一種分數傅立葉變換上的時頻域掩蔽信息隱藏方法

2023-10-29 18:21:32

專利名稱：：一種分數傅立葉變換上的時頻域掩蔽信息隱藏方法
技術領域：
：本發明涉及一種信息隱藏方法，特別涉及一種分數傅立葉變換上的時頻域掩蔽信息隱藏方法。
背景技術：
：從上個世紀九十年代末開始，信息隱藏開始在保密通信方面得到了廣泛地應用。隨著電話網絡遍布我們世界的每個角落，利用電話網進行隱秘數據長途傳輸成為軍事安全部門日益關注的問題，由於電話語音的帶寬為(300-3400KHZ)，採樣速率為8KHz，量化比特為8bit，這些特點使得在語音中嵌入隱秘信息極具挑戰性。因此語音信息隱藏引起了廣大語音信號處理研究人員廣泛關注。但目前大部分研究只是考慮多媒體語音，對電話語音的研究還非常少。心理聲學研究表明，人類難以聽到在頻率或時間上位於強信號附近的弱信號，這種特性被稱為聽覺掩蔽特性，即一種聲音成分由於另一種聲音成分的存在而不被人所感知。聽覺掩蔽可分為時域掩蔽和頻域掩蔽，分別對應著語音信號在時域和頻域的掩蔽區域。目前，利用聽覺掩蔽特性進行信息隱藏的方法只是單一地考慮時域掩蔽或頻域掩蔽，而這種方法較容易被非法監聽者所發現，效果並不理想。
發明內容本發明目的是針對現有技術存在的缺陷提供一種分數傅立葉變換上的時頻域掩蔽信息隱藏方法。本發明為實現上述目的，採用如下技術方案本發明一種分數傅立葉變換上的時頻域掩蔽信息隱藏方法，其特徵在於包括以下步驟(1)分數傅立葉變換輸入語音序列s(t)的a階分數傅立葉變換算法如下Sa(U)=Fa(S⑴)式中，β=γ0<|ρ|<2，η為整數，j為虛數單位；(2)基於分數傅立葉變換上的時頻域掩蔽信息隱藏公式如下)1/V3)(2)對應的頻譜則為、λ為信息隱藏參數，U0為頻域初值，x(t)和Χ(ω)分別為包含隱蔽信息的輸出信號的時域與頻域形式；(3)分析基於分數傅立葉變換域上的時頻掩蔽特性由掩蔽效應理論可知，聲音在時域及頻域都存在著掩蔽效應，都有掩蔽區，結合式(2)和式(3)，T0max,別為在時域和頻域不被人感知的最大時偏和頻偏，滿足如下條件U0Cosa<T0max(4)U0Sina<f0fflax(5)那麼當a滿足則在分數傅立葉變換域上採用表達式Xa(U)=Sa(u)+λSa(U-U0)進行隱秘信息的嵌入就能不被人耳所感知。本發明的優點和效果如下(1)存在著分數階因子a，使得在分數傅立葉變換域上採用聽覺掩蔽特性進行語音信息隱藏，其誤碼率要低於時域和頻域的方法。(2)由於竊聽方無法獲得純淨的原始語音及語音信號在電話網內傳播時不可避免的受到電話網信道和噪聲的影響，只要UtlSina在一定範圍內就不會被竊聽方所察覺。這表明與常規回聲算法相比，本發明提出的方法更具有隱秘性。圖1是分數傅立葉變換域掩蔽嵌入模型。圖2是分數傅立葉變換域掩蔽提取模型。圖3是分數傅立葉變換域掩蔽算法波形與相關倒譜曲線。圖4是採用分數傅立葉變換域掩蔽算法嵌入後的語音與純淨語音的語譜圖。圖5是不同分數階因子a對應的相關倒譜曲線。圖6是不同噪聲環境下的誤碼率。圖7是與普通回聲算法的誤碼率比較。具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明所述的技術方案作進一步的闡述。本發明一種分傅立葉變換上的時頻域掩蔽信息隱藏方法包括以下步驟(1)分數傅立葉變換輸入語音序列s(t)的a階分數傅立葉變換算法如下Sa(U)=Fa(S⑴)式中，《=O<|ρ|別為在時域和頻域不被人感知的最大時偏和頻偏，滿足如下條件則在分數傅立葉變換域上採用表達式Xa(U)=Sa(u)+λSa(U-U0)進行隱秘信息的嵌入就能不被人耳所感知。為了分析上提出的一種分數傅立葉變換上的時頻域掩蔽信息隱藏方法的性能，首先我們給出分數傅立葉變換域掩蔽嵌入模型和分數傅立葉變換域掩蔽提取模型，然後進行實驗並給出實驗數據。1.分數傅立葉變換域上的時頻掩蔽模型圖1中對語音信號的採樣速率和量化比特沿用我國固定電話網採用的SKHz抽樣和Sbit量化。在語音信息隱藏及語音偽裝通信中對隱秘信息的碼元傳輸速率要求不是非常高，因此，簡單分析起見，令每1幀傳lbit，L=512，則隱秘信息的碼元傳輸速率為15.625bit/s。由於事先約定分數階因子a，在圖2中首先對接收到的來自電話網信道的語音序列進行a階分數傅立葉變換，然後計算其自相關函數，並獲得自相關函數的倒譜變換，對在Utic^nucil的幅值進行比較，然後再與閾值進行比較。最後獲得隱秘信息序列。2.實驗與分析在本發明的所有實驗中，語音信號為在實驗室內錄製的信號，採樣頻率是8KHz，採樣位數8bit。在純淨語音信號上疊加高斯白噪聲和非平穩噪聲(噪聲源由英國TNO感知學會所屬的荷蘭RSRE研究中心提供)。圖3中(a)原始純淨語音；(b)嵌入語音波形；(c)嵌入語音分數域倒譜曲線；(d)嵌入語音波形倒譜曲線；(e)原始純淨語音倒譜曲線，為了更方便說明問題，隱秘信息為0101…的碼流，U00=60表徵數字「0」，U01=30表徵數字「1」，λ=0·3，a=0.7。從圖3中可看出，採用分數傅立葉變換域掩蔽算法嵌入後的時域波形(b)與原始純淨語音波形(a)非常相似；對分數域嵌入後的信號取相關倒譜變換後(c)除0點具有極值外，在第30點和第60點上有非常明顯的峰值。而對嵌入語音波形直接進行相關倒譜變換其曲線(d)與純淨語音(e)完全一致，竊聽者無法發現隱秘信息的存在。實驗中也發現λ的取值不能太大或者太小，太大會帶來明顯的背景噪聲，太小則第30點和第60點上的峰值將不明顯，一般取0.15彡λ彡0.35。圖4(a)原始純淨語音；(b)嵌入語音波形，給出了採用分數傅立葉變換域掩蔽算法嵌入後的語音與純淨語音的語譜圖，從圖4中可以看出兩者在頻譜上幾乎看不出任何區別。圖5中給出了提取時當分數階因子a不為0.7時的相關倒譜特性，當a為0.6或0.8時在第30點和第60點上峰值不明顯，只有當Δa<0.02時才有略為明顯的峰值，換句話講只有當a為嵌入時的值，接收端才能成功提取隱秘信息。這一特性表明分數傅立葉變換域掩蔽算法具有較強的隱蔽性。圖6給出了不同噪聲環境下採用分數傅立葉變換域掩蔽算法進行隱秘信息提取的誤碼率，圖7為白噪聲環境下採用分數傅立葉變換域掩蔽算法和普通回聲算法的誤碼率比較。圖6圖7中的數據都是未進行語音降噪處理及未採取糾錯編碼的數據。圖6中採用的語音為62個青年男女(50男，12女)在實驗室環境下的錄音(每人共10句話)，全部話音總計時長約共35分鐘，共傳隱秘數據30000bit，數據碼速率為15.625bit/s，在此基礎上疊加了不同分貝的白噪聲、Pink粉紅色噪聲、volvo汽車發動機噪聲、factory車間噪聲。從圖6中可以看出在OdB時，誤碼率就非常高，但隨著信噪比的提高，誤碼率迅速下降，信噪比到30dB可降到10_4量級，總體來講這四種噪聲對分數傅立葉變換域掩蔽算法的影響大致相當，不過在白噪聲和有色噪聲環境下要優於另兩種噪聲環境。圖7為分數傅立葉變換域掩蔽算法和普通回聲算法在白噪聲環境下的誤碼率比較，圖7顯示分數傅立葉變換域掩蔽算法性能要好一些。權利要求一種分數傅立葉變換上的時頻域掩蔽信息隱藏方法，其特徵在於包括以下步驟(1)分數傅立葉變換輸入語音序列s(t)的a階分數傅立葉變換算法如下Sa(u)＝Fa(s(t))=1-jcota2-+exp(ju2+t22cota-jutsina)s(t)dtans(t)a=2ns(-t)a=(2n1)---(1)式中，0＜|p|＜2，n為整數，j為虛數單位；(2)基於分數傅立葉變換上的時頻域掩蔽信息隱藏公式如下x(t)=s(t)+exp(-j(u02cos3asina))exp(j2u0tsina)s(t-u0cosa)---(2)對應的頻譜則為X=S+exp(-j(u02cos3asina))exp(-ju0cosa)S(-2u0sina)---(3)λ為信息隱藏參數，u0為頻域初值，x(t)和X(ω)分別為包含隱蔽信息的輸出信號的時域與頻域形式；(3)分析基於分數傅立葉變換域上的時頻掩蔽特性由掩蔽效應理論可知，聲音在時域及頻域都存在著掩蔽效應，都有掩蔽區，結合式(2)和式(3)，τ0max、f0max分別為在時域和頻域不被人感知的最大時偏和頻偏，滿足如下條件u0cosa＜τ0max(4)u0sina＜f0max(5)那麼當a滿足aarctanf0max0max---(6)則在分數傅立葉變換域上採用表達式Xa(u)＝Sa(u)+λSa(uu0)進行隱秘信息的嵌入就能不被人耳所感知。FSA00000239177800012.tif全文摘要本發明公布了一種分數傅立葉變換上的時頻域掩蔽信息隱藏方法，包括如下步驟(1)分數傅立葉變換；(2)獲得基於分數傅立葉變換上的時頻域掩蔽信息隱藏公式；(3)分析基於分數傅立葉變換域上的時頻掩蔽特性。本發明誤碼率要低於時域和頻域的方法；本發明提出的方法更具有隱秘性。文檔編號G10L19/00GK101930743SQ20101025982公開日2010年12月29日申請日期2010年8月20日優先權日2010年8月20日發明者包永強,唐加能,奚吉,王開,趙力,鄒採榮,魏昕申請人:東南大學