[发明专利]基于非零脉冲位置和幅度信息的G.729语音信息隐藏算法

权利要求书

1.基于非零脉冲位置和幅度信息的G.729语音信息隐藏算法，其特征在于：

(1)G.729码本搜索具有非遍历性和冗余性的特点；

(2)基于非零脉冲位置和幅度信息的G.729语音信息隐藏算法，该算法利用秘密信息通过特定的映射函数去控制码本的搜索过程，利用最不重要脉冲替换思想，通过非零脉冲位置和秘密信息之间的函数关系进行信息隐藏；

(3)采用最小化失真准则控制由秘密信息的隐藏带来的音质失真。

2.根据权利要求1所述的基于非零脉冲位置和幅度信息的G.729语音信息隐藏算法，其特征在于：

其中：特征(1)G.729码本搜索具有非遍历性和冗余性。G.729固定码本结构如表1所示。

表1 固定码本的结构

用m_i表示第i个脉冲的位置，用s_i表示第i个脉冲的符号，i＝0，1，2，3。固定码本搜索的依据是使感觉加权滤波器的输出信号s(n)和重构信号之间的均方误差最小化。设目标信号为s′(n)，目标信号s′(n)与感觉加权综合滤波器的冲激响应h(n)之间的互相关函数d(n)如下式所示。

d(n)=Σi=n39s′(n)h(i-n),n=0,1,2,...,39]]>

由感觉加权综合滤波器的冲激响应h(n)可得到托普利兹Toeplitz卷积矩阵H，H的主对角线元素全部为h(0)，H如下式所示。

定义对称矩阵T表示矩阵的转置。

ITU-T在简化版本G.729A中使用深度优先树搜索算法来搜索固定码本，深度优先树搜索固定码本的过程分2步进行。

第一步：在轨道T₂中找出使|d(m_i)|值最大的2个位置，然后将轨道T₂中的这2个位置与轨道T₃中的8个位置一一进行组合，按以下公式计算β_k值：

C_k＝s₀d(m₀)+s₁d(m₁)+s₂d(m₂)+s₃d(m₃)

然后从2×8＝16个候选值中找到使β_k值最大的脉冲位置组合(i₂，i₃)；在确定i₂和i₃后，继续在轨道T₀和T₁上进行搜索，共有8×8＝64个组合值，找到使β_k值最大的脉冲位置组合(i₀，i₁)，这样，搜索次数为2×8+8×8＝80次。用轨道T₄替代轨道T₃，重复上述过程，则在第一步中的搜索次数是80×2＝160次。

第二步：同第一步类似，首先在轨道T₃中找出使|d(m_i)|值最大的2个位置，然后将轨道T₃中的这2个位置与轨道T₀中的8个位置一一进行组合，找出使β_k最大的脉冲位置组合(i₃，i₀)；然后在轨道T₁和T₂上搜索，再用轨道T₄代替轨道T₃，重复上述过程，搜索次数同样是160次。所以，每一子帧进行固定码本搜索的次数是160×2＝320次，这些运算量是全搜索的3.9％，以次优的码字矢量代替了最优的码字矢量，大大减少了运算量。可以看到，深度优先树算法是为了减少复杂度而进行的非遍历搜索。因此，在这种条件下搜索出来的最优码字矢量并不是真正意义上的最优，而是形成了一种次优的效果。

特征(2)利用秘密信息通过特定的映射函数去控制最优码字矢量的搜索过程。秘密信息隐藏过程的算法如下。

引入最不重要脉冲替换思想，对由深度优先树搜索算法得到的“最优码字矢量”进行脉冲重要度的计算。码字由4个脉冲(i₀，i₁，i₂，i₃)组成，通过每次去掉一个脉冲来计算去掉的脉冲的重要程度。例如，去掉脉冲i₂，用0替代，计算β_k值，然后依次去掉其他三个脉冲，共需替换四次，得到四个β_k值，比较这四个值的大小，β_k值越大，说明去掉的脉冲重要程度越小。重新在重要程度最小的脉冲所在轨道上对其进行最佳位置搜索，此时的搜索需要由秘密信息控制。信息隐藏函数可由下式表示：

下面给出秘密信息隐藏过程的符号说明。

深度优先树搜索得到的脉冲组合：i_a、i_b、i_c、i_x；

脉冲组合(i_a，i_b，i_c，i_x)的β_k值记为β_{k opt}；

脉冲对应的位置记为：m_a、m_b、m_c、m_x；

(脉冲不记顺序，i_x代表经过最不重要脉冲计算后的重要程度最小的脉冲)

秘密信息控制的脉冲i_x的可选位置设为：m_x′；

信息隐藏后搜索出的次最优脉冲位置组合：m₀，m₁，m₂，m₃

由秘密信息控制的重新搜索的脉冲组合的β_k值记为β_{k sub-opt}；

进行加密处理后的秘密信息为S_M：

S_M＝{S_M(n)|n＝0，1，2，...，l-1}＝(S_M(0)，S_M(1)，S_M(2)，...，S_M(l-1))，l为秘密信息的长度；

控制信息隐藏容量的参数：δ；

格雷编解码：Grey和Grey^-1。

特征(3)采用最小化失真准则控制由秘密信息的隐藏带来的音质失真。为了将失真最小化，保证语音质量，按照下式搜索次最优码字矢量：

(m0,m1,m2,m3)=(ma,mb,mc,mx′)ifβksub-opt≥βkopt,βk=βksub-opt(ma,mb,mc,mx′)ifβksub-opt<βkopt,βk=βksub-optargmin(|βkopt-βksub-opt|)]]>

其中，符号“arg”表示使目标函数取最小值时的变量值。变量值即为脉冲位置组合。

当β_{k sub-opt}≥β_{k opt}时，选取使β_k为β_{k sub-opt}的脉冲位置组合作为最终结果；当β_{k sub-opt}＜β_{k opt}时，搜索原则不再以β_k值最大为目的，而力求使新的脉冲组合的β_k值即β_{k sub-opt}最接近深度优先树搜索出的脉冲组合的β_k值即β_{k opt}为目的，这样可以尽量搜索到与原始搜索结果最接近的结果，有助于减少语音质量的失真。