一種新型信息隱藏技術的研究與實現

申 健， 雷 菁， 李保國， 賴雄坤

（國防科學技術大學 電子科學與工程學院，湖南 長沙 410073）

0 引言

隨著科學技術的發展，利用現代通信技術將秘密信息隱藏在背景音樂中進行傳遞、做到掩人耳目瞞天過海，不是沒有可能。音頻隱寫在應用前景方面也具有廣闊的空間，隨著廣播電臺、電話等通信業務的發展，這項技術可以廣泛應用于商業秘密、個人隱私、軍事情報等機密信息的安全傳輸。文中使用FPGA和PC機搭建整個信息隱藏系統，將需要傳遞的信息隱藏在一段音頻中，發送時采用混合擴頻技術并使用RS碼進行差錯控制。測試結果表明，基于混合擴頻技術的信息隱藏系統具有很強的安全性[1]。

1 基本原理

1.1 信息隱藏原理

所要傳輸的秘密信息是一段文本，所使用的傳輸載體是一段音頻信號。嵌入信息中的每個漢字先按照相應的ASCII碼轉換為16 bit的比特信息流，然后再嵌入到音頻信號中。當嵌入信息的幅度足夠小時，能充分保證原始音頻的質量。為了保證接收隱藏信息的可靠性，因此采用混合擴頻技術。

混合擴頻是將擴頻和跳頻相結合的一種技術，它在直接擴頻的技術上增加了跳頻的功能，使整個系統既有很好的保密性和抗截獲性、又能增加系統的各項增益；既能抵抗窄帶信號干擾、又能抵抗跟蹤式和阻塞式干擾，使得系統的各項性能指標大大增強[2]。首先將編碼后的序列進行直接擴頻處理，再根據設定的頻點加入載頻實現跳頻。在此過程中，系統獲得的增益為跳頻增益與擴頻增益之和。

1.1 系統設計思路

按照以上的基本原理，設計整個系統的框圖如圖1所示。

圖1 基于混合擴頻技術的信息隱藏系統整體框

從圖1中可以看出，發送端的工作過程為：首先使用上位機將需要傳輸的文本加訓練序列后發送至 FPGA，再在 FPGA上實現級聯碼編碼，擴頻，跳頻，并加入同步頭，成幀。最后，采集音頻信號，并將成幀之后的數據與音頻信號混合，經成形濾波后通過音頻芯片輸出到擴音器。同樣，接受端的工作過程為：首先通過計算機，使用聲卡對聲音信號進行采集，同時檢測同步碼。在檢測到同步碼之后，調用解跳解擴、自適應均衡以及譯碼程序進行數據的還原，最后將還原的數據恢復成文本。在發送端與接收端之間，利用空氣作為音頻信號的傳輸媒介。

2 硬件部分設計

圖 2給出了發送端系統的硬件框圖，主要包含RS-232串口通信、FPGA、ALC101聲音芯片以及PC機等幾大模塊，它們共同組成了系統的發送端。數據源位于計算機端，為一段待傳輸文本。發送數據時 PC機通過RS-232串口通信將數據發送至FPGA[3]。本系統所使用的FPGA是Xilinx Spartan3E芯片，由它完成RS碼編碼、擴頻、跳頻、成幀和信息隱藏的運算。在音頻信號采集方面，本系統所使用的是ALC101聲音芯片。它將某一背景音樂（即載體音樂）采集進入FPGA，再將加入隱藏信息后的音頻信號播放發送。

圖2 硬件結構

系統的接收端主要使用PC機進行處理。在音頻信號采集方面，系統通過編程控制PC機聲卡實現。之后的同步、解擴解跳、自適應均衡、譯碼以及信息的恢復，均由PC機編程實現。

3 軟件部分設計

3.1 嵌入的信息

系統中嵌入的秘密信息是一個文本，每個漢字按照相應的ASCII碼轉換為16 bit的信息。為了后續編碼和混合擴頻等步驟提供方便，固定文本長度為20個漢字，即傳輸的信息為320 bit。當文本長度小于20個漢字時，人為地將它補齊20個，在接收端進行信息還原的時候將填充的信息除去即可。

3.2 擴頻

擴頻通信是用比信號帶寬寬得多的頻帶來傳輸信息，它不僅具有很好的抗干擾、抗截獲性能，也能使系統獲得較高的增益、方便后續的解調。為了獲得較好的擴頻增益和信息隱藏效果，擴頻序列采用Gold序列，它具有很好的自相關性及偽隨機性[4-6]。

3.3 跳頻

跳頻通信具有很好的抗跟蹤式和阻塞式干擾的性能。在系統中，加入跳頻技術可以進一步加強信息安全保密，使竊聽方難以捕獲到隱藏的信息[7]。出于簡化的考慮，采用固定頻點循環跳頻的方法。由于這里將秘密信息隱藏在一段音頻文件中進行傳輸，所以要將跳頻的頻點設置在音頻信號的頻率范圍以內，即 2～20 kHz，因此這里設置的固定頻點為4 kHz、8 kHz、12 kHz、16 kHz，信號的載波就在這幾個固定頻點之間順序變換。圖3展示了一幀信息內信號載頻的變化。

圖3 一幀信息內信號載頻的變化

圖3中0cf代表同步碼的載頻，其余為信息碼的載頻，其中1cf為4 kHz，2cf為8 kHz,3cf為12 kHz，為16 kHz。在系統的接受端，當同步完成后，就可以按照各個頻點的固定設置進行解跳。

4 實驗結果

對于以音頻信號為載體的信息隱藏的攻擊多采用感官攻擊和結構攻擊等方法。所謂感官攻擊，是指利用人類感官對媒體模式失真和噪聲的辨識能力來判斷是否含有隱密信息的一類方法。在本系統中，低幅度嵌入的技術手段有效降低了嵌入信息對原始音頻信號的影響，在聽覺上無明顯差異。另一種常用的攻擊方法是結構攻擊，它是利用由于信息的隱藏而造成載體原有結構的破壞或特殊結構的引入來判斷是否含有隱密信息[8-9]。在本系統中，小幅信息嵌入確保了隱藏秘密信息的音頻同原始音頻在時域上波形的一致性。在頻域上，由于擴頻技術的使用，使得秘密信息的頻譜隱藏在噪聲頻譜融之中，確保頻譜結構不會發生明顯的改變。信息嵌入前后音頻信號的波形如圖4和圖5所示，前后音頻信號的頻譜圖如圖6和圖7所示，圖中可清楚地看出信息隱藏前后音頻信號的時域波形和頻譜均無明顯變化。

圖5 嵌入信息后音頻信號波形

圖6 未加入隱藏信息的音頻頻譜

圖7 加入隱藏信息的音頻頻譜

5 結語

文中介紹了一套完整的通信系統。經實驗測試，系統能夠完整地實現保密通信的全過程。將文本信息隱藏至音頻信號后[10]，音頻無明顯失真，聲音品質高效果好，在頻譜結構上與原始音頻信號無過多差異。非授權第三方（即不知道秘密信息存在的對象）在感官和結構上基本不能覺察到音頻信號的改變。在接收方，授權通信對象能夠通過同步、解跳、解擴和譯碼等步驟，成功恢復原始的秘密信息。

[1] KIROVSKI D,MALVAR H S.Spread-spectrum Watermarking of Audio Signals[J]. Signal Processing, IEEE Transactions on Date of Publication,2003,51(04):1020-1033.

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[3] 陳揚坤.擴頻隱藏分析方法研究[D].安徽:中國科學技術大學,2010.

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