УДК 519.876.5:519.6:004.357

ЦИФРОВОЕ МАРКИРОВАНИЕ АУДИОСИГНАЛОВ ДЛЯ РОБАСТНОЙ СКРЫТОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ ЧЕРЕЗ ВОЗДУШНЫЙ АУДИОКАНАЛ

М.В. Гофман, А.А. Корниенко, М.В. Мирончиков, А.Б. Никитин

Аннотация


В этой работе развивается методика цифрового маркирования аудиосигналов, ориентированная на передачу данных через воздушный аудиоканал. Внедряемый цифровой маркер занимает весь слышимый частотный диапазон. Цифровой маркер кодирует один бит информации. Решение о значении переданного бита выносится на основании знака центрального значения взаимно-корреляционной функции. Предлагаются две методики построения цифрового маркера. Обе методики специально ориентированы на частотные свойства обычных аудиосигналов. Невысокая вычислительная сложность предлагаемого метода маркирования позволяет использовать его для беспроводного обмена информацией между обычными смартфонами. Методика позволяет выполнять цифровое маркирования как речевых, так и музыкальных аудиосигналов без появления каких-либо заметно слышимых артефактов. Информация внедряется в виде маркера в частотную область аудиосигнала путем амплитудной модуляции его частотных составляющих. Эта работа снабжена результатами имитационного моделирования и натурных экспериментов, подтверждающих применимость методики для скрытой передачи данных через воздушный аудиоканал.

Ключевые слова


цифровой маркер; аудиосигнал; скрытая передача данных; воздушный аудиоканал; акустическая связь; стегоаудиосигнал

Полный текст:

PDF

Литература


  1. Hua G. et al. Twenty years of digital audio watermarking — a comprehensive review // Signal Processing. 2016. vol. 128. pp. 222–242.
  2. Bassia P., Pitas I., Nikolaidis N. Robust audio watermarking in the time domain // IEEE Transactions on multimedia. 2001. vol. 3. no. 2. pp. 232–241.
  3. Lemma A.N., Aprea J., Oomen W., Kerkhof L.V.D. A temporal domain audio watermarking technique // IEEE transactions on signal processing. 2003. vol. 51. no. 4. pp. 1088–1097.
  4. Gruhl D., Lu A., Bender W. Echo hiding // International Workshop on Information Hiding. 1996. pp. 295–315.
  5. Hu P., Peng D., Yi Z., Xiang Y. Robust time-spread echo watermarking using characteristics of host signals // Electronics Letters. 2016. vol. 52. no. 1. pp. 5–6.
  6. Xiang Y. et al. A dual-channel time-spread echo method for audio watermarking // IEEE Transactions on Information Forensics and Security. 2012. vol. 7. no. 2. pp. 383–392.
  7. Kirovski D., Malvar H.S. Spread-spectrum watermarking of audio signals // IEEE transactions on signal processing. 2003. vol. 51. no. 4. pp. 1020–1033.
  8. Verma C., Tarar S. Secure Random Sequence based Frequency Hoping Spread Spectrum Audio Watermarking // International Journal of Engineering Science. 2016. vol. 6. no. 5. pp. 5026–5032.
  9. Chen B., Wornell G.W. Quantization index modulation: A class of provably good methods for digital watermarking and information embedding // IEEE Transactions on Information Theory. 2001. vol. 47. no. 4. pp. 1423–1443.
  10. Tian H., Liu J., Li S. Improving security of quantization-index-modulation steganography in low bit-rate speech streams // Multimedia systems. 2014. vol. 20. no. 2. pp. 143–154.
  11. Yeo I.K., Kim H.J. Modified patchwork algorithm: A novel audio watermarking scheme // IEEE Transactions on speech and audio processing. 2003. vol. 11. no. 4. pp. 381–386.
  12. Xiang Y. et al. Patchwork-based audio watermarking method robust to de-synchronization attacks // IEEE/ACM Transactions on Audio, Speech and Language Processing (TASLP). 2014. vol. 22. no. 9. pp. 1413–1423.
  13. Wang F. et al. Simultaneous Broadcasting of Analog FM and Digital Signals by Separating Co-Channel FM Signals // IEEE Communications Letters. 2016. vol. 20. no. 11. pp. 2197–2200.
  14. Lee H., Kim T.H., Choi J.W., Choi S. Chirp signal-based aerial acoustic communication for smart devices // IEEE Conference on Computer Communications (INFOCOM). 2015. pp. 2407–2415.
  15. Nandakumar R., Chintalapudi K. K., Padmanabhan V., Venkatesan R. Dhwani: secure peer-to-peer acoustic NFC // ACM SIGCOMM Computer Communication Review. 2013. vol. 43. no. 4. pp. 63–74.
  16. Wang Q. et al. Messages behind the sound: real-time hidden acoustic signal capture with smartphones // Proceedings of the 22nd Annual International Conference on Mobile Computing and Networking. 2016. pp. 29–41.
  17. Hanspach M., Goetz M. On covert acoustical mesh networks in air // Journal of Communications. 2013. vol. 8. no. 11. pp. 758–767.
  18. Гофман М.В. Методика скрытой передачи данных при связи через воздушный аудиоканал // Труды СПИИРАН. 2017. Вып. 51. C. 97–122.
  19. Collins A., Polyanskiy Y. Dispersion of the coherent MIMO block-fading channel // IEEE International Symposium on Information Theory (ISIT). 2016. pp. 1068–1072.
  20. Гофман М.В. Помехоустойчивое пространственное блоковое кодирование // LAP Lambert Academic Publishing. 2013. 176 с.


Максим Викторович Гофман - к-т техн. наук, доцент кафедры информатики и информационной безопасности, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I.
Область научных интересов: системы связи, системы передачи данных.
Число научных публикаций: 17.

Адрес (E-mail): maxgof@gmail.com
Почтовый адрес: Московский пр., 9, Санкт-Петербург, 190031
Телефон: +7(812)310-34-72
Факс: +7(812)570-76-68


Анатолий Адамович Корниенко - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой информатики и информационной безопасности, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I.
Область научных интересов: информатика, информационная безопасность.
Число научных публикаций: 200.

Адрес (E-mail): kaa.pgups@yandex.ru
Почтовый адрес: Московский пр., 9, Санкт-Петербург, 190031
Телефон: +7(812)310-34-72
Факс: +7(812)570-76-68


Евгений Тимофеевич Мирончиков - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой информатики и информационной безопасности, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I.
Область научных интересов: теория информации.
Число научных публикаций: 200.

Адрес (E-mail): etm937@yandex.ru
Почтовый адрес: Московский пр., 9, Санкт-Петербург, 190031
Телефон: +7(812)310-34-72
Факс: +7(812)570-76-68


Александр Борисович Никитин - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой автоматики и телемеханики на железных дорогах, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I.
Область научных интересов: автоматика и телемеханика на железных дорогах.
Число научных публикаций: 200.

Адрес (E-mail): nikitin@crtc.spb.ru
Почтовый адрес: Московский пр., 9, Санкт-Петербург, 190031
Телефон: +7(812)310-07-88
Факс: +7(812)457-82-92




DOI: http://dx.doi.org/10.15622/sp.55.8