基于音頻密寫的載密移動(dòng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 莉，康 凱，楊百龍，趙文強(qiáng)，時(shí) 磊（火箭軍工程大學(xué)信息工程系，西安，710025）

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基于音頻密寫的載密移動(dòng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 莉，康 凱，楊百龍，趙文強(qiáng)，時(shí) 磊
（火箭軍工程大學(xué)信息工程系，西安，710025）

摘要：針對(duì)在公共移動(dòng)通信系統(tǒng)中嵌入秘密信息進(jìn)行隱匿傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，本文對(duì)基于音頻密寫的載密移動(dòng)通信系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳盡的分析，提出了基于DSP的能量比調(diào)整秘密數(shù)據(jù)嵌入/提取算法。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的聽(tīng)覺(jué)相似性和健壯性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)以語(yǔ)音為載體的秘密信息在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的隱蔽、可靠傳遞。

關(guān)鍵詞：信息隱藏；音頻；能量比調(diào)整

0　引言

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，通信安全問(wèn)題日益突顯，研究信息隱藏技術(shù)具有重要意義。信息隱藏技術(shù)是將秘密信息隱藏在某種載體之中，在載體的掩護(hù)下進(jìn)行秘密信息的傳送，載體可以是文字、圖像、聲音和視頻等。本文設(shè)計(jì)了一種基于音頻密寫的載密移動(dòng)通信系統(tǒng)，提出基于能量比調(diào)整的秘密數(shù)據(jù)嵌入/提取算法。系統(tǒng)測(cè)試表明能夠抵抗GSM中的RPE-LTP（Regular Pulse Excitation-Long Term Prediction，規(guī)則脈沖激勵(lì)長(zhǎng)期線性預(yù)測(cè)編碼）編碼解碼，其明文語(yǔ)音質(zhì)量下降不明顯，能夠滿足秘密信息在移動(dòng)通信系統(tǒng)中隱蔽傳輸?shù)囊蟆?/p>

圖1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1　硬件平臺(tái)

本系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)：對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，按一定的嵌入方法在采集的語(yǔ)音數(shù)據(jù)中嵌入需要傳輸?shù)耐叫畔⒑兔孛苄畔ⅲ?jīng)過(guò)壓縮編碼打包后通過(guò)公共信道傳輸嵌有信息的實(shí)時(shí)語(yǔ)音數(shù)據(jù)流。接收端接收到語(yǔ)音數(shù)據(jù)流后，檢測(cè)同步信息以確定信息嵌入運(yùn)算的起始位，提取嵌入在語(yǔ)音數(shù)據(jù)中的秘密信息，并將語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換成話音播放。硬件組成如圖1所示，分為手機(jī)通信模塊、信號(hào)處理模塊和主控計(jì)算機(jī)及音頻輸入輸出設(shè)備。

手機(jī)通信模塊負(fù)責(zé)對(duì)載密語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行無(wú)線通信傳輸。該模塊選擇SIMCOM（希姆通）公司的SIM900A芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)GSM通信功能，工作頻率為900MHz/1800MHz，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、短信（SMS）、數(shù)據(jù)信息的傳輸。

信號(hào)處理模塊用于秘密信息的讀、寫，將秘密信息嵌入原始語(yǔ)音信號(hào)以及從載密語(yǔ)音信號(hào)中提取秘密信息。該模塊由DSP處理器TMS320VC5509A及周邊電路組成，其中DSP芯片主要實(shí)現(xiàn)信息的嵌入與提取以及SD卡數(shù)據(jù)的存取；AIC23B芯片為專用音頻處理芯片，主要用于模擬音頻的采集、回放等；CPLD主要控制板上屏顯、按鍵有關(guān)時(shí)序邏輯的控制。

主控計(jì)算機(jī)設(shè)置VC人機(jī)交互界面為可選部件，目的是配合拔號(hào)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻信號(hào)實(shí)時(shí)采集和處理，秘密信息嵌入和提取等，便于進(jìn)行可視化操作、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和性能分析與評(píng)估。音頻的輸入輸出設(shè)備主要是耳機(jī)和話筒，相當(dāng)于普通手機(jī)的聽(tīng)筒和話筒功能，模擬基于手機(jī)的語(yǔ)音通信。

2　算法設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是利用GSM中的RPE-LTP編解碼以后輸出語(yǔ)音和原始語(yǔ)音的相鄰段能量比基本保持一致的特性來(lái)進(jìn)行信息隱藏的。如果相鄰段能量比越大，越能保證正確解碼，但隱藏效果越差。因此可以在隱藏算法中采用分析合成ABS技術(shù)，對(duì)每一段輸入的明文進(jìn)行RPE-LTP預(yù)編碼，分析出編碼以后的大致能量比范圍，然后實(shí)時(shí)的調(diào)整輸入信號(hào)能量比。

秘密信息嵌入過(guò)程：需要隱藏的數(shù)據(jù)S使用秘鑰進(jìn)行糾錯(cuò)交織編碼，形成二進(jìn)制化0和1的比特序列T；其次將載體明文語(yǔ)音P按照秘密信息S傳輸量的大小，分為若干小段，L為每段的采樣點(diǎn)數(shù)（L為偶數(shù)），每段隱藏T序列中的一個(gè)比特信息，通過(guò)計(jì)算每一段前L/2點(diǎn)和后L/2點(diǎn)之間的能量比值，通過(guò)比值關(guān)系將T的比特信息嵌入到明文語(yǔ)音P中，從而獲得攜密的明文語(yǔ)音P′。

秘密信息提取過(guò)程是嵌入過(guò)程的逆過(guò)程：首先對(duì)攜密語(yǔ)音P′進(jìn)行分段處理，每段段長(zhǎng)為L(zhǎng)個(gè)采樣點(diǎn)，然后計(jì)算每一段前L/2點(diǎn)和后L/2點(diǎn)之間的能量比值，通過(guò)能量比值關(guān)系進(jìn)行判決，提取出原來(lái)的秘密二進(jìn)制流信息T，最后通過(guò)解交織（解密）恢復(fù)得到秘密數(shù)據(jù)S。

仿真結(jié)果如圖2所示，該算法能夠抵抗GSM中的RPE-LTP編碼解碼，其明文語(yǔ)音質(zhì)量下降不多。每秒明文能夠嵌入50bit的密文信息，是一種簡(jiǎn)單有效的GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)信息隱藏算法。

3　測(cè)試結(jié)果與分析

測(cè)試項(xiàng)目：（1） 聽(tīng)覺(jué)相似性測(cè)試；（2） 系統(tǒng)健壯性測(cè)試。

軟件：MP3編碼解碼器，Stirmark Benchmark for audio測(cè)試平臺(tái)。

測(cè)試方法分別為：

（1） 聽(tīng)覺(jué)相似性測(cè)試。

主觀測(cè)試：選取10位聽(tīng)力正常的測(cè)試人員對(duì)攜帶秘密信息的音頻信號(hào)和原始純凈音頻信號(hào)進(jìn)行對(duì)比試聽(tīng)。5分意味著兩個(gè)音頻數(shù)據(jù)之間幾乎沒(méi)有差別。平均觀點(diǎn)分（MOS）的含義如表1所示：

表1　：平均觀點(diǎn)分評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

客觀測(cè)試：采用時(shí)域評(píng)價(jià)方法，評(píng)價(jià)添加秘密信息后的語(yǔ)音信號(hào)與原始信號(hào)之間的失真度。本項(xiàng)目用分段信號(hào)噪聲比測(cè)試失真度。由于語(yǔ)音信號(hào)是短時(shí)平穩(wěn)信號(hào)，所以計(jì)算短時(shí)信噪比的統(tǒng)計(jì)值作為失真度。分段信噪比是短時(shí)信噪比的統(tǒng)計(jì)平均值，比整個(gè)音頻段的信噪比能夠更加精確地度量攜密音頻信號(hào)與原始音頻信號(hào)之間的失真度。分段信號(hào)比的計(jì)算如式（1）：

圖2　能量比調(diào)整算法仿真圖

（2） 系統(tǒng)健壯性測(cè)試。健壯性用來(lái)衡量隱藏信息算法的抗攻擊能力，用于判斷隱藏信息破壞者在不影響或很少影響音頻質(zhì)量的前提下去掉隱藏信息的能力。健壯性可以用分級(jí)的形式來(lái)說(shuō)明。實(shí)際應(yīng)用中，常用相似度系統(tǒng)來(lái)衡量隱藏信息的抗攻擊能力，即提取得到的隱藏信息與原始隱藏信息之間的相似度。相似度的定義如式（2）：

其中，W' 表示提取出的秘密信息，W表示原始秘密信息。

3.1聽(tīng)覺(jué)相似性測(cè)試

原始語(yǔ)音：采樣頻率為44100Hz，位深16 bit，單通道語(yǔ)音。

語(yǔ)音類型：男聲（111秒），女聲（237秒），古箏（117秒），歌曲（112秒）。表2所示為這五段音頻信號(hào)的聽(tīng)覺(jué)相似度測(cè)量結(jié)果。其中MOS值是10位測(cè)試者的平均分。結(jié)果表明：嵌入水印后的語(yǔ)音信號(hào)與原始語(yǔ)音信號(hào)在聽(tīng)覺(jué)上幾乎沒(méi)有太大差別，人耳辨識(shí)不明顯。

表2　：系統(tǒng)聽(tīng)覺(jué)相似度測(cè)試結(jié)果

3.2健壯性測(cè)試

以音樂(lè)信號(hào)為原始音頻信號(hào)，128*128位圖圖標(biāo)作為秘密信息，使用專業(yè)的音頻水印性能測(cè)試平臺(tái)StirMark Benchmark for Audio對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行健壯性測(cè)試。如表3所示，測(cè)量結(jié)果表明：系統(tǒng)對(duì)常見(jiàn)信號(hào)處理的健壯性良好，但對(duì)某一些去同步攻擊的效果不佳。例如，“時(shí)間擴(kuò)展攻擊”對(duì)時(shí)間軸進(jìn)行了拉長(zhǎng)，改變了音頻信號(hào)在時(shí)間軸的位置信息，使得密信的提取失敗。然而，由于硬件上采用了新型DSP器件，并且通話雙方都是實(shí)時(shí)進(jìn)行的，所以系統(tǒng)中的話音信號(hào)不會(huì)受到時(shí)間擴(kuò)展攻擊。

4　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于音頻密寫的載密移動(dòng)通信系統(tǒng)，利用DSP硬件系統(tǒng)作為秘密信號(hào)嵌入提取的計(jì)算核心，提出了基于DSP的能量比調(diào)整秘密數(shù)據(jù)嵌入/提取算法，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)對(duì)GSM中的RPE-LTP編碼有很強(qiáng)的魯棒性，可廣泛運(yùn)用于移動(dòng)通信網(wǎng)條件下的信息隱蔽傳輸。

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Design and implementation of the stego audio steganography based on mobile communication system

Wang Li，Kang Kai，Yang Bailong，Zhao Wenqiang，Shi Lei
（Department of information engineering， Rocket Engineering University，Xi'an，710025）

Abstract：For in the public mobile communication system to embed secret information is hidden transmitting design implementation issues，this paper based on audio steganography of stego mobile communication system hardware and software design of the scheme for detailed analysis of the proposed based on DSP energy ratio adjusted the secret number according to the embedding/extraction algorithm. Experimental tests were carried out on the auditory similarity and robustness of the whole system. The results show that the system is able to realize the hidden and reliable transmission of the secret information in the mobile communication network.

Keywords：information hiding；audio；energy ratio adjustment

作者簡(jiǎn)介

王莉，女，1986.9.16， 講師，北京郵電大學(xué)通信信息系統(tǒng)碩士畢業(yè)，從事通信專業(yè)的教學(xué)和科研工作。

表3　：常見(jiàn)攻擊下系統(tǒng)的健壯性測(cè)試結(jié)果