军事通信中基于DCT域直流分量的音频数字水印技术研究
万旭光+刘凡
摘 要： 军事通信中，应将确保信息的绝对安全摆在首要位置。目前我军的野战通信以无线通信手段为主，通信双方的身份识别是确保战场无线通信安全的基本前提。基于现役通信装备，为提高战场通信的安全性，设计了基于DCT变换在DC分量嵌入及提取水印的方案，可为身份识别提供保障。通过Matlab仿真，与普遍现行的小波变换（DWT）技术在不可感知性、提取可信度和抗干扰性三个方面进行对比，结果表明该方法更具有优势，更适用于战场通信环境的身份识别。
关键词： 军事通信； 信息安全； 音频数字水印； DCT变换； 身份识别
中图分类号： TN915.851?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）13?0006?03
Abstract： It is necessary to ensure to give first priority to the information absolute security in military communication. At present， the field communication of Chinese army mainly relies on the wireless communication means， and the identity recognition of the both communication sides is the basic premise to ensure the wireless communication security of battlefield. On the basis of active?service communication equipment， a DCT based scheme of embedding watermark in DC component and extracting the watermark from the DC component is designed to improve the communication security of battlefield， which can provide the safeguard for identity recognition. With Matlab simulation， this technology is compared with prevalent discrete wavelet transform （DWT） technology in the aspects of imperceptibility， extraction credibility and anti?interference. The results show that the technology is suitable for the identity recognition in the battlefield communication environment.
Keywords： military communication； information security； audio digital watermarking； DCT transform； identity recognition
0 引 言
在军事通信领域，信息在传输过程中易被篡改和窃取的问题十分突出。基于我军现役通信装备的实际，在作战行动中，野战通信以无线通信为主要手段，战术分队作战指令的上传下达目前仍主要依靠音频传输。在此过程中，敌方可截收信号并传达错误指令，所以音频指令的身份真伪确认对我军作战信息的安全和作战行动的成败具有重要意义。
数字水印技术以其较高的保真性和良好的不可感知性，作为传统加密方法的有效补充手段逐渐被广泛接受。数字水印算法的主要目的就是将安全信息秘密地隐藏于宿主之中。在军事通信应用中，数字水印信息可以用于识别信息发送者的身份，对所接收信息的完整性及可靠性进行验证，可在很大程度上防止敌方利用伪身份传达错误指令，大幅提高作战指挥信息传递的准确性和安全性，本文为现役通信装备嵌入可靠性更高的音频数字水印提供了实现方案。
1 在DC分量嵌入水印的技术实现方案
1.1 相关算法介绍
离散余弦变换（Discrete Cosine Transform，DCT）的正反變换公式有计算速度快的特点。由于音频处理所用的是一维变换，这里只给出一维的相关公式：
1.2 将水印嵌入DC分量的论证
将水印嵌入不同的DCT分量，将对水印的相关特性产生不同的影响：在高频分量嵌入，嵌入水印后的数据对攻击敏感，但抗压缩能力下降，稳健性不够；在低频分量嵌入，由于低频分量占据听觉重要分量，稳健性较好，会导致不可感知性下降；在中低频交流分量即AC分量嵌入，效果折中，较为常用；在直流分量即DC分量嵌入，通常用于信息标记。
现阶段，多数水印嵌入技术均选择AC分量作为嵌入对象，并逐渐形成共识。然而，本文认为DC分量比AC分量更适合作为水印信号的嵌入载体。本观点的提出基于以下两个方面：
（1） 振幅方面。DC系数要远大于AC系数，这代表若将水印信号嵌入DC系数会带来更大的感觉容量，也拥有更多的改变裕度。
（2） 稳健性方面。通常，战场上传输的音频信号较有可能遭遇到诸如添加干扰噪声、低通滤波干扰、进行截取剪切等处理过程，在这些处理中，就稳健性而言，将水印嵌入DC分量的效果要远好于将水印嵌入AC分量。
因此，在DCT域， DC分量更加适合于嵌入水印。 本文提出的新算法就是在DCT域将水印嵌入DC分量，下面对该方案进行详细的论证。
1.3 数字水印算法嵌入及提取框架
图1为本文提出的将数字水印算法嵌入DC分量的原理结构框图。
图2为相应数字水印算法的提取结构原理框图。该嵌入算法采用的是不完全水印系统，所以在数字水印的恢复过程中需要有原始数据的参与，这个过程与水印的嵌入过程相反。
1.4 数字水印算法的设计实现
数字水印算法的设计实现基本思想如下：
（1） 对原始信号进行DCT变换，得出DC系数。
（2） 对DC系数进行处理。将扩频后的水印信息嵌入到经过DCT变换后的DC系数当中。
（3） 重构含水印信息的DC系数。用IDCT恢复嵌入水印的原始信号。
（4） 扩频。为增强信号的稳健性和隐蔽性，将已嵌入水印的信号进行扩频调制。
（5） 解扩。解扩经信道传输的信号，得到解扩后含水印的原始信号。
（6） 离散余弦分解。对解扩后含水印的原始信号进行离散余弦分解，分离并检测DC系数，提取出水印信息后，计算得出水印信息的正确率，依据正确率大小识别信息发送者身份的真伪。
2 抗干扰性能分析
战场的无线信道环境干扰样式复杂，易出现如单音、多音、部分频带干扰等。为验证所提出的算法在干扰环境下抗干扰性能的优越性，现以单音干扰为例，仿真实现算法的水印提取可信度并与DWT的相关性能作比较。
图3为加入单音干扰的功率谱密度。
2.1 DCT与DWT扩频后幅度变化对比
单音干扰条件下DWT和DCT水印嵌入后的幅度值对比见图4。图4表明，采用DCT方法的优势十分明显。在干信比为2 dB单音干扰条件下，嵌入水印信息后的数据幅度变化明显小于采用DWT方法所得数据。所以，DC分量嵌入水印的DCT技术在音频嵌入的不可感知性及隐蔽性方面优于DWT技术。
2.2 DCT与DWT水印提取可信度对比
单音干扰条件下DWT和DCT水印提取可信度对比见图5。从图5可以看出，同样在信道条件较差（信噪比=0 dB）时，采用DCT方法提取的水印信息可信度为93.4%，而采用DWT方法的可信度为90.6%，DCT高出近3%。同时，随着信道条件的优化， DCT曲线的变化更陡，证明信道条件的改善对水印提取的可信度有很大帮助。
幅度值对比（α=0.2）
可信度对比（α=0.2）
由此可见，DCT对信道条件的要求更低，更加适应战场复杂的通信环境，同时，身份识别的准确率也更高，保证了水印信息的可靠性。
3 不可感知性分析
分析的基本方法：选取一段6 s的音频。对其进行CVSD编码，而后嵌入水印。经解码后分析音频信号的频谱图。测试方案框图如图6所示。
3.1 音频信号的频谱图分析
原始音频信号频谱如图7所示。嵌入水印后音频信号波形如图8所示。
由图7、图8对比可知，嵌入水印后的信号频谱与原信号频谱变化差别不大，经解码后，频谱图基本完全相同。通过实际波形对比，再次验证了DCT水印嵌入方法的不可感知性。
3.2 人耳听觉测试论证差别
为更加充分地论证其不可感知性，下面将解码后的原信号频谱和嵌入水印的信号频谱经过平滑滤波，再次以音频文件的形式请10人进行试听对比（事先并未告知任何信息）。统计结果如表1所示。
统计结果表明，就人耳听觉测试而言，两者相似度极高，无法准确分辨出两者的区别，充分证明了其优越的不可感知性。
4 结 语
本文基于音频数字水印技术在军事通信特别是在作战中野战通信对于身份识别的重要作用，提出了在DC分量嵌入数字水印的DCT技术的实现方案，列出了算法设计实现的步骤。采用Matlab仿真及人耳试听的方式充分证明了该技术在抗干扰性、可信度和不可感知性等方面的优越性，为现役通信装备加装数字水印系统提供了实现方案。
参考文献
[1] 李晓峰，周宁，周亮，等.通信原理[M].2版.北京：清华大学出版社，2014.
[2] 杨榆.信息隐藏与数字水印实验教程[M].北京：国防工业出版社，2012.
[3] 许文丽，王命宇，马君.数字水印技术及应用[M].北京：电子工业出版社，2013.
[4] 杨其睿.基于DCT的Android 系统数字水印加密的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2014.
[5] 王小军.数字音频水印算法的研究[D].兰州：兰州交通大学，2015.
[6] 唐鑫.音频数字水印若干关键算法研究[D].北京：北京邮电大学，2015.
[7] 童钟.一种基于HVS和DC分量的DCT域数字水印算法[J].现代电子技术，2012，35（23）：81?83.
[8] 方春城，谭忠明，林若波，等.基于DCT域自適应数字图像水印技术[J].现代电子技术，2013，36（15）：76?78.
[9] 马睿，高梅，石云，等.基于DCT域和DWT域的视频数字水印算法[J].数字技术与应用，2016（3）：149?150.
[10] 王凯，谭畅，何新江.基于DCT域的数字水印加密算法的改进[J].工业控制计算机，2015，28（8）：116?117.
摘 要： 军事通信中，应将确保信息的绝对安全摆在首要位置。目前我军的野战通信以无线通信手段为主，通信双方的身份识别是确保战场无线通信安全的基本前提。基于现役通信装备，为提高战场通信的安全性，设计了基于DCT变换在DC分量嵌入及提取水印的方案，可为身份识别提供保障。通过Matlab仿真，与普遍现行的小波变换（DWT）技术在不可感知性、提取可信度和抗干扰性三个方面进行对比，结果表明该方法更具有优势，更适用于战场通信环境的身份识别。
关键词： 军事通信； 信息安全； 音频数字水印； DCT变换； 身份识别
中图分类号： TN915.851?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）13?0006?03
Abstract： It is necessary to ensure to give first priority to the information absolute security in military communication. At present， the field communication of Chinese army mainly relies on the wireless communication means， and the identity recognition of the both communication sides is the basic premise to ensure the wireless communication security of battlefield. On the basis of active?service communication equipment， a DCT based scheme of embedding watermark in DC component and extracting the watermark from the DC component is designed to improve the communication security of battlefield， which can provide the safeguard for identity recognition. With Matlab simulation， this technology is compared with prevalent discrete wavelet transform （DWT） technology in the aspects of imperceptibility， extraction credibility and anti?interference. The results show that the technology is suitable for the identity recognition in the battlefield communication environment.
Keywords： military communication； information security； audio digital watermarking； DCT transform； identity recognition
0 引 言
在军事通信领域，信息在传输过程中易被篡改和窃取的问题十分突出。基于我军现役通信装备的实际，在作战行动中，野战通信以无线通信为主要手段，战术分队作战指令的上传下达目前仍主要依靠音频传输。在此过程中，敌方可截收信号并传达错误指令，所以音频指令的身份真伪确认对我军作战信息的安全和作战行动的成败具有重要意义。
数字水印技术以其较高的保真性和良好的不可感知性，作为传统加密方法的有效补充手段逐渐被广泛接受。数字水印算法的主要目的就是将安全信息秘密地隐藏于宿主之中。在军事通信应用中，数字水印信息可以用于识别信息发送者的身份，对所接收信息的完整性及可靠性进行验证，可在很大程度上防止敌方利用伪身份传达错误指令，大幅提高作战指挥信息传递的准确性和安全性，本文为现役通信装备嵌入可靠性更高的音频数字水印提供了实现方案。
1 在DC分量嵌入水印的技术实现方案
1.1 相关算法介绍
离散余弦变换（Discrete Cosine Transform，DCT）的正反變换公式有计算速度快的特点。由于音频处理所用的是一维变换，这里只给出一维的相关公式：
1.2 将水印嵌入DC分量的论证
将水印嵌入不同的DCT分量，将对水印的相关特性产生不同的影响：在高频分量嵌入，嵌入水印后的数据对攻击敏感，但抗压缩能力下降，稳健性不够；在低频分量嵌入，由于低频分量占据听觉重要分量，稳健性较好，会导致不可感知性下降；在中低频交流分量即AC分量嵌入，效果折中，较为常用；在直流分量即DC分量嵌入，通常用于信息标记。
现阶段，多数水印嵌入技术均选择AC分量作为嵌入对象，并逐渐形成共识。然而，本文认为DC分量比AC分量更适合作为水印信号的嵌入载体。本观点的提出基于以下两个方面：
（1） 振幅方面。DC系数要远大于AC系数，这代表若将水印信号嵌入DC系数会带来更大的感觉容量，也拥有更多的改变裕度。
（2） 稳健性方面。通常，战场上传输的音频信号较有可能遭遇到诸如添加干扰噪声、低通滤波干扰、进行截取剪切等处理过程，在这些处理中，就稳健性而言，将水印嵌入DC分量的效果要远好于将水印嵌入AC分量。
因此，在DCT域， DC分量更加适合于嵌入水印。 本文提出的新算法就是在DCT域将水印嵌入DC分量，下面对该方案进行详细的论证。
1.3 数字水印算法嵌入及提取框架
图1为本文提出的将数字水印算法嵌入DC分量的原理结构框图。
图2为相应数字水印算法的提取结构原理框图。该嵌入算法采用的是不完全水印系统，所以在数字水印的恢复过程中需要有原始数据的参与，这个过程与水印的嵌入过程相反。
1.4 数字水印算法的设计实现
数字水印算法的设计实现基本思想如下：
（1） 对原始信号进行DCT变换，得出DC系数。
（2） 对DC系数进行处理。将扩频后的水印信息嵌入到经过DCT变换后的DC系数当中。
（3） 重构含水印信息的DC系数。用IDCT恢复嵌入水印的原始信号。
（4） 扩频。为增强信号的稳健性和隐蔽性，将已嵌入水印的信号进行扩频调制。
（5） 解扩。解扩经信道传输的信号，得到解扩后含水印的原始信号。
（6） 离散余弦分解。对解扩后含水印的原始信号进行离散余弦分解，分离并检测DC系数，提取出水印信息后，计算得出水印信息的正确率，依据正确率大小识别信息发送者身份的真伪。
2 抗干扰性能分析
战场的无线信道环境干扰样式复杂，易出现如单音、多音、部分频带干扰等。为验证所提出的算法在干扰环境下抗干扰性能的优越性，现以单音干扰为例，仿真实现算法的水印提取可信度并与DWT的相关性能作比较。
图3为加入单音干扰的功率谱密度。
2.1 DCT与DWT扩频后幅度变化对比
单音干扰条件下DWT和DCT水印嵌入后的幅度值对比见图4。图4表明，采用DCT方法的优势十分明显。在干信比为2 dB单音干扰条件下，嵌入水印信息后的数据幅度变化明显小于采用DWT方法所得数据。所以，DC分量嵌入水印的DCT技术在音频嵌入的不可感知性及隐蔽性方面优于DWT技术。
2.2 DCT与DWT水印提取可信度对比
单音干扰条件下DWT和DCT水印提取可信度对比见图5。从图5可以看出，同样在信道条件较差（信噪比=0 dB）时，采用DCT方法提取的水印信息可信度为93.4%，而采用DWT方法的可信度为90.6%，DCT高出近3%。同时，随着信道条件的优化， DCT曲线的变化更陡，证明信道条件的改善对水印提取的可信度有很大帮助。
幅度值对比（α=0.2）
可信度对比（α=0.2）
由此可见，DCT对信道条件的要求更低，更加适应战场复杂的通信环境，同时，身份识别的准确率也更高，保证了水印信息的可靠性。
3 不可感知性分析
分析的基本方法：选取一段6 s的音频。对其进行CVSD编码，而后嵌入水印。经解码后分析音频信号的频谱图。测试方案框图如图6所示。
3.1 音频信号的频谱图分析
原始音频信号频谱如图7所示。嵌入水印后音频信号波形如图8所示。
由图7、图8对比可知，嵌入水印后的信号频谱与原信号频谱变化差别不大，经解码后，频谱图基本完全相同。通过实际波形对比，再次验证了DCT水印嵌入方法的不可感知性。
3.2 人耳听觉测试论证差别
为更加充分地论证其不可感知性，下面将解码后的原信号频谱和嵌入水印的信号频谱经过平滑滤波，再次以音频文件的形式请10人进行试听对比（事先并未告知任何信息）。统计结果如表1所示。
统计结果表明，就人耳听觉测试而言，两者相似度极高，无法准确分辨出两者的区别，充分证明了其优越的不可感知性。
4 结 语
本文基于音频数字水印技术在军事通信特别是在作战中野战通信对于身份识别的重要作用，提出了在DC分量嵌入数字水印的DCT技术的实现方案，列出了算法设计实现的步骤。采用Matlab仿真及人耳试听的方式充分证明了该技术在抗干扰性、可信度和不可感知性等方面的优越性，为现役通信装备加装数字水印系统提供了实现方案。
参考文献
[1] 李晓峰，周宁，周亮，等.通信原理[M].2版.北京：清华大学出版社，2014.
[2] 杨榆.信息隐藏与数字水印实验教程[M].北京：国防工业出版社，2012.
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[8] 方春城，谭忠明，林若波，等.基于DCT域自適应数字图像水印技术[J].现代电子技术，2013，36（15）：76?78.
[9] 马睿，高梅，石云，等.基于DCT域和DWT域的视频数字水印算法[J].数字技术与应用，2016（3）：149?150.
[10] 王凯，谭畅，何新江.基于DCT域的数字水印加密算法的改进[J].工业控制计算机，2015，28（8）：116?117.
