[发明专利]基于iLBC编码的一种小容量语音信息隐藏方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种信息隐藏方法，针对低速率编码器iLBC编码器的小容量信息隐藏方法，可以保证嵌入信息具有良好的隐蔽性并且不会对载体语音有较大影响。

背景技术

随着信息社会的不断发展，人们在享受快捷方便的网络通信时，不得不面对隐私泄露和信息失窃的风险。为了实现隐私保护和信息安全，一些安全技术被逐渐应用到了网络通信领域中。就语音的保密通信来看，传统的语音加密技术虽然可以起到保证信息安全的作用，但是由于在网络上传输的是经过加密的语音信号，即密文，这就就会极大的激发非授权者破解密文的欲望，很可能导致语音信息被破解或者暴力破坏，最终导致隐私泄露，失去保密通信的意义。语音信息隐藏技术不同于加密技术，它在信道上传输的是一些不会引起非授权者兴趣的普通语音信息，但是，作为载体，这些普通语音信息中承载了一部分隐秘信息。发送方通过某种隐藏算法，把一些隐秘信息嵌入到普通语音信息中，然后发送到网络上，这并不会引起非授权者的注意。当这些信息到达接收端后，接收端采用提取算法提取出隐秘信息，这就达到了保密通信的效果。

语音信息隐藏领域的研究已经获得了不少成果，Wu等人提出了一种基于G.711编码的自适应语音信息隐藏方法；Ma等人提出了在G.721编码流中嵌入隐秘信息的方法；Wu等人使用LPC系数的替换实现语音信息隐藏；Huang等人在低速率编码语音流中使用基音预测完成信息嵌入；Huang等人研究了在VoIP语音流的非活动帧中嵌入隐秘信息的隐藏算法，发现了VoIP语音流的非活动帧比活动帧更适合做信息隐藏的重要结论；Wang等人提出了使用LSB算法在VoIP语音流中做实时嵌入的方法；Liu等人研究了VoIP语音流中基于帧比特率变化的信息隐藏技术，他们提出了BD(Bitrate Downgrading)和BS(Bitrate Switching)两种隐藏算法，等等。与以上研究成果不同，Xiao等人提出了一种互补邻居节点(Complementary Neighbor Vertices，CNV)算法，该算法是信息隐藏领域中第一次结合图论相关知识实现码本分组的算法，与传统码本分组算法不同，CNV算法把每个码字都看成多维空间中一个孤立的点，每两个码字之间的关系用边和权重来表示。相邻的点分别被0和1标记，标记的过程就是码本分组的过程，然后根据隐秘信息中比特的0和1分别在相应的码本组中做搜索，完成隐秘信息的嵌入。

然而，信息隐藏技术是利用载体中的冗余来嵌入隐秘信息的，语音信息在经过iLBC这种低速率编码器压缩编码以后可利用的冗余空间较少，直接导致隐藏容量的下降，同时，由于人耳对声音变化比较敏感，这就对隐秘信息的隐蔽性提出了较高的要求。因此，在低速率语音中，保证容量较大的情况下实现高隐蔽性的语音信息隐藏是一项具有挑战性的研究工作。

iLBC是Global IP Sound公司在2000年研发的一款能够提供稳健的IP语音通信编解码器。为了节省带宽，iLBC专为窄带语音通信而设计。其采用帧独立线性预测编码(linear perdictive coding，LPC)算法，该算法对输入语音信号做一系列分析，计算出能够表征原始语音信号的特征参数，把这些特征参数按照一定的格式打包输出，发送到网络上，接收端接收到数据包后对数据解析，根据特征参数恢复出原始语音。

iLBC编码主要分为两部分：

(1)初始状态的选择与编码

根据iLBC编码标准，iLBC编码器的输入信号是经过8000Hz采样，16bit量化的标准pcm信号，输入信号按20ms或30ms划分为帧，对于20ms帧，采用8000Hz采样，16bit量化就会生成160个样点，同理，30ms帧会产生240个样点。对于每帧信号，每40个样点又划分为一个子帧，即20ms帧有4个子帧，30ms帧有6个子帧。所有信号帧做相应处理得到残差信号，为初始状态的选择做准备。

对于每帧残差信号，在4或6个子帧中寻找两个能量值最大的连续子帧作为初始状态所在的子帧。为了使初始状态向中间偏移，所有能量值都要乘以一个权重因子，对于20ms帧，权重因子ssqEn_win[3]＝{0.9，1.0，0.9}，对于30ms帧，权重因子ssqEn_win[5]＝{0.8，0.9，1.0，0.9，0.8}。

为了有效的降低初始状态的比特率，取30ms帧的初始状态长度为58，两个连续子帧的最前或最后22个样点的能量值决定了初始状态取前58个样点，还是后58个样点；20ms帧的初始状态长度为57，选择方法同30ms帧。帧内初始状态位置state_first使用1bit编码：