本文是該系列的第20篇。數(shù)字水印是一種將標識信息嵌入到載體當(dāng)中，且不影響載體使用的一種技術(shù)，主要分為時域水印嵌入算法（將水印嵌入到時域采樣數(shù)據(jù)中）和變換域水印嵌入算法（先對音頻做變換，將水印嵌入到變換域系數(shù)中）。本文將介紹一種簡單的時域水印嵌入算法——LSB算法。

LSB算法

通常數(shù)字水印技術(shù)有不可感知性的要求，即嵌入數(shù)字水印后載體數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，但是不會影響到該數(shù)據(jù)的使用，對使用者而言也不可察覺。

該算法將水印信息嵌入到數(shù)據(jù)的最低有效位（Least Significant Bit）部分，即將數(shù)據(jù)的LSB替換為需要加入的水印信息。這正是因為低位數(shù)據(jù)對整體數(shù)據(jù)的影響最小，這也導(dǎo)致嵌入的水印信息強度不高，否則會影響到載體的數(shù)據(jù)質(zhì)量。因此該算法僅限用于脆弱性數(shù)字水印（相較于魯棒性數(shù)字水印而言，無法承受大量失真）。

System Generator設(shè)計

該算法的實現(xiàn)很簡單，在Simulink中添加block按下圖連接：

數(shù)字水印嵌入部分，載體數(shù)據(jù)量化為Fix_12_11格式，水印信息量化為Fix_4_3格式，這里選擇兩首不同的音樂作為載體和水印。使用Concat拼接兩個數(shù)據(jù)，水印信息作為LSB。由于Concat模塊只接收無符號整數(shù)輸入，因此需要使用Reinterpret分別轉(zhuǎn)換為UFix格式。Concat輸出的數(shù)據(jù)再由Reinterpret轉(zhuǎn)換為Fix_16_15數(shù)據(jù)，導(dǎo)出到wav文件中。

數(shù)字水印提取部分，直接使用slice將音頻信號的低4Bits提取出即為數(shù)字水印信息。提取出的數(shù)據(jù)由Reinterpret轉(zhuǎn)換為Fix_4_3，寫入到音頻文件中。

系統(tǒng)采樣率為48000Hz，仿真時長10s即可。運行仿真后可以發(fā)現(xiàn)，播放添加了水印后的載體音樂時，完全聽不出其中包含水印音樂；播放提取出的水印音樂，發(fā)現(xiàn)由于該算法的限制性，量化位寬較少，存在一定的噪聲干擾。

block使用方法

●Concat：該block用于拼接多個比特向量，類似于Verilog語法中的“{ }”。該模塊的輸入只能是無符號整數(shù)，因此經(jīng)常和Reinterpret（在本系列第8篇中進行過詳細講述）配合使用。該模塊可以設(shè)置2~1024個輸入，拼接為1個輸出。

●Slice：該block用于提取輸入的二進制序列中的某些位作為輸出，輸出格式為無符號整數(shù)。該block的配置有多種提取方式可以選擇：

“Width of slice(number of bits)”設(shè)置提取出數(shù)據(jù)的位寬。當(dāng)選中“Boolean output”，如果截取的位寬為單比特，輸出類型會變?yōu)锽oolean。

Offset of top bit和Offset of bottom bit為計算截取高位和截取低位所需的偏置值。分別有一個Relative to設(shè)置計算偏置的方式。“Specify range as”中可以選擇三種提取數(shù)據(jù)的指定方式。

上面看起來比較繞，以實例的方式理解。假設(shè)輸入數(shù)據(jù)IN為Fix_16_8格式，Specify range as選擇Two bit location，即分別指定截取高位和截取低位：

• 兩者的Relative to都設(shè)置為“LSB of input”，top bit設(shè)置為3，bottom bit設(shè)置為0。提取結(jié)果為IN[3:0]，LSB of input表示從低位開始計算偏置值（offset）。
• top bit設(shè)置為-3，對應(yīng)的relative to設(shè)置為“MSB of input”；bottom bit設(shè)置為0，對應(yīng)的relative to設(shè)置為“LSB of input”。提取結(jié)果為IN[13:0]，MSB of input表示從高位開始計算偏置值（offset），偏置值必須是負數(shù)。
• Binary point of input，表示從小數(shù)點位置開始計算偏置值，設(shè)置為正數(shù)表示向高位計數(shù)，設(shè)置為負數(shù)表示向低位計數(shù)。比如bottom bit不變，top bit設(shè)置為-3、Binary point of input，則提取IN[4:0]；top bit設(shè)置為2、Binary point of input，則提取IN[9:0]。

Upper bit location+width、Lower bit location+width只需要設(shè)置截取高位或截取低位，只是截取長度由Width of slice指定。

編輯：hfy