基于MDCT的压缩域音频感知哈希算法研究

论文摘要

随着多媒体技术的飞速发展，对多媒体的编辑与修改越来越容易，多媒体信息的数量也在不断增长。如何保护多媒体信息的真实性和完整性以及如何对海量的多媒体信息进行管理和检索，已经成为迫切需要解决的问题。哈希函数曾经在数据认证、信息检索等方面发挥巨大的作用，但是，传统的哈希函数对数据中任一位比特的改变都是敏感的，而多媒体信息更强调感知特性，不同的多媒体数字表示可能对应于同一感知内容，哈希函数的敏感性和多媒体信息的感知特性之间的矛盾，给哈希函数在多媒体领域的应用带来了极大的困难。感知哈希是多媒体数据集到多媒体感知摘要集的一类单向映射。它具有感知鲁棒性，同时，从媒体感知内容的角度来说，它又具有单向性、抗碰撞性等与传统哈希函数类似的性质。感知哈希试图解决多媒体感知特性与传统哈希函数之间的矛盾，为多媒体内容认证、识别、检索等信息服务提供安全可靠的技术支撑。音频作为应用最广泛的媒体形式之一，音频感知哈希的研究具有重大的意义。但是，目前对音频感知哈希算法的研究还存在许多问题。首先，对感知哈希的性质没有明确的描述，给感知哈希算法的评测和形式化分析带来了困难。其次，现有研究中的音频感知哈希都是以原始域音频为输入，计算量大，容易受到有损压缩的影响。第三，大多数算法中没有密钥参与，限制了它在音频内容认证中的应用。为了解决这些问题，本文在音频感知哈希的性质的描述、统一框架的建立、压缩域音频感知哈希算法的开发及其密钥依赖性构造等四个方面做了一些尝试。主要研究内容和成果如下：1.在已有研究的基础上，对感知哈希的性质进行了总结。将其划分为基本性质和扩展性质，并给出了各条性质的形式化表达和评价指标。对已有感知哈希一般框架进行了改进，提出了感知哈希比对框架，便于讨论测度空间对感知哈希性能的影响，反映了实际系统中的预处理过程。2.提出了基于MDCT的压缩域音频感知哈希算法MBPAH，并给出了这种算法在两种常用有损音频压缩格式MP3和AAC上的应用方法以及实验结果。MBPAH算法具有良好的抗碰撞性和感知鲁棒性，其计算与存储消耗显著小于用原始域音频作为输入的感知哈希算法，适用于能源或计算、存储资源受限的场合。3.提出了一种音频感知哈希的密钥依赖性改进方案，以及带密钥的MBPAH算法（Keyed-MBPAH）。分别针对MP3和AAC给出了Keyed-MBPAH算法的应用方法以及实验结果，并对该算法进行了安全性分析。Keyed-MBPAH算法在保持良好的抗碰撞性和感知鲁棒性的同时，也具有很高的安全性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.1.1 多媒体技术发展带来的新需求
• 1.1.2 传统哈希函数的问题
• 1.1.3 感知哈希的提出及其意义
• 1.2 音频感知哈希的研究现状与发展趋势
• 1.2.1 音频感知哈希
• 1.2.2 音频感知哈希算法的分类与综述
• 1.3 现有成果中存在的主要问题
• 1.4 论文结构与主要研究内容
• 第2章 感知哈希的规范化描述及一般框架
• 2.1 感知哈希的定义
• 2.2 感知哈希的性质
• 2.3 感知哈希算法的一般框架
• 2.3.1 感知哈希提取框架
• 2.3.2 感知哈希比对框架
• 2.4 本章小结
• 第3章 MBPAH算法
• 3.1 基于MDCT的音频压缩简介
• 3.1.1 宽带音频压缩概述
• 3.1.2 MP3音频编码简介
• 3.1.3 MPEG AAC音频编码简介
• 3.2 基于MDCT的压缩域音频感知哈希算法
• 3.2.1 算法流程
• 3.2.2 基于MDCT的鲁棒特征提取
• 3.2.3 哈希构造与比对
• 3.3 MBPAH算法在MP3中的应用
• 3.3.1 算法参数
• 3.3.2 实验中使用的音频与软硬件平台
• 3.3.3 抗碰撞性
• 3.3.4 鲁棒性
• 3.3.5 计算效率与数据量
• 3.4 MBPAH算法在AAC中的应用
• 3.4.1 算法参数
• 3.4.2 实验中使用的音频与软硬件平台
• 3.4.3 抗碰撞性
• 3.4.4 鲁棒性
• 3.4.5 计算效率与数据量
• 3.5 本章小结
• 第4章 Keyed-MBPAH算法
• 4.1 MBPAH算法的密钥依赖性构造
• 4.1.1 Keyed-MBPAH算法的流程
• 4.1.2 伪随机整数序列的生成
• 4.1.3 特征提取
• 4.1.4 哈希构造
• 4.2 Keyed-MBPAH算法在MP3中的应用
• 4.2.1 抗碰撞性
• 4.2.2 鲁棒性
• 4.2.3 密钥依赖性
• 4.3 Keyed-MBPAH算法在AAC中的应用
• 4.3.1 抗碰撞性
• 4.3.2 鲁棒性
• 4.3.3 密钥依赖性
• 4.4 安全性分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢