【正文】 ultiresolvingpower characteristic of onedimension discrete wavelet transform,a audio digital watermarking algorithm based on wavelet transform is presented. First should make the binary image as a watermark to reduce the dimension operations， and then make the original audio signal for three discrete wavelet transform, then select the details of the discrete wavelet transform highfrequency ponent as an embedded point. And at last by modifying the wavelet coefficients of the parity to embed the data. This issue is related to the operation of the audio watermarking technology, and is an exploration of developing the practical application of the software product. Results of the research has a positive significance to promote audio watermarking system product. Key words: Audio digital watermarking。 本課題是針對音頻水印技術(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。它是依據(jù)某種特定的算法 ,將簽名、序列號等身份認(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。沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 I 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。不可感知性和魯棒性是評價(jià)數(shù)字水印技術(shù)的主要指標(biāo)。其研究成果對音頻水印系統(tǒng)的推廣有一定的積極意義。 DWT。 數(shù)字版權(quán)保護(hù)技術(shù) (Digital Rights Management ， DRM) 就是以一定的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)對數(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。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。另外人類的聽覺系統(tǒng)要比人類的視沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 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。 數(shù)字水印 是 信息隱藏技術(shù) 的一個(gè)重要研究方向。 （ 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。 （ 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。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 （ 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)識水印。 版權(quán)標(biāo)識 水印 是目前研究最多的一類 數(shù)字水印 。 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。 總的來說， 主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。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。魯棒性要求高的應(yīng)用，通常也需要很強(qiáng)的抗竄改性。 (5) 安全性 應(yīng)確保嵌入信息的保密性和較低的誤檢測率。 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。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。時(shí)域數(shù)字水印算法是在時(shí)域中修改信號樣本達(dá)到嵌入水印的目沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 的。 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。 (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、加噪聲等一般信號處理。 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。音頻信號是一維的，而圖像信息是二維的。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。一般，人耳對 2~4KHz 范圍的信號最為敏感，而在低頻區(qū)和高頻區(qū)，能被人耳聽到的信號幅度要高的多，相差能超過 107倍。任何的秘密 數(shù)據(jù)都可以看作沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 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。 科學(xué)研究表明， 弱信號在強(qiáng)信號消失之后 的 50~200ms 出現(xiàn) 不 容易 被人耳察覺。 DCT算法的 主要方法是：通過 離散余弦變換 來確定數(shù)字音頻水印信號中頻系數(shù)，用以嵌入水印 。 （ 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， 這給客觀評價(jià)水印性能帶來極大困難。但在實(shí)際中，缺乏同步的算法對于剪裁、時(shí)間伸縮等攻擊的魯棒性不強(qiáng)。下面 圖 給出 了 數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的一般模型： 數(shù)字音頻 信 號 預(yù)制水印 水印 嵌入 數(shù)字音頻的發(fā) 布 數(shù)字音頻信 號 水印提取 音頻 播放 水印信息 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 圖 數(shù)字音頻水印系統(tǒng)通用模型 數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的評判 標(biāo)準(zhǔn) 科學(xué)研究表明，相對于圖像和視頻，音頻信號中的信息隱藏相對較難?，F(xiàn)在， 最常用的主觀 評定方法 是主觀平均判分法，該方法需要召集若干實(shí)驗(yàn)者，由他們對音頻信號的質(zhì)量進(jìn)行評分， 然后再 求出平均 分值 作為對音頻信號質(zhì)量的評價(jià)結(jié)果 。通常情況下，可以對不同嵌入機(jī)制的音頻水印算法采用不同的客觀度量方法，常用的客觀評價(jià)方法有： （ a） 信噪比 （ SNR） 如果把嵌入的水印信號看作是 原始音頻信號上的噪聲，則可以通過計(jì)算信噪比來衡量嵌入的水印信號對音頻信號的影響程度 。 （ b） 峰值信噪比（ PSNR） 如果把嵌入的水印信號看作是原始音頻信號上的噪聲，則可以通過計(jì)算信噪比來衡量嵌入的水印信號對音頻信號的影響程度 。 （ c） 誤碼率 (BER) 用來衡量水印算法的準(zhǔn)確性。 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 ； 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 ； 最后給出了對水印 的評判 標(biāo)準(zhǔn)。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中還夾帶的瞬態(tài)反常現(xiàn)象并展示其成分，因此被譽(yù)為分析信號的顯微鏡，在科學(xué)技術(shù)界受到了廣泛重視。盡管傅氏變換實(shí)現(xiàn)了信號時(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。 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)變信號其局部區(qū)域正弦波的頻率與 相位 。 其定義為： SF(ω,τ) = ∫ f(t)g(t? τ)e?jωt+∞?∞dt () f(t) = 12π∫ ∫ SF(ω,τ)g(τ?t)ejωt+∞?∞dωdt+∞?∞ () 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 或者近似平穩(wěn)信號猶可，但是對于 非平穩(wěn)信號 ， 當(dāng)信號變化劇烈時(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，則要求窗函數(shù)有較高的頻率分辨率。 小波變換 小波變換的由來 傳統(tǒng)的信號理論，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。 小波變換的概念是 1984 年法國從事石油信號處理的工程師 在分析處理地球物理勘探資料時(shí)提出來的。 1989 年 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?。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）。 現(xiàn)階段 常 采用的 方法是對 尺度 a按冪級數(shù)進(jìn)行離散化 ， 即 讓 尺度 a = a0j ,j = 1,2,3,..,N。此時(shí)，小波函數(shù)序列可以表示為 ： 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 Ψ??,??(??) = 2???2 Ψ(2??? ? k) ??,?????? () 對信號 ()ft 的離散小波變換（ DWT）可表示為 ： ????(??,??) = ??,Ψ??,?? = ∫ ??(??) ?Ψ???,??(??)?????? () 如果,*,( ) ( )jkjkjkf t a t????? ???????，則可稱系數(shù) ? ?, ,jkj k Za ?的集合為函數(shù) ()ft 的離散小波變換。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)信號處理。 （ 3） 具有靈活多樣的基函數(shù)?？梢韵葘?原始 的 音頻信號進(jìn)行小波分解， 然后 在原始音頻信號的小波分解系數(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。 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。 小波變換 能對函數(shù)或信號進(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)字信號處理領(lǐng)域， 是數(shù)字信號處理很實(shí)用且有效的手段。 （ 2） 水印 提取 算法為： 第一， 對待檢測的 音頻 信號 進(jìn)行等同于嵌入步驟 的小波變換； 第二，對第 N 級的細(xì)節(jié)分量，利用原始語音信號找到隱藏了 n 個(gè)隨機(jī)數(shù)的位置，求出 iW? ； 第三，求 iW 與 iW? 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存在。 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)。因此只要疊加信號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。所以，從含有噪聲的音頻信號中濾除噪聲提高音頻信號的信噪比顯得非常重要。 通常 ??ke 表現(xiàn)為高頻噪聲 信號， 而原始音頻信號 f(k)通常為低頻信號或者是一些比較平穩(wěn)的信號 。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。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 ≤ M2}, （ ） 其中， M1=M2=64， w(i, j)∈ *0,1+ 通過上面的介紹我們知道，音頻信號是一維的，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 ≤ i ≤ M1,0 ≤ j ≤ M2} （ ） 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 。 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。 下面是數(shù)字音頻信號三級小波分解的原理框圖，如圖 所示。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