基于修改最低有效位数权重的语音内容认证和篡改恢复方法技术

本发明专利技术公开了一种基于修改最低有效位数权重的语音内容认证和篡改恢复方法，利用语音信号自身特征及语音最低有效位数这一敏感位置，设计了一种新的语音脆弱水印算法，该方法包括基于修改语音采样点最低有效位数权重的脆弱水印算法以及基于语音内容的水印生成和嵌入部分、语音内容认证和恢复部分。与现有的语音内容认证水印算法相比，本发明专利技术充分利用了语音编码技术及语音采样点最低有效位数权重敏感等特性。这样既能保证本方法对篡改攻击的敏感性和脆弱性，又能保证篡改发生时对被篡改区域的有效恢复，从而有利于本发明专利技术的推广应用。

Speech content authentication and tamper recovery method based on modifying the least effective digit weight

In this invention, a new method of speech content authentication and tampering based on modifying the weight of the minimum effective digit is presented. A new speech fragile watermarking algorithm is designed, which is based on the minimum effective digit weight based on the modified voice sampling point. The fragile watermarking algorithm and the watermark generation and embedding part, speech content authentication and recovery part based on speech content. Compared with the existing audio content authentication watermarking algorithm, the invention makes full use of the characteristics of the speech coding technology and the minimum effective digit weight sensitivity of the voice sampling point. This can not only guarantee the sensitivity and vulnerability of this method to tamper attack, but also guarantee the effective recovery of the tampered area when the tampering occurs, which is beneficial to the popularization and application of the invention.

【技术实现步骤摘要】
基于修改最低有效位数权重的语音内容认证和篡改恢复方法
本专利技术涉及数字语音内容完整性认证及篡改恢复
，特别是一种基于修改最低有效位数权重的语音内容认证和篡改恢复方法。
技术介绍
众所周知，语音信号是一种特殊的音频信号，其中往往会含有敏感信息，一旦这些敏感内容遭受破坏，其利用率将会降低。而在现实生活中，人们不仅希望能够验证一段语音内容的真实性，当语音遭受篡改时更希望能够重新获取被攻击部分语音所表达的含义。即同时实现数字语音内容的完整性认证和篡改恢复。目前，关于数字语音内容完整性认证的研究已取得了较大的进展，而在此基础之上实现语音被篡改内容恢复的文献相对较少。文献“Fragileaudiowatermarkingwithperfectrestorationcapacitybasedonanadaptedintegertransform”(LuoXin-rong,XiangShi-jun,WuhanuniversityJournalofNaturalSciences,vol.19,no.6,pp.497-504,2014)提出了一种基于自适应整数变换的具有篡改恢复能力的脆弱音频水印算法。优点是采用随机压缩矩阵对原始音频信号进行压缩生成参考信息，使得篡改发生时可以恢复音频被篡改内容。但该方法在恢复过程中需要求解未知方程组，这一方面增加了时间开销，另一方面如果方程中未知数个数较多时存在方程无解或有多个解的可能性，导致恢复的被篡改采样点不正确。此外，该算法没有考虑同步攻击的情况，因此，仅能检测和恢复替换攻击，而对于插入和删除等去同步攻击不具备检测和恢复的能力。文献“TamperrecoveryalgorithmfordigitalspeechsignalbasedonDWTandDCT”(LiuZheng-hui,LuoDa,HuangJi-wu,WangJing,QiChuan-da,MultimediaToolsandApplications,vol.76,no.10,pp.12481–12504,2017)基于离散小波变换和离散余弦变换生成用于恢复语音被篡改内容的压缩信号，并将生成的压缩信号和各个语音帧帧号采用块嵌入的方式嵌入到对应语音帧的采样点中。这种方法的优点是在接收端可以快速的从其他语音帧中提取被篡改语音帧的压缩信号并恢复其近似原始内容，解决了恢复过程中大量计算的问题，但是这种方法压缩效率相对较低，需要嵌入的压缩信号量大，此外，压缩过程中损失了原始语音信号中的大量细节，从而造成恢复语音质量相对较差。因此，利用语音编码技术和其自身采样点的敏感性，研究具有较高恢复质量的语音内容完整性认证脆弱水印技术具有重要的研究意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于修改最低有效位数权重的语音内容认证和篡改恢复算法，是一种结合语音G.723.1编码(或其他语音压缩编码)及自身特征生成定位及篡改恢复水印的数字语音内容真实性和完整性认证的方法，能够在恶意篡改的条件下，有效地保障数字语音内容的可靠性，并能在一定程度上实现对篡改内容的近似恢复。为了能够精确定位语音被篡改区域，本专利技术利用语音信号自身特征及语音最低有效位数这一敏感位置，设计了一种新的语音脆弱水印算法，该方法包括基于修改语音采样点最低有效位数权重的脆弱水印算法以及基于语音内容的水印生成和嵌入部分、语音内容认证和恢复部分。实现本专利技术目的的技术方案如下：基于修改最低有效位数权重的语音内容认证和篡改恢复方法，包括：水印生成及嵌入步骤，包括：1.1将原始语音S分为I帧，每帧语音包含J个采样点，记第i帧信号为fi＝{fi,1,fi,2,...,fi,j,...,fi,J}，其中i＝1,…,I；1.2采用语音压缩编码算法，依次对每帧语音fi进行编码，得到压缩后的语音帧信号csi；所有压缩后的语音帧信号记为cs＝{cs1,cs2,...,csi,...,csI}；1.3位置映射：通过密钥k1生成用于置乱的I个位置编号p＝{p1,p2,...,pi,...,pI}，并对压缩后的语音帧信号cs按照下式依次进行位置映射，映射后的压缩语音帧信号记为cs'＝{cs1',cs'2,...,csi',...,cs'I}，cs′i＝cspi；1.4将每一帧语音信号fi＝{fi,1,fi,2,...,fi,j,...,fi,J}的各个采样点按照下式进行处理，得到处理后的语音帧信号fi’＝{fi,’1,fi,’2,...,fi,’j,...,fi,’J}；接着，fi’经Hash函数运算，用于生成验证第i段语音帧是否被篡改的校验信息cci，cci＝Hash(fi')；1.5每一帧的水印信息包含三个部分：映射后的压缩语音帧信号cs′i、语音帧号i以及校验信息cci，将三者拼接合成水印信息wi＝(wi,1,wi,2,...,wi,m,...,wi,M)；1.6对每一帧语音信号fi进行分段处理，每段长度为N，共分为个语音片段，并记第m个语音片段为xm；1.7采用修改最低有效位数权重的水印嵌入方案依次将水印信息wi,m嵌入到对应语音片段xm中；1.8合并所有含水印语音帧，得到最终含水印的语音信号S’；所述修改最低有效位数权重的水印嵌入方案为，包括步骤：2.1设原始语音片段采样信号x＝{x1,x2,...,xn,...,xN}，水印信息为w，w∈[0,2N-1]；计算原始语音片段采样信号x的最低有效位数y＝{y1,y2,…,yn,…,yN}，其中yn＝|xn|mod10；2.2通过原始语音片段采样信号x的最低有效位数值y计算该片段的权重c，其取值范围为[0,2N-1]，2.3计算各个原始语音片段采样信号x的权重c与待嵌入水印信息w的差值，并将其转换为二进制序列d＝{d1,d2,...,dn,...,dN}，此二进制序列长度与原始语音片段采样信号x的长度N相等，d＝(|c-w|)2；2.4采用以下公式得到含水印信息的最低有效位数y'＝{y1',y'2,...,y'n,...,y'N}，2.5将含水印信息的最低有效位数y’分别与原始语音片段采样信号x中的采样点按照如下方式相结合，得到含水印信息的语音片段采样信号x’＝{x1',x'2,...,x'n,...,x'N}，语音内容认证和篡改恢复步骤：3.1设待检测语音信号为S′，从第一个采样点开始选择连续的J个样本作为一帧语音信号f；3.2按照步骤1.4生成校验信息的方式，重构语音信号f的校验信息cc；3.3对每一帧语音信号f，按照步骤1.6的方式进行分段处理，记第m个语音片段采样信号为zm＝{zm,1,zm,2,...,zm,n,...,zm,N}；3.4按照步骤2.1的方式计算各个语音片段采样信号zm的最低有效位数y＝{y1,y2,…,yn,…,yN}，并计算各个语音片段采样信号zm的权重，得到提取的水印信息wm，所述水印信息wm中包含映射后的压缩语音帧信号tcs，语音帧号n以及校验信息cc’；3.5比较重构的校验信息cc和提取的校验信息cc’；若两者完全相等，则断定当前所选采样点所构成的语音帧为完整未被篡改的语音帧；此时，得到并记录未被篡改的语音帧信号fn、未被篡改的语音帧号n以及嵌入的压缩信号csn；移动J个样本点，并选择连续的J个样本点作为本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于修改最低有效位数权重的语音内容认证和篡改恢复方法，其特征在于，包括：水印生成及嵌入步骤，包括：1.1将原始语音S分为I帧，每帧语音包含J个采样点，记第i帧信号为fi＝{fi,1,fi,2,...,fi,j,...,fi,J}，其中i＝1,…,I；1.2采用语音压缩编码算法，依次对每帧语音fi进行编码，得到压缩后的语音帧信号csi；所有压缩后的语音帧信号记为cs＝{cs1,cs2,...,csi,...,csI}；1.3位置映射：通过密钥k1生成用于置乱的I个位置编号p＝{p1,p2,...,pi,...,pI}，并对压缩后的语音帧信号cs按照下式依次进行位置映射，映射后的压缩语音帧信号记为cs'＝{cs1',cs'2,...,csi',...,cs'I}，

【技术特征摘要】
1.基于修改最低有效位数权重的语音内容认证和篡改恢复方法，其特征在于，包括：水印生成及嵌入步骤，包括：1.1将原始语音S分为I帧，每帧语音包含J个采样点，记第i帧信号为fi＝{fi,1,fi,2,...,fi,j,...,fi,J}，其中i＝1,…,I；1.2采用语音压缩编码算法，依次对每帧语音fi进行编码，得到压缩后的语音帧信号csi；所有压缩后的语音帧信号记为cs＝{cs1,cs2,...,csi,...,csI}；1.3位置映射：通过密钥k1生成用于置乱的I个位置编号p＝{p1,p2,...,pi,...,pI}，并对压缩后的语音帧信号cs按照下式依次进行位置映射，映射后的压缩语音帧信号记为cs'＝{cs1',cs'2,...,csi',...,cs'I}，1.4将每一帧语音信号fi＝{fi,1,fi,2,...,fi,j,...,fi,J}的各个采样点按照下式进行处理，得到处理后的语音帧信号fi’＝{fi,’1,fi,’2,...,fi,’j,...,fi,’J}；接着，fi’经Hash函数运算，用于生成验证第i段语音帧是否被篡改的校验信息cci，cci＝Hash(fi')；1.5每一帧的水印信息包含三个部分：映射后的压缩语音帧信号csi′、语音帧号i以及校验信息cci，将三者拼接合成水印信息wi＝(wi,1,wi,2,...,wi,m,...,wi,M)；1.6对每一帧语音信号fi进行分段处理，每段长度为N，共分为个语音片段，并记第m个语音片段为xm；1.7采用修改最低有效位数权重的水印嵌入方案依次将水印信息wi,m嵌入到对应语音片段xm中；1.8合并所有含水印语音帧，得到最终含水印的语音信号S’；所述修改最低有效位数权重的水印嵌入方案为，包括步骤：2.1设原始语音片段采样信号x＝{x1,x2,...,xn,...,xN}，水印信息为w，w∈[0,2N-1]；计算原始语音片段采样信号x的最低有效位数y＝{y1,y2,…,yn,…,yN}，其中yn＝|xn|mod10；2.2通过原始语音片段采样信号x的最低有效位数值y计算该片段的权重c，其取值范围为[0,2N-1]，2.3计算各个原始语音片段采样信号x的权重c与待嵌入水印信息w的差值，并将其转换为二进制序列d＝{d1,d2,...,dn,...,dN}，此二进制序列长度与原始语音片段采样信号x的长度N相等，d＝(|c-w|)2；2.4采用以下公式得到含水印信息的最低有效位数y'＝{y1',y'2,...,y'n,...,y'N}，2.5将含水印信息的最低有效位数y’分别与原始语音片段采样信号x中的采样点按照如下方式相结合，得到含水印信息的语音片段采样信号x’＝{x1',x'2,...,x'n,...,x'N}，语音内容认证和篡改恢复步骤：3.1设待检测语音信号为S′，从第一个采样点开始选择连续的J个样本作为一帧语音信号f；3.2按照步骤1.4生成校验信息的方式，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏霞，钱清，崔允贺，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51