基于信號(hào)的信息隱藏技術(shù)研究

1、基于音頻信號(hào)的信息隱藏技術(shù)研究    摘要：信息隱藏技術(shù)已經(jīng)成為近年來(lái)信息安全領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。信息隱藏技術(shù)的一些基本問(wèn)題，如信息隱藏的系統(tǒng)模型、信息隱藏技術(shù)的分類等；隨后重點(diǎn)研究了目前針對(duì)音頻信號(hào)的信息隱藏技術(shù)的基本思想及其局限性。最后給出了一個(gè)完整基于音頻點(diǎn)播的信息隱藏系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理和過(guò)程。    關(guān)鍵詞：加密；信息隱藏；音頻點(diǎn)播    1 引言    隨著網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，大量媒體信息通過(guò)數(shù)字化的形式進(jìn)行傳播和發(fā)

2、布，這給我們帶來(lái)便利的同時(shí)也帶來(lái)了如何保證信息傳播的安全性和保密性的問(wèn)題。    加密技術(shù)是保護(hù)數(shù)字內(nèi)容最常見的方法，它通過(guò)對(duì)需保護(hù)的對(duì)象進(jìn)行加密然后再進(jìn)行傳輸。目前，已經(jīng)出現(xiàn)了具有較高保密強(qiáng)度的加密算法，但在很多領(lǐng)域加密方法的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越顯現(xiàn)出它的局限性，因?yàn)榻^大多數(shù)加密算法的強(qiáng)度嚴(yán)重依賴于計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，密碼的可靠性往往由密鑰的長(zhǎng)度來(lái)保證，一旦傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被非法劫取并解密后，加密的數(shù)據(jù)與普通數(shù)據(jù)一樣不再受到任何保護(hù)。同時(shí)，由于加密后的數(shù)字內(nèi)容在公開信道的傳輸過(guò)程中，表現(xiàn)形式是沒(méi)有任何意義的亂碼或噪聲，這很容易引起非法攻擊者的注意和興趣。因此，隨著計(jì)

3、算機(jī)性能的提高，通過(guò)不斷增加密鑰長(zhǎng)度來(lái)提高系統(tǒng)安全性的方法，是很難起到全面安全保障作用的。    信息隱藏1是集多學(xué)科理論和技術(shù)于一身的新興領(lǐng)域。與傳統(tǒng)加密技術(shù)不同，信息隱藏技術(shù)利用人類感官對(duì)數(shù)字信號(hào)的感覺(jué)冗余，將秘密信息隱藏在具有明確意義的公開載體（音頻、視頻及圖像等）中，不但隱藏了秘密信息的內(nèi)容而且隱藏了秘密信息的存在，因此攻擊者無(wú)法直觀地判斷載體中是否含有秘密信息，也無(wú)法提取或去除所隱藏的秘密信息。    2 信息隱藏系統(tǒng)模型與分類圖1 信息隱藏系統(tǒng)模型示意圖  

4、60; 信息隱藏系統(tǒng)模型如圖1所示， 待隱藏的秘密信息為S，載體為C，為了增加系統(tǒng)安全性，在隱藏之前需要對(duì)S進(jìn)行預(yù)處理（如糾錯(cuò)置亂等）；結(jié)合密鑰KEY，通過(guò)給定的隱藏算法把秘密信息嵌入到載體C中。含密的載體在公開的信道進(jìn)行傳輸，在接收端可以通過(guò)密鑰KEY和提取算法將秘密信息S提取出來(lái)。由于在接收端需要密鑰才能有效地提取出秘密信息，因此在密鑰未知的條件下，攻擊者很難從含密載體中提取或移除，甚至發(fā)現(xiàn)秘密信息。    近年來(lái)許多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者提出了不同的信息隱藏算法，根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域可分類2如圖2所圖2 信息隱藏技術(shù)分類

5、0;    上圖中隱秘信道和隱寫術(shù)用于保護(hù)秘密信息本身，而匿名技術(shù)和數(shù)字水印技術(shù)則是保護(hù)隱秘載體。另外，按載體類型的不同，可以分為文本、圖像、視頻和音頻等信息隱藏技術(shù)。從目前的研究來(lái)看，關(guān)于如何在文本、圖像和視頻媒體內(nèi)容中隱藏信息的研究很多，但針對(duì)音頻信號(hào)的隱藏技術(shù)的研究相對(duì)較少，隨著信息安全領(lǐng)域的不斷深化，以音頻作為載體的信息隱藏技術(shù)的研究必將成為倍受關(guān)注的新熱點(diǎn)。    3音頻信息隱藏技術(shù)    由于人耳聽覺(jué)系統(tǒng)（HAS）較之視覺(jué)系統(tǒng)（HVS）具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍和較高的靈

6、敏度，因此相對(duì)于圖像和視頻的信息隱藏而言，音頻載體的信息隱藏技術(shù)更具有挑戰(zhàn)性。目前主要的音頻信息隱藏技術(shù)分為時(shí)域和變換域音頻信息隱藏方法兩類。   （1）經(jīng)典時(shí)域音頻信息隱藏技術(shù)    到目前為止，公認(rèn)比較成熟的時(shí)域音頻信息隱藏技術(shù)有四種3：最不重要位法、回聲隱藏法、相位編碼法、擴(kuò)頻法。    最不重要位（LSB）的隱藏算法是最早應(yīng)用于音頻信息隱藏領(lǐng)域的算法。它的基本思想是用秘密數(shù)據(jù)替換原始音頻信號(hào)采樣值的最低幾個(gè)比特位，達(dá)到隱藏的目的。LSB算法具有計(jì)算復(fù)雜度低、可實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)及通用性等

7、優(yōu)點(diǎn)，但其抵抗攻擊的能力較弱。    回聲隱藏法是通過(guò)引入回聲來(lái)將秘密信息嵌入到載體中。與其他方法不同，回聲隱藏法對(duì)載體音頻信號(hào)的改變，考慮的是環(huán)境條件而不是隨機(jī)噪聲的特性，因而具有較強(qiáng)的抵抗主動(dòng)攻擊的能力。但信道噪聲、任何形式的篡改都會(huì)直接影響算法的正確提取率。    而相位編碼則是利用HAS對(duì)人耳對(duì)絕對(duì)相位的不敏感性及對(duì)相對(duì)相位的敏感性，將代表秘密信息的參考相位替換原始音頻段的絕對(duì)相位，并對(duì)其他音頻段進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以保持各段之間的相對(duì)相位不變。    擴(kuò)頻法的基本思想是利

8、用擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)將秘密信息擴(kuò)展到整個(gè)可聽頻譜范圍內(nèi)，再將擴(kuò)頻后的秘密信息疊加到原始的音頻信號(hào)中完成隱藏。   （2）變換域音頻信息隱藏技術(shù)    基于變換域的信息隱藏技術(shù)往往采用類似于擴(kuò)頻技術(shù)來(lái)隱藏秘密信息。這類技術(shù)一般基于常用的音頻變換，這些變換包括傅氏變換（DFT或FFT）、離散余弦變換(DCT)、離散小波變換（DWT）等等。    變換域信息隱藏技術(shù)的基本思想是對(duì)載體信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的變換后，通過(guò)修改變換系數(shù)實(shí)現(xiàn)秘密信息的嵌入，優(yōu)點(diǎn)是秘密信息的能量可以分布到時(shí)域的所有位置，可以結(jié)合HA

9、S的掩蔽特性隱藏信息。與時(shí)域隱藏算法相比，缺點(diǎn)是計(jì)算復(fù)雜度較高。目前變換域隱藏算法主要集中在DFT、DCT域中進(jìn)行。最近研究發(fā)現(xiàn)，小波域隱藏算法具有良好的魯棒性，在經(jīng)過(guò)加噪、濾波、重采樣和有損壓縮等處理和攻擊后仍能保持很高的可靠性，因此小波域音頻信息隱藏算法的研究是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。    4 基于音頻點(diǎn)播的信息隱藏系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)    隨著多媒體和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，音頻點(diǎn)播（AOD）技術(shù)也日益成熟并被廣泛應(yīng)用。我們利用音頻信息隱藏技術(shù)，在保證音頻作品感知質(zhì)量的前提下，將秘密信息隱藏到公開音頻作品中，通過(guò)建

10、立網(wǎng)絡(luò)音頻點(diǎn)播平臺(tái)發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，從而實(shí)現(xiàn)具有更高隱秘性和安全性的保密通信模式。圖3 音頻點(diǎn)播系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖    本系統(tǒng)為客戶/服務(wù)器（C/S）架構(gòu)（如圖3所示）。服務(wù)器端主要完成：保密語(yǔ)音預(yù)處理及其隱藏，并向點(diǎn)播客戶端提供一個(gè)可供點(diǎn)播的節(jié)目列表，并及時(shí)準(zhǔn)確地響應(yīng)客戶端請(qǐng)求，控制音頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。客戶端首先需要與服務(wù)端進(jìn)行有效的網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)時(shí)接收來(lái)自服務(wù)器的音頻數(shù)據(jù)流，并能通過(guò)相應(yīng)的提取算法恢復(fù)保密語(yǔ)音。就客戶端而言，普通用戶，可以正常點(diǎn)播音頻作品，保密語(yǔ)音對(duì)于該類用戶是不可感知的；對(duì)于擁有密鑰的合法用戶，除了能夠正常點(diǎn)播音頻作品之外，還可以選擇

11、性地回放隱藏在音頻作品中的保密語(yǔ)音。    在保密語(yǔ)音預(yù)處理階段，首先采用ITU-T 8kbps G.729A4語(yǔ)音編碼算法對(duì)保密語(yǔ)音進(jìn)行壓縮，以提高隱藏容量。同時(shí)為了提高系統(tǒng)安全性，通過(guò)密鑰和偽隨機(jī)序列來(lái)選擇最終的隱藏位置。最后引入重復(fù)編碼分散傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的錯(cuò)誤比特位。針對(duì)點(diǎn)播系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，隱藏算法選擇了計(jì)算復(fù)雜度低、隱藏容量大的時(shí)域LSB算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)載體音頻采用44.1KHz、16比特量化的wav音頻時(shí)，替換音頻采樣值的最低4個(gè)LSB位時(shí)，仍然可以保證較高音頻感知質(zhì)量。    

12、;在Windows 2000/XP平臺(tái)上，采用VC+編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)播服務(wù)器節(jié)目列表管理、保密語(yǔ)音混合編碼、信息隱藏及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議等功能，并利用DirectShow SDK5開發(fā)了基于PC的點(diǎn)播客戶端（圖4所示），利用ARM-Linux6技術(shù)開發(fā)了基于嵌入式平臺(tái)的點(diǎn)播客戶端。（a）（b）    圖4 網(wǎng)絡(luò)音頻點(diǎn)播信息隱藏平臺(tái)服務(wù)器（a）和客戶端（b）界面    圖5為原始保密語(yǔ)音及最終在客戶端恢復(fù)解碼后的保密語(yǔ)音波形圖。（a）（b）    圖5&

13、#160;保密語(yǔ)音波形（a）預(yù)處理前和（b）恢復(fù)后    5 小結(jié)    本文首先給出了信息隱藏模型和分類，并著重介紹了音頻信息隱藏技術(shù)的基本思想及其局限性。最后結(jié)合G.729A語(yǔ)音壓縮編碼算法的特點(diǎn)，利用基于時(shí)域LSB的保密語(yǔ)音嵌入和提取算法，實(shí)現(xiàn)了基于該算法的網(wǎng)絡(luò)音頻點(diǎn)播信息隱藏系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該系統(tǒng)具有較滿意的隱藏效果，且恢復(fù)的保密語(yǔ)音質(zhì)量良好。    參考文獻(xiàn)    1王育民, 張彤, 黃繼武.

14、 信息隱藏?理論與技術(shù)M. 北京：清華大學(xué)出版社，2006.    2Fabien A.P.Petitcolas, Ross J. Anderson and Markus G.Kuhn. Information Hiding?A Survey. Proceedings of the IEE E, special issue on protection

15、0;of multimedia content, July 1999:1062-1078.    3Bender W, Gruhl D, Morimoto N. Techniques for data hiding J. IBM System Journal, 1996, 35(3/4): 131-336.    4ITU-T Recommendation G.729 Annex A: Reduced complexity&