以波形文件为载体的信息隐藏技术研究

摘要

当今社会，我们身处于多媒体技术和网络技术日新月异发展的时代，信息数据的数字化存储和传播频率呈现出爆炸式的增长，随之而来的对私密数据和知识产权保护的关注也水涨船高。随着技术的进步，人们在传统的信息安全策略以外，另辟蹊径的提出了基于信息隐藏技术的信息安全保障和知识产权保护措施。该项技术在音频数据载体中也有着广泛的应用。但是由于人耳的生理特点导致我们的耳朵对接收到的音频信号的变动十分敏感，所以如果想在音频信号中嵌入秘密数据的难度比在图像等其他多媒体载体中嵌入密文数据的难度要大很多。密文信息嵌入到音频信号中后，含隐信号在传输过程中会受到杂乱随机噪声的干扰、发送和接收时遭到帧信息被压缩与解压的破坏导致可能无法避免的数据错误，上述的种种不利因素导致人们对音频信息隐藏算法的鲁棒性和抗攻击性都有很高的要求。
　　传统的音频信号信息隐藏方法主要是最小信息位、回声等信息隐藏算法。基于时域的信息隐藏算法的特点是实现简单，隐藏的数据量很大。但是时域算法的缺点也很突出，例如隐秘载体的已嵌入部分和未作修改的部分具有不同的统计特性，另外时域算法的鲁棒性较差，对几何变形、噪声和数据压缩的抵抗能力较差，即使很简单的数组滤波处理也会干扰到最终密文信息的提取。
　　本文的工作主要是深入研究人类听觉感知机理的特性，以人耳的听觉感知特征和音频信号的声学特征为出发点，运用变换域的信号处理技术实现语音信号中的信息隐藏。采用的变换域的方法简而言之主要是对载体音频信号做离散余弦变换、又或是求取倒谱域的MFCC参数和对载体音频信号做小波变换等操作后将密文信息嵌入到载体音频信号当中，同时在时域上要求所作的操作不能被人耳所察觉出来。概括而言取得了以下的研究成果:
　　(一)研究了一种对载体语音信号作离散余弦变换后嵌入密文信息的语音信息隐藏方法。该方法主要利用离散余弦变换运算的特征，将密文信号分散嵌入到载体信号中。嵌入的规则是:根据载体音频每一帧信号不同的能量值，将全部的帧信号分为高中低三类，根据每帧信号能量的大小嵌入不同数量的密文信息，能量高的多嵌，能量低的少嵌或不嵌，在保证语音载体信号本身的听觉特性的前提下，兼顾嵌入的密文信息的安全。之后在信息提取过程中，根据每帧信号能量的高低将数据帧分类筛选，然后用含隐信号帧和原始数据帧作差，从差值信号中提取低频系数实现密文信息和载体信息的分离，从而提取出密文信息。从实验结果来看，本算法保持了隐藏前后载体语音的价值体现出透明性，人为加入一些杂乱的声音充当噪声、故意对数据帧进行压缩再解压操作充当恶意攻击手段后算然仍然能从载体音频中恢复出密文信息体现了安全性。
　　(二)研究了一种在语音信号的MFCC参数中隐藏秘密消息的语音信息隐藏方法。该方法主要利用语音短时能量所具有的较强稳定性，通过微小改变MFCC参数的值来反映嵌入的密文数据的比特信息，然后用改变过的参数来反向计算出被改后的参数的对数频谱;对这个对数频谱求指数后得到一个结果，再用MEL滤波器组对这个结果进行滤波操作得到新的线性谱;最后对这个新的线性谱做FFT反变换得到新的含有隐藏密文的时域信号。这个新得到的含隐时域信号在听觉上和原始信号基本没有差异，以此实现信息的隐藏。反之在信息提取过程中利用隐藏和提取时的帧同步，可以准确的从含隐文件中提取出密文信息。此方法适用于局域网或高速网络中的语音应用，在传递载体语音无听觉失真的基础上，有效传递秘密信息。
　　(三)研究了一种在小波域内对音频数据帧进行变换操作的算法。基本思路是利用小波变换的能量保持与集中特性将密文信息转变生成置乱序列作为待隐藏的信息。然后利用小波变换快速、简单的特点对载体音频文件进行分解，将置乱后降维的密文信息序列嵌入到载体的低频分量当中，最后进行反小波变换生成含隐音频文件。该算法将密文信息隐藏在音频信号的详细分量中，即把密文信息放在载体音频的能量最大的部分一低频部分，这就使得算法的抗干扰能力很强。通过实验表明对于常见的压缩、剪切和噪声攻击，小波变换方法仍然能够识别隐藏的密文信息，具有很好的鲁棒性。叠加了密文信息的声音能进行抗压缩及抗噪声等处理。此方法适用于MP3等有损压缩多媒体文件的版权保护。
　　本论文在语音信息隐藏的理论和应用方面进行了一些探索和研究。但是，该研究领域目前的技术距离大规模的商业化应用、产业化运作还有很多亟待解决的问题，如:建立健全一套客观公正的语音信息隐藏的评价标准，隐秘信息在同步传输技术中的提取方法，能够满足商业应用需求的基于人耳听觉特征的盲检测方法等。受益于密码学、多媒体技术、现代通信理论等交叉学科的不断开拓发展，语音信息隐藏研究也一定会不断的涌现出新的嵌入算法和实现方式。希望本文的研究成果能起到抛砖引玉的效果，让后来者能进一步深入研究下去，推动信息隐藏技术不断向前发展。

目录

声明

摘要

引言

1．1 研究的背景及意义

1．2 国内外的研究现状

1．2．1 信息隐藏技术的历史

1．2．2 现代数据隐藏技术的发展

1．3 本文的主要工作

1．3．1 基于DCT变换的载体语音安全隐藏方法研究

1．3．2 基于美尔频率倒谱系数的载体语音安全隐藏方法研究

1．4 论文主要章节安排

第二章 信息隐藏技术概述

2．1 信息隐藏技术的理论前提及系统构成

2．2 信息隐藏技术分类

2．3．信息隐藏技术要求

2．4 信息隐藏技术的应用领域

2．5 本章小结

第三章 音频信息隐藏的理论基础及语音预处理技术

3．1 音频信息隐藏的生理学基础

3．1．1 人耳的构造

3．1．2 听觉感受性

3．1．3 掩蔽效应

3．2 数字音频信息隐藏算法的评价方法

3．2．1 平均意见分MOS

3．2．2 波形图

3．2．3 语谱图

3．2．4 信噪比和峰值信噪比

3．2．5 基于线性预测倒谱的客观评价法

3．2．6 MEL刻度距离计算

3．3 数字音频信息隐藏技术需要解决的难点问题

3．4 语音信号特点及语音信号预处理技术

3．4．1 语音信号特点

3．4．2 语音信号预处理技术

3．5 音频信息隐藏分类比较

3．5．1 经典的音频信息隐藏技术

3．5．2 变换域的音频信息隐藏技术

3．6 小结

第四章 基于离散余弦变换的语音信息隐藏方法

4．1 安全语音信息隐藏系统的设计准则

4．2 WAV文件的格式

4．3 DCT变换理论基础

4．3．1 DCT定义

4．3．2 DCT变换性质

4．4 基于DCT变换的语音信息隐藏算法

4．5 实验结果

4．6 本章小结

第五章 基于HFCC的语音信息隐藏方法

5．1 美尔频率倒谱系数MFCC分析及其应用

5．2 Mel滤波器组

5．2．1 MFCC特征参数提取

5．3 基于MFCC的语音信息隐藏算法

5．3．1 选择适合的MFCC参数

5．3．2 从改动过的MFCC参数反向求解对数频谱

5．3．3 Mel频率滤波器组的反向求解

5．4 算法流程

5．4．1 隐藏算法流程

5．4．2 提取算法流程

5．5 实验结果

5．6 本章小结

第六章 基于小波变换的语音信息隐藏方法

6．1 小波变换定义

6．1．1 连续小波变换定义(CWT)

6．1．2 离散小波变换定义

6．2 小波分析对信号的处理

6．2．1 一维小波交换

6．2．2 二维小波变换

6．3 DWT域的音频信息隐藏算法

6．3．1 密文信息的预处理

6．3．2 密文嵌入过程

6．3．3 密文信息的提取过程

6．4 实验结果及分析

6．5 本章小结

7．1 本文工作总结

7．2 展望未来

7．2．1 将信息隐藏技术作为防护手段

7．2．2 无线数据中的信息隐藏

7．2．3 未来的威胁

7．3 结尾

致谢

参考文献