情報処理学会 インタラクション 2015
IPSJ Interaction 2015

C50
2015/3/7

非可聴域の音信号を用いる通信システムの開発
銭 顥†1森勢 将雅†2

新妻 雅弘†3山下 洋一†3

概要：本論文では，有用な情報を音信号の非可聴域である高周波帯域に埋め込み，音による通信を行うシステムの開発について述べる．本システムを利用することにより，専用の送受信デバイスを必要とせず，汎用のスピーカー，およびモバイル端末に備え付けのマイクロホンによって通信が実現できる．本論文では，非可聴域へ情報を埋め込む手法と情報を取り出す解析手法を提案し，実験により性能評価を行った．また，タブレット端末上でアプリケーションを試作し，駅でのアナウンスにアナウンス内容のテキストを埋め込んだ音声，および歌詞を埋め込んだ楽曲のデコードを実装した．

Development of a Communication System Using Sound Signals in
Inaudible Frequency Bands
HAO QIAN†1 MASANORI MORISE†2MASAHIRO NIITSUMA†3
YOICHI YAMASHITA†3Abstract: This paper describes the development of a communication system using sound signals in which useful information areembedded in inaudible high frequency bands. The proposed system can realize communication to a mobile terminal device justusing a built-in microphone and a general speaker, and does not require any special devices for sending and receiving
information. This paper describes a method of encoding information in inaudible bands and decoding embedded signals to extract
information, and evaluation results. We implemented a prototype system on a tablet PC, which involves decoding the station
announce message embedded in speech and lyrics in music sound.

1. はじめに
スマートフォンやタブレットを代表とするモバイル端末の普及が進み，どこでも情報が簡単に得られる時代になあればマイクを使って信号を受信し，埋め込まれた情報を抽出することができるため，一般的なモバイル端末で情報を受け取ることができる．本研究でも，音信号に対して情報を埋め込む通信方式の開発を行う．

った．一方で，広域ネットワークに接続出来ない環境にお音信号への情報埋め込みの手法としては，エコーハイデいて情報を得るために，ネットワークの接続がなくても応ィング法 [7]，エコー拡散法 [2]，スペクトル拡散法 [10]，用できる近距離通信も広く注目されている．その中，RFID

心理音響モデルに基づく方法 [5]，振幅変調マスキング [4]，（Radio Frequency Identifier）を基づく NFC や Bluetooth な

周期的位相変調法 [3] ，サブバンド位相シフト法 [8]，聴どの技術が開発されており，各領域で使われている．しか覚特性を利用する手法 [9]などの様々な手法が提案されてし，これらの近距離通信技術を使うには端末に対応する機いるが，これらは音の歪みや変化に気づいてしまうことや能チップの搭載が必要であり，全てのモバイル端末で使え埋め込み情報の検出の容易さ，通信速度の欠如などの問題るわけではない．

がある．これらの可聴域で行われている手法に対して，近画像や音などのメディア情報に対して，人が知覚できな年では非可聴域の音を用いた通信方式が提案されている

いように情報を埋め込むステガノグラフィーが広く研究さ[1]．非可聴域での情報埋め込みは可聴域での従来法と違い，れており，著作権保護や改ざん防止などを主な目的とした音質の確保が可能となり，より高い通信速度を利点とし，電子透かしなどがその例として挙げられる．一方で，メデ埋め込み情報の検出の容易さと頑健さの向上も可能になる．

ィア情報に有用な付加情報を埋め込むことによって，情報

本報告では，モバイル端末でも利用できる非可聴域を用いハイディングを通信手段として利用する試みも始まっていた近距離通信システムを試作し，評価実験を行った結果にる．このような通信方式では，画像であればカメラ，音でついて述べる．

†1 立命館大学大学院情報理工学研究科
Graduate School of Information Science and Engineering, Ritsumeikan
University.
†2 山梨大学大学院医学工学総合研究部
Graduate School of Medical and Engineering Science Department of Research,Yamanashi University†3 立命館大学情報理工学部
College of Information Science and Engineering, Ritsumeikan University© 2015 Information Processing Society of Japan

2. 高周波音を用いた情報通信
提案システムはエンコードとデコードの 2 つの処理から構成される．図 1 のように，送信するテキストを付加情報

913

Text+

DecodeEncodeText

図 1
Figure1

提案システムの概要

Data signal

Sound

Description of a proposed system

PowerControl signal

Frequency
Trigger 2: 0
Trigger 1: 1
Condition: 1

Trigger 2: 1
Trigger 1: 0
Condition: 0

Filtering

Trigger 2: 0
Trigger 1: 1
Condition: 18765432
1

Start flag: 1

Transmission bits (16 bit)

End flag: 1

Spectrum of the audio

010

TimeThreshold

図 3
Figure 3

Sound
NoiseNon-Audible band
18.0~20.0kHz

Trigger 2: 1
Trigger 1: 0
Condition: 0

Trigger 2
Trigger 1
Condition

Data signal (8 bit) Control signal (3 bit)

110 101 01

Trigger 2: 0
Trigger 1: 1
Condition: 0

Frequency

図 2

高周波数帯域における情報の埋め込み

Figure2

Information hidding in high-frequency bands

パケット列中のビット割り当て
Bit assignment in a packet sequence

合，データ信号は付加情報ではなく，そのパケットが開始，終了のどちらかであるかを識別するフラグから構成される．
パケットの種類を識別するビットとして，パケットの開始・終了を示す Start flag と End flag の 2 ビットを予約語としているが，それ以外の 6 ビットを用いてパケットの種類として高周波数帯域に埋め込んだ音信号をスピーカーからを識別することができる．本システムでは，パケットが切放射し，モバイル端末で収録した音信号から付加情報を復り替わるタイミングで Trigger1，2 の 0，1 を反転させるこ号し表示する．とで異なるパケットを区別する．

2.1 エンコードの概要

2.1.3 通信用信号の位相提案法では，図 2 のように，高周波帯域に設定した複合提案法は複合正弦波における各周波数のパワーが閾値正弦波によりビット情報を送信する．各周波数の正弦波がを超えているか否かで判定するため，位相を任意に設定す1 ビットを表現し，パワーが閾値を超えるか否かで 1，0 をることができる．本システムでは，Schroeder 位相［6］を判断する．通信用信号で用いる帯域は，聴取が困難な高周用い，複合正弦波に時間的にエネルギーを分散することで波帯域であることと，モバイル端末で収録可能であること聴覚不可能という特性が守れる．エネルギーが時間的に分から，18 – 20kHz に設定する．

散することは時間軸での振幅の最小値と最大値の差が小さ計算機における文字が通常 8bit あるいは 16bit で表現されくなることと等価となる．ここで使う Schroeder 位相は，ることが多いため，同時に送信する付加情報のビット数を波形における振幅の最小値・最大値の幅を最小化する位相8bit に設定する．

として提案されており，本研究では複合正弦波の位相を2.1.1 パケットの定義Schroeder 位相で与えることとする．

図 2 に示されるように，提案法では 8 ビットのデータ信

2.2 デコードの概要

号に 3 ビットの制御信号を加え，11 ビットで通信用信号をデコードは，マイクロホンで音を収録したモバイル端末構成して送信する．この通信用信号を 1 パケットと定義す側で行われる．基本的には窓関数により切り出した波形をる．

フーリエ変換し，各ビットに対応する周波数のパワーが閾

2.1.2 制御ビット値を超えているかを判定してビット列を復元する．

提案法では，連結されたパケットを区別するために，ま2.2.1 開始パケットの抽出た，文の開始と終了を表すために制御信号を用いる．図 3

収録を開始すると，デコード側では窓関数により切り出は，24bit（8bit×3）の付加情報の通信を例とした制御信号し，パワースペクトルの計算を行う．制御信号により閾値の役割，及び，パケット列の時間周波数表現を示す．ここを 設 定 し ， 開 始 パ ケッ ト を検 出 す る ま で ル ー プす る ．

で制御の 3 ビットに周波数の昇順により Trigger1，2 とTrigger1，2 は片方が 0 となるともう片方が必ず 1 であるた

Condition とする．本方式では，Trigger1，2 のどちらか一方め，Trigger1 と 2 のパワーの中間に信号検出の閾値を設けが 1 の場合，その信号にはパケットが存在することを示す．

る．開始パケットの検出は，Condition が 1 であり，データまた，パケット列の開始・終了を識別するため，Condition信号の Start flag が 1 である条件を満たすことで行われる．

が 1 となる開始パケット・終了パケットを通信パケット列

2.2.2 パケット列からテキスト情報のデコードの前後に付加する．通信パケット列ではデータ信号が 8 ビ

開始パケットを検出した後は，Condition が 1，End flagットの付加情報となっているが，開始・終了パケットの場が 1 となる終了パケットを検出するまでパケット列から付© 2015 Information Processing Society of Japan914

表 1
Table 1

実装されたシステムの条件

Conditions of the implemented system

Sampling frequency

44.1 kHzWindows function

Hamming window

Packet length

1536 sample

図 3

Frame length1024 sample

Figure 3

Shift length

512 sample

FFT size

1024 sample

Frequency spacing

172.26 Hz

Frequency band

17.98－19.78 kHz

駅アナウンスシステムで埋め込んだ情報
Embedded message of the station announce system

加情報を復号し続ける．本システムでは日本語を表示する
ため Shift-JIS の文字コードをデータ信号として送っている．
終了パケットを検出した場合は，それまで読み込んだ付加情報を画面に出力し，初期状態に戻る．
2.3 システム実装に関する各条件の設定と実装上の工夫
本システムでは，用いる窓関数の種類，1 パケット長，分析フレーム長，シフト長，FFT 長，各ビットの周波数間

図 4

デコードされた文字の正解率

隔と用いる周波数帯域を設定する必要がある．本論文では，

Figure 4

Correct Rate of decoded characters

表 1 に示す条件でシステムを実装した．
本実装における通信速度は，8 ビットの情報を表現する

め，11 ビット正解率を，音声に埋め込んだ全パケットの中パケットの長さが 1536 サンプルであることから 229.7

で 11 ビット全部正しいパケットの比率と定義し，10 ビッ（44100 / 1536 × 8）bps となる．

ト正解率を 10 ビットが正しい，すなわち 1 ビット誤りがあ窓関数により切り出す時刻によっては 2 つのパケットがるパケットの比率と定義している．本システムでは 8 ビッ混ざったフレームを切り出す可能性があることから，表 1

ト情報部と 3 ビット制御部から構成される 11 ビットのコーに示されるフレーム長，シフト長の条件下において確実にドを通信しているため，1 ビット誤り訂正能力のある誤り1 パケットのみを含むフレームが存在する条件を設定して訂正符号を導入することが可能である．実際に誤り訂正シいる．

ステムを用いると，1 ビット誤りの部分は理論上で全て修本実装では，2 つのパケットが混ざったフレームを使わず 1 パケットのみ含まれるフレームを常に選択する処理を正することができるため，実験結果には 10 ビット正解率も集計することとした．

実装している．具体的には，Trigger が切り替わったタイミ

結果により，0.5 メートルから 1.5 メートルまではほぼングから，次に Trigger が切り替わったタイミングまですべ100％の正解率で，2 メートルになると，正解率が下がり，てのフレームの Trigger のパワーを計算しておき，Triggerさらに 3 メートルになると非常に低くなる．実験により，のパワーが最大となるフレームを選択するようにしている．

1.5 メートル以内の距離では信頼できる誤りの少ない通信

3. 評価
駅アナウンス音声にアナウンス内容のテキスト情報を文字コード（Shift－JIS）として埋め込み，情報を取り出すが実現できていることが分かった．一方，2 メートル以上になると正解率が半分ぐらい低くなり，1 ビットの誤り率がたくさん増えている．誤り訂正の修正を前提とすると 3.5メートルまで信頼できると考えられる．

評価実験を行った．音データの収録はスピーカーとモバイ

収録音声の分析により，閾値の設定が不適切であること

ル端末との距離を 0.5 メートルから 3.5 メートルまで変化から正しくデコードされない例があることが分かった．まさせ，簡易防音室で行った．埋め込んだテキストは図 3 にた，距離が離れることにより，信号のパワーが減衰し，雑示す 4 つの発話で，合計 116 個の文字から成り，3 回繰り音の影響も大きくなると考えられる．

返して収録した．収録した音声を PC 側で分析し，正しくデコードできた文字の数を集計した．
各距離において 3 つの音声から集計したデータを平均し，4. 応用システムの試作2 章で述べた情報通信技術を用い，Android 上で音信号に距離により埋め込んだ 11 ビット正解率と 10 ビット正解率

埋め込んだテキスト情報をデコードして表示するシステム

を図 4 に示す．パケットの定義により 1 パケットが 11 ビッを試作した．

ト（情報 8 ビットと制御 3 ビット）を含めている．そのた© 2015 Information Processing Society of Japan

図 5 は，実装されたアプリケーションのスナップショッ

915

図 4Figure 4

歌詞表示システムの表示例

An example of the lyrics display system

5. おわりに非可聴域の高周波帯域に情報を埋め込み，Android 上で図 5実装したアプリケーションのスナップショット開発したアプリケーションによって，埋め込んだ情報を端Figure 5末に表示するシステムを試作した．評価実験の結果，正解

Snapshot of the implemented system

率はスピーカーとの距離が増加するにつれて下がることがトを示す．アプリケーションには，操作用のボタンとしてわかった．その原因として，閾値の設定が不適切であるこ

情報をリセットする「Clear」ボタン（左上）とデコードをとや雑音の影響があると考えられる．今後の課題として，開始・終了するボタン（左下・右下）が実装されている．

より精度の高い閾値の設定や，頑健性を向上させることを波形窓（中上）はリアルタイムの音信号の波形を表示する．

検討したい．

スペクトル窓（中）はリアルタイムの通信に用いる帯域のパワースペクトルを表示している．開始ボタンを押すと，デコードが始まり，デコードされた文字テキストが「アナ参考文献

ウンス」窓に映され，同時に「履歴」窓に保存されておく．

1) 森勢将雅，山下洋一：“モスキート音に基づく電子透かしを用いた歌詞連動型音楽試聴システムの提案”，情報処理学会研究報告，2012-MUS-96，4，pp．1−6，2012．
2) 高橋弘宜，西村竜一，鈴木陽一：“エコー拡散法を用いた電子透かし信号への不可逆圧縮の影響”，日本音響学会研究発表会講演
論文集，2003（1），pp．793−794，2003．
3) 西村竜一，鈴木陽一：“周期的位相変調に基づく音響電子透かし”，日本音響学会誌，60−5，pp．268−272，2004．
4) 西村明，坂本真一：“音響データハイディングを用いるスピーカ再生音と同期した情報呈示システム”，電子情報通信学会論文誌，
J93−A，2，pp．91−99，2010．
5) 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（D−Ⅱ），J83−D−Ⅱ，11，pp．2255−2263，2000．
6) M.R. Schroeder, “Synthesis of low-speak-factor signals and binary
sequences with low auto-correlation”, IEEE Trans. Information Theory,
Vol. 16, No. 1, pp. 85-89, 1970.
7) Gruhl. D, Lu. A and Bender. W : “Echo Hiding”, Proc. Information
Hiding 1st Workshop, pp. 295-315，1996.
8) 松岡保静：“サブバンド位相シフトを用いた音響電子透かし埋め込み法”，電子情報通信学会技術研究報告，EA，応用音響，106(205)，7-11，2006-08-03．
9) 鵜木祐史，羽二生篤，小杉敏三[他]，宮内良太：“音声信号への蝸牛遅延特性を利用した情報ハイディングの検討”，電子情報通信学会技術研究報告. EA， 応用音響 110(71)， 31-36， 2010-06-03．
10) Boney. L, Tewfik. H. H and Hamdy. K. N : “Digital watermarksfor audio signals”, Proc. ICMCS, pp. 473-480，1996.

「履歴」枠にスクロール操作で隠れた結果を見ることもできる．
情報を埋め込んだコンテンツとして，駅でのアナウンスにアナウンス内容のテキストを埋め込んだ音声と歌詞を埋め込んだ楽曲を作成した．
駅のような騒々しい場所で重要なアナウンス通知を聞き取れない場合があるため，駅アナウンスを埋め込むコンテンツとして実装した．駅アナウンスの内容は図 3 のような発話となっている．本実装により，音声が流される直前からアナウンス内容のテキストを表示することで，喧騒な環境や短時間しか聞けない場合や外国人の場合などの原因で聞き取りにくい時においても最低限の情報を与えることができる．また，既知の音声を聞く際も，音声を聞きながら内容を確認する効果が期待される．
一方，人間で歌唱が困難とされるほど高速である「初音ミクの消失」に対して歌詞を埋め込むコンテンツとする実装を行った．デコードされた文字テキストの例を図 4 に示
す．初音ミクの消失では，1 秒間に 9 文字程度の歌詞を表示する必要があることから，求められる通信速度の下限は144bps（9×16bit）となる．本手法では，最大で 229.7bpsの転送レートが得られるため，この条件を満たしている．

© 2015 Information Processing Society of Japan916