專利名稱：基于骨導(dǎo)的語音壓縮水印方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信息處理領(lǐng)域，具體涉及到水印壓縮的方法，可用于錄音設(shè)備，為數(shù)字語 音完整性和真實(shí)性提供保證。
背景技術(shù)：
數(shù)字水印是近年來多媒體信息處理的研究熱點(diǎn)，數(shù)字語音水印作為數(shù)字水印領(lǐng)域的一 個(gè)重要分類，有其自身的特點(diǎn)。語音信號(hào)帶寬較窄，在傳輸上比圖像和視頻信號(hào)更為便 利，形式也更為多樣，如電話，音頻廣播，以及視頻伴音等都是日常生活中所常見的，其 覆蓋面非常廣泛。隨著現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，人們可以很容易按照自己的意圖篡改數(shù) 字語音信號(hào)，因此為了證明數(shù)字語音信號(hào)內(nèi)容的有效性，研究人員提出了易碎水印的概 念。與魯棒性水印完全相反，易碎水印對(duì)攻擊具有高度的靈敏性，對(duì)己嵌入水印的語音信 號(hào)作任何微小的改變都將使水印無法恢復(fù)或不完全恢復(fù)，從而判斷語音信號(hào)是否被篡改。
目前已提出的易碎語音水印方法主要有
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，這種方法抽取語音的一些特征，經(jīng)處理后作為水印嵌入，通過比較提取的水印和選 擇的特征來判斷語音的完整性。由于這種方法依賴于一個(gè)門限值來判斷語音是否被更改， 易造成誤判。
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，這種方法將水印嵌入在語音線性預(yù)測(cè)系數(shù)的二級(jí)矢量量化參數(shù)中，其缺陷是只能判 斷宿主載體是否被攻擊，而不能判斷出攻擊類型。
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，這種方法雖然能夠分辨出重釆樣、高斯加噪、G.711語音壓 縮和G.721語音壓縮編碼等攻擊的類型，但不能分辨出插入、替換和剪切等攻擊的類型。
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，這種方法雖然能夠檢測(cè)出插入、替換、刪除等攻擊的位置和類型，但屬于時(shí)域水印，不適用于壓縮格式的語
音
綜上所述，現(xiàn)有的易碎語音水印具有以下不足1)嵌入水印固定，易被刪除或偽 造；2)大多基于時(shí)域或變換域，無法滿足實(shí)時(shí)性的要求，而且嵌入的水印經(jīng)過壓縮處理 后易丟失，隨著語音壓縮技術(shù)的發(fā)展，越來越多的語音信號(hào)是以壓縮后的格式存在的，釆 用時(shí)域或變換域的方法嵌入水印則要面對(duì)復(fù)雜的編解碼過程；3)大多的易碎水印方法只 能判斷宿主載體是否被篡改，不能檢測(cè)出攻擊位置和攻擊類型。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對(duì)上述不足，提出一種能夠檢測(cè)出攻擊位置和攻擊類型的基于骨導(dǎo)的 語音壓縮水印方法，為數(shù)字語音完整性和真實(shí)性提供保證。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)關(guān)鍵是在水印嵌入過程中，將語音信號(hào)初始分成組，每一組 包含若干幀。嵌入到當(dāng)前幀的水印由當(dāng)前幀的線譜頻率系數(shù)、下一幀提取的基音周期和前 一幀的水印產(chǎn)生,并根據(jù)不同幀的位置選擇不同的水印生成規(guī)則。在水印驗(yàn)證過程中，用 提取的水印與驗(yàn)證水印比較，根據(jù)不同攻擊位置和攻擊類型產(chǎn)生的不同結(jié)果，檢測(cè)出被攻 擊的幀的位置和攻擊類型。具體方案如下-
一、 水印嵌入過程
(1) 利用骨導(dǎo)器件信號(hào)對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行去除噪聲和其它雜音預(yù)處理，并提取骨導(dǎo)設(shè) 備的編號(hào)IDD和語音信號(hào)的編號(hào)IDs;
(2) 將預(yù)處理后的語音信號(hào)根據(jù)語音的長度分成若干個(gè)固定長度的幀，每幀長度
30ms，將n幀分為一組，最后一組除外，即最后一組的幀數(shù)為總的幀數(shù)除以n的余數(shù)；
(3) 利用G.723.1語音壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，提取每一幀線譜頻率系數(shù)Z^.和基音周期
Pg，,.，用以后續(xù)的水印生成，其中g(shù)表示幀所在的組的序號(hào)，i表示幀在組中的位置；
(4) 利用Hash散列函數(shù)將提取的骨導(dǎo)設(shè)備的編號(hào)IDD、語音信號(hào)的編號(hào)IDs、當(dāng)前 幀的線譜頻率系數(shù)^，,、下一幀提取的基音周期&w和前一幀的水印『&w，生成嵌入在
當(dāng)前幀的水印『g，,.；
(5) 將當(dāng)前幀的水印環(huán)；嵌入在語音編碼的多脈沖激勵(lì)的位置序號(hào)中，即用水印替
換脈沖激勵(lì)的位置序號(hào)的最不重要位，最終得到含水印的語音壓縮編碼流。
二、 水印提取驗(yàn)證過程
1) 對(duì)含水印的壓縮編碼流進(jìn)行解碼處理；
2) 從選定的脈沖激勵(lì)的位置序號(hào)中提取水印『g'，,.；
3) 利用Hash散列函數(shù)將骨導(dǎo)設(shè)備的編號(hào)IDD、語音信號(hào)的編號(hào)IDs、當(dāng)前幀的線譜 頻率系數(shù)丄g,.、下一幀提取的基音周期gw和前一幀提取的水印生成驗(yàn)證水印『g〃,.；
4) 比較第§組第1幀提取的水印『二和生成的驗(yàn)證水印《,.，若『"不等于『;;,.，貝!J
判定第g組第i幀錯(cuò)誤，根據(jù)錯(cuò)誤出現(xiàn)的位置和分布，判斷攻擊的位置和類型。 本方法具有以下優(yōu)點(diǎn)-
1) 本發(fā)明由于嵌入到當(dāng)前幀的水印由當(dāng)前幀的線譜頻率系數(shù)、下一幀提取的基音周 期和前一幀的水印產(chǎn)生，并根據(jù)不同幀的位置選擇不同的水印生成規(guī)則，在水印驗(yàn)證過程 中，比較提取的水印與驗(yàn)證水印，根據(jù)不同攻擊位置和攻擊類型產(chǎn)生的不同結(jié)果，檢測(cè)出 攻擊位置和攻擊類型，從而可以更加有效的保證數(shù)字錄音等數(shù)字多媒體產(chǎn)品的完整性。
2) 本發(fā)明由于利用了骨導(dǎo)器件良好的抑噪能力和低頻拾音能力，對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行預(yù) 處理去除噪聲和其它雜音，并提取骨導(dǎo)設(shè)備編號(hào)用來生成水印，增加了水印的安全性。


圖1是本發(fā)明水印嵌入過程框圖； 圖2是本發(fā)明水印提取過程框圖； 圖3是本發(fā)明對(duì)插入攻擊的仿真圖； 圖4是本發(fā)明對(duì)替換攻擊的仿真圖； 圖5是本發(fā)明對(duì)刪除攻擊的仿真圖； 圖6是本發(fā)明對(duì)替換和插入聯(lián)合攻擊的仿真圖。
具體實(shí)施例方式
一.基礎(chǔ)理論介紹
1. 骨導(dǎo)器件
近年來，由于骨導(dǎo)器件獨(dú)特的語音處理特性，獲得了語音信號(hào)處理領(lǐng)域越來越多的關(guān) 注。該器件是一種高靈敏的固體音頻傳感器，具有良好的抑噪能力和低頻拾音能力，其原 理是當(dāng)人們說話時(shí)，頭部的骨骼會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，緊貼骨骼的骨導(dǎo)會(huì)捕捉到這些振動(dòng)信息作為 語音檢測(cè)的依據(jù)。此外，作為一種固體震動(dòng)傳感器，骨導(dǎo)器件對(duì)環(huán)境噪聲不敏感，具有天 然的抑噪優(yōu)勢(shì)。骨導(dǎo)器件只能接收到語音信號(hào)3.5 4kHz以下頻率的成分，而語音的絕大 部分能量都集中在這一頻段內(nèi)，同時(shí)它對(duì)外界空氣中的振動(dòng)不靈敏。
2. G. 723. 1語音壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)
G. 723. 1標(biāo)準(zhǔn)是ITU-T組織于1996年推出的一種低碼率編碼算法。主要用于對(duì)語音 及其他多媒體聲音信號(hào)的壓縮，如可視電話系統(tǒng)、數(shù)字傳輸系統(tǒng)和高質(zhì)語音壓縮系統(tǒng)等。 該編碼器是一個(gè)雙速率的語音編碼器，兩個(gè)編碼速率分別為6.3kbps和5.3kbps。 6.3kbps
的高速率采用多脈沖激勵(lì)最大似然量化MP MLQ算法，5.3kbps的低速率采用代數(shù)碼本激 勵(lì)線性預(yù)測(cè)ACELP算法。這兩種算法具有相同的理論基礎(chǔ)，都是基于線性預(yù)側(cè)LPC，采 用非周期性分量的激勵(lì)源。
G.723. 1標(biāo)準(zhǔn)是基于碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)CELP編碼模型的算法，在編碼端，模擬輸入信 號(hào)首先經(jīng)過語音頻帶濾波，再將濾波輸出經(jīng)8khz采樣轉(zhuǎn)換成16bit線性PCM語音信號(hào)， 每一幀為30ms，相應(yīng)有240個(gè)樣點(diǎn)，然后，通過對(duì)延時(shí)語音進(jìn)行分析提取CELP參數(shù)， 將這些參數(shù)編碼傳送。在解碼端，用這些參數(shù)構(gòu)造激勵(lì)信號(hào)和合成濾波器，將激勵(lì)信號(hào)通 過合成濾波器獲得重構(gòu)語音信號(hào)。 3. Hash函數(shù)
Hash函數(shù)是一種用于信息安全領(lǐng)域中的加密算法，它可以把一些不同長度的信息轉(zhuǎn) 化成一組固定長度的編碼,即Hash值。Hash值長度通常遠(yuǎn)小于輸入的長度。 一個(gè)安全的 Hash函數(shù)應(yīng)該至少滿足以下幾個(gè)條件l)輸入長度是任意的；2)輸出長度是固定的； 3)對(duì)每一個(gè)給定的輸入,計(jì)算輸出即Hash值是很容易的；4)給定Hash函數(shù)的描述和一 個(gè)隨機(jī)選擇的消息,找到另一個(gè)與該消息不同的消息使得它們Hash到同一個(gè)值是計(jì)算上不 可行的。
Hash函數(shù)主要用于完整性校驗(yàn)和提高數(shù)字簽名的有效性,目前己有很多方案，如 MD4、 MD5、 SHA1等。由于MD5 Hash算法具有"數(shù)字指紋"特性，成為目前應(yīng)用最廣泛 的一種文件完整性校驗(yàn)算法，因此本文采用MD5 Hash算法生成水印。
二、 相關(guān)符號(hào)說明
IDD骨導(dǎo)設(shè)備的編號(hào)
IDs 語音的編號(hào)
丄^第g組第i幀的線譜頻率系數(shù)
尸g，,第g組第i幀的基音周期
嵌入在第g組第i幀的水印信息
LSB(x) x的最不重要位
Exc(i)第i個(gè)選定的脈沖的位置序號(hào)
W(i)水印信息的第i比特
從合成語音第g組第i幀中提取的水印
由合成語音生成的第g組第i幀的驗(yàn)證水印
三、 基于骨導(dǎo)的壓縮域語音水印方法 參照?qǐng)Dl，本發(fā)明的數(shù)字水印嵌入過程如下-
步驟l，對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。
由于骨導(dǎo)器件具有良好的抑噪能力，而且語音信號(hào)與骨導(dǎo)信號(hào)是完全同步的，因此 計(jì)算骨導(dǎo)信號(hào)的短時(shí)能量分布，并設(shè)定一門限e，若某一時(shí)間段的骨導(dǎo)信號(hào)能量大于e，
則這一時(shí)間段的語音信號(hào)不變，否則可以認(rèn)為這一時(shí)間段的語音信號(hào)為噪聲或雜音，將
這一時(shí)間段的語音置零，從而去除語音信號(hào)中的噪聲和雜音；并提取骨導(dǎo)設(shè)備的編號(hào)IDD 和語音的編號(hào)IDs，用以生成水印。其中骨導(dǎo)設(shè)備的編號(hào)IDD與數(shù)字錄音系統(tǒng)有關(guān)，保證 了不同設(shè)備錄制的相同的語音段產(chǎn)生不同的水??；語音信號(hào)的編號(hào)IDs與錄音的時(shí)間和次 數(shù)有關(guān)，它保證了相同的設(shè)備錄制的相同的語音數(shù)據(jù)在不同的時(shí)間會(huì)產(chǎn)生不同的水印。 步驟2，分幀、分組處理。
將預(yù)處理后的語音信號(hào)根據(jù)語音的長度分成若干個(gè)固定長度的幀，每幀長度30ms， 將n幀分為一組，最后一組除外，即最后一組的幀數(shù)為總的幀數(shù)除以n的余數(shù)； 步驟3，提取參數(shù)丄g，,.和/^.。
利用G.723.1語音壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，提取每一幀線譜頻率系數(shù)丄g，,.和基音周期/^，用
以后續(xù)的水印生成，其中g(shù)表示幀所在的組的序號(hào)，i表示幀在組中的位置。 步驟4，生成水印。
利用Hash散列函數(shù)將提取的骨導(dǎo)設(shè)備的編號(hào)IDD、語音信號(hào)的編號(hào)IDs、當(dāng)前幀的線 譜頻率系數(shù)丄g，,、下一幀提取的基音周期&,w和前一幀的水印^,，，按如下三種情況生 成嵌入當(dāng)前幀的水印『".
(1) 若當(dāng)前幀為每一組的第一幀，則按下式生成水印『^，即
<formula>formula see original document page 9</formula>
式中，i/")表示Hash函數(shù)，
『w為第g組第一幀生成的水印，當(dāng)g^時(shí)，令『。，"為私鑰Key，
M為第g-l組的第n幀的水印，即前一幀的水印， 丄w為第g組第1幀的線譜頻率系數(shù)， /^為第g組第2幀的基音周期。
(2) 若當(dāng)前幀為最后一組的最后一幀，設(shè)最后一組有m幀，則按下式生成水印 『7>，即
<formula>formula see original document page 9</formula> 式中，f^^為第T組第m幀生成的水印， ^^，TO—i為第T組的第m-l幀的水印， 為第T組第m幀的線譜頻率系數(shù)，
(r-l)x" + m為語音總幀數(shù)。 (3)其它情況，則按下式生成水印^',.，即
式中，壞".為第g組的第i幀生成的水印，
Kw為第g組的第i-l幀的水印，
丄g，,為第g組的第i幀的線譜頻率系數(shù)，
尸g州為第g組第i+l幀的基音周期。
步驟5，水印嵌入。
由于G. 723. 1標(biāo)準(zhǔn)是基于碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)CELP編碼模型的算法，激勵(lì)信號(hào)對(duì)語音 質(zhì)量的影響最小，因此要將當(dāng)前幀的水印環(huán)".嵌入在語音編碼的多脈沖激勵(lì)的位置序號(hào)
中，即用水印替換脈沖激勵(lì)的位置序號(hào)的最不重要位，最終得到含水印的語音壓縮編碼 流。
參照?qǐng)D2，本發(fā)明的數(shù)字水印提取過程如下 步驟A，解碼處理。
參照G.723.1語音壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)含水印的語音編碼流進(jìn)行解碼處理，并提取出每 幀的線譜頻率的系數(shù)~，,和基音周期/^.。
步驟B，水印提取。
由于水印是嵌入在選定的脈沖激勵(lì)的位置序號(hào)的最不重要位上，按下式水印提取。
丄幼(Exc(i))
其中，『'(/)表示提取的水印信息的第i比特。 步驟C，生成驗(yàn)證水印。
利用Hash散列函數(shù)將骨導(dǎo)設(shè)備的編號(hào)IDD、語音信號(hào)的編號(hào)IDs、當(dāng)前幀的線譜頻 率系數(shù)Zg，,.、下一幀提取的基音周期i^+,和前一幀提取的水印『g'w按如下三種情況生成 驗(yàn)證水印『^.:
(1)若當(dāng)前幀為每一組的第一幀，則按下式生成水印即
<formula>formula see original document page 10</formula>
式中，)表示Hash函數(shù)，
『二為第g組第l幀的驗(yàn)證水印，當(dāng)§=1時(shí)，『^為私鑰Key，
u為第g-l組的第n幀的水印，即前一幀提取的水印， 、,,為第g組第1幀的線譜頻率系數(shù)， &，2為第g組第2幀的基音周期；
(2) 若當(dāng)前幀為最后一組的最后一幀，設(shè)最后一組有m幀，則按下式生成水印fF/^， 即
W,附=<formula>formula see original document page 11</formula>
式中，^7，M為第T組第m幀生成的驗(yàn)證水印，
『2^-1為第T組的第m-1幀提取的水印，
為第T組第m幀的線譜頻率系數(shù)， (r -1) x "+m為語音總幀數(shù)。
(3) 其它情況，則按下式生成水印『&,.，即
式中，環(huán)為第g組的第i幀生成的驗(yàn)證水印， 冗,m為第g組的第i-l幀提取的水印， 、，,.為第g組的第i幀的線譜頻率系數(shù)， &，,.+1為第g組第i+l幀的基音周期。
步驟D，水印驗(yàn)證。
比較第g組第i幀提取的水印^，,和生成的驗(yàn)證水印若『"不等于『二.，則判 定第g組第i幀錯(cuò)誤，根據(jù)錯(cuò)誤出現(xiàn)的位置和分布，按照如下過程判斷攻擊的位置和類
型
(4a)檢測(cè)攻擊位置
從第一組第一幀開始，比較提取的水印環(huán)；.和生成的驗(yàn)證水印環(huán)^，若『"與ffX.— 致，則繼續(xù)比較下一幀；若冗,Z『^，判定第g組第i幀錯(cuò)誤，則受攻擊的位置為第g
組第i幀；
(4b)設(shè)定錯(cuò)誤類型
第一類錯(cuò)誤某一組的第一幀提取水印與驗(yàn)證水印不一致，但其前一幀和后一幀的 提取水印與驗(yàn)證水印一致，艮P:『"-『/j，『"， =『"， ，巧，2=『/，2;
第二類錯(cuò)誤最后一組的最后一幀提取水印與驗(yàn)證水印不一致，但其前一幀的提取 水印與驗(yàn)證水印一致；
第三類錯(cuò)誤其它的錯(cuò)誤為第三類錯(cuò)誤； (4c)根據(jù)不同錯(cuò)誤類型的不同分布判斷攻擊類型
若攻擊類型為插入攻擊，則插入攻擊的位置出現(xiàn)連續(xù)的第三類錯(cuò)誤，在連續(xù)的第三類 錯(cuò)誤后等間隔的出現(xiàn)第一類和第三類錯(cuò)誤，最后一幀出現(xiàn)第二類錯(cuò)誤，間隔為每組包含的 幀數(shù)；
若攻擊類型為替換攻擊，則替換攻擊的位置出現(xiàn)連續(xù)的第三類錯(cuò)誤，其它幀無錯(cuò)誤； 若攻擊類型為刪除攻擊，則在刪除攻擊的位置之后等間隔的出現(xiàn)第一類和第三類錯(cuò) 誤，間隔為每組的包含幀數(shù)，最后一幀會(huì)出現(xiàn)第二類錯(cuò)誤。 本發(fā)明的效果可通過以下實(shí)驗(yàn)仿真進(jìn)一步說明
1. 仿真條件
選擇采樣頻率8khz，量化位數(shù)16bit的單聲道wav格式的語音信號(hào)作為水印嵌入載 體，語音長度為25.5s，分為850幀，每幀長度30ms，分為17組，每組包含50幀。實(shí)驗(yàn) 軟件環(huán)境為Matlab7.0。設(shè)計(jì)了下面幾種攻擊測(cè)試
(1) 插入攻擊，將長為216幀的一段不含水印的信號(hào)插入到合成語音的第325幀的位置。
(2) 換攻擊，用長為216幀的一段不含水印的信號(hào)替換合成語音的第325幀到540幀。
(3) 刪除攻擊，刪除合成語音的第325幀到第500幀。
(4) 聯(lián)合攻擊，用長為116幀的一段不含水印的信號(hào)替換合成語音的第175幀到 290幀，將長為116幀的一段不含水印的信號(hào)插入到合成語音的第475幀的位置。
2. 仿真結(jié)果及分析
實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖3、圖4、圖5和圖6，它們分別為在插入、替換、刪除和聯(lián)合攻 擊后的語音波形圖和水印檢測(cè)結(jié)果。其中
圖3a為語音信號(hào)在插入攻擊后的波形圖，該圖顯示在第325幀 540幀 的位置被插入了一段長為216幀的不含水印的信號(hào)。
圖3b為水印檢測(cè)結(jié)果，從該圖中可以看出，從其第325幀 540幀開始出現(xiàn)一段長 度為216幀的連續(xù)第三類錯(cuò)誤，在該連續(xù)的第三類錯(cuò)誤的后面等間隔出現(xiàn)第一類錯(cuò)誤和第 三類錯(cuò)誤，其間隔長度50幀，即為每組包含的幀數(shù)，在語音的最后一幀則出現(xiàn)第二類錯(cuò) 誤，因此可以判斷受攻擊的位置為第325幀，由于替換攻擊在連續(xù)的第三類錯(cuò)誤后不會(huì)出 現(xiàn)其他錯(cuò)誤，而刪除攻擊不會(huì)出現(xiàn)連續(xù)的第三類錯(cuò)誤，因此可以判斷語音所受的攻擊為插 入攻擊，插入長度為216幀。
圖4a為語音信號(hào)在替換攻擊后的波形圖，該圖顯示在第325幀 540幀被等長的一 段不含水印的信號(hào)替換。
圖4b為水印檢測(cè)結(jié)果，從該圖中可以看出從第325幀 540幀出現(xiàn)連
續(xù)第三類錯(cuò)誤，其后的幀無錯(cuò)誤，因此可以判斷受攻擊的位置為第325幀，由于插入攻擊 在連續(xù)的第三類錯(cuò)誤后會(huì)出現(xiàn)其他錯(cuò)誤，而刪除攻擊不會(huì)出現(xiàn)連續(xù)的第三類錯(cuò)誤，因此可 以判斷語音所受的攻擊為替換攻擊，替換的范圍為第325幀~540幀。
圖5a為語音信號(hào)在刪除攻擊后的波形圖，該圖顯示第325幀 500幀被刪除。 圖5b為水印檢測(cè)結(jié)果，在該圖的第325幀之后等間隔出現(xiàn)第一類錯(cuò)誤和第三類錯(cuò) 誤，其間隔長度為每組包含的幀數(shù)即50幀，在語音的最后一幀則出現(xiàn)第二類錯(cuò)誤。由此 可以判斷受攻擊的位置為第325幀，由于插入攻擊在連續(xù)的第三類錯(cuò)誤后會(huì)出現(xiàn)其他錯(cuò) 誤，而替換攻擊在連續(xù)的第三類錯(cuò)誤后不會(huì)出現(xiàn)其他錯(cuò)誤，因此可以判斷語音所受的攻擊 為刪除攻擊，由于等間隔出現(xiàn)的第三類錯(cuò)誤出現(xiàn)的幀的位置為325、 375、 425...,其除以每 組的幀數(shù)50的余數(shù)都為25，因此刪除的長度L為Z = 50xiV + 25 + l, iV = 0,l--重新計(jì)算最后一幀的驗(yàn)證水印『二，得
^"/:附二H;<formula>formula see original document page 13</formula>搜索得7^ = 3，使^ ^二^ ，，從而計(jì)算出刪除長度為176幀。
圖6a為語音信號(hào)在聯(lián)合攻擊后的波形圖，該圖顯示從第175幀 290幀被等長的一 段不含水印的信號(hào)替換，第475幀的位置被插入了長為116幀一段的不含水印的信號(hào)。
圖6b為水印檢測(cè)結(jié)果，從該圖中可以看出在第175 290幀和第475幀 590幀都 出現(xiàn)連續(xù)的第三類錯(cuò)誤，由于替換攻擊之后的幀沒有錯(cuò)誤，插入攻擊之后的幀則等間隔的 出現(xiàn)第一類錯(cuò)誤和第三類錯(cuò)誤，因此可以判斷語音在第175 290幀受到替換攻擊，第 475 590幀受到插入攻擊。
以上仿真結(jié)果表明，本發(fā)明不但能夠判斷宿主載體是否被攻擊，而且能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出 攻擊的位置和攻擊類型。
權(quán)利要求
1.一種基于骨導(dǎo)的語音壓縮水印嵌入方法，包括如下過程(1)利用骨導(dǎo)器件信號(hào)對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行去除噪聲和其它雜音預(yù)處理，并提取骨導(dǎo)設(shè)備的編號(hào)IDD和語音信號(hào)的編號(hào)IDS；(2)將預(yù)處理后的語音信號(hào)根據(jù)語音的長度分成若干個(gè)固定長度的幀，每幀長度30ms，將n幀分為一組，最后一組除外，即最后一組的幀數(shù)為總的幀數(shù)除以n的余數(shù)；(3)利用G.723.1語音壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，提取每一幀線譜頻率的系數(shù)Lg，i和基音周期Pg，i，其中Lg，i和Pg，i分別表示第g組第i幀的線譜頻率系數(shù)和基音周期；(4)利用Hash散列函數(shù)將提取的骨導(dǎo)設(shè)備的編號(hào)IDD、語音信號(hào)的編號(hào)IDS、當(dāng)前幀的線譜頻率系數(shù)Lg，i、下一幀提取的基音周期Pg，i+1和前一幀的水印Wg，i-1，生成嵌入在當(dāng)前幀的水印Wg，i；(5)將當(dāng)前幀的水印Wg，i嵌入在語音編碼的多脈沖激勵(lì)的位置序號(hào)中，即用水印替換脈沖激勵(lì)的位置序號(hào)的最不重要位，最終得到含水印的語音壓縮編碼流。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水印嵌入方法，其中步驟(4)的按如下三種情況進(jìn)行 (4a)若當(dāng)前幀為每一組的第一幀，則按下式生成水印『w，即式中，A()表示Hash函數(shù)，『^為第g組第一幀生成的水印，當(dāng)§=1時(shí)，令『。，"為私鑰Key， 『g-M為第g-l組的第n幀的水印，即前一幀的水印， 丄w為第g組第1幀的線譜頻率系數(shù)， /^為第g組第2幀的基音周期； (4b)若當(dāng)前幀為最后一組的最后一幀，設(shè)最后一組有m幀，則按下式生成水印『y^，即式中，『7Vn為第T組第m幀生成的水印， 〖^，;n-l為第T組的第m"幀的水印，ZT,m為第T組第m幀的線譜頻率系數(shù)， (r-l)x" + w為語音總幀數(shù)。(4c)其它情況，則按下式生成水印f^,.，即K,A(^,叫,g，,屮^，i^) 式中，^，,.為第g組的第i幀生成的水印，K，,—,為第g組的第i-l幀的水印， ^,,.為第g組的第i幀的線譜頻率系數(shù)，4，,.+1為第g組第i+l幀的基音周期。
3. —種基于骨導(dǎo)的語音壓縮水印提取驗(yàn)證方法，包括如下過程1) 對(duì)含水印的壓縮編碼流進(jìn)行解碼處理；2) 從選定的脈沖激勵(lì)的位置序號(hào)中提取水印『"。3) 利用Hash散列函數(shù)將骨導(dǎo)設(shè)備的編號(hào)IDD、語音信號(hào)的編號(hào)IDs、當(dāng)前幀的線譜 頻率系數(shù)、,.、下一幀提取的基音周期4，,.+1和前一幀提取的水印,生成驗(yàn)證水印冗;；4) 比較第g組第i幀提取的水印和生成的驗(yàn)證水印《;，若『"不等于《,.，則判定第g組第i幀錯(cuò)誤，根據(jù)錯(cuò)誤出現(xiàn)的位置和分布，判斷攻擊的位置和類型。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的水印提取驗(yàn)證方法，其中步驟3)的按如下三種情況進(jìn)行 (3a)若當(dāng)前幀為每一組的第一幀，則按下式生成水印『^，即<formula>formula see original document page 3</formula>式中，)表示Hash函數(shù)，『二為第g組第1幀的驗(yàn)證水印，當(dāng)g=l時(shí)，為私鑰Key ， 『i-M為第g-l組的第n幀的水印，即前一幀提取的水印， 丄w為第g組第1幀的線譜頻率系數(shù)， /^為第g組第2幀的基音周期；(3b)若當(dāng)前幀為最后一組的最后一幀，設(shè)最后一組有m幀，則按下式生成水印 W，附，即式中，^7，w為第T組第m幀生成的驗(yàn)證水印，『;，M_i為第T組的第m-l幀提取的水印， 丄,， 為第T組第m幀的線譜頻率系數(shù)， (r-1)x" + w為語音總幀數(shù)。 (3c)其它情況，則按下式生成水印f^,.，即 式中，『/,,.為第§組的第1幀生成的驗(yàn)證水印，『二H為第g組的第i-l幀提取的水印， 丄w為第g組的第i幀的線譜頻率系數(shù)， &，,.+1為第g組第i+l幀的基音周期。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的水印提取驗(yàn)證方法，其中步驟4)所述的判斷攻擊的位置和 類型，按如下過程進(jìn)行(4a)檢測(cè)攻擊位置 '從第一組第一幀開始，比較提取的水印壞；.和生成的驗(yàn)證水印若『；與『^.一 致，則繼續(xù)比較下一幀；若『:，,.判定第g組第i幀錯(cuò)誤，則受攻擊的位置為第g組第i幀；(4b)設(shè)定錯(cuò)誤類型第一類錯(cuò)誤某一組的第一幀提取水印與驗(yàn)證水印不一致，但其前一幀和后一幀的 提取水印與驗(yàn)證水印一致，艮P:『"^『/，p『；， =『"， ，『"=『/，2;第二類錯(cuò)誤最后一組的最后一幀提取水印與驗(yàn)證水印不一致，但其前一幀的提取 水印與驗(yàn)證水印一致；第三類錯(cuò)誤其它的錯(cuò)誤為第三類錯(cuò)誤；(4c)根據(jù)不同錯(cuò)誤類型的不同分布判斷攻擊類型若攻擊類型為插入攻擊，則插入攻擊的位置出現(xiàn)連續(xù)的第三類錯(cuò)誤，在連續(xù)的第三類 錯(cuò)誤后等間隔的出現(xiàn)第一類和第三類錯(cuò)誤，最后一幀出現(xiàn)第二類錯(cuò)誤，間隔為每組包含的 幀數(shù)；若攻擊類型為替換攻擊，則替換攻擊的位置出現(xiàn)連續(xù)的第三類錯(cuò)誤，其它幀無錯(cuò)誤； 若攻擊類型為刪除攻擊，則在刪除攻擊的位置之后等間隔的出現(xiàn)第一類和第三類錯(cuò) 誤，間隔為每組的包含幀數(shù)，最后一幀會(huì)出現(xiàn)第二類錯(cuò)誤。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于骨導(dǎo)的語音壓縮水印方法，主要解決了現(xiàn)有的同類方法不能檢測(cè)出攻擊的位置和類型的問題。在水印嵌入過程中，由當(dāng)前幀的線譜頻率系數(shù)、下一幀提取的基音周期和前一幀的水印生成嵌入在當(dāng)前幀的水印，并根據(jù)不同幀的位置選擇不同的水印生成規(guī)則，再將當(dāng)前幀的水印嵌入在語音編碼的多脈沖激勵(lì)的位置序號(hào)中；在水印驗(yàn)證過程中，從選定的脈沖激勵(lì)的位置序號(hào)中提取水印，并將提取的水印與驗(yàn)證水印進(jìn)行比較，根據(jù)不同攻擊位置和攻擊類型產(chǎn)生的不同結(jié)果，檢測(cè)出攻擊位置和攻擊類型。本發(fā)明具有良好的抑噪能力和低頻拾音能力，可用于錄音設(shè)備，為數(shù)字語音的完整性和真實(shí)性提供保證。
文檔編號(hào)G10L19/00GK101350198SQ20081015075
公開日2009年1月21日 申請(qǐng)日期2008年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月29日
發(fā)明者鳴 同, 姬紅兵, 濤 閆, 巍 陳 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)