Кодування інформації модифікацією фази аудіо сигналу

Метод, який пропонує використовувати слабку чутливість системи слуху людини до незначних змін фази сигналу, був запропонований В. Бендером, Н. Морімото і ін. Впровадження інформації модифікацією фази аудіо сигналу - це метод, при якому фаза початкового сегмента аудіо сигналу модифікується в впроваджуваних даних. Фаза наступних сегментів погоджуючи з ним для збереження різниці фаз. Це необхідно тому, що до різних фаз людське вухо більш чутливо. Фазове кодування, коли воно може бути застосоване, є одним з найбільш ефективних способів кодування за критерієм відношення сигнал-шум.Процедура фазового кодування полягає в наступному:

1. Звуковий сигнал розбивається на серію N коротких сегментів рис.7 (а),7 (б).

2. До n-му сегменту сигналу застосовується k-точкове дискретне перетворення Фур'є, де , і створюються матриці фаз і амплітуд для (рис.7 (в)).

3. Запам'ятовується різниця фаз між кожними двома сусідніми сегментами рис.7( г).

(7)

4. Бінарна послідовність даних представляється, як і (рис 7.7 )

5. З урахуванням різниці фаз створюється нова матриця фаз для n> 0, (рис.7.7 )

(8)

6. Стегокодований сигнал виходить шляхом застосування зворотного дискретного перетворення Фур'є, до вихідної матриці амплітуд і модифікованої матриці фаз. (рис.7)

Рис.7. Блок-схема фазового кодування

Одержувачу повинні бути відомі: довжина сегмента, і точки ДПФ. Перед декодуванням послідовність повинна бути синхронізована. Недоліком цієї схеми є її низька пропускна спроможність. В експериментах В. Бендера і Н. Морімото пропускна здатність каналу варіюватися від 8 до 32 біт в секунду.

Кодування інформації за рахунок зміни часу затримки ехо-сигналу

Тими ж авторами був запропонований метод впровадження інформації з використанням ехо-сигналу. Цей метод дозволяє впроваджувати дані в сигнал прикриття, змінюючи параметри відлуння сигналу. До параметрів луна, несучим впроваджувану інформацію, належать: початкова амплітуда, час спаду і зсув (час затримки між вихідним сигналом і його відлуння). При зменшенні зсуву два сигнали змішуються. В певній точці людське вухо перестає розрізняти два сигнали, і луна сприймається, як додатковий резонанс. Цю точку важко визначити точно, так як вона залежить від вихідної записи, типу звуку і слухача. У загальному випадку, за дослідженнями В. Бендера і Н. Морімото, для більшості типів сигналів і для більшості слухачів злиття двох сигналів відбувається при відстані між ними близько 0,001 секунди. Кодер використовує два часу затримки: одне для кодування нуля, інше для кодування одиниці. І те, і інше час затримки менше того, на якому людське вухо може розпізнати луна. Крім зменшення часу затримки необхідно домогтися встановленням початкової амплітуди і часу спаду того, щоб впроваджена інформація не могла бути сприйнята системою слуху людини.

Кодування. Для простоти, був обраний приклад тільки двох імпульсів (один для копіювання вихідного сигналу, інший для формування луна сигналу). Збільшення кількості імпульсів призведе до збільшення кількості відліків луна сигналів. Нехай на рис.8а показаний спосіб кодування «одиниці» а на рис.8б - спосіб кодування «нуля». Впровадження даних показано на рис.9. Затримка (hδ) між вихідним сигналом і його відлуння залежить від імпортуванням-експортуванням в даний момент даних. Одиниці відповідає затримка (1δ), а нулю - затримка ехо-сигналу (0δ). Для того щоб закодувати більш одного біта, вихідний сигнал розділяється на маленькі ділянки. Кожна ділянка розглядається як окремий сигнал, і в нього впроваджується один біт інформації. Результуючий закодований сигнал (що містить декілька біт впровадженої інформації) являє собою комбінацію окремих ділянок. На рис.10 показаний приклад, в якому сигнал розділяється на сім ділянок - a, b, c, d, e, f, g.

Рис.8. Кодування одного біту інформації

Рис.9. Впровадження одного біту інформації

У дільниці a, с, d, g буде впроваджена одиниця. Отже, на цих ділянках система буде функціонувати так, як показано на рис. 10. Нулі будуть впроваджені в ділянки b, e, f, на цих ділянках система буде функціонувати.

Рис.10. Поділ сигналу на дільниці

Для досягнення мінімуму помітності спочатку створюються два сигнали: один, що містить тільки "одиниці", і інший - містить тільки нулі. Отримані в результаті сигнали показані на рис. 11.

Рис.11. Сигнали, зберігають тільки одне бінарне значення

Потім створюються два перемикаючі сигналу - нульовий та одиничний. Кожен з них являє собою бінарну послідовність, стан якої залежить від того, який біт повинен бути упроваджений в дану ділянку звукового сигналу. Далі обчислюється сума добутків нульового змішуючого сигналу і аудіосигналу з затримкою «нуль», а також одиничного змішуючого сигналу і аудіосигналу з затримкою «одиниця». Іншими словами, коли в аудіосигнал необхідно впровадити «одиницю», на вихід подається сигнал з затримкою «одиниця», в іншому випадку - сигнал з затримкою "нуль". Так як сума двох змішувальних сигналів завжди дорівнює одиниці, то забезпечується гладкий перехід між ділянками аудіосигналу, в які впроваджені різні біти.

Рис.12. Блок-схема алгоритму кодування стего з використанням ехо-методу

Декодування. Декодування впровадженої інформації являє собою визначення проміжку часу між сигналом і луна. Для цього необхідно розглянути амплітуду (у двох точках) автокореляційної функції дискретного косинусного перетворення логарифма спектра потужності (кепстра). В результаті обчислення кепстра вийде послідовність імпульсів (відлуння, дубльоване кожні δ секунд). Для визначення проміжку часу між сигналом і його луною необхідно розрахувати автокореляційної функції кепстра. Сплеск автокореляційної функції буде мати місце через 1δ або 0δ секунд після вихідного сигналу. Правило декодування основа на визначенні проміжку часу між вихідним сигналом і сплеском автокореляції. При декодуванні "одиниця" приймається, якщо значення автокореляційної функції через 1δ секунд більше ніж через 0δ секунд, в іншому випадку - "нуль".