基于matlab實(shí)現(xiàn)DCT數(shù)字水印嵌入與提取

更新時(shí)間：2022年01月12日 10:37:24 作者：紫極神光

數(shù)字水印技術(shù)是將一些標(biāo)識信息直接嵌入數(shù)字載體當(dāng)中,?或間接表示在信號載體中,?且不影響原載體的使用價(jià)值。本文主要為大家介紹了基于matlab如何實(shí)現(xiàn)數(shù)字水印的嵌入與提取，感興趣的可以學(xué)習(xí)一下

一、離散小波變換的音頻信號數(shù)字水印技術(shù)簡介

0 引言

近年來, 數(shù)字水印技術(shù)的作用越來越重要。數(shù)字水印技術(shù)是將一些標(biāo)識信息直接嵌入數(shù)字載體當(dāng)中, 或間接表示在信號載體中, 且不影響原載體的使用價(jià)值。通過隱藏在載體中的這些信息, 可以判斷信息是否被篡改, 具有防偽溯源、保護(hù)信息安全、版權(quán)保護(hù)等作用。對于廣播轉(zhuǎn)播臺(tái)站而言, 是廣播音頻的中轉(zhuǎn)站, 在廣播信號發(fā)送至千家萬戶之前務(wù)必保證信號的安全可靠, 但現(xiàn)在的大部分臺(tái)站只是利用人耳的判斷, 以及不同信源之間的比較, 具有較大的局限性。若利用數(shù)字水印的特性, 應(yīng)用于廣播節(jié)目中可以有效地防止信號插播, 可靠地保護(hù)信號安全, 保障廣播的安全播出。

1 音頻數(shù)字水印技術(shù)分類

根據(jù)數(shù)字水印在音頻信號中的處理技術(shù), 可將數(shù)字水印分為時(shí)域、變換域、壓縮域數(shù)字水印。

1.1 時(shí)域數(shù)字水印

在時(shí)域數(shù)字水印技術(shù)中, 直接將水印信息嵌入至音頻信號中, 通常會(huì)選擇隱藏在信號不重要部位, 以保證其嵌入水印不影響原音頻信號的監(jiān)聽效果。時(shí)域水印技術(shù)的實(shí)現(xiàn)較為容易且運(yùn)算量小, 簡單直接, 但是魯棒性差, 容易被破解, 抵抗力較差。

1.2 變換域數(shù)字水印

在變換域數(shù)字水印中, 音頻信號需經(jīng)過時(shí)域至變換域的轉(zhuǎn)換, 通常的變換域有離散余弦變換 (DCT, Discrete Cosine Transform) 、離散傅立葉變換 (DFT, Discrete Fourier transform) 、離散小波變換 (DWT, Discrete Wavelet Transform) 等。在變換域中嵌入水印信息, 通過反變換得到嵌入水印的音頻時(shí)域信號。變換域水印技術(shù)較時(shí)域水印技術(shù)復(fù)雜, 但變換域嵌入的水印信息較時(shí)域而言, 不可見性更強(qiáng), 隱蔽性更好, 魯棒性更好。本文的研究主要基于DWT的音頻信號的水印信息的嵌入與提取。

1.3 壓縮域數(shù)字水印

在時(shí)域和變換域的水印技術(shù), 都是直接將水印信號嵌入未壓縮的音頻格式中, 但是通常在音頻信號的傳輸或存儲(chǔ)中需要對音頻信號進(jìn)行壓縮編碼 (例如WMA、MP3等) , 因此壓縮域數(shù)字水印也是水印技術(shù)也具有較大的實(shí)用價(jià)值。壓縮域數(shù)字水印技術(shù)大致可分為三類: (1) 在非壓縮域嵌入水印, 將音頻信號與水印信息一起壓縮; (2) 在壓縮域中, 直接將水印信息嵌入壓縮的音頻信號中; (3) 將壓縮后的信號進(jìn)行解壓縮, 然后嵌入水印信息, 最后將水印信息和解壓后的音頻信號一起壓縮?？偟膩碚f, 壓縮域水印技術(shù)的編解碼系統(tǒng)過于復(fù)雜, 受壓縮編碼格式限制大, 壓縮后的音頻信號已經(jīng)去除了冗余, 因此加入水印的難度大, 壓縮域水印技術(shù)有待進(jìn)一步研究。

2 基于DWT的音頻水印算法

2.1 水印嵌入

本文研究的音頻水印算法是基于離散小波變換 (DWT) , 音頻信號通過DWT變換, 在變換域中嵌入水印信息, 再經(jīng)過逆變換 (IDWT) 從而得到嵌入水印的音頻信號。水印嵌入原理框圖如圖1所示。

假定水印為M1×M2的二維圖像bw, 由于音頻信號通常為一維向量, 故水印信息在嵌入音頻信號之前需要將二維降至一維向量w, 即M=M1×M2。通常我們也可以將圖像進(jìn)行打亂加密, 增強(qiáng)水印隱蔽性。

假定語音信號為s, 長度為N, 則s={s1, s2, s3, …, sN}由于語音信號較長在處理中一般需要進(jìn)行分段, 每段長度設(shè)為N1, 故該語音信號分為K=fix (N/N1) 段進(jìn)行處理, 每段語音均嵌入一個(gè)水印信息。

小波變換是為了解決傅立葉變換的不足而提出的一種分析變換, 傅立葉變換的基函數(shù)是鋪滿整個(gè)時(shí)域的正弦信號, 對于突變信號以及變化的頻率成分信息均不能較準(zhǔn)確地表示。而小波變換是時(shí)間和頻率的局部變換, 更能準(zhǔn)確地表示音頻信號的頻域特征, 常用的小波基有Haar小波、Daubechies (db N) 小波、Marr小波等。本文采用的小波基是Haar小波, 它是支撐域在t∈[0, 1]范圍內(nèi)的矩形波, 定義如下:

圖1 音頻信號水印嵌入原理框圖

圖2 音頻信號水印提取原理框圖

取定Haar小波基后, 則語音信號s可以表示為:

其中C_{j, k}為離散小波系數(shù), 將音頻信號分解為低頻的近似部分和高頻的細(xì)節(jié)部分, 我們在水印信息的嵌入處理中, 主要針對代表低頻近似部分的系數(shù)向量處理, 即將水印信號放入低頻近似部分, 高頻細(xì)節(jié)部分不變, 以保證語音質(zhì)量基本不變。由于嵌入的水印為二值圖像, 因此如果水印信息的值為1, 則將對應(yīng)的低頻系數(shù)增大, 相反如果值為0, 則將對應(yīng)的低頻系數(shù)降低。在DWT域嵌入水印信息后, 然后通過IDWT變換, 將語音信號變換成時(shí)域信號。

2.2 水印提取

為了保證信息安全, 在發(fā)送端發(fā)送嵌入水印的音頻信號, 而在接收端為了確定音頻信息的準(zhǔn)確性, 我們通常需要提取水印以確保來源的真實(shí)性, 因此水印的提取技術(shù)也尤為重要。在水印提取過程中, 需要原始音頻信號與嵌入水印的音頻信號同時(shí)進(jìn)行DWT, 再將兩者參數(shù)進(jìn)行分析比較提取出水印信息。水印提取原理框圖如圖2所示。

在前面所述的水印嵌入過程中, 將水印信息嵌入高頻的細(xì)節(jié)部分, 因此在提取水印過程中, 我們也只需比較原始語音信號S的低頻小波系數(shù)向量c A與嵌入水印的音頻信號s1的低頻小波系數(shù)向量c A1作比較, 若c A1>c A, 則水印信息為1;反之則為0, 再通過向量平均, 如此得到水印信息的一維向量, 最后通過升維得到二值圖像。

二、部分源代碼

function [embimg,p]=wtmark(im,wt)
% wtmark function performs watermarking in DCT domain
% it processes the image into 8x8 blocks.

% im     = Input Image
% wt     = Watermark
% embimg = Output Embedded image
% p      = PSNR of Embedded image

% Checking Dimnesions
im=imread('b.jpg');
if length(size(im))>2
    im=rgb2gray(im);
end

im        = imresize(im,[512 512]); % Resize image
watermark = imresize(im2bw((wt)),[32 32]);% Resize and Change in binary 

x={}; % empty cell which will consist all blocks
dct_img=blkproc(im,[8,8],@dct2);% DCT of image using 8X8 block
m=dct_img; % Sorce image in which watermark will be inserted 

k=1; dr=0; dc=0;
% dr is to address 1:8 row every time for new block in x
% dc is to address 1:8 column every time for new block in x
% k is to change the no. of cell

%%%%%%%%%%%%%%%%% To divide image in to 4096---8X8 blocks %%%%%%%%%%%%%%%%%%
for ii=1:8:512 % To address row -- 8X8 blocks of image
    for jj=1:8:512 % To address columns -- 8X8 blocks of image
        for i=ii:(ii+7) % To address rows of blocks
            dr=dr+1;
            for j=jj:(jj+7) % To address columns of block
                dc=dc+1;
                z(dr,dc)=m(i,j);
            end
            dc=0;
        end
        x{k}=z; k=k+1;
        z=[]; dr=0;
    end
end
nn=x;

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% To insert watermark in to  blocks %%%%%
i=[]; j=[]; w=1; wmrk=watermark; welem=numel(wmrk); % welem - no. of elements
for k=1:4096
    kx=(x{k}); % Extracting block into kx for processing
    for i=1:8 % To address row of block
        for j=1:8 % To adress column of block
            if (i==8) && (j==8) && (w<=welem) % Eligiblity condition to insert watremark
                % i=1 and j=1 - means embedding element in first bit of every block                             
                 if wmrk(w)==0
                    kx(i,j)=kx(i,j)+35;
                elseif wmrk(w)==1
                    kx(i,j)=kx(i,j)-35;
                 end                                
            end            
        end        
    end
    w=w+1;
    x{k}=kx; kx=[]; % Watermark value will be replaced in block
end     

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% To recombine cells in to image %%%%%%%%%
i=[]; j=[]; data=[]; count=0;
embimg1={}; % Changing complete row cell of 4096 into 64 row cell 
for j=1:64:4096
    count=count+1;
    for i=j:(j+63)
        data=[data,x{i}];
    end
    embimg1{count}=data;
    data=[];
end

% Change 64 row cell in to particular columns to form image
i=[]; j=[]; data=[]; 
embimg=[];  % final watermark image 
for i=1:64
    embimg=[embimg;embimg1{i}];
end
embimg=(uint8(blkproc(embimg,[8 8],@idct2)));
imwrite(embimg,'out.jpg')
p=psnr(im,embimg);