Цифровые водяные знаки в звуковых файлах формата MP3

Цифровые водяные знаки в звуковых файлах формата MP3

Дмитрий Кирюхин, Академия ФСО России

БОЛЬШОЕ внимание сегодня уделяется проблеме встраивания цифровых водяных знаков (ЦВЗ) в мультимедийные данные. Об этом свидетельствует рост числа публикаций, посвященных данной тематике, и запатентованных решений для ЦВЗ. Эта тенденция обусловлена следующими объективными причинами:

• необходимостью защиты авторских прав и интеллектуальной собственности, представленной в цифровом виде;
• необходимостью аутентификации в системах электронного документооборота.

Важнейшим требованием, предъявляемым к ЦВЗ, является его устойчивость к различного рода искажениям. Данное требование должно обеспечиваться не только формой представления ЦВЗ, но и технологией его встраивания.

Рассмотрим подходы к внедрению ЦВЗ в звуковые файлы популярного формата MP3. Выбор этого формата обусловлен высокой степенью сжатия звуковых данных при сохранении приемлемого качества воспроизведения и, как следствие, широкой распространенностью.

Первый подход заключается во внедрении ЦВЗ в аудиосигнал до процедуры сжатия. При этом необходимым условием применимости конкретного метода внедрения ЦВЗ является его устойчивость к MP3-сжа-тию. Один из таких методов, рассмотренный в [1], представлен на рис. 1.

Исходный звуковой сигнал представляет собой отсчеты импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Далее посредством быстрого преобразования Фурье (БПФ) исходный сигнал переводят в частотную область. Затем осуществляется выделение значимых частот по следующему правилу:

где Frel - множество значимых частот; fmax- граничная частота спектра; ISF Imax - максимальное абсолютное значение амплитуды в спектре; ре [0,100] -параметр, определяющий выбор значимых частот. Исходный сигнал поступает также на вход MP3-кодера, где осуществляется его сжатие. Основу кодера составляет психоакустическая модель [2], определяющая области сигнала, которые не воспринимаются человеческим ухом. Декодированный сигнал S' подвергается БПФ. Далее происходит вычисление относительной ошибки и определение частот, в которые внедряется ЦВЗ по правилу:

где Fmark - множество частот, в которые внедряется ЦВЗ; S'F -спектр декодированного сигнала; ее [0,100] - параметр, определяющий выбор модифицируемых частот. Сигнал ЦВЗ W, представленный в виде 70-битной последовательности, подается на вход помехоустойчивого кодера. В качестве него может быть использован код, дуальный к коду Хэмминга с параметрами (31, 5). Далее на основе ключа k генерируется псевдослучайная последовательность (ПСП) и добавляется в сигнал WECC. Затем производится модификация амплитудных значений, выбранных по правилу частот, и преобразование сигнала посредством обратного БПФ во временную область.

Второй подход состоит во внедрении ЦВЗ в коэффициенты дискретно-косинусного преобразования (ДКП). Место процедуры внедрения ЦВЗ в схеме основных компонентов MP3-кодера показано на рис. 2.

Алгоритм внедрения включает три этапа. На первом осуществляется выбор низкочастотных коэффициентов ДКП. Второй этап состоит в непосредственной модификации значений коэффициентов ДКП. В простейшем случае для модификации может использоваться метод замены наименее значащих бит (LSB). На третьем этапе осуществляется сравнение шума, возникающего в результате квантования и модификации коэффициентов ДКП с абсолютным порогом маскирования, вычисленным психоакустической моделью. Если порог превышен, то происходит увеличение шага квантования. Это требует повтора процедуры внедрения ЦВЗ. Для устранения данной проблемы необходимо сокращать число модифицируемых коэффициентов в кадре потока MP3. Этого можно достичь путем равномерного распределения ЦВЗ по всему объему MP3-файла.

Список литературы

1. Megias D., Herrera-Joancomarti J., Alfonso J. A Robust Audio Watermarking Scheme Based on MPEG 1 Layer 3 Compression // Seventh IFIP Conference on Communications and Multimedia Security. 2003.
2. ISO/IEC (1993) International Standard IS 11172-3 "Information Technology - Coding of Moving Pictures and Associated Audio for Digital Storage Media at up about 1.5 Mbit/s - Part 3: Audio".