音頻水印技術(shù)

　　“水印”這一術(shù)語(yǔ)與信息隱藏科學(xué)高度關(guān)聯(lián)。所謂信息隱藏，可以理解為在一種信息中隱藏附帶另外一種信息。因此，音頻水印技術(shù)是指通過(guò)修改音頻信號(hào)從而在原始信號(hào)中嵌入附加信息的技術(shù)。大量的相關(guān)研究已經(jīng)產(chǎn)生了相當(dāng)多的嵌入和提取音頻信號(hào)中的水印數(shù)據(jù)的技術(shù)。大多數(shù)的水印系統(tǒng)是在線性域?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行操作的（即PCM水?。?。少部分可對(duì)已被壓縮的數(shù)據(jù)進(jìn)行水印嵌入（稱(chēng)為比特流水?。?。

　　水印技術(shù)對(duì)音頻數(shù)據(jù)的修改其程度是輕微的，一般人的耳朵無(wú)法分辨出原始信號(hào)和已添加水印的音頻信號(hào)有什么不同。專(zhuān)門(mén)的水印探測(cè)器則可以從已添加水印信息的信號(hào)中讀出被嵌入的信息。

　　Fraunhofer IIS研發(fā)了一種強(qiáng)健的音頻水印技術(shù)。該技術(shù)的特點(diǎn)是可保證被嵌入的信息能保持可被讀出，而且即使經(jīng)過(guò)諸如MP3壓縮/解壓過(guò)程抑或模擬傳輸過(guò)程等處理后仍然可讀。更多的信息可到Music Trace網(wǎng)站獲取，該公司目前擁有該技術(shù)的由Fraunhofer IIS頒發(fā)的許可并負(fù)責(zé)維護(hù)該技術(shù)。

　　總體構(gòu)思

　　水印技術(shù)的基礎(chǔ)構(gòu)思可通過(guò)下圖表達(dá)。其關(guān)鍵在于附加的雖然聽(tīng)不到但可通過(guò)特殊的水印解析器解析得到的信號(hào)。水印數(shù)據(jù)的嵌入過(guò)程是依靠于一個(gè)解碼過(guò)程中必須知曉的關(guān)鍵字而進(jìn)行。

　　水印的必要條件

　　一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的水印嵌入系統(tǒng)應(yīng)具備一些對(duì)于提高安全性和有效性而言是非常必要的屬性。水印應(yīng)具有：

　　·隱藏性，應(yīng)不能被聽(tīng)到；

　　·對(duì)于統(tǒng)計(jì)或分析應(yīng)是透明的；

　　·可抵抗數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算；

　　·防篡改；

　　·與音樂(lè)的整體直接相關(guān)，而不只是在音樂(lè)的開(kāi)頭部分（文件頭）或音樂(lè)中的某個(gè)位置；

　　·可由關(guān)鍵字決定其意義；

　　上述要求可通過(guò)將兩種基礎(chǔ)技術(shù)合并而成。這兩種技術(shù)分別是“心理聲學(xué)（PsychoacousTIcs）”和“展布頻譜（Spread Spectrum）”調(diào)制。

　　第一種技術(shù)通過(guò)對(duì)人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行建模分析所獲得的人類(lèi)心理聲學(xué)特性保證了附加的數(shù)據(jù)不會(huì)被聽(tīng)到。而展布頻譜調(diào)制可把嵌入的信息分散分布在整個(gè)時(shí)域平面上，從而提供了高度的強(qiáng)壯性，能抵抗各種各樣的信號(hào)處理攻擊。

　　應(yīng)用

　　數(shù)據(jù)（水?。┑募嫒輦鬏?/p>

　　基本上，水印算法在現(xiàn)有的音樂(lè)內(nèi)容發(fā)布途徑上增加了一種新的數(shù)據(jù)傳輸途徑。數(shù)據(jù)（水?。┑膫鬏斣谀撤N程度上可實(shí)現(xiàn)向后兼容，可以認(rèn)為每一種現(xiàn)有的音樂(lè)內(nèi)容發(fā)布途徑均可以傳送帶有水印的音樂(lè)。因此，水印技術(shù)可在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域獲得使用。

　　數(shù)字權(quán)限管理（Digital Rights Management，簡(jiǎn)稱(chēng)DRM）

　　數(shù)字權(quán)限管理通常被認(rèn)為是水印技術(shù)的主要應(yīng)用。水印技術(shù)可滿足數(shù)字權(quán)限管理的要求，比如所有權(quán)認(rèn)證，數(shù)字媒體訪問(wèn)控制，追蹤非法拷貝等等。

　　元數(shù)據(jù) META data（注：即用于表達(dá)事物本質(zhì)的描述性內(nèi)容）

　　除了IPMP用途之外基于水印技術(shù)有許多可實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用。其中一種重要的設(shè)想是隨同音樂(lè)一起傳輸元數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)可包含諸如作曲人，演唱者，音樂(lè)類(lèi)型等信息。

　　廣播

　　音頻水印技術(shù)的另一種應(yīng)用是在廣播領(lǐng)域。包括節(jié)目類(lèi)型辨別、廣告搜索、廣播覆蓋面研究等等。

　　音頻質(zhì)量

　　雖然通過(guò)一種經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的方法可以把水印信息對(duì)聽(tīng)眾隱瞞起來(lái)，但是，嚴(yán)格地說(shuō)，音頻信號(hào)中的任何額外信息均是對(duì)原信號(hào)的一種修改，因此潛在被聽(tīng)眾感知的可能。而實(shí)際上，通過(guò)使用Fraunhofer IIS水印技術(shù)而導(dǎo)致的音頻質(zhì)量降低的程度是非常低的，比目前流行的各種編碼技術(shù)比如MPEG-2 AAC所帶來(lái)的音頻信號(hào)質(zhì)量的降低程度還要低。

　　比特流水印

　　目前，基于互聯(lián)網(wǎng)或其他渠道進(jìn)行的壓縮的音樂(lè)發(fā)布已經(jīng)越來(lái)越普及和流行。但是，控制對(duì)已發(fā)布內(nèi)容的使用和再分發(fā)目前仍不能實(shí)現(xiàn)?；谂c比特流關(guān)聯(lián)的水印技術(shù)可提供一種有用的機(jī)制以追蹤非法復(fù)制或在多媒體內(nèi)容中附加版權(quán)信息以防止可能的非法分發(fā)。

　　壓縮域水印嵌入

　　比特流水印系統(tǒng)可在已經(jīng)壓縮的音頻信號(hào)中直接嵌入水印。這種技術(shù)可適用于為節(jié)省存儲(chǔ)空間而把比特流進(jìn)行預(yù)壓縮的情況，比如互聯(lián)網(wǎng)音樂(lè)提供商便是一例。

　　線性域水印解析

　　雖然嵌入過(guò)程在壓縮域進(jìn)行，但水印的解析始終是在線性域（即已經(jīng)解壓的音頻數(shù)據(jù)）進(jìn)行的。這是因?yàn)閷?duì)比特流的解壓必須不會(huì)破壞已被嵌入的水印。這使得在PCM（脈沖編碼調(diào)制，即數(shù)字化的音頻信號(hào)）水印和比特流水印之間達(dá)成了兼容性，容許對(duì)在壓縮域或線性域嵌入的水印數(shù)據(jù)使用相同的水印解析器。圖2是復(fù)合的處理過(guò)程。

　　收益

　　比特流水印的主要應(yīng)用是把媒體內(nèi)容個(gè)人化。這意味著在發(fā)布過(guò)程中（比如下載或在線聆聽(tīng)），關(guān)于發(fā)布過(guò)程的信息，比如用戶ID，可被嵌入到內(nèi)容中。由此可實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的追蹤。該系統(tǒng)的先進(jìn)性包括：

　　·快速處理（可由服務(wù)器進(jìn)行即時(shí)水印嵌入）

　　可存儲(chǔ)預(yù)壓縮的音頻。

　　·個(gè)人化的水印嵌入

　　·兼容PCM水印技術(shù)

　　可用性

　　目前，一種適用于MPEG-2AAC預(yù)壓縮比特流的水印嵌入系統(tǒng)正在研發(fā)和測(cè)試中。它依賴于一種特設(shè)的AAC音頻編碼器，可隨同比特流同時(shí)傳送信息，從而使得可聯(lián)合優(yōu)化音頻編碼和水印嵌入過(guò)程，換來(lái)的是提高音頻質(zhì)量、增強(qiáng)水印解碼性能以及提高處理速度。

　　PCM水印

　　相對(duì)于比特流水印系統(tǒng)，PCM水印系統(tǒng)在線性音頻信號(hào)中嵌入水印。其基本構(gòu)思是在音頻信號(hào)屏蔽閥值下隱藏一個(gè)寬帶數(shù)據(jù)信號(hào)。這就可以使得水印信號(hào)不會(huì)被聽(tīng)到。圖3是流程圖。

　　水印的解析

　　水印解析器，簡(jiǎn)單地，是一種以軟件方式實(shí)現(xiàn)的展布頻譜接收器，它基于偽隨機(jī)信號(hào)的相關(guān)性。水印本身可被視作信息比特序列，其意義由系統(tǒng)的用戶決定。這意味著這些比特可表達(dá)任何信息，或者說(shuō)，任何信息都可以經(jīng)由此“水印通道”進(jìn)行傳輸。

　　不可聽(tīng)

　　水印的不可聽(tīng)是由我們的屏蔽模型保證的。聽(tīng)覺(jué)測(cè)試可證明水印的嵌入即使對(duì)鑒定用的信號(hào)也不會(huì)產(chǎn)生可被覺(jué)察到的失真。