第四章 音频信息隐藏
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（2）图像水印
• 1.图像水印隐藏 1.图像水印隐藏
水印信息为二值图像lena1.bmp，图像 的大小为200*200，共40000个像素， 载体是音频，从音频中截取40000个字 节，每个字节中隐藏一个比特。
第四章
音频信息隐藏
4.1 WAV音频的LSB信息隐藏
• 【实验目的】 实验目的】 • 【实验环境】 实验环境】 • 【原理简介】 原理简介】 • 【实验步骤】 实验步骤】 • 【思考题】 思考题】
【实验目的】 实验目的】
• 了解WAV文件格式，掌握利用 WAV格式音频文件实现LSB信息 隐藏原理，设计并实现一种基 于WAV文件的LSB信息隐藏算法。 了解归一化相关系数NC的原理， 利用NC对水印图像和提取图像 水印进行比较。
秘密信息在最低位平面嵌入，等 最低位平面完全潜入后，再开始 嵌入到次底位平面； 秘密信息在最低位平面随机嵌入； 不同的嵌入方式，隐藏的信息容量 不同，而且这几种算法鲁棒性差别 也比较大。可自行设计实现这几种 基于音频的LSB隐藏。
4.2 回声信息隐藏
• 【实验目的】 实验目的】 • 【实验环境】 实验环境】 • 【原理简介】 原理简介】 • 【实验步骤】 实验步骤】
• 如果在音频信号中嵌入的水印 为图像，则来定义评价提取的 水印与原始水印的相似性，可 采用归一化相关系数（NC）作 为评价标准，其定义为
∑ ∑ W ( i , j )W
NC (W , W ' ) =
i =1 j =1 M1 M
2
'
(i , j )
2
∑ ∑ W (i , j )
i =1 j =1
M1 M
• 2.图像水印提取 2.图像水印提取
在实践过程中，含有水印信息的音频 信号从编码到解码之间可能有很多传 播途径，主要有以下的四种方式：
声音文件从一台机器拷贝到另外一台机 器，其中没有任何形式的改变。编码方 和解码方的采样率完全相同； 第二种情形是信号仍然保持数字的形式， 但是采样率发生变化。这一变化保持大 多数信号的幅值和相位值，但是改变了 信号的时域特征； 第三种情况是信号被转换成为模拟形式， 通过模拟形式传送，在终端被重新采样。 在此过程中信号的幅值、量化方式和时 域采样都得不到保持，这种情况下信号 的相位值可以得到保持；
(3)计算NC (3)计算NC 计算
• 图像水印提取后和原始水印进 行归一化比较。在本例中，携 密音频未发生任何变化，也就 是说未对携密音频进行任何形 式的攻击。因此提取出来的水 印信息和原始的水印信息完全 相同，归一化函数的值为1。
【思考题】 思考题】
• 1.将某个二值图像利用LSB算法嵌入到语 音载体中，将语音载体添加高斯噪声，添 加高斯噪声后将水印信息提取，使用归一 化函数计算提取的水印信息和原始水印信 息之间的差别。 • 2.LSB方式信息隐藏算法鲁棒性较差，为 加大水印攻击的难度，可采用一段伪随机 序列来控制水印的嵌入位置。伪随机序列 可由伪随机序列发生器来产生，不同的初 始值产生不同的伪随机序列。这样收发两 方只需要秘密地传送一个初始值（也就是 密钥），就可得到一个相同的伪随机序列 而不需要传送整个的伪随机序列。
2.提取算法 2.提取算法
• 回声隐藏算法的最大难点在于秘密信号的 提取，其关键在于回声间距的确定。由于 回声信号是载体音频信号和引入回声信号 的卷积，因此在提取时需要利用语音信号 处理中的同态处理技术，利用倒谱相关测 定回声间距。在进行提取时，必须要确定 数据的起点并预先得到子帧的长度、时延 m0和m1等参数值。 (1)将接收到的数据按照预定的时长划分 为子帧。 (2)求出各段的倒谱自相关值，比较m0和 m1处的自相关幅值F0和F1，如果F0大于F1， 则嵌入比特值为“0”；如果F1大于F0， 则嵌入比特值为“1”。
2
2
×
∑ ∑W
i =1 j =1
M1 M
'
(i, j ) 2
其中，W为原始水印， 为提取的 水印，它们的大小为 M1 ×M2 。
【实验步骤】
• （1）随机水印
隐藏算法 随机水印提取
• （2）图像水印
图像水印隐藏 图像水印提取
• （3）计算NC 计算NC
（1）随机水印
• 进行LSB嵌入之后，首先对LSB嵌入前 后的音频文件进行听觉上的区分，二 者靠人耳听不出任何差别，如下图：
【实验环境】 实验环境】
• (1) WindowsXP或Vista操作系 统 • (2) MATLAB7.1科学计算软件 • (3) WAV音频文件
【原理简介】 原理简介】
• 扩频是一种能在高噪声环境下可靠 传输数据的重要通信技术，其基本 原理是：信号在大于所需的带宽内 进行传输，数据的带宽扩展是通过 一个与数据独立的码字完成的，并 且在接收端需要该码字的一个同步 接收，以进行解扩和数据恢复。扩 频通信的特点是：占据频带很宽， 每个频段上的能量很低；即使几个 频段的信号丢失，仍可恢复信号； 利用相互正交的扩频码，可以在一 个宽频带内同时传输很多路信号。
【实验环境】 实验环境】
• (1) WindowsXP或Vista以上操 作系统 • (2) MATLAB7.1科学计算软件 • (3) wav格式音频文件
【原理简介】 原理简介】
• WAV是Microsoft Windows本身 提供的音频格式，该格式通常 都保存一些没有压缩的音频。 对于数字音频，其最低比特位 或者最低几个比特位的改变， 对于整个声音没有明显的影响， 因此替换掉这些不重要的部分， 可以隐藏秘密信息。
【实验步骤】 实验步骤】
• 1.嵌入算法 1.嵌入算法 • 2.提取算法 2.提取算法
1.嵌入算法 1.嵌入算法
• (1)首先将音频采样数据文件分成包含N个 样点的子帧，子帧的时长根据隐藏数据量 的大小划分，一般时长从几个毫秒到几十 毫秒，每个子帧隐藏一个比特的秘密信息。 • (2)定义两种不同的回声时延m0，m1（其中 m0，m1均要求远小于子帧时长N）。当秘密 信号比特值为“0”时，回声时延为m0；当 秘密信号比特值为“1”时，回声时延为m1； • (3)将载体信号的每个子帧按照式 y[n]=s[n]+λ*s[n-m]产生回声信号。 • (4)将所有含回声的信号段串联成连续信号。
• 3.LSB信息隐藏替换技术可分为五种处理 情况： 秘密信息在最低位平面连续嵌入至结 束，余下部分不作任何处理，比较典 型的软件是MandelSteg； 秘密信息在最低位平面连续嵌入至结 束，余下部分随机化处理（也称沙化 处理），比较典型的软件是 PGMStealth； 秘密信息在最低位平面和次底位平面 连续嵌入，同时嵌入到最低位平面和 次底位平面；
第四种情形是信号在空气中传播，经过 麦克重新采样。此时信号受到未知的非 线性改变，会导致相位变化、幅值变化、 不同频率成分的漂移和产生回声等；
• 当某一段音频文件嵌入水印后以 某种方式传播，到达终端的时候 会发生一些变化。提取水印后和 原始水印进行比较，采用归一化 函数计算提取的水印信息和原始 水印信息之间的差别。
【原理简介】 原理简介】
• 音频信号和经过回声隐藏的携密数据对于 人耳来说，前者就像是从耳机中听到的声 音，没有回声。而后者就像是从扬声器里 听到的声音，有所处空间诸如墙壁、家具 等物体产生的回声。回声隐藏巧妙地利用 人类听觉系统(HAS)的时域掩蔽特性，通 过向音频信号中引入回声来完成隐藏秘密 信息的一种技术方法。回声隐藏与其他方 法不同，它不是将水印信息当成随机噪声 嵌入到载体数据中，而是利用载体数据的 环境特征（回声）来嵌入水印信息。引入 回声必然会导致载体音频信号的失真，但 只要选择合理的回声参数a和m，附加的回 声就难以被人类听觉系统所觉察。
• 回声的数字音频信号可表示为： y[n]=s[n]+λ*s[n-m]，其中y[n]是加入回 声后的音频信号，s[n]是原始音频信号， λ为回声的幅度系数，m为时延参数。λ为 0至1之间的正数，m一般表示回声信号滞后 于原始信号的样点间隔。由HAS的时域后掩 蔽特性可知，对于回声时延的大小是有限 制的。一般情况下，回声时延m的取值一般 在50～200ms之间。过小会增加嵌入信息恢 复的难度，过大则会影响隐藏信号的不可 感知性。同时，回声的幅度系数a的取值也 同样需要精心选择，其值与信号传输环境 和时延取值有关，一般λ取值在0.6-0.9之 间。
测试步骤为： • 选择载体音频； • 产生水印或秘密信息（例如，每256个样点 嵌入1比特信息，由载体大小计算最多可嵌 入多少比特秘密信息）； • 产生PN序列； • 选择嵌入强度，嵌入水印； • 保存携带水印的音频，可利用音频处理软 件对音频进行格式转换、重采样等攻击， 观察攻击后水印的恢复情况； • 选择携带水印的音频； • 提取水印； • 计算误码率；
4.3 简单扩频语音水印算法
• 【实验目的】 实验目的】 • 【实验环境】 实验环境】 • 【原理简介】 原理简介】 • 【实验步骤】 实验步骤】
【实验目的】 实验目的】
• 了解扩频通信原理，掌握扩频 水印算法的基本原理，设计并 实现一种基于音频的扩频水印 算法，了解参数对扩频水印算 法性能的影响。
• 利用扩频通信具有拦截概率小， 抗干扰能力强的优点可以设计 水印算法。 • 设计的一种简单的算法如下： 利用正交的PN序列代表0、1信 号，并将其叠加到信号DCT域。 提取水印时，利用PN序列的正 交性可以较为准确的恢复水印。
【实验步骤】 实验步骤】
算法可分为四个部分实现： • PN产生函数 • 嵌入算法 • 提取算法 • 测试脚本
【实验目的】
• 回声隐藏利用人耳听觉系统的 时域掩蔽特性，在载体数据的 环境特性（回声）中嵌入水印 信息。掌握语音的回声隐藏算 法原理，设计并实现一种回声 隐藏算法。
【实验环境】 实验环境】
• (1) WindowsXP或Vista操作系 统 • (2) MATLAB7.1科学计算软件 • (3) 音频文件
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（2）图像水印
• 1.图像水印隐藏 1.图像水印隐藏
水印信息为二值图像lena1.bmp，图像 的大小为200*200，共40000个像素， 载体是音频，从音频中截取40000个字 节，每个字节中隐藏一个比特。
第四章
音频信息隐藏
4.1 WAV音频的LSB信息隐藏
• 【实验目的】 实验目的】 • 【实验环境】 实验环境】 • 【原理简介】 原理简介】 • 【实验步骤】 实验步骤】 • 【思考题】 思考题】
【实验目的】 实验目的】
• 了解WAV文件格式，掌握利用 WAV格式音频文件实现LSB信息 隐藏原理，设计并实现一种基 于WAV文件的LSB信息隐藏算法。 了解归一化相关系数NC的原理， 利用NC对水印图像和提取图像 水印进行比较。
秘密信息在最低位平面嵌入，等 最低位平面完全潜入后，再开始 嵌入到次底位平面； 秘密信息在最低位平面随机嵌入； 不同的嵌入方式，隐藏的信息容量 不同，而且这几种算法鲁棒性差别 也比较大。可自行设计实现这几种 基于音频的LSB隐藏。
4.2 回声信息隐藏
• 【实验目的】 实验目的】 • 【实验环境】 实验环境】 • 【原理简介】 原理简介】 • 【实验步骤】 实验步骤】
• 如果在音频信号中嵌入的水印 为图像，则来定义评价提取的 水印与原始水印的相似性，可 采用归一化相关系数（NC）作 为评价标准，其定义为
∑ ∑ W ( i , j )W
NC (W , W ' ) =
i =1 j =1 M1 M
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∑ ∑ W (i , j )
i =1 j =1
M1 M
• 2.图像水印提取 2.图像水印提取
在实践过程中，含有水印信息的音频 信号从编码到解码之间可能有很多传 播途径，主要有以下的四种方式：
声音文件从一台机器拷贝到另外一台机 器，其中没有任何形式的改变。编码方 和解码方的采样率完全相同； 第二种情形是信号仍然保持数字的形式， 但是采样率发生变化。这一变化保持大 多数信号的幅值和相位值，但是改变了 信号的时域特征； 第三种情况是信号被转换成为模拟形式， 通过模拟形式传送，在终端被重新采样。 在此过程中信号的幅值、量化方式和时 域采样都得不到保持，这种情况下信号 的相位值可以得到保持；
(3)计算NC (3)计算NC 计算
• 图像水印提取后和原始水印进 行归一化比较。在本例中，携 密音频未发生任何变化，也就 是说未对携密音频进行任何形 式的攻击。因此提取出来的水 印信息和原始的水印信息完全 相同，归一化函数的值为1。
【思考题】 思考题】
• 1.将某个二值图像利用LSB算法嵌入到语 音载体中，将语音载体添加高斯噪声，添 加高斯噪声后将水印信息提取，使用归一 化函数计算提取的水印信息和原始水印信 息之间的差别。 • 2.LSB方式信息隐藏算法鲁棒性较差，为 加大水印攻击的难度，可采用一段伪随机 序列来控制水印的嵌入位置。伪随机序列 可由伪随机序列发生器来产生，不同的初 始值产生不同的伪随机序列。这样收发两 方只需要秘密地传送一个初始值（也就是 密钥），就可得到一个相同的伪随机序列 而不需要传送整个的伪随机序列。
2.提取算法 2.提取算法
• 回声隐藏算法的最大难点在于秘密信号的 提取，其关键在于回声间距的确定。由于 回声信号是载体音频信号和引入回声信号 的卷积，因此在提取时需要利用语音信号 处理中的同态处理技术，利用倒谱相关测 定回声间距。在进行提取时，必须要确定 数据的起点并预先得到子帧的长度、时延 m0和m1等参数值。 (1)将接收到的数据按照预定的时长划分 为子帧。 (2)求出各段的倒谱自相关值，比较m0和 m1处的自相关幅值F0和F1，如果F0大于F1， 则嵌入比特值为“0”；如果F1大于F0， 则嵌入比特值为“1”。
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∑ ∑W
i =1 j =1
M1 M
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其中，W为原始水印， 为提取的 水印，它们的大小为 M1 ×M2 。
【实验步骤】
• （1）随机水印
隐藏算法 随机水印提取
• （2）图像水印
图像水印隐藏 图像水印提取
• （3）计算NC 计算NC
（1）随机水印
• 进行LSB嵌入之后，首先对LSB嵌入前 后的音频文件进行听觉上的区分，二 者靠人耳听不出任何差别，如下图：
【实验环境】 实验环境】
• (1) WindowsXP或Vista操作系 统 • (2) MATLAB7.1科学计算软件 • (3) WAV音频文件
【原理简介】 原理简介】
• 扩频是一种能在高噪声环境下可靠 传输数据的重要通信技术，其基本 原理是：信号在大于所需的带宽内 进行传输，数据的带宽扩展是通过 一个与数据独立的码字完成的，并 且在接收端需要该码字的一个同步 接收，以进行解扩和数据恢复。扩 频通信的特点是：占据频带很宽， 每个频段上的能量很低；即使几个 频段的信号丢失，仍可恢复信号； 利用相互正交的扩频码，可以在一 个宽频带内同时传输很多路信号。
【实验环境】 实验环境】
• (1) WindowsXP或Vista以上操 作系统 • (2) MATLAB7.1科学计算软件 • (3) wav格式音频文件
【原理简介】 原理简介】
• WAV是Microsoft Windows本身 提供的音频格式，该格式通常 都保存一些没有压缩的音频。 对于数字音频，其最低比特位 或者最低几个比特位的改变， 对于整个声音没有明显的影响， 因此替换掉这些不重要的部分， 可以隐藏秘密信息。
【实验步骤】 实验步骤】
• 1.嵌入算法 1.嵌入算法 • 2.提取算法 2.提取算法
1.嵌入算法 1.嵌入算法
• (1)首先将音频采样数据文件分成包含N个 样点的子帧，子帧的时长根据隐藏数据量 的大小划分，一般时长从几个毫秒到几十 毫秒，每个子帧隐藏一个比特的秘密信息。 • (2)定义两种不同的回声时延m0，m1（其中 m0，m1均要求远小于子帧时长N）。当秘密 信号比特值为“0”时，回声时延为m0；当 秘密信号比特值为“1”时，回声时延为m1； • (3)将载体信号的每个子帧按照式 y[n]=s[n]+λ*s[n-m]产生回声信号。 • (4)将所有含回声的信号段串联成连续信号。
• 3.LSB信息隐藏替换技术可分为五种处理 情况： 秘密信息在最低位平面连续嵌入至结 束，余下部分不作任何处理，比较典 型的软件是MandelSteg； 秘密信息在最低位平面连续嵌入至结 束，余下部分随机化处理（也称沙化 处理），比较典型的软件是 PGMStealth； 秘密信息在最低位平面和次底位平面 连续嵌入，同时嵌入到最低位平面和 次底位平面；
第四种情形是信号在空气中传播，经过 麦克重新采样。此时信号受到未知的非 线性改变，会导致相位变化、幅值变化、 不同频率成分的漂移和产生回声等；
• 当某一段音频文件嵌入水印后以 某种方式传播，到达终端的时候 会发生一些变化。提取水印后和 原始水印进行比较，采用归一化 函数计算提取的水印信息和原始 水印信息之间的差别。
【原理简介】 原理简介】
• 音频信号和经过回声隐藏的携密数据对于 人耳来说，前者就像是从耳机中听到的声 音，没有回声。而后者就像是从扬声器里 听到的声音，有所处空间诸如墙壁、家具 等物体产生的回声。回声隐藏巧妙地利用 人类听觉系统(HAS)的时域掩蔽特性，通 过向音频信号中引入回声来完成隐藏秘密 信息的一种技术方法。回声隐藏与其他方 法不同，它不是将水印信息当成随机噪声 嵌入到载体数据中，而是利用载体数据的 环境特征（回声）来嵌入水印信息。引入 回声必然会导致载体音频信号的失真，但 只要选择合理的回声参数a和m，附加的回 声就难以被人类听觉系统所觉察。
• 回声的数字音频信号可表示为： y[n]=s[n]+λ*s[n-m]，其中y[n]是加入回 声后的音频信号，s[n]是原始音频信号， λ为回声的幅度系数，m为时延参数。λ为 0至1之间的正数，m一般表示回声信号滞后 于原始信号的样点间隔。由HAS的时域后掩 蔽特性可知，对于回声时延的大小是有限 制的。一般情况下，回声时延m的取值一般 在50～200ms之间。过小会增加嵌入信息恢 复的难度，过大则会影响隐藏信号的不可 感知性。同时，回声的幅度系数a的取值也 同样需要精心选择，其值与信号传输环境 和时延取值有关，一般λ取值在0.6-0.9之 间。
测试步骤为： • 选择载体音频； • 产生水印或秘密信息（例如，每256个样点 嵌入1比特信息，由载体大小计算最多可嵌 入多少比特秘密信息）； • 产生PN序列； • 选择嵌入强度，嵌入水印； • 保存携带水印的音频，可利用音频处理软 件对音频进行格式转换、重采样等攻击， 观察攻击后水印的恢复情况； • 选择携带水印的音频； • 提取水印； • 计算误码率；
4.3 简单扩频语音水印算法
• 【实验目的】 实验目的】 • 【实验环境】 实验环境】 • 【原理简介】 原理简介】 • 【实验步骤】 实验步骤】
【实验目的】 实验目的】
• 了解扩频通信原理，掌握扩频 水印算法的基本原理，设计并 实现一种基于音频的扩频水印 算法，了解参数对扩频水印算 法性能的影响。
• 利用扩频通信具有拦截概率小， 抗干扰能力强的优点可以设计 水印算法。 • 设计的一种简单的算法如下： 利用正交的PN序列代表0、1信 号，并将其叠加到信号DCT域。 提取水印时，利用PN序列的正 交性可以较为准确的恢复水印。
【实验步骤】 实验步骤】
算法可分为四个部分实现： • PN产生函数 • 嵌入算法 • 提取算法 • 测试脚本
【实验目的】
• 回声隐藏利用人耳听觉系统的 时域掩蔽特性，在载体数据的 环境特性（回声）中嵌入水印 信息。掌握语音的回声隐藏算 法原理，设计并实现一种回声 隐藏算法。
【实验环境】 实验环境】
• (1) WindowsXP或Vista操作系 统 • (2) MATLAB7.1科学计算软件 • (3) 音频文件