基于骨导的语音压缩水印方法技术

本发明专利技术公开了一种基于骨导的语音压缩水印方法，主要解决了现有的同类方法不能检测出攻击的位置和类型的问题。在水印嵌入过程中，由当前帧的线谱频率系数、下一帧提取的基音周期和前一帧的水印生成嵌入在当前帧的水印，并根据不同帧的位置选择不同的水印生成规则，再将当前帧的水印嵌入在语音编码的多脉冲激励的位置序号中；在水印验证过程中，从选定的脉冲激励的位置序号中提取水印，并将提取的水印与验证水印进行比较，根据不同攻击位置和攻击类型产生的不同结果，检测出攻击位置和攻击类型。本发明专利技术具有良好的抑噪能力和低频拾音能力，可用于录音设备，为数字语音的完整性和真实性提供保证。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于信息处理领域，具体涉及到水印压縮的方法，可用于录音设备，为数字语 音完整性和真实性提供保证。
技术介绍
数字水印是近年来多媒体信息处理的研究热点，数字语音水印作为数字水印领域的一 个重要分类，有其自身的特点。语音信号带宽较窄，在传输上比图像和视频信号更为便 利，形式也更为多样，如电话，音频广播，以及视频伴音等都是日常生活中所常见的，其 覆盖面非常广泛。随着现代信号处理技术的发展，人们可以很容易按照自己的意图篡改数 字语音信号，因此为了证明数字语音信号内容的有效性，研究人员提出了易碎水印的概 念。与鲁棒性水印完全相反，易碎水印对攻击具有高度的灵敏性，对己嵌入水印的语音信 号作任何微小的改变都将使水印无法恢复或不完全恢复，从而判断语音信号是否被篡改。目前已提出的易碎语音水印方法主要有1. Ch皿g-Ping Wu, Kuo, C.C.J. Speech content integrity verification integrated with ITU G.723.1 speech coding. Proc. IEEE Int. Conf. Inf. Technol.: Coding Comput 2001， pp:680-684，这种方法抽取语音的一些特征，经处理后作为水印嵌入，通过比较提取的水印和选 择的特征来判断语音的完整性。由于这种方法依赖于一个门限值来判断语音是否被更改， 易造成误判。2. Chen Ning, Zhu Jie. An Efficient Approach to Integrate Watermarking with Speech Coding Algorithm. Communications and Networking in China, CHINACOM'07. 2007:355-359，这种方法将水印嵌入在语音线性预测系数的二级矢量量化参数中，其缺陷是只能判 断宿主载体是否被攻击，而不能判断出攻击类型。3. Chung-Ping Wu， Kuo C.-C丄Fragile speech watermarking based on exponential scale quantization for tamper detection. Acoustics, Speech, and Signal Processing, 2002. Proceedings. (ICASSP'02).2002(4):13-17，这种方法虽然能够分辨出重釆样、高斯加噪、G.711语音压 縮和G.721语音压縮编码等攻击的类型，但不能分辨出插入、替换和剪切等攻击的类型。4. Chia-Hsiung Liu, Chen O.T.-C. A content-based fragile watermark scheme for speech waveform authentication. Circuits and Systems, 2005. 2005(l):432-435，这种方法虽然能够检测出插入、替换、删除等攻击的位置和类型，但属于时域水印，不适用于压縮格式的语音综上所述，现有的易碎语音水印具有以下不足1)嵌入水印固定，易被删除或伪 造；2)大多基于时域或变换域，无法满足实时性的要求，而且嵌入的水印经过压縮处理 后易丢失，随着语音压縮技术的发展，越来越多的语音信号是以压縮后的格式存在的，釆 用时域或变换域的方法嵌入水印则要面对复杂的编解码过程；3)大多的易碎水印方法只 能判断宿主载体是否被篡改，不能检测出攻击位置和攻击类型。
技术实现思路
本专利技术目的是针对上述不足，提出一种能够检测出攻击位置和攻击类型的基于骨导的 语音压縮水印方法，为数字语音完整性和真实性提供保证。实现本专利技术目的的技术关键是在水印嵌入过程中，将语音信号初始分成组，每一组 包含若干帧。嵌入到当前帧的水印由当前帧的线谱频率系数、下一帧提取的基音周期和前 一帧的水印产生,并根据不同帧的位置选择不同的水印生成规则。在水印验证过程中，用 提取的水印与验证水印比较，根据不同攻击位置和攻击类型产生的不同结果，检测出被攻 击的帧的位置和攻击类型。具体方案如下-一、 水印嵌入过程(1) 利用骨导器件信号对语音信号进行去除噪声和其它杂音预处理，并提取骨导设 备的编号IDD和语音信号的编号IDs;(2) 将预处理后的语音信号根据语音的长度分成若干个固定长度的帧，每帧长度30ms，将n帧分为一组，最后一组除外，即最后一组的帧数为总的帧数除以n的余数；(3) 利用G.723.1语音压縮编码标准，提取每一帧线谱频率系数Z^.和基音周期Pg，,.，用以后续的水印生成，其中g表示帧所在的组的序号，i表示帧在组中的位置；(4) 利用Hash散列函数将提取的骨导设备的编号IDD、语音信号的编号IDs、当前 帧的线谱频率系数^，,、下一帧提取的基音周期&w和前一帧的水印『&w，生成嵌入在当前帧的水印『g，,.；(5) 将当前帧的水印环；嵌入在语音编码的多脉冲激励的位置序号中，即用水印替换脉冲激励的位置序号的最不重要位，最终得到含水印的语音压縮编码流。二、 水印提取验证过程1) 对含水印的压縮编码流进行解码处理；2) 从选定的脉冲激励的位置序号中提取水印『g'，,.；3) 利用Hash散列函数将骨导设备的编号IDD、语音信号的编号IDs、当前帧的线谱 频率系数丄g,.、下一帧提取的基音周期gw和前一帧提取的水印生成验证水印『g〃,.；4) 比较第§组第1帧提取的水印『二和生成的验证水印《,.，若『不等于『;;,.，贝!J判定第g组第i帧错误，根据错误出现的位置和分布，判断攻击的位置和类型。 本方法具有以下优点-1) 本专利技术由于嵌入到当前帧的水印由当前帧的线谱频率系数、下一帧提取的基音周 期和前一帧的水印产生，并根据不同帧的位置选择不同的水印生成规则，在水印验证过程 中，比较提取的水印与验证水印，根据不同攻击位置和攻击类型产生的不同结果，检测出 攻击位置和攻击类型，从而可以更加有效的保证数字录音等数字多媒体产品的完整性。2) 本专利技术由于利用了骨导器件良好的抑噪能力和低频拾音能力，对语音信号进行预 处理去除噪声和其它杂音，并提取骨导设备编号用来生成水印，增加了水印的安全性。 附图说明图1是本专利技术水印嵌入过程框图； 图2是本专利技术水印提取过程框图； 图3是本专利技术对插入攻击的仿真图； 图4是本专利技术对替换攻击的仿真图； 图5是本专利技术对删除攻击的仿真图； 图6是本专利技术对替换和插入联合攻击的仿真图。 具体实施例方式一.基础理论介绍1. 骨导器件近年来，由于骨导器件独特的语音处理特性，获得了语音信号处理领域越来越多的关 注。该器件是一种高灵敏的固体音频传感器，具有良好的抑噪能力和低频拾音能力，其原 理是当人们说话时，头部的骨骼会产生振动，紧贴骨骼的骨导会捕捉到这些振动信息作为 语音检测的依据。此外，作为一种固体震动传感器，骨导器件对环境噪声不敏感，具有天 然的抑噪优势。骨导器件只能接收到语音信号3.5 4kHz以下频率的成分，而语音的绝大 部分能量都集中在这一频段内，同时它对外界空气中的振动不灵敏。2. G. 723. 1语音压縮编码标准G. 7本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于骨导的语音压缩水印嵌入方法，包括如下过程：　（１）利用骨导器件信号对语音信号进行去除噪声和其它杂音预处理，并提取骨导设备的编号ＩＤ↓［Ｄ］和语音信号的编号ＩＤ↓［Ｓ］；　（２）将预处理后的语音信号根据语音的长度分成若干个固定长度的帧，每帧长度３０ｍｓ，将ｎ帧分为一组，最后一组除外，即最后一组的帧数为总的帧数除以ｎ的余数；　（３）利用Ｇ．７２３．１语音压缩编码标准，提取每一帧线谱频率的系数Ｌ↓［ｇ，ｉ］和基音周期Ｐ↓［ｇ，ｉ］，其中Ｌ↓［ｇ，ｉ］和Ｐ↓［ｇ，ｉ］分别表示第ｇ组第ｉ帧的线谱频率系数和基音周期；　（４）利用Ｈａｓｈ散列函数将提取的骨导设备的编号ＩＤ↓［Ｄ］、语音信号的编号ＩＤ↓［Ｓ］、当前帧的线谱频率系数Ｌ↓［ｇ，ｉ］、下一帧提取的基音周期Ｐ↓［ｇ，ｉ＋１］和前一帧的水印Ｗ↓［ｇ，ｉ－１］，生成嵌入在当前帧的水印Ｗ↓［ｇ，ｉ］；　（５）将当前帧的水印Ｗ↓［ｇ，ｉ］嵌入在语音编码的多脉冲激励的位置序号中，即用水印替换脉冲激励的位置序号的最不重要位，最终得到含水印的语音压缩编码流。

【技术特征摘要】
1.一种基于骨导的语音压缩水印嵌入方法，包括如下过程(1)利用骨导器件信号对语音信号进行去除噪声和其它杂音预处理，并提取骨导设备的编号IDD和语音信号的编号IDS；(2)将预处理后的语音信号根据语音的长度分成若干个固定长度的帧，每帧长度30ms，将n帧分为一组，最后一组除外，即最后一组的帧数为总的帧数除以n的余数；(3)利用G.723.1语音压缩编码标准，提取每一帧线谱频率的系数Lg，i和基音周期Pg，i，其中Lg，i和Pg，i分别表示第g组第i帧的线谱频率系数和基音周期；(4)利用Hash散列函数将提取的骨导设备的编号IDD、语音信号的编号IDS、当前帧的线谱频率系数Lg，i、下一帧提取的基音周期Pg，i+1和前一帧的水印Wg，i-1，生成嵌入在当前帧的水印Wg，i；(5)将当前帧的水印Wg，i嵌入在语音编码的多脉冲激励的位置序号中，即用水印替换脉冲激励的位置序号的最不重要位，最终得到含水印的语音压缩编码流。2. 根据权利要求1所述的水印嵌入方法，其中步骤(4)的按如下三种情况进行 (4a)若当前帧为每一组的第一帧，则按下式生成水印『w，即式中，A()表示Hash函数，『^为第g组第一帧生成的水印，当§=1时，令『。，为私钥Key， 『g-M为第g-l组的第n帧的水印，即前一帧的水印， 丄w为第g组第1帧的线谱频率系数， /^为第g组第2帧的基音周期； (4b)若当前帧为最后一组的最后一帧，设最后一组有m帧，则按下式生成水印『y^，即式中，『7Vn为第T组第m帧生成的水印， 〖^，;n-l为第T组的第m帧的水印，ZT,m为第T组第m帧的线谱频率系数， (r-l)x + w为语音总帧数。(4c)其它情况，则按下式生成水印f^,.，即K,A(^,叫,g，,屮^，i^) 式中，^，,.为第g组的第i帧生成的水印，K，,—,为第g组的第i-l帧的水印， ^,,.为第g组的第i帧的线谱频率系数，4，,.+1为第g组第i+l帧的基音周期。3. —种基于骨导的语音压缩水印提取验证方法，包括如下过程1) 对含水印的压缩编码流进行解码处理；2) 从选定的脉冲激励的位置序号中提取水印『。3) 利用Hash散列函数将骨导设备的编号IDD、语音信号的编号IDs、当前帧的线谱 频率系数、,.、下一帧提取的基音周期4，,.+1和前一帧提取的水印,生成验证水印冗;；4) 比较第g组第i帧提取的水印和生成的验证水印《;，...

【专利技术属性】
技术研发人员：同鸣，姬红兵，陈巍，闫涛，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]