基于圖形用戶界面的音頻雙水印方案

【摘要】以MATLAB仿真軟件為基礎(chǔ)，利用MATLAB的圖形用戶界面（GUI）設(shè)計(jì)了音頻雙水印的嵌入和檢測(cè)界面。該界面由四個(gè)部分構(gòu)成：水印系統(tǒng)登陸界面、雙水印嵌入、魯棒性檢測(cè)和篡改檢測(cè)界面。各界面間存在相互鏈接，可以方便地計(jì)算出信噪比、歸一化相關(guān)系數(shù)、水印篡改評(píng)估函數(shù)等參數(shù)并顯示在文本編輯框中，同時(shí)能夠清晰的顯示音頻波形、水印圖像、水印篡改評(píng)估曲線，無(wú)需對(duì)各種攻擊進(jìn)行一一測(cè)試。實(shí)驗(yàn)證明采用仿真界面降低了雙水印檢測(cè)的復(fù)雜度，具有較強(qiáng)的演示性和可視性。

【關(guān)鍵詞】MATLAB；圖形用戶界面；雙水?。换卣{(diào)函數(shù)

1.引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，多媒體作品不斷出現(xiàn)并得到廣泛傳播，其安全性也面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，如作品侵權(quán)、篡改更加方便。單水印算法只能解決音頻作品的版權(quán)問(wèn)題或內(nèi)容認(rèn)證問(wèn)題，而雙水印算法能夠同時(shí)解決這兩個(gè)問(wèn)題，主要被用到法庭上的證據(jù)錄音、重大事件新聞報(bào)道這些高價(jià)值的音頻作品中。音頻水印算法需要對(duì)算法參數(shù)選擇的合理性、效果好壞進(jìn)行反復(fù)多次的調(diào)試、驗(yàn)證，使得設(shè)計(jì)效率低，周期長(zhǎng)。MATLAB圖形用戶界面可以將數(shù)據(jù)或計(jì)算結(jié)果用圖形來(lái)表示，使數(shù)據(jù)特征或性能更直觀。

MATLAB圖形用戶界面[1]簡(jiǎn)稱為GUI（Graphic User Interface），是由窗口、光標(biāo)、按鍵、菜單、文字等圖形控制對(duì)象構(gòu)成的用戶視窗，用戶可自行添加控件，設(shè)計(jì)別具風(fēng)格的人機(jī)交互界面，以顯示各種計(jì)算信息和圖形；圖形控制對(duì)象有其對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，利用這些界面和設(shè)計(jì)的回調(diào)函數(shù)，用戶可以很輕松地完成某項(xiàng)功能。

2.音頻雙水印算法

本文采用在音頻作品中同時(shí)嵌入零水印[2]和半脆弱水印[3]的雙水印[4]方案，具有聯(lián)合防偽的功能，一方面實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)，另一方面鑒定作品是否遭篡改。零水印無(wú)需嵌入，半脆弱水印嵌入的為N×N的灰度圖像。

2.1 嵌入過(guò)程

1）將原始音頻信號(hào)進(jìn)行分段預(yù)處理，段數(shù)設(shè)為密鑰K1（K1=N）；對(duì)各音頻段分別進(jìn)行三級(jí)小波包分解，得到低頻系數(shù)和中低頻系數(shù)；2）提取各段低頻系數(shù)中絕對(duì)值大的K2個(gè)數(shù)，通過(guò)閾值比較和logistic混沌加密生成零水印序列，同時(shí)提取各段中低頻系數(shù)，再次分割為N小段，對(duì)每一小段進(jìn)行均值量化嵌入1bit水印，其中量化步長(zhǎng)為K3；3）檢測(cè)是否全部處理完，若完成利用修改后的小波包分解系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，得到嵌入水印的音頻，發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上。若未完成，繼續(xù)上述操作。

2.2 雙水印提取過(guò)程

雙水印提取過(guò)程和嵌入過(guò)程很相似，不同的是嵌入過(guò)程對(duì)原始音頻進(jìn)行處理，提取過(guò)程對(duì)待檢測(cè)音頻處理。為了檢測(cè)音頻的版權(quán)保護(hù)和內(nèi)容認(rèn)證情況，引入音頻信噪比SNR、歸一化相關(guān)系數(shù)（NC）和水印篡改評(píng)估函數(shù)TAF分別來(lái)評(píng)價(jià)嵌入水印音頻和原始音頻的差別、提取的零水印和注冊(cè)水印的差別和原始音頻內(nèi)容有無(wú)篡改及篡改程度。

3.雙水印GUI界面設(shè)計(jì)

3.1 MATLAB GUI的實(shí)現(xiàn)方法

在MATLAB工具欄中單擊GUIDE按鈕，打開(kāi)“GUIDE Quick Start”對(duì)話框，選擇建立空白用戶界面選項(xiàng)（Blank GUI），彈出圖形工作窗口。在圖形工作窗口左側(cè)列出了在圖形界面中包含的控件，如Push button、Static text、Axes、Panel、Button Group、Edit Text等，可以通過(guò)屬性設(shè)置該控件的背景色、前景色、Font size、String值等。常用工具欄上有和圖形界面對(duì)應(yīng)的M文件編輯器，在生成的M文件中利用回調(diào)函數(shù)設(shè)置控件對(duì)象的屬性、行為?；卣{(diào)函數(shù)一般獲得動(dòng)作的對(duì)象句柄（handles），包括對(duì)象控件的Tag值，例如handles.axes1。

3.2 仿真界面的整體框架

根據(jù)水印算法本身的特點(diǎn)，將音頻雙水印仿真界面分成四個(gè)部分：水印系統(tǒng)登陸界面、雙水印嵌入、魯棒性檢測(cè)和篡改檢測(cè)，每一界面又按照?qǐng)D2步驟進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，其中涉及音頻顯示區(qū)、水印顯示區(qū)、參數(shù)顯示區(qū)和按鈕選擇區(qū)。

3.2.1 水印系統(tǒng)登陸界面

圖3為水印算法演示系統(tǒng)的登陸界面，用鼠標(biāo)向編輯區(qū)添加控件，4個(gè)Static text，1個(gè)顯示標(biāo)題，控件屬性設(shè)置為Foreground Color紅色、String為“水印算法演示系統(tǒng)”、Font size為15，其它3個(gè)都添加到了Panel中，String分別為“設(shè)計(jì)者”、“協(xié)助者”、“日期”，F(xiàn)ont size為10；1個(gè)Axes，用來(lái)顯示圖片；1個(gè)button group，添加了2個(gè)Push button，String分別設(shè)為“進(jìn)入”和“退出”，點(diǎn)擊“進(jìn)入”按鈕可啟動(dòng)音頻雙水印嵌入過(guò)程，其回調(diào)函數(shù)中輸入下一界面名稱，“退出”按鈕可以關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)，其回調(diào)函數(shù)中輸入close。

3.2.2 雙水印嵌入過(guò)程

在水印嵌入界面中需要添加的控件為：

3個(gè)Axes；4個(gè)Static text；5個(gè)Push button；1個(gè)Edit text。鼠標(biāo)單擊“原始音頻信號(hào)”按鈕，將在axes1中顯示其波形，m文件中代碼如下所示：

axes（handles.axes1）；%選擇動(dòng)作控件axes1

plot（x）；%在該控件中顯示原始音頻波形

axis（[0，1.8*10^5，-0.5，0.5]）；設(shè)置坐標(biāo)范圍

單擊其他按鈕在顯示窗口也將動(dòng)態(tài)顯示圖形，全部顯示的效果如圖4所示。雙水印嵌入中采用圖像為64×64的灰度圖像，原始音頻為采樣頻率44.1kHz，分辨率16bits的單聲道WAV格式數(shù)字音頻信號(hào)。

3.2.3 雙水印魯棒性檢測(cè)

雙水印魯棒性檢測(cè)主要有兩個(gè)目的：1）零水印魯棒性測(cè)試實(shí)現(xiàn)音頻的版權(quán)保護(hù)；2）驗(yàn)證半脆弱水印對(duì)常規(guī)攻擊有一定的魯棒性。前者的驗(yàn)證比較簡(jiǎn)單，就不再?gòu)?qiáng)調(diào)，本文通過(guò)仿真驗(yàn)證半脆弱水印的特點(diǎn)。如圖5所示，在此界面中使用了9個(gè)Axes；10個(gè)Push button；2個(gè)Static text；1個(gè)Edit text。按鈕Push button的設(shè)置和圖5中相同，可編輯文本框（Edit Text）能夠?qū)崿F(xiàn)變量的輸出，首先計(jì)算出歸一化相關(guān)系數(shù)的值，公式如文獻(xiàn)[4]所示，再用“set”函數(shù)將結(jié)果寫(xiě)入控件文本框中。數(shù)據(jù)傳遞所用語(yǔ)句為：

E3=nc；%nc為計(jì)算出的歸一化相關(guān)系數(shù)

set（handles.edit6，’string’，strvcat（[num2str（E1）]，[num2str（E2）]，[num2str（E3）]））；%將輸出的歸一化相關(guān)系數(shù)按列顯示出來(lái)

3.2.4 篡改檢測(cè)

通過(guò)圖6界面能夠完成音頻的內(nèi)容完整性認(rèn)證，顯然從圖中可以觀察出經(jīng)剪切和替換等惡意攻擊后的水印和原始音頻并確定篡改位置。在此界面中所用控件為6個(gè)Axes；5個(gè)Push button；3個(gè)Static text。單擊“上一步”彈出魯棒性檢測(cè)的界面，各個(gè)界面間都存在相互鏈接，都是通過(guò)“下一步”和“上一步”按鈕完成。圖中水印篡改評(píng)估函數(shù)計(jì)算公式在文獻(xiàn)[5]中已列出，左側(cè)圖中綠色曲線為剪切1/4各音頻段的篡改評(píng)估值變化，紅色曲線為剪切1/2的效果。右圖對(duì)應(yīng)的是經(jīng)替換攻擊音頻各段的篡改評(píng)估值變化情況，其代碼為：

axes（handles.axes6）；

plot（x，T3，'.-g'，'LineWidth'，2）；%T3為計(jì)算出的篡改評(píng)估值

hold on；%保留圖形

plot（x，T4，'r'，'LineWidth'，2）；% T4為計(jì)算出的另一組篡改評(píng)估值

axis（[0，64，0，100]）；%設(shè)置坐標(biāo)軸范圍

set（gca，'XTick'，[0：4：64]）；%當(dāng)前圖中x軸的坐標(biāo)刻度

set（gca，'YTick'，[0：20：100]）；%當(dāng)前圖中y軸的坐標(biāo)刻度

4.結(jié)語(yǔ)

音頻雙水印是隨著多媒體的迅速發(fā)展而興起的一門(mén)新技術(shù)，針對(duì)音頻作品的版權(quán)保護(hù)和內(nèi)容認(rèn)證等進(jìn)行研究，需要通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明算法的可行性。本文利用MATLAB強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)和優(yōu)化工具箱、豐富的圖形處理函數(shù)，結(jié)合MATLAB GUI技術(shù)建立了音頻雙水印的圖形界面系統(tǒng)，該界面集參數(shù)設(shè)置、波形顯示、仿真測(cè)試為一體，使波形和參數(shù)一目了然，大大提高了驗(yàn)證速度，略去了對(duì)復(fù)雜代碼的查看。

參考文獻(xiàn)

[1]安樹(shù)，趙霞.基于Matlab GUI的整流電路仿真設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（4）：155-158.

[2]楊晉霞.數(shù)字音頻零水印及其應(yīng)用[D].太原：太原理工大學(xué)，2010.

[3]趙紅，沈東升.基于支持向量機(jī)的半脆弱數(shù)字音頻水印算法[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30（7）：1745-1748.

[4]楊晉霞，馬朝陽(yáng)，張雪英.基于小波包分析的數(shù)字音頻雙水印算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010，30（5）：1217-1220.

作者簡(jiǎn)介：

楊晉霞（1984—），女，河南鄭州人，碩士研究生，畢業(yè)于太原理工大學(xué)，現(xiàn)供職于鄭州科技學(xué)院信息工程學(xué)院，研究方向：數(shù)字水印。

邵峰（1979—），男，河南鄭州人，碩士研究生，畢業(yè)于太原理工大學(xué)，現(xiàn)供職于鄭州科技學(xué)院電氣工程學(xué)院，研究方向：智能控制與自動(dòng)化。

牛丹丹（1985—），女，河南鄭州人，碩士研究生，畢業(yè)于重慶郵電大學(xué)，現(xiàn)供職于鄭州科技學(xué)院信息工程學(xué)院，研究方向：LTE協(xié)議棧。