中嵌入用于定 位的信标信号(数字水印），并基于隐藏信道，对可闻声信号中的信标信号的出现时刻进行 检测，该信标信号的出现时刻能够表达声音传播的延时，从而进行测距，即在不影响人耳正 常听觉的前提下，利用隐藏信道将可闻声作为一种定位手段，定位方法简单，应用场景广 泛。
[0057] 本发明实施例中，以超市为例介绍基于隐藏信道的可闻声定位方法的应用场景。 在超市中，通常存在着背景音乐或广告广播，因此声音是一类客观存在的，可以利用的定位 手段。同时，顾客的位置信息，对于超市有很大的价值，可以辅助进行管理、导购、广告推送、 商品柜台摆放优化等等。
[0058] 如图2所示为基于隐藏信道的可闻声定位方法在超市中的应用示意图，播放音乐 或商场的导购信息。在用户手中存在声音的接收装置(例如，麦克风），有可能获得室内的位 置。然而，超市中本身所播放的背景音乐和广告广播等内容是不宜更改的，要使可闻声定位 成为一种可行的定位手段，需要在不改变原有音频的听觉感受的条件下进行，因此需要将 数字水印和隐藏信道技术引入到可闻声的定位算法中。
[0059] 本发明实施例中，所述信标信号是固定的伪随机序列，可以通过加法器将所述信 标信号和原始载体音频信号进行叠加，生成嵌入信标信号的载体音频信号。
[0060] 本发明实施例中，进一步地，为了使得用户难以从听觉上发现最终的可闻声信号 中嵌入了信标信号b(t)(数字水印），需将信标信号b(t)乘以正的衰减系数α后在给定时刻 to和原始载体音频信号s(t)进行叠加，生成嵌入信标信号的载体音频信号y(t):
[0061] y(t) =s(t)+a · b(t_to)，α>0〇
[0062] 本发明实施例中，当载体音频信号y(t)传输到接收端时，假设，引入的噪声信号为 w(t)，即接收端得到的接收信号(最终的可闻声信号)z(t)为：
[0063] z(t) =y(t)+w(t) 〇
[0064] 本发明实施例中，所述可闻声信号z(t)和信标信号b(t)的互相关函数为：
[0065]
[0066]式中，Czb(T)表示互相关函数，z(t)表示接收信号，b(t)表示信标信号，s(t)表示原 始载体音频信号，w(t)表示噪声信号，a表示衰减系数。
[0067]本发明实施例中，本发明实施例中，能够根据可闻声信号z (t)和信标信号b(t)的 互相关函数，判定可闻声信号z(t)中是否存在信标信号b(t)，具体的，若所述互相关函数的 峰值大于等于预设的互相关函数阈值，则判断可闻声信号z(t)中存在信标信号b(t);若可 闻声信号z(t)中存在信标信号b(t)，并将所述互相关函数峰值位置对应的时刻作为信标信 号的出现时刻。进一步地，信标信号为b(t)为伪随机序列，则中信号 v co s(t)和w(t)均与b(t)无关，β | 的峰值出现在T = to处，即可估计出信标信 V -(30· 号的出现时刻io:
[0068] h =arg max Cr；J(r)
[0069] At，表示互相关函数峰值位置对应的时刻τ。
[0070] 本发明实施例中，接着，对基于隐藏信道的可闻声定位方法进行仿真分析：
[0071] 本发明实施例中，s(t)，y(t)，b(t)，w(t)为连续时间信号，在实际的算法实现中， 均采用离散时间信号。首先，对8(〇, 7(〇，13(〇，《(〇进行离散化处理，假设声音的采样频 率为fs，采样间隔为1'8=1/%，8(〇, 7(〇，13(〇，《(〇采样后的离散时间信号分别为8(11)，7 (n)，b(n)，w(n)，信标信号b(n)的离散时间延时为no,离散化的互相关函数Czb(k)为：
[0072]
[0073] 则待估计的离散时间延时4为：表=叫imaxC^)，叫faxC」,⑷表示互相关 k fc 函数峰值位置对应的采样点k。由于离散时间无法表示半个采样间隔等情形，因此七7：仅是 to的粗粒度估计。
[0074] 在仿真分析中，信标信号b(t)采用固定的m序列，采用7次多项式x7+x6+l生成，长度 为127比特，每个比特采用不归零(Non-Return to Zero，NRZ)编码，保持lms，总长度为 127ms，如图3所示。该信标信号被匕=81(抱的采样信号采样为离散时间信号b(n)。
[0075] 接着，对可闻声定位方法的可行性进行分析，验证互相关函数峰值算法的可行性， 采用Python+Matlab环境进行仿真，互相关函数峰值算法的仿真环境及参数如表1所示：
[0076] 表1互相关函数峰值算法的仿真环境及参数
[0077]
[0078]
[0079] 如图4所示为原始载体音频信号第1秒的波形示意图，载体音频信号的全程平均功 率为1.07 X 10-2(相当于-19.7dB)，均方平均幅值为1.03 X 10一、
[0080] 如图5所示为信标信号的波形示意图，信标信号的平均功率0.25(相当于-6dB)，均 方平均幅值为〇. 5，本发明实施例中，设α = 〇. 02，将信标信号在采样点n〇 = 2000的位置嵌入 到载体信号中，得到嵌入数字水印后的载体音频信号y(n)，如图6所示，图6中数字水印嵌入 的时间位置以矩形框标注。由于α很小，从图6中几乎无法区分原载体音频信号s(n)和嵌入 信标信号后的载体音频信号y(n)，由于数字水印幅度很小且存在很短的时间（127ms)，实际 的听觉感受实验表明用户确实无法感知到在声音中嵌入了数字水印。
[0081] 在接收端，将噪声注入，得到的最终的可闻声信号z(n)，z(n)波形如图7所示。尽管 z(n)在图7中波形上与s(n)和y(n)近似，但人耳对白噪声较为敏感，实际听觉感受是可以发 现的，此处的噪声引入主要用于模拟在声音接收端收到的背景声音或音频电路中的电噪声 等。
[0082]如图8所示为可闻声信号z(n)和信标信号b(n)的互相关函数Czb(k)，在图8中k = 2000的位置附近，互相关函数出现了明显的峰值，表明检测到数字水印（即信标信号）的存 在。同时，图8中峰值位置在^?200(1附近，这表明信标信号出现的时刻被正确检测得到，也 就是说，基于隐藏信道的可闻声定位方式是正确可行的。
[0083] 本发明实施例中，由于互相关函数的峰值总是存在(如存在多个相同的峰值，约定 取第一个出现的峰值），当信标信号不能被正确地检测到时，其测量误差将非常大，因此信 标信号的检测正确性及时间测量精度可以统一用测量误差表征。
[0084] 本发明实施例中，对导致测量误差的相关因素进行分析，例如，设计多次实验对数 字水印嵌入的幅值和噪声幅值对测量误差的影响进行分析，仿真环境和参数基本同表1，只 有噪声系数σ和数字水印嵌入的衰减系数α存在变化，误差% 的标准差为s t d (V)，以测量标准差std(v)为测量精度的评估标准。对每组指定的噪声系数(噪声强度)〇和 嵌入的衰减系数(信标信号的强度)α条件，实验重复3000次。
[0085] 数字水印嵌入位置随机分布在载体音频信号的某区间，例如，该段音频长度为L = 3秒。在完全不可检测的条件下，实际位置no和检测位置％均服从随机均匀分布，其对应的 连续时间时刻近似为[0，L]间的均匀分布，方差均为L2/12。若两者独立无关（即无法检测）， 则两者之差的随机变量的方差为L 2/6,标准差为在此例约为1.2秒，时间上由于载体 音乐本身并非完全随机，互相关函数可能在某些位置存在伪峰值，因此检测时刻误差较大 时(接近上述理论值)已经可以认为无效。
[0086] 如图9所示，在不同的噪声强度的条件下，检测时刻误差与嵌入的信标信号的强度 系数具有明显的关系。在嵌入的信标信号的强度α较低时（如α = 〇.03,相当于衰减30.5dB)， 信标信号很弱，功率约为-36.5dB。载体音频和外部噪声在检测过程中均相当于噪声，约为-19.7dB，信噪比约为-17dB，此时几乎无法正确检测到信标信号。随着嵌入的信标信号的强 度的增加，信噪比逐渐上升，在嵌入的信标信号的强度α较高时（如α = 0.06,相当于衰减 24.4dB)，信噪比约为-4.7dB，检测误差很小，系统可用。
[0087] 值得注意的是引入的外部噪声对检测误差的影响方式，由于载体音频和外部噪声 均相当于噪声，且载体音频相对固定，其中存在着与信标信号互相关较强的片段(伪峰值）， 而外部白噪声则与信标信号无关，因而外部噪声的增加具有两个方面的效果：（1)降低了信 噪比，使得检测效果变差；（2)白化了噪声，在一定程度上降低了固定载体音频伪互相关峰 值的影响，使得检测效果变好。外部噪声的实际效果是上述两个因素的共同作用，噪声在检 测过程中并非是一个完全的反面因素，图9是在某种固定载体音频条件下的特例。
[0088] 本发明实施例中，接着，分析信标信号的类型对检测性能的影响，本发明实施例中 考虑两类信标信号，第一类信标信号记为prbs