一种数字音频防篡改方法技术

本发明专利技术涉及一种数字音频防篡改方法，是基于小波变换的数字水印技术。对于需要保护的音频数据，在录音的同时，利用小波变换对所录的音频数据实时嵌入水印，即录音和嵌入水印同步进行。录音结束后水印嵌入过程也随之结束。嵌入方法是对所录音频数据进行小波分解，然后在小波变换的低频系数中嵌入水印和同步码，通过小波逆变换得到含有同步码和水印的音频。嵌入的水印具有很强的连续性，通过对水印的提取可以对该含有水印的音频数据进行判断，以识别出音频数据是否遭到裁剪及被裁剪的位置。本发明专利技术可以用于敏感录音和重要音频数据的防篡改。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及数字音频的防篡改方法，应用了基于小波变换的数字水印技术。
技术介绍
随着数字音频的广泛应用，数字音频数据容易受到篡改使得数据的完整性难以得到保证等一系列问题出现在我们的面前。例如1)网络中传输的音频信息很容易受到篡改，需要有方法来保证音频信息的完整性。2)笔录是公检法等部门传统的取证手段，然而单独的笔录取证手段具有准确度不高、记录速度慢、易于篡改、易于产生争议等缺点。数字录音取证手段在相当程度上可以解决上述存在的问题，特别是在事后判断是否存在诱供、逼供行为时等可以起到很好的说明作用，且便于查询。但普通的数字录音也存在数据容易被篡改的缺陷。一旦解决数据防篡改和完整性认证问题，数字录音将可以作为一种重要的取证手段。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种数字音频的防篡改方法，该方法具有良好的抗裁剪能力，而且具有保护音频数据完整性的能力，使处理后的音频与原始音频在听觉上差别不大。为了实现上述目的，本专利技术方法分为水印和同步码的嵌入和检测两个步骤水印和同步码的嵌入过程如下1)录音根据用户的需求选取特定的采样率和量化精度进行录音，对于普通语音，选取22.1kHz采样率，8bits量化精度；对于高保真音频选取44.1kHz采样率，16bits量化精度；将模拟音频信号通过A/D变换形成数字信号；2)实时嵌入水印和同步码在录音的同时，按用户需求的长度将数字语音信号分段，分段长度缺省值为0.1秒，选取周期长度为63bit或31bit的m序列作为同步码，对每一段数据采取Daubechies(双正交)系列小波进行5层小波变换然后嵌入同步码以及缺省长度为44bits的水印，整个音频数据中嵌入的水印可以构成一个连续的数字序列，嵌入水印后的数字音频信号可以存入计算机磁盘；水印的检测过程如下1)水印的检测对于正常情况下水印的检测，将待检测音频数据按不短于水印嵌入时的长度分段，保证每段音频中至少包含一个同步码，对每一段数据进行与嵌入过程相同分解层数和相同小波的小波变换，从分解得到的低频系数中提取并搜索同步码，最后根据同步码的位置提取水印；2)判断篡改对于一段音频数据被裁剪情况下水印的检测，同样先对数据进行分段并进行小波变换，从小波系数中提取水印，当出现提取出的水印不连续时则认为音频数据出现了断点，对于只有一段音频数据被裁剪的情况断点后的数据是完整的，利用这一点就可以判断出断点位置，从而提取出剩余的所有水印；3)对于多段音频数据被裁剪情况下水印的检测，则利用小波变换的平移性质对断点后的水印进行重同步，从而提取出剩余的所有水印。为了能够实现实时的对音频信号嵌入水印，可采用了多线程的技术以实现录音和水印嵌入的同步进行。系统建立了语音线程和水印嵌入线程，并在内存中开辟了两个内存队列，分别是语音数据队列和等待嵌入水印数据队列。在系统中两个队列的大小相同，每个队列都是由20块大小为36096个字节的内存块组成的循环队列，内存块的大小具体可按照实际需要对音频数据分段的大小进行调整。具体的做法是一、水印和同步码的嵌入一)录音过程如下(1)录音机放音，声音模拟信号接入计算机的声卡，语音线程控制声卡在22050KHz的采样率和8比特量化精度下通过A/D变换完成声音信号的数字化并且使数字声音信号被不断的存入语音数据队列。(2)通过语音线程监控语音数据队列，一旦发现队列不为空，即有数据进入队列则立刻通过Windows提供的回调函数将语音数据队列内的数据存入等待嵌入水印数据队列。二)嵌入水印和同步码(1)需要的水印数据是由二进制比特序列构成的连续数字序列，每一个数字由16比特构成。用于定位水印的同步码选择为长度为31的m序列。对语音信号进行的数学变换采用离散小波变换(DWT)，分解层数为5，小波基选用Daubechies系列中最简单的Haar小波。由选定的水印和小波变换的参数可以计算出嵌入的每一个水印数据块的长度为32×(16+31)＝1504个字节。(2)基于小波变换嵌入水印的算法步骤如下1)将需要嵌入水印的原始语音信号按水印数据块的长度分段；2)分别对分段所得到每一段数据做DWT变换，得到每一段音频数据所对应的DWT域低频系数； 3)将需要嵌入的水印和同步码信息转换为{-1，+1}序列，然后将序列按适当的强度嵌入DWT域低频系数中；4)通过对嵌入了水印信息的DWT域低频系数作逆离散小波变换(IDWT)得到的到含有水印音频数据。音频数据中嵌入同步码的作用是用于定位水印信号，使水印信号具有抗裁剪和平移的性能。嵌入完成之后的水印与同步码的结构如下……同步码、水印、同步码、水印、同步码、水印……(3)水印嵌入线程监控等待嵌入水印队列，一旦发现有数据进入队列则立刻按上述嵌入算法对队列内的数据嵌入水印。队列中的每一个数据块长36096个字节，按照水印数据块的长度将其分段，分段数＝36096/1504＝24，然后对每一段嵌入水印及其同步信息，即队列中的每一个数据块中可以嵌入24个水印。水印嵌入线程再将嵌入了水印的数据块从队列中取出存入硬盘。嵌入的水印具有很强的连续性，由这种连续性可以检测音频数据是否完整，如果音频数据是完整的则相应提取出来的水印也是连续的。相反，如果提取出的水印出现了断点则证明音频数据有残缺。由水印断点可以找出残缺的位置。二、水印的检测过程一)正常音频数据的检测(1)基于小波变换提取水印的算法步骤如下1)将语音信号按水印数据块的长度分段，对每一段信号进行DWT变换；2)从分解得到的DWT域低频系数中提取出{-1，+1}序列；3)从{-1，+1}序列中搜索定位水印的同步码，一旦同步码找到则随后的就是水印数字。(2)在内存中开辟一个长度为9024个字节的缓冲区，将所需要提取的数据按缓冲区长度一块一块的读入缓冲区，按水印数据块的长度将缓冲区内的数据分为9024/1504＝6段，分别对每一段做DWT变换，如果音频数据是完整的则可以从每一段中找到同步码并得到水印。提取出的水印是0、1、2、3……等连续的整数。系统在检测过程中如果遇到提取出的前后水印差值不为1或提取不出水印则认为音频数据块出现了残缺，可以通过水印的断点来确定音频数据残缺的位置，要找出水印断点的关键是找到断点后第一个水印的同步码。对于只有一段被裁剪的音频数据，利用断点后的同步码和水印都是完整的可以准确的定位出断点。而对于有多段数据被裁剪的音频数据，由于断点前后的水印不再完整，所以利用小波变换的平移性质来定位断点。二)判断篡改对于一段音频数据被裁剪的检测对于音频数据中只有一个断点的检测，具体做法是一旦发现提取出来的水印不连续则认为当前正在提取的的数据块是残缺的，然后从断点的数据块起始地址开始求出剩余数据所包括的具有完整水印和同步码的数据块(完整的数据块长度等于缓冲区长度即9024个字节)的个数，以次计算出所有完整数据块的总长度，用剩余数据减去这些数据块则得到残余数据块的长度，再提取出残余数据块中的完整的水印则可以确定断点，由水印断点就可以找出音频数据被裁剪的位置。对于多段音频数据被裁剪的检测对于音频数据中有多个断点的检测，具体做法是采用小波变换特殊的“平移不变性”，当检测到水印不连续时，对当前正在提取的数据块进行平移搜索，利用平移找到断点后的水印，由于平移搜索会出现虚警(没有嵌入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数字音频防篡改方法，其特征在于该方法分为水印和同步码的嵌入和检测两个步骤：水印和同步码的嵌入过程如下：１）录音：根据用户的需求选取特定的采样率和量化精度进行录音，对于普通语音，选取２２．１ｋＨｚ采样率，８ｂｉｔｓ量化精度；对于高 保真音频选取４４．１ｋＨｚ采样率，１６ｂｉｔｓ量化精度；将模拟音频信号通过Ａ／Ｄ变换形成数字信号；２）实时嵌入水印和同步码：在录音的同时，采用基于小波变换的水印算法，按用户需求的长度将数字语音信号分段，分段长度的缺省值为０．１秒，然后对每段音频嵌入一个同步码和一个水印，整个音频数据中所嵌入的水印构成了一个连续的数字序列，嵌入同步码与水印后的数字音频信号可以存入计算机磁盘；水印的检测过程如下：１）水印的检测：对于正常情况下水印的检测，将待检测音频数据按不短于水印嵌入时的 长度分段，保证每段音频中至少包含一个同步码，对每一段数据进行与嵌入过程相同分解层数和相同小波的小波变换，从分解得到的低频系数中提取并搜索同步码，最后根据同步码的位置提取水印；２）判断篡改：对于一段音频数据被裁剪情况下水印的检测，同样先对数据进行分段并进行小波变换，从小波系数中提取水印，当出现提取出的水印不连续时则认为音频数据出现了断点，对于只有一段音频数据被裁剪的情况断点后的数据是完整的，利用这一点就可以判断出断点位置，从而提取出剩余的所有水印；３）对于多段音频数据被裁剪情况下水印的检测，则利用小波变换的平移性质对断点后的水印进行重同步，从而提取出剩余的所有水印。...

【技术特征摘要】
1.一种数字音频防篡改方法，其特征在于该方法分为水印和同步码的嵌入和检测两个步骤水印和同步码的嵌入过程如下1)录音根据用户的需求选取特定的采样率和量化精度进行录音，对于普通语音，选取22.1kHz采样率，8bits量化精度；对于高保真音频选取44.1kHz采样率，16bits量化精度；将模拟音频信号通过A/D变换形成数字信号；2)实时嵌入水印和同步码在录音的同时，采用基于小波变换的水印算法，按用户需求的长度将数字语音信号分段，分段长度的缺省值为0.1秒，然后对每段音频嵌入一个同步码和一个水印，整个音频数据中所嵌入的水印构成了一个连续的数字序列，嵌入同步码与水印后的数字音频信号可以存入计算机磁盘；水印的检测过程如下1)水印的检...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄继武，吴绍权，施礼，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]