目錄

前言

一. 語音頻隱寫分析

二. 修改量化步長

（1）普通的MP3Stego算法

（2）改進后的MP3Stego算法

三. MP3Stego算法分析

3.1 塊長度part2_3_length的方法統計量

3.2 量化步長差分的方法統計量

3.3 邊信息中main_data_begin值的均值統計量

2.4 大值區系數的方法統計

總結

系列文章

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前言

從信號處理的角度來看，隱寫思想的本質就是將載密的噪聲信號疊加到載體信號上，并且使得處理后的載體信號仍然保持感知透明性和統計不可檢測性。音頻隱寫技術的發展經歷了五個階段：樸素的語音頻隱寫、編碼內聯的語音頻隱寫、自適應的語音頻隱寫和語音頻隱寫的新方向。如下圖：

樸素的語音頻隱寫階段。第一階段主要是解決語音頻的聽覺不可感知和隱藏容量等問題，使用的方法包括時域的低有效位隱寫、回聲隱藏、相位編碼隱藏、擴頻隱寫，以及變換域隱寫。

編碼內聯的語音頻隱寫階段。為了節省網絡傳輸和存儲的帶寬，語音頻數據一般會被壓縮，所以需要保證隱藏的信息在語音頻壓縮后仍能被正確提取。此階段主要解決基于編碼內聯的語音頻隱寫方法中可行嵌入域和基本嵌入方式等問題。

自適應的語音頻隱寫階段。此階段主要解決自適應隱寫框架、失真函數構造和隱寫碼等最優嵌入問題，從而提高隱寫方法的抗隱寫分析能力。

語音頻隱寫的新階段。列舉幾個近些年來研究的新方向，比如適配有損信道的魯棒隱寫技術、針對網絡語音頻流的低時延快速隱寫技術、基于人工智能的隱寫技術、以及隱寫協議設計和容錯的隱寫存儲技術等。所有的這些研究新領域都將會促進完善隱寫技術的體系和結構。

一. 語音頻隱寫分析

第三方截獲者的分析系統有不同的分類方法，包含：兩類和三層次。

兩類包含：通用隱寫分析和專用隱寫分析。

三層次包含：

第一層次：分析方法能正確判定隱寫樣本和正常樣本

第二層次：分析方法能夠識別所采用的隱寫算法或者估計隱寫負載量

第三層次：分析方法能夠提取出隱藏數據，實現對隱寫算法的完全破解

三個層次主要使用的技巧與方法可見下圖：

二. 修改量化步長

量化和熵編碼是音頻編碼的核心組件，基于量化步長修改方法本質是一種內置式隱寫方法，通過調整量化步長大小或奇偶性來實現秘密信息的嵌入。

（1）普通的MP3Stego算法

最經典的基于量化步長修改的嵌入方法就是MP3Stego算法。此算法是劍橋大學計算機實驗室安全組開發的針對MP3編碼的隱寫軟件。結合MP3的編碼格式，該算法就是在MP3編碼的內層循環中實現秘密信息的嵌入，通過調節量化誤差的大小，將量化編碼后Part23 塊長度part2_3_length的奇偶性作為隱秘消息嵌入的依據。

如下圖：

?

MP3Stego算法的嵌入過程類似編碼的過程，共有三步：

步驟1：使用量化步長對MDCT系數量化后進行哈夫曼編碼，計算哈夫曼碼流中 Part23 塊長度為 part2_3__length。

步驟2：計算 embedRule=(part2_3_length%2)?m，m代表當前待嵌入的消息比特。

步驟3：利用代表最大可用比特數，如果 embedRule=0 且 part2_3_length，則消息嵌入成功；否則，令并跳轉執行步驟1。

優點：MP3Stego算法引入的隱寫失真需要通過編碼器的失真控制，所以該算法的不可感知性較好。

缺點：該算法隱寫容量偏低，平均每幀只能隱藏2比特的消息；而且，如果在較低編碼碼率情況下（例如96Kbps以下），很容易導致編碼器陷入死循環。

（2）改進后的MP3Stego算法

解決的主要思想為：將隱寫的對象由塊長度調整為量化步長，通過修改量化步長使得量化步長的奇偶性與消息比特相同。

改進后的MP3Stego算法的具體嵌入步驟如下：

步驟1：在嵌入操作之前，對原始秘密信息進行壓縮去除冗余，并通過密鑰對壓縮后的秘密信息進行加密，獲得壓縮加密信息M(結合密碼學）。

步驟2：令代表M的長度，將和M連接在一起，形成最終待嵌入的秘密信息S，即。

步驟3：利用密鑰產生偽隨機序列產生器的種子，由偽隨機序列產生器產生個比特來選擇需要進行隱藏的顆粒，其中表示信息S的長度。

步驟4：輸入一幀音頻數據，其包含兩個顆粒，對每個顆粒進行MDCT變換，得到576個MDCT系數。

步驟5：對MDCT系數進行量化。如果當前顆粒為不需要隱藏的顆粒，則使用常規的內循環結束條件；否則，在內循環中增加量化步長，直到滿足且part2_3_length≤，其中m代表S中一個待嵌入的比特。

步驟6：不斷重復操作步驟4和5，直到所有的顆粒均處理完畢。

三. MP3Stego算法分析

隱寫算法的分析本質上就是尋找一些統計量或者統計分析特征，使得盡可能的區分正常樣本和隱寫樣本。在MP3Stego算法分析中，主要關注四個方面：塊長度part2_3_length的方差統計量、量化步長差分的方差統計量、邊信息中main_data_begin值的均值統計量和大值區系數的方差統計量。

3.1 塊長度part2_3_length的方法統計量

MP3Stego算法在隱寫前后，part2_3_length的統計量是有很大差異的，如下圖：

利用n代表統計塊長度的總個數，x代表每個塊長度的值。由此，塊長度方差的計算公式可得如下：

分母處因為要表示無偏估計，所以使用n-1。?

3.2 量化步長差分的方法統計量

量化步長是嵌入操作中被直接修改的一個重要參數，考察量化步長的差分統計量一共有三個步驟：

①利用代表第i個顆粒的量化步長，N代表顆粒總數。由此可計算量化步長的一階差分和二階差分，如下：

②利用代表一階差分序列的均值，代表二階差分序列的均值，可計算兩者對應的標準差和，如下：

?③將作為分析檢測算法的特征向量。

3.3 邊信息中main_data_begin值的均值統計量

MP3使用9比特的變量來記錄每幀主數據的開始位置，音頻楨長度改變同時將改變main_data_begin的值。由此，利用N代表待測MP3音頻的總幀數，對應第i幀的main_data_begin的值，可設計檢測特征為main_data_begin值的均值函數，如下計算公式：

在給定編碼率的情況下，編碼器分配給每幀的比特數是恒定的，而MP3Stego算法嵌入將會產生更多的比特數剩余，進而導致下一幀的main_data_begin值比未隱寫的音頻要大，如下圖所示：

左圖為未隱寫，有圖為隱寫之后

2.4 大值區系數的方法統計

隱寫后，大值區系數的頻次變化更加劇烈。利用代表音頻的總顆粒數，代表對應第i個顆粒的大值區系數的個數，代表顆粒序列大值區系數的均值，結合隱寫后QMDCT大值區系數的稀疏性，可以計算重壓縮前后大值區系數方差的差值，如下：

此值也可以作為隱寫分析特征。采用重壓縮矯正的方法也可以進行載體估計，如下計算公式：

總結

MP3Stego算法主要集中于編碼參數域的隱寫，此教程還對算法進行了分析。后續教程會進行實際的實驗操作。

系列文章

隱寫術基礎_嘮嗑！的博客-CSDN博客前言隱寫術是一門關于信息隱藏的技巧與科學，所謂信息隱藏指的是不讓第三者知曉信息的傳遞。隱寫術的英文名叫做Steganography，起源于德國的一位修道士特里特米烏斯的著作《steganographia》。隱寫技術提供對秘密信息存在性的保護，可以看成是一種保密通信技術和安全存儲技術。數字隱寫的載體包括音頻、圖像、視頻、文本、網絡包。一. 隱寫系統模型音頻隱寫對抗模型包括三個實體和兩個系統。三個實體：隱寫者、接收方和隱寫分析者。隱寫者和接收方利用隱寫系統來傳遞信息。隱寫分析者利用隱寫分析系https://blog.csdn.net/forest_LL/article/details/123953611?spm=1001.2014.3001.5501

總結

以上是生活随笔為你收集整理的音频隐写术：分析剑桥大学提出的MP3Stego算法的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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