一种基于电网频率特征嵌入的数字音频加密方法及系统

本发明涉及数字音频信号处理技术，尤其涉及一种基于电网频率特征嵌入的数字音频加密方法及系统。

背景技术：

1、由于数字音频可以轻易的被编辑或者伪造，包括修改时间戳和地点，篡改音频内容等，这对验证工作提出了巨大挑战。音频加密技术是防止他人篡改证据音频的有效方法，它可以通过取证音频文件中存在的特定水印或签名，来有效的保护音频内容。常用的音频加密技术包括主动加密和被动加密，主动加密是在音频未公开前通过一定的技术处理，在音频文件中人为的嵌入水印或者签名等，再通过后续取证操作来验证音频是否被修改。这种方法在他人未破解加密手段时，能够有效的验证音频文件。然而这些方法使用自定义的水印或签名，无法和真实世界中存在的信息进行对比验证，来证明音频文件的录音时间和地点是正确的。而且在实际应用中，待取证的音频一般未经过主动加密，因为音频提供方在技术难度和设备复杂度上难以实现。

2、被动加密并未对音频文件进行处理，而是从音频文件本身取证，提取音频中包含的可验证信息，如电网频率(electric network frequency, enf)信息，来验证音频内容是否被修改。由于电网中配电网络的大部分电力来自驱动交流发电机的涡轮机，涡轮的旋转速度决定了enf的标称频率值。而电网中的供给需求不断变化，导致电网信号随时间波动不可预测，使得enf会在电网标称值上下波动，导致用电设备特性变化，可以被录音或视频设备捕获。因此enf信号在时间和地点维度上具有的唯一性和一致性，使它可以作为音频文件的被动加密水印。

3、最早由catalin grigoras提出了enf可以作为评估数字音频证据的完整性的法医分析手段。guang hua等对比了几种常用的enf提取方法和性能，可以鉴定音频文件中是否存在enf。刘育明等使用数字滤波和时频分析方法提取电网中的enf，通过与数据库匹配可以有效的鉴定音频文件真伪和录音时间。wenxuan yao等使用小波变换提取enf和前反馈神经网络匹配分布式数据库，用于定位音频文件的录音地理位置。由于enf是由录音环境周围的交流电设备发出的，信号强度非常微弱且易被干扰，现有的基于enf音频取证研究应用到实际场景中仍然存在一些挑战。首先，大多数研究是基于各地点电网数据集提取enf进而应用于音频验证，而真实的录音设备很难捕捉到清晰可靠的enf信号。其次，大部分实验中的录音设备需要足够靠近电网信号源或录音时间长度不少于10分钟，以确保能从真实音频中提取enf信号。研究人员专注于改进基于电网数据的频率估计精度、优化音频文件中enf检测和信号增强工作，但没有改变录音设备容易受外界干扰而破坏enf信号的情况。

4、因此，亟需一种有效的方法来解决目前数字音频加密水印公信力不足，以及enf提取、加密和匹配过程中遇到的问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种基于电网频率特征嵌入的数字音频加密方法及系统，使用自适应定阶来获得准确的电能质量信息，并且使用改进扩频音频加密算法，使得加密后的音频文件能够有效抵抗内容剪辑、时间尺度修改和压缩变换等攻击，最终能够准确的检测出音频是否被篡改。

2、为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

3、一种基于电网频率特征嵌入的数字音频加密方法，包括以下步骤：

4、s1）获取电网信号构建成hankel矩阵，并对矩阵进行奇异值分解后自适应判断奇异值矩阵阶数，得到新的奇异值矩阵，然后根据矩阵和奇异值矩阵构造矩阵束并求解特征值作为极点信息，最后根据奇异值矩阵阶数与极点信息求解电网信号中的频率得到第一电网频率信号；

5、s2）将所述第一电网频率信号进行滤波，然后保存在电网频率数据库中，将第一电网频率信号作为音频水印嵌入到音频中得到加密数字音频。

6、进一步的，步骤s2）之后还包括以下步骤：获取目标加密数字音频后解密得到第二电网频率信号，将第二电网频率信号进行滤波，然后与电网频率数据库中对应的第一电网频率信号进行对比，若第二电网频率信号与电网频率数据库中对应的第一电网频率信号不一致，则目标加密数字音频被篡改。

7、进一步的，步骤s1中，对矩阵进行奇异值分解后自适应判断奇异值矩阵阶数，得到新的奇异值矩阵时，包括以下步骤：

8、s101）对矩阵进行奇异值分解，得到对应的的正交矩阵，的正交矩阵，的对角阵，矩阵中的主对角元素为的奇异值，n为电网信号的采样点数，l为hankel矩阵的矩阵束参数；

9、s102）计算元素的对数值，并计算相邻对数值和之差d，，将d取最大值时的下标作为奇异值矩阵阶数，将矩阵中的奇异值全部置零，得到新的奇异值矩阵。

10、进一步的，步骤s1中，根据矩阵和奇异值矩阵构造矩阵束并求解特征值作为极点信息时，包括以下步骤：

11、s201）取出矩阵中前个右奇异向量构成的矩阵，删去的最后一行得到，删去的第一行得到，将矩阵的奇异值表达式中的矩阵替换为奇异值矩阵，并将矩阵的奇异值表达式中的矩阵分别替换为矩阵和，得到矩阵和；

12、s202）构造矩阵束，求解的广义特征值，表达式如下：

13、

14、其中，为的伪逆矩阵；为的共轭转置阵,为矩阵 g的特征值。

15、进一步的，步骤s1中，对电网信号化简得到离散采样信号，其中为幅值；为衰减因子；为频率；为相位；为信号的采样点数；代表采样信号的留数信息；表示极点信息，其中为角频率；根据奇异值矩阵阶数与极点信息求解电网信号中的频率得到第一电网频率信号时，包括以下步骤：

16、s301）利用最小二乘法的线性方程组计算得到留数，建立目标方程，表达式如下：

17、

18、其中，，至分别为hankel矩阵中的元素，表示的n-1次方，n为电网信号的采样点数；

19、s302）根据目标方程求解计算得到电网信号中的幅值、相位及频率，表达式如下：

20、

21、其中，表示留数的虚部，表示留数的实部，表示极点信息的虚部，表示极点信息的实部，表示时间；

22、s303）将频率作为第一电网频率信号。

23、进一步的，步骤s2中将所述第一电网频率信号进行滤波时以步骤s2之后将第二电网频率信号进行滤波时，均包括使用集合经验模态分解算法对电网频率信号滤波的步骤，具体包括：

24、将电网频率信号的原始信号分解为i个本征模函数；

25、将变量的值从1到i递增，计算个本征模函数的累加和，并计算所述累加和与原始信号的皮尔逊相关系数；

26、将皮尔逊相关系数的值最高时的累加和作为滤除噪声后的电网频率信号。

27、进一步的，步骤s2中，利用改进扩频算法中的加密操作之前还包括优化第一电网频率信号的数据类型结构的步骤，具体包括：将第一电网频率信号的数据类型从双精度浮点型数据转化为16位无符号数据类型。

28、进一步的，步骤s2中，将第一电网频率信号作为音频水印嵌入到音频中得到加密数字音频时，包括：利用改进扩频算法中的加密操作，将第一电网频率信号的二进制编码作为嵌入水印的二进制处理编码，同时调节第一电网频率信号的能量来补偿对于载体音频信号的干扰，使得误码率小于预设阈值。

29、进一步的，将第二电网频率信号与电网频率数据库中对应的第一电网频率信号进行对比时，包括：计算第二电网频率信号与对应的第一电网频率信号的皮尔逊相关系数，若所述皮尔逊相关系数小于目标值，则第二电网频率信号与对应的第一电网频率信号不一致；

30、或者，观察第二电网频率信号与对应的第一电网频率信号的波形图，若第二电网频率信号与对应的第一电网频率信号的波形图不一致，则第二电网频率信号与对应的第一电网频率信号不一致。

31、本发明还提出一种基于电网频率特征嵌入的数字音频加密系统，包括：

32、电网终端检测设备，用于获取电网信号构建成hankel矩阵，并对矩阵进行奇异值分解后自适应判断奇异值矩阵阶数，得到新的奇异值矩阵，然后根据矩阵和奇异值矩阵构造矩阵束并求解特征值作为极点信息，最后根据奇异值矩阵阶数与极点信息求解电网信号中的频率得到第一电网频率信号；

33、录音加密设备，用于利用改进扩频算法中的加密操作，将第一电网频率信号作为音频水印嵌入到音频中得到加密数字音频；

34、电网频率数据库，用于保存所述第一电网频率信号。

35、与现有技术相比，本发明的优点在于：

36、1、本发明改进了矩阵束enf提取算法，通过自适应判断奇异值矩阵阶数，消除因噪声干扰变为非零值的奇异值，有效降低了噪声对测量结果的影响。

37、2、本发明为适应改进扩频算法而优化了enf数据结构类型，降低了计算量，使得enf可以实时同步的嵌入到数字音频中，提升了系统鲁棒性和抗攻击能力。

38、3、本发明使用集合经验模态分解算法进行信号分解，以降低高斯白噪声和误码率的干扰，可以提高数据库匹配时相似度评价指标。