一种基于特征融合的长序列生物哈希认证方法与流程

技术特征：

1.一种基于特征融合的长序列生物哈希认证方法，其特征在于，该认证方法具体按以下步骤进行：

注册阶段：

步骤1：对输入的语音信号s(n)进行预加重后，再进行分帧加窗处理，预加重语音信号x(n)被分为n帧，得到处理后信号x(n,m)；其中，n(n=1,2,…,n)为帧的索引号，m(m=1,2,…,n)为每帧数据的索引号；

步骤2：鲁棒特征提取

1.mfcc特征提取

通过离散傅里叶变换将处理后信号转换为频域信号，然后，求功率谱并进行mel滤波器变换，得到mel谱pn={p(n,l1)︱n=1,2,…,n；l1=1,2,…,l1}；对mel谱取对数并进行离散余弦变换（dct），得梅尔倒谱系数mfccn={mfcc(n,i)︱=1,2,…,n；i=1,2,…,l1}；

2.cqcc特征提取

对处理后信号进行恒q变换，得变换后的频谱信号；然后，求功率谱、取对数和均匀采样,得到变换后特征rn={r(n,l2)︱=1,2,…,n；l2=1,2,…,l2}；再进行离散余弦变换，得恒q倒谱系数cqccn={cqcc(n,j)︱n=1,2,…,n；j=1,2,…,j2}；

3.求相邻帧空间余弦值

将提取的mfcc特征值和cqcc特征值统一设为mq(n,i)(n=1,2,…,n；i=1,2,…,l)，且l=l1=l2；对mfcc特征值和cqcc特征值的行向量分别求均值mq(i)(i=1,2,…,l)和mq1(i)(i=1,2,…,l)，然后将mq(i)和mq1(i)进行矩阵拼接，得矩阵λ1=[mq1mq]、λ2=[mqmq1]，对矩阵λ1和矩阵λ2的每一列均求余弦值，得到生物特征向量f(n)(n=1,2,…,np)；

步骤3：通过2d-simm产生一个伪随机矩阵，对伪随机矩阵进行施密特正交化，得到正交集矩阵；

步骤4：构造生物安全模板

提取正交集矩阵中的行向量，得正交行向量v1(n)(n=1,2,…,np)；将生物特征向量f(n)与正交行向量v1(n)点乘，得到方阵ψ(n,n)；

对方阵ψ(n,n)进行混沌移位，得到加密后方阵ψ^*(n,n)；将正交集矩阵中行向量v2(n)(n=1,2,…,np)对加密后方阵ψ^*(n,n)进行投影降维，得到生物安全模板w(n)；

w(n)=v2(n)·ψ^*(n,n)=[w(1),w(2),…,w(np)]

步骤5：二值化处理生物安全模板w(n)，生成一维二进制生物哈希长序列h(n)，

其中，设h(1)=0，h(n)为每一帧生物哈希值；

然后将生物哈希长序列h(n)存储到云端，完成注册阶段；

认证阶段：

步骤1：认证用户提供认证语音，将该认证语音经过注册阶段的步骤1～步骤5，得到生物哈希长序列h(n)；

步骤2：通过汉明距离计算认证语音得到的生物哈希长序列h(n)与储存在云端的生物哈希长序列h(n)的误码率ber(h,h)：

式中，⊕是异或逻辑运算，np为生物哈希序列的长度；

利用ber假设检验来描述哈希匹配：

t0：如果两个语音片段的生物哈希长序列h(n)和生物哈希长序列h(n)具有相同的内容，则：ber(h,h)≤τ，认证通过；

t1：如果两个语音片段的生物哈希长序列h(n)和生物哈希长序列h(n)具有不同的内容，则：ber(h,h)＞τ，认证失败；

其中，τ表示感知认证阈值；

步骤3：将认证的结果反馈给认证用户。

2.如权利要求1所述的基于特征融合的长序列生物哈希认证方法，其特征在于，将方阵ψ(n,n)的行和列都移动0.5n（n代表哈希序列的长度）位，得到加密后方阵ψ^*(n,n)。

3.如权利要求1所述的基于特征融合的长序列生物哈希认证方法，其特征在于，为了评估认证方法的性能，由下面两个公式分别计算误识率和误拒率；

式中：τ为感知认证阈值；μ为ber均值；σ为ber标准差；一般采用frr和far来评价认证方法的鲁棒性和区分性；frr值越低，感知鲁棒性越强；far值越低，区分性越好。

技术总结
本发明公开了一种基于特征融合的长序列生物哈希认证方法，语音信号预加重和分帧加窗处理后，提取MFCC特征和CQCC特征，求相邻帧空间余弦值，得生物特征向量，施密特正交化伪随机矩阵，点乘生物特征向量与正交集矩阵中的行向量，得方阵，混沌移位方阵，得加密后方阵，将正交集矩阵中行向量对加密后方阵进行投影降维，得生物安全模板；二值化处理生物安全模板，生成生物哈希长序列h(n)；将用户的认证语音经上述步骤得生物哈希长序列H(n)；通过汉明距离计算H(n)与h(n)的误码率，若误码率小于等于阈值，认证通过；结果反馈给认证用户。该认证方法可以有效降低不同语音片段被确认为相同片段的概率，提高认证率，且对常见低信噪比噪声背景具有良好的鲁棒性。

技术研发人员：黄羿博;安丽
受保护的技术使用者：西北师范大学
技术研发日：2021.02.01
技术公布日：2021.06.15