CN104681031A - 一种基于比特组合的低速率语音最低有效位隐写检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于比特组合的低速率语音最低有效位隐写检测方法，步骤如下：采集语音样本，对语音样本进行语音质量客观评价，根据预计的规则排序，构建待检比特位队列；依次将待检比特位队列各结点的比特位置为长度为N的二进制数中的最低比特位，得到基于比特组合的待检参数集合；基于卡方统计，根据待检参数集合对待检比特位队列进行隐写检测。本发明通过比特位组合的方式解决了传统LSB检测算法难以应用于低速率语音隐写检测的问题。在检测过程中本发明通过预先对可隐藏位根据其隐写性能进行排序，可有效提高检测效率。此外，本发明中的比特位组合方法与语音的具体编码方式无关，适用于所有低速率语音LSB隐写的检测，具有良好的普适性。

Description

一种基于比特组合的低速率语音最低有效位隐写检测方法

技术领域

本发明涉及信息隐藏检测领域，适用于以低速率语音为载体的隐写或隐蔽通信检测，更具体地说，涉及一种基于比特组合的低速率语音最低有效位隐写检测方法。

背景技术

随着计算机网络和多媒体技术的飞速发展，因特网中流动的信息量也与日俱增。计算机网络在给人们带来信息传递的快捷通道的同时也带来了信息安全上的诸多隐患。数字隐写是上世纪90年代兴起的一种安全技术，它是通过把隐秘信息隐藏于可公开的载体(如文本、图像、语音、视频等)中以达到安全通信的目的。相比于传统的加密技术，隐写技术不仅让隐秘信息“不可读”，更让通信过程“不可见”，因而为隐秘信息的传递提供了更好的安全性。也正是因为隐写技术的高安全特性，使得许多不法分子试图借以传递窃取的机密信息，让网络安全，甚至个人隐私和国家安全都蒙受不同程度的损失。因此，隐写技术的检测逐渐受到人们的重视，并成为一个新的研究热点。

近年来，随着IP电话的广泛应用，基于语音的隐写受到广泛关注，代表性的方法主要包括基于最低有效位(Least Significant Bit,LSB)替换的隐写方法(见C.Wang,Q.Wu.InformationHiding in Real-Time VoIP Streams,Proceedings of the 9th IEEE International Symposium onMultimedia,10-12Dec.2007,pp.255-262)，基于量化索引调制(Quantization Index Modulation,QIM)隐写方法(见H.Tian,J.Liu,S.Li.Improving Security of Quantization-Index-ModulationSteganography in Low Bit-rate Speech Streams,Multimedia Systems,2014,20(7):143-154)和基于编码转换的隐写方法(见W.Mazurczyk,P.Szaga,K.Szczypiorski,Using Transcoding forHidden Communication in IP Telephony,Multimedia Tools and Applications,2014,70(3):2139-2165)等。

较之基于语音的隐写技术的快速发展，面向语音隐写的检测技术的发展则落后很多。以基于LSB替换的语音隐写为例，目前尚无普遍有效的隐写检测方法，并且在传统图像载体隐写检测中已成功应用的方法，如卡方检测(见A.Westfeld,A.Ptzmann.Attacks onSteganographic Systems,Proceedings of the 3rd International Workshop on Information Hiding,Sep.29-Oct.1,1999,pp.61-76)，RS方法(见J.Fridrich,M.Goljan,R.Du.Reliable Detection ofLSB Steganography in Grayscale and Color Images,Proceedings of the ACM 2001InternationalWorkshop on Multimedia and security,Sep.30-Oct.5,2001,pp.27-30)和SPA算法等(S.Dumitrescu,X.Wu,N.Memon.On Steganalysis of Random LSB Embedding in Continous-toneImages,Proceedings of IEEE 2002International Conference on Image Processing,Sep.22-25,2002,pp.641-644),在基于语音的隐写检测中却难以直接应用。主要原因是在低速率语音(如ITU-T G.729a,G.723.1和IETF iLBC等)中所谓的“LSB”与图像载体中LSB不同，并不是真正的每个参数的最低位，而是对于语音质量影响较小的若干个比特位，因此有可能在同一个参数中存在多个可被隐写的“LSB”，从而使得以参数为统计单位的相关特征难以奏效。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于比特位组合的语音隐写检测方法，其目的是克服传统LSB隐写检测方法不能应用于低速率语音的问题。并提出基于比特组合的低速率语音最低有效位隐写检测方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于比特组合的低速率语音最低有效位隐写检测方法，步骤如下：

1)采集语音样本，对语音样本进行语音质量客观评价，根据预计的规则排序，构建待检比特位队列；

2)依次将待检比特位队列各结点的比特位置为长度为N的二进制数中的最低比特位，得到基于比特组合的待检参数集合；

3)基于卡方统计，根据待检参数集合对待检比特位队列进行隐写检测。

作为优选，步骤1)具体为：

1.1)采集预设长度的语音样本，对语音帧逐位置反，得出各比特置反后的语音质量客观评价分数；

1.2)对语音质量客观评价分数大于等于预设的评价阀值的比特位，按照所得分数从大到小进行排序，构建待检比特位队列，每个结点储存该比特位在语音帧中的位置。

作为优选，评价阀值为3.5-3.8。

作为优选，步骤1)中，待检比特位队列在隐写检测前构建完成，并允许进行反复利用。

作为优选，步骤2)具体为：

2.1)提取待检比特位队列的队首结点的比特位，将其置为长度为N的二进制数中的最低比特位；

2.2)随机生成前N-1位比特，构建对应的待检参数；

2.3)对各帧中相同比特位，执行步骤2.1)、步骤2.2)，得到待检参数集合；

2.4)删除队首结点。

作为优选，步骤3)具体为：

3.1)确定需缓冲的语音帧数b，并初始化t＝b；

3.2)提取待检参数集合中的前t个待检参数，统计其中数值2i及2i+1出现的频率h_2i和h_2i+1，并按下式计算值对平均频率h^* _2i：

其中，i＝0,1,…,2^N-1；

3.3)计算卡方统计量，具体如下：

其中，k表示数组前t个数值构成的值对数量；

3.4)计算隐写概率p，具体如下：

$p=1-\frac{1}{2^{\frac{k-1}{2}}\mathrm{\Γ}\left(\frac{k-1}{2}\right)}{\∫}_0^{X_{k-1}^2}{e}^{-\frac{x}{2}}{t}^{\frac{k-1}{2}-1}\mathrm{dt};$

若t等于语音样本的帧数f，则该待检比特位检测完成；

若t小于语音样本的帧数f，则t＝t+1，返回步骤3.2)；

如果隐写概率p始终高于预设的概率阀值，则表示含有隐秘信息，并判定隐写概率p值下降的点为隐写结束的标志，进而确定隐写的长度；否则，判定当前待检比特位未用作隐写，并返回步骤1)。

本发明的有益效果如下：

本发明通过比特位组合的方式解决了传统LSB检测算法难以应用于低速率语音隐写检测的问题。在检测过程中本发明通过预先对可隐藏位根据其隐写性能进行排序，可有效提高检测效率。此外，本发明中的比特位组合方法与语音的具体编码方式无关，适用于所有低速率语音LSB隐写的检测，具有良好的普适性。

附图说明

图1是固定检测阀值下不同组合比特数的检测结果；

图2是固定组合比特数下不同检测阀值的检测结果；

图3是不同隐写嵌入率下，本发明估计隐写长度的结果，图中，隐写概率下降由先到后，分别为隐写长度为0帧、100帧、200帧、300帧、400帧、500帧、600帧、700帧、800帧、900帧、1000帧对应的曲线。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。

本发明提供一种基于比特组合的低速率语音最低有效位隐写检测方法，步骤如下：

1)采集语音样本，对语音样本进行语音质量客观评价，根据预计的规则排序，构建待检比特位队列，而且待检比特位队列在隐写检测前构建完成，并允许进行反复利用；

具体为：

1.1)采集预设长度的语音样本，对语音帧逐位置反，得出各比特置反后的语音质量客观评价分数；

1.2)对语音质量客观评价分数大于等于预设的评价阀值的比特位，按照所得分数从大到小进行排序，构建待检比特位队列，每个结点储存该比特位在语音帧中的位置，评价阀值通常设定为人耳可明显识别语音质量过低的临界点，本发明中，评价阀值为3.5-3.8。

2)依次将待检比特位队列各结点的比特位置为长度为N的二进制数中的最低比特位，得到基于比特组合的待检参数集合；

具体为：

2.1)提取待检比特位队列的队首结点的比特位，将其置为长度为N的二进制数中的最低比特位；

2.2)随机生成前N-1位比特，构建对应的待检参数；

2.3)对各帧中相同比特位，执行步骤2.1)、步骤2.2)，得到待检参数集合；

2.4)删除队首结点。

3)基于卡方统计，根据待检参数集合对待检比特位队列进行隐写检测；

步骤3)具体为：

3.1)确定需缓冲的语音帧数b，并初始化t＝b；

3.2)提取待检参数集合中的前t个待检参数，统计其中数值2i及2i+1出现的频率h_2i和h_2i+1，并按下式计算值对平均频率h^* _2i：

其中，i＝0,1,…,2^N-1；

3.3)计算卡方统计量，具体如下：

其中，k表示数组前t个数值构成的值对数量；

3.4)计算隐写概率p，具体如下：

$p=1-\frac{1}{2^{\frac{k-1}{2}}\mathrm{\Γ}\left(\frac{k-1}{2}\right)}{\∫}_0^{X_{k-1}^2}{e}^{-\frac{x}{2}}{t}^{\frac{k-1}{2}-1}\mathrm{dt};$

若t等于语音样本的帧数f，则该待检比特位检测完成；

若t小于语音样本的帧数f，则t＝t+1，返回步骤3.2)；

如果隐写概率p始终高于预设的概率阀值，则表示含有隐秘信息，并判定隐写概率p值下降的点为隐写结束的标志，进而确定隐写的长度；否则，判定当前待检比特位未用作隐写，并返回步骤1)。

实施例

本发明所述的方法适用于所有基于低速率语音的LSB隐写检测，以下将以广泛使用的ITU G.729a编码的语音为例阐述具体实施方法。

步骤1)、构建待检比特位队列。

收集总长度不小于20000S的ITU G.729a编码的语音样本，对语音帧逐位置反；测试各比特置反后的语音质量客观评价分数，本实施例采用ITU-T P.862建议书提供的客观MOS值评价方法PESQ，并测试MOS-LQO值作为语音质量客观评价分数；预先设定评价阀值＝3.5，对语音质量评估分数大于等于评价阀值的比特位，按照所得分数从大到小进行排序，构建待检比特位队列L。本实施例的ITU G.729a编码语音的待检比特位队列如表1所示。

表1：ITU G.729a编码语音的待检比特位队列

步骤2)、构造基于比特组合的待检参数集合。

提取待检比特位队列L队首结点h的比特位，将其置为长度为N的二进制数中的最低比特位；随机生成前N-1位比特，构建对应的待检参数；对各帧中相同比特位，执行前述过程，得到一个待检参数集合A；删除队首结点，执行步骤3)。

假设待检比特队列队首结点为L3-4，选取N值为6，因此将其置为6位二进制待检参数的最低位，并随机生成5位比特位作为该待检参数的前5位；各帧中相同比特位，执行前述过程，得到一个待检参数集合A；删除队首结点，执行步骤3)。

步骤3)、基于卡方统计的隐写检测。

3.1)事先确定需缓冲的语音帧数b＝500，并初始化t＝b；

3.2)提取待检参数集合A中的前t个待检参数，统计其中数值2i及2i+1出现的频率h_2i和h_2i+1(i＝0,1,…,2^N-1)，并按下式计算值对平均频率h^* _2i：

$h_{2i}^{*}=\frac{h_{2i}+h_{2i+1}}{2};$

进而计算卡方统计量如下：

$X_{k-1}^2=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(h_{2i}-h_{2i}^{*})}^2}{h_{2i}^{*}};$

其中，k表示数组前t个数值构成的值对数量；

最后计算隐写概率p，其计算式如下：

$p=1-\frac{1}{2^{\frac{k-1}{2}}\mathrm{\Γ}\left(\frac{k-1}{2}\right)}{\∫}_0^{X_{k-1}^2}{e}^{-\frac{x}{2}}{t}^{\frac{k-1}{2}-1}\mathrm{dt};$

若t小于帧数f，则t＝t+1，返回步骤3.2)；若t＝f，则该待检比特位检测完成。

如果隐写概率p始终高于概率阀值则认为含有隐秘信息，并可判定隐写概率p值下降的点为隐写结束的标志，据此还可估计隐写的长度；否则，认为该待检比特位未用作隐写，并返回步骤2)。

为了对本发明进行评估，申请人收集大量的语音样本进行了检测，语音样本分别为汉男，汉女，英男，英女(标记为CM,CF,EM,EF)各70段，每段100s。如图1、图2所示，实验结果表明，检测概率阀值和构建待检参数长度N对检测正确率有较大影响。随着待检参数长度N的增大，检测的虚警率也随之上升，但漏检率会随之下降；而检测概率阀值存在使得检测结果取得极大值的最优取值。

为了便于实际检测时参数的选择，在大量实验基础上，总结了每个待检比特位的最优检测参数并给出了各比特位在最优参数设置下的检测结果，如表2所示。

表2：G.729a编码语音帧不同比特的最优检测参数及使用本发明进行定性检测的结果

不难看出，本发明能够取得较理想的检测效果。

申请人还尝试利用本发明公开的方法对隐写长度进行估计，测试结果如图3所示。可以看出，受卡方统计特性的影响，本发明方法对隐写长度的估计整体趋势符合实际情况，即隐写概率下降得越慢，则隐写长度越长，反之，则说明隐写长度越短。

上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (6)

1.一种基于比特组合的低速率语音最低有效位隐写检测方法，其特征在于，步骤如下：

1)采集语音样本，对语音样本进行语音质量客观评价，根据预计的规则排序，构建待检比特位队列；

2)依次将待检比特位队列各结点的比特位置为长度为N的二进制数中的最低比特位，得到基于比特组合的待检参数集合；

3)基于卡方统计，根据待检参数集合对待检比特位队列进行隐写检测。

2.根据权利要求1所述的基于比特组合的低速率语音最低有效位隐写检测方法，其特征在于，步骤1)具体为：

1.1)采集预设长度的语音样本，对语音帧逐位置反，得出各比特置反后的语音质量客观评价分数；

1.2)对语音质量客观评价分数大于等于预设评价阀值的比特位，按照所得分数从大到小进行排序，构建待检比特位队列，每个结点储存该比特位在语音帧中的位置。

3.根据权利要求2所述的基于比特组合的低速率语音最低有效位隐写检测方法，其特征在于，评价阀值为3.5-3.8。

4.根据权利要求1所述的基于比特组合的低速率语音最低有效位隐写检测方法，其特征在于，步骤1)中，待检比特位队列在隐写检测前构建完成，并允许进行反复利用。

5.根据权利要求1所述的基于比特组合的低速率语音最低有效位隐写检测方法，其特征在于，步骤2)具体为：

2.1)提取待检比特位队列的队首结点的比特位，将其置为长度为N的二进制数中的最低比特位；

2.2)随机生成前N-1位比特，构建对应的待检参数；

2.3)对各帧中相同比特位，执行步骤2.1)、步骤2.2)，得到待检参数集合；

2.4)删除队首结点。

6.根据权利要求1所述的基于比特组合的低速率语音最低有效位隐写检测方法，其特征在于，步骤3)具体为：

3.1)确定需缓冲的语音帧数b，并初始化t＝b；

3.2)提取待检参数集合中的前t个待检参数，统计其中数值2i及2i+1出现的频率h_2i和h_2i+1，并按下式计算值对平均频率h^* _2i：

其中，i＝0,1,…,2^N-1；

3.3)计算卡方统计量，具体如下：

其中，k表示数组前t个数值构成的值对数量；

3.4)计算隐写概率p，具体如下：

$p=1-\frac{1}{2^{\frac{k-1}{2}}\mathrm{\Γ}\left(\frac{k-1}{2}\right)}{\∫}_0^{X_{k-1}^2}{e}^{-\frac{x}{2}}{t}^{\frac{k-1}{2}-1}\mathrm{dt};$

若t等于语音样本的帧数f，则该待检比特位检测完成；

若t小于语音样本的帧数f，则t＝t+1，返回步骤3.2)；

如果隐写概率p始终高于预设的概率阀值，则表示含有隐秘信息，并判定隐写概率p值下降的点为隐写结束的标志，进而确定隐写的长度；否则，判定当前待检比特位未用作隐写，并返回步骤1)。