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基于MATLAB的语谱图的显示与分析及DCT域数字.doc
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2023-07-03
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基于MATLAB的语谱图的显示与分析及DCT域数字.doc
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I
摘 要
语谱图一般根据语音信号的时域特性,通过分帧加窗、短时傅里叶变换计算
得到其灰度图,也可以进行伪彩色显示观察。首先,为了得到更高的分辨率和更
好的视觉效果来进行语音信号的处理与分析,本文利用 MATLAB 的编程算法和函
数库,对运算得到的语谱图使用伪彩色映射算法来观察能量分布,并对声音作进
一步的研究;其次,研究了一种基于 DCT 域数字水印技术的实现算法;最后,试
想利用语谱图将运用于图像水印的算法,是否也能运用到音频当中,如果实现了
那么将在音频数字水印领域有很大的应用。
文章给出了一种基于 MATLAB 的语谱图显示原理及实现方法。该算法实现了
宽带语谱图的灰度图和彩色图。文中也介绍了语谱图显示的前期准备工作,如语
音信号的去噪、预处理和分帧加窗等,实验结果说明了宽带语谱图能够获得较高
的时间分辨率,从而反映出频谱快速的时变过程。
然后介绍了一种基于 DCT 域图像水印算法原理及实现方法。文中通过对现有
数字图像水印算法的研究,设计并实现了 DCT 变换域中嵌入水印的算法。该算法
能够根据人眼的视觉对图像数据中频区域不敏感的特性,通过一定的规则对宿主
图像分块后依次对每块进行 DCT 变换,从而实现了水印的嵌入。实验结果表明该
算法可以很好的兼顾数字图像水印的鲁棒性和不可见性。
关键词: MATLAB,语谱图,伪彩色映射,DCT,数字水印
1
第一章 绪论
1.1 研究的背景及意义
随着时代的变迁和社会的发展,在这个物欲横流的社会背景下,互联网中传
播信息的媒介越来越多,如音视频、图像、数字图书等种类日益繁多。21 世纪
初,一大批的以网络视频、电子图书、商务办公等新的服务和在线运营为科研。
商业等创造了无线的发展空间,新媒体的崛起给互联网带来了巨大的商机。但是
在利益的驱使下,通过不正当手段获取和传播未经授权的数字产品的盗版者也异
军突起了。因此,为了维护版权所有者属于他们的正当利益,防止盗版等侵权事
件屡屡发生,建立良好的知识产权保护制度迫在眉睫。
与数字图像、网络视频等传播媒介的对嵌入水印的要求一样,数字音频水印
技术同样也是必须在保证了不损坏或破坏原有的音频数据的情况下,通过对音频
数据特性的研究,采用利用一定的算法嵌入水印后,依然可以使得原始音频数据
具有一定鲁棒性、不可感知性及可证明性等。与传统的数字图像水印技术和趋于
日渐成熟的视频水印技术相比,数字音频水印技术将会是一个长期需要坚持不懈
去努力的方向。一是因为人类听觉系统(HAS human auditory system)比较灵敏,
对周围的声音长期处于接收状态中,所以听觉感官对存在改变的音频数据有一定
察觉,导致可以嵌入到音频数据中的水印信息少之又少;二是互联网上存在许多
音频编辑工具,可以对原始音频的数据进行不可控的修改,将导致着音频数据的
丢失,从而对嵌入了水印的原始音频数据的起不到版权保护的作用。
语音信号处理的工作的相关研究,可以追溯到 20 世纪 50 年代末,贝尔实验
室通过研究发明出了一台将语音信号转换成图像显示的语谱图仪,从此为语音信
号的研究与分析提供了极大的帮助。首先语谱图的产生为数字音频水印技术的发
展奠定了夯实的基础。其次,利用语音信号所产生的语谱图,根据语谱图的灰度
及伪彩色显示,通过分析出的关于语谱图相关的特性,将运用于数字图像水印的
算法也运用到音频数据当中。最后,利用前人所研究出的关于图像水印和信息隐
藏的成果,结合音频数据产生的语谱图,将应用于数字图像水印的算法应用到语
谱图上,相信只要坚持研究下去积极面对遇到的问题以及找寻解决方案,那么音
频数字水印领域将会有很大的发展前景。
2
1.2 国内外研究现状分析
关于语音研究分析表明,很早都多是从语音频域和时域开始的,综合其特点。
语谱图----语音频谱图,一般是通过处理接收具有足够长度的的时域信号就可以
得到频域图,即针对语音数据的频谱分析图。可以理解为把语音复杂的表示过程
用三维图谱的分析出来,横轴代表时间,纵轴代表频率,坐标点值代表语音数据
能量,强度可以由平面的灰度表示强弱。通过分析语音的特征发现语谱图可以为
研究提供重要的工具。早期可以通过语普仪制作语谱图,而现在随着科技的发展,
业内人士可以通过计算机和数字信号处理等技术来显示语谱图,语谱图能够将语
音的许多特性淋淋尽致地呈现在人们眼前,通过研究语谱图可以得出以下结论:
语谱图在语音识别、语音合成及编码等方面的研究都具有重大意义。在
1970-1979 年中科院声学所大张旗鼓的对进行计算机语音方面等技术领域进行
了深入的研究,通过这几年对语谱图的深入研究得出来的经验。进一步推动了语
普图在我国的发展。
随着科技的发展,水印技术在我国很多领域也受到了足够的重视,已经有很
多专业人士投身于数字水印的技术研究,并且已经成立了很多具有相当实力的科
研机构投入到这一领域。自 20 世纪末 12 月召开了我国信息隐藏学术研讨会之后,
随之又有各种相关数字水印的学术会议不断召开,接着国家实施了各项计划,并
且国家相关单位也对数字水印技术提供了多项帮助,例如:项目资助。在国家的
大力支持和帮助下,数字水印技术领域的学术研究水平几乎可以与世界数字水印
水平发达工具相提并论,相信在不久的将来肯定会投入实际应用中。总的说来,
因为数字水印的研究基础是:计算机科学、密码学、通信理论、算法设计和信号
处理等。每个数字水印方案必将利用以上的多项技术来完成。随着科技的发展,
技术也会日新月异,在利用的过程中也会或多或少的存在着一些缺点。尽管人们
都在大力探索发展和研究完善数字水印的深层次技术,但从对数字水印发展技术
现状而言,数字水印技术还是存在着一些不足,没有完全成熟,并不能完全驾驭。
所以说,数字水印只能说是一门新兴的技术领域学科。综上所述:数字水印技术
还不是特别的成熟,只是处在一个技术评估的时段。在这个时段,数字水印技术
的深层技术并没有完全被人们广泛理解和应用,同样数字水印的高深技术问题还
有很多没有得到解决。
音频数字水印是数字水印的一个分支,是以音频数据为载体的防伪及版权保
护技术。数字水印是根据互联网中传播的数字媒体作品具有不确定性和存在一定
的冗余数据的特征,将日期、图像标志等带有标志性的信息嵌入到原创作者的作
品中,从而达到维护版权所有者的作品所有权和支配权的目的。这一操作不能影
3
响宿主数据原先所具有的应用价值,也不能改变原来数据量的大小。嵌入的水印
信息可以通过技术软件提取或检测出来,如果水印信息嵌入到音频数据上,则可
以通过特殊的设备或软件来检测、提取水印信息。该技术在军事通信,国家信息
安全、数字化网络等领域都具有研究发展的空间。
1.3 本文研究内容和章节安排
论文主要研究了语谱图显示的实现方法和基于 DCT 域数字图像水印算法实
现,论文首先通过 MATLAB 编程实现了音频数据生成宽带语谱图并对器灰度和彩
色显示作了对比分析。然后对于原始图像通过 DCT 变换嵌入水印图像,与原始图
像做分析比较,最后实时提取水印并对其质量进行评价。实验结果表明语谱图是
语音信号处理中重要的一种工具,用于处理语音信号在图像等领域的应用具有十
分重大的意义;证实 DCT 算法较好达到了数字图像水印的鲁棒性和不可见性之
间的平衡。论文各章节具体安排如下:
第一章语音信号处理及数字水印算法的研究背景和意义的阐述,以及对语谱
图和数字水印国内外现状的分析。
第二章首先阐述语音信号的基本特征,然后介绍语音信号的产生、预处理,
以及使用分帧加窗函数的作用。最后介绍了数字水印的特点,典型算法以及对数
字水印算法的性能评价的基准。
第三章主要介绍语谱图的实现过程以及各个过程的具体实施步骤主要包括
六个部分:语音录制,数据读入程序,信号分帧加窗,能量密度谱计算,功率谱
伪彩色显示,语谱图显示及对结果分析。
第四章主要介绍 DCT 数字水印算法的设计与实现过程,首先根据人眼对图
像的敏感程度确定水印嵌入位置对宿主图像嵌入水印;然后通过与原始图像对比
来检测水印是否存在,进而生成含有水印信息的二值图像并对其质量进行评价。
第五章总结主要概括了本课题进行实验结果的说明,其中存在许多需要解决
及有待改进的地方,通过对现有水印算法的设计与实现,根据前人所研究成果进
一步对下一步的工作进行了阐述。
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