1、本科毕业论文（20 届）音频信息隐藏算法的研究和实现所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 苏州大学本科生毕业设计（论文）- i -音频信息隐藏算法的研究和实现目 录前言 .- 3 -第 1 章 概述 .- 4 -第 1.1 节 课题背景及研究意义 .- 4 -第 1.2 节 音频信息隐藏技术的现状及应用 .- 4 -第 1.3 节 课题的工作及论文的主要说明 .- 5 -第 2 章 信息隐藏技术的理论 .- 6 -第 2.1 节 信息隐藏技术的理论概述 .- 6 -第 2.2 节 信息隐藏技术的系统组成 .- 6 -第 2.3 节 信息隐藏技术的特
2、点 .- 6 -第 2.4 节 信息隐藏技术的应用 .- 7 -第 3 章 传统音频信息隐藏技术 .- 8 -第 3.1 节 音频水印算法技术 .- 8 -第 3.2 节 变换域音频水印技术 .- 9 -第 4 章 改进的小波变换域算法 .- 11 -第 4.1 节 小波变换的概念和特性 .- 11 -第 4.2 节 小波信号处理过程 .- 11 -第 4.3 节 算法的主要内容 .- 12 -第 5 章 改进的音频水印在 MATLAB 中的仿真 .- 14 -第 5.1 节 算法的仿真与性能分析 .- 14 -结论 .- 18 -参考文献 .- 19 -致谢 .- 20 -附录 .- 21
3、-附录 1：部分源程序 .- 21 -苏州大学本科生毕业设计（论文）- - 2 - -音频信息隐藏算法的研究和实现【摘要】：本文针对音频数字水印算法进行了的研究，首先介绍了信息隐藏技术的理论，然后重点分析了音频信息隐藏技术，按照“传统的音频信息隐藏技术”、“变换域音频信息隐藏技术”两大类做了分析。最后提出了一种用于小波变换域的音频数字水印新方案，该方案对音频信号进行三层小波变换，分别得到高频系数和低频系数，然后提取高频系数和低频系数。该算法的主要过程包括水印的预处理，水印的嵌入和提取三个步骤。在本文的仿真部分通过 MATLAB 仿真软件验证了该算法的可行性，并分析了该算法的性能。【关键词】：音
4、频信息隐藏；小波变换；MATLAB；Abstract: The audio digital watermark techniques are discussed in detail in this paper. First, introduced the information hiding technique, then introduced the working principle of some audio watermark technologies existed now in detail，and analyzed them and Summarized. Finally, pu
5、t forward a kind of used for audio digital watermark is a new scheme of wavelet transform domain, the solution to three layer wavelet transformation of the audio signal, high-frequency coefficients and low-frequency coefficients obtained respectively, and then extract the high frequency coefficients
6、 and low-frequency coefficients. The algorithm is the main process included the pretreatment of the watermark, the watermark embedding and extraction of three steps. In this part the simulation by MATLAB simulation software to verify the feasibility of the algorithm, and analyzes the performance of
7、the algorithm.Key words: audio information hiding; wavelet transform; MATLAB;苏州大学本科生毕业设计（论文）- - 3 - -前言21 世纪是一个信息迅速发展的时代。近年来，由于计算机网络与多媒体技术的迅速发展，使人们的生活方式和工作方式发生了重大改变。以 Internet 为代表的计算机网络的迅速发展和电子商务信息系统的广泛应用使人们在数字产品方面比如视频、音频、图像上的交流变得非常方便及时。这个信息发达的时代虽然为我们的生活带来好处，可另一个问题随之出现了，各种各样的数字产品的版权利益却受到了严重侵犯，人们的隐私也
8、没了保障，因此信息的安全隐秘是现在需要解决的问题。在这种背景下，20 世纪 90 年代初，一种新的数字作品版权保护技术数字水印技术出现了，不断发展到图像、音频、视频等多媒体领域。数字水印技术是在多媒体文件（如视频、图像、声音等）中嵌入某些秘密信息而不影响原数据文件的视听效果，如果对嵌入载体做细微的修改,可以达到最强的鲁棒性,当嵌入水印后的媒体受到攻击后仍然可以恢复水印或者检测出水印的存在，水印与原数据紧密结合并隐藏其中,成为不可分离的一部分。除此之外还可以从这些被嵌入秘密信息的文件数据中取出秘密信息，利用恢复出来的这些信息来表明数字制品的版权所有者，从而达到版权保护的目的。当下，很多研究是针对
9、图像和视频以及文本文件的信息隐藏，但在音频方面却有待深入研究。鉴于这种状态，本文展开了对音频信息隐藏技术的研究，在分析了数字音频水印技术后基于小波变换域改进了音频水印隐藏方案，并通过软件仿真证实了方案的可行性。苏州大学本科生毕业设计（论文）- - 4 - -第 1章 概述第 1.1节 课题背景及研究意义近年来，随着数字多媒体技术及互联网技术的迅猛发展，数字图像、音频、视频等多媒体产品得到日益广泛的普及和应用，显著地提高了信息传播的效率和准确度。并且随着网络通信的普及，许多传统媒体内容都向数字化转变，并且在电子商务中占据了巨大市场份额，如 MP3 的网络售卖、网上影院的发展、电子书籍等等，在无线
10、领域中，移动网络从第二代演变到第三代，此时移动用户可以更快速、方便的阅读互联网中数字媒体的内容。基于无线或有线网络数字媒体的内容应用将为信息时代的新型特征。但是数字媒体内容因安全性不足，成为主要瓶颈问题，限制着着大多商业的应用进程。在互联网中，随便复制及盗版数字作品传播导致数字作品的发行者及作者的利益受到很大的损害。虽然随着密码学的发展，成为解决网络中信息安全的重要手段，但对于目前的网络环境来讲，多媒体内容还存在两大缺陷：一为数字媒体内容超分布的问题。当内容解密之后，便能够任意的被复制、拷贝及传播。发展迅速的网络成为非法传播重要工具，为媒体内容的制造商带来了很大的损失。这就制约着当前数字多媒体
11、的发展及应用；二为多媒体内容访问控制的问题，因为多媒体内容的加密与解密的运算负荷非常大，所以在大多时候都无法满足应用的及时性。随着 MP3 成为网络音乐代表之后，在互联网上传播的速度很快。但是也出现很多速度较快的复制与传播盗的版音像制品的情况。传统的版权保护措施已无法完全解决版权盗版的问题。随着音频数字的水印技术日益重要，其为数字水印技术重要的组成部分，人们对其保护数字音频版权效果寄予了很大的厚望。因此深入研究音频数字水印存在的问题及对策具有非常重要的意义。第 1.2节 音频信息隐藏技术的现状及应用数字水印技术的主要作用是保护多媒体的信息版权，是建立在此方面发展的新型技术。在 1994 年，数
12、字化水印技术被提出。在早期时，主要应用在数字图像方面，后来研究人员把数字水印概念拓宽至视频与声音等方面。在国际中，对数字水印的研究时间较短，但其因为在多媒体方面保护效果较好，有着良好的应用前景，所以引起国外部分大公司与科研机构的重点关注。目前世界著名大学及研究机均在加速研制及完善数字水印技术。因为数字水印技术应用前景非常广阔，世界各个国家都在努力研究此方面。虽然目前数字水印技术在总体苏州大学本科生毕业设计（论文）- - 5 - -上还正处于一个技术的评估阶段。在此阶段中，研究者的任务主要是研发更多、效果更好的水印算法。为本领域的发展提供较多的技术经验，让本学科在日后的发展中，尽可能的接受多媒体
13、产业发展的各种考验。这样才可以逐渐完善补充数字水印理论的框架体系，更好的发展实用数字水印技术。此外，也促进了数字水印技术质量的提成，这也是当前迫切需要解决的主要问题。第 1.3节 课题的工作及论文的主要说明本课题的主要工作是研究音频信息隐藏技术，通过对己有算法进行总结，提出自己的方法，并且使用软件进行算法的仿真实验。由于信息隐藏和数字水印技术之间有十分密切的联系，本文第二章根据文献资料对信息隐藏的基本概念、系统、特点、应用等方面进行了描述。第三章详细分析介绍了传统音频信息隐藏技术，最后提出一种新的音频水印方案。最后一章对论文的工作进行总结，对音频信息隐藏技术的发展进行了展望并提出了以后的研究方
14、向。苏州大学本科生毕业设计（论文）- - 6 - -第 2章 信息隐藏技术的理论第 2.1节 信息隐藏技术的理论概述信息隐藏指的是把秘密信息隐藏到另一个非保密的载体中，然后通过一些非保密的载体发布，进而把秘密信息传送出去，不会引起非法者的关注。即使非法者知道隐藏信息的存在，也很难提取或去除隐藏信息。此项技术在古代时期被称作信息伪装术或隐写术。即为把重要的或有用的信息藏在其它信息之中，掩饰其存在。一般将被秘密保护的信息称作嵌入对象，把用来掩藏嵌入对象非保密的载体称为掩体对象。而隐藏对象的生成主要是通过嵌入对象在嵌入的过程中，把重要信息隐藏在非保密的信息中，获得隐藏对象。就载体对象而言，可以为掩体
15、文本、音频及图像等。与其相对的隐藏对象可以为隐藏音频、隐藏文本及隐藏图像等。在载体对象中添加嵌入对象获得隐藏对象，这一过程被称作信息嵌入，在此过程中采用的算法称作嵌入算法。就信息嵌入逆过程来讲，是从隐藏对象里重新获取嵌入对象，这一过程称作信息提取，或者称作信息恢复。在此过程中采用的算法称作提取算法。提取与执行嵌入这两个过程的个人和组织分别称作提取者与嵌入者。第 2.2节 信息隐藏技术的系统组成信息隐藏的系统包括两个过程，分别是嵌入过程与提取过程。嵌入过程主要指信息的隐藏者通过嵌入密钥，把嵌入的对象添加在掩体对象里，由此产生隐藏对象。在隐藏对象进行传输时，有非法人员获取并进行处理的可能性。提取的
16、过程主要指通过提取密钥从可能修改或者接收隐藏的对象里，将嵌入对象恢复过来。在提取的过程，掩体对象需要的可能性不确定。在某些情况下，人们为了增强保密性，对待隐藏信息需要进行一定程度的预处理。在提取过程之后，要后处理获得的嵌入对象，将原始信息进行恢复。第 2.3节 信息隐藏技术的特点由信息隐藏的技术和目的要求，可知此技术的特性有：(1)、 不可感性，也被称为透明性隐藏信息应为人耳及人眼察觉察不出的。即信息通过隐藏处理之后，密写信号一定没有较为明显的听觉及视觉的降质。(2)、 可检测性 苏州大学本科生毕业设计（论文）- - 7 - -主要指载体信号和密写信号具有的数学特性应该一致，例如统计噪声分稚一
17、致等。这样可以让非法拦截者没有办法对其秘密信息进行正确的判断。(3)、 鲁棒性 主要指密写信号通过常见信号操作之后，仍然可以正确的获取秘密信息。操作主要涵盖：AD 与 DA 转换、信道噪声、重采样、滤波、重量化、压缩编码、剪切等。(4)、 安全性 主要指的是隐藏算拥有的抗攻击能力较强，即其一定可以承受程度较高的人为攻击，不会破坏隐藏信息。第 2.4节 信息隐藏技术的应用因为应用前景广阔，信息隐藏技术在近几年中受到人们的高度重视，也实现了发展。（1）为了避免没有经授权便进行拷贝和发行的行为，出品人把不同用户的序列号或当做不同的指纹，然后将作品进行合法拷贝。如果察觉未经授权便进行了拷贝，可以通过此
18、拷贝的恢复指纹确定非法拷贝的来源。（2）信息隐藏技术可以广泛使用于医疗工业，例如医学图像系统采用诸如 DICOM 之类的标准。在此标准中，患者个人信息与图像数据互相分离。当患者的图像与文字资料的连接关系丢失时，把患者姓名经过水印技术，嵌入到图像数据里，可以很好的保护患者的资料与图像的连接性。（3）保密通信只要指在现代的战争中，秘密内容即使加密编码，也可以检测到信号，进而进行定位，对信号的发送装置进行攻击。对于这种原因，军事通信可以采用信息的隐藏技术，避免敌方检测与干扰通信，保证通信质量。（4）保护多媒体数据完整性及篡改提示。已有信号的镶嵌及拼接技术能够做到移花接木而不被外人所知。所以，怎样防范
19、对视频、录音及图像等数据改动及攻击是主要研究内容。苏州大学本科生毕业设计（论文）- - 8 - -第 3章 传统音频信息隐藏技术近年来，为了更好的保护部分压缩格式数字的音乐制品版权，研究变换域中信息隐藏的力度也逐渐提升，并或得了很好的进步，但是这种技术并不完善，还处于发展的阶段。变换域的信息隐藏原理首先把原始信号改到频域，然后采用代表隐密信息数据替代频域里的一些系数，接着对加水印的信息信号做频域反变换，最后获得拥有水印的信息信号。第 3.1节 音频水印算法技术3.1.1. 最低有效位方法最不重要位的嵌入方法主要是把秘密数据嵌入至载体数据方法中最简单的一种。所有秘密数据都能够转变成为一串二进制的
20、码流，但是音频文件中采样的数据全部是采用二进制数的方法进行表示。这样，我们能够通过把音频信号中的一部分采样值最不重要的比特位用二进制位来表示秘密数据，然后的进行替换，从而确保秘密信息隐藏至音频数据里。为提高秘密数据承受攻击的难度，也可以将伪随机序列引进来，以此控制嵌入的具体位置，而伪随机信号的产生主要来源于伪随机的序列。伪随机序列的发生器拥有固定的结构，不一样的初始值产生伪随机的序列也会存在差异。此时收发方在秘密传输一个合理的初始值，当做密钥，并不需要将整个伪随机的序列值传送出去。只要可以保证只有合法用户才可以获得该密钥，那么根据 kerchoff 法则可以知道系统的安全性能较高。所有企获取秘
21、密数据的人在没有掌握密钥的前提下，很难对秘密数据进行攻击。最不重要位的方法本身非常简单，也很容易实现。信息的嵌入与提取的算法比较简单，计算速度快。但是这种方法最大的缺陷是处理信号的鲁棒性较差，数据压缩、信道干扰、重采样、滤波等操作都很有可能造成秘密信息的破坏。在具体实用中，此种方法只可以使用于封闭数字至数字的大环境下。为提高信号处理的鲁棒性，可以在音频信号中的较高位嵌入秘密信息，但是这样将会降低信息隐蔽性，即系统透明性下降。为了完善这一点，在嵌入的过程中，按照音频信号能量的不同。选择合适的嵌入位。如果音频文件具有较高能量，那么采用此种办法较为有效。3.1.2. 回声水印算法此算法通过引进的回声
22、把隐秘信息嵌入至载体中。其利用了人耳听觉系统特征：当音频信号后屏蔽作用，就是当强音消失之后，弱音将听不见。在强信号消失 50 到 200 毫秒之后，弱信号此次作用将会不被人的听觉察觉到。音频信号与通过回声进行藏匿的水印数据对人耳苏州大学本科生毕业设计（论文）- - 9 - -来讲，前者听到的声音类似于耳机，无回声，但是后者听到的声音类似于扬声器里的声音，在其释放的空间中有明显的回声。所以，回声算法和其余方法存在差别，主要是把秘密数据当做载体数据的条件，并不作为随机噪声嵌入至载体数据中。因此，此方法的稳健性与透明性很好。3.1.3. 扩频方法此方法借鉴了扩频通信原理，把秘密信息当做噪声隐藏在载体
23、音频的信号频谱中。此类方法因为把编码后的信息散播至整个频段，所以在不破坏载体的前提下，完全删除的困难度较大，所以鲁棒性较强。近几年，在信息隐藏的领域中，扩展频谱法受到关注的重视程度逐渐提升。在一般的通信信道里，为了保持带宽的有效及能量的降低，总是将信息尽可能集中在最窄的频谱范围之内。从另一方面来讲，频谱扩展的基本技术是把编码数据分布在最大限度数量的频谱中，便于信息流更好的编码。这样之后，即使部分频率受到干扰，数据接收也不会存在影响。3.1.4. 相位编码方法相位编码是编码最为有效的方法。其充分利用了人类听觉系统的独有的性质：人耳对于相对相位敏感的特性及对于绝对相位不敏感的特性。在这样的前提下，
24、用表示秘密数据参考的相位代替原有音频段中的绝对相位，而且对其他音频段进行合理的调整，以此保障各段相对相位不会发生改变。相位编码的方法具有较高的透明性，但鲁棒性较差，但是可以采取措施，通过嵌入量的损失提高鲁棒性。这适用隐藏信息量较小的情况。相位编码与回声隐藏的方法为音频隐藏技术特有方法，其它信息隐藏的方法并不能借鉴。第 3.2节 变换域音频水印技术3.2.1. 小波变换域方法因为小波水印的稳健性较好，所以在经历各种处理之后，例如压缩、加噪、重采样、滤波等，仍然具有很好的可靠性，所以就语音信号此类的时变信号来讲，采用小波变换非常适合。其具体的做法为：首先对原始的音频信号 X 进行 级的小波分解，获得分辨率级下不同的细节分量 K 与逼近分量 X0，对逼近分量给予保留，对细节的分量进行处理。其次，把即将藏匿的音频信号 F 实行一级分解，获得细节分量 Fi 的数量为个，逼近分量为 F0。再次，原始的信号实现小波变换之后，部分细节的分量实行水印嵌入的处理：K=K(1+aFi)。其中 a 的作用是控制水印嵌入的强度，其值与嵌入水印信号的强度成正相关，受到攻击之后，鲁棒性较好，但严重影响着原始信号；其值小时，嵌入的水印信号自然较弱，所以很难被觉
