??? 摘? 要： 用LabVIEW實(shí)現(xiàn)了在數(shù)字音頻中嵌入二值圖像水印。系統(tǒng)主要由水印的嵌入與水印的提取兩部分組成。由LabVIEW的“簡易讀取聲音文件”節(jié)點(diǎn)，將音頻信號讀取進(jìn)來。首先對音頻信號進(jìn)行離散小波分解，根據(jù)人耳聽覺特性選擇嵌入點(diǎn)，然后修改原始音頻信號小波系數(shù)小數(shù)點(diǎn)后有效位的奇偶性進(jìn)行水印數(shù)據(jù)的嵌入，在提取水印時(shí)，檢測小波系數(shù)小數(shù)點(diǎn)后有效位的奇偶性進(jìn)行水印提取。使用LabVIEW實(shí)現(xiàn)了既有嵌入程序又有提取程序的數(shù)字音頻水印系統(tǒng)。?

??? 關(guān)鍵詞： LabVIEW； 人耳聽覺特性； 小波變換" title="離散小波變換">離散小波變換； 奇偶性

?

??? 多媒體信息的數(shù)字化及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使圖像、音頻和視頻等多種形式的多媒體數(shù)字作品的創(chuàng)作、存儲(chǔ)和傳輸都變得極其便利。但是數(shù)字媒體很容易被非法復(fù)制或者在傳輸過程中遭受第三方的蓄意篡改。為了保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)，水印技術(shù)引起了人們的極大關(guān)注^[1-2]。文中給出了利用LabVIEW編程工具設(shè)計(jì)的一個(gè)能在音頻信號中隱藏二值圖像的數(shù)字音頻水印系統(tǒng)。?

1 數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的原理?

1.1人類聽覺系統(tǒng)特性?

??? 在音頻文件中嵌入數(shù)據(jù)的各種方法都要利用人類聽覺系統(tǒng)的某些特性，即人的聽覺生理-心理特性^[3-4]。使用這些特性是為了滿足水印的不可感知性的要求。?

??? 首先，人的聽覺具有掩蔽效應(yīng)。掩蔽可分為頻域掩蔽和時(shí)域掩蔽。時(shí)域掩蔽又包括前向掩蔽和后向掩蔽。頻域和時(shí)域掩蔽效應(yīng)有各自的特性及局限，頻域掩蔽效應(yīng)局限在頻率域而時(shí)域掩蔽效應(yīng)則局限在時(shí)間域。其次，人耳對聲音信號的絕對相位不敏感，而只對其相對相位敏感。第三，人耳對不同頻率段聲音的敏感程度不同。通常人耳可以聽見20 Hz～18 kHz的信號，但對2 kHz～4 kHz范圍內(nèi)的信號最為敏感，幅度很低的信號也能被聽見，而在低頻區(qū)和高頻區(qū)，能被人耳聽見的信號幅度要高得多。?

1.2 離散小波變換（DWT）基本原理?

??? 小波變換是將信號分解到時(shí)域和尺度域上的一種變換，尺度域可以對應(yīng)于頻域，在時(shí)域和頻域都具有表征信號的局部特征的能力^[5]。正是由于時(shí)頻局部化性質(zhì)，對原始音頻信號進(jìn)行小波變換，選擇在原始音頻信號的小波變換重要系數(shù)上加入水印^[6]，然后經(jīng)過小波重構(gòu)生成加入了水印的音頻信號。用這種算法可以最大限度地隱藏信息而不被感覺到，且計(jì)算量小。?

??? 本系統(tǒng)利用人耳的聽覺掩蔽特性，在嵌入水印前，首先對原始音頻信號進(jìn)行預(yù)處理，然后進(jìn)行離散小波三級分解，并選擇其中的第二級和第三級細(xì)節(jié)分量作為準(zhǔn)備嵌入水印的序列，水印的嵌入是通過修改小波系數(shù)小數(shù)點(diǎn)后的有效位來實(shí)現(xiàn)的。接著進(jìn)行離散小波三級反變換，可以得到嵌入水印的載體音頻。通過這種方法，可以將水印嵌入到一段音頻中，而不會(huì)引起人耳的感知。?

2? 數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的構(gòu)成?

2.1 音頻信號的采集與水印圖像的讀取?

??? 音頻信號由麥克風(fēng)輸入，經(jīng)聲卡轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，再通過LabVIEW功能節(jié)點(diǎn)讀入到LabVIEW程序中作水印嵌入處理。?

??? 系統(tǒng)設(shè)置緩存大小為15 000×8 bit，采樣率為44.1 kHz，音效為單聲道，每個(gè)采樣值用16? bit量化。?

??? 水印圖像是64×64的二值圖像，在“圖形與聲音”→“圖形格式”中有“讀取BMP文件”節(jié)點(diǎn)，可以將圖像讀取進(jìn)來。另外，通過“圖形與聲音”→“圖片函數(shù)”中的“繪制平化像素圖”節(jié)點(diǎn)，將讀取到的圖像顯示出來。?

2.2 音頻信號和水印圖像預(yù)處理?

??? 在音頻信號采集過程中，噪聲無處不在，本文利用小波變換的濾波法對其進(jìn)行消噪處理。由于語音信號在大約800 Hz以上的高頻段按6 dB/倍頻程跌落，為此要進(jìn)行預(yù)加重，提高高頻部分，有效提高輸出信噪比。?

??? 水印序列是二維圖像，可表示為：?

??? W={w(i,j), 0≤i≤P, 0≤j

　　要將其嵌入到一維的數(shù)字音頻信號中，必須先進(jìn)行降維處理，變成一維序列V，即：?

　　V={v(i,j), 0≤i

　　為了達(dá)到安全和保密的目的，本文利用LabVIEW編制程序?qū)σ痪S序列V進(jìn)行置亂變換，置亂后得到由V轉(zhuǎn)換而來的新的一維二進(jìn)制序列X={x(i), 0≤i

2.3 水印的嵌入?

??? 假設(shè)S是含有N個(gè)采樣數(shù)據(jù)的原始數(shù)字音頻信號，它可以表示為：?

??? S={s(n), 0≤n≤N-1}?

??? 為了討論方便，將原始數(shù)字音頻信號分解成兩部分：與水印嵌入有關(guān)部分(S_e)和與水印嵌入無關(guān)部分(S_r)，即：S=S_e+S_r。?

??? 本文選擇Db4小波對每一音頻數(shù)據(jù)段S_e(k)分別做三級DWT分解，并選擇其中的第二級和第三級細(xì)節(jié)分量作為準(zhǔn)備嵌入水印的序列。根據(jù)一維小波分解的基本原理，在第二級細(xì)節(jié)分量上的d₂(4k)、d₂(4k+1)、d₂(4k+2)和d₂(4k+3)4個(gè)分量與原音頻信號S的相關(guān)性最大，因此選擇此組分量嵌入水??；同理，在第三級細(xì)節(jié)分量上的d₃(2k)和d₃(2k+1)2個(gè)分量中嵌入水印。?

??? 水印的嵌入是通過修改小波系數(shù)小數(shù)點(diǎn)后的有效位來實(shí)現(xiàn)的。本文嵌入時(shí)要修改的是小數(shù)點(diǎn)后的第4位的奇偶性，修改方法如下：?

??? 當(dāng)在該位置嵌入1時(shí)，在保證修改量最小的情況下，修改小數(shù)點(diǎn)后的第4位成一個(gè)偶數(shù)。?

??? 當(dāng)在該位置嵌入0時(shí)，在保證修改量最小的情況下，修改小數(shù)點(diǎn)后的第4位成一個(gè)奇數(shù)。?

2.4 含音頻信號水印的生成?

??? 對嵌入水印后的音頻信號分段進(jìn)行小波逆變換得到時(shí)域中含有水印信息的音頻信號S_e′(k)，將S_e′(k)代替S_e(k)，最終得到含水印的數(shù)字音頻信號S_w=S_e′+S_r。?

2.5 水印的提取?

??? 設(shè)S′為待檢測的數(shù)字音頻信號，水印的提取過程可以通過以下方法進(jìn)行：?

??? (1)對待檢測的數(shù)字音頻信號S′作分段處理，即S′=S_se+S_sr，然后對含水印部分S_se作三級離散小波變換。?

??? (2)按照嵌入時(shí)的規(guī)則，在第二級和第三級小波系數(shù)上分別選取與k相對應(yīng)的系數(shù)d₂′(4k)、d₂′(4k+1)、d₂′(4k+2)和d₂′(4k+3)以及d₃′(2k)和d₃′(2k+1)，得到一個(gè)含有N_w個(gè)元素的序列D′(k)。?

??? (3)檢測序列D′(k)中各元素小數(shù)點(diǎn)后第4位數(shù)值的奇偶性。為偶數(shù)時(shí)，則提取信息“1”；奇數(shù)時(shí)，則提取信息“0”。將提取的信息送入向量V′(k)。?

??? (4)將所提取的水印序列進(jìn)行逆隨機(jī)置亂并進(jìn)行升維操作，利用LabVIEW編制程序?qū)⒍祱D像水印還原并保存。?

??? W′={w′(i,j), 0≤i

??? 為了消除觀察者的主觀因素，通常采用歸一化相關(guān)系數(shù)對提取水印和原始水印的相似性進(jìn)行定量的評價(jià)，其定義式為：?

?????

??? 水印含有與否的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：若NC>T，則可以判定被測音頻信號含有水印，否則不含水印。閾值的選擇要同時(shí)考慮虛警率和漏警率。本文取T值為0.9。?

3 數(shù)字音頻水印系統(tǒng)界面實(shí)現(xiàn)?

??? 本文采用圖形化語言LabVIEW結(jié)合MATLAB節(jié)點(diǎn)調(diào)用設(shè)計(jì)了數(shù)字音頻水印系統(tǒng)。該系統(tǒng)界面由原始音頻與水印圖像讀取、水印的嵌入、水印的提取和參數(shù)評估4部分組成。本系統(tǒng)能非常方便地與用戶交互，用戶可以通過界面操作，將標(biāo)志性信息（水?。┲苯忧兜叫枰M(jìn)行版權(quán)保護(hù)的音頻信號當(dāng)中，進(jìn)行數(shù)字音頻版權(quán)保護(hù)及進(jìn)行所有權(quán)證明。?

??? 如圖1所示為數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)，程序開始運(yùn)行時(shí)就開始讀入音頻信號和水印圖片，并顯示原始音頻信號波形圖。

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??? 在圖2所示嵌入面板界面中點(diǎn)擊“嵌入”按鈕就開始對原始音頻信號的消噪，然后進(jìn)行預(yù)加重處理，接著對干凈的音頻信號進(jìn)行三級離散小波分解并將水印進(jìn)行降維操作和置亂處理，修改完原始音頻信號小波系數(shù)小數(shù)點(diǎn)后的有效位進(jìn)行逆離散小波變換，還原含有水印信息的音頻信號。?

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??? 在圖3所示提取面板界面中點(diǎn)擊“提取”按鈕，首先將含有水印信息的音頻信號進(jìn)行三級離散小波變換，接著檢測小波系數(shù)小數(shù)點(diǎn)后的有效位，最后提取出有效數(shù)據(jù)將水印圖片還原。?

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4? 數(shù)字音頻水印系統(tǒng)性能分析?

??? 通過運(yùn)行程序，可以得到嵌入水印后的音頻信號和提取出的水印以及提取出水印后的音頻信號，其效果如圖2和圖3。?

??? 由圖2和圖3可以看出，嵌入水印后，音頻信號沒有變化，提取出的水印與原水印也基本相同。經(jīng)過計(jì)算，嵌有水印的音頻信號信噪比值是121.28 dB，提取出的水印與原水印之間的相似度NC是1。另外，當(dāng)水印從音頻信號中提取出來之后，音頻信號也基本上沒有變化。因此，本文所構(gòu)造的數(shù)字水印系統(tǒng)是可用的，本文使用的方法是可行的。?

??? 本系統(tǒng)采用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)字音頻水印系統(tǒng)。系統(tǒng)采用離散小波變換的方法，通過修改小波系數(shù)小數(shù)點(diǎn)后有效位的奇偶性進(jìn)行水印嵌入，可以最大限度地隱藏信息而不被感覺到，且計(jì)算量小。提取時(shí)檢測小波系數(shù)小數(shù)點(diǎn)后有效位的奇偶性來提取水印數(shù)據(jù)，不需要原始音頻信號的參與，因此是真正意義上的盲水印。該系統(tǒng)具有操作方便、成本低廉、與外圍設(shè)備數(shù)據(jù)交換迅速等優(yōu)點(diǎn)，有良好的推廣前景和應(yīng)用價(jià)值。?

參考文獻(xiàn)?

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