音頻數(shù)字水印報告+matlab程序設計

1、 音頻數(shù)字水印目 錄1課題背景與現(xiàn)狀22研究的目的和意義23方案設計和實施計劃24研究的主要內容25創(chuàng)新點和結論26成果的應用前景27附錄：個人工作總結21 課題背景與現(xiàn)狀 數(shù)字時代的到來，多媒體數(shù)字世界豐富多彩，數(shù)字產品幾乎影響到每一個人的日常生活。信息媒體的數(shù)字化為信息的存取提供了極大的便利，同時也顯著地提高了信息表達的效率和準確度。計算機網(wǎng)絡通信技術特別是互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，使得數(shù)據(jù)的交換和傳輸變成了一個相對簡單且快捷的過程。人們借助于計算機、數(shù)字掃描儀、打印機等電子設備可以方便、迅速地將數(shù)字信息傳達到世界各地，在國際互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布自己的作品，傳遞重要的信息，進行各種學術交流和電子商務活動等

2、等。如何保護這些與我們息息相關的數(shù)字產品，如版權保護、信息安全、數(shù)據(jù)認證以及訪問控制等等，已受到日益重視并變得迫切需要了，因此數(shù)字水印在今天的計算機和互聯(lián)網(wǎng)時代大有可為。 數(shù)字水印技術是近十年才發(fā)展起來的，它是信息隱藏學的一個分支。隨著國內信息化程度的提高和電子商務逐漸走向實用，數(shù)字水印技術將會擁有更加廣闊的應用前景。鑒于信息隱藏與數(shù)字水印技術的應用前景，眾多知名研究機構如麻省理工學院的多媒體實驗室、劍橋大學的多媒體實驗室、IBM數(shù)字實驗室、日立、NEC、SONY，PHILIPS、微軟等都加入到信息隱藏和數(shù)字水印技術的研究和應用并取得了一定的成果。1996年5月，第一屆國際信息隱藏學術研討會(

3、CIHW)在英國劍橋牛頓研究所召開，至今該研討會已舉辦了四屆。另外，在IEEE和SPIE等一些重要國際會議上也開辟了信息隱藏與數(shù)字水印相關的專題技術研究。此外歐洲、北美以及其他的一些關于圖像、多媒體研究方面的國際會議都有專門的數(shù)字水印討論組。歐洲已有幾項較大的工程項目(VA和ACTS)都有關于信息隱藏與數(shù)字水印方面的專項研究。攝影光學儀器工程師學會從1999年開始舉辦專門的“多媒體內容的安全和水印"討論會。另外，一些組織開始考慮包含不同標準的水印技術?？截惐Ｗo技術工作組(CPTWG)出于保護DVD碟中視頻的目的測試了水印系統(tǒng)。安全數(shù)字音樂主創(chuàng)(SDMI)將水印做成他們的音樂保護系統(tǒng)的

4、核心技術。 近年來，該領域研究的發(fā)展速度非?？欤行┕疽淹瞥隽艘恍?shù)字水印軟件產品，1996年2月美國Adobe System公司首先在圖像處理軟件Adobe Photoshol40中，采用美國Digimarc公司的技術，加入了數(shù)字水印模塊，起到版權保護的功能。1999年2月，五大唱片公司：博得曼、百代、索尼、環(huán)宇和華納聯(lián)合宣布與IBM合作，聯(lián)合開發(fā)一個在因特網(wǎng)方便、快速、安全發(fā)布數(shù)字視聽產品的實驗系統(tǒng)。2001年1月Digimarc公司又宣布與圖形藝術的業(yè)界團體Printing Industries of America(PIA)就電子水印技術聯(lián)手合作，在打印機使用Digimarc的“Me

5、dia Bridge"電子水印技術。2001年7月，富士通公司開發(fā)出了“階層型電子水印"技術，為其在因特網(wǎng)上實現(xiàn)電子博物館和電子美術館系統(tǒng)“Musethque Light"提供了安全保障。同時還有一些其他公司也相繼推出了在數(shù)字化圖像、音頻和視頻作品中嵌入魯棒水印以進行版權保護的軟件產品，如Bluespike公司的“Giovanni數(shù)字水印系統(tǒng)"，Gognic公司的“AudiokeyMP水印系統(tǒng)”，Signum Technologies公司的“Suresign水印等等。我國學術界對數(shù)字水印技術的反應也非?？?，已經(jīng)有相當一批有實力的科研機構投入到這一領域的研

6、究中來。2 研究的目的和意義 隨著互聯(lián)網(wǎng)以及多媒體通訊的發(fā)展，對多媒體產品版權保護和鑒別要求越來越強烈，而數(shù)字水印技術是解決數(shù)字版權保護問題的有效手段。目前，對靜態(tài)圖像數(shù)字水印技術的研究己經(jīng)日趨成熟，音頻數(shù)字水印也正成為新的研究熱點。 隨著計算機、通信技術的迅速發(fā)展，多媒體存儲和傳輸技術的進步使存儲和傳輸數(shù)字化信息成為可能，數(shù)字化產品可以方便地制作、復制、修改、存儲、傳播。同時，也導致了大量非法盜版的出現(xiàn)，嚴重地損害了創(chuàng)作者和所有者的知識產權(Intellectual Property Rights)，數(shù)字產品的知識產權保護也顯得越來越重要。在這種形勢下，以信息隱藏技術為核心的數(shù)字水印(Dig

7、ital Watermarking)技術應運而生。在數(shù)字化產品中嵌入水印信息，可以實現(xiàn)拷貝限制、使用跟蹤、盜版確認等功能，有利于解決版權糾紛，保護數(shù)字產權合法擁有者的利益。數(shù)字水印是一種有效的數(shù)字產品版權保護和數(shù)據(jù)安全維護技術，是信息隱藏(Information Hiding)技術研究領域中的一個重要分支。事實上，信息隱藏技術從有隱密通信就已開始研究，但由于其特殊的用途，一直被限制在軍事和安全部門一個很小的范圍內。隨著計算機、多媒體技術的發(fā)展，網(wǎng)絡通信逐步成為人們交流信息的方式之一，對數(shù)字化產品(如：音像作品、電子商務、電子政務、數(shù)字圖書、遠程教育等)的認證、防偽以及版權保護的需求越來越迫切，

8、從而產生出一門新的分支：數(shù)字水印。 數(shù)字水印技術除具有信息隱藏技術的一般特點外，還有著其固有的特點和研究方法。例如：從信息安全的保密角度上看，如果隱藏的信息被破壞，系統(tǒng)可以視為安全的，因為秘密信息并沒有泄露；但在數(shù)字水印系統(tǒng)中，隱藏信息的丟失即意味著版權信息的丟失，從而失去了版權保護的功能，這一系統(tǒng)就是失敗的。因此，數(shù)字水印技術必須具有較強的魯棒性、安全性和不可感知性。隨著數(shù)字化音像制品的大量制作和發(fā)行，數(shù)字音頻水印技術的研究和發(fā)展越來越顯得重要。一方面，可以用音頻水印技術實現(xiàn)數(shù)字音頻作品版權的保護和認證，這是水印技術最主要的應用。它的目的是通過嵌入數(shù)據(jù)的來源信息以及比較有代表性的版權所有者信

9、息，從而防止其它團體對該數(shù)據(jù)宣稱擁有版權。這樣水印就可以用來公正地解決所有權問題；另一方面可以用于音頻作品的盜版跟蹤，它的目的是傳輸合法接收者的信息而不是數(shù)據(jù)來源者的信息，主要用來識別數(shù)據(jù)的單個發(fā)行拷貝。這一類應用在發(fā)行的每個拷貝中嵌入不同的水印，通常稱之為“數(shù)字指紋"；還可以用于拷貝保護，這就要求在音頻作品發(fā)行體系中存在一個拷貝保護機制，即它不允許未授權的媒體拷貝。在開放系統(tǒng)中很難實現(xiàn)拷貝保護，然而在封閉或私有系統(tǒng)中，可以用水印來說明數(shù)據(jù)的拷貝情況，因此拷貝保護是可行的。隨著MP3、MP4、MPEG、AC-3等新一代壓縮標準的廣泛應用，數(shù)字音頻在因特網(wǎng)上呈指數(shù)級增加，對音頻數(shù)據(jù)產品

10、的保護就顯得越來越重要，音頻水印領域將有較為廣闊的應用前景。因此，選擇數(shù)字音頻水印作為研究課題有較強的現(xiàn)實意義。另一方面，對發(fā)表的數(shù)字水印研究文獻檢索統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)數(shù)字音頻水印的研究文獻相對于數(shù)字圖像水印的研究文獻要少得多，因而較容易在數(shù)字音頻水印上挖掘創(chuàng)新點。隨著互聯(lián)網(wǎng)以及多媒體通訊的發(fā)展，對多媒體產品版權保護和鑒別要求越來越強烈，而數(shù)字水印技術是解決數(shù)字版權保護問題的有效手段。目前，對靜態(tài)圖像數(shù)字水印技術的研究己經(jīng)日趨成熟，音頻數(shù)字水印也正成為新的研究熱點。 隨著計算機、通信技術的迅速發(fā)展，多媒體存儲和傳輸技術的進步使存儲和傳輸數(shù)字化信息成為可能，數(shù)字化產品可以方便地制作、復制、修改、存儲、傳

11、播。同時，也導致了大量非法盜版的出現(xiàn)，嚴重地損害了創(chuàng)作者和所有者的知識產權(Intellectual Property Rights)，數(shù)字產品的知識產權保護也顯得越來越重要。在這種形勢下，以信息隱藏技術為核心的數(shù)字水印(Digital Watermarking)技術應運而生。在數(shù)字化產品中嵌入水印信息，可以實現(xiàn)拷貝限制、使用跟蹤、盜版確認等功能，有利于解決版權糾紛，保護數(shù)字產權合法擁有者的利益。數(shù)字水印是一種有效的數(shù)字產品版權保護和數(shù)據(jù)安全維護技術，是信息隱藏(Information Hiding)技術研究領域中的一個重要分支。事實上，信息隱藏技術從有隱密通信就已開始研究，但由于其特殊的用途

12、，一直被限制在軍事和安全部門一個很小的范圍內。隨著計算機、多媒體技術的發(fā)展，網(wǎng)絡通信逐步成為人們交流信息的方式之一，對數(shù)字化產品(如：音像作品、電子商務、電子政務、數(shù)字圖書、遠程教育等)的認證、防偽以及版權保護的需求越來越迫切，從而產生出一門新的分支：數(shù)字水印。 數(shù)字水印技術除具有信息隱藏技術的一般特點外，還有著其固有的特點和研究方法。例如：從信息安全的保密角度上看，如果隱藏的信息被破壞，系統(tǒng)可以視為安全的，因為秘密信息并沒有泄露；但在數(shù)字水印系統(tǒng)中，隱藏信息的丟失即意味著版權信息的丟失，從而失去了版權保護的功能，這一系統(tǒng)就是失敗的。因此，數(shù)字水印技術必須具有較強的魯棒性、安全性和不可感知性。

13、隨著數(shù)字化音像制品的大量制作和發(fā)行，數(shù)字音頻水印技術的研究和發(fā)展越來越顯得重要。一方面，可以用音頻水印技術實現(xiàn)數(shù)字音頻作品版權的保護和認證，這是水印技術最主要的應用。它的目的是通過嵌入數(shù)據(jù)的來源信息以及比較有代表性的版權所有者信息，從而防止其它團體對該數(shù)據(jù)宣稱擁有版權。這樣水印就可以用來公正地解決所有權問題；另一方面可以用于音頻作品的盜版跟蹤，它的目的是傳輸合法接收者的信息而不是數(shù)據(jù)來源者的信息，主要用來識別數(shù)據(jù)的單個發(fā)行拷貝。這一類應用在發(fā)行的每個拷貝中嵌入不同的水印，通常稱之為“數(shù)字指紋"；還可以用于拷貝保護，這就要求在音頻作品發(fā)行體系中存在一個拷貝保護機制，即它不允許未授權的媒

14、體拷貝。在開放系統(tǒng)中很難實現(xiàn)拷貝保護，然而在封閉或私有系統(tǒng)中，可以用水印來說明數(shù)據(jù)的拷貝情況，因此拷貝保護是可行的。隨著MP3、MP4、MPEG、AC-3等新一代壓縮標準的廣泛應用，數(shù)字音頻在因特網(wǎng)上呈指數(shù)級增加，對音頻數(shù)據(jù)產品的保護就顯得越來越重要，音頻水印領域將有較為廣闊的應用前景。因此，選擇數(shù)字音頻水印作為研究課題有較強的現(xiàn)實意義。另一方面，對發(fā)表的數(shù)字水印研究文獻檢索統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)數(shù)字音頻水印的研究文獻相對于數(shù)字圖像水印的研究文獻要少得多，因而較容易在數(shù)字音頻水印上挖掘創(chuàng)新點。3 方案設計和實施計劃 在完成音頻數(shù)據(jù)水印系統(tǒng)中我們采用離散小波變換作為本系統(tǒng)的核心算法。小波變換是將信號分解成時

15、域和尺度域的一種變換，具有多分辨率分析的能力，在時域和頻域都具有表征信號的局部特征的能力。對于音頻信號這樣的時變信號而言，小波變換是一種很適合的工具。小波變換是把信號f(t)表示為一簇函數(shù)的加權和,而這簇函數(shù)是由基本小波(t)經(jīng)過伸縮和平移而形成的,伸縮尺度為 a, 時間移動為的小波.小波分析的主要特點就是能夠分析信號的局部特征,利用小波變換可以非常準確地分析出信號特性, 可以檢測出許多被其他分析方法忽略的特性.由于matlab中的函數(shù)庫中包含多種方便有效的函數(shù)，所以在編程工具上我們采用matlab作為本系統(tǒng)開發(fā)的工具。本系統(tǒng)支持兩種格式的水印文件嵌入到原有音頻中，分別是bmp格式的圖片文件和

16、wav格式的音頻文件，其他格式的音頻，圖片文件可以用其他軟件如格式工廠等轉格式后運行。在嵌入圖片格式的水印時，由于要嵌入的是一個二維數(shù)組，所以首先要對二值水印圖像進行降維操作，使其由二維序列變?yōu)橐痪S序列。后將原音頻進行dwt變換，導出其低頻部分，對其低頻部分進行數(shù)值變換操作，將水印序列加載到低頻部分上。具體流程如下圖： 在音頻格式的水印嵌入到音頻文件中是，不需要進行降維操作，可以直接嵌入到原音頻dwt變換得到的低頻部分。在提取水印信息時，需要將含水印的音頻和原音頻進行dwt變換，對比兩者在低頻部分的不同，并對含水印音頻進行逆向運算即可得出水印信息，對于音頻格式的水印文件即可直接輸出，對于圖片格

17、式的水印文件還需要進行升維，復原圖片等操作。具體流程如下圖：4 研究的主要內容 進行音頻數(shù)據(jù)水印系統(tǒng)的研制我們主要的研究目標是找出一個算法使的一個水印信息可以嵌入到一段音頻中，然后這一段音頻的聽起來又不會有太大的變化。所以我們在開發(fā)軟件時，嘗試了多種算法包括dft,dct,dwt，回音隱蔽算法等等，在測試過程中我們發(fā)現(xiàn)使用dwt算法可以達到較好的效果，并且會有較好的魯棒性，所以我們最終采用dwt算法作為我們的核心算法，并以此為核心編寫出了程序。5 創(chuàng)新點和結論 在測試程序時，我們發(fā)現(xiàn)如果一段音頻中有大量的零值點則無法將水印信息添加到音頻中，結合現(xiàn)實中大量音頻會在開始的一段時間內有零值點。我們以

18、此為基礎，將加載水印的采樣點搬至出現(xiàn)非零值點之后，使音頻數(shù)據(jù)水印系統(tǒng)能夠避免因為音頻初始有大量零值點而無法正常運行。但若是在音頻數(shù)據(jù)的中間有少量零值點我們還沒法排除，這也是導致水印信息部分失真的主要原因。在客觀評論中我們組使用相關系數(shù)作為評價，得出相關系數(shù)為1。設音頻中共N個采樣點，每個分段有n個采樣點，則數(shù)據(jù)嵌入量P由下式表示：P=N2n，由于算法沒有分段表示，所以我們的算法是將水印信號加載到水印長度的低頻信號采樣點上，所以理論上說原信號的每一個采樣點都可以加載水印信息，所以嵌入容量值為0.5.但考慮到在正常音頻信號中有大量的零值點，我們只能夠排除音頻前的零值點，現(xiàn)有音頻的前0.25必有音頻

19、，所以我們設置嵌入容量為0.125.我們在音頻中加入的水印容量測試過將125k的音頻嵌入到3.3m的音頻中。6 成果的應用前景 在現(xiàn)在階段由于我們小組對于matlab軟件的不熟悉，浪費了大量時間在學習matlab上所以做出的成果比較粗糙，只完成了基本的功能即將音頻格式，圖片格式的水印信息嵌入到一段音頻中。由于采用了dwt算法在原則上使得嵌入容量得到擴展，可以讓一個不大于原音頻的文件嵌入到音頻中，但是由于有大量零值點的存在會讓得出的水印信息嚴重失真，所以建議嵌入不大于原音頻四分之一的大小的文件。所以本軟件系統(tǒng)主要用于音頻數(shù)據(jù)版權保護和傳輸小型加密文件。水印程序：Bmp_tupian:clccle

20、ar all; imagesignal=imread('水印.bmp');imagesignal=double(imagesignal);imagesignal=im2bw(imagesignal,0.7);imagesignal=imresize(imagesignal,128 128);%讀取水印圖片并將圖片大小改到合適大小 piexnum=1;for i=1:128 for j=1:128 waterimage_y(piexnum,1)=imagesignal(i,j); piexnum=piexnum+1; endendwaterimage_l=size(waterim

21、age_y);%將圖片降維 originalwav,fs,bit=wavread('原音頻.wav');c0,d0=dwt(originalwav,'haar');%進行小波變換c0_l=size(c0);for i=1:c0_l if c0(i,1)<=0.1 else l=i+1; break endendfor i=1:l-1 c1(i,1)=0;endfor i=l:waterimage_l+l-1 j=i-l+1; c1(i,1)=c0(i,1).*(1+0.1*waterimage_y(j,1);endfor i=waterimage_l+l:

22、c0_l c1(i,1)=c0(i,1);end%0.1為比例系數(shù)，用于控制修改變量，修改小波低頻系數(shù)嵌入水印%為消除音頻中的前面一段時間的空白音頻的干擾而進行的排除零值點的算法 emmedsignal=idwt(c1,d0,'haar');wavwrite(emmedsignal,fs,bit,'添加水印后的音頻.wav');%添加水印后的音頻 embedc0,embedd0=dwt(emmedsignal,'haar');c0,d0=dwt(originalwav,'haar');for i=l:waterimage_l+l-

23、1 j=i-l+1; newwater(j,1)=(c1(i,1)./c0(i,1)-1)./0.1;end%提取水印信息 ww=1;for i=1:128 for j=1:128 waterimage(i,j)=newwater(ww); ww=ww+1; endend%恢復水印圖片imwrite(waterimage,'提取的水印圖片.bmp','bmp'); cox1=(newwater'.*waterimage_y')/(norm(newwater)*norm(waterimage_y) figure(1);subplot(2,1,1);

24、imshow(imagesignal);subplot(2,1,2);imshow(waterimage); figure(2);subplot(211);plot(originalwav);subplot(212);plot(emmedsignal);Wav_yinpin:clcclear all; fs=44000;shuiyinwav=wavread('水印音頻.wav');shuiyinwav_l=size(shuiyinwav);%讀取水印音頻 originalwav,fs,bit=wavread('原音頻.wav');c0,d0=dwt(originalwav,'haar');%讀取原音頻并進行小波變換 c0_l=size(c0);for i=1:c0_l if c0(i,1)<=0.1 else l=i+1; break endendfor i=1:l-1 c1(i,1)=0;endfor i=l:shuiyinwav_l+l-1 j=i-l+1; c1(i,1)=c0(i,1).*(1+0.1*shuiyi