CN101894555A - 一种mp3文件的水印保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种保护MP3文件的水印方法，属多媒体信号处理领域技术。方法包括水印嵌入过程，所述水印嵌入过程根据MP3文件固定的帧结构模型，将水印数据嵌入到每一音频帧中，水印的嵌入通过直接修改MP3文件的压缩域数据实现。本发明具有如下优点：1)算法原理简单，适用性广泛；2)算法计算复杂度低，不需进行任何解码，直接修改码流即可；3)几乎不引起任何听觉失真；4)精确到比特量级不改变文件大小，水印不可察觉性强；5)算法标准统一，技术成熟，通用性强。

Description

一种MP3文件的水印保护方法 

技术领域

本发明属于多媒体信号处理领域，特别是涉及一种保护MP3文件的水印方法。 

背景技术

随着计算机和网络技术的广泛应用，数字多媒体信息被大量使用并得以方便快捷的传输。据中国互联网络信息中心(CNNIC)发布的《第23次中国互联网络发展状况统计报告》显示，截至2008年底，我国互联网使用人数高达2.98亿，手机网民数达1.137亿。其中拥有收听、下载、分享网络音乐习惯的用户量约为2.5亿。如何防止收费音乐被非法传播，追踪传播源头，以保护音乐发行商乃至整个音频产业链的合法利益成为当务之需。 

水印技术可以在不降低音乐音质的前提下，将合法用户的信息嵌入到音频文件中，可广泛应用于鉴定作品的所有权，验证作品完整性和追踪非法侵权源头等方面。MP3是目前全世界最流行，应用最广泛的音频格式，但目前大多数适用于MP3的水印算法均需要进行复杂的编解码计算，因此研究一种基于直接修改压缩域数据的快速MP3水印技术具有一定的现实意义和实用价值。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有水印嵌入方法需要复杂的编解码计算的不足，提供一种简单方便的保护MP3文件的水印方法。 

MP3作为目前全世界最流行，应用最广泛的音频格式，虽然市面上有众多 不同的MP3编解码器内核，但形成的MP3文件都具有统一的帧结构。MPEG组织规定MP3的压缩率必须达到10～12∶1，在压缩率如此高的编码格式中寻找可以直接修改并且不会明显影响音质的参数是一件很困难的事情。 

经过仔细研究，帧边信息中的global gain参数(非负整数型，8比特)，用于控制频域系数量化过程的量化步长。常见取值范围约是(110，230)。经测试修改该参数只影响音量大小，并不影响听觉内容，而简单的增加或减少1个单位大小，人耳完全无法察觉听觉差异。另外，MP3帧头结构中的私有位(Privatebit，1比特)、版权位(Copy right，1比特)和原创位(Copy/Original，1比特)不参与任何编解码过程，可以被任意修改，所以也可以作为水印嵌入参数。 

修改压缩域数据后，若音频帧含有CRC校验码(16比特)，还需及时更新CRC校验码，否则会引起播放错误。CRC(Cyclic Redundancy Check)，又称循环冗余校验，是数据通信领域中最常用的一种差错校验码。所有MP3编码器采用的CRC校验算法生成多项式均为X16+X15+X2+1。 

为了提供一种简单方便的保护MP3文件的水印方法，采用的技术方案如下： 

一种保护MP3文件的水印方法，包括水印嵌入过程，所述水印嵌入过程根据MP3文件固定的帧结构模型，将水印数据嵌入到每一音频帧中，水印的嵌入通过直接修改MP3文件的压缩域数据实现。 

上述技术方案中，所述MP3文件的压缩域数据包括帧边数据和/或帧头数据。 

进一步地，所述帧边数据为用于控制频域系数量化过程的量化步长的全局增益参数global gain。 

所述帧头数据为私有位、版权位、原创位的一个或多个。 

本发明的水印嵌入的具体过程包括如下步骤： 

11)寻找帧同步位元，读取CRC标识位和global gain参数； 

12)利用LSB算法，对global gain参数最低位进行修改，将水印数据依次替换global gain参数的最低位数据； 

13)判断CRC标志位，当CRC标识位为“0”时，进行CRC校验，并用新的校验结果替代原始CRC校验，否则执行步骤14)； 

14)返回步骤11)，寻找下一帧同步位元，直至文件结束。 

与水印嵌入相对应的水印提取过程包括如下步骤： 

21)寻找帧同步位元，读取global gain参数； 

22)根据global gain参数最低位决定提取水印数据，包括“1”或者“0”； 

23)返回步骤21)，寻找下一帧同步位元，直至文件结束。 

本发明的水印嵌入的具体过程还可以包括如下步骤： 

31)寻找帧同步位元，读取CRC标识位和私有位、和/或版权位、和/或原创位； 

32)利用LSB算法，对私有位、和/或版权位、和/或原创位进行修改，具体修改方式为采用水印数据进行替换； 

33)判断CRC标志位，当CRC标识位为“0”时，进行CRC校验，并用新的校验结果替代原始CRC校验，否则执行步骤34)； 

34)返回步骤31)，寻找下一帧同步位元，直至文件结束。 

与水印嵌入相对应的水印提取过程包括如下步骤： 

41)寻找帧同步位元，读取私有位、和/或版权位、和/或原创位； 

42)根据私有位、和/或版权位、和/或原创位提取水印数据，包括“1”或 者“0”； 

43)返回步骤41)，寻找下一帧同步位元，直至文件结束。 

本发明的水印嵌入的具体过程还可以包括如下步骤： 

51)寻找帧同步位元，读取CRC标识位，并确定帧边数据的global gain参数以及帧头数据的私有位、版权位和原创位的压缩域数据作为水印嵌入区域； 

52)利用LSB算法，对压缩域数据进行修改，将水印数据依次替换该压缩域数据的部分或全部数据； 

53)判断CRC标志位，当CRC标识位为“0”时，进行CRC校验，并用新的校验结果替代原始CRC校验，否则执行步骤54)； 

54)返回步骤51)，寻找下一帧同步位元，直至文件结束。 

与水印嵌入相对应的水印提取过程包括如下步骤： 

61)寻找帧同步位元，读取压缩域数据； 

62)根据压缩域数据的部分或全部数据提取水印数据，包括“1”或者“0”； 

63)返回步骤61)，寻找下一帧同步位元，直至文件结束。 

本发明具有如下优点： 

1)算法原理简单，适用性广泛； 

2)算法计算复杂度低，不需进行任何解码，直接修改码流即可； 

3)几乎不引起任何听觉失真； 

4)精确到比特量级不改变文件大小，水印不可察觉性强； 

5)算法标准统一，技术成熟，通用性强。 

附图说明

图1为MP3帧(frame)结构图； 

图2为MP3帧头(header)结构图； 

图3为MP3帧边信息(side information)结构图； 

图4为MP3水印嵌入流程图； 

图5为MP3水印提取流程图； 

图6为测试MP3原始波形图； 

图7为含水印MP3波形图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。 

图1为MP3帧(frame)结构图。MP3文件由帧构成，帧是MP3文件最小的组成单位。由图1可见，帧头后面可能有16比特的CRC校验码(当CRC标识位为0时)，并且每一帧均包含可用于嵌入水印的帧边信息(side information)，则每一帧至少可嵌入1比特水印。当音频文件为单声道文件时，帧边信息长136比特，为双声道文件时，帧边信息长256比特。 

图2为MP3帧头(header)结构图。可见每一帧的帧头结构中的都有私有位(Private bit)、版权位(Copy right)和原创位(Copy/Original)。 

图3为MP3帧边信息(side information)结构图，可见包含于每一帧中的帧边信息可能含有2个全局增益(单声道时)，也可能含有4个全局增益(双声道时)，说明本发明方案水印嵌入容量大，可选位置组合多。实际应用时，既可每帧均随机选取其中一个位置进行水印嵌入，提高水印安全性，也可将帧内所有可嵌位置均嵌入同一比特水印，提高水印可靠性。 

图4为MP3水印嵌入流程图。首先寻找MP3的帧同步码元sync word，共12比特，其值都为1，即连续的12个1，大小为0xFFF。准确定位帧同步码元 sync word后，则可依据图2和图3获取CRC标识位(1比特)和全局增益(8比特)。其次执行LSB算法，当需要嵌“0”时置全局增益最低位为“0”，当需要嵌“1”时置全局增益最低位为“1”。接着依据CRC标识位决定是否进行CRC校验。当CRC＝“0”时，将帧头后16比特和整个帧边信息作为输入进行CRC校验，得到新的16比特CRC校验码，并用之替换旧的CRC校验码。最后判断水印嵌入过程是否已经结束，否则寻找下一帧同步码元sync word，迭代运行，直至文件结束。 

图5为MP3水印提取流程图。首先寻找MP3的帧同步码元sync word，获取全局增益(8比特)。其次依据全局增益最低位提取水印，当全局增益最低位为“1”时提取“1”，否则提取“0”。然后判断水印提取过程是否已经结束，否则寻找下一帧同步码元sync word，迭代运行，直至文件结束。 

图6为测试MP3原始波形图。测试MP3格式为44.1kHz采样频率，128kbps编码速率，单声道，长9秒。 

图7为含水印MP3波形图。可见和图6无明显差异。客观测试表明，两者SNR值为21.1dB，满足国际留声机联盟(IFPI)对嵌入水印后的音频至少应提供20dB的要求。在主观测试中，人耳基本无法分辨任何听觉差异。 

Claims (10)

1.一种保护MP3文件的水印方法，包括水印嵌入过程，所述水印嵌入过程根据MP3文件固定的帧结构模型，将水印数据嵌入到每一音频帧中，其特征在于水印的嵌入通过直接修改MP3文件的压缩域数据实现。

2.根据权利要求1所述的保护MP3文件的水印方法，其特征在于嵌入过程所修改MP3文件的压缩域数据，包括帧边数据和/或帧头数据。

3.根据权利要求2所述的保护MP3文件的水印方法，其特征在于嵌入过程所修改帧边数据中用于控制频域系数量化过程的量化步长的全局增益参数。

4.根据权利要求2所述的保护MP3文件的水印方法，其特征在于嵌入过程所修改的帧头数据包括私有位、版权位、原创位的一个或多个。

5.根据权利要求3所述的保护MP3文件的水印方法，其特征在于水印嵌入的具体过程包括如下步骤：

11)寻找帧同步位元，读取CRC标识位和全局增益参数；

12)利用LSB算法，对全局增益参数最低位进行修改，将水印数据依次替换全局增益参数的最低位数据；

13)判断CRC标志位，当CRC标识位为“0”时，进行CRC校验，并用新的校验结果替代原始CRC校验，否则执行步骤14)；

14)返回步骤11)，寻找下一帧同步位元，直至文件结束。

6.根据权利要求5所述的保护MP3文件的水印方法，其特征在于与水印嵌入相对应的水印提取过程包括如下步骤：

21)寻找帧同步位元，读取全局增益参数；

22)根据全局增益参数最低位决定提取水印数据，包括“1”或者“0”；

23)返回步骤21)，寻找下一帧同步位元，直至文件结束。

7.根据权利要求4所述的保护MP3文件的水印方法，其特征在于水印嵌入的具体过程包括如下步骤：

31)寻找帧同步位元，读取CRC标识位和私有位、和/或版权位、和/或原创位；

32)利用LSB算法，对私有位、和/或版权位、和/或原创位进行修改，具体修改方式为采用水印数据进行替换；

33)判断CRC标志位，当CRC标识位为“0”时，进行CRC校验，并用新的校验结果替代原始CRC校验，否则执行步骤34)；

34)返回步骤31)，寻找下一帧同步位元，直至文件结束。

8.根据权利要求7所述的保护MP3文件的水印方法，其特征在于与水印嵌入相对应的水印提取过程包括如下步骤：

41)寻找帧同步位元，读取私有位、和/或版权位、和/或原创位；

42)根据私有位、和/或版权位、和/或原创位提取水印数据，包括“1”或者“0”；

43)返回步骤41)，寻找下一帧同步位元，直至文件结束。

9.根据权利要求2所述的保护MP3文件的水印方法，其特征在于水印嵌入的具体过程包括如下步骤：

51)寻找帧同步位元，读取CRC标识位，并确定帧边数据的全局增益参数以及帧头数据的私有位、版权位和原创位的压缩域数据作为水印嵌入区域；

52)利用LSB算法，对压缩域数据进行修改，将水印数据依次替换该压缩域数据的部分或全部数据；

53)判断CRC标志位，当CRC标识位为“0”时，进行CRC校验，并用新的校验结果替代原始CRC校验，否则执行步骤54)；

54)返回步骤51)，寻找下一帧同步位元，直至文件结束。

10.根据权利要求9所述的保护MP3文件的水印方法，其特征在于与水印嵌入相对应的水印提取过程包括如下步骤：

61)寻找帧同步位元，读取压缩域数据；

62)根据压缩域数据的部分或全部数据提取水印数据，包括“1”或者“0”；

63)返回步骤61)，寻找下一帧同步位元，直至文件结束。

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