專利名稱：一種mp3文件的水印保護方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多媒體信號處理領(lǐng)域，特別是涉及一種保護MP3文件的水印方法。
背景技術(shù)：
隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字多媒體信息被大量使用并得以方便快捷 的傳輸。據(jù)中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心(CNNIC)發(fā)布的《第23次中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計報 告》顯示，截至2008年底，我國互聯(lián)網(wǎng)使用人數(shù)高達2. 98億，手機網(wǎng)民數(shù)達1. 137億。其中 擁有收聽、下載、分享網(wǎng)絡(luò)音樂習(xí)慣的用戶量約為2. 5億。如何防止收費音樂被非法傳播， 追蹤傳播源頭，以保護音樂發(fā)行商乃至整個音頻產(chǎn)業(yè)鏈的合法利益成為當(dāng)務(wù)之需。水印技術(shù)可以在不降低音樂音質(zhì)的前提下，將合法用戶的信息嵌入到音頻文件 中，可廣泛應(yīng)用于鑒定作品的所有權(quán)，驗證作品完整性和追蹤非法侵權(quán)源頭等方面。MP3是 目前全世界最流行，應(yīng)用最廣泛的音頻格式，但目前大多數(shù)適用于MP3的水印算法均需要 進行復(fù)雜的編解碼計算，因此研究一種基于直接修改壓縮域數(shù)據(jù)的快速MP3水印技術(shù)具有 一定的現(xiàn)實意義和實用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有水印嵌入方法需要復(fù)雜的編解碼計算的不足，提供一 種簡單方便的保護MP3文件的水印方法。MP3作為目前全世界最流行，應(yīng)用最廣泛的音頻格式，雖然市面上有眾多不同的 MP3編解碼器內(nèi)核，但形成的MP3文件都具有統(tǒng)一的幀結(jié)構(gòu)。MPEG組織規(guī)定MP3的壓縮率 必須達到10 12 1，在壓縮率如此高的編碼格式中尋找可以直接修改并且不會明顯影響 音質(zhì)的參數(shù)是一件很困難的事情。經(jīng)過仔細研究，幀邊信息中的global gain參數(shù)(非負整數(shù)型，8比特)，用于控制 頻域系數(shù)量化過程的量化步長。常見取值范圍約是(110，230)。經(jīng)測試修改該參數(shù)只影響 音量大小，并不影響聽覺內(nèi)容，而簡單的增加或減少1個單位大小，人耳完全無法察覺聽覺 差異。另外，MP3幀頭結(jié)構(gòu)中的私有位(Privatebit，l比特)、版權(quán)位(Copy right，1比特) 和原創(chuàng)位(Copy/Original，1比特)不參與任何編解碼過程，可以被任意修改，所以也可以 作為水印嵌入?yún)?shù)。修改壓縮域數(shù)據(jù)后，若音頻幀含有CRC校驗碼(16比特)，還需及時更新CRC校驗 碼，否則會引起播放錯誤。CRC(Cyclic Redundancy Check)，又稱循環(huán)冗余校驗，是數(shù)據(jù)通 信領(lǐng)域中最常用的一種差錯校驗碼。所有MP3編碼器采用的CRC校驗算法生成多項式均為 X16+X15+X2+1。為了提供一種簡單方便的保護MP3文件的水印方法，采用的技術(shù)方案如下一種保護MP3文件的水印方法，包括水印嵌入過程，所述水印嵌入過程根據(jù)MP3文 件固定的幀結(jié)構(gòu)模型，將水印數(shù)據(jù)嵌入到每一音頻幀中，水印的嵌入通過直接修改MP3文 件的壓縮域數(shù)據(jù)實現(xiàn)。
上述技術(shù)方案中，所述MP3文件的壓縮域數(shù)據(jù)包括幀邊數(shù)據(jù)和/或幀頭數(shù)據(jù)。進一步地，所述幀邊數(shù)據(jù)為用于控制頻域系數(shù)量化過程的量化步長的全局增益參 global gain。所述幀頭數(shù)據(jù)為私有位、版權(quán)位、原創(chuàng)位的一個或多個。本發(fā)明的水印嵌入的具體過程包括如下步驟11)尋找?guī)轿辉x取CRC標(biāo)識位和global gain參數(shù)；12)利用LSB算法，對global gain參數(shù)最低位進行修改，將水印數(shù)據(jù)依次替換 global gain參數(shù)的最低位數(shù)據(jù)；13)判斷CRC標(biāo)志位，當(dāng)CRC標(biāo)識位為“0”時，進行CRC校驗，并用新的校驗結(jié)果替 代原始CRC校驗，否則執(zhí)行步驟14)；14)返回步驟11)，尋找下一幀同步位元，直至文件結(jié)束。與水印嵌入相對應(yīng)的水印提取過程包括如下步驟21)尋找?guī)轿辉?，讀取global gain參數(shù)；22)根據(jù)global gain參數(shù)最低位決定提取水印數(shù)據(jù)，包括“ 1”或者“0” ；23)返回步驟21)，尋找下一幀同步位元，直至文件結(jié)束。本發(fā)明的水印嵌入的具體過程還可以包括如下步驟31)尋找?guī)轿辉?，讀取CRC標(biāo)識位和私有位、和/或版權(quán)位、和/或原創(chuàng)位；32)利用LSB算法，對私有位、和/或版權(quán)位、和/或原創(chuàng)位進行修改，具體修改方 式為采用水印數(shù)據(jù)進行替換；33)判斷CRC標(biāo)志位，當(dāng)CRC標(biāo)識位為“0”時，進行CRC校驗，并用新的校驗結(jié)果替 代原始CRC校驗，否則執(zhí)行步驟34)；34)返回步驟31)，尋找下一幀同步位元，直至文件結(jié)束。與水印嵌入相對應(yīng)的水印提取過程包括如下步驟41)尋找?guī)轿辉?，讀取私有位、和/或版權(quán)位、和/或原創(chuàng)位；42)根據(jù)私有位、和/或版權(quán)位、和/或原創(chuàng)位提取水印數(shù)據(jù)，包括“1”或者“0”;43)返回步驟41)，尋找下一幀同步位元，直至文件結(jié)束。本發(fā)明的水印嵌入的具體過程還可以包括如下步驟51)尋找?guī)轿辉?，讀取CRC標(biāo)識位，并確定幀邊數(shù)據(jù)的global gain參數(shù)以及 幀頭數(shù)據(jù)的私有位、版權(quán)位和原創(chuàng)位的壓縮域數(shù)據(jù)作為水印嵌入?yún)^(qū)域；52)利用LSB算法，對壓縮域數(shù)據(jù)進行修改，將水印數(shù)據(jù)依次替換該壓縮域數(shù)據(jù)的 部分或全部數(shù)據(jù)；53)判斷CRC標(biāo)志位，當(dāng)CRC標(biāo)識位為“0”時，進行CRC校驗，并用新的校驗結(jié)果替 代原始CRC校驗，否則執(zhí)行步驟54)；54)返回步驟51)，尋找下一幀同步位元，直至文件結(jié)束。與水印嵌入相對應(yīng)的水印提取過程包括如下步驟61)尋找?guī)轿辉?，讀取壓縮域數(shù)據(jù)；62)根據(jù)壓縮域數(shù)據(jù)的部分或全部數(shù)據(jù)提取水印數(shù)據(jù)，包括“1”或者“0” ；63)返回步驟61)，尋找下一幀同步位元，直至文件結(jié)束。本發(fā)明具有如下優(yōu)點
1)算法原理簡單，適用性廣泛；2)算法計算復(fù)雜度低，不需進行任何解碼，直接修改碼流即可；3)幾乎不引起任何聽覺失真；4)精確到比特量級不改變文件大小，水印不可察覺性強；5)算法標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，技術(shù)成熟，通用性強。


圖1為MP3幀(frame)結(jié)構(gòu)圖2為MP3幀頭(header)結(jié)構(gòu)圖3為MP3幀邊信息(side information)結(jié)構(gòu)圖
圖4為MP3水印嵌入流程圖5為MP3水印提取流程圖6為測試MP3原始波形圖7為含水印MP3波形圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的說明。圖1為MP3幀(frame)結(jié)構(gòu)圖。MP3文件由幀構(gòu)成，幀是MP3文件最小的組成單 位。由圖1可見，幀頭后面可能有16比特的CRC校驗碼(當(dāng)CRC標(biāo)識位為0時)，并且每 一幀均包含可用于嵌入水印的幀邊信息(side information)，則每一幀至少可嵌入1比特 水印。當(dāng)音頻文件為單聲道文件時，幀邊信息長136比特，為雙聲道文件時，幀邊信息長256 比特。圖2為MP3幀頭(header)結(jié)構(gòu)圖?？梢娒恳粠膸^結(jié)構(gòu)中的都有私有位 (Private bit)、版權(quán)位(Copy right)和原創(chuàng)位(Copy/Original)。圖3為MP3幀邊信息(side information)結(jié)構(gòu)圖，可見包含于每一幀中的幀邊信 息可能含有2個全局增益(單聲道時)，也可能含有4個全局增益(雙聲道時)，說明本發(fā) 明方案水印嵌入容量大，可選位置組合多。實際應(yīng)用時，既可每幀均隨機選取其中一個位置 進行水印嵌入，提高水印安全性，也可將幀內(nèi)所有可嵌位置均嵌入同一比特水印，提高水印
可靠性。圖4為MP3水印嵌入流程圖。首先尋找MP3的幀同步碼元sync word，共12比特， 其值都為1，即連續(xù)的12個1，大小為OxFFF。準(zhǔn)確定位幀同步碼元sync word后，則可依 據(jù)圖2和圖3獲取CRC標(biāo)識位(1比特)和全局增益(8比特)。其次執(zhí)行LSB算法，當(dāng)需 要嵌“0”時置全局增益最低位為“0”，當(dāng)需要嵌“1”時置全局增益最低位為“1”。接著依據(jù) CRC標(biāo)識位決定是否進行CRC校驗。當(dāng)CRC = “0”時，將幀頭后16比特和整個幀邊信息作 為輸入進行CRC校驗，得到新的16比特CRC校驗碼，并用之替換舊的CRC校驗碼。最后判 斷水印嵌入過程是否已經(jīng)結(jié)束，否則尋找下一幀同步碼元sync word，迭代運行，直至文件 結(jié)束。圖5為MP3水印提取流程圖。首先尋找MP3的幀同步碼元sync word,獲取全局增 益(8比特)。其次依據(jù)全局增益最低位提取水印，當(dāng)全局增益最低位為“1”時提取“1”，否則提取“0”。然后判斷水印提取過程是否已經(jīng)結(jié)束，否則尋找下一幀同步碼元sync word, 迭代運行，直至文件結(jié)束。圖6為測試MP3原始波形圖。測試MP3格式為44. IkHz采樣頻率，128kbps編碼速 率，單聲道，長9秒。圖7為含水印MP3波形圖?？梢姾蛨D6無明顯差異?？陀^測試表明，兩者SNR值 為21. ldB，滿足國際留聲機聯(lián)盟(IFPI)對嵌入水印后的音頻至少應(yīng)提供20dB的要求。在 主觀測試中，人耳基本無法分辨任何聽覺差異。
權(quán)利要求
一種保護MP3文件的水印方法，包括水印嵌入過程，所述水印嵌入過程根據(jù)MP3文件固定的幀結(jié)構(gòu)模型，將水印數(shù)據(jù)嵌入到每一音頻幀中，其特征在于水印的嵌入通過直接修改MP3文件的壓縮域數(shù)據(jù)實現(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的保護MP3文件的水印方法，其特征在于嵌入過程所修改MP3 文件的壓縮域數(shù)據(jù)，包括幀邊數(shù)據(jù)和/或幀頭數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的保護MP3文件的水印方法，其特征在于嵌入過程所修改幀邊 數(shù)據(jù)中用于控制頻域系數(shù)量化過程的量化步長的全局增益參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的保護MP3文件的水印方法，其特征在于嵌入過程所修改的幀 頭數(shù)據(jù)包括私有位、版權(quán)位、原創(chuàng)位的一個或多個。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的保護MP3文件的水印方法，其特征在于水印嵌入的具體過程 包括如下步驟11)尋找?guī)轿辉?，讀取CRC標(biāo)識位和全局增益參數(shù)；12)利用LSB算法，對全局增益參數(shù)最低位進行修改，將水印數(shù)據(jù)依次替換全局增益參 數(shù)的最低位數(shù)據(jù)；13)判斷CRC標(biāo)志位，當(dāng)CRC標(biāo)識位為“0”時，進行CRC校驗，并用新的校驗結(jié)果替代原 始CRC校驗，否則執(zhí)行步驟14)；14)返回步驟11)，尋找下一幀同步位元，直至文件結(jié)束。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的保護MP3文件的水印方法，其特征在于與水印嵌入相對應(yīng)的 水印提取過程包括如下步驟21)尋找?guī)轿辉x取全局增益參數(shù)；22)根據(jù)全局增益參數(shù)最低位決定提取水印數(shù)據(jù)，包括“1，，或者“0” ；23)返回步驟21)，尋找下一幀同步位元，直至文件結(jié)束。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的保護MP3文件的水印方法，其特征在于水印嵌入的具體過程 包括如下步驟31)尋找?guī)轿辉?，讀取CRC標(biāo)識位和私有位、和/或版權(quán)位、和/或原創(chuàng)位；32)利用LSB算法，對私有位、和/或版權(quán)位、和/或原創(chuàng)位進行修改，具體修改方式為 采用水印數(shù)據(jù)進行替換；33)判斷CRC標(biāo)志位，當(dāng)CRC標(biāo)識位為“0”時，進行CRC校驗，并用新的校驗結(jié)果替代原 始CRC校驗，否則執(zhí)行步驟34)；34)返回步驟31)，尋找下一幀同步位元，直至文件結(jié)束。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的保護MP3文件的水印方法，其特征在于與水印嵌入相對應(yīng)的 水印提取過程包括如下步驟41)尋找?guī)轿辉?，讀取私有位、和/或版權(quán)位、和/或原創(chuàng)位；42)根據(jù)私有位、和/或版權(quán)位、和/或原創(chuàng)位提取水印數(shù)據(jù)，包括“1”或者“0”；43)返回步驟41)，尋找下一幀同步位元，直至文件結(jié)束。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的保護MP3文件的水印方法，其特征在于水印嵌入的具體過程 包括如下步驟51)尋找?guī)轿辉?，讀取CRC標(biāo)識位，并確定幀邊數(shù)據(jù)的全局增益參數(shù)以及幀頭數(shù)據(jù) 的私有位、版權(quán)位和原創(chuàng)位的壓縮域數(shù)據(jù)作為水印嵌入?yún)^(qū)域；52)利用LSB算法，對壓縮域數(shù)據(jù)進行修改，將水印數(shù)據(jù)依次替換該壓縮域數(shù)據(jù)的部分 或全部數(shù)據(jù)；53)判斷CRC標(biāo)志位，當(dāng)CRC標(biāo)識位為“0”時，進行CRC校驗，并用新的校驗結(jié)果替代原 始CRC校驗，否則執(zhí)行步驟54)；54)返回步驟51)，尋找下一幀同步位元，直至文件結(jié)束。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的保護MP3文件的水印方法，其特征在于與水印嵌入相對應(yīng)的 水印提取過程包括如下步驟61)尋找?guī)轿辉?，讀取壓縮域數(shù)據(jù)；62)根據(jù)壓縮域數(shù)據(jù)的部分或全部數(shù)據(jù)提取水印數(shù)據(jù)，包括“1”或者“ 0 ” ；63)返回步驟61)，尋找下一幀同步位元，直至文件結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明提供一種保護MP3文件的水印方法，屬多媒體信號處理領(lǐng)域技術(shù)。方法包括水印嵌入過程，所述水印嵌入過程根據(jù)MP3文件固定的幀結(jié)構(gòu)模型，將水印數(shù)據(jù)嵌入到每一音頻幀中，水印的嵌入通過直接修改MP3文件的壓縮域數(shù)據(jù)實現(xiàn)。本發(fā)明具有如下優(yōu)點1)算法原理簡單，適用性廣泛；2)算法計算復(fù)雜度低，不需進行任何解碼，直接修改碼流即可；3)幾乎不引起任何聽覺失真；4)精確到比特量級不改變文件大小，水印不可察覺性強；5)算法標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，技術(shù)成熟，通用性強。
文檔編號H04L1/00GK101894555SQ201010147139
公開日2010年11月24日 申請日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者劉紅梅, 周東敏, 黃繼武 申請人:中山大學(xué)