基于DCT音頻水印技術的研究與實現

王磊

【摘 ? 要】 數字音頻水印技術是通過將水印技術運用于數字視頻產品中，對數字音頻產品進行加密，從而起到保護數字音頻產品版權的作用。DCT變換是音頻水印算法中，較易實現有很強的能量集中特性的一種算法。本文利用MATLAB軟件完成基于DCT域音頻水印技術的研究。

【關鍵詞】 水印;DCT變換;MATLAB

Research and realization of audio watermarking based on DCT

Wang Lei

[Abstract] Digital audio watermarking technology is used in digital video products to encrypt the digital audio products， so as to protect the copyright of digital audio products. DCT transform is one of the audio watermarking algorithms， which is easy to implement and has a strong feature of energy concentration. This paper USES MATLAB software to finish the research and realization of audio watermarking technology based on DCT domain.

[Keywords] watermark; DCT transform; MATLAB

本文主要研究基于DCT域的音頻水印技術。并對該算法進行了實現，通過實驗分析了算法的安全性，透明性與魯棒性。實驗結果證明，兩種算法均有良好的安全性，透明性與魯棒性，是有效的音頻數字水印算法，能夠進行音頻水印的版權保護[1]。

1 ?數字水印

數字水印技術，是指在數字作品中嵌入特定的但是不明顯的記號;被嵌入的記號應當是人類不可察覺的，但是通過一些計算操作可以被檢測或被提取[2]。水印與原始數據需要緊密結合并隱藏其中[1]。

1.1 ?數字音頻水印

數字音頻水印是數字水印技術的一個分支，主要以語音文件作為研究對象研究水印的嵌入和提取。音頻水印技術通過特定的算法，利用人類的聽覺掩蔽效應把一些特定的標志信息嵌入到各種音頻文件中的指定位置，又不會影響語音文件的聽覺效果，從而達到對音頻版權和完整性的保護。同圖像水印技術一樣，作為水印信息的可以是隨機序列、文本文件、二值圖像等多媒體數據，水印嵌入音頻文件后應保證水印的不可察覺性，同時要求不能對載體音頻有較大影響，影響人們的聽覺效果。因此音頻水印應具有保真度、魯棒性、安全性等特點[3]。 ? ? ? ?2 ?DCT變換算法

離散余弦變換（DCT）是與傅里葉變換相關的一種變換。DCT變換具有很強的“能量集中”特性，能將信號的能量集中在離散余弦變換后的低頻系數中。所以本文利用DCT變換將水印信息嵌入到音頻文件的低頻系數中。

2.1 ?DCT變換

一維離散余弦變換（DCT）：

其中M是處理信號的長度。

3 ?基于DCT域音頻水印的研究與實現

3.1 ?水印的嵌入

根據DCT的變換和特點，將水印嵌入音頻中，它的實現過程如圖1所示。

3.2 ?水印的提取

對水印嵌入過程進行反向操作就是水印的提取，本文水印的提取過程不需要原始音頻信息或原始水印信息，屬于盲水印算法，提取過程如圖其方法如圖2所示。

3.3 ? 實驗結果分析

本文采用單聲道，16位量化，22050Hz采樣率，時長為2s的音頻信號（酷我音樂啟動音.wav文件左聲道部分）作為原始的數字音頻信號，采用 的二值圖像作為水印。其中，分段長度N=8，步長=0.03 。

3.4 ?抗擊能力測試

音頻文件在傳輸、處理中常見的攻擊方式多為主動攻擊，主動攻擊一般包含添加噪聲攻擊、有損壓縮攻擊、采樣攻擊、量化攻擊、AD/DA轉換攻擊、濾波攻擊等。未對水印算法進行攻擊測試，得到的嵌入水印的音頻，和原始音頻基本上沒有差異。以噪聲攻擊、為例驗證水印算法的魯棒性。

本文通過加入均值是0，方差為0. 01的高斯白噪聲對水印算法進行攻擊測試。歸一化相關系數NC=0.9989，加入10dB的高斯白噪聲攻擊。

如表1所示分別計算加入白噪聲、有損壓縮、剪切等攻擊的的歸一化系數。

4 ?結論

由于DCT系數的正負性不易改變這一特點，利用DCT系數正負性來嵌入和提取水印具有很強的魯棒性。從仿真結果看，該方法利用調制后的DCT系數在信號上疊加水印。NC值比較接近1具有很好的穩(wěn)定性。能夠保證音頻的質量，有效地減少了噪聲。通過分析可知該算法簡單，具備一定的抗干擾能力，實驗證明該算法具有一定的透明性與魯棒性，是一種可行的音頻水印算法。

參考文獻：

[1] 王國娜，張煥國，葉登攀.信息隱藏技術與應用[M].武漢：武 ? ? ? ?漢大學出版社，2009：46-49.

[2] 陳明奇，鈕心忻.數字水印的研究進展和應用[J].通信學報， ? ? ?2001，22（5）：71-79.

[3] 高海英.音頻信息隱藏理論及應用[D].北京：北京郵電大 ? ? ? ? ?學，2006.56-59.