数字音频水印研究.doc
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数字音频水印研究,页数57字数36141摘要 硕士学位论文 随着计算机、网络、多媒体技术的迅速发展，人们可利用功能强、价格低的计算机方便地制作、复制多媒体产品，因特网的普及使得传播这些产品更容易。然而，这些技术也导致更容易地非法复制、修改和传播多媒体产品，从而对所有者的知识产权造成侵害。 随着数字音频的广泛使用，对数字音...
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数字音频水印研究
页数 57 字数 36141
摘 要
硕士学位论文
随着计算机、网络、多媒体技术的迅速发展，人们可利用功能强、价格低的计算机方便地制作、复制多媒体产品，因特网的普及使得传播这些产品更容易。然而，这些技术也导致更容易地非法复制、修改和传播多媒体产品，从而对所有者的知识产权造成侵害。
随着数字音频的广泛使用，对数字音频产品的保护显得越来越重要。音频数字水印则提供了一种版权保护的方案，版权所有者可以在原始信号中嵌入签名或版权信息，如：图像、文本、序号等，这些添加的信息是不可见或不可闻的，不容易被察觉，能抵抗各种攻击。数字音频水印能有效地保护知识产权，数字音频水印正逐渐成为数字水印中的一个重要研究方向。
由于人类听觉系统(HAS)对声音变化的灵敏度要高于人类视觉系统(Human Visual System,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。
为满足水印的健壮性、透明性及盲检测的要求，作者对数字音频水印进行了一些研究，提出了如下数字音频水印算法：
⑴在基于能量比较的数字音频水印时域算法中，把音频信号划分为若干个包含相同采样点的段，每一段划分为若干个包含相同采样点的节，对每段前二节的能量进行比较，结合水印比特及HAS的掩蔽特性，采取不改变或缩小音频信号能量的方法，在数字音频中嵌入水印。
⑵在基于振幅比较的信息隐藏算法中，把音频信号划分为若干个包含两个采样点的片段，对每个片段中的两个采样点的振幅进行比较，根据机密信息的比特位，结合HAS的掩蔽效应，采取不改变或缩小音频信号振幅的方法嵌入机密信息。
⑶在基于小波域变换的数字音频水印算法中，把音频信号划分为若干个包含相同采样点的帧，每帧划分为若干个包含相同采样点的节。对每帧的前两节实施小波变换，对前两节精细分量的能量进行比较，根据能量比较及水印比特，结合HAS特性，采用不改变或缩小精细分量能量的方法，在精细分量中嵌入水印。
⑷在基于倒谱域变换的数字音频水印算法中，把音频信号划分为包含相同采样点的若干帧，对指定帧实施复倒谱变换，将复倒谱系数均值与阈值进行比较，结合水印序列为“0”或“1”，采取缩小、增加或不改变复倒谱系数均值的方法，在复倒谱系数中嵌入水印。
实验证明，上述算法具有较强的健壮性，较好的透明性，提取水印属盲水印提取，能经受添加噪声、重采样、低通滤波、重新量化、音频格式转换等常见信号处理及攻击。
关键词：数字音频水印；能量比较；振幅比较；DWT；倒谱域；透明性；健壮性；盲检测
目 录
摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract……………………………………………………………………………Ⅱ
插图索引……………………………………………………………………………Ⅳ
附表索引……………………………………………………………………………Ⅴ
第1章 绪论…………………………………………………………………………1
1.1 选题背景…………………………………………………………………1
1.2数字音频水印的国内外研究现状…………………………………………2
1.2.1 国外研究现状………………………………………………………2
1.2.2 国内研究现状………………………………………………………2
1.2.3 当前研究存在的问题………………………………………………2
1.3主要研究内容………………………………………………………………3
1.4 论文章节安排………………………………………………………………3
第2章 数字音频水印技术……………………………………………………5
2.1音频的数字化………………………………………………………………5
2.2 数字水印的基本架构………………………………………………………5
2.2.1 数字水印系统的基本构成要素………………………………………5
2.2.2 水印系统的评价………………………………………………………6
2.2.3 水印系统的基本要求…………………………………………………6
2.2.4 水印系统的基本构成…………………………………………………7
2.3 音频数字水印的分类及特性……………………………………………9
2.4水印信号的设计与产生………………………………………………10
2.4.1无意义水印信号………………………………………………………10
2.4.2有意义水印信号及预处理……………………………………………10
2.5常见音频水印算法…………………………………………………………11
2.5.1音频水印时域算法…………………………………………………11
2.5.2音频水印变换域算法………………………………………………12
2.5.3其它类型的水印算法…………………………………………………13
2.6 数字音频水印的评价标准…………………………………………………13
2.6.1 IFPI水印稳健性标准………………………………………………13
2.6.2 StirMark标准…………………………………………………………13
2.6.3 其它常见的评价方法………………………………………………14
2.7人类听觉系统（HAS）特性………………………………………………15
2.8 数字音频水印的典型应用…………………………………………………16
第3章 基于能量比较的数字音频水印时域算法研究……………………………17
3.1 算法概述……………………………………………………………………17
3.2 算法实现……………………………………………………………………17
3.2.1 水印嵌入……………………………………………………………17
3.2.3 水印提取…………………………………………………………18
3.3 健壮性及透明性检测……………………………………………………19
3.3.1健壮性检测……………………………………………………………19
3.3.2听觉相似性检测………………………………………………………20
3.4小结…………………………………………………………………………21
第4章 基于音频载体的信息隐藏算法研究……………………………………22
4.1 信息隐藏与数字水印……………………………………………………22
4.2 机密信息嵌入及提取算法………………………………………………22
4.2.1 机密信息的嵌入……………………………………………………22
4.2.2 机密信息的提取……………………………………………………23
4.3实验及检测…………………………………………………………………23
4.3.1健壮性检测…………………………………………………………23
4.3.2听觉相似性检测……………………………………………………24
4.3.3嵌入量检测…………………………………………………………25
4.4 小结…………………………………………………………………………25
第5章 倒谱域数字音频水印研究…………………………………………………26
5.1 算法基本框架………………………………………………………………26
5.2算法实现……………………………………………………………………26
5.2.1 水印的嵌入…………………………………………………………26
5.2.2 水印提取算法………………………………………………………28
5.3 仿真实验及检测……………………………………………………………28
5.3.1健壮性检测…………………………………………………………28
5.3.2透明性检测…………………………………………………………29
5.4 小结…………………………………………………………………………30
第6章 倒谱域数字音频水印研究…………………………………………………31
6.1 倒谱及其特性……………………………………………………………31
6.1.1复倒谱定义及特性…………………………………………………31
6.1.2 复倒谱变换的实现…………………………………………………31
6.2算法设计……………………………………………………………………31
6.3算法实现……………………………………………………………………32
6.3.1 水印的嵌入…………………………………………………………32
6.3.2 水印的提取…………………………………………………………33
6.4 仿真与检测…………………………………………………………………34
6.4.1健壮性检测…………………………………………………………34
6.4.2透明性检测…………………………………………………………35
6.5 小结…………………………………………………………………………36
第7章 总结………………………………………………………………………37
7.1 主要创新点…………………………………………………………………37
7.2 需要改进及进一步研究的问题……………………………………………39
参考文献……………………………………………………………………………40
致谢………………………………………………………………………………42
附录B (基于小波变换的数字音频水印算法水印嵌入源程序)…………………44
附录C (基于小波变换的数字音频水印算法水印提取源程序)
…………………47
参考文献
[1] Cox I J, Miller M. L. The first 50 years of electronic watermarking. EURASIP J. of Applied Singal Processing, 2002,2:126~132
[2] Bender W,et al. Techniques for data hiding. IBM System Journal, 1996, 35(3&4): 313~336
[3] Boney L, Tewfik A, Hamdy H. Digital watermarks for audio signals. IEEE International Conference on Multimedia Computing and Systems 1996，1：473~480
[4] Cox I J, el al. Secure spread spectrum watermarking for multimedia. Technical Report 95-100, NEC Research Institute, Princeton, NJ,1995
[5] 吴绍权，黄继武，黄达人. 基于小波变换的自同步音频水印算法(J)，计算机学报，2004.3,365~370.
页数 57 字数 36141
摘 要
硕士学位论文
随着计算机、网络、多媒体技术的迅速发展，人们可利用功能强、价格低的计算机方便地制作、复制多媒体产品，因特网的普及使得传播这些产品更容易。然而，这些技术也导致更容易地非法复制、修改和传播多媒体产品，从而对所有者的知识产权造成侵害。
随着数字音频的广泛使用，对数字音频产品的保护显得越来越重要。音频数字水印则提供了一种版权保护的方案，版权所有者可以在原始信号中嵌入签名或版权信息，如：图像、文本、序号等，这些添加的信息是不可见或不可闻的，不容易被察觉，能抵抗各种攻击。数字音频水印能有效地保护知识产权，数字音频水印正逐渐成为数字水印中的一个重要研究方向。
由于人类听觉系统(HAS)对声音变化的灵敏度要高于人类视觉系统(Human Visual System,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。
为满足水印的健壮性、透明性及盲检测的要求，作者对数字音频水印进行了一些研究，提出了如下数字音频水印算法：
⑴在基于能量比较的数字音频水印时域算法中，把音频信号划分为若干个包含相同采样点的段，每一段划分为若干个包含相同采样点的节，对每段前二节的能量进行比较，结合水印比特及HAS的掩蔽特性，采取不改变或缩小音频信号能量的方法，在数字音频中嵌入水印。
⑵在基于振幅比较的信息隐藏算法中，把音频信号划分为若干个包含两个采样点的片段，对每个片段中的两个采样点的振幅进行比较，根据机密信息的比特位，结合HAS的掩蔽效应，采取不改变或缩小音频信号振幅的方法嵌入机密信息。
⑶在基于小波域变换的数字音频水印算法中，把音频信号划分为若干个包含相同采样点的帧，每帧划分为若干个包含相同采样点的节。对每帧的前两节实施小波变换，对前两节精细分量的能量进行比较，根据能量比较及水印比特，结合HAS特性，采用不改变或缩小精细分量能量的方法，在精细分量中嵌入水印。
⑷在基于倒谱域变换的数字音频水印算法中，把音频信号划分为包含相同采样点的若干帧，对指定帧实施复倒谱变换，将复倒谱系数均值与阈值进行比较，结合水印序列为“0”或“1”，采取缩小、增加或不改变复倒谱系数均值的方法，在复倒谱系数中嵌入水印。
实验证明，上述算法具有较强的健壮性，较好的透明性，提取水印属盲水印提取，能经受添加噪声、重采样、低通滤波、重新量化、音频格式转换等常见信号处理及攻击。
关键词：数字音频水印；能量比较；振幅比较；DWT；倒谱域；透明性；健壮性；盲检测
目 录
摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract……………………………………………………………………………Ⅱ
插图索引……………………………………………………………………………Ⅳ
附表索引……………………………………………………………………………Ⅴ
第1章 绪论…………………………………………………………………………1
1.1 选题背景…………………………………………………………………1
1.2数字音频水印的国内外研究现状…………………………………………2
1.2.1 国外研究现状………………………………………………………2
1.2.2 国内研究现状………………………………………………………2
1.2.3 当前研究存在的问题………………………………………………2
1.3主要研究内容………………………………………………………………3
1.4 论文章节安排………………………………………………………………3
第2章 数字音频水印技术……………………………………………………5
2.1音频的数字化………………………………………………………………5
2.2 数字水印的基本架构………………………………………………………5
2.2.1 数字水印系统的基本构成要素………………………………………5
2.2.2 水印系统的评价………………………………………………………6
2.2.3 水印系统的基本要求…………………………………………………6
2.2.4 水印系统的基本构成…………………………………………………7
2.3 音频数字水印的分类及特性……………………………………………9
2.4水印信号的设计与产生………………………………………………10
2.4.1无意义水印信号………………………………………………………10
2.4.2有意义水印信号及预处理……………………………………………10
2.5常见音频水印算法…………………………………………………………11
2.5.1音频水印时域算法…………………………………………………11
2.5.2音频水印变换域算法………………………………………………12
2.5.3其它类型的水印算法…………………………………………………13
2.6 数字音频水印的评价标准…………………………………………………13
2.6.1 IFPI水印稳健性标准………………………………………………13
2.6.2 StirMark标准…………………………………………………………13
2.6.3 其它常见的评价方法………………………………………………14
2.7人类听觉系统（HAS）特性………………………………………………15
2.8 数字音频水印的典型应用…………………………………………………16
第3章 基于能量比较的数字音频水印时域算法研究……………………………17
3.1 算法概述……………………………………………………………………17
3.2 算法实现……………………………………………………………………17
3.2.1 水印嵌入……………………………………………………………17
3.2.3 水印提取…………………………………………………………18
3.3 健壮性及透明性检测……………………………………………………19
3.3.1健壮性检测……………………………………………………………19
3.3.2听觉相似性检测………………………………………………………20
3.4小结…………………………………………………………………………21
第4章 基于音频载体的信息隐藏算法研究……………………………………22
4.1 信息隐藏与数字水印……………………………………………………22
4.2 机密信息嵌入及提取算法………………………………………………22
4.2.1 机密信息的嵌入……………………………………………………22
4.2.2 机密信息的提取……………………………………………………23
4.3实验及检测…………………………………………………………………23
4.3.1健壮性检测…………………………………………………………23
4.3.2听觉相似性检测……………………………………………………24
4.3.3嵌入量检测…………………………………………………………25
4.4 小结…………………………………………………………………………25
第5章 倒谱域数字音频水印研究…………………………………………………26
5.1 算法基本框架………………………………………………………………26
5.2算法实现……………………………………………………………………26
5.2.1 水印的嵌入…………………………………………………………26
5.2.2 水印提取算法………………………………………………………28
5.3 仿真实验及检测……………………………………………………………28
5.3.1健壮性检测…………………………………………………………28
5.3.2透明性检测…………………………………………………………29
5.4 小结…………………………………………………………………………30
第6章 倒谱域数字音频水印研究…………………………………………………31
6.1 倒谱及其特性……………………………………………………………31
6.1.1复倒谱定义及特性…………………………………………………31
6.1.2 复倒谱变换的实现…………………………………………………31
6.2算法设计……………………………………………………………………31
6.3算法实现……………………………………………………………………32
6.3.1 水印的嵌入…………………………………………………………32
6.3.2 水印的提取…………………………………………………………33
6.4 仿真与检测…………………………………………………………………34
6.4.1健壮性检测…………………………………………………………34
6.4.2透明性检测…………………………………………………………35
6.5 小结…………………………………………………………………………36
第7章 总结………………………………………………………………………37
7.1 主要创新点…………………………………………………………………37
7.2 需要改进及进一步研究的问题……………………………………………39
参考文献……………………………………………………………………………40
致谢………………………………………………………………………………42
附录B (基于小波变换的数字音频水印算法水印嵌入源程序)…………………44
附录C (基于小波变换的数字音频水印算法水印提取源程序)
…………………47
参考文献
[1] Cox I J, Miller M. L. The first 50 years of electronic watermarking. EURASIP J. of Applied Singal Processing, 2002,2:126~132
[2] Bender W,et al. Techniques for data hiding. IBM System Journal, 1996, 35(3&4): 313~336
[3] Boney L, Tewfik A, Hamdy H. Digital watermarks for audio signals. IEEE International Conference on Multimedia Computing and Systems 1996，1：473~480
[4] Cox I J, el al. Secure spread spectrum watermarking for multimedia. Technical Report 95-100, NEC Research Institute, Princeton, NJ,1995
[5] 吴绍权，黄继武，黄达人. 基于小波变换的自同步音频水印算法(J)，计算机学报，2004.3,365~370.
