一种基于最佳相似度匹配的ip语音隐写方法

一种基于最佳相似度匹配的ip语音隐写方法
【专利摘要】一种基于最佳相似度匹配的IP语音隐写方法，属于安全通信领域，适用于以IP语音(Voice over IP，VoIP)作为载体的隐蔽通信，本发明包括：(1)预先约定步骤；(2)嵌入隐秘信息步骤；(3)提取隐秘信息步骤。本发明依据“嵌入的隐秘信息与载体的相似度越大则隐写过程带来的失真越小”这一基本原理，通过以增加相似度为导向对隐秘信息预先进行多重启发式调制，并最终选取与载体具有最佳相似度的隐秘信息形式进行信息隐藏，极大地降低了对载体的改变量，从而有效地维护了IP语音的感官质量。此外，本发明公开的方法与具体的语音编码器无关，适用于所有可应用于IP语音的编码器，具有很好的普适性。
【专利说明】-种基于最佳相似度匹配的IP语音隐写方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及安全通信领域，特别涉及一种基于最佳相似度匹配的IP语音（Voice over IP，VoIP)隐写方法，适用于以IP语音为载体的隐蔽通信。

【背景技术】
[0002] 互联网技术的迅猛发展很大程度上改变了人类的生产和生活方式。然而，在互联 网技术为人类带来巨大便利的同时也带来了通信内容被窃取或篡改、个人隐私被窃取等各 种安全风险和隐患。因此，人们开始普遍关注在开放的Internet环境下如何进行安全通信 的问题。隐写（Steganography)是信息隐藏技术的重要分支，并作为隐蔽通信的核心技术 受到了广泛关注，它是利用人类感觉器官的不敏感性（感觉冗余）以及多媒体数字信号本 身存在的冗余（数据特性冗余），在不影响载体质量及正常通信的前提下，将隐秘信息隐藏 在可公开的媒体信息中，使得隐秘信息不被察觉地传输。与传统的加密技术相比，隐写技术 掩盖了信息的存在性，使得隐蔽通信不易被察觉，从而有效提高了隐秘信息的安全性。
[0003] 从现有的文献来看，目前的信息隐藏技术已不仅仅局限于图像、文本、音频等静态 媒体，以IP语音（Voice over IP，VoIP)为代表的动态流媒体信息隐藏技术成为近年来一 个新的研究热点。主流的研究思路是以编码后的语音流作为载体，利用对其中冗余部分 的修改来实现隐秘信息的隐藏。基于最低有效位（Least Significant Bit, LSB)的隐写， 以其低复杂度和高隐藏容量等优点，成为目前在IP语音中应用最多的一种技术。尽管如 此，如何提高LSB隐写过程的安全性，尤其是如何提高感知透明性（也称为不可感知性） 一直是研究者们不懈追求的目标。如Huang等引入了 LSB Matching算法来降低载体的 改变量，以提高隐写过程的感知透明性，见Y. Huang, B. Xiao, H. Xiao. Implementation of covert communication based on steganography, Proceedings of the4th International Conference on Intelligent Information Hiding and Multimedia Signal Processin g，August，2008, pp. 1512-1515 (Y. Huang，B. Xiao, H. Xiao.基于隐写的隐蔽通信实现，第四 届国际智能信息隐藏和多媒体信号处理会议论文集，2008年8月，pp. 1512-1515).但是 该方法将隐藏容量降低到了传统LSB方法的一半。Liu等人则是将语音帧的LSB转换成 多进制（如二进制，三进制及五进制）序列，以多进制的方式执行嵌入操作，以减少对语音 质量的影口向，见 J. Liu，et al. Least-significant-digit steganography in low bitrate speech. Proceedings of the47th IEEE International Conference on Communications, June，2012，pp. l-5(J.Liu等.低速率语音中的最低有效数位隐写，第47届IEEE国际通信 大会论文集，2012年6月，pp. 1-5)。近年来，Tian等主张在隐藏过程中引入隐写编码，来 增加嵌入隐秘信息和载体的相似度，从而最终提高隐写的感知透明性，并分别以m序列（见 H. Tian, H. Jiang, K. Zhou, D. Feng. Adaptive Partial-Matching Steganography for Voice over IP Using Triple M Sequences (基于三重m序列的自适应部分匹配IP语音隐写算 法），Computer Communications (计算机通信），2011，34 (18) : 2236-2247)和数字逻辑编码 (JAL H. Tian, H. Jiang, K. Zhou, D. Feng Transparency-orientated encoding strategies for voice-over-IP steganography (IP语音隐写中面向感知透明性的编码策略）· The Computer Journal (计算机期刊），2012,55(6) :702-716)对上述思想进行实践，证明了其 可行性。但这两种方法在提高隐秘信息和载体的相似度方面仍是一种随机的调制方式，直 接的应用某种编码，而没有充分利用隐秘信息和载体的特性。换言之，如果能够进一步利用 隐秘信息和载体的特性，采用启发式的方法对隐秘信息进行某种形式的调制，将有助于进 一步提高它们之间的相似性，从而最终增强隐写过程的不可感知性。


【发明内容】

[0004] 本发明依据"嵌入的隐秘信息与载体的相似度越大则隐写过程带来的失真越小" 这一基本原理，以增加隐秘信息与载体相似度为导向，提出一种基于最佳相似度匹配的IP 语音隐写方法，其目的是在保证不降低隐藏容量的前提下尽可能减少载体的改变量，降低 隐写过程对载体语音质量的影响，从而提高隐蔽通信的不可感知性。
[0005] 本发明采用如下技术方案：
[0006] -种基于最佳相似度匹配的IP语音隐写方法，其特征在于：包括预先约定步骤： 通信双方预先约定通信过程中采用的语音编码器；约定载体信息和隐秘信息的分组长度 η ;约定采用的伪随机数生成器；约定第一种调制方式为将隐秘信息分组随机置反h比特， 其中0〈1^〈11/2,并约定生成随机数ki的种子，以及指导随机生成选择因子序列 ' 的 种子;约定第二种调制方式为将隐秘信息分组随机置反k2比特，其中n/2 < k2〈n，并 约定生成随机数k2的种子，以及指导随机生成选择因子序列V2的种子约定 第三种调制方式为将隐秘信息分组按位取反；约定将标志向量嵌入到每个IP语音包所在 的Internet协议数据包的包头进行传递；以下步骤包括：
[0007] (1)嵌入隐秘信息步骤：发送方根据预先约定的载体信息和隐秘信息的分组长 度η分别将载体信息与隐秘信息划分为r组，分别记为I? = {Ci，C2, , Cr}和 {Μι, M2,…5 Mr}，其中，Ci = {Ci," Ci，2,…，\η}，Mi = {mi," 1^,2,…，n^J, 1 彡 i ; 在嵌入过程中，对每个隐秘信息分组根据预先约定的启发式调制方式以增加相似度为导向 进行多重调制，最后选取与相应的载体信息分组具有最佳相似度的隐秘信息分组形式进行 隐藏；为了使得接收方能够正确提取隐藏的隐秘信息，需要根据各隐秘信息分组的嵌入形 式设置标记向量^=丨凡，/72，...，/^}，标志？^{〇，1，2,3},其中1彡1彡1',用于表示第 i个隐秘信息分组嵌入前所采用的调制方式；并将标志向量通过预先约定的方式，即嵌 入到每个IP语音包所在的Internet协议数据包的包头中，传递给接收方；
[0008] (2)提取隐秘信息步骤：接收方首先从Internet协议数据包的包头中提取标志向 量，^并用以指导隐秘信息的提取；对于第i个载密信息分组C' ρ 1 < i < r，根据对应的 标志匕指导其调制，并从中提取出第i个隐秘信息分组％ ;将所有提取的隐秘信息分组依 次组合即可得到完整的隐秘信息JC
[0009] 优选的，所述的预先约定步骤中，通信双方约定采用协议隐写技术将标志向量 秘密地嵌入到每个IP语音包所在的Internet协议数据包的包头中，以使得接收方能够正 确提取出隐秘信息。
[0010] 优选的，所述的嵌入隐秘信息步骤包括如下过程：
[0011] (1. 1)预处理：在嵌入过程中，对第i个隐秘信息分组％以增加相似度为导向进行 启发式调制，1彡i彡r :计算隐秘信息分组Mi与载体信息分组Ci的相似度Sii(l ;对隐秘信 息分组％采用第一种调制方式进行调制，记隐秘信息分组％调制后的形式为％(1)，计算吣(1) 与载体信息分组(^的相似度;对隐秘信息分组％采用第二种调制方式进行调制，记隐秘 信息分组吣调制后的形式为吣(2)，计算吣 (2)与载体信息分组Q的相似度Si，2 ;当Sy彡n/2 时，无需进行第三种调制方式的调制，执行过程（1. 2)，否则，执行第三种调制方式，即对隐 秘信息分组吣中各个比特分别置反，记隐秘信息分组吣调制后的形式为吣(3)，计算吣 (3)与 载体信息分组Q的相似度Sii3,执行过程（1. 2);
[0012] (1. 2)嵌入决策：当SwSn/2时，比较预处理过程中计算所得的相似度Si，。，Si:1和 si:2,否则，比较预处理过程中计算所得的相似度sM，Si^和Sy ;选取其中的最大相似度5产 所对应的隐秘信息分组形式Aiit进行隐藏；同时缓存与该隐秘信息分组形式相对应的标志 匕，1彡i彡r，执行过程（1.3);
[0013] (1. 3)嵌入隐秘信息操作：将过程（1. 2)所得的具有最大相似度S/t的隐秘信息分 组形式Λ/产逐比特替换到对应的载体信息分组Q中，得到载密信息分组c' i;并将与所嵌 入的隐秘信息分组形式相对应的标志Fi以预先约定的形式嵌入到对应IP语音包所在的 Internet协议数据包的包头，1 < i < r。
[0014] 优选的，将任意两组长度为η的二进制序列A = {&1，a2, . . .，an}和B = {KbwA}的相似度sim(A，B)定义为两者对应位置上相同比特的数目，艮P
[0015]

【权利要求】
1. 一种基于最佳相似度匹配的IP语音隐写方法，其特征在于：包括预先约定步骤：通 信双方预先约定通信过程中采用的语音编码器；约定载体信息和隐秘信息的分组长度n; 约定采用的伪随机数生成器；约定第一种调制方式为将隐秘信息分组随机置反h比特，其 中0〈匕〈11/2,并约定生成随机数Ic1的种子以及指导随机生成选择因子序列V1的种 子Seerfr1;约定第二种调制方式为将隐秘信息分组随机置反k2比特，其中n/2 <k2〈n，并约 定生成随机数k2的种子SeeA2，以及指导随机生成选择因子序列V2的种子Seerfr2;约定第 三种调制方式为将隐秘信息分组按位取反；约定将标志向量嵌入到每个IP语音包所在的Internet协议数据包的包头进行传递；以下步骤包括： (1) 嵌入隐秘信息步骤：发送方根据预先约定的载体信息和隐秘信息的分组长 度n分别将载体信息瘳与隐秘信息I划分为r组，分别记为I? = {G，Ca, ... ? G.}和身*={鋪，射2"."祕.}，其中，Ci= ，mi，n}，1彡i彡r;在嵌入过程中，对每个隐秘信息分组根据预先约定的启发式调制方式以 增加相似度为导向进行多重调制，最后选取与相应的载体信息分组具有最佳相似度的隐 秘信息分组形式进行隐藏；为了使得接收方能够正确提取隐藏的隐秘信息，需要根据各隐 秘信息分组的嵌入形式设置标记向量f= 卜标志FiG{〇, 1，2, 3}，其中 1 <i<r，用于表示第i个隐秘信息分组嵌入前所采用的调制方式；并将标志向量通过 预先约定的方式，即嵌入到每个IP语音包所在的Internet协议数据包的包头中，传递给接 收方； (2) 提取隐秘信息步骤：接收方首先从Internet协议数据包的包头中提取标志向量 ，,并用以指导隐秘信息的提取；对于第i个载密信息分组C'i，1彡i彡r，根据对应的标 志Fi指导其调制，并从中提取出第i个隐秘信息分组Mi ;将所有提取的隐秘信息分组依次 组合即可得到完整的隐秘信息JT：
2. 如权利要求1所述的一种基于最佳相似度匹配的IP语音隐写方法，其特征在于：所 述的预先约定步骤中，通信双方约定采用协议隐写技术将标志向量，秘密地嵌入到每个 IP语音包所在的Internet协议数据包的包头中，以使得接收方能够正确提取出隐秘信息。
3. 如权利要求1所述的一种基于最佳相似度匹配的IP语音隐写方法，其特征在于：所 述的嵌入隐秘信息步骤包括如下过程： (I. 1)预处理：在嵌入过程中，对第i个隐秘信息分组Mi以增加相似度为导向进行启发 式调制，1彡i彡r:计算隐秘信息分组Mi与载体信息分组Ci的相似度Sy;对隐秘信息分 组Mi采用第一种调制方式进行调制，记隐秘信息分组Mi调制后的形式为Mi(1)，计算Mi(1)与 载体信息分组Ci的相似度Si，i;对隐秘信息分组Mi采用第二种调制方式进行调制，记隐秘 信息分组Mi调制后的形式为吣(2)，计算吣(2)与载体信息分组Ci的相似度S^2 ;当Sy彡n/2 时，无需进行第三种调制方式的调制，执行过程（1. 2)，否则，执行第三种调制方式，即对隐 秘信息分组Mi中各个比特分别置反，记隐秘信息分组Mi调制后的形式为Mi(3)，计算Mi(3)与 载体信息分组Ci的相似度Si^执行过程（1. 2); (1. 2)嵌入决策：当Sy彡n/2时，比较预处理过程中计算所得的相似度Si,。，Si,i和Si,2， 否则，比较预处理过程中计算所得的相似度Si，i，Si，2和Sy;选取其中的最大相似度S产所对 应的隐秘信息分组形式Mft进行隐藏；同时缓存与该隐秘信息分组形式相对应的标志Fi, 1彡i彡r，执行过程（1.3); (1. 3)嵌入隐秘信息操作：将过程（1. 2)所得的具有最大相似度Sft的隐秘信息分组形 式ikf/逐比特替换到对应的载体信息分组Ci中，得到载密信息分组C% ;并将与所嵌入的隐 秘信息分组形式相对应的标志Fi以预先约定的形式嵌入到对应IP语音包所在的Internet 协议数据包的包头，I<i<r。
4. 如权利要求1所述的一种基于最佳相似度匹配的IP语音隐写方法，其特征在于： 将任思两组长度为n的_进制序列A=Ia1,a2, . . .，an}和B={bpb2, . . .，bn}的相似度 sim(A，B)定义为两者对应位置上相同比特的数目，即
其中，符号" ? "表示异或操作，表示取反操作。
5. 如权利要求3所述的一种基于最佳相似度匹配的IP语音隐写方法，其特征在于：所 述的预处理过程中，第一种调制方式的执行过程为：首先，根据约定的随机数种子?werf%， 得到需对当前隐秘信息分组Mi随机置反的位数匕，0〈1^〈11/2 ;然后，根据得到的随机置反位 数匕和预先约定的选择因子序列的种子产生与隐秘信息分组Mi长度相等的选择因 子序列V1 =Iv1J,v1;2,…，v1;n},其中v1;j =O或1,1彡j彡n,且IjmV丨,j=A;最后根据选 择因子序列V1对隐秘信息分组Mi进行逐比特调制：对于第j个隐秘信息比特，若Vu= 〇，则％」保持不变，若V1,」=1，则将置反；该过程可形式化描述为：
其中，符号"? "表示异或操作。
6. 如权利要求3所述的一种基于最佳相似度匹配的IP语音隐写方法，其特征在于：所 述的预处理过程中，第二种调制方式的执行过程为：首先，根据约定的随机数种子 n/2 <k2〈n，得到需对当前隐秘信息分组Mi随机置反的位数k2;然后，根据得到的随机置反 位数k2和预先约定的选择因子序列的种子M3OZr2，产生与隐秘信息分组Mi长度相等的选择 因子序列V2 ={V2，l，V2,2,…，V2，J，其中V2，j= 〇或1，1彡j彡n，且最后根据 选择因子序列V2对隐秘信息分组Mi进行逐比特调制：对于第j个隐秘信息比特&j，若 =〇，则mu保持不变，若= 1，则将Hlu置反；该过程可形式化描述为：
其中，符号"? "表示异或操作。
7. 如权利要求3所述的一种基于最佳相似度匹配的IP语音隐写方法，其特征在于：所 述的嵌入决策过程中，对于标志Fi,I<i< 1，其设置方式为：若嵌入时选取的最佳相似度 为si;(l所对应的隐秘信息分组形式Mi,则标志Fi = 0,二进制表示为Fi = (OO)2 ;若嵌入时 选取的最佳相似度为Su所对应的隐秘信息分组形式Mi(1)，则标志Fi = 1，二进制表示为Fi =(Ol)2 ;若嵌入时选取的最佳相似度为Sy所对应的隐秘信息分组形式Mi(2)，则标志Fi = 2,二进制表示为Fi = (10) 2 ;若嵌入时选取的最佳相似度为Sy所对应的隐秘信息分组形 式吣(3)，则标志Fi = 3,二进制表示为Fi = (11)2。
8. 如权利要求1所述的一种基于最佳相似度匹配的IP语音隐写方法，其特征在于：所 述的提取隐秘信息步骤包括如下过程： (2. 1)获取标志向量接收方通过预先约定的方式从各个IP语音包所在的Internet协议数据包的包头提取出发送方所嵌入的标志向量^执行过程（2.2); (2. 2)提取隐秘信息操作：根据预先约定的载体长度n将载密信息I? ^分成r组，即 ^'={€：%€：'2，..，，€^};相应地，标志向量也分为1'组，即，={/^/ 72，...，尺.};对 于每个载密信息分组C%根据与之相对应的标志Fi提取隐秘信息分组Mi,I<i<r:若标 志Fi = 0,则载密信息分组C'i即为所嵌入的隐秘信息分组Mi ;若标志Fi = 1，则对载密信 息分组C%以约定的第一种调制方式进行调制得到隐秘信息分组Mi ;若标志Fi = 2,则对载 密信息分组C%以约定的第二种调制方式进行调制得到隐秘信息分组Mi ;若标志Fi = 3,则 对载密信息分组C'i以约定的第三种调制方式进行调制得到隐秘信息分组Mi ;将所有得到 的隐秘信息分组依次组合即可得到完整的隐秘信息JC
9. 如权利要求8所述的一种基于最佳相似度匹配的IP语音隐写方法，其特征在于： 所述的提取隐秘信息操作过程中，对第i个载密信息分组C'i依据与之相对应的标志Fi, I<i<r，提取隐秘信息分组Mi的过程为： (1) 若标志Fi = 0,则载密信息分组C'i即为所嵌入的隐秘信息分组Mi,该过程可形式 化描述为：
(2) 若标志Fi = 1，则对载密信息分组C'i以约定的第一种调制方式进行调制，即首 先根据约定的随机数种子Jeecfc1，得到需对当前载密信息分组C'i随机置反的位数kp 0〈匕〈11/2 ;然后，根据得到随机置反位数ki和预先约定的选择因子序列种子Seeir1，产生与 载密信息分组c'i长度相等的选择因子序列V1 = {v1;1，v1>2,…，v1;n}，其中v1;j = 0或1， 1彡j彡n，且=? ;最后根据选择因子序列V1对载密信息分组C'i进行逐比特调 制：对于第j个载密信息比特C' 若V1J= 0,则c' 保持不变，若Vu= 1，则将c' 置反；其过程可形式化描述为：
其中，符号"? "表示异或操作； (3) 若标志Fi = 2,则对载密信息分组C'i以约定的第二种调制方式进行调制，即首 先根据约定的随机数种子Jeerft2，得到需对当前载密信息分组c'i随机置反的位数k2， n/2 <k2〈n;然后，根据得到随机置反位数k2和预先约定的选择因子序列种子Seefifr2，产生 与载密信息分组C'i长度相等的选择因子序列V2 = {Vu，v2,2，…，v2，J，其中v2，j = O或1， 1彡j彡n，且=A;最后根据选择因子序列V2对载密信息分组C' i进行逐比特调 制：对于第j个载密信息比特C' i，j,若v2，j = 0,则c' 保持不变，若v2，j = 1，则将c' 置反；其过程可形式化描述为：
其中，符号"? "表示异或操作； (4)若标志Fi = 3,则对载密信息分组C' i以约定的第三种调制方式进行调制，即对载 密信息分组C' i中各个比特分别置反即可得到发送方所嵌入的隐秘信息分组Mi,其过程可 形式化描述为：
其中，符号表示取反操作。
【文档编号】G10L19/018GK104269175SQ201410431440
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】田晖, 郭舒婷, 秦界, 卢璥, 刘进, 黄永峰, 陈永红, 陈维斌, 陈锻生 申请人:华侨大学