基于混沌糾錯(cuò)交織編碼的語音隱藏技術(shù)研究

席青云

摘 要：對(duì)于秘密語音，先進(jìn)行Logistic混沌映射，再執(zhí)行BCH編碼糾錯(cuò)，最后執(zhí)行交織量化處理.在語音接收端通過相應(yīng)的逆變換、BCH解碼、解交織等處理獲得秘密語音信息.然后，展開有關(guān)混沌糾錯(cuò)交織編碼語音信息隱藏方法的實(shí)驗(yàn)研究，明確此方法加密流程和解密流程的具體操作步驟，對(duì)此方法的基本加密性能、抗噪聲攻擊能力、抗偽密鑰破譯能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文的加密方法具有良好的加密性能、抗噪聲攻擊能力和抗破譯能力.

關(guān)鍵詞：語音信息隱藏;BCH糾錯(cuò)編碼;Logistic混沌映射;噪聲攻擊

中圖分類號(hào)：TN912 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1673-260X（2020）06-0068-06

1 基于混沌糾錯(cuò)交織編碼的語音隱藏方法

1.1 混沌加密解密

1.1.1 混沌概念與特點(diǎn)

混沌理論最初被提出是用于氣象領(lǐng)域.經(jīng)過50多年的發(fā)展，混沌理論在數(shù)學(xué)領(lǐng)域、物理學(xué)領(lǐng)域、信息科學(xué)領(lǐng)域和電子學(xué)領(lǐng)域都得到了深入發(fā)展和應(yīng)用.有學(xué)者指出，因?yàn)榛煦缧盘?hào)可以各態(tài)遍歷性、表現(xiàn)出非周期特征，其頻譜寬帶區(qū)域的連續(xù)性，都使得其特別容易應(yīng)用于信息隱藏.

最早應(yīng)用于信息隱藏的混沌方法，是基于Logistic混沌映射的變形方法，這也促成了混沌流密碼技術(shù)的誕生.

將混沌理論應(yīng)用于語音隱藏，不但有利于保障語音通信過程的抗攻擊性，也極大地增強(qiáng)了秘密語音安全到達(dá)接收端的可靠性.混沌映射便于實(shí)現(xiàn)，還可以為用戶提供多樣化的密鑰選擇，已經(jīng)成為包括語音加密在內(nèi)的各種信息加密技術(shù)的最佳備選方案.

混沌理論之所以適合于語音加密領(lǐng)域，這是原自混沌現(xiàn)象的共性特征.混沌現(xiàn)象不僅對(duì)于初值敏感，對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)的微小變化也具有敏感性.因此，只要攻擊者提供的密鑰等信息和真實(shí)密鑰等信息有微小的不同，也會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地偏離正確語音信息的破譯，從而達(dá)到良好的保密效果.

同其他理論相比，混沌理論具有如下特點(diǎn)：

（1）混沌系統(tǒng)敏感于初始條件，微小的初值差異會(huì)導(dǎo)致混沌系統(tǒng)長期行為的巨大不一致性.

（2）混沌系統(tǒng)表現(xiàn)出非線性系統(tǒng)的確定性，長期行為的類隨機(jī)以及無法準(zhǔn)確預(yù)測性，同時(shí)其寬帶頻譜區(qū)域連續(xù).

（3）混沌系統(tǒng)無論自相關(guān)性還是互相關(guān)性都非常優(yōu)秀，通過微調(diào)初值或增加混沌迭代次數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)周期碼字的不同長度變化.

（4）混沌系統(tǒng)非常近似于隨機(jī)過程，即便獲取了足夠長的一段混沌序列，也無法實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)序列的判斷，其保密性能出色.

1.1.2 混沌映射選取

在本文的語音信息隱藏中，我們也選用了Logistic混沌映射，其數(shù)學(xué)形式如公式（1）所示.

xn+1=1-？滋xn2. ?（1）

這里，x∈[-1，1]、？滋∈[0，2]，只要？滋出現(xiàn)在1.40115到2的范圍內(nèi)，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)表現(xiàn)出混沌狀態(tài).Logistic混沌系統(tǒng)的特征是，其所有序列都表現(xiàn)出零均值、基于？啄相似性的自相關(guān)和互相關(guān)特性.Logistic混沌系統(tǒng)產(chǎn)生的混沌序列{xk}既不收斂也不符合周期變化規(guī)律，并且對(duì)于初始狀態(tài)非常敏感.經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即便給定差異僅為0.001的兩個(gè)初始值，Logistic混沌系統(tǒng)僅需要幾次迭代就會(huì)馬上分開，最終呈現(xiàn)出毫不相關(guān)的情形.

為了適合數(shù)字語音信號(hào)的處理，可以將Logistic混沌序列轉(zhuǎn)換為二值序列，這樣的方法很多，常見的有：閾值轉(zhuǎn)換法和量化轉(zhuǎn)換法.在本文中，選擇了量化轉(zhuǎn)換法來實(shí)現(xiàn)混沌序列的二值化.

采用L位二進(jìn)制數(shù)來實(shí)現(xiàn)0到1區(qū)間上的數(shù)，先將混沌序列中的每一個(gè)數(shù)據(jù)取絕對(duì)值，這個(gè)序列表示為{zk，k=0，1，2，…，-1

z=av2-（v+1），a=0 or 1. ? （2）

用量化變換法處理時(shí)，選取前L位來表示z，其余各位均放棄，即有：

z=av2-（v+1）

=-2-Lav2-（L-1）-v

=2-LZ. ? （3）

到這里，混沌序列zk中的每一個(gè)值都可以實(shí)現(xiàn)L位二進(jìn)制數(shù)的表示.

1.1.3 混沌加密解密處理

對(duì)語音信息進(jìn)行混沌加密處理，首先要根據(jù)密鑰生成混沌序列，進(jìn)而和要被加密的語音信息進(jìn)行邏輯運(yùn)算，從而生成密文信息，整個(gè)執(zhí)行的邏輯框架圖如圖1所示.

如果用mi表示明文語音信息，用ci表示密文語音信息，用ki表示混沌序列，則語音的加密過程可以用如下的數(shù)學(xué)公式來描述：

ci=mi？茌ki. ?（4）

相應(yīng)的，為了求解明文語音信息，就要執(zhí)行基于混沌序列的解密過程，如數(shù)學(xué)公式（5）所示.

mi=ci？茌ki. ?（5）

1.2 糾錯(cuò)編碼解碼

在語音信息隱藏的整個(gè)流程中，語音信息經(jīng)過信道進(jìn)行傳輸是其中一個(gè)重要的環(huán)節(jié).為了保證語音數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，一般需要采用糾錯(cuò)編碼技術(shù).

語音信息在信道傳輸中，會(huì)受到各種可能噪聲的干擾，從而使得接收端獲得的語音信息中含有一些隨機(jī)錯(cuò)誤.這時(shí)，可以在傳輸信息碼中增加一些約束碼，從而增強(qiáng)信息碼的抗干擾能力.

在接收端，利用這些約束碼可以提高對(duì)于語音信息的糾錯(cuò)能力，但是約束碼占據(jù)了信息碼單元，會(huì)導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)信息量的下降.所以，約束碼的選擇必須要平衡可靠性和信息量兩個(gè)指標(biāo).

1.2.1 糾錯(cuò)編碼

在本文中，為了保證語音信息在通信信道傳輸中的可靠性，采取了BCH編碼作為糾錯(cuò)碼.

這里的BCH編碼采用的是（15，7）BCH碼制式.首先，將語音信息進(jìn)行信息碼分組處理，每7個(gè)bit作為一個(gè)分組，每個(gè)分組都執(zhí)行（15，7）BCH編碼，即可以糾正不超過2位的錯(cuò)誤，執(zhí)行糾錯(cuò)處理后生成的多項(xiàng)式g（D）如公式（6）所示.

g（D）=LCM[m1（D）m3（D）]

=D8+D7+D6+D4+1. ?（6）

這里，m1（D）、m3（D）表示的都是最小多項(xiàng)式，其計(jì)算模型如下所示.

m1（D）=D4+D+1， ? （7）

m3（D）=D4+D3+D2+D+1. ?（8）

根據(jù)上述三個(gè)公式，可以進(jìn)一步構(gòu)成生成矩陣G，如公式（9）所示.

G=， ?（9）

將要處理的語音信息和生成矩陣進(jìn)行相乘運(yùn)算，就獲得了BCH編碼.

1.2.2 糾錯(cuò)解碼

在語音信道的接收端，每15個(gè)bit進(jìn)行一個(gè)分組，對(duì)每個(gè)分組分別執(zhí)行BCH解碼.BCH解碼過程要采用一個(gè)監(jiān)督矩陣H，它可以根據(jù)生成矩陣G進(jìn)行計(jì)算，二者之間的關(guān)系如公式（10）所示.

G=[I，Q]，H=[QT，I]. ? （10）

下一步工作就是根據(jù)監(jiān)督矩陣H計(jì)算校正因子，如下述公式：

S=RHT. ? （11）

這里，R就表示接收端接收到的語音信息，S表示一個(gè)1×8的矩陣，校正因子和誤碼出現(xiàn)位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示.

在本文的語音信道接收端，采取BCH糾錯(cuò)處理時(shí)，如果僅發(fā)生了1位錯(cuò)誤，則可以根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行查表獲得，如果發(fā)生了2位錯(cuò)誤，需要進(jìn)行如下的運(yùn)算：

S=Si？茌Sj. ? （12）

這里，利用Si和Sj表示表1中的兩個(gè)錯(cuò)誤信息，通過執(zhí)行這個(gè)取模運(yùn)算，就可以確定2位錯(cuò)誤發(fā)生的位置.

1.3 交織量化處理

1.3.1 交織處理

語音信息在實(shí)際傳輸?shù)倪^程中，有時(shí)會(huì)受到非常嚴(yán)重的突發(fā)干擾，這些連續(xù)出現(xiàn)的突發(fā)錯(cuò)誤，僅僅憑借BCH編碼的1位或者2位糾錯(cuò)能力難以實(shí)現(xiàn)糾正處理.所謂交織處理，就是在信號(hào)進(jìn)入信道傳輸之前，按照一定的規(guī)律對(duì)語音信息進(jìn)行位置上的調(diào)換，對(duì)應(yīng)接收端再按照這個(gè)規(guī)律反向調(diào)換回來.交織處理和解交織處理如圖2所示.

在語音信息的發(fā)送端，將N個(gè)bit的信息進(jìn)行交織分組.首先把M組N個(gè)bit語音信息單元存入到一個(gè)M行N列的交織器中，然后按照行排列的順序存入寄存器，即A11、A12、A13、……、A1N、A21、A22、A23、……、A2N、……、AM1、AM2、……、AMN.存儲(chǔ)完畢后，發(fā)送時(shí)按照列排列的順序取出，即A11、A21、A31、……、AM1、A12、A22、A32、……、AM2、……、A1N、A2N、……、AMN.

在語音信息的接收端，解交織的過程恰好相反，先按照列排列的順序存入寄存器，即A11、A21、A31、……、AM1、A12、A22、A32、……、AM2、……、A1N、A2N、……、AMN，再按照行排列的順序取出，即A11、A12、A13、……、A1N、A21、A22、A23、……、A2N、……、AM1、AM2、……、AMN.

通過交織處理，連續(xù)錯(cuò)誤信息被自然分開，從而使得錯(cuò)誤信息在一個(gè)組內(nèi)的位數(shù)降低，就可以采用糾錯(cuò)編碼技術(shù)進(jìn)行糾錯(cuò)了.

1.3.2 量化處理

在本文的語音隱藏過程中，秘密語音信息的嵌入，實(shí)際上是通過對(duì)使用變換的變換域系數(shù)進(jìn)行量化來實(shí)現(xiàn)的.為此，假定原來變換域的系數(shù)可以用g來表示，則執(zhí)行變換后的系數(shù)變?yōu)間'.量化步長采??？駐來表示，這個(gè)步長越大，則抗攻擊能力好，但是量化對(duì)于原始語音信息的影響比較大;這個(gè)步長越小，量化精度會(huì)提高，但是抗攻擊能力會(huì)削弱.因此，選擇合理的量化步長是本文在量化處理工作中的難點(diǎn).為此，本文采取如下的量化過程：

（1）對(duì)變換域的系數(shù)g沿軸線進(jìn)行分割，效果如圖3所示.經(jīng)過這一步處理，g軸被劃分成A、B區(qū)域間隔的形狀.

（2）當(dāng)執(zhí)行計(jì)算操作時(shí)，坐標(biāo)軸上的坐標(biāo)就代表真實(shí)的數(shù)據(jù);當(dāng)執(zhí)行語音信息隱藏時(shí)，A、B區(qū)域內(nèi)的坐標(biāo)就代表隱藏處理后的二進(jìn)制序列.

（3）量化操作的具體數(shù)學(xué)公式如下所示：

n=gmod？駐，r=r-n？駐. ?（13）

這里，n和r分別代表模和余數(shù).

（4）二進(jìn)制秘密語音信息執(zhí)行嵌入處理的時(shí)候，其bit信息w要和g共同作為參考，使得量化結(jié)果盡可能接近A、B兩個(gè)區(qū)域的中心點(diǎn)數(shù)值，這又分為以下4種情況.

（a）當(dāng)g≥0并且w=1的時(shí)候，按照下面的公式處理：

2 仿真實(shí)驗(yàn)與測試

2.1 實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

前面提出了一種基于混沌糾錯(cuò)交織編碼的語音隱藏方法.為了驗(yàn)證這種方法的性能，下面展開測試性實(shí)驗(yàn).在實(shí)驗(yàn)中，載體語音是一段單聲道的流行音樂，其采樣頻率為44kHz，并經(jīng)過16bit量化;秘密語音也是單聲道語音信息，采樣頻率為1kHz，也經(jīng)過16bit量化.下面，按照基于混沌糾錯(cuò)交織編碼的語音隱藏方法，分別給出語音的嵌入流程和提取流程.

2.1.1 語音嵌入流程設(shè)計(jì)

語音嵌入流程共分為9個(gè)步驟，具體操作如下：

第一步，執(zhí)行離散小波變換處理.采用db1作為小波變換的基函數(shù)，對(duì)載體語音信息執(zhí)行3個(gè)層次的小波分解處理，這樣可以得到表征細(xì)節(jié)的小波信息CD1、CD2、CD3以及原始語音信息的近似表征分量信息CA3，然后把這些信息放在集合E中進(jìn)行排隊(duì)處理，其數(shù)學(xué)形式如公式（18）所示.

E=CA3？茌CD3？茌CD2？茌CD1. ?（18）

第二步，執(zhí)行離散余弦變換處理.這里，對(duì)于第3層的小波變換系數(shù)中的低頻信息CA3執(zhí)行此操作，其數(shù)學(xué)形式如公式（219）所示.

CA3dct=DCT（CA3）. ?（19）

第三步，執(zhí)行混沌加密處理.這一操作是針對(duì)秘密語音展開的，這里采用的混沌映射是Logistic混沌映射，混沌初始狀態(tài)給定x0=0.7和？滋=2.

第四步，執(zhí)行糾錯(cuò)編碼處理.這里采用BCH碼，并和其他兩種編碼進(jìn)行比較，處理對(duì)象是經(jīng)過混沌映射變換的秘密語音信息.

第五步，執(zhí)行交織處理.這里交織的深度為3，處理對(duì)象是經(jīng)過糾錯(cuò)編碼處理的秘密語音信息.

第六步，執(zhí)行量化嵌入處理.這里采用的是雙極性嵌入，量化步長選擇？駐=0.0005，量化后的秘密語音信息變換為CA3'dct.

第七步，執(zhí)行離散余弦變換的反變換處理.這一步處理的對(duì)象，主要是針對(duì)量化后秘密語音信息CA3'dct，其數(shù)學(xué)描述如公式（20）所示.

CA3'=IDCT（CA3dct）. ?（20）

第八步，執(zhí)行小波重構(gòu)處理.這一步的操作相當(dāng)于用CA3'代替CA3.執(zhí)行重構(gòu)后的小波全新表達(dá)如公式（21）所示.

E=CA3'？茌CD3？茌CD2？茌CD1. ?（21）

第九步，執(zhí)行離散小波反變換處理.通過這一步處理，可以獲得含有秘密語音信息的公開語音信息，其數(shù)學(xué)形式如公式（22）所示.

S'=IDWT（E）. ? （22）

2.1.2 語音提取流程設(shè)計(jì)

語音嵌入流程共分為6個(gè)步驟，具體操作如下：

第一步，執(zhí)行離散小波變換處理.仍然選擇db1作為小波變換的基函數(shù)，這一波的操作對(duì)象是含有秘密語音信息并通過通信信道傳輸過來的公開語音信息S'.

第二步，執(zhí)行離散余弦變換處理.這里針對(duì)CA3執(zhí)行離散余弦變換處理，相應(yīng)的數(shù)學(xué)描述如公式（23）所示.

CA3dct=DCT（CA3）. ?（23）

第三步，執(zhí)行量化提取的操作.這里要根據(jù)量化操作時(shí)的基本方法，位于A區(qū)域的，表明其隱藏信息為1;位于B區(qū)域的，表明其隱藏信息為0.

第四步，執(zhí)行解交織處理.根據(jù)解交織的過程執(zhí)行相應(yīng)處理，最終用于恢復(fù)出執(zhí)行交織前的信息.

第五步，執(zhí)行糾錯(cuò)編碼的解碼處理.此步驟用于檢測出現(xiàn)誤碼的位置，并對(duì)誤碼進(jìn)行糾錯(cuò)處理.

第六步，執(zhí)行混沌解密處理.通過將混沌映射和第五步得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行異或處理，從而得到秘密語音信息.

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 基本測試實(shí)驗(yàn)

基本測試實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖4、圖5、圖6、圖7所示.從圖4和圖5的比對(duì)結(jié)果來看，嵌入秘密語音的公開語音和載體語音波形幾乎沒有差別.從圖6和圖7的比對(duì)結(jié)果來看，秘密語音能比較準(zhǔn)確地提取.

2.2.2 魯棒性測試實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的加密方法對(duì)于攻擊的抵御能力，以普遍存在的噪聲影響測試其魯棒性.分別用s和s'表達(dá)沒有噪聲干擾的公開語音信息和經(jīng)過噪聲干擾的公開語音信息，同時(shí)用p表達(dá)噪聲強(qiáng)度，用z表示噪聲信息，則經(jīng)過噪聲干擾的公開語音信息如公式（24）所示.

s'=s+p×z. ? （24）

在測試實(shí)驗(yàn)中，給定噪聲強(qiáng)度為0.01，噪聲為隨機(jī)噪聲，其均值為0.

如圖8所示，是沒有經(jīng)過糾錯(cuò)編碼提取的秘密語音信息;如圖9所示，是經(jīng)過BCH糾錯(cuò)編碼和交織處理提取的秘密語音信息.

從兩組圖像的對(duì)比結(jié)果可以看出，沒有經(jīng)過糾錯(cuò)編碼提取的秘密語音和真實(shí)秘密語音相比，波形上出現(xiàn)很多毛刺.而經(jīng)過BCH糾錯(cuò)編碼提取的秘密語音，這種錯(cuò)誤則很少.進(jìn)一步計(jì)算兩種情況的誤碼率，不經(jīng)糾錯(cuò)編碼直接提取秘密語音的誤碼率為0.091%，經(jīng)糾錯(cuò)編碼提取秘密語音的誤碼率為0.008%.實(shí)際上，我們還比對(duì)了其他編碼技術(shù)的糾錯(cuò)能力，對(duì)于本文的實(shí)驗(yàn)語音數(shù)據(jù)，漢明碼糾錯(cuò)的誤碼率為0.021%，格雷碼的誤碼率為0.017%.從這幾種方法之間的比對(duì)可以看出，本文采用的BCH糾錯(cuò)編碼性能最佳.

2.2.3 安全性測試實(shí)驗(yàn)

隱藏語音對(duì)于秘鑰的敏感性，能在很大程度上反映出語音加密方法的安全性能.在本文的隱藏方法中，采用了初始狀態(tài)為x0=0.7和？滋=2Logistic混沌映射.只有在解密端采用和加密端完全相同的密鑰，才能獲得準(zhǔn)確的秘密語音信息.

為了測試本文方法的安全性，測試密鑰信息發(fā)生微小改變是對(duì)解密造成的影響.如圖10所示，是密鑰信息完全正確時(shí)的解密結(jié)果;如圖11所示，是密鑰信息發(fā)生微小錯(cuò)誤（即合真實(shí)密鑰相差0.001）時(shí)的解密結(jié)果.

從圖10和圖11的比較結(jié)果可以看出，雖然密鑰僅僅存在0.001的差異，仍然無法在接收端獲得準(zhǔn)確的秘密語音信息，這充分驗(yàn)證了本文方法的保密性能，即便密鑰信息有微小錯(cuò)誤也不能獲得正確的解密結(jié)果.這表明，本文構(gòu)建的基于混沌糾錯(cuò)交織的語音隱藏技術(shù)具有極高的安全性.

以上對(duì)基于混沌糾錯(cuò)交織編碼的語音隱藏方法進(jìn)行了性能測試.首先，設(shè)計(jì)了詳細(xì)的語音信息嵌入和語音提取流程.之后，分別針對(duì)具體的秘密語音和載體語音，執(zhí)行基本的性能測試實(shí)驗(yàn)、魯棒性測試實(shí)驗(yàn)和安全性測試實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了本文方法有效.

3 結(jié)論

語音信息隱藏技術(shù)，是語音通信領(lǐng)域的重要研究課題.對(duì)現(xiàn)有語音隱藏方法進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步改善語音信息隱藏的效果，增強(qiáng)語音信息文件反破解和防攻擊的能力，對(duì)于語音信息隱藏技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)信息通信、網(wǎng)絡(luò)安全保護(hù)、國防軍事信息安全等領(lǐng)域都具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值.

本文以混沌糾錯(cuò)交織編碼語音信息隱藏技術(shù)為核心研究內(nèi)容，取得的主要研究成果如下：

（1）分析了語音信息的基本參數(shù)、數(shù)字化處理、存取方式和常見的時(shí)域、頻域分析方法;信息隱藏技術(shù)的基本屬性、時(shí)域分析方法和頻域分析方法，尤其重點(diǎn)研究了最小有效位法和回聲法;深入分析了信息隱藏效果的定性評(píng)價(jià)方法和定量評(píng)價(jià)方法.

（2）提出一種基于混沌糾錯(cuò)交織編碼的語音信息隱藏方法.此方法分別對(duì)載體語音和秘密語音進(jìn)行變換加密處理，對(duì)于載體語音，分別執(zhí)行離散小波變換和離散余弦變換;對(duì)于秘密語音，分別執(zhí)行Logistic混沌映射、BCH編碼糾錯(cuò)、交織和量化處理.

（3）對(duì)基于混沌糾錯(cuò)交織編碼的語音信息隱藏方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此方法加密和解密流程可行，具有高抗噪能力的魯棒性和安全性，當(dāng)密鑰僅僅有0.001的變化時(shí)也無法破譯加密的語音信息.

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