一种基于等长熵码字替换的压缩音频自适应隐写方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于等长熵码字替换的压缩音频自适应隐写方法和系统。本方法的信息嵌入部分为：建立哈夫曼码字映射表，生成可相互替换的哈夫曼码字对，根据映射表将音频帧中大值区的可用哈夫曼码字映射成比特串，并计算每个比特的修改代价；利用STC编码将秘密信息嵌入到哈夫曼码字映射成的比特串中，得到载密二进制串；根据哈夫曼码字映射表将载密比特串逆映射成原始的哈夫曼码字，得到载密哈夫曼码字序列。信息提取部分根据哈夫曼码字映射表将音频帧大值区中可隐写码字映射成二进制比特串，利用STC解码从二进制比特串中提取秘密信息。本发明专利技术的隐写方法与现有方法相比具有更高的安全性、更大的隐写容量和更高的嵌入速率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于等长熵码字替换的压缩音频自适应隐写方法和系统
本专利技术涉及一种信息隐藏技术，尤其是涉及一种以MP3等压缩音频为载体的信息自适应嵌入及提取的方法和系统。
技术介绍
随着互联网信息技术的迅速发展，信息安全问题日益严重，已经成为当前社会的热点，并引起学术界的重视。隐写术是确保信息安全传输、实现隐蔽通信的重要方法，是信息安全领域的重要分支。隐写术主要是通过隐藏通信行为实现秘密信息的安全传输，它将秘密信息嵌入到数字媒体文件，如音视频、图像和文档，并且不会引起原始载体的视觉和听觉上的感知失真，使秘密信息在不引起第三方注意的情况下完成传递。音频作为最常见的多媒体形式之一，是一种良好的信息隐藏载体。目前，已有多种音频隐写方法适用于时域音频和压缩域音频。由于时域音频需要较大的存储空间和传输带宽，给存储和传播带来挑战，因此互联网上的音频多数以MP3和AAC等压缩格式存在。鉴于压缩格式音频的广泛传播和使用，以压缩格式音频为载体的隐写算法具有较大的实用价值。压缩域音频隐写算法已经逐渐成为音频隐写的研究重点。英国剑桥大学的Petitcolas开发的MP3Stego成为最经典、使用最广泛的MP3隐写软件之一。MP3Stego算法通过调整量化编码块长度的奇偶性来实现信息嵌入。严迪群等人为解决MP3Stego算法在低码率嵌入下的死循环问题，提出了改进的基于量化步长奇偶性的隐写方法(参考文献：严迪群.压缩域音频隐写与隐写分析中若干问题的研究[D].宁波大学,2012)。此外，严迪群等人还提出了基于码字替换的大容量隐写算法(参考文献：YanDQ,WangRD,ZhangLG.AhighcapacityMP3steganographybasedonHuffmancoding[J].JournalofSichuanUniversity,2011,48(6):1281-1286)。张垚等人提出了直接修改小值区哈夫曼码字的隐写算法(参考文献：张垚,潘峰,申军伟.基于MP3的后置式自适应隐写算法[J].计算机科学,2016,43(8):114-117)和基于哈夫曼码表索引的隐写算法(参考文献：张垚,潘峰,申军伟.基于MP3的内嵌型自适应隐写算法[J].计算机工程与设计,2016,37(6):1537-1542)。董亚坤提出了基于符号位修改的MP3隐写算法和基于linbits位修改的MP3隐写算法(参考文献：董亚坤.基于MP3的信息隐藏技术研究[D].北京邮电大学,2015)。相关的专利技术专利主要包括：中国专利技术专利CN103106901B提出了基于音频颗粒索引值的MP3隐写方法；中国专利技术专利CN102097098A提出了以窗口类型切换规则为依据的压缩域音频隐写方法；中国专利技术专利CN106228981A提出了一种直接修改频域量化系数的MP3自适应隐写算法。经分析，已有针对MP3的隐写算法存在安全负载率低和抗检性差等问题。例如，针对MP3Stego等算法的检测正确率已经能达到90％以上(参考文献：陈益如,王让定,严迪群.基于Huffman码表索引的MP3Stego隐写分析方法[J].计算机工程与应用,2012,48(9):124-126；王让定,羊开云,严迪群,等.一种针对MP3Stego隐写后的音频的隐写检测方法,CN104282310A[P].2015)。
技术实现思路
针对现有MP3等压缩音频隐写方法容量低和安全性差等问题，本专利技术提出了一种基于等长熵码字替换的压缩音频自适应隐写方法和系统。本专利技术所述“等长熵”是指哈夫曼编码表中码字长度相等的码字集合所具备的一种属性，它反映了码字在编码过程中出现的统计频次相等或很接近。该方法通过构造特定的哈夫曼码字空间，生成可相互替换哈夫曼码字对，并对所有可隐写码字进行奇偶分配，以码字奇偶分配后的二进制串为载体进行信息嵌入。信息嵌入之前，以心理声学模型中人耳静音阈值为依据构造合理的代价函数，计算每个可嵌入点的修改代价。信息嵌入以STC(Syndrome-TrellisCodes)编码实现，结合每个嵌入点的修改代价，实现最优路径选择，使得嵌入总失真最小。本专利技术能够实现大容量隐写，能够满足实际应用的需求，并且实验证明本专利技术设计的自适应隐写方法在较高负载率下也能有效抵抗现有的多种MP3等压缩音频隐写分析方法，具有较好的抗检性。本专利技术是一种自适应隐蔽通信方法，能在大容量隐写的前提下达到较高的安全性，它主要包括秘密信息嵌入和信息提取两部分。秘密信息嵌入部分发生在MP3等压缩音频的音频编码过程中量化编码之后和哈夫曼编码之前，在音频编码的过程中实现信息的嵌入操作，包括如下子步骤：(S1)构造哈夫曼码字映射表，生成可相互替换的哈夫曼码字对。在任意哈夫曼编码表内，两个哈夫曼码字相互替换必须满足三个条件，即码字长度相等、码字对应系数符号位个数相等、码字linbits位一致。满足以上三个条件的两个哈夫曼码字相互替换不会影响码流的结构和长度，并且不会破坏音频的正常编解码。每一张码表中的哈夫曼码字可以根据此码表内是否存在可与其相互替换的码字，划分为可隐写码字和不可隐写码字。对可隐写码字空间中的哈夫曼码字进行奇偶分配，进一步划分为两个子空间，其中一个子空间中的码字表示比特‘0’，另一个空间中的码字表示比特‘1’。(S2)MP3编码音频帧包含两个颗粒，每个颗粒包含576个频域系数。编码过程中系数按照顺序被分为大值区、小值区和零值区(MP3编码标准中的术语)，本专利技术中仅使用大值区中的哈夫曼码字进行信息嵌入。针对每个帧音频，根据步骤(S1)构造的哈夫曼码字映射表将两个颗粒中大值区所有的可隐写码字映射为比特串C。在映射过程中，依据心理声学模型与哈夫曼码字对应系数的修改幅度计算所有可隐写码字的修改代价ρ。(S3)将比特串C和修改代价ρ使用相同的算法及密钥进行置乱。(S4)使用STC编码进行信息嵌入。STC编码器根据嵌入点的修改代价，自适应的选取最优嵌入路径将秘密信息嵌入到比特串C，使修改总失真最小，得到载密的比特串S。(S5)使用与步骤(S3)相同的置乱算法与密钥将S进行逆置乱。(S6)将载密比特串S逆映射成哈夫曼码字。如果当前码字是可隐写码字，则根据步骤(S1)中构造的哈夫曼码字映射表和当前哈夫曼码字，将S中的每个比特逆映射成原始的哈夫曼码字。(S7)重复步骤(S2)～步骤(S6)，直到所有的秘密信息嵌入完成或音频编码结束，生成新的隐藏秘密信息的MP3音频文件。秘密信息提取部分发生在MP3等压缩音频的音频解码中哈夫曼解码过程和频域系数反量化过程之间，在音频解码的过程中实现信息的提取操作，包括如下子步骤：(P1)根据嵌入过程步骤(S1)中哈夫曼码字映射表的构造方法构造哈夫曼码字映射表。(P2)对音频进行部分解码，得到哈夫曼码字。根据哈夫曼码字映射表将每个可隐写码字映射成比特串S(S是载密比特串)。(P3)使用步骤(S3)中的置乱算法与密钥对S进行置乱。(P4)使用STC编码从S中提取秘密信息，提取过程使用的参数如生成矩阵的宽度和高度与嵌入过程中使用的参数保持一致。(P5)重复上述步骤(P2)～步骤(P4)，直到音频解码结束或信息完整提取，得到还原的秘密信息。与上面方法对应地，本专利技术还提供一种基于等长熵码字替换的压缩音频自适应隐写系统，其包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于等长熵码字替换的压缩音频自适应隐写方法，其特征在于，采用以下步骤嵌入秘密信息：(S1)构造哈夫曼码字映射表，生成可相互替换的哈夫曼码字对；(S2)将大值区中的可隐写哈夫曼码字映射为二进制比特串，并计算可隐写哈夫曼码字的修改代价；(S3)将二进制比特串和修改代价使用相同的置乱算法及密钥进行置乱；(S4)使用STC编码将秘密信息嵌入到二进制比特串中，得到载密二进制比特串；(S5)将载密二进制比特串使用与步骤(S3)相同的置乱算法与密钥进行逆置乱；(S6)将逆置乱后的载密二进制比特串逆映射成哈夫曼码字；(S7)重复步骤(S2)～步骤(S6)，直到所有的秘密信息嵌入完成或音频编码结束，生成新的隐藏秘密信息的音频文件。

【技术特征摘要】
1.一种基于等长熵码字替换的压缩音频自适应隐写方法，其特征在于，采用以下步骤嵌入秘密信息：(S1)构造哈夫曼码字映射表，生成可相互替换的哈夫曼码字对；(S2)将大值区中的可隐写哈夫曼码字映射为二进制比特串，并计算可隐写哈夫曼码字的修改代价；(S3)将二进制比特串和修改代价使用相同的置乱算法及密钥进行置乱；(S4)使用STC编码将秘密信息嵌入到二进制比特串中，得到载密二进制比特串；(S5)将载密二进制比特串使用与步骤(S3)相同的置乱算法与密钥进行逆置乱；(S6)将逆置乱后的载密二进制比特串逆映射成哈夫曼码字；(S7)重复步骤(S2)～步骤(S6)，直到所有的秘密信息嵌入完成或音频编码结束，生成新的隐藏秘密信息的音频文件。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(S1)所述哈夫曼码字映射表中，两个哈夫曼码字相互替换必须满足三个条件，即码字长度相等、码字对应系数符号位个数相等、码字linbits位一致。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述哈夫曼码字映射表的构造方法如下：(1)记集合Π(k)表示包含第k张码表中所有的哈夫曼码字；(2)将Π(k)分为两个不重叠的子集：和其中表示不可隐写码字集合，表示可隐写码字集合：首先将和都初始化为对于如果满足三个相互替换条件，就将和移入中，否则放入重复上述过程，直到(3)划分为子空间和依据步骤(2)假定找到为一对可替换码字,并按照zig-zag顺序遍历假定为则将先序分配到集合将后序分配到集合其中，在隐写嵌入时使用中的码字表示比特‘0’，而中的码字表示比特‘1’。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(S2)依据心理声学模型与哈夫曼码字对应系数的修改幅度计算所有可隐写哈夫曼码字的修改代价。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(S2)包括：(1)采用平面点的曼哈顿距离dij来计算QMDCT系数对之间的变化；(2)采用绝对静音阈值衡量人耳对不同频率的听觉灵敏度，绝对静音阈值Tf表示为，其中，f表示频率值，Tf越小表示人耳对当前频率越敏感；(3)综合步骤(1)和(2)得到失真函数：其中，i是哈夫...

【专利技术属性】
技术研发人员：易小伟，杨坤，赵险峰，于海波，刘长军，
申请(专利权)人：中国科学院信息工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11