一種抗DA/AD轉(zhuǎn)換攻擊的音頻信息隱藏算法★

鄭玉婷，梁猛，曹雅萍，王春河，劉繼紅（西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710121）

一種抗DA/AD轉(zhuǎn)換攻擊的音頻信息隱藏算法★

鄭玉婷，梁猛，曹雅萍，王春河，劉繼紅
（西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710121）

在經(jīng)歷播放和轉(zhuǎn)錄的音頻信息隱藏應(yīng)用系統(tǒng)中，DA/AD變換引起的攻擊是限制其性能的主要因素之一。通過(guò)分析DA/AD轉(zhuǎn)換過(guò)程中音頻信號(hào)線性伸縮、文件大小變化引起的失同步，提出了一種基于DCT域逐項(xiàng)定位的音頻信息隱藏算法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法能夠有效抵抗DA/AD轉(zhuǎn)換過(guò)程中的攻擊，具有良好的魯棒性。

音頻信息隱藏；DA/AD變換攻擊；DCT域定位；魯棒性

0 引言

音頻信息隱藏是以音頻作為載體，以不改變載體音頻音質(zhì)為前提，嵌入附加信息進(jìn)行傳輸?shù)囊环N技術(shù)［1］。透明性、魯棒性和容量是評(píng)價(jià)音頻信息隱藏技術(shù)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，它們之間聯(lián)系緊密，相互影響，良好的音頻信息隱藏算法應(yīng)該能夠均衡這三個(gè)性能指標(biāo)。附加信息可以在時(shí)域或變換域［2］嵌入音頻信號(hào)中實(shí)現(xiàn)隱藏，其中，時(shí)域信息隱藏實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但魯棒性差，而變換域信息隱藏因在透明性、魯棒性以及容量上都具有較好的效果而得到了學(xué)術(shù)界的青睞。常用的變換域有離散傅里葉變換［3］域，離散余弦變換DCT［4］域和離散小波變換 DWT［5］域。

數(shù)字音頻信號(hào)在播放和轉(zhuǎn)錄過(guò)程中，以DA/AD轉(zhuǎn)換為主的攻擊因素是制約音頻信息隱藏技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。DA/AD轉(zhuǎn)換通常包括數(shù)字音頻經(jīng)D/A后的播放、模擬信道傳輸和錄音過(guò)程中A/D。文獻(xiàn)［6］建立了上述DA/AD轉(zhuǎn)換過(guò)程的模型，分析結(jié)果表明音頻經(jīng)過(guò)DA/AD轉(zhuǎn)換受到的影響主要是波形失真和時(shí)軸上的線性伸縮，同時(shí)提出了一種基于小波域的音頻信息隱藏算法，該算法魯棒性上具有較好的效果，但選擇DWT域隱藏信息，算法復(fù)雜度高、嵌入信息容量小。文獻(xiàn)［7，8］根據(jù)人耳聽(tīng)覺(jué)特性，提出了一種DCT域音頻信息隱藏算法，該算法透明性好，但是沒(méi)有考慮DA/AD轉(zhuǎn)換過(guò)程帶來(lái)的失同步問(wèn)題，導(dǎo)致信息傳輸誤碼率高。

本文在分析音頻信號(hào)DA/AD轉(zhuǎn)換過(guò)程中各種攻擊影響的基礎(chǔ)上，采用類似文獻(xiàn)［9］以PN序列作為時(shí)域同步幀定位信息隱藏位置的思想，選取原始音頻若干段作為同步幀，提出了DCT域逐項(xiàng)定位法，以解決DA/AD轉(zhuǎn)換過(guò)程的音頻文件大小變化、線性伸縮等引起的失同步問(wèn)題。最后，以DCT域逐項(xiàng)定位方法為核心，設(shè)計(jì)了一種能夠抵抗DA/AD轉(zhuǎn)換攻擊的音頻信息隱藏新算法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法具有良好的魯棒性。

1 DA/AD變換對(duì)音頻信號(hào)的影響

經(jīng)過(guò)聲卡播放、模擬信道傳輸以及再錄制（包括采樣、量化、編碼［10］）的音頻信號(hào)經(jīng)歷了DA/AD轉(zhuǎn)換過(guò)程，可能產(chǎn)生幅度、相位等變化，這些變化會(huì)影響隱藏信息的傳輸質(zhì)量。本節(jié)在以往文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究DA/AD轉(zhuǎn)換對(duì)音頻信號(hào)的影響。

這里采用與文獻(xiàn)［5］類似的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分析DA/AD轉(zhuǎn)換過(guò)程對(duì)音頻信號(hào)的影響。其中音頻信號(hào)的發(fā)射和接收都使用PC機(jī)中的HD Audio標(biāo)準(zhǔn)集成聲卡，兩臺(tái)PC由一根1米音頻線直接連接。實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)送端播放WAV格式的音頻文件，接收端則使用錄音軟件進(jìn)行音頻錄制并保存為WAV文件。這里選用了高頻為主的笛聲樂(lè)s1.wav、低頻為主的鼓聲樂(lè)s2.wav和高低頻成分均衡的男女合聲樂(lè)s3.wav的單聲道音頻文件進(jìn)行研究，它們的采樣頻率、量化位數(shù)、時(shí)長(zhǎng)和大小分別為22.05KHz、16位、60s和2646062字節(jié)。DA/AD轉(zhuǎn)換對(duì)音頻信號(hào)的影響主要表現(xiàn)在幅值、音頻文件大小改變以及時(shí)軸上的線性伸縮等方面［5］。

1.1 幅值變化

數(shù)字音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)整個(gè)DA/AD轉(zhuǎn)換后，音頻幅值會(huì)發(fā)生顯著變化，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。在以往文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，分析可知這種變化是由于聲卡D/A轉(zhuǎn)換時(shí)放大器的放大、播放時(shí)音量的調(diào)節(jié)大小和模擬信道的抗衰減性造成的?？梢栽O(shè)置幅度因子α，根據(jù)幅值改變度，將轉(zhuǎn)換后的音頻幅值調(diào)整接近至原始幅度。

圖1 DA/AD轉(zhuǎn)換前后音頻信號(hào)波形圖Fig.1 The waveform of audio signal before and after the audio DA/AD conversion

1.2 音頻文件大小的變化

實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)送端和接收端對(duì)音頻文件的播放和錄制非嚴(yán)格同步，可造成音頻文件大小發(fā)生不同程度變化，見(jiàn)表1，這會(huì)影響音頻信息隱藏算法的信息傳輸誤碼率，因此設(shè)計(jì)DCT域逐項(xiàng)定位法來(lái)抵抗攻擊。

表1 DA/AD轉(zhuǎn)換后前后音頻文件大小Tab.1 Audio file size before and after the audio DA/AD conversion

1.3 時(shí)域音頻線性伸縮

音頻經(jīng)過(guò)DA/AD轉(zhuǎn)換，會(huì)發(fā)生相位改變，映射在時(shí)間軸上，表現(xiàn)為音頻的線性伸縮。線性伸縮與設(shè)備的聲卡品質(zhì)有關(guān)，文獻(xiàn)［5］中對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。在標(biāo)準(zhǔn)HD Audio的集成聲卡的實(shí)驗(yàn)條件下，線性伸縮（單位：字節(jié)）情況見(jiàn)表2。

表2 DA/AD轉(zhuǎn)換引起音頻文件線性伸縮Table.2 The time-scale modification of audio file from the DA/AD conversion

表2中，三個(gè)載體音頻在經(jīng)過(guò)DA/AD轉(zhuǎn)換后均出現(xiàn)了線性增加的情況，針對(duì)這種情況，在音頻信息隱藏過(guò)程中需要引入多同步定位機(jī)制來(lái)克服時(shí)域音頻線性伸縮的影響。

2 DCT域逐項(xiàng)定位法

針對(duì)音頻文件經(jīng)過(guò)DA/AD轉(zhuǎn)換后，出現(xiàn)文件大小改變的失同步現(xiàn)象，提出一種DCT域逐項(xiàng)定位法，該定位法先將時(shí)域音頻信號(hào)定位幀轉(zhuǎn)換到DCT域，再逐項(xiàng)定位，其步驟可總結(jié)如下：

1）選取定位幀，進(jìn)行DCT變換

選擇原始音頻x（n）上一幀長(zhǎng)為L(zhǎng)的音頻信號(hào)x1（n1）作為定位幀，其DCT變換為

2）逐項(xiàng)定位

時(shí)域信號(hào)容易受影響，而頻域相對(duì)穩(wěn)定，所以利用同步信號(hào)的頻域特征進(jìn)行定位。假設(shè)x（n）經(jīng)過(guò)DA/AD轉(zhuǎn)換為音頻信號(hào)逐項(xiàng)選取上以i為起始位置的長(zhǎng)為L(zhǎng)的信號(hào)記為，其DCT變換為

計(jì)算幀逐項(xiàng)差

其中α為幅度因子，值為：

依次改變i值，重復(fù)計(jì)算i?，最小i?值對(duì)應(yīng)的i即是音頻段x1（n1）經(jīng)過(guò)DA/AD轉(zhuǎn)換的DCT域系數(shù)起始位置。

圖2是DA/AD轉(zhuǎn)換前后x（n）信號(hào)的幀逐項(xiàng)差圖，可以看出音頻信號(hào)在經(jīng)過(guò)DA/AD轉(zhuǎn)換后出現(xiàn)失同步的情況下，利用DCT域逐項(xiàng)定位法可對(duì)其準(zhǔn)確定位。

3 基于DCT域逐項(xiàng)定位的音頻信息隱藏算法

DCT域逐項(xiàng)定位法能夠?qū)?jīng)DA/AD轉(zhuǎn)換過(guò)程的音頻進(jìn)行準(zhǔn)確定位，而引入多同步定位機(jī)制，便可消除線性伸縮對(duì)音頻信息的影響，以此為主旨進(jìn)行完整的音頻信息隱藏算法設(shè)計(jì)。

3.1 信息嵌入及提取

圖2 DA/AD轉(zhuǎn)換前后幀逐項(xiàng)差圖Fig.2 The Δibefore and after the audio DA/AD conversion

圖3 信息的嵌入Fig.3 The embedding process of information

序列名 采樣率（KHz） 長(zhǎng)度 特點(diǎn)P22.5 L 高頻為主Q 22.5 L 低頻為主

圖4 信息的提取Fig.4 The extraction of Information

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)以s1.wav、s2.wav及s3.wav為音頻載體，利用上述算法，每隔128000個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)置一同步幀，相鄰的同步幀間隱藏500個(gè)信息碼，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4顯示，算法在無(wú)DA/AD攻擊下達(dá)到零誤碼，在經(jīng)過(guò)DA/AD轉(zhuǎn)換攻擊后能夠獲得較低的誤碼率，具有良好的魯棒性。

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Experimental result

4 總結(jié)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了DA/AD轉(zhuǎn)換各種攻擊對(duì)數(shù)字音的影響，提出了一種DCT域逐項(xiàng)定位法，克服了，根時(shí)域音頻線性伸縮的影響。在上述基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的音頻信息隱藏算法經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，能夠有效抵抗DA/AD轉(zhuǎn)換中的各種攻擊，具有良好的魯棒性。

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An Audio Information Hiding Algorithm Against Attacks from D/A and A/D Conversions

ZHENG Yu-ting ， LIANG Meng， CAO Ya-ping， WANG Chun-he，LIU Ji-hong
（College of Electronical and Information Engineering inxi'an University of Posts & Telecommunications，xi'an 710121，China）

A DA/AD transform attack resistance of audio information hiding is to pick a transcribed to the digital audio broadcast after complex DA/AD conversion process， general audio information hiding algorithm is difficult to resist the process of attack， and poor practicability.Paper analyzed before and after the audio DA/AD conversion impact and put forward relevant solutions， is presented based on the positioning of the audio frequency DCT domain audio information hiding algorithm was proposed.The experimental results show that the algorithm can effectively resist attacks from DA/AD conversion， with strong robustness.

Audio information hiding； DA/AD conversions ； DCT domain localization； Robustness

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.03.003

ZHENG Yu-ting ， LIANG Meng， CAO Ya-ping， et al.An Audio Information Hiding Algorithm Against Attacks from D/A and A/D Conversions［J］.The Journal of New Industrialization， 2016， 6（3）∶ 13-17.

西安郵電大學(xué)研究生創(chuàng)新基金（CXL2014-26）

鄭玉婷（1987-），女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)；梁猛（1973-），男，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事圖像及音頻處理技術(shù)、光通信技術(shù)研究；曹雅萍（1988-），女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娮优c通信工程；王春河（1989-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娮优c通信工程；劉繼紅（1977-），男，教授，從事Raman光放大器的偏振相關(guān)效應(yīng)、高速光纖通信系統(tǒng)中的偏振測(cè)量與控制研究

本文引用格式：鄭玉婷，梁猛，曹雅萍，等.一種抗DA/AD轉(zhuǎn)換攻擊的音頻信息隱藏算法［J］.新型工業(yè)化，2016，6（3）：13-17.