CN101494051A - 一种针对时域音频lsb隐写的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对时域音频LSB隐写的检测方法，具体步骤如下：读取待测音频文件，将文件内各样点的样点值整数化；通过考察待测音频文件中样本对样点值的变化，得出样本对统计变化规律；通过样本对统计规律分析嵌入强度；判断嵌入强度分析值

是否达到强度阈值，若嵌入强度分析值

大于或等于强度阀值则检测得出待测音频文件中含有LSB隐秘信息，否则检测结果为不含LSB隐秘信息。该方法不但能检测出LSB隐写信息的存在，还能估算出嵌入强度，保证了检测的高正确率以及低虚警率和低漏检率，而且该方法使用简单，时间复杂度低。本发明可应用于隐秘信息检测领域，对防止非法的隐蔽通信具有重要的意义。

Description

一种针对时域音频LSB隐写的检测方法

技术领域

本发明涉及信息隐藏检测领域，特别涉及一种针对时域音频LSB隐写的检测方法。

背景技术

近年来，隐写术和数字水印技术的研究得到较大的发展。许多隐秘术和数字水印软件能够从网上直接下载，使普通人利用这些技术实现“隐蔽”通讯成为可能。这种现象客观上要求隐写检测技术的进步，以便检测和阻止不法信息隐藏在看似无异动普通载体(图像、音频和视频等)中传递。

在众多的音频信息隐藏方法中，空域LSB(最低比特位)隐藏以其隐蔽性较好、信息隐藏量大且易于实现等优点而被广泛应用。因此，对LSB信息隐藏进行有效、准确而又可靠的检测，对于保护信息安全、防止隐秘通信有着十分重要的意义。

目前针对LSB隐写算法的检测方法均针对图像载体，典型的有：Chi-Square方法，Fridrich提出的RS检测方法，Dumitrescu等提出的样本对方法(SPA)。其中Chi-Square方法是把隐秘对象的理论期望频率分布和从可能被修改的载体中观察到样本分布进行比较，从而找出差异，检测是否有信息嵌入。对音频信号的检测虚警率很高，原因是最后一个平面的值几乎是随机的，比如Windows注销音。RS检测方法考虑到起点是图像各个位平面之间具有一定的非线性相关性，而当LSB隐藏信息后，这种相关性将被破坏。但是，由于载体音频信号本身可能具有一定的随机性，通过RS分析可能会得出含有少量隐藏密文的结论，使其虚警率偏高。音频信号含有的噪声程度也影响对隐密信息的检测，音频和其LSB具有相当大的随机性，导致计算准确度下降。另外，消息位在音频中的位置也是影响估计精度的重要因素。SPA方法基于抽样对及其有限状态机分析，本质是基于随机性特征的高阶统计分析。在音频信号中，相邻点的样本值相差很大，绝大多数载体在隐藏操作前后相邻点的差值大于3，使算法失效。可见，本领域缺乏针对时域音频LSB隐写的高效检测技术手段。

发明内容

本发明目的在于解决现有技术不足，提供一种针对时域音频LSB隐写的检测方法。

为实现上述目的，本发明提供一种针对时域音频LSB隐写的检测方法，具体步骤如下，

步骤一，读取待测音频文件，将文件内各样点的样点值整数化；

步骤二，通过考察待测音频文件中样本对样点值的变化，得出样本对统计变化规律，

首先，将含有N个样点的待测音频文件分为N-1个样本对(x_i，x_i+1)，其中0＜i＜N，x_i，x_i+1为相邻样点；样点x_i的幅值表示为2n+k，其中k＝0，1；样点x_i+1的幅值表示为2m+j，其中j＝0，1；

然后，考察上述所得样本对样点值变化，包括以下三部分内容，

考察待测音频文件m＝n时样本对(x_i，x_i+1)的四种情况，用b₀表示k＝0，j＝0时样本对(x_i，x_i+1)的集合，统计该集合中元素的个数，用|b₀|表示；用b₁表示k＝0，j＝1时样本对(x_i，x_i+1)的集合，统计该集合中元素的个数，用|b₁|表示；用b₂表示k＝1，j＝0时样本对(x_i，x_i+1)的集合，统计该集合中元素的个数，用|b₂|表示；用b₃表示k＝1，j＝1时样本对(x_i，x_i+1)的集合；统计该集合中元素的个数，用|b₃|表示；

考察待测音频文件n＝m+1时样本对(x_i，x_i+1)的情况，用d₁表示k＝0，j＝1时样本对(x_i，x_i+1)的集合，统计该集合中元素的个数，用|d₁|表示；

考察待测音频文件n＝m-1时样本对(x_i，x_i+1)的情况，用d₂表示k＝1，j＝0时样本对(x_i，x_i+1)的集合，统计该集合中元素的个数，用|d₂|表示；

步骤三，通过样本对统计规律分析嵌入强度，

首先，将求得的|b₀|，|b₁|，|b₂|，|b₃|，|d₁|，|d₂|值分别带入下面32个等式；

k₁＝|b₀|+|b₃|+2|b₁|-4|d₁|，k₂＝4|b₁|-4|d₁|

k₃＝|b₀|+|b₃|+2|b₂|-4|d₁|，k₄＝4|b₁|-4|d₁|

k₅＝|b₀|+|b₃|+2|b₁|-4|d₂|，k₆＝4|b₁|-4|d₁|

k₇＝|b₀|+|b₃|+2|b₂|-4|d₂|，k₈＝4|b₁|-4|d₁|

k₉＝|b₀|+|b₃|+2|b₁|-4|d₁|，k₁₀＝4|b₁|-4|d₂|

k₁₁＝|b₀|+|b₃|+2|b₁|-4|d₁|，k₁₂＝4|b₂|-4|d₁|

k₁₃＝|b₀|+|b₃|+2|b₁|-4|d₁|，k₁₄＝4|b₂|-4|d₂|

k₁₅＝|b₀|+|b₃|+2|b₂|-4|d₁|，k₁₆＝4|b₁|-4|d₂|

k₁₇＝|b₀|+|b₃|+2|b₂|-4|d₁|，k₁₈＝4|b₂|-4|d₁|

k₁₉＝|b₀|+|b₃|+2|b₂|-4|d₁|，k₂₀＝4|b₂|-4|d₂|

k₂₁＝|b₀|+|b₃|+2|b₁|-4|d₂|，k₂₂＝4|b₁|-4|d₂|

k₂₃＝|b₀|+|b₃|+2|b₁|-4|d₂|，k₂₄＝4|b₂|-4|d₁|

k₂₅＝|b₀|+|b₃|+2|b₁|-4|d₂|，k₂₆＝4|b₂|-4|d₂|

k₂₇＝|b₀|+|b₃|+2|b₂|-4|d₂|，k₂₈＝4|b₁|-4|d₂|

k₂₉＝|b₀|+|b₃|+2|b₂|-4|d₂|，k₃₀＝4|b₂|-4|d₁|

k₃₁＝|b₀|+|b₃|+2|b₂|-4|d₂|，k₃₂＝4|b₂|-4|d₂|

然后，将上述求得的32个值分别代入下面等式，求出16个嵌入强度估计值α_x，其中x＝1...16；

${\mathrm{\α}}_x=1-\sqrt{1-k_{2x}/k_{2x-1}}$

最后，取16个嵌入强度估计值α_x中的最小值作为嵌入强度分析值，用

表示；

$\widehat{\mathrm{\α}}=\min ({\mathrm{\α}}_1,{\mathrm{\α}}_2,{\mathrm{\α}}_3,{\mathrm{\α}}_4,{\mathrm{\α}}_5,{\mathrm{\α}}_6,{\mathrm{\α}}_7,{\mathrm{\α}}_8,{\mathrm{\α}}_9,{\mathrm{\α}}_{10},{\mathrm{\α}}_{11},{\mathrm{\α}}_{12},{\mathrm{\α}}_{13},{\mathrm{\α}}_{14},{\mathrm{\α}}_{15},{\mathrm{\α}}_{16})$

步骤四，判断嵌入强度分析值

是否达到强度阈值，若嵌入强度分析值

大于或等于强度阀值则检测得出待测音频文件中含有LSB隐秘信息，否则检测结果为不含LSB隐秘信息。

而且，强度阀值设为0.05。

本发明提高了一种针对音频LSB隐写的主动分析检测方法，无需先验条件，是一种“盲”的检测方案。本发明提供的方案不但能检测音频信号中是否含有LSB隐写嵌入的隐秘信息，而且因为是从估计隐密信息的嵌入强度入手，对后续破解信息具有实用意义。采用本发明进行隐写检测具有高效性，并且正确率高，虚警率和漏检率低。本发明适用于对多种类型的音频文件测试，性能稳健；同时算法复杂性低、计算开销小。可见这种隐写分析检测方法在我国信息安全建设中将可广泛发挥重要作用。

附图说明

图1是本发明流程图。

具体实施方式

本发明提供一种针对音频LSB隐写的检测方法，通过考察LSB隐写带来的音频特定样本对样点值的变化，得出样本对统计变化规律，最后推导出嵌入强度的二次方程，预估嵌入强度，并通过强度阀值判断待测音频文件包含的音频信息中是否存在LSB隐写嵌入的隐秘信息。具体步骤为：

步骤一，读取待测音频文件，将文件内各样点的样点值整数化；

所述待测音频文件一般为wav格式，若是压缩格式，则应当解码出完整的音频信息后进行处理。从待测音频文件内选取样点的具体方式属于现有成熟技术，本发明不予赘述。

步骤二，通过考察待测音频文件中样本对的变化，得出样本对统计变化规律，

首先，将含有N个样点的待测音频文件分为N-1个样本对(x_i，x_i+1)，其中0＜i＜N，x_i，x_i+1为相邻样点；从待测音频文件中抽取样点的数目根据具体实施时的精度要求而定，即N为整数，N值大小可以根据精度要求选定。样点值整数化后得到样点的幅值，考察样点的幅值即是考察该样点的样点值。整数可能为奇数或偶数情况，因此本发明将样点x_i的幅值表示为2n+k，其中k＝0，1；样点x_i+1的幅值表示为2m+j，其中j＝0，1。

然后，考察上述所得样本对样点值变化，包括以下三部分内容。这三种考察统计能够精练而准确地反应LSB隐写带来的样本对统计变化规律，只需统计出6个数值，因此有利于本发明技术方案的高效性，特别是具有实施时漏检率低的优点。

(1)考察待测音频文件m＝n时样本对(x_i，x_i+1)的四种情况，用b₀表示k＝0，j＝0时样本对(x_i，x_i+1)的集合，统计该集合中元素的个数，用|b₀|表示；用b₁表示k＝0，j＝1时样本对(x_i，x_i+1)的集合，统计该集合中元素的个数，用|b₁|表示；用b₂表示k＝1，j＝0时样本对(x_i，x_i+1)的集合，统计该集合中元素的个数，用|b₂|表示；用b₃表示k＝1，j＝1时样本对(x_i，x_i+1)的集合；统计该集合中元素的个数，用|b₃|表示；

(2)考察待测音频文件n＝m+1时样本对(x_i，x_i+1)的情况，用d₁表示k＝0，j＝1时样本对(x_i，x_i+1)的集合，统计该集合中元素的个数，用|d₁|表示；

(3)考察待测音频文件n＝m-1时样本对(x_i，x_i+1)的情况，用d₂表示k＝1，j＝0时样本对(x_i，x_i+1)的集合，统计该集合中元素的个数，用|d₂|表示；

步骤三，通过统计规律分析嵌入强度，

首先，将求得的|b₀|，|b₁|，|b₂|，|b₃|，|d₁|，|d₂|值分别带入下面32个等式；

k₁＝|b₀|+|b₃|+2|b₁|-4|d₁|，k₂＝4|b₁|-4|d₁|

k₃＝|b₀|+|b₃|+2|b₂|-4|d₁|，k₄＝4|b₁|-4|d₁|

k₅＝|b₀|+|b₃|+2|b₁|-4|d₂|，k₆＝4|b₁|-4|d₁|

k₇＝|b₀|+|b₃|+2|b₂|-4|d₂|，k₈＝4|b₁|-4|d₁|

k₉＝|b₀|+|b₃|+2|b₁|-4|d₁|，k₁₀＝4|b₁|-4|d₂|

k₁₁＝|b₀|+|b₃|+2|b₁|-4|d₁|，k₁₂＝4|b₂|-4|d₁|

k₁₃＝|b₀|+|b₃|+2|b₁|-4|d₁|，k₁₄＝4|b₂|-4|d₂|

k₁₅＝|b₀|+|b₃|+2|b₂|-4|d₁|，k₁₆＝4|b₁|-4|d₂|

k₁₇＝|b₀|+|b₃|+2|b₂|-4|d₁|，k₁₈＝4|b₂|-4|d₁|

k₁₉＝|b₀|+|b₃|+2|b₂|-4|d₁|，k₂₀＝4|b₂|-4|d₂|

k₂₁＝|b₀|+|b₃|+2|b₁|-4|d₂|，k₂₂＝4|b₁|-4|d₂|

k₂₃＝|b₀|+|b₃|+2|b₁|-4|d₂|，k₂₄＝4|b₂|-4|d₁|

k₂₅＝|b₀|+|b₃|+2|b₁|-4|d₂|，k₂₆＝4|b₂|-4|d₂|

k₂₇＝|b₀|+|b₃|+2|b₂|-4|d₂|，k₂₈＝4|b₁|-4|d₂|

k₂₉＝|b₀|+|b₃|+2|b₂|-4|d₂|，k₃₀＝4|b₂|-4|d₁|

k₃₁＝|b₀|+|b₃|+2|b₂|-4|d₂|，k₃₂＝4|b₂|-4|d₂|

然后，将上述求得的32个值分别代入下面等式，求出16个嵌入强度估计值α_x，简称为16个α值，其中x＝1...16；

${\mathrm{\α}}_x=1-\sqrt{1-k_{2x}/k_{2x-1}}$

以上算法实际上来自根据样本对统计变化规律推导得出的关于嵌入强度的二次方程：

(|b₀|+|b₃|+2|b′|-4|d′|)α²-(2|b₀|+2|b₃|+4|b′|-8|d′|)+4|b′|-4|d′|＝0

求解其根如下：

${\mathrm{\α}}_x=1-\sqrt{1-k_{2x}/k_{2x-1}},(x=1...16),$ k_2x-1＝|b₀|+|b₃|+2|b′|-4|d′|，k_2x＝4|b′|-4|d′|

其中|b′|为|b₁|或|b₂|，|d′|为|d₁|或|d₂|。考虑全部组合，即共得到16组k_2x-1，k_2x，简称为32个k值。这种嵌入强度的二次方程具有通用性，具体实施时可以直接按照二次方程的求解根式，将步骤三样本对统计得到的值带入本发明技术方案提供的公式进行计算即可。因为算法简单，降低了计算开销，进一步保证了高速高效，降低了虚警率。

最后，取16个嵌入强度估计值α_x中的最小值作为嵌入强度分析值，用

表示。选取最小值是为了最大限度防止误警，具体实施时也可考虑采用平均值。

$\widehat{\mathrm{\α}}=\min ({\mathrm{\α}}_1,{\mathrm{\α}}_2,{\mathrm{\α}}_3,{\mathrm{\α}}_4,{\mathrm{\α}}_5,{\mathrm{\α}}_6,{\mathrm{\α}}_7,{\mathrm{\α}}_8,{\mathrm{\α}}_9,{\mathrm{\α}}_{10},{\mathrm{\α}}_{11},{\mathrm{\α}}_{12},{\mathrm{\α}}_{13},{\mathrm{\α}}_{14},{\mathrm{\α}}_{15},{\mathrm{\α}}_{16})$

步骤四，判断嵌入强度分析值

是否达到强度阈值，若嵌入强度分析值

大于或等于强度阀值则检测得出待测音频文件内的音频信息中含有LSB隐秘信息，否则检测结果为不含LSB隐秘信息。

强度阀值可以预先设定，将判断过程通过软件方式自动完成。或者具体实施时根据检测灵敏度要求设定。本发明人广泛采用含有LSB隐秘信息的音频文件进行实验，得出一般含有LSB隐秘信息的音频文件嵌入强度大于或等于0.05的结论。因此，本发明提出最优选实施方案应当将强度阀值设定在0.05。参见图1，本发明的整体技术方案可以采用软件方式实现，自动进行检测的基本流程可以简单总结为：打开待测音频文件；将样点值整数化；统计得到|b₀|，|b₁|，|b₂|，|b₃|，|d₁|，|d₂|；计算32个k值；计算16个α值；通过16个α值的最小值求得

根据判断条件 $\widehat{\mathrm{\α}}\≥0.05,$ 分析出是否不含LSB隐秘信息。

Claims (2)

1.一种针对时域音频LSB隐写的检测方法，其特征是：具体步骤如下，

步骤一，读取待测音频文件，将文件内各样点的样点值整数化；

步骤二，通过考察待测音频文件中样本对样点值的变化，得出样本对统计变化规律，

首先，将含有N个样点的待测音频文件分为N-1个样本对(x_i，x_i+1)，其中0＜i＜N，x_i，x_i+1为相邻样点；样点x_i的幅值表示为2n+k，其中k＝0，1；样点x_i+1的幅值表示为2m+j，其中j＝0，1；

然后，考察上述所得样本对样点值变化，包括以下三部分内容，

考察待测音频文件m＝n时样本对(x_i，x_i+1)的四种情况，用b₀表示k＝0，j＝0时样本对(x_i，x_i-1)的集合，统计该集合中元素的个数，用|b₀|表示；用b₁表示k＝0，j＝1时样本对(x_i，x_i+1)的集合，统计该集合中元素的个数，用|b₁|表示；用b₂表示k＝1，j＝0时样本对(x_i，x_i+1)的集合，统计该集合中元素的个数，用|b₂|表示；用b₃表示k＝1，j＝1时样本对(x_i，x_i+1)的集合；统计该集合中元素的个数，用|b₃|表示；

考察待测音频文件n＝m+1时样本对(x_i，x_i+1)的情况，用d₁表示k＝0，j＝1时样本对(x_i，x_i+1)的集合，统计该集合中元素的个数，用|d₁|表示；

考察待测音频文件n＝m-1时样本对(x_i，x_i+1)的情况，用d₂表示k＝1，j＝0时样本对(x_i，x_i+1)的集合，统计该集合中元素的个数，用|d₂|表示；

步骤三，通过样本对统计规律分析嵌入强度，

首先，将求得的|b₀|，|b₁|，|b₂|，|b₃|，|d₁|，|d₂|值分别带入下面32个等式；

k₁＝|b₀|+|b₃|+2|b₁|-4|d₁|，k₂＝4|b₁|-4|d₁|

k₃＝|b₀|+|b₃|+2|b₂|-4|d₁|，k₄＝4|b₁|-4|d₁|

k₅＝|b₀|+|b₃|+2|b₁|-4|d₂|，k₆＝4|b₁|-4|d₁|

k₇＝|b₀|+|b₃|+2|b₂|-4|d₂|，k₈＝4|b₁|-4|d₁|

k₉＝|b₀|+|b₃|+2|b₁|-4|d₁|，k₁₀＝4|b₁|-4|d₂|

k₁₁＝|b₀|+|b₃|+2|b₁|-4|d₁|，k₁₂＝4|b₂|-4|d₁|

k₁₃＝|b₀|+|b₃|+2|b₁|-4|d₁|，k₁₄＝4|b₂|-4|d₂|

k₁₅＝|b₀|+|b₃|+2|b₂|-4|d₁|，k₁₆＝4|b₁|-4|d₂|

k₁₇＝|b₀|+|b₃|+2|b₂|-4|d₁|，k₁₈＝4|b₂|-4|d₁|

k₁₉＝|b₀|+|b₃|+2|b₂|-4|d₁|，k₂₀＝4|b₂|-4|d₂|

k₂₁＝|b₀|+|b₃|+2|b₁|-4|d₂|，k₂₂＝4|b₁|-4|d₂|

k₂₃＝|b₀|+|b₃|+2|b₁|-4|d₂|，k₂₄＝4|b₂|-4|d₁|

k₂₅＝|b₀|+|b₃|+2|b₁|-4|d₂|，k₂₆＝4|b₂|-4|d₂|

k₂₇＝|b₀|+|b₃|+2|b₂|-4|d₂|，k₂₈＝4|b₁|-4|d₂|

k₂₉＝|b₀|+|b₃|+2|b₂|-4|d₂|，k₃₀＝4|b₂|-4|d₁|

k₃₁＝|b₀|+|b₃|+2|b₂|-4|d₂|，k₃₂＝4|b₂|-4|d₂|

然后，将上述求得的32个值分别代入下面等式，求出16个嵌入强度估计值α_x，其中x＝1...16；

${\mathrm{\α}}_x=1-\sqrt{1-k_{2x}/k_{2x-1}}$

最后，取16个嵌入强度估计值α_x中的最小值作为嵌入强度分析值，用表示；

$\widehat{\mathrm{\α}}=\min ({\mathrm{\α}}_1,{\mathrm{\α}}_2,{\mathrm{\α}}_3,{\mathrm{\α}}_4,{\mathrm{\α}}_5,{\mathrm{\α}}_6,{\mathrm{\α}}_7,{\mathrm{\α}}_8,{\mathrm{\α}}_9,{\mathrm{\α}}_{10},{\mathrm{\α}}_{11},{\mathrm{\α}}_{12},{\mathrm{\α}}_{13},{\mathrm{\α}}_{14},{\mathrm{\α}}_{15},{\mathrm{\α}}_{16})$

步骤四，判断嵌入强度分析值

是否达到强度阈值，若嵌入强度分析值大于或等于强度阀值则检测得出待测音频文件中含有LSB隐秘信息，否则检测结果为不含LSB隐秘信息。

2.根据权利要求1所述的隐写检测方法，其特征是：强度阀值设为0.05。

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