改进的大容量多分辨率LSB音频隐写算法

图 ２ 隐写算法框图
需要注意的是， 对于相同的嵌入容量， 当选择不同子带、不 同分辨率组合的时候， 所得到隐写效果是不同的。比如， 当嵌入 容量为每样点 １ｂｉｔ 时， 可选取中频的 １６ 个子带， 以 分 辨 率 １、２ 和 ３ 不同组合嵌入。当然， 组合的方式有很多， 比如 ３×５＋２×６＋ １×５ 等。以下给出的实验结果基本按照上例的模式， 没有 刻 意 优化组合的方式。
在小波系数的 ＬＳＢ 中 进 行 隐 写 之 所 以 可 行 ， 是 因 为 小 波 滤波器组具有几乎完美的可重构性。离散小波变换（ ＤＷＴ） 把信 号分解成低通和高通两部分， 然后分别进行基 ２ 的亚采样； 而 反变换则执行重构过程。我们采用最为简单的 Ｈａａｒ 小波， 因为 它是唯一具有有限冲击响应的正交镜像滤波器。
用该子带中系数中的最大值的绝对值向上取整） ， 再转换成二 进制形式表示。嵌入信息时， 只要用秘密信息替代二进制系数 的最低若干位 ＬＳＢ 即可。每个系数中被替换的 ＬＳＢ 的 位 数 称 为该子带的“嵌入分辨率”， 它由总的嵌入容量和各子带的边际 信号失真决定。一般而言， 总的嵌入容量越大， 则需选择的子带 的数目越多， 每个系数 被 替 换 的 ＬＳＢ 的 位 数 也 越 多 ； 子 带 的 边 际 信 号 失 真 越 小 （ 知 觉 重 要 性 越 小 ） ， 则 可 以 被 替 换 的 ＬＳＢ 的 位数也越多。这就是多分辨率嵌入的思想。嵌入后， 小波系数先 被转换成十进制， 然后乘以尺度系数， 再用所有子带做小波重 构。整个隐写过程的框图如下：
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｉｓ ｗｏｒｋ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｎｏｖｅｌ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ＬＳＢ （ Ｌｅａｓｔ Ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ Ｂｉｔ） ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔｈａｔ ｃａｎ ｏｂｔａｉｎ ｖｅｒｙ ｈｉｇｈ ｈｉｄｄｅｎ ｄａｔａ ｒａｔｅ．Ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｕｓｅｓ ｔｈｅ ｐｅｒｆｅｃｔ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｆｉｌｔｅｒｂａｎｋｓ ｔｏ ｄｅｃｏｍｐｏｓｅ ｔｈｅ ｃｏｖｅｒ ａｕｄｉｏ ｓｉｇｎａｌ ｉｎｔｏ ３２ ｓｕｂｂａｎｄｓ， ｓｏｒｔｓ ａｎｄ ｇｒｏｕｐｓ ｔｈｅ ｓｕｂｂａｎｄｓ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅｉｒ ｍａｒｇｉｎａｌ ｓｉｇｎａｌ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ， ａｎｄ ｔｈｅｎ ｅｍｂｅｄｓ ｔｈｅ ｓｅｃｒｅｔ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎｓｉｄｅ ｔｈｅ ｗａｖｅｌｅｔ ｐａｃｋ ｄｏｍａｉｎ ｂｙ ｍｏｄｉｆｙｉｎｇ ｔｈｅ ＬＳＢ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｗａｖｅｌｅｔ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ｍｕｌｔｉ－ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ＳＮＲ（ Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ） ｖａｌｕｅｓ， ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｃａｎ ｏｕｔｐｅｒｆｏｒｍ ｔｈｅ ｃｌａｓｓｉｃａｌ ＬＳＢ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂｙ １６０ｋｂｐｓ￣２００ｋｂｐｓ ｏｆ ｈｉｄｄｅｎ ｄａｔａ．Ｓｕｂｊｅｃｔｉｖｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｗａｖｅｌｅｔ ｐａｃｋ ｄｏｍａｉｎ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｈｉｄｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ａｃｏｕｓｔｉｃａｌｌｙ ｍｏｒｅ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ａｓ ｗｅｌｌ． Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ， ｉｔ ｃａｎ ｒｅｓｉｓｔ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｓｔ ｅｇａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ＬＳＢ ｓｔｅｇａｎｏｇｒａｐｈｙ．
首先我们将时域音频信号分段 ， 每段 １ ０２４ 个 采 样 点 。 然 后对每段做 ５ 级小波包分解， 从而得到 ３２ 个子带， 分别记为 Ａ５１、Ｄ５１、……、Ａ５１６、Ｄ５１６， 见图 １。其中每个子带有 ３２ 个 小 波系数， 共 １０２４ 个小波系数。
以选择边际信号失真小的子带进行嵌入。 下一步， 将选定子带中的小波系数除以尺度系数（ 实验中
本文提出了一种以音频信号作为载体的大容量隐写算法。 算法用可完全重构的滤波器组将载体音频信号进行小波包分 解， 对子带分类选 择 后 用 改 进 的 ＬＳＢ 算 法 将 秘 密 信 息 嵌 入 到 选定子带的小波系数中。ＳＮＲ 和主观测试结果都表明， 即使嵌 入的 信 息 量 达 到 ３００ｋｂｐｓ， 载 密 音 频 仍 能 保 持 良 好 的 不 可 感 知 性。同时算法能抵抗一类针对 ＬＳＢ 算法的隐写分析算法。
选择边际信号失真大的子带； 如果对嵌入容量要求较高， 则可
２４ ２００６．３０ 计算机工程与应用
图 ３ 不同隐写容量对应的信噪比
３ 实验结果
当 用 ４４．１ＫＨｚ 采 样 、１６ｂｉｔ 量 化 的 高 保 真 音 频 做 载 体 信 号 时， 在时域或频域每多修改载体音频每个样点的 １ 位 ＬＳＢ， 隐 写数据率可增加 ４４．１ｋｂｐｓ。图 ３ 中给出了一段测试音频的“信 噪比－ 隐写容量”图。
图 １ 五级小波包分解图
这 ３２ 个子带具有不同的知觉重要性， 我们通过一个称为 “边际信号失真”的指标来衡量。所谓“边际信号失真”， 是指在 该子带的 ３２ 个小波系数中嵌入等量的秘密信息时所引起的载 体信号的失真。其中载体信号的失真用信噪比（ ＳＮＲ） 来衡量［６］， 定义为：
隐 写 技 术 可 以 用 文 本 、图 像 或 音 频 等 媒 体 作 为 载 体 。 目 前 的隐写技术研究主要集中在数字图像领域， 这是由于人类的听 觉机制比视觉机制更加灵敏， 因而音频中的信息隐藏比图像更
加困难。但如今音频在数字多媒体业务中所占的比重日益增 大， 这使得音频隐写技术的研究愈发显得重要。最简单经典的 音频隐写算法是时域的 ＬＳＢ（ Ｌｅａｓｔ Ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ Ｂｉｔ） 算 法［３］， 目 前 互 联 网 上 常 见 的 隐 写 软 件 如 ＳｔｅｇＨｉｄｅ、Ｈｉｄｅ４ＰＧＰ、Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｓｕｉｔ 等， 用的就是这种以秘密消息替换载体的最低有效位的方法。 为了获得更高的隐写容量， 最低的 ２ 个甚至 ３ 个有效位都被用 来嵌入秘密信息。然而， 随着所替换的有效位的深度的增加， 由 信息嵌入所引起的噪声也相应增大， 这就破坏了不可感知性。 而且， 近年来不断 有 文 章 提 出 针 对 经 典 时 域 ＬＳＢ 算 法 的 隐 写 分析算法， 这也给算法的安全性带来了极大挑战［４］。
（ １９７７－ ） ， 博士研究生， 主要研究方向为信号处理技术。 计算机工程与应用 ２００６．３０ ２３
２ 隐写算法
设 Ｉ 为原始音频信号， Ｓ 为待嵌入的 秘 密 信 息 ， Ｉ′为 载 密 音 频信号， 则有 Ｉ′＝Ｉ＋Ｓ， 其中 Ｉ′和 Ｉ 人类的感知机制无法区分。这 是 利 用 载 体 信 号 的 感 知 冗 余 来 达 到 信 息 隐 藏 的 目 的 。在 这 个 前 提下， 有多种方法可以估计隐写信道的容量， 并更加深入地挖 掘音频信号段内的冗余， 定义感知熵。人耳的听觉系统对所能 听 到 的 最 小 频 谱 差 异 有 个 极 限 。复 杂 信 号 中 可 区 分 差 异 的 极 限 和 载 体 信 号 的 短 时 隐 藏 比 特 率 可 以 由 此 估 计 出 来 。假 设 由 量 化 器的量化步长所引起的噪声能量和听觉阈值一致， 那么实际的 感 知 熵 （ ＰＥ） 就 可 以 通 过 频 域 中 量 化 器 的 量 化 级 数 计 算 出 来 。 文 献［５］中 的 结 果 表 明 ， 对 于 一 般 的 １６ 比 特 量 化 的 宽 频 音 乐 信 号， 时域中每个样点的感知熵小于 ４ 比特。由此结论可以推出： 如果信息隐藏不在时域进行， 将有望得到更高的隐写容量。具 有多分辨率性质的小波域正是这样一个非常合适的频域， 由它 可以很方便地得到信号的近似部分和细节部分。从而， 通过对 具有不同知觉重要性的子带进行不同的嵌入操作， 我们就可以 很容易的在信息嵌入容量和信号的知觉失真之间取得折中。
的 ＳＮＲ， 得到的实验结果表明， Ｄ５１６ 的边际信号失真最小， 其
次是 Ｄ５１２、Ｄ５１４、Ｄ５１５、Ａ５１６、Ｄ５８ 这一组； 而在 Ａ５１、Ｄ５１、Ａ５２、
Ａ５３、Ａ５５ 这 一 组 中 嵌 入 信 息 则 会 引 起 载 密 信 号 音 质 的 较 明 显
下降。因此， 如果信息隐藏系统对鲁棒性要求较高， 嵌入时可以
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!!!!" ·学术探讨·
改进的大容量多分辨率 ＬＳＢ 音频隐写算法
刘秀娟 郭 立 邱 天 （ 中国科学技术大学电子科学与技术系， 合肥 ２３００２６）
Ｅ－ ｍａｉｌ： ｒａｃｈｅｌ＠ｍａｉｌ．ｕｓｔｃ．ｅｄｕ．ｃｎ
摘 要 算法将载体音频信号用可完全重构的滤波器组进行小波包分解， 根据各子带的边际信号失真敏感度将其分组， 然后用改进的 ＬＳＢ 算法以不同的分辨率将秘密信息嵌入到选定子带的小波系数中。实验结果表明， 在信噪比相同的情况 下， 该算法的隐写容量比传统时域 ＬＳＢ 算法高 １６０ｋｂｐｓ～２００ｋｂｐｓ， 同时可很好地保持不可感知性， 并具有一定的不可检测 性， 能抵抗一类针对时域 ＬＳＢ 算法的隐写分析算法。 关键词 音频隐写 信息隐藏 小波包 文章编号 １００２－ ８３３１（ ２００６） ３０－ ００２３－ ０２ 文献标识码 Ａ 中图分类号 ＴＰ３０９
Ａ Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｍｕｌｔｉ－ ｒ ｅｓｏｌｕｔｉｏｎａｌ ＬＳＢ Ｉｎｓｅｒ ｔｉｏｎ Ａｌｇｏｒ ｉｔｈｍ ｆｏｒ ａｐｈｙ
ＬＩＵ Ｘｉｕ－ ｊｕａｎ ＧＵＯ Ｌｉ ＱＩＵ Ｔｉａｎ （ Ｄｅｐｔ． ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ， Ｈｅｆｅｉ ２３００２６）
基金项目： 安徽省自然科学基金资助项目（ 编号： ０５０４２０１０２） 作 者 简 介 ： 刘 秀 娟 （ １９８０－ ） ， 硕 士 研 究 生 ， 主 要 研 究 方 向 为 信 息 隐 藏 技 术 。 郭 立 （ １９４６－ ） ， 教 授 ， 博 导 ， 主 要 从 事 信 号 处 理 、ＩＣ 设 计 的 研 究 。 邱 天