JPWO2011118018A1 - 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、環境音に対してマスキング効果の得られるピーク周波数の自然数倍であ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、前記ピーク周波数の自然数倍であ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して合成する変調部と、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、前記ピーク周波数の自然数倍であ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して合成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、本実施形態に係るベースバンド信号のデータ構造を示す図である。 図４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５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、音楽等のサウンドコードが発信され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。後述するように、本実施形態では、環境音のピーク周波数の自然数倍の周波数を有する複数の搬送波を用いて変調を行っている。

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１０１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１０１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、ＰＬＬ（Phase locked Loop）回路により、ピーク周波数ｆpのm倍（mは自然数）の周波数を有する搬送波を生成する。本実施形態では、1倍、2倍、3倍、4倍の周波数を持つ四つの搬送波を生成する。

変調部１１５は、上記四つの搬送波をそれぞれベースバンド信号１１０で変調するものであり、四つの変調波を合成するための加算器１１８を有している。変調部１１５は、四つの搬送波を全て同じベースバンド信号１１０で変調している。すなわち、発信装置１０は、同じ情報を四つの搬送波で並行して送ることになり、受信装置側での受信精度を大きく向上させることができる。

変調部１１５は、各搬送波をＰＳＫ（Phase shift keying）により変調してから、加算器１１８において、これら四つの変調波を合成し、Ｄ／Ａ変換部１２０へと送信する。また、変調部１１５は、フィルタカットにより上側の側波帯（ＵＳＢ：Upper Sideband）だけを用いるＳＳＢ（Single Sideband）である。

ここで、ベースバンド信号１１０のデータフレーム構造について図３を参照して説明する。図３は、ベースバンド信号のデータ構造を示す図である。同図に示すデータフレームは、タイミングを同期するためのプリアンブル（preamble）の後に、ファイルの先頭を識別するためのＳＯＦ（Start Of
File）、データのタイプ（type）、データの長さを表す（length）が順に設けられている。その後に、data1、data2、…、data7、ＣＲＣ（Cyclic Redundancy Code）から構成されるデータ列が16列設けられており、この一つのフレームで112バイトのデータを扱うことができる。

typeは、情報提供者の識別や、受信者を特定の相手に限定する場合等に用いることができる。また、lengthは、サウンドコードの長さを表し、同図に示すフレームを最大16フレーム、すなわち2048バイトのデータまで扱うことができるように構成されている。

ＣＲＣは、エラー訂正のために付加されている。ＣＲＣとは、データの誤り検出及び誤り訂正のための多項巡回符号を意味し、発信データに前もって誤り信号コード（ＣＲＣ）を付加し、受信時に誤り補正が行われる。ここでは、フレーム毎の処理ではなく、7バイト毎にＣＲＣを付加して誤り訂正を行うようにしており、列単位でデータ量を適宜可変にすることも可能である。

Ｄ／Ａ変換部１２０は、変調部１１５から受信した合成された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1〜4倍の周波数を有する四つのサブキャリア（搬送波）を生成する。例えば、ピーク周波数ｆpが1kHzであるとすると、搬送波生成部１０８は、周波数1kHz、2kHz、3kHz、4kHz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同一のベースバンド信号１１０で変調してから合成する。この合成された変調信号が、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の四つの搬送波を同一のベースバンド信号で変調しているため、同じ情報が四つの搬送波で並行して送られることになり、受信精度を大きく向上させることができる。

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。

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４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1〜4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、搬送波生成部１０８が生成する搬送波の数は四つに限られるものではなく、適宜変更可能である。

但し、搬送波の数は三つ以上であることが望ましい。なぜなら、本実施形態では、合成される複数の搬送波を同じベースバンド信号１１０で変調しており、三つ以上の異なる周波数の搬送波を用いれば、受信装置が、二つ以上の搬送波で一致したベースバンド信号を復調した場合のみ正しい信号として扱うことで、確実に正確な情報を受信することができるからである。

また、搬送波生成部１０８が生成する搬送波の周波数は、12kHz以下となるように設定するのが望ましい。12kHz以下の音波であれば、ほとんどのスピーカーやマイクロフォンで発信や受信が可能だからである。また、同じように、スピーカーやマイクロフォンの周波数特性を考慮して、搬送波の周波数は、800Hz以上であることが望ましい。

また、本実施形態では、搬送波の周波数をピーク周波数ｆpの1〜4倍としたが、5倍や10倍等の周波数であっても良いのは言うまでもない。すなわち、搬送波の周波数としては、ピーク周波数の自然数倍の周波数であって、上記800Hz〜12kHzの範囲内の周波数であれば、適宜、所望の周波数を選択することができる。

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、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音の倍音を搬送波として用いれば、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、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。

次に、携帯電話２０において、サウンドコード１５０を受信する処理について詳細に説明する。図５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５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、フーリエ変換された各搬送波の復調を行うものであり、最尤法（ＭＬＭ：Maximum-likelihood method）により複数の復調信号からベースバンド信号を決定する最尤法演算部２１８を有している。

復調部２１５は、周波数軸上のサウンドコード成分を各搬送波に分解してから、それぞれを高速逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ）して時間軸に戻し、ＰＳＫ方式により復調する。最尤法演算部２１８は、復調された各搬送波の復調信号から最尤法によりベースバンド信号を決定する。本実施形態では、二つ以上の搬送波で一致したベースバンド信号を復調した場合のみ正しい信号として扱うように設定されている。

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ＰＳＫ方式により復調し、最尤法演算部２１８においてベースバンド信号を決定することで、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
１１８ 加算器
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
２１８ 最尤法演算部

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、
   前記ピーク周波数の自然数倍であ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して合成する変調部と、
   を備えることを特徴とする発信装置。
2. 前記搬送波生成部が生成する搬送波の周波数は、800Hz〜12kHzであることを特徴とする請求項１記載の発信装置。
3. 前記変調部は、前記複数の搬送波を同一のベースバンド信号で変調することを特徴とする請求項１又は２記載の発信装置。
4. 前記搬送波生成部は、三つ以上の搬送波を生成することを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の発信装置。
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、
   前記ピーク周波数の自然数倍であ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して合成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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