Python實(shí)現(xiàn)音頻添加數(shù)字水印的示例詳解
數(shù)字水印技術(shù)可以將隱藏信息嵌入到音頻文件中而不明顯影響音頻質(zhì)量。下面我將介紹幾種在Python中實(shí)現(xiàn)音頻數(shù)字水印的方法。
方法一:LSB (最低有效位) 水印
import numpy as np
from scipy.io import wavfile
def embed_watermark_lsb(audio_path, watermark, output_path):
# 讀取音頻文件
sample_rate, audio_data = wavfile.read(audio_path)
# 確保是立體聲,如果是單聲道則轉(zhuǎn)換為立體聲
if len(audio_data.shape) == 1:
audio_data = np.column_stack((audio_data, audio_data))
# 將水印轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制
watermark_bin = ''.join(format(ord(c), '08b') for c in watermark)
watermark_bin += '00000000' # 添加結(jié)束標(biāo)記
# 檢查水印是否適合音頻
if len(watermark_bin) > audio_data.size:
raise ValueError("水印太大,無(wú)法嵌入到音頻中")
# 嵌入水印到最低有效位
watermark_index = 0
for i in range(len(audio_data)):
for j in range(len(audio_data[i])):
if watermark_index < len(watermark_bin):
# 替換最低有效位
audio_data[i][j] = (audio_data[i][j] & 0xFE) | int(watermark_bin[watermark_index])
watermark_index += 1
else:
break
# 保存帶水印的音頻
wavfile.write(output_path, sample_rate, audio_data)
def extract_watermark_lsb(audio_path, watermark_length):
# 讀取音頻文件
sample_rate, audio_data = wavfile.read(audio_path)
# 提取最低有效位
watermark_bits = []
for i in range(len(audio_data)):
for j in range(len(audio_data[i])):
watermark_bits.append(str(audio_data[i][j] & 1))
# 將比特轉(zhuǎn)換為字節(jié)
watermark = ''
for i in range(0, len(watermark_bits), 8):
byte = ''.join(watermark_bits[i:i+8])
if byte == '00000000': # 遇到結(jié)束標(biāo)記
break
watermark += chr(int(byte, 2))
return watermark[:watermark_length]
# 使用示例
embed_watermark_lsb('original.wav', '秘密消息', 'watermarked.wav')
extracted = extract_watermark_lsb('watermarked.wav', 4)
print("提取的水印:", extracted)方法二:頻域水印 (DCT變換)
import numpy as np
from scipy.fftpack import dct, idct
from scipy.io import wavfile
def embed_watermark_dct(audio_path, watermark, output_path, alpha=0.01):
# 讀取音頻
sample_rate, audio_data = wavfile.read(audio_path)
# 如果是立體聲,只使用一個(gè)聲道
if len(audio_data.shape) > 1:
audio_data = audio_data[:, 0]
# 將水印轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制
watermark_bin = ''.join(format(ord(c), '08b') for c in watermark)
watermark_bin = [int(b) for b in watermark_bin]
# 分段處理音頻
segment_size = 1024
num_segments = len(audio_data) // segment_size
watermark_length = len(watermark_bin)
if num_segments < watermark_length:
raise ValueError("音頻太短,無(wú)法嵌入水印")
# 嵌入水印
watermarked_audio = np.copy(audio_data)
for i in range(watermark_length):
start = i * segment_size
end = start + segment_size
segment = audio_data[start:end]
dct_coeffs = dct(segment, norm='ortho')
# 修改中頻系數(shù)嵌入水印
coeff_index = 100 # 選擇一個(gè)中頻系數(shù)
if watermark_bin[i] == 1:
dct_coeffs[coeff_index] += alpha * np.abs(dct_coeffs[coeff_index])
else:
dct_coeffs[coeff_index] -= alpha * np.abs(dct_coeffs[coeff_index])
# 逆DCT變換
watermarked_segment = idct(dct_coeffs, norm='ortho')
watermarked_audio[start:end] = watermarked_segment
# 保存帶水印的音頻
wavfile.write(output_path, sample_rate, watermarked_audio.astype(np.int16))
def extract_watermark_dct(audio_path, original_path, watermark_length):
# 讀取帶水印音頻和原始音頻
sample_rate, watermarked = wavfile.read(audio_path)
_, original = wavfile.read(original_path)
# 如果是立體聲,只使用一個(gè)聲道
if len(watermarked.shape) > 1:
watermarked = watermarked[:, 0]
original = original[:, 0]
segment_size = 1024
watermark_bits = []
for i in range(watermark_length):
start = i * segment_size
end = start + segment_size
wm_segment = watermarked[start:end]
orig_segment = original[start:end]
wm_dct = dct(wm_segment, norm='ortho')
orig_dct = dct(orig_segment, norm='ortho')
coeff_index = 100
if wm_dct[coeff_index] > orig_dct[coeff_index]:
watermark_bits.append('1')
else:
watermark_bits.append('0')
# 將比特轉(zhuǎn)換為字符串
watermark = ''
for i in range(0, len(watermark_bits), 8):
byte = ''.join(watermark_bits[i:i+8])
watermark += chr(int(byte, 2))
return watermark
# 使用示例
embed_watermark_dct('original.wav', '秘密', 'watermarked_dct.wav', 0.02)
extracted = extract_watermark_dct('watermarked_dct.wav', 'original.wav', 16)
print("提取的水印:", extracted)方法三:擴(kuò)頻水印
import numpy as np
from scipy.io import wavfile
def generate_pn_sequence(length, seed=42):
np.random.seed(seed)
return np.random.choice([-1, 1], size=length)
def embed_watermark_spread_spectrum(audio_path, watermark, output_path, alpha=0.01):
# 讀取音頻
sample_rate, audio_data = wavfile.read(audio_path)
# 如果是立體聲,只使用一個(gè)聲道
if len(audio_data.shape) > 1:
audio_data = audio_data[:, 0]
# 將水印轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制
watermark_bin = ''.join(format(ord(c), '08b') for c in watermark)
watermark_bits = np.array([int(b) for b in watermark_bin])
watermark_bits = 2 * watermark_bits - 1 # 轉(zhuǎn)換為±1
# 生成偽隨機(jī)序列
pn_length = len(audio_data) // len(watermark_bits)
pn_sequence = generate_pn_sequence(pn_length)
# 創(chuàng)建擴(kuò)頻水印
spread_watermark = np.repeat(watermark_bits, pn_length)
spread_watermark = spread_watermark[:len(audio_data)] * pn_sequence[:len(audio_data)]
# 嵌入水印
watermarked_audio = audio_data + alpha * spread_watermark * np.abs(audio_data)
watermarked_audio = np.clip(watermarked_audio, -32768, 32767) # 確保在16位范圍內(nèi)
# 保存帶水印的音頻
wavfile.write(output_path, sample_rate, watermarked_audio.astype(np.int16))
def extract_watermark_spread_spectrum(audio_path, original_path, watermark_length, pn_length):
# 讀取音頻
sample_rate, watermarked = wavfile.read(audio_path)
_, original = wavfile.read(original_path)
# 如果是立體聲,只使用一個(gè)聲道
if len(watermarked.shape) > 1:
watermarked = watermarked[:, 0]
original = original[:, 0]
# 計(jì)算差異
diff = watermarked - original
# 生成相同的偽隨機(jī)序列
num_bits = watermark_length * 8
pn_sequence = generate_pn_sequence(pn_length)
extracted_bits = []
for i in range(num_bits):
start = i * pn_length
end = start + pn_length
segment_diff = diff[start:end]
segment_pn = pn_sequence[:len(segment_diff)]
correlation = np.sum(segment_diff * segment_pn)
extracted_bits.append('1' if correlation > 0 else '0')
# 將比特轉(zhuǎn)換為字符串
watermark = ''
for i in range(0, len(extracted_bits), 8):
byte = ''.join(extracted_bits[i:i+8])
watermark += chr(int(byte, 2))
return watermark
# 使用示例
embed_watermark_spread_spectrum('original.wav', '秘密', 'watermarked_ss.wav', 0.01)
extracted = extract_watermark_spread_spectrum('watermarked_ss.wav', 'original.wav', 2, 1000)
print("提取的水印:", extracted)注意事項(xiàng)
1. **音頻質(zhì)量**:水印嵌入會(huì)影響音頻質(zhì)量,需要平衡水印強(qiáng)度和音頻質(zhì)量。
2. **魯棒性**:不同方法對(duì)音頻處理的抵抗能力不同:
- LSB方法脆弱但容量大
- DCT方法對(duì)壓縮有一定抵抗能力
- 擴(kuò)頻方法魯棒性最強(qiáng)但容量小
3. **安全性**:可以考慮加密水印內(nèi)容提高安全性
4. **格式支持**:示例中使用WAV格式,因其是無(wú)損格式,其他格式可能需要先解碼
擴(kuò)展建議
1. 添加錯(cuò)誤校正碼提高水印提取的可靠性
2. 實(shí)現(xiàn)盲水印提?。ú恍枰家纛l)
3. 添加同步信號(hào)提高對(duì)裁剪、時(shí)間拉伸的抵抗能力
4. 結(jié)合多種技術(shù)提高水印的魯棒性和隱蔽
這些方法可以根據(jù)具體需求進(jìn)行調(diào)整和組合,以實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景下的音頻數(shù)字水印需求。
以上就是Python實(shí)現(xiàn)音頻添加數(shù)字水印的示例詳解的詳細(xì)內(nèi)容,更多關(guān)于Python音頻添加數(shù)字水印的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!
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