[发明专利]基于音频内容的非均匀离散余弦变换音频可靠性认证方法

说明书

技术领域

本发明是一种基于音频内容生成水印的音频可靠性认证方法，适合于数字音频传输和存储中可靠性和完整性认证，并能定位非同步攻击下被恶意篡改的音频位置。

技术背景

在计算机技术和网络技术迅速发展的今天，随着音频压缩技术和计算机应用软件技术的不断发展，数字音频的传输、复制、存储、修改越来越方便、快捷，随之造成的盗版、侵权、篡改等问题也凸现出来；并且，由于传输线路的安全性因素，音频在传输中也可能发生误码，丢包等问题，因此迫切需要数字音频的认证技术来鉴别知识产权的归属性和传输内容的可靠性。目前，解决该问题的数字水印技术成为国内外学者研究的热点。根据应用目的的不同，数字音频水印可分为鲁棒水印、脆弱水印和半脆弱水印。鲁棒水印主要用于电子作品的版权保护，载体音频在受到一定的扰动后，水印仍能被检测出来；半脆弱水印对常规的信号处理操作有一定的抵抗力，对恶意的篡改无法容忍，但能定位篡改位置，一般适用于非重要的音频数据的检测认证；在数据的可靠性要求很高的场合中，一般通过脆弱音频水印方案来认证信号的可靠性与完整性，脆弱水印是一种对篡改十分敏感的水印技术。这些水印方法中几乎都采用了外部的比特信息作为水印，或者随机数比特序列，或者M序列，或者混沌序列，或者二值图像，或者灰度图像或者彩色图像。王宏霞教授的论文《基于质心的混合域半脆弱音频水印算法》(中国科学：信息科学，2010，40(2)：313～326.)和范明泉博士的论文《基于音频内容的混合域脆弱水印算法》(铁道学报，2010，32(1)：118～122)均指出已有采用二值图像作为水印的脆弱音频水印算法，会带来因传输过程中二值图像被篡改引起的虚警和认证无法判别的问题。灰度图像和彩色图像也存在同样的问题。由密钥方式产生水印序列的随机数方式、M序列方式、混沌序列方式，其本质都是一比特水印方法，无法对篡改进行定位，同时，也因其存在虚警问题，不能满足一些场合鉴定认证等的需要。目前，已有学者开始探索基于音频内容的局部化水印方法。因此，研究基于音频内容的水印生成技术和认证方法具有重要的现实意义。

发明内容

目前已有的以脆弱水印技术为基础的音频认证方法，其水印一般来自外部的图像或者比特序列，与音频的内容缺少直接的联系，要么篡改定位困难，要么存在虚警和认证无法判别的问题，本发明提供一种基于音频内容生成多比特水印的音频可靠性认证方法。先对音频分帧，对每帧作三级离散小波变换(3DWT)，量化三级小波近似系数cA3的均值m_i生成水印；同时，修改cA3各系数，使其均值位于相应量化区间的中点，然后对其作非均匀离散余弦变换(NDCT)，并量化变换第一个交流系数嵌入水印。音频的认证首先对待认证的信号分帧，对每帧作3DWT并计算cA3^*的均值通过量化的方法提取水印同时，对每帧cA3^*作NDCT变换，量化其第一个交流系数重构水印通过计算和的归一化相关值对音频作完整性认证，通过和的积运算定位篡改位置。

为保证认证的安全性和可靠性，防止认证的安全性攻击，NDCT的参数α_i由密钥控制的混沌序列通过线性映射获得。

为实现这样的目的，本发明设计的音频认证方案中，包括4个部分：1、水印的生成部分；2、NDCT矩阵的构造部分；3、水印的嵌入部分；4、音频的认证部分。每个部分说明如下：

1、水印的生成

首先对原始音频信号A分帧，帧长为l_f，帧数即水印长l_w；然后对每帧作3DWT，并计算每帧cA3的均值m_i；最后量化m_i，量化长度为生成水印序列w_i(w_i∈{1，-1})，并对m_i作如下处理：

表示向下取整函数，式(1)的实质是计算m_i相应量化区间的中值。并按下式修改cA3