本文是由何俊杰（He Junjie）和李洁（Li Jie）合作完成的学术研究，何俊杰来自信阳师范大学数学与统计学院，李洁分别隶属于信阳师范大学数学与统计学院和信阳艺术职业学院机电学院。该研究发表于《信阳师范学院学报（自然科学版）》2024年第37卷第4期，文章编号为1003-0972（2024）04-0454-06，DOI为10.3969/j.issn.1003-0972.2024.04.006。
随着数字音频技术的日益普及，版权保护和内容完整性认证成为重要的研究方向。数字音频水印技术通过在音频信号中嵌入特定的标识信息，能够有效满足这两方面的需求。传统水印技术通常偏重于单一功能，比如版权保护或内容完整性认证。但随着实际应用需求的不断变化和深入，仅依赖单一功能的水印技术逐渐显得不足。多功能音频水印作为新兴研究方向，致力于在一套系统中实现多种功能。然而，目前的技术在应对诸如删除攻击、时移攻击等恶意行为时常常显得力不从心。本文提出了一种基于保密特征的数字音频双水印算法，旨在解决这一难题，同时提高系统的安全性和实际应用性能。
本文研究的主要目标是设计一种具有多功能性、鲁棒性和安全性的数字音频双水印算法，既能满足版权保护需求，又能实现内容完整性认证，同时具备对恶意攻击的检测能力。
研究流程共分为三大阶段，分别为水印嵌入设计、提取验证以及性能实验分析。以下详细说明每一阶段的具体设计与实现。
分帧处理
原始音频信号被均分为多个音频帧，每帧的水印由两部分组成：帧号序列和版权标识序列。帧号序列以二进制形式表示帧的编号，用于内容篡改后的取证；版权标识序列包含版权相关信息，用于声明音频所有权。每个音频帧进一步细分为三部分，帧号序列被嵌入到前两部分，版权标识嵌入到最后一部分。
特征提取
音频帧的每个分段通过分级的离散小波变换（Discrete Wavelet Transform, DWT）处理，生成多个近似分量和细节分量。随后，对最底层的近似分量应用离散余弦变换（Discrete Cosine Transform, DCT），提取频域系数。在此基础上，通过混沌置乱算法对频域系数加密，以生成保密特征。混沌置乱由混沌伪随机序列驱动，伪随机性和置乱性来自系统密钥，特征具有高度保密性。
水印量化与嵌入
提取的保密特征通过量化技术嵌入水印信息。帧号与版权标识分别映射到特征的不同位区域。为了增加安全性和可靠性，帧号以重复嵌入的方式存在于多个分段中，版权信息则紧凑嵌入，最终生成含水印的音频信号。
提取端使用接收的含水印信号，通过逆DWT和逆DCT操作还原信号特征。随后，利用混沌系统密钥的置乱规则，解密此前加密的特征信息，并通过量化检查提取水印内容。
两次提取的帧号序列若一致，则判断为真；帧号序列若不符，则说明该部分音频信号可能受到篡改，对此可通过移动样本定位真实的帧数据，确保系统具备攻击检测和定位能力。
不可听性测试
使用14位听众对460段含水印信号进行主观差异评分（SDG）。测试样本分为背景音乐较多（a_1）、背景音乐较少（a_2）和轻音乐（a_3）三类。结果显示，评分范围处于-0.64到-0.29之间，均高于-1.0，表明嵌入水印后信号与原始信号无明显听觉差异，不影响听觉感知质量。
鲁棒性测试
通过常见信号处理操作（如MP3压缩、低通滤波和重采样），对水印提取的误码率（Bit Error Rate, BER）进行分析。实验显示，本文算法在各处理下的平均BER显著优于文献算法（如：MP3压缩96kb/s，BER为0.022），证明其鲁棒性更强。
安全性验证
针对DCT系数置乱前后的特征值对比发现，置乱后的特征完全不同，表明混沌置乱措施有效提高了水印系统的安全性。由于攻击者难以破解特征提取算法，本系统具备高强度的安全可靠性。
篡改检测与定位能力
在模拟删除攻击的实验中，系统准确检测到被攻击帧（第14至第16帧）位置，并毅然通过剩余未受到攻击的帧重构版权信息，进一步验证了系统的篡改定位性能。
本文提出的双水印算法成功实现了版权保护和内容完整性认证的双重功能。通过将水印嵌入保密特征中，系统的安全性和抗恶意攻击能力显著提高。实验结果证实，本研究具有以下优点： - 嵌入水印的音频信号与原始信号具有较高的听觉一致性； - 相较于现有文献算法，系统的鲁棒性和安全性更优； - 在遭受删除攻击时，能够有效检测攻击位置并进行取证。
本研究方法适用于数字音频版权保护，也适用于音频取证等内容真实性检测领域。其对实际应用的革新意义体现在： 1. 提供了一种新的多功能音频水印解决方案； 2. 提高了系统的安全性和容错性，尤其是对恶意攻击的抵抗能力。
创新性算法设计
将混沌置乱技术与数字音频水印相结合，在复杂频域特征加密的基础上实施水印嵌入。系统的保密特性大大增强，同时兼具高效取证能力。
多功能性实现
通过双水印技术，首次在同一系统中成功实现版权保护与内容完整性认证两大功能，围绕实际需求做出了理论与技术的双重创新。
强抗攻击能力
实验证明，本算法在面对恶意删除和操作攻击时，既能定位攻击位置，又可完成剩余内容的版权验证。
本研究不仅在数字音频版权保护的理论领域提供了新思路，还为多媒体安全应用提供了实用方案。未来，随着技术的进一步优化和推广，这种数字水印算法有望在更广泛的音视频领域得到应用，包括网络多媒体管理、版权交易平台优化以及内容真实性溯源系统建设等。