CN1971734A

CN1971734A - 一种数字音乐作品认证信息的嵌入与提取方法

Info

Publication number: CN1971734A
Application number: CNA2006100538984A
Authority: CN
Inventors: 王让定; 朱斌; 严迪群; 徐霁
Original assignee: Ningbo University
Current assignee: Ningbo University
Priority date: 2006-10-20
Filing date: 2006-10-20
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2026-10-20
Also published as: CN100546198C

Abstract

本发明公开了一种数字音乐作品认证信息的嵌入与提取方法，特点是它将全部处理过程划分为分解模块、变长编码处理模块、水印处理模块和输出模块，在压缩流的变长编码区进行水印的嵌入，并采用变长编码空间扩展的方法实现变长编码的主数据的无损认证信息嵌入，优点在于载体信息量大，可避免对解码较为重要的旁信息参数产生影响，可以确保通过认证的作品没有音质损失，认证信息的提取与变长编码的解码融合，即在解码的同时进行水印提取，因此不存在认证以后解码再播放的风险。

Description

一种数字音乐作品认证信息的嵌入与提取方法

技术领域

本发明涉及一种数字音乐作品的认证方法，尤其是涉及一种数字音乐作品认证信息的嵌入与提取方法。

背景技术

MP3是MPEG-1 Audio Layer 3的缩写，它是ISO(International StandardsOrganization，国际标准化组织)与IEC(International Electronic Committee，国际电工协会)共同发起的MPEG(Moving Picture Experts Group，运动图像专家组)开发的一种音频压缩技术。1987年，德国的研究机构Fraunhofer IIS-A开始参与一项关于数字音频广播DAB(Digital Audio Broadcasting)的尤里卡计划子项目EU147。在与Erlangen大学Dieter Seitzer教授的合作过程中，他们发明设计了一种压缩能力超强的算法，该算法采用了先进的“感知觉噪声建模”(Perceptual Noise Shaping)技术。以标准方式(128kbps、44.1kHz)MP3可以将CD音质的数字音频压缩至原尺寸的约1/11，却不至于产生太大的失真。MP3技术为音乐数字化与网络化提供了可能。计算机与互联网的普及为MP3的流传提供了物质基础与全新的应用平台，MP3格式逐渐成为了网络(在线)音乐的事实标准。

MP3对传统音乐产业的最大挑战在于改变了音乐产品的生产、分销流通(Distribution)乃至消费形式，使得音乐产品摆脱了以往用胶片、磁带或是光碟作为载体，并主要通过有形物理渠道进行分销流通的传统商业模式，取而代之的是数字化、无形化的纯数字音乐通过互联网向消费者传递。新技术的出现带来新的产品与服务形式的同时，不可避免的对全世界范围内传统的音乐产业生态产生了侵害，引起艺员人数减少，数千个工作机会流失，产片销售量下降。对于MP3以及与其相关的信息技术，传统音乐产业也采取了相应的应对策略。早期，人们更多利用原有法律制度所赋予的合法性基础来回击新企业与新的商业模式。目前则更多以市场竞争为导向，充分利用、适应新技术并同时利用法律手段来维护自身利益。而在技术策略上目前主要存在两类方法：一类是所谓防御性技术策略，即采用技术手段增加网络音乐的传递、复制的成本。具体如最早使用的人为设计的虚假或无效联接，迷惑非法下载用户；在下载联接中制造病毒，增加用户的使用成本；利用软件跟踪非法用户的IP地址与物理地址，突击清查没收相关设备，严重者甚至控告起诉；而目前则较多地利用所谓数字版权管理DRM(Digital RightsManagement)技术，以密码(Encryption)或数字水印(Watermarking)作为数字音乐作品的认证信息。另一类是所谓主动进攻型技术，即通过研究开发提供比MP3更优秀的音频压缩技术、更符合消费者需求的产品服务，来主动争取消费者。如1998年初宝丽金、索尼与华纳等唱片公司首次建立零售网站，并尝试允许消费者下载部分歌曲的片断。

现有将水印嵌入到压缩音频信号中用于数字音乐作品认证的典型例子是“DigitalWatermarking for MPEG Audio Layer 2”，作者：Jana Dittmann、Martin Steinebach、RalfSteinmetz，该方法通过修改MPEG压缩流中的比例因子达到嵌入水印的目的。而其它的在压缩信号中嵌入水印的方法也都基本相似，只不过是选择的修改参数和修改方法有所不同。这些水印嵌入方法具有一些共同的缺点，即水印的嵌入对MPEG压缩流的修改是不可逆的，这会对MPEG音频的音质造成影响；另外，水印嵌入的强度很小，且认证与作品解码分离，一旦认证，解密作品就失去保护，无法阻止嵌入水印的MPEG音频被非法复制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种对通过认证的作品没有音质损失，载体信息量大，能够有效阻止数字音乐作品被非法复制的数字音乐作品认证信息的嵌入与提取方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种数字音乐作品认证信息的嵌入方法，它将全部处理过程划分为四个功能模块，即分解模块、变长编码处理模块、水印处理模块以及输出模块，分解模块的功能是接收基础音频信号流，并以帧为单位对基础音频信号流进行处理；变长编码处理模块的功能是从分解模块得到旁信息的相关解释，计算出主数据开始的位置以及得到主数据进行变长编码所使用的码表，确定该码表所代表的码字集合的所有码字，并将水印位嵌入主数据中；水印处理模块的功能是对认证信息进行编码然后转化为二进制数据流输出给变长编码处理模块；输出模块的功能是在变长编码处理模块处理完一帧的主数据后，将该帧原先的参数与嵌入水印的主数据重组形成一个含有认证水印的数据帧并写入文件；其具体处理步骤包括：①当分解模块接收基础音频信号流，读取到一帧数据的同步头后，确定单帧数据开始的位置，并对同步头后的数据进行解释和分解；②变长编码处理模块从分解模块得到旁信息的相关解释，计算出主数据开始的位置以及得到主数据进行变长编码所使用的码表，确定该码表所代表的码字集合的所有码字，表示为V₀＝{v₁，v₂，v₃，……，v_n}，其中v_i(i＝1，...，n)是码字集合的码字，同时确定另一个码字集合，表示为V₁＝{v′₁，v′₂，v′₃，……，v′_n)，码字集合V₀和V₁中的码字是一一对应的；③由变长编码处理模块根据水印处理模块输出的水印位与主数据中的码字一一对应的原则，对主数据中的码字进行修改，从而将水印位嵌入主数据中，得到含有水印数据的修改后的主数据；④当主数据中所有的码字都进行了水印嵌入操作后，变长编码处理模块完成对一个单位帧的认证信息嵌入操作；⑤在变长编码处理模块处理完一帧的主数据后，由输出模块将该帧原先的参数与嵌入水印的主数据重组，形成一个含有认证水印的数据帧并写入文件。

所述的基础音频信号流是MPEG音频数据序列，进行变长编码所使用的码表是存放有码字解码的方式和结果的Huffman码表，水印处理模块中的数据是由数字“0”和“1”组成的比特序列，当水印位为“0”时，该水印位所对应的码字v_i不作修改，当水印位为“1”时，该水印位所对应的码字v_i修改为v′_i。

数字音乐作品认证信息的提取方法，它包括以下步骤：①通过输入比特流查找标题，读入同步头的信息，得到基础音频码流的参数，并且记录所解码的基础音频码流的帧数；②从旁信息中根据同步头中所得的基础音频码流的压缩类型来读取信息，根据读取的信息，对帧内的两个数据块进行定位，并定义该两个数据块为一帧的两个颗粒，从而获得颗粒的相关参数；③从颗粒的编码流中提取完整的认证信息后进行认证，在认证通过的情况下继续解码还原编码流，并从旁信息中读取解码所需的码表索引；④根据所使用窗的类型，使用在旁信息中获得的比例因子，对经过认证解码得到的各个子带的数据进行反量化；⑤根据输入码流所采用的压缩类型，由立体声处理模块对基础音频码流进行处理。

所述的基础音频码流是立体声或双声道压缩的，对每一个通道的音频数据进行如下处理：(1)根据窗变换标记和所使用窗的类型进行数据的重新排列；(2)使用抗锯齿蝶型变换对每个子带中的数据进行处理以防止波形中出现毛刺；(3)根据所使用窗的不同，对每个通道中的各个子带的数据进行变换；(4)对于变换后的子带数据，按照在偶数号子带中偶数号数据符号取反的原则进行处理，并将所得数据输入到子带合成滤波器的输入缓冲中；(5)子带合成，输出PCM(脉冲编码)格式音频。

所述的基础音频码流是MPEG码流，所述的颗粒的编码流是Huffman编码流。

与现有技术相比，本发明的优点在于在压缩流的变长编码区进行水印的嵌入，一是载体信息量大，二是可避免对解码较为重要的旁信息参数产生影响；采用变长编码空间扩展的方法实现变长编码的主数据的无损认证信息嵌入，可以确保通过认证的作品没有音质损失；认证信息的提取与变长编码的解码融合，即在解码的同时进行水印提取。采用上述技术方案后将产生两类作品。带有认证信息的作品是发行商对其拥有发行权的音乐作品，即在嵌入认证信息后处于消费领域的音乐作品，盗版或其它不带认证信息的作品拷贝则是通过其它途径得到的音乐作品。对于带有认证信息且支持认证功能的系统，可以正常播放并提供音乐的相关信息，而普通系统在播放时则会因为不支持认证功能而在解码时出现错误或音质下降的情况。这样就产生了用户在每次使用作品时都必须要经过认证，而且由于认证和作品的解码是融合的，因此不存在认证以后解码再播放的风险。

本发明的数字音乐作品认证信息的提取方法可以有多种实现方式。1)、软件认证解码器的形式：用户在pc机上使用播放器播放音乐作品时，要根据音乐作品的格式调用各种不同的解码器进行解码，当作品按本发明的方法嵌入认证水印后，播放器必须用认证解码器对作品进行认证解码。2)、硬件认证解码器：实现的功能与软件认证解码器相同，但硬件解码器应用于手持式的播放设备中，对设备中存储的作品进行认证和解码。

附图说明

图1为使用本发明方法嵌入认证信息的处理流程框图；

图2为使用本发明方法提取认证信息的处理流程框图；

图3为本发明编码空间的扩展示意图。

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。

以下将参照用于将水印嵌入一个音频信号中的方法描述本发明，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。

图1概略显示了执行本发明方法的处理流程，该方法包含四个功能模块：一个分解模块，一个变长编码(VLC)处理模块，一个输出模块和一个水印处理模块。其操作将在以下描述。

该发明接收一个MPEG基础音频信号流MSin，它代表一个MPEG音频数据序列。分解模块在对输入流MSin进行处理时是以帧为单位的，下面将对单帧数据的处理进行详细的说明。当分解模块读取到一帧数据的同步头后就确定了单帧数据开始的位置，接下来将对同步头后的数据进行解释和分解。分解模块从旁信息(Side Information)中得到主数据(Main Data)开始的位置以及主数据进行变长编码所使用的码表。在MPEG编码中使用的变长编码是Huffman编码，因此分解模块中可以确定Main Data数据所用的Huffman码表。由于码表中存放的是码字解码的方式和结果，因此根据所得的Huffman码表，可以确定该码表所代表的码字集合的所有码字，表示为V₀＝{v₁，v₂，v₃，……，v_n}，其中v_i(i＝1，...，n)是码字集合的码字，主数据是由V₀中的码字组成的，假设经过分解模块的数据处理后确定了主数据MainData＝[v₅，v₄，v₇，v₈，v₄，v₂，v₁₂，v_n，……]。在分解模块确定主数据的码字集合后，即可确定另一个码字集合V₁＝{v′₁，v′₂，v′₃，……，v′_n}，码字集合V₀和V₁中的码字是一一对应的。码字集合V₀和V₁的产生将在图3中说明。

接下来的工作将由变长编码处理模块来完成。变长编码处理模块的输入是主数据和水印处理模块输出的二进制水印比特流W。此时变长编码处理模块要做的是将W嵌入主数据中。嵌入过程描述如下：若二进制水印比特流W＝[10011101……]，W中的水印位与主数据中的码字按顺序形成一一对应，从而使水印位标识了所对应的码字是否要进行修改，当水印位为“0”时，该水印位所对应的码字v_i不作修改；当水印位为“1”时，该水印位所对应的码字v_i要修改为v′_i，按上述原则修改后，得到含有水印数据W的主数据EmbeddedMainData＝[v′₅，v₄，v₇，v′₈，v′₄，v′₂，v₁₂，v′_n，……]。当主数据中所有的码字都进行了水印嵌入操作后，变长编码处理模块完成对一个单位帧的认证信息嵌入操作。

认证信息的提取过程就是MPEG音频的认证过程：该过程是通过I/O口获得MPEG音频码流数据，对MPEG数据进行认证并且依照MPEG标准进行解码，并以PCM(脉冲编码)码流格式存放在数据空间的缓冲单元中，供直接存储器存取(DMA)方式使用。主流程如下：开始--＞输入比特流查找标题--＞旁信息(side information)解码--＞比例因子解码--＞认证信息提取及Huffman数据解码--＞反量化采样--＞频谱重排序--＞减小混叠--＞通过IMDCT综合并重叠--＞通过多相滤波器组综合--＞输出PCM格式音频--＞结束。

如图2所示，可以看到对输入码流进行认证播放时先要经过以下几个步骤；

1.帧同步，读入同步头的信息，得到该MPEG音频码流的采样频率、码流速率等参数，并且记录所解码的MPEG码流的帧数。

2.获取旁信息。从旁信息中根据同步头中所得的MPEG码流的压缩类型来读取信息，根据读取的信息，对帧内的两个数据块进行定位，定位得到的两个数据块称为一帧的两个颗粒，从而获得颗粒的相关参数。

3.认证解码。从颗粒的Huffman编码流中提取认证信息，得到完整的认证信息后需要对其进行认证，并在认证通过的情况下继续解码还原Huffman编码流，解码所需的码表索引从旁信息中读取。

4.反量化采样。在这一步中，各个子带的数据根据所使用窗的类型，使用在旁信息中获得的比例因子等参数，对经过认证解码得到的数据进行反量化。

5.立体声处理模块，这个模块根据MP3码流所采用的压缩类型进行相应的处理。如果MPEG音频码流是立体声或双声道压缩的，那么就要对每一个通道的音频数据进行如下处理：

(1)重新排序处理：根据窗变换标记和所使用窗的类型(有长窗、短窗和混和窗三种方式)进行数据的重新排列；

(2)抗锯齿处理：这一步中使用抗锯齿蝶型变换对每个子带中的数据进行处理以防止波形中出现毛刺；

(3)IMDCT：对每通道中的32个子带的数据根据所使用窗的不同进行变换，在这一步中需要两组144点的表用以存储窗类型数据和正弦数据；

(4)多相频率倒置：对于经过IMDCT的子带数据，按照在偶数号子带中偶数号数据符号取反的原则进行处理，然后将所得数据输入到子带合成滤波器的输入缓冲中；

(5)子带合成：这一步需要4.5KB的缓冲用来存储同步滤波器参数和同步窗数据。

在提取认证信息的过程中，首先是从第二步中获得相关参数，主要是Huffman解码的参数(Part2_3 length、Big values、Table select、Region0 count、Region1 count、count1table select)，从这些参数中可以得到Huffman编码流中码字所在的码表，从而确定V₀和V₁。提取认证信息的过程非常简单迅速，在认证信息嵌入过程的例子中，嵌入认证信息以后，其Huffman编码流是EmbeddedMainData＝[v′₅，v₄，v₇，v′₈，v′₄，v′₂，v₁₂，v′_n，……]，根据码字集合V₀和V₁，可知码字之间的对应关系，根据这个对应关系可知Huffman编码流里的第一个码字v′₅属于V₁，表示认证信息的第一个比特是“1”，而且第一个码字是经过修改的，其对应的码字为v₅，这样就可以提取认证信息的第一个比特并对v′₅按照v₅进行解码。第二个码字为v₄，属于V₀，所以第二个码字表示认证信息的第二个比特是“0”，码字可以直接进行Huffman解码。以此类推，完成所有认证信息的提取和Huffman解码。

在得到完整的认证信息后需要对其进行验证，判断该信息是否合法，在通过认证的情况下可以继续进行第四步的解码工作，而在没有通过认证的情况下，解码器预留接口以灵活地采取各种应对措施(如何处理没有通过认证的MP3不在本发明范围之内，这里不作阐述)。

码字集V₀和V₁生成过程描述如下。假设V＝{00，010，0110}，该码字集合所在的编码空间是一个4bit的编码空间{0，1，00，01，11，......，1110，1111}，这里将V中的码字称为原码字，而编码空间中没有被V利用的码字称为冗余码字。(冗余码字∈4bit的编码空间)&(冗余码字不属于V)。该编码空间内有很多没有利用的码字(冗余码字)，这就是编码空间的冗余。水印嵌入的基本方法是通过利用编码空间的冗余来达到修改Huffman编码流以嵌入认证信息的目的，而基本思想是将原码字归类为同一类型的数据，用来表示给定的第一值“0”；而编码空间的冗余码字则是不同于原码字的另一类型数据，用来表示“1”。这样当一个原码字表示“0”时，就必须有一个冗余码字与原码字进行对应来表示“1”，比如这种对应关系如图3所示。这样由冗余码字01、110、0100组成了新的码字集合，从而得到V₀＝V＝{00，010，0110}，V₁={01，110，0100}。

但是V所在的编码空间的冗余也许不足(冗余码字的数量比原码字少)，无法使冗余码字与原码字形成一一对应，无法得到V₀和V₁，在这种情况下需要进行一些变化，变化的方法就是编码空间的扩展。对于码字集合V中的码字进行两两组合，通过码字组合就大大扩展了编码空间，从而形成了新的编码空间，承上例4bit的编码空间经过扩展后得到8bit的编码空间{0，1，00，01，......11111110，11111111}。V中的码字经过组合配对后形成的新的码字集合为V′={0000，00010，000110，01000，010010，0100110，011000，0110010，01100110}，这种情况下V′中的码字就是8bit编码空间中的原码字。上述过程称为对编码空间的扩展，以形成足够的冗余。经过扩展以后编码空间中有足够的冗余码字来与V′中的所有原码字进行一一对应，从而得到这样的原码字与冗余码字的对应关系：

......，从而得到与码字对应的冗余码字集合{1000，00110，......，0111000，......}，于是原码字就可以用来表示二值序列中的“0”，而各码字所对应的冗余码字用来表示二值序列中的“1”。这样就生成了V₀＝V′＝{0000，00010，......，01100110}和V₁＝{1000，00110，......，0111000，......}。

Claims

1、一种数字音乐作品认证信息的嵌入方法，其特征在于它将全部处理过程划分为分解模块、变长编码处理模块、水印处理模块和输出模块四个功能模块，分解模块的功能是接收基础音频信号流，并以帧为单位对基础音频信号流进行处理；变长编码处理模块的功能是从分解模块得到旁信息的相关解释，计算出主数据开始的位置以及得到主数据进行变长编码所使用的码表，确定该码表所代表的码字集合的所有码字，并将水印位嵌入主数据中；水印处理模块的功能是对认证信息进行编码然后转化为二进制数据流输出给变长编码处理模块；输出模块的功能是在变长编码处理模块处理完一帧的主数据后，将该帧原先的参数与嵌入水印的主数据重组形成一个含有认证水印的数据帧并写入文件；其具体处理步骤包括：①当分解模块接收基础音频信号流，读取到一帧数据的同步头后，确定单帧数据开始的位置，并对同步头后的数据进行解释和分解；②变长编码处理模块从分解模块得到旁信息的相关解释，计算出主数据开始的位置以及得到主数据进行变长编码所使用的码表，确定该码表所代表的码字集合的所有码字，表示为V₀＝{v₁，v₂，v₃，……，v_n}，其中v_i(i＝1，...，n)是码字集合的码字，同时确定另一个码字集合，表示为V₁＝{v′₁，v′₂，v′₃，……，v′_n}，码字集合V₀和V₁中的码字是一一对应的；③由变长编码处理模块根据水印处理模块输出的水印位与主数据中的码字一一对应的原则对主数据中的码字进行修改，从而将水印位嵌入主数据中，得到含有水印数据的修改后的主数据；④当主数据中所有的码字都进行了水印嵌入操作后，变长编码处理模块完成对一个单位帧的认证信息嵌入操作；⑤在变长编码处理模块处理完一帧的主数据后，由输出模块将该帧原先的参数与嵌入水印的主数据重组形成一个含有认证水印的数据帧并写入文件。

2、如权利要求1所述的一种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音频数据序列，进行变长编码所使用的码表是存放有码字解码的方式和结果的Huffman码表，水印处理模块中的数据是由数字“0”和“1”组成的比特序列，当水印位为“0”时，该水印位所对应的码字v_i不作修改，当水印位为“1”时，该水印位所对应的码字v_i修改为v′_i。

3、权利要求1所述的数字音乐作品认证信息的提取方法，其特征在于它包括以下步骤：①通过输入比特流查找标题，读入同步头的信息，得到基础音频码流的参数，并且记录所解码的基础音频码流的帧数；②从旁信息中根据同步头中所得的基础音频码流的压缩类型来读取信息，根据读取的信息，对帧内的两个数据块进行定位，并定义该两个数据块为一帧的两个颗粒，从而获得颗粒的相关参数；③从颗粒的编码流中提取完整的认证信息后进行认证，在认证通过的情况下继续解码还原编码流，并从旁信息中读取解码所需的码表索引；④根据所使用窗的类型，使用在旁信息中获得的比例因子，对经过认证解码得到的各个子带的数据进行反量化；⑤根据输入码流所采用的压缩类型，由立体声处理模块对基础音频码流进行处理。

4、如权利要求3所述的数字音乐作品认证信息的提取方法，其特征在于基础音频码流是立体声或双声道压缩的，对每一个通道的音频数据进行如下处理：(1)根据窗变换标记和所使用窗的类型进行数据的重新排列；(2)使用抗锯齿蝶型变换对每个子带中的数据进行处理以防止波形中出现毛刺；(3)根据所使用窗的不同，对每个通道中的各个子带的数据进行变换；(4)对于变换后的子带数据，按照在偶数号子带中偶数号数据符号取反的原则进行处理，并将所得数据输入到子带合成滤波器的输入缓冲中；(5)子带合成，输出PCM格式音频。

5、如权利要求3或4所述的数字音乐作品认证信息的提取方法，其特征在于所述的基础音频码流是MPEG码流，所述的颗粒的编码流是Huffman编码流。