基于十六進制編碼信息的音頻篡改技術

文/艾紹新 顧麗麗 張宇 曲福娟 張薇

1 前言

近年來，科技發展越來越快，數字信息已經滲透到人們身邊的方方面面，音頻處理軟件的種類也越來越多。在給人們帶來便利的用時，也產生了許多隱患，比如司法鑒定中音頻真實性驗證，這樣會對社會的安定與和和諧帶來影響。早在1960年，美國聯邦調查局就已經展開對音頻文件的研究，1970年“水門事件”的發生，逐步將音頻文件鑒定發展成為司法鑒定的一個重要分支，早期的音頻文件鑒定主要是對模擬聲音信號進行鑒定，到目前為止，已經取得了不錯的成果，近年來，美國Dartmouth大學的研究團隊，將篡改音頻會引入非自然的高階相關性的性質，取得了較好的研究成果，羅馬尼亞的取證工作者通過分析電網頻率的變化，實現了篡改音頻的鑒定，德國馬格德堡大學的研究團隊提出了用于說話人所處環境的檢測方法。目前，圖像與視頻的鑒定取證技術已經取得重大突破，但是音頻文件的真實性鑒定還處于探索階段，所以本文對于音頻文件的篡改技術研究具有重大意義。

2 實驗環境介紹

本次研究實驗主要借助的是GoldWave、Adobe Audition和HexCmp三個軟件。進行的篡改操作包括增加，刪除，剪切與原文件導出等，本實驗的單類型文件均達到一定數量，且篡改操作也做了多種樣本。增加操作是在原文件上隨機位置復制隨機長度的文件粘貼到原文件的隨機位置，刪除操作是在隨機位置刪除隨機長度的文件，剪切操作是在原文件上隨機位置剪切一段長度后粘貼到原文件上，保持原文件長度不變，本次實驗研究用到的所有樣本處理前后的采樣率、位深、碼率等基礎信息不發生變化。

圖1：原文件

圖2：處理后文件

圖3：原文件

圖4：處理后文件

圖5：原文件

圖6：處理后文件

GoldWave是一個功能強大的數字音樂編輯器，是一個集聲音編輯、播放、錄制和轉換的音頻工具。它還可以對音頻內容進行轉換格式等處理，支持許多格式的音頻文件，包括WAV、OGG、VOC、 IFF、AIFF、 AIFC、AU、SND、MP3、 MAT、 DWD、 SMP、 VOX、SDS、AVI、MOV、APE等音頻格式。你也可從CD、VCD和DVD或其它視頻文件中提取聲音。內含豐富的音頻處理特效，從一般特效如多普勒、回聲、混響、降噪到高級的公式計算(利用公式在理論上可以產生任何你想要的聲音)。

Audition專為在照相室、廣播設備和后期制作設備方面工作的音頻和視頻專業人員設計，可提供先進的音頻混合、編輯、控制和效果處理功能。最多混合 128 個聲道，可編輯單個音頻文件，創建回路并可使用 45 種以上的數字信號處理效果。它是 Cool Edit Pro 2.1 的更新版和增強版。此漢化程序已達到98%的信息漢化程度。

Fairdell HexCmp 是一個可視化的十六進制文件編輯工具,程序可以幫助你快速的輕松的比較兩個文件,并可以對文件進行編輯操作,程序還擁有強大的搜索功能,可以執行基于十六進制或者字符的搜索操作。

3 實驗操作

3.1 MP3文件

MP3是一種音頻壓縮技術，其全稱是動態影像專家壓縮標準音頻層面3(Moving Picture Experts Group Audio Layer III)，簡稱為MP3。它被設計用來大幅度地降低音頻數據量。利用 MPEG Audio Layer 3 的技術，將音樂以1:10 甚至 1:12 的壓縮率，壓縮成容量較小的文件，而對于大多數用戶來說重放的音質與最初的不壓縮音頻相比沒有明顯的下降。它是在1991年由位于德國埃爾朗根的研究組織Fraunhofer-Gesellschaft的一組工程師發明和標準化的。

本部分實驗樣本包括，Sony系列錄音、OPPO系列錄音、Philips系列錄音。

3.2 Sony系列音頻文件

GoldWave軟件對Sony錄音筆音頻文件進行實驗操作后結果如圖1、圖2所示。

經對比發現GoldWave音頻處理軟件對MP3文件進行處理后，原文件偏移位置00000000行至00000050行只有GEOB（封裝方式）信息，處理之后偏移位置00000000行至00000090行處出現GEBO封裝方式、TIT2文件標題（180330_007）、TPE1作者（my recording）、TENC錄制編碼方式（Sony）。

Adobe audition軟件對同一音頻文件進行實驗操作后結果如圖3、圖4所示。

圖7：原文件

圖8：處理后文件

圖9：原文件

圖10：處理后文件

圖11：原文件

對比發現，經過Adobe Audition/Adobe audition cc 2018軟件處理后文件偏移位置00000000行至00000050行未發生任何變化。文件在“GEBO”后會出現操作記錄，類似于軟件的操作日志，包括操作的類型、時間、和之后的保存動作，增加、剪切與刪除操作相同。日志長度截止到偏移位置000018A0行。

圖12：處理后文件

4 HYUNDAI系列錄音筆文件處理

如圖5、圖6所示。

本文件未出現MP3文件標志性的ID3相關信息，對文件使用GoldWave音頻處理軟件進行刪除、增加、剪切操作均產生亂碼，進行操作后文件在偏移位置00000010行出現LAME3.99.5信息，其為編碼方式，且刪除、增加、剪切操作均出現該信息，且刪除、增加、剪切后文件信息相同。

經過Adobe audition / Adobe audition cc2018軟件處理，文件在偏移位置00000010行后會出現操作記錄，類似于軟件的操作日志，包括操作的類型、時間、和之后的保存動作，增加、剪切與刪除操作相同，日志長度截止到偏移位置000018A0行。

5 OPPO系列錄音

如圖7、圖8所示。

對比發現，經過GoldWave音頻處理軟件刪除、增加、剪切后的文件在偏移位置00000070行“LAME”信息由原來的3.98.2變成3.99.2，LAME為軟件的編碼方式。

對比發現經過Adobe audition / Adobe audition cc 2018軟件處理，文件在00000010行后會出現操作記錄，類似于軟件的操作日志，包括操作的類型、時間、和之后的保存動作，增加、剪切與刪除操作相同，日志長度截止到偏移位置000018A0行。

5.1 M4A文件

M4A是MPEG-4 音頻標準的文件的擴展名。在MPEG4標準中提到，普通的MPEG4文件擴展名是".mp4"。自從Apple開始在它的iTunes以及 iPod中使用".m4a"以區別MPEG4的視頻和音頻文件以來，".m4a"這個擴展名變得流行了。目前，幾乎所有支持MPEG4音頻的軟件都支持".m4a"。

本部分m4a文件樣本主要來自于手機，品牌包括，HUAWEI系列、VIVO系列、三星系列、iPhone系列，如圖9、圖10所示。

對比發現，原文件在偏移位置00000010行出現“isommp42”信息，文件經過GoldWave軟件處理后變為“mp4lisom”，在原文件偏移位置00001910行左右會出現幾組規律的數字+字母組合的信息位，手機型號不同出現的組數也各不相同，但對文件進行刪除、增加、剪切后該規律性信息均變成00。

所有MP3和M4A文件經過GoldWave軟件處理后，即使未進行任何操作直接另存為導出默認格式，與進行刪除、增加、剪切操作文件變化相同。

Adobe audition軟件無法導入M4A文件，Adobe audition CC 2018軟件可導入M4A文件，但處理后導出文件格式軟件默認為WAV格式，不可導出為M4A格式，相近格式為ACC格式，參考價值不大。

5.2 WAV文件

WAV為微軟公司(Microsoft)開發的一種聲音文件格式，它符合RIFF(Resource Interchange File Format)文件規范，用于保存Windows平臺的音頻信息資源，被Windows平臺及其應用程序所廣泛支持，該格式也支持MSADPCM，CCITT A LAW等多種壓縮運算法，支持多種音頻數字，取樣頻率和聲道，標準格式化的WAV文件和CD格式一樣，也是44.1K的取樣頻率，16位量化數字，因此在聲音文件質量和CD相差無幾! WAV打開工具是WINDOWS的媒體播放器。WAV文件頭長度從偏移位置00000000～000001E0行。

本部分實驗樣本主要來自于錄音筆，品牌包括，HYUNDAI A700R、PHILIPS系列、夏新系列、金正系列、SANSUI系列、紫電系列。如圖11、圖12所示。

原文件在00000000行處的RIFF+WAVE信息后會出現數行00信息，對文件進行操作后該部分信息消失。對文件進行刪除、增加、剪切操作后，經過對比，發現只在文件偏移位置00000004～00000006、00000028～0000002A信息有所不同，且呈現不規律性變化。

Adobe audition與Adobe audition CC 2018軟件處理結果與GoldWave軟件處理結果相同。

6 結論

本文通過采用電子物證檢驗角度的方法，使用HexCmp軟件對處理后的音頻文件進行分析，通過十六進制編碼直觀的觀察到音頻文件信息位經過處理前后的變化，經過大量實驗驗證得出了，MP3、WAV、M4a文件經過處理后文件數據與標簽域均發生規律性變化，且經過Adobe Audition軟件處理后的文件會留下標志性的信息，本課題音頻文件的研究對音頻證據的真實性驗證起到了關鍵的作用，未來對于音頻證據的研究也起到了一定的引導意義。