【導(dǎo)讀】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(hù)數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)方的利益需對其進(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價數(shù)字水印技術(shù)的主要指標(biāo)。首先對作為水印的二值圖像進(jìn)行降維操作后，再對原始音頻信號進(jìn)行三級離散小波變換，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，然后再通過修改原始音頻信號小波系數(shù)小數(shù)點后的奇偶性進(jìn)行數(shù)據(jù)的嵌入。本課題是針對音頻水印技術(shù)的相關(guān)操作,進(jìn)行實用性軟件產(chǎn)品開發(fā)的探索。其研究成果對音頻水印系統(tǒng)的推廣有一定的積極意義。

　　

【正文】 TLAB編譯器和C/C++數(shù)學(xué)庫和圖形庫，將自己的MATLAB程序自動轉(zhuǎn)換為獨立于MATLAB運(yùn)行的C和C++代碼。允許用戶編寫可以和MATLAB進(jìn)行交互的C或C++語言程序。（6）應(yīng)用軟件開發(fā)：在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強(qiáng)大的圖形標(biāo)注和處理功能，包括對性對起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向Excel和HDF5進(jìn)行連接。 系統(tǒng)的設(shè)計由于LabVIEW是基于模塊化程序設(shè)計思想，因此可以對系統(tǒng)進(jìn)行功能分割，每一個功能都用一個相對獨立的VI實現(xiàn)，然后再通過調(diào)用可以很容易的實現(xiàn)系統(tǒng)集成。根據(jù)課題要求，該數(shù)字音頻水印系統(tǒng)應(yīng)該具備原始音頻信號和水印信息的錄入、讀取、保存和退出，另外還應(yīng)該具備數(shù)據(jù)處理等功能。所以，該數(shù)字音頻水印系統(tǒng)應(yīng)包括以下幾個模塊。 原始音頻信號的錄入模塊該模塊的主要功能是通過麥克風(fēng)將音頻信號錄入，經(jīng)過聲卡轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)存入計算機(jī)內(nèi)存，然后通過程序的功能節(jié)點送入主程序，在前面板顯示出波形相關(guān)信息。數(shù)據(jù)采集過程分為三步：①初始化／配置聲卡；②采樣；③釋放聲卡。LabVIEW把聲卡的聲道分為mono 8一bit(單聲道8位)、mono 1 6一bit(單聲道1 6位)、stereo 8bit(立體聲8位)和stereo 16_bit(立體聲16位)。若用單聲道采樣，左右聲道信號都相同，而且幅值為原信號的1／2：用立體聲采樣，左右聲道互不干擾，可以采集兩路不同的信號，而且幅值與原信號相同。聲卡的采樣頻率分為8000Hz、11025Hz、22050Hz和44100Hz，應(yīng)根據(jù)具體情況采用合適的頻率。正常人的發(fā)音的頻率范圍在40Hz到3400Hz左右，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，采樣頻率應(yīng)為原始語音頻率的兩倍以上，通常采用8kHz采樣率。 原始音頻錄入模塊音頻錄入相關(guān)參數(shù)設(shè)置（a）音頻文件存儲路徑的選擇。 音頻文件存儲路徑（b）聲音輸入相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。 參數(shù)設(shè)置設(shè)備ID是聲音操作時使用的輸入或輸出設(shè)備。通常，絕大多數(shù)情況下都應(yīng)選擇默認(rèn)值0?？蛇x值的范圍為0到n–1，n是計算機(jī)上輸入或輸出設(shè)備的個數(shù)。采樣模式：有限采樣模式下，寫入每通道采樣總數(shù)指定的采樣數(shù)之前，只調(diào)用讀取聲音輸入。連續(xù)采集模式下，可根據(jù)需要反復(fù)調(diào)用“讀取聲音輸入”。本文選取連續(xù)采樣模式。每通道采樣總數(shù)：指緩沖區(qū)中每通道的采樣數(shù)量。如需連續(xù)采樣則應(yīng)使用較大的采樣數(shù)量。采樣數(shù)量越少，對內(nèi)存的使用就越少。為了保證信息采集的質(zhì)量選定采樣數(shù)為10000.根據(jù)奈奎斯特定律，采樣率選取8000Hz。每采樣比特數(shù)：指定每個采樣的質(zhì)量，以比特為單位。分辨率通常是16比特和8比特，默認(rèn)值為16。通道數(shù)：指通道的個數(shù)。該輸入可接受的通道數(shù)與聲卡支持的通道數(shù)一致。對于多數(shù)聲卡，1為單聲道，2為立體聲。（c）幅值和頻譜特性。 幅值和頻譜特性 小波分解模塊選擇Daubechies4小波對音頻信號進(jìn)行三級小波分解，然后選取其中的第二級高頻部分cd2分量和第三級的高頻部分cd3分量作為準(zhǔn)備嵌入水印的序列。因為LabVIEW的信號處理能力有限，所以選取擅長數(shù)值分析和處理的Matlab軟件進(jìn)行小波分解。通過Matlab script功能節(jié)點，可以實現(xiàn)LabVIEW對Matlab數(shù)值運(yùn)算的調(diào)用。在LabVIEW中選擇該功能節(jié)點的方法為：Functions—MathematicsFormula Palette。 音頻小波分解模塊用db4小波對原始信號進(jìn)行3層分解并提取系數(shù)。程序如下：[c,l]=wavedec(xx,3,39。db439。)。注釋：為了完成一個3層的分解ca3=appcoef(c,l,39。db439。,3)。注釋：從上面的C中提取第3層的低頻系數(shù)cd3=detcoef(c,l,3)。注釋：提取3次分解下的高頻細(xì)節(jié)分量cd2=detcoef(c,l,2)。注釋：提取2次分解下的高頻細(xì)節(jié)分量cd1=detcoef(c,l,1)。注釋：提取1次分解下的高頻細(xì)節(jié)分量 音頻分段模塊由前面的論述可知，為了避免大的計算量和更好的系統(tǒng)特性，要對小波分解后的音頻信號進(jìn)行分段處理，用以便于水印的分行嵌入。將m*n數(shù)組變?yōu)?m/8)*(8*8*n/8)的數(shù)組，其中每一行中的依次64個元素，為原數(shù)組的一個數(shù)據(jù)塊。采用For循環(huán)，對原始信號進(jìn)行截取，即8位2進(jìn)制數(shù)長度為一組數(shù)據(jù)。 音頻數(shù)據(jù)分段模塊 小波細(xì)節(jié)分量的系數(shù)修改模塊我們知道，系數(shù)的修改過程即是完成水印信息的嵌入過程。水印信息嵌入到音頻主要使用了LabVIEW的條件分支結(jié)構(gòu)。將小波系數(shù)乘以1000,以便對小波系數(shù)的小數(shù)點后第三位數(shù)字進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。再判斷小波系數(shù)的正負(fù)性,確定小波系數(shù)的四舍五入規(guī)則,使移位后的小波系數(shù)為最接近坐標(biāo)原點的整數(shù)值，進(jìn)而判斷小波系數(shù)第三位數(shù)字的奇偶值,然后根據(jù)前文敘述的算法規(guī)則對該小波系數(shù)第三位數(shù)字進(jìn)行奇偶性的修改(修改的小波系數(shù)是沒有經(jīng)過四舍五入處理的)。最終將修改的結(jié)果除以1000,得到修改的小波系數(shù)。 小波細(xì)節(jié)分量系數(shù)修改模塊 水印嵌入模塊該模塊是整個數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)了對所有子模塊的調(diào)用和整合，很好的體現(xiàn)了LabVIEW語言的優(yōu)勢所在，將復(fù)雜的任務(wù)模塊化、細(xì)分化。該模塊實現(xiàn)了將二值水印圖像嵌入到原始音頻信號中。 水印嵌入模塊嵌入模塊相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。 嵌入模塊相關(guān)參數(shù)的設(shè)置其中，每通道采樣總數(shù)：指每條通道從文件中讀取的采樣數(shù)。1指定為所有采樣。路徑分別為數(shù)據(jù)的存儲位置。 奇偶性檢測模塊該模塊是應(yīng)用于水印信息的提取，是水印提取的子模塊。根據(jù)第4章水印提取算法，檢測可能含有水印信息的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)在完成小波變換后的細(xì)節(jié)分量的小數(shù)點后第3位的奇偶性，當(dāng)為偶數(shù)時，提取信息“0”，反之為奇數(shù)時，提取信息“1”。 奇偶性檢測模塊 水印提取模塊該模塊和嵌入模塊一樣，也是數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的核心組成部分。它是嵌入過程的逆過程，其功能是實現(xiàn)從含有水印的音頻信號中提取出水印信息（二值水印圖像）。 水印提取模塊 數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的界面設(shè)計為了實現(xiàn)畢設(shè)的既定目標(biāo)，該系統(tǒng)應(yīng)該包括：音頻信號的錄入界面、水印圖像的讀入界面，水印的嵌入界面，水印的提取界面，水印圖像的顯示界面。應(yīng)該可以方便的讓用戶進(jìn)行人機(jī)交互操作，實現(xiàn)在音頻信號中嵌入水印，實現(xiàn)對數(shù)字音頻版權(quán)的保護(hù)，達(dá)到具有實用性價值。 音頻錄入界面，當(dāng)音頻錄入模塊運(yùn)行時，即可實現(xiàn)音頻信號的錄入。并可以同時顯示出錄入信號的相關(guān)波形信息。 音頻錄入界面 水印圖像的讀取和嵌入界面，當(dāng)程序運(yùn)行后，點擊嵌入按鈕即可完成對原始音頻信號的水印信息嵌入。當(dāng)然后臺程序運(yùn)行包含的步驟有：原始音頻信號的三級小波分解，水印圖像的降維操作，小波系數(shù)小數(shù)點后有效位的修改，逆離散小波變換，生成含有水印的音頻信號。 水印圖像的讀取和嵌入界面 提取和水印圖像寫入界面，當(dāng)程序運(yùn)行后，點擊提取按鈕即可完成對含有水印音頻信號的水印信息提取。其后臺程序運(yùn)行包含的步驟有：含有水印音頻信號的三級離散小波變換，小波系數(shù)小數(shù)點后第3位奇偶性的檢測，提取出有效數(shù)據(jù)還原水印圖像。 提取和水印圖像寫入界面 本章小結(jié)本章節(jié)是此次論文的重要組成部分。本章主要介紹了虛擬儀器技術(shù)在數(shù)字水印技術(shù)中的應(yīng)用，包括虛擬儀器的概念、構(gòu)成、優(yōu)勢、特點、設(shè)計方法等。在此章中運(yùn)用前面所介紹的知識和本文所提出的算法，并將其付諸于實際，最終利用虛擬儀器軟件LabVIEW和強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算工具M(jìn)ATLAB完成了對數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。結(jié) 論通過此次畢業(yè)設(shè)計的完成，更加深入的了解了數(shù)字信號處理和小波變換等基本理論知識，進(jìn)一步掌握了LabVIEW和Matlab軟件的使用。知道了在網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字多媒體飛速發(fā)展的今天，如何對圖像、音頻、視頻等多媒體信息內(nèi)容進(jìn)行保護(hù)。對提升個人的知識背景起到了非常好的作用。本文簡單的介紹了數(shù)字水印技術(shù)的相關(guān)知識，包括數(shù)字水印問題的由來，數(shù)字水印的基本概念、基本要求和特點以及應(yīng)用領(lǐng)域。闡述看一些比較典型的水印算法，列舉了傅里葉變換、小波變換的基礎(chǔ)理論知識和應(yīng)用特點以及它們優(yōu)勢和不足。最終通過LabVIEW和Matlab軟件平臺，基本實現(xiàn)了預(yù)定目標(biāo)，實現(xiàn)了水印信息的嵌入和提取。本文該算法是在數(shù)字音頻信號的小波變換系數(shù)上嵌入水印，水印信號是一幅有實際內(nèi)容的二值圖像。該算法的特點是：（1）在嵌入水印之前，對該水印圖像進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)行降維操作，形成一個一維序列，將該序列代替原始圖像嵌入到音頻信號中，這樣做的好處是，在不影響圖像相關(guān)性的基礎(chǔ)上，增加了水印的嵌入量；（2）將一維序列通過修改奇偶性的方法嵌入到原始音頻信號小波變換后的細(xì)節(jié)高頻分量系數(shù)上，保證了水印的透明性；（3）提取時根據(jù)嵌入時的算法，檢測可能含有水印的音頻信號小波變換后的細(xì)節(jié)高頻分量系數(shù)，提取水印信息，實現(xiàn)了水印的提取。致 謝在畢業(yè)論文完成之際，我要衷心的感謝我的指導(dǎo)老師華宇寧教授，論文的完成和老師的熱情關(guān)懷和悉心指導(dǎo)是分不開的。在整個畢業(yè)設(shè)計完成的過程中，華老師熱情的教學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)方法，淵博的專業(yè)知識給學(xué)生留下了深刻的印象，相信會使我在今后的學(xué)習(xí)、工作中受用終生。華老師自始至終一直關(guān)心、督促學(xué)生的設(shè)計方案和進(jìn)度，因為工作量大常常利用中午休息的時間給學(xué)生輔導(dǎo)答疑，利用晚上休息的時間給學(xué)生審閱論文，一直讓學(xué)生深為感動。老師幫助我解決了畢業(yè)設(shè)計中遇到的很多問題，并且教會我分析問題和解決問題的辦法，給我指明了正確的努力方向，讓我在完成畢設(shè)的過程中少走了很多彎路。在此，我再次表達(dá)我最誠摯的謝意，謝謝你華老師！另外，我同時要向所有給予我?guī)椭椭笇?dǎo)的老師和同學(xué)表示衷心的感謝。感謝你們在我最最寶貴的大學(xué)四年期間給我的幫助，是你們陪伴我度過了最最美好的年華，然后感謝學(xué)校和學(xué)院這四年的培養(yǎng)，讓我褪去稚氣，漸漸地成熟。最后，還要由衷的感謝我的父母，謝謝你們在大學(xué)期間對我的默默支持、包容和理解。謝謝！參考文獻(xiàn)[1][J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2003.[2]侯國屏,王坤. ：清華大學(xué)出版社，2005.[3]，2004.[4]候國屏,王坤,葉齊鑫. ，2005.[5]. 世界專業(yè)音響及燈光，2006. 4247[6]陳錫輝,張銀鴻. [M].北京:清華大學(xué)出版社，2007.[7]金陽. ，2002.[8]劉振華,尹萍. 信息隱藏技術(shù)及其應(yīng)用. 北京：科學(xué)出版社，[9]高慶. 用于版權(quán)保護(hù)的音頻數(shù)字水印算法研究.[武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文]. [10] 陳琦,王炳錫. ，(3)：238241附錄A 英文原文Information Hiding Thieoretic Research Based on Digital Watermark TechnologySchool of Mathematics and Computer Science Ningxia Universit Yinchuan, ChinaAbstractWith rapidly growing interest in ways to hide information, a large number of schemes have been proposed for audio and other multimedia in digital pictures, video, audio and other multimedia an attempt to overe this problem, watermarking has been suggested in the literrature as the most effective means for copyright protection and authentication .The main focus of this thesis is the problem of watermarking and pression of image due to bandwidth or storage constraints.Keywords: information hiding。 digital watermarking。 transparency。 robustnessI. IntroductionDue to the rapidly development of the Interest and the WorldWideWeb(WWW),distribution of digital multimedia data to a large population of users can be done very ,digital data can be duplicated very fast and without any degration in qualitycinsider,forexample,how mon the copying of musical CDs has bee in the last