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博士学位论文 稳健音频水印研究，共145页
摘 要
近年来，随着音频压缩技术和网络技术的发展，人们可以方便快捷地复制和传输各种数字音频。这种进步给我们带来了很大的便利，但也带来了音频作品的安全问题。作为一种保护音频的技术手段，音频水印具有十分重要的应用前景，在近年来得到了很快的发展。然而，仍然存在着许多有待解决的关键问题。本文主要对音频水印的稳健性进行了深入的研究，初步解决了抗DA/AD 变换和时域伸缩攻击的问题。同时，我们也对Zernike 变换在稳健音频水印中的应用进行了研究。论文的主要内容如下：
(1) 在许多的应用中，音频水印需要考虑在模拟环境下的生存能力。这涉及到DA/AD 变换。通过分析大量的实验，我们得出了音频在DA/AD 变换下的主要失真为幅值失真和时间轴上的线性伸缩。其中，发生在时间轴上的线性伸缩表现为一个插值过程，伸缩幅度的大小受声卡性能、采样率和播放器影响，而幅值失真则主要体现为能量的变化和叠加噪声的影响。针对DA/AD 变换失真模型，我们分析了基于量化的音频水印方案在噪声、幅值失真和时间轴上线性伸缩下的性能，给出了量化音频水印方案在幅值攻击和高斯噪声攻击下的误码率表达式。分析结果表明，量化音频水印方案对DA/AD 变换非常敏感。
(2) 针对上述得出的失真模型，我们提出了能够抵抗DA/AD 变换的稳健音频水印方案。策略如下：为了抵抗噪声的影响，水印嵌入在离散小波变换(DWT)系数的低频子带。考虑到信号能量在DA/AD 变换后发生改变，信息嵌入在三组小波系数之间的能量关系上。由于时间轴上的伸缩是线性的、微小的并且是一个插值过程，我们设计了基于同步码和线性插值操作的重同步方案。根据两个同步码之间的音频(段)在DA/AD 变换前后的长度，计算伸缩因子，进而进行插值恢复。利用DWT 的时频局部特性，搜索同步码的计算开销得以减少。实验表明，所提出的音频水印方案对DA/AD 变换是非常稳健的，并且在Stirmark Benchmark for Audio测试中对常见的信号处理和攻击也有很好的性能。
(3) 在音频水印中，抗同步攻击仍然是一个有待解决的难题。理论分析和实验表明，音频直方图形状和均值是两个对时域伸缩非常稳健的特征。基于这一观察，我们提出了一种抗同步攻击的水印算法。音频均值用来选择生成直方图的音频幅值范围，以达到抗音频能量变化的目的。根据直方图形状对时域伸缩不变性，水印比特嵌入在三个连续的BIN 的样本数量的相互关系上。该水印方案具有非常好的抗同步攻击性能，可抵抗将近±30%时域伸缩、大幅度的抖动和随机裁剪等。
(4) 通过对音频Zenike 矩的特性进行分析，我们提出了一种基于Zernike 矩的稳健音频水印算法。通过将音频(段)映射成二维信号实现Zernike 变换。进而，根据音频Zernike 矩与音频幅值之间的线性系，得出了避免重构水印音频失真的水印嵌入策略。同在时域上嵌入相比，水印嵌入到音频的低阶Zernike 矩上改善了抗常规信号处理的稳健性，如MP3 压缩、低通滤波等。
关键词： 音频水印，DA/AD 变换，重同步，离散小波变换，线性伸缩，波形失真，Zernike 矩，直方图，音频均值，时域伸缩，裁剪
目 录
摘 要.................................................... I
Abstract .................................................III
目 录.....................................................V
主要英文缩写对照表................................... VII
第1 章 绪论..............................................1
1.1 数字水印的产生.................................... 1
1.2 数字音频水印框架.................................... 2
1.3 数字音频水印技术的应用...................... 3
1.4 数字音频水印算法分类................................... 5
1.5 数字音频水印的评价标准.................... 7
1.6 数字音频水印算法概述....................... 10
1.6.1 嵌入策略............................... 10
1.6.2 数字音频水印算法回顾.............. 11
1.7 音频水印的攻击及对策............................. 16
1.8 目前存在的问题..................................... 18
1.9 本文的主要工作和创新点..................... 19
1.10 本文的章节安排...................................... 21
第2 章 音频水印抗D/A 和A/D 变换的研究.................23
2.1 引言................................................ 23
2.2 音频水印DA/AD 变换失真模型研究.................... 24
2.2.1 DA/AD 变换的基本原理................................ 24
2.2.2 DA/AD 音频水印失真模型....................... 29
2.3 对量化音频水印的影响................................. 35
2.3.1 量化音频水印模型....................... 35
2.3.2 量化水印抗DA/AD 攻击性能分析................... 37
2.3.3 实验结果.......................................... 42
2.4 抗DA/AD 变换的音频水印算法............................ 43
2.4.1 算法框架和水印结构............................ 43
2.4.2 嵌入方法..................................... 44
2.4.3 嵌入强度.................................. 50
2.4.4 水印提取...................................... 51
2.4.5 算法性能分析................................ 53
2.4.6 实验结果................................... 56
2.5 小结................................... 62
第3 章 基于时域统计特征的抗同步攻击水印.............. 65
3.1 引言....................................... 65
3.2 时域伸缩不变特征................................ 68
3.3 抗TSM 的音频水印算法........................... 75
3.4 算法分析....................................... 80
3.5 实验结果.................................... 80
3.6 小结............................................ 84
第4 章 基于Zernike 变换的音频水印方案.................... 85
4.1 引言.......................................... 85
4.2 信号的Zernike 分解和重构.............................. 87
4.3 音频信号的Zernike 变换...................................... 88
4.3.1 音频预处理............................................... 88
4.3.2 分解与重构............................................... 88
4.3.3 音频Zernike 矩的特性分析............................... 89
4.3.4 幅值与矩的线性关系.................................... 93
4.4 水印算法.................................................. 95
4.4.1 水印嵌入.......................................... 95
4.4.2 水印提取........................................... 100
4.5 性能分析.............................................. 100
4.6 实验结果............................................... 101
4.7 小结...................................................... 104
第5 章 总结与展望............................................. 107
附录一 EAQUAL 音频质量评估工具...............................111
附录二 SDMI 攻击测试................................................... 112
附录三 STEP2000 音频水印测试标准................................... 113
附录四 “Stirmark for Audio”0.3 文档............................... 114
附录五 主要测试音频波形及其频谱........................................ 118
参考文献.............................................................. 121
攻读博士学位期间论文发表情况.......................................... 131
致 谢................................................................ 133