强鲁棒的音频掩密与扩频掩密分析研究

摘要

在信息化社会的今天，随着互联网和多媒体技术的迅猛发展，人们可以方便、快捷地将数字信息传递到世界各国，但伴随而来的信息安全问题也正成为亟待解决的全球难题。信息隐藏技术正是为解决这一难题而新生的一门综合性学科。它以隐藏信息的存在性来保障信息的安全，具有非常高的安全性。其中掩密技术(Steganography)和掩密分析技术(Steganalysis)是互联网时代信息战的重要内容。利用掩密技术，军事和国家情报部门传递情报、个人或单位保存敏感资料或隐私通信，甚至被恐怖组织用于组织恐怖行动。掩密分析是防止掩密技术被非法使用的关键技术，它可以阻止敌方的掩密通信，防止机密资料流失，监测非法信息等。掩密技术与掩密分析对于保障国家安全和社会稳定具有重要意义。
　　 本文主要研究以音频为载体的掩密技术与掩密分析技术。论文在对目前该技术的相关理论问题研究的基础上，提出了三种掩密算法和一种专用型掩密分析算法，最后讨论了一些有待解决的问题，并提出了进一步的研究方向。本论文的主要工作和研究成果如下。
　　 ①鉴于目前掩密通信理论研究相对较少，本文在掩密技术和掩密分析技术在理论模型的参数估计和相关方法方面做了进一步的验证和研究。首先给出理论模型和信息论模型，接着分析信息论模型，该模型考虑了嵌入、攻击、提取的全过程，进一步分析不可见性和鲁棒性等概念；最后从信息论模型的角度，给出信息隐藏容量的定义，并在此基础上给出了不可见性、鲁棒性和信息隐藏率之间的定量关系，指出达到三者之间折衷的关键是水印嵌入的强度。
　　 ②为了更好地提高音频数字水印的鲁棒性和不可感知性的平衡，提出了基于音频采样点倒置和BP网络的非对称音频掩密算法。该类算法利用倒置音频采样点对人耳听觉不敏感的特点来保证算法的不可感知性，通过倒置的方法实现秘密信息的嵌入；然后利用人工神经网络的非线性映射能力，通过人工神经网络的学习，建立原始音频信号与含密音频信号的对应关系，从而较好的提取水印信息。实验结果表明，该类算法能够有效地抵抗低通滤波、噪声、MP3压缩、回声、重采样等的攻击，缺点为容量相对较小。
　　 ③提出了一种具有较大嵌入容量、能够有效抵抗MP3压缩的混合域音频掩密算法。该算法的特点是通过选择对听觉不敏感的低频带作为嵌入频带。然后对所选频带小波系数进行分段DCT变换，将水印嵌入到每段DCT直流系数上，从而可以在保证算法的不可感知性前提下，最大限度地提高算法的鲁棒性。实验结果验证了算法具有良好的不可感知性，较大的嵌入容量以及强的鲁棒性。该算法对于在互联网上利用大量MP3文件实现掩密通信具有重要意义。缺点为不能同时抵抗同步攻击和D/A,A/D操作。
　　 ④提出了一种新颖的能同时抗同步攻击和DA/AD转换的信息隐藏算法。在一定帧长条件下，经受DA/AD转换、低通滤波等攻击以后的音频和原始音频波形相似度很高。而倒置一段时间的采样点在该段时间中不对人耳听觉产生影响。根据这些特点，算法首先对载体音频进行分帧，然后利用倒置的方法在音频中嵌入秘密信息。秘密信息通过判断相似度的极性进行提取，提取过程中算法设计了同步搜索机制，提高了秘密信息提取正确率。实验表明，嵌入秘密信息后的音频文件不仅具有良好的不可感知性，而且能够抵抗诸如低通滤波、加噪声、回声、重采样、Mp3解压缩等攻击，特别还能抵抗DA/AD转换和各种去同步攻击，具有较强的鲁棒性。
　　 ⑤针对音频掩密技术中常用的扩频掩密技术，提出了一种基于小波去噪和小波突变点检测技术的扩频掩密分析算法。该算法检测性能具有只受秘密信息嵌入强度影响而与嵌入容量无关的特点。算法还能够确定含密音频中嵌入的PN序列的长度，从而能够估计秘密信息的平均嵌入量。实验结果验证了算法的上述优点，表明了算法的良好的检测性能。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1论文的研究背景和意义

1.2国内外发展状况及应用

1.2.1信息隐藏技术

1.2.2音频掩密技术

1.2.3音频掩密分析技术

1.3目前存在的主要问题

1.4论文的主要内容与结构

2理论基础和相关方法

2.1音频信号的基本理论

2.1.1听觉系统的感知特性

2.1.2理论模型

2.2常见音频掩密算法

2.2.1时域算法

2.2.2变换域算法

2.2.3压缩域算法

2.3常见掩密分析方法

2.4常用的性能评估方法

2.4.1音频掩密分析方法评估

2.4.2音频掩密性能评估

2.5本章小结

3基于采样点倒置和BP网络的音频掩密算法

3.1引言

3.2音频采样点倒置对听觉的影响

3.3基于采样点倒置的盲音频掩密算法

3.3.1音频采样点幅值正值率鲁棒性分析

3.3.2嵌入算法

3.4基于BP网络的提取算法

3.4.1 BP网络

3.4.2网络训练

3.4.3水印提取

3.5试验结果及分析

3.6本章小结

4基于DCT和离散DWT的音频掩密算法

4.1引言

4.2 DCT嵌入系数的选取

4.2.1 DCT域嵌入秘密信息对时域信号影响

4.2.2 DCT系数变化对人耳听觉的影响

4.2.3 MP3压缩对DCT系数的影响

4.3小波变换

4.4强鲁棒的音频掩密的算法

4.4.1小波分解和水印嵌入频带选择

4.4.2嵌入算法

4.4.3水印提取算法

4.5实验结果及分析

4.6本章小结

5抗DA/AD转换的音频信息隐藏算法

5.1引言

5.2音频波形在各种攻击下的变化规律

5.2.1 DA／AD变换的基本原理

5.2.2实验条件

5.2.3实验结果

5.3基于样点倒置的信息隐藏算法

5.3.1秘密信息嵌入算法

5.3.2秘密信息提取算法

5.4实验结果

5.4.1实验参数设定与隐藏容量

5.4.2隐蔽性测试

5.4.3鲁棒性测试

5.5本章小结

6信息安全侦测和扩频掩密分析算法的研究

6.1引言

6.2基于非参数检测的信息安全侦测新方法

6.2.1图像位平面随机特性的基本知识

6.2.2算法步骤

6.2.3实验仿真结果及分析

6.3经典音频扩频掩密模型

6.4基于小波变换的音频扩频掩密分析算法

6.4.1小波变换在扩频掩密分析算法中的作用

6.4.2扩频掩密的音频的特点

6.4.3基于小波变换的音频扩频掩密分析算法

6.4.4实验结果及分析

6.5本章小结

7总结与展望

7.1主要工作总结

7.2进一步的研究工作展望

致 谢

参考文献

附 录