CN104091597A - 一种基于速率调制的ip语音隐写方法 - Google Patents

Abstract

一种基于速率调制的IP语音隐写方法，属于安全通信领域，适用于以IP语音(Voice over IP,VoIP)为载体的隐蔽通信，其目的是在对语音流的内容不做任何修改的前提下，将隐秘信息隐藏到速率动态调整的语音流中以实现高透明性的隐蔽通信。本发明包括(1)预先约定步骤；(2)嵌入隐秘信息步骤；(3)提取隐秘信息步骤。本发明利用IP语音通信中变速率语音编码器可在任何帧边界依据实际需求动态切换速率这一特性，通过对语音帧速率的调制来实现隐秘信息的隐藏。隐藏过程对于载体语音流的内容未做任何修改，因而有效地维护了IP语音的感官质量。此外，本发明公开的方法与具体的语音编码器无关，适用于任何具有变速率编码功能的语音编码器，具有很好的普适性。

Description

一种基于速率调制的IP语音隐写方法

技术领域

本发明涉及安全通信领域，特别涉及一种基于速率调制的IP语音(Voiceover IP,VoIP)隐写方法，适用于以IP语音为载体的隐蔽通信。

背景技术

Internet技术的迅速发展极大地改变了人类的生产和生活方式。然而，它为人类带来了巨大便利的同时也带来了通信内容被窃取或篡改、个人隐私被窃取和滥用等各种安全风险和隐患。因此，人们开始普遍关注在开放的Internet环境下如何进行安全通信的问题。隐写(Steganography)是信息隐藏技术的重要分支，并作为隐蔽通信的核心技术受到了广泛关注，它是利用人类感觉器官的不敏感性(感觉冗余)以及多媒体数字信号本身存在的冗余(数据特性冗余)，在不影响载体质量及正常通信的前提下，将隐秘信息隐藏在可公开的媒体信息中，使得隐秘信息不被察觉地传输。与传统的加密技术相比，隐写技术掩盖了信息的存在性，使得隐蔽通信不易被察觉，从而有效提高了隐秘信息的安全性。

从现有的文献来看，目前的信息隐藏技术已不仅仅局限于图像、文本、音频等静态媒体，以IP语音(Voice over IP,VoIP)为代表的动态流媒体信息隐藏技术成为近年来一个新的研究热点。主流的研究思路是以编码后的语音流作为载体，利用对其中冗余部分的修改来实现隐秘信息的隐藏，代表性的方法如基于最低有效位(Least Significant Bit,LSB)替换的隐写方法(见C.Wang,Q.Wu.Information Hiding in Real-Time VoIP Streams,Proceedings of the 9th IEEEInternational Symposium on Multimedia,10-12Dec.2007,pp.255-262)，基于LSB匹配的隐写方法(见Y.Huang,B.Xiao,H.Xiao.Implementation of covertcommunication based on steganography,Proceedings of the 4th InternationalConference on Intelligent Information Hiding and Multimedia Signal Processing,August,2008,pp.1512-1515)，基于量化索引调制的隐写方法(见H.Tian,J.Liu,S.Li.Improving Security of Quantization-Index-Modulation Steganography in LowBit-rate Speech Streams,Multimedia Systems,2014,20(7):143-154)，以及基于编码转换的隐写方法(见W.Mazurczyk,P.Szaga,K.Szczypiorski.Using Transcodingfor Hidden Communication in IP Telephony,Multimedia Tools and Applications,2012,DOI:10.1007/s11042-012-1224-8)等。

发明内容

本发明利用IP语音的一些典型编码算法(如ITUG.722.1,ITUG.723.1,IETFiLBC,GSM RTE-LTP和AMR等)在实际应用中会随网络负载及带宽的改变动态调整语音速率这一特性，提出一种基于速率调制的IP语音隐写方法，其目的是在对语音流的内容不做任何修改的前提下，将隐秘信息“巧妙地”隐藏到速率动态调整的语音流中以实现高透明性(不可感知性)的隐蔽通信。

本发明采用如下技术方案：

一种基于速率调制的IP语音隐写方法，其特征在于，包括预先约定步骤：通信双方预先约定通信过程中采用的语音编码器；约定采用的两种语音速率及其标识，即何种语音速率标识为二进制位“0”，何种语音速率标识为二进制位“1”，以及约定最初以何种语音速率开始传输；约定用于生成载体特征序列的伪随机序列生成器及其作为密钥的初始种子Seed；约定隐秘信息分组长度r和载体向量的长度n，其中，r和n满足2^r–1＝n；约定用于隐蔽通信过程开始与结束的n比特二进制标识序列T；以下步骤包括：

(1)嵌入隐秘信息步骤：发送方按约定的隐秘信息分组长度r对隐秘信息进行分组，记为L为隐秘信息分组个数；用约定的伪随机序列生成器和作为密钥的初始种子Seed生成L×n比特二进制伪随机序列作为载体特征序列并将其按约定的载体向量的长度n，划分为L组载体特征向量，记为L为隐秘信息分组个数；在嵌入隐秘信息前根据事先约定的开始与结束标识序列T调制最初的n个载体语音帧的速率以标识隐蔽通信开始；在嵌入过程中，对于第i组隐秘信息分组M_i，1≤i≤L，确定原始载体语音帧速率向量S_i，并根据对应的载体特征向量C_i，1≤i≤L，确定载密语音帧速率向量S’_i，并以此调制相应的n个载体语音帧得到一组载密语音帧向量F’_i完成第i组隐秘信息分组M_i的嵌入操作；当完成所有隐秘信息分组的嵌入后，发送方根据事先约定的标识序列T调制n个载体语音帧的速率以标识隐蔽通信结束；

(2)提取隐秘信息步骤：接收方一直对IP语音流进行监测，当监测到载体语音帧的速率变化符合事先约定的标识序列T时，对后续的语音流以n帧为单位组成载密语音帧向量F’，并用约定的伪随机序列生成器和作为密钥的初始种子Seed按序生成n比特二进制伪随机序列作为对应的载体特征向量C，执行隐秘信息的提取操作；对于每一组载密语音帧向量F’，提取载密语音帧速率向量S’，确定相应的载密特征向量C’，并进而得到嵌入的r比特隐秘信息M；当接收方提取的载密语音帧速率向量S’与约定的标识序列T不一致时，继续执行提取操作，否则结束隐秘信息的提取操作，并将所有提取的隐秘信息分组依次组合即可得到完整的隐秘信息。

优选的，所述的预先约定步骤中，采用二进制标识序列T来标识隐蔽通信的开始与结束，以实现通信双方的同步；二进制标识序列T长度与约定的载体向量长度相同，均为n，记为T＝{t_i＝0 or 1|1≤i≤n}，其中，t_i表示第i帧的编码速率标识；如果t_i≠t_i-1，2≤i≤n，则称i为跳变位；二进制标识序列T中总的跳变位数应大于所述嵌入隐秘信息步骤中所有载密语音帧速率向量中的最大跳变位数，以防止接收方将某个载密语音帧速率向量误判为二进制标识序列T，而过早地结束隐秘信息的提取操作，从而导致提取的隐秘信息不完整。

优选的，所述的嵌入隐秘信息步骤包括如下过程：

(1.1)嵌入准备：发送方按约定的隐秘信息分组长度r对所述隐秘信息进行分组，记为其中，隐秘信息分组M_i＝{m_i,1,m_i,2,…,m_i,r},1≤i≤L,L为隐秘信息分组个数；用约定的伪随机序列生成器和作为密钥的初始种子Seed生成L×n比特二进制伪随机序列作为所述载体特征序列并将其按约定的载体向量的长度n，划分为L组载体特征向量，记为 其中，载体特征向量C_i＝{c_i,1,c_i,2,…,c_i,n},1≤i≤L；构造r×n阶汉明校验矩阵A＝{A₁,A₂,…,A_n}，其中A_i＝{a_i,1,a_i,2,…,a_i,r}^T，1≤i≤n，执行过程(1.2)；

(1.2)嵌入开始标识：在隐秘信息嵌入之前，将最开始的n个语音帧根据二进制标识序列T＝{t_i＝0 or 1|1≤i≤n}的取值依次确定其速率，完成开始标识的嵌入，执行过程(1.3)；

(1.3)确定原始载体语音帧速率向量：对于所述隐秘信息分组M_i，1≤i≤L，首先确定原始载体语音帧速率向量S_i：

当i＝1时，根据双方预先约定的最初开始传输的语音速率确定原始载体语音帧速率向量S₁，即：若最初以标识为二进制位“0”的语音速率开始，则S₁＝{s₁,j＝0|1≤j≤n}，若最初以标识为二进制位“1”的语音速率开始，则S₁＝{s_1,j＝1|1≤j≤n}；

当i>1时，原始载体语音帧速率向量S_i中的各值与第i-1个载密语音帧速率向量中的第n个值一致，即S_i＝{s_i,j＝s_i-1,n|1≤j≤n}，执行过程(1.4)；

(1.4)嵌入隐秘信息分组：对于所述隐秘信息分组M_i和所述载体特征向量C_i，结合所述r×n阶汉明校验矩阵A做如下运算：对于隐秘信息分组中的元素m_i,j、载体特征向量中元素c_i,k和矩阵A的第j行按如下表达式计算：

$x_j=\left\{\begin{array}{cc}0,& m_{i,j}=\underset{k=1}{\overset{n}{\⊕}}(c_{i,k}\·a_{k,j})\\ 1,& m_{i,j}\≠\underset{k=1}{\overset{n}{\⊕}}(c_{i,k}\·a_{k,j})\end{array}\right.;$

其中，1≤j≤r，1≤k≤n，表示连续异或运算；随后，对上述得到的{x₁,x₂,…，x_r}按如下表达式计算：

$\mathrm{\λ}=\underset{j=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{x}_j\×2^{j-1};$

根据上述计算所得到λ来确定载密语音帧速率向量S’_i：当λ＝0时，载密语音帧速率向量S’_i与原始载体语音帧速率向量S_i保持一致；当λ＝1时，载密语音帧速率向量S’_i的第1位至第n位的取值均需置反；当λ≥2时，载密语音帧速率向量S’_i的第1位至第λ-1位与S_i保持一致，而第λ位至第n位的取值需置反，即S’_i中元素s_i,j可由下式确定：

$s_{i,j}=\left\{\begin{array}{cc}{s}_{i-1,j},& 1\≤j\≤\mathrm{\λ}-1\\ {1-s}_{i-1,j},& \mathrm{\λ}\≤j\≤n\end{array}\right.;$

根据载密语音帧速率向量S’_i调制相应的n个载体语音帧得到一组载密语音帧向量F’_i，完成隐秘信息分组M_i的嵌入操作；当还有待嵌入的隐秘信息分组，即i＜L时，继续执行过程(1.3)，当已完成所有隐秘信息分组的嵌入，即i≥L时，执行过程(1.5)；

(1.5)嵌入结束标识：在隐秘信息嵌入完成之后，将最后的n个语音帧根据二进制标识序列T＝{t_i＝0 or 1|1≤i≤n}的取值依次确定其速率，完成结束标识的嵌入。

优选的，所述的提取隐秘信息步骤包括如下过程：

(2.1)提取准备：根据约定隐秘信息分组长度r和载体向量的长度n，构造r×n阶汉明校验矩阵A＝{A₁,A₂,…,A_n}，其中A_i＝{a_i,1,a_i,2,…,a_i,r}^T，1≤i≤n，执行过程(2.2)；

(2.2)监测开始标识：接收方对语音流以n帧为单位进行速率检测，当提取到的载密语音帧速率向量符合事先约定的标识序列T时，开始提取隐秘信息分组，执行过程(2.3)，否则，继续执行(2.2)；

(2.3)确定载密语音帧速率向量：缓存随后的n个语音帧组成载密语音帧向量F’，提取载密语音帧速率向量S’＝{s’_i＝0 or 1|1≤i≤n}；判断载密语音帧速率向量S’与约定的标识序列T是否一致，若S’＝T，则结束提取操作，并将所有提取的隐秘信息分组依次组合得到完整的隐秘信息，否则，执行过程(2.4)；

(2.4)构造载密特征向量：用约定的伪随机序列生成器和作为密钥的初始种子Seed按序生成n比特二进制伪随机序列作为对应的载体特征向量C＝{c₁,c₂,…,c_n}；对于过程(2.3)中提取的载密语音帧速率向量S’，从第一位开始逐位扫描跳变位，记跳变位标号为λ，初始化λ＝0，表示默认无跳变位；当s’₁与上一个载密语音帧速率向量最后一帧的速率不一致时，λ＝1，即第1位为跳变位；否则继续扫描，当出现s’_λ≠s’_λ–1，2≤λ≤n时，则第λ位为跳变位，结束扫描，否则继续扫描到最后一位；扫描结束后，当λ＝0时，C’＝C；当λ≥1时，将载体特征向量C的第λ位置反，得到载密特征向量C’，即C’中各元素c’_i的取值可由下式确定：

${c^{\′}}_i=\left\{\begin{array}{cc}{c}_i,& i\≠\mathrm{\λ}\\ 1-c_i,& i=\mathrm{\λ}\end{array}\right.;$

其中，1≤i≤n，执行过程(2.5)；

(2.5)提取隐秘信息分组：对于过程(2.4)所得到的载密特征向量C’，结合r×n阶汉明校验矩阵A的每一行做如下运算：

$m_j=\underset{k=1}{\overset{n}{\⊕}}({c^{\′}}_k\·a_{k,j});$

其中，1≤j≤r，1≤k≤n，表示连续异或运算；将得到的{m₁,m₂,…，m_r}组合即得到一个隐秘信息分组M，继续执行过程(2.3)。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明利用IP语音通信中变速率语音编码器可在任何帧边界依据实际需求动态切换速率这一特性，通过对语音帧速率的调制来实现隐秘信息的隐藏。隐藏过程中，对于载体语音流的内容未做任何修改，因而有效地维护了IP语音的感官质量，较之传统的隐写方法，极大提高了隐蔽通信的透明性(不可感知性)。此外，本发明公开的方法与具体的语音编码器无关，适用于任何具有变速率编码功能的语音编码器，具有很好的普适性。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为以ITUG.723.1为例，以原始语音样本为参照，比较利用本发明方法进行隐秘信息隐藏后的载密语音样本，采用低速率(5.3kbit/s)编码的语音样本，以及采用高速率(6.3kbit/s)编码的语音样本的平均MOS-LQO值；

图3为以ITUG.723.1为例，分别以采用低速率(5.3kbit/s)编码的语音样本和采用高速率(6.3kbit/s)编码的语音样本为参照，测试利用本发明方法进行隐秘信息隐藏后的载密语音样本的平均MOS-LQO值。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

本发明适用于任何具有变速率编码功能的语音编码器，如ITUG.722.1,ITUG.723.1,IETFiLBC,GSMRTE-LTP和AMR等，以下将以广泛使用的ITUG.723.1语音编码为例，并结合附图对本发明进一步说明。

本发明的处理流程如附图1所示，包括预协商步骤，嵌入隐秘信息步骤和提取隐秘信息步骤。

1.预先约定步骤：通信双方预先约定通信过程中采用的语音编码器为ITUG.723.1；约定采用低速率(5.3kbit/s)和高速率(6.3kbit/s)进行语音通信，并将高速率(6.3kbit/s)和低速率(5.3kbit/s)分别标识为“0”和“1”，以及约定以高速率(6.3kbit/s)开始传输；约定用于生成载体特征序列的伪随机序列生成器及其作为密钥的初始种子Seed。

其中随机序列生成算法有许多种，本实施例采用Mersenne Twister(MT)算法，该算法是目前最优秀的随机数生成算法之一，它的周期可达到2¹⁹⁹³⁷-1，并且具有卓越的计算效率。见M.Matsumoto,T.Nishimura.MersenneTwister:A623-dimensionally equidistributed uniform pseudorandomnumber generator,ACMTransactions on Modeling and Computer Simulations:Special Issue on UniformRandom Number Generation,1998,8(1):3-30。约定隐秘信息分组长度r和载体向量的长度n，其中，r和n满足2^r–1＝n，如r＝3,n＝7。为维护同步，通信双方需约定用于隐蔽通信过程开始与结束的n比特二进制标识序列T。为防止接收方将某个载密语音帧速率向量误判为二进制标识序列T而过早地结束隐秘信息的提取操作，T中总的跳变位数应大于嵌入隐秘信息步骤中各载密语音帧速率向量中的最大跳变位数。由于本发明采用汉明矩阵编码指导隐秘信息嵌入，各载密语音帧速率向量的最大跳变数为1，因此T中总的跳变位数应不小于2；以使得语音流速率跳变尽可能少为原则，T通常取{0,1,…,1,0}，如当n＝7时，T＝{0,1,1,1,1,1,0}。

2.嵌入隐秘信息步骤包括如下过程：

2.1嵌入准备：发送方按约定的隐秘信息分组长度r对隐秘信息进行分组，记为其中，M_i＝{m_i,1,m_i,2,…,m_i,r},1≤i≤L,L为隐秘信息分组个数。用约定的伪随机序列生成器和作为密钥的初始种子Seed生成L×n比特二进制伪随机序列作为载体特征序列并将其按约定的载体向量的长度n，划分为L组载体特征向量，记为载体特征序列其中，载体特征向量C_i＝{c_i,1,c_i,2,…,c_i,n},1≤i≤L。构造r×n阶汉明校验矩阵A＝{A₁,A₂,…,A_n}，其中A_i＝{a_i,1,a_i,2,…,a_i,r}^T，1≤i≤n，执行过程2.2。

如当r＝3,n＝7，构造的汉明校验矩阵为：

$A=\left[\begin{array}{ccccccc}1& 0& 1& 0& 1& 0& 1\\ 0& 1& 1& 0& 0& 1& 1\\ 0& 0& 0& 1& 1& 1& 1\end{array}\right].$

2.2嵌入开始标识：在隐秘信息嵌入之前，将最开始的n个语音帧根据二进制标识序列T的取值依次确定其速率，完成开始标识的嵌入，执行过程2.3；

例如，T＝{0,1,1,1,1,1,0}，则可确定第1帧和第7帧采用高速率(6.3kbit/s)编码，其他帧采用低速率(5.3kbit/s)编码。

2.3确定原始载体语音帧速率向量：对于隐秘信息分组M_i，1≤i≤L，首先确定原始载体语音帧速率向量S_i：

当i＝1时，根据双方预先约定的最初开始传输的语音速率确定原始载体语音帧速率向量S₁，即：若最初以标识为二进制位“0”的语音速率开始，则S₁＝{s_{1, j}＝0|1≤j≤n}；若最初以标识为二进制位“1”的语音速率开始，则S₁＝{s_1,j＝1|1≤j≤n}。当i>1时，原始载体语音帧速率向量S_i中的各值与第i-1个载密语音帧速率向量中最后一个(也就是第n个)值一致，即S_i＝{s_i,j＝s_i-1,n|1≤j≤n}，执行过程2.4。

接上例，当i＝1时，由于事先约定以高速率(6.3kbit/s)开始传输，则S₁＝{0,0,0,0,0,0,0}；当i＝10时，假设第9个载密语音帧速率向量中最后一个值为1，则S₁₀＝{1,1,1,1,1,1,1}。

2.4嵌入隐秘信息分组：对于隐秘信息分组M_i，1≤i≤L，和载体特征向量C_i，结合r×n阶汉明校验矩阵A做如下运算：对于隐秘信息分组中的元素m_i,j、载体特征向量中元素c_i,k和矩阵的第j行计算如下表达式：

$x_j=\left\{\begin{array}{cc}0,& m_{i,j}=\underset{k=1}{\overset{n}{\⊕}}(c_{i,k}\·a_{k,j})\\ 1,& m_{i,j}\≠\underset{k=1}{\overset{n}{\⊕}}(c_{i,k}\·a_{k,j})\end{array}\right.,$

其中，1≤j≤r，1≤k≤n，表示连续异或运算。随后，对上述得到的{x₁,x₂,…，x_r}计算如下表达式：

$\mathrm{\λ}=\underset{j=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{x}_j\×2^{j-1}.$

根据上述计算所得到λ，即可确定载密语音帧速率向量S’_i：当λ＝0时，载密语音帧速率向量S’_i与原始载体语音帧速率向量S_i保持一致；当λ＝1时，载密语音帧速率向量S’_i的第1位至第n位的取值均需置反；当λ≥2时，载密语音帧速率向量S’_i的第1位至第λ-1位与S_i保持一致，而第λ位至第n位的取值需置反，即S’_i中元素s_i,j可由下式确定：

$s_{i,j}=\left\{\begin{array}{cc}{s}_{i-1,j},& 1\≤j\≤\mathrm{\λ}-1\\ {1-s}_{i-1,j},& \mathrm{\λ}\≤j\≤n\end{array}\right..$

根据S’_i调制相应的n个载体语音帧得到一组载密语音帧向量F’_i，完成隐秘信息分组M_i的嵌入操作。当还有待嵌入的隐秘信息分组，即i<L时，继续执行过程2.3；当已完成所有隐秘信息分组的嵌入，即i≥L时，执行过程2.5。

延续上面的例子，假设M_i＝{0,0,1}，随机生成的载体特征向量C_i＝{0,1,1,0,0,1,1}，可得到x₁＝0,x₂＝0,x₃＝1。由此可计算λ＝0×1+0×2+1×4＝4，即载密语音帧速率向量S’_i的第1位至第3位与S_i保持一致，而第4位至第7位的取值需置反。假设S_i＝{1,1,1,1,1,1,1}，则S’_i＝{1,1,1,0,0,0,0}；根据S’_i调制相应的7个载体语音帧的速率分别是：前三个语音帧采用低速率(5.3kbit/s)编码，后四个语音帧采用高速率(6.3kbit/s)编码。

2.5嵌入结束标识：在隐秘信息嵌入完成之后，将最后的n个语音帧根据二进制标识序列T的取值依次确定其速率，完成结束标识的嵌入。

本发明的嵌入隐秘信息步骤中，反向利用汉明码可检测并纠正一位差错的特性，通过采用汉明校验矩阵指导隐秘信息的嵌入，使得每组载体语音帧速率向量出现的速率跳变次数最多不超过1次，从而有效地维护嵌入过程的透明性。

3.提取隐密信息步骤包括如下过程：

3.1提取准备：根据约定隐秘信息分组长度r和载体向量的长度n，构造r×n阶汉明校验矩阵A＝{A₁,A₂,…,A_n}，其中A_i＝{a_i,1,a_i,2,…,a_i,r}^T，1≤i≤n，执行过程3.2；

延续前面的例子，当r＝3,n＝7，构造的汉明校验矩阵为：

$A=\left[\begin{array}{ccccccc}1& 0& 1& 0& 1& 0& 1\\ 0& 1& 1& 0& 0& 1& 1\\ 0& 0& 0& 1& 1& 1& 1\end{array}\right].$

3.2监测开始标识：接收方对语音流以n帧为单位进行速率检测，当提取到的载密语音帧速率向量符合事先约定的标识序列T时，开始提取隐秘信息，执行过程3.3，否则，继续执行3.2。

延续前面的例子，当接收方监测到T＝{0,1,1,1,1,1,0}时，即可开始提取隐秘信息，否则，继续监测语音流，直到出现标识序列T。

3.3确定载密语音帧速率向量：缓存随后的n个语音帧组成载密语音帧向量F’，提取载密语音帧速率向量S’＝{s’_i＝0or1|1≤i≤n}。判断载密语音帧速率向量S’与约定的标识序列T是否一致，若S’＝T，则结束提取操作，并将所有提取的隐秘信息分组依次组合得到完整的隐秘信息，否则，执行过程3.4。

延续前面的例子，当接收方监测到S’＝T＝{0,1,1,1,1,1,0}时，结束提取操作，并将所有提取的隐秘信息分组依次组合得到完整的隐秘信息，否则执行如下的提取隐秘信息分组操作。

3.4构造载密特征向量：用约定的伪随机序列生成器和作为密钥的初始种子Seed按序生成n比特二进制伪随机序列作为对应的载体特征向量C＝{c₁,c₂,…,c_n}。对于过程3.3中提取的载密语音帧速率向量S’，从第一位开始逐位扫描跳变位，记跳变位标号为λ，初始化λ＝0，表示默认无跳变位；当s’₁与上一个载密语音帧速率向量最后一帧的速率不一致时，λ＝1，即第1位为跳变位；否则继续扫描，当出现s’_λ≠s’_λ–1，2≤λ≤n时，则第λ位为跳变位，结束扫描，否则继续扫描到最后一位；扫描结束后，当λ＝0时，C’＝C；当λ≥1时，将载体特征向量C的第λ位置反，得到载密特征向量C’，即C’中各元素c’_i的取值可由下式确定：

${c^{\&prime;}}_i=\left\{\begin{array}{cc}{c}_i,& i\&NotEqual;\mathrm{\&lambda;}\\ 1-c_i,& i=\mathrm{\&lambda;}\end{array}\right.,$

其中，1≤i≤n，执行过程3.5。

例如，当提取的载密语音帧速率向量S’＝{1,1,1,0,0,0,0}，通过扫描发现第4位为跳变位；假设随机生成的载体特征向量C＝{0,1,1,0,0,1,1}，则将其第4位置反，即可得到载密特征向量C’＝{0,1,1,1,0,1,1}。

3.5提取隐秘信息分组：对于过程(3.4)所得到的载密特征向量C’，结合r×n阶汉明校验矩阵A的每一行做如下运算：

$m_j=\underset{k=1}{\overset{n}{\&CirclePlus;}}({c^{\&prime;}}_k\&CenterDot;a_{k,j}),$

其中，1≤j≤r，1≤k≤n，表示连续异或运算；将得到的{m₁,m₂,…，m_r}组合即得到一个隐秘信息分组M，继续执行过程3.3。

延续上面的例子，对于载密特征向量C’＝{0,1,1,1,0,1,1}，结合3×7阶汉明校验矩阵A，可得到m₁＝0，m₂＝0，m₃＝1，即可得到隐秘信息分组M＝{0,0,1}。

为了验证本发明中基于速率调制的IP语音隐写方法的有效性，申请人对1000个包括有中文男声、中文女声、英文男声、英文女声的样本在不同的隐秘信息分组长度和载体向量长度下进行了测试；并将得到各组嵌入隐秘信息后的语音样本，以及采用速率为5.3kbit/s的ITUG.723.1编码器进行编码后的语音样本和采用速率为6.3kbit/s的ITUG.723.1编码器进行编码后的语音样本，分别采用ITU-TP.862标准提供的客观语音质量评估方法，以原始语音样本为参考语音，对它们的MOS-LQO值进行了测试和统计，其测试结果如附图2所示。此外，以各组嵌入隐秘信息后的语音样本为测试语音，分别以采用5.3kbit/s的ITUG.723.1编码器进行编码后的语音样本和采用6.3kbit/s的ITUG.723.1编码器进行编码后的语音样本为参考语音，采用ITU-TP.862标准提供的客观语音质量评估方法对MOS-LQO值进行了测试和统计，其测试结果如附图3所示。根据附图2可以得知，经本发明的基于速率调制的IP语音隐写方法处理后载密语音样本的平均MOS-LQO值处于采用6.3kbit/s的ITUG.723.1编码器进行编码后的语音样本和采用5.3kbit/s的ITUG.723.1编码器进行编码后的语音样本的平均MOS-LQO值之间。从附图3的结果可看出，经本发明的基于速率调制的IP语音隐写方法处理后载密语音样本的语音质量更接近于采用6.3kbit/s的ITUG.723.1编码器进行编码后的语音样本的语音质量。以上实验结果充分说明了本发明的基于速率调制的IP语音隐写方法有效地维护了IP语音的感官质量，可实现具有极高透明性(不可感知性)的IP语音隐蔽通信。

上述仅为本发明的具体实施方式，但其设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (4)

1.一种基于速率调制的IP语音隐写方法，其特征在于，包括预先约定步骤：通信双方预先约定通信过程中采用的语音编码器；约定采用的两种语音速率及其标识，即何种语音速率标识为二进制位“0”，何种语音速率标识为二进制位“1”，以及约定最初以何种语音速率开始传输；约定用于生成载体特征序列的伪随机序列生成器及其作为密钥的初始种子Seed；约定隐秘信息分组长度r和载体向量的长度n，其中，r和n满足2^r–1＝n；约定用于隐蔽通信过程开始与结束的n比特二进制标识序列T；以下步骤包括：

(1)嵌入隐秘信息步骤：发送方按约定的隐秘信息分组长度r对隐秘信息进行分组，记为L为隐秘信息分组个数；用约定的伪随机序列生成器和作为密钥的初始种子Seed生成L×n比特二进制伪随机序列作为载体特征序列并将其按约定的载体向量的长度n，划分为L组载体特征向量，记为L为隐秘信息分组个数；在嵌入隐秘信息前根据事先约定的开始与结束标识序列T调制最初的n个载体语音帧的速率以标识隐蔽通信开始；在嵌入过程中，对于第i组隐秘信息分组M_i，1≤i≤L，确定原始载体语音帧速率向量S_i，并根据对应的载体特征向量C_i，1≤i≤L，确定载密语音帧速率向量S’_i，并以此调制相应的n个载体语音帧得到一组载密语音帧向量F’_i完成第i组隐秘信息分组M_i的嵌入操作；当完成所有隐秘信息分组的嵌入后，发送方根据事先约定的标识序列T调制n个载体语音帧的速率以标识隐蔽通信结束；

(2)提取隐秘信息步骤：接收方一直对IP语音流进行监测，当监测到载体语音帧的速率变化符合事先约定的标识序列T时，对后续的语音流以n帧为单位组成载密语音帧向量F’，并用约定的伪随机序列生成器和作为密钥的初始种子Seed按序生成n比特二进制伪随机序列作为对应的载体特征向量C，执行隐秘信息的提取操作；对于每一组载密语音帧向量F’，提取载密语音帧速率向量S’，确定相应的载密特征向量C’，并进而得到嵌入的r比特隐秘信息M；当接收方提取的载密语音帧速率向量S’与约定的标识序列T不一致时，继续执行提取操作，否则结束隐秘信息的提取操作，并将所有提取的隐秘信息分组依次组合即可得到完整的隐秘信息。

2.如权利要求1所述的基于速率调制的IP语音隐写方法，其特征在于：所述的预先约定步骤中，采用二进制标识序列T来标识隐蔽通信的开始与结束，以实现通信双方的同步；二进制标识序列T长度与约定的载体向量长度相同，均为n，记为T＝{t_i＝0 or 1|1≤i≤n}，其中，t_i表示第i帧的编码速率标识；如果t_i≠t_i-1，2≤i≤n，则称i为跳变位；二进制标识序列T中总的跳变位数应大于所述嵌入隐秘信息步骤中所有载密语音帧速率向量中的最大跳变位数，以防止接收方将某个载密语音帧速率向量误判为二进制标识序列T，而过早地结束隐秘信息的提取操作，从而导致提取的隐秘信息不完整。

3.如权利要求1所述的基于速率调制的IP语音隐写方法，其特征在于：所述的嵌入隐秘信息步骤包括如下过程：

(1.1)嵌入准备：发送方按约定的隐秘信息分组长度r对所述隐秘信息进行分组，记为其中，隐秘信息分组M_i＝{m_i,1,m_i,2,…,m_i,r},1≤i≤L,L为隐秘信息分组个数；用约定的伪随机序列生成器和作为密钥的初始种子Seed生成L×n比特二进制伪随机序列作为所述载体特征序列并将其按约定的载体向量的长度n，划分为L组载体特征向量，记为 其中，载体特征向量C_i＝{c_i,1,c_i,2,…,c_i,n},1≤i≤L；构造r×n阶汉明校验矩阵A＝{A₁,A₂,…,A_n}，其中A_i＝{a_i,1,a_i,2,…,a_i,r}^T，1≤i≤n，执行过程(1.2)；

(1.2)嵌入开始标识：在隐秘信息嵌入之前，将最开始的n个语音帧根据二进制标识序列T＝{t_i＝0 or 1|1≤i≤n}的取值依次确定其速率，完成开始标识的嵌入，执行过程(1.3)；

(1.3)确定原始载体语音帧速率向量：对于所述隐秘信息分组M_i，1≤i≤L，首先确定原始载体语音帧速率向量S_i：

当i＝1时，根据双方预先约定的最初开始传输的语音速率确定原始载体语音帧速率向量S₁，即：若最初以标识为二进制位“0”的语音速率开始，则S₁＝{s_{1, j}＝0|1≤j≤n}，若最初以标识为二进制位“1”的语音速率开始，则S₁＝{s_1,j＝1|1≤j≤n}；

当i>1时，原始载体语音帧速率向量S_i中的各值与第i-1个载密语音帧速率向量中的第n个值一致，即S_i＝{s_i,j＝s_i-1,n|1≤j≤n}，执行过程(1.4)；

(1.4)嵌入隐秘信息分组：对于所述隐秘信息分组M_i和所述载体特征向量C_i，结合所述r×n阶汉明校验矩阵A做如下运算：对于隐秘信息分组中的元素m_i,j、载体特征向量中元素c_i,k和矩阵A的第j行按如下表达式计算：

$x_j=\left\{\begin{array}{cc}0,& m_{i,j}=\underset{k=1}{\overset{n}{\&CirclePlus;}}(c_{i,k}\&CenterDot;a_{k,j})\\ 1,& m_{i,j}\&NotEqual;\underset{k=1}{\overset{n}{\&CirclePlus;}}(c_{i,k}\&CenterDot;a_{k,j})\end{array}\right.;$

其中，1≤j≤r，1≤k≤n，表示连续异或运算；随后，对上述得到的{x₁,x₂,…，x_r}按如下表达式计算：

$\mathrm{\&lambda;}=\underset{j=1}{\overset{r}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_j\&times;2^{j-1};$

根据上述计算所得到λ来确定载密语音帧速率向量S’_i：当λ＝0时，载密语音帧速率向量S’_i与原始载体语音帧速率向量S_i保持一致；当λ＝1时，载密语音帧速率向量S’_i的第1位至第n位的取值均需置反；当λ≥2时，载密语音帧速率向量S’_i的第1位至第λ-1位与S_i保持一致，而第λ位至第n位的取值需置反，即S’_i中元素s_i,j可由下式确定：

$s_{i,j}=\left\{\begin{array}{cc}{s}_{i-1,j},& 1\&le;j\&le;\mathrm{\&lambda;}-1\\ {1-s}_{i-1,j},& \mathrm{\&lambda;}\&le;j\&le;n\end{array}\right.;$

根据载密语音帧速率向量S’_i调制相应的n个载体语音帧得到一组载密语音帧向量F’_i，完成隐秘信息分组M_i的嵌入操作；当还有待嵌入的隐秘信息分组，即i＜L时，继续执行过程(1.3)，当已完成所有隐秘信息分组的嵌入，即i≥L时，执行过程(1.5)；

(1.5)嵌入结束标识：在隐秘信息嵌入完成之后，将最后的n个语音帧根据二进制标识序列T＝{t_i＝0 or 1|1≤i≤n}的取值依次确定其速率，完成结束标识的嵌入。

4.如权利要求1所述的基于速率调制的IP语音隐写方法，其特征在于：所述的提取隐秘信息步骤包括如下过程：

(2.1)提取准备：根据约定隐秘信息分组长度r和载体向量的长度n，构造r×n阶汉明校验矩阵A＝{A₁,A₂,…,A_n}，其中A_i＝{a_i,1,a_i,2,…,a_i,r}^T，1≤i≤n，执行过程(2.2)；

(2.2)监测开始标识：接收方对语音流以n帧为单位进行速率检测，当提取到的载密语音帧速率向量符合事先约定的标识序列T时，开始提取隐秘信息分组，执行过程(2.3)，否则，继续执行(2.2)；

(2.3)确定载密语音帧速率向量：缓存随后的n个语音帧组成载密语音帧向量F’，提取载密语音帧速率向量S’＝{s’_i＝0 or 1|1≤i≤n}；判断载密语音帧速率向量S’与约定的标识序列T是否一致，若S’＝T，则结束提取操作，并将所有提取的隐秘信息分组依次组合得到完整的隐秘信息，否则，执行过程(2.4)；

(2.4)构造载密特征向量：用约定的伪随机序列生成器和作为密钥的初始种子Seed按序生成n比特二进制伪随机序列作为对应的载体特征向量C＝{c₁,c₂,…,c_n}；对于过程(2.3)中提取的载密语音帧速率向量S’，从第一位开始逐位扫描跳变位，记跳变位标号为λ，初始化λ＝0，表示默认无跳变位；当s’₁与上一个载密语音帧速率向量最后一帧的速率不一致时，λ＝1，即第1位为跳变位；否则继续扫描，当出现s’_λ≠s’_λ–1，2≤λ≤n时，则第λ位为跳变位，结束扫描，否则继续扫描到最后一位；扫描结束后，当λ＝0时，C’＝C；当λ≥1时，将载体特征向量C的第λ位置反，得到载密特征向量C’，即C’中各元素c’_i的取值可由下式确定：

${c^{\&prime;}}_i=\left\{\begin{array}{cc}{c}_i,& i\&NotEqual;\mathrm{\&lambda;}\\ 1-c_i,& i=\mathrm{\&lambda;}\end{array}\right.;$

其中，1≤i≤n，执行过程(2.5)；

(2.5)提取隐秘信息分组：对于过程(2.4)所得到的载密特征向量C’，结合r×n阶汉明校验矩阵A的每一行做如下运算：

$m_j=\underset{k=1}{\overset{n}{\&CirclePlus;}}({c^{\&prime;}}_k\&CenterDot;a_{k,j});$

其中，1≤j≤r，1≤k≤n，表示连续异或运算；将得到的{m₁,m₂,…，m_r}组合即得到一个隐秘信息分组M，继续执行过程(2.3)。