基于能量比調(diào)整的自適應(yīng)音頻信息隱藏算法

時(shí) 磊，楊百龍，王 毅，趙文強(qiáng)

(1.第二炮兵工程大學(xué)士官學(xué)院，山東青州 262500;2.第二炮兵工程大學(xué) 4系，陜西西安 710025;3.62121部隊(duì)，陜西西安 710086)

目前常見(jiàn)的語(yǔ)音信息隱藏算法研究多是針對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)(如PSTN、互聯(lián)網(wǎng))，而移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)相比，具有多種優(yōu)點(diǎn):(1)使用便捷，可以隨時(shí)隨地進(jìn)行音頻通話，甚至視頻通話。(2)應(yīng)用廣泛，這主要得益于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，其發(fā)展速度甚至超過(guò)互聯(lián)網(wǎng)。(3)易于普及推廣。但從另一方面來(lái)看，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的編碼算法還有著顯著的不同，許多音頻隱藏算法不一定能抵抗移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的壓縮編碼過(guò)程對(duì)信號(hào)造成的攻擊，因而也就不能適用于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，本文提出了一種適用于GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的信息隱藏算法。

目前GSM采用的編碼方案是13 kbit·s－1的RPE－LTP(規(guī)則脈沖激勵(lì)長(zhǎng)期預(yù)測(cè))［1］，其特點(diǎn)是在不增加誤碼的情況下，以較小的速率優(yōu)化頻譜占用，同時(shí)使語(yǔ)音質(zhì)量達(dá)到與固定電話相接近的水平［2］。

本文通過(guò)對(duì)GSM中語(yǔ)音信號(hào)RPE－LTP編碼前后的特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)一段語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)RPE－LTP編碼并解碼后，前后兩段的能量值之比變化不大，經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析，經(jīng)編解碼后的前后兩段能量值的比值多數(shù)處于0.9～1.5之間，因此，可以利用這個(gè)特點(diǎn)來(lái)隱藏信息。

人類聽(tīng)覺(jué)掩蔽效應(yīng)［3］對(duì)于音頻信息隱藏技術(shù)尤其重要，為保證信息隱藏的透明性，多數(shù)隱藏算法都利用了掩蔽效應(yīng)的特點(diǎn)，本文提出的算法也是充分利用掩蔽效應(yīng)的理論來(lái)提高自身的透明性和魯棒性。

1 自適應(yīng)音頻信息隱藏算法

1.1 秘密數(shù)據(jù)預(yù)處理及嵌入

1.1.1 秘密數(shù)據(jù)預(yù)處理

Logistic序列［4］是混沌映射中一種簡(jiǎn)單實(shí)用的映射方法，如式(1)所示

其中，0≤a≤4是分支參數(shù)。通過(guò)選擇合適的閾值［5－6］，將混沌序列轉(zhuǎn)化為 2 進(jìn)制序列，如式(2)所示

Step1根據(jù)上述式(1)和式(2)，選擇合適的初始值x0，生成一個(gè)混沌序列 G={g(1)，g(2)，g(3)，…}，g(i)∈{0，1};

Step2將秘密數(shù)據(jù)S與第一步中生成的混沌序列進(jìn)行運(yùn)算，變?yōu)閙bit的秘密數(shù)據(jù)S'，如式(3)所示

1.1.2 秘密數(shù)據(jù)嵌入

Step1設(shè)R={R(j)，0＜j＜N}為包含N個(gè)樣本的普通語(yǔ)音，將其分為K段，如式(4)所示

式中，r(k)表示第k段語(yǔ)音;L表示每段樣本數(shù)。理論上講，為保證處理后的秘密數(shù)據(jù)S'能夠完全嵌入到語(yǔ)音段R中，必須滿足m≤L。在這里，取L=160。

Step2根據(jù)人類聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的時(shí)域掩蔽效應(yīng)，計(jì)算每一段語(yǔ)音的能量值，然后選擇能量較大的語(yǔ)音段嵌入秘密數(shù)據(jù)，可以在一定程度上增強(qiáng)算法魯棒性和透明性，如式(5)所示。

設(shè)T為能量閾值，當(dāng)E(k)≥T時(shí)，則該段語(yǔ)音符合要求，可以嵌入秘密數(shù)據(jù)，反之，當(dāng)E(k)＜T時(shí)，則該段語(yǔ)音不符合要求，不作為秘密數(shù)據(jù)的嵌入段。

Step3分別計(jì)算滿足要求的各段語(yǔ)音前L/2個(gè)樣本的能量和后L/2個(gè)樣本的能量，如式(6)和式(7)所示

Step4選定一個(gè)較小的初始嵌入深度d=1.1，計(jì)算前L/2個(gè)樣本的放大增益d1，如式(8)所示

Step5計(jì)算后L/2個(gè)樣本的放大增益d2，如式(9)所示

Step6利用兩個(gè)放大增益值d1、d2將秘密數(shù)據(jù)s'(i)嵌入到明文語(yǔ)音段r中，如式(10)所示

最終獲得攜密語(yǔ)音r'。

1.2 秘密數(shù)據(jù)提取

Step1把接收到的攜密語(yǔ)音分為K段，每段長(zhǎng)度仍然為L(zhǎng)，如式(11)所示

Step2計(jì)算每段能量值，如式(12)所示，當(dāng)E(k)≥T時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行下一步

Step3計(jì)算每段前L/2個(gè)樣本和后L/2個(gè)樣本的能量值，如式(13)和式(14)所示

Step4根據(jù)式(15)判決得到秘密數(shù)據(jù)s″(i)

Step5當(dāng)嵌入深度d增大，算法魯棒性會(huì)得到提升，但與之相對(duì)立的是，嵌入秘密數(shù)據(jù)后的語(yǔ)音失真會(huì)增大，即算法的透明性會(huì)降低，因而需要通過(guò)一系列的迭代過(guò)程來(lái)最終確定最合適的嵌入深度d的值。

如果 s″(i)=s'(i)，則 d 不變;如果 s″(i)≠s'(i)，則提高d的值，并轉(zhuǎn)回秘密數(shù)據(jù)嵌入過(guò)程的Step4。

Step6根據(jù)Logistic序列的初始值x0和秘密信息的長(zhǎng)度，對(duì)s″(i)進(jìn)行解調(diào)得到原始秘密數(shù)據(jù)s(i)。

2 仿真實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)算法的透明性、魯棒性以及安全性進(jìn)行測(cè)試和說(shuō)明。實(shí)驗(yàn)中的音頻信號(hào)以16位分辨率及8 kHz的頻率進(jìn)行采樣。嵌入數(shù)據(jù)則根據(jù)測(cè)試內(nèi)容的不同在一個(gè)20 bit二進(jìn)制序列、一段文本和一張?；盏奈粓D中進(jìn)行選擇。能量門(mén)限取為T(mén)=0.1，混沌序列初始值x0=0.315。

2.1 透明性分析

攜密語(yǔ)音透明性的客觀測(cè)試主要通過(guò)分段平均信噪比SNR和歸一化相關(guān)系數(shù)來(lái)衡量，分段平均信噪比即為各段語(yǔ)音信噪比的平均值，歸一化相關(guān)系數(shù)的定義如式(16)所示

其中，m為原始語(yǔ)音序列;m'為變化后的語(yǔ)音序列。歸一化相關(guān)系數(shù)越接近1，表明語(yǔ)音序列變化前后差異越小，反之亦然。

表1給出了在無(wú)攻擊情況下，攜密語(yǔ)音的分段平均信噪比SNR以及與原始語(yǔ)音的歸一化相關(guān)系數(shù)。

表1 攜密語(yǔ)音信噪比與歸一化相關(guān)系數(shù)

表1所示，在嵌入數(shù)據(jù)不同時(shí)，攜密語(yǔ)音信噪比以及與原始語(yǔ)音的歸一化相關(guān)系數(shù)略有不同，但相差不大，因而總體上從數(shù)據(jù)方面說(shuō)明算法透明性良好。

圖1為嵌入一個(gè)20 bit二進(jìn)制序列的攜密語(yǔ)音與原始語(yǔ)音的頻譜對(duì)比圖，圖2為嵌入一段文本的攜密語(yǔ)音與原始語(yǔ)音的頻譜對(duì)比圖，圖3為嵌入一張?；瘴粓D的攜密語(yǔ)音與原始語(yǔ)音的頻譜對(duì)比圖，從圖中可以看出，攜密語(yǔ)音的頻譜與原始語(yǔ)音的頻譜相差較少，形象地說(shuō)明算法透明性良好。

圖1 嵌入2進(jìn)制序列的攜密語(yǔ)音與原始語(yǔ)音對(duì)比圖

圖2 嵌入文本的攜密語(yǔ)音與原始語(yǔ)音對(duì)比圖

圖3 嵌入位圖的攜密語(yǔ)音與原始語(yǔ)音對(duì)比圖

2.2 魯棒性分析

對(duì)算法的魯棒性測(cè)試分為兩步，首先測(cè)試算法應(yīng)對(duì)常見(jiàn)類型攻擊的能力，但由于該算法的應(yīng)用環(huán)境是針對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)，所以其抵抗GSM語(yǔ)音壓縮編碼的能力至關(guān)重要，因而第二步就是對(duì)算法的抗語(yǔ)音壓縮能力進(jìn)行測(cè)試。

(1)常見(jiàn)攻擊類型測(cè)試。為檢驗(yàn)算法的魯棒性，本文首先測(cè)試了在下列常見(jiàn)攻擊類型的處理中水印提取的正確率，在該測(cè)試中，嵌入數(shù)據(jù)采用一張?；瘴粓D。

從表2中校徽位圖的提取效果和提取率來(lái)看，基于能量比調(diào)整的信息隱藏算法對(duì)于不同的攻擊方式都具有較好的魯棒性。

表2 常規(guī)攻擊類型測(cè)試

(2)抗語(yǔ)音壓縮性能分析?？箟嚎s編碼能力是衡量該算法的重要指標(biāo)，也是移動(dòng)通信環(huán)境對(duì)該信息隱藏算法的主要要求。為了對(duì)算法的抗壓縮編碼能力有一個(gè)充分認(rèn)識(shí)，采用我國(guó)廣泛使用的兩種不同的GSM標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本文提出的算法進(jìn)行測(cè)試，一種基于小波變換和一種基于離散傅里葉變換的常見(jiàn)信息隱藏算法產(chǎn)生的攜密語(yǔ)音進(jìn)行壓縮編碼，然后提取語(yǔ)音中的秘密數(shù)據(jù)，并對(duì)3種算法的秘密數(shù)據(jù)提取率進(jìn)行比較。如表3所示。

表3 抗語(yǔ)音壓縮性能測(cè)試

表3中數(shù)據(jù)表明，與常見(jiàn)的實(shí)用性好的頻域信息隱藏算法相比，本文提出的算法可以很好地抵抗GSM語(yǔ)音壓縮編碼，攜密語(yǔ)音在經(jīng)過(guò)GSM編碼后信息提取率較高且穩(wěn)定，因而說(shuō)明本文提出的算法抵抗壓縮編碼的能力良好。

2.3 安全性分析

由于本文提出的算法利用Logistic混沌映射序列對(duì)秘密數(shù)據(jù)進(jìn)行了加密預(yù)處理，下面對(duì)該算法應(yīng)用Logistic序列之后的安全性進(jìn)行分析驗(yàn)證。

為了客觀有效地驗(yàn)證算法應(yīng)用Logistic混沌映射序列之后的安全性，將其與m序列作一個(gè)對(duì)比，m序列具有偽隨機(jī)序列的性質(zhì)，同時(shí)，它的結(jié)構(gòu)又是確定的，因而其安全性和實(shí)用性良好，具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:

(1)對(duì)于m序列，采用10位寄存器，給定初始值為【0100011010】，然后3次改變其初始值中的某一位，得到 3個(gè)錯(cuò)誤的初始密鑰【0100111010】、【0101011010】、【0100011110】，分別計(jì)算密鑰正確和密鑰錯(cuò)誤情況下的秘密數(shù)據(jù)提取的誤碼率。

(2)對(duì)于Logistic混沌映射序列，給定初始值x0=0.2，a=3然后改變初始值為 x0=0.199 999 999 9、x0=0.199 999 999 8、x0=0.200 000 000 1，最后分別計(jì)算這4種情況下的秘密數(shù)據(jù)提取誤碼率，并與m序列的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表4所示。

表4 混沌序列與m序列加密效果對(duì)比

由表4中數(shù)據(jù)可以看出，Logistic混沌映射序列初始值的改變較m序列初始值的改變要小得多，但是當(dāng)應(yīng)用Logistic混沌映射序列時(shí)，初始密鑰錯(cuò)誤情況下的秘密數(shù)據(jù)提取誤碼率要較m序列大，因而說(shuō)明其安全性要優(yōu)于m序列。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)GSM通信系統(tǒng)編解碼后相鄰兩段語(yǔ)音的能量值之比基本保持不變的特點(diǎn)，提出了一種適用于移動(dòng)通信系統(tǒng)的信息隱藏算法，并利用人類聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的掩蔽效應(yīng)來(lái)選擇能量較大的語(yǔ)音段作為載體，提高算法魯棒性，通過(guò)使用Logistic混沌映射序列對(duì)待隱藏的秘密數(shù)據(jù)進(jìn)行加密預(yù)處理，提高算法安全性。通過(guò)對(duì)提出的算法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)分析，經(jīng)驗(yàn)證，其透明性良好，魯棒性既可以抵抗常規(guī)攻擊方式，又可以抵抗GSM壓縮編碼，對(duì)其應(yīng)用Logistic混沌映射序列與m序列的加密效果進(jìn)行了比較分析，說(shuō)明算法安全性良好。本文提出的算法可以廣泛應(yīng)用于GSM通信網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)單易行且性能良好。

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