【導讀】音頻視頻等數(shù)字產(chǎn)品已逐漸成為人們生活娛樂的重要組成部分。這些數(shù)字產(chǎn)品具有易傳。播性和易修改性,為維護數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)方的利益需對其進行版權保護。數(shù)字水印技術就是為解決這一問題而誕生出來的技術手段。它是依據(jù)某種特定的算。別鑒定,來達到作品產(chǎn)權保護的目的。不可感知性和魯棒性是評價數(shù)字水印技術的主要指。過修改原始音頻信號小波系數(shù)小數(shù)點后的奇偶性進行數(shù)據(jù)的嵌入。本課題是針對音頻水印技術的相關操作,進行實用性軟件產(chǎn)品開發(fā)的探索。果對音頻水印系統(tǒng)的推廣有一定的積極意義。

　　

【正文】 可以形象的表示人耳聽覺掩蔽曲線： 沈陽理工大學學士學位論文 17 圖 人耳聽覺掩蔽曲線 由上圖可見，音頻信號因掩蔽曲線之下的其他頻帶信號都被掩蔽起來，即使其能量已超越人耳絕對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 所示。 圖 水印嵌入原理框圖 數(shù)字音頻信號預處理 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中濾除噪聲提高音頻信號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不變?yōu)V波方法將信號和噪聲區(qū)分開，但是當音頻信號和噪聲信息發(fā)生重疊時，這種方法就無能為力了。于是，用小波變化來處理信號降噪就凸現(xiàn)出來。 我們一般將 一個含 有 噪 聲 的一維信號表示為如下形式： s(k) = f(k) +ε?e(k),k = 0,1,2,3,…,n? 1 （ ） 原始音頻信號 預處理 分段DWT 變換 二值水印 降維 嵌 入 水 印 D W T 小 波 逆 變 換 水印音頻信號 沈陽理工大學學士學位論文 18 其中， s(k)為含噪信號 ,f(k)為 原始 有用信號， e(k)為噪聲信號。 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 。所以，可以先 對 含噪信號 進行小波分解， 將 包含在較高頻率的細節(jié)中 的噪聲信號通過 利用門限閾值等形式對所分解的小波系數(shù)進行 修改和 處理，然后 再 對信號進行小波重構(gòu)即可 實現(xiàn) 對含噪音頻 信號降噪的目的。 水印圖像的預處理 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的版權保護部門登記并申請得到一個版權 ID 號，該 ID 號是一串足夠長的數(shù)字碼，足以保證申請的 ID號是全世界唯一的。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)品的版權信息。將二者相比較，會發(fā)現(xiàn)數(shù)字圖像水印的魯棒性要遠遠的好于第一種。因為，不難發(fā)現(xiàn)第一種數(shù)字水印只要有一個比特 發(fā)生錯誤，整個水印系統(tǒng)的效果就會大打折扣。第二種是根據(jù)人眼的分辨率有限的特點，即使有一些 Bit 發(fā)生錯誤或移位，也不會徹底影響圖像的質(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行降維處理，把它轉(zhuǎn)化為一維的序列： 表達式為： 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的選擇 我們知道 ， 選擇小波函數(shù)時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，對應的濾波器就越平坦，同時也決定小波逼近光滑信號的能力越強。 小波的支集長度對應濾波器的拍數(shù)，直接決定 著 小波變換的計算量 。 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 。 通過小波分析及應用的學習，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， N 的取值為 2， 3， … ， 10。綜合考慮時頻分辨率沈陽理工大學學士學位論文 19 和運算量，本文選取支集長度為 20 具有 10 階消失矩的 Daubechies4 小波基對音頻信號進行分解。 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。 圖 數(shù)字音頻信號三級小波分解 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進行雙通道濾波 ，即將原始音頻信號 W 進行低通濾波，輸出原始信號和逼近信號。然后經(jīng)過第一次離散小波變換，原始音頻信號 W被分解為低頻部分 CA1 和高頻部分 CD1，接著進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 W 進行三次離散小波變換后，得到的 細節(jié)部分的頻帶就只有音頻信號頻帶的八分之一 ，接著再將預制水印嵌入到選定的信號的細節(jié)部分 CD2和 CD3，而不改動逼近部分信息。這樣，嵌入水印引起的噪聲即可察覺性就會很小，增加的水印的透明性。 數(shù)字音頻水印的嵌入 在數(shù)字水印的嵌入點選取好后，要進行水印的嵌入操作，一般的，我們可以假設 W 是含有 N 個采樣數(shù)據(jù)點的原始數(shù)字音頻信號，于是它可以表示為： W={s（ n）， 0≤ n ≤ N? 1} （ ） 音頻信號的分段 雖然數(shù)字音頻信號是一維的，但是通常情況下數(shù)字音頻信號的數(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進行離散小波變換的計算量。 音頻分段的依據(jù)為： K=M1M2m ， （ ） W CA1 CD1 CA2 CD2 CA3 CD3 沈陽理工大學學士學位論文 20 其中 K 為數(shù)據(jù)段的個數(shù)， M1*M2 是水印的像素。 音頻段離散小波分解 我們知道，數(shù)字音頻信號被分解的級數(shù)越多，它能夠承載的水印信息就越少，在綜合考慮計算量、透明度和魯棒性后，本文確定對原始信號進行三級小波分解 ，然后選取CD2 和 CD3 的細節(jié)分量部分嵌入水印。這樣做的優(yōu)點在于： （ a） 由于該頻率段信號能量較強，嵌入水印的能量可以得到相應增加，提高了水印檢測的可靠性。 (b)由于該部分是音頻信號的主要部分，如果對它的惡意攻擊強度過大，則會破壞信號的品質(zhì)，因此在很大程度上限制了不法分子對水印的攻擊，從而增強水印的穩(wěn)健性。 修改小波系數(shù)嵌入水印 為了將每個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)點的第 3 位有效位來實現(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：當圖像位置有像素點時，用 1 表示，反之為 0. 當在該位置嵌入 1 時，在保證修改量最小的情況下，修改小數(shù)點后的第 3 位 ，使其變 成一個 奇 數(shù)； 當在該位置嵌入 0 時，在保證修改量最小的情況下，修改小數(shù)點后的第 3 位 ，使其變 成一個 偶 數(shù) 。 可以用表達式表示為：（以 cd3 為例，用 cd*3 表示修正后的。 [ ]表示取整運算。 ） 當嵌入信息為 0 時， 若 cd3 1000取整后為奇數(shù) ,則 cd*3 1000=[cd31000]+1。 若 cd3 1000取整后為偶數(shù) ,則 cd*3 1000=[cd31000]. 當嵌入信息為 1 時 , 若 cd3 1000取整后為奇數(shù) ,則 cd*3 1000=[cd31000]。 若 cd3 1000取整后為偶數(shù) ,則 cd*3 1000=[cd31000]+1. 下圖是原始數(shù)字音頻信號小波系數(shù)與修改后的小波系數(shù)，如圖 所示， 沈陽理工大學學士學位論文 21 （ 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) 然后再對嵌入水印的音頻信號進行離散小波逆變換，得到時域中含有水印信息的數(shù)字音頻水印信號。 數(shù)字音頻水印的提取 數(shù)字音頻水印的提取過程基本上是嵌入的逆過程，提取算法的原理框圖如下圖 所示。 圖 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） 對含有水印的音頻信號分段處理，然后對含水印部分進行三級離散小波變換。 含水印音頻信號 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 水印圖像 沈陽理工大學學士學位論文 22 （ 2） 提取第二級和第三級的高頻細節(jié)分量。數(shù)據(jù)如下圖 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 細節(jié)分量中各元素小數(shù)點后第 3 位數(shù)值的奇偶性。為偶數(shù)時，則提取信息 “ 0” ； 反之，為奇數(shù)時，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。 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，并實現(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 對數(shù)字音頻信號作分段離散小波變換， 再將 水印隱藏在 DWT 域的 細節(jié) 高頻 分量 中 。水印嵌入時采用修改小波系數(shù)小數(shù)點后第三位的奇偶性方法。 沈陽理工大學學士學位論文 23 第 5 章 數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的實現(xiàn) 系統(tǒng)的設計要求 本畢業(yè)設計采用 LabVIEW 虛擬儀器開發(fā)軟件設計數(shù)字音頻水印系統(tǒng)，利用人耳對低于聽覺閾值的音頻信號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中。通過這種方法實現(xiàn)音頻 信號 水印嵌入和提取功能。此系統(tǒng) 應 包括： （ 1） 音頻信號的采集和預處理； （ 2） 水印信息的選取和制備； （ 3）嵌入準備好的水印，生成含有預制水印的音頻信號； （ 4）提取已嵌入水印的音頻信號中的水印信息。 系統(tǒng)的 總體構(gòu)成 根據(jù) 系統(tǒng)設計要求，本次畢業(yè)設計采用 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 所示， 沈陽理工大學學士學位論文 24 圖 數(shù)字音頻水印系統(tǒng)總體框圖 數(shù)字音頻水印系統(tǒng)實現(xiàn)的軟件平臺 根據(jù)畢業(yè)設計的具體要求，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交流，更重要的是要具有很強大的語音、圖像、數(shù)字信號處理能力并且要具備時頻域分析能力。因此，綜上所述，本次畢業(yè)設計采用 Labview 圖形化語言和 Matlab語言作為軟件平臺。 (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 與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機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)，有一個完成任何編程任務的龐大函數(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)存儲等等。 LabVIEW 也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設置 斷點 、以動畫方式顯示數(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 是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應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數(shù)字音頻水印系統(tǒng) 水印提取 性能評價 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 相關性 信噪比 峰值信噪比 水印嵌入 沈陽理工大學學士學位論文 25 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