JP4780375B2 - 音響信号への制御コード埋込装置、および音響信号を用いた時系列駆動装置の制御システム - Google Patents
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(1.本発明による時系列駆動装置の制御の概念)
まず、本発明による、音響信号を用いた時系列駆動装置の制御の基本的概念について説明する。図1に本発明による時系列駆動装置の制御システムの基本構成を示す。図1において、1は抽出装置コンピュータ、2はマイクロフォン、3は映像・音楽プレーヤ、4は音響信号再生装置、5はLスピーカである。ここで、時系列駆動装置とは、時系列に従って駆動される装置であって、音楽プレーヤ、照明器具、ビデオ映像プレーヤ、ロボット等様々な機器が該当する。図1の例では、映像・音楽プレーヤ3が時系列駆動装置に該当する。本発明では、あらかじめ制御コードを埋め込んだ音響信号を、音響信号再生装置4で再生し、再生される音楽をマイクロフォン2で取得し、取得した音響信号から抽出装置コンピュータ1が制御コードを抽出し、この制御コードに従って映像・音楽プレーヤ3を制御する。これにより、その場にいる人は、音響信号再生装置4から再生される音楽と、映像・音楽プレーヤ3から再生される映像・音楽等を同期して楽しむことが可能となる。なお、音響信号再生装置4、Lスピーカ5は、通常のオーディオシステムと何ら異なるものではなく、再生される音響信号に制御コードが埋め込まれているという特徴を有するものである。
まず、上記音響信号再生装置4において再生するための、制御コードを埋め込んだ音響信号を準備する必要がある。そのため、音響信号に制御コードを埋め込む処理を行う。音響信号は、図1に示したような状態で音響信号再生装置4から再生され、人が聴くことになるので、制御コードを埋め込んだことにより音響信号が人間の可聴領域まで変化してしまうことは好ましくない。すなわち、制御コードを人間が聴取不能なように音響信号に埋め込む必要がある。音響信号に聴取不能なように情報を埋め込む手法についてもさまざまな技術が提案されており、それらを採用することも可能であるが、本実施形態では、本出願人が、特願2005−58824号で提案している手法を用いることにする。
ここからは、本出願人が特願2005−58824号において提案している情報の埋め込み(以下、「先願埋込手法」という)の基本的な内容について説明する。図2は、先願埋込手法に対応した音響信号に対する情報の埋め込み装置の構成を示す機能ブロック図である。図2において、10は音響フレーム読込手段、20は周波数変換手段、30は低周波成分変更手段、40は周波数逆変換手段、50は改変音響フレーム出力手段、60は記憶手段、61は音響信号記憶部、62は付加情報記憶部、63は改変音響信号記憶部、70は付加情報読込手段である。なお、図2に示す装置は、ステレオ音響信号、モノラル音響信号の両方に対応可能であるが、ここでは、ステレオ音響信号に対して処理を行う場合について説明していく。
次に、図2に示した音響信号に対する情報の埋め込み装置の処理動作について図3のフローチャートに従って説明する。ここでは、音響信号として、L(左)、R(右)の2チャンネルを有するステレオ音響信号に対して処理を行う場合について説明していく。図3は、付加情報1バイトの処理に対応したものとなっている。まず、付加情報読込手段70は、付加情報記憶部62から付加情報を1バイト単位で読み込む(S101)。具体的には、レジスタに1バイト読み込むことになる。続いて、モードを区切りモードに設定する(S102)。モードは区切りモードと、ビットモードの2種類が存在する。区切りモードは1バイト単位の区切りにおける処理を行うモードを示し、ビットモードは1バイトの各ビットの値に基づいた処理を行うモードを示している。付加情報記憶部62から1バイト読み込んだ場合には、その直後に必ず区切りモードに設定されることになる。
Al(j)=Σi=0,…,N-1W(i)xl(i)・cos(2πij/N)
Bl(j)=Σi=0,…,N-1W(i)xl(i)・sin(2πij/N)
Ar(j)=Σi=0,…,N-1W(i)xr(i)・cos(2πij/N)
Br(j)=Σi=0,…,N-1W(i)xr(i)・sin(2πij/N)
E1=Σj=1,…,M1{Al(j)2+Bl(j)2}
E2=Σj=M1+1,…,M2{Al(j)2+Bl(j)2}
第1低周波数帯(j=1〜10)、第2低周波数帯(j=11〜20)共に
E(j)={Al(j)2+Bl(j)2+Ar(j)2+Br(j)2}1/2
Al(j)=0
Bl(j)=0
Ar(j)←Ar(j)・E(j)/{Ar(j)2+Br(j)2}1/2
Br(j)←Br(j)・E(j)/{Ar(j)2+Br(j)2}1/2
第1低周波数帯(j=1〜10)に対して
Al(j)=0
Bl(j)=0
E(j)={Al(j)2+Bl(j)2+Ar(j)2+Br(j)2}1/2
Ar(j)←Ar(j)・E(j)/{Ar(j)2+Br(j)2}1/2
Br(j)←Br(j)・E(j)/{Ar(j)2+Br(j)2}1/2
第2低周波数帯(j=11〜20)に対して
Al(j)=0
Bl(j)=0
E(j)={Al(j)2+Bl(j)2+Ar(j)2+Br(j)2}1/2
Ar(j)←Ar(j)・E(j)/{Ar(j)2+Br(j)2}1/2
Br(j)←Br(j)・E(j)/{Ar(j)2+Br(j)2}1/2
xl´(i)=1/N・{Σj=0,…,N-1Al(j)・cos(2πij/N)−Σj=0,…,N-1Bl(j)・sin(2πij/N)}+{1−W(i)}・xl(i)
xr´(i)=1/N・{Σj=0,…,N-1Ar(j)・cos(2πij/N)−Σj=0,…,N-1Br(j)・sin(2πij/N)}+{1−W(i)}・xr(i)
xl´(i)=1/N・{Σj=0,…,N-1Al(j)・cos(2πij/N)−Σj=0,…,N-1Bl(j)・sin(2πij/N)}
xr´(i)=1/N・{Σj=0,…,N-1Ar(j)・cos(2πij/N)−Σj=0,…,N-1Br(j)・sin(2πij/N)}
続いて、上記先願埋込手法を利用して、制御コードを埋め込む処理について説明する。まず、コードリスト入力手段より、コードリストを入力する。コードリストとは、埋め込むべき制御コードと埋め込むべき演奏時刻位置を対応付けて記録したリストである。制御コードとしては、制御対象の時系列駆動装置の種類に応じて様々なものを用いることができる。演奏時刻位置としては、msec単位、100msec単位等の時刻単位のタイムコードや、音響フレームの番号等何らかのかたちで先頭からの時刻が特定できるものを利用できる。図7(a)に、制御コードとしてタイムコードを記録したものを示す。図7(a)の例では、制御コードを100msec単位タイムコードとし、演奏時刻位置をmsec単位タイムコードとしている。
上記のようにして得られた音響信号を、図1に示した音響信号再生装置4で再生し、Lスピーカ5から流れる音を、マイクロフォン2で取得すると、取得された音響情報は、抽出装置コンピュータ1に取り込まれる。抽出装置コンピュータ1は、取得した音響信号からリアルタイムでタイムコードを抽出する。抽出装置コンピュータ1における、埋め込まれたタイムコードの抽出処理については、後述する手法を利用する。抽出処理の具体的内容については後述する。抽出装置コンピュータ1は、抽出したタイムコードを映像・音楽プレーヤ3に順次出力する。映像・音楽プレーヤ3では、受け取ったタイムコードに従って映像・音楽等を再生する。音響信号再生装置4で再生される音響信号には、その時刻に対応したタイムコードが記録されており、映像・音楽プレーヤ3では、そのタイムコードに従って再生を行うため、音響信号再生装置4から再生される音響信号と、映像・音楽プレーヤ3から再生される映像・音響信号とが同期して再生されることになる。すなわち、制御コードを別途用意せずとも、音響信号を再生するだけで、他の機器の制御が可能になる。
上記、抽出装置コンピュータ1における音響信号からのタイムコードの抽出処理は、本出願人が特願2005−58824号において提案している情報の抽出(以下、「先願抽出手法」という)を用いることになる。次に、先願抽出手法における音響信号からの情報の抽出装置について具体的に説明していく。図9は、先願抽出手法に対応した、音響信号からの情報の抽出装置の一実施形態を示す構成図である。図9において、100は音響信号入力手段、110は基準フレーム獲得手段、120は位相変更フレーム設定手段、130は周波数変換手段、140は符号判定パラメータ算出手段、150は符号出力手段、160は付加情報抽出手段、170は音響フレーム保持手段である。
次に、図9に示した抽出装置の処理動作について図10のフローチャートに従って説明する。まず、本装置では、平均符号レベルHL1、HL2、周波数帯バランステーブル、位相判定テーブルが初期化される。これらについて説明する。平均符号レベルHL1、HL2は、ビット値に対応する2値が埋め込まれていたと判断される音響フレーム(以下、有効フレームと呼ぶことにする)についての、上記〔数式2〕で算出される低周波成分の合算値E1、E2の平均値、すなわち、過去の有効フレームにおける合算値E1、E2の平均値で与えられるものであり、初期値は、上記埋め込み装置においても用いられるレベル下限値Levに設定されている。周波数帯バランステーブルは、実際には、2種の補正係数C1(j)、C2(j)により構成されるものであり、初期値は、M2以下の各jについて、C1(j)=C2(j)=1に設定されている。位相判定テーブルS(p)は、位相を判定するためのテーブルであり、pは0〜5の整数値をとる。初期値はS(p)=0に設定されている。
El(j)=Al(j)2+Bl(j)2
E2´=Σj=M1+1,…,M2El(j){C1(j)/C2(j)}
E2´/E1>2の場合、第2低周波数帯が大
E1/E2´>2の場合、第1低周波数帯が大
E2´/E1≦2かつE1/E2´≦2の場合、両周波数帯が均等
第1低周波数帯が大の場合、S(p)←S(p)+E1/E2´
第2低周波数帯が大の場合、S(p)←S(p)+E2´/E1
C1(j)←C1(j)+El(j) (1≦j≦M1)
C2(j−M1)←C2(j−M1)+El(j) (M1+1≦j≦M2)
上記のように、抽出時には、埋め込み時に埋め込んだ音響フレームに対応して、音響信号を読み込むことができるとは限らない。そこで、音響フレームの位相をずらして複数通り(本実施形態では6通り)で読み込み、その中で最適な位相を決定し、その位相で特定される音響フレームに対応する符号を出力することにしている。例えば、6通りで読み込む場合、先頭の音響フレームは、本来サンプル番号1〜4096のサンプルであるが、サンプル番号1、683、1366、2049、2732、3413から始まる4096のサンプルで構成される6個の各音響フレームに対して処理を行い、最適な音響フレームに対応する符号を出力することになる。この位相補正処理は、S404、S410、S411、S412、S413における処理を中心として行われることになる。
アナログ系を介した場合、音響信号の第1低周波数帯と第2低周波数帯の信号が互いに影響しあって、両周波数帯のバランスが崩れ、抽出側で誤判断することが多くなる。そこで、過去の音響フレームについての対応する周波数帯別の積算値により、両周波数帯のバランスを補正する処理を行っている。この周波数帯バランス補正処理は、S403、S308における処理を中心として行われることになる。
信号レベルが小さい場合には、周波数帯別の強度の大小が判定できず、抽出側で誤判断することが多くなる。そこで、低周波強度E1およびE2´が所定の閾値以下のフレームについては、無効なフレームであると判断するようにしているが、この際の閾値を過去の有効フレームについての低周波強度の積算値を利用して補正する処理を行っている。このように閾値を変動させることにより、信号レベルが変動しても無効なフレームであるか、有効なフレームであるかを正確に判断することが可能となる。この下限閾値補正処理は、S402、S303における処理を中心として行われることになる。
上記実施形態では、100msecタイムコード(time code)を制御コードとして音響信号に埋め込み、抽出側では、抽出したタイムコードに従って、他のプレーヤと同期制御を行う場合について説明したが、制御コードとして異なるものを用いることにより、様々な制御を行うことが可能である。次に、楽曲コード(和音chord name)を制御コードとして音響信号に埋め込み、抽出側では、抽出したコードネームに従って、他の機器に伴奏を行わせる場合について説明する。
上記実施形態においては、埋め込み装置、制御システムのいずれにおいても、左右のチャンネルを有するステレオ音響信号の左チャンネル信号に付加情報を埋め込む場合を例にとって説明したが、逆に右チャンネル信号に付加情報を埋め込むようにしても良い。その場合、〔数式3〕〜〔数式5〕において、Al(j)とAr(j),およびBl(j)とBr(j)を入れ替えて処理すればよい。本発明は、左右の特性には無関係だからである。また、1つのチャンネルしかないモノラル音響信号に対して処理を行う場合は、上記実施形態において、左チャンネル信号に対して行った処理を行うことになる。その場合、〔数式1〕および〔数式3〕〜〔数式7〕において、Ar(j)とBr(j)を全て0として処理すれば良い。本発明は、1つのチャンネル信号に対して付加情報を埋め込み、また抽出を行うので、モノラル音響信号であってもステレオ音響信号であっても同様に行うことができる。ただし、ステレオ音響信号の場合のように、一方のチャンネル信号に付加情報を埋め込むことにより発生する信号の劣化を、もう一方のチャンネル信号で補正することができないため、再生品質の劣化は避けられなくなる。
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ず、様々な形態で実施が可能である。例えば、上記実施形態では、制御対象の時系列駆動装置として、映像・音楽プレーヤ、MIDIシンセサイザを用いたが、ゲーム機、玩具ロボット、電子楽器等を制御対象の時系列駆動装置とすることも可能である。また、制御対象の時系列駆動装置、抽出装置コンピュータ1、マイクロフォン2は物理的に分離している必要はなく、携帯電話機やPDA等に一体型で収められていても良い。
2・・・マイクロフォン
3・・・映像・音楽プレーヤ
4・・・音響信号再生装置
5・・・Lスピーカ
7・・・MIDIシンセサイザ
10・・・音響フレーム読込手段
20・・・周波数変換手段
30・・・低周波成分変更手段
40・・・周波数逆変換手段
50・・・改変音響フレーム出力手段
60・・・記憶手段
61・・・音響信号記憶部
62・・・付加情報記憶部
63・・・改変音響信号記憶部
70・・・付加情報読込手段
100・・・音響信号入力手段
110・・・基準フレーム獲得手段
120・・・位相変更フレーム設定手段
130・・・周波数変換手段
140・・・符号判定パラメータ算出手段
150・・・符号出力手段
160・・・付加情報抽出手段
170・・・音響フレーム保持手段
Claims (2)
- 聴取不能な状態で電子透かし手法により制御コードが埋め込まれた音響信号を再生した状態で、再生された音響信号をマイクロフォンで入力し、入力された音響信号から埋め込まれた制御コードを抽出し、抽出された制御コードにしたがって、前記音響信号を再生した再生機器とは独立した時系列駆動装置を制御する制御システムで用いられる音響信号に制御コードを埋め込む装置であって、
前記時系列駆動装置を制御するための制御コードを前記音響信号の演奏時刻位置に対応させたコードリストを入力するコードリスト入力手段と、
前記音響信号に対してダミーコード配列を電子透かし手法により埋め込み、その際の各ダミーコードとそれを埋め込んだ演奏時刻との対応関係を記録したダミーコードリストを作成するダミーコード埋め込み手段と、
前記ダミーコードリストの各ダミーコードを、対応する演奏時刻に近い演奏時刻が指示されている前記コードリスト上の制御コードに置換するダミーコードリスト更新手段と、
前記更新されたダミーコードリストの置換された制御コードを含む全コードを前記音響信号に対して電子透かし手法により埋め込む本番コード埋め込み手段と、
を有することを特徴とする音響信号への制御コード埋込装置。 - あらかじめ聴取不能な状態で電子透かし手法により制御コードが埋め込まれた音響信号から、制御コードを抽出して、時系列駆動装置の制御を行うシステムであって、
前記制御コードが埋め込まれた音響信号を再生するための音響信号再生手段と、
前記音響信号再生手段により再生されている音響信号に対して、所定の信号区間をマイクロフォンで入力し、入力された音響信号に埋め込まれている制御コードを抽出するコード抽出手段と、
前記コード抽出手段により抽出された制御コードを前記時系列駆動装置に送出して、前記時系列駆動装置に所定の作用を施す時系列駆動装置制御手段と、を有し、
前記制御コードが埋め込まれた音響信号は、制御コードが埋め込まれる前の音響信号に対してダミーコード配列を電子透かし手法により埋め込み、その際の各ダミーコードとそれを埋め込んだ演奏時刻との対応関係を記録したダミーコードリストを作成するようにダミーコードを埋め込み、前記ダミーコードリストの各ダミーコードを、対応する演奏時刻に近い演奏時刻が指示されているコードリスト上の制御コードに置換することにより更新し、前記更新されたダミーコードリストの置換された制御コードおよび置換されなかったダミーコードを含む全コードを前記音響信号に対して電子透かし手法により埋め込むことにより得られるものであることを特徴とする音響信号を用いた時系列駆動装置の制御システム。
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