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基于内容的音频认证水印算法 设计与实现 摘 要 随着社会的发展，以及信息技术的普及，一些黑客或者机构会截取篡改一些机密信息，并且一些窃取到信息的人，会进一步把这些窃取到的信息给兜售出去，从而赚取利润。因此对于一些信息技术进行加水印操作，是保护信息技术必不可少的一项技术，本文就是基于内容的音频认证水印算法设计与实现。本文研究了以下内容：首先第一章对基于内容的音频认证水印算法的研究背景还有研究现状以及研究意义进行了探讨；然后第二章分析研究各种现存的有关内容的音频认证水印算法的设计和管理方面的文献资料，对于内容的音频认证水印算法的基础知识进行了了解；接着的第三章讲解了二种内容的音频认证的水印算法；最后第四章对于内容的音频认证水印算法进行了MATLAB仿真，得到了基于鲁棒特征点的音频水印算法的优越性。 关键词：水印算法；音频认证；MATLAB Content-based Audio Authentication Watermarking Algorithms Design and Implementation Abstract：With the development of society and the popularization of information technology, some hackers or organizations will intercept and tamper with some confidential information, and some people who steal information will further sell the stolen information to make profits. Therefore, watermarking for some information technologies is an indispensable technology to protect information technology. This paper is the design and implementation of content-based audio authentication watermarking algorithm. In this paper, the following contents are studied: Firstly, the research background, research status and research significance of content-based audio authentication watermarking algorithm are discussed in the first chapter; secondly, the design and management of various existing content-based audio authentication watermarking algorithms are analyzed in the second chapter, and the basic knowledge of content-based audio authentication watermarking algorithm is understood. In the third chapter, the watermarking algorithm of audio authentication for two kinds of content is explained. In the fourth chapter, the watermarking algorithm of audio authentication for content is simulated by MATLAB, and the advantages of the watermarking algorithm based on robust feature points are obtained. Key words: watermarking algorithm; audio authentication; MATLAB 目 录 第一章 绪论 5 1.1 研究背景以及研究意义 5 1.2国内外研究现状 5 第二章 理论知识 7 2.1水印概述 7 2.2音频认证水印基本框架 7 2.3语音认证系统概述 8 2.4音频水印的评价标准 9 第三章 水印算法介绍 11 3.1基于独立成份分析（ICA）技术水印算法 11 3.1.1 音频信号的预处理 11 3.1.2 水印的生成 13 3.1.3水印的嵌入 14 3.2 基于语音鲁棒特征点的音频水印算法 15 3.2.1基于鲁棒特征点的音频水印算法的音频预处理 15 3.2.2基于鲁棒特征点的音频水印算法的水印生成及嵌入 15 第四章 基于内容的音频认证水印算法的实验验证 18 4.1基于独立成份分析技术水印算法实验验证 18 4.1.1水印图像 18 4.1.2不可听性测试 18 4.1.3水印算法的鲁棒性测试 21 4.2基于鲁棒特征点的音频水印算法实验验证 22 4.2.1水印图像 22 4.2.2不可听性测试 23 4.2.3水印算法的鲁棒性测试 25 4.3二种算法比较 26 第五章 总结 28 参考文献 29 致谢 31 第一章 绪论 1.1 研究背景以及研究意义 从改革开放开始，社会已经得到了巨大的发展，特别是在一些信息技术，以及信息技术带动的电子科技产品方面，发展更是日新月异。就如今社会的情况来说，不管是数字电视还是智能手机，甚至最近研发出来的的人工智能机器人像天猫精灵等已经融入到了人们的日常生活。并且随着信息技术的快速发展，这些数字多媒体设备的传播也越来越便捷，人们可以在任何时候任何地点，查看并修改相关自己需要的内容。当然凡是都是利弊共存，在这些信息技术给人们带来便捷的同时，也使得一些黑客或者机构更加容易截取篡改一些自己的机密信息，并且一些窃取到信息的人，会进一步把这些窃取到的信息给兜售出去，从而赚取利润。因此对于这些传播的信息进行一定的防护措施是必不可少的，比如本文所探讨的水印技术，就是一项典型的对于信息的保护技术。而本文具体探讨的是对于音频信号的保护技术，音频信号在信道之中传播的时候，是以二进制的形式进行传播的，二进制的形式的信号具有方便存储，复制能力强，传输速度快等的特点。因此，二进制的形式进行传播的音频信号应用领域非常的多，有新闻报道，语音通话等各个领域。因此对于音频信号的保护也是一个非常重要的研究方向。 由于信息技术的飞速发展，在信息技术给人们带来便捷的同时，也使得一些黑客或者机构更加容易截取篡改一些自己的机密信息，并且一些窃取到信息的人，会进一步把这些窃取到的信息给兜售出去，从而赚取利润。发展研究音频认证水印算法，对于个人而言，有利于保护个人的私人隐私；对于机构而言，有利于保护机构的产权秘密；可以减少不法分子的犯罪行为，使得信息技术得到进一步的发展（戴志强，愈一彪，颜祥等，2008）500。 1.2国内外研究现状 对于基于内容的音频认证水印算法这一方面的研究，一直都是国内外研究的热点问题，并且对于基于内容的音频认证水印算法的研究，国外还是相对比较早的。国内外对于基于内容的音频认证水印算法的研究主要有以下内容： 早在1998年的时候，著名学者Hong Peng, Jun Wang, Weixing Wang提出了一种灰度图像加性水印技术。它包括秘密地将版权信息（二进制代码）嵌入到图片中，而不会降低图片的质量。这些位通过最大长度序列（MLS）的相位进行编码。它结合了边缘和纹理识别来确定MLS的嵌入级别，其位实际上分布在32倍8像素块上。文中给出了一些结果，分析了水印的检索效率，以及水印对压缩的抵抗力和对恶意操作的鲁棒性。（Hong Peng, Jun Wang, Weixing Wang，2012）381进入21世纪之后，著名学者In Kwon Yeo，Hyoung Joong Kim提出了一种改进的修补算法（MPA），它是一种在变换域（不仅是离散余弦变换（DCT），而且是DFT和DWT）中对音频水印算法进行统计的技术。MPA是传统补丁算法的增强版本。MPA足够强大，能够抵御安全数字音乐倡议（SDMI）定义的一些攻击。实验结果表明，该算法对MP3、AAC等压缩算法以及常见的信号处理操作攻击具有较好的鲁棒性。在2014年的时候，著名学者Ai Hong-yan，Liu Quan，Jiang Xue-mei从同步性和安全性的角度出发，在分析音频水印方案的具体嵌入位置和方法的基础上，提出了一种基于DCT和DWT的更好的音频水印方案。该方案综合考虑了算法的同步性、鲁棒性、不可见性和安全性，并利用了离散小波变换的多分辨率和离散小波变换的去相关能力和能量聚集。在2010年的时候，我国著名学者林晓丹直接在MP3流中进行水印可以提高MP3压缩的性能（鲁棒性和保真度）。提出了一种基于人耳听觉系统的MP3压缩音频信号自适应安全水印算法。（林晓丹，2011）289.在2015年的时候，我国著名名学者彭宏，王殉，王卫星提出了一种基于快速傅立叶变换（FFT）系数量化的音频盲水印算法。为了抵抗MP3压缩，采用自适应调整的方法来指定水印嵌入的整个主机音频信号区域。然后将指定区域分割成若干段，并通过快速傅立叶变换将每个段转化为频域（彭宏，王殉，王卫星，2014）216。 第二章 理论知识 2.1水印概述 水印一般是指向多媒体数据比如平常所看的照片、各种听得声音音频、以及看的视频等中添加某些数字或者图像信息以达到该多媒体数据能够进行真伪鉴别的用途，这样就能够保护多媒体数据版权等功能。对于嵌入的水印信息必须有一定的要求，嵌入在宿主文件中水印信息，必须做到不影响原始文件的可观性和完整性（Xiang Yang Wang Ming yu Lu.，2015）233。 有水印和无水印的区别： 1、观赏性不同 有水印的图片（影片）一般会给图片信息造成一些干扰，难以让人产生欣赏之感。 无水印的图片（影片）能将内容完整地表达出来，没有外部文字的遮挡，观赏效果比较好。 2、 质量不同 有水印的图片一般印有自己的原创（或版权）标记，让人难以盗用，这样的图片能有更多的官方权威发言权，更能保护图片的完整性。 无水印的图片很容易给人随意使用，久而久之图片广泛流传，图片的质量也会在流传过程减少。 3、目的不同。 有水印的图片一般是官方使用，水印应能为受到版权保护的信息产品的归属提供完全和可靠的证据。 无水印的图片的归宿一般都是流通网上，任人使用、修改。 2.2音频认证水印基本框架 下面我们简单介绍一下音频认证水印基本框架，首先得生成水印，然后将水印信息加入到载体语音信息之中，生成含有水印的语音信息，具体的音频认证水印基本框架如下图2.1所示： 图2.1 音频认证水印基本框架 最早的水印系统一般是利用二值图像，将图像处理之后的二值图像当做待嵌入的水印信息，不用具体实施水印生成算法的过程；而现在的水印系统，已经得到了极大的发展，可以基于语音自身，进而生成相应的与语音有关的水印（王向阳，牛盼盼，2008）1001。 2.3语音认证系统概述 在20世纪90现代之前，音频信号的传播一般都是传统的模拟信号，因为早期信息技术还并不发达，音频信号还没有形成二进制的传播方式，只能以模拟信号的方式存在于早期的磁带之中。随着21世纪信息技术的高速发展，各种数字信号得到了高速发展，二进制形式的数字信号传播逐渐取代了模拟信号的传播方式。所以这里讨论的语音取证技术主要指的是数字语音取证技术（范明泉，王