基于十六進(jìn)制編碼信息的音頻篡改技術(shù)

文/艾紹新 顧麗麗 張宇 曲福娟 張薇

1 前言

近年來，科技發(fā)展越來越快，數(shù)字信息已經(jīng)滲透到人們身邊的方方面面，音頻處理軟件的種類也越來越多。在給人們帶來便利的用時(shí)，也產(chǎn)生了許多隱患，比如司法鑒定中音頻真實(shí)性驗(yàn)證，這樣會(huì)對(duì)社會(huì)的安定與和和諧帶來影響。早在1960年，美國聯(lián)邦調(diào)查局就已經(jīng)展開對(duì)音頻文件的研究，1970年“水門事件”的發(fā)生，逐步將音頻文件鑒定發(fā)展成為司法鑒定的一個(gè)重要分支，早期的音頻文件鑒定主要是對(duì)模擬聲音信號(hào)進(jìn)行鑒定，到目前為止，已經(jīng)取得了不錯(cuò)的成果，近年來，美國Dartmouth大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，將篡改音頻會(huì)引入非自然的高階相關(guān)性的性質(zhì)，取得了較好的研究成果，羅馬尼亞的取證工作者通過分析電網(wǎng)頻率的變化，實(shí)現(xiàn)了篡改音頻的鑒定，德國馬格德堡大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了用于說話人所處環(huán)境的檢測(cè)方法。目前，圖像與視頻的鑒定取證技術(shù)已經(jīng)取得重大突破，但是音頻文件的真實(shí)性鑒定還處于探索階段，所以本文對(duì)于音頻文件的篡改技術(shù)研究具有重大意義。

2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境介紹

本次研究實(shí)驗(yàn)主要借助的是GoldWave、Adobe Audition和HexCmp三個(gè)軟件。進(jìn)行的篡改操作包括增加，刪除，剪切與原文件導(dǎo)出等，本實(shí)驗(yàn)的單類型文件均達(dá)到一定數(shù)量，且篡改操作也做了多種樣本。增加操作是在原文件上隨機(jī)位置復(fù)制隨機(jī)長度的文件粘貼到原文件的隨機(jī)位置，刪除操作是在隨機(jī)位置刪除隨機(jī)長度的文件，剪切操作是在原文件上隨機(jī)位置剪切一段長度后粘貼到原文件上，保持原文件長度不變，本次實(shí)驗(yàn)研究用到的所有樣本處理前后的采樣率、位深、碼率等基礎(chǔ)信息不發(fā)生變化。

圖1：原文件

圖2：處理后文件

圖3：原文件

圖4：處理后文件

圖5：原文件

圖6：處理后文件

GoldWave是一個(gè)功能強(qiáng)大的數(shù)字音樂編輯器，是一個(gè)集聲音編輯、播放、錄制和轉(zhuǎn)換的音頻工具。它還可以對(duì)音頻內(nèi)容進(jìn)行轉(zhuǎn)換格式等處理，支持許多格式的音頻文件，包括WAV、OGG、VOC、 IFF、AIFF、 AIFC、AU、SND、MP3、 MAT、 DWD、 SMP、 VOX、SDS、AVI、MOV、APE等音頻格式。你也可從CD、VCD和DVD或其它視頻文件中提取聲音。內(nèi)含豐富的音頻處理特效，從一般特效如多普勒、回聲、混響、降噪到高級(jí)的公式計(jì)算(利用公式在理論上可以產(chǎn)生任何你想要的聲音)。

Audition專為在照相室、廣播設(shè)備和后期制作設(shè)備方面工作的音頻和視頻專業(yè)人員設(shè)計(jì)，可提供先進(jìn)的音頻混合、編輯、控制和效果處理功能。最多混合 128 個(gè)聲道，可編輯單個(gè)音頻文件，創(chuàng)建回路并可使用 45 種以上的數(shù)字信號(hào)處理效果。它是 Cool Edit Pro 2.1 的更新版和增強(qiáng)版。此漢化程序已達(dá)到98%的信息漢化程度。

Fairdell HexCmp 是一個(gè)可視化的十六進(jìn)制文件編輯工具,程序可以幫助你快速的輕松的比較兩個(gè)文件,并可以對(duì)文件進(jìn)行編輯操作,程序還擁有強(qiáng)大的搜索功能,可以執(zhí)行基于十六進(jìn)制或者字符的搜索操作。

3 實(shí)驗(yàn)操作

3.1 MP3文件

MP3是一種音頻壓縮技術(shù)，其全稱是動(dòng)態(tài)影像專家壓縮標(biāo)準(zhǔn)音頻層面3(Moving Picture Experts Group Audio Layer III)，簡稱為MP3。它被設(shè)計(jì)用來大幅度地降低音頻數(shù)據(jù)量。利用 MPEG Audio Layer 3 的技術(shù)，將音樂以1:10 甚至 1:12 的壓縮率，壓縮成容量較小的文件，而對(duì)于大多數(shù)用戶來說重放的音質(zhì)與最初的不壓縮音頻相比沒有明顯的下降。它是在1991年由位于德國埃爾朗根的研究組織Fraunhofer-Gesellschaft的一組工程師發(fā)明和標(biāo)準(zhǔn)化的。

本部分實(shí)驗(yàn)樣本包括，Sony系列錄音、OPPO系列錄音、Philips系列錄音。

3.2 Sony系列音頻文件

GoldWave軟件對(duì)Sony錄音筆音頻文件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作后結(jié)果如圖1、圖2所示。

經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)GoldWave音頻處理軟件對(duì)MP3文件進(jìn)行處理后，原文件偏移位置00000000行至00000050行只有GEOB（封裝方式）信息，處理之后偏移位置00000000行至00000090行處出現(xiàn)GEBO封裝方式、TIT2文件標(biāo)題（180330_007）、TPE1作者（my recording）、TENC錄制編碼方式（Sony）。

Adobe audition軟件對(duì)同一音頻文件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作后結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖7：原文件

圖8：處理后文件

圖9：原文件

圖10：處理后文件

圖11：原文件

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過Adobe Audition/Adobe audition cc 2018軟件處理后文件偏移位置00000000行至00000050行未發(fā)生任何變化。文件在“GEBO”后會(huì)出現(xiàn)操作記錄，類似于軟件的操作日志，包括操作的類型、時(shí)間、和之后的保存動(dòng)作，增加、剪切與刪除操作相同。日志長度截止到偏移位置000018A0行。

圖12：處理后文件

4 HYUNDAI系列錄音筆文件處理

如圖5、圖6所示。

本文件未出現(xiàn)MP3文件標(biāo)志性的ID3相關(guān)信息，對(duì)文件使用GoldWave音頻處理軟件進(jìn)行刪除、增加、剪切操作均產(chǎn)生亂碼，進(jìn)行操作后文件在偏移位置00000010行出現(xiàn)LAME3.99.5信息，其為編碼方式，且刪除、增加、剪切操作均出現(xiàn)該信息，且刪除、增加、剪切后文件信息相同。

經(jīng)過Adobe audition / Adobe audition cc2018軟件處理，文件在偏移位置00000010行后會(huì)出現(xiàn)操作記錄，類似于軟件的操作日志，包括操作的類型、時(shí)間、和之后的保存動(dòng)作，增加、剪切與刪除操作相同，日志長度截止到偏移位置000018A0行。

5 OPPO系列錄音

如圖7、圖8所示。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過GoldWave音頻處理軟件刪除、增加、剪切后的文件在偏移位置00000070行“LAME”信息由原來的3.98.2變成3.99.2，LAME為軟件的編碼方式。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)經(jīng)過Adobe audition / Adobe audition cc 2018軟件處理，文件在00000010行后會(huì)出現(xiàn)操作記錄，類似于軟件的操作日志，包括操作的類型、時(shí)間、和之后的保存動(dòng)作，增加、剪切與刪除操作相同，日志長度截止到偏移位置000018A0行。

5.1 M4A文件

M4A是MPEG-4 音頻標(biāo)準(zhǔn)的文件的擴(kuò)展名。在MPEG4標(biāo)準(zhǔn)中提到，普通的MPEG4文件擴(kuò)展名是".mp4"。自從Apple開始在它的iTunes以及 iPod中使用".m4a"以區(qū)別MPEG4的視頻和音頻文件以來，".m4a"這個(gè)擴(kuò)展名變得流行了。目前，幾乎所有支持MPEG4音頻的軟件都支持".m4a"。

本部分m4a文件樣本主要來自于手機(jī)，品牌包括，HUAWEI系列、VIVO系列、三星系列、iPhone系列，如圖9、圖10所示。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，原文件在偏移位置00000010行出現(xiàn)“isommp42”信息，文件經(jīng)過GoldWave軟件處理后變?yōu)椤癿p4lisom”，在原文件偏移位置00001910行左右會(huì)出現(xiàn)幾組規(guī)律的數(shù)字+字母組合的信息位，手機(jī)型號(hào)不同出現(xiàn)的組數(shù)也各不相同，但對(duì)文件進(jìn)行刪除、增加、剪切后該規(guī)律性信息均變成00。

所有MP3和M4A文件經(jīng)過GoldWave軟件處理后，即使未進(jìn)行任何操作直接另存為導(dǎo)出默認(rèn)格式，與進(jìn)行刪除、增加、剪切操作文件變化相同。

Adobe audition軟件無法導(dǎo)入M4A文件，Adobe audition CC 2018軟件可導(dǎo)入M4A文件，但處理后導(dǎo)出文件格式軟件默認(rèn)為WAV格式，不可導(dǎo)出為M4A格式，相近格式為ACC格式，參考價(jià)值不大。

5.2 WAV文件

WAV為微軟公司(Microsoft)開發(fā)的一種聲音文件格式，它符合RIFF(Resource Interchange File Format)文件規(guī)范，用于保存Windows平臺(tái)的音頻信息資源，被Windows平臺(tái)及其應(yīng)用程序所廣泛支持，該格式也支持MSADPCM，CCITT A LAW等多種壓縮運(yùn)算法，支持多種音頻數(shù)字，取樣頻率和聲道，標(biāo)準(zhǔn)格式化的WAV文件和CD格式一樣，也是44.1K的取樣頻率，16位量化數(shù)字，因此在聲音文件質(zhì)量和CD相差無幾! WAV打開工具是WINDOWS的媒體播放器。WAV文件頭長度從偏移位置00000000～000001E0行。

本部分實(shí)驗(yàn)樣本主要來自于錄音筆，品牌包括，HYUNDAI A700R、PHILIPS系列、夏新系列、金正系列、SANSUI系列、紫電系列。如圖11、圖12所示。

原文件在00000000行處的RIFF+WAVE信息后會(huì)出現(xiàn)數(shù)行00信息，對(duì)文件進(jìn)行操作后該部分信息消失。對(duì)文件進(jìn)行刪除、增加、剪切操作后，經(jīng)過對(duì)比，發(fā)現(xiàn)只在文件偏移位置00000004～00000006、00000028～0000002A信息有所不同，且呈現(xiàn)不規(guī)律性變化。

Adobe audition與Adobe audition CC 2018軟件處理結(jié)果與GoldWave軟件處理結(jié)果相同。

6 結(jié)論

本文通過采用電子物證檢驗(yàn)角度的方法，使用HexCmp軟件對(duì)處理后的音頻文件進(jìn)行分析，通過十六進(jìn)制編碼直觀的觀察到音頻文件信息位經(jīng)過處理前后的變化，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出了，MP3、WAV、M4a文件經(jīng)過處理后文件數(shù)據(jù)與標(biāo)簽域均發(fā)生規(guī)律性變化，且經(jīng)過Adobe Audition軟件處理后的文件會(huì)留下標(biāo)志性的信息，本課題音頻文件的研究對(duì)音頻證據(jù)的真實(shí)性驗(yàn)證起到了關(guān)鍵的作用，未來對(duì)于音頻證據(jù)的研究也起到了一定的引導(dǎo)意義。