音频数字水印技术研究

分类号 UDC密 级学 号硕士学位论文音频数字水印技术研究学 科 门 类： 工 学 学 科 名 称： 计算机应用技术 指 导 教 师： 申 请 日 期： 摘要i论文题目：音 频 数 字 水 印 技 术 研 究学科专 业 ：计算机应用技术研 究 生： 签 名： 指导教师： 签 名： 摘要随着信息技术和计算机网络技术的飞速发展，数字多媒体信息（图像、文本、音频和视频等）的存储、复制和传播变得非常容易，但这给我们带来方便的同时也带来一些副作用，一些不法分子在没有经过作品所有者许可的情况下，随意复制、篡改和散布有版权的作品。因此，对多媒体内容的版权保护与内容鉴别已成为亟待解决的问题。随着数字音乐作品的广泛传播，对音频作品的版权保护也显得非常重要。音频数字水印技术就是针对音频作品进行版权保护的，该技术通过在音频文件中嵌入秘密信息来达到版权保护和掩蔽通信的目的。本文论述了数字音频水印技术，提出了两种音频数字水印算法，全文的主要工作如下：（1）较为全面地综述了音频数字水印的概念、框架、要求、人类听觉系统特性特别是掩蔽特性、常见的音频数字水印的攻击及几种评价标准，同时介绍了几种典型的音频水印算法。（2）提出了一种基于能量比较的时域音频数字水印算法。该算法利用 Arnold 置乱变换对要嵌入的水印图像进行加密处理。首先对音频信号分段，计算每段音频的能量，然后根据比较结果，通过不改变或缩小音频信号能量的方法嵌入水印。该算法具有较好的安全性，对不同的音乐和话音都具有良好的感知透明性。能够抵抗裁剪、滤波、加噪、压缩等攻击，鲁棒性较好。（3）提出了一种基于小波变换的频域音频数字水印算法。该算法利用混沌序列对水印信息加密，先对音频信号分段，每段实施离散小波变换，比较每两段音频精细分量的能量，然后根据比较的结果和一定的规则嵌入水印信息。实验证明，该算法具有较好的感知透明性、安全性，含水印音频能够抵抗基本的信号处理操作，鲁棒性较好。本文提出的算法都是盲水印算法，可以对音频文件实施有效的版权保护，具有很好的实用价值。关键词：数字音频水印；能量比较；离散小波变换；感知透明性；鲁棒性西安理工大学硕士学位论文iiTitle: RESEARCH ON AUDIO DIGITAL WATERMARKING TECHNOLOGYMajor: Computer Application Technology Name: Tingting CHAO Signature: Supervisor: ProfXinfang WANG Signature: AbstractWith the rapid development of information technology and computer network, the storage, duplication and communication of digital multimedia information (images, texts, audios and videos) have become very easy, this has brought us convenience, but at the same time, it also has brought some side effects, some pirates copying, tampering and broadcasting the digital works without the permission of the authors. Therefore, copyright protection and content identification of multimedia have become an urgent problem to be solved. With the widespread dissemination of digital music, copyright protection of audio has become more and more important. Audio digital watermarking technique is to protect audio works copyright, we can embed secreted information into audio files using the technology, so as to get the purpose of secreted communication and copyright protection. The thesis talked audio digital watermarking technology, designed two different watermarking algorithms. The main research work is as follows:(1)Described the concept，framework, requirements，characteristics of the Human Auditory System especially masking, main attacks, some benchmarks of audio watermarking techniques, finally introduced several kinds of existent audio watermarking algorithms. (2)Designed a time-domain digital audio watermarking algorithm based on energy comparison. Using the Arnold transform to encrypted the secret information. At the first, we divided the audio signal into some segments, calculated each segments energy, and compared the energy of each two segments. Then according to the results of the comparison, embedded the watermark by the way of not changing or reducing the energy. The algorithm had good security, took a good perception of transparency for different types of music and voice. It had good robustness, because it could resist the attacks such as compressing, adding noise, filtering and cutting.(3) Designed a frequency domain audio watermarking algorithm by using the transform Abstractiiiof DWT. At the first, using chaotic sequencer to encrypt the secret information .Then divided the original audio signal into some segments, carried on the wavelet transformation to the each segments and gained the audio fine, compared the energy of audio fine of each two segments, embedded the watermark according to the results of the comparison and certain rules. The experiment results showed the algorithm had good transparency and security. Watermarked audio signal could resist the basic signal processing operations, the algorithm had good robustness.The two digital audio watermarking algorithms which are mentioned above are blind watermarking algorithm, can protect the copyright of audio files effectively, and have good practical value.Key words: Digital Audio Watermarking; Energy Comparison; Discrete Wavelet Transform; Transparency；Robustness西安理工大学硕士学位论文iv目录1目录1 绪论 .11.1 研究背景 .11.2 音频数字水印的国内外研究现状 .21.3 本文主要工作及内容安排 .31.3.1 本文的主要工作 .31.3.2 本文的内容安排 .32 音频数字水印技术 .52.1 数字音频基本理论 .52.1.1 人类听觉特性 .52.1.2 音频信号的数字化 .62.1.3 常用音频信号的编码格式 .72.2 音频数字水印系统基本构架 .82.3 音频数字水印系统的要求 .92.4 音频数字水印技术的应用 .102.5 常见的音频数字水印攻击 .112.6 典型的音频数字水印算法 .122.6.1 时域音频数字水印算法 .122.6.2 变换域音频数字水印算法 .132.6.3 压缩域音频数字水印算法 .142.7 音频数字水印的评价标准 .142.7.1 感知透明性评价方法 .152.7.2 鲁棒性评价方法 .162.8 WAVE 音频文件格式及解析 .172.9 本章小结 .203 基于能量比较的时域音频数字水印算法 .213.1 引言 .213.2 算法概述 .213.3 算法实现 .223.3.1 水印预处理 .223.3.2 水印的嵌入 .233.3.3 水印的提取 .243.4 实验设计 .253.4.1 水印的设计 .253.4.2 实验内容设计 .263.5 实验结果分析 .26西安理工大学硕士学位论文23.5.1 感知透明性检测 .263.5.2 安全性检测 .273.5.3 鲁棒性检测 .283.6 本章小结 .294 基于小波变换的音频数字水印算法 .314.1 小波变换基础理论 .314.1.1 连续小波变换 .314.1.2 离散小波变换 .324.2 算法概述 .324.3 算法实现 .334.3.1 水印预处理 .334.3.2 水印的嵌入 .344.3.3 水印的提取 .354.4 实验结果及分析 .364.4.1 感知透明性测试 .364.4.2 安全性测试 .374.4.3 鲁棒性测试 .384.5 两种算法的比较 .394.5.1 感知透明性比较 .404.5.2 安全性比较 .404.5.3 鲁棒性比较 .414.6 本章小结 .415 总结与展望 .435.1 全文工作总结 .435.2 下一步工作展望 .44致谢 .45参考文献 .47在校期间发表的论文 .51绪论11 绪论1.1 研究背景近年来，计算机网络通信技术特别是互联网的蓬勃发展，使得数据的交换和传输成了相对简单快捷的过程。人们借助于电子设备将不同样式的多媒体作品以网络形式发表，一方面这些数字作品可以以低成本甚至无偿地被使用，这样就给用户带来了很大的方便；另一方面这些也会被不法分子所利用，他们可以很容易地复制这些作品，严重侵害了创作者和所有者的产权。因此，数字作品的便利性和不安全性是同时存在的，采取必要的手段对数字作品实行保护已是迫在眉睫的工作 1。传统的作品版权保护手段现在已经不能满足需要，我们应该考虑数字作品本身的特点，为它提供新的保护手段。人们通常认为通信安全的实现可以通过加密来完成 2，即首先对多媒体数据进行加密处理，将其变成密文以后发布，在传播的过程中，非法的个人和团体不会得到机密信息，从而达到版权保护和信息安全的目的。以香农信息论及密码学理论为依据的密码技术，存在着一些不足，并不能彻底解决问题。首先，经过加密处理后的多媒体文件因其不可理解性而妨碍了多媒体信息的传播；其次，多媒体信息经过加密后比较容易引起攻击者的好奇和注意，并有被破解的可能性，而且加密文件一旦被破解，其内容就完全透明了，不会再起到任何保护作用。由于电脑技术的高速发展和破解技术的日渐成熟，传统系统的安全慢慢被人们所质疑。因此，人们不得不去寻找新的技术来补充加密技术，使多媒体数据的版权能得到更有效的保护。数字水印技术的研究就是基于这样的实际需要而发展起来的。 自从数字水印（Digital Watermarking）技术在 1993 年被 Caronni 提出来以后，工业界与学术界的学者们对它产生了浓厚的兴趣，此后慢慢成为全球非常热门的研究课题。数字水印技术是一门兴起时间不是很长的多门学科相交叉的技术，但发展非常迅速，主要涉及到了计算机科学、多媒体处理、数据压缩、人类心理学和密码学等领域，具有非常重要的理论意义和现实意义。数字水印技术是一种信息隐藏技术，其基本思想是在不影响信息可用性的前提条件下，利用人的听觉特性和视觉特性，对数字产品嵌入秘密信息，用来保护数字产品的版权和证明数字产品的可靠性，以及为用户提供产品的附加信息等等。随着因特网的普及和数字化音乐制品的大量制作和发行，人们可以很方便的从互联网上下载音乐产品，但这也给非法侵权者提供了机会，致使很多侵害产权的音乐被以不同的方式发布，这样不但给音乐产业带来很大的经济损失，而且阻碍了它的发展。于是，对音频数据实施版权保护变得越来越重要，音频数字水印技术由此而生。音频数字水印技术是在原始音频数据中嵌入秘密信息水印，但不影响原始音频的听觉质量，在音频中嵌入的秘密信息可以有很多种形式如文字、图像、作品序列号等等 3。水印信息西安理工大学硕士学位论文2和原始音频数据紧密结合在一块，通常情况下音频中嵌入的水印，人们在听觉上根本察觉不到，并且还要能够有效地抵抗不法侵权行为的攻击。1.2 音频数字水印的国内外研究现状数字水印技术是信息隐藏技术的一个重要分支，最早提出的数字水印技术都是对图像实施保护的。在 1993 年，Tirkel 等人 4发表的一篇文章中首次论述了该技术。“数字水印”这一概念最早由 Tirkel 等人在 1994 年国际图像处理会议上正式提出。此后，数字水印技术在国际上引起了人们的广泛关注。从 1996 年的第一届国际信息隐藏技术研讨会（International Information Hiding Workshop，IHW）顺利召开以后，数字水印技术就被认定为一个重要的内容在往后连续四届的信息隐藏会议上进行了探讨。从 1999 年开始，光学工程师协会 SPIE 和国际图像科学与技术协会 IS&T 每年都要举办“多媒体内容安全和水印的专题研讨会”（Security and Watermarking of Multimedia Contents）。200