(57)【要約】      （修正有）【課題】音響信号を対象とした電子透かしを埋め込む前の原信号を必ずしも必要とせず、音質劣化が知覚されにくく、残響あるいは雑音の付加あるいは非可逆音響情報圧縮を経ても透かし情報の検出率が高く、第三者に透かしの存在を検知されにくい安全性の高い電子透かし情報を埋め込むこと。【解決手段】帯域通過信号に振幅変調を与えその連続的な変化の中に電子透かし情報を埋め込む手段と、知覚されにくい振幅変調強度を決定するための手段と、付与する振幅変調の帯域間位相差に電子透かし抽出時の鍵となる位相差を与える手段とを具備し、受信信号を帯域分割しその振幅包絡から振幅変動信号を抽出する手段と、帯域毎に抽出された振幅変動信号の位相差を電子透かし埋め込み時に与えられた鍵となる帯域間位相差によって補正した上で同期加算し、振幅変動のみを強調する手段と、振幅変動信号の時間的および強度的特徴より電子透かし情報を取り出す手段を具備。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響信号に電子透かし情報を埋め込む電子透かし埋込装置と、この電子透かし埋込装置により埋め込まれた音響信号から電子透かし情報を検出する電子透かし検出装置とを備える電子透かしシステムにおいて、前記電子透かし埋込装置は、前記音響信号を帯域通過フィルタ群によって帯域分割したときの帯域通過信号に振幅変調を与えその連続的な変化の中に前記電子透かし情報を埋め込む手段と、あらかじめ前記帯域通過信号の強度と前記帯域通過信号に含まれている振幅変動量を元に知覚されにくい振幅変調強度を決定するための手段と、付与する振幅変調の帯域間位相差に電子透かし抽出時の鍵となる位相差を与える手段と、電子透かしの埋め込まれた帯域通過信号およびそうでない帯域通過信号の全てを加算することによって電子透かし情報の埋め込まれた音響信号を出力する手段を具備し、前記電子透かし検出装置は、電子透かし情報が埋め込まれた音響信号を帯域分割しその振幅包絡を求めることによって振幅変動信号を抽出する手段と、帯域毎に抽出された前記振幅変動信号の位相差を電子透かし埋め込み時に与えられた鍵となる帯域間位相差によって補正した上で同期加算することによりキャリアとなる振幅変動のみを強調する手段と、帯域間振幅変動信号の時間的特徴より電子透かし情報を取り出す手段を具備することを特徴とする電子透かしシステム。
【請求項２】
音響信号に電子透かし情報を埋め込む前記電子透かし埋込装置において、前記音響信号を帯域通過フィルタ群によって帯域分割したときの対となる隣接する帯域通過信号にそれぞれ逆位相の振幅変調を与えて、その連続的な変化の中および他の離れた帯域に与える振幅変調との位相差および変調強度差の中、および時間的に離れた区間に与える振幅変調の位相差および変調強度差の中に前記電子透かし情報を埋め込む手段と、あらかじめ前記帯域通過信号に含まれている振幅変動量と前記帯域通過信号の強度とを元に知覚されにくい振幅変調強度を決定するための手段と、付与する振幅変調の帯域間位相差に電子透かし抽出時の鍵となる位相差を与える手段と、電子透かしの埋め込まれた帯域通過信号およびそうでない帯域通過信号の全てを加算することによって電子透かし情報の埋め込まれた音響信号を出力する手段とを具備することを特徴とする電子透かし埋込装置。
【請求項３】
前記電子透かし埋込装置において、振幅変調周期に比例した時間区間毎に、電子透かし情報を埋め込む前記帯域通過信号があらかじめ含んでいる変動周波数帯域ごとの振幅変動パワーを求めてそれらの重みづけ加重和によって、付与する振幅変調の基準となる変調強度を求めるための手段と、付与する振幅変調によって生じる側帯波のパワーが最小可聴値を下回る場合に側帯波のパワーが最小可聴値と等しくなるように付与する振幅変調強度を決定する手段とを具備することにより、帯域通過信号に人間の聴覚において検知されにくい変調強度の振幅変調を付与することを特徴とする電子透かし埋込装置。
【請求項４】
前記電子透かし埋込装置において、前記帯域通過信号に付与する振幅変調信号の位相を帯域毎に疑似乱数系列によって決定し、この疑似乱数系列を電子透かし情報検出のための鍵とする手段を備えることを特徴とする電子透かし埋込装置。
【請求項５】
前記電子透かし埋込装置において、前記帯域通過信号に付与する振幅変調信号の位相および変調強度を複数帯域毎に異ならしめることによってそれらの帯域間の振幅変調の位相差および強度差に電子透かし情報を埋め込む手段を備えることを特徴とする電子透かし埋込装置。
【請求項６】
前記電子透かし埋込装置において、前記帯域通過信号に付与する振幅変調信号の位相をあらかじめ定める一定の時間区間である透かし埋め込み周期毎に反転させることによって、電子透かし情報埋め込み区間を時間分割する手段を備えることを特徴とする電子透かし埋込装置。
【請求項７】
前記電子透かし埋込装置において、前記帯域通過信号に付与する振幅変調信号の位相および変調強度を前記透かし埋め込み周期毎に異ならしめることによって、その位相差および強度差に電子透かし情報を埋め込む手段を備えることを特徴とする電子透かし埋込装置。
【請求項８】
電子透かし情報を音響信号から検出する前記電子透かし検出装置において、電子透かし情報が埋め込まれた音響信号を帯域分割し対となる隣接する帯域間の振幅包絡の比の対数を求めることによって振幅変動信号を抽出する手段と、帯域毎に抽出された振幅変動信号の位相差を電子透かし埋め込み時に与えられた鍵となる帯域間位相差によって補正した上で同期加算することによりキャリアとなる振幅変動のみを強調して抽出する手段と、抽出した振幅変動信号の帯域間および透かし埋め込み周期間での時間的特徴および強度的特徴より電子透かし情報を取り出す手段とを具備することを特徴とする電子透かし検出装置。
【請求項９】
前記電子透かし検出装置において、電子透かし情報を埋め込む前の音響信号を帯域分割して得られる帯域通過信号の振幅包絡と電子透かし情報を埋め込んだ音響信号を同様に帯域分割して得られる対応した帯域通過信号の振幅包絡の比の対数を求めることよって得られる振幅変動信号の時間的特徴および強度的特徴より電子透かし情報を取り出す手段を具備することを特徴とする電子透かし検出装置。
【請求項１０】
前記電子透かし検出装置において、前記帯域通過信号より抽出された振幅変動信号の位相を電子透かし埋め込み時に与えられた鍵となる帯域間位相差によって補正した上で同期加算することによりキャリアとなる振幅変動のみを強調する手段と、補正後の複数の帯域の振幅変動信号間の位相差および強度差を透かし情報として検出する手段とを備えることを特徴とする電子透かし検出装置。
【請求項１１】
前記電子透かし検出装置において、前記帯域通過信号より抽出された振幅変動波形について、電子透かし情報埋め込み時に決定した透かし埋め込み周期毎に加算と減算を交互に行い累積される信号における電子透かし埋め込み変調周波数での変動強度を、前記帯域通過信号の先頭時刻をゼロから前記透かし埋め込み周期時間までずらしながら求め、その変動強度の最大値が得られる時刻をもって電子透かし埋め込み時に決定した透かし埋め込み周期の開始時刻とし、電子透かし埋め込み周期の同期をとる手段を備えることを特徴とする電子透かし検出装置。
【請求項１２】
前記電子透かし検出装置において、前記帯域通過信号より抽出された振幅変動波形について、複数の透かし埋め込み周期における振幅変動信号の位相差および強度差を求めることによって透かし情報を抽出する手段を備えることを特徴とする電子透かし検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振幅変調を用いた電子透かしに関し、特に帯域通過信号に与える振幅変調をキャリアとする音響信号用電子透かしに関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な音響信号がディジタル化され、あらゆるメディアを用いて記録、保存、伝送、再生される時代が到来している。ディジタル情報は、品質を劣化させず容易かつ無限に複製、伝送が可能である。このため、ディジタル情報の著作者の意図に反した複製物がネットワークやメディアを通じて流通し、著作権者の利益が損ねられる問題が生じている。
【０００３】
ディジタル音楽コンテンツの利用に際して、利用者側の再生機器あるいはソフトウェア固有の秘密鍵を利用した暗号化を基本とするディジタル著作権管理技術が実用化されている。暗号化されたディジタル音楽データの利用は、対応する再生可能な機器やソフトウェアおよび複製回数を制限するという点では有効である。しかし、再生して得られるアナログ信号を再度ディジタル変換した後のデータに関しては、こういったディジタル著作権管理技術は全く無効である。
【０００４】
このような問題を解決する技術として、電子透かし技術がある。これは、使用者には知覚されないようにコンテンツ自身の中に付加的な情報を埋め込むものである。したがって、ディジタル信号をアナログ化し、再度ディジタル化した後の信号からも、埋め込んだ透かし情報を検出することによって、有効な著作権管理を行うことを可能にする。また、アナログ化とディジタル化の間に生じるノイズや帯域制限などによる劣化、不可逆情報圧縮によるディジタル信号の劣化を経てなお、埋め込んだ透かし情報を有効に検出できる必要性もある。
【０００５】
メディアに記録される音楽コンテンツのみならず、放送音声コンテンツ、無線および有線通信における音声信号、拡声音声信号についても、電子透かし情報を埋め込む利点が存在する。それらのメディアにおいては、音楽コンテンツと同様に著作権管理を行うことだけではなく、音響信号による情報漏洩の発見および防止、あるいは音響信号通信における受信側での発信元の特定および認証など、音響信号通信全般の安全保障に寄与する利用法が考えられる。さらに、音楽コンサートや講演会において演奏音や音声がスピーカにより拡声する直前に電子透かし情報を埋め込むことによって、コンサートや講演会を録音したメディアの不正な流通を検出する利用法も考えられる。
【０００６】
透かし情報検出時には、透かしを入れる前の原信号が必要な手法と、そうでない手法がある。一般的に前者の方が、対象とする音響信号に加える変更が少なく、音質劣化として知覚されにくい。一方で、原信号が必要な透かし検出システムを用いる場合、大量のネ ットワーク上の音楽コンテンツから透かし情報を取り出して不正利用を監視するためには、対応する原音を検索し用意することに多大な労力が必要となる上、原音を持たない第三者機関にこのような透かし抽出作業を委託することさえできない。さらに、送信され続ける放送および通信コンテンツからの透かし抽出の場合には、必ずしも原音が入手できるわけではない。このような実際の利用場面においては、透かしを入れる前の信号を必要としない手法が望まれる。
【０００７】
ディジタル音響信号に対する電子透かし埋め込みおよび検出技法として、これまでにも例えば、スペクトル拡散法(「岩切宗利、松井甲子雄、『スペクトル拡散と変形離散コサイン変換による高品質デジタル音声のための電子透かし法』、情報処理学会論文誌、第39 巻、pp.2631-2637」）（非特許文献１)、エコーハイディング法(特開2002-062885（特許文献１)、特開2003-263183（特許文献２))、心理音響モデルに基づく埋め込み法(「中山彰,陸金林,中村哲,鹿野清宏、『心理音響モデルに基づいたオーディオ信号の電子透かし』、電子情報通信学会論文誌、J83-D-II、pp.2255-2263」）（非特許文献２)、位相周期偏移法(特開2003-44067（特許文献３)、特開2004-279469（特許文献４))、周波数スペクトルのパッチワーク法(松岡保静、『室内反射波を考慮した可聴音通信方法の提案 -音響ステガノグラフィへの応用-』、電子通信学会技術報告EA2004-130、pp.33-38)（非特許文献３)などが提案されている。しかし、それぞれの技法には、利用する際の前提条件や要求条件に依存して一長一短があり、必ずしもこれらで充分であるという訳ではない。
【０００８】
スペクトル拡散法は、透かし信号を短時間フレーム単位について、周波数軸上で広帯域に拡散して埋め込むことにより、各周波数帯域での透かし信号による影響を最小限に抑え、人間に知覚されないようにしたものである。しかし、音声や音楽信号のエネルギーは全ての時間において必ずしも全周波数帯域に分布しているわけではないので、エネルギーが小さくなる周波数帯域において透かし信号が重畳されていることが容易に検知されてしまう。
【０００９】
エコーハイディング法は、透かし情報を遅れ時間としてコード化したインパルス応答を音信号に畳み込むことにより、透かし情報を音信号に埋め込む手法である。透かし抽出時には、受信信号の自己相関を取ることで、埋め込み時に使用したインパルス応答の遅れ時間が推定できる。遅れ時間を十分小さくしておけば、先行する音と融合して知覚されるので、透かしの存在は知覚されない。また、透かし情報を疑似雑音(PN) 系列を用いて符号化しておけば、埋め込み時に使用したPN系列を知らない限り、透かし入り信号の自己相関を取るだけでは透かしの存在を検出することができない。しかし、透かし情報の入ったインパルス応答をマスクするようなインパルス応答を透かし入り信号に畳み込んだ場合、例えば残響付加器を通した場合や、室内で再生した透かし入り信号を録音した場合などは、聴感的に不自然な劣化の無いままに透かし情報抽出の妨害が可能になる。
【００１０】
心理音響モデルを利用した透かし埋め込み法は、MPEG符号化における心理音響モデルを用いて周波数軸方向および時間軸方向のマスキングレベルを計算し、音楽信号上重要な低域にマスキングレベル以下となる透かし信号を埋め込む手法である。しかし、透かし抽出のためには透かしを入れる前の原信号が必要であり、利用場面に制限が加えられる。
【００１１】
周期位相偏移法は、音楽信号に与える位相変調量を時間的に穏やかに変化させ、その動特性に透かし情報を埋め込む方法である。これは、周波数軸上で離散的に位相を変化させる従来法において、周波数軸方向での相対的な位相関係が原音と異なるためひずみとして知覚される問題を解消した技法である。しかし透かし情報抽出時には、基本的に原信号と透かし入り信号の位相を比較することによって、位相変調波を抽出する仕組みであるため、対象とする透かし入り信号の原音をその都度用意する必要がある。ステレオ信号の場合は、片チャンネルの信号のみ透かし情報を含んだ周期位相変調を与え、もう一方のチャンネルに存在する両チャンネル間に共通する信号成分との位相差を算出することによって、原信号を必要としない透かし情報抽出が可能になるが、透かし入りステレオ信号をモノラルに変換された場合は、原音を必要としない透かし情報抽出は不可能になる。
【００１２】
周波数スペクトルのパッチワーク法は、複数の帯域通過信号間のパワーに統計的偏りを生成する方法である。しかしこの方法では、ある帯域と組になる別の帯域の信号同士は、それら帯域間のパワー差が検出可能な程度までパワーを増幅または減衰させる必要があり、元の信号のパワースペクトルが保持されずに音質劣化を招く恐れが高い。また、透かしを入れた帯域に対して、イコライザ等によって周波数スペクトルに変形を与えることによって、容易に検出を困難ならしめられる点も欠点である。
【特許文献１】特開2002-062885号公報
【特許文献２】特開 2003-263183号公報
【特許文献３】特開2003-44067号公報
【特許文献４】特開 2004-279469号公報
【非特許文献１】岩切宗利、松井甲子雄、『スペクトル拡散と変形離散コサイン変換による高品質デジタル音声のための電子透かし法』、情報処理学会論文誌、第39 巻、pp.2631-2637
【非特許文献２】中山彰,陸金林,中村哲,鹿野清宏、『心理音響モデルに基づいたオーディオ信号の電子透かし』、電子情報通信学会論文誌、J83-D-II、pp.2255-2263
【非特許文献３】松岡保静、『室内反射波を考慮した可聴音通信方法の提案 -音響ステガノグラフィへの応用-』、電子通信学会技術報告EA2004-130、pp.33-38
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
音響信号を対象とした電子透かし埋め込みおよび検出技術には、原音を必要とせず透かし情報の抽出が可能であること、透かし情報を埋め込みに伴う音質の劣化が少ないこと、不可逆情報圧縮および放送あるいは通信による品質劣化を経ても透かし情報を抽出できること、第三者が透かし情報の存在を検知してそれを妨害することが困難であること、などが要望されており、これらを広範囲に満たす電子透かし埋め込みおよび検出技術はいまだ発明されていない。
【００１４】
本発明は上記の要望に応えるべくなされたもので、透かしを埋め込む前の原信号を必ずしも必要とせず、音質劣化が少なく、安全性の高い電子透かし情報を埋め込むことが可能な電子透かしシステム、電子透かし埋込装置および電子透かし検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するために、請求項１に係わる本発明は、音響信号に電子透かし情報を埋め込む電子透かし埋込装置と、この電子透かし埋込装置により埋め込まれた音響信号から電子透かし情報を検出する電子透かし検出装置とを備える電子透かしシステムにおいて、前記電子透かし埋込装置は、前記音響信号を帯域通過フィルタ群によって帯域分割したときの帯域通過信号に振幅変調を与えその連続的な変化の中に前記電子透かし情報を埋め込む手段と、あらかじめ前記帯域通過信号の強度と前記帯域通過信号に含まれている振幅変動量を元に知覚されにくい振幅変調強度を決定するための手段と、付与する振幅変調の帯域間位相差に電子透かし抽出時の鍵となる位相差を与える手段と、電子透かしの埋め込まれた帯域通過信号およびそうでない帯域通過信号の全てを加算することによって電子透かし情報の埋め込まれた音響信号を出力する手段を具備し、前記電子透かし検出装置は、電子透かし情報が埋め込まれた音響信号を帯域分割しその振幅包絡を求めることによって振幅変動信号を抽出する手段と、帯域毎に抽出された前記振幅変動信号の位相差を電子透かし埋め込み時に与えられた鍵となる帯域間位相差によって補正した上で同期加算することによりキャリアとなる振幅変動のみを強調する手段と、帯域間振幅変動信号の時間的特徴より電子透かし情報を取り出す手段とを具備して構成するようにした。
【００１６】
また、請求項２に係わる本発明は、音響信号に電子透かし情報を埋め込む前記電子透かし埋込装置において、前記音響信号を帯域通過フィルタ群によって帯域分割したときの対となる隣接する帯域通過信号にそれぞれ逆位相の振幅変調を与えて、その連続的な変化の中および他の離れた帯域に与える振幅変調との位相差および変調強度差の中、および時間的に離れた区間に与える振幅変調の位相差および変調強度差の中に前記電子透かし情報を埋め込む手段と、あらかじめ前記帯域通過信号に含まれている振幅変動量と前記帯域通過信号の強度とを元に知覚されにくい振幅変調強度を決定するための手段と、付与する振幅変調の帯域間位相差に電子透かし抽出時の鍵となる位相差を与える手段と、電子透かしの埋め込まれた帯域通過信号およびそうでない帯域通過信号の全てを加算することによって電子透かし情報の埋め込まれた音響信号を出力する手段とを具備して構成することにした。
【００１７】
さらに、請求項３に係わる本発明は、前記電子透かし埋込装置において、振幅変調周期に比例した時間区間毎に、電子透かし情報を埋め込む前記帯域通過信号があらかじめ含んでいる変動周波数帯域ごとの振幅変動パワーを求めてそれらの重みづけ加重和によって、付与する振幅変調の基準となる変調強度を求めるための手段と、付与する振幅変調によって生じる側帯波のパワーが最小可聴値を下回る場合に側帯波のパワーが最小可聴値と等しくなるように付与する振幅変調強度を決定する手段とを具備して構成するようにした。
【００１８】
したがって、請求項３に係わる構成により、帯域通過信号に与える振幅変調の検知閾が、帯域通過信号にあらかじめ存在する振幅変調周波数に近い振幅変動強度に比例するという、聴覚における変調マスキング検知の特性を利用して、人間の聴覚において知覚されにくい振幅変調強度を決定するようにしている。
【００１９】
さらに、請求項４に係わる本発明は、前記電子透かし埋込装置において、前記帯域通過信号に付与する振幅変調信号の位相を帯域毎に疑似乱数系列によって決定し、この疑似乱数系列を電子透かし情報検出のための鍵とする手段を具備して構成するようにした。
【００２０】
また、請求項５に係わる本発明は、前記電子透かし埋込装置において、前記帯域通過信号に付与する振幅変調信号の位相および変調強度を複数帯域毎に異ならしめることによってそれらの帯域間の振幅変調の位相差および強度差に電子透かし情報を埋め込む手段を具備して構成するようにした。
【００２１】
さらに、請求項６に係わる本発明は、前記電子透かし埋込装置において、前記帯域通過信号に付与する振幅変調信号の位相をあらかじめ定める一定の時間区間である透かし埋め込み周期毎に反転させることによって、電子透かし情報埋め込み区間を時間分割する手段を具備して構成するようにした。
【００２２】
さらに、請求項７に係わる本発明は、前記電子透かし埋込装置において、前記帯域通過信号に付与する振幅変調信号の位相および変調強度を前記透かし埋め込み周期毎に異ならしめることによって、その位相差および強度差に電子透かし情報を埋め込む手段を具備して構成するようにした。
【００２３】
また、請求項８に係わる本発明は、電子透かし情報を音響信号から検出する前記電子透かし検出装置において、電子透かし情報が埋め込まれた音響信号を帯域分割し対となる隣接する帯域間の振幅包絡の比の対数を求めることによって振幅変動信号を抽出する手段と、帯域毎に抽出された振幅変動信号の位相差を電子透かし埋め込み時に与えられた鍵となる帯域間位相差によって補正した上で同期加算することによりキャリアとなる振幅変動のみを強調して抽出する手段と、抽出した振幅変動信号の帯域間および透かし埋め込み周期間での時間的特徴および強度的特徴より電子透かし情報を取り出す手段とを具備して構成するようにした。
【００２４】
この請求項８に係わる電子透かし検出装置の特徴としては、一般的な音響信号において、隣接する帯域間の振幅包絡波形には共通する変動成分が多く含まれることから、隣接する帯域間の振幅包絡波形の比の対数を算出することによって、隣接する帯域通過信号に共通する振幅変動成分を打ち消し、電子透かし埋込装置において与えた振幅変動成分を強調して抽出するという点である。
【００２５】
また、請求項９に係わる本発明は、前記電子透かし検出装置において、電子透かし情報を埋め込む前の音響信号を帯域分割して得られる帯域通過信号の振幅包絡と電子透かし情報を埋め込んだ音響信号を同様に帯域分割して得られる対応した帯域通過信号の振幅包絡の比の対数を求めることよって得られる振幅変動信号の時間的特徴および強度的特徴より電子透かし情報を取り出す手段を具備して構成するようにした。
【００２６】
上記構成は、透かしを埋め込む前の音響信号が入手できる条件での透かし検出を行うもので、透かしを埋め込む前の音響信号なしで透かし検出を行う場合に対して、より弱い強度の振幅変動を透かし埋め込み時に与えた場合にも透かし検出が可能となるため、透かしの埋め込みを聴取者に知覚させてしまうことがなく、かつ透かしを埋め込む前の音響信号が無い場合に透かし情報を検出するのは非常に困難となる。
【００２７】
また、請求項１０に係わる本発明は、前記電子透かし検出装置において、前記帯域通過信号より抽出された振幅変動信号の位相を電子透かし埋め込み時に与えられた鍵となる帯域間位相差によって補正した上で同期加算することによりキャリアとなる振幅変動のみを強調する手段と、補正後の複数の帯域の振幅変動信号間の位相差および強度差を透かし情報として検出する手段とを具備して構成するようにした。
【００２８】
この請求項１０に係わる電子透かし検出装置の構成によれば、あらかじめ電子透かし埋込時に鍵とした帯域毎の位相差情報が検出時に分からない場合は、抽出される振幅変調信号を帯域間で同期加算して振幅変調を強調することができないため、透かしの情報のキャリアとなる振幅変動波を抽出することが困難であり、透かしが埋め込まれているかどうかを検出することも困難である。また、帯域間の位相差に透かし情報を割り当てた場合は、鍵となる帯域間の位相差情報が検出時に分からないと、透かし情報を検出するのは非常に困難である。よって、電子透かしの秘匿性および安全性を高めることを実現している。
【００２９】
また、請求項１１に係わる本発明は、前記電子透かし検出装置において、前記帯域通過信号より抽出された振幅変動波形について、電子透かし情報埋め込み時に決定した透かし埋め込み周期毎に加算と減算を交互に行い累積される信号における電子透かし埋め込み変調周波数での変動強度を、前記帯域通過信号の先頭時刻をゼロから前記透かし埋め込み周期時間までずらしながら求め、その変動強度の最大値が得られる時刻をもって電子透かし埋め込み時に決定した透かし埋め込み周期の開始時刻とし、電子透かし埋め込み周期の同期をとる手段を具備して構成するようにした。
【００３０】
また、請求項１２に係わる本発明は、前記電子透かし検出装置において、前記帯域通過信号より抽出された振幅変動波形について、複数の透かし埋め込み周期における振幅変動信号の位相差および強度差を求めることによって透かし情報を抽出する手段を具備して構成するようにした。
【発明の効果】
【００３１】
本発明における電子透かし埋め込み装置および電子透かし検出装置の効果を確認するため、本電子透かしが埋め込まれていることを人間が知覚することの困難性と、本電子透かし埋め込み済み音楽信号への様々な変形に対する耐性を、音楽データベースに収録された幅広いジャンルの音楽データを対象として調べた。
【００３２】
電子透かし埋め込み時の、帯域通過フィルタ幅は172Hzとし、サンプリング周波数変換への耐性を保つため、電子透かしを埋め込む帯域は、音楽データのサンプリング周波数44.1kHzに対して11025Hz以下とした。また、電子透かしの埋め込み強度は、電子透かし埋込装置における振幅変調強度決定器において算出される対象となる音楽信号の基準変動量を0dBとして強度設定した。電子透かし埋め込みのための振幅変調周波数は3Hzと12Hzを同時に用い、それぞれの変動周波数における基準変動量に対して同じ比率となる変調強度を設定した。電子透かし埋め込み周期は変調周波数3Hzにつき5秒間、変調周波数12Hzにつき2秒間とした。帯域群の数は3とし、帯域群間位相差に2ビットの情報を埋め込むので、埋め込む情報量全体のビットレートは2.8bpsとなる。
【００３３】
RWC音楽データベース：音楽ジャンル(RWC-MDB-G-2001)に含まれるあらゆるジャンルを網羅した100曲の楽曲に、本電子透かし埋め込みを行い得られた音楽信号について、透かしを入れない音楽信号からの音質劣化が聴感上検知できるかどうかを調べた。その結果、基準変動量に対して最小でも-10dB程度の透かし埋め込み強度において、音質変化がようやく知覚される程度であり、ほとんどの楽曲において基準変動量に対して0dB程度の透かし埋め込みでは音質劣化が知覚されないことが明らかになった。
【００３４】
透かし埋め込み強度と、透かし埋め込みに伴う音質劣化との関係をより詳しく調べるために、先に行った音質劣化主観評価の結果、最も音質変化が知覚されやすかった楽曲3曲について、音質差検知訓練を3時間以上行った被験者3名に対して音質変化の検知限を測定する実験を行った。
【００３５】
サンプリング周波数44100Hz、量子化ビット数16ビットの楽曲データの左チャンネル冒頭1分間のうち、比較的透かし埋め込み知覚の容易な区間5秒間に対して、3Hzおよび12Hzの変調周波数による透かしを埋め込んだ音楽信号(A)と、透かし埋め込みのない原音楽信号(X)とを、AXXあるいはXXAの順序でランダムにヘッドホンから呈示し、被験者は最初かあるいは最後のいずれの呈示が、真中の呈示である原音(X)と等しいかを検出する実験を行った。被験者が2回連続して正答した場合は、透かし埋め込み強度を2dB下げ、まちがった場合は透かし埋め込み強度を2dB上げる手続きを、埋め込み強度減少から増加への転換点および増加から減少への転換点が12回繰り返すまで行った。このうち、最後の8回の埋め込み強度の転換点での埋め込み強度を平均することにより、正答確率70.7%となる透かし埋め込み強度の検知限を求めた。この測定を各曲3回実施し被験者毎に平均値を求めた。その結果、最も検知しやすい楽曲でも基準変動レベルに対し-20dB 程度の透かし埋め込み強度により初めて透かしによる音質変化が検知されることが分かった。
【００３６】
【表１】
2006251676.tif 000003
【００３７】
次に、本電子透かし埋め込み済み音楽信号へ、音楽信号が一般的な通信および記録メディアを経由する環境および、室内に放射されて残響を与えられるという環境を模擬した変形を与えた後の電子透かしデータ検出率を、音楽データベースに収録された幅広いジャンルの音楽データを対象として調べた。対象とした音楽信号は、RWC音楽データベース：音楽ジャンル(RWC-MDB-G2001)に収録されている100曲の左チャンネル冒頭1分間である。
【００３８】
表2には、電子透かし入り音楽に様々な変形を施した後に電子透かし検出を行った時の100曲に対する全体のビット検出率を示した。括弧中の数字は100曲中何曲においてビット検出率が100%であったかを示している。上から順に、エンコードビットレートを 48kbpsあるいは64kbpsとしてMPEG1 Audio Layer3方式でエンコードした後デコードした音楽信号でのビット検出率を、次に残響時間1秒あるいは0.3秒の残響を付加した音楽信号でのビット検出率を、次にホワイトノイズを付加した音楽信号での、ビット検出率をを示した。付加ホワイトノイズのレベルは、16ビットで記録できる最大振幅の純音のレベルを0dBとした相対値において-50dB,-70dBとした。また、一番下には量子化ビット数8bitに変換した音楽信号での、ビット検出率を示した。
【００３９】
【表２】
2006251676.tif 000004
【００４０】
また、電子透かしを埋め込んだ帯域が11025Hz以下であることから、電子透かしを埋め込んだ音楽信号に、上記に示したいずれの変形を与えることと同時に、サンプリング周波数を44100Hzから22050Hz に変換した場合でも、ビット検出率は変化しない。
【００４１】
これらの結果より、音楽信号の変動成分から算出した基準変動量に対して-10dBの透かし強度によって、透かし変調周波数12Hzのとき残響1秒を与えた場合以外は、95%以上のビット検出率が得られ、約半分以上のジャンルの楽曲において100%のビット検出率が得られることが分かった。ここで電子透かし入り音楽信号に与えた変形は、音楽信号が一般的な通信および記録メディアを経由する環境、さらに室内に放射されて残響を与えられるという環境を模擬するものであり、本発明による電子透かし埋め込みおよび検出システムを用いれば、そうした環境を経てもなお検出率の高い強固な電子透かしが実現できることを示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、図面を参照して、この発明の一実施形態について説明する。
【実施例１】
【００４３】
図1は、この発明の第１の実施形態に係わる電子透かしシステムの構成を示すものである。この図に示す電子透かしシステムは、電子透かし埋込装置１００と電子透かし検出装置２００とを備える。
【００４４】
電子透かし埋込装置１００は、符号化部１１０と、帯域通過フィルタ群１２０と、出力端子１４０とを備える。符号化部１１０は、透かしデータ（電子透かし情報）によって決定される透かし位相と、鍵データによって決定される鍵位相を加算して得られる帯域毎の振幅変調位相情報および透かしデータによって決定される振幅変調強度情報を、帯域通過フィルタ群１２０に含まれる振幅変調部１３０に与える。
【００４５】
符号化部１１０では、振幅変調部１３０において振幅変調を与える帯域対の数BNに対し、帯域対グループ数をGN(2≦GN≦BN)とし、透かしデータw(k)をk(1≦k＜GN)個のNビットのデータとして、これを 0から2N-1までの整数値W(k)にする。変換後の整数値W(k)とビット値との対応は、連続するW(k)の値で1ビットだけ異なるようにする。これは位相検出の際、与えた位相差に近い値が誤検出される率が高く、その場合のビットエラー量を少なくするためである。1番目の帯域対グループの位相に対するk+1番目の帯域対グループに与える相対的な位相pd(k+1) を、数式1で表し、この振幅変調位相差に透かし情報を埋め込む。さらに、1番目の帯域対グループに対して、 k+1番目の帯域対グループの振幅変調強度を強くする場合をビット値1、弱くする場合をビット値0として、振幅変調強度差にkビットの透かし情報を埋め込む。これら、帯域群間の振幅変調における位相差および振幅変調強度決定は、あらかじめ定める透かし埋め込み周期T秒毎に透かしデータを変えて行う。
【００４６】
他の電子透かし埋め込み手法によって、透かし埋め込み周期Tの同期をとるための信号が埋め込まれる場合は、t+1(t=1,2,... ,m-1)番目(mは信号全体の長さを透かし埋め込み周期で割った数)の透かし埋め込み周期に割り当てるNビットの電子透かし情報をw1(t)として、これをw(k)の場合と同様に整数値 W1(t)に変換することにより、1番目の帯域対グループに与える位相pd(t+1)を数式2によって定め、一透かし埋め込み周期ごとにNビットの透かし情報を埋め込む。ここでpd1(1)=0とする。さらにt+1番目の振幅変調強度をt番目の振幅変調強度に対して強くする場合をビット値1、弱くする場合をビット値0として、振幅変調強度にm-1ビットの透かし情報を埋め込む。さらに、他の電子透かし埋め込み手法によって同期信号を埋め込まない場合は、pd1の値を透かし埋め込み周期毎に逆位相とし、同期信号の役割を持たせる。
【００４７】
【数１】
2006251676.tif 000005
【００４８】
【数２】
2006251676.tif 000006
【００４９】
また、符号化部１１０では、疑似乱数系列により生成された鍵データによって帯域対毎に与える振幅変調の鍵位相を決定する。この鍵データは、振幅変動を与える帯域対の鍵位相値を決定するknビット、どの帯域対がどの帯域グループに属するかを決定するグループ番号としてlog2(BN) ビットの情報量を持つ。鍵データを鍵位相pkに変換するには、帯域の対あたりknビットの鍵データを符号なし整数に変換した後の値をKIとして、数式3で表す。この帯域対毎に決定される鍵位相pkと、帯域対グループ毎に決定される透かし位相pdは加算されて帯域対毎の位相差として振幅変調部１３０において用いられる。
【００５０】
【数３】
2006251676.tif 000007
【００５１】
図2は、帯域通過フィルタ群１２０を示したものであり、入力信号の帯域通過信号に振幅変調を与える振幅変調部１３０を含んだ帯域通過フィルタ部１２１を複数並列させた構成をとる。それらの帯域通過フィルタ部１２１の通過周波数帯域は直流周波数から音響信号のとりうる上限周波数まですき間無く連続してしている。各帯域通過フィルタ部の出力は、振幅変調部１３０において振幅変調を与えられた後、帯域全てを加算して、帯域通過フィルタ群１２０の出力として出力される。振幅変調部１３０には、符号化部１１０より透かしおよび鍵データを符号化した振幅変調位相および変調強度情報が与えられる。
【００５２】
図3は、帯域通過フィルタ部１２１と振幅変調部１３０を示したものであり、隣接する通過帯域を持つ２つの帯域通過フィルタ１２１、１２２と、振幅変調強度決定器１３１と、それぞれの帯域通過信号に対して互いに逆位相の振幅変調を与える振幅変調器１３２、１３３とで構成されている。さらに振幅変調器１３２、１３３に与えられる振幅変調の位相は、符号化部１１０において透かしデータおよび鍵データによって帯域通過フィルタ部毎に決定された位相をもって決定される。透かしデータはあらかじめ定められた透かし埋め込み周期T毎に変わるので、振幅変動の位相も周期T毎に変化する。この際、突然振幅変調位相が変化することによって音楽信号の振幅が突然変化し聴感上検知されやすくなることを防ぐために、新しい透かしデータによって位相が変更される際には振幅変調は必ずゼロ位相から与え始め、次の透かしデータに変わる時刻前にかならず振幅変調はゼロ位相で終るように、あらかじめ周期T毎に振幅変調度がゼロとなる位相移行区間を設けることとする。
【００５３】
振幅変調部１３０において与える振幅変調周波数は、振幅変調によって生じる側帯波のパワーが隣接する帯域に洩れると、隣接する帯域の振幅包絡に影響を与えることによって、電子透かし検出器２００において振幅変動が検知されにくくなるため、帯域幅の半分以下の周波数を用いることが有効である。さらに、変調周波数が高すぎると側帯波が知覚されやすくなり、低すぎると埋め込み可能な透かし情報量が少なくなる。よって変調周波数は1Hz以上、かつ帯域の中心周波数に対して10%以下、かつ帯域幅の半分以下が望ましい。また、電子透かし埋め込みに用いる変調周波数を複数同時に用いることも可能であり、これにより埋め込む透かし情報の多重化が可能である。
【００５４】
図4は、振幅変調強度決定器１３１を示したものであり、帯域通過フィルタ出力信号に自乗器を通した後、低域フィルタを通過させ振幅包絡を求め、それを周波数分析することにより変動周波数毎の変動パワーを得て、透かしとなる振幅変調周波数に近接する変動周波数におけるパワーの加重平均を元に変調度を決定する回路を持つ。ここでは、人間の聴覚における振幅変動の検知特性を元に、透かしを埋め込む振幅変動周波数を含む帯域の変動パワーと、その半分の変動周波数での変動パワーおよび2倍の変動周波数での変動パワーを-10dBしたものを加えた変動パワーを基準変動量(0dB) として、これに対する相対的な振幅変調強度によって、透かし埋め込みの強度を決定する。この重み付け変動パワーと埋め込み強度の決定は、3Hz以下の変調周波数では変調1周期毎に、3Hzを越える変調周波数では変調2周期毎に行う。また、帯域通過信号に振幅変調を与えることによって生じる側帯波のパワーが、絶対可聴閾以下になる帯域については、側帯波のパワーが絶対可聴閾と同じになるよう透かし埋め込み強度を上げる。ここで絶対可聴閾のパワーは、国際標準化機構において定められた音場最小可聴音圧値と、透かし埋め込み対象とするディジタル音響信号において記録可能な最大振幅純音の音圧が106dBであると仮定して定めた。
【００５５】
図5は、電子透かし検出回路２００を示したものであり、入力信号の帯域通過信号から振幅変動を抽出する振幅変動検出部２３０を含む帯域通過フィルタ部２２１を複数並列に配置し、得られた帯域毎の振幅変動信号を復号化器２１０に入力し、復号化器２１０においては透かし埋め込み時に用いた鍵データと合わせて透かしデータを得るものである。帯域通過フィルタ部２２１の通過周波数帯域は、電子透かし埋め込み回路１００における帯域通過フィルタ部１２１における帯域通過フィルタと対応して、直流周波数から音響信号のとりうる上限周波数まですき間無く連続している。
【００５６】
図6は、帯域通過フィルタ部２２１を示したものであり、隣接する通過帯域を持つ帯域通過フィルタ２２２および２２３と、その後段に接続された振幅包絡抽出器２３１および２３２からなる。帯域通過フィルタ２２２を通過した信号は、振幅包絡抽出器２３１をへて振幅包絡信号となり、それと帯域通過フィルタ２２３を通過し振幅包絡抽出器２３２をへた振幅包絡信号の除算を行い、対数変換を行うことによって、振幅変動信号を抽出する。振幅包絡抽出器には全波整流後に移動平均あるいはRC積分回路を用いるか、あるいはヒルベルト変換器を用いて実施することができる。また、入力信号に窓掛けを行った後にFFTあるいはDFT演算を行う処理を窓長の半分以下の時間づつずらしながら行い、FFTあるいはDFTスペクトルの絶対値をもって帯域通過フィルタおよび振幅包絡抽出を実施することができる。
【００５７】
図7は、復号化器２１０を示したものであり、振幅変動検出部２３０から得られた帯域通過フィルタ部毎の振幅変動信号および電子透かし埋め込み時に用いた鍵データから、透かしデータを得るものである。まず、電子透かし埋め込み時に用いた鍵データに含まれる帯域部毎の鍵位相情報を、振幅変動信号に対する位相シフタに与えて位相を補正する。さらに鍵データに含まれる帯域群情報を元に、同じ帯域群に属する振幅変動信号をグループ化して加算することによって、振幅変動成分が強調された信号を信号バッファに貯めておく。その他の電子透かし埋め込み手法により、透かし埋め込み周期Tの時間区間の同期を求めることを行わない場合は、この信号バッファから取り出した振幅変動信号について、電子透かし情報埋め込み時に決定した透かし埋め込み周期T毎に加算と減算を交互に繰り返して累積された信号における電子透かし埋め込み変調周波数での変動強度を振幅変動信号の先頭時刻を0からTまでずらしながら求め、その変動強度の最大値が得られる時刻を電子透かし埋め込み時に決定した透かし埋め込み周期の先頭時刻として同期をとる。そして、振幅変動信号から帯域群毎の振幅変調の位相差および強度差を算出することによって、透かしデータを検出する。さらに、他の電子透かし埋め込み手法により透かし埋め込み区間の同期をとれる場合は、透かし埋め込み周期毎の振幅変動信号の強度差および位相差を算出することによって、透かしデータを検出する。振幅変動信号間の位相差および強度差の算出は、帯域群毎の振幅変動信号に対して透かし埋め込み周期時間長に一致するFFTあるいはDFTを適用し、透かし埋め込み変調周波数に一致する変動周波数における帯域群間の位相角の差および振幅の差を求めることによって実施することができる。また、この透かし検出処理は、透かし埋め込み周期T毎に行う。
【実施例２】
【００５８】
透かしを入れる前の音響信号が電子透かし検出時に利用できる場合は、何らかの手法で透かしを入れる前の音響信号と透かし入り音響信号の同期をとった上で、帯域通過フィルタ部２２１において、透かしを入れる前の音響信号を、帯域通過フィルタ２２２と同じ通過周波数帯域をもつ帯域通過フィルタに通して、その振幅包絡を振幅包絡抽出器２３１と同じ処理にて求め、それを透かし入り音響信号についての振幅包絡抽出器２３１出力に対して除算し対数変換を行うことによって、振幅変動信号を抽出する。この場合、帯域通過フィルタ２２２と対になる隣接する通過帯域をもつ帯域通過フィルタ２２３についても、同様な処理を行い、得られた振幅変動信号を互いに逆相にして加算することによって、振幅変動信号を強調することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】この発明に係わる電子透かしシステムの実施の形態の構成を示す回路ブロック図。
【図２】この発明に係わる電子透かしシステムの透かし埋め込み部における帯域通過フィルタ群の実施の形態の構成を示す回路ブロック図。
【図３】この発明に係わる電子透かしシステムの透かし埋め込み部における帯域通過フィルタ部と振幅変調部の実施の形態の構成を示す回路ブロック図。
【図４】この発明に係わる電子透かしシステムの振幅変調度決定器の実施の形態の構成を示す回路ブロック図。
【図５】この発明に係わる電子透かしシステムの透かし検出部回路の実施の形態の構成を示す回路ブロック図。
【図６】この発明に係わる電子透かしシステムの透かし検出部における帯域通過フィルタ部の実施の形態の構成を示す回路ブロック図。
【図７】この発明に係わる電子透かしシステムの復号化部の実施の形態の構成を示す回路ブロック図。
【図１】
2006251676.tif 000008
【図２】
2006251676.tif 000009
【図３】
2006251676.tif 000010
【図４】
2006251676.tif 000011
【図５】
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【図６】
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【図７】
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