華北電力大學博士學位論文摘要 a b s t r a c t i n f o r m a t i o nh i d i n g ( s t e g a n o g r a p h y ) ，an e wt e c h n o l o g yi ni n f o r m a t i o ns e c u r i t yf i e l d s ， i n t e r e s t sm a n yr e s e a r c h e r si nt h ew o r l d t h eg o a lo fs t e g a n o g r a p h yi st oh i d et h ee x i s t e n c eo f i n f o r m a t i o n , s t e g a n a l y s i si sat e c h n o l o g yt oa t t a c kt h ei n f o r m a t i o nh i d i n gs y s t e ma n dd e t e c t t h eh i d i n gi n f o r m a t i o n a u d i os t e g a n o g r a p h ya n ds t e g a n a l y s i st e c h n o l o g ya r es t u d i e di nt h i s p a p e r o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so fm a i nt h e o r e t i c a lp r o b l e ma n dt h er e s e a r c ho fs o m e t e c h n o l o g yp r o b l e m s ，s o m ea l g o r i t h m sa g ep r o p o s e dt oi m p r o v et h ei n f o r m a t i o nh i d i n g c a p a c i t y , t r a n s p a r e n c y , r o b u s t n e s sa n dt h ea c c u r a c yo fw a v e l e td o m a i ns p e e c hs t e g a n a l y s i s a ne c h om u l t i - a t 3 d a t ah i d i n gs y s t e mi sp r o p o s e dt oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so fl o w h i d i n gc a p a c i t yo fe c h oh i d i n gs y s t e m t h ei n f l u e n c eo fk e yp a r a m e t e r so ft h es y s t e mt ot h e r e s t o r a t i o nr a t eo fi n f o r m a t i o ni ss t u d i e d ，s u c ha sd e l a yt i m e ，s e g m e n tl e n g t h ，a n dd e c a y a m p l i t u d e b yi n t r o d u c i n gf o r w a r d b a c k w a r de c h ok e r n e lw i t h3 2t i m ed e l a y s ，a3 2 - a r y i n f o r m a t i o nh i d i n gs y s t e mi sr e a l i z e da n dt h eh i d i n gc a p a c i t yi sf i v et i m e so fs i n g l ee c h o h i d i n gs y s t e m w h e nt h es a m p l er a t eo fc o v e r - a u d i oi s8k h z ，r e s t o r a t i o nr a t eo fi n f o r m a t i o n r e a c h e st o9 9 t h er o b u s t n e s so ft h es t e g a n o g r a p h y s y s t e mi ss i m u l a t e dt o o ，s u c ha sa t t a c k s o fw h i t en o i s e ，r e s a m p l i n g ( u p s a m p l i n g ，d o w ns a m p l i n g ) ，f i l t e r i n g ( 1 0 wp a s sf i l t e r i n g ，h i g h p a s sf i l t e r i n g ) ，a d p c mc o m p r e s s i n g a na d a p t i v es p e e c hi n f o r m a t i o nh i d i n gm e t h o d ，i nw h i c hi t se m b e d d i n ga m p l i t u d ei s c o n t r o l l e db ya u d i oq u a l i t ya s s e s s m e n t sa n dp s y c h o l o g ym o d e l ，i sp r o p o s e d t h i sm e t h o dc a n o v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so fs u b j e c t i v el i s t e n i n gi nj u d g i n gt h et r a n s p a r e n c yo fs t e g o - a u d i o t h ep r o c e d u r eo ft h ea l g o r i t h mf r o mi n f o r m a t i o ne m b e d d i n gt oi n f o r m a t i o nd e t e c t i n gi s d r e s s e di nd e t a i l a tl a s t ，t h ee m b e d d i n gc a p a c i t y , t r a n s p a r e n c y , r o b u s t n e s sp e r f o r m a n c e sa r e s t u d i e da n dc o m p a r e dw i t ht h ec o n s t a n ta m p l i t u d ee m b e d d i n gm e t h o d s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t t h i sa l g o r i t h mi se f f e c t i v e a u d i os t e g a n a l y s i st e c h n o l o g i e sf o rw a v e l e td o m a i ne m b e d d i n gm e t h o d sa r es t u d i e d ，t h e d i f f e r e n c eo fc h a r a c t e r i s t i cf e a t u r e sa f l e ri n f o r m a t i o ne m b e d d e di su t i l i z e dt od e t e r m i n ei f i n f o r m a t i o ni se m b e d d e dt ot h ea u d i os i g n a l t w oe f f e c t i v ec l a s s i f i c a t i o nf e a t u r e sa r e p r o p o s e df o ra d d i t i v en o i s ee m b e d d i n gm o d e li nw a v e l e td o m a i n t h e ya r es p e e c hw a v e l e t s u b b a n dc o e f f i c i e n t sh i s t o g r a mu n i o nf e a t u r e sa n dw a v e l e td o m a i na m p l i t u d ec o o c c u r r e n c e m a t r i xf e a t u r e s t h e s et w of e a t u r e sa r ee x t r a c t e da n du s e dt oc l a s s i f yt h ea u d i os i g n a lb yb p n e u r a ln e t w o r k s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ee f f e c t i v e n e s so ft h e s et w of e a t u r e s f o r m u l t i p l i c a t i v en o i s ee m b e d d i n gm o d e li nw a v e l e td o m a i n ，h i g l lo r d e rs t a t i s t i c a lm o m e n t s j 蘭型生翌墮堂堡主蘭垡堡莖塑塞 托a t u r e s ，w a v e l e ts u b b a n dc o e f f i c i e n t s h i s t o g r a mu n i o nf e a t u r e sa n dw a v e l e td o m a i n 鋤p l l t u d ec o 。o c c u r r e n c e + m a t r i xf e a t u r e sh a v el o w a c c u r a c yi nc l a s s i f i c a t i o n h o m o m o r p h i c p r o c e 5 3 m g1 su s e dt oo v e r c o m et h ep r o b l e mo fl o ws t e g a n a l y s i sa c c u r a c y t h et e s ta u d i o s l g n a j 塔f i r s t l yc a l c u l a t e di t sa b s o l u t ev a l u ea n dl o g a r i t h m m u l t i p l i c a t i v en o i s ei sc h a n g e d t 0 a d d i t i v en o i s ea n dt h ec l a s s i f i c a t i o na c c u r a c yi si m p r o v e d aw a v e l e td o m a i na u d i os t e g a n a l y s i s s y s t e mb a s e do nf e a t u r es e l e c t i o nt e c h n 0 1 0 9 yi s c o n s t r u c t e d c l a s s i f i c a t i o nf e a t u r e so fa u d i os i g n a l st ob ea n a l y z e da r ee x t r a c t e d a n dt h e n t h e s et e a n u sa l ep r o c e s s e db yt h ep r i n c i p l e c o m p o n e n ta n a l y s i so rt h ef a c t o ra 1 1 a l v s i s m e t h o d s t h ed i m e n s i o n so ft h e s ef e a t u r e sa r er e d u c e d e v i d e n t l y s u p p o nv e c t o rm a c h i n ei s u s e da st h ec l a s s i f i e rt oc l a s s i f yt h ec o v e r - a u d i oa n dt h es t e g o a u d i o s i m u l a t i o nr e s u i t s s h o w t h a tt h ed e t e c t i o nr a t er e a c h e st o9 5 f o rt h r e ew a v e l e td o m a i n s t e g a n o 留a p h ym e t l l o d s k e yw o r d s ：i n f o r m a t i o nh i d i n g ，s t e g a n a l y s i s ，e c h o h i d i n g ，h i s t o g r 踟s t a t i s t i c a l m o m e n t s ，a m p l i t u d ec o o c c u r r e n c em a t r i x 聲明尸日月 本人鄭重聲明：此處所提交的博士學位論文語音信息隱藏與分析技術(shù)研究， 是本人在華北電力大學攻讀博士學位期間，在導(dǎo)師指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取 得的成果。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學位論文的研究成果不包 含任何他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和 集體，均己在文中以明確方式標明。 簽名：鑫絲挫日期：盤翌：壘：! ! 關(guān)于學位論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解華北電力大學有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權(quán) 保管、并向有關(guān)部門送交學位論文的原件與復(fù)印件；學?？梢圆捎糜坝　⒖s印或 其它復(fù)制手段復(fù)制并保存學位論文；學?？稍试S學位論文被查閱或借閱：學校 可以學術(shù)交流為目的，復(fù)制贈送和交換學位論文；同意學?？梢杂貌煌绞皆诓?同媒體上發(fā)表、傳播學位論文的全部或部分內(nèi)容。 ( 涉密的學位論文在解密后遵守此規(guī)定) 作者簽名：僵主造繼 e t 期：越硝。h ：x 導(dǎo)師簽名：埠 日 期： 2 仝：生：! l ： 華北電力大學博士學位論文 1 1 選題背景及其意義 第一章緒論 近年來，通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，人們可以輕易地以各種形式通過通信網(wǎng) 或互聯(lián)網(wǎng)傳輸各種秘密信息。這些秘密信息在通過公共信道傳輸時，面臨泄密的危險， 如何保障信息的安全是一個非常重要的問題。傳統(tǒng)的方法是對通信內(nèi)容進行加密處理， 加密之后的信息看起來是無意義的亂碼。雖然目前的加密系統(tǒng)理論上足夠安全，但在實 際中這是遠遠不夠的。以亂碼形式在公共信道中傳輸?shù)拿芪母菀滓稹皩κ?或“黑 客 的注意而實施攻擊和破壞。例如，一份加密之后的電子郵件信息，如果它在毒販和 其他尚未被懷疑的人之間，或者國防建設(shè)的雇員與敵方大使館官員之間傳遞，顯然，它 很值得懷疑。最好的辦法是在傳輸秘密信息時不要引起“對手 的注意或懷疑，即把秘 密信息嵌入到正常通信時有意義的內(nèi)容中去。所以，對通信安全的研究不僅包括加密， 還包括以隱藏信息存在為目的的更深層次的安全方法【i j 。 有些國家的政府最近試圖限制在線自由交談和民間使用加密技術(shù)，因此也刺激了人 們致力于發(fā)展互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上的匿名通訊( 如匿名郵件中轉(zhuǎn)站和代理服務(wù)器) 的熱情。對版權(quán) 問題的關(guān)注也是信息隱藏發(fā)展的一個主要推動力，因為隨著多媒體技術(shù)和i n t e m e t 的迅 猛發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)字媒體應(yīng)用正在呈爆炸式的增長，越來越多的知識產(chǎn)品以電子版 的方式在網(wǎng)上傳播。數(shù)字信號處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)可以對數(shù)字媒體( 數(shù)字聲音、文本、 圖像和視頻) 的原版進行無限制的任意編輯、拷貝和散布，造成數(shù)字媒體的知識產(chǎn)權(quán)保 護和信息安全問題日益突出，這受到音樂、電影、圖書和軟件出版業(yè)的廣泛關(guān)注。 因此，國際上提出一種新的關(guān)于信息安全的概念信息隱藏技術(shù)，是指將特定的信 息嵌入到數(shù)字化的載體信息( 如文本、數(shù)字化的聲音、圖像、視頻信號等) 中。在某些場 合，信息隱藏比加密更安全，因為信息加密是隱藏信息的內(nèi)容，而信息隱藏是隱藏信息 的存在性。信息隱藏的目的不在于限制正常的信息存取和訪問，而在于保證隱藏的信息 不引起監(jiān)控者的注意和重視，從而減少被攻擊的可能性。比如，非法攔截者從網(wǎng)絡(luò)上攔 截下來的偽裝后的機密資料，并不像傳統(tǒng)加密文件一樣，看起來是一堆會激發(fā)非法攔截 者破解機密資料動機的亂碼，而實際上是和其他非機密性一般資料無異的文件，因而十 分容易避開非法攔截者的追擊。其道理如同生物學上的保護色，巧妙地將自己偽裝隱藏 于環(huán)境中，免于被天敵發(fā)現(xiàn)而遭受攻擊。這一點是傳統(tǒng)加解密系統(tǒng)所欠缺的，也是信息 隱藏學的基本思想。 信息隱藏學和密碼學的區(qū)別在于：密碼僅僅隱藏了信息的內(nèi)容，而信息隱藏不但隱 藏了信息的內(nèi)容而且隱藏了信息的存在。信息隱藏技術(shù)提供了一種有別于加密的安全模 第一章緒論 式，其安全性來自于對第三方感知上的麻痹性。在這一過程中載體信息的作用實際上包 括兩個方面：( 1 ) 提供傳遞信息的信道；( 2 ) 為隱藏信息的傳遞提供偽裝。雖然信息隱藏 學和密碼學是兩個不同的學科，但人們能從密碼學領(lǐng)域中借鑒許多技術(shù)和實踐經(jīng)驗，以 及更深層次的研究準則。當然，密碼術(shù)和信息隱藏技術(shù)不是互相矛盾、互相競爭的技術(shù)， 而是相互補充的技術(shù)，它們的區(qū)別在于應(yīng)用的場合不同，對算法的要求不同。在信息隱 藏系統(tǒng)中，往往再使用密碼術(shù)來進一步加強隱藏信息的安全性。 任何技術(shù)又都是一把“雙刃劍 ，信息隱藏在越來越多地融合到未來信息戰(zhàn)場中的 同時，也在被敵方或恐怖犯罪組織所利用，通過i n t e m e t 傳遞秘密信息、散布消息、籌 集資金以及組織恐怖襲擊等，以達到逃避監(jiān)控的目的。有報道稱，電子前線基金會 ( e l e c t r o n i cf r o n t i e rf o u n d a t i o n ) 的研究人員破解了部分激光打印機生成的秘密小點所包 含的代碼，這些秘密的小點中至少包含了文檔的打印時間以及打印機的序列號，不論美 國特勤局( u n i t e ds t a t e ss e c r e ts e r v i c e ) 的最終目標是打擊造假幣者還是跟蹤持不同政見 者，在打印文檔中加入秘密代碼無疑侵犯了用戶的隱私權(quán)。也有報道稱，恐怖分子利用 信息隱藏技術(shù)通過i n t e r n e t 傳遞秘密信息、組織恐怖襲擊等【2 j 。特別是在美國9 1 l 事件 發(fā)生以后，信息隱藏的分析與檢測一直是人們攻關(guān)的難點。針對這種情況，各國安全機 構(gòu)開展了信息隱藏分析與檢測技術(shù)的研究，該技術(shù)也稱為隱藏分析技術(shù)( s t e g a n a l y s i s ) 。 信息隱藏及隱藏分析技術(shù)在軍事、情報、國家安全方面的重要意義不言而喻， 它們在信息安全中所處的重要地位成為研究者深入探索的強大動力。一方面是要以 盡可能隱蔽的方式將信息隱藏于浩如煙海的數(shù)字多媒體信號中，毫不引起對方的懷 疑而達到隱蔽通信的目的；另一方面則要以各種手段檢測可疑信息的存在，尋找敵 對隱蔽通信的信源，阻斷隱蔽通信的信道。因此對信息隱藏與隱藏分析理論及相關(guān)技 術(shù)的研究，對防止信息隱藏技術(shù)的濫用和確保國家的政治和公共安全具有重要的意義。 1 2 語音信息隱藏與隱藏分析概述 1 2 1 基本概念與術(shù)語 信息隱藏( i n f o r m a t i o nh i d i n g ) ，也稱作數(shù)據(jù)隱藏( d a t ah i d i n g ) ，主要是指將特定的信 息嵌入至l j ( e m b e d d i n g ) 數(shù)字化宿主信息( 如文本、數(shù)字化的聲音、圖像、視頻信號等) 中， 以不引起檢查者的注意。它用在許多信息安全場合，尤其是多媒體信息安全場合。根據(jù) 最終用途的不同，對技術(shù)的側(cè)重點也不同。一般可以分為版權(quán)標i 厭, , ( c o p y r i g h t m a r k i n g ) 、 隱密術(shù)( s t e g a n o g r a p h y ) 、閾下信道( c o v e r tc h a n n e l ) 等子領(lǐng)域，詳細劃分見圖l - l i l l 。 隱密術(shù)( s t e g a n o g r a p h y ) 是指把秘密信息嵌入到看起來普通的宿主信息( 尤其是多媒 體信息) 中，用于存儲或通過公共網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去進行通信的技術(shù)。 匿名通信( a n o n y m o u sc o m m u n i c a t i o n ) 不是隱藏通信的內(nèi)容，而是隱藏信息的存在形 2 華北電力大學博士學位論文 式，目的是盡力阻止通信分析。匿名瀏覽就是一種常見的匿名通信技術(shù)。可以從用戶的 連接請求中隱匿其i p 地址等秘密信息，或換以假名或僅包含轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的地址，以保護 瀏覽者的隱私。 閾下信道( 又叫潛信道) ( c o v e r tc h a n n e l ，s u b l i m i n a lc h a n n e l ) 是指在公開信道中建立 一種實現(xiàn)隱蔽( c o v e r t ) 通信的信道。這在國家安全方面的應(yīng)用價值很大，如可以采用全 球性標準，在數(shù)字簽名的數(shù)字證件中建立閾下信道，把持證人是否為恐怖分子、毒品販、 走私犯或重罪犯等情況告訴發(fā)證國的海關(guān)人員，以及向金融機構(gòu)、商業(yè)實體透露持證人 的信用評價、支付史等情況。而檢查公開信息的人是無法看到此類閾下信息的，持證人 自己也無法獲得和修改這些閾下信息p j 。 圖1 - 1信息隱藏技術(shù)的主要分支 數(shù)字水e p ( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 是永久鑲嵌在載體數(shù)據(jù)中具有可鑒別性的數(shù)字信息 以達到版權(quán)保護等作用，并且它不影響載體數(shù)據(jù)的可用性。在絕大多數(shù)情況下，人們希 望添加的信息是不可感知的。但在某些使用可見數(shù)字水印的場合，版權(quán)保護標志要求是 可見的，并希望攻擊者在不破壞數(shù)據(jù)本身質(zhì)量的前提下無法去掉水印。 隱密分析或隱藏分析( s e t g a n a l y s i s ) 是隱密術(shù)的對抗技術(shù)，指對可疑的載體信息進行 攻擊，達到檢測、破壞，甚至提取秘密信息的技術(shù)。 t 隱寫攻擊技術(shù)有主動和被動之分。主動攻擊二般指在不改變媒體使用價值的前提 下，對媒體進行處理，破壞其可能存在的秘密信息。而被動攻擊則通過對媒體的分析， 檢測其是否含有秘密信息，如果可能，再提取秘密信息。在實際應(yīng)用中，被動攻擊更符 合對抗隱寫術(shù)的原來意圖，因此，本文中的隱寫分析研究主要是指被動攻擊。 3 第一章緒論 與密碼分析技術(shù)類似，根據(jù)分析人員所具備的不同條件，隱寫分析也存在以下幾種 類型： ( 1 ) 唯隱寫體分析：在只有隱寫體的情況下展開的隱寫分析。 ( 2 ) 已知載體分析：在擁有隱寫體和載體的情況下展開的隱寫分析。 ( 3 ) 己知秘密信息分析：在擁有隱寫體和所嵌秘密信息的情況下展開的隱寫分析。 ( 4 ) 選擇隱寫體分析：在知道隱寫工具和隱寫體的情況下展開的隱寫分析。 ( 5 ) 選擇秘密信息分析：用某個隱寫工具對一個選擇的秘密信息產(chǎn)生不同隱寫體的分 析。 ( 6 ) 已知隱寫分析：在知道隱寫工具、載體和隱寫體的情況下展開的隱寫分析。 即使分析人員具備最好的條件，比如最后一種類型，要提取嵌入的信息還是十分困 難的。有時像密碼術(shù)一樣，密鑰才是最關(guān)鍵的。在知道隱寫工具的前提下，暴力破解可 能有效，但需要大量的計算時間。 cc a c h i n 在1 9 9 8 年召開的信息隱藏專題討論會上提出了“隱密術(shù)的信息論模型 ， 如圖1 2 所示【4 5 l 。 k ；密鑰 秘密信道 卜。- _ 一。- - - - - - 一一。一。一。1 a 圖1 2 信息隱藏系統(tǒng)的通用模型 圖1 2 中，c 為載體( c o v e r - o b j e c t ) ，常用的有文本載體( c o v e r - t e x t ) 、圖像載體( c o v e r - i m a g e ) 和音頻載體( c o v e r - a u d i o ) 等；m 為嵌入的秘密信息，它可以是文本、圖像、音頻 和程序等任何數(shù)字信息；r 為隨機數(shù)，s 為隱密體或載密對像( s e t g o o b j e c t ) ，k 為收發(fā)雙 方共享的密鑰，衍為提取的秘密信息。有兩種通信模式：一種情形是a 直接將未隱藏任 何秘密信息e 的無關(guān)緊要的載體信息c 通過公開信道傳送給b ，即開關(guān)置于“o ， 狀態(tài)； 另一種情形是a 將秘密消息m 利用隨機數(shù)r 、密鑰k 通過嵌入算法嵌入到載體信息c 中， 使之變成隱密體s 后再經(jīng)公開信道傳送給b ，即開關(guān)置于“l(fā) ”狀態(tài)。b 利用事先通過秘 密信道得到的密鑰k 以及提取算法提取出秘密信息詹，希望盡量得到從a 發(fā)送的秘密信 息m ，這里假定k 只有a 和b 知道，攻擊者無法獲得，且k 與r ，m ，c 均獨立。 4 華北電力大學博士學位論文 盡管不同的使用場合對語音信息隱藏的要求不同，也沒有確定的評判標準及評 估系統(tǒng)來判斷一種信息隱藏方法的優(yōu)劣。但從比較廣泛的應(yīng)用范圍來考慮，隱蔽性 ( t r a n s p a r e n c y ) 、魯棒性( r o b u s t n e s s ) 和隱藏容量( c a p a c i t y ) 或速率( d a t ar a t e ) 是隱藏技 術(shù)的主要性能指標【l j 6 】。 隱蔽性也稱為不可感知性或透明性等，指秘密信息嵌入到隱秘載體后不致引起 隱秘載體質(zhì)量的明顯下降，或者在隱秘載體和隱秘對象之間感知效果的明顯差異。 前者是客觀范疇的度量，比較流行的做法是用信噪比( s n r ) 或峰值信噪比( p s n r ) 來 度量。后者是主觀的度量，一般由專業(yè)測試人員根據(jù)經(jīng)驗來評定，如參考i t u r e e 5 0 0 質(zhì)量等級中的做法，將其分為“不可察覺 、“可察覺但擾人 、“輕微擾人 、 “擾人 、“非常擾人 五個等級。隱蔽性首先要求載密信號和原載體在人類感覺 系統(tǒng)下是不可分辨的，即秘密信息嵌入后載體信號的品質(zhì)并未感覺到降低。 魯棒性又稱為穩(wěn)健性，是指被嵌入到隱秘載體中的秘密信息具有這樣的特性， 當隱秘對象遭受某種改動或變換之后仍然存在，并可以被完整地提取出來。這種改 動操作必須是在不明顯改變隱秘對象的感覺效果的前提之下進行。它可能是由傳輸 過程引起的，如信道噪聲等，也可能是人為故意引入的，如濾波、有損壓縮、添加 噪聲、重新采樣、數(shù)據(jù)格式變換、幾何變形等等。對載密信號進行不同的攻擊后檢 測或提取嵌入的秘密信息，可以通過計算秘密信息的誤碼率等來衡量魯棒性。 隱藏容量是載體中所能隱藏的信息量的上限。為了使嵌入的信息能夠表達一段 完整的意思或作為一種唯一的標識，嵌入的比特數(shù)要足夠多，這就對隱藏容量有一 定的要求。 上述三種性能之間往往是互相矛盾的。在隱藏容量確定的情況下，秘密信息的 嵌入強度越大，魯棒性就越強，隱蔽性越差；相反，嵌入強度越小，魯棒性就越差， 隱蔽性越強。而在嵌入強度一定的情況下，隱藏容量和隱蔽性又呈相反的趨勢變化。 因此，往往需要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同來確定信息隱藏的各種性能指標。 1 2 2 研究歷史與現(xiàn)狀 信息隱藏技術(shù)作為信息安全領(lǐng)域的前沿技術(shù)，吸引了眾多的科學研究人員，已 在國際上成為了倍受關(guān)注的熱點技術(shù)。1 9 9 6 年在英國劍橋召開了信息隱藏領(lǐng)域的第 一次學術(shù)研討會，這標志著信息隱藏作為一個新的學科的誕生。至今為止，己舉行 了十屆國際信息隱藏學術(shù)研討會( i n t e r n a t i o n a li n f o r m a t i o nh i d i n gw o r k s h o p ) 。此外，一 些信息安全、密碼學和信息處理領(lǐng)域的國際會議上也都有關(guān)于信息隱藏技術(shù)的專題 或文章。這些專題研討會的召開，極大地促進了各研究團體在這一領(lǐng)域內(nèi)的交流與 合作，也吸引了越來越多的研究者投身于信息隱藏技術(shù)的研究工作。 5 第一章緒論 國內(nèi)在信息隱藏方面的研究起步稍晚，但已引起了信息安全領(lǐng)域研究人員的普 遍關(guān)注，并于1 9 9 9 年1 2 月召開了第一屆信息隱藏學術(shù)研討會( c h i n e s ei n f o r m a t i o n h i d i n gw o r k s h o p ) 。目前已經(jīng)舉辦了八屆全國信息隱藏學術(shù)研討會 ( w w w e i h w o r g c n ) 。另外數(shù)字水印的研究人員也于2 0 0 0 年1 月召開了國內(nèi)第一屆數(shù) 字水印技術(shù)研討會，并建立了數(shù)字水印研究主頁和郵件列表，對國內(nèi)信息隱藏研究 工作起到了很好的促進作用。為推動我國信息隱藏技術(shù)的研究，中國電子學分會還 于2 0 0 4 年成立了“多媒體信息安全技術(shù)專家委員會 。 國家“8 6 3 計劃”、“9 7 3 項目( 國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃) 、國家自然科學基 金等都對信息隱藏的研究有項目資金支持。目前，國內(nèi)已有不少研究機構(gòu)及大學， 如中國科學院計算技術(shù)研究所、中國科學院軟件研究所、中國科學院自動化研究所 模式識別國家重點實驗室、國家信息安全測評認證中心、清華大學、北京大學、國 防科技大學、北京郵電大學等單位，正在從事信息隱藏與隱藏分析技術(shù)方面的研究 工作，并提出了一些較為先進的信息隱藏及隱藏分析方面的算法。對信息隱藏的研 究主要體現(xiàn)在信息隱藏模型、信息隱藏算法和隱藏分析理論與算法三個方面。 1 2 2 1 信息隱藏模型 m o u l i n 等人【7 】從信息論的角度分析了信息隱蔽信道和攻擊信道的理論模型，假 設(shè)解碼者知道編碼者和敵手的所作所為，可以主動恢復(fù)計算可逆的攻擊，對計算不 可逆的攻擊在解碼時采取最優(yōu)解碼，從而達到最大隱藏容量的效果。c o h e n 和l a p i d o t h 等人【8 】研究了高斯分布的載體文本在均方誤差約束下的隱藏容量，假設(shè)載體序列u 滿足均值為零的高斯分布，隱藏信息在消息集上均勻分布，嵌入提取密鑰相同。用 概率轉(zhuǎn)移矩陣描述嵌入和攻擊，邊信息有兩個作用，一方面提供隨機性，另一方面 提供載體的信息給解碼者。模型認為公開水印和私有水印的隱藏容量是一樣的。 s o m e k h b a r u c h 和m e r h a v 【9 】研究了公開水印的容量，認為嵌入和攻擊引起的失真超過 給定門限的概率不大于一個指數(shù)衰減函數(shù)。對信息隱藏容量的研究進一步推動了對 信息隱藏的建模，出現(xiàn)了多個信息隱藏模型。cc a c h i n i s , 6 j 分析了信息隱藏的信息論 理論模型，為研究信息隱藏的理論模型提供了很好的思路。c o s t a 模型 1 0 1 考慮了有噪 聲環(huán)境下的信道，在載體和噪聲都滿足獨立正態(tài)同分布的條件下，計算出信道的容 量。所有這些模型都有一些假設(shè)條件，對實際信息隱藏系統(tǒng)作了一些簡化，在此基 礎(chǔ)上求出的容量也就不完全符合實際情況。結(jié)合語音信號的實際，尋找更接近實用 的模型，并在此模型基礎(chǔ)上求出真正能與實際算法相符合的隱藏容量是有待研究的 問題。 1 2 2 2 音頻信息隱藏算法 音頻為載體的隱藏算法主要分為時間域方法和變換域方法。時間域算法特點是 6 華北電力大學博學1 立論文 計算復(fù)雜度低，但穩(wěn)定性較差。變換域算法通過改變音頻信號的頻域系數(shù)( 如d c t ， d f t 或d w t 系數(shù)) 來隱藏信息，雖然在一定程度上提高了算法復(fù)雜性，但通常具有較 好的魯棒性?，F(xiàn)在國內(nèi)外的研究都是傾向于變換域算法。 ( 1 ) 時間域算法 時間域隱藏算法在時間域上將秘密信息直接嵌入到數(shù)字音頻信號中，容易實 現(xiàn)，而且需要較少的計算資源，但對一般信號處理如音頻壓縮和濾波等的抵抗能力 較差。 時間域上的最不重要位法 最不重要位法( l s b ，l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ) 是把每個采樣點的最低位比特( 也可能 是最低幾位) 用秘密信息的數(shù)據(jù)比特來代替，提取時只要把相應(yīng)的最低位取出來，就 可以恢復(fù)嵌入的秘密信息數(shù)據(jù)流。該算法可以把大量的數(shù)據(jù)嵌入到音頻信號中，是 信息隱藏中最簡單的一種方法。為了加大檢測秘密信息的難度，可以采用一段偽隨 機序列來控制嵌入秘密二進制信息的位置。l s b 算法簡單易實現(xiàn)，信息嵌入和提取 的速度快，可以隱藏的信息量大，但是其安全性很差，攻擊者只需要對信道簡單地 加上噪聲干擾或者對數(shù)據(jù)進行亞采樣和壓縮編碼等處理都會造成整個秘密信息的 丟失。 語音回聲隱藏算法 根據(jù)入耳的聽覺特性，一個語音信號中，如果弱信號在強信號后很短的時間內(nèi) ( 一般0 - 2 0 0 m s ) 出現(xiàn)，弱信號會變得聽不見。回聲隱藏( e c h oh i d i n g ) i n 】正是利用人耳 的這一聽覺特性，試圖在離散時間信號f ( ，) 中引入回聲f o 一，) ，得到偽裝信號 c ( t ) = r ( t ) + a r ( t a t ) ，利用回聲延時的不同來代表不同的信息，從而達到隱藏信息 的目的。語音回聲隱藏算法簡單，具有很好的隱蔽性，但隱藏的信息量不大，檢測 也較為困難?；芈暻度胨惴ǖ难芯看蟛糠旨性趯芈暫?的改造上【1 2 。1 8 】，回聲 隱藏的容量仍沒有較大幅度的提高，有待進一步研究。 時間域擴展頻譜算法 t r i k e l 等人【1 9 i 首先提出把擴展頻譜通信的方法引入到信息隱藏領(lǐng)域，其思想是把窄 帶數(shù)據(jù)擴展到整個載體信號的頻譜上。秘密信息被載波和偽隨機序列擴散到很寬的頻譜 上以后，弱化至載體音頻信號幅度動態(tài)范圍的0 5 左右，然后作為加性隨機噪聲疊加 到載體音頻信號上去。 c h rn e u b a u e r 等人【2 0 】提出了一種非壓縮音頻中連續(xù)隱藏數(shù)據(jù)傳送的實現(xiàn)方案。數(shù)據(jù) 嵌入分為兩個部分：數(shù)據(jù)調(diào)制和信號整形。前者利用直序擴頻二相移密鑰調(diào)制器對待傳 送數(shù)據(jù)進行擴頻調(diào)制，并與一頻率為6 k h z 的余弦信號相乘。后者首先對調(diào)制部分的輸出 信號取傅立葉變換，經(jīng)譜加權(quán)后與原始音頻信號疊加。其中關(guān)鍵在于譜加權(quán)方案的確定。 7 第一章緒論 為此文中設(shè)計了屏蔽模型用于在線對原始音頻信號進行數(shù)值分析以選取最佳譜能量調(diào) 整方法。借助于糾錯編碼器，在接收端可以以比較低的誤碼率提取數(shù)據(jù)，得到了較好的 隱秘性和誤碼率實驗結(jié)果。 擴展頻譜的作用主要體現(xiàn)在頻域，對壓縮、濾波和噪聲攻擊都具有較好的性能，缺 點是檢測較為復(fù)雜，對同步攻擊敏感，容量也有限。 ( 2 ) 變換域算法 變換域算法一般先對原始音頻載體信號進行某種變換運算，比如傅立葉變換( f f d 、 離散余弦變換( d c d 、離散小波變換( d w t ) 等，在相應(yīng)的頻域中進行嵌入，如通過修改 頻域表達中的頻域系數(shù)來嵌入秘密數(shù)據(jù)。一般說來，低頻區(qū)域系數(shù)的改動可能會影響到 載體信號的感知效果，高頻系數(shù)的魯棒性又較差，所以常常會選擇中頻區(qū)域上的系數(shù)來 嵌入秘密數(shù)據(jù)，從而使隱密體既滿足不可感知性，又滿足對有損壓縮等操作的魯棒性。 相位法 相位法1 2 1 】是基于人耳對音頻信號的絕對相位不敏感，而對相對相位非常敏感這一特 點設(shè)計的。算法用不同的參考相位代表某一個比特，再用參考相位替換原始音頻的絕對 相位，并對其它的音頻段進行調(diào)整，以保持各段之間的相對相位保持不變，從而達到嵌 入、隱藏秘密數(shù)據(jù)的目的。相對于l s b 算法，相位隱藏法所能隱藏的信息量較小， 但是在抗攻擊方面，尤其是在抵抗噪聲攻擊方面比l s b 算法有明顯的改善。 d c t 域嵌入法 d c t 域的信息隱藏方案在圖像領(lǐng)域中得到了深入的探討 2 2 1 ，這是因為d c t 變換 常常被認為是語音和圖像信號的準最佳變換，其變換特性接近于k l 變換。應(yīng)當注 意的是d c t 變換也是為了增強語音信息嵌入的魯棒性，已經(jīng)有文獻【2 3 】研究了在語音 信號的d c t 系數(shù)中嵌入信息的方法。實驗表明，這種方法在秘密信息的隱蔽性上得 到了較好的效果。它對加噪、濾波等攻擊具有一定的魯棒性。 小波域嵌入法 上世紀8 0 年代才成熟起來的小波分析方法對處理音頻等非穩(wěn)態(tài)信號具有無可比擬 的優(yōu)越性，小波分解不但與人耳的感知心理模型有良好的匹配性，而且還具有完美的重 構(gòu)能力。芬蘭o u l u 大學的c v e j i e 等人【2 4 】對1 6 位精度的音頻信號作5 層小波包分解， 分成3 2 個子帶，然后在小波系數(shù)上用l s b 法嵌入數(shù)據(jù)，在達到基本相同的透明度、信 噪比等條件下，比時間域上的l s b 算法數(shù)據(jù)嵌入率高出2 0 0 k b s 還多。為了與時間域上 的l s b 方法作比較，他們對各個子帶均勻地嵌入，而沒有采取優(yōu)化措施。 文獻【2 5 】【2 6 】提出了一種基于對小波系數(shù)線性修改的方法。這種方法的原理是在 載體語音中選定要嵌入秘密信息的小波系數(shù)上疊加上一個常數(shù)因子，或者使其與經(jīng) 8 華北電力大學博士學位論文 過調(diào)制的秘密信息進行線性疊加，從而實現(xiàn)秘密信息的嵌入。這種信息隱藏方法的 優(yōu)點在于其原理與實現(xiàn)過程非常簡單，不需要經(jīng)過復(fù)雜的計算就可實現(xiàn)對秘密語音 的嵌入，且嵌入信息量較大，但是其魯棒性和隱蔽性相對較差。 文獻 2 7 】【2 8 】提出了一種基于量化的小波域信息隱藏方法。此類方法的基本原理 都是對載體語音小波分解后的變換系數(shù)進行量化處理，從而通過對某些小波系數(shù)的 修改達到嵌入秘密信息的目的?；诹炕男畔㈦[藏方法性能優(yōu)劣的關(guān)鍵在于量化 間隔的選擇，量化間隔越大，其魯棒性越強，但其隱蔽性越差；量化間隔越小，其 魯棒性越差，但其隱蔽性越好，但很難在兩者之間達到較好的平衡，所以要根據(jù)實 際需要合理選擇量化間隔。 梁華慶等【2 9 】提出了一種基于聽覺掩蔽特性的小波包域隱藏方法，該方法首先要在頻 域確定各幀載體信號的掩蔽閾值，計算出每一幀音頻的子帶掩蔽閾值后，將其與對應(yīng)子 帶能量作比較i 當語音隱藏算法中所涉及的頻域子帶能量低于閾值時，便可將其嵌入隱 藏信息。經(jīng)過計算得出的是載體音頻信號在d f t 域的最小掩蔽閾值，然后把它映射到小 波包域中，得到各小波包子帶的最小掩蔽門限，再利用最小掩蔽門限和一個衰減因子對 秘密信息進行幅度調(diào)制，調(diào)節(jié)嵌入強度，使嵌入的信息具有更好的不可感知性和魯棒性； 最后將調(diào)制后的秘密信號與載體信號的各小波包子帶系數(shù)疊加，完成秘密信息的嵌入， 再將各小波包系數(shù)進行重構(gòu)就得到含秘密信息的音頻信號。 利用人類聽覺掩蔽特性的信息隱藏方法，在隱藏信息的不可感知性和魯棒性之 間作出了一個很好的平衡，其綜合性能要優(yōu)于目前存在的其他算法。但是，最終的 語音質(zhì)量如何，仍然需要靠主觀試聽進行評價。 音頻隱藏的努力方向是既要保持良好的感知和統(tǒng)計透明度，又要追求盡可能大的嵌 入容量，在某些特殊使用環(huán)境下還要求較好的魯棒性，本課題的目標是提出在一定的隱 藏容量下，能夠在不可感知性、魯棒性之間進行有效折衷的方法。 1 2 2 3 隱藏分析理論與算法 隱藏分析是一件十分困難的工作，因為分析者一般情況下只能獲得隱密體，而對載 體、嵌入算法、嵌入位置、嵌入密鑰、加密密鑰等信息一無所知。其首要目標是對多 媒體信號進行統(tǒng)計分析，判斷其中是否含有秘密信息。一般認為，只要秘密信息的 存在性受到懷疑，那么所用的信息隱藏技術(shù)就是不安全的，或者說是失敗的。同時， 只有發(fā)現(xiàn)載體信號中嵌有秘密信息，才能開展秘密信息的提取和破譯工作。因此， 目前隱藏分析的目標還主要是檢測媒體中是否含有秘密數(shù)據(jù)。信息隱藏分析算法的研究 內(nèi)容主要分為兩個方面：專項檢測和通用檢測。專項檢測主要是對隱藏軟件的漏洞進行 分析，包括有源代碼和無源代碼的隱藏軟件分析。專項檢測相對來說較為簡單，基本不 需要理論的支持，能更快的運用到實際當中，而且一旦找到某一隱藏軟件的漏洞，針對 9 第一章緒論 這一軟件的專項檢測的正確率是相當高的，接近1 0 0 。通用檢測需要理論支持，是國 內(nèi)外研究的重點，目前的檢測方法普遍存在準確率不高、只能檢測是否含有隱藏信息( 不 能提取) 等問題。通用隱藏分析方法主要可分為基于感知系統(tǒng)的分析法、基于統(tǒng)計的分 析法、基于音頻質(zhì)量的分析法和基于信號理論的分析法等等【3 0 j 。 ( 1 ) 基于感知系統(tǒng)的音頻隱藏分析法 基于感知系統(tǒng)的音頻隱藏分析法主要是采用聽聲音和看波形的方法來分辨載體中 是否隱藏有秘密信息。這種方法的優(yōu)點是直觀，缺點是太不方便且準確性不夠，很難靠 聽覺進行大批量音頻的分析，不適合計算機的自動化分析檢測。 ( 2 ) 基于統(tǒng)計的隱藏分析方法 當秘密數(shù)據(jù)嵌入到載體中去時，肯定會引起載體統(tǒng)計特性的變化。因此，圍繞選擇 合適的統(tǒng)計特征量，產(chǎn)生了許多基于統(tǒng)計特征量的隱藏分析方法。a n d r e a sw e s t f e l d 和 a n d r e a sp f i t z m a n n t 3 1 1 提出一種用于l s b 算法的x2 檢測法，利用嵌入信息的隨機和等概 分布特性定義嵌入信息后的x2 分布，從而計算嵌有秘密信息的概率。f r i d r i c h 等人p 2 j 提出r s 分析法，利用載體信號存在的空間相關(guān)性進行雙統(tǒng)計量分析。這兩種方法的優(yōu) 點是可以估算出隱藏信息的容量，缺點是主要適用于l s b 隱藏算法，其中x2 檢測法的 準確率在嵌入率比較低的情況下是非常低的。h a n yf a r i d 3 3 , 3 4 1 提出采用高階統(tǒng)計量作為 分類特征的隱藏分析方法，并應(yīng)用于錄音語音的隱藏分析。h a m z ao z e r 3 5 】對去噪之后的 語音信號計算其統(tǒng)計量，作為分類特征。張開文等【3 6 1 提出一種統(tǒng)計分析方法，基于數(shù) 據(jù)的時( 空) 域局部相關(guān)特性給出3 個性能互補的判別準則