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南京理工大学硕士学位论文 局域网环境下音频认征永印系统的设计与实现 摘要 随着网络的发展和数字信号处理技术的广泛应用，多媒体信息的安全成为当今的 研究热点。本文以信息安全为背景，以d s p 、数字水印和u d p i p 局域网通信技术为 手段，实现了基于d s p 的适用于网络传输的数字语音认证系统。 本文首先对数字水印技术和d s p 技术做简要介绍。基于前人的工作基础，在已 有的d s p 保密通信系统上，提出了应用数字水印技术的数字语音传输认证解决方案。 文中描述了系统的各个功能模块。本方案选取了基于正弦模式的扩频水印隐藏算法和 能量差值水印算法，应用于音频信息隐藏，并对硬件实现效果进行了比较。在系统软 件调试过程中，针对遇到的问题进行了相应调整。本系统移植了u d p i p 协议栈，以 d s p 系统为终端构成局域网，并在该局域网内进行u d p 协议形式的数据传输。系统 集成调试的结果表明，该系统达到了预期的设计目的。在论文结论部分分析了该系统 目前仍然存在的问题，并指出了进一步研究的方向。 关键词t 数字水印、数字信号处理器、扩频水印、能量差值水印 第1 页 j 妻塞型三查兰堡主兰垒笙奎 旦苎塑堑竺! 童塑坠堡查! 墨堑塑堡生兰窒墨 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c i n gd e v e l o p m e n to fi n t e m e ta n dw i d e l yu s i n go fd i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g ，t h ep r o t e c t i o no fd i g i t a li n f o r m a t i o n ，e s p e c i a n ym u l t i m e d i a ，i sb e c o m i n ga c r u c i a li s s u ei ni n f o r m a t i o ns e c u r i t y i nc o n s i d e r a t i o no ft h ei n c r e a s i n gv a l u e so fi n f o r m a t i o ns e c u r i t y , t h ei s s u e si ns e c r e t c o m m u n i c a t i o na r es t u d i e di n t h i sd i s s e r t a t i o n av o i c ea u t h e n t i c a t i o nc o m m u n i c a t i o n s y s t e m , u s i n gd i g i t a ls i sp r o c e s s o r ，d i g i t a lw a t e r m a r ka l g n r i t t u n sa n du d p i pt e c h n i q u e ， i si m p l e m e n t e d h lt h i st h e s i s ，t h et e c h n i q u e so fi n f o r m a t i o n p r o t e c t i o nb a s e do nd i g i t a lw a t e r m a r ka n d d s pa r ef i r s tb r i e f l yi n t r o d u c e d b a s e do ue x i s t e dd s ps e c r e t ec o m m u n i c a t o nr e s e a r c h p l a t f o r m , ar e s o l u t i o nf o rd i g i t a la u d i oa u t h e n t i c a t i o nc o m m u n i c a t i o n ，o nw h i c hd i g i t a l w a t e r m a r kt e c h n i q u ei sa p p l i e d ，i sb r o u g h to u t e v e r ym o d u l ei sd e s c r i b e di nd e t a i li nt h e f o l l o w i n gc h a p t e r a m o n gm a n yd i g i t a lw a t e r m a r ka l g o r i t h m s ，w es e l e c tt w ot y p i c a l s c h e m e sc h o i c e l y o n ei sc a l l e ds i n u s o i d a lp a t t e mb a s e ds p r e a ds p e c m l mw a t e r m a r k i n t h i sa l g o r i t h m ，t h ew a t e r m a r ki se m b e d e da n dd e t e c t e dmt i m ef i e l d ，t h eo t h e ra l g o r i t h mi s d i f f e r e n t i a le n e r g yw a t e r m a r k ( d e wf o rs h o r t ) t h ee m b e d d i n ga n dd e t c t i o no fw a t e r m a r k i si nf f e q u e n c ef i e l d t or e a c ht h eg o a lo fn e t w o r k ，u d p i pp r o t o c o l sa r es u c c e s s f u l l y c o n s t r u c t e di nt h i ss y s t e m w i t ht h ea n a l y z i n go ft h ef e a s i b i l i t ya n dp e r f o r m a n c e ，s u c ha s o p e r a t i o ns p e e d ，t h ec o r r e s p o n d i n ga d j u s t m e n ti sa l s oa p p l i e d t h eo u t c o m eo fi n t e r g r t i o n d e b u g g i n g i n d i c a t et h a to u rd e s i g ni ss u c e s s f u l f i n a l ly it h ed i s s e r t a t i o ni sc o n c l u d e db yp o i n t i n go u ts o m eo p e ni s s u e s0 1 1t h i ss e c r e t c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a sw e l la sh i g h l i g h ts o m ef u r t h e ri m p r o v e m e n td i r e c t i o n s k e yw o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，s i n u s o i d a lp a t t e r nb a s e d s p r e a ds p e c t r u mw a t e r m a r k ，d i f f e r e n t i a le n e r g yw a t e r m a r k 第页 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：压l 选 柳r 年5 月期 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：，加陴g 月必日 南衰孽王大学硕士学位论文 局域网环境下音频认证水印系统的设计与实现 1 绪论 数字信息时代，网络化浪潮为人们获取和交流信息带来了极大便利。各种媒体 信息正以文本、图像、视频、音频的形式被快速地传播着。借助互联网以及数字媒 体设备，这些信息又可以被快速地复制并且广泛地传播出去，由于这些数字信息复 制过程非常简单，同时由于互联网络的开放性和匿名性的特征，使得恶意攻击者可 以轻易地对其进行篡改或伪造，数字信息的真实性验证问题也越来越受到人们的广 泛关注。如何在网络环境中进行有效的信息安全维护，已成为当前迫切需要解决的 难题之一。数字水印技术正是对这些问题的有力回应。 数字信号处理( d s p ) 技术是一门包括了许多学科并应用于很多领域的新兴学 科，是指利用计算机或是专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、 估值、增强、压缩、识别等处理，得到符合要求的信号形式。数字信号处理器是用 于处理数字信号的器件，其独特的运算能力和优良的内部结构是它迅速风靡世界的 重要原因。 本文就是数字水印技术背景下，以1 m s 3 2 0 v c 5 4 1 0d s p 为处理器，利用u d p i p 技术来实现通信，实现了一个局域网环境下音频认证水印系统。 1 1 保密遥信的应用与发展 数字信息并不会因其特殊的表现形式，而使其在通信的过程中不受到破坏。相 反，由于是在一个完全开放的通信环境中，所以数字信息更有可能也更容易受到诸 如黑客和病毒这样的攻击，并且由此可能造成极为严重的政治影响、经济损失。据 统计，在全球范围内，数字信息在通过网络或其他物理介质传输时，由于遇到不明 身份的恶意攻击者任意地篡改和破坏而造成的直接经济损失每年都达到上亿美元， 而且这个数字还一直在不停地增长。问题的暴露为我们敲响了警钟，看来如何在传 输的过程中对数字信息实旅有效的保护已经成为了下一步我们需要解决的当务之 急。 当前通信系统面临着两类信息攻击：被动攻击和主动攻击。被动攻击指敌方利 用搭线窃听、电磁辐射接收等手段窃取语音信息：而主动攻击的手段较多，如假冒、 伪造和篡改语音信息等。在互联网环境中，信息安全的一个重要方面是防止对信息 完整性的主动攻击和通信双方信任关系的建立，如防止消息假冒、更改，进行身份 识别，确认消息的不可抵赖性等。载体信息中隐藏的可以是任何信息，因此可以考 虑将完整性验证、身份认证的数字认证信息与源信息一起隐藏于载体信息中。由此， 接受方提取秘密信息后可以对秘密信息完整性进行验证，对发送方的身份进行确 第1 页 硕士沦文 认。 传统的保密观念和保密技术并不能完全解决信息保护问题，密码仅能在数据从 发送者到接收者传输过程中进行数据保密。但当被接收并解密后，所有加密的数据 就与普通数据一样不再受到保护，如果密钥泄漏，则会带来灾难性的后果。信息隐 藏技术就是为解决此类问题应运面生的重要研究方向。 目前，数字水印和数字签名两项技术已被应用于数字图像的真实性、完整性认 证f 1 划。基于数字签名的认证系统，一般是将签名与原始图像捆绑在一起存储或传 输，但由于签名独立于图像数据而存在，因此很容易被删除；而基于数字水印的认 证系统则将水印信息内嵌在原始图像中，水印信息与图像数据结合在一起，故水印 不易被除去，而且数字水印技术还可以采用双水印系统( 即脆弱性水印与鲁棒性水 印相结合) 对数字化产品进行多重目的的保护【1 l 。数字水印技术完全可以移植到语 音安全通信系统中来应用。 1 2 数字水印技术的应用价值、领域及技术指标 数字水印是一种被嵌入到载体数据中，具有安全性( s e c u r i 啪、鲁棒性 ( r o b u s m e s s ) 和不可感知n ! ( i m p e r c e p t i b i l i t y ) l 拘数字编码。 数字水印技术属于信息隐藏( i n f o r m a t i o nh i d i n g ) 技术的范畴 1 0 】，它与同属于 信息隐藏范畴的信息隐秘或者称为信息伪装( s t e g n o g r a p h y ) 有着千丝万缕的关系， 两者比较容易被混淆。信息隐秘的特点是它强调隐蔽性和保密性，对鲁棒性要求不 高。而数字水印技术则更强调鲁棒性，因为它最初是被设计用来进行版权保护的， 同时，数字水印技术在载体信号中嵌入的信息比信息伪装技术所嵌入的信息要少得 多。数字水印技术的开发更具有挑战性。 从1 9 9 0 年起，随着多媒体技术目趋成熟和计算机网络的广泛使用，有人注意 到网络上传输信息都具有一定冗余，于是提出信息隐藏的概念，t a n a k a 等人提出了 用于隐藏信息和确证所有权的标记图像的思想，这表明了数字水印概念的正式产生 【1 】【2 】。1 9 9 3 年，c a r o n n i 描述了一个用于追踪未授权圈像分发的完整系统，这才真 正代表了数字水印时代的来临。在不到十年的时间里各国专家和学者都相继提出了 一些分别在频域、时域内的数字水印算法。 1 ) 数字水印的应用价值 数字水印的作用在某些方面有点类似钱币中的水印：信息被加入到一些载体中 ( 对于数字水印而言载体是不同类型的数据，而对于钱币而言则是制造他们的纸 张) ，这些信息可以被用来保护裁体不被造假( 钱币中的水印就是这种功能) ，然而， 在数字水印技术中，除了要求水印信息隐蔽之外，还要求它能不同程度抵抗外来的 售2 贾 南京理工大学硕士学位论文 局域网环境下音频认证水印系统的设计与实现 人为或非人为的干扰或破坏，比如对信息的有损压缩和对信号的各种变换，以及对 信号的截取等等。水印信号对干扰或破坏的鲁棒性也取决于它们的应用，例如，有 一种用于信息完整性验证的脆弱水印( f r a g i l ew a t e r m a r k ) 以及半脆弱水印 ( s e m i f r a g i l e w a t e r m a r k ) ，这种水印应当能抵抗一般的一些非恶意的变换，比如量 化压缩，这种变换的目的只不过是为了便于数据的存储和传送，而对于一些恶意的 操作，比如一些企图删除版权信息或企图解除加密的操作，这种水印通过其自身随 数据被破坏而损毁来告之人们数据被修改了。与此相对应，还有一种鲁棒水印，这 种水印可以被用来隐蔽地传送一些信息( 比如出现在一些音像制品中的版权信息， 这是用来保护出版商和作者的合法利益的) ，与脆弱水印不同的是，这种水印应该 能够抵抗一切外来的攻击( 包括人为的和非人为的攻击) ，以保护数据的合法性以 及拥有者的利益。 自从1 9 9 0 年k t a n a k a 2 l 等提出图像水印以来，该技术就一直以防止非法拷贝 行为为主要目标，运用这项技术，人们即可以通过特殊设备在录制时控制录制次数， 也可以通过验证产品的所有权来揭露非法拷贝及传播的行为，并以法律的手段对其 进行制裁，间接地打消盗版者非法复制的企图，起到保护知识产权的作用。数字水 印的应用还包括数据鉴别、数字签名及提供具有附加值服务的信息等。 2 ) 数字水印的应用领域 目前数字水印技术主要被用于音频、视频、图像这三大领域。但是无论载体信 号为何种数据，这些水印技术还是存在一些共同点的：即需要根据宿主信号的一些 特性来确定所使用的水印嵌入方法有时甚至是水印要嵌入的位置。这些特性可以是 宿主信号的时域特性( 例如数据的动态范围) 或频域特性( 例如感知模型、能量分 布特性、谱包络等等) 。例如：在图像和音频水印中有一种被称为最不重要位( l s b ) 嵌入的思想，这种方法是要寻找宿主信号的最不重要位，再将数据嵌入到这些不重 要位中。虽然它们的思路相同，但用于寻找最不重要位的具体方法以及这些方法所 依据的参考模型却是不同的：在基于图像的水印中是根据人的视觉系统模型( h v s ： h u m a nv i s u a ls y s t e m ) 来确定最不重要位的，而基于音频的水印则是根据听觉系统 模型( h a s ：h u m a n a u d i t o r ys y s t e m ) 。还有扩频水印，它利用伪随机序列的扩频特 性，同时，利用宿主信号样本的动态范围对水印信号的幅度进行调节，将水印信号 以噪声的方式嵌入。在十几年的发展过程中，大量的算法被提出，其中最多的是应 用在图像上的水印技术，丽音频水印技术和视频水印技术则相对较少。 3 ) 数字水印的技术指标 数字水印的技术指标或设计要求有：鲁棒性、比特率、计算复杂度、提取水印 时是否需要原始数据以及水印的不可感知性等等。 ( 1 ) 鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 第3 页 硕士论文 鲁棒性是指水印信号抵抗各种恶意攻击以及一些信号变换的能力。既然水印可 以被用来保护拥有者的合法权益的，自然就免不了人为的攻击，也就是蓄意地破坏 水印或干扰水印的正常检测。但有时可能也需要对信号进行某些正常的数据处理， 包括：有损压缩( 1 0 s s yc o m p r e s s i n g ) 、传输信道干扰( c h a n n e ln o i s e ) 、滤波( f i l t e r i n g ) 、 重采样( r e s a m p u n g ) 、剪切( c r o p p i n g ) 、编码( e n c o d i n g ) 、扫描( s c a n n i n g ) 、数模 ( d a ) 和模数( a d ) 转换、对数据的几何变换( 旋转图像、音调移位) 等等，这些 处理都可能会对水印数据产生影响。事实上，不论是鲁棒水印还是脆弱水印，一般 都要求它们具有一定的鲁棒性，也就是说它们应该能抗得住上述几种数据处理。 ( 2 ) 嵌入比特率( e m b e d d i n 旦b i tr a t e ) 嵌入比特率是指单位时间内嵌入水印信息的容量。可以通过直接计算单位时间 音频数据中的水印数据容量来得到，也可以按照单位字节，或单位采样来计算。比 特率随水印的应用方式不同丽不同。嵌入比特率和鲁捧性是两个互斥的性能指标。 ( 3 ) 提取水印是否需要原始数据( b l i n dw a t e r m a r k ) 需要原始数据的水印算法属于非盲提取水印，这种方法一般比较简单，而且水 印的检测准确性也比较高，水印的恢复鲁棒性较强。但非盲提取会受到诸多限制， 例如有关数据监控和跟踪方面的应用根本不会考虑获得原始数据的可能。与非盲提 取对应的盲提取水印，一般来说，对盲提取水印的要求更高一些，它的应用范围更 广，算法复杂度也会更高一些。 ( 4 ) 安全性( s e c u r i t y ) 安全性是指嵌入的信息应该是保密的。在水印的嵌入和提取过程中，必须使用 一个或多个密钥。例如，嵌入伪随机信号作为水印，伪随机信号发生器本身和种子 数就是所谓的密钥。存在两个级别的安全机制。第一级机制，一个未经授权的使用 者既不能读取或解开嵌入的水印，也不能检测出所给数据中是否包含了水印；第二 级机制，即使未经授权的使用者检测出数据中是否加入了水印，如果没有密钥，仍 然无法读取嵌入的信息。一种方法可以是嵌入两个水印，一个使用公钥，另一个使 用私钥。或者，仅嵌入一个水印，而包含一个或多个公钥以及一个私钥。 ( 5 ) 水印的不可感知性( i m p e r c e p t i b i l i t y ) 不可感知性要求数字水印的存在不会造成嵌有水印的媒体在视觉或听觉效果 上的失真，该性能反映了水印的隐秘特征。测试该指标可以通过比较含水印数据与 原始数据，并计算数据之同的失真测度来衡量，也可以通过正常人对含水印数据的 视觉或者听觉的主观评分予以判定。 在音频水印方案的设计中，还应该考虑以下两个方面：数据传送( 如果有传送 第4 页 南京理工大学硕士学位论文 局域网环境下音频认证水印系统的设计与实现 的必要) 的方式以及音频数据的表现方式【4 】。 数据的传送方式是指信息发送方将嵌入水印的信号通过某种方式传送给接收 方，比如i n t e r n e t 网络传输，这是一种数字。模拟数字的方式传输，这里涉及 气d d a 转换问题，还可能涉及信号的自同步问题( 因为通过网络可能会丢失数据 块) 。比较好的一种方式是直接的数字一数字的传输，比如通过局域网传输信号或直 接在计算机间进行文件拷贝，这种情况对水印算法的限制可能是最少的。相反，比 较糟糕的情况是通过大气空间进行传播，这时发送方和接受方所采用的采样频率可 能是不同的，而且可能存在比较严重的干扰问题，同时也可能改变信号的频域特性。 另外我们还要考虑信号的数字表现形式，即音频信号以何种形式存在。包括采 样频率和信号的量化方法。通常使用的量化方法是1 6 b i t 线性编码，比如w i n d o w s 的w a y 格式文件，这种方法可能会引起信号的轻微畸变。对于采样频率，一般的所 采用的采样频率有8 k h z ，9 6 k h z ，1 0 k h z ，1 2 k h z ，1 6 k h z ，2 2 0 5 k h z ，4 4 1k h z 。 1 3 嵌入式系统与d s p 嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、 适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统 旧。 广义地说，一个嵌入式系统就是个具有特定功能或用途的计算机软、硬件的集合 体【8 】。它将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结 合后的产物，这点就决定了这必然是一个技术密集、资金密集、不断创新的知识 集成系统。嵌入式系统的最高形式片上系统( s o c ) 将是这些技术的集大成者。 在外部设备中，包含了多个嵌入式微处理器，如键盘、硬盘、显示器、网卡、声卡 等均是由嵌入式处理器控制的。现在，嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1 万 亿美元，嵌入式计算枧不仅在民品上而且在军事装备上也得到了广泛地应用。 嵌入式系统作为一种特殊的计算机系统，自底向上包括以下三个部分： ( 1 ) 硬件环境 它是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台，不同的应用通常有不同 的硬件环境。硬件平台的多样性是嵌入式系统的一个主要特点。且前嵌入式系统 中的处理器分为微处理器( m p u ) 、微控制器( m c u ) 、数字信号处理器s p ) 等几大类。 基于a r m 内核的高性能微处理器的应用也逐渐走向前沿。 ( 2 ) 嵌入式操作系统 主要完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能。具有内核较精简、可配置、 与高层应用紧密关联等特点。嵌入式操作系统具有相对不变性。 ( 3 ) 嵌入式应用程序 运行于操作系统之上，利用操作系统提供的机制完成特定功能的嵌入式应用。 第5 页 硕士论文 不同的系统需要设计不同的嵌入式应用程序。 d s p 的全称是d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s p r o c e s s i n g 。它对一些现实信号如语音、 视频等进行实时检测、处理和产生进行最优化。这里我们研究专门用于信号处理的 芯片d s p 处理器。它通常在一块单芯片或一块集成电路的一部分实现，大小在0 5 4 c m 3 ，价格在3 3 0 0 美元之间【6 l ，在每台移动电话、m p 3 、和大多数汽车上都有 它。 d s p 发展历程大致分为三个阶段：7 0 年代理论先行，8 0 年代产品普及和9 0 年 代的突飞猛进。在d s p 出现之前数字信号处理只能依靠m p u ( 微处理器) 来完成。 但m p u 较低的处理速度无法满足高速实时的要求。因此，直到7 0 年代，有人才提 出了d s p 的理论和算法基础。随着大规模集成电路技术的发展，1 9 8 2 年世界上诞 生了首枚d s p 芯片( t m s 3 2 0 1 0 ) 。至8 0 年代，第二代基于c m o s 工艺的d s p 芯片 应运而生。8 0 年代后期，第三代d s p 芯片问世。9 0 年代d s p 发展最快，相继出现 了第四代和第五代d s p 器件。第六代也已被发布。最新一代数字信号处理器件的处 理能力是早期2 9 2 0 ( i n t e l 发明) 器件处理能力的1 0 0 0 0 0 倍。从2 0 世纪8 0 年代后 期到2 1 世纪，半导体器件厂家对d s p 器件需求量里现巨大增长。这与2 0 世纪7 0 年代微处理器取得伟大成功的历史意义是相同的。 从表1 3 1 ，不难看出，数字信号处理技术的广泛应用与其主要优点是密不可分 的。 表1 3 1 数字信号处理的优点与局限“ 数字信号处理的优点数字信号处理的局限 精确，具有可预测性带宽受限于抽样频率 稳定( 不随温度和时间漂移) 动态范围有限 噪声累加可以控制量化噪声 硬件花费独立于复杂性 取整误差 容易修改( 可重编程性) 能够模拟函数执行，这在模拟处理中不 能实现的 事实证明，d s p 在嵌入式系统中也得到了广泛应用。为了满足电动机控制系统 的发展需要，t i 公司就特别推出了t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列，占位实现高精度、高性能、 功能多样化的单片电动机控制系统和运动控制系统而设计，并在家用电器、智能仪 表、机电一体化、顺序控制、计算机外围设备等方面得到广泛应用。d s p 技术也在 嵌入式系统的应用上有一定的优势。体现在如下方面： ( 1 ) 数据流处理 多媒体技术的应用中，声音、图像等的数据量很大，而且有很多的冗余信息， 利用d s p 计算能力可以充分提高运算速度。 第6 页 南京理工太学硬士学位论文 局域网环境下音频认证水印系统的设计与实现 ( 2 ) 电路谐波分析 电路的电子环境很重要。一般需要进行采样分析，得出电路的谐波情况，进一 步采取相应的处理措施。f f t 算法就可以在d s p 芯片上实现。由于外围电路可以高 度集成，因而可以很方便的使用在嵌入式系统中。 ( 3 ) 网络数据传输 d s p 可以将程序存放在片内，减小指令的传输时间，并有效缓解芯片外部总线 接口的压力。还集成了片内数据存储器，适合大块数据的存取。利用特殊的指令， 比如块移动，就可以方便的处理t c p i p 堆栈，非常有利于d s p 芯片在i n t e r n e t 中 的应用。 ( 4 ) 复杂的控制场合 基于d s p 的控制器构成的运动控制系统可以满足任意场合的需要，整个控制功 能都可以由d s p 完成。因此可以大幅度缩小目标系统的体积，减少外部元件的个数， 增加系统的可靠性。利用软件编程实现各种功能，目标系统更容易升级、扩展和维 护“1 。同时，d s p 控制器不仅可以满足要求较低的系统，更可以满足那些对系统性 能和要求较高的场合需要。 1 。4 音频相关概念 声音是人类传播信息和感情交流的重要媒体。在计算机技术中，对音频信号都 要数字化，就是将模拟音频信号按照一定的采样频率和采样精度转换为特定格式的 数字信号。它包括音频信号的模数、数模转换及数字音频信号的编码、解码等问题。 下面介绍几个与音频相关的重要概念。 ( 1 ) 采样率和采样精度1 3 “ 声音是一种能量波，有频率和振幅特征，频率对应于时间轴线，振幅对应于电 平轴线。采样的过程就是抽取某点的频率值，抽取的点越多，获取得频率信息越丰 富。比如，人耳能够感觉到的最高频率为2 0 k h z ，因此需要至少每秒进行4 0 k 次采 样，用4 0 k h z 表达，这个4 0 k h z 就是采样率。光有频率信息是不够的，还必须获得 该频率的能量值用于表示信号强度。采样精度比较抽象，假设对一个波进行8 次采 样，采样点分别对应的能量值分别为a 1 一a 8 ，但只使用2 b i t 的采样精度，结果只能 保留a 1 一a 8 中4 个点的值而舍弃另外4 个。如果进行3 b i t 的采样精度，则刚好记录 下8 个点的所有信息。采样率和采样精度越大，记录的波形更接近原始信号。 ( 2 ) 有损和无损【”1 根据采样率和采样大小可以得知，相对自然界的信号，音频编码最多只能做到 无限接近，任何数字音频编码方案都是有损的，因为无法完全还原。在计算机应用 中，能够达到最高保真水平的就是p c m 编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏。 第7 页 硕士论文 因此，p c m 约定俗成了无损编码。p c m 代表了数字音频中最佳的保真水准，但并 不不是说p c m 就能够确保信号绝对保真，p c m 也只能做到最大程度的无限接近。 ( 3 ) 音频压缩1 3 0 一般来说，p c m 音频流的码率等于采样率值x 采样大小值声道数b p s 。比如 一个采样率为4 4 1 k h z ，采样大小为1 6 b i t ，双声道的p c m 编码的w a v 文件，它 的数据速率则为4 4 1 k 1 6 2 = 1 4 1 1 2k b p s ，将码率除以8 ，就可以得到这个w a v 的数据速率，即1 7 6 4 k b s 。这表示存储一秒钟采样率为4 4 1 k h z ，采样大小为1 6 b i t ， 双声道的p c m 编码的音频信号，需要1 7 6 4 k b 的空间，1 分钟则约为1 0 3 4 m ，这 对大部分用户是不可接受的，要缩小文件占用的空间，可以降低采样指标或者压缩。 降低指标是不可取的，因此需要压缩。 1 5 本文的内容组织 本文围绕数字音频水印在局域网通信系统中的应用展开。第1 章是绪论部分， 简单回顾了保密通信研究和数字水印技术的发展现状，并指出这项研究的现实意义 所在。第2 章重点介绍方案的总体设计，包括针对工作组其他成员的成果做的改进， 并适当做了比较。第3 章有侧重的详细介绍了系统硬件各个模块的具体设计和功能。 第4 章简单叙述了工作组其他成员完成的u d p f l p 局域网通信。第5 章是本文的重 点。第5 章讨论了基于正弦模式的扩频水印和基于d c t 变换的能量差分算法的硬 件实现方法，分别给出系统调试结果，并且对参数调整对算法性能的影响和两种算 法的综合性能给出了详细的比较和分析。 第8 页 南京理工大学硕士学位论文局域网环境下音频认证水印系统的设计与实现 2 实现方案综述 2 1 实验系统综述 本设计的实现基于一个多功能实验系统。该系统能够直接应用于各种数字信 号、音频信号处理、信号远程传输等场合。该系统主要包括c p u 单元、逻辑控制 单元、外部程序存储器扩展单元( s r a m 、f l a s h ) 、外部数据存储器扩展单元、 双声道音频信号处理单元、主，从u s b 接口单元、以太网接口单元、串行透信接口 单元和电源管理单元。系统功能框图如图2 1 所示。具体各个模块的功能，将在第 3 章详细叙述。 2 2 设计功能描述 图2 1 1 系统功能框图 本设计要实现的功能是在上述试验系统上，实现以音频信息为载体的信息隐藏 和实时网络传输。在信息发送端，嵌入与该音频相关的特定的认证信息( 例如发送 者的代码、发送端的碑等) ；而在网络的那一头，接收音频信号并试图提取被隐藏 起来的认证信息，根据提取水印成功与否和提取出来的内容，接收端可以判定信息 的真实性，本次接收到的音频信息是否来源于特定的人、特定的地方以及是否已经 被破坏、被篡改等等。 当然，在这种情况下，嵌入水印和提取水印的双方必须事先约定水印产生的机 第9 页 实现方案综述硕士论文 理、嵌入和提取的方式、方法甚至于水印的具体内容( 例如该段语音的所有者的特 定代码) 。这样，当非伪造的信息未受攻击、未被篡改时，我们可以准确有效的提 取水印；若信息因第三方的影响而发生了变化或者信息本身就是伪造的，我们也能 根据提取水印的情况了解到。 2 3 设计与算法基础 课题涉及d s p 处理器的应用、数字水印算法的实现以及局域网内的信息交互。 本课题组的其他成员已经完成了很多基础性的工作，也给予我很多启发和帮助。 2 3 1 已有的技术成果 硬件系统已在2 1 节中提及，并且我们将在第3 章中详细描述这个系统的各个 模块的具体功能。在该实验系统上，本课题组的其他成员已经实现了音频信号正常 正确地读取和回放，音频信号的混沌加密解密和局域网内的音频流传输。 算法方面，研究的是面向音频的数字水印技术。查阅了大量的相关资料及文献， 同时基于该硬件系统自身的性能，我们选择了扩频水印和能量差值水e n ( d e w ) 作为 实现对象。 众所周知，扩频通信s s c 方式与传统的窄带通信方式相反，它是将待传递的信 息数据经伪随机码进行调制，实现频谱扩展后再传输。接收端贝u 通过采用相同的伪 随机码进行相关解调来恢复原始信息数据。频谱扩展见图2 3 1 1 。使用伪随机序列 解码和信号的相关性处理是扩频技术的两大特点。正是这个特点使得扩频通信具有 强抗干扰，抗噪声和抗多径衰落等优点。 第1 0 页 晒 图2 3 1 1 利用伪随机序列对信号进行调制 南京理工大学硕士学位论文局域网环境下音频认证水印系统的设计与实现 上图中，( a ) 为原始信号x ( n ) ，c o ) 为原始信号的频谱x ，( c ) 为调制后信号的 频谱x ，( d ) 为调制后的信号x ( n ) ( 时域) 。 这里伪随机信号的码率与x ( n ) 的采样率相同。如果用相同的伪随机序列对图 2 3 1 1 的信号x ( n ) 进行再次调制，则又恢复到原来的信号x ( n ) ，即图2 _ 3 1 1 ( a ) 所示。 本课题选取的基于正弦模式的扩频水印算法已经在m a t l a b 下通过仿真测试， 其抗量化、滤波以及抗可加性噪声干扰的能力在特定的数据长度下达到了令人满意 的效果。其算法原理、m a t l a b 仿真结果和在本实验系统上的实现效果，将在第4 章中进行介绍。 基于感知模型水印技术越来越受到人们的关注，这种技术借助人类的感知特性 来寻找一些不重要位，然后在这些不重要位中嵌入信息，这样就能更准确地在不影 响原来信号的前提下嵌入更多的信息。近年来，出现了很多基于感知模型的信息隐 藏和水印技术，其中相当一部分都是关于静态图像的，而关于音频水印和音频信息 隐藏的技术却不多，这在一定程度上是因为：人类的听觉感知系统( h a s ) 比视觉 感知系统( h v s ) 要敏感的多。据分析【1 l 】，h a s 的感知动态范围有1 0 0 分贝，而 h v s 只有7 0 分贝左右，而且h a s 对于频率的敏感性程度也比h v s 对频率的敏感 性要强很多，因此，要设计基于听觉感知模型的水印或信息隐藏算法，其难度是比 较大的。在音频信息隐藏技术中，基于感知模型的算法和其他算法相比，其隐藏容 量是相当大的，其鲁棒性却不如其他算法( 比如扩频方法) 好。 已有的基于心理声学模型( p a m ) 的音频能量差分水印算法步骤大致如下：计 算听阈全局隐蔽曲线，找出可嵌入点；生成m 序列，作为原始水印，在这里，m 序 列的长度限制了可嵌入水印的长度，从而限制了嵌入容量；对不同的数据块进行配 对，这是进行水印的嵌入和提取的基础，配对方式可以看作是一种私钥，只能在合 法拥有者之间共享；按照所要嵌入的水印调节数据对中各块的能量关系。但借助 p a m 的原理，嵌入信息后，宿主信号几乎听不出什么变化，嵌入的信息量也很大， 而且还可以实现盲提取的方案。 但是上述算法的计算量相当庞大，其中计算听阈全局隐蔽曲线就要分5 步进行。 这些步骤是：频谱分析和信号的声压级标准化；寻找音调和噪音隐蔽者；筛选出有 效的隐蔽者；计算有效音调隐蔽者和有效噪音隐蔽者在它们的有效范围内产生的隐 蔽曲线；计算全局隐蔽曲线，即每一个频率点上的隐蔽阈值。这其中的许多计算公 式都涉及到浮点运算。该算法在m a t l a b 下得到了很好的仿真结果，但是对于我 们现有的实验系统的运算速度和浮点运算的能力来说，实现起来具有相当的难度。 于是我们选择了一种大量运用于图像的经典的能量差值水印( d e w ) 算法来作 为实现对象。当然，运用于图像的算法是不能完全照搬到音频领域来的。我们在应 用这个算法的时候也作了大量的探索和尝试，对算法进行了一定程度的改造。具体 第1 1 页 实现方案综述硕士论文 的内容将在第5 章中详细介绍。 频谱分析和信号的声压级标准化 寻找隐蔽者 筛选有效隐蔽者 计算有效隐蔽者的隐蔽曲线 计算全局隐蔽曲线，找出可嵌入点 生成m 序列 对数据块进行配对( 例如左右声道同一位置的两个数据块配 成一对) 根据水印信息调节数据块对中的能量关系 2 3 2 比较与改进 输出 图2 3 1 2p 埘音频差分能量算法流程图 本课题是在大量继承本课题组的其他成员工作成果的基础上展开的。主要工作 是将算法和硬件结合起来，最终实现基于t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0d s p 的适用于网络传输 的数字语音认证系统。下面将简单谈一下我所做的工作，与本课题组的其他成员所 作的工作的一些区别和改进之处。 首先是与课题组其他成员在工作内容上的区别。课题组其他成员主要完成的是混 沌保密通信在本实验系统上的实现和u 】) p ，p 协议在d s p 上的移植。我的主要工作是数 字水印算法在实验系统上的实现。 信息隐藏和加密技术都是用来保护信息安全的方法。传统密码术往往把一段有意 义的信息( 明文) 通过加密转换成看起来没有意义的东西( 密文) ，这样就容易引起 攻击者的好奇和注意，使得密文有被破解的危险。信息隐藏技术，将机密的数据信息 秘密隐藏于普通的文件中，然后再通过网络传递出去。这样非法拦截者从网络上拦截 下来的伪装后的机密文件并不像运用密码技术加密后的文件那样以乱码来显示，而是 对信息存在本身或者信息存在位置进行加密使其看起来和其他非机密文件没有任何 第1 2 页 南京理工大学硕士学位论文局域网环境下音频认证水印系统的设计与实现 差异，从而减少被非法拦截者攻击的概率，在此基础上再运用密码技术来增强信息隐 藏的安全效果信息隐藏技术是一种更为安全有效的信息保密方式。 信息隐藏技术主要由下述两部分组成：( 1 ) 信息嵌入算法，它利用密钥来实现 秘密信息的隐藏。( 2 ) 隐蔽信息检测提取算法( 检测器) ，它利用密钥从隐蔽载体 中检测恢复出秘密信息。在密钥未知的前提下，第三者很难从隐秘载体中得到或 删除，甚至发现秘密信息。 掩体对象 图2 3 2 1 信息隐藏系统的一般模型 以下简单介绍两个方面的改进性工作： 1 ) 对于利用立体声编解码芯片t l c 3 2 0 a i c 2 3 与d s p5 4 1 0 实现的数字音频采集和回 放，以及利用用d s p 的m c b s p 实现串口协议的软件部分的修改。 在本课题组的其他成员的工作中，数字音频采集、回放和m c b s p 串口通信都是以 整型数的方式进行的。在这里，修改的目的在于使得这部分程序模块能够与算法模块 实现“无缝”连接。前面已经提到，本课题涉及到的算法都要求进行浮点运算，准确 的说是进行双精度浮点运算。t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 是一个1 6 位定点d s p ，整形数长为1 6 比 特，浮点数( f l o a t 型和d o u b l e 型) 占用3 2 1 ；g 特，根据所带的符号不同，其数值范围也 是不同的。如果将这两个类型的数据直接互相赋值，必然带来巨大的误差。经过修改 后，数字音频采集、回放、m c b s p 串口通信程序和算法程序紧密耦合，大大降低了运 算误差所带来的噪声等影响。 2 ) 在算法方面，主要是对面向图像的经典能量差值水印( d e 叻算法做了一定程度的修 改，使得该算法更适用于音频水印。修改的结果将在第5 章中详细叙述，这里简单 说明一下作出这些修改的原因。 考虑到实验系统的处理器t m $ 3 2 0 v c 5 4 1 0 的特性 t m s 3 2 0 v c 5 4 x 是著名d s p 芯片供应商t i 公司于1 9 9 6 年推出的为实现低功耗、高 性能而专门设计的定点d s p 芯片。该系列处理器具有运算速度快( 单周期定点指令的 执行时间最快可达到1 0 n s ) ，优化的c p u 结构( 具体将在下一章中进行介绍) ，低功耗 方式( t m s 3 2 0 c 5 4 x 可以在3 3 v 或2 7 v 电压下工作) 和集成有智能外设的优点。在实 验系统设计和本课题组的其他成员的应用中，以上特点都被发挥的淋漓尽致。但是， 第1 3 页 实现方案综述硕士论文 要在这个系统上实现以3 2 位浮点乘法运算为主的数字水印算法，则多少有些勉强。 考虑到h a s 的特性 正如前面提到的，h a s 比h v s 要敏感的多。经典能量差值水印是面向图像的，嵌 入水印的代价是图像质量的降低，当然，这种程度的损失是不会被人眼或者说视觉感 知系统察觉出的。但是，音频信号质量的损失( 即将一小部分信号的d c t 系数置零) 却能轻易的被察觉，在人耳听来是持续一定时长的锐利的刺声，在波形上也表现为大 幅度的畸变，甚至嵌入水印后重构出的波形与原音频波形大相径庭。 图像和音频信号的d c t 系数的分布和动态范围的区别 图像信号经过二维8 8 d c t 变换后得到的结果往往数值不太大( 几百) ，且较大 的数值都集中在直流和低频部分，直流系数最大，越到高频系数越小，变换得到的高 频系数都非常的小，甚至是o 。这也是d e w 算法的根源所在。但是，音频信号的d c t 系数除了直流系数仍然具备最大值之外，能量几乎是均匀分布的。 第1 4 页 南京理工大学硕士学位论文局域网环境下音频认证水印系统的设计与实现 3 系统硬件原理及组成 3 1t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 d s p 的内部结构“”嘲嘲 本系统中使用的d s p 为公司的1 m s 3 2 0 v c 5 4 1 0d s p ( 以后简称5 4 1 0