基于信號的信息隱藏技術(shù)研究

1、基于音頻信號的信息隱藏技術(shù)研究    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。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播的信息隱藏系統(tǒng)的實現(xiàn)原理和過程。    關(guān)鍵詞：加密；信息隱藏；音頻點播    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)字化的形式進行傳播和發(fā)

2、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的問題。    加密技術(shù)是保護數(shù)字內(nèi)容最常見的方法，它通過對需保護的對象進行加密然后再進行傳輸。目前，已經(jīng)出現(xiàn)了具有較高保密強度的加密算法，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，因為絕大多數(shù)加密算法的強度嚴(yán)重依賴于計算機的計算能力，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。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

3、算機性能的提高，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  

4、60; 信息隱藏系統(tǒng)模型如圖1所示， 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

5、0;    上圖中隱秘信道和隱寫術(shù)用于保護秘密信息本身，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。    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

6、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算法具有計算復(fù)雜度低、可實時實現(xiàn)及通用性等

7、優(yōu)點，但其抵抗攻擊的能力較弱。    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)境條件而不是隨機噪聲的特性，因而具有較強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，并對其他音頻段進行相應(yīng)調(diào)整，以保持各段之間的相對相位不變。    擴頻法的基本思想是利

8、用擴頻調(diào)制技術(shù)將秘密信息擴展到整個可聽頻譜范圍內(nèi)，再將擴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行相關(guān)的變換后，通過修改變換系數(shù)實現(xiàn)秘密信息的嵌入，優(yōu)點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HA

9、S的掩蔽特性隱藏信息。與時域隱藏算法相比，缺點是計算復(fù)雜度較高。目前變換域隱藏算法主要集中在DFT、DCT域中進行。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。    4 基于音頻點播的信息隱藏系統(tǒng)實現(xiàn)    隨著多媒體和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，音頻點播（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

10、立網(wǎng)絡(luò)音頻點播平臺發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，從而實現(xiàn)具有更高隱秘性和安全性的保密通信模式。圖3 音頻點播系統(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，并向點播客戶端提供一個可供點播的節(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)的實時傳輸。客戶端首先需要與服務(wù)端進行有效的網(wǎng)絡(luò)連接，實時接收來自服務(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，除了能夠正常點播音頻作品之外，還可以選擇

11、性地回放隱藏在音頻作品中的保密語音。    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。針對點播系統(tǒng)的實時性要求，隱藏算法選擇了計算復(fù)雜度低、隱藏容量大的時域LSB算法。實驗結(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。    

12、;在Windows 2000/XP平臺上，采用VC+編程語言實現(xiàn)了點播服務(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播客戶端。（a）（b）    圖4 網(wǎng)絡(luò)音頻點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&

13、#160;保密語音波形（a）預(yù)處理前和（b）恢復(fù)后    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，利用基于時域LSB的保密語音嵌入和提取算法，實現(xiàn)了基于該算法的網(wǎng)絡(luò)音頻點播信息隱藏系統(tǒng)。實驗測試表明，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.

14、 信息隱藏?理論與技術(shù)M. 北京：清華大學(xué)出版社，2006.    2Fabien A.P.Petitcolas, Ross J. Anderson and Markus G.Kuhn. Information Hiding?A Survey. Proceedings of the IEE E, special issue on protection

15、0;of multimedia content, July 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 A: Reduced complexity&