一种基于音频信号实现水印加解密的方法.pdf

本发明实施例公开了一种基于音频信号实现水印加解密的方法，包括如下步骤：根据数字音频信号的局部能量特征，从原始载体中提取出稳定的特征点；以音频特征点为标识，确定水印信号嵌入的候选音频段；利用量化调制策略，将数字水印信息嵌入到音频载体中进行数字水印检测时，通过分析音频内容提取特征点，再以特征点作为标识提取水印信息。本发明实施例提供以声音为媒介，以加入数字水印的音频为工具，使人们的生活更方便，跟有效的使用网络，以音频为数字指纹的新用途。

权利要求书1.  一种基于音频信号实现水印加解密的方法，其特征在于，包括如下步骤：根据数字音频信号的局部能量特征，从原始载体中提取出稳定的特征点；以音频特征点为标识，确定水印信号嵌入的候选音频段；利用量化调制策略，将数字水印信息嵌入到音频载体中进行数字水印检测时，通过分析音频内容提取特征点，再以特征点作为标识提取水印信息。2.  如权利要求1所述的基于音频信号实现水印加解密的方法，其特征在于，所述根据数字音频信号的局部能量特征，从原始载体中提取出稳定的特征点包括：对原始音频载体A进行非下采样小波变换，然后利用得到的低频信息重构出新的音频载体A～，将新音频载体A～平均分成K个音频数据段，并从每个音频数据段中提取出一个稳定的音频特征点，原始音频载体经过处理器的处理找出音频特征点。3.  如权利要求2所述的基于音频信号实现水印加解密的方法，其特征在于，所述以音频特征点为标识，确定水印信号嵌入的候选音频段包括：利用Arnold变换，将二值水印图像W置乱加密为安全水印矩阵W1，将安全水印矩阵W1降维成一维二进制数字水印序列W2；将新音频载体A～的特征点作为标识，选取长度为P×Q×s的音频数据段PA用于水印的嵌入，所述P表示每个数据所使用的比特数，s为常数；结合原始音频小波域高频信息以及嵌入数字水印信号的低频信息，对其进行逆非下采样小波变换，可得到含有水印信息的音频信号。4.  如权利要求3所述的基于音频信号实现水印加解密的方法，其特征在于，所述通过分析音频内容提取特征点，再以特征点作为标识提取水印信息包括：对嵌有水印的音频信号分帧，每帧N个采样点，并对每帧音频信号做相应层数的小波分解，得到低频小波系数x′(k，j)计算出相应的E1′和E2′，类似水印的嵌入过程，最后计算相邻两帧信号能量的差值：S’＝E1-E2；再经过升维处理将提取出的一维比特序列转化为二值图像。

说明书一种基于音频信号实现水印加解密的方法
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，尤其涉一种基于音频信号实现水印加解密的方法。
背景技术
数字水印技术是多媒体信息安全领域中的一个研究热点，随着对数字水印技术研究的深入与应用需求的增长，稳健型数字音频水印越来越得到人们的关注，而数字音频水印中的抗几何攻击问题是数字音频水印技术急需解决的关键问题之一，也是数字音频水印技术研究的热点。
数字水印技术是一种对抗性的研究领域，由于存在潜在的敌手对音频水印进行攻击，这使得在设计水印的过程中必须考虑水印的鲁棒性要求，即水印要有能抵抗一定攻击的能力，也正是这种对抗与反对抗的存在使得水印的研究不断深入。在数字音频水印中常见的攻击种类有普通的信号处理、同步攻击和针对算法安全性的安全性攻击三大类，一般不同的应用场合对音频水印稳健型的要求不同，要根据具体的情况而定。同步攻击又可以称为数字音频的几何攻击，是数字音频水印领域中最具挑战的一种攻击方式。由于音频信号是一种在时间轴上的流状媒体，水印一般是嵌入在音频信号的某些固定点上，水印检测时再从这些固定点上提取水印信号。而同步攻击其目的就是破坏水印嵌入的同步点使得水印的嵌入点发生偏移从而在检测端无法提取出正确的水印。同步攻击的种类有很多，常见的有以下几种：
(1)普通的裁剪攻击：就是指随机才裁剪掉音频信号中的一部分时域采样点，一旦音频信号被裁剪掉一部分采样点，就会使水印在音频信号中的位置发生整体的偏移，如果在检测端还是从原来嵌入水印的位置提取水印，水印将不能正确提取。
(2)跳跃攻击:在音频信号中按照一定的顺序添加或者删除若干个采样 点也是同步攻击的一种方式，由于添加了或者是删除了若干个时域采样点，使得音频信号全部的采样点数发生了变化，这也会使音频信号的同步点发生偏移。
(3)TSM攻击：TSM攻击可以看成裁剪攻击的一种特殊形式，它通过对嵌有水印的音频信号进行压缩或是拉伸使音频信号的长度发生变化，TSM攻击的方式有变调的TSM攻击和非变调的TSM攻击两种方式。
(4)重采样：重采样虽然有可能会音频信号的同步点发生偏移，但是与其他几种同步攻击相比这种攻击对同步点的影响最小。
在近年来的音频研究中，如何抵抗一些常见的音频信号处理和攻击已经得到很好的解决，如MP3压缩、重采样、重量化和一定程度的叠加噪声等。然而，音频水印对于TSM、随机裁剪等同步攻击的稳健性一直没有得到很好的解决。如何设计对同步攻击稳健的音频水印仍然是一个具有挑战性的研究课题。
发明内容
随着智能手机终端的普及化，电子商务的O2O化，以及智能家电，数字家庭概念的日益实现，我们的生活越来越与网络离不开关系，但是现有的网络科技面向的基本上是中青年，对中老年的关注及他们的使用没有考虑到，这个群体也因为各种原因而不能和我们一样享受来自网络的方便，其中有个很大的原因是对网络平台上的复杂操作及过程很难掌握。本发明的目的就是希望以声音为媒介，以加入数字水印的音频为工具，使人们的生活更方便，更有效的使用网络，以音频为数字指纹的新用途。
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于音频信号实现水印加解密的方法，包括如下步骤：
根据数字音频信号的局部能量特征，从原始载体中提取出稳定的特征点；
以音频特征点为标识，确定水印信号嵌入的候选音频段；
利用量化调制策略，将数字水印信息嵌入到音频载体中进行数字水印检测时，通过分析音频内容提取特征点，再以特征点作为标识提取水印信 息。
所述根据数字音频信号的局部能量特征，从原始载体中提取出稳定的特征点包括：
对原始音频载体A进行非下采样小波变换，然后利用得到的低频信息重构出新的音频载体A～，将新音频载体A～平均分成K个音频数据段，并从每个音频数据段中提取出一个稳定的音频特征点，原始音频载体经过处理器的处理找出音频特征点。
所述以音频特征点为标识，确定水印信号嵌入的候选音频段包括：
利用Arnold变换，将二值水印图像W置乱加密为安全水印矩阵W1，将安全水印矩阵W1降维成一维二进制数字水印序列W2；
将新音频载体A～的特征点作为标识，选取长度为P×Q×s的音频数据段PA用于水印的嵌入，所述P表示每个数据所使用的比特数，s为常数；
结合原始音频小波域高频信息以及嵌入数字水印信号的低频信息，对其进行逆非下采样小波变换，可得到含有水印信息的音频信号。
所述通过分析音频内容提取特征点，再以特征点作为标识提取水印信息包括：
对嵌有水印的音频信号分帧，每帧N个采样点，并对每帧音频信号做相应层数的小波分解，得到低频小波系数x′(k，j)计算出相应的E1′和E2′，类似水印的嵌入过程，最后计算相邻两帧信号能量的差值：S’＝E1-E2；再经过升维处理将提取出的一维比特序列转化为二值图像。
实施本发明提供以声音为媒介，以加入数字水印的音频为工具，使人们的生活更方便，跟有效的使用网络，以音频为数字指纹的新用途。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例中的基于音频信号实现水印加解密的方法流程图；
图2是本发明实施例中的基于水印加解密的注册登录示意图；
图3是本发明实施例中的基于水印加解密的购物过程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
随着智能手机终端的普及化，电子商务的O2O化，以及智能家电，数字家庭概念的日益实现，我们的生活越来越与网络离不开关系，但是现有的网络科技面向的基本上是中青年，对中老年的关注及他们的使用没有考虑到，这个群体也因为各种原因而不能和我们一样享受来自网络的方便，其中有个很大的原因是对网络平台上的复杂操作及过程很难掌握。本发明的目的就是希望以声音为媒介，以加入数字水印的音频为工具，使人们的生活更方便，更有效的使用网络，以音频为数字指纹的新用途，以在各个智能平台上提供密钥，声明等用途。
本方案针对随机几何攻击,提出了一种利用音频信号局部特征设计水印信号(该水印信号相邻采样点之间具有相关性),并自同步嵌入水印的新方案。该方案不但对通常信号处理具有稳健性,而且能够有效地抵御几何失真攻击。本方案模型包括两部分：水印的嵌入和水印的提取。首先根据数字音频信号的局部能量特征，从原始载体中提取出稳定的特征点；然后以音频特征点为标识，确定水印信号嵌入的候选音频段；最后利用量化调制策略，将数字水印信息嵌入到音频载体中.进行数字水印检测时，系统通过分析音频内容提取特征点，再以特征点作为标识提取水印信息，水印检测无需原始音频信号参与.整个实现过程如图2中所示。
本方案是要把数字水印嵌入到音频信号能量较强的区域，即所谓音频特征点音频信号能量值的急速爬升反映出了音频信号短时能量的大小，因 此该点也是信号局部能量较强区域的起始点。将这部分点作为水印嵌入的起始点，符合将水印信号嵌入能量较强区域的要求。对原始音频载体A进行非下采样小波变换，然后利用得到的低频信息重构出新的音频载体A～，将新音频载体A～平均分成K个音频数据段，并从每个音频数据段中提取出一个稳定的音频特征点，原始音频载体经过处理器的处理找出音频特征点，等下一步进行水印算法。
为了消除二值水印图像的像素空间相关性，提高整个数字水印系统的安全性能，确保数字音频某一部分受到破坏后仍能全部或部分地恢复水印，需对二值水印图像进行置乱加密。为此，我们利用Arnold变换，将二值水印图像W置乱加密为安全水印矩阵W1。接下来，将安全水印矩阵W1降维成一维二进制数字水印序列W2。
将新音频载体A～的特征点作为标识(起始点为标识)，选取长度为P×Q×s的音频数据段PA用于水印的嵌入，这里P表示每个数据所使用的比特数，s为常数。结合原始音频小波域高频信息以及嵌入数字水印信号的低频信息，对其进行逆非下采样小波变换，可得到含有水印信息的音频信号，至此完成水印信号的整个嵌入过程。
水印的提取不需要原始音频，即水印采用盲提取。首先对嵌有水印的音频信号分帧，每帧N个采样点，并对每帧音频信号做相应层数的小波分解，得到低频小波系数x′(k，j)计算出相应的E1′和E2′，类似水印的嵌入过程，最后计算相邻两帧信号能量的差值：S’＝E1-E2，最后，再经过升维处理将提取出的一维比特序列转化为二值图像。有水印的音频信号的信噪比可以直接在DWT域计算，只须计算修改后的小波系数即可。
图2示出了本发明实施例中的基于水印加解密的注册登录示意图，现在网络上的各种应用，不论是电商购物，影音娱乐，微博微信，社区新闻等等都绕不开用户注册的环节，能够注册为会员也是各个应用为用户提供更多服务的基础。但是注册时要填写的繁复的过程及条目让很多对网络还不是很熟悉的中老年用户避而远之，这一群体同样也是一个没有开发的领域。能够享受到网络的方便高效是他们的心声。
其实会员的注册就跟人的姓名一样，是各网站能够唯一识别用户的凭 证，但是纯粹的手动输入信息对中老年用户反而是一个负担。每个人的声音信号也是一个人特殊的标识，音调高低，音色不同，在加入了自己特殊声音后，作为用户注册，登陆的一个凭证，可以大大的方便上网体验的过程。
用户事先在一个第三方软件上入了自己的一段特殊的语句，可以是一段话，唱句歌词或者读篇诗歌做为自己的声音水印。当要注册时只需读出应用上给出的一段话，并且把事先的水印通过我们的算法进行嵌入，成为一个个人的声音凭证。当各网站进行区分时就是对各个声音凭证提取水印的过程，来辨别区分各个不同的用户，起到一种数字指纹的功能。在简化易用的基础之上使得用户可以容易的注册登录，也能够为各个应用提供一种辨识凭证，大大提高了上网体验。声音凭证的实现可以在各个智能终端上发挥功能，为中老年用户提供更多的网络服务。
图3示出了本发明实施例中的基于水印加解密的购物过程示意图，电子商务一直以来是网络应用的重头戏，是众多网络服务的核心，能够实现通过网络购物的方便快捷，是能不能拥有好的网络体验的一个重要标准。由于是一种网上的商务活动，涉及到资金的流转，所以各购物应用都十分谨慎，购物的过程往往也要经过多次验证。随着家居智能化，各个智能终端开始被中老年人接受，但是购物的繁复以及多样性还是很难接受，不如原来的电视购物方便，那只需一个电话，但却不能有更多的选择，也没有网络上的全面。
以某个支付应用为例，除了登录密码，交易密码，还有一个与购物账户相关联的验证密码，相当麻烦，一次购物要输入不同的几种密码，让人的购物体验大大降低。我们仍然可以以用户登录时的声音密码为基础，除了在第三方上有一个事先准备的声音水印，我们在本地也事先录入一份自己的特殊声音信息，作为一个声音水印，在需要购物进行密码支付时，同时加入两段水印作为识别，实现对购物过程的加密，这样的购物密码不用每次都需要进行输入，只需在登录以及支付时读出两段网站提供的语言， 两次不一样的水印加入作为区分，以声音信息为购物密码，完成交易，来提升网络购物体验。
在数字水印嵌入模块在此算法的基础上进行改进,在小波分解低频分量上采用多个不同区间长度的量化间隔的方式嵌入水印,并在利用人类听觉系统特性及频域掩蔽特性,对小波分解的高频分量系数也进行水印的量化嵌入,这种双水印嵌入的方法也是一种盲水印方法,且具有一定的鲁棒性。
在购物过程中对于音频密码的使用还要进一步验证，但是出于对整个购物交易流程的严格性，可以在确认环节加入手机验证的步骤，是的可以是交易更安全，声音水印的加入算法也有待进一步完善，以能够实现更多抵抗外界攻击的干扰。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁盘或光盘等。
另外，以上对本发明实施例所提供的基于音频信号实现水印加解密的方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。