JP6079230B2 - 付加情報挿入装置、付加情報挿入方法、付加情報挿入プログラム、付加情報抽出装置、付加情報抽出方法、及び付加情報抽出プログラム - Google Patents

付加情報挿入装置、付加情報挿入方法、付加情報挿入プログラム、付加情報抽出装置、付加情報抽出方法、及び付加情報抽出プログラム Download PDF

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Description

本発明は、ADPCM符号化信号に付加情報を挿入して同時に伝送する際、付加情報挿入処理によって生じる音質劣化を抑制しながら、付加情報を伝送することを可能にする付加情報挿入装置及び、付加情報挿入装置から送られたADPCM符号化信号から付加情報を抽出する付加情報抽出装置に関する。
従来、主として伝送する情報内に他の情報を挿入し、同時に伝送する技術として電子透かし法やデータ埋め込み法など、数多くの方式が提案されている。いずれの方法も主として伝送する情報の品質は維持しながら、他の情報を特殊なルールや算術的な手法を用いながらビット操作により付加情報として潜り込ませる。ここで、伝送する情報は、符号化された情報となるが、送信時の符号化情報量を維持しつつ情報が正しく伝送できるよう加工される。そして、受信側で同じく特殊なルールや算術的な手法により、伝送された情報から付加情報を抽出する。
特に音声信号に他の付加情報を挿入する場合、ビット処理に伴う復号後に与える誤差の影響が大きいとき、無視できない音質劣化を招き、本来の主たる情報源を伝送する目的から逸脱してしまう。このような課題を解決するために、例えば、特許文献１は、音声符号化信号の一種であるCELP符号化方式等の情報化のための仕組みである、音声ゲイン量情報（雑音や音声信号のゲイン量をテーブル化したもの。符号帳とも呼ばれる）に、通常選択されるテーブルとは異なるテーブルを選択することで付加情報を挿入し、本来伝送する音声信号に与える影響を抑えつつ、音声とは別の情報源を伝送することを可能にしている。
また、例えば特許文献２及び、特許文献３は、携帯無線通信装置の一種であるPHS方式を活用して、音声符号化方式ADPCMによる音声信号の伝送と共に、他の情報源を伝送する方法を開示している。
いずれも音声の伝送路として確保されている32kbpsの帯域と、データ伝送領域として確保されている32kbpsの伝送路とを用いて、音声信号と同時に付加情報を送信するものであり、音声の明瞭性を維持したまま、音声信号と同等の情報量を持ったデータを伝送している。
特開２００３−２９５８７９号公報 特開平１０−３２２７８５号公報 特開２００１−２１８２７４号公報
ADPCMを用いたPHSシステムのような既存の通信サービスに対し、既に提供されている機器との整合性を維持しつつ、有効な伝送帯域であるADPCM符号化信号帯域のみを利用して他の情報源である付加情報を伝送するには、例えばADPCM符号化信号内の下位ビットに置き換えて、付加情報のビット列を埋め込むなどの方法が考えられる。しかし、付加情報のビットパターンと本来のADPCM符号化信号のビットパターンとの不整合から生じる誤差量により、復号される音声信号に誤差が蓄積し、極めて重大な音質劣化を発生する恐れがあった。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、ADPCM符号化信号に付加情報を挿入して伝送する場合であっても、ADPCM符号化信号から復号される音声信号の劣化を抑制することができる付加情報挿入装置、付加情報挿入方法、付加情報抽出装置、及び付加情報抽出方法の提供を目的とする。
そこで、本発明は、所定のサンプリング周期でサンプル化される音声信号をADPCM符号化方式にてADPCM符号化する際における量子化ステップ幅を算出する量子化ステップ制御部と、前記音声信号と、前記音声信号の前にサンプル化された音声信号を再現したADPCM符号化再現信号との差分値である第１の差分値を算出する差分器と、前記量子化ステップ幅に基づいて、第１の差分値を量子化して、第２の差分値を導出する量子化器と、前記第２の差分値を符号化して第１のADPCM符号化信号を生成するADPCM符号化器と、
前記差分値と前記量子化ステップ幅に基づき、前記第１の差分値と前記第２の差分値との量子化誤差値を算出する適応誤差算出器と、前記量子化誤差値に基づいて、前記ADPCM符号化器によって生成された前記第１のADPCM符号化信号に前記音声信号とは異なる情報である付加情報を挿入した場合に前記付加情報を変更せずに前記量子化誤差値がより小さくなるADPCM符号を示すビット変更制御情報を生成する変更制御部と、前記第１のADPCM符号化信号に前記付加情報を挿入する付加情報挿入部と、前記付加情報を保持したまま、前記第１のADPCM符号化信号を用いて前記音声信号を再符号化した第２のADPCM符号化信号を生成する再符号化部と、を備え、前記量子化ステップ制御部は、前記第２のADPCM符号化信号に基づいて、前記量子化ステップ幅を算出し、前記変更制御部は前記量子化誤差に基づいて付加情報挿入の際にプラス側またはマイナス側のどちらにビット変更を実施するかを指示するビット変更制御情報を生成し、前記付加情報挿入部は前記ビット変更制御情報に基づいて前記第１のADPCM符号化信号に前記付加情報を追加することを特徴とする付加情報挿入装置を提供する。
また、本発明は、所定のサンプリング周期でサンプル化される音声信号をADPCM符号化方式にてADPCM符号化する際における量子化ステップ幅を算出する量子化ステップ制御ステップと、前記音声信号と、前記音声信号の前にサンプル化された音声信号を再現したADPCM符号化再現信号との差分値である第１の差分値を算出する差分値算出ステップと、前記量子化ステップ幅に基づいて、第１の差分値を量子化して、第２の差分値を導出する量子化ステップと、前記第２の差分値を符号化して第１のADPCM符号化信号を生成するADPCM符号化ステップと、前記差分値と前記量子化ステップ幅に基づき、前記第１の差分値と前記第２の差分値との量子化誤差値を算出する適応誤差算出ステップと、前記量子化誤差値に基づいて、前記生成された前記第１のADPCM符号化信号に前記音声信号とは異なる情報である付加情報を挿入した場合に前記付加情報を変更せずに前記量子化誤差値がより小さくなるADPCM符号を示すビット変更制御情報を生成する変更制御ステップと、前記第１のADPCM符号化信号に前記付加情報を挿入する付加情報挿入ステップと、前記付加情報を保持したまま、前記第１のADPCM符号化信号を用いて前記音声信号を再符号化した第２のADPCM符号化信号を生成する再符号化ステップと、を備え、前記量子化ステップ制御ステップでは、前記第２のADPCM符号化信号に基づいて、前記量子化ステップ幅を算出し、前記変更制御ステップは前記量子化誤差に基づいて付加情報挿入の際にプラス側またはマイナス側のどちらにビット変更を実施するかを指示するビット変更制御情報を生成し、前記付加情報挿入ステップは前記ビット変更制御情報に基づいて前記第１のADPCM符号化信号に前記付加情報を追加することを特徴とする付加情報挿入方法を提供する。
また、本発明は、所定のサンプリング周期でサンプル化される音声信号をADPCM符号化方式にてADPCM符号化する際における量子化ステップ幅を算出する量子化ステップ制御ステップと、前記音声信号と、前記音声信号の前にサンプル化された音声信号を再現したADPCM符号化再現信号との差分値である第１の差分値を算出する差分値算出ステップと、前記量子化ステップ幅に基づいて、第１の差分値を量子化して、第２の差分値を導出する量子化ステップと、前記第２の差分値を符号化して第１のADPCM符号化信号を生成するADPCM符号化ステップと、前記差分値と前記量子化ステップ幅に基づき、前記第１の差分値と前記第２の差分値との量子化誤差値を算出する適応誤差算出ステップと、前記量子化誤差値に基づいて、前記生成された前記第１のADPCM符号化信号に前記音声信号とは異なる情報である付加情報を挿入した場合に前記付加情報を変更せずに前記量子化誤差値がより小さくなるADPCM符号を示すビット変更制御情報を生成する変更制御ステップと、前記第１のADPCM符号化信号に前記付加情報を挿入する付加情報挿入ステップと、前記付加情報を保持したまま、前記第１のADPCM符号化信号を用いて前記音声信号を再符号化した第２のADPCM符号化信号を生成する再符号化ステップと、をコンピュータに実行させ、前記量子化ステップ制御ステップでは、前記第２のADPCM符号化信号に基づいて、前記量子化ステップ幅を算出し、前記変更制御ステップは前記量子化誤差に基づいて付加情報挿入の際にプラス側またはマイナス側のどちらにビット変更を実施するかを指示するビット変更制御情報を生成し、前記付加情報挿入ステップは前記ビット変更制御情報に基づいて前記第１のADPCM符号化信号に前記付加情報を追加することを特徴とする付加情報挿入プログラムを提供する。
また、本発明は、所定のサンプリング周期でサンプル化される音声信号をADPCM符号化方式にてADPCM符号化する際における量子化ステップ幅を算出する量子化ステップ制御部と、前記音声信号と、前記音声信号の前にサンプル化された音声信号を再現したADPCM符号化再現信号との差分値である第１の差分値を算出する差分器と、前記量子化ステップ幅に基づいて、第１の差分値を量子化して、第２の差分値を導出する量子化器と、前記第２の差分値を符号化して第１のADPCM符号化信号を生成するADPCM符号化器と、前記第１のADPCM符号化信号の符号ビットを判別して符号ビット情報を生成するビット列判別部と、前記符号ビット情報に基づいて得られる重み付け情報をビット変更制御情報として生成する変更制御部と、前記第１のADPCM符号化信号に付加情報を挿入する付加情報挿入部と、前記付加情報を保持したまま、前記第１のADPCM符号化信号を用いて前記音声信号を再符号化した第２のADPCM符号化信号を生成する再符号化部と、を備え、前記量子化ステップ制御部は、前記第２のADPCM符号化信号に基づいて、前記量子化ステップ幅を算出し、前記変更制御部は、前記符号ビット情報が正である場合前記第１のADPCM符号化信号から１を減算するようにビットの変更を指示するビット変更制御情報を生成し、前記符号ビット情報が負である場合、前記第１のADPCM符号化信号に１を加算するようにビットの変更を指示するビット変更制御情報を生成し、前記付加情報挿入部は前記ビット変更制御情報に基づいて前記第１のADPCM符号化信号に前記付加情報を追加することを特徴とする付加情報挿入装置を提供する。
また、本発明は、所定のサンプリング周期でサンプル化される音声信号をADPCM符号化方式にてADPCM符号化する際における量子化ステップ幅を算出する量子化ステップ制御ステップと、前記音声信号と、前記音声信号の前にサンプル化された音声信号を再現したADPCM符号化再現信号との差分値である第１の差分値を算出する差分値算出ステップと、
前記量子化ステップ幅に基づいて、第１の差分値を量子化して、第２の差分値を導出する量子化ステップと、前記第２の差分値を符号化して第１のADPCM符号化信号を生成するADPCM符号化ステップと、前記第１のADPCM符号化信号の符号ビットを判別して符号ビット情報を生成するビット列判別ステップと、前記符号ビット情報に基づいて得られる重み付け情報をビット変更制御情報として生成する変更制御ステップと、前記第１のADPCM符号化信号に付加情報を挿入する付加情報挿入ステップと、前記付加情報を保持したまま、前記第１のADPCM符号化信号を用いて前記音声信号を再符号化した第２のADPCM符号化信号を生成する再符号化ステップと、を備え、前記量子化ステップ制御ステップは、前記第２のADPCM符号化信号に基づいて、前記量子化ステップ幅を算出し、前記変更制御ステップは、前記符号ビット情報が正である場合前記第１のADPCM符号化信号から１を減算するようにビットの変更を指示するビット変更制御情報を生成し、前記符号ビット情報が負である場合、前記第１のADPCM符号化信号に１を加算するようにビットの変更を指示するビット変更制御情報を生成し、前記付加情報挿入ステップは前記ビット変更制御情報に基づいて前記第１のADPCM符号化信号に前記付加情報を追加することを特徴とする付加情報挿入方法を提供する。
また、本発明は、所定のサンプリング周期でサンプル化される音声信号をADPCM符号化方式にてADPCM符号化する際における量子化ステップ幅を算出する量子化ステップ制御ステップと、前記音声信号と、前記音声信号の前にサンプル化された音声信号を再現したADPCM符号化再現信号との差分値である第１の差分値を算出する差分値算出ステップと、前記量子化ステップ幅に基づいて、第１の差分値を量子化して、第２の差分値を導出する量子化ステップと、前記第２の差分値を符号化して第１のADPCM符号化信号を生成するADPCM符号化ステップと、前記第１のADPCM符号化信号の符号ビットを判別して符号ビット情報を生成するビット列判別ステップと、前記符号ビット情報に基づいて得られる重み付け情報をビット変更制御情報として生成する変更制御ステップと、前記第１のADPCM符号化信号に付加情報を挿入する付加情報挿入ステップと、前記付加情報を保持したまま、前記第１のADPCM符号化信号を用いて前記音声信号を再符号化した第２のADPCM符号化信号を生成する再符号化ステップと、をコンピュータに実行させ、前記量子化ステップ制御ステップは、前記第２のADPCM符号化信号に基づいて、前記量子化ステップ幅を算出し、前記変更制御ステップは、前記符号ビット情報が正である場合前記第１のADPCM符号化信号から１を減算するようにビットの変更を指示するビット変更制御情報を生成し、前記符号ビット情報が負である場合、前記第１のADPCM符号化信号に１を加算するようにビットの変更を指示するビット変更制御情報を生成し、前記付加情報挿入ステップは前記ビット変更制御情報に基づいて前記第１のADPCM符号化信号に前記付加情報を追加することを特徴とする付加情報挿入プログラムを提供する。
また、本発明は、所定のサンプリング周期でサンプル化される音声信号をADPCM符号化方式にてADPCM符号化する際における量子化ステップ幅を算出する量子化ステップ制御部と、前記音声信号と、前記音声信号の前にサンプル化された音声信号を再現したADPCM符号化再現信号との差分値である第１の差分値を算出する差分器と、前記量子化ステップ幅に基づいて、第１の差分値を量子化して、第２の差分値を導出する量子化器と、前記第２の差分値を符号化して第１のADPCM符号化信号を生成するADPCM符号化器と、前記第１のADPCM符号化信号から適応差分変化率を示す適応差分変化率情報を取得する適応差分変化率取得部と、前記適応差分変化率情報に基づいて付加情報挿入量を示す付加情報挿入量指定情報を生成する付加情報挿入量制御部と、前記付加情報挿入量指定情報に基づいて前記第１のADPCM符号化信号に付加情報を挿入する付加情報挿入部と、前記付加情報を保持したまま、前記第１のADPCM符号化信号を用いて前記音声信号を再符号化した第２のADPCM符号化信号を生成する再符号化部と、を備え、前記量子化ステップ制御部は、前記第２のADPCM符号化信号に基づいて、前記量子化ステップ幅を算出する、ことを特徴とする付加情報挿入装置を提供する。
また、本発明は、所定のサンプリング周期でサンプル化される音声信号をADPCM符号化方式にてADPCM符号化する際における量子化ステップ幅を算出する量子化ステップ制御ステップと、前記音声信号と、前記音声信号の前にサンプル化された音声信号を再現したADPCM符号化再現信号との差分値である第１の差分値を算出する差分値算出ステップと、前記量子化ステップ幅に基づいて、第１の差分値を量子化して、第２の差分値を導出する量子化ステップと、前記第２の差分値を符号化して第１のADPCM符号化信号を生成するADPCM符号化ステップと、前記第１のADPCM符号化信号から適応差分変化率を示す適応差分変化率情報を取得する適応差分変化率取得ステップと、前記適応差分変化率情報に基づいて付加情報挿入量を示す付加情報挿入量指定情報を生成する付加情報挿入量制御ステップと、前記付加情報挿入量指定情報に基づいて前記第１のADPCM符号化信号に付加情報を挿入する付加情報挿入ステップと、前記付加情報を保持したまま、前記第１のADPCM符号化信号を用いて前記音声信号を再符号化した第２のADPCM符号化信号を生成する再符号化ステップと、を備え、前記量子化ステップ制御ステップは、前記第２のADPCM符号化信号に基づいて、前記量子化ステップ幅を算出する、ことを特徴とする付加情報挿入方法を提供する。
また、本発明は、所定のサンプリング周期でサンプル化される音声信号をADPCM符号化方式にてADPCM符号化する際における量子化ステップ幅を算出する量子化ステップ制御ステップと、前記音声信号と、前記音声信号の前にサンプル化された音声信号を再現したADPCM符号化再現信号との差分値である第１の差分値を算出する差分値算出ステップと、前記量子化ステップ幅に基づいて、第１の差分値を量子化して、第２の差分値を導出する量子化ステップと、前記第２の差分値を符号化して第１のADPCM符号化信号を生成するADPCM符号化ステップと、前記第１のADPCM符号化信号から適応差分変化率を示す適応差分変化率情報を取得する適応差分変化率取得ステップと、前記適応差分変化率情報に基づいて付加情報挿入量を示す付加情報挿入量指定情報を生成する付加情報挿入量制御ステップと、前記付加情報挿入量指定情報に基づいて前記第１のADPCM符号化信号に付加情報を挿入する付加情報挿入ステップと、前記付加情報を保持したまま、前記第１のADPCM符号化信号を用いて前記音声信号を再符号化した第２のADPCM符号化信号を生成する再符号化ステップと、をコンピュータに実行させ、前記量子化ステップ制御ステップは、前記第２のADPCM符号化信号に基づいて、前記量子化ステップ幅を算出する、ことを特徴とする付加情報挿入プログラムを提供する。
また、本発明は、所定のサンプリング周期でサンプル化される音声信号がADPCM符号化方式にてADPCM符号化され、かつ前記音声信号とは異なる情報である付加情報が挿入されたADPCM符号化信号を復号する際における量子化ステップ幅を算出する量子化ステップ制御部と、前記量子化ステップ制御部が算出した量子化ステップ幅に基づいて、前記ADPCM符号化信号を復号し、音声信号を生成するADPCM復号化器と、前記ADPCM符号化信号から適応差分変化率を示す適応差分変化率情報を取得する適応差分変化率取得部と、前記適応差分変化率情報に基づいて、付加情報挿入量を示す付加情報挿入量指定情報を取得する付加情報挿入量判定部と、前記付加情報挿入量指定情報に基づいて、前記ADPCM符号化信号から前記付加情報を抽出する付加情報抽出部と、を備えることを特徴とする付加情報抽出装置を提供する。
また、本発明は、所定のサンプリング周期でサンプル化される音声信号がADPCM符号化方式にてADPCM符号化され、かつ前記音声信号とは異なる情報である付加情報が挿入されたADPCM符号化信号を復号する際における量子化ステップ幅を算出する量子化ステップ算出ステップと、前記算出した量子化ステップ幅に基づいて、前記ADPCM符号化信号を復号し、音声信号を生成するADPCM復号化ステップと、前記ADPCM符号化信号から適応差分変化率を示す適応差分変化率情報を取得する適応差分変化率取得ステップと、前記適応差分変化率情報に基づいて、付加情報挿入量を示す付加情報挿入量指定情報を取得する付加情報挿入量判定ステップと、前記付加情報挿入量指定情報に基づいて、前記ADPCM符号化信号から前記付加情報を抽出する付加情報抽出ステップと、を備えることを特徴とする付加情報抽出方法を提供する。
また、本発明は、所定のサンプリング周期でサンプル化される音声信号がADPCM符号化方式にてADPCM符号化され、かつ前記音声信号とは異なる情報である付加情報が挿入されたADPCM符号化信号を復号する際における量子化ステップ幅を算出する量子化ステップ算出ステップと、前記算出した量子化ステップ幅に基づいて、前記ADPCM符号化信号を復号し、音声信号を生成するADPCM復号化ステップと、前記ADPCM符号化信号から適応差分変化率を示す適応差分変化率情報を取得する適応差分変化率取得ステップと、前記適応差分変化率情報に基づいて、付加情報挿入量を示す付加情報挿入量指定情報を取得する付加情報挿入量判定ステップと、前記付加情報挿入量指定情報に基づいて、前記ADPCM符号化信号から前記付加情報を抽出する付加情報抽出ステップと、をコンピュータに実行させることを特徴とする付加情報抽出プログラムを提供する。
本発明によれば、ADPCM符号化信号に付加情報を挿入して伝送する場合であっても、ADPCM符号化信号から復号される音声信号の劣化を抑制することができる。
発明者が検討した比較例に係るADPCM符号化装置の構成図である。 発明者が検討した比較例に係るADPCM復号化装置の構成図である。 発明者が検討した比較例に係る付加情報挿入装置の構成図である。 誤差量の正規分布の一例を示す図である。 実施の形態１に係る符号化情報挿入装置の構成図である。 実施の形態１に係る付加情報の挿入例を示す図である。 実施の形態１に係る付加情報の挿入例を示す図である。 実施の形態１に係る付加情報の挿入例を示す図である。 実施の形態１に係るADPCM符号化信号に挿入する情報の一例を示す図である。 実施の形態１に係る付加情報挿入装置の処理を示すフローチャートである。 実施の形態１に係る付加情報抽出装置の構成図である。 実施の形態１に係る付加情報抽出装置の処理を示すフローチャートである。 ADPCM符号と量子化ステップ幅を導く適応化係数との関係を示す図である。 量子化誤差の発生を模写した図である。 実施の形態２に係る付加情報挿入装置の構成図である。 実施の形態２に係る付加情報挿入装置の処理を示すフローチャートである。 実施の形態３に係る付加情報挿入装置の構成図である。 ADPCM符号と量子化ステップ幅を導く適応化係数との関係を示す図である。 実施の形態３に係る付加情報挿入装置の処理を示すフローチャートである。 実施の形態４に係る付加情報挿入装置の構成図である。 ADPCM符号化信号と量子化ステップ幅を導く適応化係数との関係を示す図である。 ADPCM符号化信号と適応化係数と付加情報挿入頻度の関係を示す図である。 実施の形態４に係る付加情報挿入装置の処理を示すフローチャートである。 実施の形態４に係る付加情報抽出装置の構成図である。 ADPCM符号化信号における付加情報の挿入位置の一例を示す図である。 実施の形態４に係る付加情報抽出装置の処理を示すフローチャートである。 付加情報ビット列の一例を示す図である。
以下、図を用いて本発明による付加情報挿入装置の実施の形態を説明する。図１は発明者が検討した比較例に係るADPCM（adaptive differential pulse code modulation）符号化装置１の構成図を示したものである。
ADPCM符号化装置１は、適応量子化器１０１、符号化器１０２、量子化ステップ制御部１０３、遅延器１０４、及び加算器１０５、１０６を有する。
適応量子化器１０１は、所定のサンプリング周波数に従いサンプル化（デジタル化）された音声入力信号と、その音声入力信号に対して時間的に一つ前の音声入力信号を再現したADPCM符号化再現信号との差分値を、過去のADPCM符号化信号によって定まる量子化ステップ幅に従い量子化する。ここで、ある音声入力信号に注目した場合、その音声入力信号に対して「時間的に一つ前の音声入力信号」とは、注目した音声入力信号の一つ前にサンプル化（デジタル化）された音声入力信号となる。適応量子化器１０１は、差分値を量子化した量子化値を示す量子化信号を符号化器１０２と加算器１０６に送る。
符号化器１０２は、適応量子化器１０１から送られた量子化信号をADPCM符号化信号として符号化する。符号化器１０２は、符号化によって生成したADPCM符号化信号を受信側に伝送し、次のADPCM符号化信号を生成する際に適用される量子化ステップ幅を算出するために量子化ステップ制御部１０３にも送る。量子化ステップ制御部１０３は、符号化器１０２から送られたADPCM符号化信号から得られる量子化信号が示す量子化値の増減に従い、適当なダイナミックレンジを確保するため、最適な量子化ステップ幅を選択し、次のサンプルの音声入力信号から生成した差分値の量子化で用いる量子化ステップ幅を導く。
加算器１０６は、遅延器１０４に蓄えられたADPCM符号化再現信号と、適応量子化器１０１から送られた量子化信号とを加算する。ADPCM符号化再現信号は、前述の時間的に一つ前の音声入力信号を再現した信号であり、量子化信号は、ADPCM符号化再現信号と今回の音声入力信号との差分値の量子化値を示すものである。よって、加算器１０６がADPCM符号化再現信号と量子化信号を加算することで、今回の音声入力信号を再現したADPCM符号化再現信号が生成される。こうして得られたADPCM符号化再現信号は、加算器１０６から遅延器１０４に送られ、遅延器１０４で一時的に蓄積後、加算器１０５、１０６に送られる。これにより、ADPCM符号化再現信号は、次の音声入力信号の符号化時に、その音声入力信号よりも時間的に一つ前の音声入力信号を再現したADPCM符号化再現信号として、加算器１０５、１０６で利用される。
加算器１０５は、遅延器１０４から送られたADPCM符号化再現信号を符号反転し音声入力信号と加算する。言い換えると音声入力信号から、時間的に一つ前の音声入力信号に相当するADPCM符号化再現信号を差し引くことで差分値を算出する。加算器１０５は、取得した差分値を示す残差信号を適応量子化器１０１に送る。適応量子化器１０１は、上述した、音声入力信号と、時間的に一つ前の音声入力信号を再現したADPCM符号化再現信号との差分値の量子化として、加算器１０５から送られた残差信号が示す差分値を量子化する。この一連の処理を音声入力信号が一つ入力する毎に繰り返し実行し、ADPCM符号化信号を得ることができる。
次に図２を用いてADPCM符号化信号を音声信号に復号するADPCM復号化装置２について説明する。ADPCM復号化装置２は、ADPCM符号化装置１から伝送されたADPCM符号化信号の受信側となる装置である。
ADPCM復号化装置２は、復号化器４０１、量子化ステップ制御部４０２、遅延器４０３、及び加算器４０４を有する。ADPCM復号化装置２がADPCM符号化装置１から受信したADPCM符号化信号は、復号化器４０１及び量子化ステップ制御部４０２に入力される。
復号化器４０１は、量子化ステップ制御部４０２から与えられた量子化ステップ幅に従い、ADPCM符号化信号を復号する。復号化器４０１の復号で得られる信号は、符号化器１０２で符号化される前の量子化信号と同じものである。復号化器４０１は、復号により得た量子化信号を復号化器４０１に送る。また量子化ステップ制御部４０２はADPCM符号化装置１における量子化ステップ制御部１０３と同じ働きを行い、適当なダイナミックレンジを確保するために、符号化されたADPCM符号化信号から復号に必要な量子化ステップ幅を算出する役割を担っている。加算器４０４は、復号化器４０１から送られた量子化信号と、遅延器４０３から送られた時間的に一つ前に復号された音声出力信号とを加算して音声出力信号を生成し、外部に送り、遅延器４０３に送る。遅延器４０３に送られた音声出力信号は遅延器４０３に一時的に蓄積後、加算器４０４に送られ、次の音声出力信号の生成時に、時間的に一つ前に復号された音声出力信号として用いられる。
ここでADPCM符号化信号の下位ビットを他のデータ列に置き換えた場合に、音声出力信号に与える影響について考える。図３は符号化装置１で符号化されたADPCM符号化信号に、付加情報を挿入する際に考え得る符号化装置１と付加情報挿入部１０７との構成を示す。付加情報挿入部１０７は、ADPCM符号化装置１の符号化器１０２から送られたADPCM符号化信号に付加情報を挿入し、受信側に送る。ここで、付加情報の挿入として、例えばPHS方式に採用される４ビットのADPCM符号化信号の下位１ビットを画像データに置き換えたとする。４ビットのADPCM符号化信号は32キロビット毎秒（kbps）の時間当たりの伝送量を備えており、そのうちの1ビット分は8kbpsに当たる。これは1分間隔で60キロバイト（kbyte）の画像データを伝送可能な伝送路に値し、ある程度鮮明な静止画情報を音声データに挿入しながら伝送可能なことを意味する。
ADPCM符号化信号の下位１ビットと画像データのビット列とは関連性がないため、ビット情報が置き換わった場合、およそ５０％の確率でビット反転が起きることが予測される。
図２を用いてADPCM復号化装置２における信号の流れを確認する。ADCPM符号化信号C(t)は量子化ステップ制御部４０２に送られる。量子化ステップ制御部４０２は、過去の複数のADPCM符号化信号C(t)からADPCM符号化信号C(t)の予測値を算出し、算出した予測値に基づいて量子化ステップ幅Δ(t)を算出する。復号化器４０１は、この量子化ステップ幅Δ(t)に従いADPCM符号化信号C(t)を復号し、差分値D(t)を取得する。加算器４０４は、差分値D(t)と遅延器４０３に蓄積された過去の音声出力信号Y(t-1)とを加算して、音声出力信号Y(t)を生成し出力する。
ADPCM符号化信号の最下位１ビットを他のデータ列に置き換えることで発生する誤差量は量子化ステップ幅一個分に相当し、±Δ(t)となる。具体的には、後述するが、ADPCM符号化信号の最下位１ビットを書き換えると、量子化ステップ幅一個分の誤差が生じる。よって付加情報を挿入した場合の音声出力信号Y(t)は、付加情報が挿入されていない場合の音声出力信号をY´(t)とした場合、Y´(t)±（1/2）×Δ(t)となる。乗数（1/2）はビット変更確率５０%を反映したものである。またY(t)の元になるY(t-1)にも、±Δ(t-1)なる誤差が含まれている。これらをまとめると、付加情報を挿入した音声出力信号Y(t)に含まれる誤差量Err(t)は式(１)にて求められる。ここで、tは、サンプル番号（何番目のサンプルであるか）を示す。
Err(t) ＝ Σ±(1/2)Δ(n) (n=1〜t) ・・・ (１)
量子化ステップ幅Δ(t)の符号情報（±）は、音声出力信号への変換過程において量子化ステップ幅Δ(t)が飽和されることが無ければ、プラスになる場合とマイナスになる場合の発生確率は五分五分である。よって誤差量Err(t)は、０を中心としたプラス側の積算値とマイナス側の積算値を境界とする図４のような正規分布を成すと予想される。
ところが、誤差量Err(t) の推定に利用された量子化ステップ幅Δ(t)は、正しいADPCM符号化信号C´(t)から求めた量子化ステップ幅Δ´(t)では無い。すなわち、上記の量子化ステップ幅Δ(t)は、受信側の量子化ステップ制御部４０２で付加情報挿入後のADPCM符号化信号C(t)から算出した量子化ステップ幅であり、送信側の量子化ステップ制御部１０３で付加情報挿入前のADPCM符号化信号C´(t)から算出した量子化ステップ幅Δ´(t)とは異なる。送信側の量子化ステップ制御部１０３が予測値の算出に用いるADPCM符号化信号C´(t)とは異なるADPCM符号化信号C(t)を用いて、受信側の量子化ステップ制御部４０２が算出する予測値は、最下位１ビットの置き換えに対して実質的に量子化ステップ幅Δ(t) 一個分を超える誤差を含む可能性がある。また、量子化ステップ幅Δ(t)が送信側と異なることによる影響も音声出力信号Y(t)に反映される。すなわち、ADPCM符号化信号C´(t)の符号化に利用した量子化ステップ幅Δ´(t)とは異なる量子化ステップ幅Δ(t)を利用してADPCM符号化信号C(t)を復号化してしまうことになるため、音声出力信号Y(t)に大きな誤差を含んでしまう可能性がある。例えばG.726として規格化された４ビットで符号化されるADPCMの場合、量子化ステップ幅の最大と最小の比率は2.5倍以上になる。また、過去の複数サンプルのADPCM符号化信号を用いて量子化ステップ制御部４０２が算出する予測値は、誤差の触れ幅を更に拡大する危険性がある。
以上のような理由により、付加情報を挿入した音声出力信号Y(t)に含まれる誤差量Err(t)は、送信側の量子化ステップ制御部１０３で算出される量子化ステップ幅Δ´(t)を利用して式(１)で算出した誤差量を下限とし、その下限値のおよそ数倍の誤差量となることが予想される。
量子化ステップ幅Δ(t)は、音声入力信号の入力信号レベルが高く、また変化に富む場合に大きくなる。言い換えると、量子化ステップ幅Δ(t)は、前後の音声入力信号及びADPCM符号化再現信号の差分が大きい場合に大きくなる。このような音声入力信号が得られる音源では図４に示した正規分布の幅が拡大し、音声出力信号に含まれる誤差量が大きくなることで、重大な音質劣化を引き起こす。音声入力信号が人の声に基づく場合は上記の入力信号レベルが高く変化に富んだ信号に当たる。このような音声入力信号では、下位１ビットの書き換えによる誤差は極端なSN比の悪化を伴い、通信品質として使用に耐えなくなる可能性が大きい。すなわち、図３に示す構成では、送信側で量子化に利用される量子化ステップ幅Δ´(t)と、受信側で符号化に利用される量子化ステップ幅Δ(t)とが異なってしまうため、音声出力信号Y(t)に含まれる誤差量Err(t)が拡大してしまうという問題があった。
＜実施の形態１＞
上記のような要因によって発生する品質劣化を抑えながら、付加情報を挿入する方法の実施の形態１について図５を参照しながら説明する。図５は、本発明の実施の形態１に係る付加情報挿入装置１１の一例を示した構成図である。
付加情報挿入装置１１は、適応量子化器１０１、符号化器１０２、量子化ステップ制御部１０３、遅延器１０４、加算器１０５、加算器１０６、付加情報挿入部１０７、及び再符号化器１０８を有する。
付加情報挿入装置１１は、図１に示したADPCM符号化装置１と、各構成要素１０１〜１０６は共通であるため説明を省略する。また、付加情報挿入装置１１は、符号化器１０２の後段に付加情報挿入部１０７が配置される。付加情報挿入部１０７は、符号化器１０２から送られたADPCM符号化信号の下位ビットを更新する処理を行う。例えば付加情報挿入部１０７が、図６Ａに示すADPCM符号化信号を受け取ると、図６Ｂに示すようにADPCM符号化信号の最下位１ビットを抜き取り、付加情報の挿入ビットがADPCM符号化信号における最下位１ビットであるとすると、挿入する付加情報を単純な1ビットのビット列としてスライス化し、図６Ｃに示すようにADPCM符号化信号の最下位１ビットに対し置き換えることとなる。
付加情報が如何なる信号であるかを復号装置（後述の付加情報抽出装置２１、２４）側で判別可能とするために、例えば図７に示す付加情報ビット列の構成が考えられる。付加情報ビット列は、挿入されたサイド情報及び付加情報等の抽出を開始するスタートポイントを明示する同期ワード「START_Field」を先頭に配置し、付加情報を特定するインデックス及び属性を現すサイド情報「Side_information_Field」をまとめた領域を接続後、例えば画像情報のような付加情報「Sample」そのものを挿入することで、復号時の確実な付加情報の抽出が実現できる。図７に示す付加情報ビット列には必要に応じてバイトアライメント用のスタッフビット「stuff_bit」を追加しても良い。
最下位１ビットが付加情報に置き換えられたADPCM符号化信号は、このまま出力信号として伝送するだけでは、受信側（後述の付加情報抽出装置２１、２４）にてADPCM符号化再現信号の誤差の拡大や量子化ステップ幅そのものの誤差を発生してしまう。そこで図５に示す付加情報挿入部１０７から送られた置き換え後のADPCM符号化信号を、再符号化器１０８は受け取り、ADPCM符号化信号として定義し（再符号化）出力する。再符号化器１０８は、付加情報が挿入されたADPCM符号化信号を再符号化されたADPCM符号化信号として量子化ステップ制御部１０３に送信し、受信側にも送信する。再符号化器１０８から送られるADPCM符号化信号には上記の量子化ステップ幅Δ(t)に相当する誤差を含む可能性があるが、量子化ステップ制御部１０３にて算出される次の差分値の予測値及び量子化ステップ幅は、付加情報抽出装置２１、２４と同様な処理を施すことになり、誤差の蓄積及び拡大を防止することができる。
ここで、付加情報挿入後のADPCM符号化信号は正規のADPCM符号化信号とは異なるため、厳密には量子化ステップ幅Δ(t)は、符号情報を挿入しない場合と共通にはならない。しかしながら、量子化ステップ制御部１０３にて実行される、付加情報挿入後のADPCM符号化信号に基づいて音声入力信号とADPCM符号化再現信号との差分を最小化する処理から、付加情報挿入によって発生した誤差も最小化される。この効果から付加情報挿入装置１１におけるADPCM符号化信号に含まれる誤差量は、式(１)で求められる誤差量Err(t)を上限とする範囲に収まり、音声品質の劣化を抑制することが可能となる。
続いて、図８を参照して、付加情報挿入装置１１の処理について説明する。
音声入力信号が入力されると、加算器１０５は、音声入力信号と、遅延器１０４から出力されたADPCM符号化再現信号を符号反転した信号とを加算し、音声入力信号とADPCM符号化再現信号の差分値を示す残差信号を生成する（ステップＳ１０１）。加算器１０５は、生成した残差信号を適応量子化器１０１に出力する。
適応量子化器１０１は、量子化ステップ制御部１０３から出力された量子化ステップ幅Δ(t)に基づいて、加算器１０５から出力された残差信号が示す差分値を量子化する（ステップＳ１０２）。適応量子化器１０１は、量子化後の差分値を示す量子化信号を符号化器１０２及び加算器１０６に出力する。
加算器１０６は、適応量子化器１０１から出力された量子化信号と、遅延器１０４から出力された一つ前のADPCM符号化再現信号とを加算し、ADPCM符号化再現信号を生成する（ステップＳ１０３）。加算器１０６は、生成したADPCM符号化再現信号を遅延器１０４に出力する。
遅延器１０４は、加算器１０６から出力されたADPCM符号化再現信号を一時的に保持して遅延させてから加算器１０５及び加算器１０６に出力する（ステップＳ１０４）。これにより、遅延器１０４から出力されたADPCM符号化再現信号は、一つ前のADPCM符号化再現信号として加算器１０５及び加算器１０６において利用される。
一方、符号化器１０２は、適応量子化器１０１から出力された量子化信号を符号化し、量子化後の差分値を符号化したADPCM符号化信号を生成する（ステップＳ１０５）。符号化器１０２は、生成したADPCM符号化信号を付加情報挿入部１０７に出力する。
付加情報挿入部１０７は、符号化器１０２から出力されたADPCM符号化信号に付加情報を挿入する（ステップＳ１０６）。付加情報挿入部１０７は、付加情報を挿入したADPCM符号化信号を再符号化器１０８に出力する。
再符号化器１０８は、付加情報挿入部１０７から出力された付加情報が挿入されたADPCM符号化信号をADPCM符号化信号として再定義する再符号化を実施する（ステップＳ１０７）。再符号化器１０８は、ADPCM符号化信号を量子化ステップ制御部１０３に出力し、後述する付加情報抽出装置２１に送信する。付加情報抽出装置２１に送信されたADPCM符号化信号は、後述するように付加情報抽出装置２１によって付加情報が抽出され、音声出力信号に復号化される。
量子化ステップ制御部１０３は、再符号化器１０８から出力されたADPCM符号化信号に基づいて量子化ステップ幅を算出する（ステップＳ１０８）。量子化ステップ制御部１０３は、算出した量子化ステップ幅を適応量子化器１０１及び符号化器１０２に出力する。この量子化ステップ幅は、次の差分値の量子化・符号化に利用される。
図９は付加情報挿入装置１１にて生成されたADPCM符号化信号から、付加情報を抽出する付加情報抽出装置２１の一例を示した構成図である。
付加情報抽出装置２１は、ビットスライス部２０１、付加情報抽出部２０２、復号化器４０１、量子化ステップ制御部４０２、遅延器４０３、及び加算器４０４を有する。
付加情報抽出装置２１は、図２のADPCM復号化装置２と音声復号部分である各構成要素４０１〜４０４は共通であるが、さらに、最下位ビットに挿入された付加情報ビット列をADPCM符号化信号から分離するビットスライス部２０１と、同期ワード及びサイド情報に基づいてADPCM符号化信号に挿入された付加情報を抽出する付加情報抽出部２０２とを有する。付加情報ビット列は一例として図６に示したような配置でADPCM符号化信号中に挿入され、付加情報挿入装置１１及び付加情報抽出装置２１間で定めた所定の取り決めに従い抽出される。抽出された付加情報は、画像データである場合には、図示しない例えば画像復号器のような外部の処理部にて、本来の情報に復元される。
続いて、図１０を参照して、本発明の実施の形態１に係る付加情報抽出装置２１の処理について説明する。
付加情報抽出装置２１で受信されたADPCM符号化信号は、量子化ステップ制御部４０２、復号化器４０１、及びビットスライス部２０１に入力される。量子化ステップ制御部４０２は、ADPCM符号化信号に基づいて量子化ステップ幅を算出する（ステップＳ２０１）。量子化ステップ制御部４０２は、算出した量子化ステップ幅を復号化器４０１に出力する。
復号化器４０１は、量子化ステップ制御部４０２から出力された量子化ステップ幅に基づいて、ADPCM符号化信号を復号化し、量子化後の差分値を示す量子化信号を生成する（ステップＳ２０２）。復号化器４０１は、生成した量子化信号を加算器４０４に出力する。
加算器４０４は、復号化器４０１から出力された量子化信号と、遅延器４０３から出力された時間的に一つ前の音声出力信号とを加算し、音声出力信号を生成する（ステップＳ２０３）。加算器４０４は、生成した音声出力信号を遅延器４０３に出力するとともに、外部に送信する。
遅延器４０３は、加算器４０４から出力された音声出力信号を一時的に保持して遅延させてから加算器４０４に出力する（ステップＳ２０４）。これにより、遅延器４０３から出力された音声出力信号は、一つ前の音声出力信号として加算器４０４において利用される。
一方、ビットスライス部２０１は、ADPCM符号化信号から最下位ビットに挿入された付加情報ビット列を分離する（ステップＳ２０５）。ビットスライス部２０１は、分離した付加情報ビット列を付加情報抽出部２０２に出力する。
付加情報抽出部２０２は、ビットスライス部２０１から出力された付加情報ビット列から付加情報を抽出する（ステップＳ２０６）。付加情報抽出部２０２は、抽出した付加情報を外部に出力する。例えば、付加情報が画像データである場合、上述したような画像復号器に出力される。
以上のような構成により、付加情報挿入部１０７で付加情報が挿入されたADPCM符号化信号を、再符号化器１０８にてADPCM符号化信号として再度定義して出力、及び量子化ステップ制御部１０３に供給することにより、送信側においても受信側と同様に付加情報挿入後のADPCM符号化信号に基づいて算出した量子化ステップ幅を利用することができる。よって、ADPCM符号化信号に付加情報を挿入して伝送する場合であっても、受信側と送信側で利用する量子化ステップ幅を一致させることができるため、音声出力信号の誤差の低減を図ることができ、付加情報挿入に伴う音声品質の劣化を抑制することができる。これによれば、例えば、音声品質の劣化を抑制しつつ、上述したように４ビットのADPCM符号化信号に対して１ビットの画像データを付加情報として挿入して、ある程度鮮明な静止画情報を伝送するといったことも可能となる。すなわち、音声品質の劣化を抑制しつつ、十分な伝送量を確保した付加情報を受信側に送ることができる。
＜実施の形態２＞
次に本発明の実施の形態２に係る付加情報挿入装置１２を、図１１を参照しながら説明する。実施の形態１で説明した構成は、最下位ビット変換に伴う誤差量Err(t)である±(1/2) ×Δ(t)の影響が考えられる。ビット置き換えパターンによっては量子化ステップ幅Δ(t)が本来のステップ幅から拡大する可能性もあり、音声劣化に繋がることがある。
そもそもADPCM符号化信号は入力された音声入力信号と、過去の音声入力信号を再現したADPCM符号化再現信号との差分値を量子化した際の量子化誤差を含んでいる。量子化誤差は、代表値として量子化値に置き換えられたADPCM符号化信号を中心に±(1/2) ×Δ(t)を上限及び下限とする範囲にある。付加情報を挿入することにより発生する誤差が、量子化誤差と相殺する方向にADPCM符号化信号を変換することで、総合的な誤差を緩和し音声品質劣化を抑制できる。
実施の形態２に係る付加情報挿入装置１２は、図５に示す付加情報挿入装置１１と比較して、さらに、適応誤差算出器１０９及びビット変更制御部１１０を有する。各構成要素１０１〜１０６、１０８は図５にて既に説明した構成要素であり、共通の動作を実行するため説明を省略する。但し付加情報挿入部１２７は付加情報挿入部１０７とは異なる処理を実行する。付加情報挿入部１０７はADPCM符号化信号の最下位１ビットを付加情報に置き換える処理を行ったが、付加情報挿入部１２７はビット変更制御部１１０から送信されるビット変更制御情報に従い、ADPCM符号化信号を変更する。
以下、ADPCM符号化信号が示す、量子化値を符号化した値（符号）を「ADPCM符号」と呼ぶ。例えばADPCM符号化信号が４ビットである場合は、図１２に示すADPCM符号と量子化ステップ幅を導く適応化係数との関係があるものとする。１０進数表記で０及び‐１を中心に、適応化係数が１以下で量子化ステップ幅が狭くなるように更新されるADPCM符号の領域から、７や-８のように適応化係数が１より大きく量子化ステップ幅が広くなるように更新されるADPCM符号の領域まで存在する。実施の形態１で説明した最下位１ビットの置き換えの場合、上位ビットは変更されないため上位ビットが共通であるADPCM符号の組合せで変更が成されていた。表中の矢印は例えば、１０進数表記で７と６では、上位３ビットが共通であるため最下位１ビットが置き換わると、７から６へ、あるいは６から７へ変更していたことを示す。ADPCM符号化信号の最下位１ビットを書き換えると、量子化ステップ幅一個分の誤差が生じるが、本実施の形態では量子化時の量子化誤差が相殺される（緩和される）方向へ変更するよう、重み付けを加える。
図１３は量子化誤差の発生を概念的に示す図である。図１３は、図１２のADPCM符号「００１０」を中央とした振幅値を縦軸とする一部分を示している。ここで示す例では、本来の差分値（Ａ）を示す残差信号は量子化され（量子化値をＢとする）、ADPCM符号「００１０」を示すADPCM符号化信号に変換される。ADPCM符号「００１０」が付加情報により最下位１ビットが[１]に変更される場合、ADPCM符号「００１１」またはADPCM符号「０００１」のどちらかに変更すれば目的を達成できる。実施の形態１では最下位１ビットの変更により付加情報を挿入していたためADPCM符号「００１１」（対応する量子化値をＣとする）に変更されていたが、量子化誤差を考慮すると、実際の残差信号が示す差分値Ａに、復号化後の差分値の量子化値Ｂが近くなるADPCM符号「０００１」（対応する量子化値をＤとする）に変更する方が総合的な誤差を少なくすることができ、変更に伴う音声劣化も最小化されることが期待できる。
適応誤差算出器１０９は、本来の音声入力信号とADPCM符号化再現信号との差分値（Ａ）と、量子化ステップ制御部１０３から与えられた量子化ステップ幅にて量子化した差分値の量子化値（Ｂ）との量子化誤差（Ｅ１）を導き、ビット変更制御部１１０に送る。ビット変更制御部１１０は、適応誤差算出器１０９から取得した量子化誤差の符号情報及び大きさから、図１２に示す情報に基づいて、付加情報挿入の際にプラス側またはマイナス側のどの方向にビット変更を実施するかを指示するビット変更制御情報を生成し、付加情報挿入部１２７に送信する。
付加情報挿入部１２７はビット変更制御情報により、ビット変更時に隣り合う符号のどちらに変更すべきかを判断し、より総合的な誤差が小さくなるADPCM符号に置き換わるべくADPCM符号化信号を変更し、付加情報を挿入する。
例えば、適応誤差算出器１０９が算出する量子化誤差が、量子化後の差分値（Ｂ）から量子化前の差分値（Ａ）を減算した値であるものとする。例えば図１３に示す、量子化誤差の符号情報がプラスである場合、実際の差分値（Ａ）は、量子化後の差分値（Ｂ）のADPCM符号に隣接するADPCM符号のうち、小さい方のADPCM符号に対応する量子化値に近いことになる。また例えば、図１３のADPCM符号「００１１」とADPCM符号「００１０」の間に実際の差分値が存在する、量子化誤差の符号情報がマイナスである場合、実際の差分値（Ａ）は、量子化後の差分値（Ｂ）のADPCM符号に隣接するADPCM符号のうち、大きい方のADPCM符号に対応する量子化値に近いことになる。よって、この場合、ビット変更制御部１１０は、適応誤差算出器１０９から取得した量子化誤差の符号情報がプラスである場合、量子化後の差分値（Ｂ）のADPCM符号に隣接するADPCM符号のうち、小さい方のADPCM符号に変更することを指示するビット変更制御情報を生成するようにすればよい。また、ビット変更制御部１１０は、適応誤差算出器１０９から取得した量子化誤差の符号情報がマイナスである場合、量子化後の差分値（Ｂ）のADPCM符号に隣接するADPCM符号のうち、大きい方のADPCM符号に変更することを指示するビット変更制御情報を生成するようにすればよい。
続いて、図１４を参照して、付加情報挿入装置１２の処理について説明する。なお、図８を参照して説明した実施の形態１に係る処理と同様の処理については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
実施の形態２ではステップＳ１０１後に、適応誤差算出器１０９が、加算器１０５から出力された残差信号と、量子化ステップ制御部１０３から出力された量子化ステップ幅とに基づいて、量子化誤差を算出する（ステップＳ１０９）。具体的には、適応誤差算出器１０９は、加算器１０５から出力された残差信号（量子化前の差分値）と、量子化ステップ制御部１０３から出力された量子化ステップ幅に基づいて、量子化後の差分値を算出する。そして、適応誤差算出器１０９は、加算器１０５から出力された残差信号（量子化前の差分値）と、算出した量子化後の差分値の差分として量子化誤差を算出する。適応誤差算出器１０９は、算出した量子化誤差をビット変更制御部１１０に出力する。
ビット変更制御部１１０は、適応誤差算出器１０９から出力された量子化誤差に基づいて、ADPCM符号化信号のビット変更を指示するビット変更制御情報を生成し、付加情報挿入部１２７に出力する。ビット変更制御情報は、量子化後の差分値のADPCM符号に隣接するADPCM符号のうち、量子化前の差分値と量子化値の誤差がより小さくなるADPCM符号を示すようにADPCM符号化信号を変更するよう指示する情報である（ステップＳ１１０）。
これにより、付加情報挿入部１２７において、ビット変更制御情報に基づいて符号化器１０２から出力されたADPCM符号化信号に付加情報を挿入するときに（ステップＳ１０６）、量子化誤差を低減したADPCM符号を示すようにADPCM符号化信号が変更される。
以上のような構成により、ADPCM符号化信号に付加情報を挿入する際、図１３に示す本来の音声入力信号とADPCM符号化再現信号との差分値を量子化することで発生する量子化誤差（例えばＥ１）と、付加情報挿入に伴い発生する誤差（例えばＥ２又はＥ３）との和が小さくなるようなADPCM符号へ置き換わるべくADPCM符号化信号を制御するようにしている。言い換えると本実施の形態の付加情報挿入装置１２は、付加情報が挿入されたADPCM符号化信号を、付加情報を変更せずに量子化前の差分値と量子化値の誤差がより小さくなるADPCM符号を示すように、ADPCM符号化信号を変更する制御を行うようにしている。この制御によれば、付加情報の挿入による誤差を低減することができる。これによれば、例えば、音声品質の劣化を抑制しつつ、上述したように４ビットのADPCM符号化信号に対して１ビットの画像データを付加情報として挿入して、ある程度鮮明な静止画情報を伝送するといったことも可能となる。すなわち、音声品質の劣化を抑制し、かつ十分な伝送量を確保した付加情報を受信側に送ることができる。
＜実施の形態３＞
次に本発明の実施の形態３に係る付加情報挿入装置１３を、図１５を参照しながら説明する。
実施の形態３に係る付加情報挿入装置１３は、図５に示す付加情報挿入装置１１と比較して、さらに、ビット列判別部１１１及びビット変更制御部１２０を有する。また、付加情報挿入部１０７に換えて、付加情報挿入部１３７を有する。図５にて説明した各構成要素１０１〜１０６、１０８は、説明を省略する。付加情報挿入部１３７は実施の形態２における付加情報挿入部１２７と同様に、音質劣化を抑制するための新たな処理であるビット変更情報を用いた付加情報挿入処理を行う。
実施の形態３も、実施の形態２と同じく実施の形態１に対し音声劣化を更に抑制する処理を追加したものである。そもそもADPCM符号化処理は、音声入力信号の入力信号レベルが低く、隣り合う音声入力信号同士の変化量が小さい場合、適応予測による予測精度が向上し、音声入力信号とADPCM符号化再現信号の差分値が小さくなるため、量子化ステップ幅が狭く抑えられる。この場合、符号化による誤差を少なくでき音質維持が図られる。反対に音声入力信号の入力信号レベルが高く、隣り合う音声入力信号同士の変化量が大きい場合、適応予測による予測精度にばらつきが発生するとともに、入力信号レベルの上昇に伴い音声入力信号とADPCM符号化再現信号の差分値も大きくなるため、量子化ステップ幅が拡大する。この量子化ステップ幅の拡大により、少ないビット数で差分値の量子化値をADPCM符号化信号で表現可能な範囲内に収めることができ、符号化時の源信号に対する誤差の上昇を抑えることができる。また、音圧レベル上昇による人間の聴感上のマスキング効果と合わさり、主観的な音声品質の維持が図られている。
しかしながら、4ビット前後のADPCM符号化信号が表現できる量子化ステップ幅は、人間の聴感上の変化量検知能力と比較すると非常に粗く、特に音量が大きい場合には音質劣化が知覚されることもあった。特に、上述のように量子化ステップ幅が拡大する方向に変更されている場合には、付加情報の挿入によってADPCM符号化信号が変更されることによる音圧レベルの振れ幅が更に増加する。すなわち、付加情報の挿入は、音圧レベルが過度に上昇し、重大な音質劣化を招く危険性を伴う。使用者の身体（聴覚）の保護や機器の保全の観点からも音圧レベルの拡大（音量拡大）を防止する必要がある。
本発明の実施の形態における付加情報挿入に伴う誤差量は量子化ステップ幅Δ(t)に依存し、誤差成分による音声信号に加わる過大なノイズ音量を抑えるためには、この量子化ステップ幅Δ(t)を抑える働きを促すことで実現できる。量子化ステップ幅Δ(t)を抑えるためには、ADPCM符号化信号を１０進数で１又は‐１の方向にシフトする重み付けを与えれば良い。図１６にADPCM符号と、量子化ステップ幅を導く適応化係数と、重み付けの方向を示した。ADPCM符号が正の場合、ビット変更時に１を減算し、ADPCM符号の符号が負の場合、ビット変更時に１を加算する。つまりADPCM符号化信号の符号ビットに従って制御することになる。
ビット列判別部１１１は符号化器１０２で生成されたADPCM符号化信号の符号ビットを判別し、判別した符号ビット情報をビット変更制御部１２０に送信する。ビット変更制御部１２０は、ADPCM符号化信号の符号ビット情報を元に図１６に示した重み付け情報を、ビット変更制御情報として付加情報挿入部１３７に送信する。付加情報挿入部１３７はビット変更制御情報に従い、挿入する付加情報によるビット変更の際に隣り合うADPCM符号のうち、どちらのADPCM符号に変更するかを選択する。
続いて、図１７を参照して付加情報挿入装置１３の処理について説明する。なお、図８を参照して説明した処理と同様の処理については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
実施の形態３ではステップＳ１０５の後に、ビット列判別部１１１が、符号化器１０２から出力されたADPCM符号化信号に基づいて、ADPCM符号化信号の正負の符号を判別する（ステップＳ１１１）。ビット列判別部１１１は、判別した符号を示す符号ビット情報をビット変更制御部１２０に出力する。
ビット変更制御部１２０は、符号ビット情報に基づいて、量子化後の差分値のADPCM符号に隣接するADPCM符号のうち、ADPCM符号化信号の絶対値がより小さくなる方向にADPCM符号を変更するように、ADPCM符号化信号のビット変更を指示するビット変更制御情報を生成し、付加情報挿入部１３７に出力する（ステップＳ１１２）。例えば、ビット変更制御部１２０は、符号ビット情報が示すADPCM符号化信号の符号が正である場合、１を減算するようにビットの変更を指示するビット変更制御情報を生成し、符号ビット情報が示すADPCM符号化信号の符号が負である場合、１を加算するようにビットの変更を指示するビット変更制御情報を生成する。
これにより、付加情報挿入部１３７において、符号化器１０２から出力されたADPCM符号化信号に付加情報を挿入するときに（ステップＳ１１３）、量子化ステップ幅を抑制する方向にADPCM符号化信号が変更される。
以上のような構成により、ADPCM符号化信号に付加情報を挿入する際、量子化ステップ幅を抑制する方向への重み付けに従ってADPCM符号化信号が示すADPCM符号を置き換えるよう制御することができる。よって、音圧レベルが過度に上昇を抑えることができ、付加情報挿入に伴う音声品質の劣化を抑制することができる。これによれば、例えば、音声品質の劣化を抑制しつつ、上述したように４ビットのADPCM符号化信号に対して１ビットの画像データを付加情報として挿入して、ある程度鮮明な静止画情報を伝送するといったことも可能となる。すなわち、音声品質の劣化を抑制し、かつ十分な伝送量を確保した付加情報を受信機側に送ることができる。
＜実施の形態４＞
次に本発明の実施の形態４に係る付加情報挿入装置１４を、図１８を参照しながら説明する。
実施の形態４に係る付加情報挿入装置１４は、図５に示す付加情報挿入装置１１と比較して、さらに、適応差分変化率取得部１１２及び付加情報挿入量制御部１１３を有する。また、付加情報挿入部１０７に換えて、付加情報挿入部１４７を有する。
上述したように、付加情報の挿入は、音圧レベルが過度に上昇し、重大な音質劣化を招く危険性を伴う。そのため、付加情報挿入装置１４では、ADPCM符号化時に発生する適応差分誤差量を把握し、適応差分誤差量が拡大傾向にある場合は挿入する付加情報量を制御する手段を設置する。
適応差分変化率取得部１１２は符号化器１０２で生成されたADPCM符号化信号から適応差分変化率情報を取得し、付加情報挿入量制御部１１３に送信する。ここで、適応差分誤差Δ(t)は適応差分変化率が大きいほど拡大する可能性が高く、適応差分変化率が大きい場合に挿入する付加情報量を抑えれば、過度な音質劣化を回避することができる。付加情報量を抑えるということは、個々のADPCM符号化信号に対し、付加情報を挿入する頻度を少なくすることを意味する。
付加情報挿入量制御部１１３は、適応差分変化率取得部１１２から取得した適応差分変化率情報により、挿入する付加情報量を制御する。ADPCM符号化信号が４ビットである場合における一例を図１９に示す。図１９はADPCM符号と量子化ステップ幅Δ(t)を導く適応化係数の関係を表したものである。ADPCM符号が10進法表記で4以上、または‐5以下を示す場合、適応差分誤差量の拡大に対応し量子化ステップ幅Δ(t)を大きくする作用が働き、適応化係数が上昇する。すなわち、適応差分誤差量は、適応化係数の増加とともに拡大する傾向にある。よって、適応差分変化率取得部１１２では適応化係数の大きさから適応差分変化率を取得し、その適応差分変化率に応じた付加情報挿入量を付加情報挿入量制御部１１３で指定する。なお、適応差分変化率は、適応化係数そのものであってもよく、適応化係数の大きさに応じて設定される、適応化係数を特定可能な値としてもよい。
例えば適応化係数に所定の閾値を用意し、閾値を超えるADPCM符号化信号が生成された場合は、付加情報を挿入しないと規定する。具体的には、例えば、付加情報挿入量制御部１１３は、適応化係数が２．４である時（ADPCM符号が10進法で７と−８の時）、量子化ステップ幅Δ(t)の大きさが最も大きくなることが予想されるため、付加情報を挿入しないことを指定する付加情報挿入量指定情報を付加情報挿入部１４７に対し伝送する。また、付加情報挿入量制御部１１３は、適応化係数が２．４未満である時（ADPCM符号が10進法で６〜−７のいずれかである時）、量子化ステップ幅Δ(t)の大きさが小さくなることが予想されるため、付加情報を挿入することを指定する付加情報挿入量指定情報を付加情報挿入部１４７に対し伝送する。ここでは、適応化係数の閾値を２．４とした場合（正の閾値を７とし、負の閾値を−８とした場合）について例示したが、閾値はこれに限られない。
また、付加情報挿入量として、付加情報を挿入する頻度を制御することで、量子化値拡大時の更なる誤差要因の増大を抑制する方法もある。
図２０は適応化係数別に付加情報の挿入頻度を規定した一例を示したものである。音量が小さく信号の変化が少なく、適応化係数が小さい場合（図２０では０．９）は適応予測誤差が低く抑えられており、付加情報挿入による音質劣化も目立たないため、常に付加情報を挿入する。適応予測誤差は、音声入力信号とADPCM符号化再現信号の差分値である。すなわち、この適応化係数の場合、付加情報挿入量制御部１１３は、常に付加情報を挿入することを指定する付加情報挿入量指定情報を付加情報挿入部１４７に対し伝送する。適応予測誤差が増加し、適応化係数が１を超える（適応差分誤差量が拡大傾向）ADPCM符号化信号が生成された場合は、その適応化係数の値に応じて挿入頻度を設定する。例えば、図２０に示す例では適応化係数が１．２の時（ADPCM符号化信号の値が10進法で4と‐5の時）、ADPCM符号化信号の２つに１つの割合で付加情報を挿入する。すなわち、この場合、付加情報挿入量制御部１１３は、２つのADPCM符号化信号のうち、１つに付加情報を挿入することを指定する付加情報挿入量指定情報を付加情報挿入部１４７に対し伝送する。２つのADPCM符号化信号のうち、どちらのADPCM符号化信号に挿入するかは予め定めておく。例えば、先に伝送されるADPCM符号化信号に挿入すると定めてもよく、後に伝送されるADPCM符号化信号に挿入すると定めてもよい。なお、適応化係数と付加情報挿入頻度との関係は、図２０に例示したものに限られず、任意の関係を予め定めるようにしてよい。
続いて、図２１を参照して、本発明の実施の形態４に係る付加情報挿入装置１４の処理について説明する。なお、図８を参照して説明した処理と同様の処理については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
実施の形態４ではステップＳ１０５の後に、適応差分変化率取得部１１２は、符号化器１０２から出力されたADPCM符号化信号に基づいて、適応差分変化率を算出する（ステップＳ１１４）。なお適応差分変化率取得部１１２は、一般的に量子化ステップ幅を算出する方法により、適応化係数を算出し、算出した適応化係数に応じた適応差分変化率を算出するようにすればよい。適応差分変化率取得部１１２は、算出した適応差分変化率を示す適応差分変化率情報を付加情報挿入量制御部１１３に出力する。
付加情報挿入量制御部１１３は、適応差分変化率取得部１１２から出力された適応差分変化率情報が示す適応差分変化率に基づいて、付加情報挿入量を指定する付加情報挿入量指定情報を生成し、付加情報挿入部１４７に出力する（ステップＳ１１５）。ここで、付加情報挿入量は、適応差分変化率と、適応差分変化率に対応する付加情報挿入量を予め定めておくことで、付加情報挿入量制御部１１３が適応差分変化率から特定可能としておけばよい。
付加情報挿入部１４７は、符号化器１０２から出力されたADPCM符号化信号に、付加情報挿入量制御部１１３から出力された付加情報挿入量指定情報で指定される付加情報挿入量で、付加情報を挿入する（ステップＳ１１６）。
以上のような構成により、ADPCM符号化信号に付加情報を挿入する際、生成されたADPCM符号化信号が持つ適応化係数から適応差分誤差拡大状況を把握し、適応差分誤差拡大によって音質劣化が予想される場合は挿入する付加情報の量を低減するように制御することで、付加情報挿入に伴う音声品質の劣化を抑制し、かつ十分な伝送量を確保した付加情報を受信側に送ることができる。
次にADPCM符号化信号から挿入された付加情報を抽出する付加情報抽出装置２４を、図２２を参照しながら説明する。図２２は実施の形態４の付加情報挿入装置１４にて生成されたADPCM符号化信号から、付加情報を抽出する付加情報抽出装置２４の一例を示した構成図である。
実施の形態４に係る付加情報抽出装置２４は、図９に示す付加情報抽出装置２１と比較して、さらに、適応差分変化率取得部２０３及び付加情報挿入量判定部２０４を有する。また、付加情報抽出装置２４は、付加情報抽出部２０２に換えて、付加情報抽出部２２２を有する。図９にて説明した各構成要素２０１、４０１〜４０４は説明を省略する。適応差分変化率取得部２０３は、ADPCM符号化信号から適応差分変化率情報を取得する。付加情報挿入量判定部２０４は、適応差分変化率取得部２０３で取得された適応差分変化率情報に応じて、異なる頻度で挿入された付加情報の位置及び頻度（付加情報挿入量）を判定する。実施の形態４では、付加情報抽出部２２２は、再構築されたビット列から同期ワード及びサイド情報に加えて、付加情報挿入量判定部２０４で判定された付加情報挿入量を元に挿入された付加情報を抽出する。
ビットスライス部２０１でビットスライス化された付加情報ビット列は、ADPCM符号化信号に対応する適応差分変化率に応じた挿入量に従い挿入された付加情報が存在する。例えば図１９に示す適応化係数が１を超える（つまりADPCM符号が10進法表記で4以上または‐5以下である）場合、付加情報を挿入しないとした規定に沿って付加情報挿入装置１４により生成されたADPCM符号化信号が伝送されるとするならば、その規定を予め付加情報挿入装置１４と付加情報抽出装置２４とで共有しておく。そして、付加情報挿入量判定部２０４は、適応差分変化率に基づいて、適応化係数が１．２以上（ADPCM符号が10進法表記で4以上または‐5以下）のADPCM符号化信号が伝送されたと判定される際には付加情報が含まれないと判断し、そのADPCM符号化信号に対応するビットを除いた付加情報ビット列から付加情報を抽出するように、付加情報抽出部２２２を制御するようにすれば良い。すなわち、この場合、付加情報挿入量判定部２０４は、適応差分変化率情報が示す適応差分変化率によって特定される適応化係数が１．２以上である場合、付加情報が含まれないことを通知する付加情報挿入量通知情報を付加情報抽出部２２２に送信し、適応化係数が１．２未満である場合、付加情報が含まれることを通知する付加情報挿入量通知情報を付加情報抽出部２２２に送信する。
図２０の規定に従って生成されたADPCM符号化信号における挿入された付加情報の有効位置を、図２３を用いて説明する。すなわち、ここでは、図２０に示す規則を付加情報挿入装置１４と付加情報抽出装置２４とで共有している例について説明する。また、付加情報挿入頻度を規定する際にグループとして束ねられるADPCM符号化信号のセットの内、最後に位置するADPCM符号化信号に付加情報を挿入した例である。図２３では、1bitに1回（1bit）の付加情報が挿入される頻度を１、2bitに1回（1bit）の付加情報が挿入される頻度を1/2、4bitに1回（1bit）の付加情報が挿入される頻度を1/4として表記した。
この場合、付加情報挿入量判定部２０４は、例えば、適応差分変化率取得部２０３で取得された適応差分変化率で特定される適応化係数が１．２である場合、付加情報挿入頻度として1/2を示す付加情報挿入量通知情報を生成し、付加情報抽出部２２２に送信し、適応化係数が１．６である場合、付加情報挿入頻度として1/4を示す付加情報挿入量通知情報を生成し、付加情報抽出部２２２に送信する。付加情報抽出部２２２は、付加情報挿入量判定部２０４からの付加情報挿入量通知情報が示す付加情報挿入頻度が1/2の場合は2組のセットの2番目をビット挿入有効位置と判定し、1/4の場合は４個のセットの４番目をビット挿入有効位置と判定する。ビット挿入位置をＹで、挿入しない部分をＮで明示した。付加情報抽出部２２２は、この規定に基づき1ビットのビット列としてスライス化された付加情報候補となるビット列から、有効な付加情報を抽出することが可能である。
ここで、図２３に示すように、グループとして束ねられるADPCM符号化信号のセットは、複数のADPCM符号化信号をセットとする適応化係数が検出された場合に、それに対応するADPCM符号化信号を先頭として決定される。よって、例えば、付加情報挿入部１４７及び付加情報抽出部２２２は、あるADPCM符号化信号の適応化係数から付加情報挿入頻度として1/2を決定した場合、その次のADPCM符号化信号の適応化係数に関係なく、次のADPCM符号化信号を付加情報の挿入位置として特定する。
続いて、図２４を参照して、実施の形態４に係る付加情報抽出装置２４の処理について説明する。なお、図９を参照して説明した処理と同様の処理については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
実施の形態４では、付加情報抽出装置２１で受信されたADPCM符号化信号は、適応差分変化率取得部２０３にも入力される。適応差分変化率取得部２０３は、ADPCM符号化信号に基づいて、適応差分変化率を算出する（ステップＳ２０７）。適応差分変化率取得部１１２と同様の手法により、適応差分変化率を算出するようにすればよい。適応差分変化率取得部２０３は、算出した適応差分変化率を示す適応差分変化率情報を付加情報挿入量判定部２０４に出力する。
付加情報挿入量判定部２０４は、適応差分変化率取得部２０３から出力された適応差分変化率情報が示す適応差分変化率に基づいて、付加情報挿入量を判定する（ステップＳ２０８）。付加情報挿入量判定部２０４は、判定した付加情報挿入量を通知する付加情報挿入量通知情報を生成し、付加情報抽出部２２２に出力する。ここで、付加情報挿入量は、適応差分変化率と、それに対応する付加情報挿入量を予め定めておくことで、付加情報挿入量判定部２０４が適応差分変化率から特定可能としておけばよい。
これにより、付加情報抽出部２２２において、付加情報挿入量判定部２０４から出力された付加情報挿入量通知情報が示す付加情報挿入量に基づいて、ビットスライス部２０１によってADPCM符号化信号から分離された情報から付加情報の挿入位置を特定して付加情報を抽出することが可能となる（ステップＳ２０６）。
以上のような構成により、ADPCM符号化信号の適応差分変化率に応じた挿入量でADPCM符号化信号に含まれる付加情報を、ADPCM符号化信号の適応差分変化率を分析してその挿入位置を特定可能とすることで正確に抽出することができる。付加情報挿入量は上記に示す例以外にも様々なパターンで規定でき、規定の内容を付加情報挿入装置１４及び付加情報抽出装置２４で共有することで安定的かつ音質を維持したまま付加情報の送受信を実現できる。
＜実施の形態５＞
サイド情報は挿入する付加情報の挿入量を具体的に記述することもでき、付加情報抽出装置２４で有効なビット列を判別する際に用いられる。サイド情報に付加情報の挿入量を具体的に記述することで、過度な音声劣化が予想される場合には、付加情報を挿入しない又は挿入量を減らすといった方法を選択でき、状況に応じた音質維持及び付加情報の可変レート制御による伝送を可能にする。具体的なサイド情報の記述については後で詳しく説明する。
図２５は本発明の実施の形態に係る付加情報を含む付加情報ビット列の構成例を示す図である。実施の形態４では予め付加情報を挿入するパターンを付加情報挿入装置１４及び付加情報抽出装置２４で共有する必要があったが、本実施の形態の付加情報ビット列の構成は、付加情報挿入量を付加情報ビット列を形成する付加情報の一部に記述することで、付加情報伝送中に付加情報挿入量を任意に変更可能な制御可能型可変レート伝送に対応できる。
図２５に示す付加情報ビット列の内、同期ワード及びサイド情報の領域は予め規定された挿入方式に従いADPCM符号化信号に挿入する。これは途中で付加情報の挿入量が変化しても、確実に付加情報を抽出可能にするためである。例えば送信側で、規定に基づきADPCM符号化信号に付加情報を挿入し伝送していても、受信側の付加情報抽出装置２４がいつ受信を開始するかは使用状況に依存する。途中で受信が開始された際に予め同期ワードとサイド情報の領域に関し規定していれば、その規定に基づき同期ワードを検索することで挿入された付加情報を取得できる。
図２０のような付加情報挿入量を規定するインデックスを予め何種類か用意しておき、図１８の付加情報挿入量制御部１１３に対し、内部または図示しない外部からの付加情報挿入量に対する要求（制御信号）があった場合、その付加情報挿入量に対応するインデックスを選択する。具体的には、例えば、付加情報挿入量制御部１１３は、付加情報挿入装置１４が有する任意の入力装置（図示せず）に対して、又は、外部の情報処理装置から任意の有線通信又は無線通信を介して、インデックス（付加情報挿入量）を指定する入力を受ける。そして、付加情報挿入量制御部１１３は、入力されたインデックスを付加情報挿入量指定情報として付加情報挿入部１４７に出力する。付加情報挿入部１４７は、付加情報挿入量制御部１１３から出力されたインデックスに対応する付加情報挿入量でADPCM符号化信号に付加情報を挿入するとともに、そのインデックスをサイド情報に設定する。そして、受信側の付加情報抽出部２０２では、サイド情報に設定されたインデックスに従い、インデックスに対応する付加情報挿入量に応じて付加情報の挿入位置を特定し取得することができる。付加情報挿入量を示すインデックス（付加情報挿入量Index）は付加情報ビット列のサイド情報の一部として図２５のように配置され、実際の付加情報が含まれる領域の挿入量を制御する。
また付加情報挿入ビット幅はADPCM符号化信号の下位ビットの内、最下位ビットから何ビット目までを付加情報挿入領域として使用したかを示す情報が記載されている。ADPCM符号化方式は何種類かあり、5ビットや6ビットで符号化されるADPCM符号化方式も国際的な標準規格として採用されている。符号化ビット数が多い場合は音質劣化にも強くなるため、その分付加情報の挿入量を増加することができる。付加情報挿入ビット幅はこの際の有効なビット幅を規定するためにサイド情報に設定される情報である。例えば、付加情報挿入量制御部１１３は、付加情報挿入装置１４が有する任意の入力装置に対して、又は、外部の情報処理装置から任意の有線通信又は無線通信を介して、最下位ビットから何ビット目までを付加情報挿入領域として使用するかを指定する入力を受ける。そして、付加情報挿入量制御部１１３は、入力された情報を付加情報挿入部１４７に出力する。付加情報挿入部１４７は、付加情報挿入量制御部１１３から出力された情報で指定される下位ビット幅にADPCM符号化信号に付加情報を挿入するとともに、そのビット幅を示す付加情報挿入ビット幅をサイド情報に設定する。そして、受信側の付加情報抽出部２０２では、この付加情報挿入ビット幅に従い、ADPCM符号化信号のうち、付加情報が挿入された下位ビット幅から付加情報を取得することができる。
送受信中であるが音声信号の伝送を伴わない場合は、音声劣化を抑制する必要が無いため、その分、付加情報の挿入量を増やすことができる。また反対に重要な音声の送受信が必要な場合は付加情報の挿入量を抑制し、音質劣化が発生しない程度の付加情報の挿入を許容する。音声よりも画像情報のような視覚情報が必要であれば音質劣化をある程度許容し、付加情報を優先して伝送することにも対応できる。
このように付加情報伝送中に挿入する付加情報の一部として付加情報挿入量を示す情報を配置することで、使用状況に応じた可変型伝送レートに対応する付加情報の送受信を実現することができる。なお、実施の形態５に係る可変レート制御は、実施の形態４に限られず、他の実施の形態１〜３に組み合わせて実施するようにしてもよい。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
１ ADPCM符号化装置
２ ADPCM復号化装置
３、１１、１２、１３、１４ 符号化情報挿入装置
２１、２４ 符号化情報抽出装置
１０１ 適応量子化器
１０２ 符号化器
１０３、４０２ 量子化ステップ制御部
１０４、４０３ 遅延器
１０５、１０６、４０４ 加算器
１０７ 付加情報挿入部
１０８ 再符号化器
２０１ ビットスライス部
２０２ 付加情報抽出部
４０１ 復号化器

Claims (12)

  1. 所定のサンプリング周期でサンプル化される音声信号をADPCM符号化方式にてADPCM符号化する際における量子化ステップ幅を算出する量子化ステップ制御部と、
    前記音声信号と、前記音声信号の前にサンプル化された音声信号を再現したADPCM符号化再現信号との差分値である第１の差分値を算出する差分器と、
    前記量子化ステップ幅に基づいて、第１の差分値を量子化して、第２の差分値を導出する量子化器と、
    前記第２の差分値を符号化して第１のADPCM符号化信号を生成するADPCM符号化器と、
    前記差分値と前記量子化ステップ幅に基づき、前記第１の差分値と前記第２の差分値との量子化誤差値を算出する適応誤差算出器と、
    前記量子化誤差値に基づいて、前記ADPCM符号化器によって生成された前記第１のADPCM符号化信号に前記音声信号とは異なる情報である付加情報を挿入した場合に前記付加情報を変更せずに前記量子化誤差値がより小さくなるADPCM符号を示すビット変更制御情報を生成する変更制御部と、
    前記第１のADPCM符号化信号に前記付加情報を挿入する付加情報挿入部と、
    前記付加情報を保持したまま、前記第１のADPCM符号化信号を用いて前記音声信号を再符号化した第２のADPCM符号化信号を生成する再符号化部と、を備え、
    前記量子化ステップ制御部は、前記第２のADPCM符号化信号に基づいて、前記量子化ステップ幅を算出し、
    前記変更制御部は前記量子化誤差に基づいて付加情報挿入の際にプラス側またはマイナス側のどちらにビット変更を実施するかを指示するビット変更制御情報を生成し、
    前記付加情報挿入部は前記ビット変更制御情報に基づいて前記第１のADPCM符号化信号に前記付加情報を追加する
    ことを特徴とする付加情報挿入装置。
  2. 所定のサンプリング周期でサンプル化される音声信号をADPCM符号化方式にてADPCM符号化する際における量子化ステップ幅を算出する量子化ステップ制御ステップと、
    前記音声信号と、前記音声信号の前にサンプル化された音声信号を再現したADPCM符号化再現信号との差分値である第１の差分値を算出する差分値算出ステップと、
    前記量子化ステップ幅に基づいて、第１の差分値を量子化して、第２の差分値を導出する量子化ステップと、
    前記第２の差分値を符号化して第１のADPCM符号化信号を生成するADPCM符号化ステップと、
    前記差分値と前記量子化ステップ幅に基づき、前記第１の差分値と前記第２の差分値との量子化誤差値を算出する適応誤差算出ステップと、
    前記量子化誤差値に基づいて、前記生成された前記第１のADPCM符号化信号に前記音声信号とは異なる情報である付加情報を挿入した場合に前記付加情報を変更せずに前記量子化誤差値がより小さくなるADPCM符号を示すビット変更制御情報を生成する変更制御ステップと、
    前記第１のADPCM符号化信号に前記付加情報を挿入する付加情報挿入ステップと、
    前記付加情報を保持したまま、前記第１のADPCM符号化信号を用いて前記音声信号を再符号化した第２のADPCM符号化信号を生成する再符号化ステップと、を備え、
    前記量子化ステップ制御ステップでは、前記第２のADPCM符号化信号に基づいて、前記量子化ステップ幅を算出し、
    前記変更制御ステップは前記量子化誤差に基づいて付加情報挿入の際にプラス側またはマイナス側のどちらにビット変更を実施するかを指示するビット変更制御情報を生成し、
    前記付加情報挿入ステップは前記ビット変更制御情報に基づいて前記第１のADPCM符号化信号に前記付加情報を追加する
    ことを特徴とする付加情報挿入方法。
  3. 所定のサンプリング周期でサンプル化される音声信号をADPCM符号化方式にてADPCM符号化する際における量子化ステップ幅を算出する量子化ステップ制御ステップと、
    前記音声信号と、前記音声信号の前にサンプル化された音声信号を再現したADPCM符号化再現信号との差分値である第１の差分値を算出する差分値算出ステップと、
    前記量子化ステップ幅に基づいて、第１の差分値を量子化して、第２の差分値を導出する量子化ステップと、
    前記第２の差分値を符号化して第１のADPCM符号化信号を生成するADPCM符号化ステップと、
    前記差分値と前記量子化ステップ幅に基づき、前記第１の差分値と前記第２の差分値との量子化誤差値を算出する適応誤差算出ステップと、
    前記量子化誤差値に基づいて、前記生成された前記第１のADPCM符号化信号に前記音声信号とは異なる情報である付加情報を挿入した場合に前記付加情報を変更せずに前記量子化誤差値がより小さくなるADPCM符号を示すビット変更制御情報を生成する変更制御ステップと、
    前記第１のADPCM符号化信号に前記付加情報を挿入する付加情報挿入ステップと、
    前記付加情報を保持したまま、前記第１のADPCM符号化信号を用いて前記音声信号を再符号化した第２のADPCM符号化信号を生成する再符号化ステップと、をコンピュータに実行させ、
    前記量子化ステップ制御ステップでは、前記第２のADPCM符号化信号に基づいて、前記量子化ステップ幅を算出し、
    前記変更制御ステップは前記量子化誤差に基づいて付加情報挿入の際にプラス側またはマイナス側のどちらにビット変更を実施するかを指示するビット変更制御情報を生成し、
    前記付加情報挿入ステップは前記ビット変更制御情報に基づいて前記第１のADPCM符号化信号に前記付加情報を追加する
    ことを特徴とする付加情報挿入プログラム。
  4. 所定のサンプリング周期でサンプル化される音声信号をADPCM符号化方式にてADPCM符号化する際における量子化ステップ幅を算出する量子化ステップ制御部と、
    前記音声信号と、前記音声信号の前にサンプル化された音声信号を再現したADPCM符号化再現信号との差分値である第１の差分値を算出する差分器と、
    前記量子化ステップ幅に基づいて、第１の差分値を量子化して、第２の差分値を導出する量子化器と、
    前記第２の差分値を符号化して第１のADPCM符号化信号を生成するADPCM符号化器と、
    前記第１のADPCM符号化信号の符号ビットを判別して符号ビット情報を生成するビット列判別部と、
    前記符号ビット情報に基づいて得られる重み付け情報をビット変更制御情報として生成する変更制御部と、
    前記第１のADPCM符号化信号に付加情報を挿入する付加情報挿入部と、
    前記付加情報を保持したまま、前記第１のADPCM符号化信号を用いて前記音声信号を再符号化した第２のADPCM符号化信号を生成する再符号化部と、を備え、
    前記量子化ステップ制御部は、前記第２のADPCM符号化信号に基づいて、前記量子化ステップ幅を算出し、
    前記変更制御部は、前記符号ビット情報が正である場合前記第１のADPCM符号化信号から１を減算するようにビットの変更を指示するビット変更制御情報を生成し、前記符号ビット情報が負である場合、前記第１のADPCM符号化信号に１を加算するようにビットの変更を指示するビット変更制御情報を生成し、
    前記付加情報挿入部は前記ビット変更制御情報に基づいて前記第１のADPCM符号化信号に前記付加情報を追加する
    ことを特徴とする付加情報挿入装置。
  5. 所定のサンプリング周期でサンプル化される音声信号をADPCM符号化方式にてADPCM符号化する際における量子化ステップ幅を算出する量子化ステップ制御ステップと、
    前記音声信号と、前記音声信号の前にサンプル化された音声信号を再現したADPCM符号化再現信号との差分値である第１の差分値を算出する差分値算出ステップと、
    前記量子化ステップ幅に基づいて、第１の差分値を量子化して、第２の差分値を導出する量子化ステップと、
    前記第２の差分値を符号化して第１のADPCM符号化信号を生成するADPCM符号化ステップと、
    前記第１のADPCM符号化信号の符号ビットを判別して符号ビット情報を生成するビット列判別ステップと、
    前記符号ビット情報に基づいて得られる重み付け情報をビット変更制御情報として生成する変更制御ステップと、
    前記第１のADPCM符号化信号に付加情報を挿入する付加情報挿入ステップと、
    前記付加情報を保持したまま、前記第１のADPCM符号化信号を用いて前記音声信号を再符号化した第２のADPCM符号化信号を生成する再符号化ステップと、を備え、
    前記量子化ステップ制御ステップは、前記第２のADPCM符号化信号に基づいて、前記量子化ステップ幅を算出し、
    前記変更制御ステップは、前記符号ビット情報が正である場合前記第１のADPCM符号化信号から１を減算するようにビットの変更を指示するビット変更制御情報を生成し、前記符号ビット情報が負である場合、前記第１のADPCM符号化信号に１を加算するようにビットの変更を指示するビット変更制御情報を生成し、
    前記付加情報挿入ステップは前記ビット変更制御情報に基づいて前記第１のADPCM符号化信号に前記付加情報を追加する
    ことを特徴とする付加情報挿入方法。
  6. 所定のサンプリング周期でサンプル化される音声信号をADPCM符号化方式にてADPCM符号化する際における量子化ステップ幅を算出する量子化ステップ制御ステップと、
    前記音声信号と、前記音声信号の前にサンプル化された音声信号を再現したADPCM符号化再現信号との差分値である第１の差分値を算出する差分値算出ステップと、
    前記量子化ステップ幅に基づいて、第１の差分値を量子化して、第２の差分値を導出する量子化ステップと、
    前記第２の差分値を符号化して第１のADPCM符号化信号を生成するADPCM符号化ステップと、
    前記第１のADPCM符号化信号の符号ビットを判別して符号ビット情報を生成するビット列判別ステップと、
    前記符号ビット情報に基づいて得られる重み付け情報をビット変更制御情報として生成する変更制御ステップと、
    前記第１のADPCM符号化信号に付加情報を挿入する付加情報挿入ステップと、
    前記付加情報を保持したまま、前記第１のADPCM符号化信号を用いて前記音声信号を再符号化した第２のADPCM符号化信号を生成する再符号化ステップと、をコンピュータに実行させ、
    前記量子化ステップ制御ステップは、前記第２のADPCM符号化信号に基づいて、前記量子化ステップ幅を算出し、
    前記変更制御ステップは、前記符号ビット情報が正である場合前記第１のADPCM符号化信号から１を減算するようにビットの変更を指示するビット変更制御情報を生成し、前記符号ビット情報が負である場合、前記第１のADPCM符号化信号に１を加算するようにビットの変更を指示するビット変更制御情報を生成し、
    前記付加情報挿入ステップは前記ビット変更制御情報に基づいて前記第１のADPCM符号化信号に前記付加情報を追加する
    ことを特徴とする付加情報挿入プログラム。
  7. 所定のサンプリング周期でサンプル化される音声信号をADPCM符号化方式にてADPCM符号化する際における量子化ステップ幅を算出する量子化ステップ制御部と、
    前記音声信号と、前記音声信号の前にサンプル化された音声信号を再現したADPCM符号化再現信号との差分値である第１の差分値を算出する差分器と、
    前記量子化ステップ幅に基づいて、第１の差分値を量子化して、第２の差分値を導出する量子化器と、
    前記第２の差分値を符号化して第１のADPCM符号化信号を生成するADPCM符号化器と、
    前記第１のADPCM符号化信号から適応差分変化率を示す適応差分変化率情報を取得する適応差分変化率取得部と、
    前記適応差分変化率情報に基づいて付加情報挿入量を示す付加情報挿入量指定情報を生成する付加情報挿入量制御部と、
    前記付加情報挿入量指定情報に基づいて前記第１のADPCM符号化信号に付加情報を挿入する付加情報挿入部と、
    前記付加情報を保持したまま、前記第１のADPCM符号化信号を用いて前記音声信号を再符号化した第２のADPCM符号化信号を生成する再符号化部と、を備え、
    前記量子化ステップ制御部は、前記第２のADPCM符号化信号に基づいて、前記量子化ステップ幅を算出する、
    ことを特徴とする付加情報挿入装置。
  8. 所定のサンプリング周期でサンプル化される音声信号をADPCM符号化方式にてADPCM符号化する際における量子化ステップ幅を算出する量子化ステップ制御ステップと、
    前記音声信号と、前記音声信号の前にサンプル化された音声信号を再現したADPCM符号化再現信号との差分値である第１の差分値を算出する差分値算出ステップと、
    前記量子化ステップ幅に基づいて、第１の差分値を量子化して、第２の差分値を導出する量子化ステップと、
    前記第２の差分値を符号化して第１のADPCM符号化信号を生成するADPCM符号化ステップと、
    前記第１のADPCM符号化信号から適応差分変化率を示す適応差分変化率情報を取得する適応差分変化率取得ステップと、
    前記適応差分変化率情報に基づいて付加情報挿入量を示す付加情報挿入量指定情報を生成する付加情報挿入量制御ステップと、
    前記付加情報挿入量指定情報に基づいて前記第１のADPCM符号化信号に付加情報を挿入する付加情報挿入ステップと、
    前記付加情報を保持したまま、前記第１のADPCM符号化信号を用いて前記音声信号を再符号化した第２のADPCM符号化信号を生成する再符号化ステップと、を備え、
    前記量子化ステップ制御ステップは、前記第２のADPCM符号化信号に基づいて、前記量子化ステップ幅を算出する、
    ことを特徴とする付加情報挿入方法。
  9. 所定のサンプリング周期でサンプル化される音声信号をADPCM符号化方式にてADPCM符号化する際における量子化ステップ幅を算出する量子化ステップ制御ステップと、
    前記音声信号と、前記音声信号の前にサンプル化された音声信号を再現したADPCM符号化再現信号との差分値である第１の差分値を算出する差分値算出ステップと、
    前記量子化ステップ幅に基づいて、第１の差分値を量子化して、第２の差分値を導出する量子化ステップと、
    前記第２の差分値を符号化して第１のADPCM符号化信号を生成するADPCM符号化ステップと、
    前記第１のADPCM符号化信号から適応差分変化率を示す適応差分変化率情報を取得する適応差分変化率取得ステップと、
    前記適応差分変化率情報に基づいて付加情報挿入量を示す付加情報挿入量指定情報を生成する付加情報挿入量制御ステップと、
    前記付加情報挿入量指定情報に基づいて前記第１のADPCM符号化信号に付加情報を挿入する付加情報挿入ステップと、
    前記付加情報を保持したまま、前記第１のADPCM符号化信号を用いて前記音声信号を再符号化した第２のADPCM符号化信号を生成する再符号化ステップと、をコンピュータに実行させ、
    前記量子化ステップ制御ステップは、前記第２のADPCM符号化信号に基づいて、前記量子化ステップ幅を算出する、
    ことを特徴とする付加情報挿入プログラム。
  10. 所定のサンプリング周期でサンプル化される音声信号がADPCM符号化方式にてADPCM符号化され、かつ前記音声信号とは異なる情報である付加情報が挿入されたADPCM符号化信号を復号する際における量子化ステップ幅を算出する量子化ステップ制御部と、
    前記量子化ステップ制御部が算出した量子化ステップ幅に基づいて、前記ADPCM符号化信号を復号し、音声信号を生成するADPCM復号化器と、
    前記ADPCM符号化信号から適応差分変化率を示す適応差分変化率情報を取得する適応差分変化率取得部と、
    前記適応差分変化率情報に基づいて、付加情報挿入量を示す付加情報挿入量指定情報を取得する付加情報挿入量判定部と、
    前記付加情報挿入量指定情報に基づいて、前記ADPCM符号化信号から前記付加情報を抽出する付加情報抽出部と、
    を備えることを特徴とする付加情報抽出装置。
  11. 所定のサンプリング周期でサンプル化される音声信号がADPCM符号化方式にてADPCM符号化され、かつ前記音声信号とは異なる情報である付加情報が挿入されたADPCM符号化信号を復号する際における量子化ステップ幅を算出する量子化ステップ算出ステップと、
    前記算出した量子化ステップ幅に基づいて、前記ADPCM符号化信号を復号し、音声信号を生成するADPCM復号化ステップと、
    前記ADPCM符号化信号から適応差分変化率を示す適応差分変化率情報を取得する適応差分変化率取得ステップと、
    前記適応差分変化率情報に基づいて、付加情報挿入量を示す付加情報挿入量指定情報を取得する付加情報挿入量判定ステップと、
    前記付加情報挿入量指定情報に基づいて、前記ADPCM符号化信号から前記付加情報を抽出する付加情報抽出ステップと、を備える
    ことを特徴とする付加情報抽出方法。
  12. 所定のサンプリング周期でサンプル化される音声信号がADPCM符号化方式にてADPCM符号化され、かつ前記音声信号とは異なる情報である付加情報が挿入されたADPCM符号化信号を復号する際における量子化ステップ幅を算出する量子化ステップ算出ステップと、
    前記算出した量子化ステップ幅に基づいて、前記ADPCM符号化信号を復号し、音声信号を生成するADPCM復号化ステップと、
    前記ADPCM符号化信号から適応差分変化率を示す適応差分変化率情報を取得する適応差分変化率取得ステップと、
    前記適応差分変化率情報に基づいて、付加情報挿入量を示す付加情報挿入量指定情報を取得する付加情報挿入量判定ステップと、
    前記付加情報挿入量指定情報に基づいて、前記ADPCM符号化信号から前記付加情報を抽出する付加情報抽出ステップと、をコンピュータに実行させる
    ことを特徴とする付加情報抽出プログラム。
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