[发明专利]动态码本基于完全二叉树分组的语音信息隐藏算法

说明书

技术领域

本发明涉及了一种实现保密通信的新思路——语音信息隐藏，从根本上掩盖了秘密信息存在的事实，有效的保护了用户隐私和信息安全。

背景技术

VoIP(Voice over Internet Protocol)作为一种互联网通信技术，面临着隐私泄露的巨大风险。为了解决VoIP中隐私泄露等问题，语音信息隐藏技术逐渐被应用到VoIP中。信息隐藏的主要领域包括基础理论研究、应用基础研究和应用技术研究三个方面，在基础理论研究方面，Huang等人在低速率编码语音流中使用基音预测完成信息隐藏，实验结果表明，嵌入隐秘信息对载体语音质量影响较小，损耗值约为1.2％，而且能够在运算复杂度较小的同时保证较好的抗隐写分析攻击能力；Huang等人也研究了在VoIP语音流的非活动帧中嵌入隐秘信息的隐藏算法，发现了VoIP语音流的非活动帧比活动帧更适合做信息隐藏的重要结论。在隐蔽性相同的条件下，非活动帧中嵌入的数据量远大于活动帧中嵌入的数据量，达到101比特每帧，是一种大容量的语音信息隐藏算法；Wang等人提出了使用LSB算法在VoIP语音流中做实时嵌入的方法，实验结果表明隐秘信息嵌入的处理时延保持在0.257ms左右，适用于VoIP等实时语音通信应用；

随着越来越多的人参与到互联网中，网络带宽资源显得弥足珍贵。2000年，Global IP Sound公司研发了一款适用于窄带语音通信的编码器---iLBC(Internet Low Bit Rate Codec)编码器。该编码器属于中低速率编码器，能够提供稳健的IP语音通信，并且支持20ms和30ms两种帧格式，比特率分别为15.20kbit/s和13.33kbit/s。当网络环境不佳导致IP数据包延迟较大或者出现丢包时，该编码器的丢包掩蔽效应(Packet Loss Concealment，PLC)可以有效的增强语音，保证语音质量。因此，拥有出色性能的iLBC逐渐成为VoIP中使用广泛的一款编码器。

Xiao等人根据低速率编码器的特性设计了一种全新的语音信息隐藏算法，互补邻居顶点(Complementary Neighbor Vertices，CNV)算法，该算法是语音信息隐藏领域中首次结合图论相关知识实现码本分组的算法。与传统码本分组算法不同，CNV将每个码字都视为多维空间中一个孤立的点，每两个码字之间的关系用边和权重来表示，相邻顶点分别被0和1标记，整个标记的过程即为码本分组的过程，然后根据隐秘信息值在相应的码本组中进行搜索，完成隐秘信息的嵌入。实验结果表明，该算法应用于G.723.1或者iLBC编码流中有较好的隐蔽性和鲁棒性，获得了不少于100bps的隐藏容量，是目前国际上认可度较高的语音信息隐藏算法之一。

经典语音信息隐藏算法大致可以分为三类：时域隐藏算法、变换域隐藏算法和基于量化索引调制(Quantization Index Modulation，QIM)的隐藏算法。时域隐藏算法是在时域上直接将隐秘信息嵌入到载体信号中，该算法实现简单，隐藏容量大，但是隐藏过程中直接修改载体信号必然会造成载体信号的失真，增大了接收端提取隐秘信息的难度。变换域隐藏算法是在载体信息的变换域中做信息隐藏。该算法将载体信息映射到变换域并修改变换域中的某个参数来达到信息隐藏的目的。但是语音信号映射到变换域需要大量的基于信号处理的运算，直接导致了算法的运算复杂度高，对语音信号的实时性产生影响。基于量化索引调制的信息隐藏算法将原始量化码本进行分组，当嵌入不同的隐秘信息时搜索不同的码本组，得到含有“特殊”含义的码本索引。接收端根据这些索引号提取出相应的隐秘信息，以此实现语音信息隐藏。例如将量化码本分为C1和C2两部分，C1和C2满足C1∪C2＝C和约定C1和C2分别代表隐秘信息中的0和1。当嵌入信息为0时，在C1中搜素最佳量化值，反之在C2中进行搜索，接收端根据索引号的分组类别判断并提取载体承载的隐秘信息。QIM方法广泛应用于各种以数字媒体作为隐藏载体的信息隐藏算法中，表现出良好的隐藏性能，但是该算法普适性较差，只能应用于编码过程和原理相似的编码器。

发明内容

本发明中针对目前应用较为广泛的码本分组算法的缺陷，提出一种动态码本基于完全二叉树分组的语音信息隐藏算法。

该算法结合iLBC的动态码本和量化索引调制(Quantization Index Modulation，QIM)原理，使用完全二叉树对动态码本进行分组。发送方根据隐秘信息位选择对应的码本进行编码实现隐秘信息的嵌入，随后接收方根据码字矢量的属性完成隐秘信息的提取过程。