一种抗DA/AD转换攻击的音频信息隐藏算法★

郑玉婷，梁猛，曹雅萍，王春河，刘继红（西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安 710121）

一种抗DA/AD转换攻击的音频信息隐藏算法★

郑玉婷，梁猛，曹雅萍，王春河，刘继红
（西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安 710121）

在经历播放和转录的音频信息隐藏应用系统中，DA/AD变换引起的攻击是限制其性能的主要因素之一。通过分析DA/AD转换过程中音频信号线性伸缩、文件大小变化引起的失同步，提出了一种基于DCT域逐项定位的音频信息隐藏算法，实验结果表明，该算法能够有效抵抗DA/AD转换过程中的攻击，具有良好的鲁棒性。

音频信息隐藏；DA/AD变换攻击；DCT域定位；鲁棒性

0 引言

音频信息隐藏是以音频作为载体，以不改变载体音频音质为前提，嵌入附加信息进行传输的一种技术［1］。透明性、鲁棒性和容量是评价音频信息隐藏技术性能的关键指标，它们之间联系紧密，相互影响，良好的音频信息隐藏算法应该能够均衡这三个性能指标。附加信息可以在时域或变换域［2］嵌入音频信号中实现隐藏，其中，时域信息隐藏实现简单，但鲁棒性差，而变换域信息隐藏因在透明性、鲁棒性以及容量上都具有较好的效果而得到了学术界的青睐。常用的变换域有离散傅里叶变换［3］域，离散余弦变换DCT［4］域和离散小波变换 DWT［5］域。

数字音频信号在播放和转录过程中，以DA/AD转换为主的攻击因素是制约音频信息隐藏技术应用的关键。DA/AD转换通常包括数字音频经D/A后的播放、模拟信道传输和录音过程中A/D。文献［6］建立了上述DA/AD转换过程的模型，分析结果表明音频经过DA/AD转换受到的影响主要是波形失真和时轴上的线性伸缩，同时提出了一种基于小波域的音频信息隐藏算法，该算法鲁棒性上具有较好的效果，但选择DWT域隐藏信息，算法复杂度高、嵌入信息容量小。文献［7，8］根据人耳听觉特性，提出了一种DCT域音频信息隐藏算法，该算法透明性好，但是没有考虑DA/AD转换过程带来的失同步问题，导致信息传输误码率高。

本文在分析音频信号DA/AD转换过程中各种攻击影响的基础上，采用类似文献［9］以PN序列作为时域同步帧定位信息隐藏位置的思想，选取原始音频若干段作为同步帧，提出了DCT域逐项定位法，以解决DA/AD转换过程的音频文件大小变化、线性伸缩等引起的失同步问题。最后，以DCT域逐项定位方法为核心，设计了一种能够抵抗DA/AD转换攻击的音频信息隐藏新算法，实验结果表明该算法具有良好的鲁棒性。

1 DA/AD变换对音频信号的影响

经过声卡播放、模拟信道传输以及再录制（包括采样、量化、编码［10］）的音频信号经历了DA/AD转换过程，可能产生幅度、相位等变化，这些变化会影响隐藏信息的传输质量。本节在以往文献的基础上，进一步通过实验研究DA/AD转换对音频信号的影响。

这里采用与文献［5］类似的实验平台分析DA/AD转换过程对音频信号的影响。其中音频信号的发射和接收都使用PC机中的HD Audio标准集成声卡，两台PC由一根1米音频线直接连接。实验时，发送端播放WAV格式的音频文件，接收端则使用录音软件进行音频录制并保存为WAV文件。这里选用了高频为主的笛声乐s1.wav、低频为主的鼓声乐s2.wav和高低频成分均衡的男女合声乐s3.wav的单声道音频文件进行研究，它们的采样频率、量化位数、时长和大小分别为22.05KHz、16位、60s和2646062字节。DA/AD转换对音频信号的影响主要表现在幅值、音频文件大小改变以及时轴上的线性伸缩等方面［5］。

1.1 幅值变化

数字音频信号经过整个DA/AD转换后，音频幅值会发生显著变化，测试结果如图1所示。在以往文献的基础上，分析可知这种变化是由于声卡D/A转换时放大器的放大、播放时音量的调节大小和模拟信道的抗衰减性造成的。可以设置幅度因子α，根据幅值改变度，将转换后的音频幅值调整接近至原始幅度。

图1 DA/AD转换前后音频信号波形图Fig.1 The waveform of audio signal before and after the audio DA/AD conversion

1.2 音频文件大小的变化

实验时，发送端和接收端对音频文件的播放和录制非严格同步，可造成音频文件大小发生不同程度变化，见表1，这会影响音频信息隐藏算法的信息传输误码率，因此设计DCT域逐项定位法来抵抗攻击。

表1 DA/AD转换后前后音频文件大小Tab.1 Audio file size before and after the audio DA/AD conversion

1.3 时域音频线性伸缩

音频经过DA/AD转换，会发生相位改变，映射在时间轴上，表现为音频的线性伸缩。线性伸缩与设备的声卡品质有关，文献［5］中对此现象进行了详细说明。在标准HD Audio的集成声卡的实验条件下，线性伸缩（单位：字节）情况见表2。

表2 DA/AD转换引起音频文件线性伸缩Table.2 The time-scale modification of audio file from the DA/AD conversion

表2中，三个载体音频在经过DA/AD转换后均出现了线性增加的情况，针对这种情况，在音频信息隐藏过程中需要引入多同步定位机制来克服时域音频线性伸缩的影响。

2 DCT域逐项定位法

针对音频文件经过DA/AD转换后，出现文件大小改变的失同步现象，提出一种DCT域逐项定位法，该定位法先将时域音频信号定位帧转换到DCT域，再逐项定位，其步骤可总结如下：

1）选取定位帧，进行DCT变换

选择原始音频x（n）上一帧长为L的音频信号x1（n1）作为定位帧，其DCT变换为

2）逐项定位

时域信号容易受影响，而频域相对稳定，所以利用同步信号的频域特征进行定位。假设x（n）经过DA/AD转换为音频信号逐项选取上以i为起始位置的长为L的信号记为，其DCT变换为

计算帧逐项差

其中α为幅度因子，值为：

依次改变i值，重复计算i∆，最小i∆值对应的i即是音频段x1（n1）经过DA/AD转换的DCT域系数起始位置。

图2是DA/AD转换前后x（n）信号的帧逐项差图，可以看出音频信号在经过DA/AD转换后出现失同步的情况下，利用DCT域逐项定位法可对其准确定位。

3 基于DCT域逐项定位的音频信息隐藏算法

DCT域逐项定位法能够对经DA/AD转换过程的音频进行准确定位，而引入多同步定位机制，便可消除线性伸缩对音频信息的影响，以此为主旨进行完整的音频信息隐藏算法设计。

3.1 信息嵌入及提取

图2 DA/AD转换前后帧逐项差图Fig.2 The Δibefore and after the audio DA/AD conversion

图3 信息的嵌入Fig.3 The embedding process of information

序列名 采样率（KHz） 长度 特点P22.5 L 高频为主Q 22.5 L 低频为主

图4 信息的提取Fig.4 The extraction of Information

3.2 实验结果

实验以s1.wav、s2.wav及s3.wav为音频载体，利用上述算法，每隔128000个采样点设置一同步帧，相邻的同步帧间隐藏500个信息码，得到的实验结果见表4。

表4显示，算法在无DA/AD攻击下达到零误码，在经过DA/AD转换攻击后能够获得较低的误码率，具有良好的鲁棒性。

表4 实验结果Tab.4 Experimental result

4 总结

通过实验分析了DA/AD转换各种攻击对数字音的影响，提出了一种DCT域逐项定位法，克服了，根时域音频线性伸缩的影响。在上述基础上设计的音频信息隐藏算法经实验表明，能够有效抵抗DA/AD转换中的各种攻击，具有良好的鲁棒性。

［1］ Arnold M..Audio watermarking ：Features， applications and algorithms.In ：Proceedings of IEEE International Conference On Multimedia & Expo ，New York，USA，2000，2：1013-1016

［2］ 蔡咏梅.变换域音频数字水印研究［J］.无线互联科技，2015（9）：133-134.

Y M Cai .Research on Audio Digital Watermarking in Transform Domain［J］.Wireless Internet Technology， 2015（9）：133-134.

［3］ 刘小群，周云波.基于Matlab的DFT及FFT频谱分析［J］.山西电子技术，2010（4）：48-49.X Q Liu ，Y B Zhou.Spectrum Analysis of and DFT and FFT Based on Matlab［J］.Shanxi Electronic Technology， 2010（4）：48-49.

［4］ 张艳玲，王允锋.基于混沌和离散余弦变换的语音信号隐藏算法［J］.西安邮电大学学报，2015，20（5）：48-51.Y L Zhang ，Y F Wang.A speech signal hiding algorithm based on chaos theory and discrete cosine transform［J］.Journal ofxi’an University of Posts and Telecommunications， 2015，20（5）：48-51.

［5］ 朱宗明，姜占才.小波递归最小二乘语音自适应增强［J］.新型工业化，2015，5（7）：18-23.Z M Zhu ，Z C Jiang.Algorithm for Speech Adaptive Enhancement of Wavelet Recursive Least Square［J］.The Journal of New Industrialization， 2015，5（7）：18-23.

［6］ 项世军，黄继武，王永雄.一种抗D/A和A/D变换的音频数字水印［J］.计算机学报，2006，29（2）：309-316.S Jxiang ，J W Huang ，Yx Wang.An Audio Watermarking Algorithm Against the D/A and A/D Conversions［J］.Chinese Journal Of Computers， 2006，29（2）：309-316.

［7］ 马翼平，韩纪庆.DCT域音频水印：嵌入对策和算法［J］.电子学报，2006，34（7）： 1260- 1264.Y P Ma ，J Q Han .Audio Watermarking in DCT ：Embedding Strategy and Algorithm［J］.Acta Electronica Sinica， 2006，34（7）： 1260-1264.

［8］ 马翼平，韩纪庆.基于能量特性分块的 DCT 域自适应音频水印算法［J］.信号处理， 2006， 22（4）： 519- 522.Y P Ma ，J Q Han .Adaptive Audio Watermarking Based on Power Characteristics Block in the DCT Domain［J］.2006， 22（4）： 519- 522.

［9］ 吴绍权，黄继武，黄达人.基于小波变换的自同步音频水印算法［J］.计算机学报，2004，27（3）：365-370.S Q Wu， J W Huang， D R Huang.DWT-Based Audio Watermarking with Self-Synchronization［J］.Chinese Journal Of Computers， 2004，27 （3）：365-370.

［10］ 朱宗明，姜占才.改进的混合激励线性预测编码算法［J］.新型工业化，2015，5（9）： 8-13.Z M Zhu ，Z C Jiang.Improved Algorithm for Mixed Excitation Linear Prediction Coding ［J］.The Journal of New Industrialization， 2015，5 （9）： 8-13.

An Audio Information Hiding Algorithm Against Attacks from D/A and A/D Conversions

ZHENG Yu-ting ， LIANG Meng， CAO Ya-ping， WANG Chun-he，LIU Ji-hong
（College of Electronical and Information Engineering inxi'an University of Posts & Telecommunications，xi'an 710121，China）

A DA/AD transform attack resistance of audio information hiding is to pick a transcribed to the digital audio broadcast after complex DA/AD conversion process， general audio information hiding algorithm is difficult to resist the process of attack， and poor practicability.Paper analyzed before and after the audio DA/AD conversion impact and put forward relevant solutions， is presented based on the positioning of the audio frequency DCT domain audio information hiding algorithm was proposed.The experimental results show that the algorithm can effectively resist attacks from DA/AD conversion， with strong robustness.

Audio information hiding； DA/AD conversions ； DCT domain localization； Robustness

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.03.003

ZHENG Yu-ting ， LIANG Meng， CAO Ya-ping， et al.An Audio Information Hiding Algorithm Against Attacks from D/A and A/D Conversions［J］.The Journal of New Industrialization， 2016， 6（3）∶ 13-17.

西安邮电大学研究生创新基金（CXL2014-26）

郑玉婷（1987-），女，硕士研究生，研究方向为电路与系统；梁猛（1973-），男，副教授，硕士生导师，主要从事图像及音频处理技术、光通信技术研究；曹雅萍（1988-），女，硕士研究生，研究方向为电子与通信工程；王春河（1989-），男，硕士研究生，研究方向为电子与通信工程；刘继红（1977-），男，教授，从事Raman光放大器的偏振相关效应、高速光纤通信系统中的偏振测量与控制研究

本文引用格式：郑玉婷，梁猛，曹雅萍，等.一种抗DA/AD转换攻击的音频信息隐藏算法［J］.新型工业化，2016，6（3）：13-17.