MP3 音频数字水印技术探究

高 杨

（陕西国防工业职业技术学院,陕西西安,710300)

0 绪论

目前随着电子产品的流通，音频和视频文件获取的方式越来越简单，虽然这能够满足许多用户下载的需求，但是这种方式大大损坏了出版商和作者的利益，这对他们都是不公平的，本文以保护出版商和作者的利益为前提。以MP3 音频为例，解决方法是在数字音频中加入数字水印，这样如果有用户想访问或下载数字资料，就必须获取密码或者安全秘钥，否则将无法访问和下载；或者下载的都是一些无意义的乱码，这就是数字水印存在的意义。本文涉及的音频水印属于数字水印的一个分支，出现时间比较晚，比较先进，也比数字图像水印难度系数高。此研究就围绕MP3 音频数字水印展开，旨在保障质量的前提下，加入水印，以保证出版商和作者的权利，避免盗版的出现。

目前许多相关的行业都在使用数字音频水印技术，它的作用有：保护出版商和作者的利益，可以监控音频的广播，如果存在盗版交易，可以对交易进行历史追溯，可以判断此音频是正版还是盗版，还有就是可以保障音频的原始性。

现在人们越来越重视保护数字产品的隐私了，所以音频水印日趋流行。音频水印的起源可以追溯到1990 年，当时音频水印技术一出现，立马受到业界人士的追捧。现在科技日益发达，早期的音频水印和现在的音频水印根本不可同日而语，而且现在音频水印技术的应用也是很先进和流行的。

1 概括音频水印技术

音频数字水印简单解释就是给音频做记号或者进行加密处理，这样就能在一定程度上保护作者的权益，同时保持产品的原始性。当然，经过音频水印处理过的电子产品，是不会影响其质量的，这主要抓住了人类的听觉系统的某些盲区。但是国内外的专家们对水印的认识程度和侧重点都是不同的，所以对水印的释义也存在差别。但是学者们对水印的分解还是比较统一的，系列水印的完成需要经过三个程序，第一个就是将水印合成，第二个就是将水印加入到需要保护的数字产品中，最后一步就是在需要的情况下，再将电子产品和水印进行分离。

在数字水印生产线上有两个组成成分，其中一个是嵌入器，在这个部分存在的输入量有两个，分别是原始信息和数字产品；还有一个组成成分是检测器。在对音频做水印处理的时候，有几个重点需要注重：①不能影响音频的质量：水印技术的存在目的是保护音频不被盗版，但是也不能损害音频的质量，所以说经过水印处理前后的音频不能影响用户的欣赏质量。②水印的抗攻击能力一定要强：目前市面上众多不法之徒在利益的驱使下不择手段，他们会利用某些手段人为的不合规矩的将水印和音频分离，以达到盈利盗版的目的，所以说公司所使用的水印技术一定要强，避免被恶意分离。③危险系数要尽可能的低，主要是密码的使用。④安全的被检测，检测程度要达到标准。⑤准确率一定要高，要确保加入的信息是独一无二不可复制的。⑥加入的步骤尽可能的繁琐，繁琐的加入步骤可以尽可能的保护数字产品的安全性。以上6 个方面是水印技术的出发点，任何类型的水印技术一定要符合以上要求，否则就没有存在的必要。

数字水印是一个宏观的比较大的概念，所以在它之下有许多的分支，依据不同，那么分支的各个线路也是不同的，下述是流传比较广的几种分支线路：

1）如果以水印是否显现为出发点，那么水印就是由显现和不显现组成。即显而易见的水印的就是存在，不显现就是观察不到，前者对视觉画面应用的较多，后者的应用要广阔的多，视觉和听觉文件都有涉猎。

2）还有一种分类方法是根据水印的抗攻击能力划分的，有强弱之分。

3）存在部位区分：加入到的位置不同，水印的类别也不同。

4）根据检测方法不同分为盲水印，另一种是明文水印。

5）水印代表含义的划分，得出的是有意义和无意义两类，有意义表示此水印的表达内容不是乱码，是由特殊含义的，有代表内容的；无意义就代表的是水印内容根本就没有任何的含义，只是随机产生的乱码。

还有两种分类方法是根据处理对象和用处划分的，数字产品涵盖的种类比较广泛，有多少种数字产品就会有多少种数字水印，还有就是水印存在的意义也是不同的，有的是从出版商的利益出发，有的则会考虑作者的权益。

以前研究比较广泛的数字水印技术中的时域音频水印技术，突破较大，目前为止它的反响都很大。

LSB：在时间域水印算法中，它的难度系数是最低的，又叫做最低有效位法，它有几个比较明显的特征就是：难度系数低，不难掌握，反应灵敏，易于操作，信息量比较大，危险系数也比较低，不足之处就是，比较容易攻破，较容易被破坏。还有一种方法是回声隐蔽法，考虑到听觉系统的特点，将水印在音频中隐形了。

目前科技越来越发达，水印技术也越来越先进，现在又新出现几种比较流行的算法。比如说：离散傅里叶变换与算法、离散余弦变换域算法等，还有某些算法应用的范围是压缩域。这主要是因为现在的数字产品为了尽可能的节省存在空间，一般情况下都会被压缩处理，那么在压缩的文件中加入水印就成为了一个研究趋势。在这一领域内，压缩文件的时候适时的加入记号水印，这样两者就不会互相排斥了，这种类型的算法有两类。

第一种：在压缩文件中加入水印，长处就是速度快，不足就是容易被攻击。第二种是在解压后的数字产品加入水印，然后再压缩，这种方法的优缺点也很明显，长处就是不容易被攻击击破，不足就是耗时太久，效率低。

上述经常会提到，音频领域的攻击行为，主要攻击的手段有很多种，本文根据攻击情况将攻击分成了同步攻击和普通攻击。普通攻击主要就是表现为被攻击的音频会出现杂音，但是普通攻击不会对音频的结构产生影响，这类攻击比较容易防御，大部分的算法能够应对此类攻击。同步攻击要比普通攻击强得多，这类攻击所带来的危害也是比较大的，被同步攻击“光顾”过的音频主要表现为水印的结构出现错乱，同时在检测的时候也不容易通过。这类攻击的危害性很大，不容易防御，它主要包含的内容为：重新拼接、出现乱码、扩大或缩小处理、顺序错乱等。有攻击方法就有防御措施，现在使用频率较高的防御方式是：穷举搜索、同步显示、相关搜索、永久水印、隐形水印。对水印技术的评判也有特定的标准，方法分为主观和客观的两种。目前存在两种可以鉴定被攻击数字产品正确率的指标，分别是归一化相关系数和误比特率。

数字产品能够加入的水印信息是有限度的，用水印容量表示为最大程度。提取水印是非常重要的一个步骤，这关系着音频受攻击的程度，也是判定音频受损程度的一个指标。主要有两种方式判断提取的水印是否正确，那就是漏警概率，还有一个是虚警概率。在数字领域内虚警概率代表的就是音频中不存在水印，但是系统却显示存在水印，那漏警概率就是音频中有水印，系统却表示不存在。

2 概述MP3 音频编解码

文件被压缩后所占的空间就变小了，这种特质导致MP3 的流行较广，其最大的一个特点就是不会损害被压缩的音频。MP3 主要有以下几种功能：自带滤波器组、快速傅里叶转换、修正离散余弦变换、心理声学模型、量化信号、编码和位流格式化等。编码的逆过程就是解码，即将压缩的数据进行修复。主要会历经以下几个过程：获得帧边和帧头信息、编码的重要资料、逆量化、霍夫曼解码、处理立体声、对数据进行再次排序避免将信息混乱、更改逆向离散余弦、反转频率和合成子带。分析编码器也是非常重要的一个环节，方式主要包括，分析MDCT 模块和量化模块。

现在，MP3 的流行区域是非常广的，所以也比较注重安全的保护。下面将详述MP3 的基本情况，在MP3 中文件的格式是非常重要的，一般由frame、tag 等三部分构成。这当中包含的信息非常的全面，有作者、出版商、时间等的信息，根据需要会选择性的加入。主要格式包括：ID3VI 格式、ID3V2 格式、MP3 帧格式。MP3 资料的存在形式就是帧，大小是可变的。帧由三个板块构成，分别是：帧边信息、帧头、还有就是数据。本研究主要是围绕MP3展开的，重点针对解决水印的时间问题，并且明确了水印的处理需要在特定的条件下才能进行。首先需要提前对水印进行处理，这一般分为两个步骤，第一步就是转变格式，接下来就是加密处理，即设置密码。在这个算法中有两点需要着重注意的就是加入和分离水印。核心的水印技术问题已经解决，还有一个大问题就是具体的操作显示。本研究准备了特制的软件界面，这个界面是非常简洁的，加入和分离部分属于于上部分，音频的测试功能就属于下部分。这个系统是经过多次试验后选择的系统，系统整体的运行状况良好，安全可行，比较容易理解，操作也很人性化、简单，能够满足本文研究的需要。主要的步骤为：加入水印资料，选择操作、输入密码、选择格式、完成。

将以上的理论资料进行分析，分析方式有：测试水印的存在感知性、水印的抗攻击能力、水印的最大容量上限还有就是系统的反应灵敏性。在本章中解说了MP3 音频文件的主要内容，并仔细研究了音频算式，创新的提出了特色的算式，还将算式进行了实践模拟，最后利用各种测试验证，以保证算式的准确性和可用性。

通过上述分析得出，数字水印技术是一个非常庞大的体系，对各个领域都有涉猎，关联到的学科非常多，比如：密码设置、信号处理、资料和数据的存储等。随着科技和社会的发展，人们的需求会越来越具体化，对产品安全性的重视程度也越来越高。另外产品生产商和出版商是比较看重自身利益的，所以钻研数字水印技术是非常有必要并且有前景的。其中MP3 音频文件是数字产品中一个不可或缺的存在，它的特点使得其非常的受欢迎。譬如，MP3 音频文件非常的小，只占用较少的空间，能够满足人们的需要。在本研究中已经取得突破成果的内容有：详述了数字水印工艺，解析MP3 的编码流程，创造了音频水印的算式及完善了计算机的显示页面。目前，我国对MP3 的音频的研究才刚刚开始，还遗留有很多成待解决的难题，这将是后期努力的主要方向。

[1] 钮心忻,杨义先.基于小波变换的数字水印隐藏与检测算法[J].计算机学报. 2000(01)

[2] 林福宗编著.多媒体技术基础[M].清华大学出版社, 2000

[3] 蒋学鑫.MP3 实时编解码系统的研究与开发[D].电子科技大学 2007

[4] 周建伟.基于小波变换的音频水印技术研究[D].武汉理工大学 2007