JP2007017900A - 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 - Google Patents

Abstract

【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】
データ埋込装置１００は、伝送データが埋め込まれるフレーム単位に合わせて、音響信号を位相調節する位相調節部１０２と、位相調節された音響信号に伝送データを埋め込む埋込部１０５とを備えて構成される。また、データ抽出装置１１０は、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、低周波除去音響信号を生成する除去部１１３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、除去部１１３により生成された低周波除去音響信号を同期させる同期部１１４と、同期部１１４により同期がとれた低周波除去音響信号から、伝送データを抽出する抽出部１１５とを備えて構成される。
【選択図】 図１

Description

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。

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）。

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。

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。

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。
D.Gruhl, A.Lu and W.Bender; 「Echo Hiding」, Information Hiding, pp.295-315, 1996 L.Boney, A.H.Tewfik and K.N.Hamdy; 「Digitalwatermarks for audio signals」, IEEE Intl. Conf. on Multimedia Computing andSystems, pp.473-480, 1996. 国際公開第02/45286号パンフレット

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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_１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_１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。

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_１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_１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_１の位相を調節する。

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_２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_１と位相調節をした位相調節音響信号Ａ_２をそれぞれ一定の比率をかけて合成し、平滑化信号Ａ_３を生成する。

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Ａ_３ｉは、位相調節をしていない音響信号Ａ_１ｉに（１００−ｉ）／１００をかけ、且つ、位相調節をした位相調節音響信号Ａ_２ｉ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_３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_３をフィルタ部１０４及び埋込部１０５に出力する。

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_３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_１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。

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_１を入力される。そして、フィルタ部１０４は、拡散信号Ｄ_１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_２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_２を埋込部１０５に出力する。

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_２と平滑部１０３から入力された平滑化信号Ａ_３とを合成することで、合成音響信号Ｅ_１を生成する。そして、埋込部１０５が生成した合成音響信号Ｅ_１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_１を受信先のデータ抽出装置１１０に向かって空中伝搬する。

図４には、図３で示した音響信号Ａ_１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_１の周波数スペクトル（線図Ｚ_１で表示）が追記されている。なお、線図Ｘと線図Ｚ_１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_１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_１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_１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。

一方、図５には、図３で示した音響信号Ａ_１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_２の周波数スペクトル（線図Ｚ_２で表示）が追記されている。なお、線図Ｘと線図Ｚ_２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_２は薄い実線で表示されている。このように拡散信号Ｄ_１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_２）を埋め込むことができる。

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_１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_１に埋め込まれた伝送データＣ_０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_０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。

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_１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_１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_２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_２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_１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。

同期部１１４は、除去部１１３から低周波除去音響信号Ｅ_２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_１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_２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_２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_２を抽出部１１５に出力する。

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_２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_０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_０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_０として識別する。抽出部１１５は識別した伝送データＣ_０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_０から誤りを訂正し元の伝送データＣを復元する。

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_１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。

先ず、位相調節部１０２に音響信号Ａ_１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_２に対して、平滑部１０３による平滑化が行われる（ステップＳ１０２）。

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_３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）。

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_１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_２が生成される（ステップＳ１０７）。

ステップＳ１０７にて生成された周波数重み付け拡散信号Ｄ_２と、ステップＳ１０２にて生成された平滑化信号Ａ_３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_１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）。

ステップＳ１０９にて送信された合成音響信号Ｅ_１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_１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_２が生成される（ステップＳ１１１）。

次に、伝送データＣが音響データＡ_１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_２が同期される（ステップＳ１１２）。

ステップＳ１１２にて同期がとれた低周波除去音響信号Ｅ_２から伝送データＣ_０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_０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）。

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_１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_１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。

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_１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_１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。

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_１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_１に対する位相調節を容易に行うことができる。

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。

［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。

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_１が入力される。分割部２０２は、入力された音響信号Ａ_１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（Ａ_１１，Ａ_１２，…，Ａ_１ｎ）を生成する。そして、分割部２０２は、生成したサブバンド信号（Ａ_１１，Ａ_１２，…，Ａ_１ｎ）を位相調節部２０３に出力する。

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_１１，Ａ_１２，…，Ａ_１ｎ）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（Ａ_１１，Ａ_１２，…，Ａ_１ｎ）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。

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_２１，Ａ_２２，…，Ａ_２ｎ）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。

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（Ａ_２１，Ａ_２２，…，Ａ_２ｎ）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。

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。

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_１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_１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_１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_１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_１を除去部２１４に出力する。

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_１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_３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_３を抽出部２１５に出力する。

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_３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_０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_０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_０として識別する。抽出部２１５は識別した伝送データＣ_０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_０から誤りを訂正し元の伝送データＣを復元する。

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_１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。

先ず、分割部２０２に入力された音響信号Ａ_１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（Ａ_１１，Ａ_１２，…，Ａ_１ｎ）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（Ａ_１１，Ａ_１２，…，Ａ_１ｎ）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）。

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（Ａ_２１，Ａ_２２，…，Ａ_２ｎ）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）。

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_３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）。

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_１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_２が生成される（ステップＳ２０９）。

ステップＳ２０９にて生成された周波数重み付け拡散信号Ｄ_２と、ステップＳ２０４にて生成された平滑化信号Ａ_３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_１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）。

ステップＳ２１１にて送信された合成音響信号Ｅ_１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_１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_１が同期される（ステップＳ２１３）。

次に、ステップＳ２１３にて同期がとれた合成音響信号Ｅ_１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_３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_３から伝送データＣ_０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_０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）。

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_１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（Ａ_１１，Ａ_１２，…，Ａ_１ｎ）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。

また、第２実施形態においては、サブバンド信号（Ａ_１１，Ａ_１２，…，Ａ_１ｎ）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（Ａ_１１，Ａ_１２，…，Ａ_１ｎ）に対する位相調節を容易に行うことができる。

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_１の同期がとれた後に、合成音響信号Ｅ_１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_１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。

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。

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。

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。

データ埋込抽出システム１の概略構成図である。 埋込装置１０１の動作を説明するためのブロック図である。 音響信号Ａ_１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。 音響信号Ａ_１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_１の周波数スペクトルを表す線図である。 音響信号Ａ_１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_２の周波数スペクトルを表す線図である。 抽出装置１１２の動作を説明するためのブロック図である。 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。 データ埋込抽出システム２の概略構成図である。 埋込装置２０１の動作を説明するためのブロック図である。 抽出装置２１２の動作を説明するためのブロック図である。 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

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。

Claims (10)

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
    
    
    

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