一種基于音頻采樣點(diǎn)倒置的信息隱藏算法

一種基于音頻采樣點(diǎn)倒置的信息隱藏算法

0信息嵌入算法設(shè)計(jì)信息隱藏技術(shù)是研究將秘密信息隱藏在公開(kāi)信息中，并通過(guò)公開(kāi)信息傳遞秘密信息的技術(shù)。因?yàn)楹忻孛苄畔⒌拿襟w是公開(kāi)的,并且該媒體和原始媒體具有很高的相似性,使得可能的檢測(cè)者難以判斷該公開(kāi)信息是否含有秘密信息,更難以截獲秘密信息,從而達(dá)到了保證秘密信息安全傳遞的目的。由于人耳聽(tīng)覺(jué)靈敏度非常高,音頻信息隱藏算法設(shè)計(jì)比圖象信息隱藏算法困難。以音頻為載體的信息隱藏算法基本可以分為兩類:時(shí)域算法和變換域算法。時(shí)域算法的主要代表有LSB算法,回聲隱藏,其算法比較簡(jiǎn)單,但是魯棒性差,當(dāng)然也有一些算法魯棒性很好,如時(shí)域能量算法等;變換域算法如在DFT,DCT,DWT等變換域中,通過(guò)改變變換域的系數(shù)嵌入秘密信息,具有較好的魯棒性。為了達(dá)到隱蔽性要求,音頻信息隱藏算法一般利用人耳對(duì)音頻的某些特征的改變不敏感的特性來(lái)設(shè)計(jì)的。文獻(xiàn)利用聲音的后向掩蔽效應(yīng),通過(guò)加入不同時(shí)延的回聲嵌入秘密信息。文獻(xiàn)利用人耳對(duì)音頻樣本整體幅度的改變感覺(jué)不敏感的特性,通過(guò)改變?nèi)我纛l樣本整體幅度大小的方法嵌入秘密信息。變換域算法則是根據(jù)人耳的聽(tīng)覺(jué)掩蔽模型(HAS),選擇對(duì)人耳聽(tīng)覺(jué)不敏感的系數(shù)或者頻帶嵌入秘密信息。文獻(xiàn)是根據(jù)人耳對(duì)小波高頻系數(shù)不敏感的特性,在小波高頻系數(shù)中嵌入秘密信息的。分析這些算法看到,算法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要找到人耳聽(tīng)覺(jué)的某些不敏感特性,然后充分利用這些特性來(lái)嵌入秘密信息,使魯棒性和隱蔽性達(dá)到一個(gè)好的平衡。文中利用人耳對(duì)倒置音頻采樣點(diǎn)不敏感的特性進(jìn)行算法設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該算法具有很好的隱蔽性,能夠抵抗低通濾波、重采樣、GSM編碼、Mp3解壓縮等的攻擊,具有良好的魯棒性。1例值變化對(duì)比首先,定義音頻比例值概念。音頻比例值定義為一段時(shí)間內(nèi)幅度值為正的音頻采樣點(diǎn)在該段時(shí)間總采樣點(diǎn)中所占比例。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究可以發(fā)現(xiàn),音頻在經(jīng)過(guò)一些常見(jiàn)的信號(hào)處理后,音頻比例值變化不大,具有良好的魯棒性。利用一段長(zhǎng)度為16秒的語(yǔ)音作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,將該段語(yǔ)音進(jìn)行分段,每段800個(gè)采樣點(diǎn),然后統(tǒng)計(jì)各段的比例值。對(duì)該段語(yǔ)音進(jìn)行低通濾波、加噪、重采樣、Mp3解壓縮等處理,統(tǒng)計(jì)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后的比例值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,音頻信號(hào)在經(jīng)過(guò)了這些信號(hào)處理后,比例值變化較小。圖1是該段語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理后比例值變化的比較圖,由圖(b)可以看出,比例值變化的絕對(duì)值在0.04以內(nèi),與原始音頻每段的比例值相比變化很小。文中利用音頻比例值具有良好魯棒性的性質(zhì)進(jìn)行算法設(shè)計(jì),算法達(dá)到了很好的魯棒性。2音頻的倒置安排根據(jù)人耳的聽(tīng)覺(jué)特性,如果將某一段時(shí)間內(nèi)的音頻進(jìn)行倒置,人耳不能感知出該段時(shí)間音頻的變化。利用人耳這個(gè)特性以及比例值的良好魯棒性,設(shè)計(jì)了如下算法。2.1基于同步方案設(shè)計(jì)的秘密信息提取假設(shè)原始音頻信號(hào)為x(n),n=0,1,…,L-1。其中L表示原始音頻的總采樣點(diǎn)數(shù),x(n)表示原始音頻第n個(gè)采樣點(diǎn)的幅值。待嵌入的秘密信息為二進(jìn)制偽隨機(jī)序列,記為W={m(k)k=1,2,…,M},其中m(k)∈{0,1},表示序列的第k個(gè)值。由于在某些信號(hào)處理(如Mp3壓縮)中會(huì)出現(xiàn)音頻采樣點(diǎn)增減的情況,因此有必要引入同步機(jī)制確保秘密信息的正確提取。同步方案設(shè)計(jì)是根據(jù)文獻(xiàn)的算法,其思想是利用嵌入秘密信息的起始位置之前的若干個(gè)點(diǎn),在小波域嵌入一段偽隨機(jī)序列,提取秘密信息時(shí)首先用相關(guān)檢測(cè)找到秘密信息嵌入的起始位置,然后再提取秘密信息。具體步驟如下。(1)利用秘密信息嵌入的起始位置之前的前L1個(gè)點(diǎn),用文獻(xiàn)的算法將L1個(gè)點(diǎn)進(jìn)行小波變換,用擴(kuò)頻的方法在小波域嵌入長(zhǎng)度為L(zhǎng)2的偽隨機(jī)序列。(2)從選定的嵌入起始點(diǎn)開(kāi)始,將剩余的要嵌入秘密信息的載體音頻序列進(jìn)行分段,每段長(zhǎng)度為N,第k段音頻記為Xk=[Xk(1),Xk(2),…,Xk(N)]。分別統(tǒng)計(jì)各段音頻的比例值,第k段比例值記為S(k)。(3)由于秘密信息的嵌入是通過(guò)倒置的方法,因此會(huì)產(chǎn)生一定的段效應(yīng)。為了消除段效應(yīng),對(duì)每個(gè)音頻段進(jìn)行加窗處理。設(shè)計(jì)的窗函數(shù)為其中時(shí),段效應(yīng)消除效果較好,???表示向下取整。(4)根據(jù)式(2)修改原始音頻來(lái)完成秘密信息嵌入,由式(2)可以看到秘密信息的嵌入是通過(guò)倒置音頻來(lái)改變比例值的大小完成的。(5)按照以上規(guī)則將所有秘密信息嵌入到原始音頻,得到含密音頻。2.2秘密信息嵌入位置的確定秘密信息的提取不需要原始音頻,屬于盲提取算法,步驟如下。(1)利用文獻(xiàn)的算法尋找到嵌入的偽隨機(jī)序列,確定秘密信息嵌入的起始位置。(2)從起始位置開(kāi)始按照每段N個(gè)采樣點(diǎn)將含密音頻進(jìn)行分段,計(jì)算每段音頻的比例值,如果該段比例值大于0.5,則提取出比特‘1’,否則,提取的比特為‘0’。(3)將從各個(gè)分段中提取出來(lái)的秘密信息按順序進(jìn)行合并,得到完整的秘密信息。3隱蔽性測(cè)試實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中,以長(zhǎng)度為16秒、抽樣速率為8kHz、16位量化的語(yǔ)音和長(zhǎng)度為10秒、抽樣速率為44.1kHz、16位量化的音樂(lè)為公開(kāi)信息,分別在語(yǔ)音和音樂(lè)中嵌入秘密信息。嵌入時(shí),分段長(zhǎng)度分別取N=799和N=2999。之所以取分段長(zhǎng)度為奇數(shù),是為了避免比例值等于0.5的情況,減小發(fā)生誤判的概率。分段的長(zhǎng)度也影響算法的隱蔽性,分段長(zhǎng)度越長(zhǎng),隱蔽性越好。由此可以計(jì)算隱藏容量分別為10bit/s和14.7bit/s。在隱蔽性測(cè)試中,含密音頻信號(hào)聽(tīng)起來(lái)幾乎和原始音頻沒(méi)有差別,具有良好的隱蔽性。圖2是原始音樂(lè)與含有秘密信息的音樂(lè)時(shí)域波形圖。為了檢驗(yàn)算法的魯棒性,對(duì)含密語(yǔ)音和音樂(lè)做以下攻擊:1)低通濾波,截止頻率1.5KHz;2)高斯白噪聲,均值為0,均方差為0.01;3)回響,原始信號(hào)延時(shí)時(shí)間為400ms,延時(shí)信號(hào)幅度為原始信號(hào)10%;4)重采樣,將語(yǔ)音和音樂(lè)分別用6kHz、22.05kHz重采樣,再分別用8kHz、44.1kHz重采樣恢復(fù)原始音頻;5)Mp3壓縮,將含密語(yǔ)音壓縮為碼流為8Kbps的Mp3格式,再進(jìn)行解壓縮恢復(fù)語(yǔ)音;將含密音樂(lè)進(jìn)行Mp3壓縮,然后解壓縮恢復(fù);6)GSM壓縮編碼,利用windows自帶錄音機(jī)對(duì)含密語(yǔ)音進(jìn)行GSM編碼,然后再解碼恢復(fù)語(yǔ)音。分別計(jì)算各種攻擊下提取秘密信息的誤碼率,并與文獻(xiàn)算法進(jìn)行比較,結(jié)果如表1。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,文中提出的算法,與文獻(xiàn)相比,在抵抗低通濾波、噪聲、Mp3壓縮方面魯棒性更強(qiáng)。另外文中算法在抵抗回聲、重采樣、語(yǔ)音GSM壓縮編碼等攻擊方面,也具有良好的魯棒性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示,發(fā)生誤碼的原因主要是由于某些段的比例值非常接近0.5。因此在遭受一定攻擊以后,盡管比例值變化量不大,但是卻超出了提取秘密信息時(shí)設(shè)定的門限值,造成了秘密信息的錯(cuò)誤提取。4算法的效果實(shí)驗(yàn)文章