[发明专利]一种实现篡改区域精确定位的音频半脆弱水印算法

说明书

技术领域  本发明提出一种基于离散小波变换的半脆弱水印，该算法能精确定位音频被篡改的位置。属于数字水印领域。

背景技术  随着互联网应用的普及，越来越多的数字化多媒体内容信息纷纷以各种形式在网络上快速的交流和传播。如何对数字化多媒体内容进行有效的管理和保护，成为信息安全领域的研究热点。信息隐藏可以在载体中嵌入难以被感知的秘密信息以保护数字内容的版权或用于保密通信，可以很好的解决上述问题。信息隐藏不同于传统的数据加密，数据加密隐藏信息的内容，让第三方看不懂；信息隐藏不但隐藏了信息的内容，而且隐藏了信息的存在性，让第三方看不见。隐写术与数字水印是信息隐藏的两个重要研究分支，采用的原理都是将一定量的信息嵌入到载体数据中，但由于应用环境和应用场合的不同，对具体的性能要求不同。

数字水印是通过对载体进行难以被感知的改动，从而嵌入与载体有关的信息，嵌入的信息不一定是秘密的，也有可能是可见。数字水印的目的是保护数字内容的所有权。音频水印嵌入的信息可以是音频版权保护信息、作品序列号、艺术家和歌曲名字等，用于音频的版权保护、盗版追踪和拥有者识别等。

由于半脆弱水印的目标是用来检测被保护载体的变化，越脆弱的水印对载体的变化越敏感。因此，从理论上来讲，水印应该是越脆弱越好，但在实际应用中，情况并非如此。因为含水印音频在传输的过程中可能会遭受一些偶然的噪声修改和滤波，上述情形都会引起水印的变化。但在正常情况下，音频的内容都保持非常好，对于音频本身的真实性一般不会产生影响。在实际应用中，并不需要半脆弱水印对所有的修改都非常敏感，对恶意篡改高度敏感而对常见的信号处理鲁棒的半脆弱水印更能适应实际应用的要求[90-91]。对半脆弱水印来说，当对水印的修改超过临界值时判断音频被恶意篡改，许多半脆弱水印系统都是使用这个方法实现[92-94]。因此，应用在这些场合的半脆弱水印，应该具有区分含水印音频正常变化和恶意篡改的能力，具有这种性质的水印就是半脆弱水印，半脆弱水印主要是保护音频内容不被恶意篡改。

半脆弱音频水印技术结合了鲁棒音频水印技术和脆弱音频水印技术的优点[95]。一方面它与鲁棒音频水印类似，可以在一定程度上容忍施加于音频上常见信号处理的攻击；另一方面也具备脆弱音频水印的特点，主要用于防止对原始音频信息的恶意篡改，能够识别和定位恶意篡改，这也是半脆弱水印的主要优势。

发明内容  本发明设计一种音频基于离散小波变换的半脆弱水印算法，能精确定位音频遭篡改的区域。

本发明对原始音频进行三级一维小波变换，得到近似分量cA3，计算所有近似分量的均值，缩小一定的倍数后作为量化步长；将变换后的小波近似分量cA3分段，计算每段的均值；接着对每段均值按量化步长进行量化处理，再嵌入水印信息。本发明选择DWT变换后的近似分量嵌入水印，因为DWT变换后的近似分量集中音频大部分能量，故本发明能容忍非恶意音频信号处理攻击。同时如果音频信号被恶意篡改，则篡改后DWT近似分量的值与篡改前DWT近似分量不同，这样篡改部分重构提取的水印信息与原始水印信息不同，据此可检测恶意篡改的位置。

本发明包括三个主要算法，水印嵌入算法、水印提取算法和恶意篡改定位算法。

在水印嵌入算法中，原始音频进行三级一维小波变换，得到近似分量cA3，计算所有近似分量的均值，缩小一定的倍数后作为量化步长；将变换后的小波近似分量cA3分段，计算每段的均值；接着对每段均值按量化步长进行量化处理，再嵌入水印信息。

在水印提取算法中，对含水印的音频信息进行三级一维小波变换，得到近似分量cAw3，计算所有近似分量的均值，缩小一定的倍数后作为量化步长；将变换后的小波近似分量cAw3分段，计算每段的均值；接着对每段均值按量化步长进行量化处理，再提取水印信息。

本发明使用二值图像作为水印，通过提取的水印图像和原始水印图像之间的差别来判断音频是否被恶意篡改，并确定恶意篡改的位置。为检测本发明的恶意篡改定位能力，我们对含水印音频信号进行了三种类型的恶意篡改攻击。第一种类型的恶意篡改是将含水印音频某些段静音、第二种类型的恶意篡改是使用某些原始音频段来代替同样位置的含水印音频段、第三种类型的恶意篡改是将含水印音频某些段静音，同时使用某些其它位置的原始音频段来代替同样位置的含水印音频段。

本发明是一个盲水印算法，水印提取时不需要原始音频文件的参与。但嵌入水印时分段的长度大小需要作为密钥传递给提取方以完成水印信息的提取。

本发明具有易于实现、执行效率高等优点，在实践中具有较高的理论与应用价值。