第四章 音频信息隐藏
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• 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
NC(W ,W ' )
M1 M 2
W (i, j)W ' (i, j)
i1 j 1
M1 M 2
M1 M 2
W (i, j)2 W ' (i, j)2
第四章
音频信息隐藏
1
4.1 WAV音频的LSB信息隐藏
• 【实验目的】 • 【实验环境】 • 【原理简介】 • 【实验步骤】 • 【思考题】
2
【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。
18
【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。
• 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。
11
(3)计算NC
• 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。
3
【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
4
【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。
➢ 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；
10
➢ 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；
• 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：
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➢ 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；
300
original audio
200
100
0 0
300
0.2 0.4 0.6 0.8
1
1.2 1.4 1.6 1.8
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watermarked audio
x 104
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1.2 1.4 1.6 1.8
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（2）图像水印
• 1.图像水印隐藏
水印信息为二值图像lenБайду номын сангаас1.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。
14
➢ 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。
15
4.2 回声信息隐藏
• 【实验目的】 • 【实验环境】 • 【原理简介】 • 【实验步骤】
13
• 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；
12
【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。
i1 j 1
i1 j 1
其中，W为原始水印， 为提取的 水印，它们的大小为 M1 M2 。
6
【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
7
（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：
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【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。
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【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
• 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
NC(W ,W ' )
M1 M 2
W (i, j)W ' (i, j)
i1 j 1
M1 M 2
M1 M 2
W (i, j)2 W ' (i, j)2
第四章
音频信息隐藏
1
4.1 WAV音频的LSB信息隐藏
• 【实验目的】 • 【实验环境】 • 【原理简介】 • 【实验步骤】 • 【思考题】
2
【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。
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【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。
• 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。
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(3)计算NC
• 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。
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【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
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【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。
➢ 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；
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➢ 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；
• 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：
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➢ 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；
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original audio
200
100
0 0
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0.2 0.4 0.6 0.8
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1.2 1.4 1.6 1.8
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（2）图像水印
• 1.图像水印隐藏
水印信息为二值图像lenБайду номын сангаас1.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。
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➢ 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。
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4.2 回声信息隐藏
• 【实验目的】 • 【实验环境】 • 【原理简介】 • 【实验步骤】
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• 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；
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【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。
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i1 j 1
其中，W为原始水印， 为提取的 水印，它们的大小为 M1 M2 。
6
【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
7
（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：
16
【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。
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【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