一种基于音频采样点倒置的信息隐藏算法

一种基于音频采样点倒置的信息隐藏算法

0信息嵌入算法设计信息隐藏技术是研究将秘密信息隐藏在公开信息中，并通过公开信息传递秘密信息的技术。因为含有秘密信息的媒体是公开的,并且该媒体和原始媒体具有很高的相似性,使得可能的检测者难以判断该公开信息是否含有秘密信息,更难以截获秘密信息,从而达到了保证秘密信息安全传递的目的。由于人耳听觉灵敏度非常高,音频信息隐藏算法设计比图象信息隐藏算法困难。以音频为载体的信息隐藏算法基本可以分为两类:时域算法和变换域算法。时域算法的主要代表有LSB算法,回声隐藏,其算法比较简单,但是鲁棒性差,当然也有一些算法鲁棒性很好,如时域能量算法等;变换域算法如在DFT,DCT,DWT等变换域中,通过改变变换域的系数嵌入秘密信息,具有较好的鲁棒性。为了达到隐蔽性要求,音频信息隐藏算法一般利用人耳对音频的某些特征的改变不敏感的特性来设计的。文献利用声音的后向掩蔽效应,通过加入不同时延的回声嵌入秘密信息。文献利用人耳对音频样本整体幅度的改变感觉不敏感的特性,通过改变三段音频样本整体幅度大小的方法嵌入秘密信息。变换域算法则是根据人耳的听觉掩蔽模型(HAS),选择对人耳听觉不敏感的系数或者频带嵌入秘密信息。文献是根据人耳对小波高频系数不敏感的特性,在小波高频系数中嵌入秘密信息的。分析这些算法看到,算法设计的关键是要找到人耳听觉的某些不敏感特性,然后充分利用这些特性来嵌入秘密信息,使鲁棒性和隐蔽性达到一个好的平衡。文中利用人耳对倒置音频采样点不敏感的特性进行算法设计。实验结果表明,该算法具有很好的隐蔽性,能够抵抗低通滤波、重采样、GSM编码、Mp3解压缩等的攻击,具有良好的鲁棒性。1例值变化对比首先,定义音频比例值概念。音频比例值定义为一段时间内幅度值为正的音频采样点在该段时间总采样点中所占比例。通过大量实验研究可以发现,音频在经过一些常见的信号处理后,音频比例值变化不大,具有良好的鲁棒性。利用一段长度为16秒的语音作为实验对象,将该段语音进行分段,每段800个采样点,然后统计各段的比例值。对该段语音进行低通滤波、加噪、重采样、Mp3解压缩等处理,统计经过信号处理后的比例值。实验结果表明,音频信号在经过了这些信号处理后,比例值变化较小。图1是该段语音信号进行低通滤波处理后比例值变化的比较图,由图(b)可以看出,比例值变化的绝对值在0.04以内,与原始音频每段的比例值相比变化很小。文中利用音频比例值具有良好鲁棒性的性质进行算法设计,算法达到了很好的鲁棒性。2音频的倒置安排根据人耳的听觉特性,如果将某一段时间内的音频进行倒置,人耳不能感知出该段时间音频的变化。利用人耳这个特性以及比例值的良好鲁棒性,设计了如下算法。2.1基于同步方案设计的秘密信息提取假设原始音频信号为x(n),n=0,1,…,L-1。其中L表示原始音频的总采样点数,x(n)表示原始音频第n个采样点的幅值。待嵌入的秘密信息为二进制伪随机序列,记为W={m(k)k=1,2,…,M},其中m(k)∈{0,1},表示序列的第k个值。由于在某些信号处理(如Mp3压缩)中会出现音频采样点增减的情况,因此有必要引入同步机制确保秘密信息的正确提取。同步方案设计是根据文献的算法,其思想是利用嵌入秘密信息的起始位置之前的若干个点,在小波域嵌入一段伪随机序列,提取秘密信息时首先用相关检测找到秘密信息嵌入的起始位置,然后再提取秘密信息。具体步骤如下。(1)利用秘密信息嵌入的起始位置之前的前L1个点,用文献的算法将L1个点进行小波变换,用扩频的方法在小波域嵌入长度为L2的伪随机序列。(2)从选定的嵌入起始点开始,将剩余的要嵌入秘密信息的载体音频序列进行分段,每段长度为N,第k段音频记为Xk=[Xk(1),Xk(2),…,Xk(N)]。分别统计各段音频的比例值,第k段比例值记为S(k)。(3)由于秘密信息的嵌入是通过倒置的方法,因此会产生一定的段效应。为了消除段效应,对每个音频段进行加窗处理。设计的窗函数为其中时,段效应消除效果较好,⎣⋅⎦表示向下取整。(4)根据式(2)修改原始音频来完成秘密信息嵌入,由式(2)可以看到秘密信息的嵌入是通过倒置音频来改变比例值的大小完成的。(5)按照以上规则将所有秘密信息嵌入到原始音频,得到含密音频。2.2秘密信息嵌入位置的确定秘密信息的提取不需要原始音频,属于盲提取算法,步骤如下。(1)利用文献的算法寻找到嵌入的伪随机序列,确定秘密信息嵌入的起始位置。(2)从起始位置开始按照每段N个采样点将含密音频进行分段,计算每段音频的比例值,如果该段比例值大于0.5,则提取出比特‘1’,否则,提取的比特为‘0’。(3)将从各个分段中提取出来的秘密信息按顺序进行合并,得到完整的秘密信息。3隐蔽性测试实验实验中,以长度为16秒、抽样速率为8kHz、16位量化的语音和长度为10秒、抽样速率为44.1kHz、16位量化的音乐为公开信息,分别在语音和音乐中嵌入秘密信息。嵌入时,分段长度分别取N=799和N=2999。之所以取分段长度为奇数,是为了避免比例值等于0.5的情况,减小发生误判的概率。分段的长度也影响算法的隐蔽性,分段长度越长,隐蔽性越好。由此可以计算隐藏容量分别为10bit/s和14.7bit/s。在隐蔽性测试中,含密音频信号听起来几乎和原始音频没有差别,具有良好的隐蔽性。图2是原始音乐与含有秘密信息的音乐时域波形图。为了检验算法的鲁棒性,对含密语音和音乐做以下攻击:1)低通滤波,截止频率1.5KHz;2)高斯白噪声,均值为0,均方差为0.01;3)回响,原始信号延时时间为400ms,延时信号幅度为原始信号10%;4)重采样,将语音和音乐分别用6kHz、22.05kHz重采样,再分别用8kHz、44.1kHz重采样恢复原始音频;5)Mp3压缩,将含密语音压缩为码流为8Kbps的Mp3格式,再进行解压缩恢复语音;将含密音乐进行Mp3压缩,然后解压缩恢复;6)GSM压缩编码,利用windows自带录音机对含密语音进行GSM编码,然后再解码恢复语音。分别计算各种攻击下提取秘密信息的误码率,并与文献算法进行比较,结果如表1。从实验结果看,文中提出的算法,与文献相比,在抵抗低通滤波、噪声、Mp3压缩方面鲁棒性更强。另外文中算法在抵抗回声、重采样、语音GSM压缩编码等攻击方面,也具有良好的鲁棒性。实验结果还显示,发生误码的原因主要是由于某些段的比例值非常接近0.5。因此在遭受一定攻击以后,尽管比例值变化量不大,但是却超出了提取秘密信息时设定的门限值,造成了秘密信息的错误提取。4算法的效果实验文章