毕业设计(论文)基于小波包域的数字水印算法研究.doc
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1、引言随着以Internet为标志的网络时代的到来和电子商务为代表的网络经济的兴起,网络信息安全问题也日益突出,数字信息可以很方便快捷的在世界范围内广泛传播,随之而来的副作用就是恶意个人和团体,可能在没有得到作者或所有者许可的情况下,进行非法拷贝和传播,这使数字信息产品面临严峻的考验。由此,数字水印技术应运而生。数字水印技术(digital watermarking)是一种信息隐藏技术,它的基本思想就是在数字图像、音频和视频等数字产品中嵌入秘密信息,以便保护数字产品的版权,证明产品的真实可靠性,跟踪盗版行为或者提供产品的附加信息。经过近20年的研究和发展,数字水印技术已渐渐趋于成熟,水印算法分类
2、也是种类繁多: 1.按嵌入的水印信号的形式来分,可以分为一维水印和多 维水印; 2.按嵌入方法可分为可逆水印和不可逆水印; 3.按水印检测方法可分为盲水印和非盲水印; 4.按鲁棒性可分为易脆水印、半易脆水印和鲁棒性水印; 5.从外观上可分为可见水印和不可见水印; 6.按载体分可分为图像水印、视频水印、音频水印和文档水印; 7.从水印的嵌入域可分为空间域水印和变换域水印;当前的数字水印研究中,以数字图像水印最为深入,而对于音频水印的研究相对较少,一方面因为音频单位时间内的采样点较少,可嵌入水印信息就较少,另一方面由于人类的听觉系统要比人类的视觉系统更加的灵敏,也给音频水印的嵌入增加了难度。作为常
3、见的多媒体数据形式,数字音频占着出数字图像外最大的多媒体信息数据量,占据着举足轻重的地位,但是当前对于音频水印的研究显然还远远不够。一个数字水印一般包括三个基本方面:水印的生成、水印的嵌入和水印的提取。数字水印技术实际上是通过对水印载体媒质的分析,嵌入信息的预处理,信息嵌入点的选择,嵌入方式的设计嵌入调制的控制等几个相关技术环节进行合理优化,寻求满足不可感知性,安全可靠性,稳健性等等诸条件约束下的准最优化设计问题,而密钥则是水印信息的重要组成部分。我们可以在信息预处理、嵌入点选择和调制控制等不同环节入手完成密钥的嵌入。1 绪论1.1课题背景多媒体信息比传统文字蕴含更大的信息量,随着网络技术的发
4、展,多媒体教育在各个领域中占据着越来越重要的地位。当代信息技术的迅猛发展和Internet的不断扩大,是多媒体信息能以不同的形式在网上方便快捷的传输。但是他给我们带来方便的同时也带来了安全隐患,比如出现了敏感信息可以被轻易的窃取、篡改、非法复制和传播,多媒体信息的版权得不到有效地保护等问题,使得大量数字多媒体作品的版权问题受到很大的威胁。如何在网络环境中实施有效的版权保护和信息安全手段,已经引起了国际学术界、企业界以及政府部门的高度关注。近年来数字水印技术被认为是解决数字产品知识产权问题的重要手段,已经成为当前的热点研究领域之一,受到社会各界的广泛关注。1.2数字水印的基本概念提到数字水印,人
5、们首先可能会想到人民币中的水印。手拿一张100元的钞票,如果在灯光下观察带有毛主席像的一面,就会看到左侧空白处有一个水印显现。这个水印是在钞票制作过程中直接嵌入到纸币中的,因此人们很难伪造。当然除了钞票,水印还可以用于其它物理对象,甚至电信号中。音乐、图像和视频所代表的数字媒体就是一些常见的可嵌入水印的信号类型。本文所研究的数字音频水印技术就是在数字音频信号中嵌入水印。音频水印技术的基本思想是在音视频等数字产品中嵌入秘密信息,以便保护数字产品的版权、证明产品的真实性和可靠性或者提供产品的附加信息,并且不影响原作品的价值和使用。其中的秘密信息可以是版权标识,用户序列号或者是产品的相关信息,通常我
6、们称之为数字水印(digitai watermark)。水印处理系统的基本框架可以定义为六元体(X,W,K,G,E,D),其中:X代表所要保护的数字产品X的集合。W代表所有可能水印信号W的集合。K是标示码(也称水印密码)的集合。G表示利用密钥K和待嵌入水印的X共同生成水印的算法。E表示将水印W嵌入数字产品X0中的嵌入算法。D代表水印检测算法。 1.3数字水印技术研究现状早期的数字水印技术主要是针对数字图像进行研究的,关于该技术的论述首见于Tirkel等人在1993年的一篇文章。这篇文章首先提出了电子水印(ElectronicWatermark)的说法,其随后发表了另一篇题为“A digital
7、 watermark”的文章,正式提出了“数字水印”这一术语。1.3.1国外研究现状目前的数字水印研究中,对于音频水印的研究相对较少,一方面因为音频单位时间内的采样点较少,可嵌入水印信息就要少,另一方面由于人类听觉系统(humanauditory system,HAS)要比人类视觉系统(human visual system,HVS)更加灵敏,也使音频水印的嵌入更加困难。国际上对音频水印技术的研究最早见于1996年,Bender等在文献中提出了回声编码、扩频编码和相位编码等算法;P.Bassia等人在文献中提出了通过改变音频信号采样数据最低有效位来嵌入数字水印;Won-Gyum Kim提出了在
8、数字音频信号中直接嵌入数字印章的算法,该方法在提取水印信号时不需要原始音频信号的参与;Wu Chung-Ping等人提出了基于数字音频信号内容分析的离散傅立叶变换域水印嵌入算法,该算法在提取水印时不需要原始音频信号,并且能够抵抗常见的几种攻击;Boney等将Cox方案应用到音频信号中,取得了很好的实验效果。其后,又有研究者对上述几种算法进行了改进和完善。随着1996年在德国柏林的第一届信息隐藏国际学术研讨会的召开,数字水印技术的研究得到了迅速的发展,剑桥大学、IBM研究中心、NEC美国研究所、麻省理工学院等都进行了广泛深入的研究,并召开了专门的国际学术研讨会进行定期交流。从1999年开始,每年
9、召开一次多媒体信息安全与数字水印大会,其会议论文主要是关于数字水印技术方面的文章。 1.3.2国内研究现状在国内,清华大学、北京大学、北京邮电大学、中科院自动化所、浙江大学、国防科技大等单位都有从事这一领域的学者。在我国信息安全领域的三位院士(何德全、周仲义、蔡吉人)与有关应用研究单位联合发起下,我国于1999年12月召开了第一届信息隐藏会议,我国的数字水印技术研究也得到了迅猛的发展。在音频数字水印研究方面,近年来我国的很多学者专家也取得了不错的成绩。2000年,钮心忻、杨义先提出了一种基于小波变换的数字水印隐藏与检测方法,对噪声干扰、重新采样等攻击有一定的鲁棒性,不过该水印算法采用高斯分布随
10、机噪声为水印信号,而且没有实现水印的盲提取,实用性不高;次年,王秋生等对这一算法作了改进,使用了视觉可辨的二值图像作为水印,选取改变离散余弦变换系数作为水印的嵌入方式,但提取水印时仍然需要原始音频的参与,是一种明文水印算法;2005年,高海英等提出了一种基于离散小波变换的音频水印算法,选择对DWT域的低频系数进行量化,从而嵌入二值图像水印,并且引入了同步信号的思想,对添加噪声、有损压缩和重新量化有不错的鲁棒性,但对于重新采样攻击效果不理想。对于目前的多水印研究,文献中作者提出了一种基于小波变换域的双水印算法,在图像的DWT域嵌入一个识别水印和一个确认水印,但没有完成水印的盲提取;文献提出了一种
11、基于离散余弦变换的双水印算法,该算法在DCT域添加随机序列作为鲁棒性水印,然后通过实施适当的量化策略,实现在鲁棒水印的基础上加入了脆弱性水印。1.4使用的数学工具MATLABMATLAB是Mathwoks公司推出的一套功能强大的工程设计和系统仿真软件包。它具备强大的数值计算和分析能力,许多复杂的计算问题只需短短的几行代码就可实现。MATLAB针对不同的应用学科推出相应的工具箱,如信号处理、图像处理、神经网络、最优化、模糊逻辑、小波等,这些工具箱为各个领域的研究和工程应用提供了有力的工具,可直观、方便地进行分析、计算及设计工作,从而大大地节省了时间。数字水印研究中使用MATLAB具有以下优点:1
12、.MATLAB将计算、图示和编程集成到一个交互式的环境中,计算结果和编程过程可视化。2.MATLAB语言的语法规则与一般的高级语言类似,并且和Visual C+具有良好的接口。一个稍有编程基础的人就能很快熟悉掌握。3.提供了图像处理工具箱、小波分析工具箱、数字信号处理工具箱,用来研究数字水印技术非常便捷。1.5论文结构安排论文结构安排如下:1.简述本课题的科学意义和使用价值,评述相关文献关于该研 究方向的进展情况,从而说明选题的意义,及想要解决的问题,所采用的方法及预测目标。2.对音频水印技术做了系统的介绍,阐述了音频水印的基本概念,包括:音频水印的基本原理,需求分析和研究方法,音频水印的模型
13、和性能分析等。3.介绍了小波包技术的演变过程。小波的基本概念及局限性,小波包的概念及基本理论和算法优势。4.方案的具体实现过程描述。详细描述了音频水印的产生,嵌入,提取过程,以及其中出现的问题和解决方法。5.对本次论文做总结。2 数字音频水印技术基本理论2.1数字音频水印的原理和研究方法数字音频水印技术,通过利用人类听觉器官的不敏感性,以及数字信号本身存在的冗余 (即数据特征冗余),将一定的水印信号嵌入到一个载体信号中,它从听觉上与原始载体无差别,而且嵌入的水印信号不影响宿主信号的听觉效果和使用价值。并且通过特殊的方式,可以从宿主信号中提取出水印或是检测出它的存在性。水印不占用额外的带宽。是原
14、始数据不可分离的一部分,并且它可以经历一些不破坏源数据使用价值或商用价值的操作而存活下来。数字水印可分为空间域数字水印和变换域数字水印两大类。与空间域水印算法相比,变换域水印有以下几点:1.变换域水印一般具有良好的鲁棒性; 2.在变换域中嵌入的水印信号能量可以分不到空间域的所有像素上,有利于保证水印的隐藏性和鲁棒性; 3.在变换域,视觉系统的一些特征可以更方便的结合到水印算法中去。所以本次设计利用变换域数字水印算法,通过对语音信号进行小波包变换,把水印信息利用合适的算法对其进行融合,达到数字水印的目的。2.2音频水印需求分析及方案规划 本文设计需求是将一幅二维图片加入到一段音频信号中,达到对音
15、频信号加密的目的。同时在提取的时候能够根据密钥和算法,准确的提取出水印信号。首先要对音频水印的概念做深入了解,掌握小波包对信号的变换方法,分析音频水印的基本步骤。通过以上分析,确定音频水印算法的基本步骤,水印信号的产生,对音频选择水印嵌入点,水印的嵌入,水印的提取。画出各个步骤的原理框图,安装MATLAB软件,编写程序,用MATLAB进行仿真,得出结果。 2.3音频水印研究的框图模型音频水印是实现版权保护的有效办法,是多媒体信息安全研究领域的一个热点,也是信息隐藏技术研究领域的重要分支。对数字水印系统的设计包括水印的生成、水印的嵌入、水印检测或提取三个部分。水印信号的产生:选取的水印信号是一个
16、有意义的二值黑白图像,将水印图像经过逐行扫描,变成一维二值序列。经过加密处理加入到音频中。水印的嵌入:设载体语音为I,水印信号为W,密钥为K,则水印嵌入可用公式描述,式(2-1)中F表示水印嵌入策略(算法)。 (2-1)有两种常用的水印嵌入规则: (加法规则) (2-2) (乘法规则) (2-3) 水印嵌入过程如图(2.1)所示:水印信息 密钥 水印载体信息水印嵌入算法载体数据图2.1 水印嵌入过程 Figure 2.1 Watermark embedding procedure水印提取:在某些水印系统中,水印可以被精确地抽取出来,这一过程被称做水印提取,见图。比如在完整性确认应用中,必须能够
17、精确地提取出插入的水印,并且通过水印的完整性来确认多媒体数据的完整性。水印提取过程如图(2.2)所示:水印载体数据水印提取算法 密钥 水印信息原始载体数据 图2.2 水印提取过程 Figure 2.2 Watermark extraction 2.4音频水印的常见攻击和性能分析与密码学类似,数字水印技术在实际应用中,必然面对遭受各种攻击的现实问题,这就要求数字水印必须具备一定的抗攻击能力,并且在各个不同的应用场合中,所需具备的抗攻击能力要求应有所侧重。这里列出一种比较常见的水印攻击方法:1.鲁棒性攻击鲁棒性攻击是攻击中最直接、最明显的一种,指在不损害原图像使用价值(但相比原含水印图像的视觉质量
18、有所下降)的前提下减弱、移去或破坏其中的水印,也就是进行各种信号处理操作。2.表达攻击与鲁棒性攻击相反,表达攻击并不移去水印,它不需要从算法的角度来实施攻击,其目的仅仅是使水印检测失效。表达攻击的主要手段是破坏水印之间的同步模式,使水印检测器无法找到匹配的水印,因此,表达攻击又称为“同步攻击”。3.解释攻击解释攻击又称死锁攻击,是一种通过伪造假的原始图像或加水印图像来制造混乱的攻击方法。4.合法性攻击合法性攻击指攻击者利用法律条款中一些漏洞和不健全以达到攻击的目的。综上所述,针对数字水印的攻击方法是多种多样的,在实际的应用中,攻击者不会仅仅使用单一的手段,而是经常结合多种攻击手段进行攻击。所以
19、,在水印算法设计过程中,必须根据应用的要求,考虑可能受到的攻击方式,这样才能设计出具有实用价值的水印算法。3基于小波包域的音频水印算法的原理3.1小波的基本概念长期以来,傅立叶变换一直是信号处理领域中应用最广泛的一种分析手段。但它只是一种纯频域的分析方法,在时域上无任何定位能力,无法提供局部时间段上的频率信息。小波分析克服了这一缺点,能较好地解决突变信号与非平稳信号的问题,是空间(时间)和频率的局部变换,更加有效地提取信号和分析局部信号。小波(Wavelet)的定义:定义时域紧支(时域持续时间短)、且平均值为零的函数为小波,通常用表示。即 (3-1)被称为基本小波函数、母小波函数或小波母函数
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