基于DCT音频水印技术的研究与实现

王磊

【摘   要】 数字音频水印技术是通过将水印技术运用于数字视频产品中，对数字音频产品进行加密，从而起到保护数字音频产品版权的作用。DCT变换是音频水印算法中，较易实现有很强的能量集中特性的一种算法。本文利用MATLAB软件完成基于DCT域音频水印技术的研究。

【关键词】 水印;DCT变换;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域的音頻水印技术。并对该算法进行了实现，通过实验分析了算法的安全性，透明性与鲁棒性。实验结果证明，两种算法均有良好的安全性，透明性与鲁棒性，是有效的音频数字水印算法，能够进行音频水印的版权保护[1]。

1  数字水印

数字水印技术，是指在数字作品中嵌入特定的但是不明显的记号;被嵌入的记号应当是人类不可察觉的，但是通过一些计算操作可以被检测或被提取[2]。水印与原始数据需要紧密结合并隐藏其中[1]。

1.1  数字音频水印

数字音频水印是数字水印技术的一个分支，主要以语音文件作为研究对象研究水印的嵌入和提取。音频水印技术通过特定的算法，利用人类的听觉掩蔽效应把一些特定的标志信息嵌入到各种音频文件中的指定位置，又不会影响语音文件的听觉效果，从而达到对音频版权和完整性的保护。同图像水印技术一样，作为水印信息的可以是随机序列、文本文件、二值图像等多媒体数据，水印嵌入音频文件后应保证水印的不可察觉性，同时要求不能对载体音频有较大影响，影响人们的听觉效果。因此音频水印应具有保真度、鲁棒性、安全性等特点[3]。        2  DCT变换算法

离散余弦变换（DCT）是与傅里叶变换相关的一种变换。DCT变换具有很强的“能量集中”特性，能将信号的能量集中在离散余弦变换后的低频系数中。所以本文利用DCT变换将水印信息嵌入到音频文件的低频系数中。

2.1  DCT变换

一维离散余弦变换（DCT）：

其中M是处理信号的长度。

3  基于DCT域音频水印的研究与实现

3.1  水印的嵌入

根据DCT的变换和特点，将水印嵌入音频中，它的实现过程如图1所示。

3.2  水印的提取

对水印嵌入过程进行反向操作就是水印的提取，本文水印的提取过程不需要原始音频信息或原始水印信息，属于盲水印算法，提取过程如图其方法如图2所示。

3.3   实验结果分析

本文采用单声道，16位量化，22050Hz采样率，时长为2s的音频信号（酷我音乐启动音.wav文件左声道部分）作为原始的数字音频信号，采用 的二值图像作为水印。其中，分段长度N=8，步长=0.03 。

3.4  抗击能力测试

音频文件在传输、处理中常见的攻击方式多为主动攻击，主动攻击一般包含添加噪声攻击、有损压缩攻击、采样攻击、量化攻击、AD/DA转换攻击、滤波攻击等。未对水印算法进行攻击测试，得到的嵌入水印的音频，和原始音频基本上没有差异。以噪声攻击、为例验证水印算法的鲁棒性。

本文通过加入均值是0，方差为0. 01的高斯白噪声对水印算法进行攻击测试。归一化相关系数NC=0.9989，加入10dB的高斯白噪声攻击。

如表1所示分别计算加入白噪声、有损压缩、剪切等攻击的的归一化系数。

4  结论

由于DCT系数的正负性不易改变这一特点，利用DCT系数正负性来嵌入和提取水印具有很强的鲁棒性。从仿真结果看，该方法利用调制后的DCT系数在信号上叠加水印。NC值比较接近1具有很好的稳定性。能够保证音频的质量，有效地减少了噪声。通过分析可知该算法简单，具备一定的抗干扰能力，实验证明该算法具有一定的透明性与鲁棒性，是一种可行的音频水印算法。

参考文献：

[1] 王国娜，张焕国，叶登攀.信息隐藏技术与应用[M].武汉：武        汉大学出版社，2009：46-49.

[2] 陈明奇，钮心忻.数字水印的研究进展和应用[J].通信学报，      2001，22（5）：71-79.

[3] 高海英.音频信息隐藏理论及应用[D].北京：北京邮电大          学，2006.56-59.