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発明の名称 データ埋込装置、データ埋込方法、データ抽出装置、及び、データ抽出方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−17900(P2007−17900A)
公開日 平成19年1月25日(2007.1.25)
出願番号 特願2005−202130(P2005−202130)
出願日 平成17年7月11日(2005.7.11)
代理人 【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
発明者 松岡 保静
要約 課題
伝送データを音響信号に適切に埋め込むことが可能なデータ埋込装置、及び、音響信号に埋め込まれた伝送データを適切に抽出することが可能なデータ抽出装置を提供すること。

解決手段
特許請求の範囲
【請求項1】
任意の伝送データが埋め込まれるフレーム単位に合わせて、音響信号を位相調節する位相調節手段と、
前記位相調節手段により位相調節された音響信号に前記伝送データを埋め込む埋込手段と
を備えることを特徴とするデータ埋込装置。
【請求項2】
前記データ埋込装置は、前記音響信号を複数のサブバンド信号に分割する分割手段を備え、
前記位相調節手段は、前記分割手段により分割された前記サブバンド信号を前記フレーム単位に合わせて位相調節し、
前記データ埋込装置は、前記位相調節手段により位相調節されたサブバンド信号を一の音響信号として再構成する再構成手段を備え、
前記埋込手段は、前記再構成手段により再構成された前記一の音響信号に前記伝送データを埋め込むこと
を特徴とする請求項1に記載のデータ埋込装置。
【請求項3】
前記位相調節手段は、前記音響信号の時間系列を所定のサンプリング時間分ずらすことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のデータ埋込装置。
【請求項4】
前記位相調節手段は、前記音響信号を周波数領域信号に変換し、前記周波数領域信号を位相調節することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のデータ埋込装置。
【請求項5】
前記音響信号の所定のフレームと時間的に隣接した他のフレームとの境界となる部分において、位相調節されていない音響信号と前記位相調節手段により位相調節された位相調節音響信号とを合成することで平滑化する平滑手段を備えることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載のデータ埋込装置。
【請求項6】
任意の伝送データが埋め込まれた音響信号の低周波成分を除去し、第1の低周波除去音響信号を生成する第1の除去手段と、
前記伝送データが前記音響信号に埋め込まれた際のフレーム単位に合わせて、前記第1の除去手段により生成された前記第1の低周波除去音響信号を同期させる第1の同期手段と、
前記第1の同期手段により同期がとれた第1の低周波除去音響信号から、前記伝送データを抽出する第1の抽出手段と
を備えることを特徴とするデータ抽出装置。
【請求項7】
任意の伝送データが音響信号に埋め込まれた際のフレーム単位に合わせて、前記音響信号を同期させる第2の同期手段と、
前記第2の同期手段により同期がとれた音響信号の低周波成分を除去し、第2の低周波除去音響信号を生成する第2の除去手段と、
前記第2の除去手段により生成された前記第2の低周波除去音響信号から、前記伝送データを抽出する第2の抽出手段と
を備えることを特徴とするデータ抽出装置。
【請求項8】
位相調節手段が、任意の伝送データが埋め込まれるフレーム単位に合わせて、音響信号を位相調節する位相調節ステップと、
埋込手段が、前記位相調節ステップにより位相調節された音響信号に前記伝送データを埋め込む埋込ステップと
を備えることを特徴とするデータ埋込方法。
【請求項9】
第1の除去手段が、任意の伝送データが埋め込まれた音響信号の低周波成分を除去し、第1の低周波除去音響信号を生成する第1の除去ステップと、
第1の同期手段が、前記伝送データが前記音響信号に埋め込まれた際のフレーム単位に合わせて、前記第1の除去ステップにより生成された前記第1の低周波除去音響信号を同期させる第1の同期ステップと、
第1の抽出手段が、前記第1の同期ステップにより同期がとれた第1の低周波除去音響信号から、前記伝送データを抽出する第1の抽出ステップと
を備えることを特徴とするデータ抽出方法。
【請求項10】
第2の同期手段が、任意の伝送データが音響信号に埋め込まれた際のフレーム単位に合わせて、前記音響信号を同期させる第2の同期ステップと、
第2の除去手段が、前記第2の同期ステップにより同期がとれた音響信号の低周波成分を除去し、第2の低周波除去音響信号を生成する第2の除去ステップと、
第2の抽出手段が、前記第2の除去ステップにより生成された前記第2の低周波除去音響信号から、前記伝送データを抽出する第2の抽出ステップと
を備えることを特徴とするデータ抽出方法。


発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、音響信号に任意の伝送データを埋め込むためのデータ埋込装置とデータ埋込方法、及び、音響信号に埋め込まれた任意の伝送データを抽出するためのデータ抽出装置とデータ抽出方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、例えば音楽、音声などの音響信号に、その音質にはほとんど影響を与えずに、例えば著作権情報などの伝送データを埋め込むというデジタル透かし技術(Digital Watermarking)が知られている(例えば、下記の非特許文献1または2を参照)。
【0003】
このデジタル透かし技術としては様々なものが知られており、例えば非特許文献1には、短いエコー成分(反射音)については知覚することが難しいという人間の聴覚の特性を利用したデジタル透かし技術について記載されている。また、位相の変化には比較的に鈍感であるという人間の聴覚の特性を利用したデジタル透かし技術が知られている。
【0004】
上記した人間の聴覚の特性を利用したデジタル透かし技術は、音響信号に伝送データを埋め込み、有線の通信路を通じて伝送する場合に有効である。しかし、伝送データが埋め込まれた音響信号を、例えばスピーカからマイクロフォンへ空中伝搬させる場合においては、上記のデジタル透かし技術を適用するのは難しい。なぜなら、上記のデジタル透かし技術におけるエコー成分や位相は、スピーカやマイクロフォンのそれぞれの機械的特性及び空中伝搬特性によって様々な変化をするからである。
【0005】
一方、音響信号を空中伝搬させる場合に有効なデジタル透かし技術として、非特許文献2及び特許文献1に記載されたスペクトラム拡散を用いる方式が知られている。このスペクトラム拡散を用いる方式においては、所定の拡散符号系列が乗算された伝送データが音響信号に埋め込まれて、受信先に伝送される。
【非特許文献1】D.Gruhl, A.Lu and W.Bender; 「Echo Hiding」, Information Hiding, pp.295-315, 1996
【非特許文献2】L.Boney, A.H.Tewfik and K.N.Hamdy; 「Digitalwatermarks for audio signals」, IEEE Intl. Conf. on Multimedia Computing andSystems, pp.473-480, 1996.
【特許文献1】国際公開第02/45286号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところが、このスペクトラム拡散を用いる方式においては、例えば音響信号と拡散符号系列との相関が強い場合には、受信された音響信号から埋め込まれた伝送信号を抽出することが難しくなる。その結果、埋め込まれて送信された伝送信号を復号する際において、信号識別の誤りが増大することになる。
【0007】
本発明は上記に鑑みてなされたもので、任意の伝送データを音響信号に適切に埋め込むことが可能なデータ埋込装置とデータ埋込方法、及び、音響信号に埋め込まれた任意の伝送データを適切に抽出することが可能なデータ抽出装置とデータ抽出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するために、本発明のデータ埋込装置は、任意の伝送データが埋め込まれるフレーム単位に合わせて、音響信号を位相調節する位相調節手段と、位相調節手段により位相調節された音響信号に伝送データを埋め込む埋込手段とを備えて構成される。
【0009】
また、本発明のデータ埋込方法は、位相調節手段が、任意の伝送データが埋め込まれるフレーム単位に合わせて、音響信号を位相調節する位相調節ステップと、埋込手段が、位相調節ステップにより位相調節された音響信号に伝送データを埋め込む埋込ステップとを備えて構成される。
【0010】
また、本発明のデータ抽出装置は、任意の伝送データが埋め込まれた音響信号の低周波成分を除去し、第1の低周波除去音響信号を生成する第1の除去手段と、伝送データが音響信号に埋め込まれた際のフレーム単位に合わせて、第1の除去手段により生成された第1の低周波除去音響信号を同期させる第1の同期手段と、第1の同期手段により同期がとれた第1の低周波除去音響信号から、伝送データを抽出する第1の抽出手段とを備えて構成される。
【0011】
また、本発明のデータ抽出装置は、任意の伝送データが音響信号に埋め込まれた際のフレーム単位に合わせて、音響信号を同期させる第2の同期手段と、第2の同期手段により同期がとれた音響信号の低周波成分を除去し、第2の低周波除去音響信号を生成する第2の除去手段と、第2の除去手段により生成された第2の低周波除去音響信号から、伝送データを抽出する第2の抽出手段とを備えて構成される。
【0012】
また、本発明のデータ抽出方法は、第1の除去手段が、任意の伝送データが埋め込まれた音響信号の低周波成分を除去し、第1の低周波除去音響信号を生成する第1の除去ステップと、第1の同期手段が、伝送データが音響信号に埋め込まれた際のフレーム単位に合わせて、第1の除去ステップにより生成された第1の低周波除去音響信号を同期させる第1の同期ステップと、第1の抽出手段が、第1の同期ステップにより同期がとれた第1の低周波除去音響信号から、伝送データを抽出する第1の抽出ステップとを備えて構成される。
【0013】
また、本発明のデータ抽出方法は、第2の同期手段が、任意の伝送データが音響信号に埋め込まれた際のフレーム単位に合わせて、音響信号を同期させる第2の同期ステップと、第2の除去手段が、第2の同期ステップにより同期がとれた音響信号の低周波成分を除去し、第2の低周波除去音響信号を生成する第2の除去ステップと、第2の抽出手段が、第2の除去ステップにより生成された第2の低周波除去音響信号から、伝送データを抽出する第2の抽出ステップとを備えて構成される。
【0014】
本発明のデータ埋込装置、データ埋込方法、データ抽出装置、及び、データ抽出方法によれば、伝送データの受信側であるデータ抽出装置にて伝送データが抽出されやすいように、伝送データの送信側であるデータ埋込装置は、伝送データが埋め込まれるフレーム単位に合わせて音響信号の位相を調節してから伝送データを埋め込む。そして、データ抽出装置では、受信された音響信号が位相調節されたそのフレーム単位に合わせてフレーム同期をしてから伝送データの抽出を行う。これにより、データ抽出装置は、データ埋込装置が埋め込んだ伝送データを抽出しやすくなり、抽出した伝送データに対する識別誤りを減少することが可能となる。
【0015】
更に、第1の除去手段が、データ抽出装置に受信された音響信号の低周波数成分を除去する。低周波数成分の位相シフトは人間の聴覚に与える影響が大きく、且つ、位相調節の効果が少ない。このため、低周波数成分を予め除去してから以後の処理を行うことで、音響データの音質に影響を与えることなく、伝送データを適切に抽出することが可能となる。
【0016】
また、第2の同期手段により音響信号の同期がとれた後に、音響信号の低周波数成分が除去される。第2の同期手段による同期の際に、音響信号の低周波成分を含む全周波数成分が用いられると、同期の先頭ポイントが検出されやすくなり、同期ポイントの検出誤りを低減することができる。
【0017】
また、本発明のデータ埋込装置において、データ埋込装置は、音響信号を複数のサブバンド信号に分割する分割手段を備え、位相調節手段は、分割手段により分割されたサブバンド信号をフレーム単位に合わせて位相調節し、データ埋込装置は、位相調節手段により位相調節されたサブバンド信号を一の音響信号として再構成する再構成手段を備え、埋込手段は、再構成手段により再構成された一の音響信号に伝送データを埋め込むようにしてもよい。これにより、各サブバンドごとにきめの細かい位相調節を行うことができるため、本発明における位相調節手段による位相調節の効果を大きくすることができる。
【0018】
また、本発明のデータ埋込装置において、位相調節手段は、音響信号の時間系列を所定のサンプリング時間分ずらすようにしてもよい。このように、音響信号の時間系列を数サンプリング時間分遅くないし早くさせることで、音響信号に対する位相調節を容易に行うことができる。
【0019】
また、本発明のデータ埋込装置において、位相調節手段は、音響信号を周波数領域信号に変換し、周波数領域信号を位相調節するようにしてもよい。このように、音響信号を周波数領域に変換し、各周波数スペクトルの実数項と虚数項を操作することで、音響信号に対する位相調節を容易に行うことができる。
【0020】
また、本発明のデータ埋込装置には、音響信号の所定のフレームと時間的に隣接した他のフレームとの境界となる部分において、位相調節されていない音響信号と位相調節手段により位相調節された位相調節音響信号とを合成することで平滑化する平滑手段を備えるようにしてもよい。フレーム境界部分では、位相調節されてない音響信号と位相調節音響信号とをそれぞれ一定の比率をかけて合成することで、位相調節の際に発生したノイズを除去することが可能となる。
【発明の効果】
【0021】
本発明によれば、任意の伝送データを音響信号に適切に埋め込むこと、及び、音響信号に埋め込まれた任意の伝送データを適切に抽出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0022】
本発明の知見は、例示のみのために示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解することができる。引き続いて、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
【0023】
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態におけるデータ埋込抽出システム1について説明する。図1は、データ埋込抽出システム1の概略構成図である。図1に示すように、データ埋込抽出システム1は、データ埋込装置100とデータ抽出装置110とを備えて構成される。データ埋込装置100は、例えば音楽などの音響信号に任意の伝送データを埋め込むための装置であり、例えば著作権情報などが透かしデータとして音響信号に埋め込まれる。また、データ抽出装置110は、音響信号に埋め込まれた伝送データを抽出するための装置である。以下、データ埋込抽出システム1を構成する各構成要素について詳細に説明する。
【0024】
データ埋込装置100は、図1に示すように、埋込装置101とスピーカ106とを備えて構成される。埋込装置101は伝送データを音響信号に埋め込むためのものであり、位相調節部102(位相調節手段)、平滑部103(平滑手段)、フィルタ部104、及び、埋込部(埋込手段)105を備えて構成される。また、スピーカ106は伝送データが埋め込まれた合成音響信号をデータ抽出装置110に向かって空中伝搬するためのものである。このスピーカ106は、例えば人間の可聴周波数領域である20Hz〜20kHz程度の振動周波数を発生させることができるものとして、通常の音響信号出力装置が用いられる。以下、このデータ埋込装置100を構成する各構成要素について、図2〜5を参照しながら詳細に説明する。
【0025】
図2は、埋込装置101の動作を説明するためのブロック図である。先ず、位相調節部102に音響信号Aが所定のフレーム単位で入力される。この所定のフレーム単位とは、データ埋込装置100とデータ抽出装置110との間で予め適宜に設定された単位であり、後ほど埋込部105により伝送データCが音響データAに埋め込まれる際のフレーム単位である。位相調節部102は、入力されたフレームの時間系列信号に対して位相調節を行う。
【0026】
より具体的に、位相調節部102は、入力されたフレームの時間系列信号をフーリエ変換により周波数領域のスペクトル系列に変換する。そして、位相調節部102は、各スペクトルの係数の実数項及び虚数項の割合を少しずつ可変しながら、音響信号Aと拡散符号系列Bとの相関値を計算する。なお、この拡散符号系列Bは、伝送データCを拡散させるために予め適宜に設定されたものである。そして、位相調節部102は、埋め込まれる伝送データCのデータビットが0のときには、フレームの先頭ポイントでプラス方向に相関値が強くなるように音響信号Aの位相を調節する。また、位相調節部102は、埋め込まれる伝送データCのデータビットが1のときには、フレームの先頭ポイントでマイナス方向に相関値が強くなるように音響信号Aの位相を調節する。
【0027】
このようにフレーム単位で位相調節され生成された位相調節音響信号Aは、隣接した前後のフレームにおいて位相が不連続となる。このため、平滑部103は、フレームの境界部分の位相の不連続を平滑化し、位相不連続によるノイズを低減する。より具体的に、平滑部103は、フレームの境界部分の付近において、位相調節をしていない音響信号Aと位相調節をした位相調節音響信号Aをそれぞれ一定の比率をかけて合成し、平滑化信号Aを生成する。
【0028】
例えば、フレーム前方および後方の100サンプルの区間を平滑化に用いる場合、フレームの先頭からiサンプル目の平滑化信号A3iは、位相調節をしていない音響信号Aに(100−i)/100をかけ、且つ、位相調節をした位相調節音響信号A2iにはi/100をかけて、それぞれを合成することで生成される。なお、フレーム最後尾からiサンプル目の平滑化信号Aを生成する際においても、同様な方法が用いられる。平滑部103は、生成した平滑化信号Aをフィルタ部104及び埋込部105に出力する。
【0029】
フィルタ部104は、平滑部103により生成された平滑化信号Aを同じフレーム単位でFFT(高速フーリエ変換)によって周波数領域に変換し、周波数マスキング閾値を計算する。なお、このときの周波数マスキング閾値の計算には、公知の心理聴覚モデルが用いられる。図3は、この心理聴覚モデルにより計算された周波数マスキング閾値を表している。図3において、実線で示された線図Xは音響信号Aの周波数スペクトルを表しており、点線で示された線図Yは周波数マスキング閾値を表している。また、フィルタ部104は、計算した周波数マスキング閾値に基づいて、その周波数マスキング閾値と同じ周波数特性を持つ直線位相の周波数応答を逆フーリエ変換することで、周波数マスキングフィルタを形成する。
【0030】
フィルタ部104は、伝送データCに拡散符号系列Bが乗算され全周波数帯に拡散された拡散信号Dを入力される。そして、フィルタ部104は、拡散信号Dを周波数マスキングフィルタにかけ、そのフィルタリングの結果に対してマスキング閾値を越えない範囲で振幅調整することで、周波数マスキング閾値に基づいて各周波数スペクトルに重み付けした周波数重み付け拡散信号Dを生成する。そして、フィルタ部104は生成した周波数重み付け拡散信号Dを埋込部105に出力する。
【0031】
埋込部105は、フィルタ部104から入力された周波数重み付け拡散信号Dと平滑部103から入力された平滑化信号Aとを合成することで、合成音響信号Eを生成する。そして、埋込部105が生成した合成音響信号Eをスピーカ106に出力すると、スピーカ106はその合成音響信号Eを受信先のデータ抽出装置110に向かって空中伝搬する。
【0032】
図4には、図3で示した音響信号Aの周波数スペクトル(線図Xで表示)及び周波数マスキング閾値(線図Yで表示)に、拡散信号Dの周波数スペクトル(線図Zで表示)が追記されている。なお、線図Xと線図Zを区別するために、図4には、線図Xが濃い実線で表示されており、線図Zは薄い実線で表示されている。この図4において、拡散信号Dの周波数スペクトルは、低周波数部分ではマスキング閾値よりかなり低く、高周波数成分ではマスキング閾値を超えているので、拡散信号Dの利得が効率的ではなく、また、ノイズも知覚できてしまう。
【0033】
一方、図5には、図3で示した音響信号Aの周波数スペクトル(線図Xで表示)及び周波数マスキング閾値(線図Yで表示)に、周波数重み付け拡散信号Dの周波数スペクトル(線図Zで表示)が追記されている。なお、線図Xと線図Zを区別するために、図5には、線図Xが濃い実線で表示されており、線図Zは薄い実線で表示されている。このように拡散信号Dに重み付けを行うことにより、マスキング閾値限界まで伝送データC(拡散信号D)を埋め込むことができる。
【0034】
図1に戻り、データ抽出装置110は、マイクロフォン111、抽出装置112、及び、誤り訂正部116を備えて構成される。マイクロフォン111は、データ埋込装置100のスピーカ106から空中伝搬された合成音響信号Eを受信するためのものであり、通常の音響信号取得装置が用いられる。また、抽出装置112は、マイクロフォン111が受信した合成音響信号Eに埋め込まれた伝送データCを抽出するためのものであり、除去部113(第1の除去手段)、同期部114(第1の同期手段)、及び、抽出部115(第1の抽出手段)を備えて構成される。また、誤り訂正部116は、抽出された伝送データCから誤りを訂正して元の伝送データCを復元するためのものである。以下、このデータ抽出装置110を構成する各構成要素について、図6を参照しながら詳細に説明する。
【0035】
図6は、この抽出装置112の動作を説明するためのブロック図である。先ず、除去部113に、マイクロフォン111がデータ埋込装置100のスピーカ106から受信した合成音響信号Eが入力される。除去部113は、いわゆるハイパスフィルタで構成されており、入力された合成音響信号Eから低周波成分を除去し、低周波除去音響信号(第1の低周波除去音響信号)Eを生成するものである。このように除去部113が拡散符号系列Bとの相関が強い低周波成分を予め除去することで、伝送データCに対する識別誤り率が低減される。除去部113は、生成した低周波除去音響信号Eを同期部114に出力する。なお、第1実施形態における除去部113は、マイクロフォン111が受信した合成音響信号EをA/D変換し、そのA/D変換された信号をフィルタリング処理するデジタルフィルタで構成される。
【0036】
同期部114は、除去部113から低周波除去音響信号Eを入力され、データ埋込装置100が伝送データCを音響データAに埋め込んだ際のフレーム単位に合わせて、低周波除去音響信号Eを同期させるものである。より具体的には、同期部114は、入力された低周波除去音響信号Eと拡散符号系列Bとの相関値を数サンプルずつずらしながら計算し、最も相関値が高くなるポイントをフレームの先頭ポイント(同期ポイント)として検出する。同期部114は、同期ポイントが検出された低周波除去音響信号Eを抽出部115に出力する。
【0037】
抽出部115は、同期部114により検出された同期ポイントに基づいて、低周波除去音響信号Eをフレーム分割する。そして、分割されたフレームごとに拡散符号系列Bを乗算し、計算された相関値に基づいて伝送データCを抽出するものである。より具体的に、抽出部115は、計算された相関値がプラスであれば0を伝送データCとして識別し、計算された相関値がマイナスであれば1を伝送データCとして識別する。抽出部115は識別した伝送データCを誤り訂正部116に出力し、誤り訂正部116は、入力された伝送データCから誤りを訂正し元の伝送データCを復元する。
【0038】
引き続いて、第1実施形態のデータ埋込抽出システム1の制御フローについて、図7を参照しながら説明する。図7は、データ埋込装置100により伝送データCが音響データAに埋め込まれ、データ抽出装置110により伝送データCが復元される動作を説明するためのフローチャートである。
【0039】
先ず、位相調節部102に音響信号Aが所定のフレーム単位で入力され、入力されたフレームの時間系列信号が位相調節される(ステップS101)。次に、ステップS101にて位相調節されて得られた位相調節音響信号Aに対して、平滑部103による平滑化が行われる(ステップS102)。
【0040】
次に、ステップS102にて平滑化されて得られた平滑化信号Aが周波数領域に変換され、周波数マスキング閾値が計算される(ステップS103及びステップS104)。ステップS104にて計算された周波数マスキング閾値に基づいて、周波数マスキングフィルタが形成される(ステップS105)。
【0041】
次に、ステップS105にて形成された周波数マスキングフィルタに、伝送データCに拡散符号系列Bが乗算され全周波数帯に拡散された拡散信号Dが入力され、フィルタリングされる(ステップS106)。そして、ステップS106におけるフィルタリングの結果に対してマスキング閾値を越えない範囲で振幅調整が行われ、周波数重み付け拡散信号Dが生成される(ステップS107)。
【0042】
ステップS107にて生成された周波数重み付け拡散信号Dと、ステップS102にて生成された平滑化信号Aとが合成される(ステップS108)。そして、ステップS108にて合成された合成音響信号Eは、スピーカ106により受信先のデータ抽出装置110に向かって空中伝搬される(ステップS109)。
【0043】
ステップS109にて送信された合成音響信号Eはデータ抽出装置110のマイクロフォン111に入力される(ステップS110)。次に、ステップS110にて入力された合成音響信号Eからフィルタリングにより低周波成分が除去され、低周波除去音響信号Eが生成される(ステップS111)。
【0044】
次に、伝送データCが音響データAに埋め込まれた際のフレーム単位に合わせて、ステップS111にて生成された低周波除去音響信号Eが同期される(ステップS112)。
【0045】
ステップS112にて同期がとれた低周波除去音響信号Eから伝送データCが抽出される(ステップS113)。そして、ステップS113にて抽出された伝送データCは誤り訂正部116に入力されて識別誤りが訂正されると、元の伝送データCが復元される(ステップS114)。
【0046】
続いて、第1実施形態の作用及び効果について説明する。第1実施形態のデータ埋込抽出システム1によれば、伝送データCの受信側であるデータ抽出装置110にて伝送データCが抽出されやすいように、伝送データCの送信側であるデータ埋込装置100は、伝送データCが埋め込まれるフレーム単位に合わせて音響信号Aの位相を調節してから伝送データCを埋め込む。そして、データ抽出装置110では、受信された合成音響信号Eが位相調節されたそのフレーム単位に合わせてフレーム同期をしてから伝送データCの復元を行う。これにより、データ抽出装置110は、データ埋込装置100が埋め込んだ伝送データCを抽出しやすくなり、抽出した伝送データCに対する識別誤りを減少することが可能となる。
【0047】
更に、第1実施形態においては、除去部113がデータ抽出装置110に受信された合成音響信号Eの低周波数成分を除去する。低周波数成分の位相シフトは人間の聴覚に与える影響が大きく、且つ、位相調節の効果が少ない。このため、低周波数成分を予め除去してから以後の処理を行うことで、音響データAの音質に影響を与えることなく、伝送データCを適切に抽出することが可能となる。
【0048】
また、第1実施形態においては、位相調節部102が、音響信号Aをフーリエ変換により周波数領域のスペクトル系列に変換し、各周波数スペクトルの係数の実数項及び虚数項の割合を可変させることで、音響信号Aに対する位相調節を容易に行うことができる。
【0049】
また、第1実施形態においては、平滑部103が、フレームの境界部分の位相の不連続を平滑化させる。これで、位相調節の際に位相不連続により発生したノイズを除去することが可能となる。
【0050】
[第2実施形態]
以下、本発明の第2実施形態におけるデータ埋込抽出システム2について説明する。図8は、データ埋込抽出システム2の概略構成図である。図8に示すように、データ埋込抽出システム2は、データ埋込装置200とデータ抽出装置210とを備えて構成される。以下、このデータ埋込抽出システム2を構成する各構成要素について、図8〜10を参照しながら詳細に説明する。図9は、データ埋込装置200の埋込装置201の動作を説明するためのブロック図である。また、図10は、データ抽出装置210の抽出装置212の動作を説明するためのブロック図である。なお、第1実施形態と重複する部分については説明を省略する。
【0051】
図8に示すように、データ埋込装置200は、埋込装置201及びスピーカを備えて構成されており、埋込装置201は、分割部202(分割手段)、位相調節部203(位相調節手段)、再構成部204(再構成手段)、平滑部205(平滑手段)、フィルタ部206、及び、埋込部(埋込手段)207を含む。先ず、図9に示すように、分割部202に音響信号Aが入力される。分割部202は、入力された音響信号Aを各周波数帯のサブバンドごとに分割し、サブバンド信号(A11,A12,…,A1n)を生成する。そして、分割部202は、生成したサブバンド信号(A11,A12,…,A1n)を位相調節部203に出力する。
【0052】
位相調節部203は、分割部202から入力された各周波数帯のサブバンド信号(A,A12,…,A1n)それぞれに対して独立に位相調節を行う。より具体的に、位相調節部203は、伝送データCが埋め込まれるフレーム単位に合わせて、サブバンド信号(A11,A12,…,A1n)を数サンプルずつ遅延させながら、拡散符号系列Bとの相関値を計算する。そして、同期ポイントでプラスの方に相関値が高くなるように伝送データCが埋め込まれるフレームにおいては、すなわち埋め込まれる伝送データCのデータビットが0のフレームにおいては、拡散符号系列Bとの相関値がプラスの方に高くなるように数サンプル遅延させる。
【0053】
また、同期ポイントでマイナスの方に相関値が高くなるように伝送データCが埋め込まれるフレームにおいては、すなわち埋め込まれる伝送データCのデータビットが1のフレームにおいては、拡散符号系列Bとの相関値がマイナスの方に高くなるように数サンプル遅延させる。位相調節部203は、位相調節して得られた位相調節サブバンド信号(A,A22,…,A2n)を再構成部204に出力する。なお、低周波数のサブバンド信号においては、数サンプル遅延させても相関値はあまり変わらないことから、位相調節をしないで位相連続性を保つようにする方が効率的な場合もある。
【0054】
再構成部204は、位相調節部203から位相調節サブバンド信号(A21,A22,…,A2n)を入力され、一の音響信号として再構成するものである。再構成部204は、再構成した一の音響信号を平滑部205に出力し、平滑部205は、フレームの境界部分の位相の不連続を平滑化し、位相不連続によるノイズを低減する。
【0055】
図8に戻り、データ抽出装置210は、マイクロフォン211、抽出装置212及び誤り訂正部216を備えて構成されており、抽出装置212は、同期部213(第2の同期手段)、除去部214(第2の除去手段)、及び、抽出部215(第2の抽出手段)を含む。
【0056】
先ず、図10に示すように、同期部213に、マイクロフォン211がデータ埋込装置200のスピーカから受信した合成音響信号Eが入力される。同期部213は、データ埋込装置200が伝送データCを音響データAに埋め込んだ際のフレーム単位に合わせて、入力された合成音響信号Eを同期させるものである。より具体的には、同期部213は、入力された合成音響信号Eと拡散符号系列Bとの相関値を数サンプルずつずらしながら計算し、最も相関値が高くなるポイントをフレームの先頭ポイント(同期ポイント)として識別する。同期部213は、同期ポイントが検出された合成音響信号Eを除去部214に出力する。
【0057】
除去部214は、いわゆるハイパスフィルタで構成されており、同期ポイントが検出された合成音響信号Eを入力され、低周波成分を除去し、低周波除去音響信号(第2の低周波除去音響信号)Eを生成するものである。除去部214は、生成した低周波除去音響信号Eを抽出部215に出力する。
【0058】
抽出部215は、同期部213により検出された同期ポイントに基づいて、除去部214から入力された低周波除去音響信号Eをフレーム分割する。そして、分割されたフレームごとに拡散符号系列Bを乗算し、計算された相関値に基づいて伝送データCを抽出するものである。より具体的に、抽出部215は、計算された相関値がプラスであれば0を伝送データCとして識別し、計算された相関値がマイナスであれば1を伝送データCとして識別する。抽出部215は識別した伝送データCを誤り訂正部216に出力し、誤り訂正部216は、入力された伝送データCから誤りを訂正し元の伝送データCを復元する。
【0059】
引き続いて、第2実施形態のデータ埋込抽出システム2の制御フローについて、図11を参照しながら説明する。図11は、データ埋込装置200により伝送データCが音響データAに埋め込まれ、データ抽出装置210により伝送データCが復元される動作を説明するためのフローチャートである。
【0060】
先ず、分割部202に入力された音響信号Aは、各周波数帯のサブバンドごとに分割され、サブバンド信号(A11,A12,…,A1n)が生成される(ステップS201)。次に、ステップS201にて生成されたサブバンド信号(A11,A12,…,A)それぞれに対して独立に位相調節が行われる(ステップS202)。
【0061】
次に、ステップS202にて各サブバンドごとに独立に位相調節された位相調節サブバンド信号(A21,A22,…,A2n)が、一の音響信号として再構成される(ステップS203)。そして、ステップS203にて再構成された一の音響信号に対して、平滑部205による平滑化が行われる(ステップS204)。
【0062】
次に、ステップS204にて平滑化されて得られた平滑化信号Aが周波数領域に変換され、周波数マスキング閾値が計算される(ステップS205及びステップS206)。ステップS206にて計算された周波数マスキング閾値に基づいて、周波数マスキングフィルタが形成される(ステップS207)。
【0063】
次に、ステップS207にて形成された周波数マスキングフィルタに、伝送データCに拡散符号系列Bが乗算され全周波数帯に拡散された拡散信号Dが入力され、フィルタリングされる(ステップS208)。そして、ステップS208におけるフィルタリングの結果に対してマスキング閾値を越えない範囲で振幅調整が行われ、周波数重み付け拡散信号Dが生成される(ステップS209)。
【0064】
ステップS209にて生成された周波数重み付け拡散信号Dと、ステップS204にて生成された平滑化信号Aとが合成される(ステップS210)。そして、ステップS210にて合成された合成音響信号Eは、スピーカにより受信先のデータ抽出装置210に向かって空中伝搬される(ステップS211)。
【0065】
ステップS211にて送信された合成音響信号Eはデータ抽出装置210のマイクロフォン211に入力される(ステップS212)。次に、伝送データCが音響データAに埋め込まれた際のフレーム単位に合わせて、ステップS212にて入力された合成音響信号Eが同期される(ステップS213)。
【0066】
次に、ステップS213にて同期がとれた合成音響信号Eからフィルタリングにより低周波成分が除去され、低周波除去音響信号Eが生成される(ステップS214)。次に、ステップS213により検出された同期ポイントに基づいて、ステップS214により生成された低周波除去音響信号Eから伝送データCが抽出される(ステップS215)。そして、ステップS215にて抽出された伝送データCは誤り訂正部216に入力されて識別誤りが訂正されると、元の伝送データCが復元される(ステップS216)。
【0067】
続いて、第2実施形態の作用及び効果について説明する。第2実施形態のデータ埋込抽出システム2によれば、入力された音響信号Aを各周波数帯のサブバンドごとに分割し、分割されたサブバンド信号(A11,A12,…,A1n)それぞれに対して独立に位相調節を行う。これにより、各サブバンドごとにきめの細かい位相調節を行うことができるため、位相調節部203による位相調節の効果を大きくすることができる。
【0068】
また、第2実施形態においては、サブバンド信号(A11,A12,…,A1n)の時間系列を数サンプリング時間分遅くないし早くさせることで、サブバンド信号(A11,A12,…,A1n)に対する位相調節を容易に行うことができる。
【0069】
また、第2実施形態においては、同期部213により合成音響信号Eの同期がとれた後に、合成音響信号Eの低周波数成分が除去される。同期の際に、合成音響信号Eの低周波成分を含む全周波数成分が用いられると、同期の先頭ポイントが検出されやすくなり、先頭ポイントの検出誤りを低減することができる。
【0070】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。
【0071】
例えば、第1実施形態のデータ埋込装置100と第2実施形態のデータ抽出装置210とを組み合わせたデータ埋込抽出システムや、第2実施形態のデータ埋込装置200と第1実施形態のデータ抽出装置110とを組み合わせたデータ埋込抽出システムも実現可能である。
【0072】
また、第1実施形態における除去部113は、入力された信号をそのままフィルタリング処理するアナログフィルタで構成され、フィルタリングされた信号をA/D変換して出力するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0073】
【図1】データ埋込抽出システム1の概略構成図である。
【図2】埋込装置101の動作を説明するためのブロック図である。
【図3】音響信号Aの周波数スペクトル、及び、周波数マスキング閾値を表す線図である。
【図4】音響信号Aの周波数スペクトル、周波数マスキング閾値、及び、拡散信号Dの周波数スペクトルを表す線図である。
【図5】音響信号Aの周波数スペクトル、周波数マスキング閾値、及び、周波数重み付け拡散信号Dの周波数スペクトルを表す線図である。
【図6】抽出装置112の動作を説明するためのブロック図である。
【図7】データ埋込装置100、及び、データ抽出装置110の動作を説明するためのフローチャートである。
【図8】データ埋込抽出システム2の概略構成図である。
【図9】埋込装置201の動作を説明するためのブロック図である。
【図10】抽出装置212の動作を説明するためのブロック図である。
【図11】データ埋込装置200、及び、データ抽出装置210の動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【0074】
1,2…データ埋込抽出システム、100,200…データ埋込装置、101,201…埋込装置、102,203…位相調節部、103,205…平滑部、104,206…フィルタ部、105,207…埋込部、106,208…スピーカ、110,210…データ抽出装置、111,211…マイクロフォン、112,212…抽出装置、113,214…除去部、114,213…同期部、115,215…抽出部、116,216…誤り訂正部、202…分割部、204…再構成部。




 

 


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