Маскування цвз

До методів, які використовують не тільки особливості будови аудіосигналів, але і системи слуху людини відноситься також метод маскування сигналу. Маскуванням називається ефект, при якому слабке, але чутне звукове коливання стає нечутним за наявності іншого більш гучного (сигнал маскування). Ефект маскування залежить від спектральних і тимчасових характеристик маскувального сигналу і сигналу маскування. Можна говорити про маскування по частоті і маскування за часом. Перше полягає в наступному: якщо два сигнали одночасно знаходяться в обмеженій частотній області, то більш слабкий сигнал стає нечутним на тлі більш сильного. Поріг маскування залежить від частоти, рівня придушення сигналу і тональної або шумовий характеристик маскуючого сигналу і сигналу маскування. Легше широкосмуговим шумовим сигналом маскувати тональний коливання, ніж навпаки. Крім того, більш високочастотні коливання маскувати легше. Маскування по часу визначає наступний ефект: більш слабкий сигнал стає не чутлтвим за 5 - 20 мс до включення коливання маскування і стає сильниішии через 50 - 200 мс після його виключення. Скориставшись інформацією про маскування по частоті для системи слуху людини, ми можемо визначити спектральні характеристики інформації. Обробка імпульсних сигналів, таких як звук, може призвести до утворення чутного пре ехо. Для усунення цього ефекту при впровадженні інформації його також необхідно враховувати. Розглянемо конкретний метод впровадження ЦВЗ (псевдовипадкової послідовності) з використанням ефекту маскування, запропонований в роботі. Кожен аудіо сигнал позначається унікальним кодовим словом. Для того, щоб використовувати маскуючі характеристики системи слуху людини по частоті необхідно співвіднести ПСП з порогом маскування сигналу, при цьому необхідно також врахувати ефект тимчасового маскування. Неможливо внести велику кількість інформації в сигнал малої потужності, в іншому випадку впроваджена інформація може стати чутної. Це відбувається через те, що перетворення Фур'є фіксованої довжини не може відразу володіти хорошою локалізацією в частотній і тимчасовій областях. Якщо час тривалості сигналу високої потужності більше тривалості вікна, то його енергія поширюється по всіх частотах. Отже, необхідно зважувати ЦВЗ з енергією сигналу.

Для впровадження ЦВЗ необхідно обчислити поріг маскування сигналу. Поріг маскування визначається для сегментів аудіо сигналу довжиною 512 відліків, зважених за допомогою вікна Хеммінга, з 50% перекриттям блоків. Він апроксимується ідеальним фільтром 10-го порядку, M (w), з використанням критерію найменших квадратів. ПСП фільтрується із застосуванням фільтру M (w), щоб забезпечити те, що спектральна щільність потужності ЦВЗ була нижче порога маскування. ЦВЗ, що знаходиться нижче порога маскування в частотній області, поширюється на все вікно 512 відліків. Якщо всередині блоку знаходяться пікові зміни амплітуди, то області сигналу високої потужності поширюються на галузі сигналу низької потужності, створюючи відчутні спотворення. Чутним ефектом буде шум, що передує піковому зміни амплітуди. Тому ЦВЗ зважується у часовій області з взятої в квадрат і нормованої огинаючої сигналу,

(9)

Для полегшення виявлення ЦВЗ потрібно збільшити його потужність, але при цьому необхідно, щоб спектральна щільність потужності ЦВЗ залишалася нижче порога маскування. Якщо «обчислений ЦВЗ» менше кроку квантування його потрібно збільшити в стільки разів, щоб ЦВЗ в процесі квантування не був загублений. Якщо у всіх відрізках часу ЦВЗ нижче порога маскування, то можна стверджувати, що ЦВЗ нечутний. У базовій схемі впровадження ЦВЗ кодове слово фільтрується за допомогою фільтра, наближеного за характеристиками до системи слуху людини. Отриманий результат порівнюється в часі з вихідним аудіо сигналом, для виключення тимчасових ефектів, таких, як пре ехо. Потім результат додається до оригінального аудіосигналів, даючи в результаті

(10)

де під w розуміється відфільтрована ПСП.

Дослідження А. К. Хамді і ін, показують, що ЦВЗ краще розміщувати в високочастотної області сигналу. Незареєстрований користувач буде намагатися зробити неможливим розпізнавання ЦВЗ, додаючи до нього забарвлений шум, фільтруючи його, кодуючи, здійснюючи над ним цифро-аналогове і аналогово-цифрове перетворення, стиснення і т.д. При розгляді проблеми розпізнавання передбачається, що оригінальний сигнал доступний, як розпізнавача, так і автору ПСП. Необхідно розрізнити піратський аудіосигнал s(t) і справжній аудіосигнал r(t), на який наклалися перешкоди і ЦВЗ. При цьому підлягають перевірці наступні гіпотези:

(11)

Відзначимо, що ЦВЗ нечутний, і нас цікавлять випадки, коли спотворення, що вносяться незареєстрованим користувачем також нечутно. Можна використовувати взаємну кореляцію між x і w, щоб виявити наявність ЦВЗ з перешкодами, порівнюючи його з порогом. Дослідження А.Хамді та ін, показують, що можливо надійно визначати наявність ЦВЗ при використанні 50 або більше блоків по 512 відліків для порогу приблизно рівно 0,7. Необхідно відзначити, що це визначено для 0,8 секунди аудіо сигналу (при частоті дискретизації 32 до Гц). Тоді можна обчислити ймовірність визначення та ймовірність помилкового визначення для кожного сегмента з 50 блоків по 512 відліків. При цьому, навіть якщо ЦВЗ зроблені за допомогою однакових псевдовипадкових послідовностей для всього аудіо сигналу, то протягом сигналу вони будуть змінюватися в залежності від порогу маскування і потужності сигналу для кожного блоку з 512 відліків. Автор повинен вибирати різні ПСП для кожного аудіо сигналу, щоб його підпису неможливо було знайти порівнянням або вивченням залежності між декількома аудіо сигналами.