一種基于數(shù)字音頻信號的加密算法

張曉峰，賈曉強

（1.渭南職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，陜西渭南714000；2.渭南師范學(xué)院網(wǎng)絡(luò)安全與信息化學(xué)院，陜西渭南714099）

在人們?nèi)粘Ｉ钪校Z音和圖像是與聽覺和視覺相關(guān)的信息，語音識別和圖像處理和我們的生活息息相關(guān)。隨著社會的進步、高科技的進步以及現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，語音和圖像中的重要部分和復(fù)雜部分幾乎都可以用數(shù)字信號處理手段來處理。語音信號的一系列處理步驟從理論到實際的產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)歷了很長的一段時間，在這個過程中取得了巨大的進步。語音信號的一系列處理正間接與不同的行業(yè)與領(lǐng)域相融合，例如：工業(yè)流程中的語音監(jiān)測、通訊系統(tǒng)的自動撥號、醫(yī)療衛(wèi)生方面的生存援助系統(tǒng)等。在這些應(yīng)用領(lǐng)域，為了提高語音信號的安全性，往往要對信息執(zhí)行加密。

1 數(shù)字音頻加密算法的概述

數(shù)字語音信號的加密，從字面意思簡單理解為信息在傳輸過程中，容易被一些人輕易截取，加密，無疑就是發(fā)送者給一段原本清晰的語音信號（載體信號）加入一些復(fù)雜信號（嵌入信號），使原始信號不會輕易的被人獲取。待接收者接受之后，對接收信號進行解密，恢復(fù)為原始信號，從而完成了語音信號的加密過程。

2 數(shù)字語音信號加密的設(shè)計方案

2.1 設(shè)計思路

根據(jù)具體語音情況對語音信號進行加密解密處理，并與原始信號進行對比分析。具體思路為：

1）對原始語音信號進行采樣、嵌入語音信號的傅里葉變換；

2）進行語音加密，做變量不等量的疊加運算；

3）對疊加后的信號進行逆運算，原始語音信號的提取，恢復(fù)原始語音信號；分析恢復(fù)的語音信號和原始語音信號的的異同；

4）對原始語音信號進行抗噪聲處理，并與原始信號作對比分析。

2.2 音頻信號的嵌入與提取

1）音頻信號的采集與嵌入

錄制兩段清晰的語音，時間不宜太長，分別定義為“chengdu.wav”和“tonghuazhen.wav”，將前者作為原始信號，后者為嵌入信號。

2）原始音頻信號的時域及頻域分析

將保存好的語音信號“chengdu.wav”文件利用相關(guān)函數(shù)在MATLAB軟件中讀出，如：

[x，fs，nbits]=wavread（'E:workchengdu.wav'）；

運行程序代碼可得到原始語音信號的時域波形圖，為了更方便直觀的觀察，并給出了原始語音信號時域圖的三維立體圖，如圖1所示。

圖1 原語音信號時域圖

畫出原始語音信號“chengdu.wav”的時域波形圖，對原始語音信號進行傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻域，從而得到原始語音信號的頻譜特性。為了更好地分析原始語音信號的頻譜特性，并給出了原始語音信號頻譜圖的三維立體圖，如圖2所示。

圖2 原語音信號頻域圖

3）嵌入音頻信號的時域及頻域分析

將保存好的語音信“tonghuazhen.wav”文件在MATLAB軟件中利用相關(guān)函數(shù)讀出，如：

可得到嵌入語音信號的時域波形圖如圖3所示。

圖3 嵌入語音信號時域圖

畫出嵌入語音信號“tonghuazhen”的時域波形圖，對嵌入語音信號進行傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻域，可以得到嵌入語音信號的頻譜特性。在MATLAB軟件中運行相關(guān)程序如：

可得到嵌入語音信號的頻譜圖，如圖4所示。

圖4 嵌入語音信號頻域圖

4）加密語音信號時域及頻域分析

將原始語音信號與倍乘后的嵌入語音信號相疊加后形成的語音信號。論文中采用的是嵌入語音信號的0.5倍。兩段長度相同的語音信號能夠直接相加，可是，兩段程度不同的語音信號相互疊加，要利用resample函數(shù)實現(xiàn)語音信號的長度相等。

假設(shè)原始語音信號x的長度n1，嵌入語音信號y的長度為n2，且n1＞n2，有兩種方法來處理：

方法一：將短信號y（長度為n2）重新采樣成長度n1

方式二：將長信號x（長度為n1）重新采樣成長度n2

其中，x為原始語音信號，y為嵌入語音信號，alpha為相關(guān)系數(shù)，s為加密語音信號。用到的加密語音信號的主要函數(shù)及代碼如下：

n1，n2分別為原始語音信號和嵌入語音信號的長度，回放疊加后的語音信號，會發(fā)現(xiàn)成功的將嵌入語音信號疊加到原始語音信號中，并且得到加密語音信號的時域波形圖，如圖5所示。

圖5 加密語音信號時域圖

畫出加密語音信號的時域波形，對加密語音信號進行傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻域，得加密語音信號的頻譜特性如圖6所示。

5）數(shù)字音頻信號的提取

數(shù)字音頻信號的嵌入過程可以簡單理解為音頻的加密，那么相反的逆運算，數(shù)字音頻信號的提取過程也可以理解為音頻的解密，即恢復(fù)原始音頻信號的過程。

將加密的信號進行相關(guān)處理，調(diào)用格式為：h=salpha*y；

其中，s為加密語音信號，alpha為相關(guān)系數(shù)，y為嵌入語音信號，h為恢復(fù)原始語音信號。

在MATLAB軟件中運行有關(guān)音頻信號的提取過程的程序代碼，如：

圖6 加密語音信號頻域圖

回放恢復(fù)后的語音信號，和原始語音信號相差不大，并且可得到恢復(fù)原始語音信號的時域波形圖，如圖7所示。

圖7 恢復(fù)后語音信號時域圖

做出解密后原始語音信hengdu.wav的時域波形圖，然后對解密后的原始語音信號進行傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻域，可以得到解密后的原始語音信號的頻譜特性。在MATLAB軟件中運行相關(guān)程序如：

可得到恢復(fù)原始語音信號’chengdu.wav’的頻譜圖，為了更好地分析提取后的原始語音信號的頻譜特性，并一道給出了提取后原始語音信號頻譜圖的三維立體圖，如圖8所示。

至此，利用MATLAB軟件完成了數(shù)字語音信號的加密和解密過程，分析對比原始語音信號和恢復(fù)后的語音信號的異同，得出結(jié)論，闡明原因。

6）噪聲信號的時域及頻域分析

對原始語音信號進行抗噪性能分析，必須先人為構(gòu)造一段隨機高斯噪聲信號，隨機高斯噪聲信號為：noise=0.005*randn（a，2）；即利用randn函數(shù)產(chǎn)生2列a行的隨機高斯噪聲，a為原始語音信號’chenhdu.wav’的長度。

在MATLAB軟件中運用相關(guān)函數(shù)播放人為構(gòu)造的隨機高斯噪聲并畫出它的時域波形圖及頻譜圖，運行有關(guān)隨機高斯噪聲的程序代碼將會獲得所加的隨機高斯噪聲的時域波形圖和頻譜圖如圖8所示。

圖8 恢復(fù)后語音信號頻域圖

由圖9中的噪聲信號的頻譜圖我們可以看出，所加的隨機高斯噪聲為高頻噪聲，且在整個區(qū)間都分布著，從回放的語音中，我們也可以清楚的聽到所加的隨機高斯噪聲。

圖9 噪聲信號時域及頻域圖

在MATLAB軟件中將原始語音信號與隨機高斯噪聲信號進行矩陣加法運算，并對經(jīng)過加法運算的語音信號進行播放，利用plot有關(guān)函數(shù)進行繪制加噪語音信號的時域波形圖，然后在MATLAB軟件中能夠運用函數(shù)FFT對語音信號進行快速傅里葉變換，繼續(xù)對加入噪聲后的語音信號進行頻譜分析，繪制頻譜圖。

7）加噪語音信號的時域及頻域分析

將原始語音信號x與人為構(gòu)造的隨機高斯噪聲信號noise進行疊加，調(diào)用的形式為：w=x+noise；

公式中，w為加噪信號。

在MATLAB軟件中實現(xiàn)在原始語音信號中加入構(gòu)造的隨機高斯噪聲并繪制出加噪語音信號的時域波形圖，播放加過隨機高斯噪聲后的聲音信號?？梢栽贛ATLAB軟件中運行有關(guān)程序代碼如：

w=x+noise；

將會獲得疊加噪聲后的語音信號的時域波形圖及頻譜圖如圖9所示。

從回放的語音中我們可以聽到原始語音信號以及所加的高斯噪聲，從圖10的時域波形圖中可以看出噪聲加入后時域波形都有明顯的波形變化，對比原始語音信號和加噪后的語音信號可知，所構(gòu)造的隨機高斯噪聲成功的疊加到了原語音信號上。

圖10 加噪語音信號時域頻域圖

8）數(shù)字音頻信號的去噪處理

對加入的噪信號進行逆運算，也就是把加噪語音信號與隨機高斯噪聲信號進行矩陣的減法運算，并對經(jīng)過減法運算之后的語音信號進行回放，然后對去噪語音信號進行快速傅里葉變換并進行頻譜分析，繪制頻譜圖。

將加噪語音信號w與隨機高斯噪聲語音信號noise進行矩陣減法運算，其調(diào)用的形式為：p=wnoise；

公式中，p代表的是去噪信號。

得到去噪語音信號的時域波形圖及相應(yīng)的頻譜圖如圖11所示。從回放的語音中我們可以清楚的聽到原始語音信號，從圖11的時域波形圖中可以看出明顯的波形，對比原始語音信號和去噪后的語音信號可知，所構(gòu)造的隨機高斯噪聲成功的脫離了加噪語音信號上，恢復(fù)了原始語音信號。

圖11 去噪語音信號時域及頻域圖

3 結(jié)束語

對一段語音信號進行嵌入、提取、以及加噪處理，進而成功實現(xiàn)對數(shù)字音頻信號的加密，通過對比加密前后的數(shù)字音頻進行時域和頻域的分析后，并通過聽取聲音的雜亂無章來辨別。經(jīng)過算法的逆運算，成功的恢復(fù)原語音信號，恢復(fù)的信號與原始信號差別不大。將來根據(jù)需要在同一段音頻信號中嵌入較多的密鑰，使得信號恢復(fù)得更精準(zhǔn)，從某種程度上提高了信息的安全性。