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摘 要： 摘 要：針對(duì)音頻載體在隱藏機(jī)密信息時(shí)，存在隱藏容量
摘 要：針對(duì)音頻載體在隱藏機(jī)密信息時(shí)，存在隱藏容量小、隱蔽性不高和魯棒性較差等不足，該文提出一種基于小波變換的音頻信息隱藏新算法。該算法利用人耳聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的中高頻信息微小變化不敏感的特性，調(diào)節(jié)語(yǔ)音段小波變換的中高頻系數(shù)，進(jìn)而改變每級(jí)小波變換高頻系數(shù)前后兩部分的能量狀態(tài)來(lái)隱藏二進(jìn)制機(jī)密信息。首先測(cè)試隱藏深度、隱藏頻段和載體語(yǔ)音分段長(zhǎng)度 3 個(gè)參數(shù)對(duì)載體語(yǔ)音質(zhì)量和機(jī)密信息誤碼率的影響，選擇算法所需的最佳參數(shù)，然后測(cè)試算法的可行性和各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，最后對(duì)算法進(jìn)行常見(jiàn)的 5 種攻擊測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明該算法能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)密信息的盲提取;具有良好的隱蔽性和魯棒性，能夠抵御加噪、低通濾波、重采樣、重量化和回聲干擾等多種攻擊;具有較大的隱藏容量，且語(yǔ)音分段長(zhǎng)度越短，隱藏容量越大。
關(guān)鍵詞：信息隱藏;小波變換;高頻系數(shù);能量狀態(tài)
1 引言
信息隱藏技術(shù)是指將特定的信息嵌入到數(shù)字化的載體信息中，在隱藏信息內(nèi)容的同時(shí)也隱蔽信息傳播這一行為，以保證密文不引起監(jiān)控者的注意從而減少被攻擊的可能性[1]，其核心技術(shù)是信息隱藏與提取算法。與加密技術(shù)相比，信息隱藏技術(shù)是隱藏信息的存在性，讓攻擊者無(wú)法發(fā)現(xiàn)，因此信息隱藏更為安全[2,3]。信息隱藏技術(shù)常以語(yǔ)音、文字或圖像等媒體類(lèi)型作為宿主載體。由于圖像媒體具有較大的冗余空間，人們常使用圖像作為隱藏機(jī)密信息的載體，如文獻(xiàn)[4]提出一種基于分塊自適應(yīng)壓縮感知的可逆水印算法，文獻(xiàn)[5]提出一種魯棒可分離的密文域水印算法。語(yǔ)音是人們最常使用的信息傳輸方式，是通信系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)傳輸中最主要的業(yè)務(wù)類(lèi)型，因此研究基于語(yǔ)音的信息隱藏技術(shù)在保密通信、軍事情報(bào)、版權(quán)標(biāo)記和隱私保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值[6,7]。但是由于語(yǔ)音信號(hào)冗余信息較少，且語(yǔ)音傳輸信道較為復(fù)雜，因此國(guó)內(nèi)外針對(duì)以語(yǔ)音信號(hào)為載體的信息隱藏方法研究還較少[8]。
隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)音通信的快速發(fā)展，近年來(lái)更多的國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家專(zhuān)注于語(yǔ)音信息隱藏方法的研究，出現(xiàn)了較多的理論和文獻(xiàn)。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于振幅值修改的音頻隱寫(xiě)算法，隱蔽性較好。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于多小波域的水印算法。文獻(xiàn)[11]利用人耳對(duì)音頻的采樣倒置不敏感的特性，通過(guò)倒置小波系數(shù)正負(fù)極性隱藏機(jī)密信息。文獻(xiàn)[12,13]提出基于離散余弦變換的語(yǔ)音信息隱藏方法。文獻(xiàn)[14]提出基于奇異值分解的音頻信息隱藏方法取得了較好的隱藏效果。通過(guò)對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外音頻信息隱藏方法分析發(fā)現(xiàn)，音頻信息隱藏方法主要有空間域隱藏和變換域隱藏兩大類(lèi)[15]，其中變換域方法由于具有很好的透明性和魯棒性獲得了更多的應(yīng)用[16]，但目前大多數(shù)變換域方法還存在一些不足，如算法復(fù)雜度高或僅在隱藏容量、隱蔽性和魯棒性 3 項(xiàng)指標(biāo)間獲得某一項(xiàng)指標(biāo)的突破，當(dāng) 3 項(xiàng)指標(biāo)要求發(fā)生變化時(shí)往往無(wú)法通過(guò)調(diào)整算法參數(shù)來(lái)兼顧三者平衡。
本文提出一種基于小波變換的語(yǔ)音信息隱藏的新方法，該方法首先對(duì)載體語(yǔ)音進(jìn)行低通濾波，然后進(jìn)行多級(jí)小波變換，利用人耳對(duì)中高頻信息微小變化的不敏感，通過(guò)比較各級(jí)小波高頻系數(shù)的能量來(lái)隱藏機(jī)密信息。首先測(cè)試在不同隱藏深度、不同隱藏頻段和載體語(yǔ)音不同分段長(zhǎng)度的情況下載體語(yǔ)音質(zhì)量和機(jī)密信息誤碼率，選擇算法所需的合適參數(shù)，然后測(cè)試算法的可行性和各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，最后對(duì)算法進(jìn)行常見(jiàn)的 5 種攻擊測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該方法簡(jiǎn)單易行，可實(shí)現(xiàn)盲檢測(cè)，具有較大的隱藏容量、良好的隱蔽性和較強(qiáng)的魯棒性，能夠抵御加噪、低通濾波、重采樣、重量化和回聲干擾等多種攻擊。此外，在實(shí)際應(yīng)用中可調(diào)整算法參數(shù)平衡隱藏容量、隱蔽性和魯棒性 3 項(xiàng)指標(biāo)要求。
2 信息隱藏與提取算法原理及參數(shù)選擇
2.1 信息隱藏原理
人耳所能捕獲到的語(yǔ)音信號(hào)頻率主要分布在 300~3400 Hz 的頻段范圍內(nèi)，低于 300 Hz 的低頻信號(hào)和超出 3400 Hz 以上的高頻信號(hào)人耳往往難以捕捉。利用人耳聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)對(duì)語(yǔ)音中高頻能量的微小變化不敏感這一特點(diǎn)可以將機(jī)密信息隱藏到載體音頻信號(hào)中。把語(yǔ)音信號(hào)按一定時(shí)長(zhǎng)分段后，對(duì)每一段語(yǔ)音進(jìn)行 r 級(jí)小波分解得到高頻段、中高頻段、中低頻段和低頻段等多個(gè)小波系數(shù)。把每一頻段的小波系數(shù)分為前后兩部分，按式(1)和式(2)計(jì)算前后兩部分的能量，根據(jù)機(jī)密信息的二進(jìn)制值按式(3)、式 (4)和式(5)調(diào)整各級(jí)小波系數(shù)，得到嵌入機(jī)密信息后的系數(shù)。
2.2 信息提取原理
提取機(jī)密信息時(shí)，首先對(duì)攜密語(yǔ)音按相同的時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行分段，然后對(duì)每一語(yǔ)音段進(jìn)行 r 級(jí)小波分解，按式(1)和式(2)計(jì)算各段語(yǔ)音每一級(jí)高頻段系數(shù) ( ) ' H s k 前后兩部分的能量 EQ' k 和 EH' k ( k = 1,2, , r )。最后按式(6)提取各級(jí)小波高頻系數(shù)中嵌入的二進(jìn)制機(jī)密信息。
2.4.1 信息隱藏頻段選擇 語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò) r 級(jí)小波分解后產(chǎn)生各個(gè)頻段下的小波系數(shù)，修改任一級(jí)小波系數(shù)對(duì)語(yǔ)音質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。
圖1所示為經(jīng)過(guò)3級(jí)小波(小波庫(kù)為db1)分解后， 4個(gè)小波系數(shù)在不同嵌入深度lk 下分別嵌入信息后載體語(yǔ)音SNR曲線對(duì)比圖(語(yǔ)音分段長(zhǎng)度為20 ms)。圖2所示為在不同嵌入深度lk 下，從4個(gè)小波系數(shù)上提取的機(jī)密信息的誤碼率曲線對(duì)比圖(40 dB噪聲攻擊)。圖1和圖2顯示，小波系數(shù)的頻段越高，載體語(yǔ)音質(zhì)量下降越少，機(jī)密信息隱蔽性越好，但提取的機(jī)密信息誤碼率也越大;頻段很低的系數(shù)嵌入機(jī)密信息后載體語(yǔ)音質(zhì)量受損嚴(yán)重，但其系數(shù)上提取的機(jī)密信息誤碼率幾乎為零�？梢�(jiàn)，載體語(yǔ)音質(zhì)量和機(jī)密信息提取誤碼率是一對(duì)矛盾，在最高頻和最低頻系數(shù)上隱藏信息都是不合適的，可選擇在中高頻和中低頻兩個(gè)系數(shù)上嵌入機(jī)密信息。
2.4.2 載體語(yǔ)音分段長(zhǎng)度的選擇把載體語(yǔ)音分為 10 ms, 20 ms, 30 ms 3 種不同長(zhǎng)度的語(yǔ)音段，按 2.1 節(jié)所述方法在第 2 級(jí)高頻系數(shù)上嵌入機(jī)密信息，測(cè)試語(yǔ)音分段長(zhǎng)度對(duì)攜密載體語(yǔ)音質(zhì)量和機(jī)密信息誤碼率的影響。
圖3 為不同語(yǔ)音分段長(zhǎng)度下載體語(yǔ)音SNR 對(duì)比圖。圖 4 為不同語(yǔ)音分段長(zhǎng)度下提取的機(jī)密信息 BER 對(duì)比圖(由于在 40 dB 以上的噪聲攻擊下算法的誤碼率為零，因此圖 4 結(jié)果是在 30 dB 噪聲攻擊下完成的)。圖 3 和圖 4 顯示，語(yǔ)音分段長(zhǎng)度越短，攜密載體語(yǔ)音質(zhì)量受損越小，提取機(jī)密信息的誤碼率越高。究其原因是因?yàn)檎Z(yǔ)音分段長(zhǎng)度越短，語(yǔ)音段前后兩部分能量越小，按式(3)修改的高頻系數(shù)變化越小，從而語(yǔ)音質(zhì)量變化越小，但在白噪聲攻擊下提取機(jī)密信息的誤碼率越高。此外，語(yǔ)音分段長(zhǎng)度越短，單位時(shí)間內(nèi)嵌入的機(jī)密信息比特?cái)?shù)越多，隱藏容量越大。
2.4.3 嵌入深度l 的選擇 圖 1 和圖 3 顯示，在嵌入深度lk 值為 1 時(shí)載體語(yǔ)音的信噪比最高，隨著lk 的逐漸增大，SNR 值變小，載體語(yǔ)音質(zhì)量變差。圖 2 和圖 4 顯示，隨著lk 的逐漸增大，提取的機(jī)密信息誤碼率變小。
以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，載體語(yǔ)音 SNR、機(jī)密信息 BER 和算法隱藏容量是一組矛盾，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體指標(biāo)要求選擇合適的信息隱藏頻段、嵌入深度和語(yǔ)音分段長(zhǎng)度。
3 基于小波變換的信息隱藏算法的實(shí)現(xiàn)
由 2.4 節(jié)參數(shù)選擇可見(jiàn)，選擇不同的信息隱藏頻段、載體語(yǔ)音分段長(zhǎng)度和嵌入深度對(duì)攜密語(yǔ)音的語(yǔ)音質(zhì)量、提取的機(jī)密信息的誤碼率以及算法隱藏容量都有不同程度的影響。根據(jù) 2.4 節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇以下參數(shù)測(cè)試算法的各項(xiàng)性能：(1)在經(jīng)過(guò) 3 級(jí)小波變換的中高頻和中低頻系數(shù)上隱藏機(jī)密信息; (2)中高頻系數(shù)的隱藏深度 2 l = 2 ，中低頻系數(shù)的隱藏深度 3 l = 1.5 ; (3)語(yǔ)音分段長(zhǎng)度為 20 ms; (4)載體語(yǔ)音：采樣頻率 16 kHz，量化位數(shù) 16 bit; (5)機(jī)密語(yǔ)音：采樣頻率 8 kHz，量化精度 8 bit。
3.1 信息隱藏算法步驟
(1)機(jī)密信息經(jīng)過(guò)加密和編碼形成長(zhǎng)度為L(zhǎng)的二進(jìn)制比特流 X xi i Lxi = << Ì { } ( ),0 , ( ) (0,1) ，將 X 分為奇偶兩組，每組二進(jìn)制串前各添加 2 組 8 bit 全 1 的信息嵌入開(kāi)始標(biāo)記，二進(jìn)制串后各添加 2 組 8 bit 全 0 的信息嵌入結(jié)束標(biāo)記;
(2)載體語(yǔ)音經(jīng)過(guò)低通濾波(通帶截止頻率 7 kHz，阻帶截止頻率 7.8 kHz，通帶衰減 3 dB，阻帶衰減 40 dB)后被分為 20 ms 長(zhǎng)度的語(yǔ)音段C = { ( ), c j 0 } < (5)按給定嵌入深度l2 和l3 ，根據(jù)式(3)、式(4) 式(5)將奇數(shù)組機(jī)密信息嵌入到 H2 系數(shù)中，偶數(shù)組機(jī)密信息嵌入到 H3系數(shù)中，獲取嵌入后的高頻系數(shù) 2 ' H 和 3 ' H ; (6)根據(jù)嵌入信息后的各級(jí)系數(shù)進(jìn)行小波逆變換，重構(gòu)載體語(yǔ)音C' 。
4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析
在無(wú)攻擊情況下按3.1節(jié)和3.2節(jié)所述步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。機(jī)密信息為一段時(shí)長(zhǎng) 674 ms 的語(yǔ)音“南京”，載體語(yǔ)音為錄制的涵蓋中文男聲、中文女聲、英文男聲和英文女聲共 4 種類(lèi)型的 20 條語(yǔ)音。
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4.1 算法隱蔽性與隱藏容量分析
在 20 條載體語(yǔ)音上隱藏機(jī)密信息，每條語(yǔ)音做 10 次測(cè)試，總共進(jìn)行 200 次測(cè)試。實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果取均值列于表 1 中。其中 SNR1為載體語(yǔ)音的信噪比、 PESQ1為載體語(yǔ)音客觀評(píng)分值，SNR2為提取的機(jī)密語(yǔ)音信噪比，PESQ2為載體語(yǔ)音客觀評(píng)分值，BER 為提取的機(jī)密語(yǔ)音誤碼率，Cap 為算法隱藏容量。由于算法在每個(gè)長(zhǎng)度為 20 ms 的語(yǔ)音段上隱藏 2 bit 機(jī)密信息，因此隱藏容量 Cap=2/20(bit/ms)=100 bit/s。表 1 結(jié)果顯示，載體語(yǔ)音具有較高的信噪比，且 PESQ 值在 3.8 以上，人耳基本感覺(jué)不到載體語(yǔ)音的細(xì)微變化，因此算法具有良好的隱蔽性和較高的隱藏容量。此外，不同語(yǔ)種的載體語(yǔ)音對(duì)語(yǔ)音質(zhì)量和誤碼率略有影響。
4.2 算法可行性測(cè)試與分析
圖 5 為某段載體語(yǔ)音嵌入機(jī)密信息前后的波形對(duì)比圖(截取部分波形)，由圖 5 以及表 1 中載體語(yǔ)音的 SNR1和 PESQ1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，載體語(yǔ)音波形圖和語(yǔ)音質(zhì)量未發(fā)生明顯變化，說(shuō)明算法具有較好的隱蔽性。圖 6 為機(jī)密信息提取前后的波形對(duì)比圖，由圖 6 及表 1 中機(jī)密信息的 SNR2, PESQ2和 BER 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，機(jī)密信息波形未發(fā)生明顯變化，且提取的 BER 值非常小，即算法能夠在保證載體語(yǔ)音質(zhì)量的條件下隱藏機(jī)密信息。
4.3 算法魯棒性測(cè)試與分析
信息隱藏算法的魯棒性是評(píng)價(jià)算法性能的重要指標(biāo)，把原始載體語(yǔ)音和攜密載體語(yǔ)音同步進(jìn)行以下常見(jiàn)的 5 種攻擊測(cè)試，從被攻擊后的原始語(yǔ)音信噪比 SNR、攜密語(yǔ)音信噪比 SNR1、機(jī)密語(yǔ)音信噪比 SNR2、原始語(yǔ)音質(zhì)量 PESQ、攜密語(yǔ)音質(zhì)量 PESQ1、機(jī)密語(yǔ)音質(zhì)量 PESQ2以及提取的機(jī)密信息誤碼率 BER 等指標(biāo)評(píng)價(jià)算法的魯棒性，各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果的平均值列入表 2。
(1)白噪聲攻擊：使用信噪比為 20 dB, 30 dB 和 40 dB 的白噪聲進(jìn)行攻擊。
(2)低通濾波：兩種語(yǔ)音經(jīng)過(guò)通帶截止頻率為 6 kHz 的 Butterworth 低通濾波器處理。
(3)重采樣：對(duì)兩種語(yǔ)音進(jìn)行上、下兩種重采樣攻擊。上采樣：采樣率按 16-32-16(kHz)變化;下采樣：采樣率按 16-8-16(kHz)變化。
(4)重量化：對(duì)兩種語(yǔ)音進(jìn)行升位和降位兩種重量化攻擊。升位量化：攜密載體語(yǔ)音的量化精度按 16-32-16(bit)變化;降位量化：攜密載體語(yǔ)音的量化精度按 16-8-16(bit)變化。
(5)回聲干擾：攜密載體語(yǔ)音加入 10 ms 的回聲干擾。
實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：
(1)本文算法對(duì)白噪聲和低通濾波攻擊具有較好的魯棒性。在 40 dB 噪聲攻擊和低通濾波攻擊下，攜密載體語(yǔ)音具有較高的 SNR1值和 PESQ1值，提取的機(jī)密信息SNR2和PESQ2值較高，BER 值極小，聽(tīng)覺(jué)效果良好，與文獻(xiàn)[10-12]相比具有更好的魯棒性能。在 30 dB 和 20 dB 噪聲攻擊下，原始語(yǔ)音和攜密語(yǔ)音質(zhì)量都有下降，提取的機(jī)密信息 SNR2 降低，BER 值升高，說(shuō)明較大的白噪聲攻擊對(duì)兩種語(yǔ)音質(zhì)量影響都很大，原始載體語(yǔ)音即使未隱藏有機(jī)密信息其語(yǔ)音質(zhì)量也受損嚴(yán)重。可見(jiàn)，本文算法對(duì)抗白噪聲和低通濾波這兩種攻擊具有較好的魯棒性。
(2)本文算法對(duì)上采樣和升量化攻擊具有較好的魯棒性，下采樣和降量化攻擊對(duì)算法魯棒性有一定影響。采樣改變的是語(yǔ)音采樣點(diǎn)的位置，量化改變的是采樣點(diǎn)的幅值。上采樣和升量化后采樣點(diǎn)位置和幅值基本無(wú)變化，所以載體語(yǔ)音質(zhì)量非常好，提取的機(jī)密信息誤碼率較低。下采樣和降量化后采樣點(diǎn)數(shù)和采樣幅值變化較大，兩種載體語(yǔ)音的 SNR 和 PESQ 下降都較為明顯，但其 PESQ 值仍在 3.5 左右，提取的機(jī)密信息 BER 值略遜于文獻(xiàn)[10-12]。
(3)較小的回聲干擾對(duì)本文算法魯棒性基本無(wú)影響。回聲干擾在 10 ms 左右時(shí)，本文算法性能非常好，說(shuō)明延時(shí)較小的回聲干擾對(duì)算法性能影響較小。
(4)本文算法的魯棒性在白噪聲、上采樣、升量化、低通濾波和回聲干擾 5 種攻擊下比文獻(xiàn)[10-12] 中所述算法優(yōu)越。下采樣和降量化攻擊時(shí)魯棒性稍遜于文獻(xiàn)[10-12]中算法。 5 結(jié)論基于小波變換的信息隱藏算法根據(jù)機(jī)密信息的二進(jìn)制狀態(tài)調(diào)節(jié)載體語(yǔ)音的各級(jí)高頻小波系數(shù)，從而改變語(yǔ)音段前后兩部分的能量狀態(tài)來(lái)隱藏信息，提取機(jī)密信息時(shí)通過(guò)對(duì)比語(yǔ)音段中前后兩部分的能量大小識(shí)別機(jī)密信息，無(wú)需原始載體語(yǔ)音，能實(shí)現(xiàn)機(jī)密信息的盲提取。針對(duì)具體的應(yīng)用背景，可通過(guò)調(diào)節(jié)隱藏頻段、嵌入深度和語(yǔ)音分段長(zhǎng)度 3 項(xiàng)參數(shù)平衡算法性能指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)及分析結(jié)果表明，該算法具有較好的隱蔽性和魯棒性，能夠?qū)拱自肼�、低通濾波、重采用、升量化和回聲干擾等多種攻擊，在保證載體語(yǔ)音質(zhì)量的條件下每一語(yǔ)音段內(nèi)可實(shí)現(xiàn) 2 bit 的信息隱藏，且語(yǔ)音分段長(zhǎng)度越小，小波分解級(jí)數(shù)越多，則隱藏容量越大。——論文作者：吳秋玲*①② 吳 蒙①
