【理学论文】数字音频水印的研究与实现

 摘 要：随着应用信息技术的发展和计算机互联网技术的不断更新，数字多媒体信息，例如我们身边可以看到的图像，可以阅读的文字，可以听到的音频，以及视频的存档、拷贝和传播可以越来越容易，但是技术的提升为我们带来方便的时候，同时也带来一些不必要的麻烦，很多的不法的分子，在没有得到作者同意的情况下，恶意复制、更改和传播某些有版权的多媒体作品。所以，对于数字多媒信息的版权保护与内容的甄别的问题的解决已经刻不容缓。伴随数字音乐产品的大量传播，对于拥有版权的音频作品的保护也变的格外重要。数字音频水印技术就是用来为拥有版权的数字音频作品提供保护的，数字音频水印技术通过把秘密信息嵌入到在音频文件中，然后达到保护作者的版权和遮蔽数据通信的作用。

本文主要论述了数字音频水印技术，提出了一种根据小波变换的频域音频的数字水印的算法。这个算法主要运用了混沌序列来为水印加密，首先是为音频信号进行分段，为每段信号进行离散的小波变换，然后对每个两段音频精细的分量带有的能量进行比较，再将根据比较得出结果和已有的规则嵌入水印信息中。实际证明，本算法带有较好的感知透明性、安全性，使得带有水印音频能够抗基本的信号处理的干扰，鲁棒性很好。

关键词：数字音频水印，离散小波变换，感知透明性，鲁棒性

第一章 绪论

1．1研究背景

近年来，随着互联网的普及和信息技术的快速发展，数字技术的广泛使用艺术生产、加工、审核、传输、存储、各种各样的信息和数据,比如图像、电影、音乐，等等所有媒体逐渐被数字媒体所取代,如MP3音乐、数字电影、电子书籍、新闻站等等。

因此，数字媒体的版权保护和产品问题。因为每天有很多数字产品的生产和传播，人们可以从互联网上得到自己喜欢的各种各样的数码产品(比如图像、音频、视频等),即使没有原作者同意，任何复制、分发、修改、侵犯原作者的版权。所以数字产品版权的保护已成为紧迫的问题今天。比较传统的数字产品保护方式是加密技术,但是经过加密后的数字产品非法破解后立即失去保护功能，又可以传播和复制，不能继续版权起到保护的作用。被加密数字的产品人们使用起来很繁琐。所以，数字水印的技术会成为人们探索的重点领域。

数字多媒体的水印技术是一种有效的数字产品版权保护和数据安全维护技术，是信息隐藏技术研究领域的一个重要分支，可以是一个特定的商标，序列号，或数据的所有权版权信息等材料，隐藏在图像(图像)，音频(音频)，视频(视频)等等保护多媒体数据，用于证明作者数字产品的版权，以及识别非法侵权诉讼证据,同时,通过对水印检测和分析，以确保数字信息的完整性，可靠性，成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。

1.2 国内外研究现状

数字水印技术是信息隐藏技术的一个重要分支，最早提出的图像数字水印技术是保护。1993年，Tirkel等待发表的一篇文章中介绍的技术。"数字水印"的概念最早由Tirkel和其他图像处理在1994年国际会议上正式提出。从那时起，数字水印技术在世界上引起了广泛的关注。从1996年第一届国际信息隐藏技术研讨会(国际研讨会信息隐藏，IHW)成功会晤后，数字水印技术已被确定为一个重要的内容连续四届的信息隐藏在会上讨论。

从1999年开始，光学工程师协会SPIE和国际图像科学与技术协会IS&T每年都要举办"多媒体内容安全和水印的专题研讨会"（Security and Watermarking of Multimedia Contents）。2009年8月国际数字水印专题讨论会（International Workshop on Digital Watermarking，IWDW）第八次会议在英国的吉尔福德顺利闭幕。

自1990年代以来，许多世界著名的大学，研究机构和知名企业的数字水印技术已经投入了大量的人力、财力进行研发、和一些成就。NEC美国学院，麻省理工学院(Massachusetts institute of technology)和IBM研究中心做了一个深入研究数字水印技术，一些数字水印的软件。

数字水印技术在国外取得一定发展的同时，在我国也引起了学者们的关注和研究。我国最早的水印算法是Bender等人在1996年提出来的，他们主要提出了四种水印算法，有最低有效位算法、回声隐藏算法、相位编码算法和扩频编码算法。通过实验证明，这些算法都有一定的使用价值。后来，Boney等学者把Cox方案运用到音频信号中，经过仿真实验发现，这也是一个比较有效的方法。再后来，又有一些研究人员进一步改进和完善了上面的几种算法，而且取得了较好的实验结果。

音频水印技术在近年来虽然有一定的发展，但在实际的应用中，能够完全对版权实施保护的方案却寥寥无几。音频数字水印技术的发展之所以不能达到图像数字水印的水平，一个原因是人类听觉系统模型（Human Auditory System，HAS）比人类视觉系统模型人类视觉系统(HVS)更为敏感，如果微弱的水印嵌入到音频信号,更可能是觉得人耳；另一个原因是，音频信号中嵌入水印的信息量远小于的数量的信息嵌入到图像。所以，目前音频数字水印技术面临的挑战是如何在保证水印鲁棒性和感知透明性的同时，提高水印的检测效率和嵌入强度。

第二章 数字水印技术的基本理论

2.1数字水印概述

从狭义方面来解释数字水印的技术，是把某些固定的信息，根据规定方式植入到宿主信息中，也可以叫掩体的对象或者载体。在已经带有水印的宿主的信息，也就是说带有水印的载体在网络中传播或其它为止的情况下被非法拷贝，导致版权的纠纷或者被不法分子把信息更改时，根据已经规定的算法来提提出带有的数字水印，去验证版权的真正归属或者宿主信息是否完整，来确保作品所有人的合法权益或确保信息没有被更改。宿主信息可以是某一种数字载体，如人们能看到的图像、能听到的声音、能观赏的视频或者普通的的电子文本等。嵌入到数字产品中的数字信号我们称之为数字水印，要以不破坏原有的赏阅价值，应用价值为原则，使得水印存在。数字水印技术不仅具备一般信息隐藏技术的特点，同时，还有自身的特点和研究方式。比如，对于信息的安全保密的角度来说，如果把已经隐藏的信息破坏掉，可以说系统仍然安全，是由于秘密的信息没有被泄露出去。可是，在数字音频水印系统中，已经阴惨的信息丢失或者遭到破坏，就说明版权已经丢失，也就是失去了保护版权这个功能，那么这就是一个失败的系统。所以我们所需要的数字水印技术需要具最好的稳健性、安全性和透明性。

2.2数字水印的主要使用领域

尽管数字的水印作品或者产品只是近些年来才出现，但是，它的运用前景和使用领域将是广袤的，具体来说，以下领域是数字水印技术经常被使用的几个方面。

（1）版权的保护

数字作品版权的所有者使用密钥来制作属于自己的水印，然后把水印嵌入到原始信息中，然后再公开发售带有其水印的数字作品。当该作品版权被盗取或着在版权方面出现纠纷时，水印信息所有者可利用从版权已经被盗取的作品或水印作品中去获取原始水印信号作为证据，来保护自身的合法权益。因此，要求水印必须具备非常好的的稳健性、安全性、透明性和水印嵌入的不可逆转性。

（2）图像的认证。

认证的原因是为了检验对图像的原始数据是否被修改。可以使用易碎水印来完成图像的检验。为了方便检验，易碎水印对于一些格式转换(如压缩)，所具的稳健性比较低，单对其他转换所具备的稳健更低。所以，对于全部的数字水印应用来说，认证水印具备超低级别的稳健性需求。

（3）篡改的提示。

我们把数字作品应用于刑事案件、医疗、有声媒体及商务时，经常性的要去检测它们的原始信息有没有被篡改、假冒或被特殊方法处理过。为达到这个目的，需要将原始图像分成若干独立小块，每个小块嵌入不一样的水印信息。通过检测每个小块中的水印信息来判断原始水印的完整性以及原作品的完整性。与其它种类水印不一样的是，这类的水印的性质须是比较脆弱，而且检查原始水印信号时，同时不需要使用要原始信息。

（4）使用控制。

在数字多媒体作品发行系统中，人类们需要一种复制保护，就是说未授权的媒体复制是不允许的。特定的全闭式或个人系统中，我们可以用数字水印信息中来查看数据的复制状况。