CC BY
39Научный вестник НГТУ. - 2011. - № 4(45)
УДК 004.056
Реализация оптимальной помехи при защите речевой информации от утечки по акустическому и виброакустическому каналам*
А.В. ИВАНОВ, И.Л. РЕВА, В.А. ТРУШИН
В работе обсуждается возможность получения оптимальной помехи по критерию минимума интегрального значения помехи при заданном значении словесной разборчивости. Проводится сравнение различных помех на основании результатов артикуляционных испытаний со связными текстами для разных соотношений сигнал/шум.
Ключевые слова: Огибающая спектра помехи, интегральное значение, формантоподобная помеха, отношение сигнал/шум.
ВВЕДЕНИЕ
Оценка защищенности речевой информации от утечки по техническим каналам осуществляется в соответствии с методикой [1, 2], суть, которой заключается в следующем:
- весь частотный диапазон делится на определенное число смежных полос (например, октавных)
- для каждой «средней» частоты fi каждой полосы определяется эффективный уровень ощущений формант Е\;
- определяются соответствующие коэффициенты восприятия Pi;
- рассчитывается формантная разборчивость Аф ;
- осуществляется переход к любым другим видам разборчивости (О, S, W, I) по известным для данного языка зависимостям. При этом используются следующие расчетные соотношения из [2]:
200fМ3 - 0,37, если f < 1000 Гц,
М =1 1000
1,37--—, если f > 1000 Гц;
Г
0,69
кг =
2,57-10-8 • f
8 /"2,4
если 100 < f < 400 Гц,
Р =
1 -1,074 • ехр (-10-4 • f1Д8 ), если 400 < f < 10000 Гц;
если Qi < 0,
0,78 + 5,46• ехр -4,3•Ю-3 • (27,3-1 0>г |)2
1 +100^1
1 -0,78 + 5,46• ехрГ-4,3 •Ю-3 • (27,3-1 Q1 |)2
1 +10
0,Щ|
если Qi у 0;
Получена 27 сентября 2011 г.
152
А.И. ИВАНОВ, И.Л. РЕВА, В.А. ТРУШИН.
R = !Р • к,;
1=\
1,54 • R0,25 -[1 -exp(-11R)], если <R) < 0,15,
W = \ ( — 11R ^
1 — ехрI-I, если <Я)> 0,15,
Я1 + 0,7 R )
где АА, - формантный параметр спектра речевого сигнала в октавной полосе, к^ - весовой коэффициент, Р, - коэффициент восприятия формант для каждой октавной полосы, Qi = Вс, — Вш, — АА, - уровень ощущений формант для каждой октавной полосы Вш, - уровень шума в октавной полосе, Вс, - уровень сигнала в октавной полосе, к, - числовое значение весового коэффициента в октавной полосе, Я - формантная разборчивость, W - словесная разборчивость.
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Очевидно, что требуемое значение Ш может быть получено при использовании различных видов шумов: белый, розовый, речеподобный, формантный. Однако их эффективность будет различной, при этом критерием эффективности шума является наименьшее превышение интегрального уровня шума над интегральным уровнем речи при заданной разборчивости.
Сравнению эффективности различных шумов посвящен целый ряд работ [3-5]. На рис. 1 и в табл. 1 приведены результаты работы [6] из которой следует, что самым эффективным оказался формантоподобный шум, а самым неэффективным речеподобный.
Рис. 1. Эффективности различных типов шумов, (помехи созданы из белого шума с различной огибающей спектра)
Таблица 1
Тип шума Значение словесной разборчивости речи (Ш)
0,2 0,3 0,5
Значения сигнал/шум
Речеподобный -15,5 -13,2 -9,8
Белый -13,5 -11 -7,5
Розовый -10,2 -8,1 -4,5
Формантоподобный -10 -7,9 -4,2
Реализация оптимальной помехи
153
Это означает, что для достижения одного и того же уровня защищенности (словесной разборчивости), необходимы различные уровни шумов. Так формантоподобный шум можно использовать с меньшим уровнем, чем белый шум, что обеспечивает меньшее негативное воздействие на человека и повышение комфортности условий для работы в защищаемом помещении.
Вместе с тем, достаточно очевидным предлагается подход, основанный на учете весовых коэффициентов (табл. 2), отражающих вклад данной полосы в словесную разборчивость. Тогда, распределив энергию шумового сигнала по октавным полосам в соответствии с этими коэффициентами, можно получить оптимальную с точки зрения данной методики помеху.
Таблица 2
Среднегеометрическая частота октавной полосы, Гц
125 250 500 1000 2000 4000 8000
gi 0,01 0,03 0,12 0,20 0,30 0,26 0,07
Вычисление интегрального уровня сигнала производится сложением интегральных уровней сигнала в октавных полосах:
Винт = 10 • log (10°'1B1 + 100'1B2 + 100,1В3 + 100,1B + 100,1B + 1001B6 + 100,1B ), где Bi - интегральный уровень сигнала в i-й октавной полосе; Винт - интегральный уровень сигнала. Например, для сигнала с интегральным уровнем 70 дБ:
( 7 ^ 10 • log ¿10°,1Bi = 70, V i=1 )
^T100,1^Bi = 107 .
i=1
Распределив данную сумму в соответствии с весовыми коэффициентами на 7 слагаемых Xi: X1 = 0,01^ 107; X2 = 0,03•Ю7; X3 = 0,12-107; X4 = 0,2-107; X5 = 0,3-107;
X6 = 0,26•Ю7; X7 = 0,07•Ю7 и перейдя к интегральным уровням в октавных полосах (Bi):
log Xi
B =
0,1
получим интегральные уровни оптимальной помехи в полосах (табл. 3).
Таблица 3
Среднегеометрическая частота октавной полосы, Гц
125 250 500 1000 2000 4000 8000
Bi 50 55 62 63 64 63 57
Дополнение табл. 1 данными для оптимальной помехи дает следующие результаты (табл. 4).
Таблица 4
Тип шума Значение словесной разборчивости речи (W)
0,2 0,3 0,5
Значения сигнал/шум
Формантоподобный -10 -7,9 -4,2
Оптимальный -9,8 -7,7 -3,9
154
А.И. ИВАНОВ, И.Л. РЕВА, В.А. ТРУШИН.
2. ПРАКТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
Для проверки расчетов был поставлен артикуляционный эксперимент, суть и подробное описание которого изложены в [6, 7] Результаты эксперимента приведены на рис. 2.
Рис. 2. РП - речеподобная помеха, ФП - формантоподобная помеха, БШ - белый шум, РШ - розовый шум, ОПМ - оптимальная помеха по методике
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полученные результаты показывают, что формантоподобная помеха и оптимальная помеха по методике практически идентичны, но при отношениях сигнал шум от -10 до -5Дб формантная помеха более эффективна.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Покровский Н.Б. Расчет и измерение разборчивости речи. - М.: Связьиздат, 1962.
[2] Железняк В.К., Макаров Ю.К., Хорев А.А. Некоторые методические подходы к оценке эффективности защиты речевой информации. - Специальная техника, 2000. - № 4.
[3] Трушин В. А. К вопросу об оценке разборчивости речи. - «Проблемы информационной безопасности государства, общества и личности» 9 Всероссийская научно-практическая конференция, ТУСУР. - Томск, 2007. - 115 с.
[4] Бортников А.Н. Результаты экспериментальной оценки эффективности защиты речевой информации от утечки по техническим каналам при использовании различных видов помех. - И и Б. - № 4, 1999.
[5] Хореев А.А., Макаров Ю.К. Оценка эффективности систем виброакустической маскировки. / Вопросы защиты информации. - М.: 2001. - № 1.
[6] Буцула А.П., Иванов А.В., Рева И.Л., Трушин В.А О достоверности оценки защищенности речевой информации от утечки по техническим каналам / Доклады ТУСУРа, 2010. - № 1(21), часть 1.
[7] Рева И.Л. Организация эксперимента по оценке разборчивости речи со связными текстами / Сборник научных трудов НГТУ. - № 4(62), 2010.
Иванов Андрей Валерьевич, аспирант второго года обучения, ассистент кафедры защиты информации Новосибирского государственного технического университета. Имеет 3 публикации. Тел.: (+7 383) 3460853.
Рева Иван Леонидович, аспирант третьего года обучения, ассистент кафедры защиты информации Новосибирского государственного технического университета. Основное направление научных исследований - исследования достоверности оценки защищенности речевой информации от утечки по техническим каналам. Имеет 4 публикации. Тел.: 8-923-249-5009, (+7 383) 346-08-53. E-mail: rain100@ya.ru
Трушин Виктор Александрович, кандидат технических наук, зав. кафедрой «Защита информации» Новосибирского государственного технического университета. Имеет 9 публикаций. Тел. +7 (383) 346-08-53. E-mail: rastr89@mail.ru
A.V. Ivanov, I.L. Reva, V.A. Trushin
Optimum noise detection for voice data protecting from leaking through acoustic and vibroacoustic channels
This article is about opportunity to receive optimum noise level concerning to the minimum noise criteria with set point of speech legibility. Also, comparison of vibroacoustic noisy signals, which was held on the basis of articulation tests at interrelated texts for different levels of signal/noise, was made in the paper.
Key words: noise spectrum envelope, integral value, formant-like noise, signal/noise level.
