Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Коктейль из звуков

Коктейль из звуков

В рубрику "Концепции безопасности" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Коктейль из звуков

Использование динамических спектрограмм для оценки качества зашумления речевого сигнала

Д. Б. Халяпин, профессор, к.т.н.
А.А. Рюмин, аспирант

Рис. 1а. Смесь тестового сигнала с «белым» шумом (с/ш ~ 0 дБ) Рис. 1б. Смесь тестового сигнала с «белым» шумом (с/ш ~ 13 дБ) Рис. 1в. Смесь тестового сигнала с «белым» шумом (с/ш « 20 дБ) Зашумление речевого сигнала

Одним из способов, который может быть использован для защиты конфиденциальной речевой информации, считается зашумление информативного речевого сигнала.

С этой целью применяются:

  • «белый» шум — шум с постоянной спектральной плотностью в речевом диапазоне частот;
  • «розовый» шум — шум со спадом спектральной плотности на 3 дБ на октаву в сторону высоких частот;
  • «коричневый» шум со спадом 6 дБ спектральной плотности на октаву в сторону высоких частот;
  • шумовая речеподобная помеха — шум с огибающей амплитудного спектра, подобной речевому сигналу.

Рассмотренная в [1] возможность восстановления речевого сигнала, искаженного шумами, определяет критерии, при которых это осуществимо. При исследовании вопросов защиты речевой информации такие данные помогут определить условия зашумления, затрудняющие или делающие невозможным восстановление записанной речевой информации.

Для этих целей был проведен ряд измерений с использованием различных видов зашу-мляющих помех с неодинаковыми — по отношению к защищаемому речевому сигналу — уровнями. После этого производилась оценка динамических спектрограмм, так называемых сонограмм.

Сонограмма — это диаграмма, на которой по оси абсцисс откладывается время, по оси ординат — частота, а амплитуда соответствующей частотной составляющей отмечается интенсивностью цвета в данной точке графика. При ее построении нужно для каждого момента времени (для каждого значения x на сонограмме) посчитать спектр сигнала в блоке вокруг этой точки времени. Полученные амплитуды и есть значения одного столбца графика. Сонограмма является более информативной характеристикой, чем простая спектрограмма, так как позволяет учесть при сравнении изменение сигналов в динамике.

В качестве оценки критерия защищенности речевого сигнала при различных видах зашумления дополнительно применялся способ разборчивости речевого сигнала [4].

Результаты экспериментального исследования

В качестве зашумляющих сигналов использовались:

  • «белый» шум;
  • «розовый» шум;
  • «коричневый» шум;
  • помеха, формируемая из речевых фрагментов нескольких человек (дикторов), некоррелированных со скрываемым сигналом, так называемый «речевой хор».

Рис. 2а. Смесь тестового сигнала с «коричневым» шумом (с/ш = 0 дБ) Рис. 2б. Смесь тестового сигнала с «коричневым шумом» (с/ш «13 дБ) Рис. 2в. Смесь тестового сигнала с «коричневым шумом» (с/ш « 20 дБ) Выбранный тестовый сигнал микшировался с различными видами шумов — «белым», «розовым», «коричневым», а также c речеподобным сигналом.

«Белый» шум

Сонограммы исходного тестового сигнала, микшированного «белым» шумом с различными мощностями, приведены на рис 1а, 1б, 1в. Анализ подобных смесей подтверждает факт уменьшения «следов» информативного сигнала по мере повышения мощности микширующего шума. Например, на рис. 1а отчетливо видны отдельные фонемы исходного тестового сигнала, но при отношении сигнал/шум в 13 дБ (рис. 1б) следы исходного сигнала уже плохо различимы.

А рис. 1в демонстрирует, что при соотношении сигнал/шум порядка 20 дБ следы тестового сигнала маскируются практически полностью.

«Розовый» шум

Сонограммы исходного тестового сигнала, микшированного с «розовым» шумом, также показывают уменьшение «следов» информативного сигнала по мере повышения мощности микширующего шума. Динамика уменьшения «следов» сигнала практически повторяется, как и в случае с «белым» шумом. Правда, для обеспечения подобного уровня защищенности потребуется немного большее соотношение сигнал/шум.

«Коричневый» шум

Сонограммы исходного тестового сигнала, микшированного «коричневым» шумом с различными мощностями, приведены на рис 2а, 2б, 2в. В ходе изучения диаграмм подобных смесей видно: при соотношении сигнал/шум в 13 дБ отчетливо просматриваются «следы» тестового сигнала (рис. 2б), и даже в случае увеличения соотношения с/ш до 20 дБ «следы» маскируемого сигнала все еще заметны. Таким образом, мы можем судить об очень маленькой величине защищенности исходного речевого сигнала при использовании «коричневого» шума. Эти результаты подтверждаются и проведенными измерениями по получаемой — при соответствующем зашумлении — величине разборчивости речевого тестового сигнала.

Речеподобная помеха

В качестве речеподобной помехи был выбран «речевой хор». Его мощность: -29,10; -15,12; -6,21 дБ.

Таблица 1. Обобщенные результаты оценки защищенности речевого сигналаСонограммы речевого сигнала менее информативны, так как основная энергия «речевого хора» концентрируется в той же, достаточно узкой полосе частот, что и тестовый сигнал. Таким образом, при увеличении мощности «хора» по отношению к тестовому сигналу на рис величину порядка 10 дБ «следы» маскируемого сигнала уже практически неразличимы (что подтвердилось и при оценке разборчивости). Результаты показывают на существенное повышение защищенности тестового сигнала при использовании речеподобных микширующих помех.

Обобщенные результаты оценки защищенности тестового информационного речевого сигнала в зависимости от используемого микширующего шума приведены в таблице 1.

Эксперимент удался

Полученные результаты доказывают действенность защиты речевого сигнала за счет микширования его с различными шумами и речеподобными помехами.

Правильность определения степени защищенности сигнала по динамическим спектрограммам подтверждается измерением разборчивости речевого сигнала.

Итоги эксперимента позволяют судить о целесообразности применения анализа динамических спектрограмм для оценки защищенности речевого сигнала. Данный метод предоставляет широкие возможности по автоматизации оценки защищенности и помогает исключить такие субъективные факторы, как человеческий слух.

Опубликовано: Журнал "Information Security/ Информационная безопасность" #4, 2005
Посещений: 17988

Приобрести этот номер или подписаться

Статьи по теме

  Автор

 

Халяпин Д.Б.

Профессор, к.т.н

Всего статей:  1

  Автор

 

Рюмин А.А.

Аспирант

Всего статей:  1

В рубрику "Концепции безопасности" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций