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1、西北民族大学电气工程学院电子信息工程(1)班DWT和DCT结合的变换域音频水印摘 要 近年来随着网络通信和多媒体技术的迅速发展，盗版问题非常明显，数字水印是一种可以在开放网络环境下保护版权和认证来源的新技术。它将特定意义的标记隐藏在数字图像、音频等数字产品中，来验证创作者对其作品的所有权。音频水印技术主要利用了人类听觉模型，在不影响音频信号质量的前提下，将水印信息隐藏在人耳不能感知的位置，来隐藏水印数据。本文研究DWT和DCT结合的音频水印算法，首先对音频信号进行DWT和DCT变换，根据水印的大小把DCT系数均匀分段，采用量化的方法把直观的二值黑白图像嵌入音频中，然后利用攻击函数攻击音频信号，
2、再从含水印的音频中提取出水印信息，最后通过MATLAB仿真计算信噪比和归一化系数，验证该算法是否具有良好的安全性、鲁棒性和不可感知性。关键字 音频水印，离散小波变换，离散余弦变换ABSTRACTIn recent years, with the development of the network communication and multimedia technology, the problem of piracy is becoming more and more obvious. Digital watermarking is a new kind of technology, wh
3、ich can be used to protect copyright and certificate source under the opening network environment. The technology will hide the special markers in the digital image、audio to prove the creators ownership of their works.On the condition of not affecting the quality of audio signal, audio watermarking
4、technology mainly uses the human hearing model to hide the watermarking information in the position where peoples eyes can not perceive. The paper studied the audio watermarking algorithm based on DWT and DCT. Firstly made DWT and DCT transformation, then DCT coefficients were segmented equally acco
5、rding to the size of watermark. By using the quantification method, intuitive binary black and white images were embeded into the audio signal. Later attack functions are used to attack the audio signal and then extract the watermarking information. At last though the MATLAB simulation, calculate si
6、gnal to noise ratio and normalized coefficient to prove whether the algorithm satisfy the requirements of imperceptibility, safety and robustness or not. Key word: Audio watermark, Discrete wavelet transform, Discrete cosine transform目录1. 绪论11.1 音频水印的发展11.2 数字水印原理及简单模型11.3 数字音频水印存在的问题32. 数字音频水印42.1
7、数字音频水印原理及模型42.1.1 数字音频水印的原理及一般模型42.1.2 音频水印的要求52.2 数字音频水印的算法62.2.1 音频水印算法的分类62.2.2 音频水印的攻击算法73. DWT和DCT结合的音频水印算法83.1 小波变换与余弦变换的理论知识83.1.1 小波变换的理论知识83.1.2 离散的余弦变换103.2 图像的置乱与加密技术103.2.1 图像的Arnold置乱及其恢复103.2.2 混沌序列的产生123.2.3 混合光学双稳模型加密水印图像123.2.4 量化嵌入水印的原理133.3 DWT、DCT相结合音频水印的算法步骤143.3.1 水印嵌入前的预处理操作14
8、3.3.2 嵌入水印143.3.3 提取水印163.3.4 性能分析164. MATLAB仿真与结论194.1 MATLAB 仿真测试194.1.1 不可感知性的测试204.1.2 安全性的测试214.1.3 鲁棒性测试234.2 总结254.3 展望26参考文献27答 谢281. 绪论1.1 音频水印的发展数字水印的研究可以追溯到古老的水印技术1,如钞票、邮票上的水印，将它们对着光就可以看到其中隐藏的图像。在1954年Muzak公司Email.Hembrooke为某音乐作品申请了一项专利，该专利描述了将标识码不可感知的嵌入到音乐中来证明所有权的方法，这项技术一直被Muzak公司用到了1984
9、年前后。在1988年Holt等人第一次把认证码嵌入音频信号中但这时的数字水印只是作为一种版权认证的工具，并没有成为一门学科。到了20世纪90年代初期，数字水印开始受到了重视，1993年A.Z.Tirkel1等人在撰写的Electronic water mark一文中正式提出了“water marking”这一术语，1995年Cox等人提出了一种基于扩频通信的思想，将水印信息嵌入到图像感知上最重要的频域因子中的方案。1996年第一届国际信息隐藏学术研讨会在英国剑桥大学召开,标志着信息隐藏技术作为一个新的研究学科。在这时音频水印技术开始被研究，Bender等人又提出了LSB、回声、扩频、相位编码等
10、多种算法，将Cox方案应用到音频信号中。数字水印在信息安全和经济上地位极为重要，世界各国的科研机构、商业集团都积极地参与、投资此方面的研究，近几年来以音频为载体的水印技术已成为人们关注的焦点。1.2 数字水印原理及简单模型一套完整数字水印系统包括三部分：水印生成，水印嵌入，水印的提取检测，其具体的流程图如下：原始水印水印密钥水印生成算法生成的水印图1-1 水印的生成图1-1为原始水印的生成过程，在嵌入水印前要对水印进行置乱、加密、调制等预处理操作，来提高水印信息的安全性和随机性。 载体信息数学变换水印嵌入算法生成的水印数学逆变换含水印的信息加密水印图1-2 水印的嵌入过程图1-2为水印的嵌入过
11、程，原始的载体数据先经过数学变换（如DWT、DCT变换）,根据嵌入算法选择嵌入的位置嵌入水印，再经数学逆变换生成含水印的信息 。含水印信息数学变换水印密钥原始载体信息水印提取算法提取水印信息水印检测算法原始水印信息 图1-3 水印的提取与检测图1-3为水印的提取与检测过程，该过程与水印嵌入的过程互为逆运算，通过水印检测算法来评价该算法的鲁棒性、安全性和不可感知性。1.3 数字音频水印存在的问题1、 数字音频水印的研究中，数字音频水印性能的客观评价标准还不能完全贴近实际2，缺乏统一、系统的标准去评价算法的优劣性和不同音频系统之间性能的差异。2、 目前大多数音频水印算法只针对一种或几种水印攻击，再
12、抵抗多重攻击时，水印的鲁棒性将大大降低。3、 同步问题3是数字音频水印的重要问题，音频信号是一维的时间信号，其采样点的数量在信号处理前后会发生变化，数据会移位，很难准确的判断水印的嵌入位置来提取水印。4、 有些音频水印算法在提取水印时必须依靠原始的音频信号，不能实现水印的盲提取，这样会限制音频水印算法在实际中的应用。5、 现有的算法大多以鲁棒性和不可感知性为考虑重点，嵌入的水印一般是伪随机序列，利用统计的方法和概率论的假设检验来检测水印是否存在。但随着水印算法研究的深入，有意义的音频水印算法已不能以统计学上的检测算法为主，相应的鲁棒性和不可感知性也将重新考虑。2. 数字音频水印2.1 数字音频
13、水印原理及模型2.1.1 数字音频水印的原理及一般模型音频水印技术是利用音频文件的冗余信息和人类听觉系统的特点来嵌入水印。从音频处理的角度看，嵌入水印的过程是将水印信息当作附加噪声添加到原始音频信号中，只要水印信息的强度小于人的感知器官能够感觉的最小强度，水印就无法被感知。音频水印的基本模型4如下：载体音频信号心里声学模型水印信息密钥水印嵌入水印编码 提取水印信息水印解码水印提取图2-1 音频水印的基本模型图(2-1)是音频水印算法的基本模型，水印编码环节主要负责水印信息的置乱、加密。水印的嵌入环节是利用嵌入算法把水印信息嵌入到载体音频信号中，水印提取环节与水印嵌入环节相对应，是一对逆运算。心
14、理声学模型用来提供掩蔽阈值信息来确定水印的最大可能嵌入强度。水印检测环节负责判断水印的存在性。水印解码环节利用加密水印的密钥提取隐密信息。2.1.2 音频水印的要求 对于一个实用的数字音频水印系统而言，要成功的把水印隐藏在数字音频媒体中，必须注意以下几方面的要求：1、鲁棒性鲁棒性又称作稳健性，它指信号经过各种处理后，水印检测器仍能检测出载体作品中含有水印，要求水印本身能够承受各种有意无意的攻击。常见的信号处理操作包括添加噪声、线性和非线性滤波、重采样、数据压缩等。2、 感知透明性感知透明性要求含有水印的音频信号与原始音频信号不存在感知上的差异，并且二者经过相同的处理后也不存在感知上的差异。3、
15、数据提取误码率数据提取误码率是数字音频系统评价的一个重要指标，它是提取结果中错误码位数与嵌入总的位数之比。造成数据提取错误的原因有：物理空间的干扰；信道中传输的信号会发生衰减和畸变，还有人为的数据变换和攻击。4、嵌入数据量指标不同的应用环境对嵌入水印的数据量要求不同，例如在版权保护的应用中只需把作者的版权码或序列号载入音频中即可。与图像、视频相比音频在相同的时间间隔内采样的点数少，而且人耳听觉系统要比人眼视觉系统敏感得多，使听觉的不可感知性实现起来要困难。2.2 数字音频水印的算法2.2.1 音频水印算法的分类1、数字音频水印的时域算法(1)最不重要位（LSB）方法LSB是一种简单的水印嵌入方法5，先将音频文件的每一个采样数据用二进制数来表示，然后用代表水印的二进制位替换每一个采样值的最不重要位，来实现把水印嵌入音
