摘  要： 用LabVIEW实现了在数字音频中嵌入二值图像水印。系统主要由水印的嵌入与水印的提取两部分组成。由LabVIEW的“简易读取声音文件”节点，将音频信号读取进来。首先对音频信号进行离散小波分解，根据人耳听觉特性选择嵌入点，然后修改原始音频信号小波系数小数点后有效位的奇偶性进行水印数据的嵌入，在提取水印时，检测小波系数小数点后有效位的奇偶性进行水印提取。使用LabVIEW实现了既有嵌入程序又有提取程序的数字音频水印系统。 

    关键词： LabVIEW； 人耳听觉特性； 小波变换" title="离散小波变换">离散小波变换； 奇偶性

    多媒体信息的数字化及互联网技术的迅猛发展，使图像、音频和视频等多种形式的多媒体数字作品的创作、存储和传输都变得极其便利。但是数字媒体很容易被非法复制或者在传输过程中遭受第三方的蓄意篡改。为了保护知识产权，水印技术引起了人们的极大关注^[1-2]。文中给出了利用LabVIEW编程工具设计的一个能在音频信号中隐藏二值图像的数字音频水印系统。 

1 数字音频水印系统的原理 

1.1人类听觉系统特性 

    在音频文件中嵌入数据的各种方法都要利用人类听觉系统的某些特性，即人的听觉生理-心理特性^[3-4]。使用这些特性是为了满足水印的不可感知性的要求。 

    首先，人的听觉具有掩蔽效应。掩蔽可分为频域掩蔽和时域掩蔽。时域掩蔽又包括前向掩蔽和后向掩蔽。频域和时域掩蔽效应有各自的特性及局限，频域掩蔽效应局限在频率域而时域掩蔽效应则局限在时间域。其次，人耳对声音信号的绝对相位不敏感，而只对其相对相位敏感。第三，人耳对不同频率段声音的敏感程度不同。通常人耳可以听见20 Hz～18 kHz的信号，但对2 kHz～4 kHz范围内的信号最为敏感，幅度很低的信号也能被听见，而在低频区和高频区，能被人耳听见的信号幅度要高得多。 

1.2 离散小波变换（DWT）基本原理 

    小波变换是将信号分解到时域和尺度域上的一种变换，尺度域可以对应于频域，在时域和频域都具有表征信号的局部特征的能力^[5]。正是由于时频局部化性质，对原始音频信号进行小波变换，选择在原始音频信号的小波变换重要系数上加入水印^[6]，然后经过小波重构生成加入了水印的音频信号。用这种算法可以最大限度地隐藏信息而不被感觉到，且计算量小。 

    本系统利用人耳的听觉掩蔽特性，在嵌入水印前，首先对原始音频信号进行预处理，然后进行离散小波三级分解，并选择其中的第二级和第三级细节分量作为准备嵌入水印的序列，水印的嵌入是通过修改小波系数小数点后的有效位来实现的。接着进行离散小波三级反变换，可以得到嵌入水印的载体音频。通过这种方法，可以将水印嵌入到一段音频中，而不会引起人耳的感知。 

2  数字音频水印系统的构成 

2.1 音频信号的采集与水印图像的读取 

    音频信号由麦克风输入，经声卡转为数据存入计算机内存，再通过LabVIEW功能节点读入到LabVIEW程序中作水印嵌入处理。 

    系统设置缓存大小为15 000×8 bit，采样率为44.1 kHz，音效为单声道，每个采样值用16  bit量化。 

    水印图像是64×64的二值图像，在“图形与声音”→“图形格式”中有“读取BMP文件”节点，可以将图像读取进来。另外，通过“图形与声音”→“图片函数”中的“绘制平化像素图”节点，将读取到的图像显示出来。 

2.2 音频信号和水印图像预处理 

    在音频信号采集过程中，噪声无处不在，本文利用小波变换的滤波法对其进行消噪处理。由于语音信号在大约800 Hz以上的高频段按6 dB/倍频程跌落，为此要进行预加重，提高高频部分，有效提高输出信噪比。 

    水印序列是二维图像，可表示为： 

    W={w(i,j), 0≤i≤P, 0≤j

　　要将其嵌入到一维的数字音频信号中，必须先进行降维处理，变成一维序列V，即： 

　　V={v(i,j), 0≤i

　　为了达到安全和保密的目的，本文利用LabVIEW编制程序对一维序列V进行置乱变换，置乱后得到由V转换而来的新的一维二进制序列X={x(i), 0≤i

2.3 水印的嵌入 

    假设S是含有N个采样数据的原始数字音频信号，它可以表示为： 

    S={s(n), 0≤n≤N-1} 

    为了讨论方便，将原始数字音频信号分解成两部分：与水印嵌入有关部分(S_e)和与水印嵌入无关部分(S_r)，即：S=S_e+S_r。 

    本文选择Db4小波对每一音频数据段S_e(k)分别做三级DWT分解，并选择其中的第二级和第三级细节分量作为准备嵌入水印的序列。根据一维小波分解的基本原理，在第二级细节分量上的d₂(4k)、d₂(4k+1)、d₂(4k+2)和d₂(4k+3)4个分量与原音频信号S的相关性最大，因此选择此组分量嵌入水印；同理，在第三级细节分量上的d₃(2k)和d₃(2k+1)2个分量中嵌入水印。 

    水印的嵌入是通过修改小波系数小数点后的有效位来实现的。本文嵌入时要修改的是小数点后的第4位的奇偶性，修改方法如下： 

    当在该位置嵌入1时，在保证修改量最小的情况下，修改小数点后的第4位成一个偶数。 

    当在该位置嵌入0时，在保证修改量最小的情况下，修改小数点后的第4位成一个奇数。 

2.4 含音频信号水印的生成 

    对嵌入水印后的音频信号分段进行小波逆变换得到时域中含有水印信息的音频信号S_e′(k)，将S_e′(k)代替S_e(k)，最终得到含水印的数字音频信号S_w=S_e′+S_r。 

2.5 水印的提取 

    设S′为待检测的数字音频信号，水印的提取过程可以通过以下方法进行： 

    (1)对待检测的数字音频信号S′作分段处理，即S′=S_se+S_sr，然后对含水印部分S_se作三级离散小波变换。 

    (2)按照嵌入时的规则，在第二级和第三级小波系数上分别选取与k相对应的系数d₂′(4k)、d₂′(4k+1)、d₂′(4k+2)和d₂′(4k+3)以及d₃′(2k)和d₃′(2k+1)，得到一个含有N_w个元素的序列D′(k)。 

    (3)检测序列D′(k)中各元素小数点后第4位数值的奇偶性。为偶数时，则提取信息“1”；奇数时，则提取信息“0”。将提取的信息送入向量V′(k)。 

    (4)将所提取的水印序列进行逆随机置乱并进行升维操作，利用LabVIEW编制程序将二值图像水印还原并保存。 

    W′={w′(i,j), 0≤i

    为了消除观察者的主观因素，通常采用归一化相关系数对提取水印和原始水印的相似性进行定量的评价，其定义式为： 

    水印含有与否的判断标准为：若NC>T，则可以判定被测音频信号含有水印，否则不含水印。阈值的选择要同时考虑虚警率和漏警率。本文取T值为0.9。 

3 数字音频水印系统界面实现 

    本文采用图形化语言LabVIEW结合MATLAB节点调用设计了数字音频水印系统。该系统界面由原始音频与水印图像读取、水印的嵌入、水印的提取和参数评估4部分组成。本系统能非常方便地与用户交互，用户可以通过界面操作，将标志性信息（水印）直接嵌到需要进行版权保护的音频信号当中，进行数字音频版权保护及进行所有权证明。 

    如图1所示为数字音频水印系统的界面设计，程序开始运行时就开始读入音频信号和水印图片，并显示原始音频信号波形图。

    在图2所示嵌入面板界面中点击“嵌入”按钮就开始对原始音频信号的消噪，然后进行预加重处理，接着对干净的音频信号进行三级离散小波分解并将水印进行降维操作和置乱处理，修改完原始音频信号小波系数小数点后的有效位进行逆离散小波变换，还原含有水印信息的音频信号。 

    在图3所示提取面板界面中点击“提取”按钮，首先将含有水印信息的音频信号进行三级离散小波变换，接着检测小波系数小数点后的有效位，最后提取出有效数据将水印图片还原。 

4  数字音频水印系统性能分析 

    通过运行程序，可以得到嵌入水印后的音频信号和提取出的水印以及提取出水印后的音频信号，其效果如图2和图3。 

    由图2和图3可以看出，嵌入水印后，音频信号没有变化，提取出的水印与原水印也基本相同。经过计算，嵌有水印的音频信号信噪比值是121.28 dB，提取出的水印与原水印之间的相似度NC是1。另外，当水印从音频信号中提取出来之后，音频信号也基本上没有变化。因此，本文所构造的数字水印系统是可用的，本文使用的方法是可行的。 

    本系统采用LabVIEW开发平台，实现了一个数字音频水印系统。系统采用离散小波变换的方法，通过修改小波系数小数点后有效位的奇偶性进行水印嵌入，可以最大限度地隐藏信息而不被感觉到，且计算量小。提取时检测小波系数小数点后有效位的奇偶性来提取水印数据，不需要原始音频信号的参与，因此是真正意义上的盲水印。该系统具有操作方便、成本低廉、与外围设备数据交换迅速等优点，有良好的推广前景和应用价值。 

参考文献 

[1] WOLFGANG R B,PODILCHUK C I,DELP E J.Perceptual watermarks for digital images and vido[J]. Proceedings of the IEEE,1999,87(7):1108-1126. 

[2] PODILCHUK C I, DELP E J. Digital watermarking:algorithms and applications. IEEE Signal Processing Magazine, 2001,18(4)：38-46. 

[3] ISO/IEC Generic coding of moving pictures and associated audio information. Information technology.13818,ISO/IEC,1998. 

[4] 杨行峻，迟惠生.语音信号数字处理[M].北京：电子工业出版社，1995：112-120. 

[5] 钮心忻,杨义先. 基于小波变换的数字水印隐藏与检测算法[J].计算机学报,2000,23(1):21-27. 

[6] 侯剑，付永生. 一种基于DWT的自适应大容量音频水印算法[J]. 计算机工程，2007，33(3)：147-162.