中提出了将数字水印信息嵌入到AAC(Advanced Audio Coding，高级音频编码)压缩域音频中，但由于该方法需要将心理声学模型分析出来的辅助信息随着压缩数据一起传输才能进行数字水印信息的正确提取，因此会极大增加算法复杂度，并影响感知模型的不准确性，而且传输大量的附加信息也是不现实的。《基于MDCT变换的MPEG音频水印方法》作者：C.T.Wang、T.S.Chen、W.H.Chao Wang，该方法通过分析MDCT(Modified Discrete Cosine Transform，修正的离散余弦变换)系数，对MDCT系数进行修改，从而实现水印嵌入和提取操作，但该方法不能完全有效地检测嵌入的水印信息，水印嵌入的比例较小。《基于湿纸编码的MPEG压缩音频信息隐藏算法》作者：X.M.Quan、H.B.Zhang，该方法主要利用湿纸编码(Wet Paper Code)策略，通过调整MPEG量化过程，将隐秘信息嵌入到MPEG音频码流中，实验结果表明，该方法能抵抗变换编码和重编码攻击，但对于不同类型的载体，隐秘信息的嵌入可能会引起音频文件长度的改变。

综合现有的各种针对压缩数字音乐作品的数字水印技术，他们基本相似，只不过是选择的参数与修改的方法不同。这些数字水印方法具有一些共同的缺点，即水印嵌入强度很小，且认证与作品解码分离，一旦认证，解密作品就失去保护，不能有效地保护数字音乐作品的完整性，且不能对篡改位置进行准确定位。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种水印嵌入强度大，能够有效阻止篡改的数字音乐作品通过认证，实现对篡改位置的准确定位，有效地保护数字音乐作品完整性的数字音乐作品认证信息的嵌入方法及该作品的认证方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种数字音乐作品认证信息的嵌入方法，它包括以下步骤：

a1.对于需要嵌入认证信息的数字音乐作品，根据基础音频信号流的安全标识符，并以音频帧为单位通过水印生成器对基础音频信号流进行处理，生成一串二进制水印认证信息；

a2.读取一音频帧同步数据，确定音频帧同步数据的开始位置，并对音频帧同步数据的帧头数据和边信息进行解析，得到主数据进行可变长编码所使用的码表，并确定主数据所使用的所有码字；

a3.根据码长相等且相互对应的原则，将码表中的所有相互对应的码字分成相互对应的两个码字集合，表示为V₀＝{v₁，v₂，……，v_n}和V₁＝{v′₁，v′₂，……，v′_n}，其中v_i、v′_i(i＝1，2，......，n)分别为码字集合V₀和V₁的码字，n为码字个数，码字集合V₀和V₁中的码字是一一对应的，码字集合V₀的码字的属性为“0”，码字集合V₁的码字的属性为“1”；

a4.判断主数据的码字属于码字集合V₀还是属于码字集合V₁，当该码字属于码字集合V₀时，确定该码字的属性为“0”，当该码字属于码字集合V₁时，确定该码字的属性为“1”；将主数据所使用的所有码字按其对应的属性顺序组成的二进制码字属性信息与水印认证信息进行比较，如果不相同，则修改主数据的码字，从而将水印认证信息嵌入主数据中，得到含水印认证信息的主数据，否则，不修改主数据的码字，直接将水印认证信息嵌入主数据中，得到含水印认证信息的主数据；

a5.将含水印认证信息的主数据与该音频帧同步数据的帧头数据和边信息重新组合形成一个含水印认证信息的音频帧同步数据并写入文件；

所述的基础音频信号流是MPEG音频码流，进行可变长编码所使用的码表是哈夫曼码表，所述的主数据是码字比特流，所述的水印认证信息是由数字“0”和“1”组成的比特序列。

所述的主数据的码字的修改的具体过程为：若码字属性信息的属性位与水印认证信息的水印位不相同时，则当水印位为“0”时，将该属性位对应的码字v′_i修改为v_i，当水印位为“1”时，将该属性位对应的码字v_i修改为v′_i；否则，该属性位对应的码字不作修改。

上述数字音乐作品的认证方法，它将全部处理过程划分为水印提取模块和认证解码模块两个功能模块，水印提取模块的功能是接收含水印认证信息的音频信号流，根据水印认证信息嵌入的逆过程提取出水印认证信息；认证解码模块的功能是根据基础音频信号流的安全标识符生成一串二进制水印认证信息，并将生成的水印认证信息与提取的水印认证信息进行比较，若两者相同，则进行解码，否则，终止解码；其具体处理步骤包括：

b1.水印提取模块接收含水印认证信息的音频信号流，读取一含水印认证信息的音频帧同步数据，确定音频帧同步数据的开始位置，并对音频帧同步数据的帧头数据和边信息进行解析，得到含水印认证信息的主数据进行可变长编码所使用的码表，并确定主数据所使用的所有码字；

b2.根据码长相等且相互对应的原则，将码表中的所有相互对应的码字分成相互对应的两个码字集合，表示为V₀＝{v₁，v₂，……，v_n}和V₁＝{v′₁，v′₂，……，v′_n}，其中v_i、v′_i(i＝1，2，......，n)分别为码字集合V₀和V₁的码字，n为码字个数，码字集合V₀和V₁中的码字是一一对应的，码字集合V₀的码字的属性为“0”，码字集合V₁的码字的属性为“1”；

b3.判断含水印认证信息的主数据的码字属于码字集合V₀还是属于码字集合V₁，当该码字属于码字集合V₀时，提取二进制信息“0”，当该码字属于码字集合V₁时，提取二进制信息“1”，提取出所有码字的二进制信息完成水印认证信息的提取；

b4.认证解码模块根据基础音频信号流的安全标识符，并以音频帧为单位通过水印生成器对基础音频信号流进行处理，生成一串二进制水印认证信息；

b5.将生成的水印认证信息与在水印提取模块中提取的水印认证信息进行比较，如果两者相同，则进行解码，并输出PCM格式音频；否则终止解码，并确定被篡改的位置。

所述的解码的过程包括反采样量化、重排序、立体声处理、抗锯齿处理、IMDCT(Inverse Modified Discrete Cosine Transform，修正的离散余弦反变换)、多相频率倒置和子带合成过程。

所述的基础音频信号流是MPEG音频码流，进行可变长编码所使用的码表是哈夫曼码表，所述的含水印认证信息的主数据是码字比特流，所述的水印认证信息是由数字“0”和“1”组成的比特序列。

与现有技术相比，本发明的优点在于由于在水印认证信息嵌入的过程中是根据压缩的音频信号流的音频帧的唯一安全标识符生成的水印认证信息，再根据水印认证信息对主数据进行修改实现水印认证信息的嵌入，可以确保合法的数字音乐作品可以通过后续的认证解码，而经过篡改的数字音乐作品则不能通过后续的认证解码，有效地保护了数字作品的完整性；由于水印认证信息是直接嵌入在压缩的音频信号流中，无需解码再编码的过程，实时性较强；由于水印嵌入的对象是可变长码字，而音频帧的主数据的表现形式是可变长码字，提高了水印认证信息的嵌入速率；认证信息的提取与可变长编码的解码过程相融合，即边水印认证边解码，因此数字音乐作品能够实施有效的播放控制，不存在认证以后再解码播放的风险；此外，本发明适用范围广，可用于数字音乐作品的版权保护、内容完整性认证、作品控制以及隐蔽通信等领域。

附图说明

图1为本发明认证信息的嵌入处理流程框图；

图2为一个哈夫曼码表的码字空间分成的两个码字集合的示意图；

图3为水印认证信息嵌入过程示意图；

图4为本发明认证方法的处理流程框图；

图5为水印认证信息提取过程示意图；

图6为水印认证信息控制音频播放过程示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本实施例中处理的对象为一个音频信号，该音频信号按MPEG标准压缩，不过本发明并不局限于音频信号，也不局限于一个特定的压缩标准。MPEG音频信号的主数据可变长编码，采用了32个哈夫曼码表，为了方便描述，本实施例选择了32个哈夫曼码表中的1个哈夫曼码表，该哈夫曼码表的码字空间为{11，10，01，00001，00011，00010，000001，000000}。

图1概略显示了执行认证信息的嵌入的处理流程，其操作将在以下描述。

该发明接收一个MPEG基础音频信号流，它代表一个MPEG音频数据序列，对于需要嵌入认证信息的数字音乐作品，根据MPEG基础音频信号流的安全标识符SID(Security Identifiers)，并以音频帧为单位通过服从均匀分布的伪随机序列水印生成器对MPEG基础音频信号流进行处理，生成一串二进制水印认证信息，水印认证信息是由数字“0”和“1”组成的比特序列，在本实施例中设定生成的水印认证信息为“110010”，下面将对单个音频帧的处理进行详细的说明。通过帧同步(seek_sync)、帧长(main_data_slots)、主数据开始位置(main_data_begin)搜索读取一音频帧同步数据，确定音频帧同步数据的开始位置以及确定主数据(Main_data)的长度和开始位置，本实施例中该主数据的码字比特流为“1110000110000111000000”，并对音频帧同步数据的帧头(frame_header)数据和边信息(side_information)进行解析，获得主数据可变长编码的相关参数，如主数据长度(part2_3_length)、大值区长度(big_value)、码表选择(table_select)，在MPEG编码中使用的可变长编码是哈夫曼编码，因此可以根据这些参数确定主数据进行可变长编码所使用的哈夫曼码表，在本实施例中确定该哈夫曼码表的码字空间为{11，10，01，00001，00011，00010，000001，000000}，并确定主数据所使用的所有码字{11，10，00011，00001，11，000000}。根据码长相等且相互对应的原则，将哈夫曼码表的码字空间中的所有相互对应的码字分成相互对应的两个码字集合，表示为V₀＝{v₁，v₂，……，v_n}和V₁＝{v′₁，v′₂，……，v′_n}，其中v_i、v′_i(i＝1，2，......，n)分别为码字集合V₀和V₁的码字，n为码字个数，码字集合V₀和V₁中的码字是一一对应的，码字集合V₀的码字的属性为“0”，码字集合V₁的码字的属性为“1”，本实施例的码字空间{11，10，01，00001，00011，00010，000001，000000}中码长为2、5、6的码字个数分别为3，3，2个，按码长相等的码字顺序的放在对应的码字集合中，即码长为2的码字{11，10，01}，“11”放在V₀中，“10”放在V₁中，而码字“01”没有对应的码字，不作处理，码长为5的码字{00001，00011，00010}，“00001”放在V₀中，“00011”放在V₁中，同样码字“00010”没有对应的码字，也不作处理，码长为6的码字{000001，000000}，则“000001”和“000000”分别放在V₀和V₁中，所以整个码字空间分为两个对应的码字集合，码字集合V₀为{11，00001，000001}，码字集合V₁为{10，00011，000000}，如图2所示。主数据所使用的所有码字{11，10，00011，00001，11，000000}的第一个码字“11”对应码字集合V₀，该码字的属性为“0”，第二个码字“10”对应码字集合V₁，该码字的属性为“1”，第三个码字“00011”对应码字集合V₁，该码字的属性为“1”，第四个码字“00001”对应码字集合V₀，该码字的属性为“0”，第五个码字“11”对应码字集合V₀，该码字的属性为“0”，第六个码字“000000”对应码字集合V₁，该码字的属性为“1”，将这些属性顺序组成二进制码字属性信息“011001”，将该码字属性信息“011001”的每一属性位与水印认证信息“110010”每一水印位进行比较，经比较，码字属性信息的第1、3、5、6属性位与水印认证信息的相应水印位不相同，则对不相同的属性位对应的码字进行修改，当水印位为“0”时，将该属性位对应的码字v′_i修改为v_i，当水印位为“1”时，将该属性位对应的码字v_i修改为v′_i，即将主数据的码字比特流的第一个码字“11”修改成“10”，第三个码字“00011”修改成“00001”，第五个码字“11”修改成“10”，第六个码字“000000”修改成“000001”，其他属性位与水印位相同，相应的码字不作修改，得到修改后的码字比特流为“1010000010000110000001”，如图3所示，这一过程即将水印认证信息嵌入主数据中，得到含水印认证信息的主数据。将含水印认证信息的主数据与该音频帧同步数据的帧头数据和边信息重新组合形成一个含水印认证信息的音频帧同步数据并写入文件。

上述数字音乐作品的认证方法，如图4所示，其将全部处理过程划分为水印提取模块和认证解码模块两个功能模块，水印提取模块的功能是接收含水印认证信息的音频信号流，根据水印认证信息嵌入的逆过程提取出水印认证信息；认证解码模块的功能是根据基础音频信号流的安全标识符生成一串二进制水印认证信息，并将生成的水印认证信息与提取的水印认证信息进行比较，若两者相同，则进行解码，否则，终止解码；其具体处理步骤包括：水印提取模块接收含水印认证信息的MPEG音频信号流，读取一含水印认证信息的音频帧同步数据，确定音频帧同步数据的开始位置，并对音频帧同步数据的帧头数据和边信息进行解析，得到含水印认证信息的主数据进行可变长编码所使用的码表，此处，码表的码字空间与水印认证信息嵌入过程中所使用的码表相同，其码字空间为{11，10，01，00001，00011，00010，000001，000000}，并确定主数据所使用的所有码字。同样，根据码长相等且相互对应的原则，将码表中的所有相互对应的码字分成相互对应的两个码字集合，表示为V₀＝{v₁，v₂，……，v_n}和V₁＝{v′₁，v′₂，……，v′_n}，其中v_i、v′_i(i＝1，2，......，n)分别为码字集合V₀和V₁的码字，n为码字个数，码字集合V₀和V₁中的码字是一一对应的，码字集合V₀的码字的属性为“0”，码字集合V₁的码字的属性为“1”。判断含水印认证信息的主数据所有码字的码字属于码字集合V₀还是属于码字集合V₁，如果该音频帧没有被篡改，则该主数据的码字比特流为“1010000010000110000001”，其所有码字可表示为{10，10，00001，00001，10，000001}，提取主数据所有码字的二进制信息为“110010”，即完成了水印认证信息的提取，提取的水印认证信息即为“110010”，如图5所示。

认证解码模块中有一个与在数字音乐作品中进行认证信息嵌入时同样的MPEG基础音频信号流，认证解码模块根据MPEG基础音频信号流的安全标识符SID，通过服从均匀分布的伪随机序列水印生成器，得到二进制水印认证信息，本实施例中设定生成的水印认证信息为“110010”。将生成的水印认证信息“110010”与在水印提取模块中提取的水印认证信息“110010”进行比较，两者完全相同，则播放器对该音频帧进行正常的后续解码，并输出PCM格式音频；如果MPEG音频信号的某些音频帧受到篡改，假设提取的水印认证信息为“110111”，则与生成的水印认证信息“110010”不相同，终止解码。本发明中的认证过程，可以对没有被篡改的音频帧数据进行正常的解码播放，而遇到被篡改的音频帧数据，立即终止解码，并可确定当前音频帧信号被篡改，如图6所示。

本实施例中解码的过程主要包括反采样量化、重排序、立体声处理、抗锯齿处理、IMDCT、多相频率倒置和子带合成过程。

Claims (6)

1.一种数字音乐作品认证信息的嵌入方法，其特征在于它包括以下步骤：

a1.对于需要嵌入认证信息的数字音乐作品，根据基础音频信号流的安全标识符，并以音频帧为单位通过水印生成器对基础音频信号流进行处理，生成一串二进制水印认证信息；

a2.读取一音频帧同步数据，确定音频帧同步数据的开始位置，并对音频帧同步数据的帧头数据和边信息进行解析，得到主数据进行可变长编码所使用的码表，并确定主数据所使用的所有码字；

a3.根据码长相等且相互对应的原则，将码表中的所有相互对应的码字分成相互对应的两个码字集合，表示为V₀＝{v₁，v₂，……，v_n}和V₁＝{v′₁，v′₂，……，v′_n}，其中v_i、v′_i(i＝1，2，......，n)分别为码字集合V₀和V₁的码字，n为码字个数，码字集合V0和V1中的码字是一一对应的，码字集合V₀的码字的属性为“0”，码字集合V₁的码字的属性为“1”；

a4.判断主数据的码字属于码字集合V₀还是属于码字集合V₁，当该码字属于码字集合V₀时，确定该码字的属性为“0”，当该码字属于码字集合V₁时，确定该码字的属性为“1”；将主数据所使用的所有码字按其对应的属性顺序组成的二进制码字属性信息与水印认证信息进行比较，如果不相同，则修改主数据的码字，从而将水印认证信息嵌入主数据中，得到含水印认证信息的主数据，否则，不修改主数据的码字，直接将水印认证信息嵌入主数据中，得到含水印认证信息的主数据；

a5.将含水印认证信息的主数据与该音频帧同步数据的帧头数据和边信息重新组合形成一个含水印认证信息的音频帧同步数据并写入文件；

2.如权利要求1所述的数字音乐作品认证信息的嵌入方法，其特征在于所述的基础音频信号流是MPEG音频码流，进行可变长编码所使用的码表是哈夫曼码表，所述的主数据是码字比特流，所述的水印认证信息是由数字“0”和“1”组成的比特序列。

3.如权利要求1所述的数字音乐作品认证信息的嵌入方法，其特征在于所述的主数据的码字的修改的具体过程为：若码字属性信息的属性位与水印认证信息的水印位不相同时，则当水印位为“0”时，将该属性位对应的码字v′_i修改为v_i，当水印位为“1”时，将该属性位对应的码字v_i修改为v′_i；否则，该属性位对应的码字不作修改。

4.权利要求1所述的数字音乐作品的认证方法，其特征在于它将全部处理过程划分为水印提取模块和认证解码模块两个功能模块，水印提取模块的功能是接收含水印认证信息的音频信号流，根据水印认证信息嵌入的逆过程提取出水印认证信息；认证解码模块的功能是在接收方根据基础音频信号流的安全标识符生成一串二进制水印认证信息，并将生成的水印认证信息与提取的水印认证信息进行比较，若两者相同，则进行解码，否则，终止解码；其具体处理步骤包括：

b1.水印提取模块接收含水印认证信息的音频信号流，读取一含水印认证信息的音频帧同步数据，确定音频帧同步数据的开始位置，并对音频帧同步数据的帧头数据和边信息进行解析，得到含水印认证信息的主数据进行可变长编码所使用的码表，并确定主数据所使用的所有码字；

b2.根据码长相等且相互对应的原则，将码表中的所有相互对应的码字分成相互对应的两个码字集合，表示为V₀＝{v₁，v₂，……，v_n}和V₁＝{v′₁，v′₂，……，v′_n}，其中v_i、v′_i(i＝1，2，......，n)分别为码字集合V₀和V₁的码字，n为码字个数，码字集合V₀和V₁中的码字是一一对应的，码字集合V₀的码字的属性为“0”，码字集合V₁的码字的属性为“1”；

b3.判断含水印认证信息的主数据的码字属于码字集合V₀还是属于码字集合V₁，当该码字属于码字集合V₀时，提取二进制信息“0”，当该码字属于码字集合V₁时，提取二进制信息“1”，提取出所有码字的二进制信息完成水印认证信息的提取；

b4.认证解码模块根据基础音频信号流的安全标识符，并以音频帧为单位通过水印生成器对基础音频信号流进行处理，生成一串二进制水印认证信息；

b5.将生成的水印认证信息与在水印提取模块中提取的水印认证信息进行比较，如果两者相同，则进行解码，并输出PCM格式音频；否则终止解码，并确定被篡改的位置。

5.如权利要求4所述的数字音乐作品的认证方法，其特征在于所述的解码的过程包括反采样量化、重排序、立体声处理、抗锯齿处理、IMDCT、多相频率倒置和子带合成过程。

6.如权利要求4所述的数字音乐作品的认证方法，其特征在于所述的基础音频信号流是MPEG音频码流，进行可变长编码所使用的码表是哈夫曼码表，所述的含水印认证信息的主数据是码字比特流，所述的水印认证信息是由数字“0”和“1”组成的比特序列。

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