一種基于弦樂配器的音樂隱寫方法

朱照華，王健宗，肖 京

(平安科技(深圳)有限公司，深圳 518000)

隱寫術(shù)是藝術(shù)與科學(xué)相結(jié)合的信息安全技術(shù)，該技術(shù)將秘密信息以不可見的方式隱藏到看似平常的載體當(dāng)中.較加密術(shù)而言，隱寫術(shù)隱藏了秘密信息的存在性，因而在某種程度上可以實現(xiàn)更好的安全性.隱寫術(shù)的這一特點使其近些年來得到了巨大的發(fā)展，隱寫載體也從最開始的圖像發(fā)展到如今涵蓋幾乎所有的多媒體介質(zhì)[1].音樂作為一種具有典型特性的載體，近些年來得到了研究者的普遍關(guān)注.音樂中存在著大量的感官冗余，不同的人對于音樂都有著不同的解讀方式，同時音樂本身所具有的多樣性和抽象性的特點也使得音樂成為一種理想的載體.音樂隱寫術(shù)是一種由古老的音樂加密術(shù)發(fā)展而來的信息安全技術(shù)，其目的在于以一種不可感知的方式將秘密信息隱藏在形如旋律、伴奏等音樂內(nèi)容當(dāng)中.本文所說的音樂隱寫術(shù)不同于音頻隱寫術(shù)，前者是利用音樂內(nèi)容中存在的冗余進(jìn)行隱寫，而后者是通過音頻信號編碼格式中存在的冗余進(jìn)行隱寫.

從現(xiàn)有的研究來看，音樂隱寫術(shù)根據(jù)其嵌入載體和嵌入方式的不同大致可分為兩個主要類別： 基于音高調(diào)制的音樂隱寫術(shù)和基于音樂表現(xiàn)力調(diào)制的音樂隱寫術(shù).基于音高調(diào)制的音樂隱寫術(shù)根據(jù)秘密信息直接修改相關(guān)音符的音高來實現(xiàn)嵌入，音樂加密術(shù)是這類方法最早的一個應(yīng)用.Bach利用羅馬字母形狀和音樂音符之間的相似性將自己的名字用特定的音符序列表示，并使用在他的音樂作品當(dāng)中[2].Hutchinson[3]設(shè)計了一套編碼規(guī)則，即根據(jù)待嵌入信息中不同字母的數(shù)量設(shè)計對應(yīng)的音符編碼，然后將編碼后的音符嵌入到音樂旋律的指定位置.該類方法雖然可以成功地實現(xiàn)秘密信息的嵌入，但是對此類方法規(guī)則的設(shè)計需要仔細(xì)考慮，一有不當(dāng)就會使得嵌入了秘密信息后的音樂聽起來十分怪異.基于音樂表現(xiàn)力調(diào)制的音樂隱寫術(shù)通過修改音樂當(dāng)中與音樂表現(xiàn)力相關(guān)的參數(shù)(如： 力度、時值、節(jié)拍)來進(jìn)行秘密信息的隱藏.Aldi等[4]提出了3種有效的隱寫方法將秘密信息分別嵌入到MIDI格式音樂的相關(guān)指令當(dāng)中.Yamamoto等[5]分析了MIDI格式音樂中時值的編碼特點，提出了一種將秘密信息隱藏到音符時值波動中的隱寫方法.Szczypiorski[6]設(shè)計了一種全新的隱寫方法，通過改變音樂中每一個節(jié)拍的速度將秘密信息嵌入到MIDI格式的電子樂當(dāng)中.此類方法基本不會改變音樂原有的特點，并且可以實現(xiàn)不錯的隱藏容量.

本文著重研究基于音高調(diào)制的音樂隱寫術(shù).目前，這類方法主要在音樂的旋律部分進(jìn)行秘密信息的隱藏，但是人們?nèi)粘＝佑|的音樂往往都不是單一的旋律，而是由一個旋律聲部編配上許多不同的配器聲部組成，在這些配器聲部中尚沒有行之有效的隱寫方法.配器聲部在音樂中一般指音樂的伴奏部分，主要用于豐富旋律的色彩，相比旋律聲部而言，人們在聽覺上對配器聲部往往有著更好的包容性，并且在聽到一首音樂時人們會更加注重旋律的好聽與否，而對配器聲部往往不會有過多的關(guān)注.因此，在此背景下，本文以音樂中的弦樂配器聲部為研究對象，提出了一種基于弦樂配器的音樂隱寫方法.該方法以MIDI格式音樂為基礎(chǔ)，從音樂理論的角度出發(fā)，通過秘密信息調(diào)制配器小節(jié)中不同類別音符的比例來進(jìn)行秘密信息的嵌入.理論分析和實驗結(jié)果表明本文的方法可以在保證嵌入透明性的同時實現(xiàn)不錯的隱藏容量和很好的安全性.

1 一種基于弦樂配器的音樂隱寫方法

本文首先通過一個經(jīng)典的囚徒模型[7]展示了音樂隱寫術(shù)的一個基本框架，如圖1所示.假設(shè)消息的發(fā)送方Alice想要在一個公開信道上將一份秘密信息傳遞給接收方Bob.為了實現(xiàn)這一過程，Alice設(shè)計了一個嵌入算法將秘密信息隱藏到一首音樂的MIDI文件當(dāng)中，然后通過一個公開的信道將信息發(fā)送給Bob.當(dāng)接收到載密文件之后，Bob使用相應(yīng)的提取算法從中提取出Alice嵌入的秘密信息從而完成秘密信息的傳遞.本文所提出的模型將秘密信息隱藏到音樂的弦樂配器當(dāng)中，具體做法描述如下.

圖1 音樂隱寫術(shù)的基本框架Fig.1 The basic framework of musical steganography

步驟1加密操作.通過秘鑰key1隨機生成一段與秘密信息長度一致的二進(jìn)制序列S1={s1,1,s1,2,…,s1,LM}行加密操作，表述如下：

(1)

步驟2嵌入位置決策.本文的方案是根據(jù)某個音符的時值和節(jié)拍力度來作為該位置是否用于信息嵌入的判斷依據(jù).節(jié)拍力度是與音樂韻律有關(guān)的參數(shù)，可以表示不同位置的節(jié)拍強度，對于第i個聲音Ti而言，其所處節(jié)拍的節(jié)拍力度αi通過式(2)來計算：

αi=2-1×σ,

(2)

其中：

(3)

θj=λj∧s2,j,

(4)

其中： ∧表示與操作；λi表示決策參數(shù).當(dāng)βj≤r時，λi=1；否則λi=0.r為發(fā)送方指定的嵌入閾值.

(5)

對P中每一個小節(jié)的音符重復(fù)進(jìn)行同樣的操作即可得到嵌入了信息之后的音樂.

為了清楚地展示嵌入模型，本文通過一個實例來對方法進(jìn)行描述.圖2所示為一首音樂弦樂配器聲部的部分樂段，該樂段拍號為A/B=4/4，配器為原聲吉他.該樂段中聲音記為P={T1,T2,…,T16}={{c1},{e1,g1,c2},{g},{g1,c2,e2},{c1},{g1,c2,e2},{g},{g1,c2,e2},{c1},{e1,g1,c2},{g},{e1,g1,c2},{c1},{g1,c2,e2},{g},{e1,g1,c2}，其所對應(yīng)的和弦序列C={C1,C2,C3,C4}，其中C1=C2=C3=C4={C,E,G}.在選取r<0.01的條件下，計算出P中各個聲音位置的嵌入?yún)?shù)為{0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1}.對第1個和弦C1而言，O1={3,3,2}，假設(shè)當(dāng)前嵌入到C1當(dāng)中的秘密信息比特為{1,1,1}，那么C1中所包含的樂音數(shù)量將會被調(diào)制為O1={3,3,1}，即嵌入秘密信息之后T1中的音符將會變?yōu)閧{c1},{g1,c2},{g},{g1,c2,e2}}.

圖2 音樂嵌入實例Fig.2 Music embedding example

相應(yīng)地，信息提取過程描述如下：

步驟1接收方首先通過音符的時值和節(jié)拍力度計算出每個聲音在音樂節(jié)拍中所占的重要性比值，然后通過約定的秘鑰key2生成二進(jìn)制序列S2={s2,1,s2,2,…,s2,LP}，并利用式(4)計算出相應(yīng)的嵌入?yún)?shù)θj.

(6)

步驟3接收方通過秘鑰key1生成二進(jìn)制序列S1={s1,1,s1,2,…,s1,LM}，然后通過式(7)逐位對提取出的秘密信息比特進(jìn)行解密操作即可以得到最終的嵌入信息：

(7)

ξ=μ×(LC-γ).

(8)

2 性能評價

為了評價本文方案的性能，本文對從互聯(lián)網(wǎng)中搜集的30首分別隸屬于流行、民謠、爵士風(fēng)格的音樂樣本進(jìn)行秘密信息的嵌入，所有實驗音樂樣本都具有單一的吉他配器聲部.對每一個音樂樣本，分別在r=1，r=0.5，r=0.25和r=0.125這4種嵌入閾值下將秘密信息嵌入到其吉他配器聲部當(dāng)中，在嵌入過程中所有的秘密信息都是隨機生成的并且能成功地嵌入到所有的音樂樣本當(dāng)中.4種嵌入閾值下本文方案在不同音樂樣本中的嵌入容量如圖3所示，對應(yīng)的音樂樣本中配器內(nèi)的和弦密度和聲音密度如圖4所示.圖3和圖4分別表示每個小節(jié)內(nèi)的和弦數(shù)量的高低以及每個小節(jié)內(nèi)音符之間節(jié)拍距離的分布差異，其中和弦密度越高的音樂樣本其和弦變化越豐富，聲音密度越高的音樂樣本其配器在一個小節(jié)內(nèi)織體的進(jìn)行越不平穩(wěn).從這些圖中可以得出2個結(jié)論： 第一，本文方案在不同的音樂樣本當(dāng)中的嵌入容量并不相同，對在嵌入閾值為1中隱藏容量較大的音樂樣本，如樣本8，17，20，21，其和弦密度大于其他樣本的和弦密度，這表明和弦變化豐富的音樂樣本中的配器聲部比和弦變化不豐富的音樂樣本中的配器聲部有著更大的隱藏容量；第二，本文方案對于同一首音樂樣本而言在不同嵌入閾值下的嵌入容量并不完全相同，同一首音樂樣本在低嵌入閾值下的隱藏容量比高嵌入閾值下的有所降低，并且當(dāng)嵌入閾值下降到某一個特定的值后，部分樣本的隱藏容量會降為0，例如樣本5，12，16，19，22，24在嵌入閾值為0.125時隱藏容量已經(jīng)全部降至為0，相應(yīng)地，這些音樂樣本配器聲部中的和弦密度都為0，這說明音樂樣本配器聲部中織體的差異也會影響其中可以嵌入的秘密信息的容量，對配器聲部中織體進(jìn)行比較平穩(wěn)的音樂樣本而言其隱藏容量更容易受嵌入閾值的影響.因此，在實際的嵌入過程中，可以通過選擇和弦變化更加豐富并且織體進(jìn)行更加多變的音樂來獲得更大的隱藏容量.另外，在嵌入閾值r=0.125時部分實驗樣本在10%～100%嵌入率下的嵌入容量如圖5所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)在本文所提出的方案中，實際的嵌入容量和理論的嵌入容量基本上是一致的，這也進(jìn)一步說明了本文方案的正確性.

圖3 4種嵌入閾值下本文方案在不同音樂樣本中的嵌入容量Fig.3 Embedding capacity of this scheme in different music samples under four embedding thresholds

圖4 音樂樣本配器內(nèi)的和弦密度和聲音密度Fig.4 Chord density and sound density in instruments of music samples

圖5 不同嵌入率下部分音樂樣本的嵌入容量Fig.5 Embedding capacity of some music samples with different embedding rates

此外，本文通過盲聽測試(ABX blind test)來對方案的隱寫透明性進(jìn)行驗證.為此文中創(chuàng)建了3個測試集，每個測試集中包含有5首原始的音樂和5首嵌入了秘密信息的載密音樂.實驗者中包含有10名普通的參與者，10名信息隱藏領(lǐng)域的研究者和10名音樂愛好者.在實驗過程中，如果實驗者聽完音樂后認(rèn)為是原始的音樂，則標(biāo)記為A；如果認(rèn)為是載密音樂，則標(biāo)記為B.相關(guān)的實驗結(jié)果見表1.通過測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，參與者對于原始音樂和載密音樂的分辨正確率近似于隨機選擇一個的正確率(50%)，因此可以說明實驗者都無法準(zhǔn)確地區(qū)分原始音樂和載密音樂，這表明本文提出的實驗方案具有著很好的透明性.

表1 盲聽測試的實驗結(jié)果

3 結(jié) 語

本文提出了一種基于弦樂配器的音樂隱寫方法，以音樂理論為驅(qū)動來實現(xiàn)秘密信息在音樂弦樂配器聲部當(dāng)中的嵌入.該方法首先通過音樂當(dāng)中每個音符的時值和節(jié)拍力度計算出相關(guān)參數(shù)來判斷音樂弦樂配器聲部中可以用于嵌入的聲音位置，然后通過改變配器聲部中不同類別音符的比例來實現(xiàn)秘密信息的嵌入.理論分析和實驗結(jié)果表明本文的方法可以在保證嵌入透明性的同時實現(xiàn)不錯的隱藏容量和很好的安全性.