專利名稱：一種基于質(zhì)心的脆弱音頻水印方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字音頻內(nèi)容真實(shí)性和完整性認(rèn)證的方法，尤其是在 對(duì)音頻內(nèi)容進(jìn)行惡意篡改的條件下，能有效地保障數(shù)字音頻內(nèi)容的可 靠性的方法。
背景技術(shù)：
由于近年來(lái)互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展和音頻壓縮技術(shù)的成熟，以及各種 功能強(qiáng)大的音頻處理軟件的出現(xiàn)，使得數(shù)字音頻的傳輸、存儲(chǔ)、復(fù)制 及編輯等處理變得方便快捷的同時(shí)，也使攻擊者可以毫不費(fèi)力且不留 痕跡地篡改其內(nèi)容。音頻水印技術(shù)作為一種保護(hù)音頻的技術(shù)手段，從
上世紀(jì)90年代出現(xiàn)就受到了人們的重視，并成為信息安全研究領(lǐng)域 的執(zhí)占。
按照應(yīng)用目的不同，音頻水印技術(shù)主要分為魯棒音頻水印和脆弱 音頻水印技術(shù)。目前，關(guān)于魯棒音頻水印的研究已取得了較大進(jìn)展，
而關(guān)于脆弱音頻水印研究的報(bào)道相對(duì)較少。文獻(xiàn)"Fragile audio watermarking algorithm for telltale tamper proofing and authentication" (Quan Xiao-mei， Zhang Hong-bin ， Journal of Electronics & Information Technology, vol.27， no.8, pp.ll87-1192， 2005)提出了一種用于篡改 檢測(cè)及認(rèn)證的小波域脆弱音頻水印算法，優(yōu)點(diǎn)是水印嵌入時(shí)采用人類 心理聲學(xué)模型來(lái)控制音頻信號(hào)的小波包分解和水印嵌入量，使可聽性得到改善，但該方法使用了二值圖像作為脆弱水印，這一方面增加了 信息的傳輸量，另一方面如果二值圖像在傳輸過(guò)程中被替換，同時(shí)對(duì) 傳輸?shù)囊纛l處理后嵌入了用來(lái)替換的那個(gè)二值圖像，則認(rèn)證時(shí)即使音
頻內(nèi)容發(fā)生了篡改，認(rèn)證方也覺察不到。文獻(xiàn)"Content-dependent watermarking scheme in compressed speech with identifying manner and location of attacks" (Oscal T.-C. Chen, Chia-Hsiung Liu, IEEE Trans, on Audio, Speech, And Language Processing, vol. 15, no. 5， July 2007)基于 語(yǔ)音的LSF (Line Spectrum Fr叫uency)和音調(diào)兩個(gè)特征，生成依賴于 語(yǔ)音內(nèi)容的脆弱水印，有效地解決了二值圖像作為脆弱水印的容量負(fù) 載和安全缺陷等問(wèn)題，但該算法保護(hù)的媒體是數(shù)字語(yǔ)音，為此，開發(fā) 和利用音頻的自身重要特征，研究基于內(nèi)容的脆弱音頻水印技術(shù)，在 音頻的內(nèi)容可靠性認(rèn)證方面具有重要研究意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于音頻質(zhì)心特征的脆弱音頻水印 算法，該算法能有效定位對(duì)音頻內(nèi)容進(jìn)行惡意篡改的位置，從而實(shí)現(xiàn) 音頻內(nèi)容的真實(shí)性和完整性認(rèn)證。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明利用質(zhì)心這一與音頻內(nèi)容緊密相關(guān)的 特征，設(shè)計(jì)了一種新的脆弱音頻水印方法。
一種基于質(zhì)心的脆弱音頻水印方法，有效定位對(duì)音頻內(nèi)容進(jìn)行惡 意篡改的位置，從而實(shí)現(xiàn)音頻內(nèi)容的真實(shí)性和完整性認(rèn)證，包括如下
具體步驟
(1)水印嵌入將原始音頻信號(hào)^分為M個(gè)音頻段，將每個(gè)音頻段劃分為個(gè)子帶，劃分子帶的個(gè)數(shù)A/t的取值應(yīng)與水印生成中所
用的Hash函數(shù)輸出的Hash值的位數(shù)相同；接著，計(jì)算各音頻段的質(zhì)
心，并采用Hash函數(shù)算法對(duì)每段質(zhì)心對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)實(shí)施密碼學(xué)中
的Hash運(yùn)算，從而輸出各音頻段的M位Hash值；所得M個(gè)Hash
值順次相連作為生成的脆弱水印『，并逐位嵌入到所有音頻段的每個(gè)
子帶的第1個(gè)采樣點(diǎn)的LSB位，便得到含水印音頻A
(2)音頻內(nèi)容認(rèn)證過(guò)程與水印嵌入過(guò)程類似，首先將待檢測(cè)音
頻信號(hào)^分段，獲得M個(gè)音頻段，然后對(duì)每段音頻劃分子帶，獲得
Mi個(gè)子帶。計(jì)算每個(gè)音頻段的質(zhì)心，并對(duì)其作Hash運(yùn)算生成重構(gòu)的
脆弱水印『'；從各待測(cè)音頻段中每個(gè)子帶的第1個(gè)采樣點(diǎn)的LSB位
中提取出嵌入的M個(gè)Hash值，順次相連可獲得提取的脆弱水印r';
比較r'和『'，判斷那些對(duì)應(yīng)位不同的地方為音頻信號(hào)被篡改過(guò)的位
置，從而實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)的內(nèi)容真實(shí)性和完整性認(rèn)證。
與現(xiàn)有的脆弱音頻水印算法相比，本發(fā)明充分利用了音頻的質(zhì)心
與音頻內(nèi)容緊密相關(guān)的特性，通過(guò)密碼學(xué)中的Hash運(yùn)算使得生成的
水印對(duì)音頻內(nèi)容的惡意篡改很敏感。這樣既能保證本方法對(duì)惡意篡改
攻擊的脆弱性，又能保證良好的安全性和水印不可聽性，從而有利于
本發(fā)明的推廣應(yīng)用。


圖1為基于音頻質(zhì)心生成的水印嵌入部分工作框圖。
圖2為音頻內(nèi)容認(rèn)證部分工作框圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例的含水印音頻信號(hào)圖。圖4為對(duì)圖3信號(hào)開始部分進(jìn)行了惡意篡改的音頻信號(hào)圖。
圖5是脆弱水印定位結(jié)果。
圖6是對(duì)應(yīng)的音頻段篡改定位結(jié)果。 表l為不可聽性測(cè)試結(jié)果。
表2為不同類型音樂(lè)在不同信號(hào)處理下提取水印的誤比特率
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。 1、基于音頻質(zhì)心生成的水印嵌入-
(1)音頻數(shù)據(jù)的分段以及每段音頻子帶的劃分。將原始音頻信 號(hào)」—"(0，B^4分為M段，每段的長(zhǎng)度為iV，則M-Z77V。各音頻段
記為4(P)， "1,2,L ，M 。然后將每個(gè)音頻段劃分為械個(gè)子帶4(;^)， P1,2,L，M，則每一子帶的長(zhǎng)度為AW^。為了便于水印嵌入，本發(fā)明 所劃分子帶的個(gè)數(shù)i^的取值應(yīng)與下面步驟(3)中所用的Hash函數(shù) 輸出的Hash值的位數(shù)相同。
(2)計(jì)算各音頻段的質(zhì)心位置。根據(jù)下式計(jì)算每個(gè)音頻段的質(zhì)心
<formula>formula see original document page 6</formula>其中/0^) = ，(4(/^))， 4(;7，《)表示第p個(gè)音頻段中第g個(gè)子帶， W②表示快速傅立葉變換，4'(/^)表示第p個(gè)音頻段中第《個(gè)子帶的
第f個(gè)快速傅立葉變換系數(shù)，Lg」表示取下整數(shù)。因零值不能取對(duì)數(shù)，
所以本發(fā)明設(shè)置《>0作為偏差值，這里，取"=1.01。
(3) 音頻水印的生成。設(shè)每段質(zhì)心C(p)， ；^1，2,L，M對(duì)應(yīng)的二進(jìn) 制數(shù)為(^AL 6,L)2， 6,e{0，l}，對(duì)其作密碼學(xué)中的Hash運(yùn)算，輸出 Mi位Hash值，即
其中，/v,6,e{0,l}。因整個(gè)音頻信號(hào)共分為M段，所以共得到M個(gè) Hash值，將這M個(gè)Hash值順次相連作為生成的脆弱水印『。
(4) 音頻水印的嵌入。采用LSB ( Least Significant Bits )方法， 將生成的i^個(gè)Hash值分別嵌入到M個(gè)音頻段中。具體的嵌入方法是將 每個(gè)M,位Hash值分別嵌入相應(yīng)音頻段的M,個(gè)子帶的第l個(gè)采樣點(diǎn)，用 -{4(/^)}表示每個(gè)子帶的第1個(gè)采樣點(diǎn)，嵌入細(xì)節(jié)為
其中表示取采樣點(diǎn)的最低比特位。
(5)對(duì)M個(gè)音頻段依次進(jìn)行這樣的嵌入，直至嵌完所有音頻段， 便得到含水印音頻乂。
2、音頻內(nèi)容認(rèn)證
(1)類似水印生成及嵌入過(guò)程的步驟(1) ~ (3)，對(duì)待檢測(cè)的
音頻信號(hào),分段，獲得M個(gè)音頻段《(p)， p = l,2,L,M。然后對(duì)每段 音頻劃分子帶，獲得7l^個(gè)子帶《07,《)，《=1,2,L,M,。計(jì)算每個(gè)音頻段4(W的質(zhì)心C'(內(nèi)，并對(duì)其作Hash運(yùn)算生成重構(gòu)的脆弱水印f 。
(2) 各待測(cè)音頻段中每個(gè)子帶的第1個(gè)采樣點(diǎn)記為^{《(/^)}， 從所有S^;(/^n的LSB位中提取出嵌入的M個(gè)Hash值，順次相連 可獲得提取的脆弱水印r'。
(3) 定義認(rèn)證序列W為
f『'輕'，,{0,1}
如果認(rèn)證序列W的元素均為0，則表明音頻內(nèi)容未被篡改，否則#( 為1的元素對(duì)應(yīng)被篡改的音頻數(shù)據(jù)。
本發(fā)明方法的效果可以通過(guò)以下的性能分析驗(yàn)證
1、 不可聽性
選取采樣率為44.1kHz，樣本長(zhǎng)度為235442，分辨率為16比特 的單聲道WAVE格式的"classical,，、 "country"、 "dance"、 "rock" 4 種不同類型的音樂(lè)進(jìn)行水印嵌入，得到含水印音頻信號(hào)，它們的信噪 比SNR值測(cè)試結(jié)果見表1。由表1可看出，所測(cè)試的4種類型音樂(lè) 的SNR值均在85dB以上，可見本脆弱音頻方法具有很好的不可聽性。
2、 脆弱性
由認(rèn)證序列W定義提取水印的誤比特率及，通過(guò)及的大小來(lái)判斷 音頻信號(hào)被破壞的程度。i 的計(jì)算公式如下-
其中，w一—表示W(wǎng)中非零元素個(gè)數(shù)，i,表示W(wǎng)的長(zhǎng)度。iH直越大，
反映音頻信號(hào)被破壞的程度越大；反之，音頻信號(hào)被破壞的程度越小。 當(dāng)i -0時(shí)表明音頻信號(hào)未受破壞。對(duì)4種不同類型音樂(lè)采用本發(fā)明方法嵌入水印，對(duì)含水印音頻信號(hào)進(jìn)行三種不同類型的信號(hào)處理添
加高斯噪聲(信噪比為65dB)、低通濾波(截止頻率44.1kHz)、重采 樣(先下采樣至22.05kHz，再上采樣至44.1kHz)，計(jì)算信號(hào)處理后 提取水印的誤比特率/H直見表2。從表2的數(shù)據(jù)可看出，本發(fā)明方法 對(duì)高斯噪聲、低通濾波、重采樣等常見信號(hào)處理具有很好的脆弱性。 3、惡意篡改定位
對(duì)如圖3所示的含水印音頻信號(hào)的開始部分進(jìn)行了惡意篡改，篡 改后的音頻信號(hào)如圖4所示。圖5是脆弱水印定位結(jié)果，圖6是對(duì)應(yīng) 的音頻段篡改定位結(jié)果。可見，本算法對(duì)惡意篡改具有準(zhǔn)確的定位能 力。
權(quán)利要求
1、一種基于質(zhì)心的脆弱音頻水印方法，有效定位對(duì)音頻內(nèi)容進(jìn)行惡意篡改的位置，從而實(shí)現(xiàn)音頻內(nèi)容的真實(shí)性和完整性認(rèn)證，包括如下具體步驟(1)水印嵌入將原始音頻信號(hào)A分為M個(gè)音頻段，將每個(gè)音頻段劃分為M1個(gè)子帶，劃分子帶的個(gè)數(shù)M1的取值應(yīng)與水印生成中所用的Hash函數(shù)輸出的Hash值的位數(shù)相同；接著，計(jì)算各音頻段的質(zhì)心，并采用Hash函數(shù)算法對(duì)每段質(zhì)心對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)實(shí)施密碼學(xué)中的Hash運(yùn)算，從而輸出各音頻段的M1位Hash值；所得M個(gè)Hash值順次相連作為生成的脆弱水印W，并逐位嵌入到所有音頻段的每個(gè)子帶的第1個(gè)采樣點(diǎn)的LSB位，便得到含水印音頻A′；(2)音頻內(nèi)容認(rèn)證過(guò)程與水印嵌入過(guò)程類似，首先將待檢測(cè)音頻信號(hào)A*分段，獲得M個(gè)音頻段，然后對(duì)每段音頻劃分子帶，獲得M1個(gè)子帶。計(jì)算每個(gè)音頻段的質(zhì)心，并對(duì)其作Hash運(yùn)算生成重構(gòu)的脆弱水印W*；從各待測(cè)音頻段中每個(gè)子帶的第1個(gè)采樣點(diǎn)的LSB位中提取出嵌入的M個(gè)Hash值，順次相連可獲得提取的脆弱水印W′；比較W*和W′，判斷那些對(duì)應(yīng)位不同的地方為音頻信號(hào)被篡改過(guò)的位置，從而實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)的內(nèi)容真實(shí)性和完整性認(rèn)證。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于質(zhì)心的脆弱音頻水印方法，水印嵌入時(shí)將原始音頻信號(hào)A分為M個(gè)音頻段段，將每個(gè)音頻段劃分為M₁個(gè)子帶，劃分子帶的個(gè)數(shù)M₁的取值應(yīng)與水印生成中所用的Hash函數(shù)輸出的Hash值的位數(shù)相同。接著，計(jì)算各音頻段的質(zhì)心，并采用Hash函數(shù)算法對(duì)每段質(zhì)心對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)實(shí)施密碼學(xué)中的Hash運(yùn)算，所得M個(gè)Hash值順次相連作為生成的脆弱水印W，并逐位嵌入到所有音頻段的每個(gè)子帶的第1個(gè)采樣點(diǎn)的LSB位得到含水印音頻A′。本發(fā)明充分利用了音頻的質(zhì)心與音頻內(nèi)容緊密相關(guān)的特性，既保證對(duì)惡意篡改攻擊的脆弱性，又保證良好的安全性和水印不可聽性。
文檔編號(hào)G10L19/00GK101609675SQ20091006011
公開日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2009年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月27日
發(fā)明者王宏霞, 范明泉, 袁思聰 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)