CN111526148B - 一种云计算环境下加密音频的安全去噪系统及方法 - Google Patents

一种云计算环境下加密音频的安全去噪系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种云计算环境下加密音频的安全去噪系统，包括：用户端，用于对音频进行加密处理及对加密音频进行解密处理；隐私服务器，用于为用户端提供Paillier加性同态的公钥和私钥；云服务器，用于对用户端上传的音频进行存储及去噪；所述云服务器上设有交互计算模块，用于隐私服务器及云服务器之间在加密域的去噪交互计算。本发明还提出一种云计算环境下加密音频的安全去噪方法，使得用户不须将音频从云端下载至本地再去噪，过程简单，且不会泄露隐私数据。

Description

一种云计算环境下加密音频的安全去噪系统及方法
技术领域
本发明涉及音频去噪的技术领域，更具体地，涉及一种云计算环境下加密音频的安全去噪系统及方法。
背景技术
近年来，随着信息技术的快速发展，云技术越来越多地应用在我们的日常生活中，越来越多的用户将自己的数据上传到云上存储及计算。当涉及隐私数据时，例如私密语音音频，我们通常选择采用加密方法例如Paillier加密算法对其进行加密以保护隐私信息，Paillier加密算法具有加性同态的特性，是一种被广泛使用的公钥加密算法，不仅可以实现公钥加密，还可以运用到各种云计算应用上，从根本上解决了数据隐私的问题。
然而，当用户需要对加密音频去噪时，这些经加密的音频很难用现有的明文域方法去处理，如果将音频从云端下载解密后，然后再在本地去噪，过程比较繁琐，但直接在云端解密音频，又具有泄露隐私的风险。
因此，提出一种不须下载至本地去噪且不泄露隐私数据的云计算环境下加密音频的安全去噪系统及方法十分有必要。
发明内容
为克服将音频从云端下载解密后在本地去噪的过程比较繁琐，但直接在云端解密音频，又具有泄露隐私的风险矛盾问题，为解决以上问题，本发明提出一种云计算环境下加密音频的安全去噪系统及方法，不须将音频从云端下载至本地再去噪，且不会泄露隐私数据。
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种云计算环境下加密音频的安全去噪系统，包括：
用户端，用于对音频进行加密处理及对加密音频进行解密处理；
隐私服务器，用于为用户端提供Paillier加性同态的公钥和私钥；
云服务器，用于对用户端上传的音频进行存储及去噪。
优选地，所述云服务器上设有交互计算模块，用于隐私服务器及云服务器之间在加密域的去噪交互计算。
本发明还提出一种云计算环境下加密音频的安全去噪方法，所述方法所述的系统实现，至少包括：
S1.用户端向隐私服务器申请并获取Paillier加性同态的公钥pk和私钥sk；
S2.用户端将公钥pk传输至云服务器，并利用公钥pk对音频的各采样点进行加密后，上传至云服务器；
S3.云服务器将用户端传输的加密音频进行存储；
S4.云服务器通过交互计算模块与隐私服务器进行加密音频在加密域的去噪交互计算。
S5.用户端利用私钥sk对从云服务器下载的加密音频进行解密。
优选地，用户端利用公钥pk对音频的各采样点中的浮点数进行加密时，将音频各采样点中的浮点数乘以大整数Q后，再取整，最后进行加密，Q为精度控制系数；用户端利用公钥pk对音频的各采样点中的负数进行加密时，采用模运算的处理方法，过程为：将公钥pk的原加密范围[0，n)中的后半段加密范围
Figure GDA0003283657070000021
表示负数加密范围
Figure GDA0003283657070000022
使加密范围变为
Figure GDA0003283657070000023
n表示加密的最大正整数。
在此，由于Paillier加密法仅适用于正整数加密，所以对音频各采样点中的浮点数和负数进行加密时，须进行变换处理。
优选地，步骤S4所述的云服务器通过交互计算模块与隐私服务器进行的交互计算包括密文乘法计算、密文除法计算、密文开方计算及密文比较计算。
优选地，所述密文乘法计算的协议符号公式为：
Figure GDA0003283657070000024
其中，a、b均表示加密音频的明文，密文乘法计算的过程为：
S401.云服务器随机生成整数明文r1及整数明文r2，其中r1＞＞a，r2＞＞b；
S402.结合加法同态性质，得到密文
Figure GDA0003283657070000025
及密文
Figure GDA0003283657070000026
S403.云服务器将密文
Figure GDA0003283657070000027
及密文
Figure GDA0003283657070000028
传输至隐私服务器，隐私服务器将密文
Figure GDA0003283657070000029
及密文
Figure GDA00032836570700000210
分别解密为明文a+r1及明文b+r2，进一步计算得中间明文c＝(a+r1)(b+r2)；
S404.隐私服务器利用公钥pk将中间明文c加密得到密文
Figure GDA00032836570700000211
并将密文
Figure GDA00032836570700000212
传输至云服务器，云服务器通过同态性质计算得到：
Figure GDA0003283657070000031
在此，在密文乘法的计算过程中，云服务器拥有密文
Figure GDA0003283657070000032
密文
Figure GDA0003283657070000033
和公钥pk，隐私服务器拥有公钥pk和私钥sk，计算输出后，云服务器获得密文
Figure GDA0003283657070000034
隐私服务器无法获得关于明文a，b的任何信息，因此，密文乘法交互过程，不泄露任何隐私数据。
所述密文除法计算的协议符号公式为：
Figure GDA0003283657070000035
其中，a、b均表示加密音频的明文，Q为精度控制系数；
密文除法计算的过程为：
S411.云服务器随机生成整数明文r1及整数明文r2，满足
Figure GDA0003283657070000036
r2＜＜r1，n表示加密的最大正整数；
S412.根据同态性质，得到密文
Figure GDA0003283657070000037
及密文
Figure GDA0003283657070000038
S413.云服务器将密文
Figure GDA0003283657070000039
及密文
Figure GDA00032836570700000310
传输至隐私服务器，隐私服务器将密文
Figure GDA00032836570700000311
及密文
Figure GDA00032836570700000312
分别解密为明文r1Q+r2及明文r1b，进一步计算得中间明文
Figure GDA00032836570700000313
因此
Figure GDA00032836570700000314
S414.隐私服务器利用公钥pk将中间明文加密，将密文
Figure GDA00032836570700000315
传输至云服务器，云服务器通过密文乘法计算的协议符号公式计算得到：
Figure GDA00032836570700000316
在此，在密文除法的计算过程中，云服务器拥有密文
Figure GDA00032836570700000317
密文
Figure GDA00032836570700000318
精度控制系数Q和公钥pk，隐私服务器拥有公钥pk和私钥sk，计算输出后，云服务器获得密文
Figure GDA00032836570700000319
隐私服务器无法获得关于明文a，b的任何信息，因此，密文除法交互过程，不泄露任何隐私数据。
所述密文开方计算的协议符号公式为：
Figure GDA00032836570700000320
其中，a表示加密音频的明文，Q为精度控制系数；
密文开方计算的过程为：
S421.云服务器随机生成整数明文r，满足
Figure GDA00032836570700000321
a表示加密音频的明文，n表示加密的最大正整数；
S422.通过同态性质计算得密文
Figure GDA0003283657070000041
及
Figure GDA0003283657070000042
S423.云服务器将密文
Figure GDA0003283657070000043
及密文
Figure GDA0003283657070000044
传输至隐私服务器，隐私服务器将密文
Figure GDA0003283657070000045
及密文
Figure GDA0003283657070000046
分别解密为明文rQ及明文r2a，进一步计算得中间明文
Figure GDA0003283657070000047
S424.隐私服务器利用公钥pk将中间明文加密，将密文
Figure GDA0003283657070000048
传输至云服务器，云服务器密文乘法计算的协议符号公式计算得到：
Figure GDA0003283657070000049
在此，在密文开方的计算过程中，云服务器拥有密文
Figure GDA00032836570700000410
精度控制系数Q和公钥pk，隐私服务器拥有公钥pk和私钥sk，计算输出后，云服务器获得密文
Figure GDA00032836570700000411
隐私服务器无法获得关于明文a的任何信息，因此，密文开方交互过程，不泄露任何隐私数据。
所述密文比较计算的协议符号公式为：
Figure GDA00032836570700000412
密文比较计算的过程为：
S431.云服务器随机生成整数明文r，其中
Figure GDA00032836570700000413
a、b均表示加密音频的明文，n表示加密的最大正整数，Q为精度控制系数；
S432.根据同态性质，得到密文
Figure GDA00032836570700000414
S433.云服务器将密文
Figure GDA00032836570700000415
传输至隐私服务器，隐私服务器将其解密为明文flag＝r(a-b)；
S434.令
Figure GDA00032836570700000416
隐私服务器利用公钥pk将中间明文加密，将密文
Figure GDA00032836570700000417
传输至云服务器；
S435.云服务器随机生成整数r0，r1，r2，通过同态性质计算得
Figure GDA00032836570700000418
Figure GDA00032836570700000419
并将
Figure GDA00032836570700000420
传输至隐私服务器，隐私服务器由i直接选出
Figure GDA00032836570700000421
并将
Figure GDA00032836570700000422
重加密后返回给云服务器，云服务器通过同态性质计算得
Figure GDA00032836570700000423
在此，在密文比较的计算过程中，云服务器拥有密文
Figure GDA00032836570700000424
密文
Figure GDA00032836570700000425
和公钥pk，隐私服务器拥有公钥pk和私钥sk，计算输出后，云服务器获得密文
Figure GDA00032836570700000426
隐私服务器无法获得关于明文a，明文b的任何信息，因此，在密文比较交互过程，不泄露任何隐私数据。
优选地，步骤S4所述的加密音频去噪是通过基本谱减法在交互计算过程中的设计实现，保证了隐私数据不会泄露的同时去除噪声。
优选地，基本谱减法在交互计算过程中的设计步骤为：
第一步，对输入的加密音频
Figure GDA0003283657070000051
信号分成帧段，并加上汉明窗，设每帧加密音频的信号长度为M，也即窗口大小为M，窗移为Linc，采用汉明窗函数为：
Figure GDA0003283657070000052
其中，W(m)表示在加密范围内的窗口系数，m表示在[0,M)之间的整数，α0表示系数；
设
Figure GDA0003283657070000053
为第p帧加密音频，则：
Figure GDA0003283657070000054
第二步，对加密音频
Figure GDA0003283657070000055
的各帧音频做离散傅里叶变换，过程为：
求取变换系数矩阵D和反变换系数矩阵D′，公式分别为：
Figure GDA0003283657070000056
Figure GDA0003283657070000057
其中，L为加密音频的信号长度；u,v均表示在(0,M]之间的整数；
离散傅里叶变换的公式为：
Figure GDA0003283657070000058
离散傅里叶反变换的公式为：
Figure GDA0003283657070000059
其中，
Figure GDA00032836570700000510
为时域信号，
Figure GDA00032836570700000511
为频谱信号。
第三步，计算加密音频的各帧音频信号能量和噪声平均能量；
对第p帧加密音频
Figure GDA00032836570700000512
进行离散傅里叶变换，得到p帧音频信号频谱的实部
Figure GDA00032836570700000513
和虚部
Figure GDA00032836570700000514
结合交互计算乘法，求取信号能量
Figure GDA00032836570700000515
Figure GDA00032836570700000516
取加密音频的前N帧加密音频作为无话段，将信号能量求和得噪声平均能量谱：
Figure GDA0003283657070000061
其中，p表示加密音频的p帧序号数,Pnoise(m)表示噪声平均能量谱；Pp(m)表示第p帧加密音频的信号能量；
第四步，求取谱减后的能量谱
Figure GDA0003283657070000062
Figure GDA0003283657070000063
其中，云服务器与隐私服务器交互求
Figure GDA0003283657070000064
和
Figure GDA0003283657070000065
中的较大值作为谱减结果，α和β分别为谱减法的过减因子和补偿因子；
云服务器与隐私服务器进行交互计算密文开方和乘法，求取谱减后的频谱实部Re′p(m)：
Figure GDA0003283657070000066
求取谱减后的频谱虚部Im′p(m)：
Figure GDA0003283657070000067
其中，Q1,Q2均为精度控制系数；
第五步，由谱减后的频谱实部Re′p(m)和谱减后的频谱实部Im′p(m)经过第二步傅里叶反变换，得到去噪后的各帧加密音频
Figure GDA0003283657070000068
后，将所有信号帧进行重叠相加，得到去噪后加密音频
Figure GDA0003283657070000069
过程为：
设加密音频的总帧数为Nf，窗移为Linc，
Figure GDA00032836570700000610
初始为零向量，p为0～Nf-1，则满足：
Figure GDA00032836570700000611
其中，0≤m＜M。
在此，求噪声平均能量谱Pnoise(m)时，没有除以N，后续用乘法来抵消，以减少交互计算，提高计算效率。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提出一种云计算环境下加密音频的安全去噪系统及方法，通过用户端、隐私服务器及云服务器三者之间配合，利用云服务器上的交互计算模块与隐私服务器在加密域进行去噪交互计算，使得用户不须将音频从云端下载至本地再去噪，过程简单，且不会泄露隐私数据。
附图说明
图1为本发明提出的云计算环境下加密音频的安全去噪系统的结构图。
图2为本发明提出的云计算环境下加密音频的安全去噪方法的流程图。
图3为本发明实施例中提出的一种加密音频的波形图。
图4为本发明实施例中提出的为检测去噪效果加入的-5dB噪声的信号波形图。
图5为本发明实施例中提出的采用本申请提出方法去噪后的加密音频的波形图。
图6为本发明实施例中提出的采用明文域去噪后的加密音频的波形图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示的云计算环境下加密音频的安全去噪系统的结构图，包括：
用户端，用于对音频进行加密处理及对加密音频进行解密处理；
隐私服务器，用于为用户端提供Paillier加性同态的公钥和私钥；
云服务器，用于对用户端上传的音频进行存储及去噪；
在本实施例中，云服务器上设有交互计算模块，用于隐私服务器及云服务器之间在加密域的去噪交互计算。
用户端从隐私服务器申请获取Paillier公钥pk和私钥sk，并将公钥pk告知云服务器，用户端利用公钥pk对音频进行加密，并上传至云服务器进行存储，通过云服务器与隐私服务器之间的交互计算，对加密音频在加密域内进行去噪。
参见图2，本发明还提出一种云计算环境下加密音频的安全去噪方法，所述方法基于云计算环境下加密音频的安全去噪系统实现，包括：
S1.用户端向隐私服务器申请并获取Paillier加性同态的公钥pk和私钥sk；
S2.用户端将公钥pk传输至云服务器，并利用公钥pk对音频的各采样点进行加密后，上传至云服务器；
S3.云服务器将用户端传输的加密音频进行存储；
S4.云服务器通过交互计算模块与隐私服务器进行加密音频在加密域的去噪交互计算。
S5.用户端利用私钥sk对从云服务器下载的加密音频进行解密。
在本实施例中，由于Paillier加密法仅适用于正整数加密，所以对音频各采样点中的浮点数和负数进行加密时，须进行变换处理，具体为：用户端利用公钥pk对音频的各采样点中的浮点数进行加密时，将音频各采样点中的浮点数乘以大整数Q后，再取整，最后进行加密，Q为精度控制系数；用户端利用公钥pk对音频的各采样点中的负数进行加密时，采用模运算的处理方法，过程为：将公钥pk的原加密范围[0,n)中的后半段加密范围
Figure GDA0003283657070000081
表示负数加密范围
Figure GDA0003283657070000082
使加密范围变为
Figure GDA0003283657070000084
n表示加密的最大正整数。
在本实施例中，云服务器通过交互计算模块与隐私服务器进行的交互计算包括密文乘法计算、密文除法计算、密文开方计算及密文比较计算。
所述密文乘法计算的协议符号公式为：
Figure GDA0003283657070000085
其中，a、b均表示加密音频的明文，密文乘法计算的过程为：
S401.云服务器随机生成整数明文r1及整数明文r2，其中r1＞＞a，r2＞＞b；
S402.结合加法同态性质，得到密文
Figure GDA0003283657070000086
及密文
Figure GDA0003283657070000087
S403.云服务器将密文
Figure GDA0003283657070000088
及密文
Figure GDA0003283657070000089
传输至隐私服务器，隐私服务器将密文
Figure GDA00032836570700000810
及密文
Figure GDA00032836570700000811
分别解密为明文a+r1及明文b+r2，进一步计算得中间明文c＝(a+r1)(b+r2)；
S404.隐私服务器利用公钥pk将中间明文c加密得到密文
Figure GDA00032836570700000812
并将密文
Figure GDA00032836570700000813
传输至云服务器，云服务器通过同态性质计算得到：
Figure GDA00032836570700000814
在密文乘法的计算过程中，云服务器拥有密文
Figure GDA00032836570700000815
密文
Figure GDA00032836570700000816
和公钥pk，隐私服务器拥有公钥pk和私钥sk，计算输出后，云服务器获得密文
Figure GDA00032836570700000817
隐私服务器无法获得关于明文a,b的任何信息，因此，密文乘法交互过程，不泄露任何隐私数据。
所述密文除法计算的协议符号公式为：
Figure GDA0003283657070000091
其中，a、b均表示加密音频的明文，Q为精度控制系数；
密文除法计算的过程为：
S411.云服务器随机生成整数明文r1及整数明文r2，满足
Figure GDA0003283657070000092
r2＜＜r1，n表示加密的最大正整数；
S412.根据同态性质，得到密文
Figure GDA0003283657070000093
及密文
Figure GDA0003283657070000094
S413.云服务器将密文
Figure GDA0003283657070000095
及密文
Figure GDA0003283657070000096
传输至隐私服务器，隐私服务器将密文
Figure GDA0003283657070000097
及密文
Figure GDA0003283657070000098
分别解密为明文r1Q+r2及明文r1b，进一步计算得中间明文
Figure GDA0003283657070000099
因此
Figure GDA00032836570700000910
S414.隐私服务器利用公钥pk将中间明文加密，将密文
Figure GDA00032836570700000911
传输至云服务器，云服务器通过密文乘法计算的协议符号公式计算得到：
Figure GDA00032836570700000912
在密文除法的计算过程中，云服务器拥有密文
Figure GDA00032836570700000913
密文
Figure GDA00032836570700000914
精度控制系数Q和公钥pk，隐私服务器拥有公钥pk和私钥sk，计算输出后，云服务器获得密文
Figure GDA00032836570700000915
隐私服务器无法获得关于明文a,b的任何信息，因此，密文除法交互过程，不泄露任何隐私数据。
密文开方计算的协议符号公式为：
Figure GDA00032836570700000916
其中，a表示加密音频的明文，Q为精度控制系数；
密文开方计算的过程为：
S421.云服务器随机生成整数明文r，满足
Figure GDA00032836570700000917
a表示加密音频的明文，n表示加密的最大正整数；
S422.通过同态性质计算得密文
Figure GDA00032836570700000918
及
Figure GDA00032836570700000919
S423.云服务器将密文
Figure GDA00032836570700000920
及密文
Figure GDA00032836570700000921
传输至隐私服务器，隐私服务器将密文
Figure GDA00032836570700000922
及密文
Figure GDA00032836570700000923
分别解密为明文rQ及明文r2a，进一步计算得中间明文
Figure GDA00032836570700000924
S424.隐私服务器利用公钥pk将中间明文加密，将密文
Figure GDA00032836570700000925
传输至云服务器，云服务器密文乘法计算的协议符号公式计算得到：
Figure GDA0003283657070000101
在此，在密文开方的计算过程中，云服务器拥有密文
Figure GDA0003283657070000102
精度控制系数Q和公钥pk，隐私服务器拥有公钥pk和私钥sk，计算输出后，云服务器获得密文
Figure GDA0003283657070000103
隐私服务器无法获得关于明文a的任何信息，因此，密文开方交互过程，不泄露任何隐私数据。
密文比较计算的协议符号公式为：
Figure GDA0003283657070000104
密文比较计算的过程为：
S431.云服务器随机生成整数明文r，其中
Figure GDA0003283657070000105
a、b均表示加密音频的明文，n表示加密的最大正整数，Q为精度控制系数；
S432.根据同态性质，得到密文
Figure GDA0003283657070000106
S433.云服务器将密文
Figure GDA0003283657070000107
传输至隐私服务器，隐私服务器将其解密为中间明文flag＝r(a-b)；
S434.令
Figure GDA0003283657070000108
隐私服务器利用公钥pk将中间明文加密，将密文
Figure GDA0003283657070000109
传输至云服务器；
S435.云服务器随机生成整数r0,r1,r2，通过同态性质计算得
Figure GDA00032836570700001010
Figure GDA00032836570700001011
并将
Figure GDA00032836570700001012
传输至隐私服务器，隐私服务器由i直接选出
Figure GDA00032836570700001013
并将
Figure GDA00032836570700001014
重加密后返回给云服务器，云服务器通过同态性质计算得
Figure GDA00032836570700001015
在密文比较的计算过程中，云服务器拥有密文
Figure GDA00032836570700001016
密文
Figure GDA00032836570700001017
和公钥pk，隐私服务器拥有公钥pk和私钥sk，计算输出后，云服务器获得密文
Figure GDA00032836570700001018
隐私服务器无法获得关于明文a，明文b的任何信息，因此，在密文比较交互过程，不泄露任何隐私数据。
在本实施例中，步骤S4所述的加密音频去噪是通过基本谱减法在交互计算过程中的设计实现，保证了隐私数据不会泄露的同时去除噪声。
基本谱减法在交互计算过程中的设计步骤为:
第一步，对输入的加密音频
Figure GDA00032836570700001019
信号分成帧段，并加上汉明窗，设每帧加密音频的信号长度为M，也即窗口大小为M，窗移为Linc，采用汉明窗函数为：
Figure GDA00032836570700001020
其中，W(m)表示在加密范围内的窗口系数，m表示在[0,M)之间的整数，α0表示系数；在本实施例中，α0取0.46；
设
Figure GDA0003283657070000111
为第p帧加密音频，则：
Figure GDA0003283657070000112
第二步，对加密音频
Figure GDA0003283657070000113
的各帧音频做离散傅里叶变换，过程为：
求取变换系数矩阵D和反变换系数矩阵D′，公式分别为：
Figure GDA0003283657070000114
Figure GDA0003283657070000115
其中，L为加密音频的信号长度；u，v均表示在(0,M]之间的整数；
离散傅里叶变换的公式为：
Figure GDA0003283657070000116
离散傅里叶反变换的公式为：
Figure GDA0003283657070000117
其中，
Figure GDA0003283657070000118
为时域信号，
Figure GDA0003283657070000119
为频谱信号。
第三步，计算加密音频的各帧音频信号能量和噪声平均能量；
对第p帧加密音频
Figure GDA00032836570700001110
进行离散傅里叶变换，得到p帧音频信号频谱的实部
Figure GDA00032836570700001111
和虚部
Figure GDA00032836570700001112
结合交互计算乘法，求取信号能量
Figure GDA00032836570700001113
Figure GDA00032836570700001114
取加密音频的前N帧加密音频作为无话段，将信号能量求和得噪声平均能量谱：
Figure GDA00032836570700001115
其中，p表示加密音频的p帧序号数,Pnoise(m)表示噪声平均能量谱；Pp(m)表示第p帧加密音频的信号能量；
第四步，求取谱减后的能量谱
Figure GDA00032836570700001116
Figure GDA0003283657070000121
其中，云服务器与隐私服务器交互求
Figure GDA0003283657070000122
和
Figure GDA0003283657070000123
中的较大值作为谱减结果，α和β分别为谱减法的过减因子和补偿因子；
其中，云服务器与隐私服务器交互求
Figure GDA0003283657070000124
中的较大值作为谱减结果，α和β分别为谱减法的过减因子和补偿因子；
云服务器与隐私服务器进行交互计算密文开方和乘法，求取谱减后的频谱实部Re′p(m)：
Figure GDA0003283657070000125
求取谱减后的频谱虚部Im′p(m)：
Figure GDA0003283657070000126
其中，Q1，Q2均为精度控制系数；
第五步，由谱减后的频谱实部Re′p(m)和谱减后的频谱实部Im′p(m)经过第二步傅里叶反变换，在具体实施时，谱减后的频谱实部Re′p(m)和谱减后的频谱实部Im′p(m)做傅里叶反变换是可根据公式直接进行的操作，此处不再赘述，得到去噪后的各帧加密音频
Figure GDA0003283657070000127
后，将所有信号帧进行重叠相加，得到去噪后加密音频
Figure GDA0003283657070000128
过程为：
设加密音频的总帧数为Nf，窗移为Linc，
Figure GDA0003283657070000129
初始为零向量，p为0～Nf-1，则满足：
Figure GDA00032836570700001210
其中，0≤m＜M。
下面结合实际具体的情况进行说明，图3为一种加密音频的波形图，图4为在加密音频中加入-5dB噪声后的加密音频的波形图，可看出噪声对加密音频产生了较大的干扰；图5为采用本申请提出的方法去噪后的加密音频波形图，图6为采用常规明文域去噪后的加密音频波形图，将图5使用加密域谱减法对音频进行去噪的结果与图6明文域去噪结果的对比，可见该去噪算法可很好地移除噪声，且本发明设计的加密域去噪算法的去噪结果与明文域基本一致。
对音频分别加信噪比-15～15dB的7种噪声，使用谱减法在明文域和加密域分别进行去噪的实验结果如表4所示。
表4
Figure GDA0003283657070000131
其中，表4分别计算了分帧信噪比、加密域分帧信噪比、明文域分帧信噪比、百分比损失及加密域与加密域相关系数，从实验结果可看出，平均百分损失比基本在10-6数量级，即本申请设计的加密域算法可达到与明文域基本一致的效果。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种云计算环境下加密音频的安全去噪方法，所述方法通过云计算环境下加密音频的安全去噪系统实现，所述系统包括：
用户端，用于对音频进行加密处理及对加密音频进行解密处理；
隐私服务器，用于为用户端提供Paillier加性同态的公钥和私钥；
云服务器，用于对用户端上传的音频进行存储及去噪，所述云服务器上设有交互计算模块，用于隐私服务器及云服务器之间在加密域的去噪交互计算，
其特征在于，至少包括：
S1.用户端向隐私服务器申请并获取Paillier加性同态的公钥pk和私钥sk；
S2.用户端将公钥pk传输至云服务器，并利用公钥pk对音频的各采样点进行加密后，上传至云服务器；
S3.云服务器将用户端传输的加密音频进行存储；
S4.云服务器通过交互计算模块与隐私服务器进行加密音频在加密域的去噪交互计算；加密音频去噪是通过基本谱减法在交互计算过程中的设计实现；所述的云服务器通过交互计算模块与隐私服务器进行的交互计算包括密文乘法计算、密文除法计算、密文开方计算及密文比较计算；
所述密文乘法计算的协议符号公式为：
Figure FDA0003283657060000011
其中，a、b均表示加密音频的明文，密文乘法计算的过程为：
S401.云服务器随机生成整数明文r1及整数明文r2，其中r1＞＞a，r2＞＞b；
S402.结合加法同态性质，得到密文
Figure FDA0003283657060000012
及密文
Figure FDA0003283657060000013
S403.云服务器将密文
Figure FDA0003283657060000014
及密文
Figure FDA0003283657060000015
传输至隐私服务器，隐私服务器将密文
Figure FDA0003283657060000016
及密文
Figure FDA0003283657060000017
分别解密为明文a+r1及明文b+r2，进一步计算得中间明文c＝(a+r1)(b+r2)；
S404.隐私服务器利用公钥pk将中间明文c加密得到密文
Figure FDA0003283657060000018
并将密文
Figure FDA0003283657060000019
传输至云服务器，云服务器通过同态性质计算得到：
Figure FDA00032836570600000110
所述密文除法计算的协议符号公式为：
Figure FDA0003283657060000021
其中，a、b均表示加密音频的明文，Q为精度控制系数；
密文除法计算的过程为：
S411.云服务器随机生成整数明文r1及整数明文r2，满足|r1Q|，
Figure FDA0003283657060000022
r2＜＜r1，n表示加密的最大正整数；
S412.根据同态性质，得到密文
Figure FDA0003283657060000023
及密文
Figure FDA0003283657060000024
S413.云服务器将密文
Figure FDA0003283657060000025
及密文
Figure FDA0003283657060000026
传输至隐私服务器，隐私服务器将密文
Figure FDA0003283657060000027
及密文
Figure FDA0003283657060000028
分别解密为明文r1Q+r2及明文r1b，进一步计算得中间明文
Figure FDA0003283657060000029
因此
Figure FDA00032836570600000210
S414.隐私服务器利用公钥pk将中间明文加密，将密文
Figure FDA00032836570600000211
传输至云服务器，云服务器通过密文乘法计算的协议符号公式计算得到：
Figure FDA00032836570600000212
所述密文开方计算的协议符号公式为：
Figure FDA00032836570600000213
其中，a表示加密音频的明文，Q为精度控制系数；
密文开方计算的过程为：
S421.云服务器随机生成整数明文r，满足
Figure FDA00032836570600000214
a表示加密音频的明文，n表示加密的最大正整数；
S422.通过同态性质计算得密文
Figure FDA00032836570600000215
及
Figure FDA00032836570600000216
S423.云服务器将密文
Figure FDA00032836570600000217
及密文
Figure FDA00032836570600000218
传输至隐私服务器，隐私服务器将密文
Figure FDA00032836570600000219
及密文
Figure FDA00032836570600000220
分别解密为明文rQ及明文r2a，进一步计算得中间明文
Figure FDA00032836570600000221
S424.隐私服务器利用公钥pk将中间明文加密，将密文
Figure FDA00032836570600000222
传输至云服务器，云服务器通过密文乘法计算的协议符号公式计算得到：
Figure FDA00032836570600000223
所述密文比较计算的协议符号公式为：
Figure FDA00032836570600000224
密文比较计算的过程为：
S431.云服务器随机生成整数明文r，其中|ra|，
Figure FDA00032836570600000225
a、b均表示加密音频的明文，n表示加密的最大正整数，Q为精度控制系数；
S432.根据同态性质，得到密文
Figure FDA0003283657060000031
S433.云服务器将密文
Figure FDA0003283657060000032
传输至隐私服务器，隐私服务器将其解密为明文flag＝r(a-b)；
S434.令
Figure FDA0003283657060000033
隐私服务器利用公钥pk将中间明文加密，将密文
Figure FDA0003283657060000034
传输至云服务器；
S435.云服务器随机生成整数r0，r1，r2，通过同态性质计算得
Figure FDA0003283657060000035
Figure FDA0003283657060000036
并将
Figure FDA0003283657060000037
传输至隐私服务器，隐私服务器由i直接选出
Figure FDA0003283657060000038
并将
Figure FDA0003283657060000039
重加密后返回给云服务器，云服务器通过同态性质计算得
Figure FDA00032836570600000310
S5.用户端利用私钥sk对从云服务器下载的加密音频进行解密。
2.根据权利要求1所述的云计算环境下加密音频的安全去噪方法，其特征在于，用户端利用公钥pk对音频的各采样点中的浮点数进行加密时，将音频各采样点中的浮点数乘以大整数Q后，再取整，最后进行加密，Q为精度控制系数；用户端利用公钥pk对音频的各采样点中的负数进行加密时，采用模运算的处理方法，过程为：将公钥pk的原加密范围[0，n)中的后半段加密范围
Figure FDA00032836570600000311
表示负数加密范围
Figure FDA00032836570600000312
使加密范围变为
Figure FDA00032836570600000313
n表示加密的最大正整数。
3.根据权利要求2所述的云计算环境下加密音频的安全去噪方法，其特征在于，基本谱减法在交互计算过程中的设计步骤为：
第一步，对输入的加密音频
Figure FDA00032836570600000314
信号分成帧段，并加上汉明窗，设每帧加密音频的信号长度为M，也即窗口大小为M，窗移为Linc，采用汉明窗函数为：
Figure FDA00032836570600000315
其中，W(m)表示在加密范围内的窗口系数，m表示在[0,M)之间的整数，α0表示系数；
设
Figure FDA00032836570600000316
为第p帧加密音频，则：
Figure FDA00032836570600000317
第二步，对加密音频的各帧音频
Figure FDA00032836570600000318
分别做离散傅里叶变换，过程为：
求取变换系数矩阵D和反变换系数矩阵D′，公式分别为：
Figure FDA0003283657060000041
Figure FDA0003283657060000042
其中，M为加密音频的信号长度；u，v均表示在[0,M)之间的整数；
离散傅里叶变换的公式为：
Figure FDA0003283657060000043
离散傅里叶反变换的公式为：
Figure FDA0003283657060000044
其中，
Figure FDA0003283657060000045
为时域信号，
Figure FDA0003283657060000046
为频谱信号；
第三步，计算加密音频的各帧音频信号能量和噪声平均能量；
对第p帧加密音频
Figure FDA0003283657060000047
进行离散傅里叶变换，得到p帧音频信号频谱的实部
Figure FDA0003283657060000048
和虚部
Figure FDA0003283657060000049
结合交互计算乘法，求取信号能量
Figure FDA00032836570600000410
Figure FDA00032836570600000411
取加密音频的前N帧加密音频作为无话段，将信号能量求和得噪声平均能量谱：
Figure FDA00032836570600000412
其中，Pnoise(m)表示噪声平均能量谱；Pp(m)表示第p帧加密音频的信号能量；
第四步，求取谱减后的能量谱
Figure FDA00032836570600000413
Figure FDA00032836570600000414
其中，云服务器与隐私服务器交互求
Figure FDA00032836570600000415
和
Figure FDA00032836570600000416
中的较大值作为谱减结果，α和β分别为谱减法的过减因子和补偿因子；
云服务器与隐私服务器进行交互计算密文开方和乘法，求取谱减后的频谱实部Re′p(m)：
Figure FDA0003283657060000051
求取谱减后的频谱虚部Im′p(m)：
Figure FDA0003283657060000052
其中，Q1，Q2均为精度控制系数；
第五步，由谱减后的频谱实部Re′p(m)和谱减后的频谱虚部Im′p(m)经过第二步傅里叶反变换，得到去噪后的各帧加密音频
Figure FDA0003283657060000053
后，将所有信号帧进行重叠相加，得到去噪后加密音频
Figure FDA0003283657060000054
过程为：
设加密音频的总帧数为Nf，窗移为Linc，
Figure FDA0003283657060000055
初始为零向量，p为0～Nf-1，则满足：
Figure FDA0003283657060000056
其中，0≤m＜M。
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