基于離散小波變換的數(shù)字音頻水印技術(shù)研究

溫 雪

（青島酒店管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山東 青島 266100）

0 引言

傳統(tǒng)的數(shù)字音頻水印處理，多是通過單質(zhì)定向水印或者面積性水印來實(shí)現(xiàn)的，這種方式雖然可以完成預(yù)期的處理目標(biāo)，但實(shí)際上在這個過程中，常常會出現(xiàn)水印混亂、層次不清晰或者音頻損壞等問題，會極大地影響水印制作的效果[1-3]。因此，需要對基于離散小波變換的數(shù)字音頻水印技術(shù)進(jìn)行研究和分析，實(shí)現(xiàn)水印技術(shù)的優(yōu)化、完善?？紤]到最終處理結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性，本文會選擇在較為真實(shí)的環(huán)境之下，結(jié)合離散小波變換技術(shù)，以傳統(tǒng)的處理標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，構(gòu)架更加靈活、多變的水印嵌入結(jié)構(gòu)，在執(zhí)行時，提取對應(yīng)的水印問題，制定具有針對性的解決方案，合理均衡地消除存在的矛盾，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)字音頻水印轉(zhuǎn)換，提升整體的水印抗信號處理能力，為后續(xù)水印的維護(hù)以及壓縮提供更加合理的依據(jù)[4]。

1 離散小波變換下數(shù)字音頻水印技術(shù)探析

1.1 數(shù)字音頻水印感知預(yù)處理

利用小波變換技術(shù)，在音頻內(nèi)部形成一種自由轉(zhuǎn)換模式，獲取表征信號以及尺度域，促使音頻的水印時域化，此時，將原始的音頻進(jìn)行小波變換，并計(jì)算出給定閾值，具體見公式1：

公式1 中：Y表示給定閾值，c表示重構(gòu)距離，i表示轉(zhuǎn)換序列范圍[5]。通過上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的給定閾值。根據(jù)得出的給定閾值，更改調(diào)整原音頻中的小波變換重要系數(shù)，形成初始水印信號，將區(qū)域內(nèi)的信號壓縮成灰度嵌入包，發(fā)送到預(yù)設(shè)的音頻處理地址[6]。然后，劃定水印小波變換系數(shù)具體的嵌入位置，實(shí)現(xiàn)逆變換，完成數(shù)字音頻水印感知預(yù)處理，為后續(xù)的水印嵌入奠定基礎(chǔ)。

1.2 自適應(yīng)嵌入目標(biāo)設(shè)定

為了提升水印嵌入的貼合度，可以在預(yù)設(shè)的嵌入范圍之內(nèi)，假設(shè)原音頻信號為單向指令協(xié)議，在區(qū)域之內(nèi)設(shè)定對應(yīng)數(shù)量的嵌入節(jié)點(diǎn)，計(jì)算出單向嵌入幅度值，具體見公式2：

公式2 中：W表示單向嵌入幅度值，j表示嵌入方向，N表示進(jìn)制處理常數(shù)。通過上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的單向嵌入幅度值[7-8]。在音頻灰度處理中，在單向嵌入幅度值基礎(chǔ)上作出對應(yīng)調(diào)節(jié)，采用DCT 動態(tài)壓縮執(zhí)行處理技術(shù)，構(gòu)建自適應(yīng)量化嵌入范圍，并計(jì)算出DCT 變換系數(shù)，具體見公式3：

公式3 中：K表示DCT 變換系數(shù)，T表示量化距離，R表示低頻極限值。通過上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的DCT 變換系數(shù)[9]。根據(jù)自適應(yīng)的嵌入方式，劃定小波變換的實(shí)際環(huán)節(jié)，將音頻中的4 個低頻AC 分量逐漸轉(zhuǎn)換為8位的高頻，形成動態(tài)自適應(yīng)嵌入目標(biāo)。

1.3 音頻信號分段處理及嵌入重組

音頻信號分段處理及嵌入重組，主要是對音頻水印嵌入的分段處理。傳統(tǒng)的嵌入會以綜合復(fù)制的方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)部嵌入，但是這種方式一直存在弊端，很容易出現(xiàn)大面積的水印混亂。所以，需要進(jìn)行一定的整改和調(diào)整。采用逆向處理法先將數(shù)字音頻信號依據(jù)特征作出分段，并設(shè)定嵌入水印內(nèi)部信息的執(zhí)行協(xié)議，確保數(shù)字水印的透明度以及魯棒性，單個音頻的處理長度為6 為宜[10]。后續(xù)在每個音頻段之中嵌入3 個單向比特水印信息，并構(gòu)建具體的分段處理、重組結(jié)構(gòu)，具體見圖1。

根據(jù)圖1，可以完成對音頻水印嵌入分段處理、重組結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

1.4 音頻離散加密變換處理

結(jié)合離散小波變換技術(shù)，進(jìn)行音頻離散加密變換處理。在目標(biāo)音頻段之中，選取一個核心嵌入點(diǎn)，制定變換信號，設(shè)定離散波動范圍，形成動態(tài)加密嵌入原理，以金字塔的形式，布設(shè)對應(yīng)的信號，假設(shè)二維信號子帶分別是IL1、LH1、HL1 和HH1 上的雙向變換系數(shù)，完成對音頻水印嵌入信號金字塔處理結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和構(gòu)建。利用離散小波變換技術(shù)，對基礎(chǔ)音頻段作出二維信號高通和低通濾波處理，從多個方向，對HH1 的音頻特征以及水印格式作出修改，核定實(shí)時的轉(zhuǎn)換系數(shù)，一般需要控制在0.45～0.85之間即可。

根據(jù)人類視覺和聽覺的需要，構(gòu)建離散平滑水印的格式，并在嵌入?yún)^(qū)域設(shè)定加密協(xié)議，確保二通道濾波嵌入處理處于正交狀態(tài)，可以在提升整體水印識別率以及加密程度同時，實(shí)現(xiàn)多方向的音頻離散加密變換處理。

1.5 離散小波變換嵌入模型設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)離散小波變換嵌入模型，對音頻中每一個水印的嵌入點(diǎn)進(jìn)行定位，從魯棒性的角度出發(fā)，核定嵌入的自適應(yīng)路徑，在加入水印的整個過程中，將原始音頻的嵌入局部特征調(diào)整為重合整體特征，并逐漸增加入水印的強(qiáng)度，與此同時，對此時音頻的小波變換狀態(tài)做出引導(dǎo)與調(diào)整，形成基礎(chǔ)嵌入建模。對音頻段實(shí)時嵌入效果進(jìn)行衡量，擴(kuò)大具體的嵌入范圍。

采用DWT 方法更改離散小波的變換頻率，在對應(yīng)的嵌入子帶之上，對嵌入的水印信息壓縮，傳輸至對應(yīng)的疊加地址中。但是需要注意的是，部分的離散波段是動態(tài)的，并不固定，所以，獲取的數(shù)據(jù)也并不精準(zhǔn)?？梢詷?biāo)記逆變系數(shù)，劃定具體的嵌入范圍，在頻域和時域中同時形成小波變換疊加，在模型中形成比照標(biāo)準(zhǔn)，完成對小波變換疊加比照標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定與效果的呈現(xiàn)。將獲取的數(shù)據(jù)以及標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定在模型之中，增設(shè)對應(yīng)的侵入模塊，形成逆變處理嵌入模式，最終完成離散小波變換嵌入模型的設(shè)計(jì)。

1.6 Fibonacci 小波逆向置換法實(shí)現(xiàn)數(shù)字音頻水印處理

采用Fibonacci 小波逆向置換法來最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字音頻水印處理。這部分可以采用置亂分散比特嵌入劃分的形式來實(shí)現(xiàn)，可以預(yù)先劃定具體的魯棒處理范圍，在離散波段的變化區(qū)域之內(nèi)，對目標(biāo)音頻作出Fibonacci 變換預(yù)處理。

將逆向嵌入周期更改為2 或4，根據(jù)嵌入的途徑，使水印均勻分散布設(shè)在數(shù)字音頻之中，在確保標(biāo)記的同時，還可以最大程度提升數(shù)字音頻的安全性與穩(wěn)定性，降低水印處理的誤差與缺陷，減少破損以及殘缺等水印問題。在等效變換的環(huán)境之下，形成穩(wěn)定、安全的嵌入處理效果，增加嵌入的清晰度與持續(xù)性，最終通過Fibonacci 小波逆向置換法實(shí)現(xiàn)數(shù)字音頻水印的最終處理。

2 方法測試

本次主要是對離散小波變換下數(shù)字音頻水印技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析與研究。選取一段標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻A作為測試的主要目標(biāo)對象，將A 音頻均等地劃定為3 個階段?？紤]到最終測試結(jié)果的精準(zhǔn)度、可靠性，測試以較為真實(shí)的環(huán)境為背景，以比照的形式展開。選擇3 種方法在相同的環(huán)境之下同時展開測試，第1 組為傳統(tǒng)的時域數(shù)字音頻處理方法，將其設(shè)定為傳統(tǒng)時域數(shù)字音頻處理測試組；第2 組為傳統(tǒng)的自適應(yīng)音頻處理方法，將其設(shè)定為傳統(tǒng)自適應(yīng)音頻處理測試組；第3 組為本文所設(shè)計(jì)的音頻處理技術(shù)，需要設(shè)定為離散小波變換數(shù)字音頻測試組。最終得出的結(jié)果對比分析，接下來，需要搭建相關(guān)的測試環(huán)境。

2.1 測試準(zhǔn)備

在對離散小波變換下數(shù)字音頻水印技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析與研究之前，需要先搭建相應(yīng)的測試環(huán)境。利用專業(yè)的處理儀器，對目標(biāo)A 音頻進(jìn)行基礎(chǔ)性的處理和識別，并獲取音頻的灰度值，具體見公式4：

公式4 中：H表示音頻灰度值，t表示水印進(jìn)制距離，y表示逆向處理范圍。通過上述計(jì)算，可以得出實(shí)際的音頻灰度值。此時，將原始音頻依據(jù)特征劃分為不同的階段，結(jié)合離散小波變換技術(shù)，構(gòu)建3L+1 子帶，并預(yù)設(shè)基礎(chǔ)的指標(biāo)參數(shù)，具體見表1。

表1 基礎(chǔ)數(shù)字音頻水印指標(biāo)參數(shù)預(yù)設(shè)表

根據(jù)表1，可以完成對基礎(chǔ)數(shù)字音頻水印指標(biāo)參數(shù)的預(yù)設(shè)。隨后，在目標(biāo)音頻A 中，對水印圖像進(jìn)行置亂，隨機(jī)生成子集矩陣，并計(jì)算數(shù)字音頻的水印重復(fù)比，具體見公式5：

公式5 中：U表示數(shù)字音頻的水印重復(fù)比，e表示隨機(jī)嵌入點(diǎn)，m表示波動系數(shù)。通過上述計(jì)算，可以得出實(shí)際的數(shù)字音頻水印重復(fù)比。在矩陣中設(shè)定對應(yīng)的嵌入節(jié)點(diǎn)，結(jié)合重復(fù)比，劃定對應(yīng)的處理區(qū)域，并分設(shè)逆變離散距離。

以此為基礎(chǔ)，采用離散小波變換處理，將每一個節(jié)點(diǎn)與矩陣形成關(guān)聯(lián)，獲取首批水印處理數(shù)據(jù)，做好記錄。隨即在預(yù)設(shè)的小波系數(shù)矩陣之中，測定水印強(qiáng)度因子，計(jì)算出抗壓強(qiáng)度值，具體見公式6：

公式6 中：B表示抗壓強(qiáng)度值，x表示強(qiáng)度因子，f表示小波轉(zhuǎn)換比。通過上述計(jì)算，可以得出實(shí)際的抗壓強(qiáng)度值，對A 音頻覆蓋區(qū)域明確劃定。核定測試的設(shè)備與裝置是否處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，同時確保不存在影響最終測試結(jié)果的外部因素，核定無誤后，開始具體的測試。

2.2 測試過程及結(jié)果分析

在上述搭建的測試環(huán)境之中，結(jié)合離散小波變換技術(shù)，對目標(biāo)A 數(shù)字音頻進(jìn)行水印嵌入處理。根據(jù)小波變換的實(shí)際狀態(tài)，獲取基礎(chǔ)水印數(shù)據(jù)，識別描繪嵌入的過程，具體見圖2。

根據(jù)圖2，可以完成對識別描繪嵌入過程的構(gòu)建與狀態(tài)把控。在音頻處理中，對于水印的嵌入一般是單向的，會采用特定的格式實(shí)現(xiàn)，但是這種方法的效果并不好，對于后期的維護(hù)和調(diào)整也會形成不同程度的阻礙。

將目標(biāo)音頻進(jìn)行二次嵌入處理，對音頻中的嵌入強(qiáng)度因子作出識別，促使水印經(jīng)過小波變換后自身的高頻系數(shù)逐漸發(fā)生變化，由低至高逐步攀升，而此時音頻的水印嵌入已經(jīng)完成應(yīng)變標(biāo)記，確保低頻系數(shù)在89%以上，高頻系數(shù)在97%以上即可。依據(jù)原始音頻小波系數(shù)的特征量，控制水印的嵌入強(qiáng)度，通過計(jì)算出實(shí)際的魯棒系數(shù)來驗(yàn)證具體的處理效果，見表2。

表2 測試結(jié)果對比分析表

根據(jù)表2，可以完成測試分析：與傳統(tǒng)時域數(shù)字音頻處理測試組以及傳統(tǒng)自適應(yīng)音頻處理測試組相對比，本文所設(shè)計(jì)的離散小波變換數(shù)字音頻測試組最終得出的魯棒系數(shù)相對較高，并控制在合理的范圍之內(nèi)，表明對于水印的嵌入誤差較少，效果更佳，具有實(shí)際的應(yīng)用價值。

3 結(jié)語

綜上所述，與傳統(tǒng)的數(shù)字音頻水印方法相比，本文所設(shè)計(jì)的處理模式，以離散小波變換技術(shù)作為輔助支持，營造更加穩(wěn)定、安全的處理環(huán)境，并構(gòu)建靈活的水印制作方法。在復(fù)雜的處理環(huán)境中，還需要加強(qiáng)對音頻嵌入數(shù)據(jù)的核定以及計(jì)算，提升綜合精準(zhǔn)度，在合理的范圍之內(nèi)，擴(kuò)大水印覆蓋的區(qū)域，根據(jù)特定的層級，形成具體的水印樣式，為相關(guān)技術(shù)和行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展奠定更為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)條件。