CN107680608A - 一种基于喷泉码的易碎水印自恢复算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于喷泉码的易碎水印自恢复算法，水印嵌入过程：原始语音信号分帧，对每帧数据进行压缩编码，对所有帧进行随机排列后，分帧组，对每个帧组的压缩信息进行喷泉编码，生成参考值信息，将参考值信息和检验信息一同存入到最低有效位中；信号数据恢复过程：对接收到的信号进行分帧和分帧组，将每一帧中最低有效位中的参考值信息和检验信息提取出来，根据检验信息定位被篡改位置，通过未被篡改的帧的参考值信息来恢复整个原始语音信号。本发明利用喷泉码的无码率以及适用于删除信道的特点，我们把水印技术和喷泉码技术结合起来，不需要对破坏率的范围进行预估计，有着很强的普适性。

Description

一种基于喷泉码的易碎水印自恢复算法

技术领域

本发明涉及易碎的语音信号自恢复水印技术，更具体的说，是涉及一种基于喷泉码的易碎水印自恢复算法。

背景技术

随着计算机和互联网技术的快速发展，文字、图像、声音、视频等多媒体信号大量涌现，给人们获取信息带来了极大的便利。但是信号在传输的过程中，很容易被复制或篡改，带来了很严重的信息安全问题，因此需要好的算法来保证信号的完整性和准确性。信号在因特网上传输时，是基于包通信的。每个数据包或者无差错的被接收端接收，或者收不到，因此，如何能够恢复被删除或者篡改的信号是一个重大的课题。

于是数字水印技术应运而生，它利用图像、声音等信号的冗余性，将一些标识信息即数字水印直接嵌入到数字载体当中，但是不影响原载体的使用价值，也不会被人的知觉系统所感知。这些隐藏在载体中的水印，可以达到确认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等目的。通常情况下，水印分为易碎水印、半易碎水印和鲁棒水印，鲁棒水印一般用于产权保护和所有权鉴定，易碎和半易碎水印可以用于信息安全和信息保护。数字水印这个概念的提出至今虽然还不到20年，但是已经成为学术研究的热点问题，大量的研究已经产生。大多数的水印系统是在线性域上对数据进行操作的(即PCM水印)，少部分可对已被压缩的数据进行水印嵌入(即比特流水印)。当前，数字水印的主要技术有：基于多分辨率分解的数字水印技术、基于模运算的数字水印算法和基于整数变换和单向函数的数字水印新技术等等。

数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向。水印作为一种附加信息嵌入到原始信号中，可以用来设计信号的恢复算法。但是在现有的技术成果中，对数据恢复方面的研究较为朴素，效果也不尽如人意，往往不能防御实际应用场景中复杂多变的攻击。

在过去几十年的研究中，图像信号自恢复水印算法的设计有了飞快地发展，大量经典的算法涌现出来，并且取得了很好的恢复效果，同时还出现了较多对图像数据恢复时使用参数和相关方法的研究。然而，在语音领域，该研究尚处在起步阶段，因为人耳听觉系统比人眼视觉系统更加敏感，所以对语音信号自恢复算法的敏感度和准确性要求更高。传统的水印认证技术主要着重于检测信号是否遭到破坏，集中在测试信号的完整性，对破坏后的语音信号的恢复工作却很少涉及，并不能进一步高效准确地恢复信号。因而，如何恢复被篡改的语音信号是一个新颖的研究方向。在语音自恢复算法中，把原始语音信号进行压缩，作为水印嵌入到原始语音信号的最低有效位中，形成易碎水印，用来在接收端检测被篡改的位置和恢复原始语音信号。在整个过程中，最高有效位保持不变，以保证水印的不可感知性。

喷泉码是一种在删除信道下性能优越的稀疏矩阵码。数字喷泉码的编码器就像喷泉喷涌，能够源源不断地产生无穷个编码数据包，是无码率的编码，因此不用预先估计破坏率的范围。当接收的码元数目比源文件的码元数目稍大一点时，就能恢复源文件。恢复的语音信号的质量好坏主要取决于接收到的码元数目，而与破坏率的大小无关。喷泉码主要包括随机线性分组码、LT码、和RAPTOR码。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供了一种基于喷泉码的易碎水印自恢复算法，利用喷泉码的无码率以及适用于删除信道的特点，我们把水印技术和喷泉码技术结合起来，将原始语音信号进行压缩，再进行喷泉码编码后连同用于定位的检验信息一同嵌入到最低有效位中，在接收端，首先用检验信息来定位被篡改的区域，把被篡改的区域所携带的信息删除，用未被篡改的区域所携带的喷泉编码信息来进行解码，从而恢复出来整个原始语音信号。由于喷泉码的无码率特性，我们不需要对破坏率的范围进行预估计，所以该算法有着很强的普适性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种基于喷泉码的易碎水印自恢复算法，包括以下步骤：

步骤一，水印嵌入过程：

在发送端，将原始语音信号进行分帧，对每帧数据进行压缩编码，对所有帧进行随机排列后，进行分帧组，对每个帧组的压缩信息进行喷泉编码，生成参考值信息，将参考值信息和检验信息一同存入到最低有效位中，实现水印的生成与嵌入；

步骤二，信号数据恢复过程：

在接收端，当收到一段语音信号后，按照与发送端相同的方式对接收到的信号进行分帧和分帧组，将每一帧中最低有效位中的参考值信息和检验信息提取出来，根据检验信息定位被篡改位置，通过未被篡改的帧的参考值信息来恢复整个原始语音信号。

步骤一中所述水印嵌入过程具体为：

(1)原始语音信号分帧分组

在发送端，原始语音信号中共有N个采样点，将相邻n个采样点分为一帧，被分成个帧；对每帧数据进行压缩编码，采用G.723-based的编码方式，使编码后每个采样点均能用n_s个比特来表示(其中n_s＜1)，这样，原始语音信号总共由N×n_s个比特表示，每个帧由n×n_s个比特表示；将这些帧进行随机排列，随机排列的方式通过发送端和接收端共用的一个随机数种子生成；

之后对帧进行分组，将随机排列中相邻的m个帧分为一个帧组，每个帧组由m×n×n_s个比特表示，把原始语音信号分成个帧组；

(2)参考值信息生成

对每个帧组内的压缩信息进行喷泉编码，喷泉码采用LT码；将一个帧组内的n×m个采样点进行LT编码，编码成k×m个采样点，其中k＞n，这样，一个帧组经过喷泉编码后由k×m×n_s个比特来表示，平均分配到每个帧中，每个帧携带k×n_s个比特；

(3)检验信息生成

把一帧的采样值、序号信息、参考值放在一个哈希函数中，产生一个y位长的哈希序列h_i(y)，其中i为帧序号；再随机生成一个y位长的定位序列l(y)，并与哈希序列做异或运算，生成y位长的检验序列c_i(y)；

(4)水印嵌入

原始语音信号共有16个比特层，将y位检测序列和每一帧中k×n_s位的参考值数据作为水印一同嵌入到x层的最低有效位中，而16-x层的最高有效位保持不变，完成水印的嵌入。

步骤二中所述信号数据恢复过程具体为：

(1)接收原始语音信号分帧分组：

在接收端，当接收到一段语音信号后，按照与发送端相同的方式对接收到的原始语音信号进行分帧和分帧组；将每一帧中最低有效位中的参考值信息和检验信息提取出来；

(2)检验信息用于篡改定位

将每一帧中的采样值与序号信息、参考值信息一同放入与发送端相同的哈希函数中，计算出y位的哈希序列h_i(y)，并与提取出来的y位检验序列c_i(y)做异或运算，得到y位定位数据l_i(y)，其中i为帧序号；根据异或运算的性质，如果没有遭到任何破坏，每一帧所计算出来的定位数据完全相同，如果某一帧遭到篡改，那么此帧所计算出来的定位数据就会有所不同，据此来实现篡改位置的检测；

(3)参考值信息用于内容恢复

在一个帧组中，如果一个帧被判断为被篡改的帧，那么只能使用未被篡改的帧的参考值；假设一个帧组中有m_t个帧被破坏，剩下的m_r＝m-m_t个帧未被破坏，那么就从m_r个未被破坏的帧中提取出k×m_r个采样点，来进行喷泉解码；将每一个帧组恢复出的语音信号组合在一起，就是整个原始语音信号的恢复结果。

本发明主要是针对语音信号自恢复算法研究的匮乏现象，利用喷泉码在删除信道下的优势，设计出基于喷泉码的语音信号自恢复算法框架。与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)实用性：过去的易碎水印技术的研究，通常是简单地将原始语音信号除以系数来进行简单的压缩，然后再进行量化处理，将量化结果作为参考值信息与用于定位的检验信息一同嵌入到最低有效位中，当破坏率较大时，不能取得令人满意的恢复效果。而本发明基于喷泉码的易碎水印语音信号自恢复算法，能够在破坏率很大的情况下恢复原始语音信号，并且恢复效果比较好。

(2)新颖性：过去的研究着重于设计水印嵌入的不同方法，本研究则另辟蹊径，应用信源压缩编码和喷泉码的特点，设计出了较为新颖高效的易碎水印自恢复算法。本发明首次将喷泉码与水印有效地结合起来，把喷泉编码的结果作为水印嵌入到最低有效位中，经过检验信息定位被篡改的区域后，用喷泉解码来恢复原始语音信号的信息，达到恢复原始语音信号的目的。在本发明中，喷泉码的特性被有效地利用，设计出的算法有较强的创新性。

(3)有效性：本发明基于喷泉码的无码率以及针对于删除信道的特点，设计出了易碎水印自恢复技术，并且通过实验证实了该发明的可行性以及在较高的破坏率下恢复的准确性。

(4)可操作性：简单可行，在发送端与接收端设计好相应的算法和参数后，就可以一直使用，不会因为破坏率范围等外因的变化而改变，方便实用。

附图说明

图1是本发明的水印嵌入过程的流程图；

图2是本发明的语音信号数据恢复过程的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明基于喷泉码的易碎水印自恢复算法在基于帧分割的算法框架中，分为水印嵌入过程和信号数据恢复过程。在发送端，水印嵌入过程中，水印信息由两部分组成：参考值信息和检验信息。其中，检验信息用来在接收端检测被篡改的位置，参考值信息由喷泉编码生成，用来进一步恢复被篡改的数据。将水印信息嵌入到最低有效位中，而最高有效位在整个过程中保持不变，以保证水印的不可感知性。在接收端，信号数据恢复过程中，先利用检验信息来检测被篡改破坏部分的位置，然后利用参考值信息通过喷泉码解码来恢复被篡改破坏的语音信号。整个恢复过程不需要除了接收信号和秘钥以外的任何信息，所以是自恢复的。如图1和图2所示，具体过程如下：

一、水印嵌入过程

在发送端，水印嵌入过程中，将原始语音信号进行分帧，对每帧数据进行压缩编码，对所有帧进行随机排列后，进行分帧组，之后对每个帧组的压缩信息进行喷泉编码，生成参考值信息，将参考值信息和检验信息一同存入到最低有效位中，实现水印的生成与嵌入。具体步骤如下：

(1)原始语音信号分帧分组

在发送端，首先将原始语音信号分帧，记原始语音信号中共有N个采样点，将相邻n个采样点分为一帧，帧与帧之间没有重叠部分。如果N不能被n整除，需要进行补零操作，这样整个原始语音信号就被分成个帧。然后对每帧数据进行压缩编码，具体可以采用G.723-based的编码方式，使编码后每个采样点均能用n_s个比特来表示(其中n_s＜1)，这样，原始语音信号总共由N×n_s个比特表示，每个帧由n×n_s个比特表示。将这些帧进行随机排列，随机排列的方式通过一个发送端和接收端都知道共用的随机数种子生成，来确保信息的安全。

之后对帧进行分组，将随机排列中相邻的m个帧分为一个帧组，每个帧组由m×n×n_s个比特表示。如果不能被m整除，就进行补零操作，这样就把原始语音信号分成个帧组。

(2)参考值信息生成

对每个帧组内的压缩信息进行喷泉编码，在这里，我们选择喷泉码的一种，即LT码进行。将一个帧组内的n×m个采样点进行LT编码，编码成k×m个采样点，其中k＞n，这样，一个帧组经过喷泉编码后由k×m×n_s个比特来表示，平均分配到每个帧中，每个帧携带k×n_s个比特。

(3)检验信息生成

接下来需要生成用于定位篡改数据的检验信息。把一帧的采样值、序号信息、参考值放在一个哈希函数中，产生一个y位长的哈希序列h_i(y)，其中i为帧序号。再随机生成一个y位长的定位序列l(y)，并与哈希序列做异或运算，生成y位长的检验序列c_i(y)，其中i为帧序号。需要注意的是，定位序列l(y)对于每一帧来说都是相同的。

(4)水印嵌入

原始语音信号共有16个比特层，将y位检测序列和每一帧中k×n_s位的参考值数据作为水印一同嵌入到x层的最低有效位中，而16-x层的最高有效位保持不变，至此，已经完成了水印的嵌入。

在实际环境中，根据实际需要设计本发明中的参数，为了将参考值信息和检验信息嵌入到最低有效位中，参数之间需要满足y+k×n_s＝n×x。

二、信号数据恢复过程

在接收端，当收到一段语音信号后，首先对信号篡改部分进行检测。一部分信号可能被破坏，这部分信号所携带的参考值信息已经失效。通过未被破坏部分的参考值信息来恢复整个语音信号。具体步骤如下：

(1)接收原始语音信号分帧分组

在接收端，当接收到一段语音信号后，按照与发送端相同的方式对接收到的原始语音信号进行分帧和分帧组。由于接收端与发送端应用同一个随机数种子，所以可以保证在接收端操作的是同一个帧组。并将每一帧中最低有效位中的参考值信息和检验信息提取出来。

(2)检验信息用于篡改定位

将每一帧中的采样值与序号信息、参考值信息一同放入与发送端相同的哈希函数中，计算出y位的哈希序列h_i(y)，并与提取出来的y位检验序列c_i(y)做异或运算，得到y位定位数据l_i(y)，其中i为帧序号。根据异或运算的性质，如果没有遭到任何破坏，每一帧所计算出来的定位数据完全相同，如果某一帧遭到篡改，那么此帧所计算出来的定位数据就会有所不同，我们据此来实现篡改位置的检测，根据检验信息定位被篡改位置。根据哈希函数的性质，当使用哈希函数生成y位长的哈希序列时，一个被篡改的帧被错误地判断成未被篡改的帧的概率为2^-y，当y很大的时候，这个概率是很低的。

(3)参考值信息用于内容恢复

接下来就要进行信号的恢复，信号恢复以帧组为单位，接收端与发送端通过同一个随机数种子保持对同一个帧组进行操作。在一个帧组中，如果一个帧被判断为被篡改的帧，那么该帧所携带的参考值是不能被利用的，只能使用未被篡改的帧的参考值，通过未被篡改的帧的参考值信息来恢复整个原始语音信号。

假设一个帧组中有m_t个帧被破坏，剩下的m_r＝m-m_t个帧未被破坏，那么就可从m_r个未被破坏的帧中提取出k×m_r个采样点，来进行喷泉解码。只要提取出来的采样点数目k×m_r比原始语音信号的采样点数目n×m略大(其中k＞n但m_r＜m)，就可以成功解码，恢复出此帧组中原始的n×m个采样点。遗憾的是，如果提取出来的采样点数目k×m_r比原始语音信号的采样点数目n×m小，恢复就不能进行，解码失败。但是在破坏率不变的情况下，我们可以通过增加k的值来提高成功解码的概率。

最后将每一个帧组恢复出的语音信号组合在一起，就是整个原始语音信号的恢复结果。

模拟语音信号被删除或被篡改的过程，完成对此语音自恢复算法框架的性能测试，探索在不同的破坏率情况下，恢复后语音信号的可懂度的变化情况。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种基于喷泉码的易碎水印自恢复算法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，水印嵌入过程：

在发送端，将原始语音信号进行分帧，对每帧数据进行压缩编码，对所有帧进行随机排列后，进行分帧组，对每个帧组的压缩信息进行喷泉编码，生成参考值信息，将参考值信息和检验信息一同存入到最低有效位中，实现水印的生成与嵌入；

步骤二，信号数据恢复过程：

在接收端，当收到一段语音信号后，按照与发送端相同的方式对接收到的信号进行分帧和分帧组，将每一帧中最低有效位中的参考值信息和检验信息提取出来，根据检验信息定位被篡改位置，通过未被篡改的帧的参考值信息来恢复整个原始语音信号。

2.根据权利要求1所述的基于喷泉码的易碎水印自恢复算法，其特征在于，步骤一中所述水印嵌入过程具体为：

(1)原始语音信号分帧分组

在发送端，原始语音信号中共有N个采样点，将相邻n个采样点分为一帧，被分成个帧；对每帧数据进行压缩编码，采用G.723-based的编码方式，使编码后每个采样点均能用n_s个比特来表示(其中n_s＜1)，这样，原始语音信号总共由N×n_s个比特表示，每个帧由n×n_s个比特表示；将这些帧进行随机排列，随机排列的方式通过发送端和接收端共用的一个随机数种子生成；

之后对帧进行分组，将随机排列中相邻的m个帧分为一个帧组，每个帧组由m×n×n_s个比特表示，把原始语音信号分成个帧组；

(2)参考值信息生成

对每个帧组内的压缩信息进行喷泉编码，喷泉码采用LT码；将一个帧组内的n×m个采样点进行LT编码，编码成k×m个采样点，其中k＞n，这样，一个帧组经过喷泉编码后由k×m×n_s个比特来表示，平均分配到每个帧中，每个帧携带k×n_s个比特；

(3)检验信息生成

把一帧的采样值、序号信息、参考值放在一个哈希函数中，产生一个y位长的哈希序列h_i(y)，其中i为帧序号；再随机生成一个y位长的定位序列l(y)，并与哈希序列做异或运算，生成y位长的检验序列c_i(y)；

(4)水印嵌入

原始语音信号共有16个比特层，将y位检测序列和每一帧中k×n_s位的参考值数据作为水印一同嵌入到x层的最低有效位中，而16-x层的最高有效位保持不变，完成水印的嵌入。

3.根据权利要求1所述的基于喷泉码的易碎水印自恢复算法，其特征在于，步骤二中所述信号数据恢复过程具体为：

(1)接收原始语音信号分帧分组：

在接收端，当接收到一段语音信号后，按照与发送端相同的方式对接收到的原始语音信号进行分帧和分帧组；将每一帧中最低有效位中的参考值信息和检验信息提取出来；

(2)检验信息用于篡改定位

将每一帧中的采样值与序号信息、参考值信息一同放入与发送端相同的哈希函数中，计算出y位的哈希序列h_i(y)，并与提取出来的y位检验序列c_i(y)做异或运算，得到y位定位数据l_i(y)，其中i为帧序号；根据异或运算的性质，如果没有遭到任何破坏，每一帧所计算出来的定位数据完全相同，如果某一帧遭到篡改，那么此帧所计算出来的定位数据就会有所不同，据此来实现篡改位置的检测；

(3)参考值信息用于内容恢复

在一个帧组中，如果一个帧被判断为被篡改的帧，那么只能使用未被篡改的帧的参考值；假设一个帧组中有m_t个帧被破坏，剩下的m_r＝m-m_t个帧未被破坏，那么就从m_r个未被破坏的帧中提取出k×m_r个采样点，来进行喷泉解码；将每一个帧组恢复出的语音信号组合在一起，就是整个原始语音信号的恢复结果。