基于相位調(diào)制的立體聲音頻數(shù)字水印

數(shù)字水印是一項為保護(hù)多媒體知識產(chǎn)權(quán)而發(fā)展起來的技術(shù)，其作用就是將數(shù)字、文字、圖像等版權(quán)信息嵌入到多媒體數(shù)據(jù)(載體信號)中。數(shù)字音頻水印就是將靛權(quán)信息嵌入到音頻載體信號中，以實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)、加密通信及鑒別數(shù)據(jù)真?zhèn)蔚裙δ堋?BR>
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，需要利用人類聽覺系統(tǒng)(HAS)的一些特性進(jìn)行水印的嵌入。目前的研究表明，人類聽覺系統(tǒng)對音頻信號的相位是不敏感的。具體表現(xiàn)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(jié)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，將音頻信號通過無限脈沖響應(yīng)(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，無限脈沖響應(yīng)的全通濾波器通常具有較復(fù)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。

本文通過總結(jié)以上方法，提出一種新的水印算法。將原始音頻信號通過全通濾波器，循環(huán)地改變?nèi)V波器的群時延，以達(dá)到嵌入水印信號的目的。信號通過全通濾波器后，改變的只是它的相頻特性，因此，該方法又稱為動態(tài)相位調(diào)制法。

1 水印的嵌入與檢測
1．1 相位調(diào)制
通過一個時變的全通濾波器對原始音頻信號進(jìn)行相位調(diào)制。全通濾波器利用一個ⅡR濾波器來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)數(shù)字信號處理的知識，這個ⅡR濾波器可以通過一組有限脈沖響應(yīng)(FIR)的濾波器來近似地實(shí)現(xiàn)，這樣做的好處是利用這些線性相位濾波器，使時變的全通濾波器的群時延在整個頻率范圍內(nèi)變?yōu)橐恢?，然后通過一個正弦函數(shù)控制群時延，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表示最大群時延，ωpm表示調(diào)制率(調(diào)制角頻率)，φpm表示初相位。Tpm和ωpm的取值能影響水印的可見性，因此它們是該相位調(diào)制濾波器(PMF)的重要參數(shù)。通過對ωpm進(jìn)行頻移鍵控，可以實(shí)現(xiàn)水印的嵌入。

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

1．2 相位解調(diào)
本文利用短時離散傅立葉變換對加入了水印的音頻信號進(jìn)行解調(diào)。
在時刻t，調(diào)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)過一個哈寧窗調(diào)節(jié)權(quán)值，然后在t時刻計算N點(diǎn)離散傅立葉變換。于是得到t時刻的相位差：。又因?yàn)楸疚氖褂玫氖蔷€性相位的濾波器，所以得到△T，最后，對△T(ω)求均值，估計出t時刻的相位調(diào)制信號：

因?yàn)橥粋€音頻信號的兩個聲道在相位上具有很強(qiáng)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。