專利名稱：基于壓縮感知和信息隱藏的語音保密通信系統(tǒng)設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信號采樣技術(shù)、信息隱藏技術(shù)及語音信號處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一 種基于壓縮感知和信息隱藏的語音保密通信系統(tǒng)設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
語音是人類交流信息的重要手段。隨著社會文明的發(fā)展，語音通信的安全與隱私 問題受到越來越多的關(guān)注。傳統(tǒng)的語音保密通信機(jī)制通過加密保護(hù)通信用戶的個人隱私及 通話內(nèi)容不被非法竊聽者獲取。然而，隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的密碼算法可 以在有限時間內(nèi)被破解。更為糟糕的是，加密所產(chǎn)生的雜亂無章的碼流顯而易見的表明秘 密信息的存在性。即使無法在短時間內(nèi)破解，攻擊者也會選擇對其進(jìn)行修改甚至破壞，迫使 合法用戶也無法得到該信息。
信息隱藏技術(shù)的出現(xiàn)為語音保密通信系統(tǒng)設(shè)計提供了一條全新的思路。秘密話音 經(jīng)過處理后隱藏在公開語音中傳輸。竊聽者在進(jìn)行竊聽時聽到的語音(密寫信號)與公開 話音(載體信號)基本無異。這樣不但保護(hù)了秘密信息的內(nèi)容，也保護(hù)了秘密信息的存在 性。由于隱蔽通信對隱藏容量的特殊要求，信息嵌入前必須對秘密語音壓縮以降低其碼率， 同時也在一定程度上增強(qiáng)了信息的安全性(竊聽者不知道解碼方法是無法竊密的)。
現(xiàn)有的秘密語音壓縮編碼方法中最主流的方法是通過各種語音聲碼器對秘密語 音進(jìn)行編解碼，如2. 4Kbps混合激勵線性預(yù)測聲碼器以及8Kbps G. 729對結(jié)構(gòu)代數(shù)碼激勵 線性預(yù)測聲碼器等。此類方法可以實現(xiàn)較高的壓縮率，但計算復(fù)雜度較高，時延較大。壓縮 感知(Compressive Sensing :CS)技術(shù)是近幾年出現(xiàn)的一種新興的采樣技術(shù)，該理論下所 獲得的采樣率不僅大大低于傳統(tǒng)的奈奎斯特采樣率，而且其還具有對未知信號“邊感知邊 壓縮”的特性。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種基于壓縮感知和信息隱藏的語音保密通信系統(tǒng)設(shè)計方法，采用壓 縮感知技術(shù)對秘密語音進(jìn)行編解碼，技術(shù)方案如下
一種基于壓縮感知和信息隱藏的語音保密通信系統(tǒng)設(shè)計方法，其體特征在于，包 括嵌入系統(tǒng)及提取系統(tǒng)的設(shè)計，嵌入系統(tǒng)將秘密語音嵌入載體語音得到混合語音，提取系 統(tǒng)從混合語音中提取秘密語音，其中
嵌入系統(tǒng)將秘密語音嵌入載體語音得到混合語音的方法是采用K奇異值分解方 法設(shè)計針對語音信號的壓縮感知過完備字典，并將秘密語音用基于能量分布非均勻特性的 壓縮感知自適應(yīng)觀測矩陣采樣，得到降低維數(shù)的觀測矢量，對觀測矢量用LBG矢量量化，作 為秘密信息嵌入載體語音，嵌入方法采用標(biāo)量Costa算法，嵌入域選擇載體語音的離散余 弦變換系數(shù)的提升小波變換系數(shù)，將嵌入秘密信息的載體語音的離散余弦變換系數(shù)的提升 小波變換系數(shù)用提升小波反變換及離散余弦反變換兩級變換得到混合語音；
提取系統(tǒng)從混合語音中提取秘密語音的方法是將混合語音進(jìn)行離散余弦變換和提升小波變換兩級變換得到小波變換系數(shù)，通過標(biāo)量Costa解碼算法得到秘密比特流，利 用LBG矢量量化解碼器得到重構(gòu)的觀測矢量，利用壓縮感知正交匹配追蹤算法重構(gòu)秘密語 音，利用小波去噪方法改善重構(gòu)秘密語音的音質(zhì)。
嵌入系統(tǒng)中，
1)采用K奇異值分解方法設(shè)計針對語音信號的壓縮感知過完備字典的具體方法 為通過級聯(lián)一個兩倍冗余的離散余弦變換矩陣和一個兩倍冗余的離散小波變換矩陣初始 化字典，大小為NX 4N，即4倍冗余，其中N為語音信號的幀長，使用大量長度為N的語音數(shù) 據(jù)去訓(xùn)練字典，首先在現(xiàn)有字典上對訓(xùn)練數(shù)據(jù)做稀疏編碼，然后更新字典，使字典中的原子 更加匹配訓(xùn)練數(shù)據(jù)，具體說來，Y為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，D為過完備字典，即稀疏基矩陣，X為系數(shù)向 量，通過求解下式尋找能夠表示數(shù)據(jù)樣本丨只}；!,的最佳字典
權(quán)利要求
1.一種基于壓縮感知和信息隱藏的語音保密通信系統(tǒng)設(shè)計方法，其體特征在于，包括 嵌入系統(tǒng)及提取系統(tǒng)的設(shè)計，嵌入系統(tǒng)將秘密語音嵌入載體語音得到混合語音，提取系統(tǒng) 從混合語音中提取秘密語音，其中嵌入系統(tǒng)將秘密語音嵌入載體語音得到混合語音的方法是采用K奇異值分解方法設(shè) 計針對語音信號的壓縮感知過完備字典，并將秘密語音用基于能量分布非均勻特性的壓縮 感知自適應(yīng)觀測矩陣采樣，得到降低維數(shù)的觀測矢量，對觀測矢量用LBG矢量量化，作為秘 密信息嵌入載體語音，嵌入方法采用標(biāo)量Costa算法，嵌入域選擇載體語音的離散余弦變 換系數(shù)的提升小波變換系數(shù)，將嵌入秘密信息的載體語音的離散余弦變換系數(shù)的提升小波 變換系數(shù)用提升小波反變換及離散余弦反變換兩級變換得到混合語音；提取系統(tǒng)從混合語音中提取秘密語音的方法是將混合語音進(jìn)行離散余弦變換和提升 小波變換兩級變換得到小波變換系數(shù)，通過標(biāo)量Costa解碼算法得到秘密比特流，利用LBG 矢量量化解碼器得到重構(gòu)的觀測矢量，利用壓縮感知正交匹配追蹤算法重構(gòu)秘密語音，利 用小波去噪方法改善重構(gòu)秘密語音的音質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓縮感知和信息隱藏的語音保密通信系統(tǒng)設(shè)計方法，其 體特征在于，嵌入系統(tǒng)中1)采用K奇異值分解方法設(shè)計針對語音信號的壓縮感知過完備字典的具體方法是通 過級聯(lián)一個兩倍冗余的離散余弦變換矩陣和一個兩倍冗余的離散小波變換矩陣初始化字 典，大小為NX 4N，即4倍冗余，其中N為語音信號的幀長，使用大量長度為N的語音數(shù)據(jù)去 訓(xùn)練字典，首先在現(xiàn)有字典上對訓(xùn)練數(shù)據(jù)做稀疏編碼，然后更新字典，使字典中的原子更加 匹配訓(xùn)練數(shù)據(jù)，具體說來，Y為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，D為過完備字典，即稀疏基矩陣，X為系數(shù)向量，通 過求解下式尋找能夠表示數(shù)據(jù)樣本{只}。的最佳字典
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于壓縮感知和信息隱藏的語音保密通信系統(tǒng)設(shè)計方法，嵌入系統(tǒng)將秘密語音嵌入載體語音得到混合語音，設(shè)計針對語音信號的壓縮感知過完備字典，并將秘密語音用壓縮感知自適應(yīng)觀測矩陣采樣，得到降低維數(shù)的觀測矢量，對觀測矢量用LBG矢量量化，作為秘密信息嵌入載體語音，將載體語音經(jīng)過兩級變換得到混合語音；提取系統(tǒng)從混合語音中提取秘密語音，將混合語音進(jìn)行離散余弦變換和提升小波變換兩級變換得到小波變換系數(shù)，通過標(biāo)量Costa解碼算法得到秘密比特流，利用LBG矢量量化解碼器得到重構(gòu)的觀測矢量，利用壓縮感知正交匹配追蹤算法重構(gòu)秘密語音，再利用小波去噪方法改善重構(gòu)秘密語音的音質(zhì)。
文檔編號H04K1/00GK102034478SQ20101054795
公開日2011年4月27日 申請日期2010年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月17日
發(fā)明者葉蕾, 徐挺挺, 楊震 申請人:南京郵電大學(xué)