畢設(shè)論文-數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文摘要伴隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)多媒體技術(shù)的廣泛應(yīng)用,電子圖書、數(shù)碼照片、音頻視頻等數(shù)字產(chǎn)品已逐漸成為人們生活?yuàn)蕵返闹匾M成部分。這些數(shù)字產(chǎn)品具有易傳播性和易修改性,為維護(hù)數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)方的利益需對(duì)其進(jìn)行版權(quán)保護(hù)。數(shù)字水印技術(shù)就是為解決這一問題而誕生出來的技術(shù)手段。它是依據(jù)某種特定的算法,將簽名、序列號(hào)等身份認(rèn)證信息嵌入到數(shù)字產(chǎn)品中,并可將水印信息提取出來進(jìn)行甄別鑒定,來達(dá)到作品產(chǎn)權(quán)保護(hù)的目的。不可感知性和魯棒性是評(píng)價(jià)數(shù)字水印技術(shù)的主要指標(biāo)。本文是對(duì)數(shù)字音頻水印系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，通過學(xué)習(xí)數(shù)字音頻水印技術(shù)特點(diǎn)，以直觀的二值圖像作為水印信息，結(jié)合人類聽覺系統(tǒng)的特點(diǎn)，利用離散小波變換（DWT）的時(shí)頻分析特性和多分辨率分析特性，給出了一種基于離散小波變換的數(shù)字音頻水印算法。首先對(duì)作為水印的二值圖像進(jìn)行降維操作后，再對(duì)原始音頻信號(hào)進(jìn)行三級(jí)離散小波變換，然后進(jìn)行音頻分段，接著選擇離散小波變換細(xì)節(jié)高頻分量作為嵌入點(diǎn)，然后再通過修改原始音頻信號(hào)小波系數(shù)小數(shù)點(diǎn)后的奇偶性進(jìn)行數(shù)據(jù)的嵌入。本課題是針對(duì)音頻水印技術(shù)的相關(guān)操作,進(jìn)行實(shí)用性軟件產(chǎn)品開發(fā)的探索。其研究成果對(duì)音頻水印系統(tǒng)的推廣有一定的積極意義。關(guān)鍵詞：數(shù)字音頻水?。浑x散小波變換；LabVIEWAbstractAlongwiththerapiddevelopmentofscienceandtechnology,andthewideapplicationoftheInternetmultimediatechnology,digitalproductssuchase-books,digitalphotos,audioandvideohavegraduallybecomeanimportantpartofhuman'sliveandplay.Thesedigitalproductsareeasytomodifyandspread.Itisnecessarytoprotectthedigitalproductscopyrightinordertosafeguardtheproducers'benefit.Digitalwatermarkingtechnologyisaneffectivemeantosolvethisproblem.Itisbasedonsomeparticularalgorithmtoembedthesignature,serialnumberandotheridentityauthenticationinformationintodigitalproducts,andtoextractthewatermarkinformationforscreeningidentification,toachievethepurposeofprotectingthepropertyrightsofthework.Imperceptibilityandrobustnessarethemainfeaturesofthedigitalwatermark.Thispaperisaboutresearchanddesignofthedigitalaudiowatermarkingsystem，throughthestudyofthecharacteristicsofdigitalaudiowatermarking.Byusingthetwo-dimensionbinaryimageaswatermarkinginformationandintegratingtheHumanAuditorySystemandutilizingthespatiotemporalfrequencyandmulti-resolving-powercharacteristicofone-dimensiondiscretewavelettransform,aaudiodigitalwatermarkingalgorithmbasedonwavelettransformispresented.Firstshouldmakethebinaryimageasawatermarktoreducethedimensionoperations，andthenmaketheoriginalaudiosignalforthreediscretewavelettransform,thenselectthedetailsofthediscretewavelettransformhigh-frequencycomponentasanembeddedpoint.Andatlastbymodifyingthewaveletcoefficientsoftheparitytoembedthedata.Thisissueisrelatedtotheoperationoftheaudiowatermarkingtechnology,andisanexplorationofdevelopingthepracticalapplicationofthesoftwareproduct.Resultsoftheresearchhasapositivesignificancetopromoteaudiowatermarkingsystemproduct.Keywords:Audiodigitalwatermarking;DWT;LabVIEW目錄數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 1第1章緒論 11.1課題背景和意義 11.2數(shù)字水印技術(shù)概述 21.2.1數(shù)字水印的定義 21.2.2數(shù)字水印的分類 21.2.3數(shù)字水印的基本特征 31.2.4數(shù)字水印的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4第2章數(shù)字音頻水印概述 52.1數(shù)字音頻水印的概念 52.2數(shù)字音頻水印的基本要求 52.3數(shù)字音頻水印的特點(diǎn) 52.4常見數(shù)字水印的算法介紹 62.5數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的基本框架構(gòu)成和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn) 82.5.1數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的基本框架構(gòu)成 82.5.2數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn) 82.6本章小結(jié) 10第3章小波分析理論基礎(chǔ) 113.1小波分析概述 113.2傅里葉變換到小波變換 113.2.1傅里葉變換 113.2.2短時(shí)傅里葉變換 123.2.3小波變換 123.2.4小波變換的特點(diǎn) 143.3本章小結(jié) 14第4章基于離散小波變換的數(shù)字音頻水印算法 154.1離散小波變換數(shù)字音頻水印技術(shù) 154.2數(shù)字音頻水印嵌入算法 164.2.1數(shù)字音頻信號(hào)預(yù)處理 174.2.2水印圖像的預(yù)處理 174.2.3小波基的選取和水印嵌入點(diǎn)的選擇 184.2.4數(shù)字音頻水印的嵌入 194.3數(shù)字音頻水印的提取 214.4本章小結(jié) 22第5章數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 235.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 235.2系統(tǒng)的總體構(gòu)成 235.2.1數(shù)字音頻水印系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的軟件平臺(tái) 245.3系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 275.3.1原始音頻信號(hào)的錄入模塊 275.3.2小波分解模塊 305.3.3音頻分段模塊 315.3.4小波細(xì)節(jié)分量的系數(shù)修改模塊 315.3.5水印嵌入模塊 325.3.6奇偶性檢測模塊 335.3.7水印提取模塊 335.4數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì) 345.4.1音頻錄入界面 345.4.2水印圖像的讀取和嵌入界面 355.4.3提取和水印圖像寫入界面 355.5本章小結(jié) 36結(jié)論 37致謝 38參考文獻(xiàn) 39附錄A英文原文 40附錄B漢語翻譯 46數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)第1章緒論1.1課題背景和意義隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的迅速發(fā)展，人們?cè)诜奖愕孬@取信息和交流信息的同時(shí)，還需要能安全地存儲(chǔ)和傳輸信息，防止非法用戶和制造商進(jìn)行非法復(fù)制和盜版，因此如何對(duì)數(shù)字化信息進(jìn)行保護(hù)，有效地進(jìn)行知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)面臨嚴(yán)峻的問題。多媒體信息安全中傳統(tǒng)的加密系統(tǒng)并不能很好地解決版權(quán)保護(hù)問題。雖然經(jīng)過加密后只有被授權(quán)持有解密密鑰的人才可以存取數(shù)據(jù)，但是這樣就無法向更多的人展示自己的作品；而且數(shù)據(jù)一旦被解密，就完全置于解密人的控制之下，可以隨意地拷貝和傳播，這就是數(shù)字媒體內(nèi)容的超分布問題，它會(huì)給媒體內(nèi)容的創(chuàng)作者或制造商造成巨大的損失，在一定程度上制約著數(shù)字多媒體的廣泛應(yīng)用。數(shù)字版權(quán)保護(hù)技術(shù)(DigitalRightsManagement，DRM)就是以一定的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字內(nèi)容的保護(hù)，包括電子書、視頻、音頻、圖片等數(shù)字內(nèi)容。數(shù)字水印技術(shù)作為一種嶄新的信息安全技術(shù)，就是針對(duì)數(shù)字作品的版權(quán)保護(hù)而提出的。它是將具有確定性和保密性的信息有意識(shí)地嵌入到數(shù)字作品中，并作為原始數(shù)據(jù)的一部分而保留在其中，而且不影響原始數(shù)字作品的使用價(jià)值。即使在數(shù)字作品受到破壞或解密之后仍可用它來跟蹤數(shù)據(jù)的復(fù)制和傳播，用以證明數(shù)字作品的所有權(quán)，或作為鑒定盜版、侵權(quán)的證據(jù)，從而達(dá)到對(duì)數(shù)字作品的有效保護(hù)。而數(shù)字音頻水印技術(shù)就是基于數(shù)字音頻作品的版權(quán)保護(hù)而提出來的。數(shù)字水印的基本原理就是將具有特定意義的標(biāo)記，利用數(shù)字水印嵌入的方法隱藏在數(shù)字圖像、聲音、文檔、圖書、視頻等數(shù)字產(chǎn)品中，用以證明創(chuàng)作者對(duì)其作品的所有權(quán)，并作為鑒定、起訴非法侵權(quán)的證據(jù)，同時(shí)通過對(duì)水印的檢測和分析來保證數(shù)字信息的完整可靠性，從而成為知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和數(shù)字多媒體防偽的有效手段。在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)完整的水印系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必然包括水印的生成、嵌入和提取三部分。但近年來對(duì)視頻圖像水印的研究很多，而對(duì)數(shù)字音頻水印很少有報(bào)道，這是由于與圖像和視頻相比，音頻在每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)要少得多，也就意味著音頻信號(hào)中可嵌入的信息量要比可視媒體少得多。另外人類的聽覺系統(tǒng)要比人類的視覺系統(tǒng)靈敏的多，聽覺上的不可感知性實(shí)現(xiàn)起來要比視覺更困難。雖然如此，數(shù)字音頻水印仍有著重要的實(shí)用價(jià)值，比如軍事領(lǐng)域?qū)φZ音通訊隱秘性的要求，數(shù)字音頻制品版權(quán)保護(hù)的問題等。1.2數(shù)字水印技術(shù)概述1.2.1數(shù)字水印的定義數(shù)字水?。―igitalWatermarking）是將一些標(biāo)識(shí)信息(即數(shù)字水印)直接嵌入數(shù)字載體(包括多媒體、文檔、軟件等)當(dāng)中，但不影響原載體的使用價(jià)值，也不容易被人的知覺系統(tǒng)(如視覺或聽覺系統(tǒng))覺察或注意到。通過這些隱藏在載體中的信息，可以達(dá)到確認(rèn)內(nèi)容創(chuàng)建者、購買者、傳送隱秘信息或者判斷載體是否被篡改等目的。數(shù)字水印是信息隱藏技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。1.2.2數(shù)字水印的分類數(shù)字水印的分類方法有很多種，因分類條件的不同可以有很多種分類方式，它們之間既有聯(lián)系又有區(qū)別。現(xiàn)列舉最常見的分類方法包括以下幾種：（1）從來源劃分，獨(dú)立于圖象的水?。菏请S機(jī)產(chǎn)生的也可以是事先給定的。圖象自適應(yīng)的水?。豪迷紙D象的特性生成的水印。（2）按水印所依附的媒體劃分，有文本水印、圖像水印、音頻水印、視頻水印以及用于三維網(wǎng)格模型的網(wǎng)格水印等。（3）從含水印圖象的抗攻擊能力即魯棒性劃分：脆弱水?。簩?duì)任何圖象變換或處理都非常敏感。半脆弱水印：對(duì)某些特定的圖象處理方法有魯棒性而對(duì)其它的處理不具備魯棒性。魯棒水印：對(duì)常見的各種圖象處理方法都具備魯棒性。（4）從水印檢測是否需要原始圖象參與劃分，分為私有水印和公有水印。私有水印的檢測需要原始圖象的參與；公有水印不需要原始圖象的參與。（5）按水印外觀(可感知性)劃分，可以將數(shù)字水印劃分為可見水印(可感知水印)和不可見水印(不可感知水印)。目前，國內(nèi)外學(xué)者的研究焦點(diǎn)都集中在不可見水印(對(duì)于音頻來說是不可感知數(shù)字水印)技術(shù)方面。（6）按用途不同，劃分為票證防偽水印、版權(quán)保護(hù)水印、篡改提示水印和隱蔽標(biāo)識(shí)水印。票證防偽水印是一類比較特殊的水印，主要用于打印票據(jù)和電子票據(jù)、各種證件的防偽。一般來說，偽幣的制造者不可能對(duì)票據(jù)圖像進(jìn)行過多的修改，所以，諸如尺度變換等信號(hào)編輯操作是不用考慮的。但另一方面，人們必須考慮票據(jù)破損、圖案模糊等情形，而且考慮到快速檢測的要求，用于票證防偽的數(shù)字水印算法不能太復(fù)雜。版權(quán)標(biāo)識(shí)水印是目前研究最多的一類數(shù)字水印。數(shù)字作品既是商品又是知識(shí)作品，這種雙重性決定了版權(quán)標(biāo)識(shí)水印主要強(qiáng)調(diào)隱蔽性和魯棒性，而對(duì)數(shù)據(jù)量的要求相對(duì)較小。篡改提示水印是一種脆弱水印，其目的是標(biāo)識(shí)原文件信號(hào)的完整性和真實(shí)性。隱蔽標(biāo)識(shí)水印的目的是將保密數(shù)據(jù)的重要標(biāo)注隱藏起來，限制非法用戶對(duì)保密數(shù)據(jù)的使用。1.2.3數(shù)字水印的基本特征數(shù)字水印系統(tǒng)必須滿足一些特定的條件才能使其在數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)和完整性鑒定方面成為值得信賴的應(yīng)用體系。一個(gè)安全可靠的水印系統(tǒng)一般應(yīng)滿足如下要求：(1)隱蔽性也稱不可感知性，即對(duì)于不可見水印處理系統(tǒng)，水印嵌入算法不應(yīng)產(chǎn)生可感知的數(shù)據(jù)修改，也就是水印在通常的視覺條件下應(yīng)該是不可見的，水印的存在不會(huì)影響作品的視覺效果。(2)魯棒性水印必須很難去掉，最好希望是不可能去掉，所以數(shù)字水印必須能夠抵抗傳輸過程中可能受到的干擾，能夠使得版權(quán)信息最終仍能夠被提取出來，以證明作品的所有權(quán)。數(shù)字水印的根本目標(biāo)是通過一種不引起被保護(hù)作品感知上退化，又難以被未授權(quán)用戶刪除的方法向一個(gè)數(shù)字作品中嵌入一個(gè)標(biāo)記。總的來說，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，數(shù)字水印應(yīng)該具有抵抗一般信號(hào)處理的穩(wěn)健性。即使原始數(shù)據(jù)經(jīng)過了如A/D、D/A轉(zhuǎn)換，重新采樣，重新量化，或者某種信號(hào)的增強(qiáng)，如圖像的亮度、對(duì)比度，聲音的低音和顫音等處理，仍然要保證水印的存在性。其次，數(shù)字水印應(yīng)具有幾何變換下的穩(wěn)健性。即數(shù)字作品中嵌入的水印應(yīng)該在旋轉(zhuǎn)、縮放和剪切等幾何變換下仍然保留它所攜帶的信息。再者，數(shù)字水印應(yīng)該具有抵抗惡意攻擊的穩(wěn)健性。指即使攻擊者獲得了大量攜帶水印的數(shù)據(jù)，也不能據(jù)此在不破壞原圖的情況下偽造出一個(gè)新的帶水印作品或擦除水印作品中的水印標(biāo)記。(3)抗竄改性與抗毀壞的魯棒性不同，抗竄改性是指水印一旦嵌入到載體中，攻擊者就很難改變或偽造。魯棒性要求高的應(yīng)用，通常也需要很強(qiáng)的抗竄改性。在版權(quán)保護(hù)中，要達(dá)到好的抗竄改性是比較困難的。(4)水印容量嵌入的水印信息必須足以表示多媒體內(nèi)容的創(chuàng)建者或所有者的標(biāo)志信息，或是購買者的序列號(hào)。這樣在發(fā)生版權(quán)糾紛時(shí)，創(chuàng)建者或所有者的信息用于標(biāo)示數(shù)據(jù)的版權(quán)所有者，而序列號(hào)用于標(biāo)示違反協(xié)議而為盜版提供多媒體數(shù)據(jù)的用戶。(5)安全性應(yīng)確保嵌入信息的保密性和較低的誤檢測率。水印可以是任何形式的數(shù)據(jù)，比如數(shù)值、文本、圖像等。所有的水印都包含一個(gè)水印嵌入系統(tǒng)和水印恢復(fù)系統(tǒng)。(6)自恢復(fù)性：指數(shù)字水印系統(tǒng)能夠從被操作變換后遭到破壞的片段數(shù)據(jù)中恢復(fù)隱藏的水印信息，且不需要宿主信號(hào)的性能。1.2.4數(shù)字水印的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀數(shù)字水印技術(shù)是解決版權(quán)保護(hù)問題的有效手段，有著良好的應(yīng)用前景，它已經(jīng)引起國內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)和公司的極大關(guān)注。從20世紀(jì)90年代初開始，數(shù)字水印、數(shù)字隱藏和傳統(tǒng)的密碼學(xué)方法相結(jié)合進(jìn)行知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的研究，已經(jīng)成為一個(gè)非?；钴S的課題。國際上，以麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室為代表的一批研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)申請(qǐng)了數(shù)字水印方面的專利。目前開展數(shù)字水印研究的大公司有IBM公司W(wǎng)atson研究中心，微軟公司劍橋研究院，貝爾實(shí)驗(yàn)室等，其中美國軍方和財(cái)政部也給予了極大的支持。國內(nèi)學(xué)術(shù)界，有一批有實(shí)力的科研機(jī)構(gòu)投入到這一領(lǐng)域的研究中來，像天津大學(xué)、西安交通大學(xué)、中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所模式識(shí)別國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、武漢大學(xué)等等取得不少研究成果。目前數(shù)字水印的研究中已經(jīng)提出很多方法。一般根據(jù)嵌入水印時(shí)對(duì)音頻信號(hào)的處理方式不同，可把水印算法分為時(shí)域水印算法和變換域水印算法。時(shí)域算法的主要代表有LSB方法、回聲隱藏等。時(shí)域數(shù)字水印算法是在時(shí)域中修改信號(hào)樣本達(dá)到嵌入水印的目的。而變換域水印技術(shù)通過修改變換域系數(shù)來隱藏水印。常用的變換域方法有DFT、DCT、DWT、KLT等方法。第2章數(shù)字音頻水印概述2.1數(shù)字音頻水印的概念數(shù)字音頻水印是利用數(shù)字音頻信號(hào)中存在冗余信息的特性，在不影響音頻信息質(zhì)量的前提條件下，把額外的預(yù)制水印隱匿于其中的技術(shù)。數(shù)字音頻水印是一個(gè)多學(xué)科高度交叉的新興研究領(lǐng)域。它涉及了音頻的信號(hào)處理和密碼學(xué)、通信理論、編碼理論、信號(hào)壓縮和人類聽覺理論等多門學(xué)科，有著很高的實(shí)用價(jià)值。2.2數(shù)字音頻水印的基本要求根據(jù)音頻數(shù)據(jù)和人耳的聽覺特性，要想成功的在數(shù)字音頻媒體中嵌入水印，要充分的注意以下幾點(diǎn)要求：(1)嵌入水印時(shí)，應(yīng)把水印嵌入到音頻媒體數(shù)據(jù)中，不能存儲(chǔ)在文件頭或是單獨(dú)文件形式存在，否則很容易被去除或改變。(2)嵌入水印后，水印不應(yīng)對(duì)原始的音頻媒體的聲音質(zhì)量造成可以察覺的失真，應(yīng)該具有透明性。(3)預(yù)制水印必須具有一定的魯棒性，能夠抵抗音頻媒體的濾波、壓縮、重采樣，剪切、加噪聲等一般信號(hào)處理。(4)水印應(yīng)易于嵌入、檢測和提取，計(jì)算量要盡可能的低，以方便集成到一般性的電子產(chǎn)品中。(5)最好可以實(shí)現(xiàn)盲檢測，因?yàn)橥ǔＧ闆r下尋找原始音頻比較困難，盲水印具有更好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。(6)水印算法應(yīng)該公開，其安全性最好依賴于密鑰而不是算法的秘密性。通過上述的幾點(diǎn)要求，可以看出要設(shè)計(jì)一個(gè)音頻水印系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上述的要求達(dá)到最優(yōu)化是比較困難的。有些特性會(huì)發(fā)生沖突，如魯棒性和透明性。因此所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)該盡可能的平衡這些要求，并且能夠?qū)Σ煌膽?yīng)用場合做出相關(guān)特性的調(diào)整。2.3數(shù)字音頻水印的特點(diǎn)因?yàn)槿说穆犛X和視覺的特性差異比較大，所以相對(duì)于圖像和視頻水印，數(shù)字音頻水印具有自己的一些特性：(1)帶寬不同。音頻信號(hào)是一維的，而圖像信息是二維的。(2)人的聽覺模型和視覺模型也很不一樣。首先，人對(duì)圖像的感知是靠圖像的光的亮度和圖像的色彩；而人對(duì)音頻信息的感知是靠聲音的強(qiáng)弱（聲強(qiáng)）和音調(diào)的高低（頻率）。通常情況下，人耳可以看作一個(gè)濾波器，來直接感知聲音的頻率。研究上，通常把人耳聽覺系統(tǒng)的一些感知特性用心理聲學(xué)模型描述。（心理聲學(xué)是研究聲音和它引起的聽覺之間關(guān)系的一門邊緣學(xué)科）(3)在信息的處理方面，對(duì)圖像來說，把圖像變換到頻域時(shí)，人眼對(duì)圖像的相位變化的感知很敏銳；對(duì)聲音來說，把聲音變換到頻域時(shí)，人耳對(duì)信號(hào)的周期性變化即音調(diào)感知很敏感，但對(duì)聲音信息的相位的感知不敏感。由此可以體現(xiàn)出，視覺和聽覺感知的很大差異。(4)在感知的范圍方面，相對(duì)于人眼對(duì)顏色的感知，人耳對(duì)不同頻率信號(hào)的敏感差異程度很大。一般，人耳對(duì)2~4KHz范圍的信號(hào)最為敏感，而在低頻區(qū)和高頻區(qū)，能被人耳聽到的信號(hào)幅度要高的多，相差能超過107倍。2.4常見數(shù)字水印的算法介紹近年來，數(shù)字水印技術(shù)研究取得了很大的進(jìn)步，下面對(duì)一些典型的算法進(jìn)行介紹和分析，一般根據(jù)水印嵌入時(shí)嵌入域的不同，可以把數(shù)字音頻水印算法分為時(shí)域水印算法和變換域水印算法。前者直接將水印信息嵌入到音頻信號(hào)時(shí)域選定的采樣數(shù)據(jù)中，主要算法有最低有效位法（LSB）和回聲隱藏（EchoHiding）；而變換域水印算法首先要對(duì)音頻信號(hào)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q，然后再將水印信息嵌入到變換域選定的系數(shù)上，最后通過相應(yīng)的反變換重構(gòu)出含水印信息的媒體信號(hào)，常用變換域方法有離散小波變換法（DWT）離散傅里葉變換法（DFT）、離散余弦變換法（DCT）和離散傅里葉變換法（DFT）等。（a）時(shí)域水印算法（1）最低有效位法（LSB）最低有效位法（LSB）是一種最簡單的數(shù)據(jù)嵌入方法。任何的秘密數(shù)據(jù)都可以看作是一串二進(jìn)制位流，同時(shí)音頻文件的每一個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)也可以用二進(jìn)制數(shù)來表示。那么可以將每個(gè)采樣值的最不重要的二進(jìn)制位，一般情況下認(rèn)為是最低位用代表秘密數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位代替，用以達(dá)到在音頻信號(hào)中嵌入秘密數(shù)據(jù)的目的。（2）回聲隱藏（EchoHiding）回聲隱藏法是音頻水印嵌入算法中一種經(jīng)典算法。它充分的利用了人類聽覺系統(tǒng)的特性：音頻信號(hào)在時(shí)域的向后屏蔽作用，即弱信號(hào)在強(qiáng)信號(hào)消失之后變得無法聽見。科學(xué)研究表明，弱信號(hào)在強(qiáng)信號(hào)消失之后的50~200ms出現(xiàn)不容易被人耳察覺。（b）變換域水印算法（1）離散傅里葉變換（DFT）算法DFT變換域水印算法是Tilki和Beex于1996年提出的。DFT算法的主要方法是：先對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變換，然后選擇其中頻率范圍為2.4~6.4KHz的離散傅里葉變換系數(shù)嵌入水印，然后再用表示水印序列的頻譜分量來替換相應(yīng)的離散傅里葉變換系數(shù)。（2）離散余弦變換（DCT）算法DCT變換域水印算法是Wangye等于1998年提出的。DCT算法的主要方法是：通過離散余弦變換來確定數(shù)字音頻水印信號(hào)中頻系數(shù)，用以嵌入水印。驗(yàn)證時(shí)，衡量提取出的水印同原水印之間的相似性來判斷是否加入了水印，然后再通過進(jìn)行逆變換得到嵌入水印后的音頻序列。（3）離散小波變換（DWT）算法離散小波變換（DWT）算法的基本理論知識(shí)將在下面的章節(jié)進(jìn)行更深入的闡述。簡單的說，DWT算法的主要方法是：用Daubechies-4Hilbert小波基對(duì)原始語音信號(hào)進(jìn)行N級(jí)小波分解，然后對(duì)N級(jí)的粗糙分量保留不予處理，對(duì)N級(jí)的精細(xì)分量進(jìn)行相應(yīng)處理，用以嵌入水印信息。（c）時(shí)域水印算法和變換域水印算法的比較總的來說，與時(shí)域的方法相比，變換域的方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）在變換域中嵌入的水印信號(hào)能量可以分布到時(shí)域的所有像素上，有利于保證水印的不可見性。（2）在變換域，人類視覺系統(tǒng)(HVS)的某些特性（如頻率掩蔽特性）可以更方便地結(jié)合到水印編碼過程中，使其隱蔽性更好。（3）變換域的方法可與國際數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)兼容，從而易實(shí)現(xiàn)在壓縮域內(nèi)的水印算法，同時(shí)也能抵抗相應(yīng)的有損壓縮。（d）當(dāng)前算法研究中存在的不足到目前為止，雖然一些較為有效的算法已經(jīng)相繼提出，但在數(shù)字音頻水印研究中還存在一些較為突出的問題，概括為以下五個(gè)方面：（1）數(shù)字音頻水印性能的客觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)還不能夠完全貼近實(shí)際，具體標(biāo)準(zhǔn)在本章的后面會(huì)詳細(xì)講述。（2）在數(shù)字圖像和視頻水印算法研究中，可以利用國際通用的標(biāo)準(zhǔn)樣本進(jìn)行測試，以確定算法的優(yōu)劣和特點(diǎn)；但在數(shù)字音頻水印方法中，還沒有出現(xiàn)諸如圖像的Lena這樣的標(biāo)準(zhǔn)測試樣本，這給客觀評(píng)價(jià)水印性能帶來極大困難。（3）同步問題是數(shù)字音頻水印需要解決的關(guān)鍵問題之一。音頻信號(hào)作為時(shí)間軸上的一維信號(hào)，其采樣點(diǎn)的數(shù)量通常在信號(hào)處理前后會(huì)發(fā)生變化，或者數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生位移。因此，如何判別水印的嵌入位置成了正確提取水印信息的前提條件。但在實(shí)際中，缺乏同步的算法對(duì)于剪裁、時(shí)間伸縮等攻擊的魯棒性不強(qiáng)。（4）在非壓縮域的算法中，存在一個(gè)極大的爭議：目前以MPEGAudio為代表的壓縮算法主要利用了音頻信號(hào)的掩蔽特性，從而壓縮域中的許多算法正是把水印嵌入在這些冗余成分中，因此這樣的算法能否抵抗音頻壓縮成為一個(gè)爭議。（5）有些數(shù)字水印算法在提取水印時(shí)必須依靠原始數(shù)字音頻信號(hào)，不能實(shí)現(xiàn)盲水印，這往往會(huì)限制數(shù)字音頻水印算法在工程實(shí)際中的應(yīng)用。2.5數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的基本框架構(gòu)成和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)2.5.1數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的基本框架構(gòu)成一般情況下，數(shù)字音頻水印系統(tǒng)包括三個(gè)部分內(nèi)容：水印信號(hào)的生成，水印的嵌入和水印的提取。下面圖2.1給出了數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的一般模型：水印信息水印提取預(yù)制水印水印信息水印提取預(yù)制水印音頻播放數(shù)字音頻信號(hào)音頻播放數(shù)字音頻信號(hào)數(shù)字音頻的發(fā)布水印嵌入數(shù)字音頻信號(hào)圖2.1數(shù)字音頻水印系統(tǒng)通用模型2.5.2數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)研究表明，相對(duì)于圖像和視頻，音頻信號(hào)中的信息隱藏相對(duì)較難。原因在于：一方面人的聽覺比視覺要敏感，所以對(duì)數(shù)字音頻水印算法的不可感知性和魯棒性要求很高；另一方面，現(xiàn)階段對(duì)音頻信號(hào)的評(píng)價(jià)還沒有一個(gè)比較有效的衡量標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在通常把音頻水印的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為主觀和客觀兩類。(1)主觀評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)主觀評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)是利用人耳聽覺的主觀評(píng)價(jià)來判斷算法的質(zhì)量，所以對(duì)于一個(gè)相對(duì)成功的音頻水印而言，嵌入水印后不應(yīng)該影響音頻信號(hào)的聽覺質(zhì)量?，F(xiàn)在，最常用的主觀評(píng)定方法是主觀平均判分法，該方法需要召集若干實(shí)驗(yàn)者，由他們對(duì)音頻信號(hào)的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)分，然后再求出平均分值作為對(duì)音頻信號(hào)質(zhì)量的評(píng)價(jià)結(jié)果。下面給出評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)表如表2.1所示。表2.1音頻信號(hào)質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)質(zhì)量等級(jí)失真級(jí)別5優(yōu)無察覺4良有察覺但不厭煩3中有察覺，有厭煩2差反感1劣極反感通過上面的表格可以看出，主觀評(píng)定受到很多外界因素的制約，很難確保評(píng)價(jià)結(jié)果的一致性，并且在采樣的過程中費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所以在研究和開發(fā)階段很不實(shí)用。(2)客觀評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)客觀測度作為一個(gè)可以定量評(píng)價(jià)數(shù)字音頻水印的標(biāo)準(zhǔn)，在性能評(píng)價(jià)中占有十分重要的地位【16】。通常情況下，可以對(duì)不同嵌入機(jī)制的音頻水印算法采用不同的客觀度量方法，常用的客觀評(píng)價(jià)方法有：（a）信噪比（SNR）如果把嵌入的水印信號(hào)看作是原始音頻信號(hào)上的噪聲，則可以通過計(jì)算信噪比來衡量嵌入的水印信號(hào)對(duì)音頻信號(hào)的影響程度。一般來說，信噪比越大，說明混在信號(hào)里的噪聲越小，聲音回放的音質(zhì)量越高，否則相反。信噪比一般不應(yīng)該低于70dB。假設(shè)原始音頻信號(hào)即宿主信號(hào)為，嵌入水印的音頻信號(hào)即隱秘信號(hào)為，則信噪比（單位為dB）表示為：（2.1）其中，為音頻信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù),為音頻信號(hào)的總長度，且。（b）峰值信噪比（PSNR）如果把嵌入的水印信號(hào)看作是原始音頻信號(hào)上的噪聲，則可以通過計(jì)算信噪比來衡量嵌入的水印信號(hào)對(duì)音頻信號(hào)的影響程度。其中，PSNR值越大，就代表失真越少。PSNR計(jì)算公式為：（2.2）其中，為音頻信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù),為音頻信號(hào)的總長度，且。由此，通過上述兩種方法可以定量的衡量數(shù)字音頻水印系統(tǒng)水印嵌入的好壞。（c）誤碼率(BER)用來衡量水印算法的準(zhǔn)確性。其定義為:BER=錯(cuò)誤的比特?cái)?shù)原始水印比特?cái)?shù)×100%其中錯(cuò)誤比特?cái)?shù)為原始水印與提取水印相比較中不一樣的部分。它體現(xiàn)了水印系統(tǒng)的水印檢測性能,也代表了水印系統(tǒng)具備的魯棒性能。由于音頻文件在實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)受到一定的干擾,這導(dǎo)致水印信息不能完全提取,這種誤差是允許的,一般認(rèn)為誤碼率在3%以下,水印系統(tǒng)就是可靠的。2.6本章小結(jié)本章概述了數(shù)字音頻水印技術(shù)的一些基礎(chǔ)知識(shí)；介紹了數(shù)字音頻水印的概念及技術(shù)基本要求；闡述了音頻水印的特點(diǎn)；同時(shí)介紹了已有的音頻水印算法；給出了數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的理論框架定義；最后給出了對(duì)水印的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。第3章小波分析理論基礎(chǔ)3.1小波分析概述小波分析（waveletanalysis）是近20年來發(fā)展起來的數(shù)學(xué)分支，它是Fourier分析劃時(shí)代發(fā)展的結(jié)果。它對(duì)數(shù)學(xué)和工程應(yīng)用的發(fā)展都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。小波分析廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理、圖像處理與分析、語音識(shí)別與合成、量子場論、地震勘探、CT成像、機(jī)器視覺、機(jī)器故障診斷、自動(dòng)控制、天體物理、分形等領(lǐng)域。原則上講，傳統(tǒng)上使用Fourier分析的地方，現(xiàn)在都可以用小波分析取代，小波分析由于Fourier分析的是，它在時(shí)域和頻域同時(shí)具有良好的局部化性質(zhì)，因此很適合于探測正常信號(hào)中還夾帶的瞬態(tài)反?，F(xiàn)象并展示其成分，因此被譽(yù)為分析信號(hào)的顯微鏡，在科學(xué)技術(shù)界受到了廣泛重視。3.2傅里葉變換到小波變換3.2.1傅里葉變換傳統(tǒng)的信號(hào)分析一般是建立在傅里葉變換的基礎(chǔ)上的，傅里葉變換作為重要的應(yīng)用工具在很多科學(xué)領(lǐng)域扮演著重要的角色，特別在信號(hào)處理、圖像處理、量子物理等方面。傅里葉變換定義為：設(shè)ft?L2(R)Ff(t)=它的基exp（jwt）是一組正交基，傅氏變換體現(xiàn)的是一種全局變換，有著實(shí)際的物理意義。傅氏變換實(shí)現(xiàn)了時(shí)域和頻域的轉(zhuǎn)換，可以使很多在時(shí)域難以分清和解決的問題在頻域里一目了然的解決掉。盡管傅氏變換實(shí)現(xiàn)了信號(hào)時(shí)域特性和頻域特性的聯(lián)系，但是卻沒能把二者有機(jī)的結(jié)合起來。由于傅氏變換是整個(gè)時(shí)域內(nèi)的積分，所以缺失了局部化分析信號(hào)的功能，由此導(dǎo)致了傅里葉分析只能分析信號(hào)在整個(gè)時(shí)域的頻譜。但是，信號(hào)的非平穩(wěn)特性是在局部體現(xiàn)的，所以為了克服傅氏變換的這一缺點(diǎn)，只能進(jìn)一步尋求更好的解決方法。那么，短時(shí)傅里葉變換和小波變換就是在這樣的一種情形下產(chǎn)生的。3.2.2短時(shí)傅里葉變換短時(shí)傅里葉變換（STFT）是和傅里葉變換相關(guān)的一種數(shù)學(xué)變換，用以確定時(shí)變信號(hào)其局部區(qū)域正弦波的頻率與相位。它的思想是：選擇一個(gè)時(shí)頻局部化的窗函數(shù)，假定分析窗函數(shù)g(t)在一個(gè)短時(shí)間間隔內(nèi)是平穩(wěn)（偽平穩(wěn)）的，移動(dòng)窗函數(shù)，使f(t)g(t)在不同的有限時(shí)間寬度內(nèi)是平穩(wěn)信號(hào)，從而計(jì)算出各個(gè)不同時(shí)刻的功率譜。短時(shí)傅里葉變換使用一個(gè)固定的窗函數(shù)，窗函數(shù)一旦確定了以后，其形狀就不再發(fā)生改變，短時(shí)傅里葉變換的分辨率也就確定了。如果要改變分辨率，則需要重新選擇窗函數(shù)。其定義為：SFf但是，通過實(shí)驗(yàn)表明短時(shí)傅里葉變換用來分析分段平穩(wěn)信號(hào)或者近似平穩(wěn)信號(hào)猶可，但是對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào)，當(dāng)信號(hào)變化劇烈時(shí)，要求窗函數(shù)有較高的時(shí)間分辨率，而波形變化比較平緩的時(shí)刻，主要是低頻信號(hào)，則要求窗函數(shù)有較高的頻率分辨率。所以，短時(shí)傅里葉變換不能兼顧頻率與時(shí)間分辨率的需求。這也就從另一個(gè)側(cè)面說明了短時(shí)傅里葉變換窗函數(shù)的時(shí)間與頻率分辨率不能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)。因此，為了尋求更好的解決方法，小波變換就產(chǎn)生了。3.2.3小波變換1、小波變換的由來傳統(tǒng)的信號(hào)理論，是建立在Fourier分析基礎(chǔ)上的，而Fourier變換作為一種全局性的變化，其有一定的局限性。在實(shí)際應(yīng)用中人們開始對(duì)Fourier變換進(jìn)行各種改進(jìn)，小波分析由此產(chǎn)生了。小波分析是一種新興的數(shù)學(xué)分支，它是泛函數(shù)、Fourier分析、調(diào)和分析、數(shù)值分析的最完美的結(jié)晶。小波變換與Fourier變換相比，是一個(gè)時(shí)間和頻域的局域變換因而能有效地從信號(hào)中提取信息，通過伸縮和平移等運(yùn)算功能對(duì)函數(shù)或信號(hào)進(jìn)行多尺度細(xì)化分析，解決了Fourier變換不能解決的許多困難問題。小波變換的概念是1984年法國從事石油信號(hào)處理的工程師J.Motlet在分析處理地球物理勘探資料時(shí)提出來的。小波變換的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是19世紀(jì)的傅里葉變換，其后理論物理學(xué)家A.Grossman采用平移和伸縮不變性建立了小波變換的理論體系。1985年，法國數(shù)學(xué)家Y.Meyer第一個(gè)構(gòu)造出具有一定衰減性的光滑小波。1988年，比利時(shí)女?dāng)?shù)學(xué)家I.Daubechies證明了緊支撐正交標(biāo)準(zhǔn)小波基的存在性，使得離散小波分析成為可能。1989年S.Mallat提出了多分辨率分析概念，統(tǒng)一了在此之前的各種構(gòu)造小波的方法，特別是提出了二進(jìn)小波變換的快速算法，使得小波變換完全走向?qū)嵱眯浴?、DWT變換理論小波分析的基本思想是用一族函數(shù)去表示或逼近一個(gè)信號(hào)或函數(shù)，這一族函數(shù)稱為小波函數(shù)系，它是通過一個(gè)基本小波函數(shù)在不同尺度上的平移和伸縮構(gòu)成的。小波函數(shù)系表示的特點(diǎn)是它的時(shí)寬、帶寬乘積很小，而且在時(shí)間和頻率軸上都很集中。但一般信號(hào)經(jīng)過連續(xù)小波變換后，常常冗余量很大，不利于利用計(jì)算機(jī)處理，因此導(dǎo)致計(jì)算機(jī)計(jì)算速度慢，效率低。因此在實(shí)際應(yīng)用中，常使用的是小波變換的離散形式，即離散小波變換（DWT）。信號(hào)的連續(xù)小波變換，式中,a、b和都是連續(xù)不變量。所以為了實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行小波變換，相應(yīng)的算式中a、b也應(yīng)取離散值。另一方面從減少信息冗余量的的角度分析,a、b也沒有必要選取連續(xù)值。現(xiàn)階段常采用的方法是對(duì)尺度a按冪級(jí)數(shù)進(jìn)行離散化，即讓尺度a=a0j,j=1,2,3,..,N。尺度擴(kuò)大a0j倍時(shí)，意味著頻率降低a0j倍。另外也將時(shí)間位移現(xiàn)假定離散是二進(jìn)制離散，即令，，，令，為時(shí)間采樣間隔。此時(shí)，小波函數(shù)序列可以表示為：對(duì)信號(hào)的離散小波變換（DWT）可表示為：如果，則可稱系數(shù)的集合為函數(shù)的離散小波變換。3.2.4小波變換的特點(diǎn)小波分析作為一種時(shí)間尺度分析方法，已經(jīng)在信號(hào)處理、模式識(shí)別、地球物理等工程領(lǐng)域取得了很好的應(yīng)用效果。在數(shù)字水印和信息隱藏中，已經(jīng)出現(xiàn)不少優(yōu)秀的基于小波變換的算法，并且多數(shù)要優(yōu)于相同條件下基于DFT、DCT等傳統(tǒng)頻域變換的算法。它的優(yōu)勢和特點(diǎn)體現(xiàn)在：（1）同時(shí)具有時(shí)域、頻域的局部化信息。小波分析既具有傅里葉分析的頻域處理能力，同時(shí)又彌補(bǔ)了傳統(tǒng)傅里葉分析無時(shí)域局部化信息的致命弱點(diǎn)，能夠完美的勝任語音的非平穩(wěn)信號(hào)處理。一般在小波變換域嵌入水印，可以充分利用小波變換的時(shí)頻局部化特性，在音頻信號(hào)中嵌入盡可能高強(qiáng)度的水印信號(hào)。（2）小波變換具有多分辨率，也叫多尺度的特點(diǎn)，可以對(duì)人耳聽覺系統(tǒng)進(jìn)行更好的模擬。它可以把信號(hào)分成獨(dú)立的子帶進(jìn)行獨(dú)立的處理，相對(duì)離散余弦變換這種方法更接近模擬人耳聽覺系統(tǒng)。（3）具有靈活多樣的基函數(shù)。使用不同的基函數(shù)可以得到不同的特征提取，所以對(duì)于復(fù)雜性的語音信號(hào)，它提供了靈活多樣的處理方式。（4）具有快速算法，方便利用軟件實(shí)現(xiàn)。通過上述的幾個(gè)小波變換的特點(diǎn)，再結(jié)合人耳的聽覺掩蔽特性。可以先對(duì)原始的音頻信號(hào)進(jìn)行小波分解，然后在原始音頻信號(hào)的小波分解系數(shù)上加入相應(yīng)的水印小波分解系數(shù)，最后經(jīng)過小波重構(gòu)生成含有水印信息的音頻信號(hào)。應(yīng)用這種算法可以最大限度地隱藏信息而不容易被感覺到，并且計(jì)算量相對(duì)較少。DWT小波變換克服了短時(shí)傅里葉變換的時(shí)間分辨率和頻率分辨率在整個(gè)時(shí)頻平面上固定不變的缺點(diǎn)，將時(shí)間軸和頻率軸做非均勻劃分。時(shí)頻分辨率隨頻率而變化，在低頻段用高的頻率分辨率和低的時(shí)間分辨率（寬的分析窗口），而在高頻段則用低的頻率分辨率和高的時(shí)間分辨率（窄的分析窗口），這種時(shí)頻特性非常適合用于對(duì)音頻信號(hào)的分析和處理。3.3本章小結(jié)小波分析是一門新興理論，它克服了傳統(tǒng)傅里葉分析的不足，在時(shí)域和頻域都有良好的局部化特性，因此在數(shù)字水印技術(shù)研究中被廣泛采用。本章主要介紹了小波分析的基礎(chǔ)知識(shí)，描述了小波分析的定義，討論了小波分析的特點(diǎn)，比較了小波分析與傳統(tǒng)的傅里葉變換分析的異同，由此引出了一種基于DWT的音頻水印技術(shù)。第4章基于離散小波變換的數(shù)字音頻水印算法與傳統(tǒng)的傅里葉變換相比，小波變換是一個(gè)時(shí)間和頻率的局部變換，具有很好的局部化特性。它的出現(xiàn)，對(duì)工程技術(shù)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。小波變換能對(duì)函數(shù)或信號(hào)進(jìn)行多尺度細(xì)化分析，解決了傅里葉變換不能解決的許多困難問題，目前小波變換已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，是數(shù)字信號(hào)處理很實(shí)用且有效的手段。4.1離散小波變換數(shù)字音頻水印技術(shù)因?yàn)樾〔ㄓ蚯度胨【哂辛己玫姆€(wěn)健性，所以對(duì)于音頻信號(hào)這樣的時(shí)變信號(hào)，小波變換非常適合。一般常用的基于小波變換的數(shù)字音頻水印嵌入與提取的算法步驟如下：（1）水印嵌入算法：第一，對(duì)原始音頻信號(hào)進(jìn)行L級(jí)小波分解，得到不同級(jí)別分辨率下的細(xì)節(jié)分量和逼近分量，對(duì)逼近分量予以保留，而對(duì)細(xì)節(jié)分量進(jìn)行后面的處理；第二，對(duì)待嵌入的水印信息進(jìn)行一級(jí)分解，得到N個(gè)細(xì)節(jié)分量和逼近分量；第三，對(duì)原始信號(hào)小波變換后的部分細(xì)節(jié)分量進(jìn)行水印嵌入處理：（4.1）其中用來控制水印嵌入強(qiáng)度，其值大，嵌入水印信號(hào)強(qiáng)度大，受攻擊時(shí)魯棒性好，但對(duì)原始信號(hào)影響大；其值小，嵌入水印信號(hào)弱，不易被察覺，但抵抗干擾能力差。第四，對(duì)嵌入水印后的音頻段和逼近分量進(jìn)行小波重構(gòu)，得到含水印信號(hào)的音頻信號(hào)。（2）水印提取算法為：第一，對(duì)待檢測的音頻信號(hào)進(jìn)行等同于嵌入步驟的小波變換；第二，對(duì)第級(jí)的細(xì)節(jié)分量，利用原始語音信號(hào)找到隱藏了個(gè)隨機(jī)數(shù)的位置，求出；第三，求與的相關(guān)數(shù)據(jù)，從這個(gè)相關(guān)數(shù)據(jù)中就可以判斷是不是有正確的水印信號(hào)存在。第四，通過相關(guān)數(shù)據(jù)，提取水印信息。通過上述的步驟可以看出，所選用的算法簡單易行，很好的利用了小波變換快速、簡單的特點(diǎn)，并且因?yàn)樗⌒盘?hào)隱藏在信號(hào)第級(jí)的細(xì)節(jié)分量中，所以它的抗干擾能力比較強(qiáng)。由于信號(hào)處理大多影響的是音頻信號(hào)的低頻部分，所以即使水印信號(hào)受到影響，還是可以檢測出它的存在的。4.2數(shù)字音頻水印嵌入算法為了尋求滿足安全可靠性，不易察覺性，魯棒性等諸多條件約束下的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，通常需要考慮嵌入信息的預(yù)處理，嵌入點(diǎn)的選擇，嵌入方式的設(shè)計(jì)等諸多技術(shù)環(huán)節(jié)。首先要選取合適的小波基來確定水印嵌入的穩(wěn)健性，然后再根據(jù)人耳聽覺系統(tǒng)特性來提高水印穩(wěn)健性。一般在滿足不可感知的前提下，盡可能提高局部嵌入水印的強(qiáng)度。因?yàn)樗∏度肟煽醋魇窃谝粋€(gè)強(qiáng)信號(hào)下疊加一個(gè)弱信號(hào)，根據(jù)人耳聽覺系統(tǒng)的掩蔽特性，背景信號(hào)越強(qiáng)，嵌入信號(hào)的可聽性檢測門限閾值就越高。因此只要疊加信號(hào)的幅值低于人類聽覺系統(tǒng)的聽覺門限閾值，人耳聽覺系統(tǒng)就無法感覺到水印信息的存在。下圖4.1可以形象的表示人耳聽覺掩蔽曲線：圖4.1人耳聽覺掩蔽曲線由上圖可見，音頻信號(hào)因掩蔽曲線之下的其他頻帶信號(hào)都被掩蔽起來，即使其能量已超越人耳絕對(duì)閾值曲線仍然無法被人耳察覺。下面是基于離散小波變換的數(shù)字音頻水印嵌入算法的原理框圖，如圖4.2所示。原始音頻信號(hào)原始音頻信號(hào)預(yù)處理分段DWT變換二值水印降維嵌入水印DWT小波逆變換水印音頻信號(hào)圖4.2水印嵌入原理框圖4.2.1數(shù)字音頻信號(hào)預(yù)處理在音頻信息的通信傳輸過程中，不可避免的要受到外界環(huán)境的噪聲干擾，所以說在音頻信號(hào)處理中，必須要降低背景噪聲以提高音頻質(zhì)量。所以，從含有噪聲的音頻信號(hào)中濾除噪聲提高音頻信號(hào)的信噪比顯得非常重要。在頻域，傳統(tǒng)的傅里葉變換可以通過時(shí)不變?yōu)V波方法將信號(hào)和噪聲區(qū)分開，但是當(dāng)音頻信號(hào)和噪聲信息發(fā)生重疊時(shí)，這種方法就無能為力了。于是，用小波變化來處理信號(hào)降噪就凸現(xiàn)出來。我們一般將一個(gè)含有噪聲的一維信號(hào)表示為如下形式：sk=fk+其中，s(k)為含噪信號(hào),f(k)為原始有用信號(hào)，e(k)為噪聲信號(hào)。通常表現(xiàn)為高頻噪聲信號(hào)，而原始音頻信號(hào)f(k)通常為低頻信號(hào)或者是一些比較平穩(wěn)的信號(hào)。所以，可以先對(duì)含噪信號(hào)進(jìn)行小波分解，將包含在較高頻率的細(xì)節(jié)中的噪聲信號(hào)通過利用門限閾值等形式對(duì)所分解的小波系數(shù)進(jìn)行修改和處理，然后再對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波重構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)含噪音頻信號(hào)降噪的目的。4.2.2水印圖像的預(yù)處理我們知道目前常用作數(shù)字水印的數(shù)字信息大體有兩類，一種是向?qū)ｉT的版權(quán)保護(hù)部門登記并申請(qǐng)得到一個(gè)版權(quán)ID號(hào)，該ID號(hào)是一串足夠長的數(shù)字碼，足以保證申請(qǐng)的ID號(hào)是全世界唯一的。另外一種就是本文使用的數(shù)字圖像，用圖像來表明數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)信息。將二者相比較，會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)字圖像水印的魯棒性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)的好于第一種。因?yàn)?，不難發(fā)現(xiàn)第一種數(shù)字水印只要有一個(gè)比特發(fā)生錯(cuò)誤，整個(gè)水印系統(tǒng)的效果就會(huì)大打折扣。第二種是根據(jù)人眼的分辨率有限的特點(diǎn)，即使有一些Bit發(fā)生錯(cuò)誤或移位，也不會(huì)徹底影響圖像的質(zhì)量。因此，本文選取數(shù)字圖像作為水印嵌入音頻水印系統(tǒng)。選取像素點(diǎn)為64*64的位圖，可表示為：W={w(i,j),0≤i≤M1,0≤j其中，M1=M2=64，w(i,j)∈通過上面的介紹我們知道，音頻信號(hào)是一維的，所以要想把圖像水印嵌入其中，必須先把二維的二值圖像進(jìn)行降維處理，把它轉(zhuǎn)化為一維的序列：表達(dá)式為：V={v(k)=w(i,j),k=i×M2+j,0≤i4.2.3小波基的選取和水印嵌入點(diǎn)的選擇我們知道，選擇小波函數(shù)時(shí)需要考慮小波的正交性、緊支集和消失矩。消失矩越大，它的支撐長度就越大，對(duì)應(yīng)的濾波器就越平坦，同時(shí)也決定小波逼近光滑信號(hào)的能力越強(qiáng)。小波的支集長度對(duì)應(yīng)濾波器的拍數(shù)，直接決定著小波變換的計(jì)算量。集越長則尺度函數(shù)越光滑，頻帶間的相干性越小，頻率分辨率越高。通過小波分析及應(yīng)用的學(xué)習(xí)，我們知道，Haar小波是緊支集的但是不連續(xù)，樣條小波是連續(xù)的，但是它的正交尺度函數(shù)在趨于無窮時(shí)衰減很快。于是，根據(jù)上述各方面因素，本文最后選取Daubechies小波，它具有高階消失矩、緊支集和正交性。在Matlab語言中記為DbN，N為小波的序號(hào)，N的取值為2，3，…，10。綜合考慮時(shí)頻分辨率和運(yùn)算量，本文選取支集長度為20具有10階消失矩的Daubechies4小波基對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行分解。下面是數(shù)字音頻信號(hào)三級(jí)小波分解的原理框圖，如圖4.3所示。WWCA1CD1CA2CD2CA3CD3圖4.3數(shù)字音頻信號(hào)三級(jí)小波分解從上面的小波分解原理框圖可以看出，DWT小波變換是將輸入信號(hào)進(jìn)行雙通道濾波，即將原始音頻信號(hào)W進(jìn)行低通濾波，輸出原始信號(hào)和逼近信號(hào)。然后經(jīng)過第一次離散小波變換，原始音頻信號(hào)W被分解為低頻部分CA1和高頻部分CD1，接著進(jìn)行第二次離散小波變換，低頻部分CA1又被分解為低頻部分CA2和高頻部分CD2，同樣道理，再將低頻部分CA2分解為低頻部分CA3和高頻部分CA3。所以，將原始音頻信號(hào)W進(jìn)行三次離散小波變換后，得到的細(xì)節(jié)部分的頻帶就只有音頻信號(hào)頻帶的八分之一，接著再將預(yù)制水印嵌入到選定的信號(hào)的細(xì)節(jié)部分CD2和CD3，而不改動(dòng)逼近部分信息。這樣，嵌入水印引起的噪聲即可察覺性就會(huì)很小，增加的水印的透明性。4.2.4數(shù)字音頻水印的嵌入在數(shù)字水印的嵌入點(diǎn)選取好后，要進(jìn)行水印的嵌入操作，一般的，我們可以假設(shè)W是含有N個(gè)采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的原始數(shù)字音頻信號(hào)，于是它可以表示為：W={s（n），0≤n≤N-1}1、音頻信號(hào)的分段雖然數(shù)字音頻信號(hào)是一維的，但是通常情況下數(shù)字音頻信號(hào)的數(shù)據(jù)量比較大，所以需要采取分段嵌入，大大的減少了一次性嵌入時(shí)進(jìn)行離散小波變換的計(jì)算量。音頻分段的依據(jù)為：K=M1×M2m，（其中K為數(shù)據(jù)段的個(gè)數(shù)，M1*M2是水印的像素。2、音頻段離散小波分解我們知道，數(shù)字音頻信號(hào)被分解的級(jí)數(shù)越多，它能夠承載的水印信息就越少，在綜合考慮計(jì)算量、透明度和魯棒性后，本文確定對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行三級(jí)小波分解，然后選取CD2和CD3的細(xì)節(jié)分量部分嵌入水印。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于：（a）由于該頻率段信號(hào)能量較強(qiáng)，嵌入水印的能量可以得到相應(yīng)增加，提高了水印檢測的可靠性。(b)由于該部分是音頻信號(hào)的主要部分，如果對(duì)它的惡意攻擊強(qiáng)度過大，則會(huì)破壞信號(hào)的品質(zhì)，因此在很大程度上限制了不法分子對(duì)水印的攻擊，從而增強(qiáng)水印的穩(wěn)健性。3、修改小波系數(shù)嵌入水印為了將每個(gè)音頻段中有效的嵌入二值水印圖像的n位的水印信息，本文是通過修改小波系數(shù)小數(shù)點(diǎn)的第3位有效位來實(shí)現(xiàn)的。這種方法可以提高數(shù)字水印的嵌入和檢測速度。具體的修改方法如下：當(dāng)圖像位置有像素點(diǎn)時(shí)，用1表示，反之為0.當(dāng)在該位置嵌入1時(shí)，在保證修改量最小的情況下，修改小數(shù)點(diǎn)后的第3位，使其變成一個(gè)奇數(shù)；當(dāng)在該位置嵌入0時(shí)，在保證修改量最小的情況下，修改小數(shù)點(diǎn)后的第3位，使其變成一個(gè)偶數(shù)?？梢杂帽磉_(dá)式表示為：（以cd3為例，用cd*3表示修正后的。[]表示取整運(yùn)算。）當(dāng)嵌入信息為0時(shí)，若cd3×1000取整后為奇數(shù),則cd*3×1000=[cd3若cd3×1000取整后為偶數(shù),則cd*3×1000=[cd3當(dāng)嵌入信息為1時(shí),若cd3×1000取整后為奇數(shù),則cd*3×1000=[cd3若cd3×1000取整后為偶數(shù),則cd*3×1000=[cd3下圖是原始數(shù)字音頻信號(hào)小波系數(shù)與修改后的小波系數(shù)，如圖4.4所示，（a）原始cd2小波系數(shù)（b）修改后cd2小波系數(shù)（c）原始cd3小波系數(shù)（d）修改后cd3小波系數(shù)然后再對(duì)嵌入水印的音頻信號(hào)進(jìn)行離散小波逆變換，得到時(shí)域中含有水印信息的數(shù)字音頻水印信號(hào)。4.3數(shù)字音頻水印的提取含水印音頻信號(hào)分段DWT變換含水印音頻信號(hào)分段DWT變換變換水印提取二值水印序列音頻段還原一維升二維原始音頻信號(hào)水印圖像圖4.4水印提取原理框圖由上面的算法原理框圖，可以看出水印提取的一般步驟為：（1）對(duì)含有水印的音頻信號(hào)分段處理，然后對(duì)含水印部分進(jìn)行三級(jí)離散小波變換。（2）提取第二級(jí)和第三級(jí)的高頻細(xì)節(jié)分量。數(shù)據(jù)如下圖4.5所示，（a）修改后cd2小波系數(shù)（b）重構(gòu)后cd2小波系數(shù)（c）修改后cd3小波系數(shù)（d）重構(gòu)后cd3小波系數(shù)（3）分別檢測高頻細(xì)節(jié)分量中各元素小數(shù)點(diǎn)后第3位數(shù)值的奇偶性。為偶數(shù)時(shí)，則提取信息“0”；反之，為奇數(shù)時(shí)，提取信息“1”。（4）還原水印，將一維二值水印序列升維，得到二維的二值圖像，即為水印圖像。4.4本章小結(jié)本章介紹了基于小波變換的數(shù)字音頻水印技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了一種基于離散小波變換的音頻水印算法。該算法首先將視覺可辨的二值水印圖像從二維降成一維水印序列，然后再對(duì)數(shù)字音頻信號(hào)作分段離散小波變換，再將水印隱藏在DWT域的細(xì)節(jié)高頻分量中。水印嵌入時(shí)采用修改小波系數(shù)小數(shù)點(diǎn)后第三位的奇偶性方法。第5章數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)5.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求本畢業(yè)設(shè)計(jì)采用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)軟件設(shè)計(jì)數(shù)字音頻水印系統(tǒng)，利用人耳對(duì)低于聽覺閾值的音頻信號(hào)無法感知的特性隱藏信息，將水印信息嵌入到低于人耳聽覺閾值的音頻信號(hào)中。通過這種方法實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)水印嵌入和提取功能。此系統(tǒng)應(yīng)包括：（1）音頻信號(hào)的采集和預(yù)處理；（2）水印信息的選取和制備；（3）嵌入準(zhǔn)備好的水印，生成含有預(yù)制水印的音頻信號(hào)；（4）提取已嵌入水印的音頻信號(hào)中的水印信息。5.2系統(tǒng)的總體構(gòu)成根據(jù)5.1所提出的的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用LabVIEW和Matlab.作為該系統(tǒng)的開發(fā)工具。系統(tǒng)的總體框圖如下圖5.1所示，數(shù)字音頻水印系統(tǒng)數(shù)字音頻水印系統(tǒng)水印提取性能評(píng)價(jià)二值水印圖像降維音頻小波分解修改奇偶性音頻小波分解奇偶性檢測水印圖像升維還原圖像相關(guān)性信噪比峰值信噪比水印嵌入圖5.1數(shù)字音頻水印系統(tǒng)總體框圖5.2.1數(shù)字音頻水印系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的軟件平臺(tái)根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)的具體要求，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)字音頻水印系統(tǒng)不僅要求具有很好的操控界面和人機(jī)交流，更重要的是要具有很強(qiáng)大的語音、圖像、數(shù)字信號(hào)處理能力并且要具備時(shí)頻域分析能力。因此，綜上所述，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用Labview圖形化語言和Matlab語言作為軟件平臺(tái)。(a)LabVIEW語言介紹LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。是通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫。LabVIEW的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等等。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。LabVIEW是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。此外，LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在LabVIEW中被稱為前面板。使用圖標(biāo)和連線，可以通過編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LabVIEW的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。目前虛擬儀器技術(shù)已經(jīng)成為測控領(lǐng)域的熱點(diǎn)，它代表了未來儀器的發(fā)展方向。工業(yè)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將虛擬儀器技術(shù)廣泛應(yīng)用于航天、通訊、物理、生物醫(yī)學(xué)、電子、機(jī)械等各個(gè)領(lǐng)域，進(jìn)行工程技術(shù)工作和科學(xué)研究。國內(nèi)對(duì)于虛擬儀器的研究與工程應(yīng)用也在逐漸推廣，在產(chǎn)品性能測試、設(shè)備故障診斷、生產(chǎn)過程控制等廣泛領(lǐng)域都得到了運(yùn)用。利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的測試平臺(tái)，具有開發(fā)效率高，可維護(hù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且測試精度、穩(wěn)定性可靠性等都能得到充分保證，性價(jià)比高，方便設(shè)備更新和功能轉(zhuǎn)換與擴(kuò)充。它的特點(diǎn)是可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器。而且用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。它的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）測試測量：LABVIEW最初就是為測試測量而設(shè)計(jì)的，因而測試測量也就是現(xiàn)在LABVIEW最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過多年的發(fā)展，LABVIEW在測試測量領(lǐng)域獲得了廣泛的承認(rèn)。至今，大多數(shù)主流的測試儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備都擁有專門的LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序，使用LabVIEW可以非常便捷的控制這些硬件設(shè)備。同時(shí)，用戶也可以十分方便地找到各種適用于測試測量領(lǐng)域的LabVIEW工具包。這些工具包幾乎覆蓋了用戶所需的所有功能，用戶在這些工具包的基礎(chǔ)上再開發(fā)程序就容易多了。有時(shí)甚至于只需簡單地調(diào)用幾個(gè)工具包中的函數(shù)，就可以組成一個(gè)完整的測試測量應(yīng)用程序。（2）控制：控制與測試是兩個(gè)相關(guān)度非常高的領(lǐng)域，從測試領(lǐng)域起家的LabVIEW自然而然地首先拓展至控制領(lǐng)域。LabVIEW擁有專門用于控制領(lǐng)域的模塊LabVIEWDSC。除此之外，工業(yè)控制領(lǐng)域常用的設(shè)備、數(shù)據(jù)線等通常也都帶有相應(yīng)的LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序。使用LabVIEW可以非常方便的編制各種控制程序。（3）仿真：LabVIEW包含了多種多樣的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，特別適合進(jìn)行模擬、仿真、原型設(shè)計(jì)等工作。在設(shè)計(jì)機(jī)電設(shè)備之前，可以先在計(jì)算機(jī)上用LabVIEW搭建仿真原型，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，找到潛在的問題。在高等教育領(lǐng)域，有時(shí)如果使用LabVIEW進(jìn)行軟件模擬，就可以達(dá)到同樣的效果，使學(xué)生不致失去實(shí)踐的機(jī)會(huì)。（4）兒童教育：由于圖形外觀漂亮且容易吸引兒童的注意力，同時(shí)圖形比文本更容易被兒童接受和理解，所以LabVIEW非常受少年兒童的歡迎。對(duì)于沒有任何計(jì)算機(jī)知識(shí)的兒童而言，可以把LabVIEW理解成是一種特殊的“積木”：把不同的原件搭在一起，就可以實(shí)現(xiàn)自己所需的功能。著名的可編程玩具“樂高積木”使用的就是LabVIEW編程語言。兒童經(jīng)過短暫的指導(dǎo)就可以利用樂高積木提供的積木搭建成各種車輛模型、機(jī)器人等，再使用LabVIEW編寫控制其運(yùn)動(dòng)和行為的程序。除了應(yīng)用于玩具，LabVIEW還有專門用于中小學(xué)生教學(xué)使用的版本。（5）快速開發(fā)：完成一個(gè)功能類似的大型應(yīng)用軟件，熟練的LabVIEW程序員所需的開發(fā)時(shí)間，大概只是熟練的C程序員所需時(shí)間的1/5左右。所以，如果項(xiàng)目開發(fā)時(shí)間緊張，應(yīng)該優(yōu)先考慮使用LabVIEW，以縮短開發(fā)時(shí)間。（6）跨平臺(tái)：如果同一個(gè)程序需要運(yùn)行于多個(gè)硬件設(shè)備之上，也可以優(yōu)先考慮使用LabVIEW。LabVIEW具有良好的平臺(tái)一致性，LabVIEW的代碼不需任何修改就可以運(yùn)行在常見的三大臺(tái)式機(jī)操作系統(tǒng)上：Windows、MacOS及Linux。除此之外，LabVIEW還支持各種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和嵌入式設(shè)備，比如常見的PDA、FPGA以及運(yùn)行VxWorks和PharLap系統(tǒng)的RT設(shè)備。（b）Matlab語言介紹MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及HYPE