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        聲掩蔽防護技術(shù)研究

        2024年03月25日    來(lái)源:國家保密科技測評中心【字體: 打印

        【摘 要】 聲音作為信息存在、傳遞和表達的第一載體,存在場(chǎng)合多,承載信息豐富。聲掩蔽技術(shù)作為一種主動(dòng)聲干擾防護技術(shù),在保護聲音私密性、防止聲音泄密中具有廣泛的應用。本文從聲掩蔽基本原理、掩蔽效應分類(lèi)、掩蔽信號分類(lèi)和聲掩蔽系統優(yōu)化設計等方面介紹了聲掩蔽技術(shù)。

        【關(guān)鍵詞】 聲掩蔽 主動(dòng)聲干擾 聲泄漏防護

        1 引言

        信息是一個(gè)國家或企業(yè)生存發(fā)展的關(guān)鍵因素,通常以聲音、光、電磁等信號形式存在、傳遞和表達。聲音作為信息存在、傳遞和表達的第一載體,是社會(huì )交際、思想交流的工具,存在場(chǎng)合多,承載信息豐富。因此,如何對敏感信息進(jìn)行有效地安全防護,防止以聲音為信息載體的失泄密行為成為一個(gè)急需解決的問(wèn)題。

        聲掩蔽技術(shù)作為一種主動(dòng)聲干擾防護技術(shù),是降低語(yǔ)音可懂度(語(yǔ)音信息被正確理解的程度)、保護語(yǔ)音私密性的必要措施之一,它主要通過(guò)發(fā)射人耳可聽(tīng)頻段內的干擾信號,利用聲掩蔽效應來(lái)掩蔽目標語(yǔ)音信號,導致目標語(yǔ)音不被聽(tīng)到或可懂度降低。本文將從聲掩蔽基本原理、掩蔽效應分類(lèi)、掩蔽信號分類(lèi)和聲掩蔽系統優(yōu)化設計等方面對其進(jìn)行介紹。

        2 聲掩蔽基本原理

        聲掩蔽技術(shù)是保護聲音私密性、防止聲音泄密的重要措施。如圖1所示,聲掩蔽通過(guò)將掩蔽聲信號填充目標區域來(lái)提高目標區域的環(huán)境背景聲音,利用聲掩蔽效應來(lái)實(shí)現掩蔽目標語(yǔ)音的目的。

        圖1 聲掩蔽系統工作示意圖

        聲掩蔽效應是一種與人耳聽(tīng)覺(jué)有關(guān)的聲學(xué)效應,人耳能在寂靜的環(huán)境中分辨出輕微的聲音,但在嘈雜的環(huán)境中,輕微的聲音會(huì )被嘈雜聲所淹沒(méi),這種由于嘈雜聲音的存在使得輕微聲音聽(tīng)閾提高的現象稱(chēng)為聲掩蔽效應。如圖2所示,圖中黑色實(shí)線(xiàn)為正常情況下人耳的聽(tīng)力閾值,低于此閾值的聲音人耳是聽(tīng)不到的;圖中藍色被掩蔽頻率樣本(需要被掩蔽的目標語(yǔ)音信號),由于其聲壓級高于人耳聽(tīng)力閾值,該信號對于人耳是可聽(tīng)的。但當聲掩蔽系統發(fā)射圖中紅線(xiàn)所示的掩蔽聲時(shí),掩蔽聲的存在將人耳的聽(tīng)力閾值由黑色實(shí)線(xiàn)提高到了黑色虛線(xiàn),此時(shí),藍線(xiàn)代表的被掩蔽信號的聲壓級低于新的人耳聽(tīng)力閾值,變得不再能被人耳聽(tīng)到。掩蔽信號的存在使得人耳聽(tīng)力閾值的提高量即黑色虛線(xiàn)與黑色實(shí)線(xiàn)的差值被稱(chēng)為聲掩蔽量。與人耳類(lèi)似,竊聽(tīng)設備獲得的目標語(yǔ)音信號質(zhì)量也會(huì )因掩蔽聲的存在而受到干擾。

        圖2 聲掩蔽原理圖

        從圖2中還可以看出,掩蔽信號不僅會(huì )提高掩蔽聲信號所在頻段的人耳聽(tīng)力閾值,還會(huì )提高其相鄰頻段的聽(tīng)力閾值,但其掩蔽能力(聲掩蔽量)會(huì )隨著(zhù)目標信號頻率與掩蔽信號頻率差值的增大而降低。人類(lèi)語(yǔ)音信號的能量主要集中在100Hz~8kHz之間,因此,為了獲得最優(yōu)的掩蔽能力,一般聲掩蔽系統發(fā)射的掩蔽干擾聲頻率范圍也在100Hz~8kHz之間。

        聲掩蔽效應除上述特征外還具有以下特征:低音容易掩蔽高音,高音較難掩蔽低音;提高掩蔽聲的聲壓級時(shí),聲掩蔽量會(huì )提高,而且被掩蔽的頻率范圍也會(huì )擴展。

        3 聲掩蔽效應分類(lèi)

        考慮被掩蔽信號和掩蔽信號的時(shí)序關(guān)系,掩蔽效應可以分為同時(shí)性掩蔽和序列性掩蔽。當掩蔽信號和被掩蔽信號同時(shí)出現時(shí),稱(chēng)為同時(shí)性掩蔽;當掩蔽信號領(lǐng)先于或者滯后于被掩蔽信號出現時(shí),即2種聲音信號非同時(shí)出現,稱(chēng)為序列性掩蔽。聲音信號大多時(shí)候是非穩態(tài)的瞬時(shí)信號,聲壓級隨著(zhù)時(shí)間變化很快,即強音后面跟著(zhù)弱音,弱音后面又可能跟著(zhù)強音。由于聽(tīng)覺(jué)具有記憶功能,比較強的聲音往往會(huì )掩蔽隨后到來(lái)的較弱音。另外,聽(tīng)覺(jué)對聲音的感覺(jué)需要一個(gè)建立過(guò)程,會(huì )有一定的延遲,而聽(tīng)覺(jué)對于較強聲音感覺(jué)的建立要快于對較弱聲音感覺(jué)的建立,所以存在先到達的較弱聲音會(huì )被后到達的較強聲音掩蔽的現象。根據掩蔽信號與被掩蔽聲音信號出現的先后關(guān)系,序列性掩蔽還可以分為前向掩蔽和后向掩蔽。一般來(lái)說(shuō),同時(shí)掩蔽性效應最強,掩蔽量最大;前向掩蔽效應要大于后向掩蔽效應,前向掩蔽發(fā)生作用的時(shí)間遠大于后向掩蔽的時(shí)間。

        根據掩蔽聲在聽(tīng)覺(jué)系統的作用位置,聲掩蔽還可以分為能量掩蔽和信息掩蔽。能量掩蔽主要是指掩蔽信號對目標語(yǔ)音在聽(tīng)覺(jué)外周的干擾,而信息掩蔽則主要是指掩蔽信號對目標語(yǔ)音在聽(tīng)覺(jué)中樞的干擾。傳統的噪聲干擾對目標語(yǔ)音的掩蔽是能量掩蔽,其掩蔽性能直接與掩蔽信號和被掩蔽信號之間的譜重疊程度相關(guān)。信息掩蔽是指由于掩蔽聲音和被掩蔽聲音具有相似性而競爭人腦語(yǔ)音知覺(jué)加工資源,或者是由掩蔽聲音的可懂度在認知層次上占用用于加工被掩蔽聲音的資源。聲掩蔽效應分類(lèi)如表1所示。

        表1 聲掩蔽效應分類(lèi)

        4 掩蔽信號分類(lèi)

        聲掩蔽技術(shù)的核心理念就是以聲抑聲,它通過(guò)向空間內增加一種均衡舒適的掩蔽信號,在保持說(shuō)話(huà)人感官舒適性的前提下,降低潛在泄密位置的語(yǔ)音可懂度,提高說(shuō)話(huà)人語(yǔ)音的隱私性和保密性。根據掩蔽聲源信號種類(lèi),聲掩蔽可以分為背景音樂(lè )掩蔽、背景噪聲掩蔽和相干目標語(yǔ)音掩蔽3種。

        背景音樂(lè )掩蔽就是將音樂(lè )作為掩蔽聲源,部署在聲音泄漏、竊聽(tīng)及傳輸途徑中。但這種掩蔽會(huì )造成新的聲音干擾,因為音樂(lè )是有意義的聲音,如果放置在正常語(yǔ)音聲源附近作為掩蔽聲,十分容易引起說(shuō)話(huà)人的關(guān)注,對說(shuō)話(huà)人之間正常的工作交流造成影響。

        背景噪聲掩蔽就是利用白噪聲、粉紅噪聲、模擬空調/新風(fēng)系統噪聲和其他類(lèi)型的噪聲,以及它們互相混合的噪聲信號作為掩蔽聲音,不同的背景噪聲具有不同的掩蔽能力。背景噪聲掩蔽的問(wèn)題在于其掩蔽語(yǔ)音方面的效率不高,要求在聲音可能泄漏或竊聽(tīng)的位置,掩蔽信號的聲壓級必須高于目標語(yǔ)音的聲壓級才能達到掩蔽的效果,但是過(guò)高的噪聲能量會(huì )對說(shuō)話(huà)人造成影響。

        相干目標語(yǔ)音法就是將言語(yǔ)信號,甚至是與目標語(yǔ)音相干的言語(yǔ)信號作為掩蔽聲音,它主要是一種信息掩蔽,其掩蔽效果及掩蔽效率跟掩蔽信號與目標語(yǔ)音的相似性有關(guān)。研究表明,掩蔽信號和目標語(yǔ)音的高相似性可以提高掩蔽效果,造成更多的信息掩蔽,被測試人很難區分來(lái)自同一性別的語(yǔ)音信號,但比較容易區分不同性別的語(yǔ)音信號,而且將目標說(shuō)話(huà)人的其他語(yǔ)音信號(如將目標說(shuō)話(huà)人的語(yǔ)音信號進(jìn)行時(shí)域反轉形成的反轉信號或逐幀處理形成的語(yǔ)譜言語(yǔ)、調制語(yǔ)譜言語(yǔ)及音段反轉言語(yǔ))作為掩蔽信號,能夠有效地掩蔽目標語(yǔ)音,其掩蔽作用優(yōu)于其他說(shuō)話(huà)人的語(yǔ)音信號?傊,基于相干目標語(yǔ)音的掩蔽信號對于降低語(yǔ)音可懂度和保護語(yǔ)音私密性方面具有廣泛的應用前景,值得進(jìn)一步深入研究。

        圖3 聲掩蔽系統未工作時(shí)竊聽(tīng)設備記錄的目標

        語(yǔ)音信號波形(上圖)及語(yǔ)譜圖(下圖)

        圖4 聲掩蔽系統發(fā)射的白噪聲信號波形(上圖)

        及語(yǔ)譜圖(下圖)

        圖5 聲掩蔽系統干擾后竊聽(tīng)設備記錄的目標語(yǔ)音

        信號波形(上圖)及語(yǔ)譜圖(下圖)

        圖3—圖5給出了背景噪聲掩蔽中聲掩蔽系統未工作和工作時(shí)竊聽(tīng)設備記錄信號的波形及語(yǔ)譜圖。其中,圖3為聲掩蔽系統未工作時(shí),竊聽(tīng)設備記錄的目標語(yǔ)音信號,可以看出,語(yǔ)音信號主要能量集中在8kHz以下,且語(yǔ)音信號存在明顯的基音周期及共振峰。圖4為聲掩蔽系統發(fā)射的干擾白噪聲信號波形及語(yǔ)譜圖。圖5為聲掩蔽系統工作時(shí),竊聽(tīng)設備記錄的目標語(yǔ)音信號波形及語(yǔ)譜圖。對比圖5和圖3可以看出,聲掩蔽系統發(fā)射的白噪聲提高了環(huán)境的背景噪聲級,降低了竊聽(tīng)設備記錄信號的信噪比,圖3中一些語(yǔ)音的基音頻率及共振峰已被掩蔽噪聲掩蓋,掩蔽聲的存在一定程度上降低了目標語(yǔ)音信號的可懂度。但是,單純的白噪聲掩蔽信號的掩蔽效果較差,圖5中藍色虛框內的一些語(yǔ)音基音頻率和共振峰仍存在,通過(guò)這些基音頻率和共振峰仍可以恢復部分目標語(yǔ)音信息。為了完全掩蔽目標語(yǔ)音信號,需要進(jìn)一步增大掩蔽聲的發(fā)射功率,但是較強的掩蔽聲干擾會(huì )嚴重降低說(shuō)話(huà)人的舒適性。因此,掩蔽信號需要兼顧舒適性及掩蔽性,在同等掩蔽聲壓級的情況下,應合理選擇和設計聲掩蔽信號以降低目標語(yǔ)音信號的可懂度,提高目標語(yǔ)音的保密性,達到較高的聲掩蔽效率與性能。

        5 聲掩蔽系統的優(yōu)化設計

        基于聲掩蔽原理和掩蔽信號分類(lèi),目前,聲掩蔽的研究主要集中在兩方面,一方面是掩蔽聲源或掩蔽信號的選擇和產(chǎn)生上,另一方面是掩蔽系統的組合優(yōu)化上。在可能存在聲音泄漏或竊聽(tīng)的位置、途徑上選擇合適的掩蔽聲源,并對掩蔽聲源的布局進(jìn)行優(yōu)化設計,才能達到最佳的掩蔽效果。

        鑒于當前大多數竊聽(tīng)設備具有數據存儲功能,竊密者可以對竊聽(tīng)數據進(jìn)行深入分析處理,利用掩蔽信號和目標語(yǔ)音信號的差異性,通過(guò)信號處理手段將目標語(yǔ)音信號從包含掩蔽聲信號的竊聽(tīng)數據中分離或者還原出來(lái);甚至可以在掩蔽聲系統發(fā)聲器旁邊專(zhuān)門(mén)放置一個(gè)用于竊取掩蔽聲信號的竊聽(tīng)設備,將竊取的掩蔽聲信號作為參考信號,通過(guò)自適應抵消等信號處理手段對竊取信號中的掩蔽聲干擾信號進(jìn)行自適應抵消處理,進(jìn)而還原出目標語(yǔ)音。為了保證掩蔽聲系統的掩蔽質(zhì)量,掩蔽聲源發(fā)射的掩蔽聲信號需要具有抗消除性,掩蔽聲不能由單一簡(jiǎn)單的信號構成,需要由音樂(lè )聲、各種噪聲或人類(lèi)言語(yǔ)聲以及它們相互組合的干擾信號組成。

        此外,聲掩蔽系統往往包括一個(gè)或多個(gè)聲源,因此需要對聲源的布放位置進(jìn)行提前設計,使得掩蔽聲場(chǎng)分布均勻,即掩蔽區域內的掩蔽信號聲壓級盡量一致,而不會(huì )出現同一區域內掩蔽信號強度差距較大的情況。而且,聲掩蔽控制系統還能夠根據說(shuō)話(huà)人的位置和需要掩蔽的區域,實(shí)時(shí)計算并動(dòng)態(tài)調整各個(gè)聲源的掩蔽聲信號發(fā)射幅度和相位,通過(guò)相位控制和幅度控制技術(shù),在特定方位或區域產(chǎn)生干擾,提高作用距離,以達到最優(yōu)的掩蔽效果。

        6 結語(yǔ)

        聲掩蔽技術(shù)主要利用聲掩蔽效應,通過(guò)發(fā)射人耳可聽(tīng)頻段的掩蔽聲來(lái)實(shí)現掩蔽目標語(yǔ)音的目的。本文介紹了聲掩蔽基本原理、掩蔽效應分類(lèi)、掩蔽信號分類(lèi)和聲掩蔽系統優(yōu)化設計。提高掩蔽聲源級能達到強的掩蔽效果,但由于掩蔽信號對人耳可聽(tīng),強掩蔽聲也會(huì )降低說(shuō)話(huà)人的舒適度,進(jìn)而影響正常的語(yǔ)音交流。實(shí)際應用中,在說(shuō)話(huà)人可承受的掩蔽聲源級下,進(jìn)一步設計更高掩蔽性能、對人耳更舒適的掩蔽信號,并對聲掩蔽系統各聲壓進(jìn)行優(yōu)化組合控制是提高聲掩蔽效果的主要途徑。同時(shí),聲音泄密途徑多、竊聽(tīng)設備安裝位置未知,依靠單一的技術(shù)手段無(wú)法完全實(shí)現對聲音信息的安全防護,因此需要采用多種聲泄漏防護技術(shù),充分利用各種防護技術(shù)的優(yōu)勢,避開(kāi)其劣勢,才能達到最好的綜合防護效果。

        (原載于《保密科學(xué)技術(shù)》雜志2023年1月刊)


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