一種改進(jìn)的ＬＳＢ音頻信息隱藏算法

摘要：一種改進(jìn)的LSB音頻信息隱藏算法。該算法首先將音頻信號(hào)分幀，選擇了能量相對(duì)較大的幀進(jìn)行嵌入；另一方面，在進(jìn)行LSB嵌入時(shí)，采用的嵌入算法能夠擾亂傳統(tǒng)LSB算法所導(dǎo)致的對(duì)稱性，破壞了統(tǒng)計(jì)檢測(cè)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：LSB；音頻；信息隱藏；能量

中圖分類號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044(2008)31-0959-02

An Improved Audio Information Hiding Algorithm Based on LSB

NI Ming， WU Xi-sheng

(Jiangnan University School of Information Technology， Wuxi 214122， China)

Abstract: An improved audio information hiding algorithm based on LSB. First the algorithm detach audio signal as frame and chose a relatively large energy frame to embedded in it. Second， in embedding， using the embedded algorithm can disrupt traditional LSB algorithm caused by the symmetry， and destroyed the detection of statistics basis.

Key words: LSB; audio; hide information; energy

1 引言

低比特位(Least Significant Bit，LSB)信息隱藏方法是出現(xiàn)較早的一種時(shí)域信息隱藏技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)比較容易，隱藏時(shí)用秘密消息直接替換載體數(shù)據(jù)最不重要的比特位，提取秘密消息時(shí)將最低比特位取出，然后再進(jìn)行解密等處理。LSB方法雖然抗干擾性較差，但隱藏?cái)?shù)據(jù)量大，而且對(duì)原始數(shù)據(jù)的修改很小，是一種比較實(shí)用的信息隱藏技術(shù)，但LSB算法容易被統(tǒng)計(jì)檢測(cè)算法所檢測(cè)。另外，隨著嵌入位數(shù)的增加或者選擇嵌入的采樣點(diǎn)不恰當(dāng)，LSB算法容易失真。

2 改進(jìn)的LSB音頻信息隱藏算法設(shè)計(jì)

為了改善LSB算法缺點(diǎn)，將能量計(jì)算與抗統(tǒng)計(jì)檢測(cè)的LSB算法相結(jié)合，不僅能夠取得較好的保真效果，而且能夠抵抗統(tǒng)計(jì)檢測(cè)攻擊。

2.1 嵌入算法

1) 音頻文件進(jìn)行分幀，每幀內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)為k。

2) 計(jì)算各幀能量: E(i)=∑■ |xi(n)| 。

3) 根據(jù)各幀能量由大到小排序。

4) 從能量最大的幀F(xiàn)max開始，依次選擇能量大的幀作為嵌入載體，對(duì)所選擇的每一個(gè)載體幀內(nèi)設(shè)定同一個(gè)大小為S(2≤S≤k)的窗口WF，窗口的起始點(diǎn)為該幀的第一個(gè)采樣點(diǎn)。當(dāng)S=2時(shí)，窗口WF包含2個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，當(dāng)S=3時(shí)，窗口WF包含3個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，當(dāng)S=k時(shí)窗口WF包含此幀內(nèi)的所有采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。

5) 在每一幀內(nèi)用窗口WF中所包含的一組采樣點(diǎn)來嵌入一比特信息，從第一組采樣點(diǎn)(A1，……，AS)開始，如果當(dāng)S個(gè)點(diǎn)相異或后的結(jié)果與將要嵌入的比特相同（或相反），則該組中各采樣點(diǎn)的值保持不變，窗口向后移動(dòng)一比特的位置，得到第二組采樣點(diǎn)(A2，……，AS+1)，再用第二組采樣點(diǎn)嵌入一比特信息；如果當(dāng)S個(gè)點(diǎn)相異或后的結(jié)果與將要嵌入的比特不相同，則采用下式進(jìn)行嵌入（其中Wnext表示窗口內(nèi)第i個(gè)采樣點(diǎn)的值，LSB(Ai)表示的Ai的LSB比特位，Ai'表示對(duì)Ai進(jìn)行LSB替換后的采樣點(diǎn)值，bi-s表示第i-s個(gè)將要嵌入的比特位）。嵌入后同樣將窗口向后移動(dòng)一比特位置得到下一個(gè)窗口Wnext，注意在Wnext窗口內(nèi)嵌入時(shí)凡是被前面窗口修改過采樣點(diǎn)都要采用用修改后的采樣點(diǎn)值，即用所有被修改過的采樣點(diǎn)Ai'的值代替Wnext中所包含的原始采樣點(diǎn)Ai來構(gòu)成新的采樣點(diǎn)組合后才進(jìn)行嵌入，依次下去，直到嵌入完畢。在嵌入信息時(shí)可先把被隱藏信息大小、所使用的幀的數(shù)目等信息嵌入到載體中。

Ai'=Ai+bi-s-(LSB(Ai)+LSB(Ai-1)+...+LSB(Ai-s+1))mod2 (i≥s)

2.2 提取算法

1) 嵌入隱藏信息的音頻文件進(jìn)行分幀。

2) 計(jì)算各幀能量大小并進(jìn)行排序。

3) 從能量最大的幀開始，回收窗口內(nèi)采樣點(diǎn)的LSB位，按照下式計(jì)算窗口內(nèi)的采樣點(diǎn)組所嵌入的比特信息：

bi=(LSB(xi+1)+LSB(xi+2)+LSB(xi+3))mod2(0≤i≤s-3)

3 試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中采用了網(wǎng)絡(luò)下載多個(gè)音頻剪切段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。提取出的比特流與嵌入的比特流是相同的。而且提取算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單易行。對(duì)比原始音頻和載密音頻波形看不出有任何不同，人耳也聽不出原始音頻和載密音頻有任何差異。

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圖3 原始音頻波形圖 圖4 嵌入隱藏信息的音頻波形圖

4 性能分析

4.1 容量安全性分析

嵌入容量與嵌入時(shí)所采用的幀的數(shù)量和窗口大小及嵌入時(shí)所使用的LSB位數(shù)有關(guān)。假設(shè)窗口大小為s，載體音頻文件所包含的總的采樣點(diǎn)數(shù)為sum，分幀時(shí)一幀內(nèi)包含k個(gè)采樣點(diǎn)，因此幀的數(shù)量為sum/k，假設(shè)嵌入時(shí)所使用的幀占所有幀的比例為α，在對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行1位LSB嵌入時(shí)所獲得的容量為：[k-(s-1)·α·sum/k

其中k-(s-1)為一幀中所嵌入的比特?cái)?shù)，α·sum/k為進(jìn)行時(shí)所使用的幀的數(shù)量。可以看出當(dāng)采用載體的所有幀進(jìn)行嵌入時(shí)，所獲得的嵌入容量與普通LSB嵌入算法相同，但嵌入的每比特都分散在窗口內(nèi)的采樣點(diǎn)中，所以獲得的安全性卻比普通LSB算法高。

4.2 抗統(tǒng)計(jì)檢測(cè)分析

普通LSB算法與本文改進(jìn)LSB算法獲得的LSB位有明顯差異，嵌入時(shí)的位置也不同，改進(jìn)的LSB算法對(duì)采樣點(diǎn)LSB位的修改如下表所示：

表1 改進(jìn)LSB嵌入后的變換方式

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普通的LSB嵌入算法對(duì)LSB的修改只存在從2n到2n，2n到2n+1，2n+1到2n+1，2n+1到2n四種情況。本文所提出的算法，對(duì)LSB位的修改可以有從2n+1到2n+2，2n到2n-1的情況，這樣擾亂了對(duì)于LSB位的不完全隨機(jī)性均勻化的效果，打破了統(tǒng)計(jì)檢測(cè)的基礎(chǔ)，因此能夠有效地抵抗統(tǒng)計(jì)檢測(cè)攻擊。

5 結(jié)論

本文提出了一種改進(jìn)的LSB嵌入算法，將用于語音識(shí)別中端點(diǎn)檢測(cè)的能量引入到算法中，在能量高的采樣點(diǎn)組中嵌入能保證更好的不失真性。另外，本文在嵌入時(shí)引入了滑動(dòng)窗口的概念，一方面算法改變了對(duì)LSB修改的變換方式，打破了對(duì)LSB不完全隨機(jī)性均勻化的操作，具有抗統(tǒng)計(jì)檢測(cè)的能力；另一方面，將要嵌入的比特嵌入到窗口內(nèi)的一組采樣點(diǎn)中而不是某一個(gè)采樣點(diǎn)的LSB位，既保證了一定的嵌入容量，又使嵌入的比特分散在多個(gè)采樣點(diǎn)中，起到類似擴(kuò)頻的作用，具有更高的安全性。

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