СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОБЪЕКТИВНЫХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ РАЗБОРЧИВОСТИ РЕЧИ

COMPARATIVE ANALYSIS OF OBJECTIVE METHODS OF SPEECH INTELLIGIBILITY ASSESSMENT

Anna Lozhkova

Postgraduate Student of the Department of Information and Control Systems of the Amur State University

Russia, Amur Region, Blagoveshchensk

АННОТАЦИЯ

В статье представлен сравнительный анализ объективных методов оценки разборчивости речи, которые используются для определения уровня защищённости речевой информации от утечки по техническим каналам. Рассматриваются различные подходы к измерению разборчивости, включая методы, основанные на анализе частотных характеристик, уровня шума и сигнала, а также на оценке коэффициентов восприятия.

Особое внимание уделяется методу Н. Б. Покровского и его адаптации для оценки защищённости помещений. Проводится сравнение с другими известными методиками, такими как подходы М. А. Сапожкова и Ю. С. Быкова. Анализируются преимущества и недостатки каждого метода, их применимость в различных условиях и возможности для корректировки результатов с учётом специфических факторов, влияющих на разборчивость речи.

Целью исследования является выявление наиболее эффективных методов оценки разборчивости речи для обеспечения надёжной защиты акустической информации в защищаемых помещениях. Результаты сравнительного анализа могут быть полезны специалистам в области информационной безопасности, акустической инженерии и разработки систем защиты информации.

ABSTRACT

The article presents a comparative analysis of objective methods for assessing speech intelligibility, which are used to determine the level of protection of speech information from leakage through technical channels. Various approaches to measuring intelligibility are considered, including methods based on the analysis of frequency characteristics, noise and signal levels, as well as on the assessment of perception coefficients.

Special attention is paid to the method of N. B. Pokrovsky and its adaptation for assessing the security of premises. Comparison is made with other well-known methods, such as those of M. A. Sapozhkov and Yu. S. Bykov. Advantages and disadvantages of each method are analyzed, as well as their applicability in different conditions and possibilities for adjusting results taking into account specific factors affecting speech intelligibility.

The aim of this study is to determine the most effective methods for evaluating speech intelligibility in order to ensure the reliable protection of acoustic information in secure rooms. The findings from this comparative analysis may be beneficial to professionals in the fields of information security, acoustics engineering, and the development of security systems.

Ключевые слова: методы оценки речевой разборчивости; защита акустической информации; информационная безопасность.

Keywords: methods for assessing speech intelligibility; protection of acoustic information; information security.

Разборчивость представляет собой соотношение количества правильно принятых элементов речи (звуков, слогов, слов, фраз) к общему количеству переданных через канал связи. В связи с этим выделяют звуковую D, слоговую S, словесную W и фразовую J разборчивость. Экспериментально доказано, что между этими видами разборчивости существует чёткая статистическая взаимосвязь, установленная на основе артикуляционных испытаний.

Для оценки разборчивости используются специально обученные бригады дикторов и аудиторов, которые проводят объективно-статистические экспертизы.

Разборчивость тесно связана с качественной характеристикой «понятность речи» приведенной в Таблице 1 [1, с. 86].

Таблица 1.

Зависимость между разборчивостью и понятностью речи

A – формантная разборчивость, форманта – важное понятие в теории разборчивости речи. Она представляет собой частоту, на которой наблюдается максимальная концентрация энергии в спектре звука. У каждого звука есть несколько формант и уникальная спектральная огибающая, которая показывает расположение формант на частотной оси, соотношение их уровней и характер изменений.

Важно отметить, что только формантная разборчивость обладает свойством аддитивности по частоте, так как каждая частотная полоса вносит свой вклад в общую разборчивость. Понятность речи представляет собой семантическую характеристику разборчивости и оценивается во время обычных телефонных разговоров для неподготовленных абонентов.

В настоящее время существует несколько методов расчёта и измерения разборчивости речи на основе формант, которые используются для оценки акустического качества помещений и линий связи (Рисунок 1).

Рисунок 1. Разновидности формантных методов оценки разборчивости речи

Метод Н.Б. Покровского

В России для оценки разборчивости речи применяется методика, основанная на экспериментально-расчётном методе Н. Б. Покровского. Адаптацию этого метода для задач защиты информации провели В. К. Железняк, Ю. К. Макаров и А. А. Хорев [2].

Метод Н. Б. Покровского – это экспериментально-расчётный метод оценки разборчивости речи, который используется для определения защищённости речевой информации от утечки по техническим каналам.

Суть метода заключается в следующем:

1. Разбиение спектра речи на частотные полосы. Весь частотный диапазон речевого сигнала разбивается на N частотных полос (например, октавных, третьоктавных и т. д.).

2. Измерение уровней шума и сигнала. 

3. Вычисление уровней сигнала. Уровни сигнала c_i для каждой частотной полосы вычисляются по формуле:

c_i=(c+ш)_i-ш_i                                                                               (1)

где: ш_i​ – уровень шума в i-й частотной полосе;

(с+ш)_i​ – уровень смеси «сигнал + шум» в i-й частотной полосе.

4. Определение уровней ощущений. Уровни ощущений Еi​ вычисляются с учётом формантного превышения Δi​ по формуле:

Еi=сi−шi−Δi                                                                (2)

где: Еi​ – уровень ощущений в i-й частотной полосе, который учитывает формантное превышение Δi​: Еi​=сi​−шi​−Δi​.

5. Вычисление коэффициентов восприятия. По известной зависимости Р(Е) вычисляются коэффициенты восприятия Pi​ для каждой частотной полосы.

6. Расчёт коэффициента словесной разборчивости. Коэффициент словесной разборчивости W определяется как сумма коэффициентов восприятия для всех частотных полос:

W=∑i=1N​Pi​                                                             (3)

где: Pi​ – коэффициент восприятия в i-й частотной полосе, вычисляемый по известной зависимости Р(Е);

W – коэффициент словесной разборчивости, который определяется как сумма коэффициентов восприятия для всех частотных полос: W=∑i=1N​Pi​, где N – общее количество частотных полос.

Метод Ю.С. Быкова

Версия Быкова [3] отличается от версии Покровского следующим:

• спектр формант X определяется как спектр такого шума, который, будучи просуммированным с речевым сигналом, приведет к полной потере разборчивости речи;

• учитывается зависимость коэффициента восприятия от частоты.

Метод М. А. Сапожкова

Ключевая особенность метода Сапожкова [4] заключается в том, что спектр формант фактически приравнивается к спектру речи. Согласно методу, мощность формант в диапазоне выше 300 Гц составляет 98% от мощности всей речи в этом же диапазоне.

Индекс артикуляции - AI (Articulation Index)

Метод AI [5] был создан в телефонной лаборатории Белла в 1940-х годах Френчем и Стейнбергом для оценки разборчивости речи в системах связи. Этот метод анализирует спектры маскирующего шума и речи, а также определяет вклад каждой частотной полосы в общую разборчивость.

Согласно методу AI, уровень разборчивости речи зависит от средней разницы между пиковыми уровнями речи и уровнями маскирующего шума. Оценка проводится в 20 равноартикуляционных или в 1/1 и 1/3 октавных полосах в диапазоне примерно от 200 Гц до 6 кГц.

По своей структуре и алгоритмам метод AI имеет много общего с методами, разработанными в нашей стране для оценки разборчивости речи.

Заключение

Существуют четыре основных разновидности формантного подхода к оценке разборчивости речи:

• экспериментально-расчётный метод Н. Б. Покровского;
• метод Ю. С. Быкова;
• метод М. А. Сапожкова;
• индекс артикуляции (Articulation Index, AI).

Эти методы различаются по выбранным характеристикам речи и формам их взаимозависимостей. Например, речь говорящего может характеризоваться средним уровнем формант в полосе частот или средним уровнем энергии речи. Также различаются трактовки спектра формант, форма коэффициентов восприятия и функции распределения вероятности формант.

Зарубежные формантные методы отличаются от отечественного подхода тем, что вместо экспоненциальной зависимости коэффициентов восприятия используется линейная функция. Это существенно упрощает методику оценки. Зависимость Р(Е), используемая в методе Н. Б. Покровского, является усреднённой и имеет разброс по Е, равный ±12 дБ.

Список литературы:

1. Халяпин     Д. Б. Защита информации. Вас подслушивают? Защищайтесь! - НОУ ШО «Баярд», 2004- С. 432.
2. Железняк В.К., Макаров Ю.К., Хорев А.А. Некоторые методические подходы к оценке эффективности защиты речевой информации// Специальная техника. - М.: 2000. - № 4 - С. 39 - 45.
3. Быков Ю.С. Теория разборчивости речи и повышение эффективности радиотелефонной связи. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959. - С. 350.
4. Сапожков М.А. Речевой сигнал в кибернетике и связи. - М.: Связьиздат, 1963.-С. 472.
5. Трушин В.А. Информационно-измерительный подход к оценке защищенности речевой информации от утечки по техническим каналам // ионные системы и технологии: - материалы междунар. науч. конгр. Минск, 2011 С. 149-153.