音频信息隐藏算法的研究和实现-文献综述

第1页开题报告（文献综述）1.论文的背景和意义1.1.背景网络多媒体技术的飞速发展，使人们彼此间的距离无形中大大地缩短了，随着网络的日益普及，多媒体信息的交流达到了前所未有的深度和广度。各种形式的多媒体作品包括音频、视频、图像等纷纷以网络的形式发布，甚至个人也可以借助普通的个人计算机，通过网络，就可以方便、迅速地将自己的多媒体数字作品放在网络上，供全世界欣赏。传统的图书馆和博物馆同样可以经过数字化工作把书籍、艺术品等以多媒体数字作品的形式传达到世界每一个角落。国际互联网逐渐普及的副作用也十分明显:作品侵权更加容易、篡改更加方便。任何人都可以通过一台普通的个人计算机，在互联网络上轻易取得他人的原创作品，尤其是数字化图像、音乐、电影等在不经过作者的同意下任意复制、修改，从而侵害了作者的著作权。因此，如何实施网络环境下的版权保护和信息安全已经成为一个急切解决的问题1。1.2.意义随着信息技术的发展，人们对信息安全的需求越来越强烈。数字水印技术是一门新兴的多学科交叉的应用技术，它为最终解决数字产品版权保护问题提供了方向。并且在数字产品版权保护中发挥着越来越大的作用.目前，数字水印技术主要涉及数字图像、音频和视频等领域。随着音频素材在互联网上的指数级增加，音频数字水印技术有着广泛的应用前景。音频数字水印技术涉及到大量信号处理算法、数学计算工具等，如果采用普通编程工具所提供的功能来实现上述算法的编程及调制将花费的时间。目前，在工程计算上被广泛应用的Matlab软件可以很方便实现音频数字水印技术算法的编程及调制。从研究意义来看，对数字水印的研究具有重要的学术、经济和军事价值，一方面，它将促进多媒体技术、网络技术、通信技术、信号处理技术等多门新兴技术的有机结合，促进多面体网络的进一步繁荣;另一方面，它将有助于多媒体信息版权保护及其版权冲突的解决，同时，它将促进隐蔽通信技术，信息安全技术的提高。因此，对音频数字水印处理算法的研究，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2。第2页2.论文的指导思想小波变换属于时频分析的一种。是一种信号的时间尺度(时间一频率)分析方法，它具有多分辨率分析的特点，而且在时频两域都具有表征信号局部特征的能力。即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，这很适合于探测正常信号中夹带的瞬间反常现象并展示其成分，所以被誉为分析信号的显微镜，利用连续小波变换进行动态系统故障检测与诊断具有良好的效果。离散余弦变换（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。离散小波变换(DWT)是指在特定子集上采取缩放和平移的小波变换，是一种兼具时域和频域多分辨率能力的信号分析工具。图像置乱作为数字图像隐藏的一种预处理，目的是避免在隐藏后的公开图像中出现人眼可以分辨的保密图像轮廓，而增加水印的安全性。3.论文的研究内容、研究方法3.1.研究内容(1)、信息隐藏技术近年来，国际上开发设计出一种不同于传统密码学的技术，即将机密资料信息秘密地隐藏于普通的文件中、然后再通过网络传递散发出去这样非法拦截者从网络上拦截下来的伪装后的机密资料，并不像传统加密过的文件那样是一堆乱码、而是看起来和其他非机密性的一般资料无异，因而十分容易欺骗非法拦截者。其道理如同生物学上的保护色，巧妙地将自己伪装隐藏于环境中.免于被天敌发现而遭受攻击。这一点是传统加解密系统所欠缺的，也是信息隐藏基本的思想所谓的信息隐藏或更严格地称为信息伪装3。小波理论是近年来兴起的新的学科，它是继1822年法国人傅里叶提出傅里叶变换之后又一里程碑式的发展，解决了很多傅里叶变换不能解决的困难问题。傅里叶变换虽然已经广泛地应用于信号处理领域，较好地描述了信号的频率特性，取得了很多重要的成果，但傅里叶变换却不能较好地解决突变信号与非平稳信号旦问题。小波变换可以被看作是傅里叶变换的发展，它是空间(时间)和频率的局部变换，能更加有效地提取信号和分析局部信号4。(2)、音频数字水印音频数字水印技术是一种信息隐藏技术，它的基本思想是在不影响原始音频质量的前提下，利用一定的算法向其中嵌入用于版权保护或内容完整性检验的一些标志性信息，第3页达到保护产品的版权、证明产品的真实可靠性、跟踪盗版行为或者提供产品的附加信息等目的5。满足听觉要求的数字音频产品就能为人们所接受，所以在不破坏其使用价值的前提条件下，嵌入音频数字水印而不被察觉是有可能的。任何数字信号都有其固定的误差范围，即所谓的噪声。音频数字水印的制作过程可以看作是将水印信息作为附加噪声融合在原始音频信号中，只要附加的噪声强度远远小于人的感觉器官能够察觉到的最小强度，水印信息就可无法被感知。由于人类听觉系统(HumanAuditorySystem,HAS）对声音变化的灵敏度要高于人类视觉系统(HumanVisualSystem,HVS)对图像变化的灵敏度因而在音频信号中嵌入水印难度相对较大6。(3)、MATLABMATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解决问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用7。MATLAB具有以下特点：高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来；具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化；友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等)，为用户提供了大量方便实用的处理工具8。(4)、小波变换传统的信号处理技术是傅立叶变换(FT)技术。傅立叶变换是一种纯频域的分析方法，它在频域的分辨能力是完全准确的，而在时域无分辨能力，它所反映的是整个信号全部时间下的整体频域特性，而不能提供任何局部时间段上的频率信息。为了研究信号在局部时间范围的频域特性，Gabor提出了Gabor变换，之后又发展为短时傅立叶变换(STFT)，又叫做加窗傅立叶变换。STFT在一定程度上克服了傅立叶变换在时域上无任何分辨率的缺点，但其窗函数的大小和形状均与时间和频率无关而保持固第4页定不变，这对于分析时变信号是不利的。小波变换的提出解决这一问题，小波理论采取多分辨率分析的思想，非均匀的划分时频空间。音乐信号在本质上是非平稳信号，在不同时间演奏不同的音符，它的频域特性随时间的变化而变化，也就是说它们是时变信号。小波变换将信号分解到时域和尺度域上，不同的尺度对应不同的频率范围，因此对于音频这样的时变信号，小波变换是很适合的工具9。小波变换在数字水印技术中的应用也日益受到重视。提到的嵌入方法都是在语音信号的离散傅立叶变换域嵌入水印信息的，傅立叶变换的基本思想是将信号分解成一系列不同频率的连续正弦波的叠加，将信号从时域变换到频率域，它的缺点是在做变换时丢掉了时间信息，无法根据变换的结果判断一个特定的信号是在什么时候发生的，即它在频域里分辨率最高，而在时域没有分辨能力。因此，采用小波变换进行水印嵌入，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10。3.2.研究方法本课题采用文献研究法和基于MATLAB算法仿真与分析方法进行研究。先通过文献研究法全面正确的分析近年来音频数字水印技术、信息隐藏技术和MATLAB软件的发展背景、相关知识，熟悉音频信息隐藏算法的实现的基本原理和主要方法，再用MATLAB算法仿真与分析方法，通过对其中一些基本方法的分析与反思试图寻找一种基于回声的信息隐藏方法。4.研究可能存在的问题（1）、关于音频数字水印技术，信息隐藏技术，MATLAB技术等相关背景与知识不完善，可能存在一些错误。（2）、关于提出将离散余弦变换（DCT)、离散小波变换(DWT)、图像置乱等方法相结合的MATLAB算法存在错误，MATLAB仿真图有些误差。（3）、论文格式有错误。第5页参考文献1.黄智渊.基于回声隐藏技术的数字水印的研究J.南京邮电大学，2011:13-20.2.刘振华，尹萍.信息隐藏技术及其应用.科学出版社,2002.3.方建华.回声隐藏技术的研究.科学出版社，2007.4.钮心.信息隐藏与数字水印.北京邮电大学出版社,2004.5.戴跃伟.信息隐藏技术的理论及应用M.南京理工大学,2012:1-13.6.王