一种分数傅里叶变换上的时频域掩蔽信息隐藏方法技术

本发明专利技术公布了一种分数傅里叶变换上的时频域掩蔽信息隐藏方法，包括如下步骤：（１）分数傅里叶变换；（２）获得基于分数傅里叶变换上的时频域掩蔽信息隐藏公式；（３）分析基于分数傅里叶变换域上的时频掩蔽特性。本发明专利技术误码率要低于时域和频域的方法；本发明专利技术提出的方法更具有隐秘性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种信息隐藏方法，特别涉及一种分数傅里叶变换上的时频域掩蔽信 息隐藏方法。
技术介绍
从上个世纪九十年代末开始，信息隐藏开始在保密通信方面得到了广泛地应用。 随着电话网络遍布我们世界的每个角落，利用电话网进行隐秘数据长途传输成为军事安全 部门日益关注的问题，由于电话语音的带宽为(300-3400KHZ)，采样速率为8KHz，量化比特 为8bit，这些特点使得在语音中嵌入隐秘信息极具挑战性。因此语音信息隐藏引起了广大 语音信号处理研究人员广泛关注。但目前大部分研究只是考虑多媒体语音，对电话语音的 研究还非常少。心理声学研究表明，人类难以听到在频率或时间上位于强信号附近的弱信号，这 种特性被称为听觉掩蔽特性，即一种声音成分由于另一种声音成分的存在而不被人所感 知。听觉掩蔽可分为时域掩蔽和频域掩蔽，分别对应着语音信号在时域和频域的掩蔽区域。 目前，利用听觉掩蔽特性进行信息隐藏的方法只是单一地考虑时域掩蔽或频域掩蔽，而这 种方法较容易被非法监听者所发现，效果并不理想。
技术实现思路
本专利技术目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种分数傅里叶变换上的时频域掩 蔽信息隐藏方法。本专利技术为实现上述目的，采用如下技术方案本专利技术，其特征在于包括以下 步骤(1)分数傅里叶变换输入语音序列s (t)的a阶分数傅里叶变换算法如下Sa(U) = Fa (S ⑴) 式中，β = γ 0< |ρ| < 2，η为整数，j为虚数单位；(2)基于分数傅里叶变换上的时频域掩蔽信息隐藏公式如下) 1/V3 )(2)对应的频谱则为 、 λ为信息隐藏参数，U0为频域初值，x(t)和Χ(ω)分别为包含隐蔽信息的输出信 号的时域与频域形式；(3)分析基于分数傅里叶变换域上的时频掩蔽特性由掩蔽效应理论可知，声音在时域及频域都存在着掩蔽效应，都有掩蔽区，结合式 (2)和式(3)，T0max, 别为在时域和频域不被人感知的最大时偏和频偏，满足如下条 件U0Cosa < T0max(4)U0Sina < f0fflax(5)那么当a满足 则在分数傅里叶变换域上采用表达式Xa(U) = Sa(u)+ λ Sa(U-U0)进行隐秘信息的 嵌入就能不被人耳所感知。本专利技术的优点和效果如下(1)存在着分数阶因子a，使得在分数傅里叶变换域上采用听觉掩蔽特性进行语 音信息隐藏，其误码率要低于时域和频域的方法。(2)由于窃听方无法获得纯净的原始语音及语音信号在电话网内传播时不可避免 的受到电话网信道和噪声的影响，只要UtlSina在一定范围内就不会被窃听方所察觉。这表 明与常规回声算法相比，本专利技术提出的方法更具有隐秘性。附图说明图1是分数傅里叶变换域掩蔽嵌入模型。图2是分数傅里叶变换域掩蔽提取模型。图3是分数傅里叶变换域掩蔽算法波形与相关倒谱曲线。图4是采用分数傅里叶变换域掩蔽算法嵌入后的语音与纯净语音的语谱图。图5是不同分数阶因子a对应的相关倒谱曲线。图6是不同噪声环境下的误码率。图7是与普通回声算法的误码率比较。具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本专利技术所述的技术方案作进一步的阐述。本专利技术一种分 傅里叶变换上的时频域掩蔽信息隐藏方法包括以下步骤(1)分数傅里叶变换输入语音序列s (t)的a阶分数傅里叶变换算法如下Sa(U) = Fa (S ⑴) 式中，《 = O < |ρ| < 2，η 为整数，j为虚数单位；(2)基于分数傅里叶变换上的时频域掩蔽信息隐藏公式如下令Xa(U) = Sa(ιι) + λ Sa(U-Utl),对其进行反变换，可得χ (t) =s (t) + λ ra (Sa (U-U0))(2)其中 令ν' = v-u0,将其代入式(3)，经过化简整理可得 令u' = u-uQC0Sa，代入式(4)进一步化简整理得 将式(5)代入式(2)则得到 (3)分析基于分数傅里叶变换域上的时频掩蔽特性由掩蔽效应理论可知，声音在时域及频域都存在着掩蔽效应，都有掩蔽区，结合式 (6)和式(7)，τ0ω3χ> 别为在时域和频域不被人感知的最大时偏和频偏，满足如下条 件 则在分数傅里叶变换域上采用表达式Xa(U) = Sa(u)+ λ Sa(U-U0)进行隐秘信息的 嵌入就能不被人耳所感知。为了分析上提出的的性能，首 先我们给出分数傅里叶变换域掩蔽嵌入模型和分数傅里叶变换域掩蔽提取模型，然后进行 实验并给出实验数据。1.分数傅里叶变换域上的时频掩蔽模型图1中对语音信号的采样速率和量化比特沿用我国固定电话网采用的SKHz抽 样和Sbit量化。在语音信息隐藏及语音伪装通信中对隐秘信息的码元传输速率要求不 是非常高，因此，简单分析起见，令每1帧传lbit，L = 512，则隐秘信息的码元传输速率为 15.625bit/s。由于事先约定分数阶因子a，在图2中首先对接收到的来自电话网信道的语音序 列进行a阶分数傅里叶变换，然后计算其自相关函数，并获得自相关函数的倒谱变换，对在 Utic^nucil的幅值进行比较，然后再与阈值进行比较。最后获得隐秘信息序列。2.实验与分析在本专利技术的所有实验中，语音信号为在实验室内录制的信号，采样频率是8KHz，采 样位数8bit。在纯净语音信号上叠加高斯白噪声和非平稳噪声(噪声源由英国TNO感知学 会所属的荷兰RSRE研究中心提供)。图3中(a)原始纯净语音；(b)嵌入语音波形；(c)嵌入语音分数域倒谱曲线；(d) 嵌入语音波形倒谱曲线；(e)原始纯净语音倒谱曲线，为了更方便说明问题，隐秘信息为 0101…的码流，U00 = 60表征数字“0”，U01 = 30表征数字“1”，λ = 0· 3，a = 0. 7。从图3中可看出，采用分数傅里叶变换域掩蔽算法嵌入后的时域波形(b)与原始纯净语音波形 (a)非常相似；对分数域嵌入后的信号取相关倒谱变换后(c)除0点具有极值外，在第30点 和第60点上有非常明显的峰值。而对嵌入语音波形直接进行相关倒谱变换其曲线(d)与 纯净语音(e)完全一致，窃听者无法发现隐秘信息的存在。实验中也发现λ的取值不能太 大或者太小，太大会带来明显的背景噪声，太小则第30点和第60点上的峰值将不明显，一 般取0. 15彡λ彡0. 35。图4(a)原始纯净语音；(b)嵌入语音波形，给出了采用分数傅里叶变换域掩蔽算 法嵌入后的语音与纯净语音的语谱图，从图4中可以看出两者在频谱上几乎看不出任何区 别。图5中给出了提取时当分数阶因子a不为0. 7时的相关倒谱特性，当a为0. 6或 0. 8时在第30点和第60点上峰值不明显，只有当Δ a < 0. 02时才有略为明显的峰值，换句 话讲只有当a为嵌入时的值，接收端才能成功提取隐秘信息。这一特性表明分数傅里叶变 换域掩蔽算法具有较强的隐蔽性。图6给出了不同噪声环境下采用分数傅里叶变换域掩蔽算法进行隐秘信息提取 的误码率，图7为白噪声环境下采用分数傅里叶变换域掩蔽算法和普通回声算法的误码率 比较。图6图7中的数据都是未进行语音降噪处理及未采取纠错编码的数据。图6中采用的语音为62个青年男女(50男，12女)在实验室环境下的录音(每 人共10句话)，全部话音总计时长约共35分钟，共传隐秘数据30000bit，数据码速率为 15本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分数傅里叶变换上的时频域掩蔽信息隐藏方法，其特征在于包括以下步骤：（１）分数傅里叶变换输入语音序列ｓ（ｔ）的ａ阶分数傅里叶变换算法如下：Ｓ↓［ａ］（ｕ）＝Ｆ↑［ａ］（ｓ（ｔ））＝＊＊＊（１）式中，ａ＝ｐπ／２，０＜｜ｐ｜＜２，ｎ为整数，ｊ为虚数单位；（２）基于分数傅里叶变换上的时频域掩蔽信息隐藏公式如下：ｘ（ｔ）＝ｓ（ｔ）＋λｅｘｐ（－ｊπ（ｕ↓［０］↑［２］ｃｏｓ↑［３］ａ／ｓｉｎａ））ｅｘｐ（ｊπ２ｕ↓［０］ｔｓｉｎａ）ｓ（ｔ－ｕ↓［０］ｃｏｓａ）（２）对应的频谱则为：Ｘ（ω）＝Ｓ（ω）＋λｅｘｐ（－ｊπ（ｕ↓［０］↑［２］ｃｏｓ↑［３］ａ／ｓｉｎａ））ｅｘｐ（－ｊｕ↓［０］ｃｏｓａ）Ｓ（ω－２πｕ↓［０］ｓｉｎａ）（３）λ为信息隐藏参数，ｕ↓［０］为频域初值，ｘ（ｔ）和Ｘ（ω）分别为包含隐蔽信息的输出信号的时域与频域形式；（３）分析基于分数傅里叶变换域上的时频掩蔽特性由掩蔽效应理论可知，声音在时域及频域都存在着掩蔽效应，都有掩蔽区，结合式（２）和式（３），τ↓［０ｍａｘ］、ｆ↓［０ｍａｘ］分别为在时域和频域不被人感知的最大时偏和频偏，满足如下条件：ｕ↓［０］ｃｏｓａ＜τ↓［０ｍａｘ］（４）ｕ↓［０］ｓｉｎａ＜ｆ↓［０ｍａｘ］（５）那么当ａ满足：ａ＜ａｒｃｔａｎｆ↓［０ｍａｘ］／τ↓［０ｍａｘ］（６）则在分数傅里叶变换域上采用表达式Ｘ↓［ａ］（ｕ）＝Ｓ↓［ａ］（ｕ）＋λＳ↓［ａ］（ｕ－ｕ↓［０］）进行隐秘信息的嵌入就能不被人耳所感知。...

【技术特征摘要】
一种分数傅里叶变换上的时频域掩蔽信息隐藏方法，其特征在于包括以下步骤(1)分数傅里叶变换输入语音序列s(t)的a阶分数傅里叶变换算法如下Sa(u)＝Fa(s(t)) <mrow><mo>=</mo><mfenced open='{' close=''> <mtable><mtr> <mtd><msqrt> <mfrac><mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>j</mi> <mi>cot</mi> <mi>a</mi></mrow><mrow> <mn>2</mn> <mi>&pi;</mi></mrow> </mfrac></msqrt><munderover> <mo>&Integral;</mo> <mrow><mo>-</mo><mo>&infin;</mo> </mrow> <mrow><mo>+</mo><mo>&infin;</mo> </mrow></munderover><mi>exp</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mfrac><mrow> <msup><mi>u</mi><mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup><mi>t</mi><mn>2</mn> </msup></mrow><mn>2</mn> </mfrac> <mi>cot</mi> <mi>a</mi> <mo>-</mo> <mfrac><mi>jut</mi><mrow> <mi>sin</mi> <mi>a</mi></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mi>s</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>dt</mi> </mtd> <mtd><mi>a</mi><mo>&NotEqual;</mo><mi>n&pi;</mi> </mtd></mtr><mtr> <mtd><mi>s</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow> </mtd> <mtd><mi>a</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>n&pi;</mi> </mtd></mtr><mtr> <mtd><mi>s</mi><mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow> </mtd> <mtd><mi>a</mi><mo>=</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mi>n</mi> <mo>&PlusMinus;</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mi>&pi;</mi> </mtd></mtr> </mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>式中，0＜|p|＜2，n为整数，j为虚数单位；(2)基于分数傅里叶变换上的时频域掩蔽信息隐藏公式如下 <mrow><mi>x</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>s</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>&lambda;exp</mi><mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mi>j&pi;</mi> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <mrow><msubsup> <mi>u</mi> <mn>0</mn> <mn>2</mn></msubsup><msup> <mi>cos</mi> <mn>3</mn></msup><mi>a</mi> </mrow> <mrow><mi>sin</mi><mi>a</mi> </...

【专利技术属性】
技术研发人员：包永强，邹采荣，赵力，奚吉，王开，魏昕，唐加能，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]