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基于LabVIEW的数字音频水印设计与实现【摘 要】数字水印（Digital Watermarking）技术是一种信息隐藏和版权保护技术。它出现于90年代，到90年代中后期有了较大的发展。它是按一定算法嵌入载体中的有关版权的信息,并且可从含水印的载体信息中检测出来，但嵌入的水印不影响载体的商用价值，也不容易被人的知觉系统(如视觉或听觉系统)觉察或注意到。该技术已经成为保护知识产权的重要技术手段。随着时代的进步，信息安全问题也越来越被重视，数字水印技术的发展将会是一个重要的研究方向。结合自身课题，对于音频水印进行了研究。本文在LabVIEW8.5的基础上构建程序模块，完成对声卡对音频信号的采集与存储以及播放功能，利用MATLAB7.0的强大数据处理功能。根据音频信号离散小波变换（DWT）的算法实现图片水印对录制的音频信号的嵌入与提取。最后对水印系统进行必要的攻击和评价从而判断选用的相应的数字水印系统是否适宜应用。运行的结果表明：在声卡的录音和播音方面，平台运行良好，对于图片水印的嵌入和提取，运行程序得到了较好的实现，但是提取水印图片质量不高，在抵抗采样率攻击方面表现较好。关键词：LabVIEW；MATLAB；音频数字水印；声卡；小波变换【Abstract】 Digital watermarking is an information hiding and copyright protection technology that appeared in the 90s, and has made significant development in the late 90s. The technology is embedded in the vector by a certain method of information about copyright and the watermark from the carrier with information detected, but the embedded watermark does not affect the carriers commercial value, are not vulnerable to the perception system (such as visual or hearing System) to perceive or notice. The technology has become an important means to protect intellectual property rights.As time advances, information security issues attract more and more attention, the development of digital watermarking technology will be an important research direction. My thesis project conducted a study for the audio watermarking. This thesis builds the program modules using LabVIEW8.5 to complete the audio signal acquisition and storage, and playback. Discrete wavelet transform(DWT) algorithm based on audio signal is used to embed and extract image watermark in and out of audio signals. Finally, attacks is applied to watermarking system to evaluateIf the digital watermarking system is robust and appropriate for application. The results show that: the platform works well in the sound recording and broadcasting, and also the image watermark embedding and extraction works well. Whereas the performance of anti-attack of sampling rate change is neutral, to be improved.Keywords: LabVIEW; MATLAB; Audio digital watermarking; Sound cards；Wavelet transform目录1绪 论11.1课题研究的背景和意义11.2数字水印技术的发展11.3课题研究的主要工作目标和内容21.3.1课题主要工作目标21.3.2课题的主要内容31.4章节安排32声卡和数字水印的介绍42.1声卡介绍42.1.1声卡概念42.1.2声卡的基本原理42.1.3声卡的分类42.1.4声卡的主要技术参数42.2数字水印的介绍52.2.1数字水印的概述52.2.2数字水印的基本特征52.2.3数字水印的分类62.2.4数字水印的原理72.2.5音频数字水印的特点82.2.6音频数字水印的要求82.2.7常见的音频数字水印的算法83课题所用的软件平台LabVIEW和MATLAB113.1 LabVIEW介绍113.1.1LabVIEW概述113.1.2LabVIEW的特点113.2MATLAB介绍123.2.1MATLAB概述123.2.1MATLAB的特点124 水印系统的设计与实现144.1核心算法的介绍144.1.1离散小波变换的原理144.1.2离散小波变换思路设计154.2水印嵌入164.2.1所用函数介绍164.2.2嵌入程序的设计174.3水印的提取184.3.1所用函数介绍184.3.2提取水印程序的设计185 基于LabVIEW的音频数字水印嵌入和提取205.1设计构思205.2录音模块的设计205.2.1前期构思205.2.2录音程序设计215.3水印嵌入模块的设计245.3.1前期构思245.3.2水印嵌入程序设计245.4播音模块的设计255.4.1设计思路255.4.2播音模块的搭建265.5水印提取模块275.5.1提取模块构思275.5.2水印提取模块的搭建276 运行实现与分析296.1录音模块进行音频录制296.2图像水印的嵌入296.3音频信号的的播放296.4水印图片的提取306.5对水印系统的检测307 总 结327.1结论327.2数字音频水印未来发展32致 谢33参考文献34基于LabVIEW的数字音频水印的设计与实现1绪 论1.1课题研究的背景和意义随着信息时代的到来，特别是Internet的普及，图像、音频和视频等多媒体信息都能够通过数字的形式直接获得和广泛传播，也使得制作其复制品变得非常容易。因此保护用户的合法权益以及用户信息的安全问题日益突出1。以往的信息安全技术基本上都是以密码学理论为基础，无论是采用传统的密钥系统还是公钥系统，其保护方式都是控制文件的存取，与数据本身无关。由于经过加密后，只有被授权拥有解密密钥的人才可以获取数据，这样就无法向更多的人展示自己的作品。而数据一旦被用户接收继而被解密后，就完全置身于解密人的控制之下，其对数字作品的保护作用也随即消失。随着计算机处理能力的快速提高，这种通过不断加密钥长度来提高系统密级的方法变得越来越不安全。在另一方面，多媒体技术已被广泛应用，需要进行加密、认证和版权保护的信息数据也越来越多。数字化的声像数据本质上说就是数字信号，如果对这类数据也采用密码加密方式，则其本身的信号属性就被忽略了。因此网络多媒体时代必须寻求一种新颖的方法来解决多媒体信息安全的问题。数字水印技术就是在这种背景下被提出，并成为近年来对多媒体数据进行安全保护方面研究的一个热点。它涉及不同的学科领域的理论和技术，如信号处理、图像处理、信息论、编码论、密码学、检测理论、数字通信和网络技术等，其的核心就是通过在数字产品中嵌入版权信息以提供产品所有权的证据，任何恶意破坏和除隐藏信息的手段，都将同时导致数字产品被破坏。数字水印信息是嵌在数字产品中的数字信号，水印的存在要以不破坏原数据的欣赏价值、使用价值为原则。由于水印信息并不影响作品的宏观内容，因而水印信息将永久地保存在多媒体作品当中，任何人若试图从作品中剔除水印都不得不大幅度破坏原作品，从而保护了作者的合法版权。因此许多研究人员放弃了传统密码学的技术路线，尝试用数字水印的方法处理信号来对声像数据进行隐藏加密，确保用户的合法权益以及多媒体信息安全。1.2数字水印技术的发展1954年，出现了第一个与“数字水印”方法相似的技术实例。当时是美国的一家公司申请的名为“Identification of Sound and Lide Singals ”的专利，该专利描述了一种将标识码不可感知的嵌入到音乐中而被证明所有权的方法。这是迄今为止所知道的最早的电子水印技术。此后，一些水印技术被提出并根据不同的应用而得以发展。但是，直到20世纪90年代初期术语“数字水印”才真正流行起来。早期的数字水印算法主要在空域实现，而且大都针对图像进行研究。1993年，Tirkel等发表了一篇文章，他们首先提出了电子水印的说法，而随后发表的另一篇文章则提出了“数字水印”这一概念。但是，他们已经意识到了数字水印的重要性，提相互了一些可能的应用，并针对灰度图像提出了两种在图像的最低有效位中添加水印的方案。为了提高水印的鲁棒性，1993年Cox等提出了一种其余扩频通信思想的水印方案。该方案相对于空域算法具有较好的鲁棒性，已经成为数字水印技术中一个比较经典的方案。随后，Chen等于1998年提出了一类盲水印方案。该方案采用量化器来实现水印信息的嵌入，在容量和鲁棒性等方面都具有较好的性能，并已成为数字水印技术中一个比较典型的方案。在图像水印的发展过程中，音频、文本和视频水印也逐渐得到发展。关于音频水印技术的研究最早见于1996年，Bender提出了LSB编码、回声编码、扩频编码和相位编码等四种算法：Boney等将Cox等的扩频水印方案应用到音频信号中，取得了很好的实验结果。伴随水印基础理论研究的不断进步，许多公司和大学也在为推进水印实现的工程技术做出努力，并使在很多实际场合得到了应用。在国外，美国版权保护技术组织成立了专门的数据隐藏小组来制定版权保护水印的技术标准。Digimarc公司率先推出了用于静止图像版权保护的数字水印软件，而后又以插件形，式将该软件集成到Adobe公司的Photoshop和Corel Draw图像处理软件中，AlpViSion公司推出的LavelIt软件，能够在任何扫描的图片中隐藏若干字符，用于文档的保护与跟踪。IBM公司将数字水印用于数字图书馆的版权保护系统中。许多国际知名的商业集团，如韩国的三星、日本的NEC等，也都设立了DBM 技术开发项目。在国内，虽然数字图像水印方面的研究起步稍晚，但政府对信息安全产业的发展极为重视。数字水印的研究得到了国家自然科学基金和“863”计划的资助。国内信息隐藏学术研讨会(CIHW)自1999年以来至今已成功举办了五届，有力地推动了水印技术的研究与发展。政府更颁布了中华人民共和国电子签名法，这给水印技术的应用提供了必要的法律依据。尽管数字水印发展迅速，但离较高的实际应用水平还有一段距离要走。许多项目和研究都还处于起步和实验阶段，已出现的水印产品还不能完全满足使用需求。相信伴随着进一步深入的研究，未来数字水印技术的发展会有长足的进步，信息安全会得到更加有力的保障。1.3课题研究的主要工作目标和内容 1.3.1课题主要工作目标数字水印（Digital Watermarking）技术是将一些标识信息嵌入数字载体当中，且不影响原载体的使用价值，但可以被生产方识别和辨认。通过这些隐藏在载体中的信息，可以达到保护信息安全的目的。本课题要在LabVIEW平台上利用声卡完成音频信号的录制和播放，运用MATLAB实现音频数字水印的嵌入和提取的目标。1.3.2课题的主要内容结合课题特点主要工作是首先完成声卡对于数据的采样，通过LabVIEW平台对声卡的参数和运行方式进行操控，实现对声音信号的数据采集并将声音保存到硬盘上；随后让生成音频信号通过运行LabVIEW链接的MATLAB的M文件，实现图片水印信息的嵌入和提取；接着能通过声卡播放出嵌入水印音频的信号，显示其波形图；最后完成对水印系统的攻击和评价。 1.4章节安排第一章：本文课题的背景，相关技术发展，课题内容以及章节安排介绍；第二章：声卡和数字水印的介绍及其类型和相关算法；第三章：介绍课题所用的软件平台LabVIEW和MATLAB；第四章：水印系统的设计与实现；第五章：基于LabVIEW的音频数字水印嵌入和提取；第六章：运行实现与分析；第七章：总结2声卡和数字水印的介绍2.1声卡介绍2.1.1声卡概念 声卡是多媒体技术中最基本的组成部分，是实现声波数字信号相互转换的一种硬件。声卡的基本功能是把来自话筒、磁带、光盘的原始声音信号加以转换，输出到耳机、扬声器、扩音机、录音机等声响设备，或通过音乐设备数字接口(MIDI)使乐器发出美妙的声音。2.1.2声卡的基本原理声卡从话筒中获取声音模拟信号，通过模数转换器(ADC)，将声波振幅信号采样转换成一串数字信号，存储到计算机中。重放时，这些数字信号送到数模转换器(DAC)，以同样的采样速度还原为模拟波形，放大后送到扬声器发声。2.1.3声卡的分类声卡发展至今，主要分为板卡式、集成式和外置式三种接口类型，以适用不同用户的需求。1） 板卡式卡式产品是现今市场上的中坚力量，产品涵盖低、中、高各档次，售价从几十元至上千元不等。早期的板卡式产品多为ISA接口，由于此接口总线带宽较低、功能单一、占用系统资源过多，目前已被淘汰；PCI则取代了ISA接口成为目前的主流，它们拥有更好的性能及兼容性。2） 集成式此类产品集成在主板上，具有不占用PCI接口、成本更为低廉、兼容性更好等优势，能够满足普通用户的绝大多数音频需求3） 外置式声卡它通过USB接口与PC连接，具有使用方便、便于移动等优势。但这类产品主要应用于特殊环境，如连接笔记本实现更好的音质等。2.1.4声卡的主要技术参数 1）采样位数采样是声卡处理声音的精度。这个数值越大，精度就越高，录制和回放的声音就越真实。声卡的位是指声卡在采集和播放声音文件时所用数字声音信号的二进制位数。8 位=256，16 位=64k。 2）采样频率录音设备在一秒内对声音信号的采样次数。采样频率越高，声音的还原就越真实、越自然。采样频率一般有8kHz，16kHz，22.05KHz，44.1KHz。 3）信噪比(S/N) 用来度量声音信号的品质。它是在音频线路口某一个参考点播放的功率与没有信号时原有噪声功率的比值，单位是dB。信噪比的数值越高就代表噪声越小，目前一般声卡的信噪比应在85-95dB之间。 4）MIDI(乐器数字化接口) MIDI接口-是一种用于计算机与电子乐器之间进行交换的通信标准。 MIDI文件-以*.mid为扩展名，记录了用于合成MIDI音乐的各种控制指令，包括发声乐器所用通道音量大小等。MIDI文件回放需要通过声卡的MIDI合成器合成为不同的声音，合成方法有FM（调频）和Wave Table（波表）两种。 FM合成-是通过振荡器产生的正弦波，然后再叠加各种乐器的波形。 波表合成-通过声卡的ROM或RAM的波表中的真实声音样本进行回放。5）复音数 指MIDI在回放一秒内发出的最大声音的数目。复音数越大，播放MIDI时所能听到声音就越多,音乐也就越细腻。2.2数字水印的介绍2.2.1数字水印的概述伴随着计算机网络的发展，信息媒体的数字化为信息的存取提供了巨大的便利，显著提高了信息表达的效率和准确性3。但是同时也带来了一些负面的影响，一些别有企图的个人和团体在没有得到原作者的同意的情况下复制和传播有版权的数据文件或者作品。所以，数字媒体的信息安全，知识产权保护和认证等问题变得日益突出，变成一个急需解决的问题。数字水印技术是一种可以在开放的网络环境中保护版权和认证来源以及数据完整的新型技术，原作者的创意信息和个人标志通过水印系统以他人所不可感知的水印形式嵌入在多媒体中，从而使人们无法从表面上感知水印，只有专用的检测器或者软件才可以检测出隐藏的数字水印。水印的存在要以不破坏原数据的欣赏价值、使用价值为原则。2.2.2数字水印的基本特征1）安全性数字水印中的信息应该是安全的，难以被篡改或者伪造的，同时，有较低的虚警率。安全性强调的是在攻击者知道或者部分知道数字水印算法的情况下，恶意地进行各种攻击操作，试图实现未授权的嵌入、提取或检测、删除水印等时候，依然可以保证水印的正确性。安全性以鲁棒性为基础，对数字水印进行对称或者非对称加密处理可以禁止未授权的嵌入、提取和检测。使用PN序列的扩频技术，可以在一定程度上阻止未经授权的删除水印操作。2）可证明性可证明性是指能为受到版权保护的信息产品的归属，提供完全的可靠的证据。水印算法能够识别被嵌入到保护对象中的信息，并能在需要的时候将其提取出来。水印可以用来判别对象是否受到保护，并能够监视被保护数据的传播、真伪鉴别以及非法拷贝控制等。3）不可感知性不可感知性包含两方面的意思。其一，指视觉、听觉或者人类的其他感官上的不可感知性。数字水印的存在不应该明显干扰被保护数据，不影响被保护数据的正常使用。最理想的图像水印应与原始图像在视觉上一摸一样，至少是人眼无法区别的，这是绝大多数图像水印算法因该达到的要求。其二，要求采用统计方法不能恢复水印，如对大量的用同样方法和水印处理过的信息产品即使采用统计方法也无法提取水印或者确定水印的存在。4）鲁棒性（稳健性或者健壮性）鲁棒性是指数字水印必须难以被清除。从理论上来讲，只要具备足够的知识和技术，任何水印都可以被去除。但是如果只能得到部分信息，而水印在信息媒体中的具体位置未知，那么破坏水印将导致信息媒体质量严重下降。鲁棒性的提高往往以降低不可感知性和水印容量为代价，实际的水印算法要根据具体的鲁棒性和不可感知性，在之间取得平衡，嵌入的水印应是在某种感知阀指下最优的方案。特别的，一个实用的水印算法应该是对信号处理、通常的几何形变以及恶意攻击具有鲁棒性。5)不可检测性不可检测性指嵌入水印后的数据与原始载体数据具有一致的特性。如具有一致的统计噪声发布等，以便使攻击者无法判断其中是否隐藏信息。6）无歧义性无歧义性是指恢复的水印或者水印判决的结果应该能够明确表明出所有权，不会发生多重所有权的纠纷。2.2.3数字水印的分类1）按特性划分按照水印特性可以将数字水印分为鲁棒性数字水印和脆弱数字水印两类。鲁棒性水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，如作者、作品序号等，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，与鲁棒性水印的要求相反，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）按水印所负载的媒体划分按水印所负载的媒体，我们可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三维网络模型的网络水印等。随着数字技术的发展，会有更多种类的数字媒体出现，同时也会产生相应的水印技术。3)按检测过程划分按水印检测过程可以将数字水印划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。一般来说，明文水印的鲁棒性比较强，但其应用受到了存储成本的限制。目前学术界研究的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或者音频片段的编码；无意义水印则只对应于一个序列号。有意义水印的优势在于，如果由于受到攻击或者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，如果解码的水印序列有若干码元错误，则只能通过统计决策来确定信号中是否含有水印。5）按用途划分不同的应用需求造就了不同的水印技术。按照水印的用途，我们可以将数字水印划分为票证防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐藏表示水印。6）按水印隐藏的位置划分按数字水印的隐藏位置，我们可以将其划分为时（空）域数字水印、频域数字水印、时/频域数字水印和时间/尺度数字水印。2.2.4数字水印的原理水印的基本原理是嵌入某些标志数据到宿主数字中作为水印，使得水印在宿主数据中不可感知和足够安全。为了保证由于水印的嵌入而导致宿主数据失真不被察觉到，必须应用某种感知准则，不管是隐性还是显性。水印算法要结合加密方法以提供其安全性，通常的水印算法包含两个基本方面：水印的嵌入和水印的提取。水印嵌入如图2-1所示：图2-1 水印的嵌入数字水印的检测过程如图2-2所示：图2-2 水印的提取2.2.5音频数字水印的特点与图像水印技术相比较，音频水印有自己的的特点4：1)音频信号在每个时间间隔内采集的点数要少得多，这就意味着音频信号中可以嵌入的信息量要比可视媒体少得多；2）人耳朵的听觉系统（HAS）要比人眼视觉系统（HVS）灵敏的多，因此听觉上的不可感知性实现起来要比视觉上的困难得多；3) 为了抵抗剪切攻击，嵌入的水印应该保持同步；4）音频信号有特殊的攻击，如回声、时间缩放等。因此与静止的图像和视频水印相比较，数字音频水印具有更大的挑战性。2.2.6音频数字水印的要求在音频数字水印媒体中嵌入数字水印，必须关注以下几方面要求：1）对数据变换操作的健壮性，在不严重损害音质的的前提下，水印能够抵抗无意或者恶意的攻击；2）听觉上不可察觉性，这就需谨慎选择嵌入的方法，使嵌入信息前后不产生听觉可感知的变化；3）是否需要原始数据进行信息提取，这一性能将影响方案的用途和性能；4）数据提取误码率即在一定时间内收到的数字信号中发生差错的比特数与同一时间所收到的数字信号的总比特数之比，也是音频水印方案中的一个重要技术指标；5）嵌入数据量指标，根据用途的不同，在有些应用场合中须保证一定的嵌入数据率；6）安全性2.2.7常见的音频数字水印的算法音频数字水印的嵌入算法很多，可以分为以下两大类：在原始音频中嵌入水印和再压缩音频流中直接嵌入水印4。在原始音频中嵌入水印，按嵌入的域划分为：在时间域嵌入水印和在变换域嵌入水印。1）时间域音频数字水印技术 最低有效位方法（LSB）是一种最简单的时间域嵌入方法。该方法是利用原始数据的最低几位来嵌入水印，嵌入的位数以人的听觉系统无法察觉为原则。WomGyum Kim提出了在数字音频信号中直接嵌入数字印章的方法，该方法在水印提取过程中不需要原始音频信号的参与。为了加大对水印攻击的难度，可以使用一段伪随机序列控制水印嵌入的位置。为了增强水印稳健性，可以考虑将水印加到音频数据的高频分量上。该方法简单易行、数据容量大、安全性较高，但是水银稳健型很差，无法经受一些信号处理的操作，而且很容易被绕过。 回声隐藏算法是通过引入回升将水印信息隐藏到载体数据中。回声隐藏算法的原理是在离散信号f(t)中引入回声of(t-t),通过回声隐藏是将水印信息作为载体数据的环境而非随机噪声嵌入到载体数据中，因此它滤波、重采样、有损压缩等不敏感，有令人满意的稳健型，但是容易被检测察觉。 扩频方法是将编码数据分布到尽可能多的频谱中或者指定的频段上对信息流进行编码。常用的扩频方法有直接序列扩频编码，它需要用一个伪随机码来编码和用相同的伪随机码来解码。有学者曾提出另一种适用于音频水印的扩频方法。选用一个伪随机序列，并且为了利用HAS的长度或者短期掩蔽效应，对该序列进行若干级滤波。结果表明该方法对MP3音频编码和附加噪声有一定的稳健型。 相位编码是利用人耳听觉系统对绝对相位不敏感以及对相对相位敏感的特性，使用代表水印数据的参考相位替换原始音频段的绝对相位，并对其他的音频段进行调整，以保持各段之间的相对相位不变。该方法一个缺陷是当代表水印数据的参考相位急剧变化时候，会出现明显的相位离差，并且相位编码对大多数音频压缩算法敏感。2）变换域音频数字水印常见的在变换域中的数字水印算法有傅里叶变换域算法、离散余弦变换域算法和小波变换域算法等。变换域数字水印技术有很多优点，最突出的一点是其稳健型得到加强。 傅里叶变换域算法（DFT）。该变换的频谱范围是0-8kHz,首先对音频信息进行DFT，然后选择其中频率范围为2.4kHz-6.4kHz的DFT系数进行水印嵌入，用表示水印序列的频谱分量来替换相应的DFT系数。这种算法在水印信号提取过程中不需要原始的音频信号参与，并且能够抵抗常见的各种攻击。 离散余弦变换域算法（DCT）。利用DCT变换和反变换函数，对语音信号进行离散余弦变换，将语音信号变换到DCT域中，给定一个阀值T，在DCT系数大于T的位置上嵌入水印数据。之后，反变换成含有水印数据的语音信号。离散余弦变换域算法对加噪、滤波等攻击具有一定的鲁棒性。 小波变换域算法（DWT）。小波变换是一种时频分析的工具，它可以将信号分解到时间域和尺度域上，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。小波变换是一种很合适的工具，将水印嵌入到小波域系数中可以获得较好的稳健性。利用Daubechies-4小波基对原始信号进行L级小波分解，对前L级的差别分量保留，不予处理，对第L级的详细分量进行处理，以嵌入水印。该算法的优点是算法简单，抗干扰能力强。3课题所用的软件平台LabVIEW和MATLAB3.1 LabVIEW介绍3.1.1LabVIEW概述LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境,其使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序5。3.1.2LabVIEW的特点LabVIEW作为虚拟仪器软件的典型代表，它具备虚拟仪器的所有特点和优点，另外，LabVIEW作为测试软件开发平台还具有如下特点和优点：1)图形化编程环境LabVIEW的基本编程单元是图标，不同的图标表示不同的功能模块。用LabVIEW编写程序的过程也就是将多个图标用连线连接起来的过程，连线表示功能模块之间存在数据的传递。被连接的对象之间的数据流控制着执行顺序，并允许有多个数据通路同步运行。其编程过程近似人的思维过程，直观易学，编程效率高，无须编写任何文本格式的代码，易为多数工程技术人员接受。2)可重用性高LabVIEW继承并发展了结构化和模块化程序设计概念，使测试程序能够很好地体现分层性、模块化，即可以把任意一个测试程序当作顶层程序，也可将其当做其它测试程序的子程序，这样用户就可以把一个复杂的应用任务分解为一系列、多层次的子任务。通过为每个子任务设置不同的功能，并将这些测试子程序进行适当的组合、修改、交叉和合并等，就可以在顶层最终建成一个包括所有应用功能的测试系统。3)开发功能高效、通用LabVIEW是一个带有扩展功能库和子程序库的通用程序设计系统，提供数百种功能模块，包括算数运算、函数运算、信号采集、信号输出、数据存取、信号分析处理、数据通信等功能模块，涵盖了测试的各个环节，用户通过拖放及简单的连线，就可以在极短的时间内设计好一个高效而实用的测试软件，再配以相应的硬件就可以完成各种测试任务。这样既节约了时间，又可提高测试的可控制性及测试速度。4)支持多种仪器和数采硬件的驱动LabVIEW提供了数百种仪器的源码级驱动程序，包括DAQ、PXI、VXI、GPIB(IEEE488)、RS232，根据需要还可以在LabVIEW中自行开发各种硬件驱动程序，也可通过动态链接库(DLL)利用其它语言开发驱动函数库，从而迸一步扩展其功能。5)查错、调试能力强大LabVIEW的查错、调试功能也非常强大。程序查错无须先编译，只要有语法错误，LabVIEW就会自动显示并给出错误的类型、原因及准确位置。进行程序调试时，既有传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行等，又有独到的高亮执行工具，就像电影中的慢镜头一样，使程序动画式执行，利于设计者观察程序运行细节。同时可以在任何位置插入任意多的数据探针，程序在调试状态下运行时，LabVIEW会给出各探针的具体数值，通过观察数据流的变化情况、程序运行的逻辑状态，就可以来寻找错误、判断原因，从而大大缩短程序的调试时间。6)支持多种操作系统LabVIEW支持多种系统平台，在任何一个平台上开发的LabVIEW应用程序都可以直接移植到其它平台上。7)网络功能强大LabVIEW支持常用网络协议，如传输控制协议(TCP/IP)和用户数据报协议(UDP)，方便网络、远程测控系统的开发。8)开放性强LabVIEW具有很强的开放性，是一个开放的开发环境，能和第三方软件轻松连接，通过LabVIEW可以把现有的应用程序和NET组件、ActiveX、DLL等相连，可以和MAIIAB混合编程，也可以在LabVIEW中创建能在其它软件环境中调用的独立执行程序或动态链接库6。3.2MATLAB介绍3.2.1MATLAB概述MATLAB语言是在20世纪80年代初期，由美国的MathWorks软件开发公司正式推出的一种数学工具软件。MATLAB拥有功能全面的函数库，它把大量的函数封装起来，让用户脱离了繁琐复杂的程序设计过程，大大提高了工作效率。利用MATLAB可以实现科学计算、符号运算、算法研究、数学建模和仿真、数据分析和可视化、科学工程绘图以及图形用户界面设计等强大功能7。3.2.1MATLAB的特点1）友好的工作平台和编程环境MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。2）简单易用的程序语言MATLAB一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。3）强大的科学计算机数据处理能力MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C+ 。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。4）出色的图形处理功能MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。5）应用广泛的模块集合工具箱MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计等都在工具箱有重要地位8。4 水印系统的设计与实现4.1核心算法的介绍早期的隐藏算法是将信息嵌入到随机选择的载体中最不重要的像位素上，这可保证嵌入的水印是不可见的并且水印算法容易实施，但是这使水印的顽健性差，水印信息很容易为滤波、量化等操作破坏。而离散小波变换是一种现代谱分析工具，它既能考察局部时域过程的频域特征，又能考察局部频域过程的时域特征。对于非平稳过程处理起来得心应手，同时使数字水印具有不可感知性。在空间上的失真和频域上的滤波、除噪声、压缩、加高斯白噪声等也具有较强的鲁棒性。因此，由于小波变换的良好的时频局部特性结合音频数字信号的特点以及人体听觉系统的特性，选用了离散小波变换（DWT）的算法进行数字水印的嵌入10。4.1.1离散小波变换的原理小波变换是将信号分解成时域和尺度域的一种变换，在时域和频域都具有表征信号的局部特征的能力，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音频信号。用这种算法可以最大限度地隐藏信息而不被感觉到，且计算量少11。设（x）L2（R）, 离散小波变换定义为：j2fx=f*j2x=12jRj2(x-t2j)dt （4-1）若设Vj(jZ)是L2（R）的一个多分辨率分析，VjL2（R），则存在唯一的函数（x）L2（R），并称之为尺度函数。设D=S20dfn (nN)为原信号f(x)离散采样序列；W2jdfn (nN)为D在每一尺度j上的小波变换；S2jdfn (nN)为D在每一尺度j上的近似，离散信号序列S2jdfn，W2jdf1jJ构成了信号的二进小波变换。MATLAB小波算法的基本思想是在每一尺度j上，把音频信号S2jdf分解为下一尺度S2j+1df 和W2j+1df 具体算法为：S2j+1df=S2jdf*hj （4-2）W2j+1df=S2jdf*gj,j=0J-1 （4-3）式中：J为为最佳尺度；hj和gj分别表示h和g中每相邻两系数间插入2j-1个零点构成的新滤波器，假设原信号有N个非零采样点，则该算法的事件复杂度和空间复杂度均为O(J*N), 相应的小波重构算法为：S2jdf=S2j+1df*hj+W2j+1df*gj ,j=J-1 （4-4）在算法中将根据变换系数的重要性调节水印嵌入量，以获得较好不可感知性和鲁棒性。4.1.2离散小波变换思路设计1)小波基的选择和标准傅里叶变换不同，小波分析中包含多种小波基函数，在对载体音频信号进行分解时，需要寻找到一个合适的小波基。衡量小波基最常用的标准包括支撑长度和消失矩两个方面。在时域中，小波基函数的支撑长度是其幅值从有限值衰减到零的长度，时域的支撑长度越长，那么时域分辨率越低，这不是所期望的结果。但是时域支撑长度长的小波具有较高的消失矩阶数，而消失矩越大，则有越多的小波系数为零，从而减少计算的数据量，这是支撑长度长的小波具有的优点。由于支撑长度和消失矩阶数之间的矛盾，尽量选取在两者之间达到一定程度平衡的小波基。能够实现这种平衡的一种小波就是Daubechies小波，又叫db小波，一般写作db，其中是小波的阶数。db小波的时域支撑长度为2Nl，消失矩阶数为，在所有正交小波中，db小波在相同时域支撑长度下所具有的消失矩阶数最大，即在同样的时域分辨率下拥有最佳的频域分辨率，因此本算法采用db小波作为对载体音频信号进行小波分解的小波基。2)分解级数在选取小波基函数后要决定采取几级小波分解。当分解级数较大时，小波分解的计算复杂度增加；若分解级数不够，则小波分解得到的信号低频分量并不满足嵌入所要求的低频程度，这时的低频系数还含有一定的中高频分量，对于水印系统的抗攻击能力造成一定的影响。所以要选择一个合适的小波分解级数，这里采用的是三级小波分解，在计算复杂度和满足水印系统的鲁棒性之间进行了折中处理。经过三级分解后，得到的小波系数分别为ca3，cd3，cd2，cd1。3) 水印的选取以及预处理这里选用的是一幅标有“A”字样的二值图像，为6464像素大小。之所以选取一幅图像作为嵌入的水印，是出于两方面因素的考虑：一是出基于实际应用的要求，以图像的形式可以更方便的显示要保护的音频作品版权信息；二是与简单的伪随机数相比较，将提取出的水印信息恢复成图像后，像素点之间存在一定的关联性，借助人类视觉系统有限分辨率的特点，对于水印检测者更好的理解水印信息提供了方便。将二维图像嵌入到一维载体音频信号中，首先应把图像从二维矩阵降维至一维序列。若图像大小为MxN，即W0=wi,j,1iM,1jN,wi,j0,1则对应的一维序列为：W1=wk=wi,j,k=i*N+j, 1iM,1jN,wi,j0,14.2水印嵌入为实现此目标，在MATLAB环境下借助离散小波变换等相关函数对音频进行分解以及后面的图片的嵌入到最后的合成，NI公司提也供了MATLAB scrlpt节点方式。通过调用MATLAB子程序进行强大的数值运算来实现图片水印的嵌入。4.2.1所用函数介绍程序中所涉及的函数有：1）wavread ：读取声波函数格式:y, Fs, nbits = wavread(filename)，读取波形(。wav)的声音文件返回每个样本的比特(nbits)的数量。2）wavedec：多尺度一维小波分解函数格式：C,L = wavedec (X,N,wname) ，用小波wname分解并返回信号X的N层分解，其中C中保存提取的第N层低频系数和高频系数，L保存C中系数对应的长度3）appcoef：提取近似系数函数 格式：appcoef(c,l,wname,n), 第n层分解中的低频部分小波系数4）detcoef：提取小波的细节系数函数 格式：detcoef（c,l ,n），提取第n次高频系数5）length：求向量的长度格式：L=length(X)，当 X 为向量的时候， L 为向量的长度。当X为字符串时，返回的是字符串长度。6）imread：读取图形文件中数据函数格式：A = imread(filename,fmt), 其中:filename为文件名,fmt为文件格式7) size: 计算数据大小函数格式：m,n = size(X)，返回矩阵X的行列，当X是一个大于二维的数组时，m 是第一维的大小，n返回其他维相乘8）fix：朝零方向取整函数格式：B = fix(A) ，对A中每个元素朝零的方向取整数部分，并返回与A同维的整数数组B，对于一个复数参量A，则分别对其实部和虚数朝零的方向取整数部分，并返回一复数数据B。9）imshow：显示图像函数格式：imshow(I) ，显示灰度图像I，比如说imshow(img)，即显示img图像。10）waverec：多尺度一维小波重构函数X = waverec(C,L,wname) ，通过多尺度小波分解结构C,L和小波wname对信号x进行重构。 11）wavwrite：写波形(。wav)的声音文件格式: wavwrite(y,Fs,N,filename),写在变量y 存储到一个名为filename的wave文件数据。该数据具有的FS赫兹采样率和为N位，其中N为8，16，24或32。4.2.2嵌入程序的设计这里选用原始音频信号为前一模块所录制的音频信号，采样率为22.05KHz，水印选取的是64*64像素的二维bmp格式图像。水印嵌入过程步骤如下：1)原始音频信号的离散小波变换（DWT）。调用MATLAB中的wavedec函数对音频信号进行多尺度的一维小波分解，得到原始音频小波变换系数，提取高频系数和低频系数分别进行后面的处理。该部分程序如下：c,l=wavedec(x,3,db4); %三级小波分解ca3=appcoef(c,l,db4,3); %提取低频系数cd3=detcoef(c,l,3); %提取高频系数cd2=detcoef(c,l,2);cd1=detcoef(c,l,1);2)水印信息的读入和处理。在MATLAB中读入水印图片信息并且将其进行离散变换。把具有相同层次的数字水印嵌入到对应层次的原始音频信号中，根据需要隐藏的水印信号层次中系数的长度N，分别选择原始音频信号分辨率层次中绝对值最大的前N个值dL(1),dL(2)dL(N) 等作为加入水印信号的数据点。该部分程序如下：%读入水印信息mark=imread(D:音频水印watermark.bmp);row,col=size(mar