基于DCT与DWT的音频数字水印嵌入与提取系统

资 源 简 介

该项目旨在利用MATLAB平台开发一套完整的音频数字水印处理方案，用于实现音频作品的版权保护和信息溯源。系统主要功能包括宿主音频的读取与预处理、水印信息的生成与加密、水印的嵌入算法实现以及水印的提取与鲁棒性验证。 在实现方法上，程序首先将待嵌入的文本或图像信息转换为二进制序列，并利用伪随机序列或混沌序列进行置乱，以增强水印的安全性。接着，系统对宿主音频信号进行分帧处理，并利用离散余弦变换（DCT）或离散小波变换（DWT）将时域信号转换至变换域。通过在变换域的特定频率系数中注入水印信息，并结合心理声学模型调

详 情 说 明

基于MATLAB的音频数字水印嵌入与提取系统

本项目提供一套完整的音频数字水印解决方案，涵盖水印信息的预处理、加密、嵌入、攻击模拟、提取以及最终的性能评估。系统利用变换域算法，在保证音频听觉质量的同时，增强了水印的稳定性和安全性。

功能特性

• 水印加密与安全性：采用混沌Logistic映射对水印信息进行随机置乱，显著提高了信息的防伪和防非法提取能力。
• 复合变换域算法：结合离散小波变换（DWT）与离散余弦变换（DCT）进行多尺度特征提取，利用低频分量的稳定性嵌入信息。
• 嵌入强度自适应：通过设置强度系数，在确保水印鲁棒性的同时，维持极高的音频不可感知性。
• 抗攻击测试与鲁棒性验证：内置模拟真实的信号处理攻击模块，包括高斯白噪声和FIR低通滤波攻击，用于检验算法的可信度。
• 性能定量评估：自动计算信噪比（SNR）和归一化相关系数（NC），为水印系统的性能提供客观评价标准。

使用方法

1. 启动MATLAB软件，并将工作路径设置为包含程序文件的文件夹。
2. 在命令行窗口输入主程序命令或直接运行主脚本。
3. 系统将自动执行以下全自动化流程：生成宿主信号 -> 处理加密水印 -> 嵌入水印 -> 模拟信道攻击 -> 提取还原水印 -> 生成评估报告。
4. 运行结束后，系统会弹出可视化窗口，展示音频波形的变化情况、水印位的对比结果以及最终的性能指标数值。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016a 或更高版本。
• 必要工具箱：Signal Processing Toolbox（信号处理工具箱）、Wavelet Toolbox（小波工具箱）。

实现逻辑与算法细节

系统的核心执行逻辑分为以下七个阶段，每一阶段均严格遵循数字水印处理的标准流程：

1. 宿主音频的读取与预处理 程序首先生成一个由多频率成分（440Hz和880Hz）组成的5秒扫频音频信号，并混入背景噪声以模拟真实环境。信号经过归一化处理，确保所有幅度处于标准范围内，为后续的变换域操作提供稳定的数据基础。

2. 水印信息的生成与混沌置乱 将标识文本转换为长度固定的8比特二进制序列。为了增强安全性，系统引入了Logistic混沌映射算法，利用设定的密钥生成伪随机序列，对水印二进制位进行位置置乱。这种机制确保即使嵌入算法被公开，没有密钥的第三方也无法解析真实的水印内容。

3. 变换域水印嵌入过程 系统采用DWT-DCT联合算法：

• 对音频进行3层离散小波分解（db1小波），提取出包含信号大部分能量的第3层近似分量。
• 将该分量划分为与水印长度对应的段落，对每一段落执行离散余弦变换（DCT）。
• 在DCT系数的中频位置（选择索引为2的系数）根据水印的0/1状态进行幅度微调。
• 通过逆处理（IDCT和逆小波重构）生成含水印的成品音频。

4. 攻击模拟模块 为了评估系统的实战生存能力，程序对含水印音频施加了复合攻击：

• 噪声攻击：叠加特定强度的脉冲白噪声。
• 滤波攻击：通过32阶FIR低通滤波器，模拟音频经过压缩或剪辑导致的信号高频丢失。

5. 水印提取过程 系统执行逆向提取流程。对受攻击的音频重新进行3层小波分解和分段DCT变换。通过将提取出的DCT中频系数与原始系数进行比较，判定该位置所代表的原始水印位，从而实现水印的半盲提取。

6. 解密与信息还原 提取出的乱序序列根据嵌入时生成的混沌索引进行逆向排布，恢复原始的二进制序列，最后将其由二进制转换回可读的文本字符串。

7. 性能评估与可视化

• 信噪比（SNR）：用于衡量宿主音频在嵌入水印后的信号失真程度。
• 归一化相关系数（NC）：用于衡量提取出的水印与原始水印之间的一致性，NC值越接近1表示算法越稳健。
• 可视化：系统通过多子图模式对比原始波形、带水印波形、受攻击波形以及水印位的重合度。

关键实现细节分析

• 频率选择平衡：代码选择在DCT变换后的第2个系数嵌入，这是为了在不可感知性（高频部分）与鲁棒性（低频部分）之间取得最佳平衡点，使得水印能够抵抗低通滤波。
• 混沌预热：在生成Logistic序列时，程序特意预先迭代100次以消除初始值的瞬态效应，增强序列的随机分布特性。
• 健壮性设计：使用辅助函数进行数值格式化处理，并通过可视化文本窗口直接反馈处理结果，提升了系统的交互便利性。