云模型在唱片版权保护中的应用

邢剑锋，沈 松，王鹏飞，朱 飞

(海军蚌埠士官学校 信息技术系，安徽 蚌埠 233012)

在一张唱片中，所有音乐都享有同样的版权，如果使用传统的水印技术[1]，每个单曲都需要加上相同的完整水印，没有考虑整张唱片的相互关联，而唱片水印只需要整体加一次水印，即单曲不包含完整的水印，只有从整张唱片上才能萃取到完整水印。

本文所提出的算法利用唱片水印技术，根据DWT和0-水印方案，得到唱片的一个完整的0-水印云模型，然后利用逆向云生成器计算云模型的3个特征值Ex、En和He。由于云模型的模糊性和随机性，受到攻击后，一部分云晶被改变，这对云模型的整体特征几乎没有影响。因此，可以利用特征改变比例来保护水印。

[2-3]中利用主观经验设置参数并以此保护云晶，本文利用单曲自身特征保护水印云晶，将唱片和云模型紧密结合在一起，在技术上取得了较大的进步。理论和实验都证明了该算法的先进性[4]。

1相关知识

1.1云模型

云模型[5]是定量和定性间不确定转换的模型，有3个特征值，包括期望值 Ex、墒 En和超墒 He，它们很好地表达了模糊性和随机性，反映了数量特征。Ex是云的重心位置，表示质量概念；En是概念覆盖方法，即特定的模糊法；He是云晶的分布函数，即En的墒。

云由若干云晶组成，整体有形，但细节是模糊的。任一个云晶都是定性的，当En/He很小或者He远大于En时，云的整体形状就是雾。

1.2逆向云生成器

给定足够数量的云晶，逆向云生成器即可计算其特征值 Ex、En和 He，方法如图 1所示。

图1 逆向云生成器

逆向云生成器算法是一个静态方法，计算的估值带有误差，但随着云晶数量增大，误差会逐步减少。

2水印组成

根据“db2”，唱片中的单曲分别分成 5级 DWT，得到CA5l(i)和 CD5l(i)，其中 CA5l(i)是第 l单曲的低频波系数，CD5l(i)是高频波系数。

将唱片中部分单曲的5级波系统构成一个一维向量，如图2所示。

图2 单曲规格参数表C(j)(1≤j≤2nN)

C(j)表现出不确定性，假设模糊数列初始值x0，利用逻辑映射：

其中⎿」表示选择完备值，如果 μ=4，初始值 x0=0.3，L/2为 C(j)系数，则序列化为 Cl(j)。

将Cl(j)映射到云晶：

可得n×N个云晶(x，y)，称其为音频的 0-水印。

云从声音域映射到区间[0，1]，因此x和y的值也在区间[0，1]中。

利用逆向云生成器计算云晶的三个特征值(Ex，En，He)，在此设数量 n很大，因此云晶 n×N数量巨大，计算中的误差趋于无穷小。

3水印检测

水印检测算法与水印形成算法类似，步骤如下：

(1)检测音频中所有录音分为 5级 DWT，计算CA′l(i)和 CD′l(i)，部分检测音频波系数组成一维序列 C′(j)(1≤j≤2nN)。

(2)计 算 C′(j)进 而 得 到 Cl′(j)(1≤j≤2nN)， 映 射 到n×N个云晶，利用逆向云生成器计算期望值Ex′和墒En′。

(3)基于云模型的模糊性和随机性，部分云晶的变化对整个云模型特征影响不大，计算(Ex，En，He)的变化率，并设定阈值，水印即可检测。

(4)He反映了发散的程度，对云的变化很敏感，因此在水印定量检测中不予考虑。变化率Ex和En计算公式如下：

其中，Ex和 En是原始云水印的期望值和墒，Ex′和 En′是萃取云水印的期望值和墒，则 CREx是Ex的变化率，CREn是En的变化率。

4实验结果和分析

4.1实验背景

实验使用了 5种音乐 (20 s，16 bit抽样，44.1 kHz，wave格式)，包括布鲁斯、古典音乐、乡村音乐、爵士乐和流行音乐，每种选取两首，因此 n=10(实际使用中，n远大于10，误差变得很小，实际结果比实验要好)。实验中取 N=1 200，计算 C(j)(1≤j≤24 000)，可得云晶数目 n×N=12 000。

图3 10种不同类型的音乐唱片的相似参数

4.2攻击方式

为测试算法的有效性，依次对唱片中的单曲实施以下攻击：

(1)低通过滤：6级Butterworth滤波，截止频率为22.05 kHz。

(2)重采样：采样上下限分别为22.05kHz和44.1kHz。

(3)重编码：抽样信号从16 bit分别转换为8 bit或32 bit，再重新转换为 16 bit。

(4)加噪声：加入信噪比26 dB的白噪声。

(5)MP3压缩：通过MPEG-1 Layer-3方式编解码，将单曲压缩为MP3格式，压缩率为128 kb/s。

(6)剪切：将数字录音剪切前20%(或中部或后部)。

4.3结果分析

表1给出了云模型的Ex和En值以及相应的变化率。通过对表1定量分析可以看出，受攻击后，Ex的变化率远小于阈值30%，En的变化率小于70%，因此录音水印是牢固的。

表1 每次实验中云模型参数

图 4(a)～(g)给出了云水印受攻击后的特征，分别是无攻击、低通滤波、重采样、重量化 8 bit、加噪声、MP3压缩和剪切。文中云晶的超墒He足够大，因此所有云都是雾状。

通过定性分析图 4(a)～(g)可以看，出受到攻击后萃取的水印仍能看到云特征，也就是说录音的水印被检测到了。实验表明，基于云模型的音频水印具有顽强的生命力。

图4 受攻击后萃取水印的云特征

本算法利用了唱片水印技术，将原始唱片的小波系数按照DWT和0-水印方式映射到云晶，得到新的水印。利用逆向云生成器计算云模型的3个特征值，由于云的模糊性和随机性，受到攻击后部分云晶的改变对整体云模型影响甚微，因此，可利用特征值变化率保护水印。实验表明，该方法优于传统0-水印算法，既同时保护了唱片中所有单曲，又将小波系数映射到云晶作为水印，使唱片与云模型深入结合，比传统0-水印更有效。

参考文献

[1]BASSIA P， PITAS I， NIKOLAIDIS N.Robustaudio watermarking in the time domain[J].IEEE Transactions on Multimedia， 2001，3(2)：232-241.

[2]Wang Rangding，Hu Wenji.Audio watermarking technology based on Cloud model[J].Optoelectronic Engineering， 2007，34(11)：114-119.

[3]Yan Yue， Zhang Zhihao， Wang Jianmin， et al.Clouds，watermarking naturallanguage text[J].The 11th World Congress of International Fuzzy Systems Association(IFSA2005)， Beijing， China， 2005(3)：15-29.

[4]Xing Jianfeng， Wang Pengfei， Shen Song.Reaserch and design of trusted cloud-platform based on virtual machine[J].Microcomputer&its applications， 2010， 29(16)：75-77.

[5]Li Deyi， Meng Haijun， Shi Xuemei.Membership clouds and membership clouds generator [J]. Journal of Computer Research and Development， 1995，42(8)： 32-41.