基于LSB算法的语音信号数字水印嵌入与提取系统

资 源 简 介

本项目旨在开发一套基于MATLAB的语音信号数字水印处理方案，采用经典的最低有效位（LSB）算法实现秘密信息的隐藏与提取。系统核心功能涵盖了音频信号的载入、水印序列的预处理、信息嵌入、受保护音频的生成以及水印的完整性恢复。在实现过程中，系统首先将原始载体语音信号（WAV格式）和水印信息（如二值图像或二进制序列）进行离散化处理，通过位平面分解技术，将水印数据逐位替换掉语音采样点中的最低有效位。由于语音信号的幅值范围较大，最低位的改变在时域上引起的失真非常微小，从而保证了水印的听觉不可感知性。程序中提供了详尽

详 情 说 明

基于LSB算法的语音信号数字水印嵌入与提取系统

项目介绍

本项目是一款基于MATLAB开发的数字语音水印处理系统，主要采用最低有效位（Least Significant Bit, LSB）算法实现秘密信息的隐蔽传输与版权保护。系统通过在语音信号采样值的最低位嵌入二进制信息，实现了在保证语音听觉隐蔽性的前提下，对水印数据的精准保存与完整提取。该系统适用于数字音频防伪、版权标识以及低带宽秘密通信等场景。

功能特性

1. 自动化模拟环境：系统自带合成语音信号生成功能（双频正弦波）及模拟二值水印图像（32x32像素矩阵）生成功能，无需额外外部文件即可完成闭环演示。
2. 高保真嵌入：利用LSB算法原理，仅修改16位PCM音频的最细微量化位，确保嵌入水印后的音频在时域波形上与原始信号高度一致。
3. 精准提取流程：通过位级操作精确还原嵌入的二进制序列，并自动完成数据重构。
4. 多维度质量评估：系统能够自动计算信噪比（SNR）并统计水印提取的准确率。
5. 直观结果可视化：提供包括原始与含水印波形对比、水印图像对比、以及干扰误差分布在内的综合图表展示。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016a 或更高版本。
• 必要工具箱：Image Processing Toolbox（用于图像展示函数 imshow）。
• 硬件要求：标准计算机配置，支持音频输出以便测试主观音效（可选）。

核心实现逻辑说明

系统的执行流程严格遵循以下五个阶段：

1. 系统初始化与载体生成 程序首先定义采样率为44100Hz，合成一段持续2秒的双频正弦音频作为原始载体，并进行归一化处理。随后，通过矩阵赋值方式手动构建一个代表字符“W”的32x32二值图像作为待嵌入的水印。

2. 数据预处理与格式转换 为了进行位平面操作，系统将浮点格式的音频信号映射到16位整数空间（int16，范围-32768到32767）。同时，将二维水印图像展平为长度为1024的二进制一维向量，并进行容量检查，确保音频采样点数量大于水印位总数。

3. LSB水印嵌入环节 这是系统的算法核心。程序遍历水印向量，通过 bitset 函数逐一修改载体采样点的第1位（最低有效位）。如果水印位为1，则该位设为1；如果为0，则设为0。修改后的整数序列再转换回浮点格式，生成含水印的成品音频。

4. 盲提取过程 在提取阶段，系统直接访问含水印音频的位平面。利用 bitget 函数逐个读取采样点的第1位信息，获取二进制流。最后，根据原始定义的维度信息，将一维流重新转换回32x32的矩阵格式，完成图像还原。

5. 指标计算与可视化分析 系统通过对比原始载体与含水印载体的能量差值计算SNR（信噪比）。最后，程序启动图形界面，展示原始波形、含水印波形、水印修复效果以及因嵌入导致产生的微弱噪声残留。

关键函数与实现细节分析

• 位平面处理：系统使用了 MATLAB 内置的 bitset(A, bit, V) 和 bitget(A, bit) 函数。这是实现LSB算法最直接、最高效的方式，避免了复杂的模运算。
• 音频定点化：为了操作二进制位，必须将浮点音频（-1.0 到 1.0）乘以 32767 并转换为整数。这一步是保证水印能够稳健嵌入的关键，因为对浮点数进行位掩码操作在计算上是无意义的。
• 客观评价指标：SNR指标通过 log10(信号功率 / 噪声功率) 计算。实验证明，LSB嵌入在16位音频中通常能产生极高的SNR（通常在80-90dB以上），这解释了为什么人耳无法察觉水印带来的失真。
• 向量重塑技术：使用 reshape 函数实现了图像对象与传输比特流之间的平滑转换，保证了数据在嵌入前后空间结构的对应关系。

使用方法

1. 打开MATLAB软件，将当前工作目录定位至项目代码所在文件夹。
2. 在命令行窗口直接运行主脚本文件。
3. 运行完成后，系统会自动弹出绘图窗口，展示处理前后的波形及水印提取对比图。
4. 查看命令行窗口输出的“LSB水印执行报告”，获取SNR数值和提取完成度百分比。
5. 若需处理真实WAV文件，可参考注释自行修改音频读取函数。