基于Duffing共振的語(yǔ)音真?zhèn)螜z測(cè)技術(shù)研究*

何朝霞， 劉 凱

(長(zhǎng)江大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院， 湖北 荊州 434023)

基于Duffing共振的語(yǔ)音真?zhèn)螜z測(cè)技術(shù)研究*

何朝霞， 劉 凱

(長(zhǎng)江大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院， 湖北 荊州 434023)

在數(shù)字語(yǔ)音真?zhèn)渭夹g(shù)中，基于電網(wǎng)頻率的檢測(cè)方法是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。由于數(shù)字錄音設(shè)備在錄音過(guò)程中不僅記錄語(yǔ)音內(nèi)容本身，還攜帶微弱的電網(wǎng)電壓或電流信號(hào)，利用Duffing共振理論來(lái)提取數(shù)字錄音信號(hào)中的微弱電網(wǎng)信號(hào)，根據(jù)其輸出特征參數(shù)的幅頻特性和相頻特性來(lái)判斷錄音文件的真?zhèn)涡?。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析論證了該方法的可行性和實(shí)用性，為數(shù)字錄音真?zhèn)舞b別技術(shù)提供了一條新的研究方向。

語(yǔ)音真?zhèn)舞b別；電網(wǎng)頻率；Duffing共振；特征參數(shù)

0 引言

電力系統(tǒng)是促進(jìn)國(guó)家發(fā)展的基本因素之一，公用的電網(wǎng)信號(hào)可以看成是一個(gè)正弦波，它有一個(gè)固定的頻率，該頻率稱為電網(wǎng)頻率(Eleetrie Network Frequency，ENF)[1]。電網(wǎng)提供的大部分電力都是來(lái)自于能產(chǎn)生交流電的渦輪，這些渦輪的轉(zhuǎn)速便決定了電網(wǎng)頻率，正常運(yùn)行的電網(wǎng)頻率值是50 Hz或60 Hz，中國(guó)的電網(wǎng)頻率值是50 Hz。電網(wǎng)頻率變化具有均一性和唯一性，其波動(dòng)不僅表征系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，而且承載豐富的時(shí)間信息。由于數(shù)字錄音的原理與模擬磁帶錄音不同，無(wú)法在磁蹤跡和抹音磁頭上找到錄音開(kāi)始、停頓和終止等物理特征，因而迫切需要尋找其他的鑒別方法。GRIGORAS C將電網(wǎng)頻率變化與數(shù)字錄音真?zhèn)舞b別聯(lián)系起來(lái)，提出電網(wǎng)頻率準(zhǔn)則[2-5]。該方法認(rèn)為數(shù)字錄音設(shè)備在錄音過(guò)程中不僅記錄語(yǔ)音內(nèi)容本身，而且還因該設(shè)備由電網(wǎng)直接供電的緣故而捕獲到微弱的電網(wǎng)電壓或電流信號(hào)；若錄音設(shè)備采用電池供電，周圍其他的用電設(shè)備產(chǎn)生的電磁場(chǎng)也有可能感應(yīng)出電信號(hào)，在錄音記錄中留下感應(yīng)信號(hào)的蹤跡[6-7]。近年來(lái)，隨機(jī)共振在信息技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有了相當(dāng)大的發(fā)展，例如基于隨機(jī)共振的信號(hào)檢測(cè)方法為強(qiáng)噪聲背景下弱信號(hào)的提取提供了新的途徑[8]。因此可以考慮利用Duffing共振理論來(lái)提取錄音信號(hào)中的微弱電網(wǎng)或電壓信號(hào)，從而判斷錄音文件的真?zhèn)涡浴?/p>

1 Duffing共振理論基礎(chǔ)

Duffing方程的一般形式為[9]：

(1)

其中，γ是阻尼系數(shù)；κ、ζ為常數(shù)；FcosΩt是系統(tǒng)的外力項(xiàng)；Ω是外力項(xiàng)頻率。式中正、負(fù)號(hào)分別表示硬彈簧和軟彈簧兩種情況。理論情況下，在線性系統(tǒng)中當(dāng)強(qiáng)迫力的頻率與系統(tǒng)本身的頻率相同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，在非線性系統(tǒng)中也會(huì)出現(xiàn)類似的情況。

無(wú)阻尼情況下Duffing方程為：

(2)

(3)

認(rèn)為函數(shù)x不僅依賴于ε和t，還依賴于T0,T1,T2,…，Tn，有：

x=x0(T0,T1,…,Tn)+εx1(T0,T1,…,Tn)+…

在多媒體教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，教師通常需要通過(guò)使用U盤、移動(dòng)硬盤等存儲(chǔ)介質(zhì)將課件導(dǎo)入瘦客戶機(jī)，然后才能進(jìn)行PPT講解、視頻播放等一系列教學(xué)內(nèi)容的演示。在經(jīng)過(guò)階段性的使用和測(cè)試過(guò)程中，我們會(huì)常常遇到瘦客戶機(jī)連接USB設(shè)備無(wú)法識(shí)別或者識(shí)別后無(wú)法打開(kāi)文件的現(xiàn)象。而在連接USB外設(shè)實(shí)際應(yīng)用中我們也發(fā)現(xiàn)不同類型、不同品牌、不同傳輸速率的USB外設(shè)在瘦客戶機(jī)上的識(shí)別能力和讀取速度也不盡相同。綜上所述，USB外設(shè)識(shí)別能力較差的問(wèn)題已嚴(yán)重影響到正常教學(xué)進(jìn)度和質(zhì)量。要想有效解決USB外設(shè)識(shí)別能力問(wèn)題，我們需要在USB重定向方法和部署上再尋求突破[3-4]。

(4)

得到式(2)的一階近似解：

(5)

其中：

(6)

考慮有阻尼的Duffing方程：

(7)

僅考慮無(wú)阻尼Duffing方程的通解，式(7)的通解為：

x(t)=αexp(-γt)cos(ωt+θ0)

(8)

其中，α為振幅，ω為角頻率，θ0為初始相位。

考慮有外力驅(qū)動(dòng)的情況(式(1))，即當(dāng)式(8)中ω=Ω時(shí)系統(tǒng)發(fā)生共振。

當(dāng)在t(0+)時(shí)刻輸入一個(gè)脈沖響應(yīng)δ(t)，系統(tǒng)的時(shí)域函數(shù)為h(t)，由δ(t)*h(t)=x(t)，可以得出H(s)=X(s)，即h(t)=x(t)。

2 基于Duffing共振的語(yǔ)音真?zhèn)螜z測(cè)技術(shù)

該檢測(cè)技術(shù)具有如圖1所示的步驟。

圖1 基于DUFFING共振的篡改檢測(cè)流程圖

(1)首先對(duì)待檢測(cè)錄音信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理包括抗混疊濾波，預(yù)加重和分幀加窗。

(2)對(duì)預(yù)處理的錄音信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT變換)得到其頻譜特性。

(3)將頻域信號(hào)通過(guò)一個(gè)Duffing共振帶通濾波器，帶通濾波器的中心頻率為50 Hz，該濾波信號(hào)即為提取到的電網(wǎng)信號(hào)。通過(guò)第1章Duffing共振理論的介紹已經(jīng)得出了模擬濾波器的單位沖擊響應(yīng)h(t)，對(duì)其進(jìn)行拉普拉斯變換就可以得到模擬帶通濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(s)，然后通過(guò)雙線性變換就可以得到數(shù)字帶通濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(z)，該濾波器的幅頻特性如圖2所示。

(4)畫出該濾波信號(hào)的幅頻圖和相位圖。

(5)根據(jù)幅頻圖和相位圖上有無(wú)突然的跳變來(lái)判斷音頻是否發(fā)生過(guò)篡改操作。

圖2 Duffing共振帶通濾波器的幅頻特性

3 實(shí)驗(yàn)和分析

有4段待檢測(cè)錄音音頻，都是由計(jì)算機(jī)的麥克風(fēng)錄音，錄音和篡改軟件為Cool Edit Pro V2.1簡(jiǎn)體中文版，分別對(duì)應(yīng)音頻1、音頻2、音頻3和音頻4。其中音頻1為女生未經(jīng)過(guò)篡改的原始錄音，錄音內(nèi)容為“零”， 音頻2為男生未經(jīng)過(guò)篡改的原始錄音，錄音內(nèi)容為“零”，將音頻1復(fù)制粘貼到音頻2為音頻3，內(nèi)容變?yōu)椤傲懔恪?，將音頻1由軟件加入頻率為50 Hz的合音得到音頻4。分別對(duì)音頻1、音頻2、音頻3和音頻4用基于Duffing共振的篡改檢測(cè)方法進(jìn)行真?zhèn)螜z測(cè)，檢測(cè)流程如圖1所示。

圖3～圖6分別為音頻1、音頻2、音頻3和音頻4的時(shí)域波形圖，圖7～圖10分別為音頻1、音頻2、音頻3和音頻4經(jīng)系統(tǒng)后的頻譜圖。

圖3 音頻1時(shí)域波形圖

圖4 音頻2時(shí)域波形圖

從圖7、圖8可以看出，沒(méi)有經(jīng)過(guò)篡改的音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)后的頻譜圖具有比較好的雙峰性，而且第一個(gè)峰的頻率在50 Hz。圖9是經(jīng)過(guò)篡改后的音頻信號(hào)經(jīng)系統(tǒng)后的頻譜圖，從圖中可看出只有一個(gè)峰值，而且峰值處的頻率為100 Hz。

由此可以得出結(jié)論，經(jīng)過(guò)篡改后的音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)后的頻譜會(huì)發(fā)生較大的突變，頻譜的中心發(fā)生搬移。

圖5 音頻3時(shí)域波形圖

圖6 音頻4時(shí)域波形圖

圖7 音頻1經(jīng)系統(tǒng)后的頻譜圖

圖8 音頻2經(jīng)系統(tǒng)后的頻譜圖

圖9 音頻3經(jīng)系統(tǒng)后的頻譜圖

圖10 音頻4經(jīng)系統(tǒng)后的頻譜圖

圖9與圖7的幅頻圖完全一致，人為添加計(jì)算機(jī)合成的同頻率音頻對(duì)音頻信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)后的幅頻特性沒(méi)有影響。圖11和圖12分別為音頻1和音頻4通過(guò)系統(tǒng)后的相頻圖，從圖中可以看出，音頻4的相頻特性較音頻1相位發(fā)生了很大的變化。

圖11 音頻1濾波后的相位圖

圖12 音頻4濾波后的相位圖

4 結(jié)論

本文研究了一種基于Duffing共振的語(yǔ)音數(shù)字語(yǔ)音真?zhèn)舞b別技術(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)復(fù)制粘貼篡改操作的音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)Duffing共振系統(tǒng)，其幅頻特性會(huì)發(fā)生較大的變化；而經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件添加合成音頻的音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)Duffing系統(tǒng)后，其幅頻特性基本不變，變化的是相頻特性。由實(shí)驗(yàn)可以得出：基于Duffing共振的數(shù)字語(yǔ)音真?zhèn)舞b別具有一定的可行性和實(shí)用性，在以后的研究過(guò)程中，還會(huì)進(jìn)一步探討該系統(tǒng)在其他數(shù)字語(yǔ)音篡改技術(shù)中的應(yīng)用。

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[5] GRIGORAS C. Applications of ENF analysis in forensic authentication of digital audio and video recordings [J]. The Journal of Audio Engineering Society, 2009, 57(9):643-661.

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Detection of speech authenticity based on duffing resonance

He Zhaoxia，Liu Kai

(College of Technology & Engineering, Yangtze University,Jingzhou 434023, China )

At present, in the group of digital speech authenticity technology, the detection method based on eleetrie network frequency is a hotspot. The digital recording equipment which not only records the voice signal in recording process, but also records weak voltage or current signal. Because of this reason ,The theory of Duffing resonance is used to extract the weak eleetrie network frequency in digital speech signal. According to its amplitude-frequency characteristic and phase-frequency characteristic of output characteristic parameters, the authenticity of the recording file has been judged. Based on experimental analysis, the feasibility and practicability of the method is improved, thus, it provides an efficient path for digital recording authenticity technology.

detection of speech authenticity; eleetrie network frequency; Duffing resonance;characteristic parameters

長(zhǎng)江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究發(fā)展基金(15j0401)

TP912.34

A

1674-7720(2016)02-0035-04

何朝霞，劉凱. 基于Duffing共振的語(yǔ)音真?zhèn)螜z測(cè)技術(shù)研究[J] .微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(2)：35-38.

2015-09-25)

何朝霞(1984-)，女，碩士，講師，主要研究方向：語(yǔ)音信號(hào)處理。

劉凱(1984-)，男，碩士，講師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。