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语音感知认证的关键技术研究

古今  
【摘要】: 随着通信技术的发展,语音远程通信在交流中发挥了日益重要的作用,但无线以及网络等通信信道的开放性,也为窃听、篡改等恶意攻击提供了可乘之机,安全认证迫在眉睫。同时,语音认证有其特殊性。语音信息数据量大、冗余性高,使得传统文本的认证算法不再适合。通信终端的资源限制和语音的实时性要求,又对认证算法的效率要求很高。目前,针对语音的认证算法相对匮乏,相关研究有着很高的实用性和挑战性。因此,本文致力于语音感知认证体系的研究,从模型、算法到实现进行了深入探讨。 本文的主要工作和创新如下: 1.提出一种语音感知认证的模型。目前,语音感知认证的相关模型尚未建立。本文构造了语音感知认证的一般性模型,将语音感知摘要和公钥签名相结合,实现对语音内容和身份的双重认证。同时给出了算法框架,为具体认证算法的研究设计提供了理论基础。 2.针对语音认证所要求的感知特性,提出一种结合MFCC特征与掩蔽效应的语音感知签名方法。MFCC算法是一种被广泛应用的语音特征参数,但若直接用于语音的内容认证,鲁棒性仍有不足。本文在MFCC算法中结合了掩蔽效应,去除了时频域中掩蔽阈值以下的冗余,减轻了人耳难以感知的微扰对认证结果的影响,增强了特征的鲁棒性。同时利用奇异值分解实现摘要构造,用AES和Rainbow算法进行加密和签名。对算法的鲁棒性、篡改敏感性和安全性进行实验分析,性能良好,兼备篡改定位功能,可以满足感知认证的要求。 3.提出一种鲁棒高效的语音感知签名。在保证安全性和感知性的基础上,研究高效的特征提取算法,以达到在通信设备上实时应用的目的。算法首先对语音提取浊音帧,提高鲁棒性的同时降低了后续计算量。感知特征提取采用了Mel谱多子带滤波和功率谱差分,操作简单且对噪声鲁棒性良好。摘要构造采用RM-EPN编码,压缩签名长度,并进一步提高鲁棒性,最后结合公钥签名算法得到签名。该算法侧重于鲁棒性和效率设计,实用性良好。 4.提出了多变量公钥算法的高效优化方案。鉴于语音感知签名中公钥算法的重要性,对采用的多变量公钥算法高效实现的关键性问题进行研究。针对域L上的模幂计算,采用了矩阵化方法;针对域K上的乘法,采用一种基于Bitslice和复合域思想的并行运算方法;针对密钥过长的问题,采用稀疏矩阵LU压缩编码方法。实验数据表明,本文的优化方案对算法的效率和存储长度有很大改进。 5.针对语音通信终端的应用环境,在FPGA实现的Leon3系统平台上,实现了本文提出的语音感知认证系统。实验结果表明,本文的感知认证算法在保证各项性能的基础上,能够在嵌入式环境中实现对语音的实时认证,应用前景广阔。


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