基于相位調制的立體聲音頻數字水印

數字水印是一項為保護多媒體知識產(chǎn)權而發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，其作用就是將數字、文字、圖像等版權信息嵌入到多媒體數據(載體信號)中。數字音頻水印就是將靛權信息嵌入到音頻載體信號中，以實(shí)現版權保護、加密通信及鑒別數據真偽等功能。

嵌入載體信號的水印必須有較好的魯棒性和不可感知性。為此，需要利用人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)系統(HAS)的一些特性進(jìn)行水印的嵌入。目前的研究表明，人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)系統對音頻信號的相位是不敏感的。具體表現為：在高頻段，人耳對音頻信號的相對相位變化不敏感；在低頻段，人耳對聲音的絕對相位不敏感。因此，許多研究者針對這些性質(zhì)提出了一些水印算法。例如，相位編碼法，該算法是在保證相鄰相位差不變的情況下，改變信號的絕對相位，這種做法的結果是相鄰頻率分量的相對相位關(guān)系與原始音頻信號的相對相位關(guān)系有較大的差別；另一種方法是，將音頻信號通過(guò)無(wú)限脈沖響應(ⅡR)的全通濾波器，從而將水印信息嵌入到原始音頻信號的相位上，無(wú)限脈沖響應的全通濾波器通常具有較復雜的相位特性，所以使用這種方法嵌入的水印一般具有較差的不可感知性。

本文通過(guò)總結以上方法，提出一種新的水印算法。將原始音頻信號通過(guò)全通濾波器，循環(huán)地改變全通濾波器的群時(shí)延，以達到嵌入水印信號的目的。信號通過(guò)全通濾波器后，改變的只是它的相頻特性，因此，該方法又稱(chēng)為動(dòng)態(tài)相位調制法。

1 水印的嵌入與檢測
1．1 相位調制
通過(guò)一個(gè)時(shí)變的全通濾波器對原始音頻信號進(jìn)行相位調制。全通濾波器利用一個(gè)ⅡR濾波器來(lái)實(shí)現。根據數字信號處理的知識，這個(gè)ⅡR濾波器可以通過(guò)一組有限脈沖響應(FIR)的濾波器來(lái)近似地實(shí)現，這樣做的好處是利用這些線(xiàn)性相位濾波器，使時(shí)變的全通濾波器的群時(shí)延在整個(gè)頻率范圍內變?yōu)橐恢?，然后通過(guò)一個(gè)正弦函數控制群時(shí)延，使該濾波器的相位特性循環(huán)變化。該全通濾波器的相位特性可以用下式表示：

式中，Tpm表示最大群時(shí)延，ωpm表示調制率(調制角頻率)，φpm表示初相位。Tpm和ωpm的取值能影響水印的可見(jiàn)性，因此它們是該相位調制濾波器(PMF)的重要參數。通過(guò)對ωpm進(jìn)行頻移鍵控，可以實(shí)現水印的嵌入。

考慮到需要對水印信號進(jìn)行盲檢測，同時(shí)為了提高檢測出的水印的信噪比，本文對其中一個(gè)聲道的調制信號加上一個(gè)相偏π，于是得到：

1．2 相位解調
本文利用短時(shí)離散傅立葉變換對加入了水印的音頻信號進(jìn)行解調。
在時(shí)刻t，調制后的音頻信號的相頻特性可以表示為：

由上式可以看出，通過(guò)離散傅立葉變換可以計算左右聲道的相位差。首先，左右聲道的信號分別經(jīng)過(guò)一個(gè)哈寧窗調節權值，然后在t時(shí)刻計算N點(diǎn)離散傅立葉變換。于是得到t時(shí)刻的相位差：。又因為本文使用的是線(xiàn)性相位的濾波器，所以得到△T，最后，對△T(ω)求均值，估計出t時(shí)刻的相位調制信號：

因為同一個(gè)音頻信號的兩個(gè)聲道在相位上具有很強的相關(guān)性，用θd(ω，t)表示原始音頻信號左右聲道的相位差。于是△θ(ω)又可以表示為：

由此可以看出，檢測到的水印信號具有3dB的信噪比增益。