CN105206276A - 一种基于分数阶混沌系统的自同步音频水印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分数阶混沌系统的自同步音频水印方法，生成水印用户密钥；构造分数阶混沌系统的响应系统，选取控制器使响应系统同步；将系统响应作为反馈输入分数阶混沌系统，设置用户密钥作为水印信息选取位置，从自同步的分数阶混沌系统选取L个系数并量化为二进制序列；该二进制序列与用户信息异或运算后作为水印信息；数字音频信号以分帧音频质心为中心，根据用户密钥选取n个系数嵌入1比特水印信息；确定分帧音频质心坐标；以分帧音频质心为中心，根据用户密钥选取n个系数，每个系数提取1比特水印信息，产生序列与原始二进制序列异或运算，得到用户信息。本发明的有益效果是较好的满足音频水印抵抗同步攻击的需求。

Description

一种基于分数阶混沌系统的自同步音频水印方法

技术领域

本发明属于数据处理技术领域，涉及一种基于分数阶混沌系统的自同步音频水印方法。

背景技术

随着互联网的发展和音频压缩技术的不断成熟，以MP3为代表的网络音乐在数字广播、网上音频点播、在线音乐销售等系统中得到了广泛应用，由此引发的音频媒体版权保护和安全认证等问题变得愈加突出。数字水印技术作为传统加密方法的有效补充手段，是一种可以在开放的网络环境下保护版权和认证来源及完整性的新技术，近年来已成为信息安全领域的一个研究热点。

同步攻击对音频信号的同步结构损害显著，目前主流的通过音频内容分析而提取特征点来标示嵌入位置的策略，普遍存在对无法准确提取特征点的音乐类型稳健性效果较差，部分特征点易被水印操作和信号处理所淹没的特点。本发明针对目前音频水印算法中存在的同步问题，结合隐含同步和恒定水印的基本思想，提出一种基于分数阶混沌系统的自同步音频水印方法，较好的满足音频水印抵抗同步攻击的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于分数阶混沌系统的自同步音频水印方法，解决了目前没有好的音频加密方法，易被攻击的问题。

本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：

一、水印信息生成；

1、根据分数阶混沌系统动力学方程：

$\left\{\begin{array}{c}{d}^{q_1}{x}_1/{\mathrm{dt}}^{q_1}=(25\mathrm{\α}+10)(x_2-x_1)\\ d^{q_2}{x}_2/{\mathrm{dt}}^{q_2}=(28-35\mathrm{\α})x_1-x_1{x}_3+(29\mathrm{\α}-1)x_2\\ d^{q_3}{x}_3/{\mathrm{dt}}^{q_3}=x_1{x}_2-(8+\mathrm{\α})x_3/3\end{array}\right.;---\left(1\right)$

其中，参数α∈[0,1]；q_i(i＝1,2,3)为分数阶混沌系统系数；将α保存为用户密钥k1；

2、构造分数阶混沌系统的响应系统：

$\left\{\begin{array}{c}{d}^{q_1}{y}_1/{\mathrm{dt}}^{q_1}=f(y_1,y_2,y_3)-{\mathrm{\αy}}_1+u_1\\ d^{q_2}{y}_2/{\mathrm{dt}}^{q_2}=y_1\·g(y_1,y_2,y_3)+y_3\·\mathrm{\φ}(y_1,y_2,y_3)-{\mathrm{\βy}}_2+u_2\\ d^{q_3}{y}_3/{\mathrm{dt}}^{q_3}=y_1\·h(y_1,y_2,y_3)+y_2\·\mathrm{\φ}(y_1,y_2,y_3)-{\mathrm{\γy}}_3\end{array}\right.;---\left(2\right)$

3、计算出误差系统：

由式(2)和式(1)，计算得到误差：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_1=y_1-x_1\\ e_2=y_2-x_2\\ e_3=y_3-x_3\end{array}\right.;---\left(3\right)$

4、选取控制器：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_1=-\left(25\mathrm{\α}+10\right)e_2\\ u_2=-29{\mathrm{\αe}}_2\end{array}\right.;---\left(4\right)$

则响应系统(2)和驱动系统(1)同步；

5、将系统响应作为反馈输入分数阶混沌系统，可确保反馈控制增益系数收敛于恒定的值；

6、设置用户密钥k2(可选K2为20)作为水印信息选取位置，从自同步的分数阶混沌系统选取L个系数(可选L＝1024)并量化为二进制序列；

$b=\left\{\begin{array}{ccc}1& if& b\≥\stackrel{\‾}{b}\\ 0& else& \end{array}\right.;$

其中，b为量化后的二进制序列，为L个系数的均值；

7、该二进制序列与用户信息异或运算后作为水印信息；表示异或运算；

$w^{\′}=b\⊕w;$

其中，w为标示用户信息的唯一二进制序列，长度与b相同；

二、音频水印信息嵌入

8、数字音频信号自适应分帧，确定分帧音频质心坐标；

以512为长度，进行数字音频信号分帧，每帧音频质心坐标如下：

$X_m=\frac{{\mathrm{\Σm}}_i{x}_i}{{\mathrm{\Σm}}_i};$

其中，x_i为坐标值，m_i为音频信号取值；

9、以分帧音频质心为中心，根据用户密钥k3选取n个系数，自适应嵌入1比特水印信息；

若w_i＝0，则Q(f')＝rΔ≤f≤r(Δ+1)r＝0,±2,±4；

若w_i＝1，则Q(f')＝rΔ≤f≤r(Δ+1)r＝1,±3,±5；

其中，w_i为第i个加密水印序列，f为量化嵌入前的原始音频系数，f′为嵌入水印信息后的含水印音频系数，Δ为量化步长；

三、音频水印信息提取

10、数字音频信号自适应分帧，确定分帧音频质心坐标；

以512为长度，进行数字音频信号分帧，每帧音频质心坐标如下：

$X_m=\frac{{\mathrm{\Σm}}_i{x}_i}{{\mathrm{\Σm}}_i};$

其中，x_i为坐标值，m_i为音频信号取值；

11、以分帧音频质心为中心，根据用户密钥k2选取n个系数，每个系数提取1比特水印信息，根据如下则提取水印信息；

若rΔ≤f'≤r(Δ+1)r＝0,±2,±4，则w′_i＝0；

若rΔ≤f'≤r(Δ+1)r＝1,±3,±5，则w′_i＝1；

上式中，f'为含水印音频系数，w′_i为从含水印音频系数f'中提取的二进制比特；

12、与水印生成过程相同，产生序列b；

13、将提取水印序列与原始二进制序列异或运算，得到用户信息：

$w=b\⊕w^{\′}.$

本发明的有益效果是针对目前音频水印算法中存在的同步问题，结合隐含同步和恒定水印的基本思想，提出一种基于分数阶混沌系统的自同步音频水印方法，较好的满足音频水印抵抗同步攻击的需求。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明基于分数阶混沌系统的自同步音频水印方法步骤如下：

一、水印信息生成

1、根据分数阶混沌系统动力学方程：

$\left\{\begin{array}{c}{d}^{q_1}{x}_1/{\mathrm{dt}}^{q_1}=(25\mathrm{\α}+10)(x_2-x_1)\\ d^{q_2}{x}_2/{\mathrm{dt}}^{q_2}=(28-35\mathrm{\α})x_1-x_1{x}_3+(29\mathrm{\α}-1)x_2\\ d^{q_3}{x}_3/{\mathrm{dt}}^{q_3}=x_1{x}_2-(8+\mathrm{\α})x_3/3\end{array}\right.;---\left(1\right)$

其中，参数α∈[0,1]；q_i(i＝1,2,3)为分数阶混沌系统系数；将α保存为用户密钥k1；

2、构造分数阶混沌系统的响应系统：

$\left\{\begin{array}{c}{d}^{q_1}{y}_1/{\mathrm{dt}}^{q_1}=f(y_1,y_2,y_3)-{\mathrm{\αy}}_1+u_1\\ d^{q_2}{y}_2/{\mathrm{dt}}^{q_2}=y_1\·g(y_1,y_2,y_3)+y_3\·\mathrm{\φ}(y_1,y_2,y_3)-{\mathrm{\βy}}_2+u_2\\ d^{q_3}{y}_3/{\mathrm{dt}}^{q_3}=y_1\·h(y_1,y_2,y_3)+y_2\·\mathrm{\φ}(y_1,y_2,y_3)-{\mathrm{\γy}}_3\end{array}\right.;---\left(2\right)$

3、计算出误差系统：

由式(2)和式(1)，计算得到误差：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_1=y_1-x_1\\ e_2=y_2-x_2\\ e_3=y_3-x_3\end{array}\right.;---\left(3\right)$

4、选取控制器：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_1=-\left(25\mathrm{\α}+10\right)e_2\\ u_2=-29{\mathrm{\αe}}_2\end{array}\right.;---\left(4\right)$

则响应系统(2)和驱动系统(1)同步。

5、将系统响应作为反馈输入分数阶混沌系统，可确保反馈控制增益系数收敛于恒定的值；

6、设置用户密钥k2(可选K2为20)作为水印信息选取位置，从自同步的分数阶混沌系统选取L个系数(可选L＝1024)并量化为二进制序列；

$b=\left\{\begin{array}{ccc}1& if& b\≥\stackrel{\‾}{b}\\ 0& else& \end{array}\right.;$

其中，b为量化后的二进制序列，为L个系数的均值。

7、该二进制序列与用户信息异或运算后作为水印信息；表示异或运算。

$w^{\′}=b\⊕w;$

其中，w为标示用户信息的唯一二进制序列，长度与b相同。

二、音频水印信息嵌入

8、数字音频信号自适应分帧，确定分帧音频质心坐标；

以512为长度，进行数字音频信号分帧，每帧音频质心坐标如下：

$X_m=\frac{{\mathrm{\Σm}}_i{x}_i}{{\mathrm{\Σm}}_i};$

其中，x_i为坐标值，m_i为音频信号取值；

9、以分帧音频质心为中心，根据用户密钥k3选取n个系数，自适应嵌入1比特水印信息；

若w_i＝0，则Q(f')＝rΔ≤f≤r(Δ+1)r＝0,±2,±4；

若w_i＝1，则Q(f')＝rΔ≤f≤r(Δ+1)r＝1,±3,±5；

其中，w_i为第i个加密水印序列，f为量化嵌入前的原始音频系数，f′为嵌入水印信息后的含水印音频系数，Δ为量化步长。

三、音频水印信息提取

10、数字音频信号自适应分帧，确定分帧音频质心坐标；

以512为长度，进行数字音频信号分帧，每帧音频质心坐标如下：

$X_m=\frac{{\mathrm{\Σm}}_i{x}_i}{{\mathrm{\Σm}}_i};$

其中，x_i为坐标值，m_i为音频信号取值；

11、以分帧音频质心为中心，根据用户密钥k2选取n个系数，每个系数提取1比特水印信息，根据如下则提取水印信息；

若rΔ≤f'≤r(Δ+1)r＝0,±2,±4，则w′_i＝0；

若rΔ≤f'≤r(Δ+1)r＝1,±3,±5，则w′_i＝1；

上式中，f'为含水印音频系数，w′_i为从含水印音频系数f'中提取的二进制比特。

12、与水印生成过程相同，产生序列b；

13、将提取水印序列与原始二进制序列异或运算，得到用户信息：

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种基于分数阶混沌系统的自同步音频水印方法，其特征在于按照以下步骤进行：

一、水印信息生成；

1、根据分数阶混沌系统动力学方程：

$\left\{\begin{array}{c}{d}^{q_1}{x}_1/{\mathrm{dt}}^{q_1}=(25\mathrm{\α}+10)(x_2-x_1)\\ d^{q_2}{x}_2/{\mathrm{dt}}^{q_2}=(28-35\mathrm{\α})x_1-x_1{x}_3+(29\mathrm{\α}-1)x_2\\ d^{q_3}{x}_3/{\mathrm{dt}}^{q_3}=x_1{x}_2-(8+\mathrm{\α})x_3/3\end{array}\right.;---\left(1\right)$

其中，参数α∈[0,1]；q_i(i＝1,2,3)为分数阶混沌系统系数；将α保存为用户密钥k1；

2、构造分数阶混沌系统的响应系统：

$\left\{\begin{array}{c}{d}^{q_1}{y}_1/{\mathrm{dt}}^{q_1}=f(y_1,y_2,y_3)-{\mathrm{\αy}}_1+u_1\\ d^{q_2}{y}_2/{\mathrm{dt}}^{q_2}=y_1\·g(y_1,y_2,y_3)+y_3\·\mathrm{\φ}(y_1,y_2,y_3)-{\mathrm{\βy}}_2+u_2\\ d^{q_3}{y}_3/{\mathrm{dt}}^{q_3}=y_1\·h(y_1,y_2,y_3)+y_2\·\mathrm{\φ}(y_1,y_2,y_3)-{\mathrm{\γy}}_3\end{array}\right.;---\left(2\right)$

3、计算出误差系统：

由式(2)和式(1)，计算得到误差：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_1=y_1-x_1\\ e_2=y_2-x_2\\ e_3=y_3-x_3\end{array}\right.;---\left(3\right)$

4、选取控制器：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_1=-\left(25\mathrm{\α}+10\right)e_2\\ u_2=-29{\mathrm{\αe}}_2\end{array}\right.;---\left(4\right)$

则响应系统(2)和驱动系统(1)同步；

5、将系统响应作为反馈输入分数阶混沌系统，可确保反馈控制增益系数收敛于恒定的值；

6、设置用户密钥k2(可选K2为20)作为水印信息选取位置，从自同步的分数阶混沌系统选取L个系数(可选L＝1024)并量化为二进制序列；

$b=\left\{\begin{array}{ccc}1& if& b\≥\stackrel{\‾}{b}\\ 0& else& \end{array}\right.;$

其中，b为量化后的二进制序列，为L个系数的均值；

7、该二进制序列与用户信息异或运算后作为水印信息；表示异或运算；

$w^{\′}=b\⊕w;$

其中，w为标示用户信息的唯一二进制序列，长度与b相同；

二、音频水印信息嵌入

8、数字音频信号自适应分帧，确定分帧音频质心坐标；

以512为长度，进行数字音频信号分帧，每帧音频质心坐标如下：

$X_m=\frac{{\mathrm{\Σm}}_i{x}_i}{{\mathrm{\Σm}}_i};$

其中，x_i为坐标值，m_i为音频信号取值；

9、以分帧音频质心为中心，根据用户密钥k3选取n个系数，自适应嵌入1比特水印信息；

若w_i＝0，则Q(f')＝rΔ≤f≤r(Δ+1)r＝0,±2,±4；

若w_i＝1，则Q(f')＝rΔ≤f≤r(Δ+1)r＝1,±3,±5；

其中，w_i为第i个加密水印序列，f为量化嵌入前的原始音频系数，f′为嵌入水印信息后的含水印音频系数，Δ为量化步长；

三、音频水印信息提取

10、数字音频信号自适应分帧，确定分帧音频质心坐标；

以512为长度，进行数字音频信号分帧，每帧音频质心坐标如下：

$X_m=\frac{{\mathrm{\Σm}}_i{x}_i}{{\mathrm{\Σm}}_i};$

其中，x_i为坐标值，m_i为音频信号取值；

11、以分帧音频质心为中心，根据用户密钥k2选取n个系数，每个系数提取1比特水印信息，根据如下则提取水印信息；

若rΔ≤f'≤r(Δ+1)r＝0,±2,±4，则w′_i＝0；

若rΔ≤f'≤r(Δ+1)r＝1,±3,±5，则w′_i＝1；

上式中，f'为含水印音频系数，w_i'为从含水印音频系数f'中提取的二进制比特；

12、与水印生成过程相同，产生序列b；

13、将提取水印序列与原始二进制序列异或运算，得到用户信息：