CN106448686A - 一种自适应音频空域隐写方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多媒体信息安全领域，具体涉及一种自适应音频空域隐写方法，包括秘密信息的嵌入和秘密信息的提取两个步骤。本发明方法以WAV音频信号的单个样本作为一个嵌入单元，根据原始WAV音频和经过一次Advanced Audio Coding(AAC)高比特率压缩解压后的WAV音频的信号差值设计每个嵌入单元修改的代价，并利用信息编码工具Syndrome Trellis Codes(STC)自适应嵌入信息并实现正确提取。经大量实验证明，本隐写方法与现有的基于LSB匹配的空域隐写方法相比，可使隐写后的音频具有更高的音频质量及安全性。因此，本发明方法对隐秘通信等应用领域具有重要意义。

Description

一种自适应音频空域隐写方法

技术领域

本发明涉及多媒体信息安全领域，具体涉及一种自适应音频空域隐写方法。

背景技术

音频隐写是信息隐藏技术的一个重要分支。音频信号作为日常生活中不可缺少的传播媒介，其信号中包含的信息冗余使音频成为了信息隐藏的良好载体。目前的音频隐写方法以嵌入信息时所采用的域划分，可分为：空域音频隐藏、压缩域音频隐藏等。现有的空域信息隐藏方法采用的大多是最低有效位修改法(LSB)，且其嵌入位置的选择是由随机序列决定的。由于随机序列的不确定性，音频信号中人耳听觉上敏感的样本也有可能会被改动，从而导致音频听觉质量及安全性的降低。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出一种自适应音频空域隐写方法，该隐写方法为空域音频隐藏，主要载体为WAV音频。本发明提出的WAV音频空域自适应隐写方法可有效地实现在音频信号的信息冗余位进行信息的嵌入，从而避开音频信号的听觉敏感位置，有效减小隐写时损失的音频质量，安全性也会有所提升。

为了实现上述发明目的，采用的技术方案如下：

一种自适应音频空域隐写方法，包括秘密信息的嵌入和提取两个步骤，所述秘密信息的嵌入包括如下子步骤：(11)高比特率AAC压缩原始WAV音频；(12)原始WAV音频与经过一次高比特率AAC压缩解压的WAV音频样本值相减得残差；(13)选定信息编码工具STC的嵌入载体；(14)根据残差设计STC修改嵌入载体样本值的代价；(15)设置嵌入率并计算需嵌入的秘密信息长度；(16)利用STC进行秘密信息的嵌入。

所述步骤(11)对原始WAV音频进行高比特率AAC压缩；

所述步骤(12)获得原始WAV音频和经过一次高比特率AAC压缩解压后的WAV音频样本之间的残差，具体步骤如下：分别用十进制读取原始WAV音 频和经过一次AAC压缩的WAV音频的所有样本，可得序列X＝{x₁,x₂,x₃,…,x_n}及X’＝{x′₁,x′₂,x′₃,…,x′_n}，两种WAV音频的样本总数相同，统一用n表示，其中对x_i及x′_i分别表示两种WAV音频第i个样本的十进制整数值。序列X与序列X’相减可得残差序列Residual，可表示为{r₁,r₂,r₃,…,r_n}，n表示WAV音频的样本总数，其中对r_i＝x_i-x’_i；

所述步骤(13)选取原始WAV音频文件的所有样本值作为信息编码工具STC的嵌入载体，即序列X＝{x₁,x₂,x₃,…,x_n}，n为WAV音频样本总数；

所述步骤(14)根据所得的残差序列Residual设计STC修改嵌入载体样本值的代价，设计原则如下：

(Ⅰ)对于原始WAV音频第i个样本值x_i，修改的代价包含三种代价：在原值上加1的代价、保持不变的代价、在原值上减1的代价；

(Ⅱ)对于原始WAV音频第i个样本值x_i，根据其相应的残差序列Residual中第i个残差值R_i，上述三种代价的设定如下：

情况1：样本值x_i在原值上加1的代价为：

情况2：样本值x_i保持不变的代价均为0

情况3：样本值x_i在原值上减1的代价为：

所述步骤(15)设置秘密信息的嵌入率ratio，其中ratio表示原始WAV音频平均每个样本修改的比特数，单位为bps(bit per sample)。计算需嵌入的秘密信息的长度，记为m，m由WAV音频样本总数n和嵌入率ratio决定，即：m＝[n×ratio]。

所述步骤(16)依据设定好的代价及应嵌入的m比特秘密信息对选定的嵌入载体做STC操作，实现最小化所有样本的修改代价之和，从而自适应选取嵌入载体中的若干位进行修改以达到秘密信息嵌入的目的。

所述秘密信息的提取包括如下子步骤：(21)获取隐写WAV音频的提取载体；(22)获取隐写WAV音频所嵌入的秘密信息的长度；(23)利用信息编码工具STC对所述提取载体进行信息提取。

所述步骤(21)读取隐写后的WAV音频，得到序列Y＝{y₁,y₂,y₃,…,y_n}，其中n表示隐写WAV音频的样本总数，可知隐写后WAV音频的样本总数与原始WAV音频的样本总数保持一致；将所有的样本值作为STC操作的提取载体；

所述步骤(22)获取嵌入率ratio，其中ratio单位为bps(bit per sample)，表示原始WAV音频平均每个样本修改的比特数；计算隐写WAV音频嵌入的秘密信息的长度m，其中m＝[n×ratio]。

所述步骤(23)对提取载体进行STC解码操作，其中STC工具可根据提取载体的值与嵌入的秘密信息长度还原嵌入的m比特秘密信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于信息编码工具STC及高质量压缩编码AAC，选取WAV音频的单个样本作为嵌入单元，根据原始WAV音频与经过一次AAC高比特率压缩并解压后的WAV音频样本之间的差值设计STC修改嵌入载体的代价，从而使STC工具可自适应地修改WAV音频样本的若干位，避免了基于随机序列修改的LSB方法的随机性，可有效地实现在音频信号的信息冗余位进行信息的嵌入，从而保护了音频信号听觉敏感位置，有效减小隐写时损失的音频质量，安全性也会有所提升。

本发明的原理是经过一次高质量AAC压缩并解压的WAV音频保留下来的信号为原始WAV音频中与人耳感知系统相关的信息位，原始WAV音频信号与其的差值可判定为感知无关部分也即冗余部分。根据残差设定WAV音频各样本修改的代价可使STC工具自适应地选择嵌入载体中的冗余部分进行修改，从而获得更好的人耳听觉质量。其中信息编码工具STC的特点是，设定的样本修改代价越大，该样本被修改的几率就越低。

附图说明

图1所示为采用本发明进行秘密信息嵌入、提取的算法流程示意图。

图2(a)所示为原始WAV音频的信号波形。

图2(b)所示为经过一次高比特率AAC压缩解压后的WAV音频的信号波形。

图2(c)所示为图2 (a)和图2 (b)信号之间的残差。

图2(d)所示为嵌入率为0.3bps时原始WAV音频各信号段的修改率。由图可知修改的样本点集中在样本值变化较为复杂的信号段，其间包含更多的冗余信息，例如[6000,8000]范围内的样本；而对于接近静音听觉敏感的样本值，例如处于[0,2000]及[12000,14000]范围内的样本，修改的样本比例低于0.7％。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。

图1所示为采用本发明进行秘密信息嵌入、提取的算法流程示意图。

一种自适应音频空域隐写方法，包括秘密信息的嵌入和提取两个步骤，其中秘密信息的嵌入包括如下子步骤：(11)高比特率AAC压缩原始WAV音频；(12)原始WAV音频与经过一次高比特率AAC压缩的WAV音频样本值相减得残差；(13)选定信息编码工具STC的嵌入载体；(14)根据残差设计STC修改嵌入载体样本值的代价；(15)设置嵌入率并计算需嵌入的秘密信息长度；(16)利用STC进行秘密信息的嵌入。

每个步骤具体说明如下：

(11)利用neroAACEnc软件以最高比特率400,000bps对原始WAV音频进行AAC音频压缩，并用neroAACDec软件对压缩后的AAC音频进行解码，得到经过一次高比特率AAC压缩并解压的WAV音频；

(12)分别用十进制读取原始WAV音频和经过一次高比特率AAC压缩并解压的WAV音频的所有样本值，可得序列X＝{x₁,x₂,x₃,…,x_n}及X’＝{x′₁,x′₂,x′₃,…,x′_n}，其中n表示WAV音频的样本总数，两种WAV音频的样本总数相同，且对x_i及x′_i皆为整数。序列X与序列X’的信号波形如图2(a)和图2(b)所示。序列X与序列X’相减可得残差序列Residual，表示为{r₁,r₂,r₃,…,r_n}，n为WAV音频样本总数，其中r_i＝x_i-x’_i。图2(c)为所述残差的波形示意图；

(13)选定原始WAV音频的所有样本值作为信息编码工具STC的嵌入载体，即序列X＝{x₁,x₂,x₃,…,x_n}表示，n为WAV音频样本总数；

(14)根据残差Residual序列设计嵌入载体各样本值被信息编码工具STC 修改的代价。具体设计原则如下：

(Ⅰ)对于原始WAV音频第i个样本值x_i，修改的代价包含三种代价：在原值上加1的代价、保持不变的代价、在原值上减1的代价；

(Ⅱ)对于原始WAV音频第i个样本值x_i，依据相应的残差序列Residual中第i个残差值r_i，上述三种代价的设定如下：

情况1：样本值x_i在原值上加1的代价为：

情况2：样本值x_i保持不变的代价均为0

情况3：样本值x_i在原值上减1的代价为：

(15)设置秘密信息的嵌入率ratio，其中ratio表示原始WAV音频平均每个样本修改的比特数，单位为bps(bit per sample)。计算原始WAV音频需嵌入的秘密信息长度，记为m，其中m由嵌入率ratio和原始WAV音频样本总数n决定，即：m＝[n×ratio]。

(16)依据设定好的代价和当前所需嵌入的m比特秘密信息对选定的嵌入载体做STC操作，其中STC工具可选取嵌入载体的若干位进行修改以达到秘密信息嵌入的目的。

本发明秘密信息的提取包括步骤：(21)获取隐写WAV音频的提取载体；(22)获取隐写WAV音频所嵌入的秘密信息的长度；(23)利用信息编码工具STC对所述提取载体进行信息提取。

每个步骤具体说明如下：

(21)读取隐写后的WAV音频，得到序列Y＝{y₁,y₂,y₃,…,y_n}，其中n表示隐写后WAV音频的样本总数，可知隐写后WAV音频的样本总数与原始WAV音频的样本总数保持一致；将所有的样本值作为STC操作的提取载体；

(22)获取秘密信息嵌入率ratio，计算隐写WAV音频嵌入的秘密信息长度m，其中m＝[n×ratio]；

(23)对提取载体进行STC操作，其中STC工具可根据提取载体的值与嵌入的秘密信息长度还原嵌入的m比特秘密信息。下面将结合具体的实验数据对本发明做更进一步的分析说明：

1、音频集合：

本实施例中，利用了10000个单声道长度为4秒的音乐及10000个单声道长度为4秒的语音做测试。

2、隐写工具及方法

最低有效位修改法(LSB)

本发明提出的自适应音频空域隐写方法

3、通用型隐写分析特征

“Q.Z.Liu,A.H.Sung,and M.Y.Qiao.Temporary derivative-based spectrumand mel-cepstrum audio steganalysis.Information IEEE Transactions onInformation Forensics and Security,vol.4,no.3,pp.369-368,Sept.2009.”论文提出了[D-MC]隐写分析特征。

“Q.Z.Liu,A.H.Sung,and M.Y.Qiao.Derivative-based audio stegnalysis.ACMTransactions on Multimedia Computing Communications and Applications,vol.7,no.3,pp.18:1-18:19,Sept.2011.”论文提出了[2D-Markov]隐写分析特征。

“W.Luo,H.Li,Q.Yan,R.Yang,and J.Huang.Improved audiosteganalyticfeature and its applications in audio forensics.Tech.Rep.,Sun Yat-SenUniversity,Guangzhou,P.R.China,510006,2016.”技术报告提出了[Combined time&frequency]隐写分析特征。

4、安全性能分析：

利用LSB最低有效位、本发明提出的自适应音频空域隐写方法生成不同嵌入容量的隐写音频，嵌入率分别设为0.1bps、0.3bps、0.5bps。针对每一种情况，采用三种通用的隐写分析特征，一半样本作为训练集，另一半样本作为测试集，采用集成分类器进行训练测试，下表1列出了各种情况下隐写音频的检测率。可以看出采用本发明描述的隐写方法隐写的音频检测率与基于LSB匹配的空域隐写方法相比均有降低，安全性更好。

表1

5、音频质量分析：

利用LSB最低有效位、本发明提出的自适应音频空域隐写方法生成不同嵌入容量的隐写音频，嵌入率分别为0.1bps、0.3bps、0.5bps。针对每一种情况，计算各隐写WAV音频与原始WAV音频的信噪比(单位：dB)及样本修改率。下表2列出了各种情况下的信噪比(单位：dB)和修改率。可以看出采用本发明描述的隐写方法后，隐写WAV音频的信噪比增加，修改率降低，音频质量有所提升。

表2

以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种自适应音频空域隐写方法，包括秘密信息的嵌入和秘密信息的提取两个步骤，其特征在于：

所述秘密信息的嵌入包括如下子步骤：

(11)对原始WAV音频数据进行高比特率AAC音频压缩，并对压缩后的AAC音频进行解码，得到经过一次高比特率AAC压缩并解压后的WAV音频；

(12)读取原始WAV音频和经过一次高比特率AAC压缩解压后的WAV音频的所有样本，分别用序列X＝{x₁,x₂,x₃,…,x_n}及X’＝{x’₁,x′₂,x′₃,…,x′_n}表示，其中两种WAV音频样本总数相同，用n表示；序列X与序列X’相减可得残差序列Residual，表示为{r₁,r₂,r₃,…,r_n}，其中对r_i＝x_i-x′_i，n为WAV音频样本总数；

(13)选定原始WAV音频的所有样本值作为信息编码工具STC的嵌入载体，即序列X＝{x₁,x₂,x₃,…,x_n}，n为WAV音频样本总数；

(14)根据残差序列Residual设计原始WAV音频各样本值被信息编码工具STC修改的代价；具体设计原则如下：

(Ⅰ)对于原始WAV音频第i个样本值x_i，修改的代价包含三种代价：在原值上加1的代价、保持不变的代价、在原值上减1的代价；

(Ⅱ)对于原始WAV音频第i个样本值x_i，根据其对应的残差序列Residual中第i个残差值r_i，上述三种代价的设定如下：

情况1：样本值x_i在原值上加1的代价为：

${\mathrm{\&rho;}}_i^{+1}=\left\{\begin{array}{cc}1/\left|r_i\right|,& r_i<0\\ 10/\left|r_i\right|,& r_i>0\\ 10,& r_i=0\end{array}\right.$

情况2：样本值x_i保持不变的代价均为0

情况3：样本值x_i在原值上减1的代价为：

${\mathrm{\&rho;}}_i^{-1}=\left\{\begin{array}{cc}1/\left|r_i\right|,& r_i>0\\ 10/\left|r_i\right|,& r_i<0\\ 10,& r_i=0\end{array}\right.$

(15)设置秘密信息的嵌入率ratio，ratio表示原始WAV音频平均每个样本修改的比特数，单位为bps(bit per sample)；计算需嵌入的秘密信息长度，记为m，其中m由设定的嵌入率ratio与原始WAV音频样本总数n决定，即：m＝[n×ratio]；

(16)依据设定好的代价及需嵌入的m比特秘密信息对选定的嵌入载体做STC操作，实现最小化所有样本的修改代价之和，自适应地选取嵌入载体的若干位进行修改以达到信息嵌入的目的；

所述秘密信息的提取包含如下子步骤：

(21)读取隐写后的WAV音频，得到序列Y＝{y₁,y₂,y₃,…,y_n}，其中n表示隐写后WAV音频的样本总数，可知隐写后WAV音频的样本总数与原始WAV音频的样本总数保持一致；将所有的样本值作为STC操作的提取载体；

(22)获取嵌入率ratio，计算隐写后的WAV音频中秘密信息的嵌入长度m，其中m＝[n×ratio]；

(23)对提取载体进行STC解码操作，其中STC工具可以根据提取载体的所有样本值和嵌入长度参数还原嵌入的m比特秘密信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(12)采用十进制读取原始WAV音频和经过一次高比特率AAC压缩解压后的WAV音频的所有样本，样本值为整数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(21)采用十进制读取隐写后的WAV音频的所有样本，样本值为整数。