CN101431578A - 一种基于g.723.1静音检测技术的信息隐藏方法 - Google Patents
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Abstract
基于G.723.1静音检测技术的信息隐藏方法，利用G.723.1协议的静音检测技术，在正常通话过程中，将信息隐藏在非编码数据帧的空闲位中传输，所述非编码数据帧包括静音信息描述帧和未传输静音激励帧；其实现步骤是：(1)对模拟语音信号进行采样，采样结果作为G.723.1编码器的输入；(2)G.723.1编码器中采用静音检测技术：当有有效语音数据时，输出为编码数据帧，无有效语音数据时(即静默状态)，输出为非编码数据帧，包括静音信息描述帧和未传输静音激励帧；(3)非编码数据帧的有效数据远少于编码数据帧，在静默状态时信道存在无比特流传输(有效数据)的空隙，并利用这个空隙来隐藏并传输数据。
Description
一、技术领域
本发明属于数据隐秘传输技术领域，具体涉及一种基于G.723.1静音检测技术的信息隐藏方法，利用G.723.1协议的静音检测技术(VAD，voice activity detection)，将需要隐秘传输的数据信息隐藏在编码输出的非编码数据帧内与对方进行交互，实现了无损信息隐藏，并且隐藏在语音中的信息码率很高。由于其隐秘性和快速性，本信息隐藏方法可应用于多种数据的隐秘传输，如文本文件、图片、音乐等等。
二、背景技术
信息隐藏是一种新的信息安全技术，近年来得到了迅速的发展。可广泛应用于数字信息的版权保护、认证、机密信息的隐秘传输等领域。隐秘传输是指采用信息隐藏技术将机密信息隐藏在普通多媒体信息中不易被感知的部位，进行传输，具有较好的隐蔽性和安全性，可用于军事保密通信等领域。保密通信过程中的密钥更新也是信息隐藏的一个重要应用。
目前，大多数信息隐藏方法是有损的。其原理是将待嵌入的机密信息嵌入到宿主数据中，这需占用宿主数据的有效数据位，势必后造成原宿主数据的信息损失。一般考虑选择宿主数据中重要性较弱的位置进行处理，例如较常用的最低位(LSB)嵌入方法、奇偶调制嵌入方法等等。比如2007年21期《计算机工程》上发表的《语音混沌保密通信系统中的信息隐藏》一文中提到：语音使用G.723.1编码后，将秘密信息隐藏在语音帧的最低有效位，即线形预测索引的最低位。此类方法存在两个缺点：一是会影响接收方得到的语音质量；二是嵌入式的有效位数有限，也使得的嵌入数据量有限和传输速率不高。
G.723.1协议是ITU提出的一种双速率语音编码建议，高低两种速率分别是6.3kbps和5.3kbps，适用于低速率多媒体服务中语音或音频信号压缩。作为语音编码建议算法之一，属于完整的H.324系列标准中的一部分，在IP电话网络等领域内被广泛用来实现语音实时编解码处理，支持静音检测技术。
静音检测(VAD)的目的是从声音信号流里识别和消除长时间的静音期，用户打电话时，并不是总在占用通话信道。根据传统电话业务的统计，一方用户实际占用通话信道的时间不会超过整个通话时间的40％。
在用户没有讲话时，就没有语音数据的发送，从而可以进一步降低语音比特率。当用户的语音信号能量低于一定门限值时就认为是静默状态，也不发送语音数据。当检测到突发的活动声音时才生成语音信号，并加以传输。
因此，只要使用支持静音检测的编码方式，就可利用静音状态下无比特传输的空隙，传输其他数据，并将数据其封装成语音数据格式，以免被察觉。这样就实现了无损的信息隐藏，并且由于此种信息隐藏方法的传输速率较高，有很好的实用性。
三、发明内容
本发明的目的是：提出一种基于G.723.1静音检测技术的信息隐藏方法。本发明采用G.723.1协议的静音检测技术，分析了G.723.1音频压缩数据的帧类型，提出了一种高速无损的信息隐藏方法，实现数据嵌入和提取，这一方法可以应用于通话过程中在同一信道上其他数据(如文本文件、图片、音乐等)的同时传输。
本发明的技术方案是：本发明提出的一种基于G.723.1静音检测技术的信息隐藏方法，是利用G.723.1协议的静音检测技术，在通话过程中，将其他信息隐藏在非编码数据帧(包括静音帧和未传输静音激励帧)的空闲位中。
图1给出了本发明的功能实现结构图，本发明具体实现步骤是：
(1)对模拟语音信号进行8kHz*16bit(常用的采样率，也可以采用其它采样率)采样，采样结果作为G.723.1编码器的输入；
(2)由于G.723.1编码器支持静音检测技术，因此其输出分为两大类：当有有效语音数据时，输出为编码数据帧(Active Frame)，无有效语音数据时(即静默状态)，输出为非编码数据帧，包括静音信息描述帧(SID frame)和未传输静音激励帧(Untransmitted Frame)；由于非编码数据帧的有效数据远少于编码数据帧，因此在静默状态时信道上会出现无比特流传输的空隙，这个空隙就可用来传输其他数据，如文本文件、图片、音乐等等；具体隐藏方法会在下面详细叙述。
(3)接收方收到数据后，判断帧类型，若为编码数据帧，则直接送入G.723.1解码器解码；若为非编码帧，则将隐藏其中的信息取出，再将语音数据送入G.723.1解码器解码。
G.723.1协议编码器输出分为编码数据帧和非编码数据帧两，后者的有效数据远少于前者，因此在静默状态时信道上会出现无比特流传输的空隙，本发明利用这些空隙中以实现信息隐藏传输。具体隐藏方式可参见图2，具体是：
以G.723.1协议6.3kbps算法为例，若以字节(Byte)为单位，则编码数据帧大小为24Byte；静音信息描述帧大小为4Byte；未传输静音激励帧大小1Byte。因此在静默状态下，若为静音信息描述帧，则信道上会出现20Byte的空隙；若为未传输静音激励帧，则信道上会出现23Byte的空隙。
在空隙中隐藏的具体格式是：以静音信息描述帧为例，共有20Byte/帧的空隙，则其中首个字节作为信息隐藏的标志位及长度，其中最高位为标志位(Flag)，低七位为信息长度(Length)。
Flag＝0，表示此帧中无信息隐藏；Flag＝1，表示此帧中有信息隐藏；Length表示此帧中隐藏信息的字节数。静音信息描述帧最多可隐藏信息19Byte/帧，未传输静音激励帧最多可隐藏信息22Byte/帧。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果：
(1)利用信道无比特传输的空隙隐藏信息，对原始语音数据完全无损，对语音通信不造成任何影响。
(2)根据传统电话业务的统计，一方用户实际占用通话信道的时间不会超过整个通话时间的40％，即有大量静默状态。这样的语音经支持静音检测技术的编码器后，可用于隐藏信息的非编码数据帧约占总编码数出的60％，本发明提出的基于静音检测技术的信息隐藏方法传输速率很高。经测算，使用G.723.1协议6.3kbps算法编码，使用本发明提出的方法，隐藏在语音中的信息码率正常情况下为2.9kbps，最高可达5.4kbps。
(3)本发明方法灵活，可推广到任何支持静音检测技术的编码方式，实用性强。
(4)G.723.1作为多媒体通信协议H.323的音频编解码器，H.323已广泛应用于视频会议系统，其中包括的电子白板和文件传输功能，就可通过本发明提出的信息隐藏方法实现，可节约资源。
四、附图说明
图1功能实现结构图
图26.3kbps算法的帧结构描述
图3系统实现原理图
图4G.723.1协议的6.3kbps编码参数顺序图
图5文件信息隐藏方式描述
图6文件传输过程隐藏内容描述
五、具体实施方式
本发明提出的是一种基于G.723.1静音检测技术的信息隐藏方法，实现数据信息隐秘传输功能，数据信息可以是诸如短信、文件数据等。其中，G.723.1协议的6.3kbps算法作为语音压缩编码方式为例，介绍本发明的实现方法。
(1)G.723.1协议帧格式介绍
对于G.723.1协议的6.3kbps算法，每帧编码结果包含189bit，由于习惯按byte对齐，添加3bit数据，实际每帧包含192bit，参数具体顺序如图4。
用来描述本帧的数据类型。2bit能够表示四种状态：00/01分别代表6.3kbps/5.3kbps码率编码数据帧(active frame)，10代表静音信息描述帧(SID frame)，11代表未传输静音激励帧(untransmitted silence frame)。
以6.3kbps算法为例，若数据类型为00，则此帧实际占用大小为24Byte；若数据类型为10，则此帧实际占用大小为4Byte；若数据类型为11，则此帧实际占用大小为1Byte。
(2)信息隐藏方法描述
如上所述，编码数据帧占用大小为24Byte，静音信息描述帧为4Byte，未传输静音激励帧为1Byte，因此，在传输静音信息描述帧时，信道上会出现20Byte的无比特传输空隙，在传输未传输静音激励帧时，信道上会出现23Byte的无比特传输空隙。
在空隙中隐藏的具体格式是(可参见图2)：以静音信息描述帧为例，共有20Byte/帧的空隙，则令其中首个字节作为信息隐藏的标志位及长度，其中最高位作为标志位(Flag)，低七位作为信息长度(Length)。
Flag＝0，表示此帧中无信息隐藏；Flag＝1，表示此帧中有信息隐藏；Length表示此帧中隐藏信息的字节数。静音信息描述帧最多可隐藏信息19Byte/帧，未传输静音激励帧最多可隐藏信息22Byte/帧。
本例中，需隐藏传输的有文件信息和短信两种数据，文件数据来自存储卡；短信由信源方生成。
(3)数据信息(短信、文件)隐藏传输
为了避免描述混淆，下面以未传输静音激励帧中数据信息的嵌入和提取来说明，，帧中传输格式可参见图5。以静音信息描述帧中实现原理一致。
文件以FAT16文件系统格式存储在存储卡中，进行文件传输时，首先将文件的根目录项取出，已知FAT16文件系统的根目录项大小为32Byte，通过5.2中所述的隐藏方式传输给对方，然后再将文件内容取出，通过5.2中所述的隐藏方式传输给对方。文件传输过程可参见图6。
具体是：定义文件根目录项的起始帧和结束帧为22Byte的全0信息；文件内容的起始帧和结束帧为22Byte的全1信息。文件根目录项大小为32Byte，而每个未传输静音激励帧可隐藏22Byte信息，所以共需要4个未传输静音激励帧来完成根目录项的隐藏传输。接下来传输文件内容，过程类似，只不过需要更多的未传输静音激励帧来完成。
在接收方，根据图4中所示的“数据类型”判断此帧是否为未传输静音激励帧，若是，再通过标志位Flag判断是否有信息隐藏其中(参见图5)，若有，则根据长度Length取出隐藏信息，最后根据信息内容做相应处理(参见图6)。
Claims (4)
1、一种基于G.723.1静音检测技术的信息隐藏方法，其特征是利用G.723.1协议的静音检测技术，在正常通话过程中，将信息隐藏在非编码数据帧的空闲位中传输，所述非编码数据帧包括静音信息描述帧和未传输静音激励帧；其实现步骤是：(1)对模拟语音信号进行采样，采样结果作为G.723.1编码器的输入；(2)G.723.1编码器中采用静音检测技术：当有有效语音数据时，输出为编码数据帧，无有效语音数据时(即静默状态)，输出为非编码数据帧，包括静音信息描述帧和未传输静音激励帧；(3)非编码数据帧的有效数据远少于编码数据帧，在静默状态时信道存在无比特流传输(有效数据)的空隙，并利用这个空隙来隐藏并传输数据。
2、根据权利要求1所述的基于G.723.1静音检测技术的信息隐藏方法，其特征是对作为载体的语音数据完全无损；具体是G.723.1编码器中采用静音检测技术，编码输出有三种帧格式，分别是编码数据帧(Active Frame)、静音信息描述帧(SID frame)和未传输静音激励帧(Untransmitted Silence Frame)，若按照6.3kbps的编码算法，以字节(Byte)为单位，则上述三种帧格式实际占用大小分别为24Byte、4Byte、1Byte；因此，出现静音信息描述帧和未传输静音激励帧时，信道上分别出现20Byte和23Byte的无比特流传输的空隙；把需隐秘传输的信息隐藏在这些闲置字节中，并插入标志位及隐藏信息长度，实现了语音通信过程中快速的无损信息隐藏传输方式。
3、根据权利要求1所述的基于G.723.1静音检测技术的信息隐藏方法，其特征是信息隐藏需遵循格式：静音信息描述帧有20Byte/帧的空隙，未传输静音激励帧有23Byte/帧的空隙，令每帧空隙的首个字节作为信息隐藏的标志位及长度，其余字节用于隐藏信息；令首字节的最高位为标志位(Flag)，低七位为信息长度(Length)；标志位Flag＝0，表示此帧中无信息隐藏；Flag＝1，表示此帧中有信息隐藏；Length表示此帧中隐藏信息的字节数；静音信息描述帧最多可隐藏信息19Byte/帧，未传输静音激励帧最多可隐藏信息22Byte/帧。
4、根据权利要求1所述的基于G.723.1静音检测技术的信息隐藏方法，其特征是对模拟语音信号进行8kHz*16bit的采样。
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