一种模拟音频多分辨率无损可逆隐私保护方法及系统

本发明属于音频数据加密，特别涉及一种模拟音频多分辨率无损可逆隐私保护方法及系统。

背景技术：

1、隐私保护的核心目标是确保个人敏感信息不被滥用或泄露。当所处理的数据为语音、音乐或环境声音等音频数据时，就形成了音频隐私保护问题。音频隐私保护需要在保障音频信息可用性的同时，限制未授权主体获取完整音频内容及其底层样本信息，因此需要在隐私安全性与授权可用性之间取得平衡。

2、一种常见的音频隐私保护方法是对音频数据进行整体加密。该方法能够将原始音频转换为只有持有完整密钥的用户才能解密的密文形式，从而保障音频在存储和传输过程中的安全性。但是，整体加密也使未持有完整密钥的用户无法获得任何可用的音频信息，在云端存储、多方共享和分级访问场景中，难以向不同授权用户提供不同精度的恢复结果。

3、在一段音频需要由多个用户共享和访问时，主要挑战之一是如何根据不同授权等级分别控制各用户能够恢复的音频信息。可以将音频样本的底层位表示划分为多个位块，并为不同位块设置相互关联的加密参数和访问起点，使低授权用户仅恢复部分位块，高授权用户在此基础上继续恢复更多位块，从而形成不同层级的音频可用性。

4、另一方面，音频样本在计算机中可以采用浮点数形式表示。在样本值、浮点位串、密文数据和音频文件之间进行转换时，如果发生量化、截断、归一化、转码或其他改变底层数值表示的处理，可能造成恢复样本与原始样本之间的不可逆差异。对于要求最高授权用户获得完整原始数据的场景，仅依据主观听感或波形相似程度，难以证明恢复后的每个音频样本在底层位表示上与原始样本完全一致。

5、另一个挑战是如何在保护音频隐私的同时不牺牲授权用户对音频信息的使用能力。如果加密和访问控制方式过于单一，用户只能在完全不可用和完全公开之间进行选择；如果处理结构过于复杂，又可能增加存储、传输和恢复开销。因此，需要一种能够直接面向音频样本位表示进行分级保护，并在最高授权等级下实现可验证无损恢复的音频隐私保护方案。

技术实现思路

1、鉴于上述状况，本发明的主要目的是为了提出一种模拟音频多分辨率无损可逆隐私保护方法及系统，以解决上述技术问题。

2、本发明提出模拟音频多分辨率无损可逆隐私保护方法，所述方法包括如下步骤：

3、步骤1、对原始数字音频依次进行读取和编码操作，得到单精度浮点位串，将所有单精度浮点位串按顺序排列并计算数值贡献，利用数值贡献计算基底矩阵元素，再按顺序排列，得到基底矩阵；利用三个预设位数将单精度浮点位串切分为第三个位块、第二个位块和第一个位块；

4、步骤2、利用预设的第一个密钥和第一个初始向量对第三个位块加密，得到第三个位块密文，并派生第二个密钥和第二个初始向量，再依次加密第二个位块和第一个位块，得到第二个位块密文和第一个位块密文，并派生第三个密钥、第三个初始向量，将第三个位块密文、第二个位块密文和第一个位块密文按原位顺序重组并计算密文数值贡献，再与基底矩阵组合，以得到密文音频样本；

5、步骤3、将密文音频样本、三个位块密文、基底矩阵、三个预设位数与三个密钥、三个初始向量，分别进行关联保存，以得到三种不同的密文数据集合；

6、步骤4、根据预设三种不同的授权等级向接收端分发对应的三种不同的密文数据集合，对三种不同的密文数据集合分别进行解密并按顺序重组，以得到对应授权等级的恢复位串，并计算对应授权等级的恢复位串的恢复数值贡献，再将恢复数值贡献与基底矩阵组合，得到对应授权等级的恢复音频样本；利用对应授权等级的恢复音频样本，判定是否达到位级无损恢复，以得到最终的无损隐私保护结果。

7、本发明还提出了模拟音频多分辨率无损可逆隐私保护系统，系统包括：

8、音频样本处理模块，用于：

9、对原始数字音频依次进行读取和编码操作，得到单精度浮点位串，将所有单精度浮点位串按顺序排列并计算数值贡献，利用数值贡献计算基底矩阵元素，再按顺序排列，得到基底矩阵；利用三个预设位数将单精度浮点位串切分为第三个位块、第二个位块和第一个位块；

10、加密音频处理模块，用于：

11、利用预设的第一个密钥和第一个初始向量对第三个位块加密，得到第三个位块密文，并派生第二个密钥和第二个初始向量，再依次加密第二个位块和第一个位块，得到第二个位块密文和第一个位块密文，并派生第三个密钥、第三个初始向量，将第三个位块密文、第二个位块密文和第一个位块密文按原位顺序重组并计算密文数值贡献，再与基底矩阵组合，以得到密文音频样本；

12、密钥处理模块，用于：

13、将密文音频样本、三个位块密文、基底矩阵、三个预设位数与三个密钥、三个初始向量，分别进行关联保存，以得到三种不同的密文数据集合；

14、音频恢复模块，用于：

15、根据预设三种不同的授权等级向接收端分发对应的三种不同的密文数据集合，对三种不同的密文数据集合分别进行解密并按顺序重组，以得到对应授权等级的恢复位串，并计算对应授权等级的恢复位串的恢复数值贡献，再将恢复数值贡献与基底矩阵组合，得到对应授权等级的恢复音频样本；利用对应授权等级的恢复音频样本，判定是否达到位级无损恢复，以得到最终的无损隐私保护结果。

16、与现有技术相比，本发明有益效果如下：

17、1、相较于现有技术，本发明直接面向ieee 754标准32位单精度浮点位串进行分块保护，通过基底矩阵与数值贡献的组合保持音频样本的可重构性；

18、2、通过三个位块、对应的密钥和对应的初始向量派生以及授权起始参数分发，使同一密文数据实现一次加密、不同授权等级获得不同位块恢复范围的音频数据，从而在隐私性和可用性之间取得平衡；

19、3、在第三授权等级下恢复全部位块，并以位串矩阵维度相同且差异位数为0作为判定条件，实现可验证的位级无损恢复。

20、本发明的附加方面与优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实施例了解到。

1.一种模拟音频多分辨率无损可逆隐私保护方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的模拟音频多分辨率无损可逆隐私保护方法，其特征在于，在所述步骤1中，对原始数字音频依次进行读取和编码操作，得到单精度浮点位串，将所有单精度浮点位串按顺序排列并计算数值贡献，利用数值贡献计算基底矩阵元素，再按顺序排列，得到基底矩阵；利用三个预设位数将单精度浮点位串切分为第三个位块、第二个位块和第一个位块，具体包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的模拟音频多分辨率无损可逆隐私保护方法，其特征在于，对原始数字音频进行读取，并按采样顺序构建音频样本值列向量，对应过程存在的关系式如下：

4.根据权利要求3所述的模拟音频多分辨率无损可逆隐私保护方法，其特征在于，在所述步骤2中，利用预设的第一个密钥和第一个初始向量对第三个位块加密，得到第三个位块密文，并派生第二个密钥和第二个初始向量，再依次加密第二个位块和第一个位块，得到第二个位块密文和第一个位块密文，并派生第三个密钥、第三个初始向量，将第三个位块密文、第二个位块密文和第一个位块密文按原位顺序重组并计算密文数值贡献，再与基底矩阵组合，以得到密文音频样本，具体包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的模拟音频多分辨率无损可逆隐私保护方法，其特征在于，利用预设的第一个密钥和预设的第一个初始向量对第三个位块进行aes-cfb分组加密，得到第三个位块密文，对应过程存在的关系式如下：

6.根据权利要求5所述的模拟音频多分辨率无损可逆隐私保护方法，其特征在于，在所述步骤3中，将密文音频样本、三个位块密文、基底矩阵、三个预设位数与三个密钥、三个初始向量，分别进行关联保存，以得到三种不同的密文数据集合，具体包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的模拟音频多分辨率无损可逆隐私保护方法，其特征在于，将密文音频样本、第一个位块密文、第二个位块密文、第三个位块密文、基底矩阵、三个预设位数、第三个密钥和第三个初始向量进行关联保存，得到第一密文数据集合，对应过程存在的关系式如下：

8.根据权利要求7所述的模拟音频多分辨率无损可逆隐私保护方法，其特征在于，在所述步骤4，根据预设三种不同的授权等级向接收端分发对应的三种不同的密文数据集合，对三种不同的密文数据集合分别进行解密并按顺序重组，以得到对应授权等级的恢复位串，并计算对应授权等级的恢复位串的恢复数值贡献，再将恢复数值贡献与基底矩阵组合，得到对应授权等级的恢复音频样本；利用对应授权等级的恢复音频样本，判定是否达到位级无损恢复，以得到最终的无损隐私保护结果，具体包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的模拟音频多分辨率无损可逆隐私保护方法，其特征在于：

10.一种模拟音频多分辨率无损可逆隐私保护系统，其特征在于，所述系统采用如权利要求1-9任一项所述的模拟音频多分辨率无损可逆隐私保护方法，所述系统包括：