基于小波分析的音频数字水印技术研究

广东工业大学硕士学位论文基于小波分析的音频数字水印技术研究姓名：温洁嫦申请学位级别：硕士专业：软件工程指导教师：凌捷;李伯基20050501摘要随着多媒体技术及网络技术的飞速发展，人们对数字产品的获取极为迅捷方便，但是这些数字产品的原创者的版权与经济利益如何得到保障？数字产品是否安全、可信？围绕这一问题，近几年国际上提出了一种新的有效的数字产品版权保护和安全性维护的新技术——数字水印（Ｄｉｇｉｔａｌｗａｔｅｒｍａｒｋ）技术。

在数字产品中，音频数据产品的版权保护也显得越来越重要，因为随着数字化音像制品和音乐制品的大量制作与发行，一个令人关注的突出问题是网上下载音乐对传统ｃＤ业的邑大冲击。

音频数字水印技术是一种在开放的网络环境下保护版权和认证来源及完整性的新技术，通过在合法产品中嵌入水印，以达到阻止在非法装置上播放及控制复制的目的。

本文首先回顾了数字水印技术的发展历史，介绍了数字水印的一些基本问题，归纳了数字水印系统的基本框架。

然后重点分析了音频数字水印技术，按照“经典的音频数字水印技术”、“变换域的音频数字水印技术”和“压缩域的音频数字水印技术”这三大类进行了分析、对比和总结。

随后，介绍了小波变换思想，总结了小波变换域的音频数字水印方案，并提出了一种改进的基于小波变换的音频数字水印算法，该算法具有良好的鲁棒性，并且嵌入水印后的音频信号没有引起人耳所感知到的品质变化。

算法能抵抗常见的信号处理和音频压缩编码。

沧文最后讨论了音频数字水印技术进一步的研究方向。

关键词：音频数字水印；小波变换；低频系数ＡＢＳＴＲＡＣＴＤｉｇｉｔａｌｐｒｏｄｕｃｔｓａｒｃｏｂｔａｉｎｅｄｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｅａｓｉｌｙａｎｄｃｏｎＶｅｎｉｅｎｔｌｙｗｉｍｔｈｅｒ印ｉｄｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｉｍｅｍｅｔ趾ｄｍｕｌｔｉｍｅｄｉａｔｅｃｌｌｎ０１０９ｙｌＷｈｅｒｃａＳｈｏｗｔｏｐｒｏｔｅｃｔ山ｅｃｏｐｙｒｉｇｈｔａｎｄｅｃｏｎｏｍｉｃｂｅｎｅｍｏｆⅡ１ｅａｕｔｌｌｏｒｓｈｉｐｏｆｄｉｇｉｔａｌｐｒｏｄｕｃｔｓａｎｄｗｈｅｔｈｅｒｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｓｓｅｃｌｌｒｅｏｒｃｒｅｄｉｂｌｅ？Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ａｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｎａｍｅｄｄｉｇｉｔａｌｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇｉｓｐｒｃｓｅＤｔｅｄｔｏｐｒｏｔｅｃｔ也ｅｃｏｐｙｒｉｇｈｔａｎｄｓａｆｅｔｙｏｆｄｉｇｉｔａｌｐｒｏｄｕｃｔｓ．Ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇｏｆｄｉｇｉｔａｌａｕｄｉｏｐｍｄｕｃｔｓｈａｓｂｅｅｎｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｗｉｎｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｆｄ噜ｉｔａｌａｕｄｉｏｐｒｏｄｕｃｔｓ，ａｎｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｉｓｔｈｅｉ加ｐｉｎｇｅｍｅｎｔｏｆｍｕｓｉｃｄｏｗｎｌｏａｄｅｄｆｒｏｍｎｅｔＷｏｒｋｏｎ仃ａｄｉｔｉｏｎａ】Ｃｏ瑚ｐａｃｔＤｉｓｃｉｎｄｕｓｎｙＡｕｄｉｏｄｉｇｉｔａｌｗａｔｅ丌ｎａｒｋｉｎｇｉｓａｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏｐｍｔｅｃｔｃｏｐｙｒｉｇｈｔａｎｄａｃｃｏＩｎｐｌｉｓｈａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎａｎｄｉｎｔｅ掣崎ｉｎ叩ｅｎｎｅ觚ｏｒｋｓ．Ｉ且ｍｉｓｔｈｅｓｉｓ，ｎｒｓｔｌｙｗｅｒｅＶｉｅｗｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｈｉｓｔｏｒｙｏｆｄ远ｉｔａｌｗａｔｅｎｎａｒｋ，ｉｎｔｒｏｄｌｌｃｅｓｏｍｅｂａｓｉｃｉｓｓｕｅｓａｎｄｃｏｎｃｌｕｄｅｍｅ疗锄ｅｗｏｒｋｏｆｅｍｂｅｄｄｉｎｇａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｎ，ｉｎＣｈａｐｔｅｒ３，ｗｅｅｍｐｈａｓｉｚｅｏｎａｎａｌｙｚｉｎｇａｕｄｉｏｄｉ垂协１ｗａｔｅｒｒｎａｒｋｉｎｇ．Ｃｌａｓｓｉｃａｌａｕｄｉｏｄｉｇｉｔａｌｗａｔｅ瑚ａｒｋ，ａｕｄｉｏｄｉｇｉｔａｌｗａｔｅｎｎａｒｋｂａｓｅｄｏⅡｔｒａｎｓｆｏｎｌｌｄｏｍａｉｎａｎｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｄｏｍａｉｎａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ｃｏｍｐａｒｅｄａｎｄｓｍｎ眦ｒｉｚｅｄ．ｗａｖｅｌｅｔ咖ｓｆｏ咖ｉｓｉｎ打ｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄｍｅＮｅｘｔ，ｉｎＣｈａｐｔｅｒ４，ｔｈｅｉｄｅａｏｆｗａｖｅｌｅｔ－ｂａｓｅｄａｕｄｉｏｄｉ西ｔａｌｗａｔｅｒｍａｒ咖ｇｓｃｈｅｍｅｓａｒｅｓｍｎｍａｒｉｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｎａｎｗａｖｅｌｅｔ姐ｎｓｆ０Ｈｎｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄａｕｄｉｏｄｉｇｉｔａｌｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｂａｓｅｄｏｎｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅ廿ｌａｔ出ｅａｋ喊ｔｈｍｈａｓｇｏｏｄｉｎＶｉｓｉｂｍｔｙａｎｄｒｏｂｕｓｍｅｓｓａｎｄｃａｎｒｅｓｉｓｔｆｈＩｎｉｌｉａｒｓｉ萨ａ１ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａＤｄａｕｄｉｏ舶ｑｕｅｎｃｙｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｅｎｃｏｄｉｎｇＦｉｎａｌ】ｙｆｕｔｕｒｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｆｏｒｍｅｓｔｕｄｙａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．ＫＥＹｗｏＲＤＳ：Ａｕｄｉｏｄｉｇｉｔａｌｗａｔｅｍａｒ岫ｎｇ；Ｗａｖｅｌｅｔ廿ａｎｓｆｏｒｍ；Ｃｏｅ硒ｃｉｅｎｔｓｏｆｌｏｗ缸＿ｃｑｕｅｎｃｙ第一章绪论第一章绪论１．１论文选题的背景和意义随着Ｉｎｔｅｒｎｃｔ和信息技术的发展，越来越多的数字多媒体信息通过网络进行传播，与传统的模拟媒体相比，数字媒体产品的编辑、复制和传播都很方便，它一方面促进了社会的进步与发展，另一方面正是这些优点突出了版权问题。

由于数字多媒体信息很容易被未经授权的用户复制，且采用传统密码方法并刁；能完全解决这一问题。

数字水印技术正足一种应运而生的信息隐藏技术，它通过特定的水印算法把版权信息嵌入在数字产品中，被嵌入的可以是一段文字、标识、序列号等等，人们无法从表面上感知水印的存在，只有专用的检测仪器或计算机软件才可以检测出隐藏的数字水印，从而达到了保护数字作品的所有者利益的目的，并促进了数字产品的开发与使用。

在数字产品中，音频数据产品的版权保护也显得越来越重要，因为随着数字化音像制品和音乐制品的大量制作与发行，一个令人关注的突出问题是网上下载音乐对传统ｃＤ业的巨大冲击。

网上公司提供压缩、转换和播放软件，使公众得以廉价或免费获得大量高质量音乐节目。

这就迫使工业界、学术界联手寻求保护知识产权的有效方案，在合法产品中嵌入水印，以达到阻止在非法装置上播放及控制复制的目的。

１．２国内外研究现状数字水印技术是目前信息安全技术领域的一个崭新的方向，是一种可以在丌放的信息环境下保护版权和认证来源及完整性的新型技术。

由于它是一种应用于开放信息环境中的多媒体数字产品的隐蔽技术，为解决版权保护、来源认证、篡改认证、网上发行、用户跟踪等一系列问题提供了一个全新的技术方案，因而在数字产品的知识产权保护、隐蔽标识、篡改提示、隐蔽通信和防伪等方面具有十分广阔的应用前景。

目前国际上已支持或开展数字水印技术研究的机构既有政府部门，也有大学与知名企业，他们包括美国空军研究院、德国国家信息技术中心、日本ＮＴＴ信息与通信系统研究中心、麻省理工学院、贝尔实验室、荷兰菲利普公广东工业人学工程硕士学位论文司等等。

并且有些公司已经推出了数字水印的软件，如ＤｉｇｉｍａｒｃＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ等等㈣”。

早期的数字水印算法研究主要是集中在空间域上的，水印信息直接加载在图像数据上，这种方法的特点是抵抗图像的几何变形、噪声和图像压缩的能力较差。

但空间域算法的计算速度快，隐藏的信息量大。

近期的研究主要集中在变换域（如离散傅立叶变换ＤＦＴ，离散余弦变换ＤｃＴ，离散小波变换ＤｗＴ）中实现。

在变换域中嵌入水印，信号能量可以扩展到空间域所有像素上，有利于保证水印的不可见性，同时变换域的方法可以与现有的数据擅缩标准兼容，例如，基于ＤｃＴ的方法可以与ＪＰＥＧ雎缩方法兼容，基于ＤｗＴ的方法可以与ＪＰＥＧ２０００兼容等等。

从目前的情况看，大多数的研究工作更关注变换域算法研究。

学术界对音频水印的研究也正在深入，最早的音频水印技术研究始于１９９６年，Ｂｅｎｄｅｒ等［３］提出了ＬｓＢ编码、回声编码、扩频编码和相位编码等四种算法，Ｂｏｎｅｙ等【４１将ｃｏｘ方案应用到音频信号中，取得了很好的实验结果。

其后，又有研究者对上述几种算法进行了改进与完善，但现有技术离开真币有效保护知识产权的甘标仍有距离。

音频水印技术存在的一个问题是嵌入信息量明显低于图像水印所能达到的水平，另外由于ＨＡｓ（人类听觉系统模型）远比ＨＶｓ（人类视觉系统模型）灵敏，在音频信号中嵌入微弱水印就有可能被感知。

因此如何更充分地利用ＨＡｓ就成了改善水印隐蔽性与稳健性，增大嵌入强度和提高检测效率的一个关键，这也是目前音频水印技术研究的主要问题。

１．３本文的主要工作数字水印技术的研究特点在于它横跨图像信息处理、多媒体技术、模式识别、密码学、数字通讯等多个领域。

与密码学类似，数字水印也是一个对抗性的研究领域。

正因为有水印攻击的存在，才有水印研究的不断深入。

另外为了实现数字水印的标准化，必须对各种水印算法进行安全性测试。

水印测试者既要熟悉水印算法也要熟悉水印攻击算法，而且还要从水印算法的理论入手进行水印信息量和鲁棒性的定量分析。

第一章绪论目前，已有的一些研究算法和技术多是针对静止图像的，音频数字水印算法及技术的研究相对较少。

小波分析是近十几年来发展起来的新兴学科，它建立在调和分析和逼近论的基础Ｅ，结合了经典的傅立叶分析的优越性，与傅立叶变换相比较，它在时域与频域同时具有良好的局部化特征，被人们誉为数学显微镜吲。

在理论与工程应用上，小波分析都取得了令人瞩目的成绩，并且还在进一步发展中。

特别是在信号分析、图像处理、机械故障诊断以及天体力学等方面都已经取得了许多具有科学意义和实践价值的重要成果。

本文对音频数字水印技术进行了全面的研究。

第二章介绍了数字水印的基本特征、原理以及目前国内外的研究现状等基本问题，归纳了数字水印系统的基本框架，概括性地介绍了目前常见的数字水印算法。

第三章重点研究音频数字水印技术，介绍了人类听觉特性，音频数字水印的原理及要求，对音频水印技术进行回顾与分类总结，对比、分析现有的音频水印算法与技术，建立音频数字水印技术相关理论的知识框架。

第四章研究小波分析在数字水印技术中的应用，探讨音频领域中数字水印技术的相关理论基础。

介绍了钮心忻等提出的著名的基于小波变换的音频数字水印隐藏与检测算法［６］，并提出了一种改进的基于小波变换的音频数字水印算法，进行了‘些测试与实验，改进后的算法具有良好的鲁棒性，并且嵌入水印后的音频信号没有引起人耳所感知到的品质变化。

算法能抵抗常见的信号处理和音频压缩编码。

论文最后提出了进一步的研究方向。

广东工业大学工程硕士学位论文第二章数字水印技术２．１数字水印的特点与分类数字水印就是指嵌入到被保护对象（如静止图像、音频、视频）中的某些能够证明其版权归属的数字信息，可以是作者的姓名、序列号、公司标志等等。