压缩域语音感知哈希认证算法及安全性研究

摘要

随着网络通信的开放和多媒体处理技术的飞速发展，音频信号在传输过程容易遭受到非法的攻击。语音作为一种最为常见的音频形式，在日常通信、法庭取证、指令密保等方面应用广泛，其内容的安全性和完整性验证至关重要。
　　感知哈希的本质是一类数字摘要技术，因其对内容保持操作具有较好的鲁棒性，对非法篡改操作具有一定的区分性，同时也满足单向性、抗碰撞性等基本安全性要求，逐渐成为一种用于图像、音频和视频等多媒体安全认证的热门技术。
　　语音信号与宽带音频在信号特点、编码、传输方式以及存储方面有很大的不同。而传统的音频感知哈希认证算法主要针对原始域宽带音乐，对压缩格式音频和语音适用性较弱。针对以上问题，提出了一种基于MDCT频谱熵的压缩域语音感知哈希认证算法。算法首先通过对MP3格式的语音文件进行部分解压以提取MDCT系数，以子带划分的方法计算MDCT频谱能量来降低运算量。其次将MDCT频谱子带能量映射为与信息熵理论中相似的质量函数，以此作为感知特征集进而量化为二进制感知哈希值。实验结果证明:算法对内容保持操作的鲁棒性有所提高，同时保证了算法的执行效率。该算法由于仅对MP3文件部分解码，算法的实时性很高，能够满足实时通信终端的要求。
　　针对音频感知哈希安全性分析和评价方法被忽视的研究现状，提出一种基于频谱熵特征的压缩域音频水印嵌入算法。在构造感知哈希值的过程中引入密钥并对生成的感知哈希值进行纠错码预处理，将编码之后的数据作为认证信息嵌入载体，达到解决感知哈希值传输过程中需要额外信道以及容易受到攻击而发生改变的问题。实验结果表明:该算法在不影响感知内容的前提下进行嵌入，对于常见攻击具有鲁棒性。最后结合图像感知哈希安全性研究方法，以本文提出的算法作为实验对象，根据实验结果分析当前音频感知哈希算法的安全性，并得出实验结果:当前安全性主要依赖于密钥和针对某项局部内容攻击进行专门的优化。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 语音内容认证技术研究现状

1．2．2 音频感知哈希技术研究现状

1．2．3 压缩域语音感知哈希技术研究现状

1．2．4 音频感知哈希的安全性与性能评价研究现状

1．3 问题的提出及研究目标

1．4 论文的主要研究内容与组织结构安排

第2章 音频感知哈希技术及特性分析

2．1 感知哈希的分类

2．2 感知哈希的应用模式

2．3 音频感知哈希定义

2．3．1 原始带宽音频感知哈希

2．3．2 压缩域语音感知哈希

2．4 音频感知哈希的性质

2．4．1 感知哈希区分性

2．4．2 感知哈希鲁棒性

2．4．3 感知哈希安全性

2．4．4 感知哈希其他性质

2．5 音频感知哈希框架

2．5．1 感知哈希提取框架

2．5．2 感知哈希对比框架

2．6 音频感知哈希的研究热点

2．7 本章小结

第3章 基于MDCT频谱熵的压缩域语音感知哈希认证算法

3．1 基于MDCT的音频压缩相关理论

3．1．1 MP3编解码

3．1．2 MDCT系数提取

3．1．3 MDCT频谱能量与频谱熵

3．2 压缩域语音感知哈希认证算法

3．2．1 算法流程

3．2．2 感知特征的提取

3．2．3 哈希值构造与对比

3．3 算法实验结果分析

3．3．1 实验环境与参数

3．3．2 算法区分性分析

3．3．3 算法鲁棒性分析

3．3．4 算法效率分析

3．4 本章小结

第4章 以数字水印为载体的语音感知哈希安全性分析

4．1 引言

4．2 音频感知哈希的安全性与’睦能评价相关理论基础

4．3 音频感知哈希安全性评测方法

4．3．1 感知哈希单向性评测方法

4．3．2 感知哈希置乱性能评测方法

4．3．3 感知哈希扩散性能评测方法

4．3．4 传输安全性评测方法

4．4 基于内容的压缩域水印嵌入算法

4．4．1 算法流程

4．4．2 基于MDCT频谱熵的水印生成与处理

4．4．3 MP3语音水印的嵌入

4．4．4 压缩域MP3语音水印的提取与比对

4．4．5 算法的性能分析与安全性验证

4．5 本章小结

总结和展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文