[发明专利]基于滤波器相似度的语音LPC隐藏和提取算法

说明书

技术领域

本发明是一种应用于秘密语音实时通信的保密通信系统中的核心算法。该发明可以加载 到通用语音信号处理模块上，通过公共交换通信网络(公共交换电话网络PSTN、视频会议网 络、VoIP网络或移动通信GSM和CDMA网络)进行秘密语音的实时隐蔽通信。该发明属于计 算机技网络安全领域信息隐藏(Information Hiding)技术领域。

背景技术

自从1996年召开第一次信息隐藏技术的国际会议以来，信息隐藏的理论、方法和应用研 究越来越广泛地受到重视。随着信息隐藏技术的不断发展，它作为一种新兴的信息安全技术 已经被许多应用领域所采用。目前，对于信息隐藏的应用大多集中在数字产品的著作权保护 方面(或称为数字水印)研究，文本、图像、语音信号、视频信号和应用软件等多种的媒体 均为研究中使用的载体信号。其中，研究最多的是有关各种格式图像中的信息隐藏和水印技 术。针对语音信号的信息隐藏算法。现有算法大多利用了人类听觉系统HAS(Human Auditory  System)的各种生理和心理的特性。目前，已有的语音信息隐藏算法主要有四种：最低有效 位LSB(Least Significant Bit)方法、相位编码法、频谱变换法和回声隐藏法。

这四种信息隐藏算法的共同特性是对原始载体语音进行处理、嵌入，然后在处理后的复 合语音中提取嵌入信息。而语音经过语音压缩编码后，特别对于中、低速率的语音编码方案 而言，只是保留了对人的听觉最为重要的特征信息。合成后的语音和原始的语音在波形，以 及其他特征上有一定的差别。假如，秘密数据嵌入到原始语音中，然后进行编码、传输和合 成操作后，从合成重构的语音中提取秘密信息是十分困难的。因此，难以直接应用于在数字 语音中进行信息隐藏。另外，本发明进行语音隐藏的目的是将秘密语音加密、隐藏在公开的 语音中用以安全地进行秘密语音的通信。为此，必须选择隐藏容量大的嵌入算法，满足实时 语音通信的需求。

发明内容

本发明是以语音媒体为载体对象的语音信息隐藏和提取，利用信息隐藏具有的信息隐匿 特性，结合语音编码的特点，设计语音信息隐藏和提取算法，建立语音阈下信道(Subliminal  Channel)，进行秘密语音信息的隐蔽和实时传送。

传统的基于LPC(Linear Predictive Coding)的分析一合成ABS(Analysis-by-Synthesis) 编码方法中，所有的参数都是逐帧传送的。这种做法的缺点有两个：

(1)没有考虑到语音中的浊音信号在产生过程中，声道特性变化缓慢这一特点。因此， 从编码的角度考虑就是如何利用这一特点，进一步降低语音信号中的冗余度和码率；而从信 息隐藏的角度考虑就是如何利用这个特点进行秘密信息的隐藏。

(2)在基于LPC的分析-合成ABS编码方法中，对于表示合成滤波器的LPC系数采用矢量 量化的方法，这种量化方法可以大大减小表示LPC系数的比特数。但是，在传统的方法中， 其码本设计是对所有的语音样本的LPC矢量进行整体设计，得到一个单一的码本。这样做没 有考虑到不同语音段的特点，不但量化效率受到限制，而且码本一般较大，需要较大的存储 空间和较大的搜索量。

因此，本发明提出的基于滤波器相似性(Filter Similarity)的语音LPC信息隐藏和提取算 法就是利用基于LPC的分析-合成ABS编码方法中的这两个缺点，针对以下的关键问题进行 研究：

第一，利用各语音段的不同特性，对LPC系数分类，针对不同类型的LPC系数分别进行矢 量量化，构成不同的矢量量化码本，以减小存储量和搜索量，并提高量化效率。

第二，利用浊音语音段的声道特征变化缓慢的特点，找到相近帧之间的相似性；

本发明根据分析-综合ABS语音编码的特点，选择不同的语音编码方案(例如：G.721、 G.728、G729和GSM)作为公共语音载体，以MELP2.4K方案为秘密语音，设计基于滤波器相 似性的语音LPC信息隐藏和提取算法。本发明的主要内容为：

1、提出了滤波器相似度的概念，并给出了滤波器相似应的定义及定量计算方法。滤波器 的相似度可以比较好的表现不同帧的语音信号间的相似性。对于两个相似度较大的滤波器， 用相同的激励信号去激励它们的时候，所得的输出波形也很相似。而对于声音特征变化比较 缓慢的浊音发音，其相近邻帧波形的变化主要反映在激励信号上，往往它们的合成滤波器有 较大的相似性；