CN108648761B - 一种在音频数字水印中嵌入区块链账本的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在音频数字水印中嵌入区块链账本的方法，包括步骤一，选择分隔符、区块大小、区块头部结构以及交易详情作为账本信息与水印信息进行组合，以量化并编码含有区块链数据区的水印；步骤二，将量化和编码的区块链账本信息与水印信息进行降维，并且与原始音频的频域变换进行再次量化、编码形成新的矩阵系数编码，进行频域逆变换得到最终的含有区块链信息的音频水印，完成嵌入区块链水印；步骤三，通过更新区块链信息里的数据值来更新区块链中的水印信息，以便于追踪并获得不可随意更改性。本发明将区块链账本的量化信息作为水印信息的一部分，嵌入到音频信号的变换域中，可在传递过程中保持水印的完整，降低数据提取误码率。

Description

一种在音频数字水印中嵌入区块链账本的方法

技术领域

本发明属于区块链技术领域，尤其涉及一种在音频数字水印中嵌入区块链账本的方法。

背景技术

音频数字水印是对人类社会活动中产生的音频信息进行私密化的一种技术方法，它可确认音频信息的来源及所有者信息，并保证音频数字信号在传递的过程中保持信息来源的唯一性，信息内容的安全性及其在接收端的正确性。音频水印利用人类听觉系统的原理，数字化其信号，利用小波变换、傅立叶变换等分析其频率特征，将水印信息隐藏在不影响信号质量与听觉效果的频段，为音频增加唯一标识，保护其来源的有效性。

一般音频水印普遍使用离散小波域变换或者离散傅立叶变换等变换域方法，根据水印包含数据量的大小，将变换域分为若干频段，如低频段、中频段、高频段三个，亦可分为四个等。然后对水印信息进行量化，离散化图形、图像、字母等显式信息，将组合后的频域进行频域的反变换还原为音频信号。当外界攻击尝试去篡改原始信息时，随着攻击手段的增加，音频中的信息会发生未知的恶意改变。

我们使用其嵌入水印的反向方法，来提取水印，与原始信息进行信噪比、量化系数的对比，可验证此水印是否被破坏，进而可知其安全性能高低。除了在频域上嵌入量化信息，音频信号中还可以在空域中添加唯一标识。空域是指音频信息本身表示内容的区域。频域不同于空域的可视性，其一般将空域内容经过一系列频谱变化后在进行操作。空域因为直接与音频的音质和听觉效果相关，所以其中嵌入的信息量不宜过大，避免造成音频的噪音量随着增加。目前主流的水印信息都在频域上操作。其信息的隐蔽性和对噪声干扰的鲁棒性都是空域水印所不能比拟的。基于小波域的音频水印算法是当前频域变换方法中在性能表现上尤为突出的一种方法，其将水印量化信息在频域上分解为多种表示方式的集合。每一个方式称之为一个尺度域。每种尺度都可以用一系列的系数向量、系数矩阵来表达音频信息在全局频域的特征和局部频域的特征。

随着小波音频水印的应用领域越来越多，针对其的攻击函数越来越复杂，量化系数矩阵也越来越复杂，其所占空间呈现几何增长的趋势。不失真又有高压缩比的系数矩阵压缩方法被提出，用以对大数据量的矩阵系数进行存储。尽管有可靠的压缩，整个变换域的总体容量仍然在不断增加，其受到攻击的范围变得更大，数字水印本身受到攻击点越来越多，对其本身的安全性与鲁棒性造成威胁。若在传播过程中被更改，其变得不可跟踪，造成整个水印流向的混乱。

现有的音频水印算法使用音频载体作为信号输入，利用人类声学原理，在水印的频域中，添加水印的量化编码信息，使其隐藏显式水印，同时在解码时使用逆运算验证其包含水印的正确性。其基本原理如图1所示：

图1描述了音频水印的嵌入原理，水印的嵌入需要水印的编码信息作为输入，而编码需要水印的频域变换和量化作为输入。其中频域变换对原始音频信息经过小波变换等频域变换算法生成其频谱带，根据声学原理，在频谱带中选择人类感知不敏感的低频区域作为水印嵌入的输入。水印编码一般需要对原始水印信息进行量化，以隐藏其真实信息，同时进行加密等操作保持其可靠性和不易更改。当量化信息较大，通过编码压缩其频域变换系数与水印量化的存储量，减少水印嵌入信息量是必不可少的环节。

为了验证音频水印中所含水印信息是否正确，需要对嵌入的水印进行提取，其原理如图2所示，将包含水印的音频数据进行频域变换，可得到含有压缩码流信息的频普信息。按照不同低频域划分，分离出其中的压缩码流，及其加密密钥等信息。按照压缩的反向解压缩算法得到量化的水印。此时为隐式信息，反量化处理后可得显式信息，并与原始水印进行比较可得其准确性是否得到保证。一般在验证过程中解压出最后的原始音频与原始水印不是必须的步骤，亦可通过频域系数矩阵的是否存在误差而判定其是否被篡改。

一般的频域音频水印的嵌入与验证方法可分为以下几个步骤：

1)变换域系数矩阵生成

利用现有的小波变换、离散余弦变换等函数将空间域原始水印变换为频域信息，以小波变换为例，其变换公式如下：

其中a为变换尺度系数，b为变换平移系数。

2)音频水印信息量化、编码

对音频水印进行量化，对频域系数矩阵和量化后的水印信息进行压缩编码，可减少水印的攻击位置，增加抗击打能力。频域分解后的分量，同水印一起组成待量化系数矩阵。一般的量化、压缩过程包含步长的选择，压缩比例的确定。

3)音频水印的嵌入

在频域中嵌入水印首先对1)中得到的频谱进行低频子带的确认，保证其在听觉中不参杂噪声。其次对压缩后的码流在低频子带中按照一定分布，如常数阈值、分布函数等，插入低频子带的数值中，形成新的低频子带。

4)水印还原

将得到的新低频子带进行反频域变换，得到带有水印的音频空域信息。此时的信息具有良好的隐蔽特性、压缩特性和较好的承受攻击的能力。

5)验证水印

将原始音频与嵌入水印的音频同时进行频域变换，得到两种频域系数矩阵，对其做矩阵差，可得到水印编码。解码与反量化操作可实现水印的还原。对比此时的水印是否保持其一致性与标识特性。若有，则没有被更改。反之，需要已经被篡改，需要及时更新水印加密信息，提取误码率也是衡量是否嵌入成功的标准之一，它是提取总位数与原始位数的正确性比值。

在互联网环境下与音乐等领域应用时，保障音频作品的版权与作者唯一性，从技术上杜绝音频作品的恶意修改与翻版，音频数字水印技术具有极其重要的作用。音频数字水印对于原始音频信息的保护与版权保障使其在信息安全领域越来越受到重视，音乐、会议等音频使用场合中信息传递时的安全保障亦受到世界范围内的高校、科研机构与企业的强烈关注。当前音频数字水印技术在应用中主要存在两个方面的问题：

1)面对攻击时，嵌入水印鲁棒性较弱，

传统频域音频水印本身鲁棒性差。传统音频水印经过各种处理与攻击后，不能稳健的保持其自身的完整性，在承受信号处理过程中带来的畸变与攻击，包括人工噪声、数据编码、搞死滤波时会改变自身的水印编码信息。

2)音频水印提取误码率高，传统音频水印提取误码率高，

传统频域音频水印因为在网络传播、信道信号增益不稳，强度衰减等情况下，多产生音频水印信息畸变。尤其面对人类本身针对性的破坏时，更无力招架，给用户带来致命的伤害，无法保障水印的完整。

由此，随着网络安全技术的革新，各种攻击手段层出不穷，音频数字水印在受到其攻击时表现的越来越来难以满足应用需求，音频数字水印在网络中传递的过程中，会因传输介质的干扰、信号发送源与接受端的不稳定等因素造成其在此过程中意外畸变或者更改部分水印的强弱指示，这造成了水印在提取后与嵌入前存在较大的误码率。

发明内容

为解决上述现有技术中的问题，本发明提供了一种在音频数字水印中嵌入区块链账本的方法，以在传递过程中保持水印的完整，降低数据提取误码率。

为实现上述目的，本发明的在音频数字水印中嵌入区块链账本的方法的具体技术方案如下：

一种在音频数字水印中嵌入区块链账本的方法，包括以下步骤：步骤一，选择分隔符、区块大小、区块头部结构以及交易详情作为账本信息与水印信息进行组合，以量化并编码含有区块链数据区的水印；步骤二，将量化和编码的区块链账本信息与水印信息进行降维，并且与原始音频的频域变换进行再次量化、编码形成新的矩阵系数编码，进行频域逆变换得到最终的含有区块链信息的音频水印，完成嵌入区块链水印；步骤三，通过更新区块链信息里的数据值来更新区块链中的水印信息，以便于追踪并获得不可随意更改性。

进一步，步骤二中具体包括以下流程：首先变换原始音频的频域，然后合并频域系数与区块链量化系数，接着嵌入水印组成新矩阵系数并对新矩阵系数进行频域逆变换，最后得到新频域所对应的新空间域音频。

进一步，得到新频域所对应的新空间域音频后还包括步骤：查看音频水印是否影响听觉效果以验证嵌入的含有区块链信息水印的音频是否成功。

进一步，步骤二与步骤三之间还包括提取和验证音频水印的步骤。

进一步，提取和验证音频水印的步骤包括：频域逆变换、水印提取、解码、量化还原得到水印信息，然后分离出音频信号、区块链信息、水印信息，从而验证音频水印。

进一步，步骤三中，在更新区块链信息时，进行频域逆变换操作，形成水印序列，然后提取出其中区块链数据字段的交易详情，更新后广播给整个网络，得到回馈后对新的水印序列进行频域变换，得到新的音频水印系数矩阵。

本发明将区块链账本的量化信息作为水印信息的一部分，嵌入到音频信号的变换域中，在不影响听觉效果的前提下，隐藏其标识信息，利用区块链账本不可更改的特性，保持其正确性，以及传播过程中的唯一性，进而提高其解码正确率，使水印信息本身更加安全，传递过程对攻击的免疫效果增强，应用效果更为鲁棒。

本发明在音频数字水印中嵌入区块链账本的方法主要具有以下优点：

1)通过将区块链信息嵌入音频水印中，保证了区块链在受到不明攻击或安全隐患时，保持其完整的鲁棒性。

2)通过将音频水印加入区块链信息，保证其自身操作的解码时，将误码率大幅度降低，保障了音频水印的安全性。

附图说明

图1为现有的音频水印的嵌入原理示意图；

图2为现有的音频水印的提取原理示意图；

图3为本发明的小波域水印中嵌入数据链的流程示意图；

图4为本发明小波域水印内容的结构示意图；

图5为本发明区块链水印嵌入的流程示意图；

图6为本发明音频水印提取的流程示意图；

图7为本发明频域音频水印的区块信息链更新流程示意图。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的在音频数字水印中嵌入区块链账本的方法做进一步详细的描述。

区块链是一种去中心化的记账技术，其共享与不可随意更改账本信息的特性，保证了使用者的信息的安全与可靠。

如图3所示，本发明公开了一种在音频水印中嵌入区块链账本的方法，基本原理是在音频水印的量化系数中增加对区块链账本信息的编码，使得此编码称为区块链账本的一个节点，保持其不可随意更改的特性，进而保证音频水印的完整性与提取时的误码率几乎为0。

相比现有的频域水印，在量化的输入上增加对区块链账本的记录选项，利用低频域信号去掩盖区块链账本的量化与编码信息，即隐藏其标识信息，又达到记账网络中节点不可任意更改的目的。该方法包括如下步骤：

步骤一：量化并编码含有区块链数据区的水印

区块链数据区的结构如图4所示，本发明选择主要的四个区块链账本信息进行水印的量化、编码操作。

假设区块链账本大小长度为M1的码流，W(i)为区块链账本的码流值，则可表示为：

W＝{w(i),0＜i≤M}

然后与水印信息组合在一起，即消除了水印信息的空间相关性，提高其鲁棒性。合并后由单纬度的区块链账本信息转化为含有水印信息的二维信息，可表示为：

W'＝{w'(i,j),0＜i≤M₁,0＜j≤M₂}

由于原本音频信号为一维数据，当加入区块链账本信息后，拥有了两个纬度，把此二维数据在转化为一维才能正确嵌入音频中。本发明的降为方法公式为：

v＝{v(k)＝w'(i,j),k＝i×M₂+j,0＜i≤M₁,0＜j≤M₂}

其中V(i)为包含区块链账本与水印信息的一维数据，此过程可称之为降维。

步骤二，嵌入区块链水印

如图5所示，在得到一维的区块链水印后，与原始音频的频域变换进行再次量化、编码形成新的矩阵系数编码，并进行频域逆变换可得到最终的含有区块链信息的音频水印。具体包括以下步骤：

1)变换原始音频的频域

对原始音频数据进行频域变换，以离散小波变换为例，其公式如下

其中a₀为系数a的步长，b₀为系数b的步长，j、k为常数。

2)合并频域系数与区块链量化系数

其合并方法可直接将频域系数与区块链量化系数合并为一纬信息，公式为

W＝{w(i+j),0＜i≤M,M＜j≤N}

其中i，j为分别为二者的长度。

3)嵌入水印

根据系数矩阵的低频部分，添加合并系数到其中，组成新矩阵系数。

4)频域逆变换

对新矩阵系数进行频域逆变换，得到新频域所对应的新空间域音频。

5)验证含水印的音频

查看音频水印是否具有不影响听觉效果的特性，以验证嵌入的含有区块链信息水印的音频是否成功。

步骤三，提取和验证音频水印

含有区块链水印的音频基本不上不会存在丢失、篡改的可能性，所以一般情况下此步骤基本可以省略，但为了验证本发明的有效性与正确性，需要进行提取和验证，具体的音频水印提取方法描述如下

如图6所示，音频水印的提取其与普通水印的提取并无差异，包括频域逆变换、水印提取、解码、量化还原、最终得到水印信息，然后分离出其中的音频信号、区块链信息、水印信息，从而验证音频水印。

步骤四，更新区块链中的水印信息

为了便于追踪，含有区块链信息水印的音频在传播过程中普遍要更新其区块链字段里的数据值，以表示其不可随意更改的特性，具体过程如图7所示：

区块链中水印信息的更新过程主要是水印序列中区块链信息的更新，即更改区块链数据区域中的“交易详情”字段，使之在区块链节点交流信息时能够通知其他节点，进一步限制整个内容的修改，保证其操作的透明性与共享性。

基本流程为：在区块链信息需要更新时，进行频域逆变换操作，形成水印序列，然后提取出其中区块链数据字段的交易详情，更新后广播给整个网络，得到回馈后对新的水印序列进行频域变换，得到新的音频水印系数矩阵。

当对水印进行解码时同样因为增加的区块链信息而变得不可更改，使得误码率几乎消失，使水印变得可靠起来。若想更改其信息，必须首先更改区块链信息，由于区块链的分布式特性，欲更改其信息所面对的巨大的计算量是不可实现的，代价亦不可接受，这是区块链的内部机制决定的安全特性。

区块链账本节点之间的特性为可以同时发送和接受更新数据，并将自己更新的数据广播到网络中，共同维持同一个账簿信心，只有通过协议的更改才是有效的更改，不然此项更改不会被接受，即水印信息不会更改，这保证了水印的安全性与鲁棒性。

本发明在音频水印的编码过程中，引入区块链账本技术，使之称为共享账本网络的一个节点，利用其不可随意更改的特性，保障其信息在受到恶劣环境时自身的鲁棒性，利用区块链账本的信息修改时必须使所有节点共同工作的特性，使其在提取时，误码率几乎为0，革命性的改善数字音频水印提取的准确性。

由此，本发明针对当前音频水印算法在受到攻击，或者多种攻击手段并存时鲁棒性变弱的问题，提出一种音频水印中嵌入区块链信息的方法，使得水印具备区块链信息不可更改，保障水印本身在受到攻击时的完整，提高其鲁棒性。本发明使用包含区块链数据的音频水印为传输单位，利用区块链分布式信息共享原理，使其在传递中保持其水印的完整，降低数据提取误码率。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (5)

1.一种在音频数字水印中嵌入区块链账本的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，选择分隔符、区块大小、区块头部结构以及交易详情作为账本信息与水印信息进行组合，以量化并编码含有区块链数据区的水印；

步骤二，将量化和编码的区块链账本信息与水印信息进行降维，并且与原始音频的频域变换进行再次量化、编码形成新的矩阵系数编码，进行频域逆变换得到最终的含有区块链信息的音频水印，完成嵌入区块链水印，具体包括：

首先变换原始音频的频域，然后合并频域系数与区块链量化系数，接着嵌入水印组成新矩阵系数并对新矩阵系数进行频域逆变换，最后得到新频域所对应的新空间域音频；

步骤三，通过更新区块链信息里的数据值来更新区块链中的水印信息，以便于追踪并获得不可随意更改性；

所述方法的基本原理是在音频水印的量化系数中增加对区块链账本信息的编码，使得此编码称为区块链账本的一个节点，保持其不可随意更改的特性，进而保证音频水印的完整性与提取时的误码率为0；在量化的输入上增加对区块链账本的记录选项，利用低频域信号去掩盖区块链账本的量化与编码信息，即隐藏其标识信息，达到记账网络中节点不可任意更改的目的。

2.根据权利要求1所述的在音频数字水印中嵌入区块链账本的方法，其特征在于，得到新频域所对应的新空间域音频后还包括步骤：查看音频水印是否影响听觉效果以验证嵌入的含有区块链信息水印的音频是否成功。

3.根据权利要求1所述的在音频数字水印中嵌入区块链账本的方法，其特征在于，步骤二与步骤三之间还包括提取和验证音频水印的步骤。

4.根据权利要求3所述的在音频数字水印中嵌入区块链账本的方法，其特征在于，提取和验证音频水印的步骤包括：频域逆变换、水印提取、解码、量化还原得到水印信息，然后分离出音频信号、区块链信息、水印信息，从而验证音频水印。

5.根据权利要求1所述的在音频数字水印中嵌入区块链账本的方法，其特征在于，步骤三中，在更新区块链信息时，进行频域逆变换操作，形成水印序列，然后提取出其中区块链数据字段的交易详情，更新后广播给整个网络，得到回馈后对新的水印序列进行频域变换，得到新的音频水印系数矩阵。

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