回聲隱藏技術(shù)1

1、 摘要：信息隱藏技術(shù)已經(jīng)成為近年來信息安全領(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)研究了目前針對音頻信號的信息隱藏技術(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，大量媒體信息通過數(shù)字化的形式進(jìn)行傳播和發(fā)布，這給我們帶來便利的同時也帶來了如何保證信息傳播的安全性和保密性

2、的問題。    加密技術(shù)是保護(hù)數(shù)字內(nèi)容最常見的方法，它通過對需保護(hù)的對象進(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度來保證，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，由于加密后的數(shù)字內(nèi)容在公開信道的傳輸過程中，表現(xiàn)形式是沒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)算機(jī)性能的提高，通過不斷增加密鑰長度來提高系統(tǒng)安全性的方法，是很難

3、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)利用人類感官對數(shù)字信號的感覺冗余，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，因此攻擊者無法直觀地判斷載體中是否含有秘密信息，也無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    信息隱藏系統(tǒng)模型如圖1所示，

4、0;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S進(jìn)行預(yù)處理（如糾錯置亂等）；結(jié)合密鑰KEY，通過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，在接收端可以通過密鑰KEY和提取算法將秘密信息S提取出來。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     上

5、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，但針對音頻信號的隱藏技術(shù)的研究相對較少，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)    由于人耳聽覺系統(tǒng)（HAS）較之視覺系統(tǒng)（HVS）具有較寬的動態(tài)范圍和較高的靈敏度，因此相對于圖像和視頻的信息隱藏而言，音頻載體的信

6、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)分為時域和變換域音頻信息隱藏方法兩類。   （1）經(jīng)典時域音頻信息隱藏技術(shù)    到目前為止，公認(rèn)比較成熟的時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)替換原始音頻信號采樣值的最低幾個比特位，達(dá)到隱藏的目的。LSB算法具有計(jì)算復(fù)雜度低、可實(shí)時實(shí)現(xiàn)及通用性等優(yōu)點(diǎn)，但其抵抗攻擊的能力較弱。  

7、  回聲隱藏法是通過引入回聲來將秘密信息嵌入到載體中。與其他方法不同，回聲隱藏法對載體音頻信號的改變，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)的抵抗主動攻擊的能力。但信道噪聲、任何形式的篡改都會直接影響算法的正確提取率。    而相位編碼則是利用HAS對人耳對絕對相位的不敏感性及對相對相位的敏感性，將代表秘密信息的參考相位替換原始音頻段的絕對相位，并對其他音頻段進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以保持各段之間的相對相位不變。    擴(kuò)頻法的基本思想是利用擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)將秘密信息擴(kuò)展到整個可聽頻譜范圍內(nèi)，再將

8、擴(kuò)頻后的秘密信息疊加到原始的音頻信號中完成隱藏。   （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)的基本思想是對載體信號進(jìn)行相關(guān)的變換后，通過修改變換系數(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域的所有位置，可以結(jié)合HAS的掩蔽特性隱藏信息。與時域隱藏算法相比，缺點(diǎn)是計(jì)算復(fù)

9、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，通過建立網(wǎng)絡(luò)音頻點(diǎn)播平臺發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，從而實(shí)現(xiàn)具有更高隱秘性

10、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：保密語音預(yù)處理及其隱藏，并向點(diǎn)播客戶端提供一個可供點(diǎn)播的節(jié)目列表，并及時準(zhǔn)確地響應(yīng)客戶端請求，控制音頻數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸?？蛻舳耸紫刃枰c服務(wù)端進(jìn)行有效的網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)時接收來自服務(wù)器的音頻數(shù)據(jù)流，并能通過相應(yīng)的提取算法恢復(fù)保密語音。就客戶端而言，普通用戶，可以正常點(diǎn)播音頻作品，保密語音對于該類用戶是不可感知的；對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，還可以選擇性地回放隱藏在音頻作品中的保密語音。 

11、60;  在保密語音預(yù)處理階段，首先采用ITU-T 8kbps G.729A4語音編碼算法對保密語音進(jìn)行壓縮，以提高隱藏容量。同時為了提高系統(tǒng)安全性，通過密鑰和偽隨機(jī)序列來選擇最終的隱藏位置。最后引入重復(fù)編碼分散傳輸過程中產(chǎn)生的錯誤比特位。針對點(diǎn)播系統(tǒng)的實(shí)時性要求，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，替換音頻采樣值的最低4個LSB位時，仍然可以保證較高音頻感知質(zhì)量。    在Windows 2000/XP平臺上，采

12、用VC+編程語言實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)播服務(wù)器節(jié)目列表管理、保密語音混合編碼、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)播信息隱藏平臺服務(wù)器（a）和客戶端（b）界面    圖5為原始保密語音及最終在客戶端恢復(fù)解碼后的保密語音波形圖。（a）（b）    圖5 保密語音波形（a）預(yù)處理前和（b）恢復(fù)后&#

13、160;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語音壓縮編碼算法的特點(diǎn)，利用基于時域LSB的保密語音嵌入和提取算法，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)的保密語音質(zhì)量良好。    參考文獻(xiàn)    1王育民, 張彤, 黃繼武. 信息隱藏?理論與技術(shù)M. 北京：清華大學(xué)出版社，2006. 

14、;   2Fabien A.P.Petitcolas, Ross J. Anderson and Markus G.Kuhn. Information Hiding?A Survey. Proceedings of the IEEE, special issue on protection of multimedia content, July&#

15、160;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

16、 A: Reduced complexity 8kbit/s CS-ACELP Speech CodecS. 1996.     5陸其明. DirectShow實(shí)務(wù)精選M. 北京：科學(xué)出版社，2004.    6張曉林, 崔迎煒等. 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐M. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2006.數(shù)字水印（Digital Watermarking）技術(shù)是將一些標(biāo)

17、識信息(即數(shù)字水印)直接嵌入數(shù)字載體(包括多媒體、文檔、軟件等)當(dāng)中，但不影響原載體的使用價值，也不容易被人的知覺系統(tǒng)(如視覺或聽覺系統(tǒng))覺察或注意到。通過這些隱藏在載體中的信息，可以達(dá)到確認(rèn)內(nèi)容創(chuàng)建者、購買者、傳送隱秘信息或者判斷載體是否被篡改等目的。數(shù)字水印是信息隱藏技術(shù)的一個重要研究方向。安全性; 隱蔽性; 魯棒性; 水印容量; 水印的特性可以將數(shù)字水印分為魯棒數(shù)字水印和易損數(shù)字水印兩類按水印所附載的媒體，我們可以將數(shù)字水印劃分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印以及用于三維網(wǎng)格模型的網(wǎng)格水印等按水印的檢測過程可以將數(shù)字水印劃分為明文水印和盲水印按數(shù)字水印的內(nèi)容可以將水印劃分為有意義

18、水印和無意義水印水印的用途，我們可以將數(shù)字水印劃分為票證防偽水印、版權(quán)保護(hù)水印、篡改提示水印和隱蔽標(biāo)識水印。按數(shù)字水印的隱藏位置，我們可以將其劃分為時（空）域數(shù)字水印、頻域數(shù)字水印、時/頻域數(shù)字水印和時間/尺度域數(shù)字水印。只要構(gòu)成一種信號變換，就有可能在其變換空間上隱藏水印?？沼蛩惴? Patchwork算法; 變換域算法; 壓縮域算法; NEC算法; 生理模型算法;常用水印攻擊數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換（A/D、D/A conversion） 旋轉(zhuǎn)（rotation） 放大縮?。╯caling） 切割（cropping） 壓縮（compression） 再量化（requantization） 再取樣（re

19、sample）;其他算法: 特別是自從Cox 等借用通信技術(shù)中的擴(kuò)頻原理將水印信號嵌入到一些DCT 變換系數(shù)或者多層分解的小波變換系數(shù)以來,人們已經(jīng)提出了一些混沌數(shù)字水印方法.一種基于盲水印檢測的DWT 算法,該算法首先對原始圖像進(jìn)行小波變換,根據(jù)人類具有的視覺掩蔽特性對低頻分量進(jìn)行一定的量化,局限性:1) 不知道能夠隱藏多少位. 給定時間的音頻,可以可靠隱藏信息量的上界,目前還不清楚. 對圖像水印,只能說目前使用的算法可以隱藏幾百比特位的水印信息. 2) 還沒有真正健壯的盲圖像水印算法. 目前還沒有能夠在經(jīng)過所有普通圖像處理變換后,仍能幸免的盲水印算法.3) 所有者能去除標(biāo)記. 如果允許任何

20、人讀取水印,則任何人只要知道水印嵌入算法,就可以消除水印. 隨著一些先進(jìn)的信號處理技術(shù)和密碼設(shè)計(jì)思想的引進(jìn),必將日趨成熟且得到更為廣泛的發(fā)展應(yīng)用. 數(shù)字化指的是信息的存儲形式，特點(diǎn)是信息存儲量大、便于編輯和復(fù)制；網(wǎng)絡(luò)化指的是信息的傳輸形式，具有速度快、分布廣的優(yōu)點(diǎn)。如音頻、視頻、圖像等，隱藏具有一定意義的附加信息作為標(biāo)記，這些信息與原始數(shù)據(jù)緊密結(jié)合，并隨之一起被傳輸。在接收端，通過計(jì)算機(jī)水印信號被提取出來用于各種目的，數(shù)字水印技術(shù)的進(jìn)展 早期，水印設(shè)計(jì)者關(guān)注的是如何把信息隱藏在數(shù)字媒體中并不被發(fā)現(xiàn)。為此，水印信息被置于二進(jìn)制數(shù)據(jù)的最低位中，這類方案被統(tǒng)稱為最低有效位調(diào)制。很明顯，最低有效位內(nèi)的信息容易在常用的信號處理中丟失，水印的魯棒性差。 隨后，出現(xiàn)了大量空間域內(nèi)的水印算法。水印嵌入不再是修改空間域內(nèi)的單個點(diǎn)，而是一個點(diǎn)集或一個區(qū)域的特征，例如均值、方差、奇偶性等。Patchwork是這類方法的一個典型代表。它在圖像空間隨機(jī)選取n對像素點(diǎn)(ai, bi)，并且對像素ai的亮度加d，bi的亮度減d，