基于語音編碼中自適應(yīng)碼本的隱藏信息方法

楊婉霞，孫東紅，黃永峰

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，甘肅 蘭州730070；2.清華大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京100084）

0 引 言

信息隱藏是一種在最近幾年開始得到應(yīng)用的信息安全傳遞技術(shù)。但目前信息隱藏所使用隱藏載體主要是圖像和視頻等文件，對使用語音、特別是低速率語音作為隱藏載體的研究成果卻比較少。然而，在目前人們網(wǎng)絡(luò)交互方式中，語音通信是主要方法。例如，電話、移動通信、VoIP（voice over IP）、語音即時通信等等 。而且這些語音通信中，基本都是采用低速率語音編碼。因此，研究以低速率語音為信息隱藏載體具有十分重要的學(xué)術(shù)意義和實際價值。目前，比較流行的低速率編碼典型代表有 G.723.1、G.729a等。尤其是專為互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的低速率語音編解碼器iLBC （internet low bit rate codec），因 其 語 音 質(zhì) 量 優(yōu) 于G.729A和G.723.1等常用低速率語音編碼器，以及具有良好抗丟包性能，日益得到越來越多的應(yīng)用。例如SKYPE之所以發(fā)展如此迅猛，主要歸功于使用了iLBC語音編碼。因此，研究以iLBC為隱藏載體的信息隱藏技術(shù)，具有很大應(yīng)用前景［1］。然而，由于信息隱藏技術(shù)是利用媒體信息中的冗余來嵌入秘密信息，而低速率語音在壓縮編碼過程中盡可能大的去除冗余信息，而且人耳對語音極其敏感。因此，如何在低速率語音中實現(xiàn)信息隱藏是十分具有挑戰(zhàn)性的研究方向。

1 相關(guān)研究工作

目前，針對低速率壓縮編碼器的信息隱藏研究內(nèi)容還比較少，傳統(tǒng)的語音信息隱藏方法針對的對象是脈沖編碼調(diào)制 （pulse－code modulation，PCM）［2］。這些方法都難以直接應(yīng)用于低速率壓縮語音。原因是語音信號經(jīng)過壓縮，已經(jīng)去除了很多冗余信息，使得信息嵌入容量有限且難以提取。目前與低速率語音壓縮信息隱藏算法相關(guān)的研究有：Chang等人提出了適用于 MELP和G.729a編碼的基于多級矢量量化信息隱藏算法［3］；Huang等人也引入了LSB（least significant bit）matching 的方法替代傳統(tǒng)的 LSB 方法，取得了較好的隱藏效果［4］。Yang等人通過對G.729a算法特性的研究，提出了一種基于碼書位置向量的信息隱藏算法，并通過抗噪性分析得出了固定碼書是適合信息隱藏的最佳位置的結(jié)論［5］。Xiao等人引入量化索引調(diào)制（quantization index modulation，QIM）方法提出了一種針對低速率語音編碼的信息隱藏方法［6］。文獻 ［7，8］等從不同角度分析了G.729a幀中的各參數(shù)，總結(jié)了G.729a中可用于信息隱藏的且具有較高透明性的最低有效位。

從目前國際國內(nèi)的研究現(xiàn)狀來看，雖然有一些針對低速率語音壓縮的研究成果，但大部分只是對編碼參數(shù)簡單的LSB和改進的LSB嵌入算法，這樣的算法不僅容易受到統(tǒng)計檢測攻擊，而且容易對重構(gòu)語音質(zhì)量造成較大的影響［10］。因此，如何更有效的利用參數(shù)壓縮編碼特點，研究在語音編碼的壓縮域中進行信息隱藏是本文研究的主要問題。

2 基于iLBC編碼的壓縮域信息隱藏方法

2004年12月IETF發(fā)布了專為互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的編解碼算法iLBC。iLBC的語音質(zhì)量優(yōu)于G.729A和G.723.1。在出現(xiàn)丟包時，仍可以獲得非常清晰的語音效果，其語音質(zhì)量更要優(yōu)于其他低比特率編碼方式，這是iLBC算法得到越來越多的應(yīng)用原由。因此，研究iLBC的信息隱藏方法成為一個熱點。

2.1 基于iLBC編碼原理

iLBC是基于碼本激勵線性預(yù)測模型。該模型對語音進行一系列分析，得到一組能夠表示語音特征的參數(shù)，將這些參數(shù)編碼封裝發(fā)送，接收方根據(jù)接收到的這些特征參數(shù)對語音進行恢復(fù)。因此，iLBC語音編碼經(jīng)歷了多個編碼環(huán)節(jié)，其中之一是自適應(yīng)碼本編碼。論文針對iLBC的自適應(yīng)碼本編碼過程特點，建立一種基于動態(tài)碼本量化的信息隱藏算法。

（1）碼本存儲構(gòu)建。碼本是由碼本存儲構(gòu)成的，碼本存儲的大小為85／147bit。下面以30ms幀為例分析碼本存儲的構(gòu)建原理。如圖1所示。初始狀態(tài)是第二和第三個子幀的后58個樣本，編碼時，在初始狀態(tài)前的子塊的碼本存儲要進行時間反轉(zhuǎn)。首先編碼的是子塊1，由于位于開始狀態(tài)前，所以要進行反轉(zhuǎn)，由于存儲有85位，而初始狀態(tài)只有58位，剩余的位用0填滿。如1（b）所示。編碼子塊2時，子塊1已經(jīng)編碼完成，對應(yīng)的碼本存儲如1（c）所示，碼本存儲有147位，剩余用0填充。對子塊3，4也如此。對于子塊5，由于在初始狀態(tài)之前，所以碼本存儲要進行時間反轉(zhuǎn)，如1（f）所示。

圖1 子塊編碼順序及對應(yīng)的碼本存儲

（2）碼本的構(gòu)建：碼本由基礎(chǔ)碼本和擴展碼本兩部分組成，基礎(chǔ)碼本和擴展碼本都包含一個稱為增值碼本的部分。將碼本存儲通過一個8階的FIR濾波器，然后按照基礎(chǔ)碼本的建立方法得到一個擴展碼本。擴展碼本其實是基礎(chǔ)碼本中向量的線性組合。擴展碼本中也含有增值碼本。增值碼本擁有20個碼字，建立方法如圖2所示。增值碼本的第一個碼字以碼本存儲中的第127個數(shù)據(jù)開始，由三部分組成：第一部分是圖中指針pp之后的15個數(shù)據(jù)；第二部分是指針pp前的5個數(shù)據(jù)和最后5個數(shù)據(jù)的線性組合；第三部分是由指針pp后的20個數(shù)據(jù)構(gòu)成。

圖2 增值碼本創(chuàng)建過程

（3）碼本搜索。碼本搜索三級增益形成匹配方法。首先計算出每個階段的最佳匹配向量，然后計算最佳匹配向量的增益并量化增益，更新目標(biāo)向量進行下一階段的匹配。碼本搜索的主要步驟如下：

1）最佳匹配感知權(quán)重向量需要滿足如下3個條件：

a.計算度量，如公式 （1）所示：選擇碼本中的碼字向量使其最大

公式 （1）cbvec表示選擇的碼本向量，target表示目標(biāo)碼本向量。

c.在第一階段匹配時，選擇最佳碼本向量與目標(biāo)向量的點積必須大于0，即滿足式 （3）

2）量化每個階段的增益。3個階段的增益都要進行量化，分別使用5、4和3位來進行量化。

3）更新感知權(quán)重目標(biāo)。在執(zhí)行第二第三階段的搜索之前，要用加權(quán)后的目標(biāo)向量減去選擇的目標(biāo)碼本乘以相應(yīng)的量化后的增益來更新感知加權(quán)的目標(biāo)向量。

2.2 基于碼本搜索的壓縮域隱藏方法

基于上述自適應(yīng)碼本構(gòu)建過程，采用QIM （quantization impulse modulation）原理來建立一種基于iLBC動態(tài)碼本量化的信息隱藏方法，如圖3所示。因為，動態(tài)碼本中的碼字相對較多，對其實現(xiàn)信息隱藏所帶來的誤差，相比之下對語音質(zhì)量影響較??；而且，動態(tài)碼本進行編碼時分為3個階段，每個階段結(jié)束以后都會對目標(biāo)向量進行更新，也就是說在第一階段和第二階段量化都是精確的，只有第三階段會產(chǎn)生量化誤差，這就保證了語音的質(zhì)量。但是，動態(tài)碼本和其他3個位置的靜態(tài)碼本的不同點在于：在編碼過程中動態(tài)碼本身是一直在改變的，編碼每個子幀時都要對動態(tài)碼本進行分區(qū)，而靜態(tài)碼本分區(qū)一次就可以。

圖3 壓縮域隱藏信息的嵌入方法

（1）隱藏信息的嵌入算法設(shè)計

在自適應(yīng)碼本的編碼過程中，根據(jù)嵌入機密信息的比特來控制選擇是在奇數(shù)索引還是偶數(shù)索引所代表的碼本中進行匹配。動態(tài)編碼一共3個階段，因此要重復(fù)三次，具體嵌入算法的流程如下所述。

信息隱藏的嵌入算法描述

1）將機密信息經(jīng)過處理得到二進制的秘密信息比特流。

2）對得到的二進制秘密信息利用偽隨機碼發(fā)生器進行加密操作。得到加密后的二進制比特流。

3）由碼本存儲構(gòu)成待編碼子幀編碼所需的動態(tài)碼本。

4）動態(tài)編碼第一階段，根據(jù)當(dāng)前需要嵌入的機密信息的值來選擇所需碼本，若機密信息為1則選擇在索引為奇數(shù)的碼字作為當(dāng)前碼本，若機密信息為0則在索引為偶數(shù)的碼字作為當(dāng)前碼本。

5）對目標(biāo)向量與當(dāng)前碼本中碼字進行匹配，得到索引號以及增益。然后對目標(biāo)向量進行更新。秘密信息已經(jīng)嵌入，向后移一位。

6）動態(tài)編碼第二階段，重復(fù)4）5）的操作。

7）動態(tài)編碼第三階段，重復(fù)4）5）的操作。

8）若秘密信息已經(jīng)嵌入完畢或已無載體則結(jié)束，否則回到第3）步。

（2）信息隱藏的提取算法設(shè)計

在接收端收到含有秘密信息的語音信號時，對其進行iLBC解碼，然后獲取秘密信息。如圖4所示。解碼的第1步驟是解析編碼參數(shù)，其中最主要的是碼本索引參數(shù)。碼本索引參數(shù)記錄的是在編碼時動態(tài)編碼3個階段選擇的最佳匹配向量的索引號，根據(jù)索引號的奇偶性就可以判斷嵌入比特位。

圖4 壓縮域隱藏信息的提取方法

提取算法描述

1）接收端對接收到的語音包進行解析，并獲取各個參數(shù)。

2）對其中碼本索引的參數(shù)進行分析獲得索引的值。注意此時解析的是一幀數(shù)據(jù)而不是一個子幀，因此對20ms的幀而言，獲得的碼本索引參數(shù)包含9bit的秘密信息，對于30ms的幀，獲得的碼本索引參數(shù)包含15bit的秘密信息。

3）判斷索引值的奇偶來決定當(dāng)前秘密信息位是0還是1。

4）將提取得到的秘密信息進行整合，形成機密信息比特流。

5）通過利用和發(fā)送方相同的密鑰，對加密的機密信息流進行解密處理，獲得被隱藏的秘密信息。

3 算法實驗結(jié)果與性能分析

對于一種信息隱藏性能分析，主要是從隱蔽性和隱藏容量兩個方面來衡量［11］。

3.1 隱藏容量分析

通過對上述隱藏算法的分析可以從理論上計算得到二種不同幀結(jié)構(gòu)下的機密信息隱藏容量：

（1）對于30ms幀結(jié)構(gòu)的隱藏容量

由前面動態(tài)碼本編碼原理分析可知：由于每個幀分為5個子幀，每個子幀進行了3個階段量化編碼，嵌入算法是動態(tài)碼本分區(qū)來隱藏信息。因此，可以得到30ms幀結(jié)構(gòu)下的信息隱藏容量如式 （4）來計算

（2）對于20ms幀結(jié)構(gòu)的隱藏容量

同理，我們也可以建立20ms幀結(jié)構(gòu)的隱藏容量計算方法，如式 （5）來計算。由于20ms幀結(jié)構(gòu)分為3個子幀

從計算結(jié)果可以看出，這種算法的隱藏容量對低速率語音編碼載體來說，是比較理想的結(jié)果。

3.2 iLBC編碼信息隱藏算法的隱蔽性分析

對于以語音為載體的信息隱藏算法，其隱蔽性的好壞主要對比測試載密和非載密情況的語音質(zhì)量。對語音質(zhì)量的評價，國際上常采用標(biāo)準(zhǔn)語音質(zhì)量評測工具來測試PESQ值［11］。本文也是采用該方法來評價隱藏算法的隱蔽性。

實驗采用中文男聲、中文女聲、英文男聲、英文女聲4組不同類型的語音樣本。每組語音各有20段。首先要判斷隱藏信息提取的準(zhǔn)確性，然后通過對只進行編解碼不隱藏信息得到的語音質(zhì)量和進行隱藏后得到的語音質(zhì)量的比較，來判斷隱藏算法的優(yōu)劣。語音質(zhì)量的好壞用PESQ值來表示。對iLBC編碼，有兩種幀結(jié)構(gòu)，下面分別對這二種幀進行測試。其中圖5是30ms幀結(jié)構(gòu)下的隱蔽性測試結(jié)果，分別對比了進行信息隱藏和未信息隱藏時20段語音樣本對應(yīng)的PESQ值。圖6是20ms幀結(jié)構(gòu)下的隱蔽性測試結(jié)果，對比了進行信息隱藏和未信息隱藏時20段語音樣本對應(yīng)的PESQ值。

通過對不同種類的語音載體進行測試，可以看出在信道良好的條件下，iLBC語音編碼中的隱藏算法能夠保證秘密信息的準(zhǔn)確性。同時載體語音的質(zhì)量也沒有受到嵌入機密信息的影響而產(chǎn)生很大變化。另外，也可以看出對于環(huán)境情況不太好時，即有很多噪音時，隱藏算法對語音質(zhì)量改變相對較小，這是因為秘密信息對于載體語音而言就相當(dāng)于噪聲，有一部分秘密信息湮沒在了噪聲中，因此，對語音質(zhì)量改變較小，隱蔽性會更好些。

另外，對PESQ平均值和方差進行了進一步分析，計算了不同條件的平均值和方差，從而來評估隱藏算法隱蔽性能的平穩(wěn)性。其中，表1是4組語音測得PESQ平均值，以及與文獻 ［8］隱藏算法 （CNV）的隱蔽性比較。該算法也是采用QIM方法進行隱藏，但是采用靜態(tài)碼本，本文是采用動態(tài)碼本。表2是4組語音測得PESQ值變化的平均值和方差。

表1 4組語音測得PESQ平均值

從表1可以看出，論文采用動態(tài)碼本載體的隱藏方法， 從語音質(zhì)量的隱蔽性比文獻 ［8］靜態(tài)載體要好，文獻 ［8］采用的CNV碼本隱藏方法是目前國際性能最好方法之一。而且，本論文提出的動態(tài)載體還具有對抗統(tǒng)計分析的隱蔽性能。另外，從表1表2中還可以發(fā)現(xiàn)，相對于非載密情況，載密條件下語音質(zhì)量的PESQ值的方差增大。也就是說，在iLBC語音編碼使用隱藏算法來隱藏信息情況下，語音質(zhì)量更容易受到外界的干擾。同時，還可以發(fā)現(xiàn)iLBC20ms幀結(jié)構(gòu)比30ms幀結(jié)構(gòu)更能獲得穩(wěn)定的語音質(zhì)量。

表2 4組語音測得PESQ值變化的平均值和方差

最后，我們還對30ms幀結(jié)構(gòu)和20ms幀結(jié)構(gòu)的隱蔽性進行了比較。主要是對比分析了30ms幀結(jié)構(gòu)和20ms幀結(jié)構(gòu)在載密情況下的語音質(zhì)量變化情況。iLBC的這兩種幀結(jié)構(gòu)在具體應(yīng)用中產(chǎn)生的效果不一樣，將4種不同的聲音樣本共80段語音經(jīng)過iLBC編解碼后語音質(zhì)量關(guān)系如圖7所示。

圖7 20ms和30ms幀的PESQ值比較

從圖7中可以得到以下結(jié)論：①僅對于iLBC語音編碼而言，選擇20ms或30ms幀結(jié)構(gòu)對語音質(zhì)量的影響基本一樣。不同的只是傳輸速率。②對于動態(tài)碼本信息隱藏算法而言，更適合用20ms幀結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，從圖上可以看出，20ms幀結(jié)構(gòu)隱藏后的語音質(zhì)量明顯比30ms幀結(jié)構(gòu)要好，因此以后選用此方法進行隱藏時用20ms幀結(jié)構(gòu)較好。

4 結(jié)束語

基于低速率語音編碼的信息隱藏是一項非常具有挑戰(zhàn)性工作。論文選擇目前廣泛應(yīng)用的iLBC語音為研究對象，提出了一種基于動態(tài)碼本量化過程的壓縮域的信息隱藏方法，并研發(fā)了一套基于信息隱藏功能的iLBC編解碼軟件。實驗測試表明，該算法具有較好隱藏容量和很好隱蔽性能，特別是具有很好的對抗統(tǒng)計分析檢測能力。而且，該隱藏算法由于實現(xiàn)了編碼和隱藏計算的共享。因此該方法還有一個優(yōu)點是運行速度快，算法復(fù)雜度低?？梢詰?yīng)用于網(wǎng)絡(luò)閾下信道的構(gòu)建等。未來的工作是進一步分析iLBC語音其他特征，進一步提高隱藏容量。

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