随着Internet技术的飞速发展，数字信息越来越多，而且极易获取。但随之而来的问题也 十分严重：如作品的侵权更加容易、篡改或伪造原始作品也更加方便、数字内容的未授权传播 已成为非常突出的问题，这些都对信息的安全构成了很大威胁。如何既能充分利用Intemet的 便利、又能有效地保护知识产权，受到了人们的广泛重视。 本文从多个方面开展了音频数字水印技术的鲁棒性研究，取得了一些创新的研究成果，归 纳起来，本论文的主要贡献和创新点为： 一、尝试性地研究了水印序列的编码方法，提出了四种对音频水印有一定鲁棒性、安全性 的水印信息编码模型，即Scheme1、Scheme2、Scheme3、Scheme4。 从数字水印的机理分析，鲁棒性水印算法应主要体现在两个方面，一是水印的本身结构， 二是算法策略。从这个角度出发，本论文借助信息论中的编码方法，研究了几种纠错码、卷积 码和有信编码(informed coding)的基本原理，并在大量的实验研究分析的基础上，提出了四 种有利于音频水印鲁棒性的水印序列编码模型。 本文提出的水印序列编码模型，也可用于相关数字水印的研究领域。从作者掌握的材料分 析，关于水印序列编码方式如何影响水印系统综合性能的研究，在其它文献未见报道。 二、提出了一种基于LPC盲检的适于音频作品版权保护的时域算法。 本文在深入研究时域音频水印算法的基础上，借助扩谱调制的思想，研究了自适应于音频 的时域水印算法，根据时域分析的特点，利用前人的研究结果，提出了基于LPC盲检的音频 水印方案。该方法可将一幅可视二值黑白图像(2000bit左右)嵌入80秒的音频中，嵌入率达 25bits/s。实验证明该算法对一般性的信号处理类攻击具有较高的鲁棒性，算法的结果优于文献 [67]中的结果。 该方法已在NLP-KE2003国际学术会议上发表[见发表论文]。 三、提出了谱弯折音频水印技术是一种易损性水印。 谱弯折音频水印由Choi等[103]提出，Choi等通过引入弯折因子，经弯折DCT变换将水 印嵌入音频中，水印的检测通过非盲检的逼近算法进行。Choi等通过大量实验，验证了该算法 具有较强的鲁棒性，并给出了相应的实验结果。本文在研究谱弯折水印算法时，认为Choi的 结果与实际不符，为此，本文在研究Choi方法以及改进方法的基础上，又在MCLT域进行了 研究，得到的结论还是与Choi的结果不一致。对此，本文从谱弯折的本质——双线性变换产 生的谱位移着手，开展了详细的研究，通过大量实验和理论分析，本文认为谱弯折音频水印不 具备鲁棒性，它是一种半易损性水印或易损性水印。 四、提出了基于量化的变换域音频水印算法中关于量化参数的选择方法 量化变换系数的音频水印算法是以修改谱分量幅值为基础，算法的主要问题是如何选择量 化参数以确保算法的鲁棒性和不可感知性，另外量化系数的区域选择也会影响算法的性能。本 文在选定基本的嵌入模型后，通过大量的实验验证和分析，提出了量化参数选择的上界。 五、提出了分段同步的基于HAS的扩谱音频水印改进算法。 在第一章研究动态中已提及，基于HAS的扩谱音频水印算法是目前音频水印研究的主流 技术，但扩谱技术最大的忧患是去同步攻击的问题，针对此问题，本文提出了分段同步的去同 步攻击思想，并在Garcia[77]算法的基础上，改进了Garcia算法，实验证明，分段同步有利于 提高扩谱水印的鲁棒性。 六、提出了预处理受损高频的抵制MP3压缩的基于HAS的扩谱音频水印改进算法。 MP3是目前普遍采用的音频压缩技术，如何抵制MP3操作引起的攻击，是音频水印研究 者最为关注的问题。由于MP3压缩后，高频部分都会受到一定损失，为了使高频部分的失真 不会影响水印的检测，提出了先判断音频的高频部分是否有很大损失，如果有，则将音频受损 的频率成分删去，这样不会将受损部分的干扰带到水印的检测过程中，从而提高水印系统的鲁 棒性。 七、在小波域，全面研究了基于第三章水印编码的音频水印算法。 在第三章中，提出了四种水印编码方式，同时借助基本SS、QIM水印系统模型，研究了 四种水印信息编码方案，以及每种编码对水印系统的鲁棒性影响。那么，不同的编码方式在基 于扩谱调制的小波域，对音频水印的性能又有何影响呢?本文的研究表明基于Scheme2的水 印编码对水印系统的性能最优。 在小波域，主要提出了三个算法，一是基于LPC盲检的小波域音频水印算法，此算法中 采用的水印信息编码为Scheme1方式，水印信息嵌入中低频的小波系数，同时借助本文LPC 水印盲检原理，实现了小波域音频水印盲检算法；第二个算法的水印编码采用Scheme2方式， 即卷积码的水印编码方案，水印信息仍嵌入中低频的小波系数，根据卷积码的解码方案，提出 了采用软判决的音频水印盲检算法；第三个算法的水印编码采用Scheme3或Scheme4方式， 即盲编码和有信编码结合的水印信息编码技术，水印信息还是嵌入中低频的小波系数，根据有 信编码的解码方案，提出了PN序列可选的水印调制方式，水印的检测通过Viterbi译码实现。 通过对三种算法的研究，本文认为，利用中低频小波系数嵌入音频水印有助于提高水印的鲁棒 性；而借助卷积码可更有效地提高音频水印的鲁棒性。通过大量的实验研究，在小波域，对本 文第三章提出的水印编码方式得出了如下结论：1)从鲁棒性角度分析，其强弱程度是Scheme 2→Scheme 1→Scheme 3→Scheme 4；2)从计算复杂性角度分析，其大小程度是Scheme 1& Scheme 2→Scheme 3&Scheme 4；3)从不可感知性角度分析，对其算法的影响是相同的；4) 从安全性角度分析，因各算法都采用了PN序列调制，因此安全等级亦相同。 综合各算法在攻击测试中的性能，虽各算法都有抵制攻击的能力，但抵制程度有所区别， 因此，本文的结论是：根据水印信息编码方式对音频水印性能的影响，我们建议的水印编码方 式是Scheme 2→Scheme 1→Scheme 3→Scheme 4。 八、提出了语音混合的信息隐藏方法。 数字水印技术是信息隐藏的一个研究分支，数字水印技术的研究成果可用于信息隐藏中， 目前信息隐藏的研究主要集中在图像领域。本文在研究音频水印的基础上，提出了语音混合的 信息隐藏方法，并从理论上初步探讨了语音混合信息隐藏的思想，通过实验验证了所提方法的 合理性。本文所提出的语音混合的信息隐藏方法对音频信息隐藏有一定的借鉴作用。 关键词 数字水印；音频水印；鲁棒性；不可感知性；人类听觉模型；扩谱技术；谱弯折；MCLT变换；分段同步；小波变换；语音混合；信息隐藏