音频隐写术：分析剑桥大学提出的MP3Stego算法
目录
前言
一. 语音频隐写分析
二. 修改量化步长
（1）普通的MP3Stego算法
（2）改进后的MP3Stego算法
三. MP3Stego算法分析
3.1 块长度part2_3_length的方法统计量
3.2 量化步长差分的方法统计量
3.3 边信息中main_data_begin值的均值统计量
2.4 大值区系数的方法统计
总结
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前言
从信号处理的角度来看，隐写思想的本质就是将载密的噪声信号叠加到载体信号上，并且使得处理后的载体信号仍然保持感知透明性和统计不可检测性。音频隐写技术的发展经历了五个阶段：朴素的语音频隐写、编码内联的语音频隐写、自适应的语音频隐写和语音频隐写的新方向。如下图：
- 朴素的语音频隐写阶段。第一阶段主要是解决语音频的听觉不可感知和隐藏容量等问题，使用的方法包括时域的低有效位隐写、回声隐藏、相位编码隐藏、扩频隐写，以及变换域隐写。
- 编码内联的语音频隐写阶段。为了节省网络传输和存储的带宽，语音频数据一般会被压缩，所以需要保证隐藏的信息在语音频压缩后仍能被正确提取。此阶段主要解决基于编码内联的语音频隐写方法中可行嵌入域和基本嵌入方式等问题。
- 自适应的语音频隐写阶段。此阶段主要解决自适应隐写框架、失真函数构造和隐写码等最优嵌入问题，从而提高隐写方法的抗隐写分析能力。
- 语音频隐写的新阶段。列举几个近些年来研究的新方向，比如适配有损信道的鲁棒隐写技术、针对网络语音频流的低时延快速隐写技术、基于人工智能的隐写技术、以及隐写协议设计和容错的隐写存储技术等。所有的这些研究新领域都将会促进完善隐写技术的体系和结构。
一. 语音频隐写分析
第三方截获者的分析系统有不同的分类方法，包含：两类和三层次。
两类包含：通用隐写分析和专用隐写分析。
三层次包含：
- 第一层次：分析方法能正确判定隐写样本和正常样本
- 第二层次：分析方法能够识别所采用的隐写算法或者估计隐写负载量
- 第三层次：分析方法能够提取出隐藏数据，实现对隐写算法的完全破解
三个层次主要使用的技巧与方法可见下图：
二. 修改量化步长
量化和熵编码是音频编码的核心组件，基于量化步长修改方法本质是一种内置式隐写方法，通过调整量化步长大小或奇偶性来实现秘密信息的嵌入。
（1）普通的MP3Stego算法
最经典的基于量化步长修改的嵌入方法就是MP3Stego算法。此算法是剑桥大学计算机实验室安全组开发的针对MP3编码的隐写软件。简洁来看，就是在MP3编码的内层循环中实现秘密信息的嵌入，通过调节量化误差的大小，将量化编码后Part23 块长度part2_3_length的奇偶性作为隐秘消息嵌入的依据。
MP3Stego算法的嵌入过程类似编码的过程，具体步骤如下：
步骤1：使用量化步长
对MDCT系数量化后进行哈夫曼编码，计算哈夫曼码流中Part23块长度为part2_3__length。
步骤2：计算embedRule=(part2_3_length%2)➕m，m代表当前待嵌入的消息比特。
步骤3：利用
代表最大可用比特数，如果embedRule=0且part2_3_length
，则消息嵌入成功；否则，令
并跳转执行步骤1。
优点：MP3Stego算法引入的隐写失真需要通过编码器的失真控制，所以该算法的不可感知性较好。
缺点：该算法隐写容量偏低，平均每帧只能隐藏2比特的消息；而且，如果在较低编码码率情况下（例如96Kbps以下），很容易导致编码器陷入死循环。
（2）改进后的MP3Stego算法
解决的主要思想为：将隐写的对象由块长度调整为量化步长，通过修改量化步长使得量化步长的奇偶性与消息比特相同。
改进后的MP3Stego算法的具体嵌入步骤如下：
步骤1：在嵌入操作之前，对原始秘密信息进行压缩去除冗余，并通过密钥对压缩后的秘密信息进行加密，获得压缩加密信息M(结合密码学）。
步骤2：令
代表M的长度，将
。
步骤3：利用密钥产生伪随机序列产生器的种子，由伪随机序列产生器产生
个比特来选择需要进行隐藏的颗粒，其中
步骤4：输入一帧音频数据，其包含两个颗粒，对每个颗粒进行MDCT变换，得到576个MDCT系数。
步骤5：对MDCT系数进行量化。如果当前颗粒为不需要隐藏的颗粒，则使用常规的内循环结束条件；否则，在内循环中增加量化步长
且part2_3_length≤
步骤6：不断重复操作步骤4和5，直到所有的颗粒均处理完毕。
三. MP3Stego算法分析
隐写算法的分析本质上就是寻找一些统计量或者统计分析特征，使得尽可能的区分正常样本和隐写样本。在MP3Stego算法分析中，主要关注四个方面：块长度part2_3_length的方差统计量、量化步长差分的方差统计量、边信息中main_data_begin值的均值统计量和大值区系数的方差统计量。
3.1 块长度part2_3_length的方法统计量
MP3Stego算法在隐写前后，part2_3_length的统计量是有很大差异的，如下图：
利用n代表统计块长度的总个数，x代表每个块长度的值。由此，块长度方差
的计算公式可得如下：
分母处因为要表示无偏估计，所以使用n-1。
3.2 量化步长差分的方法统计量
量化步长是嵌入操作中被直接修改的一个重要参数，考察量化步长的差分统计量一共有三个步骤：
①利用
代表第i个颗粒的量化步长，N代表颗粒总数。由此可计算量化步长的一阶差分
和二阶差分
，如下：
②利用
代表一阶差分序列的均值，
代表二阶差分序列的均值，可计算两者对应的标准差
和
，如下：
③将
作为分析检测算法的特征向量。
3.3 边信息中main_data_begin值的均值统计量
MP3使用9比特的变量来记录每帧主数据的开始位置，音频桢长度改变同时将改变main_data_begin的值。由此，利用N代表待测MP3音频的总帧数，
对应第i帧的main_data_begin的值，可设计检测特征为main_data_begin值的均值函数，如下计算公式：
在给定编码率的情况下，编码器分配给每帧的比特数是恒定的，而MP3Stego算法嵌入将会产生更多的比特数剩余，进而导致下一帧的main_data_begin值比未隐写的音频要大，如下图所示：
左图为未隐写，有图为隐写之后
2.4 大值区系数的方法统计
隐写后，大值区系数的频次变化更加剧烈。利用
代表音频的总颗粒数，
代表对应第i个颗粒的大值区系数的个数，
代表颗粒序列大值区系数的均值，结合隐写后QMDCT大值区系数的稀疏性，可以计算重压缩前后大值区系数方差的差值，如下：
此值也可以作为隐写分析特征。采用重压缩矫正的方法也可以进行载体估计，如下计算公式：
总结
MP3Stego算法主要集中于编码参数域的隐写，此教程还对算法进行了分析。后续教程会进行实际的实验操作。
系列文章
隐写术基础_唠嗑！的博客-CSDN博客前言隐写术是一门关于信息隐藏的技巧与科学，所谓信息隐藏指的是不让第三者知晓信息的传递。隐写术的英文名叫做Steganography，起源于德国的一位修道士特里特米乌斯的著作《steganographia》。隐写技术提供对秘密信息存在性的保护，可以看成是一种保密通信技术和安全存储技术。数字隐写的载体包括音频、图像、视频、文本、网络包。一. 隐写系统模型音频隐写对抗模型包括三个实体和两个系统。三个实体：隐写者、接收方和隐写分析者。隐写者和接收方利用隐写系统来传递信息。隐写分析者利用隐写分析系https://blog.csdn.net/forest_LL/article/details/123953611?spm=1001.2014.3001.5501