專利名稱：：一種結(jié)合加密和水印的多媒體信息安全保障方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于多媒體信息安全領(lǐng)域，特別是涉及一種結(jié)合加密和水印的多媒體信息安全保障方法。
背景技術(shù)：
：隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字多媒體信息被大量使用并得以方便快捷的傳輸。數(shù)字媒體的版權(quán)保護(hù)和防止數(shù)據(jù)信息泄露成為社會(huì)關(guān)注的一大熱點(diǎn)。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊纛l，人們迫切需要其具備可鑒別性和保密性，于是提出了數(shù)字水印技術(shù)和音頻加密技術(shù)。數(shù)字水印技術(shù)通過(guò)信息隱藏和偽裝的辦法驗(yàn)證數(shù)據(jù)的所有權(quán)和完整性；音頻加密技術(shù)則基于現(xiàn)代密碼學(xué)思想隱藏音頻本身的真實(shí)信息。加密和水印是信息安全和版權(quán)保護(hù)的兩種重要技術(shù)。加密保證機(jī)要信息在信道中的安全傳輸，但是一旦被解密，侵權(quán)者可以任意復(fù)制、篡改信息，且無(wú)法對(duì)其實(shí)施追蹤；而水印技術(shù)可以鑒定作品的所有權(quán)，追蹤非法侵權(quán)源頭，但無(wú)法保證信息的安全傳輸。因此，為了保證多媒體信息的可靠安全傳輸和版權(quán)認(rèn)證信息，完全有必要把加密技術(shù)和數(shù)字水印技術(shù)相結(jié)合，以克服單純加密和水印技術(shù)的缺點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)合加密和水印技術(shù)的多媒體信息安全保障方法，特別是針對(duì)WAV音頻安全分發(fā)方法，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)WAV音頻的保密性和可鑒別性。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，采用的技術(shù)方案如下一種結(jié)合加密和水印的多媒體信息安全保障方法，所述安全保障方法通過(guò)在多媒體信息的發(fā)送端和接收端共同作用實(shí)現(xiàn)，其具體操作通過(guò)在發(fā)送端對(duì)多媒體信息進(jìn)行數(shù)據(jù)加密，將加密后的多媒體信息傳輸?shù)浇邮斩撕?，在接收端直接嵌入水印信息，或在接收端進(jìn)行解密后再嵌入水印信息。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)包括在發(fā)送端和接收端進(jìn)行，其中發(fā)送端負(fù)責(zé)對(duì)多媒體信息進(jìn)行部分加密，接收端對(duì)接收到的加密信息既可以先進(jìn)行解密再嵌入水印信息，也可以不經(jīng)解密直接嵌入水印信息。所述加密的操作在發(fā)送端進(jìn)行，具體包括如下步驟11)計(jì)算出原始多媒體信息序列Sequence一0的均值A(chǔ);12)根據(jù)均值A(chǔ)在序列Sequence_0中選擇一個(gè)幅度區(qū)間B=[-^4,^4]，其中"為一正數(shù)；13)隨機(jī)選取幅度區(qū)間B之內(nèi)的部分樣本用于加密，按樣本原始出現(xiàn)次序組成序列Sequence一l，所選樣本位置信息組成序列Address—1;14)對(duì)Sequence—1進(jìn)行隨機(jī)排序，得到Sequence—2;15)把Sequence_0中Address_l位置的樣本逐個(gè)替換成Sequence_2樣本，得到部分加密的多媒體信息序列Sequence_3。其中步驟12)和步驟13)用于控制加密強(qiáng)度，可根據(jù)實(shí)際需要選擇適當(dāng)?shù)姆瓤臻g。接收端對(duì)接收到的加信息既可以先進(jìn)行解密再嵌入水印信息，也可以不經(jīng)解密直接嵌入水印信息。由于解密只是對(duì)部分樣本進(jìn)行位置還原，整個(gè)解密過(guò)程并未修改任何樣本的大小，即對(duì)多媒體信息直方圖毫無(wú)影響，故無(wú)論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。以不經(jīng)解密直接嵌入水印信息為例，其具體操作包括如下的基本步驟1)計(jì)算出部分加密序列Sequence—3的均值A(chǔ);2)根據(jù)均值選擇一個(gè)合適的幅度區(qū)間fi^[-A4，yfi4]，"為一正數(shù)；3)隨機(jī)選取幅度區(qū)間B'之內(nèi)的所有樣本用于水印嵌入，按樣本原始出現(xiàn)次序組成序列Sequence—6，所選樣本位置信息組成序列Address_2;4)對(duì)Sequence一6進(jìn)行直方圖運(yùn)算，得到直方5)修改部分樣本大小，以調(diào)整三個(gè)相鄰BIN的樣本數(shù)量關(guān)系從而進(jìn)行水印嵌入，得至USequence—7;6)把Sequence_3中Address_2位置的樣本逐個(gè)替換成Sequence—7樣本，得到含水印信息的加密音頻序列Sequence_8。其中步驟2)用于控制水印嵌入強(qiáng)度，可根據(jù)實(shí)際需要選取合適的幅度區(qū)間。而實(shí)際應(yīng)用中，提取水印信息是與嵌入水印相對(duì)應(yīng)的，出于版權(quán)追蹤等實(shí)際考慮需要提取水印信息時(shí)，也可以不經(jīng)解密直接提取出水印信息?；静襟E如下1)計(jì)算出含水印信息的加密音頻序列SeqUence_8的均值A(chǔ);2)根據(jù)均值選擇一個(gè)合適的幅度區(qū)間S'-卜M,ya4],-為一正數(shù)；3)隨機(jī)選取幅度區(qū)間B'之內(nèi)的所有樣本用于水印提取，按原始出現(xiàn)次序組成序列Sequence—7;4)對(duì)Sequence—7進(jìn)行直方圖運(yùn)算，得到直方5)計(jì)算三個(gè)相鄰BIN的樣本數(shù)量關(guān)系得到1個(gè)比特水印信息；6)反復(fù)進(jìn)行5)直到水印信息提取完畢。本發(fā)明結(jié)合了加密和數(shù)字水印技術(shù)對(duì)多媒體信息實(shí)施保護(hù)，特別是針對(duì)WAV音頻實(shí)施保護(hù)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，發(fā)送端負(fù)責(zé)對(duì)原始多媒體信息進(jìn)行部分加密，接收端對(duì)接收到的加密信息既可以對(duì)先進(jìn)行解密再嵌入水印信息，也可以不經(jīng)解密直接嵌入水印信息。本發(fā)明采用的時(shí)域加密、直方圖嵌入水印方案保證了加密和水印的工作域完全不同、互不影響，既有效保護(hù)多媒體信息的安全，同時(shí)還方便確定多媒體信息的版權(quán)追蹤，有利于分開(kāi)操作。圖l為本發(fā)明的流程圖2是示例WAV原始音頻；圖3是發(fā)送端經(jīng)過(guò)加密的WAV音頻；圖4是接收端解密再嵌入水印的WAV音頻；圖5是接收端先嵌水印再解密的WAV音頻。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。本發(fā)明的流程如附圖1所示，包括在發(fā)送端對(duì)多媒體信息進(jìn)行部分加密操作，在接收端接收到加密后的多媒體文件后，可解密再嵌入水印，或不經(jīng)解密直接嵌入水印，然后在播放終端播放解密后的多媒體文件(如果采用不經(jīng)解密直接嵌入水印，則播放多媒體文件之前還需要進(jìn)行解密操作)，如果需要確定版權(quán)歸屬，可通過(guò)提取水印操作實(shí)現(xiàn)。其中，對(duì)于加密/解密以及水印的嵌入和提取的具體操作詳細(xì)說(shuō)明如下一、加密和解密根據(jù)設(shè)定的密鑰keyl產(chǎn)生隨機(jī)加密序列en(i)，然后根據(jù)隨機(jī)序列對(duì)幅度區(qū)間B內(nèi)的所有樣本進(jìn)行隨機(jī)置亂，就完成了加密過(guò)程。整個(gè)過(guò)程只是對(duì)樣本位置進(jìn)行了改動(dòng)，而沒(méi)有改變?nèi)魏螛颖镜臉颖敬笮?，故加密過(guò)程對(duì)水印嵌入所涉及的直方圖并無(wú)任何影響。這樣就巧妙地實(shí)現(xiàn)了水印與加密互不影響，可分開(kāi)操作。解密過(guò)程則是加密過(guò)程的逆運(yùn)算。具體加解密分析如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>在實(shí)際應(yīng)用中，由于樣本數(shù)眾多，而加密序列en(i)元素又不得重復(fù)，如果一次性產(chǎn)生和多媒體信息樣本數(shù)一樣長(zhǎng)的加密序列，不但內(nèi)存需求大，并且會(huì)大大增加加/解密運(yùn)算所需時(shí)間，不利于實(shí)時(shí)處理。故而實(shí)際應(yīng)用中，可對(duì)樣本序列進(jìn)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體包括如下步驟首先，計(jì)算出原始多媒體信息的均值A(chǔ);然后，根據(jù)均值A(chǔ)選擇一個(gè)用于嵌入水印信息的幅度區(qū)間[-y64，A4]，-為一正數(shù)；其次，進(jìn)行直方圖運(yùn)算，可得到所有樣本的絕對(duì)值分布圖。其中橫軸被劃分成等距區(qū)間，縱軸表示落在這個(gè)區(qū)間的樣本數(shù)量。BIN表示一個(gè)橫軸區(qū)間，區(qū)間的大小即為BIN的寬度。根據(jù)所要嵌入的水印信息共L比特，且該多媒體序列的3個(gè)BIN即可嵌入1個(gè)比特信息，故只需3L個(gè)BIN，則每個(gè)BIN的寬度為M-(2ya4+l)/3L，以此為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于所有位于幅度區(qū)間6'=[-A4,ya4]之內(nèi)的樣本進(jìn)行直方圖運(yùn)算，得到序列(^W"，B/A^)…B/iV(i')…B/W(31^，S/iV(0表示位于第i個(gè)BIN內(nèi)樣本個(gè)數(shù)；最后，修改BIN內(nèi)樣本個(gè)數(shù)，以嵌入水印，取三個(gè)相鄰BIN，BIN內(nèi)樣本個(gè)數(shù)分別表示為BIN(i-1)、BIN(i)和BIN(i+l)，水印的嵌入為修改部分樣本大小，使之符合如下公式(■0'-1)++1))/(2*2r，PTmA:(/)=1-1)+B,+1))/(2*《1/r,W7nA:(/)=0其中T〉1是一個(gè)預(yù)先設(shè)定的閾值，而fe^"J為所嵌入水印的比特信息；當(dāng)BIN(i-1)、BIN(i)和BIN(i+l)符合該公式時(shí)，不做任何處理，繼續(xù)取緊跟著的三個(gè)相鄰BIN進(jìn)行Wmk(i+l)嵌入；當(dāng)不符合該公式時(shí)，則輪流修改BIN(i-l)和BIN(i+l)內(nèi)的樣本大小，直至滿足該公式，修改方法如下/(卜1)=/(!-1)+似/(i+l"/(i+l)-M即對(duì)于BIN(i-l)內(nèi)的樣本，通過(guò)加上一個(gè)BIN的寬度，讓該樣本落到BIN(i)內(nèi)；對(duì)于BIN(i+l)內(nèi)的樣本，通過(guò)減去一個(gè)BIN的寬度，讓該樣本落到BIN(i)內(nèi)。在計(jì)算均值A(chǔ)時(shí)，以WAV音頻為例，看似連續(xù)的音頻波形圖實(shí)際上是由一系列離散的音頻采樣點(diǎn)(樣本)構(gòu)成，經(jīng)歸一化的采樣點(diǎn)取值范圍在[-l,+1]之間，取出整個(gè)WAVe音頻文件的所有樣本，先對(duì)所有樣本取絕對(duì)值，再對(duì)這些絕對(duì)值求得的算術(shù)平均值，即均值A(chǔ)。所述BIN的含義為仍以WAV音頻為例，經(jīng)直方圖運(yùn)算后，可得到所有樣本的絕對(duì)值分布圖，其中橫軸范圍是[O，+1]，且被劃分成有限個(gè)等距區(qū)間，縱軸表示落在這個(gè)區(qū)間的樣本數(shù)量，BIN表示一個(gè)橫軸區(qū)間，區(qū)間的大小即為BIN的寬度。出于檢測(cè)需要，設(shè)計(jì)如下嵌入信息結(jié)構(gòu)。具體解釋為，水印嵌入信息共L-L1+L2比特，其中L1為同步序列的長(zhǎng)度，L2為水印信息的長(zhǎng)度。嵌入信息的結(jié)構(gòu)如下表所示同步信息(Syn(i))水印信息(Wmk(iM上表中，同步信息為一偽隨機(jī)序列，表示為(Syn(iM，緊跟著的水印信息表示為(Wmk(iH。2、水印提取首先，計(jì)算出待處理音頻的均值^;然后根據(jù)均值選擇一個(gè)用于提取水印信息的幅度區(qū)間B-[-a4'，W]，"為一正數(shù)。以每個(gè)BIN的寬度為M=(2W+1)/3L為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于所有位于幅度區(qū)間5=[-",^4']之內(nèi)的樣本進(jìn)行直方圖運(yùn)算，得到序列{flflV'(1)，B/W'(2)…fl/W'(i)..B/W'(3L)}，B/W'(i)表示位于第i個(gè)BIN內(nèi)樣本個(gè)數(shù)。取三個(gè)相鄰BIN，樣本個(gè)數(shù)分別表示為BIN,(i-l)、BIN，(i)和BIN，(i+l)，水印信息W(i)提取符合下式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>由于嵌入水印時(shí)修改了部分樣本的樣本值，這可能使得音頻均值發(fā)生輕微改變，導(dǎo)致幅度區(qū)間萬(wàn)包含的樣本數(shù)和嵌入水印時(shí)提取的樣本數(shù)不一樣，最終使得根據(jù)序列(5/AT(1)，B/Ar(2)…說(shuō)AT(i)…B/W'(3L)l提取的水印信息出錯(cuò)。實(shí)際應(yīng)用中，可逐次修改A進(jìn)行循環(huán)搜索。每次搜索結(jié)束后，從提取出的水印信息分離出同步碼，當(dāng)檢測(cè)到的(Syn'(iH和原始(Syn(i"相匹配時(shí)，則確認(rèn)該次搜索水印提取準(zhǔn)確無(wú)誤，否則繼續(xù)搜索。本發(fā)明通過(guò)采用音頻文件進(jìn)行試驗(yàn)，示例音頻采用最常見(jiàn)的16比特量化精度，44.1KHz采樣頻率，單聲道，20秒長(zhǎng)，嵌入60比特水印信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果共有三個(gè)方面加密后的置亂效果、解密后WAV音頻恢復(fù)程度以及水印的不可見(jiàn)性。附圖2-5顯示用本發(fā)明對(duì)WAV原始音頻加解密并嵌入水印的結(jié)果。其中圖2是WAV原始音頻。圖3是發(fā)送端經(jīng)過(guò)加密的WAV音頻，由圖可知，只要幅度區(qū)間fi=[-a4,M]，"為一正數(shù)，選取合理，音頻置亂效果顯著。經(jīng)人耳測(cè)試，WAV加密音頻與WAV原始音頻在聽(tīng)覺(jué)上有明顯差異。圖4是接收端解密再嵌入水印的WAV音頻，由圖可知解密后并嵌入水印的WAV音頻與WAV原始音頻無(wú)明顯差異。經(jīng)人耳測(cè)試，兩者在聽(tīng)覺(jué)上無(wú)明顯差幵o圖5是接收端先嵌水印再解密的WAV音頻，由圖可知解密后仍含有水印的WAV音頻與WAV原始音頻無(wú)明顯差異。經(jīng)人耳測(cè)試，兩者在聽(tīng)覺(jué)上無(wú)明顯差異。圖4和圖5驗(yàn)證了加解密和水印工作域完全不同，互不影響。權(quán)利要求1、一種結(jié)合加密和水印的多媒體信息安全保障方法，所述安全保障方法通過(guò)在多媒體信息的發(fā)送端和接收端共同作用實(shí)現(xiàn)，其特征在于在發(fā)送端對(duì)多媒體信息進(jìn)行數(shù)據(jù)加密，將加密后的多媒體信息傳輸?shù)浇邮斩撕螅诮邮斩酥苯忧度胨⌒畔?，或在接收端進(jìn)行解密后再嵌入水印信息。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的多媒體信息安全保障方法，其特征在于所述加密的操作具體包括如下步驟11)計(jì)算出原始多媒體信息序列Sequence一O的均值A(chǔ);12)根據(jù)均值A(chǔ)在序列SequenceJ)中選擇一個(gè)幅度區(qū)間B=[-a4,Oi4],其中"為一正數(shù)；13)隨機(jī)選取幅度區(qū)間B之內(nèi)的部分樣本用于加密，按樣本原始出現(xiàn)次序組成序列Sequence—1，所選樣本位置信息組成序列Address_l;14)對(duì)Sequence_l進(jìn)行隨機(jī)排序，得至!jSequence_2;15)把SequenceJ)中Address一l位置的樣本逐個(gè)替換成Sequence_2樣本，得到部分加密的多媒體信息序列Sequence_3。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的多媒體信息安全保障方法，其特征在于所述嵌入水印的操作具體包括如下步驟21)計(jì)算出部分加密多媒體信息序列Sequence—3的均值A(chǔ);22)根據(jù)均值A(chǔ)在SeqUenCe_3中選擇一個(gè)幅度區(qū)間丑'=[-^4，^4]，〃為一正數(shù)；23)對(duì)幅度區(qū)間之內(nèi)的所有樣本進(jìn)行直方圖運(yùn)算，幅度區(qū)間得到fi'的直方圖；24)通過(guò)修改部分樣本大小，從而調(diào)整該直方圖力三個(gè)相鄰BIN的樣本數(shù)量關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)水印嵌入。4、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多媒體信息安全保障方法，其特征在于所述嵌入水印的操作具體包括如下步驟首先，計(jì)算出原始多媒體信息的均值A(chǔ);然后，根據(jù)均值A(chǔ)選擇一個(gè)用于嵌入水印信息的幅度區(qū)間B'=[_/^4,^4]，〃為一正數(shù)；其次，進(jìn)行直方圖運(yùn)算，根據(jù)所要嵌入的水印信息共L比特，且該多媒體序列的3個(gè)BIN即可嵌入1個(gè)比特信息，故只需3L個(gè)BIN，則每個(gè)BIN的寬度為M-P^+I)^,以此為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于所有位于幅度區(qū)間B'-[-/X4,;a4]之內(nèi)的樣本進(jìn)行直方圖運(yùn)算，得到序列(^w(1)，S/W②…MV(!')…B/W(3^，fi/W(/)表示位于第i個(gè)BIN內(nèi)樣本個(gè)數(shù)；最后，修改BIN內(nèi)樣本個(gè)數(shù)，以嵌入水印，取三個(gè)相鄰BIN，BIN內(nèi)樣本個(gè)數(shù)分別表示為BIN(i-l)、BIN(i)和BIN(i+l)，水印的嵌入為修改部分樣本大小，使之符合如下公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中T〉1是一個(gè)預(yù)先設(shè)定的閾值，而跑AO為所嵌入水印的比特信息；當(dāng)BIN(i-l)、BIN(i)和BIN(i+l)符合該公式時(shí)，不做任何處理，繼續(xù)取緊跟著的三個(gè)相鄰BIN進(jìn)行Wmk(i+l)嵌入；當(dāng)不符合該公式時(shí)，則輪流修改BIN(i-1)和BIN(i+l)內(nèi)的樣本大小，直至滿足該公式，修改方法如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>即對(duì)于BIN(i-1)內(nèi)的樣本，通過(guò)加上一個(gè)BIN的寬度，讓該樣本落到BIN(i)內(nèi)；對(duì)于BIN(i+l)內(nèi)的樣本，通過(guò)減去一個(gè)BIN的寬度，讓該樣本落到BIN(i)內(nèi)。全文摘要本發(fā)明提供一種結(jié)合加密和水印的多媒體信息安全保障方法，所述安全保障方法通過(guò)在多媒體信息的發(fā)送端和接收端共同作用實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明通過(guò)在發(fā)送端對(duì)多媒體信息進(jìn)行數(shù)據(jù)加密，將加密后的多媒體信息傳輸?shù)浇邮斩撕?，在接收端直接嵌入水印信息，或在接收端進(jìn)行解密后再嵌入水印信息。本發(fā)明采用的時(shí)域加密、直方圖嵌入水印方案保證了加密和水印的工作域完全不同、互不影響，既有效保護(hù)多媒體信息的安全，同時(shí)還方便確定多媒體信息的版權(quán)追蹤，有利于分開(kāi)操作。文檔編號(hào)H04L29/06GK101645909SQ200910192270公開(kāi)日2010年2月10日申請(qǐng)日期2009年9月11日優(yōu)先權(quán)日2009年9月11日發(fā)明者周東敏,黃繼武申請(qǐng)人:中山大學(xué)