CN104505096B - 一种用音乐传输隐藏信息的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用音乐传输隐藏信息的方法及装置，该方法利用人耳听觉的掩蔽效应将信息隐藏在音乐中进行传输，能使传输的音频更悦耳动听，并且具有更高的安全性。本发明同时还提供了实现上述方法的装置，包括发送端和接收端两部分，其中发送端由发送端存储器、输入模块、调制器、混音模块和播放模块共同构成，接收端由接收模块、同步模块、解调器和接收端存储器共同构成。本发明可以用于移动数据共享、无线装置的初始配置、智能玩具的控制等场合。

Description

一种用音乐传输隐藏信息的方法及装置

技术领域

本发明涉及数字信号处理领域，特别是一种用音乐传输隐藏信息的方法及装置。

背景技术

使用音频来传输信息是近年来出现的一种新的无线数据传输技术，发送端将要传输的信息调制到音频上并用喇叭进行播放，接收端使用麦克风接收音频信号并解调出发送端发送的信息。目前该技术的主要应用场合包括：(1)移动数据共享。利用音频无线信息传输技术可以方便地在移动设备之间共享图片、文本、视频等数据，例如美国Animal Systems公司推出的产品Chirp，可以将摄像头拍的照片、文本信息以及网址链接等信息上传到服务器上进行编码并生成应用能识别的专属地址以及音频信息，然后通过iPhone的扬声器播放这段信息，如果其他iPhone也安装了Chirp并打开，则能自动接收解码该音频信息，并从服务器上下载相应的数据。(2)无输入设备的无线装置初始配置。在无线网络中，一些无输入设备的装置(如无线路由器等)的初始配置较为麻烦，通常需要通过有线连接到计算机来完成。音频无线信息传输技术可以使得这些配置能通过手机等无线设备来完成。(3)智能玩具的控制。通过音频无线信息传输技术，可以使用手机等无线设备来对智能玩具进行设置和控制，方便使用的同时也增加了玩具的乐趣。与WiFi、蓝牙、移动通信等常用的无线技术相比，音频无线信息传输技术的优点在于：(1)方便近距离移动数据的共享，例如需要向周围用户广播数据时，无需登陆网络(如WiFi)、逐个配对传输(如蓝牙)以及群发短信(如移动通信)。(2)无需预先配置即可传输数据，可以用于无线路由器等其他无线设备的初始配置。(3)所需要麦克风和喇叭硬件成本低，且是手机等多种移动设备的标配。但现有的音频无线信息传输技术将信息直接调制到声波上进行播放，存在着以下不足：(1)声音不够悦耳。例如，Chirp调制后的音频包含了20个字符，形成从1760Hz到10548Hz之间的20个不同频率正弦波，听起来如无规律的鸟鸣声。(2)安全性不强。例如，按Chirp的调制方式，根据调制后音频的声调人们可以无需特殊的设备即能较容易地猜测出发送的内容，传输密码等保密信息时风险较大。

发明内容

针对现有的音频无线信息传输技术声音不够悦耳、安全性不高的不足，本发明提供了一种用音乐传输隐藏信息的方法，该方法利用人耳听觉的掩蔽效应将信息隐藏在音乐中进行传输，能使传输的音频更悦耳动听，并且具有更高的安全性。本发明同时还提供了实现上述方法的装置。本发明可以用于移动数据共享、无线装置的初始配置、智能玩具的控制等场合。

本发明提供的数字音乐传隐藏信息方法，其步骤如下：

步骤1：选定一段音乐信号，对该音乐信号进行分帧并计算每帧的听觉掩蔽曲线，选取每帧音乐中被掩蔽的频率分量作为可插入信号的频率，记录可插入信号的帧号、频率以及对应该频率的掩蔽门限。

步骤2：发送端传输信息时，在音乐信号前插入同步信号，并按步骤1中记录的可插入信号的帧号、频率以及对应该频率的掩蔽门限，将需发送的信息调制到可插入信号的频率上，然后与音频信号相加，播放经过上述处理后的音乐信号。

步骤3：接收端接收信息时，首先检测同步信号，确定音乐信号起始位置，然后按步骤1记录的可插入信号的帧号、频率以及对应该频率的掩蔽门限，解调出步骤2在音乐中插入的信息。

进一步地，上述步骤1中可插入信号的帧号、频率以及对应该频率的掩蔽门限，用以下方法获取：

步骤1.1：求出每帧音乐信号中被掩蔽的频率范围。

步骤1.2：将被掩蔽且掩蔽门限大于预设值的频率范围划分为若干可用的频带，将其中心频率作为可插入信号的的频率，其频带范围内最小的掩蔽门限作为该可插入信号的频率的掩蔽门限。

步骤1.3：如某一帧具有一个或一个以上的可插入信号的频率，则记录该帧的帧号、该帧可插入信号的频率以及对应该频率的掩蔽门限。

进一步地，上述步骤2中，发送端采用以下步骤在音乐中插入需发送的信息：

步骤2.1：将需发送的信息用二进制表示。

步骤2.2：在每帧的每个可插入信号的频率上采用调幅、调频或调相的方式插入一位二进制信息，调制幅度小于掩蔽门限。

进一步地，上述步骤3中，接收端采用以下步骤对发送端的信息进行解调：

步骤3.1：以同步后的音乐起始点为起点，对音乐进行分帧。

步骤3.2：根据帧号，找出步骤1记录的该帧可插入信号的频率以及对应该频率的掩蔽门限。

步骤3.3：对音乐信号中步骤3.2中找到的每个可插入信号的频率进行检测，解调出该频率的包含的一比特信息。

步骤3.4：将每帧音乐信号中解调出来的所有比特信息进行合并，得到成完整的信息。

本发明提供的用音乐传输隐藏信息的装置，包括发送端和接收端两部分，其中发送端由发送端存储器、输入模块、调制器、混音模块和播放模块共同构成，混音模块与发送端存储器、调制器和播放模块连接，发送端存储器与调制器连接，输入模块与调制器连接，输入模块用于输入需发送的信息，发送端存储器用于存储音乐及与该音乐对应的可插入信号的帧号、频率以及对应该频率的掩蔽门限的信息，调制器用于将待发送信息调制到可插入信号的频率上，混音模块将调制后的待发送信息与音乐进行叠加混合，播放模块用于播放带有隐藏信息的音乐信号。接收端由接收模块、同步模块、解调器和接收端存储器共同构成，其中接收模块、同步模块、解调器顺次连接，接收端存储器与解调模块连接，接收模块用于接收音乐信号，同步模块实现解调器与音乐的同步，解调器用于解调出调制在可插入信号的频率上的信息，接收端存储器用于存储与音乐对应的可插入信号的帧号、频率以及对应该频率的掩蔽门限的信息。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

(1)声音更悦耳。本发明播放的音频信息是一段音乐，比现有技术(如Chirp等的无规则鸟鸣声)更富变化，且更悦耳动听。

(2)安全性高。在本发明中，需传输的信息隐藏在音乐声中，不易被人耳所察觉，因此无相应的设备无法获得传输的内容，具有更高的安全性。

(3)使用方便，硬件成本低。本发明使用的麦克风和喇叭硬件成本低，且是手机等多种移动设备的标配，使用方便，无需预先配置，可以很容易地实现近距离移动数据的共享。

说明书附图

图1为本发明实施例发送端的结构框图。

图2为本发明实施例接收端的结构框图。

图3为本发明实施例的主流程图。

图4为本发明实施例中获取可插入信号的帧号、频率以及对应该频率的掩蔽门限的流程图。

图5为本发明实施例中发送端在音乐中插入需发送的信息的流程图。

图6为本发明实施例中接收端对发送端的信息进行解调的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施步骤作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此，需指出的是，以下若有特别详细说明的内容，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。

本发明实施例为一种可以通过无线进行初始配置的无线路由器，通过手机对无线路由器进行初始化并设定相应的参数。

实现上述实施例的装置包括发送端和接收端两部分，其中发送端通过手机上的软硬件设备来实现，其结构如图1所示，由发送端存储器、输入模块、调制器、混音模块和播放模块共同构成，混音模块与发送端存储器、调制器和播放模块连接，发送端存储器与调制器连接，输入模块与调制器连接。输入模块用于输入待发送的信息，由手机的触摸屏及按键来实现；发送端存储器用于存储音乐及与该音乐对应的可插入信号的帧号、频率以及对应该频率的掩蔽门限的信息，用手机中的存储器来实现；调制器用于将待发送信息调制到可用的频率上，混音模块将调制后的待发送信息与音乐进行叠加混合，两者采用软件的方式来实现；播放模块用于播放带有隐藏信息的音乐信号，由手机上的扬声器及其驱动电路来实现。

接收端通过无线路由器的软硬件设备来实现，由接收模块、同步模块、解调器和接收端存储器共同构成，其中接收模块、同步模块、解调器顺次连接，接收端存储器与解调模块连接。接收模块用于接收音乐信号，由麦克风及其驱动电路实现；同步模块实现解调器与音乐的同步，解调器用于解调出调制在可用频率上的信息，两者采用软件的方式来实现；接收端存储器用于存储与音乐对应的可插入信号的帧号、频率以及对应该频率的掩蔽门限的信息，用无线路由器中的存储器来实现。

上述实施例中，采用以下方法来实现用数字音乐传隐藏信息，其主流程如图3所示：

步骤1：选定一段音乐信号，对该音乐信号进行分帧并计算每帧的听觉掩蔽曲线，选取每帧音乐中被掩蔽的频率分量作为可插入信号的频率，记录可插入信号的帧号、频率以及对应该频率的掩蔽门限。

上述实施例中，首先选择传输信息时播放的音乐，并将其存储在发送端存储器中。然后预先计算好该音乐中可插入信号的帧号、频率以及对应该频率的掩蔽门限，并存放在发送端存储器中。上述可插入信号的帧号、频率以及对应该频率的掩蔽门限用以下方法获取，流程如图4所示：

步骤1.1：求出每帧音乐信号中被掩蔽的频率范围。每帧的掩蔽阀值计算方法如下：

(1)首先用FFT来计算信号的声压级X(k)。音频帧s(i)作为输入信号，N为每帧样本数，h(i)为加权汉宁窗

(2)根据X(k)来识别出类音调信号和类窄带噪声信号。一个音调分量是满足如下条件的局部最大值，其余视为类噪声分量。

X(k)＞X(k+1)且X(k)≥X(k-1)

X(k)-X(k+m)≥7dB

m∈[-2,+2] if2＜k＜63 (3)

m∈[-3,-2,+2,+3] if63≤k＜127

m∈[-6,...-2,+2,...,+6] if127≤k＜250

(3)计算类音调信号和类窄带噪声信号的自身掩蔽级av_tm(j)和av_nm(j)

av_tm(j)＝-1.525-0.275j-4.5 (4)

av_nm(j)＝-1.525-0.175j-0.5 (5)

其中j代表信号在第j个Bark上，1Bark＝一个临界频带的宽度。

(4)计算掩蔽函数vf(j,i)。类音调信号和类窄带噪声信号的掩蔽函数vf(j,i)是相同的，它与j处掩蔽频带的声压级X(j)，以及被掩蔽临界频带与掩蔽临界频带的距离dz有关，掩蔽函数对相对于掩蔽分量所在位置[-3,+8]Bark之外的区域没有影响

(5)计算由位于第j个Bark上的分量引起的在第i个Bark上的掩蔽阈值LT_tm(j,i)和LT_nm(j,i)

LT_tm(j,i)＝X_tm(j)+av_tm(j)+vf(j,i) (7)

LT_nm(j,i)＝X_nm(j)+av_nm(j)+vf(j,i) (8)

其中X_tm(j)和X_nm(j)是第j个Bark上类音调和类噪声掩蔽分量的声压级，av_tm(j)和av_nm(j)是第j个Bark上的类音调和类噪声掩蔽分量的自身掩蔽级，vf(j,i)是第j个Bark对第i个Bark的掩蔽函数。

(6)计算全局掩蔽阈值LT_g(i)。由于掩蔽是可叠加的，因而在i处具有的全局掩蔽阈值LT_g(i)为i处的静音阈值LT_q(i)与所有临界频带中的掩蔽者对i处产生的掩蔽阈值之和

步骤1.2：将被掩蔽且掩蔽门限大于预设值的频率范围划分为若干可用的频带，将其中心频率作为可插入信号的的频率，其频带范围内最小的掩蔽门限作为该可插入信号的频率的掩蔽门限。

上述实施例中，设所采用调制方式调制1比特信息所占用的带宽为B_m，预设的保护频率间隔为B_p，则如果连续被掩盖且掩蔽门限大于预设值的频率范围超过N(B_m+B_p)，将该连续的频率范围划分为N个可用的频带。每个频带的中心频率作为可插入信号的频率，其频带范围内最小的掩蔽门限作为该可插入信号的频率的掩蔽门限。

步骤1.3：如某一帧具有一个或一个以上的可插入信号的的频率，则记录该帧的帧号、该帧可插入信号的频率以及对应该频率的掩蔽门限。

上述实施例中，如果第i帧具有一个或一个以上的可插入信号的的频率，则记录该帧的帧号i、该帧包含的可插入信号的频率ω_j(j∈[1,N])以及每个频率对应的掩蔽阀值L_j(j∈[1,N])。

步骤2：发送端传输信息时，在音乐信号前插入同步信号，并按步骤1中记录的可插入信号的帧号、频率以及对应该频率的掩蔽门限，将需发送的信息调制到可插入信号的频率上，然后与音频信号相加，播放经过上述处理后的音乐信号。

上述实施例中，要使用手机发送路由器配置信息时，首先在存储好的音乐信号前面加上一段同步信号，该同步信号采用调制在大于16KHz频率上的M序列，不易被人耳的听觉所觉察。然后按发送端存储器中记录的可插入信号的帧号、频率以及对应该频率的掩蔽门限，将需发送的信息调制到可插入信号的频率上，然后与音频信号相加，并通过手机上的扬声器播放经过上述处理后的音乐信号。其中在音乐中插入需发送的信息时采用以下步骤来实现，具体流程图如图5所示：

步骤2.1：将需发送的信息用二进制表示。上述实施例中，将需要发送的路由器配置信息转化为2进制数表示，信息共有N位二进制数。

步骤2.2：在每帧的每个可插入信号的频率上采用调幅、调频或调相的方式插入一位二进制信息，调制幅度小于掩蔽门限。

上述实施例中，根据发送端存储器中记录的可插入信号的帧号、频率以及对应该频率的掩蔽门限信息，将需发送的二进制信息采用幅度调制的方式调制到每帧的可插入信号的频率上。令a_j为第j个符号，A_j为调制幅度，ω_j为载波频率，φ_j为载波相位，则幅度调制输出信号为

e_j(t)＝a_jA_jcos(ω_jt+φ_j) (10)

其中ω_j为每帧中可插入信号的频率，调制幅度A_j接近但小于发送端存储器中记录的对应于频率ω_j的掩蔽门限阀值L_j，φ_j为0～2π间的随机值。

在其他一些实施例中，需发送的信息还可以采用调频或调幅等方式调制到可插入信号的频率上。

步骤3：接收端接收信息时，首先检测同步信号，确定音乐信号起始位置，然后按步骤1记录的可插入信号的帧号、频率以及对应该频率的掩蔽门限，解调出步骤2在音乐中插入的信息。

上述实施例中，无线路由器通过麦克风接收外界的声音信号，如果检测到同步信息，则进入接收配置信息状态。同步信号的检测通过匹配滤波来实现。实现音乐信号的同步后，根据步骤1中记录的可插入信号的帧号、频率以及对应该频率的掩蔽门限，解调出插入音乐中的信息，并完成路由器的配置。上述实施例采用以下步骤来解调出插入音乐中的信息，其具体流程图如图6所示：

步骤3.1：以同步后的音乐起始点为起点，对音乐进行分帧。上述实施例中，路由器检测到同步信号后，以此为起点，将接收到的音乐信号分成1-M帧。

步骤3.2：根据帧号，找出步骤1记录的该帧可插入信号的频率以及对应该频率的掩蔽门限。上述实施例中，路由器根据帧的编号1-M，在接收端存储器中查找出对应于该帧号的可插入信号的频率以及对应该频率的掩蔽门限信息。

步骤3.3：对音乐信号中步骤3.2中找到的每个可插入信号的频率进行检测，解调出该频率的包含的一比特信息。上述实施例中，首先求出每帧音乐信号的幅度谱，然后根据查到的可插入信号的频率ω_j以及对应该频率的掩蔽门限L_j，检测对应于ω_j的频率分量的频谱幅度是否大于由调制幅度A_j确定的阈值，通如果大于阈值则a_j＝1，否则a_j＝0。阈值的设置采用最大似然法来确定。

步骤3.4：将每帧音乐信号中解调出来的所有比特信息进行合并，得到成完整的信息。上述实施例中，依次将M帧音频中所有可插入信号的频率上调制的比特信息解调出来，按顺序排列合并后，得到发送过来的完整信息。

Claims (4)

1.一种用音乐传输隐藏信息的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：选定一段音乐信号，对该音乐信号进行分帧并计算每帧的听觉掩蔽曲线，选取每帧音乐中被掩蔽的频率分量作为可插入信号的频率，记录可插入信号的帧号、频率以及对应该频率的掩蔽门限；所述可插入信号的帧号、频率以及对应该频率的掩蔽门限，用以下方法获取：

步骤1.1：求出每帧音乐信号中被掩蔽的频率范围；

步骤1.2：将被掩蔽且掩蔽门限大于预设值的频率范围划分为若干可用的频带，将其中心频率作为可插入信号的的频率，其频带范围内最小的掩蔽门限作为该可插入信号的频率的掩蔽门限；

步骤1.3：如其中一帧具有一个或一个以上的可插入信号的频率，则记录该帧的帧号、该帧可插入信号的频率以及对应该频率的掩蔽门限；

步骤2：发送端传输信息时，在音乐信号前插入同步信号，并按步骤1中记录的可插入信号的帧号、频率以及对应该频率的掩蔽门限，将需发送的信息调制到可插入信号的频率上，然后与音频信号相加，播放经过前述处理后的音乐信号；

步骤3：接收端接收信息时，首先检测同步信号，确定音乐信号起始位置，然后按步骤1记录的可插入信号的帧号、频率以及对应该频率的掩蔽门限，解调出步骤2在音乐中插入的信息。

2.根据权利要求1所述的一种用音乐传输隐藏信息的方法，其特征在于步骤2中，发送端采用以下步骤在音乐中插入需发送的信息：

步骤2.1：将需发送的信息用二进制表示；

步骤2.2：在每帧的每个可插入信号的频率上采用调幅、调频或调相的方式插入一位二进制信息，调制幅度小于掩蔽门限。

3.根据权利要求1所述的一种用音乐传输隐藏信息的方法，其特征在于步骤3中，接收端采用以下步骤对发送端的信息进行解调：

步骤3.1：以同步后的音乐起始点为起点，对音乐进行分帧；

步骤3.2：根据帧号，找出步骤1记录的该帧可插入信号的频率以及对应该频率的掩蔽门限；

步骤3.3：对音乐信号中步骤3.2中找到的每个可插入信号的频率进行检测，解调出该频率的包含的一比特信息；

步骤3.4：将每帧音乐信号中解调出来的所有比特信息进行合并，得到成完整的信息。

4.实现权利要求1所述的一种用音乐传输隐藏信息的方法的装置，其特征在于包括发送端和接收端两部分，其中发送端由发送端存储器、输入模块、调制器、混音模块和播放模块共同构成，混音模块与发送端存储器、调制器和播放模块连接，发送端存储器与调制器连接，输入模块与调制器连接，输入模块用于输入需发送的信息，发送端存储器用于存储音乐及与该音乐对应的可插入信号的帧号、频率以及对应该频率的掩蔽门限的信息，调制器用于将待发送信息调制到可插入信号的频率上，混音模块将调制后的待发送信息与音乐进行叠加混合，播放模块用于播放带有隐藏信息的音乐信号；接收端由接收模块、同步模块、解调器和接收端存储器共同构成，其中接收模块、同步模块、解调器顺次连接，接收端存储器与解调模块连接，接收模块用于接收音乐信号，同步模块实现解调器与音乐的同步，解调器用于解调出调制在可插入信号的频率上的信息，接收端存储器用于存储与音乐对应的可插入信号的帧号、频率以及对应该频率的掩蔽门限的信息。