CC BY
632
УДК 621.317
МЕТОДИЧЕСКИМ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАЩИТЫ
РЕЧЕВОЙ ИНФОРМАЦИИ
И. А. Григорьев, А.И. Казановский
Приводится методический подход к оценке эффективности защиты акустической речевой информации, позволяющий существенно упростить инженерные расчеты словесной разборчивости речи, проводимые специалистами по защите информации
Ключевые слова: словесная разборчивость речи, индекс артикуляции речи, октавная полоса частот
Введение
Для оценки качества трактов телефонной проводной и радиосвязи, в которых используется аналоговый речевой сигнал, применяется нормированный показатель - разборчивость речи Ж, под которой понимается относительное количество правильно принятых элементов (слогов, слов, фраз) артикуляционных таблиц, переданных по тракту [1].
В соответствии с этим документом оценка разборчивости речи должна проводиться методом артикуляционных измерений бригадой операторов (дикторов и аудиторов), не имеющих явных дефектов речи и слуха в возрасте от 18 до 30 лет, в составе которой должно быть не мене трех дикторов (двух мужчин и одной женщины) и трех аудиторов. Учитывая высокие требования к бригаде операторов, времени их нормальной работы (не более 4 часов за один день), метод артикуляционных измерений для оценки эффективности защиты речевой информации на практике неприемлем.
На практике для расчета словесной разборчивости целесообразно использовать инструментально-расчетный метод, основанный на результатах экспериментальных исследований, проведенных Н.Б. Покровским, и не требующий проведения артикуляционных измерений [2].
Методический подход к оценке эффективности защиты речевой информации
Основные положения инструментальнорасчетного метода для определения словесной разборчивости речи рассмотрены в [3, 4]
(" 1,54Я°’25 (1 -е~пЯ ), если Я < 0,015;
Ж Н -»# ) (1)
[1 -е /(+0’7Я), если Я > 0,15,
N
где Я = ^ (р. к.) - интегральный индекс
1=1
артикуляции речи;
Рг - индекс артикуляции в г-ой полосе частот;
Григорьев Иван Александрович - ГНИИИ ПТЗИ ФСТЭК России, аспирант, тел. (4732) 34-79-79 Казановский Анатолий Иосифович - ГНИИИ ПТЗИ ФСТЭК России, ст. науч. сотрудник,
тел. (4732) 34-79-79
кг - весовой коэффициент г-ой полосы частот.
ГР(д), если д < 0;
Р =\. _ _ ' _ (2)
где
р (д) =
1 - р(д), если д > 0,
0,78 + 5,46 • ехр[-4,3 • 10-3 (27,3 - |д |)2 ]
1 +10
м|д|
д = я,- Л;
д. = Ьс. - Ь- отношение "уровень речевого
сигнала/уровень шума" в месте измерения в /-ой полосе частот, дБ;
Ьс, Ьш - уровень сигнала и уровень шума соответственно;
- значение формантного параметра спектра речевого сигнала в .-ой полосе частот, характеризующего энергетическую избыточность дискретной составляющей речевого сигнала в полосе, дБ. Определяется по формуле
-200 - 0,37, если /ср1 < 1000 Гц;
(3)
Л =
I
•у ср
1,37 + 100°9, если > 1000 Гц,
I
ср
среднегеометрическая
частота полосы речевого сигнала.
Весовой коэффициент полосы к,
характеризующий вероятность наличия формант речи в данной полосе, определяется из соотношений
к, = к (IВ,) - к (Л)
2,57 • 10-812 4, если 100 < I < 400 Гц;
1 -1,074 • ехр(-10-411Д8), (4)
если 400 < I < 10000 Гц.
Таким образом, расчетная часть методики громоздкая, содержит много аппроксимирующих функций и определение конечного показателя требует большого количества расчетов.
Рассмотрим возможность упрощения методики, руководствуясь следующими
положениями:
- частотный диапазон формант от 100 Гц до 10000 Гц. Данный диапазон разбит на 20 равноартикуляционных полос, границы которых указаны в табл. 1.
- расчет проводится в 7 октавных полосах, частотные границы, ширина полосы и среднеквадратические частоты которых приведены в табл. 2.
- в основу преобразований положим графики, приведенные в [2].
Таблица 1
Характеристики равноартикуляционных полос частот
№ п/п Нижняя граница полосы, Н Гц Верхняя граница полосы, В Гц Ширина полосы 4Т, Гц
1 100 420 320
2 420 570 150
3 570 710 140
4 710 865 155
5 865 1030 165
6 1030 1220 190
7 1220 1410 190
8 1410 1600 190
9 1600 1780 180
10 1780 1960 180
11 1960 2140 180
12 2140 2320 180
13 2320 2550 230
14 2550 2900 350
15 2900 3300 400
16 3300 3660 360
17 3660 4050 390
18 4050 5010 960
19 5010 7250 2240
20 7250 10000 2750
Таблица 2 Характеристики октавных полос частот
№ п/п Нижняя граница полосы, и Гц Верхняя граница полосы, ^ Гц Ширина полосы 4Т, Гц Среднеквадр атическая частота, Гц
1 87,5 175 87,5 125
2 175 350 175 250
3 350 700 350 500
4 700 1400 700 1000
5 1400 2800 1400 2000
6 2800 5600 2800 4000
7 5600 11200 5600 8000
В настоящей терминологии на рис. 1
представлена зависимость слоговой разборчивости от интегрального индекса артикуляции.
Рис. 1. Зависимость слоговой разборчивости от разборчивости формант
Рис. 2. Зависимость словесной разборчивости от разборчивости слогов
Нанеся кривую, представленную на рис. 2, на график, представленный на рис. 1, получим
зависимость словесной разборчивости от интегрального индекса артикуляции.
Ж, %
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
7*
--Г--
4 -
£=
Р=
А
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Рис. 3. Зависимость словесной разборчивости от интегрального индекса артикуляции
Данная кривая аппроксимируется следующим выражением
Ж = 1 - ехр(-10,5Я) (5)
Оценим весовые коэффициенты октавных полос. Для равноартикуляционных полос
интегральный индекс артикуляции Я равен
к=5 к
(6)
где к. =0,05, а 5 к. = 1.
і=1
Запишем (6) в виде
К = °,°5Х к'іРі =£ к" Р.
(7)
У=1 У=1
где к'. - коэффициент, учитывающий число равноартикуляционных полос, попадающих в !-ую октавную полосу;
к". - весовые коэффициенты .-ой октавной полосы.
Весовые коэффициенты и коэффициенты учитывающие число равноартикуляционных полос, попадающих в . -ую октавную полосу приведены в табл. 3.
Таблица 3
Весовые коэффициенты и коэффициенты учитывающие число равноартикуляционных полос, попадающих в .-ую октавную полосу
Номер октавной полосы Значение к’і Значение к" і
1 0,234 0,01172
2 0,5468 0,02734
3 2,14732 0,10737
4 4,018797 0,20094
5 6,7669 0,33875
6 4,5491071 0,227455
7 1,7366071 0,08683
Сумма коэффициентов к" i равна 1.
В основу расчета октавного индекса артикуляции р. положен график приведенный в [2], который представлен на рис. 4.
Рис. 4. Зависимость индекса артикуляции от эффективного уровня ощущения формант для типовой артикуляционной бригады
Представленный график является усредненным по результатам экспериментальных исследований и аппроксимирован формулой (2).
Рис. 5. Зависимость индекса артикуляции от эффективного уровня ощущения формант для идеализированной артикуляционной бригады
На рис. 5 приведен график зависимости индекса артикуляции от эффективного уровня ощущения формант для идеализированной артикуляционной бригады, который может быть аппроксимирован прямой с достаточной для практики точностью в пределах значений д от -15 дБ до 15 дБ.
Таким образом, аппроксимирующая функция имеет вид
1
р =— 0 + 0,5. 30
Подставим (8) в (7)
к ’
(8)
(9)
Введем обозначения, к( = —, а = V 0,5к" .
. 30
Тогда (9) примет вид
Я = Х к,Ч, + а (10)
У=1
Значения к. приведены в табл. 4.
Таблица 4
Нормированные коэффициенты октавных полос
Номер октавной полосы Значения к
1 0,0004
2 0,0009
3 0,0035
4 0,0066
5 0,0113
6 0,0076
7 0,0029
При семиоктавной оценке постоянная а=0,5; при шестиоктавном анализе а=0,457; а при пятиоктавном а=0,343. Для семиоктавного анализа формула (10) примет вид
і=1
Я = Е .=1 ' + 0,5, (11)
где г. = к.д. - октавный индекс артикуляции.
Таким образом, расчет словесной
разборчивости речи осуществляется по двум формулам (1) и (10).
Заключение
Разница между вычисленными словесными разборчивостями по предложенному методу и методам, описанными в [3,4] составляет 1-2%, что позволяет говорить о правильности представленного методического подхода. Кроме того использование двух формул (1) и (10), вместо (1)-(4) позволяет существенно упростить инженерные расчеты, проводимые специалистами по защите информации.
Литература
1. ГОСТ Р 50840-95 "Методы оценки качества, разборчивости и узнаваемости".
2. Покровский Н.Б. "Расчет и измерение
разборчивости речи" М. Связьиздат, 1962.
3. Железняк В.К., Макаров Ю.К., Хорев А.А. Некоторые методические подходы к оценке эффективности защиты речевой информации. Спецтехника № 4, 2000.
4. Хорев А.А. Макаров Ю.К. К оценке эффективности защиты акустической (речевой) информации. Information Security / Информационная безопасность № 4, 2005.
Государственный научно-исследовательский испытательный институт проблем технической защиты информации Федеральной службы по техническому и экспортному контролю России
METHODICAL APPROACH TO EFFICIENCY EVALUATION OF VOICE DATA PROTECTION
I.A. Grigoriev, A.I. Kazanovski
The methodical approach to efficiency evaluation of the acoustic voice data, allowing to simplify essentially the engineering accounts of the word speech intelligibility, realizing by information protection specialists, is presented
Key words: word speech intelligibility, speech articulation index, octave frequency band
