JPWO2011118017A1 - 発信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】音波として情報が伝達される環境において、情報を伝達するための音波を人の耳に知覚させ難くすることの可能な発信装置を提供する。【解決手段】発信装置１０は、符号化された各種情報を可聴音帯域の音波に変換して発信する装置であって、音波が発信される場所の環境音を環境音信号として入力するマイクロフォン１６と、環境音信号から、環境音を主として構成するピーク周波数を検出するピーク周波数検出部１０７と、ピーク周波数に基づいて、環境音に対してマスキング効果の得られる複数の周波数の搬送波を生成する搬送波生成部１０８と、複数の搬送波をベースバンド信号で変調する変調部１１５と、を備える。

Description

本発明は、端末に対して音波により各種情報を提供するための情報提供システムに関し、特に、このような情報提供システムの発信装置に関する。

端末に対して各種情報を提供するシステムが従来から提供されている。例えば、ラジオやテレビ放送にて、放送信号に文字コードや図形情報、番組に関する情報等を重畳（多重）し、テレビ受信機やラジオ受信機に通常の番組内容に付加して各種情報を提供する文字多重放送が行われている。

ところが、文字多重放送のシステムでは、テレビやラジオの電波にデジタル情報を重畳して乗せる必要があるため、大掛かりな放送局の設備が必須となり、コストがかかり、端末に対して手軽に情報を提供することができない。また、携帯電話のカメラを用いてＱＲコードを撮影する方法は、カメラを搭載していない端末では使用することができないと共に、初心者や機械に不慣れな人にとっては、非常に困難な作業である。

このような問題点に鑑み、新規の情報提供方法として、空気を媒体とした音波として、各種情報を端末に提供するものが開発されており、例えば、下記特許文献１乃至４に開示されている。このように、音波として情報を伝達する方法であれば、既存のスピーカーと、端末に搭載されているマイクロフォンを使うことで、低コストで手軽に情報を伝達することが可能である。

特許文献１に開示されているのは、伝達対象情報を音声に変換する情報符号化装置を用いることにより、既存の音声を扱う音響機器の入出力インターフェースを介して、伝達対象情報を音声として伝達し、情報復号装置により受信した音声に基づいて伝達対象情報を再生する情報伝達システムである。また、特許文献１では、符号化された情報を含む音が、人間に積極的に聴かせられるような快適な音楽となることを目的とした符号化方式が採用されている。

また、特許文献２及び３に開示された情報提供システムは、本発明者らが開発したものであり、タイミングを同期するためのプリアンブルを含むミリ秒単位のデータフレームとして各種情報を符号化したうえで、音波として情報を提供するものである。

また、特許文献４に開示された情報提供システムも本発明者らが開発したものであり、各種情報を音圧振動の情報として発信する際に、その発信周波数を平均率音階の各音の隙間の周波数としたものである。

特開２００３−１８６５００号公報 特許第３８２２２２４号公報 特許第３８３４５７９号公報 特許第４２９５７８１号公報

ここで、上記特許文献２乃至４に開示されているような、音波として情報を伝達するシステムの使用に際しては、情報を伝達する音波が可聴音であるため、環境によっては人の耳に煩わしく不快に聞こえてしまう場合もある。これでは、店舗において情報を伝達するための音波を発信した場合に、不快に思ったお客さんが退店してしまうおそれもある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされた発明であり、音波として情報が伝達される環境において、情報を伝達するための音波を人の耳に知覚させ難くすることの可能な発信装置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、本発明に係る発信装置は、符号化された各種情報を可聴音帯域の音波に変換して発信する発信装置において、前記音波が発信される場所の環境音を環境音信号として入力するマイクロフォンと、前記環境音信号から、前記環境音を主として構成するピーク周波数を検出するピーク周波数検出部と、前記ピーク周波数に基づいて、前記環境音に対してマスキング効果の得られる複数の周波数の搬送波を生成する搬送波生成部と、前記複数の搬送波をベースバンド信号で変調する変調部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る発信プログラムは、コンピュータに、符号化された各種情報を可聴音帯域の音波に変換してスピーカーから発信させるための発信プログラムにおいて、マイクロフォンを介して入力される前記音波が発信される場所の環境音の信号から、前記環境音を主として構成するピーク周波数を検出するピーク周波数検出ステップと、前記ピーク周波数に基づいて、前記環境音に対してマスキング効果の得られる複数の周波数の搬送波を生成する搬送波生成ステップと、前記複数の搬送波をベースバンド信号で変調する変調ステップと、を前記コンピュータに実行させることを特徴とする。

本発明によれば、情報を伝達するための音波を人間の耳に知覚されにくい音として発信することが可能な発信装置を提供することができる。

図１は、本実施形態に係る情報提供システムの構成を概略的に示す模式図である。 図２は、本実施形態に係る発信装置において、サウンドコードを生成する機能を実現するための概念的な回路を示すブロックダイアグラムである。 図３は、本実施形態に係る環境音によるサウンドコードへのマスキング効果を説明するための図である。 図４は、本実施形態に係る携帯電話において、サウンドコードを受信する機能を実現するための概念的な回路を示すブロックダイアグラムである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。本実施形態に係る情報提供システムは、空気を媒体とした音波としてメッセージやＵＲＬ等の各種情報を発信装置から受信装置へと送信するものであり、発信装置は、スピーカーから音波を発信し、受信装置は、マイクロフォンにてこの音波を受信してデコードすることにより、発信された情報を認識する。

本実施形態では、発信装置及び受信装置が設置された場所、すなわち、音波である音圧振動情報（以下、「サウンドコード」とする）が発信される場所に存在している環境音を考慮した搬送波を用いて、サウンドコードを送信することを特徴としている。ここで、環境音とは、車や電車の音、風の音等の周囲の雑音や人の声、音楽等のシステムが設置されている場所の周囲の音である。

図１は、本実施形態に係る情報提供システム１の構成を概略的に示す図である。同図に示すように、情報提供システム１は、各種情報をサウンドコードとして発信する発信装置１０と、サウンドコードを受信する受信装置としての携帯電話２０とを備えている。

発信装置１０は、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）本体１１、表示手段であるディスプレイ１２、マウス及びキーボードからなる入力デバイス１３、音であるサウンドコードを発信するためのスピーカー１５、環境音を入力するためのマイクロフォン１６を備えている。ＰＣ本体１１は、各種演算を行うプロセッサー等の演算装置、プログラム等の各種情報を記憶しておくＨＤＤ（Hard Disc Drive）や演算処理のワークエリアとして使用されるＲＡＭ（Random
Access Memory）等からなる記憶装置を内蔵している。

携帯電話２０は、スピーカー１５から発信されたサウンドコードを拾うためのマイクロフォン２１、各種情報を表示するディスプレイ２２を備える。また、携帯電話２０は、各種演算を行うプロセッサー等の演算装置、プログラム等の各種情報を記憶したり、演算処理のワークエリアとして使用されたりするメモリを内蔵している。

上述した情報提供システム１の発信装置１０は、百貨店、スーパー、商店街、映画館、遊園地等の商業施設、娯楽施設等に設置される。また、本実施形態では、受信装置である携帯電話２０は、このような施設を訪れたユーザが所有する端末を想定しており、ユーザは、音波であるサウンドコードを端末で受信して、各種情報を得ることができる。

各種情報としては、例えば、商品、イベント、施設案内等に関するメッセージや、関連するインターネットホームページのＵＲＬ等の文字情報が、端末に提供される。当該施設を訪れているお客さんは、サウンドコードを介してＵＲＬを端末に取得すれば、入力キーを使って文字入力することなく、端末を使ってインターネットにアクセスし、さらなる情報を入手したり、詳細な商品説明を読んだりすることができる。

もちろん、発信装置１０を設置する場所は、情報提供者の自由であり、適宜、他の場所に設置しても良い。提供される情報の内容も、文字情報に限らず、イメージ情報等を提供しても良い。

次に、発信装置１０において、携帯電話２０に向けて発信するサウンドコードを生成する処理について詳細に説明する。図２は、本実施形態に係る発信装置において、サウンドコードを生成する機能を実現するための概念的な回路を示すブロックダイアグラムである。本実施形態では、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division
Multiplexing）方式により変調波を生成している。

なお、図２に示す各部の機能は、発信装置１０の演算手段が、記憶装置に格納されているプログラムを実行することにより、ソフトウェア的に実現されるが、このような処理を行うための専用回路を設け、ハードウェア的に実現しても良い。

同図に示すように、発信装置１０は、Ａ／Ｄ変換部１０３、ＦＦＴ（Fast
Fourier Transform）部１０４、ピーク周波数検出部１０７、搬送波生成部１０８、変調部１１５、Ｄ／Ａ変換部１２０を備えている。

Ａ／Ｄ変換部１０３は、発信装置１０のマイクロフォン１６から入力された環境音１０１のアナログ電気信号をデジタル信号に変換する。この環境音１０１は、発信装置１０が設置されている環境に存在している音であり、例えば、電車や車の音、風の音等の雑音が環境音に該当する。

ＦＦＴ部１０４は、高速フーリエ変換により時間軸上の信号を周波数軸上の信号に変換する。ピーク周波数検出部１０７は、この環境音信号の周波数軸上の成分から最も音圧レベルが大きな周波数を検出し、環境音を主として構成するピーク周波数ｆpを決定する。

ピーク周波数検出部１０７によるピーク周波数ｆpの検出は、サウンドコード１５０の発信に先立って行われ、本実施形態では、10ms単位で繰り返し10回環境音の取り込みを行って、これらを積算した音圧レベルからピーク周波数ｆpを検出する。搬送波生成部１０８は、ピーク周波数ｆpに基づいて、ＰＬＬ（Phase locked Loop）回路により複数の搬送波を生成する。

変調部１１５は、ＯＦＤＭ方式による変調を行うものであり、搬送波生成部１０８において生成された複数の搬送波を、パラレル変換されたベースバンド信号で変調し、サウンドコード１５０の原信号を生成する。具体的には、変調部１１５は、パラレルビットストリームの各パラレル伝送ビットに基づいて、各搬送波をＱＰＳＫ（Quadrature phase shift keying）により変調してから高速逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ）を行うことで、変調信号を生成する。なお、データフレーム構造については、10〜100ms程度のパケットを4つ並べて1フレームとし、1フレームで1,024bitのデータ量としている。

Ｄ／Ａ変換部１２０は、変調部１１５による変調信号をアナログ信号に変換して、スピーカー１５に送信する。このアナログ信号は、スピーカー１５から音波であるサウンドコード１５０として発信される。

このような構成において、サウンドコード１５０を発信する際には、まず、マイクロフォン１６から入力された環境音１０１が、Ａ／Ｄ変換部１０３によってデジタル変換される。この環境音１０１のデジタル信号は、ＦＦＴ部１０４において、高速フーリエ変換され、時間軸上の信号が周波数軸上の信号に変換される。

ピーク周波数検出部１０７は、この環境音信号の周波数軸上の成分から最も音圧レベルが大きな周波数を検出し、環境音を主として構成するピーク周波数ｆpとする。続いて、搬送波生成部１０８は、ピーク周波数ｆpの1/n（nは自然数）の周波数のうち、100Hz近傍の周波数を基本周波数として、この基本周波数の自然数倍（1〜64倍）の64個のサブキャリア（搬送波）を生成する。

例えば、ピーク周波数ｆpが1kHzであった場合を例に挙げて説明すると、まず、1,000Hzの1/nの周波数のうち最も100Hzに近いのは、1,000Hzの10分の1の100Hzである。したがって、搬送波生成部１０８は、基本周波数を100Hzと決定し、その4倍〜67倍の周波数、すなわち、周波数400Hz、500Hz、600Hz、700Hz、…、6,600Hz、6,700Hzの搬送波を生成する。

続いて、変調部１１５は、この複数の搬送波をパラレル変換されたベースバンド信号で変調し、変調信号を生成する。この変調信号が、Ｄ／Ａ変換部１２０においてアナログ信号に変換され、スピーカー１５からサウンドコード１５０として発信される。通信方式としては、例えば、ＣＤＭＡ（Collision Detection Multiple Access）を使用すれば良い。

以上、サウンドコード１５０を発信する発信装置１０について詳細に説明したが、サウンドコード１５０の複数の搬送波は、基本周波数の自然数倍の周波数であるため、互いに直交関係にある。よって、受信装置側で各搬送波に分解することができる。また、複数の搬送波の周波数間隔が100Hzであり、可聴音帯域において十分な数の搬送波を用いることができる。

また、本実施形態では、環境音のピーク周波数ｆpを検出し、このピーク周波数ｆpに基づいて複数の搬送波を生成しており、このような搬送波で構成されるサウンドコード１５０は、環境音に重ねられることになり、環境音によるマスキング効果により、人間の耳に知覚し難い音となる。

また、環境音が楽器の演奏等の音楽である場合、サウンドコードが重畳されても環境音は音色が変わるだけであり、音楽を聴いている者に対して、サウンドコードが流れることによる違和感をほとんど与えることがない。

また、上記複数の搬送波は、100Hz間隔で可聴音帯域の広い範囲（400〜6,700Hz）にわたって存在しており、サウンドコード１５０は、ホワイトノイズのような周波数成分となる。よって、サウンドコード１５０の音は、環境音になじみやすい、人間の耳に知覚しにくい音となる。

ここで、環境音によるサウンドコード１５０へのマスキング効果について、さらに詳細に説明する。図３は、本実施形態に係る環境音によるサウンドコードへのマスキング効果を説明するための図である。同図の横軸は周波数［kHz］、縦軸はマスキング量［dB］を示している。図中の実線は、周波数400Hz、音圧レベル80dB SPLの純音によるマスキング量を示しており、マスキング音である純音（第１音）によりマスクされて聞こえ難くなった音（第２音）の最小可聴限をマスキング音がないときの感覚レベルで表している。

したがって、図３で示された実線の下側の範囲では、第２音がマスクされて第１音（純音）だけが聞こえることになる。一方、図中の一点鎖線は、マスキング音が410Hzを中心周波数として90Hzの帯域幅をもつ80dBの狭帯域ノイズ（雑音）である場合のマスキング量を示している。

ここで、サウンドコードの発信装置１０が設置される屋外等の通常の環境では、ある程度の帯域幅を持った音が発生していると考えられる。そこで、第１音が狭帯域ノイズである場合の一点鎖線で示されるマスキング量を見ると、ノイズの中心周波数から低い音及び高い音の双方の広い範囲において、マスキング効果が得られている。したがって、本実施形態のように、可聴音域の広い範囲にわたって存在する複数の搬送波であっても十分にマスキング効果を得ることができる。

また、第１音が純音である場合の実線で示されるマスキング量を見ると、第１音（純音）の自然数倍の周波数近辺（倍音）でマスキング効果が大きくなっている。したがって、本実施形態のように、環境音のピーク周波数の1/nを基本周波数とし、その1〜64倍の周波数の搬送波を使用すれば、マスキング効果の大きな倍音（ピーク周波数の自然数倍の周波数の音）の部分を搬送波として使用することになり、より大きなマスキング効果を得ることができる。

なお、上述した発信装置の構成は、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、ピーク周波数をn分の１として求める基本周波数は、100Hz近傍に限られるものではなく、マルチキャリアが可能な搬送波同士の間隔を維持すると共に、可聴音帯域においてある程度の広帯域にわたって必要な数の搬送波を確保できる周波数であれば良い。このような条件を満たすためには、基本周波数は、30〜260Hzの範囲内であることが望ましい。

また、本実施形態では、ＰＬＬ回路を用いて搬送波を生成しているが、ＰＬＬ回路以外の回路により生成するようにしても良い。また、搬送波の数も送信するデータ量に応じて適宜変更可能であり、パイロット信号等を入れる場合には、それらのために搬送波の数をさらに増やしても良い。但し、搬送波の周波数は、スピーカー１５やマイク２２の周波数特性を考慮し、400Hz〜12kHzの範囲内にすることが望ましい。

また、ピーク周波数ｆpは、必ずしも最大音圧の周波数としなくても良く、環境音を構成する周波数成分のうち、ある程度の大きさを有し、他の周波数成分と共に主として環境音を構成する周波数であれば良い。環境音を主として構成する周波数成分に基づいて基本周波数を決定すれば、十分にマスキング効果が得られるからである。また、ピーク周波数検出部１０７によるピーク周波数ｆpの検出タイミングや回数等も適宜変更可能である。

また、ピーク周波数検出部１０７による環境音のピーク周波数ｆpの検出が困難な場合には、予め設定してある周波数をピーク周波数として定めても良い。設定周波数としては、例えば、880Hz（ラの音）、1,047Hz（ファの音）を用いれば良い。

また、変調部１１５における変調方式は、ＱＰＳＫに限らず、ＢＰＳＫ，８ＰＳＫ、ＯＱＰＳＫ（Offset QPSK）、１６ＱＡＭ，６４ＱＡＭ等、他の変調方式を用いることができる。但し、複数の搬送波の直交性を維持して誤り率を抑えるためには、位相変位変調（ＰＳＫ）を用いることが望ましい。

また、本実施形態では、ＰＣ本体１１とスピーカー１５とが同じ場所に設置されている場合について説明したが、スピーカー１５がＰＣ本体１１から離れた場所に設置されていても良い。この場合、サウンドコード１５０が発信される場所の環境音を測定するため、マイクロフォン１６もスピーカー１５と同じ場所に設置する必要がある。

また、上記図２に示した処理だけでなく、必要に応じて、さらに他の処理を行っても良い。例えば、パラレル伝送ビットを各搬送波に割り当てる際には、必要に応じてスクランブル処理等を行っても良い。

次に、携帯電話において、サウンドコードを受信する処理について詳細に説明する。図４は、本実施形態に係る携帯電話において、サウンドコードを受信する機能を実現するための概念的な回路を示すブロックダイアグラムである。なお、図４に示す各部の機能は、携帯電話２０の演算手段が、記憶装置に格納されているプログラムを実行することにより、ソフトウェア的に実現されているが、このような処理を行うための専用回路を設け、ハードウェア的に実現しても良い。

同図に示すように、携帯電話２０は、Ａ／Ｄ変換部２０３、ＦＦＴ部２０４、環境音蓄積部２１０、環境音減算部２１３、復調部２１５を備えている。環境音蓄積部２１０は、サウンドコードが存在しない状態の環境音信号を所定の時間蓄積する。

環境音減算部２１３は、サウンドコードが重畳された環境音から、環境音蓄積部２１０において蓄積された環境音信号を減算してサウンドコード成分を抽出する。すなわち、環境音蓄積部２１０及び環境音減算部２１３は適応型ノイズリダクション処理を行う。復調部２１５は、フーリエ変換されて分解された各搬送波の復調を行う。本実施形態では、サウンドコードがＱＰＳＫ変調されており、復調部２１５は、ＱＰＳＫ方式により復調する。

このような構成において、携帯電話２０のマイクロフォン２１によって拾われた音は、Ａ／Ｄ変換部２０３へと送られる。Ａ／Ｄ変換部２０３は、入力されたアナログ信号をサンプリングしてデジタル信号に変換し、デジタル信号がＦＦＴ部２０４へと送信される。ＦＦＴ部２０４は、高速フーリエ変換を行い、デジタル信号を周波数軸上の成分に変換する。

ここで、環境音蓄積部２１０は、サウンドコードの受信に先立って、所定の時間、ＦＦＴ部２０３の出力である環境音信号を蓄積する。その後、サウンドコード１５０が重畳された環境音が入力されると、ＦＦＴ部２０４で周波数軸上の信号に変換される。続いて、環境音減算部２１３は、周波数軸上の受信信号から環境音蓄積部２１０において蓄積された環境音信号を減算して、サウンドコード成分、すなわち、発信装置１０から発信された信号成分が抽出される。

サウンドコード成分は、復調部２１５に入力される。復調部２１５は、周波数軸上の各搬送波をＱＰＳＫ方式により復調し、送信時と同じ順番でシリアル信号に変換する。これにより、ベースバンド信号、すなわち各種情報を取り出すことができる。

以上、本実施形態に係る情報提供システムについて説明したが、本情報提供システムによれば、サウンドコードの発信周波数として、環境音のピーク周波数に基づいて環境音に対してマスキング効果の得られる周波数を選択しており、サウンドコードが人間の耳に煩わしく聞こえてしまうことを回避できる。

なお、本発明の実施形態は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形が可能である。例えば、受信側の端末は携帯電話に限定されるものではなく、マイクロフォンを備えた端末であれば、どのような端末であっても良い。例えば、ＰＤＡ、ＩＣレコーダー、携帯ラジオ、携帯テレビ、ノートパソコン、ラジカセ、ゲーム機等であっても良い。また、本発明を適用するための専用端末を提供しても良い。

１ 情報提供システム
１０ 発信装置
１１ ＰＣ本体
１２ ディスプレイ
１３ 入力デバイス
１５ スピーカー
１６ マイクロフォン
２０ 携帯電話
２１ マイクロフォン
２２ ディスプレイ
１０３ Ａ／Ｄ変換部
１０４ ＦＦＴ部
１０７ ピーク周波数検出部
１０８ 搬送波生成部
１１５ 変調部
１２０ Ｄ／Ａ変換部
２０３ Ａ／Ｄ変換部
２０４ ＦＦＴ部
２１０ 環境音蓄積部
２１３ 環境音減算部
２１５ 復調部

Claims (5)

1. 符号化された各種情報を可聴音帯域の音波に変換して発信する発信装置において、
   前記音波が発信される場所の環境音を環境音信号として入力するマイクロフォンと、
   前記環境音信号から、前記環境音を主として構成するピーク周波数を検出するピーク周波数検出部と、
   前記ピーク周波数に基づいて、前記環境音に対してマスキング効果の得られる複数の周波数の搬送波を生成する搬送波生成部と、
   前記複数の搬送波をベースバンド信号で変調する変調部と、
   を備えることを特徴とする発信装置。
2. 前記搬送波生成部は、前記ピーク周波数の1/n（nは自然数）を基本周波数として、この基本周波数の自然数倍の周波数の搬送波を生成し、
   前記変調部は、ＯＦＤＭ方式により変調することを特徴とする請求項１記載の発信装置。
3. 前記基本周波数は、前記ピーク周波数の1/n（nは自然数）の周波数のうち、30〜260Hzの周波数であることを特徴とする請求項１又は２記載の発信装置。
4. 前記複数の搬送波は、前記ピーク周波数の自然数倍の周波数を含んでいることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載の発信装置。
5. コンピュータに、符号化された各種情報を可聴音帯域の音波に変換してスピーカーから発信させるための発信プログラムにおいて、
   マイクロフォンを介して入力される前記音波が発信される場所の環境音の信号から、前記環境音を主として構成するピーク周波数を検出するピーク周波数検出ステップと、
   前記ピーク周波数に基づいて、前記環境音に対してマスキング効果の得られる複数の周波数の搬送波を生成する搬送波生成ステップと、
   前記複数の搬送波をベースバンド信号で変調する変調ステップと、
   を前記コンピュータに実行させることを特徴とする発信プログラム。

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