基于双重加密和小波包分析的音频水印算法

周长英，曹 锋

（唐山学院 计算机科学与技术系，唐山 063000）

基于双重加密和小波包分析的音频水印算法

周长英，曹 锋

（唐山学院 计算机科学与技术系，唐山 063000）

0 引言

随着各种各样的音频水邱算法的提出,新技术的产生,数字音频水邱技术已有了比较全面的发展,它已涉及到通信理论、编码理论、噪声理论、信号处理技术和多媒体技术等,一些研究成果已显示出其在数字音频作品知识产权保护方面的权威,为了使嵌入的水邱不影响原始音频信号的质量,很多数字音频水邱算法都利用了人耳听觉特性[1～3]。

本文从水邱的安全性和嵌入位置出发,根据音频掩蔽效应原理,算法首先对二值水邱进行Arnold置乱[4],消除水邱元素之间的相关性,然后通过混沌序列对置乱后的水邱图像进行加密,从而达到了一个双重加密的效果,增加了水邱的安全性;其次,通过对分段后的原始音频信号进行小波变化,得出每段的低频系数;对每段每两个相邻的小波系数划分为一组,得出每段能量最大的一组系数,把每组最大的系数组成一个向量组作为水邱的嵌入位置;最后,将经过双重加密后的水邱嵌入到该确定的位置,水邱提取时需要原始音频信号。仿真实验表明,本算法具有较好的透明性及鲁棒性。

1 二值水印图像的双重加密

水邱加密算法如下:

1)设采用的二值图像水邱为V,可表示为:

2)进行Arnold变换,且次数N=10,归一化系数生成新的置乱水邱V1,由于音频信号是一维的,要将图像水邱嵌入音频信号中,应对其降为一维序列P。

3)对水邱进行混沌加密,对其截取大小为(M×M)的Logistic序列,并根据序列的最大值对其进行二值化处理,记处理后的Logistic序列为S。

4)加密后的水邱表示为W=P⊕S,⊕为异或操作符。

2 数字音频水印的嵌入

2.1 原始音频信号的分段

设Y是含有M个采样数据的原始音频信号,为方便讨论,先对原始音频信号分解成两部分,然后对待嵌入水邱部分Ye分成M×M个音频数据段。

2.2 水印信号的嵌入算法

本文为了更好的找到能量最大的水邱嵌入位置,从而满足水邱的不可感知性,分析了经过小波变换后每段低频系数的每两个相邻的低频系数能量,设计了一种基于小波域的双重加密和小波包分析的数字音频水邱算法。水邱嵌入算法框图如图1所示。

水邱嵌入算法步骤如下:

图1 水邱嵌入算法框图

1)利用Daubechies-4小波基分别对每一段音频数据段Ye(k)做H层离散小波变换,共M×M段。其小波变换表示为:

Ck为第k段音频数据的分解系数,其中为第k段音频信号第H层的近似分量,,,…,分别为1到H层的细节分量。

3)计算得出每K段每个相邻元素组成的向量的能量值:

5)求出水邱的嵌入位置G

6)利用如下公式在各个音频数据段小波变换域的低频部分嵌入水邱,a为嵌入因子。

7)进行离散小波逆变换,最后得出已嵌入水邱的数字音频信号Y′e。

8)将Y′e代回,得出最终含水邱的数字音频信号。

3 数字音频水印的提取

水邱的提取算法步骤如下:

1)对原始音频信号首先分成两部分,对待嵌入水邱部分分段并做Daubechies-4小波变换,提取出低频部分系数DHK;同时的方法对待测试音频信号做相同的处理,提取出低频部分系数DH′K。

2)利用如下公式提取出待测水邱,a为嵌入因子。

3)通过密钥K(X0,μ)和置乱次数N=10得出的Logistic序列对w′(k)解密后,升维并进行Arnold变换,最后得到二值水邱图像。

4 仿真实验及结果分析

仿真实验原始音频信号为一段长为18秒,单声道、大小为16位、采样频率为22kHz的WAV文件。水邱信息是一副内容为‘音频水邱’的二值图像(64×64),取N=10,X0= 0.46,u=3.8作为置乱次数和混沌密钥K生成的Logistic序列对经过Arnold变换后水邱进行混沌加密,小波基取‘db4’。图2为水邱嵌入前后的音频信号图,嵌入后的信噪比为57.989,和原始音频信号听起来几乎没有差别。

图2 水邱嵌入前后的音频信号图

为测试算法的水邱稳健性,仿真实验对嵌入水邱的音频信号进行了未攻击和多种攻击来提取水邱。图3为实验提取的水邱图,内容清晰可见。

表1列出了原始音频信号与嵌入水邱后、攻击后音频信号的信噪比及提取的水邱与原始水邱图像的归一化相关系数。实验结果表明,本文提出的算法具有良好的鲁棒性。

表1 嵌入水印后的信号信噪比及水印的相关系数

图3 水邱提取图

5 结束语

本文从水邱的安全性和鲁棒性出发,通过Arnold置乱和混沌加密的双重加密方法对原始二值水邱图像进行加密,很好的保证了水邱的安全性;同时为了保证水邱的鲁棒性,从低频系数能量和系数值两个方面进行分析,很好的确定了水邱的嵌入位置,保证了水邱嵌入的鲁棒性。实验结果表明,本文算法能有效的抵抗常见的上下采样、低通滤波、噪声干扰、有损压缩等对水邱的攻击。

[1]贾骏, 王朔中, 张新鹏. 一种基于人耳听觉特性的数字音频水邱方案[J]. 西安电子科技大学学报(自然科学版),2004, 31(4): 652-656.

[2]同鸣, 郝重阳, 刘晓军. 基于听觉掩蔽特性的扩频信息隐藏方法[J]. 计算机工程, 2006, 32(10): 137-139.

[3]冯涛, 韩纪庆. 基于听觉特性的音频水邱能量估计及自适应嵌入算法研究[J]. 声学学报, 2006, 31(1): 48-53.

[4]任洪娥, 尚振伟, 张健. 一种基于Arnold变换的数字图像加密算法[J]. 光学技术, 2009, 35(3): 384-387.

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

ZHOU Chang-ying, CAO Feng

对二值水印进行Arnold变换置乱，再通过混沌序列对其进行加密；其次，对每段原始信号进行小波变换，把每两个相邻的小波系数划分为一组，得出每段能量最大的一组系数，最后，将加密后的水印嵌入到每组能量最大的系数中。试验表明，水印在抵抗各种通用的音频处理和攻击方面具有良好的性能。

数字音频水印；Arnold变换；混沌加密；小波变换

周长英(1976－),女,河北唐山人,讲师,硕士,研究方向为计算机技术、网络安全。

TP391

A

1009-0134(2011)1(上)-0176-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.1(上).55

2010-10-23

河北省教育厅项目(Z2010174)。