【正文】 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 引言 隨著以 Inter 為標(biāo)志的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來和電子商務(wù)為代表的網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)的興起，網(wǎng)絡(luò)信息安全問題也日益突出，數(shù)字信息可以很方便快捷的在世界范圍內(nèi)廣泛傳播，隨之而來的副作用就是惡意個(gè)人和團(tuán)體，可能在沒有得到作者或所有者許可的情況下，進(jìn)行非法拷貝和傳播，這使數(shù)字信息產(chǎn)品面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。由 此，數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。 數(shù)字水印技術(shù)（ digital watermarking）是一種信息隱藏技術(shù)，它的基本思想就是在數(shù)字圖像、音頻和視頻等數(shù)字產(chǎn)品中嵌入秘密信息，以便保護(hù)數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)，證明產(chǎn)品的真實(shí)可靠性，跟蹤盜版行 為或者提供產(chǎn)品的附加信息。 經(jīng)過近 20 年的研究和發(fā)展，數(shù)字水印技術(shù)已漸漸趨于成熟，水印算法分類也是種類繁多： 嵌 入 的 水 印 信 號(hào) 的 形 式 來 分 ， 可 以 分 為 一 維 水 印 和 多 維水??； ； ； 、半易脆水印和魯棒性水??； ； 、視頻水印、音頻水印和文檔水??； 換域水?。? 當(dāng)前的數(shù)字水印研究中，以數(shù)字圖像水印最為深入，而對(duì)于音頻水印的研究相對(duì)較少，一方面因?yàn)橐纛l單位時(shí)間內(nèi)的采樣點(diǎn)較少，可嵌入水印信息就較少，另一方面由于人類的聽覺系統(tǒng)要比人類的視覺系統(tǒng)更加的靈敏，也給音頻水印的嵌入增加了難度。作為常見的多媒體數(shù)據(jù)形式，數(shù)字音頻占著出數(shù)字圖像外最大的多媒體信息數(shù)據(jù)量，占據(jù)著舉足輕重的地位，但是當(dāng)前對(duì)于音頻水印的研究顯然還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。 一個(gè)數(shù)字水印一般包括三個(gè)基本方面：水印的生成、水印的嵌入和水印的提取。數(shù)字水印技術(shù)實(shí)際上是通過對(duì)水印載體媒質(zhì)的分析，嵌入信息的預(yù)處理，信息 嵌入點(diǎn)的選擇，嵌入方式的設(shè)計(jì)嵌入基于小波包域的音頻水印算法研究 2 調(diào)制的控制等幾個(gè)相關(guān)技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行合理優(yōu)化，尋求滿足不可感知性，安全可靠性，穩(wěn)健性等等諸條件約束下的準(zhǔn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，而密鑰則是水印信息的重要組成部分。我們可以在信息預(yù)處理、嵌入點(diǎn)選擇和調(diào)制控制等不同環(huán)節(jié)入手完成密鑰的嵌入。 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 1 緒論 課題背景 多媒體信息比傳統(tǒng)文字蘊(yùn)含更大的信息量，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，多媒體教育在各個(gè)領(lǐng)域中占據(jù)著越來越重要的地位。當(dāng)代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和 Inter 的不斷擴(kuò)大，是多媒體信息能以不同的形式在網(wǎng)上方便快捷的傳輸。但是他給我們帶來方便的 同時(shí)也帶來了安全隱患，比如出現(xiàn)了敏感信息可以被輕易的竊取、篡改、非法復(fù)制和傳播，多媒體信息的版權(quán)得不到有效地保護(hù)等問題，使得大量數(shù)字多媒體作品的版權(quán)問題受到很大的威脅。如何在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)施有效的版權(quán)保護(hù)和信息安全手段，已經(jīng)引起了國(guó)際學(xué)術(shù)界、企業(yè)界以及政府部門的高度關(guān)注。近年來數(shù)字水印技術(shù)被認(rèn)為是解決數(shù)字產(chǎn)品知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題的重要手段，已經(jīng)成為當(dāng)前的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一，受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。 數(shù)字水印的基本概念 提到數(shù)字水印，人們首先可能會(huì)想到人民幣中的水印。手拿一張 100 元的鈔票，如果在燈光下觀察帶有毛主 席像的一面，就會(huì)看到左側(cè)空白處有一個(gè)水印顯現(xiàn)。這個(gè)水印是在鈔票制作過程中直接嵌入到紙幣中的，因此人們很難偽造。當(dāng)然除了鈔票，水印還可以用于其它物理對(duì)象，甚至電信號(hào)中。音樂、圖像和視頻所代表的數(shù)字媒體就是一些常見的可嵌入水印的信號(hào)類型。本文所研究的數(shù)字音頻水印技術(shù)就是在數(shù)字音頻信號(hào)中嵌入水印。 音頻水印技術(shù)的基本思想是在音視頻等數(shù)字產(chǎn)品中嵌入秘密信息，以便保護(hù)數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)、證明產(chǎn)品的真實(shí)性和可靠性或者提供產(chǎn)品的附加信息，并且不影響原作品的價(jià)值和使用。其中的秘密信息可以是版權(quán)標(biāo)識(shí)，用戶序列號(hào)或者是產(chǎn)品的相關(guān)信 息，通常我們稱之為數(shù)字水?。?digitai watermark）。 水印處理系統(tǒng)的基本框架可以定義為六元體（ X,W,K,G,E,D），其中： 基于小波包域的音頻水印算法研究 4 X 代表所要保護(hù)的數(shù)字產(chǎn)品 X 的集合。 W 代表所有可能水印信號(hào) W 的集合。 K 是標(biāo)示碼（也稱水印密碼）的集合。 G 表示利用密鑰 K 和待嵌入水印的 X 共同生成水印的算法。 E 表示將水印 W 嵌入數(shù)字產(chǎn)品 X0 中的嵌入算法。 D 代表水印檢測(cè)算法。 數(shù)字水印技術(shù)研究現(xiàn)狀 早期的數(shù)字水印技術(shù)主要是針對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行研究的，關(guān)于該技術(shù)的論述首見于 Tirkel 等人在 1993 年的一篇文章。 這篇文章首先提出了電子水印（ ElectronicWatermark）的說法，其隨后發(fā)表了另一篇題為“ A digital watermark”的文章，正式提出了“數(shù)字水印”這一術(shù)語。 國(guó)外研究現(xiàn)狀 目前的數(shù)字水印研究中，對(duì)于音頻水印的研究相對(duì)較少，一方面因?yàn)橐纛l單位時(shí)間內(nèi)的采樣點(diǎn)較少，可嵌入水印信息就要少，另一方面由于人類聽覺系統(tǒng)（ humanauditory system,HAS）要比人類視覺系統(tǒng)（ human visual system,HVS ）更加靈敏，也使音頻水印的嵌入更加困難。國(guó)際上對(duì)音頻水印 技術(shù)的研究最早見于 1996 年， Bender等在文獻(xiàn)中提出了回聲編碼、擴(kuò)頻編碼和相位編碼等算法； 等人在文獻(xiàn)中提出了通過改變音頻信號(hào)采樣數(shù)據(jù)最低有效位來嵌入數(shù)字水?。?Won Gyum K im 提出了在數(shù)字音頻信號(hào)中直接嵌入數(shù)字印章的算法，該方法在提取水印信號(hào)時(shí)不需要原始音頻信號(hào)的參與；Wu C hungP ing 等人提出了基于數(shù)字音頻信號(hào)內(nèi)容分析的離散傅立葉變換域水印嵌入算法，該算法在提取水印時(shí)不需要原始音頻信號(hào)，并且能夠抵抗常見的幾種攻擊； Boney 等將 C ox 方案應(yīng)用到音頻信號(hào)中，取得了很好的實(shí)驗(yàn) 效果。其后，又有研究者對(duì)上述幾種算法進(jìn)行了改進(jìn)和完善。隨著 1996 年在德國(guó)柏林的第一屆信息隱藏國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)的召開，數(shù)字水印技術(shù)的研究得到了迅速的發(fā)展，劍橋大學(xué)、 IBM 研究中心、 N EC 美國(guó)研究所、麻省理工學(xué)院等都進(jìn)行了廣泛深入的研究，并召開了專門的國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)進(jìn)行定期交流。青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 從 1999 年開始，每年召開一次多媒體信息安全與數(shù)字水印大會(huì)，其會(huì)議論文主要是關(guān)于數(shù)字水印技術(shù)方面的文章。 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)、北京大學(xué)、北京郵電大學(xué)、中科院自動(dòng)化所、浙江大學(xué)、國(guó)防科技大等 單位都有從事這一領(lǐng)域的學(xué)者。在我國(guó)信息安全領(lǐng)域的三位院士（何德全、周仲義、蔡吉人）與有關(guān)應(yīng)用研究單位聯(lián)合發(fā)起下，我國(guó)于 1999 年 12 月召開了第一屆信息隱藏會(huì)議，我國(guó)的數(shù)字水印技術(shù)研究也得到了迅猛的發(fā)展。 在音頻數(shù)字水印研究方面，近年來我國(guó)的很多學(xué)者專家也取得了不錯(cuò)的成績(jī)。 20xx 年，鈕心忻、楊義先提出了一種基于小波變換的數(shù)字水印隱藏與檢測(cè)方法，對(duì)噪聲干擾、重新采樣等攻擊有一定的魯棒性，不過該水印算法采用高斯分布隨機(jī)噪聲為水印信號(hào)，而且沒有實(shí)現(xiàn)水印的盲提取，實(shí)用性不高；次年，王秋生等對(duì)這一算法作了改進(jìn)，使用了 視覺可辨的二值圖像作為水印，選取改變離散余弦變換系數(shù)作為水印的嵌入方式，但提取水印時(shí)仍然需要原始音頻的參與，是一種明文水印算法； 20xx 年，高海英等提出了一種基于離散小波變換的音頻水印算法，選擇對(duì) DWT 域的低頻系數(shù)進(jìn)行量化，從而嵌入二值圖像水印，并且引入了同步信號(hào)的思想，對(duì)添加噪聲、有損壓縮和重新量化有不錯(cuò)的魯棒性，但對(duì)于重新采樣攻擊效果不理想。 對(duì)于目前的多水印研究，文獻(xiàn)中作者提出了一種基于小波變換域的雙水印算法，在圖像的 DWT 域嵌入一個(gè)識(shí)別水印和一個(gè)確認(rèn)水印，但沒有完成水印的盲提取；文獻(xiàn)提出了一種基于離 散余弦變換的雙水印算法，該算法在 DC T 域添加隨機(jī)序列作為魯棒性水印，然后通過實(shí)施適當(dāng)?shù)牧炕呗裕瑢?shí)現(xiàn)在魯棒水印的基礎(chǔ)上加入了脆弱性水印。 使用的數(shù)學(xué)工具 — MATLAB MATLAB 是 Mathwoks 公司推出的一套功能強(qiáng)大的工程設(shè)計(jì)和系統(tǒng)仿真軟件包。它具備強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算和分析能力 ,許多復(fù)雜的計(jì)算問題只需短短的幾行代碼就可實(shí)現(xiàn)。 MATLAB 針對(duì)不同的應(yīng)用學(xué)科推基于小波包域的音頻水印算法研究 6 出相應(yīng)的工具箱 ,如信號(hào)處理、圖像處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、最優(yōu)化、模糊邏輯、小波等 ,這些工具箱為各個(gè)領(lǐng)域的研究和工程應(yīng)用提供了有力的工具 ,可直觀、方便地進(jìn)行分 析、計(jì)算及設(shè)計(jì)工作 ,從而大大地節(jié)省了時(shí)間。數(shù)字水印研究中使用 MATLAB 具有以下優(yōu)點(diǎn)： 將計(jì)算、圖示和編程集成到一個(gè)交互式的環(huán)境中 ,計(jì)算結(jié)果和編程過程可視化。 語言的語法規(guī)則與一般的高級(jí)語言類似 ,并且和 Visual C++具有良好的接口。一個(gè)稍有編程基礎(chǔ)的人就能很