CN101211562A - 一种数字音乐作品的无损数字水印嵌入与提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字音乐作品的无损数字水印嵌入与提取方法，由于在水印信息嵌入过程中嵌入的是含压缩的码字属性序列的秘密序列，使得在水印信息提取过程中可根据解码后的码字属性序列无损的恢复数字音乐作品；由于水印信息的嵌入不是在音频码流压缩过程中实现，而是直接在可变长编码码流中实现的，使得嵌入容量得到较大的增加；由于在水印信息嵌入过程和提取过程中采用了可变长码字映射规则，使得整个水印信息嵌入过程和提取过程操作简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种数字水印技术，尤其是涉及一种数字音乐作品的无损数字水印嵌入与提取方法。
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，数字水印技术是一种将可识别的数据嵌入到数字音乐作品中的技术，用人类感觉器官无法识别，而使用专门的检测工具可以方便地识别，它作为传统加密技术的有效补充手段，是一种可在开放网络环境下保护数字音乐作品版权、认证数字音乐作品来源及保护数字音乐作品完整性的新技术。目前，已有许多用于未压缩数字音乐作品的数字水印技术，如《基于扩谱技术的音频水印算法》作者：D.Kirovski，H.S.Malvar和《基于DWT和DCT变换的抗同步攻击的音频水印方法》作者：X.Y.Wang，H.Zhao，虽然这些数字水印技术已经相当成熟，但由于未压缩数字音乐作品往往数据量巨大，因此往往导致数字音乐作品的传输和存储成本相当高，从而使得其应用范围受到极大限制，主要用于存放以备将来作进一步处理，而不是提供给用户进行播放。
另一方面，目前大量的数字音乐作品是以压缩格式提供的，常见的格式有MPEG(Moving Picture Experts Group，运动图像专家组)、AAC(Advanced Audio Coding，高级音频编码)和WMA(Windows Media Audio，视窗媒体音频)等，其中以MPEG格式的数字音乐作品类型最为常见。但由于压缩编码去除了数字音乐作品音频样本之间的大部分冗余，而数字水印技术的基本原理正是利用音频数据的冗余来实现水印的嵌入，因此要在压缩数字音乐作品中实现数字水印的嵌入是相当困难的，目前针对压缩数字音乐作品的数字水印方法有《基于MPEG编码音频的不可逆水印方法》作者：L.Qiao，K.Nahrstedt，《一种针对MPEG音频的压缩域水印算法》作者：D.K.Koukopoulos，Y.C.Stamatiou和《基于MPEG-2 AAC音频的改进扩谱水印算法》作者：S.Cheng，H.Yu，Z.X.Xiong。这些数字水印技术虽然能实现在压缩格式的数字音乐作品中嵌入水印信息，但均会对原始的数字音乐作品造成一定的失真，而且通常情况下这种失真是永久性的，也即在水印提取成功之后，原始的数字音乐作品将不可能被无损地恢复，而在某些严格的场合如军事通信和法律认证等场合，这种失真是不允许的。目前虽然也出现了不少针对静止图像、视频和未压缩数字音乐作品的无损数字水印方法，但针对压缩格式的数字音乐作品的无损数字水印方法，目前在国内外还未曾出现。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够保证将含水印信息的数字音乐作品不引起失真、无损的恢复的数字音乐作品的无损数字水印嵌入与提取方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种数字音乐作品的无损数字水印嵌入方法，它包括以下步骤：
1)、对于需要嵌入水印信息的数字音乐作品，对数字音乐作品的音频码流以音频帧为单位进行部分解码，从一音频帧数据中分离出码字，并通过水印生成器对该音频帧进行处理，生成一串二进制水印信息；
2)、确定该音频帧的帧信息，并根据帧信息得到该音频帧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可变长码字；
3)、根据汉明重量相等、长度相等且相互对应的原则，将码表中的所有相互对应的可变长码字分成相互对应的两个码字集合，表示为V0＝{v1，v2，……，vn}和V1＝{v′1，v′2，……，v′n}，其中vi、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的可变长码字的属性为“0”，码字集合V1的可变长码字的属性为“1”；
4)、判断主数据的可变长码字属于码字集合V0还是属于码字集合V1，当该可变长码字属于码字集合V0时，确定该可变长码字的属性为“0”，当该可变长码字属于码字集合V1时，确定该可变长码字的属性为“1”；将主数据所使用的所有可变长码字对应的属性顺序组成二进制码字属性序列，然后对码字属性序列进行无损压缩，得到压缩的码字属性序列，再将压缩的码字属性序列和水印信息组合成待嵌入的秘密序列，压缩的码字属性序列为秘密序列的前部，水印信息为秘密序列的后部，压缩的码字属性序列与水印信息之间设置有结束标记；
5)、根据可变长码字映射规则将秘密序列嵌入主数据中，得到含水印信息的主数据；
6)、将含水印信息的主数据与帧信息重新组合并形成一个含水印信息的音频帧；
7)、重复上述步骤，完成音频码流的所有音频帧的水印信息的嵌入，得到含水印信息的音频码流。
所述的可变长码字映射规则为：对于属性为“0”的可变长码字，当秘密序列的相应比特位为“0”时，保持该可变长码字不变，当秘密序列的相应比特位为“1”时，将该可变长码字修改为对应的属性为“1”的可变长码字；对于属性为“1”的可变长码字，当秘密序列的相应比特位为“1”时，保持该可变长码字不变，当秘密序列的相应比特位为“0”时，将该可变长码字修改为对应的属性为“0”的可变长码字。
数字音乐作品的无损数字水印提取方法，它包括以下步骤：
1)、对含水印信息的音频码流以音频帧为单位进行部分解码，从一音频帧数据中分离出码字；
2)、确定该音频帧的帧信息，并根据帧信息得到该音频帧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可变长码字；
3)、根据汉明重量相等、长度相等且相互对应的原则，将码表中的所有相互对应的可变长码字分成相互对应的两个码字集合，表示为V0＝{v1，v2，……，vn}和V1＝{v′1，v′2，……，v′n}，其中vi、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的可变长码字的属性为“0”，码字集合V1的可变长码字的属性为“1”；
4)、判断主数据的可变长码字属于码字集合V0还是属于码字集合V1，当该可变长码字属于码字集合V0时，提取二进制信息“0”，当该可变长码字属于码字集合V1时，提取二进制信息“1”，提取出所有可变长码字的二进制信息完成秘密序列的提取，然后根据结束标记将提取的秘密序列分离成压缩的码字属性序列和水印信息两部分，再对压缩的码字属性序列进行无损解码，得到原始的码字属性序列；
5)、根据可变长码字映射规则将含水印信息的主数据还原为原始的主数据；
6)、将原始的主数据与帧信息重新组合形成原始的音频帧；
7)、重复上述步骤，完成含水印信息的音频码流的所有音频帧的水印信息的提取，得到原始的音频码流。
所述的可变长码字映射规则为：对于属性为“0”的可变长码字，当秘密序列的相应比特位为“0”时，保持该可变长码字不变，当秘密序列的相应比特位为“1”时，将该可变长码字修改为对应的属性为“1”的可变长码字；对于属性为“1”的可变长码字，当秘密序列的相应比特位为“1”时，保持该可变长码字不变，当秘密序列的相应比特位为“0”时，将该可变长码字修改为对应的属性为“0”的可变长码字。
与现有技术相比，本发明的优点在于由于在水印信息嵌入过程中嵌入的是含压缩的码字属性序列的秘密序列，使得在水印信息提取过程中可根据解码后的码字属性序列无损的恢复数字音乐作品；由于水印信息的嵌入不是在音频码流压缩过程中实现，而是直接在可变长编码码流中实现的，使得嵌入容量得到较大的增加；由于在水印信息嵌入过程和提取过程中采用了可变长码字映射规则，使得整个水印信息嵌入过程和提取过程操作简单。
附图说明
图1为大值区的码流结构示意图；
图2为小值区的码流结构示意图；
图3为第六个哈夫曼码表信息表示示意图；
图4为本发明的无损数字水印嵌入的处理流程框图；
图5为第六个码表中的可变长码字的映射规则示意图；
图6为根据码字属性序列及水印信息构成的待嵌入的秘密序列的构成示意图；
图7为秘密序列嵌入主数据的操作示意图；
图8为水印信息的提取及还原为原始的可变长码字的操作示意图。
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。
本发明处理的对象为一个音频码流，该音频码流采用MPEG标准压缩，不过本发明并不局限于音频码流，也不局限于一个特定的压缩标准。MPEG编码器采用哈夫曼编码，因此音频码流的表现形式为哈夫曼码字，也称为可变长码字VLC(Variable LengthCoding)。MPEG编码器给出了32个可用的哈夫曼码表，MPEG音频码流的主数据可变长编码。
由于码表中的可变长码字根据量化后的MDCT(Modified Discrete Cosine Transform，修正的离散余弦变换)系数按频率大小分成大值区、小值区和零区，其中对于大值区，每两个MDCT系数为一组进行编码，其码流结构如图1所示；对于小值区，则每四个MDCT系数为一组进行编码，其码流结构如图2所示；而对于零区，不作编码，图1和图2中，codeword表示可变长码字，sign1～4分别表示所编码MDCT系数的符号位。本发明通过研究MPEG编码器给出的32个可用的哈夫曼码表，发现以下规律：①在大值区中，汉明重量相等的系数组(每两个系数为一组)，如果对应可变长码字的长度也相等，则该系数组对应的符号位长度相等；②在小值区中，如果系数组(每四个系数为一组)的汉明重量相等，则其对应的可变长码字和系数符号位的总长度相等，根据这个规律可以有效地避免因可变长码字长度及符号的改变，引起整个MPEG音频码流的混乱，而导致解码器无法正常解码的问题。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(第六个哈夫曼表)，如图3所示，该哈夫曼码表的码字空间为{111，011，00101，0000001，110，10，0011，00010，0101，0100，00100，000001，000011，00011，000010，0000000}。
图4显示了本发明的无损数字水印嵌入的处理流程，它包括以下步骤：
1)、对于需要嵌入水印信息的数字音乐作品，对数字音乐作品的MPEG音频码流以音频帧为单位进行部分解码，部分解码即从一音频帧数据中分离出码字，然后通过水印生成器对该音频帧进行处理，生成一串二进制水印信息，水印信息为由数字“0”和“1”组成的比特序列，在本实施例中设定生成的水印信息为“101”；
2)、确定该音频帧的帧信息和主数据，本实施例中，该主数据的码字比特流为“11000100000001110110011”，并根据帧信息得到该音频帧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可变长码字{110，00100，000001，110，110，011}；
3)、根据汉明重量相等、长度相等且相互对应的原则，将图3所示的码表中的所有相互对应的可变长码字分成相互对应的两个码字集合，表示为V0＝{v1，v2，……，vn}和V1＝{v′1，v′2，……，v′n}，其中vi、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的可变长码字的属性为“0”，码字集合V1的可变长码字的属性为“1”，如图5所示，V0＝{011，0011，00010，000001}，V1＝{110，0100，00100，000010}，图3码表中其他的码字不作处理；
4)、主数据所使用的所有可变长码字{110，00100，000001，110，110，011}的第3、6个可变长码字属于码字集合V0，这些可变长码字的属性为“0”，而第1、2、4、5个可变长码字属于码字集合V1，这些可变长码字的属性为“1”；如图6所示，将这些属性顺序组成二进制码字属性序列“110110”，然后对码字属性序列进行无损压缩，得到压缩的码字属性序列“011”，再将压缩的码字属性序列“011”和水印信息“101”组合成待嵌入的秘密序列，可表示为“011101”，压缩的码字属性序列为秘密序列的前部，水印信息为秘密序列的后部，压缩的码字属性序列与水印信息之间设置有结束标记；
5)、根据可变长码字映射规则将秘密序列“011101”嵌入主数据中，可变长码字映射规则为：对于属性为“0”的可变长码字，当秘密序列的相应比特位为“0”时，保持该可变长码字不变，当秘密序列的相应比特位为“1”时，将该可变长码字修改为对应的属性为“1”的可变长码字；对于属性为“1”的可变长码字，当秘密序列的相应比特位为“1”时，保持该可变长码字不变，当秘密序列的相应比特位为“0”时，将该可变长码字修改为对应的属性为“0”的可变长码字，本实施例中主数据所使用的第1个码字的属性为“1”且对应的秘密序列的比特位为“0”，将该可变长码字修改为“011”，第2个码字属性为“1”且对应的秘密序列的比特位为“1”，该可变长码字保持不变，第3个码字属性为“0”且对应的秘密序列的比特位为“1”，将该可变长码字修改为“000010”，第4个码字属性为“1”且对应的秘密序列的比特位为“1”，该可变长码字保持不变，第5个码字属性为“1”且对应的秘密序列的比特位为“0”，将该可变长码字修改为“011”，第6个码字属性为“0”且对应的秘密序列的比特位为“1”，将该可变长码字修改为“110”，从而得到含水印信息的主数据的码字比特流“01100100000010110011110”，如图7所示；
6)、将含水印信息的主数据与帧信息重新组合并形成一个含水印信息的音频帧；
7)、重复上述步骤，完成音频码流的所有音频帧的水印信息的嵌入，得到含水印信息的音频码流，发送端将含水印信息的音频码流进行传输。
上述数字音乐作品的无损数字水印提取方法，它包括以下步骤：
1)、在接收端对含水印信息的音频码流以音频帧为单位进行部分解码，从一音频帧数据中分离出码字；
2)、确定一音频帧的帧信息和主数据，假设该音频帧为本发明的无损数字水印嵌入方法中嵌入水印信息后的音频帧，则其含水印信息的主数据的码字比特流为“01100100000010110011110”，并根据帧信息得到该音频帧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可变长码字{011，00100，000010，110，011，110}；
3)、根据汉明重量相等、长度相等且相互对应的原则，将图3所示码表中的所有相互对应的可变长码字分成相互对应的两个码字集合，表示为V0＝{v1，v2，……，vn}和V1＝{v′1，v′2，……，v′n}，其中vi、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的可变长码字的属性为“0”，码字集合V1的可变长码字的属性为“1”，如图5所示，V0＝{011，0011，00010，000001}，V1＝{110，0100，00100，000010}，图3码表中其他的码字不作处理；
4)、主数据所使用的所有可变长码字{011，00100，000010，110，011，110}第1、5个可变长码字属于码字集合V0，提取二进制信息“0”，而第2、3、4、6个可变长码字属于码字集合V1，提取二进制信息“1”，提取出所有可变长码字的二进制信息完成秘密序列“011101”的提取，然后根据结束标记将提取的秘密序列“011101”分离成压缩的码字属性序列“011”和水印信息“101”两部分，再对压缩的码字属性序列“011”进行无损解码，得到原始的码字属性序列“110110”；
5)、根据可变长码字映射规则，含水印信息的主数据的码字比特流“01100100000010110011110”的第1个码字“011”的新属性为“0”即提取的秘密序列的比特位为“0”，而该可变长码字的原始的属性为“1”，说明该可变长码字“011”是由其对应的映射码字“110”嵌入比特“0”得到的，同样，将含水印的可变长码字“00100”、“000010”、“110”、“011”、“110”无损的还原为原始的可变长码字“00100”、“000001”、“110”、“110”、“011”，如图8所示，最终得到的原始的主数据的码字比特流为“11000100000001110110011”，达到了无损的恢复；
6)、将原始的主数据与帧信息重新组合形成原始的音频帧；
7)、重复上述步骤，完成含水印信息的音频码流的所有音频帧的水印信息的提取，得到原始的音频码流。
Claims (4)
1.一种数字音乐作品的无损数字水印嵌入方法，其特征在于它包括以下步骤：
1)、对于需要嵌入水印信息的数字音乐作品，对数字音乐作品的音频码流以音频帧为单位进行部分解码，从一音频帧数据中分离出码字，并通过水印生成器对该音频帧进行处理，生成一串二进制水印信息；
2)、确定该音频帧的帧信息，并根据帧信息得到该音频帧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可变长码字；
3)、根据汉明重量相等、长度相等且相互对应的原则，将码表中的所有相互对应的可变长码字分成相互对应的两个码字集合，表示为V0＝{v1，v2，……，vn}和V1＝{v′1，v′2，……，v′n}，其中vi、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的可变长码字的属性为“0”，码字集合V1的可变长码字的属性为“1”；
4)、判断主数据的可变长码字属于码字集合V0还是属于码字集合V1，当该可变长码字属于码字集合V0时，确定该可变长码字的属性为“0”，当该可变长码字属于码字集合V1时，确定该可变长码字的属性为“1”；将主数据所使用的所有可变长码字对应的属性顺序组成二进制码字属性序列，然后对码字属性序列进行无损压缩，得到压缩的码字属性序列，再将压缩的码字属性序列和水印信息组合成待嵌入的秘密序列，压缩的码字属性序列为秘密序列的前部，水印信息为秘密序列的后部，压缩的码字属性序列与水印信息之间设置有结束标记；
5)、根据可变长码字映射规则将秘密序列嵌入主数据中，得到含水印信息的主数据；
6)、将含水印信息的主数据与帧信息重新组合并形成一个含水印信息的音频帧；
7)、重复上述步骤，完成音频码流的所有音频帧的水印信息的嵌入，得到含水印信息的音频码流，发送端将含水印信息的音频码流进行传输。
2.如权利要求1所述的一种数字音乐作品的无损数字水印嵌入方法，其特征在于所述的可变长码字映射规则为：对于属性为“0”的可变长码字，当秘密序列的相应比特位为“0”时，保持该可变长码字不变，当秘密序列的相应比特位为“1”时，将该可变长码字修改为对应的属性为“1”的可变长码字；对于属性为“1”的可变长码字，当秘密序列的相应比特位为“1”时，保持该可变长码字不变，当秘密序列的相应比特位为“0”时，将该可变长码字修改为对应的属性为“0”的可变长码字。
3.权利要求1所述的数字音乐作品的无损数字水印提取方法，其特征在于它包括以下步骤：
1)、在接收端对含水印信息的音频码流以音频帧为单位进行部分解码，从一音频帧数据中分离出码字；
2)、确定一音频帧的帧信息，并根据帧信息得到该音频帧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可变长码字；
3)、根据汉明重量相等、长度相等且相互对应的原则，将码表中的所有相互对应的可变长码字分成相互对应的两个码字集合，表示为V0＝{v1，v2，……，vn}和V1＝{v′1，v′2，……，v′n}，其中vi、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的可变长码字的属性为“0”，码字集合V1的可变长码字的属性为“1”；
4)、判断主数据的可变长码字属于码字集合V0还是属于码字集合V1，当该可变长码字属于码字集合V0时，提取二进制信息“0”，当该可变长码字属于码字集合V1时，提取二进制信息“1”，提取出所有可变长码字的二进制信息完成秘密序列的提取，然后根据结束标记将提取的秘密序列分离成压缩的码字属性序列和水印信息两部分，再对压缩的码字属性序列进行无损解码，得到原始的码字属性序列；
5)、根据可变长码字映射规则将含水印信息的主数据还原为原始的主数据；
6)、将原始的主数据与帧信息重新组合形成原始的音频帧；
7)、重复上述步骤，完成含水印信息的音频码流的所有音频帧的水印信息的提取，得到原始的音频码流。
4.如权利要求3所述的数字音乐作品的无损数字水印提取方法，其特征在于所述的可变长码字映射规则为：对于属性为“0”的可变长码字，当秘密序列的相应比特位为“0”时，保持该可变长码字不变，当秘密序列的相应比特位为“1”时，将该可变长码字修改为对应的属性为“1”的可变长码字；对于属性为“1”的可变长码字，当秘密序列的相应比特位为“1”时，保持该可变长码字不变，当秘密序列的相应比特位为“0”时，将该可变长码字修改为对应的属性为“0”的可变长码字。
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