1、1102502姓名：柳立志学号：110250208指导教师：周志权、赵占锋哈尔滨工业大学（威海）2015 年 1 月 5 日哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告- I -1. 课程设计任务在保密数据传递等应用中，有时采用将一句话或一段文字或一段音乐隐藏在另一段音乐中，然后利用专门的算法来提取所传的信息，这种方法也称为数字水印技术。这种方法的好处是信息隐藏在极为平常的声音或其它媒介中，不易被察觉。1） 利用语音获取设备获取需要传送的保密语音信号；2） 选择用于传输保密语音信号的普通声音载体，可以是广为流传的歌曲、音乐或其他声音文件；3） 采用数字水印技术进行信息处理，这个处理过程可以选用多种方式，
2、可查阅参考相应文献，最简单的办法就是将需要传送的语音信号的每一个比特分别加入到载体信号每一个采样的最低位，这样对载体信号的影响最小，保密信息也可以被简单的提取。同时也可以考虑在频域对其进行处理；4） 对加入水印信息的文件及未加之前文件的频域及时域信号进行对比，分析其影响；5） 对加入水印信息的文件进行各种滤波处理，然后再对其进行水印提取，观察其结果；6） 编制用户界面。2. 课程设计原理及设计方案2.1 数字水印技术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。数字水印技术有着其固有的特点与研究方法。例如，
3、从信息安全保密角度而言，隐藏的信息如果被破坏掉，系统可以视为安全的，因为秘密信息并未泄漏，但是，在数字水印系统中，隐藏信息的丢失意味着版权信息的丢失，从而失去了版权保护的功能。因此数字水印系统必须具有较强的鲁棒性、安全性、透明性等特点：透明性（隐藏性）：经过一系列隐藏处理，目标数据必须没有明显的降质现象，隐藏的数据无法人为的看见或听见。1） 鲁棒性：指抗拒各种处理操作和恶意攻击而不导致水印信息丢失的能力。所谓的操作包括：传输过程中的信道噪声、滤波、增强有损压缩、几何变换、DA 或 AD 转换等等。所谓的攻击包括：篡改、伪造、去除水印等等。数字水印起源于信息隐藏技术，这一点可以从它的隐藏性要求得
4、到证实。2） 安全性：指将水印信息隐藏于目标数据的内容之内，而非文件头等处，防1止因格式转换而遭到破坏。3） 无歧义性：恢复出的水印或水印判决的结果应该能够确定地表明所有权， 不会发生多重所有权的纠纷。4） 通用性：好的水印算法适用于多种文件格式和媒体格式。通用性在某种程度上意味着易用性。但数字水印技术并不等同于信息隐藏技术，两者的区别在于对鲁棒性的要求上。信息隐藏的鲁棒性要求可以降低，也就是说在数据经过改动后允许隐藏信息的丢失，信息隐藏主要是关注隐藏信息的检测，而数字水印主要关注被盗版者擦除的可能性。数字水印必须能在一定限度内承受各种攻击而留存下来， 这样才能实现有意义的版权保护。在音频中加
5、入水印，要考虑到音频载体信号的在人类听觉系统、音频格式以及传送环境等方面的特点。与图像和视频相比，音频信号在相同的时间间隔内采样的点数少。这使得音频信号中可嵌入的信息量要比可视媒体也要少。并且由于人耳听觉系统（HAS）要比人眼视觉系统（HVS）敏感得多，因此听觉上的不可知觉性实现起来要比视觉上困难得多。2.2 离散小波变换小波变换是由法国科学家 Morlet 于 1980 年进行地震分析工作时提出的， 但小波变换研究的热潮始于 1986 年。小波变换优于傅立叶变换的主要原因在于它的多分辨率特性，它可以针对不同信号变换而进行窗口的伸缩变化。加窗傅立叶变换可以形象地看成是固定尺寸的矩形时频窗口在时
6、频域中滑动，并透过这个窗口来“观察”信号。这种固定矩形窗口的观察方法与人们期望的观察不太一致。例如，对一个高频成分丰富的信号，即变化很快的信号，最感兴趣的问题是它的发生时间，而对其频率则不要求知道的很准确；但是对一个变化很慢的信号，被关注的是频率，而对时间范围则不要求很精细。小波分析适应这种要求，它可以对高频成分使用大的频域窗口、小的时域窗口，而对于低频成分采用小的频域窗口、大的时域窗口。1988 年，Mallat 受到塔式算法的启发，在多分辨率分析的指导下建立了Mallat 算法，对小波变换的实际应用具有划时代的意义。Mallat 算法本质上不17需要知道尺度函数F （t ）和小波函数Y （
7、t ）的具体结构，只由系数 h 和 g 就可以实现信号的分解与重构，因此也称为快速小波变换。利用快速小波变换，选 择一定的小波函数对输入信号进行一定尺度的分解，得到这个尺度下信号的高 频部分和低频部分，在一个尺度下，高频部分和低频部分包含了完全恢复上一 尺度下信号的全部信息。这种分解如果重复进行，就得到了信号的多尺度分解， 从而得到了信号的多层小波系数，即信号的低频系数和一系列的高频系数。对于大多数信号来说，低频部分给出了信号的特征，往往是最重要的，而 高频部分则与噪音及扰动联系在一起。将信号的高频部分去掉，信号的基本特 征仍然可以保留。所以，一般的信号处理都是针对这部分来进行的。因此，在 信
8、号分析中，经常会提到信号的近似部分与细节部分。近似主要是系统全局的、低频的部分，而细节往往是信号局部、高频的成分。将信号分解成一个个互相正交小波函数的线性组合，可以展示信号的重要特性，但这并不是小波分析的全部。小波分析另一个重要的方面就是分析、比较、处理（如去掉高频信号、加密等）小波系数后，根据新得到系数去重构信号。这个过程称之为逆离散小波变换（IDWT）,或小波重构、合成等。2.3 设计方案2.3.1 水印嵌入设 A 是原始音频信号，根据音频文件类型将它分为两部分A = AH +AL其中：AH是与文件类型相关的部分，所以保留下来不做处理；AL 是可以嵌入水印的部分，长度是 L ，它可以表示为
9、A =a（l）,0 lL其中 a（l） 是 AL 第 I 个数据的幅值。1） 假设水印是长度 LS 的音频文件，用 ls 表示：ls =ls（j）,0 js）; lx=length（x（i）;%读取水印音频FILE2=test_new.wav mark,Fs,bits=wavread（FILE2）; mark=mark（1:lx）; mark_fft=fft（mark,Fs）;mark_fft_f=2*sqrt（mark_fft.*conj（mark_fft）;plot（mark）;水印音频信号的时域波形 axes（handles.axes2）plot（mark_fft_f）;水印音频信号的频
10、域波形 sound（mark,Fs）;3.3 水印嵌入%水印信号嵌入ss=mark（1: rr=ss*0.02; x（i）=x（i）.*（1+rr%小波重构，生成加入了水印信号的音频信号c1=x,cd3,cd2,cd1;s1=waverec（c1,l,%把加入了水印的原始音频信号作为final1.wav保存FILE3=final1.wavy1_fft_f=2*sqrt（y1_fft.*conj（y1_fft）;plot（y1）;嵌入水印后的原始音频信号的时域波形 axes（handles.axes2）; plot（y1_fft_f）;嵌入水印后的原始音频信号的频域波形 ly1=length（y
11、1）; y1=y1（1:0.5*ly1）;sound（y1,Fs）;3.4 水印提取%读取含有水印的原始音频FILE3= y1,Fs1,bits1=wavread（FILE3）;%用db4小波对含有水印的原始音频信号进行3级小波分解c1,l1=wavedec（y1,3,%提取3级小波分解的低频系数和高频系数ca31=appcoef（c1,l1, cd31=detcoef（c1,l1,3）; cd21=detcoef（c1,l1,2）; cd11=detcoef（c1,l1,1）;x1=ca31;%水印信号提取z（i）=x1（i）-x（i）;s2=z（i）./x（i） s2=s2/0.02;%把
12、提取的水印信号作为final2.wav保存FILE4=final2.wav wavwrite（s2,Fs,bits,FILE4）; mark1,Fs,bits=wavread（FILE4）; mark1_fft=fft（mark1）;mark1_fft_f=2*sqrt（mark1_fft.*conj（mark1_fft）; axes（handles.axes1）plot（mark1）;提取出的水印音频信号的时域波形 plot（mark1_fft_f）;提取出的水印音频信号的频域波形 sound（mark1,Fs）;3.5 低通滤波 y1,Fs,bits=wavread（FILE3）; b,a
13、=butter（1,0.1）; s3=filtfilt（b,a,y1）;%把经过滤波后的含有水印的原始音频信号作为final3.wav保存FILE5=final3.wavwavwrite（s3,Fs,bits,FILE5）;y_filter,Fs,bits1=wavread（FILE5）; y_filter_fft=fft（y_filter）; plot（y_filter）;经过滤波后的含有水印的原始音频信号的时域波形 幅 度 plot（y_filter_fft）;经过滤波后的含有水印的原始音频信号的频域波形 ly2=length（y_filter）; y_filter=y_filter（1:
14、0.5*ly2）; sound（y_filter,Fs）;3.6 低通滤波后提取水印%音频信号 y，采样率 fs,采样精度 bits%用 db4 小波对原始音频信号进行 3 级小波分解%3 级小波分解，低频部分为相似，高频部分为细节%提取 3 级小波分解的低频系数和高频系数%读取经过滤波后的含有水印的原始音频FILE5= y_filter,Fs,bits1=wavread（FILE5）;%用 db4 小波对经过滤波后的含有水印的原始音频信号进行 3 级小波分解c2,l1=wavedec（y_filter,3,%提取 3 级小波分解的低频系数和高频系数ca32=appcoef（c2,l1, cd
15、32=detcoef（c2,l1,3）;cd22=detcoef（c2,l1,2）; cd12=detcoef（c2,l1,1）; x2=ca32;%水印信号提取z（i）=x2（i）-x（i）;s3=z（i）./x（i） s3=s3/0.02;%把提取的水印信号作为 final4.wav 保存FILE6=final4.wav wavwrite（s3,Fs,bits,FILE6）; mark_filter,Fs,bits1=wavread（FILE6）; mark_filter_fft=fft（mark_filter）;plot（mark_filter）;经过滤波器处理后提取的水印音频信号的时域波形 plot（mark_filter_fft）;经过滤波器处理后提取的水印音频信号的频域波形 sound（mark_filter,Fs）;3.7 界面的设计1） 在 Command window 窗口下输入 guide 命令，并回车；2） 在 Creat New GUI 界面下选择 Blank GUI（Default），点击 OK；3） 在新的界面下，点击 Axe 按钮，生成一个区域，再点击 Push B
