毕业设计（论文）-音频水印技术研究.doc

大庆石油学院本科生毕业设计（论文） I 摘 要 随着全球信息化程度的提高和电子商务逐渐走向实用，对知识产权保护的要 求迫在眉睫，数字水印技术正是在这种背景下提出的。近年来，数字水印技术得 到了较大的发展，并且基于 DWT 的水印技术是目前研究的热点。本课题主要针对 基于 DWT 的音频数字水印算法进行研究，在简要介绍本课题研究背景与本课题的 国内外研究动态的基础上，随后介绍了数字水印技术的应用、特点和攻击方法， 音频水印的特点、计算方法、应用前景和基于 DCT 的音频水印算法。最后，本文 在 Matlab 中对基于 DWT 的数字音频水印的嵌入、提取与攻击进行了实验。实验 数据表明，这种算法，水印检测后，能准确提取出嵌入的水印并且人耳不容易察 觉，具有很强的鲁棒性，并且水印具有良好的可检测性。 关键词：DCT；DWT；水印；音频；Matlab 全套设计加扣 3012250582 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） II 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） I Abstract With the global informationizing and e-commerce boosting, the requirement of the copyright protection becomes more and more urgent. Under this condition, the digital watermark technique is put forward. Digital watermarking techniques have greatly developed in recent years. And watermarking techniques based on DWT (Discrete Wavelet Transform) has become a heated issue in the academic research of the field. This paper mainly proposed the DWT-based audio digital watermarking algorithm, in briefly introduced the background research and domestic and foreign research dynamic of the subject. Afterwards this paper introduced the application, the characteristic and the attack method of digital watermarking technology, the characteristic, the algorithm and the application prospects of audio watermarking and the DCT-based audio watermarking algorithm. Finally, the algorithm on embedding, extracting and attack of digital audio watermarking based on DWT is implemented on Matlab platform. The simulation experimental results show that the algorithm can accurately extract the embedded watermark after the test of watermark and it is not easy to detect by human ear. Besides, the watermark has a good detectability and strong robustness. Key words：DCT；DWT；Watermarking；Audio；Matlab 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） I 目 录 第第 1 1 章章 绪论绪论 .1 1.1 本课题研究背景与意义 .1 1.2 本课题的国内外研究现状 .2 1.3 本课题的主要内容 .3 1.4 本章小结 .3 第第 2 2 章章 数字水印技术数字水印技术 .4 2.1 数字水印的概念 .4 2.2 数字水印的分类 .5 2.3 数字水印的特征 .5 2.4 数字水印的攻击 .7 2.5 本章小结 .7 第第 3 3 章章 音频水印技术音频水印技术 .8 3.1 数字音频水印的原理及通用的模型 .8 3.2 数字音频水印系统的基本要求 .9 3.3 数字音频水印的评价标准 .10 3.4 本章小结 .11 第第 4 4 章章 基于基于 DCTDCT 的音频水印技术的音频水印技术 .12 4.1 基于 DCT 的音频水印算法 .12 4.2 水印的嵌入及提取 .13 4.3 本章小结 .14 第第 5 5 章章 基于基于 DWTDWT 的音频水印技术的音频水印技术 .15 5.1 基于 DWT 的音频水印算法 .15 5.2 攻击手段 .17 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） II 5.3 仿真实验 .18 5.4 本章小结 .21 结结 论论 .22 参考文献参考文献 .23 致致 谢谢 .24 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪论 数字水印（digital watermarking)是在开放的网络环境中开发的信息安全技术 领域的新方向，优于密码学中的密码加密技术和置乱技术等传统信息安全技术， 更有效地保护了数字产品在网络上合法而广泛快速地传播和交流1。 1.1 本课题研究背景与意义 近年来，随着计算机网络和多媒体技术的迅速发展，人们在方便地获取信息 和交流信息的同时，还需要能安全地存储和传输信息，防止非法用户和制造商进 行非法复制和盗版，因此如何对数字化信息进行保护，有效地进行知识产权保护 面临严峻的问题。多媒体信息安全中传统的加解密系统并不能很好地解决版权保 护问题。虽然经过加密后只有被授权持有解密密钥的人才可以存取数据，但是这 样就无法向更多的人展示自己的作品；而且数据一旦被解密，就完全置于解密人 的控制之下，可以随意地拷贝和传播，在一定程度上制约着数字多媒体的广泛应 用。数字水印技术是将具有确定性和保密性的信息有意识地嵌入到数字作品中， 并作为原始数据的一部分而保留在其中，而且不影响原始数字作品的使用价值。 即使在数字作品受到破坏或解密之后仍可用它来跟踪数据的复制和传输，用以证 明数字作品的所有权，从而达到对数字作品的有效保护2。数字音频水印技术就 是基于数字音频作品的版权保护而提出来的。 随着音频素材在互联网上的指数增加，数字音频水印技术有着广泛的应用前 景。一方面，可以用音频水印技术实现数字音频作品版权的保护和认证。这是水 印技术最主要的应用。它的目的是通过嵌入数据的来源信息以及比较有代表性的 版权所有者信息，从而防止其它团体对该数据宣称拥有版权。这样水印就可以用 来公正地解决所有权问题；另一方面可以用于音频作品的盗版跟踪，它的目的是 传输合法接收者的信息而不是数据来源者的信息，主要用来识别数据的单个发行 拷贝。这一类应用在发行的每个拷贝中嵌入不同的水印，通常称之为“数字指纹” ；还可以用于拷贝保护，这就要求在音频作品发行体系中存在一个拷贝保机制， 即它不允许未授权的媒体拷贝。在开放系统中很难实现拷贝保护，然而在封闭或 私有系统中，可以用水印来说明数据的拷贝情况，因此拷贝保护是可行的另外， 在广播领域中可以用水印技术执行自动的任务，比如广播站或节目类型的标识、 广告效果的统计分析、广播覆盖范围的分析研究等；在国防和军事领域中可以用 于隐蔽通信，以实现秘密信息的传递。因此，对数字音频水印处理算法的研究， 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 2 不仅具有现实的学术意义，而且具有长远的经济效益和社会效益3。 1.2 本课题的国内外研究现状 1990 年发表了第一篇关于图像水印的文章，1959 年以后，数字水印技术获 得了广泛关注且得到了较快的发展。信息隐藏技术的理论和算法研究已引起了众 多知名研究机构如麻省理工学院的多媒体实验室、剑桥大学的多媒体实验室、 IBM 数字实验室 NEC、SONY、PHILIPS 微软等，都在加速对数字水印技术的研 制和完善。近年来，该领域研究的发展速度非常快，有些公司已推出了一些数字 水印软件产品，如美国划 Adobesystems 公司在图像编辑软件 Adobephotoshop40 中，就按标准安装了数字水印软件。另外，在具体应用方面也非常具有活力，新 出现的视频压缩标准 MPEG4（ISO IEC 14496）中提供了一个易于将密码和数字 水印结合起来的体制；DVD 工业标准将包含拷贝控制和版权保护，该机制利用数 字水印来表明多媒体数据的可拷贝状况，比如“二次拷贝”或“禁止拷贝”等标 记。同时还有一些其他公司也相继推出了在数字化图像、音频和视频作品中嵌人 鲁棒水印以进行版权保护的软件产品，如 Bluespike 公司的“Giovanni 数字水印 系统” ，Gognic 公司的“AudiokeyMP3 水印系统” ，Signum Technologies 公司的 “Suresign 水印”等等4。 第一届信息隐藏学术讨论会(CIHW)于 1996 年召开，这次会议把数字水印作 为它的主要议题之一。摄影光学仪器工程师学会从 1999 年开始举办专门的“多 媒体内容的安全和水印”讨论会。另外，大约在此同时，一些组织开始考虑包含 不同标准的水印技术。拷贝保护技术工作组(CPTWG)出于保护 DVD 碟中视频的 目的测试了水印系统。安全数字音乐主创(SDMI)将水印做成他们的音乐保护系统 的核心技术。欧盟赞助的“欢呼(Vlav)”和“护身符(Talisman)”两个计划对用于 广播监控的水印进行了测试。国际标准化组织(ISO)则对该技术用于高级 MPEG 标准设计的情况很感兴趣。 目前，从了解的情况和国内有关数字水印方面的文献来看，国内对音频水印 算法的研究起步较晚，但已引起了人们极大的研究兴趣。一些单位如哈尔滨工业 大学、北京邮电大学、华中科技大学等的一大批科研人员，正在从事音频水印算 法的研究，取得了一定的成果。 另外，我国科研人员也十分注重学术交流。1999 年，在北京电子技术应用研 究所举行了第一次学术会议，参加会议的有何德全、周仲义、蔡吉人三位院士， 还有来自全国许多高等院校和研究所的专家。2000 年 1 月，863 计划智能计算机 系统专家组在北京主持召开了“数字水印技术研讨会” 。2000 年 6 月，全国第二 届信息隐藏学术研讨会(CIHW2000)在北京举行，参加研讨会的学者来自全国各地 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 3 从事信息隐藏技术研究的二十四个高等院校或科研机构。2001 年 9 月，全国第三 届信息隐藏学术研讨会(CIHW2001)在古城西安举行，参加会议的专家和学者 66 人，这次会议的一个重要成果是对目前该领域的一些术语进行了规范。与此不久。 与 2004 年，成都宇飞信息工程有限责任公司率先开发出国内外第一个印刷打印 数字水印软件，并在信息安全、防伪、版权保护、电子政务等领域投人了商业化 应用。该项目的实施标志着我国数字水印技术的研究己经进人了商业化、产业化 发展的阶段，这些会议的举行以及取得的成果，给大家提供了交流的机会和展示 成果的舞台，大家能互相交流在数字水印技术研究方面取得的心得和体会，必将 大大促进我国数字水印技术研究的发展。近年来音频信息隐藏技术的研究工作发 展速度很快，尤其在变换域音频信息的数据嵌入技术，由于其能将信息嵌入到载 体的敏感区域，使得研究更具有实用性。但是目前更多的文献是讨论如何设计数 字水印方案或如何攻击数字水印，各种方案或产品还都有着这样或那样的问题， 尚缺乏有关数字水印的理论。如今还有许多未触及的研究课题，现有技术也需要 改进和提高。但总的来说，由于数字水印的研究要以计算机科学、生理学、密码 学、通信理论、算法设计和信号处理等领域的思想和概念为基础，一个数字水印 方案一般总是综合利用这些领域的最新进展，但也无法避免这些领域固有的一些 缺点。并且，数字水印的多学科性导致数字水印技术研究的难度和复杂性。从理 论和实际成果两方面来看，国内在数字水印方面的研究工作还处于刚起步阶段。 可以说数字水印技术还是处于其发展初期阶段，从理论到实际都有许多问题有待 解决5。 1.3 本课题的主要内容 本课题主要讨论的是基于 DWT 的音频水印算法，在简要介绍本课题的研究背 景与意义以及本课题的国内外研究动态的基础上，介绍了数字水印技术的概念、 应用、特征和攻击方法与音频水印的特点、计算方法、应用前景和对基于 DCT 算 法的音频水印技术的理论概述。论文重点分析了基于 DWT 的音频水印的算法，并 且基于 Matlab 算法进行了水印嵌入、提取和攻击实验，然后通过实验仿真结果 得出结论。最后对全文的工作进行了总结。 1.4 本章小结 数字音频水印技术是当代信息高科技的热点之一。本章主要针对课题研究的 背景，研究现状以及研究的意义作了简要介绍，指出数字音频水印技术就是基于 数字音频作品的版权保护而提出来的，它是在不影响原始数字作品的使用价值的 前提下投入到广泛使用中的。并且本章指出对数字音频水印处理算法的研究，不 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 4 仅具有现实的学术意义，而且具有长远的经济效益和社会效益。最后交待了本课 题研究的主要方面和所做的工作。 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 4 第 2 章 数字水印技术 数字水印（digital watermarking)是在开放的网络环境中开发的信息安全技术 领域的新方向，优于密码学中的密码加密技术和置乱技术等传统信息安全技术， 更有效地保护了数字产品在网络上合法而广泛快速地传播和交流。为了保护数字 产品的知识产权，防止未经授权的复制和流通，近年来数字水印技术受到了广泛 的关注。因此如今数字水印已成为多媒体信息安全研究领域的一个热点。 2.1 数字水印的概念 数字水印是一种数字标记，可以是数字、序列号、文字、图像标志等标识或 版权信息，一般包含版权所有者的标记或代码，以及能够证实用户合法拥有数据 的用户代码等基本信息，将它秘密地内嵌到数字产品中可以帮助识别确定产品的 内容、著作权、使用权、完整性等6。 水印系统通常由嵌入器和检测器组成，如图 2-1 所示。 检测到的 水印信息 水印作品 载体作品 水印信息 水印嵌入器水印检测器 图 2-1 水印系统 如图可知嵌入器有两个输入： 一个是要编码为水印的信息，另一个是要嵌入水印的载体作品。水印嵌入器 的输出通常会被传输或记录。然后，把嵌入器输出的作品（或其他一些未经水印 嵌入器处理的作品）输入到水印检测器中，大多数检测器将设法检测水印是否存 在，若存在，则输出水印编码的信息。 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 5 2.2 数字水印的分类 数字水印技术从不同的角度有下面的一些划分方法： （1）按特性划分 按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印。鲁棒数字 水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，它要求嵌入的水印能够经受各种常 用的编辑处理；脆弱数字水印主要用于完整性保护，脆弱水印必须对信号的改动 很敏感，人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过。 （2）按水印所附载的媒体划分 按水印所附载的媒体，数字水印分为图像水印、音频水印、视频水印、文本 水印以及用于三维网格模型的网格水印等7。 （3）按检测过程划分 按水印的检测过程将数字水印分为明文水印和盲水印。明文水印在检测过程 中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数据。一般明文水印 的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本的限制。目前数字水印大多数是盲水印。 （4）按内容划分 按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。有意义水印 是指水印本身也是某个数字图像(如商标)或数字音频片段的编码；无意义水印则 只对应于一个序列号。有意义水印如由于受到攻击或其他原因致使解码后的水印 破损，人们仍然可以通过视觉观察确认是否有水印。但对于无意义水印来说，如 果解码后的水印序列有若千码元错误，则只能通过统计决策来确定信号中是否含 有水印8。 （5）按用途划分 不同的应用需求造就了不同的水印技术。关于这一点在本文的后面有介绍。 （6）按水印隐藏的位置划分 按数字水印的隐藏位置划分为时域数字水印、频域数字水印、时/频域数字水 印和时间/尺度域数字水印。时域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息，而 频域数字水印、时/频域数字水印和时间/尺度域数字水印则分别是在 DCT 变换域、 时/频变换域和小波变换域上隐藏水印。随着数字水印技术的发展，各种水印算法 层出不穷，水印的隐藏位置也不再局限于上述四种。实际上只要构成一种信号变 换，就有可能在其变换空间上隐藏水印。 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 6 2.3 数字水印的特征 水印系统可以由一些限定特性描述其特征，本文根据给定水印系统的以下特 性来判断此水印系统是否适用于给定应用： （1）嵌入有效性：成功地将水印嵌入到随机选定的作品中的概率。 人们总是期望 100的有效性，但是实际这种目标常常需要在其他特性方面 付出非常高的代价。因此，根据实际应用，为了在其他特性方面获得更好的性能， 我们宁愿牺牲一些有效性9。 （2）保真度：原始载体作品和水印版本的载体作品在感觉上的相似程度。 在某些应用中，为了获得高鲁棒性和低成本，我们可以接受适度的可感知的 水印。 （3）数据有效载荷：单位时间内或在一个作品中水印编码的比特数。 对于照片而言，数据有效载荷指的是在图像中编码的比特数；对于音频而言， 指的是每秒传输的比特数；对于视频而言，则指的是每域（或每帧）的比特数或 者是每秒的比特数。 （4）盲检测或辅助信息检测： （a）盲检测：不需要任何有关原始作品信息的情况下，水印检测器就能检 测出作品中的水印。 （b）辅助信息检测：检测器需要原始未加水印作品的信息，才能检测出水 印。还可以指只需要原始作品的部分信息，而不是整个作品信息。 （5）虚警率：在未加水印的作品中错误地检测出水印的频率的期望值。 （6）鲁棒性：在经过常规的信号处理操作后，仍能够检测到水印的能力。 对图像的常规操作的例子包括空间滤波、有损压缩、打印和扫描，以及几何 失真（旋转、平移和图像缩放等） ；音频水印需要对诸如时间域滤波、音频磁带 录制、录音重放速度的变化（该变化会导致抖动和颤动）等过程具有鲁棒性。 （7）安全性：水印抵抗敌手企图使水印效用失效的能力。 健壮的水印安全是一种机制，它在原始内容的基础上创建了一条通信信道， 这条通信信道复合在原始内容中，并且，水印安全要求做到以下两点： （a）经过水印处理的内容与原始内容相比，在视觉和听觉上是微小的，即 不易察觉的； （b）水印信道内容的衰减量是经水印处理的内容的平滑函数10。 （8）密码和水印密钥：系统运用密码密钥来控制信息加密，或运用水印密 钥来控制嵌入和检测。 在现代加密算法中，只需要对密钥进行保密，而不需要保密整个算法就可以 确保安全。 （9）修改和多水印：在一幅作品中修改已嵌入的水印或嵌入数个水印的可 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 7 能性。 （10）成本：嵌入器和检测器的计算成本。部署水印嵌入器和检测器的经济 学问题极其复杂，并且依赖于相关的商业模式。从技术角度看，两个主要关注的 问题是执行嵌入和检测的速度以及需要部署的检测器和嵌入器的数目。其他的问 题包括是否使用专门用途的硬件、应用软件或插件来实现检测器和嵌入器。 2.4 数字水印的攻击 一个有效的水印攻击方法，是在不伤害水印载体内容的前提下，通过处理， 使得水印检测系统不能正确恢复水印信号或者无法检测到水印的存在，以及使得 水印无法提供法律上的可证明性，从而导致水印无效。我们可以把水印攻击分为 以下四种情况： （1）简单攻击 简单地对整个加水印数据进行处理，而不是去识别并分离水印，旨在削弱水 印信号。典型例子包括线性和一般非线性滤波，诸如 JPEG 和 MPEG 等有损压缩， 附加噪声，量化，D/A 转换，GAMME 校正等11。 （2）同步攻击 攻击方法试图破坏相关性水印的相关性，使得水印检测器无法恢复水印信号。 大多数有几何失真，如比例缩放，空间或时间方向上的移位、旋转、剪切、移去。 此类攻击的特点是一般水印还留在被攻击过的数据中，随着检测器性能的改进与 提高，水印还是可以被恢复的。 （3） “混淆”攻击 通过伪造原始数据或伪造加水印数据而造成混淆，使得原来的水印不能被判 断和不再说明任何意义。这种攻击仅仅在水印作版权证明时有用，例如攻击者可 以通过再次添加一个水印，使原所有者的可信用度无效，因为检测器无法说明到 底那一个是原始水印，谁是合法的版权拥有者。 （4）水印移去攻击 对加水印数据进行分析，估计出水印或载体数据，从而将水印从载体中分离 出来，去掉水印。统计平均和共谋攻击通过统计分析的方法，得到近似无水印的 载体或原水印信号，从而能达到基本移去水印的目的。 2.5 本章小结 数字水印是实现版权保护的有效办法，本章主要介绍了一些关于数字水印的 基础知识。首先阐述了数字水印技术的基本概念和水印系统的主要组成及模型图。 其次本章从六种不同角度将数字水印分门别类。鉴于水印系统可以由一些限定特 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 8 性描述它的特征，本章根据给定水印系统的特性来判断水印系统是否适用于给定 的应用，最后介绍了四种在不伤害水印载体内容从而导致水印失效的前提下进行 的对水印的攻击方法。 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 8 第 3 章 音频水印技术 随着数字化时代的到来，数字化音像制品和音乐制品的大量使用，如何解决 音频数据的版权保护也成为研究的热点问题。而通过在音频载体中嵌入数字水印 信息，来实现拷贝限制、使用跟踪、盗用确认等功能是解决这一问题的一个可行 而有效的途径。近年来有关音频水印方面的研究工作发展的速度很快，尤其在变 换域的音频信息的嵌入方面，由于能将信息嵌入到载体的敏感区域，使得对其进 行研究更具有实用性。 3.1 数字音频水印的原理及通用的模型 从数字通信的角度看，水印嵌入可理解为在一个宽带信道(载体音频信号)上 用扩频通信技术传输一个窄带信号(水印信号)。水印的检测则是一个有噪信道中 弱信号的检测问题。 数字音频水印系统的原理框图如图 3-1 所示。 提取水印 嵌入模块传输存储音频播放器 提取模块 含水印的 水印数据 音频信号 图 3-1 数字音频水印系统框图 如图可知，用户特定信息的水印数据用水印嵌入器嵌入到原始音频信号中， 嵌入水印的音频信号可以用与原始音频信号相同的方式传输、存储和使用，任何 已有的音频播放器都可以顺利地播放嵌入水印的音频信号而不需作任何改变。 数字音频水印系统实质上等同于经典的数字通信系统原理框图。数字通信系 统包括编码器、调制器，解调器、解码器四个功能模块。如图 3-2 所示。 信息 编码器调制器解调器解码器 信息 传输噪声 图 3-2 数字通信系统框图 对比图 3-1 和图 3-2 可知，水印的嵌入模块实质上等同于通信中的调制器， 音频信号 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 9 水印的提取模块实质上等同于通信中的解调器12。 3.2 数字音频水印系统的基本要求 对音频水印系统的要求与其他水印系统类似，主要包括鲁棒性、感知透明性、 安全性以及对载荷(容量)、计算复杂性、检测器错误率的要求。 （1）感知透明性：感知透明性要求在高品质音乐制品版权保护中是必需的， 它要求含水印音乐制品与原始音乐制品之间不存在感知上的差异，并且二者经过 相同的信号处理操作后也不应该存在感知差异。 （2）鲁棒性：含水印音乐制品在分发和传递过程中会不可避免地受到各种 信号处理作。鲁棒性的含义是：除非信号处理操作严重降低了载体音频作品的品 质，否则经过信号处理操作后，水印检测器应该仍能检测出载体作品中是否含水 印。常见的信号处理操作包括添加噪声、线性和非线性滤波、有损压缩、时间轴 缩放、DA/AD 转换等。鲁棒性问题对水印而言极为重要。要尽量保证隐藏了信息 之后的宿主信息在经历可能的处理和攻击后，而不被隐藏的信息丢失的能力。一 个数字水印应该能够承受大量的、不同的物理和几何失真，包括有意的(如恶意攻 击)或无意的（如音频的压缩、滤波、声污染等等） 。显然在经过这些操作后，鲁 棒的水印算法应仍能从水印宿主中提取出嵌入的水印或证明水印的存在。如果不 掌握水印的所有有关知识，数据产品的版权保护标志应该很难被伪造。若攻击者 试图删除水印则将导致多媒体产品的彻底破坏13。 数字水印的根本目标是通过一种不引起被保护作品感知上退化，又难以被未 授权用户删除的方法向一个数字作品中嵌入一个标记。关于这方面鲁棒性的第一 次定义可以从留声机工业国际联盟(IFPI)征求音频标记技术的提案中找到。这一 提案的目的是寻求一种能够生成反盗版行为的证据、跟踪广播者和其他人对音频 媒体的使用以及控制音频记录复制的标记方案。 IFPI 的鲁棒性要求主要有如下 3 条： （a）标记信息可以在宽频带进行滤波和处理操作之后被恢复，包括两次相 继的模/数和数/模转换，稳态压缩标记或扩张 10%(压缩技术如 MPEG 和多频带非 线性振幅压缩)，引入加法或乘法噪声，使用统一系统加入一秒钟的被嵌入信号， 低音、中音和高音应用中频率能够响应 15 分贝的失真、组延迟失真和陷波滤波 器； （b）在不引起音频质量大幅度退化的情况下，不应该存在其它方法来删除 或改变嵌入信息使其无效； （c）如果信噪比为 20 分贝或者更高，被嵌入数据信道应具有每秒 20 比特 的带宽，而与信号电平和信号类型(如古典音乐、流行音乐或语音)等无关。理论 上，对于任何水印。攻击者在获得足够的信息后都可以将其擦除。但实际上由于 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 10 攻击者所得到的信息或者攻击者计算机能力的限制，擦除水印后可能难以避免对 原始数据的严重破坏。 （3）安全性：同其他媒体水印技术一样，音频水印系统必须考虑其应用环 境中可能受到的攻击。当水印技术用于版权保护时，一个重要的问题是如何确定 版权所有者，特别是当音频作品中含有多个水印，各方都声称具有作品版权时， 如何解决这种“死锁”问题等。 （4）载荷：不同应用环境对载荷的要求不同。在版权保护应用中，往往只 需要把序列号和作者的辨识码重复地嵌入到载体作品中，这种情况下对载荷的要 求不高。在使用水印技术进行隐密通信应用中，对信息载荷的要求一般很高。 （5）计算复杂性：计算复杂性的要求也是随着应用环境的不同而不同，一 般而言，要求检测器的复杂性要低于嵌入器的复杂性。在诸如广告监控等应用中， 要求算法应具有较低的复杂性，从而有利于实时实现。使用心理感知模型往往会 增加复杂性，这是由于不仅在水印嵌入阶段而且在水印检测阶段也需要使用心理 声学计算模型14。 （6）错误率：在版权保护应用中，为了增加证据的说服力，一般要求水印 检测器具有较低的虚警率，特别是在将检测结果作为法律纠纷中法庭的证据时， 这种情况下往往使用错误率作为设计指标来决定其他参数的选取。 （7）盲/非盲水印检测：所谓盲水印检铡是指不依赖于未嵌入水印的原始音 频信号中直接恢复水印信号。这一性能将影响方案的用途和性能。 3.3 数字音频水印的评价标准 音频信号中的信息隐藏不同于图像和视频。在声音中隐藏信息的难点在于： 一方面人的听觉比视觉更敏感，因此对音频水印算法的鲁棒性和不可感知性要求 更高；另一方面，对音频信号的评价还没有一个比较有效的标准。一般常用的评 价标准是主观测试法，但是主观评价受到测试者背景知识、观测环境等其他因素 的限制和影响，评价结果的一致性较差，而且费时费力，因此在研究和开发情况 下并不是很实用。客观测度作为一个可以定量评价数字音频水印的标准，在性能 评价中占有十分重要的地位 n 翻。通常情况下，对采用不同嵌入机制的音频水印 算法分别采用不同的客观度量方法，目前比较常用的方法可归结如下： （1）信噪比（SNR：Signal-to-Noise Ratio）：如果把嵌入的水印信号看作是 加载到原始音频信号上的噪声，则可以通过计算信噪比来衡量嵌入的水印信号对 音频信号的影响程度，信噪比越大，影响越小。假设原始音频信号即宿主信号为 ，嵌入水印的音频信号即隐秘信号为，则信噪比（单位为 dB）表示为：)(nx)(nxw 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 11 （3-1） L n w L n nxnx nx SNR 1 2 1 2 10 )()( )( log10 （2）峰值信噪比（PSNR：Peak Signal-to-Noise Ratio）：当水印信息嵌入到 音频信号后，通过观察其峰值信噪比可以定量地评价嵌入水印的音频信号。尽管 这一引用不是很精确，但是在某种程度它还是能够很好地比较水印的鲁棒性。峰 值信噪比的计算公式为： （3-2） L n w Ln nxnx nx PSNR 1 2 2 0 10 )()( )(max log10 （3）归一化相关系数（NCC：Normalized Correlation Coefficient）：为了检 验提取的水印信号与嵌入的水印信号之间的相似性，可以通过计算它们的归一化 相关系数来判定。假设与分别表示嵌入的水印信号和提取的水印信号)(nw)( nw (如果水印是二维图像，首先进行降维处理)，N 为水印信号的长度，。Nn 1 归一化相关系数的计算公式： （3-3） N n N n N n nwnw nwnw ww 1 2 1 2 1 )()( ) ( )( ) ( ， （4）位错误率（BER：Bit Error Rate）：为验证提取水印与原始水印的相似 程度，还可以利用位错误率来判断。假设 N 为嵌入水印信号与提取水印信号间不 同的二进制个数，为水印信号（如果水印是二维图像，首先进行降维处理）的L 二进制长度15。则位错误率的计算公式为： （3-4）%100 L N BER 3.4 本章小结 数字化音像制品和音乐制品的大量使用使如何解决音频数据的版权保护成为 研究的热点问题。本章主要对音频水印技术的一些基础理论进行了简要的介绍。 首先介绍了数字音频水印的原理及通用的模型，其次，为了水印更好的嵌入到音 频中，本章从七个方面详细的阐述了对音频水印系统的基本要求，最后介绍了对 于采用不同嵌入机制的音频水印算法分别采用不同客观度量的主要四种方法。 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 12 第 4 章 基于 DCT 的音频水印技术 数字音频水印作为一个新的领域，它的应用市场会更加广阔，市场需求已成 为音频水印技术发展的强大动力。其中，基于 DCT 域的数字音频水印因其计算 量较小，且与国际数据压缩标准兼容，受到人们的高度重视。 4.1 基于 DCT 的音频水印算法 离散余弦变换（Discrete Cosine Transform，简称 DCT）是一种与傅立叶变换 紧密相关的数学运算。在傅立叶级数展开式中，如果被展开的函数是实偶函数， 那么其傅立叶级数中只包含余弦项，再将其离散化可导出余弦变换，因此称之为 离散余弦变换。 首先将二维二值水印图像降为一维序列，为了提高水印的鲁棒性，增强其抵 抗各种干扰的能力，将一维序列与 m 序列做扩频调制。再对数字音频信号进行分 段，并依据人类听觉系统（HAS）择段做离散余弦变换（DCT） 。最后把调制的 水印信号经过量化处理嵌入到变换域系数的幅值上，完成水印信息的自适应嵌入。 水印在提取时不需要原始音频信号的参与，以及水印嵌入时使用的所有参数。得 到含有水印的音频信号后，首先对含水印音频信号进行能量较大区域的检测，找 到重要音频段，根据其位置确定含有水印的音频信号中水印嵌入的位置。对含有 水印信息的音频信号分别进行 DCT 变换，在离散余弦变换域内提取数字水印序 列信息，将根据个人密钥产生的序列进行解扩后，重建提取的水印序列，再升维 为二值图像。 对于音频数字水印而言，我们希望将水印嵌入在信号能量较强的位置，这样 做有以下优点： （1）由于信号能量较强，嵌入水印的能量可以相应增加，提高水印检测的 可靠性。 （2）由于该部分是音频信号的主要部分，对它的恶意攻击如果强度加大， 则会破坏信号的品质，因此一定程度上限制了对水印的攻击，进而增强水印的鲁 棒性。 本算法之所以将水印信息加在离散余弦变换域中的中高频的系数上，是根据 人听觉具有的掩蔽效应。时域掩蔽效应，使得高能量信号前后短时间发生的少量 畸变难以被觉察，而频域掩蔽效应，使得频域中大幅度频率分量两侧的成分不易 被感知，在高频侧尤为如此。可见，应根据听觉时域掩蔽特性，结合音频信号内 容选取能量较大的音频段作为水印嵌入的候选段，根据频域掩蔽特性，选取中高 频 DCT 系数用于水印嵌入。 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 13 之所以选择在离散余弦变换中嵌入水印，有以下原因： （1）DCT 和 IDCT 是一种正交变换，相对于傅立叶变换（FFT）而言，音频 信号 DCT 变换后只有实部，不会产生虚部，便于水印的嵌入和水印强度的控制， 而且有快速算法，便于实现。 （2）当今流行的一些音频信号压缩算法中多用到 DCT 变换，例如 MPEG-2 和 MP3 的压缩编码中就采用了该变换。所以 DCT 变换水印算法在实用阶段可以 方便地和上述算法相结合。 （3）DCT 变换具有良好的调解相关能力和能量压缩能力16。 4.2 水印的嵌入及提取 （1）水印的嵌入算法 首先，进行稳健水印的嵌入，我们把原始语音信号分成若干帧，每帧 F 个点， 如果用代表待处理的原始信号的某一帧，那么可由下式得到该帧经 DCT 变)(nx 换后序列，)(kfyy （4- 1, 2 , 1 , 0 0, 2 1 0, 1 2 ) 12( cos)( 2 )( 1 0 Fk ka ka F nk nx F akf k k F n kyy 1） 接着选取序列的第 l 到的个值作为稳健水印添加的位置。)(kfyy1lMM 为了增强嵌入信息的安全性，我们可对 取不同的值以增加对水印实施攻击的难l 度。但 的值不能选太大，因为 值代表嵌入水印的位置信息， 过大则对应的lll DCT 系数值相对较小。容纳水印的能力也相应减小，这样添加水印的抗干扰能力 也将受影响。位置信息 可作为提取的密钥，以此来增强安全性。通过下式修改l 部分系数，可以得到嵌入水印后的序列，)(kfyyl （4-2）1, 2 , 1 , 0),()() 1(Mkkwhlkfkf lyyyyl 其中为嵌入强度系数，通过调整的值可以调整嵌入水印的强度。hh 最后进行 DCT 逆变换，得到，)( 1 nx （4-3） 1 0 )(1 1, 2 , 1 , 0 0, 2 1 0, 1 2 ) 12( cos 2 )( F n k k kyylk Fk ka ka F nk fa F nx 至此水印的嵌入已完成，得到的序列即为已包含稳健水印的信号。)( 1 nx 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 14 （2）水印的提取算法 下面进行稳健水印的提取假设含水印信号经模拟攻击后记为，接着)( 2 nx 对进行 DCT 变换，得到变换域系数。如下式所示：)( 2 nx)(kfyy 1, 2 , 1 , 0 0, 2 1 0, 1 2 ) 12( cos)( 2 )( 1 0 2 Fk ka ka F nk nx F akf k k F k kyy （4-4） 水印的提取依然是在量化后系数上进行的，在嵌入位置上按下式提取)( kfyy 出水印序列，)( kwl （4-5）1, 2 , 1 , 0 )()( )( Fk h lkflkf kw yyyy l 为提取出的稳健水印。计算与原始水印的相似度。将结果)( kwl)(kwl)( kwl 和实验确定的门限 T 相比，以此来判断水印是否存在。相似度计算函数公式： （4-6）1, 2 , 1 , 0 )()( )()( 1 0 1 0 Mk kwkw kwkw wwSIM M k ll M k ll ll ），（ 4.3 本章小结 本章主要介绍了一些有关基于 DCT 算法的音频水印的基础知识。首先，阐 述了基于 DCT 算法的音频水印的概念，并且详述了基于 DCT 的音频水印的具体 算法，而且介绍了将水印嵌入到信号较强的位置的优点以及在离散余弦变换中嵌 入水印的三点原因；其次，本章详细介绍了基于 DCT 算法的音频水印的嵌入及 提取的过程和算法。 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 15 第 5 章 基于 DWT 的音频水印技术 小波(Wavelet)是目前许多科学和工程技术会议上一个非常广泛的话题，是一 种具有非常丰富的数学内容，而且有巨大应用潜力的多方面都适用的工具。小波 变换在数字水印技术中的应用也日益受到重视，与其他的数字水印技术相比，小 波水印显现出良好的鲁棒性。 5.1 基于 DWT 的音频水印算法 小波变换(DWT)是将信号分解到时域和尺度域上的一种变换，不同的尺度对 应不同的频率范围，对于音频信号这样的时变信号而言，小波变换是一种很适合 的工具。小波变换在时域和频域都具有表征信号局部特征的能力，利用小波变换 的这种时频局域化性质，对原始音频信号进行小波变换，选择在原始音频信号的 小波变换重要系数上加入水印信号，然后经过小波重构生成加入了水印的信号。 一般来讲，将水印隐藏在小波变换的低频部分，有较好的稳健性。将水印隐藏在 小波变换的高频部分，则有更好的隐蔽性，这是因为人的听觉对低频更敏感，而 压缩和低通滤波会损伤更多的高频部分。下面将介绍基于 DWT 的音频水印技术 的算法： （1）原始音频信号和水印信号的小波分解。选择适当的小波基，分别对原 始音频信号和水印信号进行三级和一级的小波分解， 对音频信号的第三级分解 的低频系数和高频系数以及水印信号的一级分解的低频系数和高频系数进行后面 的处理。 （2）小波系数的处理。选择音频信号第三级分解的低频系数中绝对值最大 的前 N 个值(N 为水印信号一级分解的低频系数的个数)作为加入水印信号的数据 点，将水印信号一级分解的低频系数通过嵌入公式嵌入到音频信号第三级分解的 低频系数当中；同理，将水印信号一级分解的高频系数嵌入到音频信号第三级分 解的高频系数当中。 （3）将加入水印信号的小波系数进行重构，用小波反变换恢复嵌入了水印 的音频信号。 5.1.1 水印嵌入算法 在离散小波变换域，把水印嵌入到小波分解低频系数上的算法原理框图如图 5-1 所示。 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 16 原始 音频 信 号 二值 水印 分段 降维 水 印 嵌 入 离 散 小 波 逆 变 换 含 水 印 的 音 频 信 号 DWT 变换 图 5-1 水印嵌入算法框图 水印算法具体嵌入过程如下： 为了提高数字水印的嵌入与检测速度，将采用逐行嵌入水印信号的策略，即 每个音频数据段将嵌入二值水印图像的一维水印信息。 （1）将原始数字音频信号分解成两部分，取出与水印嵌入有关的音频段， 同时，对原始水印序列进行降维、置乱、加密的预处理操作。 （2）选择离散小波对音频段做 3 级小波分解，得到不同级别分辨率下的一 组细节小波系数和一组近似小波系数。 （3）选择部分小