JP6120206B2

JP6120206B2 - 音響コードの符号化・復号化装置および音響コードの符号化・復号化方法

Info

Publication number: JP6120206B2
Application number: JP2012225679A
Authority: JP
Inventors: 憲三伊藤; 朝猿舘; 裕太穴澤
Original assignee: Iwate Prefectural University
Current assignee: Iwate Prefectural University
Priority date: 2012-10-11
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2032-10-11
Also published as: JP2014078863A

Description

本発明は、音響コードの符号化・復号化装置および音響コードの符号化・復号化方法に係わり、特に、自由音響空間の環境下で文字情報などを音響信号として符号化し、音の到達する場所において文字情報を適宜取得することができる音響コードの符号化・復号化装置および音響コードの符号化・復号化方法に関する。

従来から、多様な文字情報の伝達手段として、フェリカ“FeliCa”(登録商標)などに対応していない携帯情報端末（スマートフォン等）にクーポン券などを配布する、いわゆるラピナビライト“RapiNAVI Light”(登録商標)が知られている（例えば、特許文献１、２等）。

かかる文字情報の伝達手段においては、文字情報を超音波信号に変調して情報配信するもので、非接触通信が可能であるものの、２〜３ｃｍの間隔での超短距離通信に制限されるという難点があった。

このため、本発明者等は鋭意研究を重ねた結果、文字情報を音響パターンに変換し、効率良く情報伝達することができる文字情報の伝達方式（以下、「音響コードを用いた文字情報の伝達方式」という。）を案出している。

かかる音響コードを用いた文字情報の伝達方式は、図７に示すように、音響コード符号化部１１０において、文字列１２０から符号帳（コードブック）１３０を参照して音響コード（音響パターン）を生成し、当該音響コードをスピーカ１４０から音響空間に放出する送信器１００と、当該音響コード（音響パターン）をマイク２１０で集音した後、音響コード復号化部２２０において、送信側と同様の符号帳（コードブック）２３０を参照して文字列（文字情報）２４０を取得する受信器２００とを備えている。

このような文字情報の伝達方式によれば、日常生活においてありふれて存在する「音」に着目することで、広い空間であっても多くの人々に同時に文字情報を配信し、取得させることができる。

しかしながら、このような構成の文字情報の伝達方式は、実際の適用場面においては、騒音などの環境騒音が想定されることから、環境騒音が存在・変動する条件下では、文字情報の符号化・復号化に際して十分な性能を確保することができず、ひいては通信性能を十分に発揮できないという難点が予想される。

特開平７−２５４０３７号公報特開２０１２−１００３００号公報

本発明の音響コードの符号化・復号化装置および音響コードの符号化・復号化方法は、上述の難点を解決するためになされたもので、従来の響コードの符号化・復号化装置に雑音特性分析部や雑音除去部を付加することで、環境雑音に最適に動作し得る環境適応型の音響コードの符号化・復号化装置および音響コードの符号化・復号化方法を提供することを目的としている。

本発明の第１の態様である音響コードの符号化・復号化装置は、文字列から符号帳を参照して音響コードを生成し、当該音響コードを音響空間に放出する送信手段と、放出された音響コードを集音し、送信手段の符号帳と同様の符号帳を参照して集音した音響コードから文字列を復号化する受信手段とを備えている音響コードの符号化・復号化装置であって、送信手段には、音響コードの生成に際して、環境雑音の周波数特性に応じた符号構成を行うために、環境雑音の周波数特性を分析して当該環境雑音のスペクトル特性が平均的な周波数特性として求められる雑音特性分析部と、文字列を１文字毎に符号化するにあたり、音響コードに相当する信号の周波数強度を環境雑音の平均的な周波数特性であるスペクトル特性より一定の大きさになるように調整する符号化処理部とが設けられ、受信手段には、音響コードの復号化に際して、環境雑音を除去するために、当該環境雑音の雑音成分である平均的な周波数特性であるスペクトル特性を除去するための雑音除去部と、雑音除去部で平均的な周波数特性であるスペクトル特性が除去された音響コードを復号化するための復号化処理部とが設けられているものである。

本発明の第２の態様である音響コードの符号化・復号化方法は、文字列から符号帳を参照して音響コードを生成し、当該音響コードを音響空間に放出する送信手段と、放出された音響コードを集音し、送信側の符号帳と同様の符号帳を参照して集音した音響コードから文字列を復号化する受信手段とを備えている装置の音響コードの符号化・復号化方法であって、送信手段の符号化処理は、音響コードの生成に際して、環境雑音の周波数特性に応じた符号構成を行うために、環境雑音の周波数特性を分析して当該環境雑音のスペクトル特性を平均的な周波数特性として求めるステップと、文字列を１文字毎に符号化するにあたり、音響コードに相当する信号の周波数強度を環境雑音の平均的な周波数特性であるスペクトル特性より一定の大きさになるように調整するステップとを含み、受信手段の復号化処理は、音響コードの復号化に際して、環境雑音を除去するために、当該環境雑音の雑音成分である平均的な周波数特性であるスペクトル特性を除去するステップと、平均的な周波数特性であるスペクトル特性が除去された音響コードを復号化するステップとを含むものである。

本発明の第１の態様の音響コードの符号化・復号化装置および第２の態様の音響コードの符号化・復号化方法によれば、次のような効果がある。

第１に、文字情報を音響信号にコード化する際、環境雑音の大きさやその周波数特性に応じた符号構成とすることで、環境雑音が大きい条件下でも高精度で符号化処理を行うことができ、また、復号化においては、雑音成分の特性を除去することで、音響コード信号のみを拾い出すことが可能となり、システム全体の機能を格段に向上させることができる。

第２に、ＱＲコード（登録商標）が画像情報に埋め込まれた文字情報を近接的に取得する従来のＱＲコード(登録商標)に比し、本発明においては、音情報を取得することが可能な環境であれば、離れた場所でも多くの人々に文字情報を一斉に配信・取得することができ、特に、高年齢や聴覚に障害のある人々に有効利用できる。

第３に、本発明の音響コードの符号化・復号化装置においては、既設の放送システムに付加することで、情報配信（送信）ができ、また、受信側での復号化においては、市販の携帯情報端末のアプリケーション・ソウトウエアとしても手軽に実現可能であり、コスト的にも効率よくシステムの構築を図ることができる。

本発明における音響コードの符号化・復号化装置の概要を示す説明図。本発明における音響コードの符号化・復号化装置のブロック図。本発明における音響コードの符号構成の一例を示す説明図。本発明における音響コードを符号化するときの信号強度を示す説明図。本発明における符号化された音響コード信号の観測例を示す説明図。本発明における実際に送出する音響コードの構成の一例を示す説明図。従来における音響コードの符号化・復号化装置の概要を示す説明図。

以下、本発明の音響コードの符号化・復号化装置および音響コードの符号化・復号化方法を適用した好ましい実施の形態例について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明における音響コードの符号化・復号化装置の概要を示す説明図、図２は、本発明の一実施例における音響コードの符号化・復号化装置のブロック図を示している。

図１において、本発明の音響コードの符号化・復号化装置は、従来の音響コードの符号化・復号化装置と同様に、送信側に配置され、後述するように、音響コード符号化部１２ｂにおいて、文字列１１から符号帳（コードブック）１２ａを参照して音響コード（音響パターン）を生成し、当該音響コードをスピーカ１４から音響空間に放出する送信器１と、この送信器１から例えば５〜１０ｍ程度離間して配置され、後述するように、音響コード（音響パターン）をマイク２１で集音した後、音響コード復号化部２２ｂにおいて、送信側と同様の符号帳（コードブック）２２ａを参照して文字列（文字情報）２４を取得する受信器２とを備えている。

本発明の音響コードの符号化・復号化装置においては、送信器１に、後述する雑音特性分析部１５が付加され、受信器２に後述する雑音除去部２３ｂが付加されている。

送信器１は、具体的には、図２に示すように、文字列（以下「送信器文字列」という。
）１１と、送信器文字列１１から符号帳（コ−ドブック）（以下「送信器符号帳」という。）１２ａを参照して音響コードを生成する手段としての符号化処理部１２と、生成した音響コードを音響空間に放出する手段としての音響コード処理部（以下「送信器音響コード処理部」という。）１３およびスピーカ（以下「送信器スピーカ」という。）１４と、音響コードの生成に際して、環境雑音の大きさや環境雑音の周波数特性に応じた符号構成を行う手段としての雑音特性分析部１５およびマイク(以下「送信器マイク」という。)１６とを備えている。

ここで、符号化処理部１２は、送信器符号帳１２ａと、送信器符号帳１２ａに接続された符号化部１２ｂとを有しており、符号化部１２ｂには、送信器文字列１１、雑音特性分析部１５および送信器音響コード処理部１３がそれぞれ接続されている。

また、雑音特性分析部１５は、スペクトル特性検出部１５ａと、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）１５ｂを介して接続されたＡ／Ｄ変換部１５ｃとを有しており、スペクトル特性検出部１５ａには符号化処理部１２の符号化部１２ｂが、Ａ／Ｄ変換部１５ｃには送信器マイク１６がそれぞれ接続されている。

さらに、送信器音響コード処理部１３は、ＩＦＦＴ（逆高速フーリエ変換）１３ａと、当該ＩＦＦＴ１３ａに始期・終期付加部１３ｂを介して接続されたＤ／Ａ変換部１３ｃとを有しており、ＩＦＦＴ１３ａには符号化処理部１２の符号化部１２ｂが、Ｄ／Ａ変換部１３ｃには送信器スピーカ１４がそれぞれ接続されている。

一方、受信器２は、音響空間に放出された音響コードを集音する手段としてのマイク(以下「受信器マイク」という。)２１と、集音した音響コードを送信器符号帳１２ａと同様の符号帳（コ−ドブック）（以下「受信器符号帳」という。）２２ａを参照して文字列（以下「受信器文字列」という。）２４を復号化する手段としての復号化処理部２２と、音響コードの復号化に際して、環境雑音を除去する手段としての音響コード処理部２３とを備え、受信器２の出力結果として文字列（以下「受信器文字列」という。）２４が得られる。

復号化処理部２２は、受信器符号帳２２ａと、受信器符号帳２２ａに接続された復号化部２２ｂとを有しており、復号化部２２ｂには受信器文字列２４および受信器音響コード処理部２３が接続されている。

また、受信器音響コード処理部２３は、受信器マイク２１にＡ／Ｄ変換部２３ａを介して接続された雑音除去部２３ｂと、復号化処理部２２の復号化部２２ｂに接続された信号区間決定部２３ｄと、当該信号区間決定部２３ｄと雑音除去部２３ｂ間に接続されたＦＦＴ（高速フーリエ変換）２３ｃとを有している。

このような構成の音響コードの符号化・復号化装置によれば、図７に示す従来の音響コードの符号化・復号化装置に雑音特性分析部１５および雑音除去部２３ｂを付加することで、環境雑音に最適に動作する構成とすることができ、ひいては、文字情報を音響信号にコード化する際に、環境雑音の大きさやその周波数特性に応じた符号構成とすることで、環境雑音が大きい条件下でも高精度で符号化処理を行うことができ、また、復号化においては、雑音成分の特性を除去することで、音響コード信号のみを拾い出すことが可能となり、システム全体の機能を格段に向上させることができる。

次に、このように構成された本発明の音響コードの符号化・復号化装置における音響コードの符号化・復号化処理の流れについて説明する。

本発明においては、先ず、本装置が使用される周囲雑音（環境雑音）が送信器マイク１６で集音され、Ａ／Ｄ変換部１５ｃでアナログ信号がデジタルデータに変換され、ＦＦＴ１５ｂにより周波数分析される。これにより、スペクトル特性検出部１５ａにおいて、後述するように、本装置が使用される周囲雑音のスペクトル特性が平均的な周波数特性（環境特性）として求められる。

一方、受信器文字列１１からの文字情報が符号化部１２ｂへ入力され、次のようにして入力された文字列の１文字ごとに環境特性に応じて符号化処理が行われる。

図３は、音響コードの符号構成の一例を示している。同図において、横軸は符号化する文字列の時間（ｍｓ）を示し、縦軸は周波数（Ｈｚ）を示している。

縦軸としての周波数軸は複数の帯域に分割される。この周波数軸の分割数は、伝達される文字の種類によって決定されるところ、この実施例においては、５００〜４０００Ｈｚの周波数が５つの帯域に分割される。

ここで、音響コードは、人に聴かせることを目的としており、広い音響空間に発信されることから、使用する周波数帯域を５００〜４０００Ｈｚとしている。

文字情報の符号化は、複数の帯域に分割された帯域毎の信号の有無で表現される。この実施例においては、音響コードの周波数帯域を５分割し、１コード当たりの時間長を５０ｍｓとしている。この各スペクトルパターンに文字を割り当てる。例えば、周波数帯域を５分割した条件では、３２種類（５ビット）の文字を割り当てることができる。

このように、周波数帯域を５分割し、サブバンドパワーを調節することで、音響コードの特徴づけを行うことができる。

一方、符号化処理部１２では、送信器符号帳１２ａおよび雑音特性分析部１５のスペクトル特性検出部１５ａからの雑音周波数特性を用いて、図４に示すように、音響コードに相当する信号の周波数強度（信号強度）を環境雑音より一定の大きさになるように調整して配置する。

図４は、音響コードを符号化するときの信号強度を示しており、横軸は周波数を、縦軸は利得を示している。

このようにして、周波数軸に配置された情報をもとにＩＦＦＴ（周波数逆変換）１３ａにより、図５に示すように時間領域（波形領域）に戻される。

図５は、符号化された音響コード信号の観測例を示しており、同図の上段は時間波形を、下段は上段の時間波形に対応したソナグラムを示している。

このようにして符号化された音響コード信号は、Ｄ／Ａ変換部１３ｃでデジタルデータがアナログ信号に変換されて送信器スピーカ１４より音響コード信号として音響空間（自由空間）に放出される。

ここで、一連の文字列に対応した音響コードは、始端・終端付加部１３ｂにおいて、図６に示すように、信号区間（音響コード信号）の存在をより確実にするために、音響コード信号の始まりを示す「始端信号」と、音響コード信号の終わりを示す「終端信号」とで挟んで構成し、Ｄ／Ａ変換部１３ｃへ送出する。

一方、受信側では、音響空間に放出された音響コード信号を受信器マイク２１で集音した後、Ａ／Ｄ変換部２３ａでアナログ信号がデジタルデータに変換されて雑音除去部２３ｂへ入力され、当該雑音除去部２３ｂにおいて音響データから雑音成分が除去される。この雑音除去の方法としては、従来から音声信号に重畳した雑音を除去するための手法として、ＳＳ（Spectral Subtraction）法が知られている。

そして、雑音成分を除去した後、ＦＦＴ２３ｃにより周波数分析し、信号区間決定部２３ｄにおいて、信号の存在する領域を“１”、信号の存在しない領域を“０”と表現し、この情報と送信器符号帳１２ａと同様の受信器符号帳２３ａを参照して復号化し、これにより、該当するコードを文字情報（受信器文字列２４）として出力することができる。

以上述べたように、このような構成の音響コードの符号化・復号化装置および音響コードの符号化・復号化方法によれば、文字情報を音響信号にコード化する際、環境雑音の大きさやその周波数特性に応じた符号構成とすることで、環境雑音が大きい条件下でも高精度で符号化処理を行うことができ、また、復号化においては、雑音成分の特性を除去することで、音響コード信号のみを拾い出すことが可能となり、システム全体の機能を格段に向上させることができる。

また、ＱＲコード(登録商標)が画像情報に埋め込まれた文字情報を近接的に取得する従来のＱＲコード(登録商標)に比し、本発明においては、音情報を取得することが可能な環境であれば、離れた場所でも多くの人々に文字情報を一斉に配信・取得することができ、特に、高年齢や聴覚に障害のある人々に有効利用できる。

さらに、本発明の音響コードの符号化・復号化装置においては、既設の放送システムに付加することで、情報配信（送信）ができ、また、受信側での復号化においては、市販の携帯情報端末のアプリケーション・ソウトウエアとしても手軽に実現可能であり、コスト的にも効率よくシステムの構築を図ることができる。

なお、これまで本発明について、図面に示した特定の実施の形態をもって本発明を説明しているが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する限り、これまで知られているいかなる構成であっても採用することができる。

例えば、前述の実施例では、受信器２として、受信器マイク２１を有するものを使用しているが、送受信機能を有する携帯端末を使用してもよい。

また、前述の説明では、この方式の利用場面としてクーポン券等の配布について述べているが、講演や館内放送、ラジオ等での利用や、或いは、非接触通信技術に類することから、駅構内、空港、教室、集会場、待号室など不特定多数の人々に対して一括して文字情報等を配信する場号にも有効利用できる。

１・・・送信器
１１・・・文字列（送信器文字列）
１２・・・符号化処理部
１２ｂ・・・符号化部
１５・・・雑音特性分析部
２・・・受信器
２２・・・復号化処理部
２２ｂ・・・復号化部
２３・・・音響コード処理部（受信器音響コード処理部）
２３ｂ・・・雑音除去部
２４・・・文字列（受信器文字列）

Claims

文字列から符号帳を参照して音響コードを生成し、当該音響コードを音響空間に放出する送信手段と、放出された前記音響コードを集音し、前記送信手段の前記符号帳と同様の符号帳を参照して集音した前記音響コードから前記文字列を復号化する受信手段とを備えている音響コードの符号化・復号化装置であって、
前記送信手段には、前記音響コードの生成に際して、環境雑音の周波数特性に応じた符号構成を行うために、前記環境雑音の前記周波数特性を分析して当該環境雑音のスペクトル特性が平均的な周波数特性として求められる雑音特性分析部と、前記文字列を１文字毎に符号化するにあたり、前記音響コードに相当する信号の周波数強度を前記環境雑音の前記平均的な周波数特性であるスペクトル特性より一定の大きさになるように調整する符号化処理部とが設けられ、
前記受信手段には、前記音響コードの復号化に際して、前記環境雑音を除去するために、当該環境雑音の雑音成分である前記平均的な周波数特性であるスペクトル特性を除去するための雑音除去部と、前記雑音除去部で前記平均的な周波数特性であるスペクトル特性が除去された音響コードを復号化するための復号化処理部とが設けられていることを特徴とする音響コードの符号化・復号化装置。
文字列から符号帳を参照して音響コードを生成し、当該音響コードを音響空間に放出する送信手段と、放出された前記音響コードを集音し、前記送信側の符号帳と同様の符号帳を参照して集音した前記音響コードから前記文字列を復号化する受信手段とを備えている装置の音響コードの符号化・復号化方法であって、
前記送信手段の符号化処理は、前記音響コードの生成に際して、前記環境雑音の周波数特性に応じた符号構成を行うために、前記環境雑音の前記周波数特性を分析して当該環境雑音のスペクトル特性を平均的な周波数特性として求めるステップと、前記文字列を１文字毎に符号化するにあたり、前記音響コードに相当する信号の周波数強度を前記環境雑音の前記平均的な周波数特性であるスペクトル特性より一定の大きさになるように調整するステップとを含み、
前記受信手段の復号化処理は、前記音響コードの復号化に際して、前記環境雑音を除去するために、当該環境雑音の雑音成分である前記平均的な周波数特性であるスペクトル特性を除去するステップと、前記平均的な周波数特性であるスペクトル特性が除去された音響コードを復号化するステップとを含むことを特徴とする音響コードの符号化・復号化方法。