声音档案数字压缩存储系统的研究

摘要

声音档案是一种重要的档案资源.本文分析了MP3标准算法的声学原理和关键技术;叙述了数字音频水印的基本原理和方法;使用硬件系统实现了模拟音频数据向MP3数字音频格式的转换;并提出了在MP3格式音频文件中嵌入水印的3种算法.本文提出了用硬件实现模拟音频MP3压缩的一套解决方案,使用单片机实现对编码解码芯片的控制和实现音频数据的输出,并通过USB接口上传到PC机上,以对音频文件进行进一步的处理.同时,我们对数字音频水印做了一定的研究工作,通过将水印数据嵌入到MP3格式的音频档案中,可通过对档案文件进行检验,判断档案文件所要求的完整性和真实性.本文的第一部分首先介绍了声学的一些基本概念,总结了人类听觉系统特别是人类听觉感知模型的特点,分析了MP3编码流程,深入研究MP3标准算法的过程,对编码过程中各个模块进行了分析.然后,我们对音频水印技术做了一下综述,叙述了数字音频水印的原理和一些基本方法.第二部分对我们采用的硬件电路、编码/解码芯片进行了简要的介绍,重点介绍了EZ-USB单片机、MAS 3587F编码/解码芯片的功能、接口以及对芯片的控制,以及USB口的接口程序的编写.在第三部分,我们提出在MP3算法中进行水印嵌入的三种方法.在MP3压缩中,心理声学模型的频域分析主要用于音频数据的压缩编码.我们提出的算法主要考虑如何将水印嵌入到MP3数据中,实现水印的不可感知性,完成在档案工作对安全性和版权的要求.本文通过硬件实现了对模拟音频信号进行MP3的压缩,并提出可以应用于MP3压缩格式的三种水印方案,分别属于比特流水印方案、组合压缩水印方案和变换域水印,采用了鲁棒性水印和脆弱水印实现档案文件对真实性、完整性和版权的要求.水印的量化和嵌入是根据心理声学模型来确定的,能够实现水印数据不可感知性,能够实现对文件安全性和版权的判定,有一定的应用价值.本文的最后做了一下总结,对本课题的应用前景进行了一些探讨,对我们提出的水印算法中存在的问题进行了初步分析,并提出在档案工作中对档案进行数字化改造,我们需要进一步研究的问题.

目录

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1我国声音档案的现状

1.2目前的新技术和发展趋势

1.3本文的主要工作和内容安排

第二章MP3音频编码算法及采用的理论知识

2.1一些基本的声学概念

2.1.1声音和听觉

2.1.2声音质量的度量

2.1.3绝对阈值

2.1.4掩蔽效应

2.1.5临界频段

2.1.6心理声学模型

2.2 MP3的基本原理及过程

2.3在MP3中采用的一些关键技术

2.3.1分析子带滤波器

2.3.2 MDCT变换

2.3.3 MP3标准采用的心理声学模型

2.4 MP3中系数的量化和编码

2.5迭代模块介绍

2.6三级迭代循环模块算法流程

2.6.1帧循环

2.6.2外迭代循环：

2.6.3内循环迭代：

第三章数字音频的水印技术

3.1数字水印技术概述

3.2数字音频水印的模型

3.3数字音频水印的分类

3.3.1从音频水印的实现算法上分类

3.3.2按照水印抗攻击的能力分类

3.4音频水印的研究现状及其特点

第四章MP3编码系统的硬件设计及实现

4.1 MP3压缩系统的硬件实现

4.2 EZ-USB单片机介绍

4.3 MAS 3587F编码/解码芯片介绍

4.3.1芯片简介

4.3.2芯片的主要功能和接口

4.3.3芯片的功能描述

4.4 MAS 3587F的控制

4.4.1 MAS 3587F的控制

4.4.2 DSP内核

4.4.3 MAS 3587F芯片的编码设置

4.4.4功能选择和功能运行

4.5单片机对音频数据的读取

4.6单片机与主机的USB的通信

4.6.1 USB接口的通信机制

4.6.2块输入传输

4.6.3中断传输

4.6.4 EZ-USB单片机的枚举

4.6.5 EZ-USB的设备驱动程序

第五章用于MP3文件的脆弱水印方案

5.1概论

5.2比特流水印介绍

5.3 LSB嵌入算法分析及描述：

5.4基于LSB的脆弱水印方案

5.4.1水印信号的产生

5.4.2水印信号的嵌入

5.4.3水印信号的提取和检测

5.5对该算法的讨论

第六章用于MP3文件的稳健水印——DCT系数方法

6.1基于DCT变换的水印算法

6.2量化方法嵌入水印的原理

6.3水印嵌入的算法实现

6.4水印的提取

6.5实验结果：

6.6对该算法的讨论：

第七章用于MP3文件的稳健水印——组合压缩水印方案

7.1组合压缩/水印介绍

7.2基于MDCT变化的量化水印算法介绍

7.2.1 MDCT水印算法

7.2.2水印的嵌入方法

7.3水印嵌入的算法实现

7.4水印的提取

7.5对该算法的讨论：

第八章总结

附录

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文

学位论文评阅及答辩情况表