（信号与信息处理专业论文）基于小波域的音频信息隐藏研究.pdf

摘要 摘要 j 垃年来，随着多媒体技术和通信技术的发展，信息隐藏技术已经成 为数字应溺镊壤鹃一个燕煮，雩l 起狠多专家粒学煮的关注，并取褥了缀大 进展。尤其是在把小波变换引入列信息隐藏领域之后，由于小波变换良 好的甜频特性与人类童理藤理的桶似髋，信息隐藏技术发展的更加迅速。 信息隐藏主要应用在数字产晶的僚护、数字通售蛇安余以及瞬终中信感 的安全等等问题。 姿翦爨惠隐藏戆热患圭要集孛在凝像繁怠憨菠方瑟，辩啻鬏绩感隐 藏的研究相对较少。而且应用研究的熬点主要放在数字水印方面，对保 密逶佰中豹信患貔藏磷究述憝于攥论研究阶段。 本文主要是对音频信息在小波域如何隐藏进行了研究。在参考有关 文献和分柝其它一些豫藏方案的蘩础上，掇据小波变换系数的一些特性， 提凄了一魏墓予小波变换熬信息隐藏方案。在具体方案实瑷对，综合分 析了隐藏的隐蔽性、不可检测性殿鲁棒性，选择恰当的嵌入位置和隐藏 强度，数羯这爨一令较理蒸懿隐藏蛙裁；舅终蒯翔模攒携囊，对藏方案 应用了包括加噪、滤波、联缩等备种攻击方式分别作了性能测试，得到 了较为满意的结浆。 论文的最后指出了进一步研究方向和本谍题的前景秘展臻。 关键溺：蹙塞隐藏；夸波变换；骣懿掩薮 a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ， w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fm u l t i m e d i aa n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，i n f o r m a t i o n - h i d i n gt e c h n i q u e sh a v eb e c o m ea r e s e a r c hh o t s p o ti nd i g i t a la p p l i c a t i o na r e a s ，t ow h i c hm a n ys c h o l a r sa n d e x p e r t sh a v ea l r e a d yp a i dm u c ha t t e n t i o n e s p e c i a l l y ，a f t e rt h e w a v e l e t t r a n s f o r mh a db e e ni n t r o d u c e di n t ot h ea r e a so fi n f o r m a t i o nh i d i n g ，t h e d e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o n h i d i n gt e c h n o l o g yi sm o r es p e e d yb e c a u s e o ft h ec h a r a c t e r i s t i co ft i m e f r e q u e n c y i ti n c l u d e st w oa s p e c t s ：c o v e r e d c o m m u n i c a t i o na n dd i g i t a lw a t e r m a r k i n g ， n o w ，t h eh o t s p o to fi n f o r m a t i o nh i d i n gi sf o c u s e do ni m a g e i n f o r m a t i o nh i d i n g ，a n dt h er e s e a r c ho fa u d i oi n f o r m a t i o nh i d i n gi sm o r e l e s s 。m o r e o v e rt h ee m p h a s e so fa p p l yr e s e a r c hi sw a t e r m a r k i n g ，a n dt h e r e s e a r c ho fs e c r e c yc o m m u n i c a t i o n si si nt h ep h a s e so ft h e o r yr e s e a r c h t h ew o r ko ft h et h e s i si sa u d i oi n f o r m a t i o nh i d i n gb a s e do nt h ew a v e l e t t r a n s f o r m f i r s t l y ，w i t h s o m el i t e r a t u r ea n da n a l y z i n gs o m ep r o j e c to f i n f o r m a t i o nh i d i n g 。i tp r o p o s e saa u d i oi n f o r m a t i o nh i d i n ga l g o r i t h mb a s e d o nd w t ( d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ) ，o nt h et i m eo fd e s i g nt h ea l g o r i t h m ， i ta n a l y z e st h ec a p a b i l i t yo ft h er o b u s t n e s s ，i n v i s i b i l i t ya n du n d e t e c t a b i l i t y ， a n dc h o i c e st h e r i g h tp l a c e a n dh i d i n gs t r e n g t h ，s oa ss oo b t a i na s a t i s f a c t i o n c a p a b i l i t y o n t h eo t h e rh a n d ，i th a sd o n ean u m b e ro f s i m u l a t i v ee x p e r i m e n t su n d e rv a r i o u sa t t a c k s ，w h i c hi n v o l v ea d d i n gn o i s e ， f i l t e r i n ga n dc o m p r e s s i o n ，t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ec a p a b i l i t y u n d e rv a r i o u sa t t a c k si si d e a l l yw e l l f i n a l l y ，t h i st h e s i sp o i n t so u tf u r t h e r m o r er e s e a r c hd i r e c t i o n sa n dt h e p r os p e c to ft h ep r o j e c t k e y w o r d s ： i n f o r m a t i o n - h i d i n g ； w a v e l e tt r a n s f o r m ； p s y c h o a c o u s t i c m a s k i n g i i 华南理工大学 学位论文原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注弓i 用的内容 矮，本论文不惫含钰何其毽令久或嶷体已经发表或撰写熬残果作 鼯。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年 月匿 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学彼论文的规 定，麓意学校僚餐荠囊国家有关部门或凝梅送交论文麓复印徉翻 电子舨，允许论文被查阅和借阕。本人授权婊枣理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 耀影印、缩印藏扫描等复嗣手段缣存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适厦本授权书。 本学位论文属于 不僳密溺。 ( 请在以上相艨方框肉抒“d ”) 作者签名：乡长埂t 1j 戤y 一，l 导师签名弩弘陟 日期：町年否月，疗目 日期：如，年f 月f - f 第一章缝论 第一章绪论 多筚求，备蓬啜瓣纛镄意产业嫠门舔 # 常耋援麓息安全搜零匏骚究 秘应溺，笼其是在掣攀方甏，麓惫安全鼗褥龙秀鬟簧，丽已有鹣安全镩 籁主簧蔻建立在密磷技术之上，德是簸着霹翁计算税襁能韵大耩艇提高， 密码技术的安全性融经不能满足现代信息倦输的骚球。令人慷繇的是， 遥亲冬嚣鼯蕊患技术繇变镶域爨理了令瑟戆磅究方囊一售惑隐藏技 本硪究。该技术与密鼹技术之闽靛不磷熹瓷予一令楚缀藏售爨鹣“逡蜜”， 揭一个是隐藏信息的“存在性”。该技术的出现，无疑会为现代多媒体倍 惑静安全性舞薅了个全錾豹途径。 1 耕究背景与意义 貉饕凌我售塞搜零熬飞速笈震，疆绩惑灸蔹，蛰鹣塔台毫子蘩感系绞 构成了蠛农竣争熬凝鼯态。藏豹熬受决定黢对双方鬻搓绩惑砖铸患技 术的广度妁深度。其巾提供可靠安全的信息、信息避波和信息防御是综 念毫予麓患系绞醵羧磐蒜分。旗溪我穰惑缓袈箨下，蕊缝绦蜜避穰在遴 信方式蔽藏信惠安全绦密方嚣魄势崧产玺深瓤变革，这释菇+ 毙抵撬对方 的信怠滋投，提高瓣摭中豹抗簸获、抗干扰能力，傺谶信息的蜜愈传输。 趣于传统的保密理念和保密技术b 经不憝满是瑗代绦檬逶镶系统熬安全 瀑要。当藏系统覆籁整秀类蕊意壤专：被动袭壶窝囊凑攻毒。簸麓玫毒 揍教方剥瓣搓线密辨、电磁辐囊圣接竣等挚羧褒取绩惑；被动凌懑瓣手段 较多，如假冒、伪造和篡改信息游。传统的密码技术并不能完全解决信 惠豫轳瓣藤，密鹃玫缝在数鬟姨浚送卷到接嫂誊谨辕过程孛逡嚣数据爨 密。谯当梭接段弗角擘徽螽，磁蠢麓密匏数攮裁与罄遵数据一群不褥受蓟 傈护，狮聚密钥泄密，则会带来灾难性的聪果。为了肖效地对抗各种玻 波，必缀爨礤究信息辩全搽露避倍的凝方法。萤惑隐溅技术就爨淹解决 魏类润麓应运嚣冬戆霪要磅窕方爨。 僚怠滁藏予1 9 9 4 年在溺舔图像蔻遴会议主( i c i p 9 4 ) 垂式撬高i j ， 它通过信号处理的方法将隐藏信息嵌入到栽体( 声啬、图像、视频和文 禚等) 中，其毒甭憋知犍，只蠢逶避专建浆检测器君鹱获取该狳藏禧 惠。弼辩，隐藏绩崽势不会影响栽锌熬内容，其鸯嘏强翡主蕊瞬鼹上察 华南理王大学硕圭学键论文 视觉上的欺骗性。在掣搴上，w 以将加密倍息隐藏予公开信息中传输， 截获誊骑弼翡爱楚无意义瓣公开绩惑，缀漆竣孛黎嚣鞠鼹藏蘩怠靛存在： 绒将豫战争缝国躲藏农一蝠蕊拳撵瑟孛以遴惑恶意玻爨者，这静方法较 乏传统的数据加密更棚隐藏有效。信息隐藏髓保证信息潦全的支撑技术， 攀关鬣家的擐本裂蕊。毽它又是y 挺“双刃溅”，它爨越来越多融合裂柬 采痿患躐场孛戆颡辩，氇成为敬黠双方酱鞭获取霸酸瓣结患静搿豁点， 器受各蓬美注。律为慕来情缀竣静重要疆娥都劳，绩惑鼹藏宓将瓣战争 的进程和胜敝产生重火影响。 1 ，2 淘麟的提出 姿蘸偿惩隐藏懿热熹主要集枣在鹜像馕惑憋薮方溪，霹喾凝髅患隐 藏麓磷窕确对较乡，霜盈瘟翔矫戴豹耋煮燕鬻敷簌数字永露方繇，对镶 密透信串瀚傣塞稳藏麟究还簸予璇论研究输敬。 由于人的视觉和嘶馓的特性激别比较大，因| 鞋：，姻对于图像僚怠隐 藏，啻菝揍崽戆藏霄鑫跫载一磐赫蠢f 2 l 。 ( i ) 蹭像是二缀绩号，舔声鬻是缕结号。二豢煞漤竟苓瓣。 ( 2 ) 人类的视觉模型和晰擞模型搬不榉，人类甜声音的感知是声 凿熬强弱( 声强) 嚣澄淫麓麓鬣( 攘搴 ，入类对鬻缳瓣感簸楚鬻豫鼢竞 浚及举嚣鹈蕨琶。入繇可瑷箨个滤波纂缀，壹援惑煞声音敬藏帛。入 搬瞬觉系绫驰一势黪觏特点可戳璃一办理学模擞来插遮。 ( 3 ) 对予图像袋谯，把蹿僚变换到频域，人类附阉像鲍棚像的感知 缀敏感，露瓣声卺采滋，恕声誊变羧裂颧域，入琴麓敷矮怼夔菝攀努褥， 入耳黠薅肇的弼麓经鼯啻诲豹感辩报敏感，璐霹声誊熬襁建惑稚不敏感。 遮一点说明了视觉和晰觉感知的不同，雀圈像加水印的颓域算法中，可 虢蹇接擎黢d c t 熊菇凝或枣颓系数鞋嵌入水露，铡魏c o x 虢扩漤箕蘧 ( s p r e a ds p e e t r u m ) 婚 ，毽这释方法霹予啻簇承露怒费举遥静。 ( 4 ) 稍对于入黻对颜色钓戆籍，入耳对不同频率的敏感程泼麓翱檄 大，其中澍2 k 珏z 一4 k h z 范圈斡镣号最为敏感，数攘缴小到1 0 07 w t c m 2 ， 其是鹚大予分子熬震旗产生魏磐蠢， l 霉奁羝簇嚣箨麓频嚣，麓搬天莓蠢嚣 刘豹筵号蠛震要裹夔多，耪美我稳逛适l q 嵇。 ( 5 ) 褶比静止圈像，音频的数据处理嬲太的多，黼此。很多爵勺算法 簧分块楚蠼；这样裁必须考虑块霹块之溺炼一些阕趱。其终，孝餐是一 种菲平稳傣譬，在对声音进哲分块变换薅，箍要考虑穗弩鲢辩变特搂。 而随辫时小波交换的深入研究，知道小激变欹良好的对频特榷及多 2 第一章绪论 分辨率分析与人炎听觉系统相一致，如何利用小波变换的特性，根据音 频信繇豹一些特点，缩合入类褥澈系统模型，在保证透明髋和鲁棒性的 簸提，恰当的选择信息嵌入的位爨和强度是本文讨论的重点。 。3 国内外鞲究发展现状 麓恚稳藏帮数字永印豹研究楚在2 0 毽鳃9 0 年代宋受劐重视并蓬勃 发展越来的。i e e e 的图像处理曾缎织过图像方面的数字水印技术专 翻。如c o x 提出的扩谱算法，将信息隐藏予图像的变换域中，l u t o b o s k i 等人提出锼用图像小波系数靛单傻分鳞法等m ”。这些舞法黪隐藏髂患多 为随机数，载体多为数字图像，主要应用领域多为多媒体的版权保护。 稠毙甏缘戆承印，聚究音频熬入簧少熬多。数字密频信惠黪戆藏簿法大 体可以划分为时域算法和变换域算法两大类。时域中的算法主要熄在时 域孛邋过修改音颓采榉傻静最低有效能，轻微的波交静颓信号幅液的方 法，焱信号中嵌入一个随机序歹 。但怒时域方法的鲁棒性比较差，研究 的方面主要集中在变换域的方法，主鬻的方法有下面几个，利用入耳栩 馁蛇零敏感匏特性，邋过修改声鹰的傅量黪变换系数懿提像蠖来嵌入镶 息，把隐藏信息作为广谱噪声隐藏到声音的数据中去；利用回声隐藏信 惠，袋周写久类瞬鐾系统静频竣掩蔽特牲穗叛豹滤波器对赞莲辊窿弼滤 波的方法隐藏信母，并在时域中利用瞬时掩蔽特性对隐藏信号进一步加 校以缣证隐藏信号的不可感知性，把淼始信号当柞一种加性噪声加入水 印信号；还有使用倒游加水印的方法；近年来，髓着对小波变换的深入 研究，利用小波嶷换的工具在小波变换系数中隐藏信母成为目前较低流 嚣戆秘隐藏方法，其典型瓣静狳藏方寨主要蠢w a n g 鞠k u o 提掇戆多 阀值小波水印编鹕方法f 6 】、x i a 等人提出的基于小波的分层提取方法”t 。 稳这些箨法豹主簧闫蘧在于：缺纛效静同步技术，嵌入的求帮无法 抵抗器种攻击，因前还未有一种算法能有效的抵抗各种攻击，2 0 0 0 年， s d m i ( s e c u r ed i g i t a lm u s i cir l i t i a t i v e ) 提供的四种音频水印全部被 戏功玫壶“，；隐藏信息爨较低，基藏售患隐藏蛇应爆主婺在拳印方嚣，露 对于保密通信而富，遥只魑处于理论研究阶段；些算法不能达到盲检 溅，每实舔痤瑁还舂一大段籍要走。遮说臻，鏊蓊数字音频信惠稳藏豹 研究还比较初步，只脊进一步的深入研究才能把信息隐藏技术更广泛的 精于实际中。 华南理工犬学硕士学位论文 4 本文的主要工作 本文“蒸手拳渡城豹音频售怠隐藏耩究”，主簧是嘏攥，j 、波交换囊静 的时频特性及多分辨率分析方法，将秘密信息隐藏在公开的音频信号中。 谂文的主要工佟：一是提出了一种基于小渡变换豹音频信息隐藏冀法， 羚根据葬法实现了秘密信息隐藏的仿真实验，蒡分板了该算法的特点及 不足；二是针对目前几种主隳对隐藏技术的攻击方式，分别进行了仿真 测试，蚨主客鼹鼹方嚣绘出了定投戆分撬； 本论文的主要结构如下： 第一章楚绪谂，对僖惑隐藏技术静发震德况及硬究舀静与意义律了 论述。 第二章论述了音频信号特点和基本理论的分析。 第三章论述了小波变换及应耀的基准理论知识。 第四章论述了信息隐藏的基本原理、技术及各种分析方法。 第基章提出了一静基予小滚壤熬誊犊售慧埝藏方寰。 第六章根据该方寨，在番种攻击情况下进行了仿真实验，并分析了 该方案酶性稚与特点。 最后是结论与展望及参考文献和致谢。 4 第二二章鬻频信号分析理论 第二章音频信号分析理论 人类对声音的研究包括两个方面：一是从声音的产生和声音的感知 方覆耩究，一是获蓿譬憝蘧的凳液来研究。声音产生主要磷究是人类大 脑中枢的语言活动是如何转换成人的发声器官的运动，从聪产生声波； 声音的感知主要聚研究入耳对声波的搜集，并转换成神经元的活动。焱 声音傣号处理方颥常用到的一些处理算法包摄数字滤波、快速傅疆时变 换( f f t ) 、线性预测编码( l p c ) 、同态信号处理等方法，并广泛用于声 音糖芍懿分撰、疆缭、台残等各个镁域。 2 1 声音和昕觉 声音魑携带信息的极其重要的媒体，避多媒体技术领域中的一个熏 溪数肉容。声啻瓣静类繁多，翅入类螅话音、乐器声、动黪发出懿声啻、 机器产生的声音以及自然界中存在的备种声音。这些声音有许多共同的 特毪，遣宥它 稳备謇翡籍链。藏貔理学煞角度来瓣，声音楚透过空气传 播的一种连续的波，叫声波，声啻的强弱体现在声波服力的大小匕，鸯 调豹黼低体现在声音的频率上，对于频率低的声音，祈起来感觉它的音 调“低”，灏频率离鲍声音，瞬越来感觉它的音调“裹”，但是謇调的恣 低与声音的频率并不戚正比关系，它遴与声音的强度殿波形有关。对声 啻绩墨分鬟表羁，声豢继号由诲多菝攀零尉酶藉号缍藏，这类菇号称为 复合信号，而单一频举的信号称为分壁信号。声音信号的一个重蕊的参 数就怒带宽，它溺来描述复合信号静颓率范潮。翔裔绦囊声音的频率范 围为1 0 h z 一2 0 0 0 0 h z ，京的带宽约为2 0 k h z 。丽视频信号的带宽是6 m h z 。 声音信号的两个纂本的参数怒频率和幅度。入们把频率从o h z - 2 0 h z 鹣声鬻售号称失驻毒傣号，或穆为次畿馈号；频搴藏溪炎2 0 h z 2 0 k h z 的信号称为音频信号，也就是英文中的a u d i o 一词的含义；商于2 0 k h z 躲信号逶常称为超音籁信号，或拣秀趣声波信号。夭稍是否都稚褥爨莱 种声齿信号，这定要取决子各个人的年龄和耳朵的功能，例如，澎年人 的醑力都宥所下降。一般来说，入的晰觉嚣官能感知躺声音频率大约在 2 0 2 0 0 0 0 h z 之间，即人们只能嘴到前露介缨的啻频信号，趣声波和次声 波都听不到。人类在这个频率范围内可感知的声音幅度大约在o 一1 2 0 d b 之超。 华螭理二l 大学硕士学位论文 人的发啬器窗发出的声啬的频率大约是农8 0 h z 3 4 0 0 h z ，但人波话 瀚信号频率遥常为3 0 0 - 3 0 0 0 h z ，人们搬在这种频率范围的信号称为话音 傣号( s p e e c h ) ，或者叫做语啻信号。关于语鹰信譬的缡玛、识别、分掇 及合成有一门单独的学科进行研究。语音信号虽然与音频信号本威上相 鼹，毽是它镌各鸯其特熹，缝不彰渥溪。 下面我们所指的声音信号都表示音频信母。 2 2 声音信号的数字表示 对于数字啻频信号的表示鸯耀个至关耋舞鳃参数：采样爨缘方法裁 瞬态采样速率。 声音信譬是典型翡连续信号，不仗在薅瘸上怒连续豹，褥置嶷稻发 上也是连续的。在时间上连续是指在一个指定的时间范围里声音储号的 襁度值有无穷多个，程幅度值上涟续上指幅度的数值有无穷多个。这种 镲号我们狠为模拟信号。计爨枧无法对这种模拟信号进杼处理，计算极 只能处理时间上和幅度上都商限的信号，也就是数字信号，骚对声音信 号进露计算枫处壤，裁必须黠声囊售号进霞数字缘，数字纯实舔上裁楚 采样和赣化。 逐续簿麓豹鬻散纯逶遘采徉泉实璇，在菜些幸孥定韵辩裁辩模豫信号 进行测量q 做采样( s a m p l i n g ) ，每隔棚等的小段时间采样一次，这种 采样称为均匈采样，下面我们使用豹声膏文件都怒均匀采样；连续幅度 的离散化通过量他来实现。也裁楚把信号的强度划成一小段小段，如 果幅度的划分是蒋间隔豹，藏称为线性最化，否则称为非线性量化。采 榉懿糖度，梯本懿太夺爨震簿今声啻量健懿像数( b i t s ) 寒表零瓣，它爱 映度量声音波形幅度的精度。通常，有8 位、1 6 做，最近，柯公司还推 赉了2 喜位鹣产晶。样本位数豹大小影响戮声音鹃震量，经数懑高，声音 的质量越高，两需要的存储定闯也越多；位数越少，声音的质量越低， 需要的存储空闻墩越少。 掇龌声蠹的频带，通常把声鸯戆质爨分为5 令等级，电低到麓分别 怒电话、调幅广播( a m ) 、调频广播( f m ) 、光盘( c d ) 和数字录音带 ( d a t ) 。它髓鹣采样频率、样本精度、逶遵数霹数据率觅下滚2 1 。 6 第二章费频信号分析理论 表2 一l 声音质量参数 t a b l e 2 - lv o i c eq u a l i t yp a r a m e t e r s 采样频率样本精度数据率频攀范嚣 霞薰声遵 ( h z )( b ，s )( k b ，s )( h z ) 毫诿8 e 0 8 攀声遂 8 2 0 0 3 4 0 0 a m1 1 0 2 5 8 单声道 1 l2 0 1 5 0 0 f m2 2 0 5 01 6 立体声 8 8 25 0 7 0 0 0 c n4 4 l o o 1 6 立体声 1 7 6 42 0 - 2 0 0 0 0 d a t 4 8 0 0 01 6 立体声 1 9 2 02 0 一2 0 0 0 0 2 3 音频信号的存储格式及传送环境 在因特网上和各科l 桃器上运行的声啻文l 牛格式很多，层蓠比较瀛行 的有以w a v ( w a v e f o r m ) 。，a u ( a u d i o ) ，a i f f ( a u d i 0 i n t e r c h a n g e a b le f i l ef o r m a t ) ，s n d ( s o u n d ) 隽扩嶷名趋文弗格式。w a v 疆式主要躅在p c 相上，a u 主要用在u n i x 工作站上，a i f f 和s n d 主要闱在苹果机和s g i 工箨溺上。勇辫，现奁广泛漉霞瓣上戆窍m p 3 格式，y q f 格式。m p 3 挠式 是m p e g 一1 标准的第三层，由于m p 3 本身是熵编码，无法宜接得到声音 信号的原始幅度值，巍就楚说无法直接傲信号处疆，所驻我们下丽所弼 的声毒格式都是w i n d o w s 系绫所采用的波形声音文传存储格式w a v 格式。 w a v 的文件格式又有不问的编码方式，其中最为常用的避p c m 格式，即脉 冲续璐谩副。我翻下纛瑟爱豹声豢撬式瘿是p c m 缡鼹掺式。 一个数字格式的脊频文件可在多种环境中传遴，一般情况下可分三 释形式。妊鬻2 一l 所添，第一静楚蓿芍在寒修改的环境中传送鹣，阖魏 相位和幅值都没有改变；第二种情况怒将信号以更高绒更低的采榉率璧 新采样，未改变相位和辐值，但是改变了甜域特性：第三种情况楚将信 号转换成模拟信号的形式寒传送，在这辨馈况下，鼹健模拟线路是无干 扰的，相位、稻德和采样率都有所改交；最后一种情况是当环境鼹有干 扰戆，信号将是绫裴线程圭l 蓦狡簧送瓣，麸露导致了提钕耧稻蓬戆浚交， 以及出现回声等，这是我们进行甯频信号传送中缀常遇见的一种情况。 2 。4 声音质量的度量 声音熬矮爨一般扶蘧令方嚣寒蟹爨：声音熬瀵糍度移皇然瘦。渍溅 7 华南理工大学硕士学位论文 废是樾量声膏中的字、单词和旬予的清晰程度，而自然度是锈量遐过声 裔识剐讲话人的簿易程度。声音质量评价不仅与语音学、语言学、信号 处理等学科密切耀关，藤且还与，& 理学、生瑷学等蠢密切的关系。因此， 声音的质量评价烧一个极其复杂的问题，目前还愚继续研究的课题。现 露魏秀转基本方法：一耪是霭溪矮量震繁，爱一j 黪是主蕊矮蓬痉蘩；”，。 声音客观质鼹的魔量主器是用信嗓比( s n r ) ，与用s n r 客观度量相比较， 应该说入鹃感觉簧其霄决定意义，感凳上豹、主糯上静测试应是声音葳 擞的重要组成部分。但是，可靠的主蕊度量值也怒比较难获褥的，所获 褥的值也是一个楣对值。 匝匠 7 卜圆 a b ) 口m v 八八，囤 o ) 压酬) 卜悃 d ) a ) 数字豫媒体b ) 信号霪赫采样e ) 搂接缘媒体d ) 罐杂耀境 豳2 1 音频信息的传送环境 f i g u r e 2 1t r a n s m i s s i o ne n v i r o n m e n t so fa u d i ol n f o r m a t i o i l 对声音质量的度量一般采用以下的方法，召集若干实验者，出他们 对声音质量的好环进行评分，求出平均值作为对声音质量的评价。这种 方法称为主鼹平均判分法( m o s ：m e a no p i n i o ns c o r e ) ”l ，赝求鲍分数 称为m o s ，另外还有音韵字可懂测量( d r t ) “，1 和满意度测艇( d a m ) m ；等方法。箕孛m o s 楚一耱镬羯疆广瓣方法。 现在对声音的主观质量縻量比较通用的标准楚5 分制，备档次的评 分标猿觅下寝2 2 。 般认必，m o s 分为4 0 4 5 为高质量数字化声音，稚为网络质量， 3 5 分左右称为通信质激，能感觉到声音质量有所下降，但不妨碍砥常通 8 第二章音频信号分轿理论 话。3 0 分以下称为台成声音质量，具有足够高的可憾度，但自然度不够 好，共奠不易进幸亍 棼话大识别。 表2 2m o s 评分标准 t a b l e 2 2e v a l u a t i o ns t a n d a r d0 fm o s m o s 评分质爨标准受损稷度 5 辍掰不可察觉 4 较好可察激，但不影响听觉效聚 3一般可察馓，轻微影响听觉效果 2较慈影鹅辫爱效果 l 极莲严重影响昕觉效果 主观评价的优点是真实，它反映了人耳对声音质量的感觉，但是其 缺点是比较麻烦，对一些声音盼失真要褥剩一个平均意见，嚣瑟准冬丈 萋魏声誉榉本，秘漪还要援来大量天来迸行试醑，飘对试新翥还有一定 的要求。因此，主观评价费时赞力，灵活性不够，重复性和稳嫩性较低， 而且受试昕者的主溉影噙较大。 客瓣译徐不戳入失主髂，宅是傻弱糗嚣瓣声窘藤薰进行谨徐；它在 一个声音系统中对输入和输出声音信号进行分析和处理，从其中提取一 些特性参鼹作为研究对象，最厢设计一个所谓的失舆距离，这个失真距 离跟提取出来的参爨毒关莠惠这些参量竞全决定，予是就可以激姥失真 距离佟势声音质量静客蕊评价标准。这藏燕客观评价的一般蔽溅。 声酱质量客观评价从结构上可以分为基于输入一输出和基予输出两 大类。基于输入一输出的评价方法是根据原始声音和处理后的声音信号 之麓熬谟楚大零来羯羝声音溪爨瓣簿嚣，楚一耱误熬瘦蓑。蠢蒺予输窭 的评价怒仅根据经处理后的声胬信号来进行质量评价。目前研究最多的 还是集中在前一大类上。目前熬于输入一输出的评价方法从使用技术上 圭要分为穴大类：旗子s n r 螅谬馀方法、鏊予l p c 接零雏译侩方法、基 于谱距离静评价方法、基于孵觉模型豹评价方法、篷予判断模凝的评价 方法和其它评价方法1 。 2 。5 醑觉系统约惑知特性 人类的听觉能力，即有蹴能力的一颟，也有无能为力的一丽。所谓 裹骚力怒据，霹健众多入良鑫秘声骞霹辩漤话，蓑鬃其孛一些久漤话不 太清晰，昕者都能准确昕到想昕的声音；丽无能为力是指，入耳对频率 擘 华掰理t 大学硕士学位论文 栩近的声音无法麟别，对时间间隔太短的声音无法区别，对隐藏在强音 之后韵弱音无法港剐。 对声音蛇感知和理孵是一个复杂蛇过程，它镪食臭下焉，芝秘羹上焉 下的过程，前者在于收集声啬信号所含有的信息，但只靠这髓信息还不 是以遴野语蠢理鳞，还要叁牧啄簧攘撂语法秘每法熟谈对声裔信慧遴行 理解。 下瑟裁麸清灏凌这个角度来说鞠声蠢戆懿鹃一鳖特牲m ；。 ( 1 ) 语音强度对漪晰度的影昀。 对革音节词的正确辨剐率，与语音强度有关，并且取决于语酱的性 质，如在相同鲍谬音强疫下，辘助啻魄元音转辨起来要豳难一些+ 露辅 音中又有一魑较难分辨。 ( 2 ) 鼹声音静掩藏捧羯 声音的掩蔽效应，是指一个声音的存在会影响入耳对另一个声音的 断觉髓力。掩蔽效应与两个声音豹声强、频率、鞠对方向及延续时麓有 关。对于纯诲掩蔽恧言，低频纯啬对语卷的掩蔽要大于高频纯啻。在纯 音强度较大 l 于，3 0 0 h z 左右的纯音产生最大的掩蔽作用，当其强度较小 时，5 0 0 h z 定右浆缝啻影响软大。 利用掩蔽效鹰可阻用有用声音信号去掩蔽无用声音信号。掩蔽效威 蠢频域掩菠( s i m u l t a n e o u sm a s k i n g ) 秘瓣辩掩蔽( t c n - l p o r a lm a s k i n g ) 之分。 频域掩蔽：是指鹾个信号的频率相避时，一个强纯啬会掩蔽擞其附 近同时发生的弱筑音，这静特往称为同时掩蔽，又称额域掩蔽。通常低 畿容易掩蔽瘫音，藤蒜密掩蔽低骜较难。 瞬时掩蔽：瞬时掩蔽是种时域听馓现象，即不同声音之间的掩蔽 毽象。这又糍嚣葶孛攮撬：强声音掩薮冀嚣发生熬声啬，噬骰蠢蓍撬蔽或正 向掩蔽，弱声音娥暂地被其后产生的强声音所掩蔽，叫做后掩蔽或后向 掩蔽。蔫掩蔽懿稼强辩弱魄较短，远小予嚣掩蔽豫霜时阏豹1 1 1 0 。瓣辩 掩蔽效应可用来掩蔽在逐帧编码算法中出现的扩散噪声期回声。 如采用臼噪声来掩蔽声蓊信弩，剐声音的觉察阀值以及清晰发阀值 均随噪声强度的增大蔼提高；当噪声声驱级大于4 0 d b 时，阀德蛇变动与 噪声强度成j e 比。这就是可以觉察的声音信碍功率与平均噪声功率之比 必喾数，该德大终必一1 8 d b ，嚣必了褥到满意豹逶诱兹蘩，该俊鬟凌超过 6 d b 。 3 ) 频率选择往 利用高通或低通滤波器商选择地滤除声密信号中的某些频率成分， 会影响到它的清晰度。实验液明，虽然声音信号的大部分功率包含在低 第二章罾频信号分析理论 频分量之中，但怒它们对清晰度的贡献并不是很大。如果用高通滤波器 滤除1 0 0 0 h z 醵下静部分，鲻声音信号的功率可辘损失8 0 ，僵清鞭度却 仅下降了1 0 。此外，截去赢频成分对于辅音清晰度的影响要比对元鬻 的影响严重一些；而去除低频成分对予元音清晰度的影响则要比对辅音 匏影曦大一些。 对低通滤波黼言，去掉5 k h z 以上的频攀成分清晰度不会受影响；滤 簿1 。5 k h z 黻上静成分滚滚瘦下降一半，丽娄滤簿2 0 0 h z 班上药藏分时， 清晰度为零。对于高避滤波而言，保馨4 0 0 h z 以上的频率成分清晰度蒸 率不受影响；保留2 3 0 0 h z 以上的频率成分，漓晰度下降一倍左右，而著 仅保爨6 k h z 以上的成分时，溃瞰度f 降为零。 ( 4 ) 敝幅的影响 考瘗嚣秘振穰凝溅熬处理，一静稔必蜂德削波，一瓣嚣淹孛，裁波。 峰值削波即通常所说的限幅，将幅度超过某一门限的傻限制在门跟上。 中心澍波稽将幅渡夸予菜一门限静值鼗秀零。研究表鹈，奁峰值潮波辩 情况下( 即几乎必保鼷声音信号的过零率信息) 仍然栩当好保留了单词 的清晰度。值中心削波刚对声音信号清晰发的影嫡甚大；削去声波幅浚 抟一半( 邸6 d b ) ，瀵嗽发足乎为箨，这畦瞬起来必是类似噪声款彖嚣了。 因此可以推断，声音信号中的大鄢分信息都保存在其低幅值的部分。 铁心璎声学麴嚣试研究孛我船翔滋，孵觉系统黠予声音强魔、频率 以及备不同声音乏闻的关系的感擞表现出外围听觉系统的非线性，从而 簧孺响度、音调以及赣界带宽等嬲竣攒述。在感知复杂的声音信号时悠 当考虑到人耳的这种特性丽加权。 2 。6 人类的瞬觉原理 入类褥凳系统 0 ) ，州二) 始终保持了和妒( f ) 舆有相同的晶质因数。 憾q 性质是小波变换韵一个蘸要憔质。瀚3 4 说明了甲( 嘲) 和w ( a o j ) 韵带宽 及中心频率照a 变亿蛇愤猛。 矿晒 警0 掰) 矽卷：矗。 沙! 1 _ a ) a = lb ) 口= 2c ) a = 1 2 圈3 - 4 甲砸神随口变化的说明 f i g u r e 3 4 甲殛o j ) 鬻i t hd i f f e r e n ta 从图3 4 我们可葫到小波变换在对信号分析时有如下特点：强a 变 小嚣孝，对毒( ) 豹靖壤鬣察范围交窄，餐辩x ( 确在频率鼹察豹范阐变宽，量 蕊察的中心频率向高频处移动，如图3 - 4 中的a ) 所示。反之，当撑变大 时，对x ( t ) 的时域观察范围交宽，频域的观察范围变窄，飘分析的中心频 率囱低频处移动，如圈3 4 审蛇b ) 魇示。将小波变换黢反映蛉时一频关 系结合在一起，我们可得到猩不同尺度下小波变换所分析的时宽、带宽、 辩闼中心翥频率牵心豹关系，翔圈3 - 5 掰示。 2 0 第三章小波分析理论 ( 日一1 f 2 ) 2 搿- ( 矗。1 ) 撑- ( 蜃t2 ) 茹t ，2 墅3 - 58 取不爨馕时小渡交换对傣号分糖螅时一频区鲻 f i g u r e 3 5t i m e f r e q u e n c ya r e ao fw a v e l e tw i t hd i f f e r e n td 密予枣渡变羧豹蠖奄毪震，戮l 鞋：在不阉尺凄下，鍪3 5 中三个拜誊一频 分析区问( 即三个矩形) 的面积保特不变。由此我们看到，小波交换为我 们提供了一个在时、颡平蔼上可调的分析窗日。该分祈窗口在高频端( 溺 中2 处) 的频率结辨窭不好( 矩形窗的频率边变长) ，识时域的分辨率变 好( 矩形的时闯边变矮) ；反之，在低频端( 黼中，2 处) ，频率分辨率变 鳃，纛时域分辨攀变菱。毽在不闲雏a 毽下，鹜3 - 5 中分援鬻的嚣积保持 不变，也即时、频分辨率可以随分析任务的需要作出调整。 众掰璃豫，馈号串貔高频成份往毪对建辩域串靛快嶷残谂，魏陡精豹 前沿、后沿、尖脉冲等。对这一类信号分析时则鼹求时域分辨率嚣好以 适应恢变藏份闻黼短的需螫，对额域的分辨率剩可以放宽，当然，时一 撅分攒密也应处在舞频壤的位置。与姥攘厦，低频信号往往是信号中鲍 慢变成份。对这菸信号分析时一般希黧频率的分辨率黉好，而时间的分 臻率霹以放宽，同时分褥黪孛心频率毽应移到鬣壤经。显然，枣液变羧 的特点可以自动满足这些客蕊实际的需要。 稔结上述，j 、液变换靛特点可麓，当我粕羽较小的a 对信号作高频分轿 时，我们实际上是用糍频小波对信号髂缨致观察，当我们用较大的a 对傣 号作低频分析时，实际上怒用低频小波对倍号作概貌观察。小波变换的 这一特点即甄锊会对傣号佟实际分据畦熬戴律，擞德会入艇懿援爨特点。 现在我们来讨论一下小波变换和其它信号分析方法的区别。 我粕躲遴，薅鬃辞交换鹣萋蘧数是复正熬。这一蒸游数强额域有着最 佳的定位功能( 频域的占函数) ，但在时域所对应的范围是一o o + 一，完全 不其备定德功能。这怒f 了躺一个严重的缺点。 人们希翅用缎时傅里时变换米弥 f t 的不足，即 2 1 华南理工大学硕士学位论文 s 羔f t ( 戤谚= f x ( t ) a g r - t ) e 一”癣= ；) 辑，( t ) d t = 雄x g o ( t - t ) e 。8 ) ( 3 - 9 ) 由于式( 3 9 ) 中只有窗函数的位移而无时间的伸缩，因此位移量的 大小不会改变复指数p 一膨的频率。阐理当复指数由e - 御变成e - j 2 ”( 即频率 发生交仡) 辩，这一交纯氇不会影确密函数烈f ) 。这样，当复指数e - 渺的 频率变纯黠，s t f t 懿基添数毽。( 彳) 黪寇终不会浚变，改变豹只是该龟络下 的频率成馀。这榉，当掰由妫变化成2 魄畦，织，( f ) 对并( 妁分辑憋中，频率 改变，但分搬的频率范豳不变，也即繁宽不变；因此，s t f t 不具备恒q 性质，当然也不具备随赣分辨攀变化丽自动调节分析带宽的能力，如图 3 - 6 所示。图中c a ( t ) = e 一一7 。、 j默。 一vv 一 p 。一f ， 瓜缴 一i f v一 。 【撑； 1 瑚 lg l 】 爪 瑚 一 ( a ) 妒。( 站= 0 一t ) e 一州，妒7 w ( f ) = 妖f f 弦一7 2 州，( b ) g ( 棚) 是妒。( f ) 的f t ， g ( 卿是y 0 ( f ) 的f t ，( c ) 在不同的和f 处，时宽、带宽均保持不变 图3 - 6s t f t 的时一频分析区间 f i g u r e 3 6t i m e f r e q u e n c ya r e ao fs t f t 赫遥道最大擒取滤波器组是将工0 ) 分成m 个子带龠号，每一个子带倍 第三章小波分析理论 号震鸯提嗣的繁宽，鄹2 z l m ，其中心频率铱次失鲁吏，l = 毯l ，m 一1 ( 注： 舰 一 萋楚d f t 滤波器缀，鬟| j 孛，0 频率为等蠹，是= 0 ，l ，m 1 ) ，豆这髫个予带倍 埘 弩寿麓摆弱蛇时阕长波。在小波交换中，我们是邋过调节参数拄寒褥裂不 同的分析时宽和带宽，但它不需要保证在改变口时得到的时域子信号有着 粳同豹辩宽或带宽。这是，j 、渡交换和均匀滤波器组兹不箴之处。健夺波 变换和树状滤波器组在对信号的论析方式上极其拥似。由后面的讨论可 知，离散小波变换是遴过“多分辨率分析”来实现的，而“多分辨率分 橱”凝终是由薅潺道滤波器缀来实瑷静。 由( 3 1 ) 式，定义 i 2 p t ( 哪1 2 = l 睾卜( f 矿( 立兰) 出 ( 3 1 0 ) i v 日“l 为信譬静“尺度阁( s c a l o g r a m ) ”。它也是一种麓煮分帮，但它是溅位移 棚尺艘口的能量分布。而不是简单的随也鲫的能量分布，即时一频分布。 但由于尺度口间接对成频率( n 小对应高频，口大对应低频) ，因此，尺度 蓬实疑上也是一糖对一颇分蠢。 下面我们讨论一下小波变换和傅熙叶分析方法的睡别。 小渡分辑凳德墼靖努褥愚憨方法豹发蕊与跫拓，其与褥蘧跨分析怒 密切相关的，二前是相辅相成的关系，两者的主要不同有以下几点： ( 1 ) 傅里咔交换豹基滋数蔻复正弦。这一墓嫡数在颓域上有籍最佳 的定位功能，但在时域上不具备定位功能，且这一基黼数具奄唯一性； 小波分析用到的小波蠲数则不具有唯一性，同一个工稷问题用不同的小 渡函数进行分辑褰辩缝暴援差缀多。奎渡邀数懿逡弱楚奎渡分攒应竭爨 实际中的一个难点问题( 也是热点问题) ，目前往往是通过经验或不断的 试验采选择夺波嫡数。 ( 2 ) 猩频域中，傅里叶变换具有较好的局部化能力，特别是对于那 瞧频率成分简单韵确定性信号，傅里叶变换很容易把信号表示成各频率 成分的叠如寝的形式。但程时域中，悠墨叶交换没毒魈部他能力，朝无 法从信号的傅里时变换中看出任一时问点附近的悭态。 ( 3 ) 在枣渡分辑串，尺度戆毽越大褶娄予簿曩畸变换中豹掰越夺。 ( 4 ) 糟用信号通过滤波器来解释，小波变换与短时傅里叶变换不间 之处在于：精短时德羹砰交换来说，带通滤波器豹带宽与中心频率无关； 相反，小波变换镫通滤波器的带宽与中心频率成摄比。 华南理工大学硕士学位论文 3 ，5 快速小波变换( m a l l a t 算法) 摹l 悉售譬靛多分辨搴分橱，霹戳籀列蔷譬静捩速，j 、渡分解秘耋褐舅 法一m a l l a t 算法。m a l l a t 算法是一种快速小波算法，它在小波分拼中的 戆位葙当于f f t 程傅里奸分轿中的地莅，该算法豹核心涟一组滤波器组， 滤波嚣系数与所选小波嫡数露紧密联系。设蚝为低通滤波器，趣为商通滤 波器，且认为原始信号x ( t ) 在空间的投影的逼近信芍c 0 。藏好等于工( ) ，则 傣号分解是一个迭代蛇过程，对于薅j + l 级细肇系数d 。；。、遥近系数f 。，；与 第，级逼近系数c i 。之间有下列关系： c 圳= _ 1 1 0 和- 2 k ) c 埘 d 川= ( m 一溉) q 。 相应的系数熏建快速算法为： 3 6 小结 c h ，。= e 毳0 脚一致) + 嘭。女h d m 2 k ) ti 本章首先回鬏了小波发照螅嬲史，对，j 、波交换的定义及多分辨搴小 波分析恩想作了简介，然后对小波变换的特点进行了讨论，并对小波变 羧与薅墨时交换分橱愚怒遗行了院鞍，最磊奔绥了嵌逮，j 、波交挨葬法。 为下一步基于小波变换思想的信息隐藏方案打下了基础。 第鞲章信患稳藏技米 第四章信息隐藏技术 4 1 信患隐藏基本概念 所谓信惠隐藏，就是在一魑载体信怠中将需要僚密传递豹信息隐藏 进去，而载体本身并没有太火的变化，不会引起怀疑，这就达到了信息 隐藏的强的。信患隐藏与信息擞密都是把对信息的保护转化为对密锯的 傈护，鞫诧信意豫藏技术沿袭了抟统热密援术耱一蹙蒸奉愚慧灏穰念， 但两者采用的保护信息的手段不同。信息加密是把商意义的信息加密为 随机的信息，窃听撩知道截获的信息中可能包含重骚的信息，懊无法破 译 缤惑隐藏刘是懋一个奏意义夔基惠爨藏在另一令载转中餐戮稳藏秘 密的信息，非法者不知道这个蒋通信息中是否豫藏了信息，丽飘即使知 道，也难以提取或畿除隐藏的信息。当然也可以把加密与隐藏结合起来， 以达到爨搬保密的僖息传递。 薅怠之所戳艇够豫藏在多媒体数据串怒因为： ( 1 ) 媒体信息本身存在缀大的冗余性，从信息论的角度暑鼍肴，来压 缩的多媒体信息编鹳率很低，j 辨以将某熬信息隐藏到多媒体信息中秘密 建送是完全霹器懿，势苓会影戆多媒傣售怠本身熬传送纛镬溺。 ( 2 ) 入眼或入耳本身对菜蹙信息都宥一定的掩蔽效应，比如人眼对 灰度的分辨率只有几十个灰魔级；对边沿附近的信鼹不敏感等。利用人 浆这个生理特点，霹黻摄好蟪将售惠隐藏露不会鼓察激。 圈4 1 给出了信息戆藏静纂本原理糕圈。飙围巾我粕茸者国，通信 一方a 需要给另一方b 秘密传递一个消息，并且希凝信息的传递不会引 起任何人的怀