交换Watermarking-Encryption音频数据的最小知识验证

文摘

我们提出一个方案交换watermarking-encryption (CWE)的音频数据并展示其鲁棒性的一个重要类攻击,时间尺度的修改(TSM)。此外,我们展示该CWE方案可以集成到一个加密协议使公众验证嵌入式标志着马克没有披露或用于嵌入水印的关键。

1。介绍

交换watermarking-encryption (CWE)意味着水印和加密方式加密和水印功能上下班;也就是说, 在哪里是加密函数,加密密钥,水印密钥,是明文媒体数据,是马克嵌入。

如果加密和水印做上下班,他们的组合可以作为一个重要构件在数字版权管理(DRM)系统中,进一步详细部分2。在本文中,现有的静态图像(CWE概念1扩展到音频文件。我们所知,这是第一个CWE方案音频文件出现在文献中。此外,我们表明,CWE方案可以集成到一个修改版的一个协议因为渴望和Katzenbeisser [2),使0知识验证水印,这意味着一个验证器可以验证水印的存在没有披露或水印密钥。剩下的纸是组织如下:在部分2,我们激励CWE的需要计划和确定一些基本要求。节3不久,我们回顾现有CWE方案静态图像和音频文件加密/水印技术,特别强调这些算法使用相似的技术如我们的方法。节4,我们现在CWE计划的细节。部分5提供了实验结果的鲁棒性和富达水印的部分。部分6礼物CWE的集成方案零知识协议验证标志,和部分7总结了纸。

2。CWE的动机

交换的概念watermarking-encryption (CWE)第一次讨论3)特别强调水印加密领域。从左边的(1)很明显,水印功能必须能够在加密领域,这意味着只有一组有限的视听功能(如果有的话)是嵌入可用,可以用来嵌入标记。

2.1。争端解决协议

看看CWE计划的首要动机来源于需要实现所谓的争端解决协议,版权所有者提供了一个数字媒体对象一个经销商的销售一些客户。在这种情况下,攻击是可能的,最重要的的情况销售的一个副本在他自己的权利。特别是,如果检测到这样的一个副本,争端解决协议必须能够识别真正的主人和识别违规方。

是一个明显的解决方案嵌入一个水印标识作为合法的所有者并提供了显著对象来。经销商依次是为每个客户额外的水印,唯一标识。不幸的是,在这种情况下分销商能够生成相同的副本和卖给客户。如果这些副本是用一些特定客户的标识符,经销商可以否定有生成的副本和客户可能的犯罪行为负责吗。

这里的基本问题是,访问标志着对象呢在明文。如果CWE方案可用,但是,下面的协议之间的一个通用的卖家和一个通用的买家成为可能,提出在4]:(1) 加密与她的对称密钥。结果是。(2) 发送来,加上一个标记那嵌入到。(3) 嵌入成并加密结果与自己的关键。最终结果被发送到。(4) 验证包含作为水印。如果验证成功,删除自己的加密和发送结果回到买方。(5) 删除他的加密并拥有单独的标记对象。如果经销商需要卖方在本协议的作用和权力执行en -和解密操作步骤(1)和(4),分别可以解决上面提到的问题,如果一个媒体对象CWE方案是可用的。CWE方案的必要性变得明显在步骤(3)和(4),在一个加密的媒体对象有水印,水印的存在在一个加密的验证对象,分别。此外,步骤(3)和(4)呼吁公共密钥水印方案,哪里有一个私人嵌入键和一个公共检测键,或非对称方案,可以验证的存在没有充分披露的水印嵌入键或水印本身。

2.2。数字版权管理系统

在数字版权管理(DRM)系统5),加密和水印通常是结合自然的方式:媒体数据传输加密形式的媒体播放器,所以访问兼容的明文数据只有在发生控制的球员。此外,水印嵌入的媒体数据存在有一个额外的保护层,即使已经解密的数据。可以使用这些水印版权,执行复制的限制,在互联网上追踪非法拷贝或提供。如果使用CWE方案,兼容的媒体播放器有机会发现和插入水印甚至在加密数据。更一般的意义上,应该有可能保护多媒体数据在整个销售链以灵活的方式通过允许加密和水印操作上下班(6]。

2.3。加密数据库中搜索

随着云计算的出现,产生了一个新的安全挑战。例如,云计算客户需要确保他们的数据,不仅要保护自己的数据从公共的攻击,但也保护他们的数据从他们的云服务提供商(7]。因此,客户需要加密数据在云中。另一方面,云服务提供商或客户经常需要搜索客户端数据按照一定的元数据或标签。因此高度希望提供技术可以保护客户的隐私,并提供大量的可访问性在同一时间。CWE方案可以提供这样的解决方案,如果元数据作为水印嵌入到加密的数据。

3所示。相关工作

3.1。CWE方案图像数据

我们所知,没有CWE方案提出了音频数据到目前为止。然而,有很多尝试针对静态图像,其中我们只审查所谓的不变的加密的方法,因为它也被运用于我们的音频CWE方案。更全面审查现有的静态图像CWE方案,参见[8]。

CWE的不变的加密方法的介绍(1]是完全加密媒体数据(而不是局部加密的方法,使数据加密的一部分主机水印),但使用弱密码,让媒体数据的特征空间不变。这个不变的功能空间可以用来嵌入水印。例如,置换密码可用于加密,触及了全球图像的一阶统计。所表示的不变特征空间因此图像直方图和基于直方图算法可以用来嵌入标记。不变的加密方法的优点是,所有媒体数据加密(而不仅仅是一个子集部分加密方案)。除了使用弱密码,缺点是先天就缺乏鲁棒性的水印。

3.2。音频加密方法

我们的音频信号由一组样本值。大多数现有的音频加密方法,例如,(9]或[10),替换(即音频样本值和变化。,flatten) the global histogram of the amplitudes of the sample values. The flattening of the histogram makes it impossible to use the histogram for embedding a watermark. In [11),然而,一个排列密码用于交换在时域样本值,从而使直方图不变。这表明可以传输音频数据不变的加密方法。

3.3。音频水印方法

从主机的现有音频水印方法(见[12]概述),该方法由湘et al。13)为我们的工作是最重要的,因为它使用(部分)的幅度直方图嵌入标记。音频样本值的范围分裂成大小相同的垃圾箱。振幅直方图是一个维向量 在哪里表示样本落入的数量本。幅度直方图的相关部分包括垃圾箱覆盖区间,在那里是绝对振幅值和平均值是一些固定的参数。这个条件确保相关部分的直方图的箱子,“好了,”。嵌入一个水印连续的三直方图箱与高度使用。如果的关系应持有,是一个预定义的阈值。如果不满意的关系三个垃圾箱,一定数量的样品已经从第一和第三本三到第二本的加减,分别一个本宽度的样本。如果进行一个类似的过程。

随着嵌入标记改变振幅值的平均值,提取,正确的平均值在搜索空间搜索。对于每一个平均值,形成相应的直方图和之间的距离提取部分和一个已知的同步序列同步计算。中值与最小距离是用来提取剩余的水印比特。

同步过程描述有助于使水印健壮TSM攻击(cf部分5。2)。虽然水印方案是基于直方图,它不能用于与置换密码形成CWE计划,因为只有一定数量的样本值的直方图本修改。因此,应用置换密码后,比以前不同的样本值被修改,它破坏了交换性属性。此外,该计划由香等人不使用一个秘密水印密钥。

4所示。CWE提出方案

该方案是基于前面的想法(1,13)中所描述的部分3。为了将它们应用在音频领域,为了使总体方案更加健壮TSM攻击,一些修改是必要的,这是描述在接下来的段落。

4.1。加密算法

一个模拟音频信号传输到数字域的采样时间连续信号在一定的离散采样率。同时,获得样本根据可用的位深度是量子化的,结果被一组样本值,在那里可以被看作是一个离散的时间坐标。常见的位深代表音频16日或24位。大意是交换离散的时间点上,同时样本值依然完好无损。为了生成排列,阿诺德猫的离散版本地图(14)是使用,因为它是一个著名的混沌映射所使用的许多作者生成排列在图像加密(见例如,[15])。离散猫映射是一个二维地图上定义方格网的 在哪里和参数,可以作为密钥如果函数是用于加密的目的。二维排列的方形网格可以快速生成的重复应用猫映射。但是请注意,只有不同的键。因此,提出了在16)改变猫的秘密参数在每个迭代映射。为了猫映射适用于离散音频信号的长度音频信号是重新排列成一个正方形网格的大小。如果不是一个平方数,信号的随机样本值有相同的概率分布(即。,相同的直方图)作为原始信号。这确保填充的值不能被攻击者区别于原来的值。此外,原始直方图在很大程度上是不变的填充(cf图1)。图2显示猫映射的效果5迭代后的波形信号的一个例子。由此产生的原始信号译码和16.47之间的PSNR值。

4.2。水印算法

4.2.1。准备基本原则

水印算法的设计目标在我们提出使用CWE方案如下:(我)水印算法应通勤置换密码的(1)。(2)应该是健壮的时标修改(TSM)攻击(见部分5。2)。(3)它应该能够使用很长的水印主要为了防止攻击者插入自己的水印。这些目标要求中描述的组合水印概念(1,13):为了充分与置换密码交换性,有必要交换整个直方图箱。这些互换可以随机使用秘密水印密钥中描述(1]。然而,这个过程可以意味着大幅改变直方图的意思。为了部署同步过程对TSM攻击鲁棒性(中描述13),原来的意思需要单独传输校验。此外,正如TSM攻击可能改变两个直方图的高度关系垃圾箱如果只选择箱子足够不同的交换,也就是说,应持有,是一个强度参数管理方案的鲁棒性。注意,这个关系是不变的,如果两个直方图箱是交换。然而,它可能改变了TSM攻击,这可能导致探测器选择错误的本对提取。因此,本对用于马克现在需要作为水印嵌入密钥,而不是一个初始种子的伪随机数发生器(1]。

4.2.2。算法细节

嵌入。让水印由位。第一个比特水印作为同步序列的同步,应该知道探测器。作为第一步,嵌入生成振幅直方图音频信号和形式的相关部分节中描述3.3。为每一个嵌入计算一对直方图本在以下方式:(我)生成一个随机数,在那里内箱的数量吗。(2)找到th内未使用本。生成一个随机数,这样和。(3)如果和之前没有使用,保存对。水印位现在是嵌入在以下方式:(一)为的关系必须持有。如果不是这种情况,交换的垃圾箱分配新值对所有样品在垃圾箱。(b)为的关系必须持有。如果不是这种情况,交换的垃圾箱分配新值对所有样品在垃圾箱。(iv)如果已使用过或生成一个新的随机数。

检测。探测器需要知道最初的平均值的未标记样本覆盖工作以及同步序列长度的同步和本的顺序对用于嵌入标记,作为一个水印密钥。

如[13),寻找正确的平均值潜在的TSM袭击后,探测器首先计算一个搜索空间,在那里是一个参数管理搜索空间的大小。现在,对于每个成员的搜索空间,相应的直方图的部分形成和同步序列是提取通过比较第一直方图本双了。对于每一个柱状图部分,提取和Rogers-Tanimoto (17)不同 从计算,是事件的数量一个同步点在哪里吗和一个相应的位是。直方图的部分导致最低使用不同提取剩余的位从。

4.3。安全分析

4.3.1。水印

建设,该水印算法对histogram-changing高度敏感的修改封面音频文件,如随机交换直方图箱或直方图平操作。这种操作可以移除水印部分甚至完全与我们的实验StirMark (cf部分5。2)所示。

未经授权的水印的嵌入和检测,另一方面,没有水印的知识关键是困难的 接下来,我们提供一个下界的数量可能的钥匙。

由本对相关部分的选择的振幅包含柱状图箱里。我们把箱子分成等量的大小。假设,在每一对,第一本和第二本来自一个不同的部分是选择在一个距离从一开始,选择一双单本的可能性。因为有本对和它们的顺序是很重要的,我们到达一个绑定 键的数量。典型的参数选择和导致绑定。注意,如果直方图双透露,但不是他们的秩序,在协议中描述的部分吗6.2水印的长度仍足以提供一个关键的长度约为200位。

4.3.2。置换密码

正如上面提到的部分4.1,猫映射的键,可以弥补只有从迭代到迭代的参数改变的关键。因为原则上可以生成所需的排列方式不同,它是更有趣的在这种情况下看置换密码安全的音频文件。在[18]作者研究了置换密码的安全应用图像greyvalues和发现,如果已知明文攻击,复杂性是可能的,需要频繁的更新的关键。将这些结果应用到音频文件的长度意味着已知明文足以打破密码,是可能的样本值的数量。因为一个音频文件的位深度通常高于一个图像文件(16位与8位/样本,分别地。像素),排列需要更新的关键有两倍的图像文件的大小进行比较。

5。实验结果

以下实验提供的音频文件进行收集欧洲广播联盟(欧洲)声音质量评估。音频文件包括人工生成的信号以及演讲中,单一乐器,流行音乐(https://tech.ebu.ch/publications/tech3253)。

5.1。感觉力

为了衡量一个嵌入式的感觉力,峰值信噪比(PSNR)之间的工作,最初的工作是计算,在文献中是很常见的。图3展示了原始文件,文件之间的PSNR提高水印长度和七soundfiles示例。这个参数设置用于嵌入。根据(19),噪音变得可在PSNR值< 35分贝。图3因此表明,使用这些参数可以嵌入到512位没有问题。

如果直方图箱扩大(即。,如果减少),容量下降,那么箱子可供嵌入,而更多的样本嵌入的影响,使水印更明显,也更加健壮。图4显示了PSNR值70测试文件和32位马克和一个56位标记。实线表示平均PSNR值。水印参数选择在这样一个方式,一个好的TSM攻击的鲁棒性是实现(cf部分5。2);然而,引入的噪声水印是在边境的明显。

5.2。鲁棒性

5.2.1。TSM攻击

TSM攻击基本上试图使失调嵌入和探测器通过压缩或扩展音频文件的时间轴。一个常见需求是一个音频水印应该能够生存尺度改变约10% (20.]。此外,人类听觉系统相对不敏感TSM攻击,这使得更高百分比看起来真实。在重新取样模式下,某些音频样本重复或删除为了伸展或延长时间轴。在pitch-invariant模式中,音频文件的速度被修改而不改变样品。为了实现这些攻击在实践中,流行的开源工具Audacity V2.1.1 (www.audacityteam.org http: /)使用。

图5显示了误比特率(BER)当检索水印的32位和56位长度TSM袭击后。对于这些参数的选择,提出了水印算法是非常健壮的TSM攻击在重新取样模式中,而鲁棒性对pitch-invariant模式是稍差,但仍然很好。特别是,对10%重新调节所需的鲁棒性是实现。一般来说,鲁棒性很敏感参数的选择。特别是,如果数量直方图箱的进一步增加,相应的鲁棒性降低。

5.2.2。StirMark

为了评估鲁棒性对一般的信号处理,音频的著名的基准测试工具StirMark V1.3.2 (https: /sourceforge.net/projects/stirMark)被用来模拟常见的攻击。尽管数量少直方图箱的选择(或)来实现更高的鲁棒性,算法表现非常不同,这取决于类型的攻击。例如,低通滤波或一个正弦信号插入音频文件能够完全摧毁马克。另一方面,样本操作插入Zero-Samples一样,定期删除样本(种植,或CutSamples StirMark),或操作的最低有效位(lsb)样品不影响水印。表1()和表2()与StirMark给详细的实验结果。一般来说,很难设计一个CWE算法健壮的大类的攻击,因为在CWE方案嵌入必须能够运行在加密域,因此不能依靠重要的感知特性的覆盖工作。这是有可能的,然而,对一定良好定义的类的实现一定的鲁棒性攻击,如该算法所示。

5.3。交换性与加密

CWE提出方案在理论上没有完全交换,因为填充所需的加密步骤:嵌入步骤改变原始的直方图,填充样品引入mark-then-encrypt操作可以稍微不同的填充encrypt-then-mark操作。我们测试的影响这一问题通过验证标记嵌入到七个测试文件在以下三种情况:(我) :马克嵌入加密的覆盖工作,然后提取。(2) 马克是嵌入到明文覆盖工作。标记提取工作是加密和马克。(3) 马克是嵌入加密的覆盖工作,然后工作解密和标记提取。

在所有情况下马克可以提取从所有测试文件没有任何错误。在实践中,填充样本的数量是非常小的样本总数相比,他们很少受到了水印。

注意,不可交换性不是内在的整体方案,但结果生成特殊的排列方式,即通过部署二维离散猫地图。如果排列是由一些替代机制,例如,一个提议在21不需要填充),该计划由施工充分交换。

6。的最低知识验证

讨论部分2表明,为了是有用的在一个通用的服务协议,应该有一种方式来验证水印没有完全披露马克或水印密钥。在[2),Katzenbeisser和渴望提出一个概率协议原则上能够集成任何对称水印算法。在这里,我们做一些修改此协议提出的音频水印算法。这些修改努力充分利用的特殊属性提出CWE方案和计划可以消除一定的弱点,渴望和Katzenbeisser。

6.1。渴望和Katzenbeisser的协议

在这个协议中,验证爱丽丝想证明水印的存在验证人鲍勃没有透露或水印密钥。封面的工作被视为一个数组样本。水印也长,被验证方使用一些对称水印嵌入算法。结果是明显的工作。爱丽丝现在生成一些秘密排列和发布随机图有节点和。

为了证明的存在在鲍勃,Alice和Bob进行多步协议。每一个步骤包括以下步骤:(1)爱丽丝生成两个排列和随着房地产。然后她计算和。(2)爱丽丝生成一个所谓的所有权的机票 在哪里是一个安全的hashfunction和和加密的版本和,分别。爱丽丝发送鲍勃。(3)鲍勃掷一枚硬币,根据结果,问爱丽丝解密或对他来说。(4)如果打开后,Bob可以计算吗和并验证中包含的hashvalues。在占有从而验证是正确的,鲍勃继续验证存在在。(5)如果打开,鲍勃计算吗和并验证hashvalues包含在。在这种情况下,爱丽丝的知识验证。

渴望和Katzenbeisser继续表明,如果这些步骤是重复的次,爱丽丝的概率傻瓜鲍勃相信她的水印是包含在。

在我们看来,这个协议是非常巧妙的,有两个缺点:第一,验证器就知道工作在一起因此可以得到一些信息排列的秘密(也是如此和,但在这种情况下得到的信息意味着能够解决的实例图同构问题[22])。

第二,更重要的是,目前还不清楚如何在步骤(4)的存在在匆忙的工作应该没有披露水印密钥验证。

6.2。修改后的版本

在我们的协议的修改版本,我们利用我们的水印算法的特殊结构,努力消除上述两个缺点。渴望和Katzenbeissers原始协议,验证方爱丽丝排列生成一个秘密和一个图。她标志着覆盖工作与水印使用中描述的算法部分4.2标志着工作。然后她发布和交换水印密钥,但不 或。请注意,这里所描述的水印算法,水印密钥由本对的列表。如果该列表是用来提取水印的排列形式,其结果将是交换水印。修改后的协议现在收益步骤。每一个步骤包括以下步骤:(1)爱丽丝生成两个排列随着房地产。然后她计算和。(2)爱丽丝生成一个所有权的票 在哪里是一个安全的hashfunction和加密的版本和,分别。爱丽丝发送鲍勃。(3)鲍勃掷一枚硬币,根据结果,问爱丽丝解密或对他来说。(4)如果打开后,Bob可以计算吗和验证hashvalue包含在。在占有从而验证是正确的,鲍勃继续计算并使用提取从。他可以检查的正确性通过验证hashvalue在。(5)如果打开,鲍勃计算吗并验证hashvalue包含在。在这种情况下,爱丽丝的知识验证。

在本协议的修改版本,它没有必要发表因为交换马克可以直接提取的。此外,如何做到这一点显然没有知识的水印密钥,随着交换的关键将产生的排列马克吗。修改协议的另一个有趣的方面与这里描述的水印算法,它可以应用于交换工作在完全相同的方式有些秘密排列排列独立用于交互式验证协议。

拟议中的协议已经实施并在Python中经过了广泛的测试。1024位水印,是验证和验证器之间传输的数据量大约是4 kb每一步。

协议的一个严重的缺点是出版的排列水印键揭示了本对水印的嵌入。因此易事攻击者修改相应的垃圾箱,从而消除水印。通过使用,攻击者也可以嵌入一个交换。然而,攻击者不能够证明的知识或本身。

7所示。结论

我们已经表明,现有的方法交换watermarking-encryption图像可以被转移到音频文件。虽然在这种情况下很难定义一个一般水印算法的鲁棒性,我们可以实现一个相对强大的时标修改(TSM)攻击的鲁棒性。通过引入一些修改成一个交互式验证协议早些时候,可以适应这里定义的水印算法与最小交互式验证协议知识验证,也就是说,没有披露水印或水印密钥。我们的进一步的研究工作将集中在问题的提出的水印算法可以更健壮。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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