一种结合加密和水印的多媒体信息安全保障方法

摘要

本发明提供一种结合加密和水印的多媒体信息安全保障方法，所述安全保障方法通过在多媒体信息的发送端和接收端共同作用实现，本发明通过在发送端对多媒体信息进行数据加密，将加密后的多媒体信息传输到接收端后，在接收端直接嵌入水印信息，或在接收端进行解密后再嵌入水印信息。本发明采用的时域加密、直方图嵌入水印方案保证了加密和水印的工作域完全不同、互不影响，既有效保护多媒体信息的安全，同时还方便确定多媒体信息的版权追踪，有利于分开操作。

说明书

技术领域

本发明属于多媒体信息安全领域，特别是涉及一种结合加密和水印的多媒体信息安全保障方法。

技术背景

随着计算机和网络技术的广泛应用，数字多媒体信息被大量使用并得以方便快捷的传输。数字媒体的版权保护和防止数据信息泄露成为社会关注的一大热点。对于网络传输的音频，人们迫切需要其具备可鉴别性和保密性，于是提出了数字水印技术和音频加密技术。数字水印技术通过信息隐藏和伪装的办法验证数据的所有权和完整性；音频加密技术则基于现代密码学思想隐藏音频本身的真实信息。

加密和水印是信息安全和版权保护的两种重要技术。加密保证机要信息在信道中的安全传输，但是一旦被解密，侵权者可以任意复制、篡改信息，且无法对其实施追踪；而水印技术可以鉴定作品的所有权，追踪非法侵权源头，但无法保证信息的安全传输。因此，为了保证多媒体信息的可靠安全传输和版权认证信息，完全有必要把加密技术和数字水印技术相结合，以克服单纯加密和水印技术的缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结合加密和水印技术的多媒体信息安全保障方法，特别是针对WAV音频安全分发方法，可同时实现WAV音频的保密性和可鉴别性。

为了实现上述发明目的，采用的技术方案如下：

一种结合加密和水印的多媒体信息安全保障方法，所述安全保障方法通过在多媒体信息的发送端和接收端共同作用实现，其具体操作通过在发送端对多媒体信息进行数据加密，将加密后的多媒体信息传输到接收端后，在接收端直接嵌入水印信息，或在接收端进行解密后再嵌入水印信息。

本发明的实现包括在发送端和接收端进行，其中发送端负责对多媒体信息进行部分加密，接收端对接收到的加密信息既可以先进行解密再嵌入水印信息，也可以不经解密直接嵌入水印信息。

所述加密的操作在发送端进行，具体包括如下步骤：

11)计算出原始多媒体信息序列Sequence_0的均值A；

12)根据均值A在序列Sequence_0中选择一个幅度区间B＝[-αA，αA]，其中α为一正数；

13)随机选取幅度区间B之内的部分样本用于加密，按样本原始出现次序组成序列Sequence_1，所选样本位置信息组成序列Address_1；

14)对Sequence_1进行随机排序，得到Sequence_2；

15)把Sequence_0中Address_1位置的样本逐个替换成Sequence_2样本，得到部分加密的多媒体信息序列Sequence_3。

其中步骤12)和步骤13)用于控制加密强度，可根据实际需要选择适当的幅度空间。

接收端对接收到的加信息既可以先进行解密再嵌入水印信息，也可以不经解密直接嵌入水印信息。由于解密只是对部分样本进行位置还原，整个解密过程并未修改任何样本的大小，即对多媒体信息直方图毫无影响，故无论是先解密在嵌入水印，或是不解密就直接嵌入水印，其采用的水印嵌入操作均完全相同。

以不经解密直接嵌入水印信息为例，其具体操作包括如下的基本步骤：

1)计算出部分加密序列Sequence_3的均值A；

2)根据均值选择一个合适的幅度区间B′＝[-βA，βA]，β为一正数；

3)随机选取幅度区间B′之内的所有样本用于水印嵌入，按样本原始出现次序组成序列Sequence_6，所选样本位置信息组成序列Address_2；

4)对Sequence_6进行直方图运算，得到直方图；

5)修改部分样本大小，以调整三个相邻BIN的样本数量关系从而进行水印嵌入，得到Sequence_7；

6)把Sequence_3中Address_2位置的样本逐个替换成Sequence_7样本，得到含水印信息的加密音频序列Sequence_8。

其中步骤2)用于控制水印嵌入强度，可根据实际需要选取合适的幅度区间。

而实际应用中，提取水印信息是与嵌入水印相对应的，出于版权追踪等实际考虑需要提取水印信息时，也可以不经解密直接提取出水印信息。基本步骤如下：

1)计算出含水印信息的加密音频序列Sequence_8的均值A；

2)根据均值选择一个合适的幅度区间B′＝[-βA，βA]，β为一正数；

3)随机选取幅度区间B′之内的所有样本用于水印提取，按原始出现次序组成序列Sequence_7；

4)对Sequence_7进行直方图运算，得到直方图；

5)计算三个相邻BIN的样本数量关系得到1个比特水印信息；

6)反复进行5)直到水印信息提取完毕。

本发明结合了加密和数字水印技术对多媒体信息实施保护，特别是针对WAV音频实施保护，实际应用时，发送端负责对原始多媒体信息进行部分加密，接收端对接收到的加密信息既可以对先进行解密再嵌入水印信息，也可以不经解密直接嵌入水印信息。本发明采用的时域加密、直方图嵌入水印方案保证了加密和水印的工作域完全不同、互不影响，既有效保护多媒体信息的安全，同时还方便确定多媒体信息的版权追踪，有利于分开操作。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2是示例WAV原始音频；

图3是发送端经过加密的WAV音频；

图4是接收端解密再嵌入水印的WAV音频；

图5是接收端先嵌水印再解密的WAV音频。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明的流程如附图1所示，包括在发送端对多媒体信息进行部分加密操作，在接收端接收到加密后的多媒体文件后，可解密再嵌入水印，或不经解密直接嵌入水印，然后在播放终端播放解密后的多媒体文件(如果采用不经解密直接嵌入水印，则播放多媒体文件之前还需要进行解密操作)，如果需要确定版权归属，可通过提取水印操作实现。

其中，对于加密/解密以及水印的嵌入和提取的具体操作详细说明如下：

一、加密和解密：

根据设定的密钥key1产生随机加密序列en(i)，然后根据随机序列对幅度区间B内的所有样本进行随机置乱，就完成了加密过程。整个过程只是对样本位置进行了改动，而没有改变任何样本的样本大小，故加密过程对水印嵌入所涉及的直方图并无任何影响。这样就巧妙地实现了水印与加密互不影响，可分开操作。解密过程则是加密过程的逆运算。具体加解密分析如下表所示：

  位置序号i  1  2  3  4  5  6  7  8  9  原始序列B(i)  3  2  1  4  5  6  9  8  7  由key1得到的加密序列en(i)  7  9  2  4  8  5  6  3  1  加密后得到的序列B″＝B[en(i)]  9  7  2  4  8  5  6  1  3  由en(i)反推得到的解密序列de(i)  9  3  8  4  6  7  1  5  2  解密后得到的序列B″[de(i)]  3  2  1  4  5  6  9  8  7

在实际应用中，由于样本数众多，而加密序列en(i)元素又不得重复，如果一次性产生和多媒体信息样本数一样长的加密序列，不但内存需求大，并且会大大增加加/解密运算所需时间，不利于实时处理。故而实际应用中，可对样本序列进行分段加密，如取i＝1024。

二、水印嵌入和提取：

1、所述嵌入水印的操作具体包括如下步骤：

首先，计算出原始多媒体信息的均值A；

然后，根据均值A选择一个用于嵌入水印信息的幅度区间B′＝[-βA，βA]，β为一正数；

其次，进行直方图运算，可得到所有样本的绝对值分布图。其中横轴被划分成等距区间，纵轴表示落在这个区间的样本数量。BIN表示一个横轴区间，区间的大小即为BIN的宽度。根据所要嵌入的水印信息共L比特，且该多媒体序列的3个BIN即可嵌入1个比特信息，故只需3L个BIN，则每个BIN的宽度为M＝(2βA+1)/3L，以此为标准对于所有位于幅度区间B′＝[-βA，βA]之内的样本进行直方图运算，得到序列{BIN(1)，BIN(2)...BIN(i)...BIN(3L)}，BIN(i)表示位于第i个BIN内样本个数；

最后，修改BIN内样本个数，以嵌入水印，取三个相邻BIN，BIN内样本个数分别表示为BIN(i-1)、BIN(i)和BIN(i+1)，水印的嵌入为修改部分样本大小，使之符合如下公式

(BIN(i-1)+BIN(i+1))/(2*BIN(i))≥T，Wmk(i)＝1

(BIN(i-1)+BIN(i+1))/(2*BIN(i))≤1/T，Wmk(i)＝0

其中T＞1是一个预先设定的阈值，而Wmk(i)为所嵌入水印的比特信息；当BIN(i-1)、BIN(i)和BIN(i+1)符合该公式时，不做任何处理，继续取紧跟着的三个相邻BIN进行Wmk(i+1)嵌入；当不符合该公式时，则轮流修改BIN(i-1)和BIN(i+1)内的样本大小，直至满足该公式，修改方法如下：

f(i-1)＝f(i-1)+M

f(i+1)＝f(i+1)-M

即对于BIN(i-1)内的样本，通过加上一个BIN的宽度，让该样本落到BIN(i)内；对于BIN(i+1)内的样本，通过减去一个BIN的宽度，让该样本落到BIN(i)内。

在计算均值A时，以WAV音频为例，看似连续的音频波形图实际上是由一系列离散的音频采样点(样本)构成，经归一化的采样点取值范围在[-1，+1]之间，取出整个WAVe音频文件的所有样本，先对所有样本取绝对值，再对这些绝对值求得的算术平均值，即均值A。

所述BIN的含义为：仍以WAV音频为例，经直方图运算后，可得到所有样本的绝对值分布图，其中横轴范围是[0，+1]，且被划分成有限个等距区间，纵轴表示落在这个区间的样本数量，BIN表示一个横轴区间，区间的大小即为BIN的宽度。

出于检测需要，设计如下嵌入信息结构。具体解释为，水印嵌入信息共L＝L1+L2比特，其中L1为同步序列的长度，L2为水印信息的长度。嵌入信息的结构如下表所示：

  同步信息{Syn(i)}  水印信息{Wmk(i)}

上表中，同步信息为一伪随机序列，表示为{Syn(i)}，紧跟着的水印信息表示为{Wmk(i)}。

2、水印提取：

首先，计算出待处理音频的均值A′；然后根据均值选择一个用于提取水印信息的幅度区间B＝[-αA′，αA′]，α为一正数。以每个BIN的宽度为M＝(2αA′+1)/3L为标准对于所有位于幅度区间B＝[-αA′，αA′]之内的样本进行直方图运算，得到序列{BIN′(1)，BIN′(2)…BIN′(i)…BIN′(3L)}，BIN′(i)表示位于第i个BIN内样本个数。

取三个相邻BIN，样本个数分别表示为BIN’(i-1)、BIN’(i)和BIN’(i+1)，水印信息W(i)提取符合下式：

(BIN′(i-1)+BIN′(i+1))/(2*BIN′(i))＞1，W(i)＝1

(BIN′(i-1)+BIN′(i+1))/(2*BIN′(i))＜1，W(i)＝0

由于嵌入水印时修改了部分样本的样本值，这可能使得音频均值发生轻微改变，导致幅度区间B包含的样本数和嵌入水印时提取的样本数不一样，最终使得根据序列{BIN′(1)，BIN′(2)…BIN′(i)…BIN′(3L)}提取的水印信息出错。实际应用中，可逐次修改A进行循环搜索。每次搜索结束后，从提取出的水印信息分离出同步码，当检测到的{Syn’(i)}和原始{Syn(i)}相匹配时，则确认该次搜索水印提取准确无误，否则继续搜索。

本发明通过采用音频文件进行试验，示例音频采用最常见的16比特量化精度，44.1KHz采样频率，单声道，20秒长，嵌入60比特水印信息。实验结果共有三个方面：加密后的置乱效果、解密后WAV音频恢复程度以及水印的不可见性。

附图2~5显示用本发明对WAV原始音频加解密并嵌入水印的结果。

其中图2是WAV原始音频。

图3是发送端经过加密的WAV音频，由图可知，只要幅度区间B＝[-αA，αA]，α为一正数，选取合理，音频置乱效果显著。经人耳测试，WAV加密音频与WAV原始音频在听觉上有明显差异。

图4是接收端解密再嵌入水印的WAV音频，由图可知解密后并嵌入水印的WAV音频与WAV原始音频无明显差异。经人耳测试，两者在听觉上无明显差异。

图5是接收端先嵌水印再解密的WAV音频，由图可知解密后仍含有水印的WAV音频与WAV原始音频无明显差异。经人耳测试，两者在听觉上无明显差异。

图4和图5验证了加解密和水印工作域完全不同，互不影响。