MATLAB音频数字水印算法实现

课题背景与现状

数字时代的到来，多媒体数字世界丰富多彩，数字产品几乎影响到每一个人的日常生活。信息媒体的数字化为信息的存取提供了极大的便利，同时也显著地提高了信息表达的效率和准确度。计算机网络通信技术特别是互联网的蓬勃发展，使得数据的交换和传输变成了一个相对简单且快捷的过程。人们借助于计算机、数字扫描仪、打印机等电子设备可以方便、迅速地将数字信息传达到世界各地，在国际互联网上发布自己的作品，传递重要的信息，进行各种学术交流和电子商务活动等等。如何保护这些与我们息息相关的数字产品，如版权保护、信息安全、数据认证以及访问控制等等，已受到日益重视并变得迫切需要了，因此数字水印在今天的计算机和互联网时代大有可为。

数字水印技术是近十年才发展起来的，它是信息隐藏学的一个分支。随着国内信息化程度的提高和电子商务逐渐走向实用，数字水印技术将会拥有更加广阔的应用前景。鉴于信息隐藏与数字水印技术的应用前景，众多知名研究机构如麻省理工学院的多媒体实验室、剑桥大学的多媒体实验室、IBM数字实验室、日立、NEC、SONY，PHILIPS、微软等都加入到信息隐藏和数字水印技术的研究和应用并取得了一定的成果。1996年5月，第一届国际信息隐藏学术研讨会(CIHW)在英国剑桥牛顿研究所召开，至今该研讨会已举办了四届。另外，在IEEE和SPIE等一些重要国际会议上也开辟了信息隐藏与数字水印相关的专题技术研究。此外欧洲、北美以及其他的一些关于图像、多媒体研究方面的国际会议都有专门的数字水印讨论组。欧洲已有几项较大的工程项目(VⅣA和ACTS)都有关于信息隐藏与数字水印方面的专项研究。摄影光学仪器工程师学会从1999年开始举办专门的“多媒体内容的安全和水印"讨论会。另外，一些组织开始考虑包含不同标准的水印技术。拷贝保护技术工作组(CPTWG)出于保护DVD碟中视频的目的测试了水印系统。安全数字音乐主创(SDMI)将水印做成他们的音乐保护系统的核心技术。

近年来，该领域研究的发展速度非常快，有些公司已推出了一些数字水印软件产品，1996年2月美国Adobe System公司首先在图像处理软件Adobe Photoshol4．0中，采用美国Digimarc公司的技术，加入了数字水印模块，起到版权保护的功能。1999年2月，五大唱片公司：博得曼、百代、索尼、环宇和华纳联合宣布与IBM合作，联合开发一个在因特网方便、快速、安全发布数字视听产品的实验系统。2001年1月Digimarc公司又宣布与图形艺术的业界团体Printing Industries of America(PIA)就电子水印技术联手合作，在打印机使用Digimarc的“Media Bridge"电子水印技术。2001年7月，富士通公司开发出了“阶层型电子水印"技术，为其在因特网上实现电子博物馆和电子美术馆系统“Musethque Light"提供了安全保障。同时还有一些其他公司也相继推出了在数字化图像、音频和视频作品中嵌入鲁棒水印以进行版权保护的软件产品，如Bluespike公司的“Giovanni数字水印系统"，Gognic公司的“AudiokeyMP水印系统”，Signum Technologies公司的“Suresign水印’’等等。我国学术界对数字水印技术的反应也非常快，已经有相当一批有实力的科研机构投入到这一领域的研究中来。

研究的目的和意义

随着互联网以及多媒体通讯的发展，对多媒体产品版权保护和鉴别要求越来越强烈，而数字水印技术是解决数字版权保护问题的有效手段。目前，对静态图像数字水印技术的研究己经日趋成熟，音频数字水印也正成为新的研究热点。

随着计算机、通信技术的迅速发展，多媒体存储和传输技术的进步使存储和传输数字化信息成为可能，数字化产品可以方便地制作、复制、修改、存储、传播。同时，也导致了大量非法盗版的出现，严重地损害了创作者和所有者的知识产权(Intellectual Property Rights)，数字产品的知识产权保护也显得越来越重要。在这种形势下，以信息隐藏技术为核心的数字水印(Digital Watermarking)技术应运而生。在数字化产品中嵌入水印信息，可以实现拷贝限制、使用跟踪、盗版确认等功能，有利于解决版权纠纷，保护数字产权合法拥有者的利益。数字水印是一种有效的数字产品版权保护和数据安全维护技术，是信息隐藏(Information Hiding)技术研究领域中的一个重要分支。事实上，信息隐藏技术从有隐密通信就已开始研究，但由于其特殊的用途，一直被限制在军事和安全部门一个很小的范围内。随着计算机、多媒体技术的发展，网络通信逐步成为人们交流信息的方式之一，对数字化产品(如：音像作品、电子商务、电子政务、数字图书、远程教育等)的认证、防伪以及版权保护的需求越来越迫切，从而产生出一门新的分支：数字水印。

数字水印技术除具有信息隐藏技术的一般特点外，还有着其固有的特点和研究方法。例如：从信息安全的保密角度上看，如果隐藏的信息被破坏，系统可以视为安全的，因为秘密信息并没有泄露；但在数字水印系统中，隐藏信息的丢失即意味着版权信息的丢失，从而失去了版权保护的功能，这一系统就是失败的。因此，数字水印技术必须具有较强的鲁棒性、安全性和不可感知性。随着数字化音像制品的大量制作和发行，数字音频水印技术的研究和发展越来越显得重要。一方面，可以用音频水印技术实现数字音频作品版权的保护和认证，这是水印技术最主要的应用。它的目的是通过嵌入数据的来源信息以及比较有代表性的版权所有者信息，从而防止其它团体对该数据宣称拥有版权。这样水印就可以用来公正地解决所有权问题；另一方面可以用于音频作品的盗版跟踪，它的目的是传输合法接收者的信息而不是数据来源者的信息，主要用来识别数据的单个发行拷贝。这一类应用在发行的每个拷贝中嵌入不同的水印，通常称之为“数字指纹"；还可以用于拷贝保护，这就要求在音频作品发行体系中存在一个拷贝保护机制，即它不允许未授权的媒体拷贝。在开放系统中很难实现拷贝保护，然而在封闭或私有系统中，可以用水印来说明数据的拷贝情况，因此拷贝保护是可行的。随着MP3、MP4、MPEG、AC-3等新一代压缩标准的广泛应用，数字音频在因特网上呈指数级增加，对音频数据产品的保护就显得越来越重要，音频水印领域将有较为广阔的应用前景。因此，选择数字音频水印作为研究课题有较强的现实意义。另一方面，对发表的数字水印研究文献检索统计，发现数字音频水印的研究文献相对于数字图像水印的研究文献要少得多，因而较容易在数字音频水印上挖掘创新点。随着互联网以及多媒体通讯的发展，对多媒体产品版权保护和鉴别要求越来越强烈，而数字水印技术是解决数字版权保护问题的有效手段。目前，对静态图像数字水印技术的研究己经日趋成熟，音频数字水印也正成为新的研究热点。

随着计算机、通信技术的迅速发展，多媒体存储和传输技术的进步使存储和传输数字化信息成为可能，数字化产品可以方便地制作、复制、修改、存储、传播。同时，也导致了大量非法盗版的出现，严重地损害了创作者和所有者的知识产权(Intellectual Property Rights)，数字产品的知识产权保护也显得越来越重要。在这种形势下，以信息隐藏技术为核心的数字水印(Digital Watermarking)技术应运而生。在数字化产品中嵌入水印信息，可以实现拷贝限制、使用跟踪、盗版确认等功能，有利于解决版权纠纷，保护数字产权合法拥有者的利益。数字水印是一种有效的数字产品版权保护和数据安全维护技术，是信息隐藏(Information Hiding)技术研究领域中的一个重要分支。事实上，信息隐藏技术从有隐密通信就已开始研究，但由于其特殊的用途，一直被限制在军事和安全部门一个很小的范围内。随着计算机、多媒体技术的发展，网络通信逐步成为人们交流信息的方式之一，对数字化产品(如：音像作品、电子商务、电子政务、数字图书、远程教育等)的认证、防伪以及版权保护的需求越来越迫切，从而产生出一门新的分支：数字水印。

数字水印技术除具有信息隐藏技术的一般特点外，还有着其固有的特点和研究方法。例如：从信息安全的保密角度上看，如果隐藏的信息被破坏，系统可以视为安全的，因为秘密信息并没有泄露；但在数字水印系统中，隐藏信息的丢失即意味着版权信息的丢失，从而失去了版权保护的功能，这一系统就是失败的。因此，数字水印技术必须具有较强的鲁棒性、安全性和不可感知性。随着数字化音像制品的大量制作和发行，数字音频水印技术的研究和发展越来越显得重要。一方面，可以用音频水印技术实现数字音频作品版权的保护和认证，这是水印技术最主要的应用。它的目的是通过嵌入数据的来源信息以及比较有代表性的版权所有者信息，从而防止其它团体对该数据宣称拥有版权。这样水印就可以用来公正地解决所有权问题；另一方面可以用于音频作品的盗版跟踪，它的目的是传输合法接收者的信息而不是数据来源者的信息，主要用来识别数据的单个发行拷贝。这一类应用在发行的每个拷贝中嵌入不同的水印，通常称之为“数字指纹"；还可以用于拷贝保护，这就要求在音频作品发行体系中存在一个拷贝保护机制，即它不允许未授权的媒体拷贝。在开放系统中很难实现拷贝保护，然而在封闭或私有系统中，可以用水印来说明数据的拷贝情况，因此拷贝保护是可行的。随着MP3、MP4、MPEG、AC-3等新一代压缩标准的广泛应用，数字音频在因特网上呈指数级增加，对音频数据产品的保护就显得越来越重要，音频水印领域将有较为广阔的应用前景。因此，选择数字音频水印作为研究课题有较强的现实意义。另一方面，对发表的数字水印研究文献检索统计，发现数字音频水印的研究文献相对于数字图像水印的研究文献要少得多，因而较容易在数字音频水印上挖掘创新点。

方案设计和实施计划

在完成音频数据水印系统中我们采用离散小波变换作为本系统的核心算法。小波变换是将信号分解成时域和尺度域的一种变换，具有多分辨率分析的能力，在时域和频域都具有表征信号的局部特征的能力。对于音频信号这样的时变信号而言，小波变换是一种很适合的工具。小波变换是把信号f(t)表示为一簇函数的加权和,而这簇函数是由基本小波ψ(t)经过伸缩和平移而形成的,伸缩尺度为 a, 时间移动为τ的小波.

小波分析的主要特点就是能够分析信号的局部特征,利用小波变换可以非常准确地分析出信号特性, 可以检测出许多被其他分析方法忽略的特性.

由于matlab中的函数库中包含多种方便有效的函数，所以在编程工具上我们采用matlab作为本系统开发的工具。本系统支持两种格式的水印文件嵌入到原有音频中，分别是bmp格式的图片文件和wav格式的音频文件，其他格式的音频，图片文件可以用其他软件如格式工厂等转格式后运行。在嵌入图片格式的水印时，由于要嵌入的是一个二维数组，所以首先要对二值水印图像进行降维操作，使其由二维序列变为一维序列。后将原音频进行dwt变换，导出其低频部分，对其低频部分进行数值变换操作，将水印序列加载到低频部分上。具体流程如下图：

在音频格式的水印嵌入到音频文件中是，不需要进行降维操作，可以直接嵌入到原音频dwt变换得到的低频部分。在提取水印信息时，需要将含水印的音频和原音频进行dwt变换，对比两者在低频部分的不同，并对含水印音频进行逆向运算即可得出水印信息，对于音频格式的水印文件即可直接输出，对于图片格式的水印文件还需要进行升维，复原图片等操作。具体流程如下图：

研究的主要内容

进行音频数据水印系统的研制我们主要的研究目标是找出一个算法使的一个水印信息可以嵌入到一段音频中，然后这一段音频的听起来又不会有太大的变化。所以我们在开发软件时，尝试了多种算法包括dft,dct,dwt，回音隐蔽算法等等，在测试过程中我们发现使用dwt算法可以达到较好的效果，并且会有较好的鲁棒性，所以我们最终采用dwt算法作为我们的核心算法，并以此为核心编写出了程序。

创新点和结论

在测试程序时，我们发现如果一段音频中有大量的零值点则无法将水印信息添加到音频中，结合现实中大量音频会在开始的一段时间内有零值点。我们以此为基础，将加载水印的采样点搬至出现非零值点之后，使音频数据水印系统能够避免因为音频初始有大量零值点而无法正常运行。但若是在音频数据的中间有少量零值点我们还没法排除，这也是导致水印信息部分失真的主要原因。在客观评论中我们组使用相关系数作为评价，得出相关系数为1。设音频中共N个采样点，每个分段有n个采样点，则数据嵌入量P由下式表示：P=N／2n，由于算法没有分段表示，所以我们的算法是将水印信号加载到水印长度的低频信号采样点上，所以理论上说原信号的每一个采样点都可以加载水印信息，所以嵌入容量值为.但考虑到在正常音频信号中有大量的零值点，我们只能够排除音频前的零值点，现有音频的前必有音频，所以我们设置嵌入容量为.我们在音频中加入的水印容量测试过将125k的音频嵌入到的音频中。

成果的应用前景

在现在阶段由于我们小组对于matlab软件的不熟悉，浪费了大量时间在学习matlab上所以做出的成果比较粗糙，只完成了基本的功能即将音频格式，图片格式的水印信息嵌入到一段音频中。由于采用了dwt算法在原则上使得嵌入容量得到扩展，可以让一个不大于原音频的文件嵌入到音频中，但是由于有大量零值点的存在会让得出的水印信息严重失真，所以建议嵌入不大于原音频四分之一的大小的文件。所以本软件系统主要用于音频数据版权保护和传输小型加密文件。

7、GUI界面设计

8、水印程序：

Bmp_tupian:

clc

clear all;

imagesignal=imread('水印.bmp');

imagesignal=double(imagesignal);

imagesignal=im2bw(imagesignal,;

imagesignal=imresize(imagesignal,[128 128]);

%读取水印图片并将图片大小改到合适大小

piexnum=1;

for i=1:128

for j=1:128

waterimage_y(piexnum,1)=imagesignal(i,j);

piexnum=piexnum+1;

end

end

waterimage_l=size(waterimage_y);

%将图片降维

[originalwav,fs,bit]=wavread('原音频.wav');

[c0,d0]=dwt(originalwav,'haar');

%进行小波变换

c0_l=size(c0);

for i=1:c0_l

if c0(i,1)<=

else

l=i+1;

break

end

end

for i=1:l-1

c1(i,1)=0;

end

for i=l:waterimage_l+l-1

j=i-l+1;

c1(i,1)=c0(i,1).*(1+*waterimage_y(j,1));

end

for i=waterimage_l+l:c0_l

c1(i,1)=c0(i,1);

end

%为比例系数，用于控制修改变量，修改小波低频系数嵌入水印

%为消除音频中的前面一段时间的空白音频的干扰而进行的排除零值点的算法

emmedsignal=idwt(c1,d0,'haar');

wavwrite(emmedsignal,fs,bit,'添加水印后的音频.wav');

%添加水印后的音频

[embedc0,embedd0]=dwt(emmedsignal,'haar');

[c0,d0]=dwt(originalwav,'haar');

for i=l:waterimage_l+l-1

j=i-l+1;

newwater(j,1)=(c1(i,1)./c0(i,1)-1)./;

end

%提取水印信息

ww=1;

for i=1:128

for j=1:128

waterimage(i,j)=newwater(ww);

ww=ww+1;

end

end

%恢复水印图片

imwrite(waterimage,'提取的水印图片.bmp','bmp');

cox1=(newwater'.*waterimage_y')/(norm(newwater)*norm(waterimage_y))

figure(1);

subplot(2,1,1);

imshow(imagesignal);

subplot(2,1,2);

imshow(waterimage);

figure(2);

subplot(211);

plot(originalwav);

subplot(212);

plot(emmedsignal);

Wav_yinpin:

clc

clear all;

fs=44000;

shuiyinwav=wavread('水印音频.wav');

shuiyinwav_l=size(shuiyinwav);

%读取水印音频

[originalwav,fs,bit]=wavread('原音频.wav');

[c0,d0]=dwt(originalwav,'haar');

%读取原音频并进行小波变换

c0_l=size(c0);

for i=1:c0_l

if c0(i,1)<=

else

l=i+1;

break

end

end

for i=1:l-1

c1(i,1)=0;

end

for i=l:shuiyinwav_l+l-1

j=i-l+1;

c1(i,1)=c0(i,1).*(1+*shuiyinwav(j,1));

end

for i=shuiyinwav_l+l:c0_l

c1(i,1)=c0(i,1);

end

%为比例系数，用于控制修改变量，修改小波低频系数嵌入水印

emmedsignal=idwt(c1,d0,'haar');

wavwrite(emmedsignal,fs,bit,'添加水印后的音频.wav');

%添加水印后的音频

[embedc0,embedd0]=dwt(emmedsignal,'haar');

[c0,d0]=dwt(originalwav,'haar');

for i=l:shuiyinwav_l+l-1

j=i-l+1;

newwater_y(j,1)=(c1(i,1)./c0(i,1)-1)./;

end