第四章音频信息隐藏14.1 WAV音频的LSB信息隐藏 【实验目的】 【实验环境】 【原理简介】 【实验步骤】 【思考题】2【实验目的】 了解WAV文件格式，掌握利用 WAV格式音频文件实现LSB信息 隐藏原理，设计并实现一种基 于WAV文件的LSB信息隐藏算法 。了解归一化相关系数NC的原 理，利用NC对水印图像和提取 图像水印进行比较。3【实验环境】 (1) WindowsXP或Vista以上操 作系统 (2) MATLAB7.1科学计算软件 (3) wav格式音频文件4【原理简介】 WAV是Microsoft Windows本身 提供的音频格式，该格式通常 都保存一些没有压缩的音频。 对于数字音频，其最低比特位 或者最低几个比特位的改变， 对于整个声音没有明显的影响 ，因此替换掉这些不重要的部 分，可以隐藏秘密信息。5 如果在音频信号中嵌入的水印 为图像，则来定义评价提取的 水印与原始水印的相似性，可 采用归一化相关系数（NC）作 为评价标准，其定义为其中，W为原始水印， 为提取的 水印，它们的大小为 。6【实验步骤】 （1）随机水印 隐藏算法 随机水印提取 （2）图像水印 图像水印隐藏 图像水印提取 （3）计算NC7（1）随机水印 进行LSB嵌入之后，首先对LSB嵌入前 后的音频文件进行听觉上的区分，二 者靠人耳听不出任何差别，如下图：8（2）图像水印 1.图像水印隐藏 水印信息为二值图像lena1.bmp，图像 的大小为200*200，共40000个像素， 载体是音频，从音频中截取40000个字 节，每个字节中隐藏一个比特。 2.图像水印提取 在实践过程中，含有水印信息的音频 信号从编码到解码之间可能有很多传 播途径，主要有以下的四种方式：9 声音文件从一台机器拷贝到另外一台机 器，其中没有任何形式的改变。编码方 和解码方的采样率完全相同； 第二种情形是信号仍然保持数字的形式 ，但是采样率发生变化。这一变化保持 大多数信号的幅值和相位值，但是改变 了信号的时域特征； 第三种情况是信号被转换成为模拟形式 ，通过模拟形式传送，在终端被重新采 样。在此过程中信号的幅值、量化方式 和时域采样都得不到保持，这种情况下 信号的相位值可以得到保持；10 第四种情形是信号在空气中传播，经过 麦克重新采样。此时信号受到未知的非 线性改变，会导致相位变化、幅值变化 、不同频率成分的漂移和产生回声等； 当某一段音频文件嵌入水印后以 某种方式传播，到达终端的时候 会发生一些变化。提取水印后和 原始水印进行比较，采用归一化 函数计算提取的水印信息和原始 水印信息之间的差别。11(3)计算NC 图像水印提取后和原始水印进 行归一化比较。在本例中，携 密音频未发生任何变化，也就 是说未对携密音频进行任何形 式的攻击。因此提取出来的水 印信息和原始的水印信息完全 相同，归一化函数的值为1。12【思考题】 1.将某个二值图像利用LSB算法嵌入到语 音载体中，将语音载体添加高斯噪声，添 加高斯噪声后将水印信息提取，使用归一 化函数计算提取的水印信息和原始水印信 息之间的差别。 2.LSB方式信息隐藏算法鲁棒性较差，为 加大水印攻击的难度，可采用一段伪随机 序列来控制水印的嵌入位置。伪随机序列 可由伪随机序列发生器来产生，不同的初 始值产生不同的伪随机序列。这样收发两 方只需要秘密地传送一个初始值（也就是 密钥），就可得到一个相同的伪随机序列 而不需要传送整个的伪随机序列。13 3.LSB信息隐藏替换技术可分为五种处理 情况： 秘密信息在最低位平面连续嵌入至结 束，余下部分不作任何处理，比较典 型的软件是MandelSteg； 秘密信息在最低位平面连续嵌入至结 束，余下部分随机化处理（也称沙化 处理），比较典型的软件是 PGMStealth； 秘密信息在最低位平面和次底位平面 连续嵌入，同时嵌入到最低位平面和 次底位平面；14秘密信息在最低位平面嵌入，等 最低位平面完全潜入后，再开始 嵌入到次底位平面； 秘密信息在最低位平面随机嵌入 ； 不同的嵌入方式，隐藏的信息容量 不同，而且这几种算法鲁棒性差别 也比较大。可自行设计实现这几种 基于音频的LSB隐藏。154.2 回声信息隐藏 【实验目的】 【实验环境】 【原理简介】 【实验步骤】16【实验目的】 回声隐藏利用人耳听觉系统的 时域掩蔽特性，在载体数据的 环境特性（回声）中嵌入水印 信息。掌握语音的回声隐藏算 法原理，设计并实现一种回声 隐藏算法。17【实验环境】 (1) WindowsXP或Vista操作系 统 (2) MATLAB7.1科学计算软件 (3) 音频文件18【原理简介】 音频信号和经过回声隐藏的携密数据对于 人耳来说，前者就像是从耳机中听到的声 音，没有回声。而后者就像是从扬声器里 听到的声音，有所处空间诸如墙壁、家具 等物体产生的回声。回声隐藏巧妙地利用 人类听觉系统(HAS)的时域掩蔽特性，通 过向音频信号中引入回声来完成隐藏秘密 信息的一种技术方法。回声隐藏与其他方 法不同，它不是将水印信息当成随机噪声 嵌入到载体数据中，而是利用载体数据的 环境特征（回声）来嵌入水印信息。引入 回声必然会导致载体音频信号的失真，但 只要选择合理的回声参数a和m，附加的回 声就难以被人类听觉系统所觉察。19 回声的数字音频信号可表示为： yn=sn+*sn-m，其中yn是加入回 声后的音频信号，sn是原始音频信号， 为回声的幅度系数，m为时延参数。为 0至1之间的正数，m一般表示回声信号滞后 于原始信号的样点间隔。由HAS的时域后掩 蔽特性可知，对于回声时延的大小是有限 制的。一般情况下，回声时延m的取值一般 在50200ms之间。过小会增加嵌入信息恢 复的难度，过大则会影响隐藏信号的不可 感知性。同时，回声的幅度系数a的取值也 同样需要精心选择，其值与信号传输环境 和时延取值有关，一般取值在0.6-0.9之 间。20【实验步骤】 1.嵌入算法 2.提取算法211.嵌入算法 (1)首先将音频采样数据文件分成包含N个 样点的子帧，子帧的时长根据隐藏数据量 的大小划分，一般时长从几个毫秒到几十 毫秒，每个子帧隐藏一个比特的秘密信息 。 (2)定义两种不同的回声时延m0，m1（其中 m0，m1均要求远小于子帧时长N）。当秘密 信号比特值为“0”时，回声时延为m0；当 秘密信号比特值为“1”时，回声时延为m1 ； (3)将载体信号的每个子帧按照式 yn=sn+*sn-m产生回声信号。 (4)将所有含回声的信号段串联成连续信号 。222.提取算法 回声隐藏算法的最大难点在于秘密信号的 提取，其关键在于回声间距的确定。由于 回声信号是载体音频信号和引入回声信号 的卷积，因此在提取时需要利用语音信号 处理中的同态处理技术，利用倒谱相关测 定回声间距。在进行提取时，必须要确定 数据的起点并预先得到子帧的长度、时延 m0和m1等参数值。 (1)将接收到的数据按照预定的时长划分 为子帧。 (2)求出各段的倒谱自相关值，比较m0和 m1处的自相关幅值F0和F1，如果F0大于F1 ，则嵌入比特值为“0”；如果F1大于F0 ，则嵌入比特值为“1”。 234.3 简单扩频语音水印算法 【实验目的】 【实验环境】 【原理简介】 【实验步骤】24【实验目的】 了解扩频通信原理，掌握扩频 水印算法的基本原理，设计并 实现一种基于音频的扩频水印 算法，了解参数对扩频水印算 法性能的影响。25【实验环境】 (1) WindowsXP或Vista操作系 统 (2) MATLAB7.1科学计算软件 (3) WAV音频文件26【原理简介】 扩频是一种能在高噪声环境下可靠 传输数据的重要通信技术，其基本 原理是：信号在大于所需的带宽内 进行传输，数据的带宽扩展是通过 一个与数据独立的码字完成的，并 且在接收端需要该码字的一个同步 接收，以进行解扩和数据恢复。扩 频通信的特点是：占据频带很宽， 每个频段上的能量很低；即使几个 频段的信号丢失，仍可恢复信号； 利用相互正交的扩频码，可以在一 个宽频带内同时传输很多路信号。27 利用扩频通信具有拦截概率小 ，抗干扰能力强的优点可以设 计水印算法。 设计的一种简单的算法如下： 利用正交的PN序列代表0、1信 号，并将其叠加到信号DCT域 。提取水印时，利用PN序列的 正交性可以较为准确的恢复水 印。28【实验步骤】算法可分为四个部分实现： PN产生函数 嵌入算法 提取算法 测试脚本29测试步骤为： 选择载体音频； 产生水印或秘密信息（例如，每256个样点 嵌入1比特信息，由载体大小计算最多可嵌 入多少比特秘密信息）； 产生PN序列； 选择嵌入强度，嵌入水印； 保存携带水印的音频，可利用音频处理软 件对音频进行格式转换、重采样等攻击， 观察攻击后水印的恢复情况； 选择携带水印的音频； 提取水印； 计算误码率；30