專利名稱：一種基于質心的脆弱音頻水印方法
技術領域：
本發(fā)明涉及數(shù)字音頻內(nèi)容真實性和完整性認證的方法，尤其是在 對音頻內(nèi)容進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：
由于近年來互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展和音頻壓縮技術的成熟，以及各種 功能強大的音頻處理軟件的出現(xiàn)，使得數(shù)字音頻的傳輸、存儲、復制 及編輯等處理變得方便快捷的同時，也使攻擊者可以毫不費力且不留 痕跡地篡改其內(nèi)容。音頻水印技術作為一種保護音頻的技術手段，從
上世紀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域 的執(zhí)占。
按照應用目的不同，音頻水印技術主要分為魯棒音頻水印和脆弱 音頻水印技術。目前，關于魯棒音頻水印的研究已取得了較大進展，
而關于脆弱音頻水印研究的報道相對較少。文獻"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 檢測及認證的小波域脆弱音頻水印算法，優(yōu)點是水印嵌入時采用人類 心理聲學模型來控制音頻信號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程中被替換，同時對 傳輸?shù)囊纛l處理后嵌入了用來替換的那個二值圖像，則認證時即使音
頻內(nèi)容發(fā)生了篡改，認證方也覺察不到。文獻"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 語音的LSF (Line Spectrum Fr叫uency)和音調(diào)兩個特征，生成依賴于 語音內(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 載和安全缺陷等問題，但該算法保護的媒體是數(shù)字語音，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，在 音頻的內(nèi)容可靠性認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心特征的脆弱音頻水印 算法，該算法能有效定位對音頻內(nèi)容進行惡意篡改的位置，從而實現(xiàn) 音頻內(nèi)容的真實性和完整性認證。
為實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明利用質心這一與音頻內(nèi)容緊密相關的 特征，設計了一種新的脆弱音頻水印方法。
一種基于質心的脆弱音頻水印方法，有效定位對音頻內(nèi)容進行惡 意篡改的位置，從而實現(xiàn)音頻內(nèi)容的真實性和完整性認證，包括如下
具體步驟
(1)水印嵌入將原始音頻信號^分為M個音頻段，將每個音頻段劃分為個子帶，劃分子帶的個數(shù)A/t的取值應與水印生成中所
用的Hash函數(shù)輸出的Hash值的位數(shù)相同；接著，計算各音頻段的質
心，并采用Hash函數(shù)算法對每段質心對應的二進制數(shù)實施密碼學中
的Hash運算，從而輸出各音頻段的M位Hash值；所得M個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
子帶的第1個采樣點的LSB位，便得到含水印音頻A
(2)音頻內(nèi)容認證過程與水印嵌入過程類似，首先將待檢測音
頻信號^分段，獲得M個音頻段，然后對每段音頻劃分子帶，獲得
Mi個子帶。計算每個音頻段的質心，并對其作Hash運算生成重構的
脆弱水印『'；從各待測音頻段中每個子帶的第1個采樣點的LSB位
中提取出嵌入的M個Hash值，順次相連可獲得提取的脆弱水印r';
比較r'和『'，判斷那些對應位不同的地方為音頻信號被篡改過的位
置，從而實現(xiàn)了音頻信號的內(nèi)容真實性和完整性認證。
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心
與音頻內(nèi)容緊密相關的特性，通過密碼學中的Hash運算使得生成的
水印對音頻內(nèi)容的惡意篡改很敏感。這樣既能保證本方法對惡意篡改
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)明的推廣應用。
圖1為基于音頻質心生成的水印嵌入部分工作框圖。
圖2為音頻內(nèi)容認證部分工作框圖。
圖3為本發(fā)明實施例的含水印音頻信號圖。圖4為對圖3信號開始部分進行了惡意篡改的音頻信號圖。
圖5是脆弱水印定位結果。
圖6是對應的音頻段篡改定位結果。 表l為不可聽性測試結果。
表2為不同類型音樂在不同信號處理下提取水印的誤比特率
具體實施例方式
以下結合附圖和實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步描述。 1、基于音頻質心生成的水印嵌入-
(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」—"(0，B^4分為M段，每段的長度為iV，則M-Z77V。各音頻段
記為4(P)， "1,2,L ，M 。然后將每個音頻段劃分為械個子帶4(;^)， P1,2,L，M，則每一子帶的長度為AW^。為了便于水印嵌入，本發(fā)明 所劃分子帶的個數(shù)i^的取值應與下面步驟(3)中所用的Hash函數(shù) 輸出的Hash值的位數(shù)相同。
(2)計算各音頻段的質心位置。根據(jù)下式計算每個音頻段的質心
<formula>formula see original document page 6</formula>其中/0^) = ，(4(/^))， 4(;7，《)表示第p個音頻段中第g個子帶， W②表示快速傅立葉變換，4'(/^)表示第p個音頻段中第《個子帶的
第f個快速傅立葉變換系數(shù)，Lg」表示取下整數(shù)。因零值不能取對數(shù)，
所以本發(fā)明設置《>0作為偏差值，這里，取"=1.01。
(3) 音頻水印的生成。設每段質心C(p)， ；^1，2,L，M對應的二進 制數(shù)為(^AL 6,L)2， 6,e{0，l}，對其作密碼學中的Hash運算，輸出 Mi位Hash值，即
其中，/v,6,e{0,l}。因整個音頻信號共分為M段，所以共得到M個 Hash值，將這M個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Hash值分別嵌入到M個音頻段中。具體的嵌入方法是將 每個M,位Hash值分別嵌入相應音頻段的M,個子帶的第l個采樣點，用 -{4(/^)}表示每個子帶的第1個采樣點，嵌入細節(jié)為
其中表示取采樣點的最低比特位。
(5)對M個音頻段依次進行這樣的嵌入，直至嵌完所有音頻段， 便得到含水印音頻乂。
2、音頻內(nèi)容認證
(1)類似水印生成及嵌入過程的步驟(1) ~ (3)，對待檢測的
音頻信號,分段，獲得M個音頻段《(p)， p = l,2,L,M。然后對每段 音頻劃分子帶，獲得7l^個子帶《07,《)，《=1,2,L,M,。計算每個音頻段4(W的質心C'(內(nèi)，并對其作Hash運算生成重構的脆弱水印f 。
(2) 各待測音頻段中每個子帶的第1個采樣點記為^{《(/^)}， 從所有S^;(/^n的LSB位中提取出嵌入的M個Hash值，順次相連 可獲得提取的脆弱水印r'。
(3) 定義認證序列W為
f『'輕'，,{0,1}
如果認證序列W的元素均為0，則表明音頻內(nèi)容未被篡改，否則#( 為1的元素對應被篡改的音頻數(shù)據(jù)。
本發(fā)明方法的效果可以通過以下的性能分析驗證
1、 不可聽性
選取采樣率為44.1kHz，樣本長度為235442，分辨率為16比特 的單聲道WAVE格式的"classical,，、 "country"、 "dance"、 "rock" 4 種不同類型的音樂進行水印嵌入，得到含水印音頻信號，它們的信噪 比SNR值測試結果見表1。由表1可看出，所測試的4種類型音樂 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
由認證序列W定義提取水印的誤比特率及，通過及的大小來判斷 音頻信號被破壞的程度。i 的計算公式如下-
其中，w一—表示W(wǎng)中非零元素個數(shù)，i,表示W(wǎng)的長度。iH直越大，
反映音頻信號被破壞的程度越大；反之，音頻信號被破壞的程度越小。 當i -0時表明音頻信號未受破壞。對4種不同類型音樂采用本發(fā)明方法嵌入水印，對含水印音頻信號進行三種不同類型的信號處理添
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)，計算信號處理后 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 對高斯噪聲、低通濾波、重采樣等常見信號處理具有很好的脆弱性。 3、惡意篡改定位
對如圖3所示的含水印音頻信號的開始部分進行了惡意篡改，篡 改后的音頻信號如圖4所示。圖5是脆弱水印定位結果，圖6是對應 的音頻段篡改定位結果?？梢?，本算法對惡意篡改具有準確的定位能 力。
權利要求
1、一種基于質心的脆弱音頻水印方法，有效定位對音頻內(nèi)容進行惡意篡改的位置，從而實現(xiàn)音頻內(nèi)容的真實性和完整性認證，包括如下具體步驟(1)水印嵌入將原始音頻信號A分為M個音頻段，將每個音頻段劃分為M1個子帶，劃分子帶的個數(shù)M1的取值應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，計算各音頻段的質心，并采用Hash函數(shù)算法對每段質心對應的二進制數(shù)實施密碼學中的Hash運算，從而輸出各音頻段的M1位Hash值；所得M個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子帶的第1個采樣點的LSB位，便得到含水印音頻A′；(2)音頻內(nèi)容認證過程與水印嵌入過程類似，首先將待檢測音頻信號A*分段，獲得M個音頻段，然后對每段音頻劃分子帶，獲得M1個子帶。計算每個音頻段的質心，并對其作Hash運算生成重構的脆弱水印W*；從各待測音頻段中每個子帶的第1個采樣點的LSB位中提取出嵌入的M個Hash值，順次相連可獲得提取的脆弱水印W′；比較W*和W′，判斷那些對應位不同的地方為音頻信號被篡改過的位置，從而實現(xiàn)了音頻信號的內(nèi)容真實性和完整性認證。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于質心的脆弱音頻水印方法，水印嵌入時將原始音頻信號A分為M個音頻段段，將每個音頻段劃分為M<sub>1</sub>個子帶，劃分子帶的個數(shù)M<sub>1</sub>的取值應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，計算各音頻段的質心，并采用Hash函數(shù)算法對每段質心對應的二進制數(shù)實施密碼學中的Hash運算，所得M個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子帶的第1個采樣點的LSB位得到含水印音頻A′。本發(fā)明充分利用了音頻的質心與音頻內(nèi)容緊密相關的特性，既保證對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G10L19/00GK101609675SQ20091006011
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月27日 優(yōu)先權日2009年7月27日
發(fā)明者王宏霞, 范明泉, 袁思聰 申請人:西南交通大學