基于雙重加密和小波包分析的音頻水印算法

周長英，曹 鋒

（唐山學院 計算機科學與技術系，唐山 063000）

基于雙重加密和小波包分析的音頻水印算法

周長英，曹 鋒

（唐山學院 計算機科學與技術系，唐山 063000）

0 引言

隨著各種各樣的音頻水邱算法的提出,新技術的產生,數字音頻水邱技術已有了比較全面的發展,它已涉及到通信理論、編碼理論、噪聲理論、信號處理技術和多媒體技術等,一些研究成果已顯示出其在數字音頻作品知識產權保護方面的權威,為了使嵌入的水邱不影響原始音頻信號的質量,很多數字音頻水邱算法都利用了人耳聽覺特性[1～3]。

本文從水邱的安全性和嵌入位置出發,根據音頻掩蔽效應原理,算法首先對二值水邱進行Arnold置亂[4],消除水邱元素之間的相關性,然后通過混沌序列對置亂后的水邱圖像進行加密,從而達到了一個雙重加密的效果,增加了水邱的安全性;其次,通過對分段后的原始音頻信號進行小波變化,得出每段的低頻系數;對每段每兩個相鄰的小波系數劃分為一組,得出每段能量最大的一組系數,把每組最大的系數組成一個向量組作為水邱的嵌入位置;最后,將經過雙重加密后的水邱嵌入到該確定的位置,水邱提取時需要原始音頻信號。仿真實驗表明,本算法具有較好的透明性及魯棒性。

1 二值水印圖像的雙重加密

水邱加密算法如下:

1)設采用的二值圖像水邱為V,可表示為:

2)進行Arnold變換,且次數N=10,歸一化系數生成新的置亂水邱V1,由于音頻信號是一維的,要將圖像水邱嵌入音頻信號中,應對其降為一維序列P。

3)對水邱進行混沌加密,對其截取大小為(M×M)的Logistic序列,并根據序列的最大值對其進行二值化處理,記處理后的Logistic序列為S。

4)加密后的水邱表示為W=P⊕S,⊕為異或操作符。

2 數字音頻水印的嵌入

2.1 原始音頻信號的分段

設Y是含有M個采樣數據的原始音頻信號,為方便討論,先對原始音頻信號分解成兩部分,然后對待嵌入水邱部分Ye分成M×M個音頻數據段。

2.2 水印信號的嵌入算法

本文為了更好的找到能量最大的水邱嵌入位置,從而滿足水邱的不可感知性,分析了經過小波變換后每段低頻系數的每兩個相鄰的低頻系數能量,設計了一種基于小波域的雙重加密和小波包分析的數字音頻水邱算法。水邱嵌入算法框圖如圖1所示。

水邱嵌入算法步驟如下:

圖1 水邱嵌入算法框圖

1)利用Daubechies-4小波基分別對每一段音頻數據段Ye(k)做H層離散小波變換,共M×M段。其小波變換表示為:

Ck為第k段音頻數據的分解系數,其中為第k段音頻信號第H層的近似分量,,,…,分別為1到H層的細節分量。

3)計算得出每K段每個相鄰元素組成的向量的能量值:

5)求出水邱的嵌入位置G

6)利用如下公式在各個音頻數據段小波變換域的低頻部分嵌入水邱,a為嵌入因子。

7)進行離散小波逆變換,最后得出已嵌入水邱的數字音頻信號Y′e。

8)將Y′e代回,得出最終含水邱的數字音頻信號。

3 數字音頻水印的提取

水邱的提取算法步驟如下:

1)對原始音頻信號首先分成兩部分,對待嵌入水邱部分分段并做Daubechies-4小波變換,提取出低頻部分系數DHK;同時的方法對待測試音頻信號做相同的處理,提取出低頻部分系數DH′K。

2)利用如下公式提取出待測水邱,a為嵌入因子。

3)通過密鑰K(X0,μ)和置亂次數N=10得出的Logistic序列對w′(k)解密后,升維并進行Arnold變換,最后得到二值水邱圖像。

4 仿真實驗及結果分析

仿真實驗原始音頻信號為一段長為18秒,單聲道、大小為16位、采樣頻率為22kHz的WAV文件。水邱信息是一副內容為‘音頻水邱’的二值圖像(64×64),取N=10,X0= 0.46,u=3.8作為置亂次數和混沌密鑰K生成的Logistic序列對經過Arnold變換后水邱進行混沌加密,小波基取‘db4’。圖2為水邱嵌入前后的音頻信號圖,嵌入后的信噪比為57.989,和原始音頻信號聽起來幾乎沒有差別。

圖2 水邱嵌入前后的音頻信號圖

為測試算法的水邱穩健性,仿真實驗對嵌入水邱的音頻信號進行了未攻擊和多種攻擊來提取水邱。圖3為實驗提取的水邱圖,內容清晰可見。

表1列出了原始音頻信號與嵌入水邱后、攻擊后音頻信號的信噪比及提取的水邱與原始水邱圖像的歸一化相關系數。實驗結果表明,本文提出的算法具有良好的魯棒性。

表1 嵌入水印后的信號信噪比及水印的相關系數

圖3 水邱提取圖

5 結束語

本文從水邱的安全性和魯棒性出發,通過Arnold置亂和混沌加密的雙重加密方法對原始二值水邱圖像進行加密,很好的保證了水邱的安全性;同時為了保證水邱的魯棒性,從低頻系數能量和系數值兩個方面進行分析,很好的確定了水邱的嵌入位置,保證了水邱嵌入的魯棒性。實驗結果表明,本文算法能有效的抵抗常見的上下采樣、低通濾波、噪聲干擾、有損壓縮等對水邱的攻擊。

[1]賈駿, 王朔中, 張新鵬. 一種基于人耳聽覺特性的數字音頻水邱方案[J]. 西安電子科技大學學報(自然科學版),2004, 31(4): 652-656.

[2]同鳴, 郝重陽, 劉曉軍. 基于聽覺掩蔽特性的擴頻信息隱藏方法[J]. 計算機工程, 2006, 32(10): 137-139.

[3]馮濤, 韓紀慶. 基于聽覺特性的音頻水邱能量估計及自適應嵌入算法研究[J]. 聲學學報, 2006, 31(1): 48-53.

[4]任洪娥, 尚振偉, 張健. 一種基于Arnold變換的數字圖像加密算法[J]. 光學技術, 2009, 35(3): 384-387.

Based on double encryption and wavelet packet analysis of audio watermarking algorithm

ZHOU Chang-ying, CAO Feng

對二值水印進行Arnold變換置亂，再通過混沌序列對其進行加密；其次，對每段原始信號進行小波變換，把每兩個相鄰的小波系數劃分為一組，得出每段能量最大的一組系數，最后，將加密后的水印嵌入到每組能量最大的系數中。試驗表明，水印在抵抗各種通用的音頻處理和攻擊方面具有良好的性能。

數字音頻水印；Arnold變換；混沌加密；小波變換

周長英(1976－),女,河北唐山人,講師,碩士,研究方向為計算機技術、網絡安全。

TP391

A

1009-0134(2011)1(上)-0176-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.1(上).55

2010-10-23

河北省教育廳項目(Z2010174)。