admin 管理员组文章数量: 1086019
2024年3月10日发(作者:女生学java开发)
第38卷
第4期
、,01.38
・
计算机工程
2012年2月
February 2012
NO.4
Computer Engineering
开发研究与设计技术・ 文章编号:100 .3428(2012)04— 236__03 文献标识码:A 中图分类号:TN918
基于Chaff Matrix的可撤销声纹模板设计
徐文华,易法令,熊伟
(广东药学院医药信息工程学院,广州5 l(1006)
摘要:基于模糊穹的特征保护方法存在敌手冒充和空间自由度减少的问题。为此,提出一种基于伪矩阵(ChafMatrix)的可撤销声纹模板
设计方法。通过原始特征矢量的构成元素产生伪点,根据定位矩阵将伪点插入原始特征,且在欧氏距离准则下,插入前后特征矢量与模板
之间距离的变化量相同,从而保证系统识别率,实现特征保护。实验结果验证了该方法的正确性。
关健诃:声纹认证;可撤销模板;模糊穹;生物加密;超球体;梅尔倒谱系数
Design 0f Cancelable Voiceprint Template Based 0n Chaff Matrix
XU Wen-hua,YI Fa—ling,XIONG Wei
(College of Medical Information Engineering,Guangdong Pharmaceutical University,Guangzhou 5 1 0006,China)
[Abstraetl Aiming at the problems of fake and decrease of interspaces in Fuzzy Vault(FV)method,this paper proposes a voiceprint template
protection method based on Chaff Matrix(CM).The CM is generated from raw feature and interweaved with raw template according to Orientation
Matrix(OM),such that a cancelable template is designed to protect the voiceprint.Problems of fake and decrease of interspaces for Chaff
Points(CPs)in FV are solved by the mixture on a thinner layer.Mathematical analysis explained the proposal doesn’t deteriorate the performance,
for the invariability of the distance change between features.Experimental results show the validity of this method.
[Key wordsl voiceprint authentication;cancelable template;Fuzzy Vault(FV);biometric encryption;hypersphere;Mel Frequency Cepstral
Coefficient(MFCC)
D0I:10.3969/j issn.1000—3428.2012.04.077
1概述
生物特征传输和存储安全问题的解决对生物认证系统的
广泛应用具有重要意义…。目前的解决方法主要有结合成熟
的密码方案 】、特征转换 和生物加密14-513类。特征转换是
指通过类似传统密码学的哈希转换,把原始特征转换到变换
域,认证也在变换域进行。特征转换方法主要有Multispace
Random Projection(MRP)[31方法等。生物加密方法主要有密钥
(Orientation Matrix,OM)为D,0∈R 。加入C后的特征分
别为:
X【n,X c|,XcJ∈R
其中,x 即是本文提出的可撤销模板(对于VQ算法,X 由
码本插入C矩阵构成),加入C矩阵后的特征统称为X 。
分析特征保护方法是否有效的出发点是认证的判决尺
度,如果保护方法不会改变判决尺度或改变具有一致性,则
识别结果不会改变和恶化。常用的判决尺度是最小距离和最
小量化失真,这2个判决尺度都采用欧氏距离准则(欧氏距离
生成l4 和密钥捆绑1512种。密钥捆绑的典型方法是基于模糊穹
(Fuzzy Vault,FV)的特征保护。特征转换方法和生物加密方法
的一个共性是原始特征泄漏后,可以重新设计新的模板,因
此,通过这些模板保护技术设计的模板被称为可撤销模板。
目前有不少文献采用FV的方法设计可撤销模板 j,但文
的平方)。在此准则下,如果【Ix 。一Xc.1r:lIx 一Xcol广,即认
证特征与模板的距离增量一致,则对于采用欧氏距离准则的
认证识别系统,本文方法不会改变系统最终的识别效果,这
也是该方法的一个假没(假设实为显然成立,具体分析见实验
部分)。下面讨论假设成立的条件,推导如下:
献[6—7】分别指出FV方法存在冒充和伪点(Chaff Points,CPs)
插入过程中空间自由度减少的问题。
本文基于在FV中加入CPs的思想,提出通过原始特征
矢量构成元素产生CPs,并把CPs插入原始特征的方法实现
特征保护。该方法在CPs的加入方式和认证原理上与FV有
本质的区别,并且比FV具有更强的安全性,因为在FV中,
}Ix 一 。! J= 圭f 一xg ) +兰主( w— u ) =
i=1 J:J i=1 J=l
芝芝( ’一 ) + :}Ix,一Xo + (】)
CPs为矢量,而在本文中,CPs为构成矢量的元素,由这些
元素组成伪矩阵(Chaff Matrix,CM)。考虑到声纹认证的独特
优势,本文以声纹认证系统为架构,以此类系统中的典型特
征梅尔倒谱系数(Mel Frequency Cepstral Coefficient,MFCC)
为保护对象阐述所提出的方法。
= ,
xc,,l =量 (x
i i=l=l
m p
)。+ 刍 。 ~ 。=
=
m r(
∑
∑
(x 一x ) +
i=1j=l
llx,一X0Ij + (2)
式(1)和式(2)说明假设成立的条件为 : ,即:如果
则不同认证特征与模板的距离增量一致,在此假设
2基于Chaff Matrix的可撤销模板
设注册过程提取的特征为X 2个不同的认证特征分别
为X,,X,∈R ,其中,m为特征长度;P为MFCC的阶数;
CM为C,C∈R~;r为加入CPs的数目;定位矩阵
基金项目:广东药学院人才引进基金资助项目(2007YGY0 1)
作者简介:徐文华(】978一),男,讲师、博士,主研方向:生物认证
系统,语音信号处理;易法令,教授、博士;熊
收稿日期:2011-09—20
伟,讲师、硕上
E—mail:gzwhxu@163.conr
第38卷第4期 徐文华,易法令,熊伟:基于ChafMatrix的可撤销声纹模板设计 237
成立的条件下也就不会影响识别率。
对于该方法,存在3个问题:(1)如何产生CPs及满足
=
,;(2)如何确定矩阵0的元素,即在哪些位置加入CPs;
(3)该方法的安全性分析。
(1)为确定 和 ,的值,需要首先产生注册和第一个认
证特征的CPs。对于注册和第一个认证过程中产生的CPs,
如果所有的CPs在数值上与原始特征存在明显差异,则敌手
可以通过这种差异轻易地获得原始特征。为防止敌手在获得
单个特征的情况下轻易找出原始特征,CPs与原始特征
MFCC系数之问应尽量具有相似性。在求解过程中,有部分
解可能满足不了相似性,并且MFCC部分系数自身存在的突
变性 】,这种突变性允许部分解可以不满足相似性要求,这
也是“尽量具有相似性”的含义。本文通过原始特征产生注
册和第一次认证过程中的矩阵c,具体公式如下:
c f=l∑X
r0
L
iH1
, q,
0+(一1)
.
(o“+】一OiJ)et l/o +】
]/
J/
一o
i=1,2,---,m;I=1,2,…,r (3)
式(3)中分子为原始特征中的若干相邻元素累加后再加
上一个调整参数£,分母为相加元素的个数,这样的目的是
保证CPs与原始特征元素的相似性。其中,E是防止CPs与
原始特征元素相等。设:
o【i}I f
=
j--
∑X
oi
i
ij
/
/
(ql,+1—0i,)
,
则£的取值范围为:
£∈(0,min(max(xi:)一 ,,/tj,—min(x,1f.)], =0if,0i. +1,・一,0i』+l
由式(3)可以产生C 和C ,即注册和第一次认证过程产
生的C矩阵,然后再由艺 (c 一 ) = = 确定 。
l,=l
对于第2个及其后认证特征中的CPs除了满足相似性要
求外,还必须满足 = = ,如式(1)、式(2)所述,这个约
束条件是系统有效性的要求。同时满足对应位置CPs不等,
这是为了保证敌手在获得多个特征时也不能轻易发现原始
特征。以第,个特征为例,此问题等价于式(4)。
兰圭(c 一 ,) =
≠0
i=1 J=】
cl ∈【min(x ),max(X ̄ci ̄ )】
,= ,0if+1,…,0i3+|;Z≠r(4)
C ≠C ≠C
i=1,2,…, ;J=1,2,・一,r
式(4)是带多个约束条件的rXm元二次方程,对于式(4)
是否存在数学解析求解方法,目前还未知。本文采用几何方
法求解:式(4)从几何角度讲是一个超球面,从球面上任意
取一点都满足该方程式,因此,对该式的求解问题归约为在
球面上任取一点,并求该点坐标。由于式(4)对解的范围存
在约束,因此在求解上等价于在某一特定区域取点再求坐
标值,问题的关键也就是如何确定取点区域。从式(4)方程
看,未知数个数为rXm,对应到超空间也就是rxm维,球面
上每一维所在区域假设为 【一√ ,√ ],每一维解约束空
问为:
叫 ∈[min(x ),max(X(c ̄ )]
i=1,2,… ; =oi,,oi
+1,…,Oi
(5)
.
z
,
¨
根据Q与 包含与否的关系可以确定取点的区域,Q
与叫 存在3种情况,根据这3种情况可确定 的取值区域:
1) n =叫 ;2) n i = 、 , 、 ‘=叫 ;3) n叫 = 。
在第1)种情况中,对于c ~c ’,可以在相似性要
求下根据式(3)随机选择;对于c【mI, ,则在前(mxr)一1个元
素和 确定的条件下计算。这样求出的解也必定在 的范围
内,所有的解都满足相似性要求。
第2)种情况求解过程与第1)种情况类似,只是取值区域
在 空问。
第3)种情况的含义是所求解不能同时满足既在球面上,
又满足相似性的要求。对于这种情况,本文采用取 空间一
个领域的方法,此处领域定义为 空间中与 最接近的一
段区域,本文中假设这段区域为空间 ,根据MFCC部分系
数自身的突变性,Ci,可在 空间取值。
(2)式(1)和式(2)说明特征与模板的距离只与特征元素和
c矩阵元素的大小有关,而与插入的位置无关。因此,矩阵
D可任意给定。必须说明的是方案的有效性与D无关,但其
安全性却与O矩阵的规模大小相关,0矩阵规模越大,插入
的CPs则越多,安全性也越高。
(3)安全性分析。安全性以敌手获得原始特征的概率表
示,可由下式表示:
尸= = ,例 ㈣
其中,c 是在一个加入CPs的特征矢量中原始特征的总组
合数;c 是在总组合数中真实点的组合方式,对于本文所提
方法,因为采用模板匹配的方式,所以只有一种方式是符合
原始特征的组合方式,分子为1;获得整个特征序列需要获
得每一帧真实点的概率相乘,共有m帧的特征长度,则最终
获得原始特征的概率为获得一帧真实特征向量的m次方。
由于该方法与FV在特征点层面插入CPs的方法不同,
CPs是在特征矢量的构成元素中插入,插入位置与特征点所
构成的空间无关,从而避免了点的插入受空间限制的影响。
同时,如果要敌手替换真实点,则首先需要找出真实点的位
置,式(6)已经说明其概率非常小;如果替换的是CPs,则其
不能满足增量一致的要求,因为式(4)已经说明C矩阵是满足
增量一致要求的,替换之后必然不满足增量一致要求,所以
敌手也无法通过替换的方法达到冒充的目的。从认证原理上
分析,本文方法的认证采用的是模式匹配的方法,如果要达
到冒充的目的,则需要替换所有的原始点以及C矩阵,而不
是FV的方法只需要替换部分点通过多项式重构就可以达到
冒充的目的。所以,该方法的安全性比FV的方法更高。
3实验结果与分析
3.1识剐算法
本文方法适应于采用欧氏距离测度的识别算法,如DTW
和VQ算法。对于统计模型,目前还没有理论分析说明该方
法是否有效。本文选用DTW和VQ算法验证上述方法。
3.2结果分析
实验1语料库为自制的语音库:录音设备为三星Yv-120
录音笔;在安静环境录音;文本格式为“籍贯+姓名”;录制
人员共40人;年龄为18岁 ̄30岁;文件格式为16 kHz采样,
16 bit量化,单声道WaY格式;样本的最小时长为3.57 S,最
大时长为7.68 S。特征采用典型MFCC语音特征,阶数为24
阶,每帧256点,重叠156点,即帧移100点。实验中D矩
阵采用预先给定初始值的方式。实验结果为加入前后的识别
率都为92.5%,与上文分析是一致。
238 计算机工程 2012年2月20 Et
对于式(4),理论分析 与 存在如第2节所述的3种
实验表明本文设计的可撤销模板是有效的。该方法的安全性
随矩阵0规模的增大呈阶乘增强。该方法是否适应于统计模
关系,实验结果表明,式(4)中所有解的范围都属于 n叫 :
叫 ,这说明式(4)求解方法的可行性,并且所有解都满足相
似性要求。本文用鳓表示第,个特征的数值范围,则显然有
] ,所以只需要分析 与 的关系,如果 与 存
型的模板设计有待于进一步研究。
参考文献
【1]Jain A K,Nandakumar K,Nagar A.Biometric Template Sec—
在包含关系,则 与 也存在包含关系。在这种包含关系
下的解都满足相似性要求。实验结果表明dait=73.42,并且
Minmfcc<dait<Maxmfcc,这也就说明 与叫 都存在包含关
系,同时也说明上述式(4)的求解过程是可行的。
urity[J].EURASIP Jounmal on Advances in Signal Processing:
Special Issucial on Biometrics,2008,(1):1—20.
[2]Xu Wenhua,He Qianhua,Li Yanxiong,et a1.Cancelable Voice—
print Templates Based on Knowledge Signatures【C],/Pr0c.of
ISECS’08.Washington D.C..USA:IEEE Press.2008:4l2—415.
实验2实验2的实验条件同实验1。采用LBG(Linde
Buzo Gray)算法训练VQ码本,码本大小为64。实验结果与
上文分析一致:加入CPs前后的识别率都为95%。之所以不
改变是加入CPs前后的码本产生的条件和过程是一样的,而
加入CPs后认证特征与码本的距离增量又是一致的,这样加
入CPs前后的最小量化误差也就一样。因此,识别率没有改
[3]徐文华,贺前华,李韬.一种基于MRP的可撤销模板设计及
其分析lJ1.电子学报,2009,37(12):2792.2795.
【4] 冯全,苏菲,蔡安妮.生物加密综述f J1l计算机工程,2008,
34(10):141—143.
[5】Uludag U,Pankanti S,Jain A K.Fingerprint Template Protection
Using Fuzzy Vault[C]//Proc.of ICCAS’07.Portsmouth,UK:
Springer,2007:1 141—1151.
变,自然没有恶化识别率,符合可撤销模板的要求。而VQ
算法的识别率高于DTW算法的现象,则由算法本身的识别
效果决定。
对于VQ的识别算法,式(4)的求解过程与实验1类似,
[6]Nandakumar K,Nagar A,Jain A.Hardening Fingerprint Fuzzy
Vault Using Password[C]//Proc.of ICB’07.Seoul,Korea:Springer
2007:927—937
但需要把CPs插入在码本中。实验结果表明dait=82.98,并
且Minmfcc<dait<Maxmfcc,
足相似性要求。
与 仍然存在包含关系,这
[7]Chang E C,Shen R,Teo F W
Finding the Original Points Set
Hidden Among Chaff[C]//Proc.
of ASIACCS’06.Taipei,China:
[S.n.],2006:182—188.
也进一步说明式(4)计算方法的可行性,并且所求解也同样满
【8】Shaughnessy D O.Invited Paper:Automatic Speech Recognition:
History,Methods and Challenges[J]Pattern Recognition,2008,
41f1O1:2965—2979.
4结束语
本文提出根据OM在原始特征点的元素中加入CPs,达
到了安全传输、存储的目的,满足可撤销模板的安全性要求。
编辑金胡考
所选择地引入,进一步提升技术对科研的服务能力。基于云 【 】w 。“1],L。rd Gib 。“F,。 ・c 。 c。mputing for E i。“。。
服务的会议服务平台是云计算在e—science的创新应用,解决 wi “cARMEN[c] ro。。。 g。。 。 ” b “G i
簧需 要 竺 曼 军季 墨 : 1研协同平台研 ):阳14
竺:  ̄uIu,Do 1 9.
…h… 台将对中科院国际学术会议的组织管理产生积极深 【8 ’】 … ’: ’一 … , ’ , ’ …’、三 i。 。 同工作环…0 ’0’… p
,,
譬 件 妻篓 耋辇 璧
参考文献
豢 南Infr s凯tru, 董tur科e C军on
fe
re
nce
[
.
:
IEEEPr
ess
2008.
,
谢
建军面向
云
服
务的科
。
【9] Duckling[EB/OL].[201 l-02—15].http://duckling.escience.cn.
[10]Spring[EB/OL].[2011—02—151.http://www.springsource.org.
【1]Jankowski N W.Exploring E—science:An Introduction[J].Journal
of Computer mediated Communication,2007,1 2(2):549—562.
[11】中科院国际会议服务平台[EB/OL].[2011—02—151.http://csp.esc
ience.cn.
[2】Hey E—science and Cyber Infrastructure:A Middleware Per—
spective[C]//Proceedings of the 15th International Conference on
编辑陆燕菲
版权声明:本文标题:支持多维标签云的移动餐厅推荐系统仿真研究 内容由网友自发贡献,该文观点仅代表作者本人, 转载请联系作者并注明出处:http://www.roclinux.cn/p/1710066844a556144.html, 本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容,一经查实,本站将立刻删除。
发表评论