一种基于Chirp在音乐中隐藏信息的方法与流程

本发明涉及无线信息传输技术领域，具体涉及一种基于chirp编码的在音乐中隐藏信息的方法。

背景技术：

日常生活中，商场、餐厅此类公共场所向用户传递信息(wifi信息或优惠券等)都是采用人工的方式，不仅耗时耗力，还非常的不便捷。使用无线信息传输技术来传输信息可解决这些问题。现有的无线信息传输技术有：蓝牙、nfc和屏幕摄像头技术以及声音数据传输技术。

蓝牙传输信息技术虽然可以广泛地应用于各个领域，但是其传输信息需要进行一对一的连接，且传输距离短，抗干扰能力较弱。nfc虽然能耗低，但是只能在极短的距离下进行信息交换。使用屏幕摄像头链接来传输信息，信息可以隐藏在视频中，这样用户在观看视频的过程中，他们的智能手机可以解码隐藏在视频中的信息。但是在日常生活中使用时，屏幕摄像头通信需要一个在不同位置对客户可见的大屏幕，这不仅需要更大的成本，而且传输距离有限。

声音数据传输技术考虑将信息编码隐藏在声音中，使用声音来传输数据。已有的音频编码技术可以根据所用频率是否可听分为两类。一种是在人耳可听的频段进行编码，主要是使用扩频水印技术、ofdm、ask等编码方式小幅度的修改音频的幅度和频率来嵌入信息。对于这类方法编码出的音频原始音乐与编码信息紧密结合，可能会由于与原始音乐有差距而打扰到用户，控制音乐和编码信息的比例也不容易。另一种是在人耳听不见的频段进行编码，如果是在超产波频段进行编码则在实际生活中播放时需要专门的超声波扬声器才能播放出音频，一般的扬声器播放不出超声波，推广成本大。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于chirp编码的将信息隐藏在音乐中的方法。能够在不改变音乐质量的前提下向用户传递信息数据，并且成本低、易推广。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于chirp编码的将信息隐藏在音乐中的方法，包括如下步骤：

本发明分为信息发送者和信息接收者两大部分，其中信息发送者包括如下步骤：

(1)发送者确定需要传输的信息以及将要播放的音乐，并且将待发送的信息编码为chirp符号；具体而言，

(11)发送者选用18khz为中心频率，并以中心频率为中心分别向上、向下生成up-chirp和down-chirp；

(12)发送者将比特0编码为down-chirp，比特1编码为up-chirp；

(2)发送者需要生成一个固定的chirp序列作为启动信号，并将启动信号添加在信息编码的chirp之前；

(3)发送者对产生的chirp符号使用如下新型窗口来对chirp符号进行预处理，其中m表示一个chirp符号的样本数，具体表示为m＝fs*τ，其中，fs为采样率，τ为一个chirp符号的持续时间，n为从0增长到m的一个自变量，将生成的每一个chirp符号分别乘以w(n)获得经过预处理后的chirp音频，使得每一个chirp符号都从0开始逐渐产生，且在最后一部分逐渐消失；

(4)发送者将生成的chirp符号与将要播放的音乐混合起来，生成携带了信息的混合音乐文件，并且使用扬声器播放混合音乐；具体而言，

(41)发送者需要将音乐进行归一化处理，使其每个声音样本值在-1到1的范围内，chirp音频是由余弦函数采样产生的，不需要处理；

(42)按一定比例混合chirp音频和原始音乐，使得整体音乐保持既听不见chirp符号又保持低误码率；

信息接收者包括以下两个步骤：

(5)接收者使用智能手机的麦克风接收扬声器播放的音乐，为了正确解码首先要确认帧的开始；

(6)接收者确认帧的开始位置后，将会开始解码chirp；具体而言：

(61)对chirp符号进行快速傅里叶变换，得到频率的幅度值；

(62)通过幅度值来分别计算up-chirp频段和down-chirp频段的能量和，并且进行对比，解码为能量值较大的那一种符号。

所述步骤(11)和(12)中chirp的具体生成方式为：

chirp信号按给定采样率从余弦波中采样，down-chirp的余弦波设置为s(t)＝cos(2πfct-πμ/2t²)，up-chirp的为s(t)＝cos(2πfct πμ/2t²)，其中fc为中心频率，μ定义为频率变化率。

所述步骤(5)具体包括如下步骤：

(51)接收者使用短时傅里叶变换检测音乐的高频段来对准符号数据，这样可以过滤掉原音乐以及环境噪音；

(52)当接收者检测到音频频率临近中心频率时，将会进入到一个特殊的状态，在这种状态下，本发明尝试解码即将到来的五个chirp符号，当接下来的五个chirp符号被成功解码时，帧同步完成，否则，将窗口滑动一个样本，开始下一次尝试。

所述步骤(62)具体包括：

接收者通过幅度值来分别计算up-chirp频段和down-chirp频段的能量和的具体计算方式为：设mag(i)为频率i的幅度，则为up-chirp频段的能量和，为down-chirp频段的能量和，如果eup＞edown，则该符号是up-chirp，否则就是down-chirp。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

(1)混合后的音频质量很高，不会打扰到用户，用户察觉不到chirp音频的存在。即用户在欣赏音乐的同时就可以用智能手机接收到信息。

(2)用音频代替了传统的人工方式，不仅节省了劳动力还使用户可以方便快捷的接收到信息。

(3)与蓝牙、nfc利屏幕摄像头通信相比，本发明具有更远的传输距离和更广泛的覆盖范围，典型的例子是覆盖到大约10*10m²的面积。

附图说明

图1为本发明的流程图

图2为本发明误码率随音量变化实验图

图3为本发明误码率随距离变化实验图

具体实施方式

以下对本发明做具体的介绍。

本发明在实施时，信息发送者需要一个扬声器，扬声器用于播放嵌入编码信息后的音频文件，用来发送信息。信息接收者需要一个智能手机，智能手机用于接收音频文件然后进行解码工作，用来接收信息。

整个过程分为信息发送者和信息接收者两大部分，信息发送者包括如下步骤：

(1)发送者确定需要传输的信息以及将要播放的音乐，并且将待发送的信息编码为音频符号。

本发明使用chirp来编码信息，将0/1比特分别编码为一个down-/up-chirp。设f0为chirp的最小频率，f1为chirp的最大频率。τ为一个chirp符号的持续时间，符号的误码率随着τ的增加而降低。考虑到传输速率和解码率两个方面，本发明推荐将τ设置为100ms。

将频率变化率μ定义为然后通过对持续时间为τ的两个余弦波进行时间采样来获得chirp符号。本发明提出一种新型的chirp符号，以为中心频率，推荐将fc设置为18khz。本发明将up-chirp的余弦波设置为s(t)＝cos(2πfct πμ/2t²)，down-chirp为s(t)＝cos(2πfct-πμ/2t²)。也就是说，up-chirp的频率是从fc增加到f1，down-chirp的频率是从fc减少到f0。

(2)发送者需要生成一个固定的chirp序列作为启动信号，并将启动信号添加在信息编码的chirp之前。

由于客户端可能在任何时间进行监听，在(1)中所述的chirp编码之前，本发明为了正确解码还需要确认帧的开始时间。为此，本发明在信息的一开头生成一个固定的chirp序列来作为启动信号。本发明推荐设置五个固定的chirp符号(up-/up-/down-/down-/down-chirp)作为一个固定的序列。

(3)发送者需要对产生的chirp符号使用新型窗口进行预处理以消除两个chirp符号之间能量泄露引起的噪音问题。

本发明使用一种类似于三角窗函数的新型窗口来对chirp符号进行预处理，其中m表示一个chirp符号的样本数，具体表示为m＝fs*τ。其中，fs为采样率，τ为一个chirp符号的持续时间，n为从0增长到m的一个自变量。

本发明将生成的每一个chirp符号分别乘以w(n)获得经过预处理后的chirp音频，使得每一个chirp符号都从0开始逐渐产生，且在最后一部分逐渐消失。此时，每一个chirp符号均可以与下一个chirp符号无断层的连接起来。

(4)发送者将生成的chirp符号与将要播放的音乐混合起来，生成携带了信息的混合音乐文件，并且使用扬声器播放混合音乐。

(41)假设对应于音乐的音频流为x，对应于chirp符号的音频流为y，首先需要对比音频x和音频y的长度，将长度短的一方使用数据零对齐补位。

(42)其次发送者需要对原始音乐流进行归一化处理，使得每个声音样本都是-1到1范围内的浮点值。具体操作为：将原始音乐流设为x，归一化后的音乐流为x′，做归一化处理，其中nmax为声音样本的最大值(例如，如果每个音频样本以8位表示，nmax＝255)。

(43)chirp音频y是由1中所述的余弦函数采样产生的，余弦函数的值已经是在-1到1的范围内，因此不需要再进行处理。

(44)将混合音乐的音乐流设置为z，发送者可得混合音乐z＝(1-ρ)x′ ρy，其中ρ是控制混合音频流中chirp音频流部分的加权参数，本发明推荐将ρ设置为0.4。

(45)发送者得到的混合音乐流z的取值范围是-1到1之间，还需要将浮点数-1到1范围信号使用z′＝z*nmax缩放到整数样本范围，发送者可得到可保存的混合后音乐z′，并且使用扬声器播放混合后音乐。

信息接收者包括如下步骤：

(5)接收者使用智能手机的麦克风接收扬声器播放的音乐，为了正确解码首先需要确认帧的开始。

(51)接收者使用短时傅里叶变换检测音乐17200hz之上的频率来过滤掉原音乐以及环境噪音来对准符号数据。

(52)当接收者检测到音频频率临近fc时，将会进入到一个特殊的状态，在这种状态下，本发明尝试解码即将到来的五个chirp符号。当接下来的五个chirp符号被成功解码时，帧同步完成。否则，将窗口滑动一个样本，开始下一次尝试。

(6)接收者确定帧开始位置后，将会开始解码chirp。

(61)假设对应于chirp符号的一段声音是s0。本发明对s0进行快速傅里叶变换，得到频率的幅度，设mag(i)为频率i的幅度。

(62)计算为up-chirp频段的能量和以及为down-chirp频段的能量和。

(63)比较eup和edown的大小，如果eup＞edown，则该符号是up-chirp，否则就是down-chirp。至此，接收者完成解码工作，获取了隐藏在音乐中的信息。

本发明的效果可用以下实验进一步说明。

实验一测试了扬声器不同音量对误码率的影响，分别将音量设置为扬声器音量的10％、30％、50％、70％和100％来测误码率，实验结果如附图2所示。实验结果表明，本发明对音量的敏感度低，只有当音量低于一定程度时误码率才会增加。

实验二测试了接收者离扬声器的距离对误码率的影响，实验选用两个型号的红米手机，一个诺基亚，一个oppo，一个锤于手机和一个三星手机分别在2-10米每隔1米进行实验，测量距离对误码率的影响。实验结果如附图3所示。实验结果表面，本发明在一段较长的距离内也有较好的表现，有较远的传输距离和广泛的覆盖范围。

实验三测试了不同类型的原始音乐对误码率的影响。实验选取了电子音乐、古典音乐、蓝调音乐、摇滚音乐和民谣五种类型的十首世界名曲来进行实验，测试chirp与各种音乐混合后的误码率。实验结果如下表所示。由实验可以得出，本发明适用于各种类型的音乐。这表示着本发明可以在各种不同类型的场所适用，无论是安静的咖啡厅还是吵闹的商城，本发明均可以很好的工作。