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一种基于全息图像的音频加密解密方法

阅读:147发布:2021-04-14

专利汇可以提供一种基于全息图像的音频加密解密方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开一种基于 全息图像 的音频加密解密方法。所述加密方法包括:从接收的一维音频 信号 中截取一段,将其转换成音频二维图像信号;将待嵌入的 水 印信息生成全息图信号,并将其嵌入到二维音频图像信号中;再利用SM4加密 算法 与置乱运算进行加密与置乱处理。根据保存的解密密钥,采取与加密方法相反的顺序进行解密运算,分离出一维 音频信号 和水印信息。本发明实现了音频信号的加密与全息信息隐藏并以图片形式传输,提高了音频 信号传输 的安全性;利用解密后恢复的水印中的文字、签字、照片等信息能够实现音频信息源的认证;利用全息技术的可撕毁性和高鲁棒性,能够从部分残缺音频信息图像信号中恢复完整的水印信息,提高了音频信息传输的鲁棒性。,下面是一种基于全息图像的音频加密解密方法专利的具体信息内容。

1.一种基于全息图像的音频加密方法,其特征在于,包括:
接收一维音频信号,并从中截取一段,对截取的一段一维音频信号进行第一变换,将其转换成二维音频图像信号;
通过对印信息图像进行分数维傅立叶变换,得到水印信息全息图信号;保存波长和衍射距离,用作第一解密密钥;
进行第二变换,将所述水印信息全息图信号嵌入所述二维音频图像信号中,并进行常规傅立叶变换,得到包含全息水印信息的音频二维图像信号;保存嵌入系数,用作第二解密密钥;
利用SM4算法对所述包含全息水印信息的音频二维图像信号进行加密,然后进行置乱运算,得到含水印音频密文信号;保存加密密码及置乱次数参数,用作第三解密密钥;对不含全息水印的二维音频图像信号进行完全相同的加密和置乱处理,得到不含水印音频密文信号。
2.根据权利要求1所述的基于全息图像的音频加密方法,其特征在于,所述对截取的一段一维音频信号进行第一变换,将其转换成二维音频图像信号,包括:
将截取的一维音频信号归一化:
F(i)=f(i)/am
am=max[abs(f(i))]
式中,f(i)为截取的一维音频信号,i=1,2,…N,N为数据点数,F(i)为归一化后的一维音频信号;
将F(i)转换成不小于0的信号G(i):
G(i)=[F(i)+1]/2
将G(i)转化成二维矩阵,并存储为图像格式。
3.根据权利要求1所述的基于全息图像的音频加密方法,其特征在于,所述通过对水印信息图像进行分数维傅立叶变换,得到水印信息全息图信号;保存波长和衍射距离,用作第一解密密钥,包括:
将水印信息图像像素强度分布函数O(x,y)用作物光分布,对O(x,y)进行分数维傅立叶变换,用公式表示如下:

式中,O(ξ,η)为O(x,y)的分数维傅里叶谱,j为虚数单位,φ=pπ/2,p为分数维傅里叶变换的阶;
选择分数维傅里叶谱为R(ξ,η)=R0exp[2πj(ξx,ηy)]的参考光,将O(ξ,η)与R(ξ,η)叠加,叠加后的强度分布H(ξ,η):
H(ξ,η)=|R(ξ,η)|2+|O(ξ,η)|2+R*(ξ,η)O(ξ,η)+R(ξ,η)O*(ξ,η)
2 2
滤除|R(ξ,η)|+|O(ξ,η)|后得到水印信息全息图信号I(ξ,η):
I(ξ,η)=H(ξ,η)-(|R(ξ,η)|2+|O(ξ,η)|2)=R*(ξ,η)O(ξ,η)+R(ξ,η)O*(ξ,η)保存光的波长、衍射距离用作第一解密密钥。
4.根据权利要求1所述的基于全息图像的音频加密方法,其特征在于,按下式进行第二变换,将所述水印信息全息图信号嵌入所述二维音频图像信号:
Mw(x,y)=M(x,y)+γI(x,y)
式中,Mw(x,y)为经第二变换后的信号,M(x,y)为二维音频图像信号,I(x,y)为水印信息全息图信号,γ为嵌入系数。
5.根据权利要求4所述的基于全息图像的音频加密方法,其特征在于,所述嵌入系数小于0.1。
6.一种基于全息图像的音频解密方法,其特征在于,包括:
用户或第三方获取所述第一解密密钥~第三解密密钥以及含水印音频密文信号和不含水印音频密文信号;
对所述含水印音频密文信号进行傅立叶逆变换,然后利用第三解密密钥进行逆置乱和SM4解密运算,得到包含全息水印信息的音频二维图像信号;对所述不含水印音频密文信号进行完全相同的处理,得到不含水印的音频二维图像信号;
利用第二解密密钥,对所述含全息水印信息的音频二维图像信号和不含水印的音频二维图像信号,进行第二变换的逆变换,得到水印信息全息图信号;
对所述不含水印的音频二维图像信号进行第一变换的逆变换,得到一维音频信息;
将所述水印信息全息图信号与所述参考光信号相乘,利用第一解密密钥,对相乘后的信号进行分数维傅立叶逆变换,得到水印信息。

说明书全文

一种基于全息图像的音频加密解密方法

技术领域

[0001] 本发明属于信息安全领域,具体涉及一种基于全息图像的音频加密解密方法。

背景技术

[0002] 语音通讯是20世纪最突出的技术进步之一,实现了远距离实时通信与联系。随着数字化多媒体信息应用和传播的普及,音频的应用范围在逐步扩大。录音技术已应用于军事和司法领域,成为认证的重要手段,也逐渐成为司法判断的重要依据。信息隐藏与认证技术是目前隐秘通信和版权保护的有效手段,可以有效遏制数字化多媒体的非法使用。而在多媒体信息隐藏技术中,数字视频的信息隐藏是极其重要的组成部分,并取得了很大成功。但在音频的传输保密与认证方面还相对落后,如各国领导人的通话被窃听问题(如斯诺登事件)。各种迹象表明,音频信息传输的安全性及认证问题变得日益突出,已成为现代通讯必须解决的重要问题之一。
[0003] 目前常用的音频加密方法主要有序列密码算法、分组密码算法及混沌密码算法。这些算法都是基于密码学实现的,仅能在数据的发送和接收过程中进行数据保密,并不能解决数据的完全保密问题,如解密后所有加密数据就成了不受版权保护的普通数据。为此,出现了音频信息隐藏技术,将机密信息秘密地隐藏于一般的音频信息中,它是由现有图像信息隐藏技术发展而成的。这种方法存在的问题是,隐藏的信息量非常有限,而且这些算法都没有考虑如何确认消息来源的可靠性问题,即认证问题。

发明内容

[0004] 为了解决现有技术中存在的上述问题,本发明提出一种基于全息图像的音频加密解密方法,将印全息技术应用于音频的信息隐藏中,提高了信息隐藏量,实现了音频信息的安全传输与信源认证。
[0005] 为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
[0006] 本发明提供一种基于全息图像的音频加密方法,包括:
[0007] 接收一维音频信号,并从中截取一段,对截取的一段一维音频信号进行第一变换,将其转换成二维音频图像信号;
[0008] 通过对水印信息图像进行分数维傅立叶变换,得到水印信息全息图信号;保存波长和衍射距离,用作第一解密密钥;
[0009] 进行第二变换,将所述水印信息全息图信号嵌入所述二维音频图像信号中,并进行常规傅立叶变换,得到包含全息水印信息的音频二维图像信号;保存嵌入系数,用作第二解密密钥;
[0010] 利用SM4算法对所述包含全息水印信息的音频二维图像信号进行加密,然后进行置乱运算,得到含水印音频密文信号;保存加密密码及置乱次数参数,用作第三解密密钥;对不含全息水印的二维音频图像信号进行完全相同的加密和置乱处理,得到不含水印音频密文信号。
[0011] 进一步地,所述对截取的一段一维音频信号进行第一变换,将其转换成二维音频图像信号,包括:
[0012] 将截取的一维音频信号归一化:
[0013] F(i)=f(i)/am
[0014] am=max[abs(f(i))]
[0015] 式中,f(i)为截取的一维音频信号,i=1,2,…N,N为数据点数,F(i)为归一化后的一维音频信号。
[0016] 将F(i)转换成不小于0的信号G(i):
[0017] G(i)=[F(i)+1]/2
[0018] 将G(i)转化成二维矩阵,并存储为图像格式。
[0019] 进一步地,所述通过对水印信息图像进行分数维傅立叶变换,得到水印信息全息图信号;保存波长和衍射距离,用作第一解密密钥,包括:
[0020] 将水印信息图像像素强度分布函数O(x,y)用作物光分布,对O(x,y)进行分数维傅立叶变换,用公式表示如下:
[0021]
[0022] 式中,O(ξ,η)为O(x,y)的分数维傅里叶谱,j为虚数单位,φ=pπ/2,p为分数维傅里叶变换的阶;
[0023] 选择分数维傅里叶谱为R(ξ,η)=R0exp[2πj(ξx,ηy)]的参考光,将O(ξ,η)与R(ξ,η)叠加,叠加后的强度分布H(ξ,η):
[0024] H(ξ,η)=|R(ξ,η)|2+|O(ξ,η)|2+R*(ξ,η)O(ξ,η)+R(ξ,η)O*(ξ,η)[0025] 滤除|R(ξ,η)|2+|O(ξ,η)|2后得到水印信息全息图信号I(ξ,η):
[0026] I(ξ,η)=H(ξ,η)-(|R(ξ,η)|2+|O(ξ,η)|2)=R*(ξ,η)O(ξ,η)+R(ξ,η)O*(ξ,η)[0027] 保存波长、衍射距离用作第一解密密钥。
[0028] 进一步地,按下式进行第二变换,将所述水印信息全息图信号嵌入所述二维音频图像信号中:
[0029] Mw(x,y)=M(x,y)+γI(x,y)
[0030] 式中,Mw(x,y)为经第二变换后的信号,M(x,y)为二维音频图像信号,I(x,y)为水印信息全息图信号,γ为嵌入系数。
[0031] 优选地,所述嵌入系数小于0.1。
[0032] 本发明还提供一种基于全息图像的音频解密方法,包括:
[0033] 用户或第三方获取所述第一解密密钥~第三解密密钥以及含水印音频密文信号和不含水印音频密文信号;
[0034] 对所述含水印音频密文信号进行常规傅立叶逆变换,然后利用第三解密密钥进行逆置乱和SM4解密运算,得到包含全息水印信息的音频二维图像信号;对所述不含水印音频密文信号进行完全相同的处理,得到不含水印的音频二维图像信号;
[0035] 利用第二解密密钥,对所述含全息水印信息的音频二维图像信号和不含水印的音频二维图像信号,进行第二变换的逆变换,得到水印信息全息图信号;
[0036] 对所述不含水印的音频二维图像信号进行第一变换的逆变换,得到一维音频信息;
[0037] 将所述水印信息全息图信号与所述参考光信号相乘,利用第一解密密钥,对相乘后的信号进行分数维傅立叶逆变换,得到水印信息。
[0038] 与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
[0039] 本发明通过将一维音频信号转换成音频二维图像信号,将生成的水印信息全息图信号嵌入到二维音频图像信号中,再利用SM4加密算法与置乱运算,实现了音频信号的加密与信息隐藏,即便在传输中被截获,截获者看到的也只是一张无意义的图片,提高了音频信号传输的安全性;利用解密后恢复的水印中的文字、签字、照片等信息能够实现音频信息源的认证,显示与证明信息的来源与真伪,防止被篡改;利用全息技术的可撕毁性和强鲁棒性,能够从部分残缺音频信息图像信号中恢复完整的水印信息,提高了音频信息传输的鲁棒性。附图说明
[0040] 图1本发明实施例一种基于全息图像的音频加密方法的流程图
[0041] 图2本发明实施例一种基于全息图像的音频解密方法的流程图。

具体实施方式

[0042] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0043] 本发明实施例一种基于全息图像的音频加密方法的流程图如图1所示,所述方法包括:
[0044] 步骤101,接收一维音频信号,并从中截取一段,对截取的一段一维音频信号进行第一变换,将其转换成二维音频图像信号;
[0045] 在本步骤中,首先输入一维的音频信号(数字信号),并从中截取一段。可以利用格式工厂或MP3截取助手等音频截取软件,对输入的一维音频信号进行截取。然后对截取的一维音频信号进行第一变换,将截取的一维音频信号转换成二维音频图像信号。
[0046] 步骤102,通过对水印信息图像(如照片、首长签字等)进行分数维傅立叶变换,得到水印信息全息图信号;保存波长和衍射距离,用作第一解密密钥;
[0047] 本步骤通过对水印信息图像进行分数维傅立叶变换,得到水印信息全息图信号。由于分数维傅里叶变换不仅适应于近距离的衍射场问题,而且还适用于远距离场的计算问题,现有其他算法近场与远场不能兼顾,因此本实施例采用分数维傅里叶变换。
[0048] 步骤103,进行第二变换,将所述水印信息全息图信号嵌入所述二维音频图像信号中,并进行常规傅立叶变换,得到包含全息水印信息的音频二维图像信号;保存嵌入系数,用作第二解密密钥;
[0049] 本步骤通过第二变换将所述水印信息全息图信号嵌入所述二维音频图像信号中,保存嵌入系数用作第二解密密钥。为增加算法的鲁棒性,对嵌入水印信息全息图信号的二维音频图像信号进行常规傅立叶变换,得到包含全息水印信息的音频二维图像信号。
[0050] 步骤104,利用SM4算法对所述包含全息水印信息的音频二维图像信号进行加密,然后进行置乱运算,得到含水印音频密文信号;保存加密密码及置乱次数参数,用作第三解密密钥;对不含全息水印的二维音频图像信号进行完全相同的加密和置乱处理,得到不含水印音频密文信号。
[0051] SMS4算法是一个分组加密算法,分组长度为128比特,密钥长度为128比特。加密算法与密钥扩展算法都采用32轮非线性迭代结构。解密算法与加密算法的结构相同。SMS4算法采用非线性迭代结构,每次迭代由一个轮函数给出,其中轮函数由一个非线性变换和线性变换复合而成。SMS4算法能够抵抗针对分组密码算法的各种攻击方法,包括穷举搜索攻击、差分攻击、线性攻击等。常用的SMS4算法包括DES(Data Encryption Standard)算法和AES(Advanced Encryption Standard)算法等。DES算法是1977年由美国国家标准局颁布的数据加密标准,采用64比特长度分组,56比特长度的密钥。AES算法是2000年美国国家标准与技术研究所(NIST)正式宣布的、取代DES的新型加密标准,由Rijndael算法当选为高级加密标准,成为美国新一代的加密标准。
[0052] SMS4算法和置乱运算都属于成熟的现有技术,这里不给出详细算法,只介绍一下进行加密、置乱的主要步骤:
[0053] 首先将包含全息水印信息的音频图像转换成1维数据(可利用MATLAB内置的单下标与全下标转变函数ind2sub),按128比特进行分组,并转变成SM4加密算法的格式,利用SM4密码算法进行分组密码加密;然后按照分组顺序排列成一维数据形式,并转转换成图像(2维矩阵)形式,由置乱函数Arnold进行多次置乱运算;保存密码及置乱次数参数并作为第三密钥分发给用户。对不含水印的音频信号进行完全相同的加密置乱操作,得到音频密文信号。
[0054] 作为一种可选实施例,所述对截取的一段一维音频信号进行第一变换,将其转换成二维音频图像信号,包括:
[0055] 步骤1011,将截取的一维音频信号归一化:
[0056] F(i)=f(i)/am
[0057] am=max[abs(f(i))]
[0058] 式中,F(i)为归一化后的一维音频信号;f(i)为截取的一维音频信号,i=1,2,…N,N为数据点数;abs()为取绝对值函数,max()为求最大值函数,am为f(i)的最大幅值。
[0059] 步骤1012,为了确保负振幅信息不丢失,将F(i)转换成不小于0的信号G(i):
[0060] G(i)=[F(i)+1]/2
[0061] 因为F(i)的幅值不大于1,所以F(i)+1≥0,G(i)≥0。
[0062] 步骤1013,将G(i)转化成二维矩阵,并存储为图像格式。
[0063] 可利用MATLAB内置的单下标与全下标转变函数将G(i)转化成二维矩阵;利用MATLAB内置函数Imwrite将二维矩阵保存为图像格式,即JPEG格式。
[0064] 作为一种可选实施例,所述通过对水印信息图像进行分数维傅立叶变换,得到水印信息全息图信号;保存波长和衍射距离,用作第一解密密钥,包括:
[0065] 步骤1021,将水印信息图像像素强度分布函数O(x,y)用作物光分布,对O(x,y)进行分数维傅立叶变换,用公式表示如下:
[0066]
[0067] 式中,O(x,y)为水印信息图像像素强度分布函数,用作物光分布,O(ξ,η)为O(x,y)的分数维傅里叶谱,j为虚数单位,φ=pπ/2,p为分数维傅里叶变换的阶;
[0068] 步骤1022,选择分数维傅里叶谱为R(ξ,η)=R0exp[2πj(ξx,ηy)]的参考光,将O(ξ,η)与R(ξ,η)叠加,叠加后的强度分布H(ξ,η):
[0069] H(ξ,η)=|R(ξ,η)|2+|O(ξ,η)|2+R*(ξ,η)O(ξ,η)+R(ξ,η)O*(ξ,η)[0070] 滤除|R(ξ,η)|2+|O(ξ,η)|2后得到水印信息全息图信号I(ξ,η):
[0071] I(ξ,η)=H(ξ,η)-(|R(ξ,η)|2+|O(ξ,η)|2)=R*(ξ,η)O(ξ,η)+R(ξ,η)O*(ξ,η)[0072] 步骤1023,保存光的波长、衍射距离用作第一解密密钥。
[0073] 作为一种可选实施例,按下式进行第二变换,将所述水印信息全息图信号嵌入所述二维音频图像信号:
[0074] Mw(x,y)=M(x,y)+γI(x,y)
[0075] 式中,Mw(x,y)为经第二变换后的信号,M(x,y)为二维音频图像信号,I(x,y)为水印信息全息图信号,γ为嵌入系数。
[0076] 优选地,为了不影响音频信号的质量,嵌入的水印信息全息图信号的幅度应尽量低,一般选γ≤0.1。
[0077] 本发明实施例一种基于全息图像的音频解密方法的流程图如图2所示,所述方法包括:
[0078] 步骤201,用户或第三方获取所述第一解密密钥~第三解密密钥以及含水印音频密文信号和不含水印音频密文信号;
[0079] 在本步骤中,用户或第三方可以通过网络、无线电、拷贝等方式获取含水印音频密文信号和不含水印音频密文信号。所述信号是以图片形式传递的,如果没有解密密钥是无法恢复的。因此,用户或第三方还需要获取加密时保存的第一解密密钥~第三解密密钥。
[0080] 步骤202,对所述含水印音频密文信号进行常规傅立叶逆变换,然后利用第三解密密钥进行逆置乱和SM4解密运算,得到包含全息水印信息的音频二维图像信号;对所述不含水印音频密文信号进行完全相同的处理,得到不含水印的音频二维图像信号;
[0081] 在本步骤中,用户或第三方接收到含水印音频密文信号后,首先进行一次常规逆傅立叶变换,然后利用加密阶段保存的第三解密密钥,进行逆置乱和SM4解密运算,得到包含全息水印信息的音频二维图像信号。逆置乱和SM4解密运算属于成熟的现有技术,这里不给出具体的求解方法。然后对所述不含水印音频密文信号进行完全相同的处理,得到不含水印的音频二维图像信号。所述不含水印的音频二维图像信号,将用于后面的步骤203进行的第二变换的逆变换。
[0082] 步骤203,利用第二解密密钥,对所述含全息水印信息的音频二维图像信号和不含水印的音频二维图像信号,进行第二变换的逆变换,得到水印信息全息图信号;
[0083] 本步骤进行的第二变换的逆变换,实际上是对步骤103将所述水印信息全息图信号嵌入所述二维音频图像信号的叠加运算求逆运算,计算水印信息全息图信号的公式如下:
[0084] I′(x,y)=[M′w(x,y)-M′(x,y)]/γ′
[0085] 式中,I′(x,y)为水印信息全息图信号,M′w(x,y)为步骤202得到的包含水印的二维音频图像信号,M′(x,y)为步骤202得到的不含水印的二维音频图像信号,γ′为第二解密密钥中的嵌入系数。
[0086] 步骤204,对步骤202得到的不含水印的音频二维图像进行第一变换的逆变换,得到一维音频信息;
[0087] 本步骤通过对不含水印的音频二维图像进行第一变换的逆变换,得到一维音频信息(对小嵌入系数的含水印音频二维图像直接做第一变换的逆变换也可获得一维音频信息),包括以下步骤:
[0088] 步骤2041,利用全下标与单下标转变函数,将音频二维图像的矩阵形式转化为一维数据f′(i),i=1,2,…N,N为数据点数;
[0089] 步骤2042,对f′(i)进行归一化处理得到F′(i):
[0090] F′(i)=f′(i)/a′m
[0091] a′m=max[f′(i)]
[0092] 步骤2043,恢复信号中的负值得到G′(i):
[0093] G′(i)=2F′(i)-1
[0094] 步骤2044,输出一维音频信号f″(i):
[0095] f″(i)=kG′(i)
[0096] 式中,k为增益系数。
[0097] 步骤205,将步骤203得到的所述水印信息全息图信号与所述参考光信号相乘,利用第一解密密钥,对相乘后的信号进行分数维傅立叶逆变换,得到水印信息。
[0098] 本步骤是对所述水印信息全息图信号进行步骤102的逆处理,得到水印信息。根据水印信息中包含的遗嘱人照片、签字、语音的完整性文字、领导人签名等信息,可以实现音频信息的认证。
[0099] 上述仅对本发明中的几种具体实施例加以说明,但并不能作为本发明的保护范围,凡是依据本发明中的设计精神所做出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等,均应认为落入本发明的保护范围。
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