??? 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(jiǎn)易讀取聲音文件”節(jié)點(diǎn)，將音頻信號(hào)讀取進(jìn)來(lái)。首先對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行離散小波分解，根據(jù)人耳聽(tīng)覺(jué)特性選擇嵌入點(diǎn)，然后修改原始音頻信號(hào)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(cè)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(tīng)覺(jué)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(guò)程中遭受第三方的蓄意篡改。為了保護(hù)知識(shí)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(hào)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(tīng)覺(jué)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(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的某些特性，即人的聽(tīng)覺(jué)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(tīng)覺(jué)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(duì)聲音信號(hào)的絕對(duì)相位不敏感，而只對(duì)其相對(duì)相位敏感。第三，人耳對(duì)不同頻率段聲音的敏感程度不同。通常人耳可以聽(tīng)見(jiàn)20 Hz～18 kHz的信號(hào)，但對(duì)2 kHz～4 kHz范圍內(nèi)的信號(hào)最為敏感，幅度很低的信號(hào)也能被聽(tīng)見(jiàn)，而在低頻區(qū)和高頻區(qū)，能被人耳聽(tīng)見(jiàn)的信號(hào)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(hào)分解到時(shí)域和尺度域上的一種變換，尺度域可以對(duì)應(yīng)于頻域，在時(shí)域和頻域都具有表征信號(hào)的局部特征的能力^[5]。正是由于時(shí)頻局部化性質(zhì)，對(duì)原始音頻信號(hào)進(jìn)行小波變換，選擇在原始音頻信號(hào)的小波變換重要系數(shù)上加入水印^[6]，然后經(jīng)過(guò)小波重構(gòu)生成加入了水印的音頻信號(hào)。用這種算法可以最大限度地隱藏信息而不被感覺(jué)到，且計(jì)算量小。?

??? 本系統(tǒng)利用人耳的聽(tīng)覺(jué)掩蔽特性，在嵌入水印前，首先對(duì)原始音頻信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，然后進(jìn)行離散小波三級(jí)分解，并選擇其中的第二級(jí)和第三級(jí)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(guò)修改小波系數(shù)小數(shù)點(diǎn)后的有效位來(lái)實(shí)現(xiàn)的。接著進(jìn)行離散小波三級(jí)反變換，可以得到嵌入水印的載體音頻。通過(guò)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(hào)的采集與水印圖像的讀取?

??? 音頻信號(hào)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(guò)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(lái)。另外，通過(guò)“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(lái)。?

2.2 音頻信號(hào)和水印圖像預(yù)處理?

??? 在音頻信號(hào)采集過(guò)程中，噪聲無(wú)處不在，本文利用小波變換的濾波法對(duì)其進(jìn)行消噪處理。由于語(yǔ)音信號(hào)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(hào)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(lái)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(hào)，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(hào)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(wú)關(guān)部分(S_r)，即：S=S_e+S_r。?

??? 本文選擇Db4小波對(duì)每一音頻數(shù)據(jù)段S_e(k)分別做三級(jí)DWT分解，并選擇其中的第二級(jí)和第三級(jí)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(jí)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(hào)S的相關(guān)性最大，因此選擇此組分量嵌入水印；同理，在第三級(jí)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(guò)修改小波系數(shù)小數(shù)點(diǎn)后的有效位來(lái)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(hào)水印的生成?

??? 對(duì)嵌入水印后的音頻信號(hào)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(hào)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(hào)S_w=S_e′+S_r。?

2.5 水印的提取?

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

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

??? (2)按照嵌入時(shí)的規(guī)則，在第二級(jí)和第三級(jí)小波系數(shù)上分別選取與k相對(duì)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(cè)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(duì)提取水印和原始水印的相似性進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)，其定義式為：?

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??? 水印含有與否的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：若NC>T，則可以判定被測(cè)音頻信號(hào)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(yǔ)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(píng)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(guò)界面操作，將標(biāo)志性信息（水印）直接嵌到需要進(jìn)行版權(quán)保護(hù)的音頻信號(hào)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(kāi)始運(yùn)行時(shí)就開(kāi)始讀入音頻信號(hào)和水印圖片，并顯示原始音頻信號(hào)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(kāi)始對(duì)原始音頻信號(hào)的消噪，然后進(jìn)行預(yù)加重處理，接著對(duì)干凈的音頻信號(hào)進(jìn)行三級(jí)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(hào)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(hào)。?

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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(hào)進(jìn)行三級(jí)離散小波變換，接著檢測(cè)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(guò)運(yùn)行程序，可以得到嵌入水印后的音頻信號(hào)和提取出的水印以及提取出水印后的音頻信號(hào)，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(hào)沒(méi)有變化，提取出的水印與原水印也基本相同。經(jīng)過(guò)計(jì)算，嵌有水印的音頻信號(hào)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(hào)中提取出來(lái)之后，音頻信號(hào)也基本上沒(méi)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(kāi)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(guò)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(jué)到，且計(jì)算量小。提取時(shí)檢測(cè)小波系數(shù)小數(shù)點(diǎn)后有效位的奇偶性來(lái)提取水印數(shù)據(jù)，不需要原始音頻信號(hào)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)?

[1] WOLFGANG R B,PODILCHUK C I,DELP E J.Perceptual?watermarks for digital images and vido[J]. Proceedings of?the IEEE,1999,87(7):1108-1126.?

[2] PODILCHUK C I, DELP E J. Digital watermarking:algorithms and applications. IEEE Signal Processing Magazine, 2001,18(4)：38-46.?

[3] ISO/IEC Generic coding of moving pictures and associated?audio information. Information technology.13818,ISO/IEC,1998.?

[4]?楊行峻，遲惠生.語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字處理[M].北京：電子工業(yè)出版社，1995：112-120.?

[5]?鈕心忻,楊義先. 基于小波變換的數(shù)字水印隱藏與檢測(cè)算法[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2000,23(1):21-27.?

[6] 侯劍，付永生. 一種基于DWT的自適應(yīng)大容量音頻水印算法[J]. 計(jì)算機(jī)工程，2007，33(3)：147-162.