滕　達(dá)　馮浩楠

1(中國鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所　北京 100081)2(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道技術(shù)研修學(xué)院　北京 100081)

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基于AMR-WB線譜頻率參數(shù)的隱寫算法

滕達(dá)1,2馮浩楠1

1(中國鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所北京 100081)2(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道技術(shù)研修學(xué)院北京 100081)

摘要AMR-WB(Adaptive Multi-Rate-Wideband)的線譜頻率LSF(Line Spectrum Frequency)參數(shù)在編碼過程中會(huì)分裂為若干子矢量。利用編解碼過程中的ISF索引參數(shù)，提出一種在3G話音中隱藏信息的算法。該算法首先選擇用于信息隱藏的LSF索引段，然后通過修改所選的LSF索引段進(jìn)行信息隱藏。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改變特定LSF索引會(huì)在較少影響話音質(zhì)量的同時(shí)隱藏信息，該算法在具有較好隱蔽性的同時(shí)又能較少影響語音質(zhì)量。

關(guān)鍵詞線譜頻率AMR-WB信息隱藏

0引言

自適應(yīng)多速率寬帶編碼AMR-WB是一種同時(shí)被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ITU-T和3GPP采用的寬帶語音編碼標(biāo)準(zhǔn)[1]。AMR-WB處理的音頻是采樣率為16 kHz的語音信號(hào)，具有6.60、8.85、12.65、14.25、15.85、18.25、19.85、23.05和23.85 kbps總共9種不同的速率，對(duì)于這9種不同速率的語音，經(jīng)過AMR-WB編碼后，每一幀的長度分別為132、177、253、285、317、365、397、461和477比特[2]。

線性預(yù)測LP(Linear Prediction)是語音信號(hào)處理中的關(guān)鍵技術(shù)，而LP系數(shù)是語音識(shí)別中重要的信息來源[3]。語音信號(hào)處理中普遍使用的是與LP系數(shù)在數(shù)學(xué)角度上完全等價(jià)的LSP(Line Spectral Pair)系數(shù)[4]。比起LP系數(shù)，LSP系數(shù)具有更優(yōu)的量化特性、內(nèi)插特性以及魯棒性，與語音的短時(shí)譜包絡(luò)緊密相關(guān)，并且LSP系數(shù)具有良好的動(dòng)態(tài)范圍，容易保證濾波器的穩(wěn)定性。因此LSP系數(shù)在語音信號(hào)處理領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[5]。

在LP系數(shù)向LSP系數(shù)轉(zhuǎn)換的過程中，線譜頻率LSF參數(shù)可以用來描述LSP系數(shù)的頻域值[6]。在自適應(yīng)多速率寬帶編碼AMR-WB的各種參數(shù)中，LSF參數(shù)也可以用來隱藏信息，選取特定LSF參數(shù)中的索引段，并在其中嵌入信息，然后選取嵌入后語音質(zhì)量降低較少的LSF索引用于信息隱藏[7]。

1LSF參數(shù)的定義

在AMR-WB編碼階段，首先進(jìn)行線性預(yù)測(LP)計(jì)算得到LP系數(shù)，再將LP系數(shù)通過LSF系數(shù)來轉(zhuǎn)化為LSP系數(shù)，最后量化LSP系數(shù)并編碼。通過在頻域上使用LSP表達(dá)式來量化低通濾波器系數(shù)，即：

(1)

(2)

其中fi代表頻率從0到6400 Hz的LSF參數(shù)，fs代表的是12.8 kHz的采樣率。[f1…f15]組成了一個(gè)LSF向量ft，ft是矢量的轉(zhuǎn)置。

在得到LSF向量后，需要量化殘差LSF向量，這時(shí)要結(jié)合分裂矢量量化和多階矢量量化的方法來使用一個(gè)一階的移動(dòng)平均預(yù)測器。具體的預(yù)測和量化過程如下所示：預(yù)測殘差矢量r(n)的計(jì)算如下：

r(n)=z(n)-p(n)

(3)

z(n)=fn-average(n)

(4)

(5)

其中z(n)代表去掉當(dāng)前幀均值的LSF矢量，其中average(n)是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，r(n-1)是當(dāng)前語音幀之前語音幀的量化殘差矢量。

然后是通過S-SMVQ量化器來量化殘差矢量r(n)，這樣殘差矢量r(n)被分裂成了兩個(gè)子向量r1(n)和r2(n)。其中r1(n)向量的長度為9 比特，r2(n)向量的長度為7比特。接著需量化這兩個(gè)子向量，步驟如下：(1) 分別將r1(n)向量和r2(n)向量量化為8比特；(2) 將r1(n) 向量分裂成3個(gè)3維的子矢量，分別以6、7和7比特進(jìn)行量化編碼，將r2(n)向量分裂為一個(gè)4維和一個(gè)3維的子矢量，都以5比特進(jìn)行量化編碼。通過這一系列的計(jì)算過程，得到了46比特的LSF索引[8]。

2算法思想

在LSF參數(shù)經(jīng)過量化編碼的過程之后，LSF參數(shù)總共被量化編碼為5或者7部分，在非6.60 kbps的模式下，LSF參數(shù)被量化為7段，其長度分別為8、8、6、7、7、5和5比特，總共有46比特的長度。而在6.60 kbps的模式下，LSF參數(shù)被量化成5段，其長度分別為8、8、7、7和6比特，總共36比特的長度。

接收端接到語音信號(hào)的比特流之后，對(duì)其解碼可以得到諸如基音索引參數(shù)、濾波器索引參數(shù)、固定碼本索引參數(shù)、增益矢量索引參數(shù)、LSF索引參數(shù)和高頻增益索引參數(shù)。接收端通過這些索引參數(shù)的順序解碼，就可以得到LSF索引參數(shù)。這些LSF參數(shù)在不同速率模式下被分為若干段，并且每一段的參數(shù)都有一定的長度，因此我們的想法是通過改變LSF參數(shù)來進(jìn)行隱藏信息。在解碼端，將隱藏的信息進(jìn)行特定的編碼后，通過改變LSF參數(shù)來將信息隱藏在LSF參數(shù)中。接受者通過解析LSF參數(shù)來得到發(fā)送端傳送的隱秘信息。隱藏信息后，LSF參數(shù)被改變，在解碼端進(jìn)行語音重構(gòu)的時(shí)候，必然會(huì)損失一部分語音的聲音質(zhì)量，如何有效使用這七段LSF參數(shù)進(jìn)行隱藏信息是一個(gè)關(guān)鍵問題。

在非6.60 kbps速率模式下，LSF共有7段，將這7段LSF索引參數(shù)編號(hào)為1-7段，其中第一段對(duì)應(yīng)于r1(n)向量量化的8比特LSF索引段，第二段對(duì)應(yīng)于r2(n)向量量化的8比特LSF索引段，r1(n)裂化產(chǎn)生的6、7和7比特段分別編號(hào)為3-5段，r2(n)向量裂化產(chǎn)生的兩個(gè)5比特LSF索引段被編號(hào)為6-7段。在6.60 kbps速率模式下，LSF共有5段，r1(n)向量量化產(chǎn)生的8比特LSF索引段被編號(hào)為第1段，r2(n)向量量化產(chǎn)生的8比特LSF索引段被編號(hào)為第2段，剩下的兩個(gè)7比特和一個(gè)6比特LSF索引段被編號(hào)為3-5段。因此算法的基本思想為在保持其他幾段LSF索引參數(shù)不變的基礎(chǔ)下，分別改變這七段LSF參數(shù)進(jìn)行信息隱藏，通過PESQ算法的測試，來選取最佳的LSF索引段進(jìn)行信息隱藏。

3嵌入算法

3.1預(yù)處理

首先生成一個(gè)包含50項(xiàng)偏移值的偏移值表Table，每一項(xiàng)Tablei編碼大小為2比特，值是隨機(jī)產(chǎn)生的，范圍介于0到3之間。然后將該偏移值表嵌入到某一秒語音信號(hào)的基音周期中，通信雙方經(jīng)過事先的約定，選定該秒語音并將該表隱藏。

3.2嵌入速率為50 bps的嵌入算法

算法輸入：比特流Strm，偏移值表Table[50]，選定的LSF索引段Ii。

算法輸出：Ii。

算法具體執(zhí)行步驟：

Step1令BitLi=Strmi+Tablei，得到BitL[50]i；

Step3如果BitLj==0，轉(zhuǎn)到Step 4；如果BitLj==1，則轉(zhuǎn)到Step 5；

Step6如果j<49，那么j=j+1，轉(zhuǎn)到Step 3；否則轉(zhuǎn)到Step 7；

假設(shè)需要隱藏的比特流Strm包含m段長度為50比特的數(shù)據(jù)，由以上算法描述可以計(jì)算得出每一段比特流需要一個(gè)計(jì)算50次的循環(huán)，那么隱藏Strm的算法時(shí)間復(fù)雜度為O(n2)，空間復(fù)雜度為O(n)。

3.3嵌入速率為100 bps的嵌入算法

(6)

(7)

算法輸入：比特流Strm，偏移值表Table[50]，選定的LSF索引段Ii。

算法輸出：選定的LSF索引段Ii。

算法具體執(zhí)行步驟：

Step1令FbitLi=Strmi+Tablei，得到FbitL[50]i；

Step5如果j<49，那么j=j+1，轉(zhuǎn)到Step 3；否則轉(zhuǎn)到Step 6；

假設(shè)需要隱藏的比特流Strm包含m段長度為100比特的數(shù)據(jù)，由以上算法描述可以計(jì)算得出每一段比特流需要一個(gè)計(jì)算50次的循環(huán)，在100 bps速率下隱藏算法時(shí)間復(fù)雜度為O(n2)，空間復(fù)雜度為O(n)。

4提取算法

接收端收到比特流之后，從中提取出帶有隱藏信息的LSF索引段，再利用提取算法從LSF參數(shù)索引段中提取所隱藏的信息，最后再進(jìn)行語音的重構(gòu)。單LSF參數(shù)索引段提取算法如下：對(duì)于某一語音幀，將隱藏信息的LSF索引值根據(jù)實(shí)際要求做模m運(yùn)算(m=2或4)，結(jié)果n(n=0,1或者0,1,2,3)即為該語音幀LSF索引段隱藏的數(shù)據(jù)。通過解碼特定語音幀可以獲取偏移值表，將得到的所有隱藏信息每一項(xiàng)與偏移值表進(jìn)行二進(jìn)制加法運(yùn)算。最后通過置換和最終的編碼后，得到隱藏信息。提取算法是嵌入算法的反向運(yùn)算，因此不再進(jìn)行詳細(xì)說明，提取算法的時(shí)間復(fù)雜度為O(n2)，空間復(fù)雜度為O(n)。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1嵌入速率為50 bps單LSF參數(shù)索引段隱藏算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1) 6.60 kbps速率下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在6.60 kbps速率模式下，LSF參數(shù)被量成5段，分別使用這5段LSF參數(shù)索引段進(jìn)行信息隱藏，并使用PESQ算法測得MOS差值，具體結(jié)果如表1所示。

表1　6.60 kbps速率下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在6.60 kbps速率模式下，使用第1、2、4段LSF參數(shù)索引的信息隱藏對(duì)語音的質(zhì)量影響比較小，與原語音MOS值的相差不超過0.1，而使用第3、5段的信息隱藏會(huì)使語音質(zhì)量下降較多。

(2) 非6.60 kbps速率模式下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在非6.60 kbps速率模式下，LSF參數(shù)索引段被量化為7段，分別使用7段LSF參數(shù)索引段進(jìn)行信息隱藏，并使用PESQ算法測得MOS差值，具體結(jié)果如表2所示。

表2　50 bps速率下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在非6.60 kbps速率模式下，使用第1、2、3、4、6段LSF索引參數(shù)進(jìn)行信息隱藏所造成的MOS差值小于0.1，而使用第5、7段LSF參數(shù)索引進(jìn)行信息隱藏所造成的MOS差值較高，因而使語音質(zhì)量嚴(yán)重下降。

5.2100 bps速率下單LSF隱藏算法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1) 6.60 kbps模式下試驗(yàn)結(jié)果

如表3所示，在6.60 kbps速率模式下，使用第1、2、4段LSF索引進(jìn)行信息隱藏對(duì)語音質(zhì)量的影響較小。

表3　6.60kbps模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(2) 非6.60 kbps速率模式下的結(jié)果

如表4所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在單LSF索引參數(shù)隱藏的算法中，使用第1、2、3、4、6段LSF進(jìn)行信息隱藏，MOS值的減少均小于0.1，聲音質(zhì)量較小。

表4　單100bps速率下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表4

6結(jié)語

AMR-WB語音編解碼的過程中，在6.60 kbps速率模式下，LSF被裂化為了5段；在非6.60 kbps速率模式下，LSF索引被裂化為了7段。本文在不同速率模式下，使用編解碼過程中的LSF索引參數(shù)，提出了一種在語音信號(hào)中隱藏信息的算法。該算法首先需要選擇進(jìn)行信息隱藏的LSF索引段，然后通過修改選擇的LSF索引段的LSF參數(shù)進(jìn)行信息隱藏。實(shí)驗(yàn)表明，語音信號(hào)中特定LSF索引參數(shù)的改變較少影響話音質(zhì)量，正常通話的過程中難以分辨，具有良好的隱蔽性。

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A STEGANOGRAPHY ALGORITHM BASED ON LINE SPECTRUM FREQUENCY PARAMETERS OF AMR-WB

Teng Da1,2Feng Haonan1

1(SignalandCommunicationResearchInstitute,ChinaAcademyofRailwayScience,Beijing100081,China)2(RailwayTechnologyResearchCollege,ChinaAcademyofRailwayScience,Beijing100081,China)

AbstractIn encoding process, the parameters of line spectrum frequency (LSF) of AMR-WB (Adaptive Multi-Rate-Wideband) will be split into several sub-vectors called LSF indexes. This paper proposes an algorithm of hiding information in 3G speech by using the LSF index parameters in encoding/decoding process. The algorithm chooses the LSF index sections for information hiding first, and then hides the information by making modifications on these selected index sections. Experimental results show that to modify certain LSF indexes can lead to information hiding with little degradation of speech quality. Therefore this information hiding algorithm has good concealment quality while degrades little in voice quality as well.

KeywordsLine spectrum frequencyAMR-WBInformation hiding

收稿日期：2014-10-29。滕達(dá)，博士生，主研領(lǐng)域：交通信息工程與控制，無線通信。馮浩楠，助理研究員。

中圖分類號(hào)TP393.17

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.05.069