基于LSB算法的数字水印技术解析

本文是该系列的第20篇。数字水印是一种将标识信息嵌入到载体当中，且不影响载体使用的一种技术，主要分为时域水印嵌入算法（将水印嵌入到时域采样数据中）和变换域水印嵌入算法（先对音频做变换，将水印嵌入到变换域系数中）。本文将介绍一种简单的时域水印嵌入算法——LSB算法。

LSB算法

通常数字水印技术有不可感知性的要求，即嵌入数字水印后载体数据发生了变化，但是不会影响到该数据的使用，对使用者而言也不可察觉。

该算法将水印信息嵌入到数据的最低有效位（Least Significant Bit）部分，即将数据的LSB替换为需要加入的水印信息。这正是因为低位数据对整体数据的影响最小，这也导致嵌入的水印信息强度不高，否则会影响到载体的数据质量。因此该算法仅限用于脆弱性数字水印（相较于鲁棒性数字水印而言，无法承受大量失真）。

System Generator设计

该算法的实现很简单，在Simulink中添加block按下图连接：

数字水印嵌入部分，载体数据量化为Fix_12_11格式，水印信息量化为Fix_4_3格式，这里选择两首不同的音乐作为载体和水印。使用Concat拼接两个数据，水印信息作为LSB。由于Concat模块只接收无符号整数输入，因此需要使用Reinterpret分别转换为UFix格式。Concat输出的数据再由Reinterpret转换为Fix_16_15数据，导出到wav文件中。

数字水印提取部分，直接使用slice将音频信号的低4Bits提取出即为数字水印信息。提取出的数据由Reinterpret转换为Fix_4_3，写入到音频文件中。

系统采样率为48000Hz，仿真时长10s即可。运行仿真后可以发现，播放添加了水印后的载体音乐时，完全听不出其中包含水印音乐；播放提取出的水印音乐，发现由于该算法的限制性，量化位宽较少，存在一定的噪声干扰。

block使用方法

●Concat：该block用于拼接多个比特向量，类似于Verilog语法中的“{ }”。该模块的输入只能是无符号整数，因此经常和Reinterpret（在本系列第8篇中进行过详细讲述）配合使用。该模块可以设置2~1024个输入，拼接为1个输出。

●Slice：该block用于提取输入的二进制序列中的某些位作为输出，输出格式为无符号整数。该block的配置有多种提取方式可以选择：

“Width of slice(number of bits)”设置提取出数据的位宽。当选中“Boolean output”，如果截取的位宽为单比特，输出类型会变为Boolean。

Offset of top bit和Offset of bottom bit为计算截取高位和截取低位所需的偏置值。分别有一个Relative to设置计算偏置的方式。“Specify range as”中可以选择三种提取数据的指定方式。

上面看起来比较绕，以实例的方式理解。假设输入数据IN为Fix_16_8格式，Specify range as选择Two bit location，即分别指定截取高位和截取低位：

• 两者的Relative to都设置为“LSB of input”，top bit设置为3，bottom bit设置为0。提取结果为IN[3:0]，LSB of input表示从低位开始计算偏置值（offset）。
• top bit设置为-3，对应的relative to设置为“MSB of input”；bottom bit设置为0，对应的relative to设置为“LSB of input”。提取结果为IN[13:0]，MSB of input表示从高位开始计算偏置值（offset），偏置值必须是负数。
• Binary point of input，表示从小数点位置开始计算偏置值，设置为正数表示向高位计数，设置为负数表示向低位计数。比如bottom bit不变，top bit设置为-3、Binary point of input，则提取IN[4:0]；top bit设置为2、Binary point of input，则提取IN[9:0]。

Upper bit location+width、Lower bit location+width只需要设置截取高位或截取低位，只是截取长度由Width of slice指定。

编辑：hfy