??? 摘? 要： 用LabVIEW實現了在數字音頻中嵌入二值圖像水印。系統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”節點，將音頻信號讀取進來。首先對音頻信號進行離散小波分解，根據人耳聽覺特性選擇嵌入點，然后修改原始音頻信號小波系數小數點后有效位的奇偶性進行水印數據的嵌入，在提取水印時，檢測小波系數小數點后有效位的奇偶性進行水印提取。使用LabVIEW實現了既有嵌入程序又有提取程序的數字音頻水印系統。?

??? 關鍵詞： 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

?

??? 多媒體信息的數字化及互聯網技術的迅猛發展，使圖像、音頻和視頻等多種形式的多媒體數字作品的創作、存儲和傳輸都變得極其便利。但是數字媒體很容易被非法復制或者在傳輸過程中遭受第三方的蓄意篡改。為了保護知識產權，水印技術引起了人們的極大關注^[1-2]。文中給出了利用LabVIEW編程工具設計的一個能在音頻信號中隱藏二值圖像的數字音頻水印系統。?

1 數字音頻水印系統的原理?

1.1人類聽覺系統特性?

??? 在音頻文件中嵌入數據的各種方法都要利用人類聽覺系統的某些特性，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。掩蔽可分為頻域掩蔽和時域掩蔽。時域掩蔽又包括前向掩蔽和后向掩蔽。頻域和時域掩蔽效應有各自的特性及局限，頻域掩蔽效應局限在頻率域而時域掩蔽效應則局限在時間域。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范圍內的信號最為敏感，幅度很低的信號也能被聽見，而在低頻區和高頻區，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域和尺度域上的一種變換，尺度域可以對應于頻域，在時域和頻域都具有表征信號的局部特征的能力^[5]。正是由于時頻局部化性質，對原始音頻信號進行小波變換，選擇在原始音頻信號的小波變換重要系數上加入水印^[6]，然后經過小波重構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，且計算量小。?

??? 本系統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行預處理，然后進行離散小波三級分解，并選擇其中的第二級和第三級細節分量作為準備嵌入水印的序列，水印的嵌入是通過修改小波系數小數點后的有效位來實現的。接著進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，而不會引起人耳的感知。?

2? 數字音頻水印系統的構成?

2.1 音頻信號的采集與水印圖像的讀取?

??? 音頻信號由麥克風輸入，經聲卡轉為數據存入計算機內存，再通過LabVIEW功能節點讀入到LabVIEW程序中作水印嵌入處理。?

??? 系統設置緩存大小為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”節點，可以將圖像讀取進來。另外，通過“圖形與聲音”→“圖片函數”中的“繪制平化像素圖”節點，將讀取到的圖像顯示出來。?

2.2 音頻信號和水印圖像預處理?

??? 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，為此要進行預加重，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字音頻信號中，必須先進行降維處理，變成一維序列V，即：?

　　V={v(i,j), 0≤i

　　為了達到安全和保密的目的，本文利用LabVIEW編制程序對一維序列V進行置亂變換，置亂后得到由V轉換而來的新的一維二進制序列X={x(i), 0≤i

2.3 水印的嵌入?

??? 假設S是含有N個采樣數據的原始數字音頻信號，它可以表示為：?

??? S={s(n), 0≤n≤N-1}?

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

??? 本文選擇Db4小波對每一音頻數據段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節分量作為準備嵌入水印的序列。根據一維小波分解的基本原理，在第二級細節分量上的d₂(4k)、d₂(4k+1)、d₂(4k+2)和d₂(4k+3)4個分量與原音頻信號S的相關性最大，因此選擇此組分量嵌入水??；同理，在第三級細節分量上的d₃(2k)和d₃(2k+1)2個分量中嵌入水印。?

??? 水印的嵌入是通過修改小波系數小數點后的有效位來實現的。本文嵌入時要修改的是小數點后的第4位的奇偶性，修改方法如下：?

??? 當在該位置嵌入1時，在保證修改量最小的情況下，修改小數點后的第4位成一個偶數。?

??? 當在該位置嵌入0時，在保證修改量最小的情況下，修改小數點后的第4位成一個奇數。?

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行小波逆變換得到時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字音頻信號S_w=S_e′+S_r。?

2.5 水印的提取?

??? 設S′為待檢測的數字音頻信號，水印的提取過程可以通過以下方法進行：?

??? (1)對待檢測的數字音頻信號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)按照嵌入時的規則，在第二級和第三級小波系數上分別選取與k相對應的系數d₂′(4k)、d₂′(4k+1)、d₂′(4k+2)和d₂′(4k+3)以及d₃′(2k)和d₃′(2k+1)，得到一個含有N_w個元素的序列D′(k)。?

??? (3)檢測序列D′(k)中各元素小數點后第4位數值的奇偶性。為偶數時，則提取信息“1”；奇數時，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行逆隨機置亂并進行升維操作，利用LabVIEW編制程序將二值圖像水印還原并保存。?

??? 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系數對提取水印和原始水印的相似性進行定量的評價，其定義式為：?

?????

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

3 數字音頻水印系統界面實現?

??? 本文采用圖形化語言LabVIEW結合MATLAB節點調用設計了數字音頻水印系統。該系統界面由原始音頻與水印圖像讀取、水印的嵌入、水印的提取和參數評估4部分組成。本系統能非常方便地與用戶交互，用戶可以通過界面操作，將標志性信息（水?。┲苯忧兜叫枰M行版權保護的音頻信號當中，進行數字音頻版權保護及進行所有權證明。?

??? 如圖1所示為數字音頻水印系統的界面設計，程序開始運行時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擊“嵌入”按鈕就開始對原始音頻信號的消噪，然后進行預加重處理，接著對干凈的音頻信號進行三級離散小波分解并將水印進行降維操作和置亂處理，修改完原始音頻信號小波系數小數點后的有效位進行逆離散小波變換，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擊“提取”按鈕，首先將含有水印信息的音頻信號進行三級離散小波變換，接著檢測小波系數小數點后的有效位，最后提取出有效數據將水印圖片還原。?

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4? 數字音頻水印系統性能分析?

??? 通過運行程序，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。經過計算，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，本文所構造的數字水印系統是可用的，本文使用的方法是可行的。?

??? 本系統采用LabVIEW開發平臺，實現了一個數字音頻水印系統。系統采用離散小波變換的方法，通過修改小波系數小數點后有效位的奇偶性進行水印嵌入，可以最大限度地隱藏信息而不被感覺到，且計算量小。提取時檢測小波系數小數點后有效位的奇偶性來提取水印數據，不需要原始音頻信號的參與，因此是真正意義上的盲水印。該系統具有操作方便、成本低廉、與外圍設備數據交換迅速等優點，有良好的推廣前景和應用價值。?

參考文獻?

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