JP4911385B2 - Data communication method, data communication system, and data communication program - Google Patents
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Description
本発明は、データ通信方法、データ通信システムおよびデータ通信プログラムに関する。 The present invention relates to a data communication method, a data communication system, and a data communication program.
従来、IP(Internet Protocol)ネットワークを利用したVoIP(Voice over IP)のような、広帯域ネットワークでの音声通信において、情報隠蔽技術を用いた高付加価値なデータ通信方法が提案されている。なお、情報隠蔽技術とは、伝送量を全く変えることなく情報を付与することが可能であり、音質も大きく損ねることがない技術である。また、VoIPにおいては、音声符号化方式として、音声を対数量子化して圧縮するlog−PCM(Pulse Code Modulation:パルス符号変調)が最もよく用いられている(例えば、非特許文献1参照)。 Conventionally, a high value-added data communication method using an information concealment technique has been proposed in voice communication over a broadband network such as VoIP (Voice over IP) using an IP (Internet Protocol) network. Note that the information concealment technique is a technique that can give information without changing the transmission amount at all and does not greatly impair the sound quality. In VoIP, log-PCM (Pulse Code Modulation) that compresses speech by logarithmically quantizing speech is most often used as a speech coding method (see, for example, Non-Patent Document 1).
情報隠蔽方式の中で、もっとも古典的で情報を多量に埋め込むことができる手法として、最下位ビット置換法(Least Significant Bit
Substitution Method、以下「LSB置換法」という)がある。一般に、PCMなどの信号の振幅を表すビットにおいては、最下位ビットが変化することによる影響は小さいため、LSB置換法では、最下位ビットを伝送したいビットに置換することにより情報を埋め込んでいる。このため、LSB置換法は、サンプリング周波数と同じ埋め込み量となる。
Least Significant Bit (Least Significant Bit) is the most classic method of information concealment that can embed a large amount of information.
Substitution Method (hereinafter referred to as “LSB substitution method”). In general, in a bit representing the amplitude of a signal such as PCM, since the influence of changing the least significant bit is small, the LSB replacement method embeds information by replacing the least significant bit with a bit to be transmitted. For this reason, the LSB replacement method has the same embedding amount as the sampling frequency.
LSB置換法をリニアPCMに適用する場合には、置換によって生じる歪み量は振幅値に関わらず一定となる。しかし、log−PCMに対して埋め込む場合、振幅が大きくなるほど粗く量子化されるため、置換により生じる歪み量が大きくなり、音質劣化が大きくなるという問題がある。 When the LSB replacement method is applied to linear PCM, the amount of distortion caused by the replacement is constant regardless of the amplitude value. However, in the case of embedding in log-PCM, since the quantization is coarser as the amplitude increases, there is a problem that the amount of distortion caused by the replacement increases and the sound quality deterioration increases.
この問題を解決するために、振幅の小さいサンプルのみに埋め込む選択的埋め込み方式が提案されている(例えば、非特許文献2または特許文献1参照)。選択的埋め込み方式では、まずサンプル列をフレームに区切り、フレーム内のサンプルの絶対値を昇順にソートする。そして、振幅の小さいサンプルからある個数までの最下位ビットに対しLSB置換法を行った後、置換されたサンプルを元の順序に戻して伝送する。振幅の大きい部分にはLSB置換法を行わないため、生じる歪みを軽減することができる。また、埋め込む量は、1フレーム内の操作に用いるサンプル数により変更でき、1フレーム内の全てのサンプルを用いる場合にはLSB置換法と等しくなる。 In order to solve this problem, a selective embedding method for embedding only in a sample having a small amplitude has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 2 or Patent Document 1). In the selective embedding method, the sample sequence is first divided into frames, and the absolute values of the samples in the frame are sorted in ascending order. Then, the LSB replacement method is performed on the least significant bits from a sample having a small amplitude to a certain number, and then the replaced samples are transmitted back to the original order. Since the LSB replacement method is not performed on the portion having a large amplitude, the generated distortion can be reduced. The amount to be embedded can be changed according to the number of samples used for the operation in one frame, and is equal to the LSB replacement method when all the samples in one frame are used.
なお、VoIPにおける他の音声符号化方式として、ADPCM(Adaptive Differential Pulse Code Modulation:適応差分パルス符号変調)がある(例えば、非特許文献3参照)。ADPCMでは、過去のサンプルなどから現時刻のサンプルの聴覚的な歪み許容量を推定し、それに応じて量子化幅を適応的に変化させている。 Note that there is ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation) as another voice coding method in VoIP (for example, see Non-Patent Document 3). In ADPCM, an auditory distortion tolerance of a sample at the current time is estimated from a past sample or the like, and the quantization width is adaptively changed accordingly.
log−PCMに対して、非特許文献2または特許文献1に記載された選択的埋め込み方式を適用した場合、サンプルを置換することにより生じる歪みを小さくすることはできるが、人が知覚したときに、置換したサンプルの音質が実際に劣化しているかどうかは不明であるという課題があった。すなわち、振幅が大きいサンプルほど、置換を行うことにより生じる歪みは大きくなるが、マスキングなどの人の聴覚的な特性により、この歪みが常に人に知覚されているとは限らず、逆に、振幅が小さいサンプルを置換した場合であっても、人に知覚されることもありえる。 When the selective embedding method described in Non-Patent Document 2 or Patent Document 1 is applied to log-PCM, distortion caused by replacing a sample can be reduced. There is a problem that it is unclear whether the sound quality of the replaced sample is actually deteriorated. In other words, the greater the amplitude of the sample, the greater the distortion caused by the replacement. However, this distortion is not always perceived by humans due to human auditory characteristics such as masking. Even if a small sample is replaced, it can be perceived by humans.
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、情報を埋め込んだデータの品質劣化を、人の検知限度内に抑制することができるデータ通信方法、データ通信システムおよびデータ通信プログラムを提供することを目的としている。 The present invention has been made paying attention to such a problem, and provides a data communication method, a data communication system, and a data communication program capable of suppressing deterioration of quality of data embedded with information within a human detection limit. It is intended to provide.
上記目的を達成するために、本発明者等は、所定のデータに情報を埋め込むとき、サンプルを置換することにより生じる歪み量が、人が検知できない範囲内、すなわち人の検知限度内であるかどうかを判定することで、置換可能の判定を行う方法を検討した。その結果、本発明者等は、実際に通信を行う符号化手段より高い圧縮率を有する符号化手段を利用することにより、歪み量が検知限の範囲内かどうかを判定する方法を見出した。 In order to achieve the above object, the present inventors, when embedding information in predetermined data, confirm that the amount of distortion caused by replacing a sample is within a range that cannot be detected by humans, that is, within human detection limits. We examined a method for determining whether or not replacement is possible. As a result, the present inventors have found a method for determining whether or not the amount of distortion is within the detection limit by using an encoding unit having a higher compression rate than the encoding unit that actually performs communication.
すなわち、本発明に係るデータ通信方法は、所定のデータを第1符号化方式により1サンプルあたり複数ビットのデジタル信号に符号化する符号化ステップと、前記デジタル信号の各サンプルごとに、一部のビットにいかなる情報を埋め込んでも、その情報を埋め込んだサンプルに基づくデータを前記第1符号化方式より高い圧縮率を有する第2符号化方式により符号化した信号が、情報を埋め込む前のサンプルに基づくデータを前記第2符号化方式により符号化した信号と同じ信号になるとき、前記一部のビットに補助情報を埋め込む埋込ステップと、各サンプルを送信する送信ステップと、送信された各サンプルを受信する受信ステップと、受信された各サンプルから、埋め込まれた前記補助信号を抽出する抽出ステップと、前記第1符号化方式に基づいて各サンプルを復号する復号ステップとを、有することを特徴とする。 That is, in the data communication method according to the present invention, an encoding step for encoding predetermined data into a digital signal having a plurality of bits per sample by the first encoding method, and a part of the digital signal for each sample. Whatever information is embedded in the bit, a signal obtained by encoding data based on the sample in which the information is embedded by the second encoding method having a higher compression rate than the first encoding method is based on the sample before the information is embedded. When data becomes the same signal as the signal encoded by the second encoding method, an embedding step of embedding auxiliary information in the partial bits, a transmitting step of transmitting each sample, and each transmitted sample A receiving step for receiving; an extracting step for extracting the embedded auxiliary signal from each received sample; and the first code And a decoding step of decoding each sample based on the scheme, characterized in that it has.
また、本発明に係るデータ通信システムは、所定のデータを第1符号化方式により1サンプルあたり複数ビットのデジタル信号に符号化する符号化手段と、前記デジタル信号の各サンプルごとに、一部のビットにいかなる情報を埋め込んでも、その情報を埋め込んだサンプルに基づくデータを前記第1符号化方式より高い圧縮率を有する第2符号化方式により符号化した信号が、情報を埋め込む前のサンプルに基づくデータを前記第2符号化方式により符号化した信号と同じ信号になるとき、前記一部のビットに補助情報を埋め込む埋込手段と、各サンプルを送信する送信手段と、送信された各サンプルを受信する受信手段と、受信された各サンプルから、埋め込まれた前記補助信号を抽出する抽出手段と、前記第1符号化方式に基づいて各サンプルを復号する復号手段とを、有することを特徴とする。 Further, the data communication system according to the present invention includes an encoding unit that encodes predetermined data into a digital signal having a plurality of bits per sample by the first encoding method, and a part of the digital signal for each sample. Whatever information is embedded in the bit, a signal obtained by encoding data based on the sample in which the information is embedded by the second encoding method having a higher compression rate than the first encoding method is based on the sample before the information is embedded. When data becomes the same signal as the signal encoded by the second encoding method, an embedding unit that embeds auxiliary information in the partial bits, a transmitting unit that transmits each sample, and each transmitted sample Receiving means for receiving, extracting means for extracting the embedded auxiliary signal from each received sample, and each based on the first encoding method A decoding means for decoding the sample, characterized in that it has.
本発明に係るデータ通信プログラムは、コンピュータを、所定のデータを第1符号化方式により1サンプルあたり複数ビットのデジタル信号に符号化する符号化手段と、前記デジタル信号の各サンプルごとに、一部のビットにいかなる情報を埋め込んでも、その情報を埋め込んだサンプルに基づくデータを前記第1符号化方式より高い圧縮率を有する第2符号化方式により符号化した信号が、情報を埋め込む前のサンプルに基づくデータを前記第2符号化方式により符号化した信号と同じ信号になるとき、前記一部のビットに補助情報を埋め込む埋込手段と、各サンプルを送信する送信手段と、送信された各サンプルを受信する受信手段と、受信された各サンプルから、埋め込まれた前記補助信号を抽出する抽出手段と、前記第1符号化方式に基づいて各サンプルを復号する復号手段として、機能させることを特徴とする。 The data communication program according to the present invention includes a computer that encodes predetermined data into a digital signal having a plurality of bits per sample by the first encoding method, and a part of each digital signal sample. No matter what information is embedded in the bits, a signal obtained by encoding data based on the sample in which the information is embedded by the second encoding method having a higher compression rate than the first encoding method is used as a sample before the information is embedded. Embedding means for embedding auxiliary information in the some bits, transmitting means for transmitting each sample, and each transmitted sample when the data based on the second encoding method becomes the same signal Receiving means, extracting means for extracting the embedded auxiliary signal from each received sample, and the first encoding method As a decoding means for decoding each sample based, characterized in that to function.
本発明に係るデータ通信方法、データ通信システムおよびデータ通信プログラムでは、情報を埋め込んだサンプルを、第1符号化方式より高い圧縮率を有する第2符号化方式により符号化した信号が、情報を埋め込んでいないサンプルを第2符号化方式により符号化した信号と同じであれば、許容歪み範囲内であると判断している。このとき、高圧縮率の第2符号化方式でデータ通信を行った場合には、埋め込んだ情報の有無に関わらず、同じ信号が得られるため、第2符号化方式の圧縮率のレベルでは、データの品質の劣化が生じていないことになる。このため、人の検知限度内となる圧縮率レベルの第2符号化方式を利用することにより、情報を埋め込んだときに生じる歪み量によるデータの品質劣化を、人の検知限度内に抑えることができる。 In the data communication method, the data communication system, and the data communication program according to the present invention, a signal obtained by encoding a sample in which information is embedded by a second encoding method having a higher compression rate than the first encoding method is embedded. If it is the same as the signal obtained by encoding the non-sampled sample by the second encoding method, it is determined that the sample is within the allowable distortion range. At this time, when data communication is performed using the second encoding method with a high compression rate, the same signal is obtained regardless of the presence or absence of embedded information. Therefore, at the level of the compression rate of the second encoding method, This means that the data quality has not deteriorated. For this reason, by using the second encoding method with a compression rate level that falls within the human detection limit, it is possible to suppress data quality degradation due to the amount of distortion that occurs when information is embedded within the human detection limit. it can.
本発明に係るデータ通信方法、データ通信システムおよびデータ通信プログラムで、情報を埋め込むビットは、サンプル中のいかなる位置のビットでもよく、例えば、サンプルの下位の複数ビットから成り、場合に応じて埋め込む下位ビット数を変化させてもよい。通信するデータは、音声データなど、いかなるデータであってもよい。また、埋め込む情報も、いかなる情報であってもよい。なお、圧縮率は、デジタル信号が単位時間当たりに転送されるデータ量を指すビットレートで指定され、ビットレートが大きいほど高く、ビットレートが小さいほど低い。 In the data communication method, the data communication system, and the data communication program according to the present invention, the bit in which information is embedded may be a bit at any position in the sample. The number of bits may be changed. The data to be communicated may be any data such as voice data. The information to be embedded may be any information. The compression rate is specified by a bit rate indicating the amount of data transferred per unit time of the digital signal. The compression rate is higher as the bit rate is higher and lower as the bit rate is lower.
本発明に係るデータ通信方法で、前記埋込ステップは、前記デジタル信号の各サンプルごとに、前記一部のビットを0にしたサンプルに基づくデータを前記第2符号化方式により符号化した信号と、前記一部のビットを1にしたサンプルに基づくデータを前記第2符号化方式により符号化した信号とが同じ信号になるとき、前記一部のビットに補助情報を埋め込み、前記抽出ステップは、受信された各サンプルごとに、前記一部のビットを0にしたサンプルに基づくデータを前記第2符号化方式により符号化した信号と、前記一部のビットを1にしたサンプルに基づくデータを前記第2符号化方式により符号化した信号とが同じ信号になるとき、前記一部のビットから前記補助情報を抽出することが好ましい。 In the data communication method according to the present invention, the embedding step includes, for each sample of the digital signal, a signal obtained by encoding data based on a sample in which the partial bits are set to 0 by the second encoding method. , When the data based on the sample obtained by setting the partial bits to 1 is the same signal as the signal encoded by the second encoding method, auxiliary information is embedded in the partial bits, and the extraction step includes: For each received sample, a signal obtained by encoding data based on a sample in which some of the bits are set to 0 using the second encoding method, and data based on the sample in which the set of some bits is set to 1 When the signal encoded by the second encoding method is the same signal, the auxiliary information is preferably extracted from the partial bits.
本発明に係るデータ通信システムで、前記埋込手段は、前記デジタル信号の各サンプルごとに、前記一部のビットを0にしたサンプルに基づくデータを前記第2符号化方式により符号化した信号と、前記一部のビットを1にしたサンプルに基づくデータを前記第2符号化方式により符号化した信号とが同じ信号になるとき、前記一部のビットに補助情報を埋め込み、前記抽出手段は、受信された各サンプルごとに、前記一部のビットを0にしたサンプルに基づくデータを前記第2符号化方式により符号化した信号と、前記一部のビットを1にしたサンプルに基づくデータを前記第2符号化方式により符号化した信号とが同じ信号になるとき、前記一部のビットから前記補助情報を抽出することが好ましい。 In the data communication system according to the present invention, the embedding means includes, for each sample of the digital signal, a signal obtained by encoding data based on a sample in which the partial bits are set to 0 by the second encoding method. , When the data based on the sample in which the partial bits are set to 1 is the same signal as the signal encoded by the second encoding method, auxiliary information is embedded in the partial bits, and the extraction unit includes: For each received sample, a signal obtained by encoding data based on a sample in which some of the bits are set to 0 using the second encoding method, and data based on the sample in which the set of some bits is set to 1 When the signal encoded by the second encoding method is the same signal, the auxiliary information is preferably extracted from the partial bits.
本発明に係るデータ通信プログラムで、前記埋込手段は、前記デジタル信号の各サンプルごとに、前記一部のビットを0にしたサンプルに基づくデータを前記第2符号化方式により符号化した信号と、前記一部のビットを1にしたサンプルに基づくデータを前記第2符号化方式により符号化した信号とが同じ信号になるとき、前記一部のビットに補助情報を埋め込み、前記抽出手段は、受信された各サンプルごとに、前記一部のビットを0にしたサンプルに基づくデータを前記第2符号化方式により符号化した信号と、前記一部のビットを1にしたサンプルに基づくデータを前記第2符号化方式により符号化した信号とが同じ信号になるとき、前記一部のビットから前記補助情報を抽出することが好ましい。 In the data communication program according to the present invention, the embedding means includes, for each sample of the digital signal, a signal obtained by encoding data based on a sample in which the partial bits are set to 0 by the second encoding method. , When the data based on the sample in which the partial bits are set to 1 is the same signal as the signal encoded by the second encoding method, auxiliary information is embedded in the partial bits, and the extraction unit includes: For each received sample, a signal obtained by encoding data based on a sample in which some of the bits are set to 0 using the second encoding method, and data based on the sample in which the set of some bits is set to 1 When the signal encoded by the second encoding method is the same signal, the auxiliary information is preferably extracted from the partial bits.
この一部のビットを0または1にする場合、一部のビットを0にしたときと1にしたときとでサンプルの値が最も離れるため、それらを第2符号化方式で符号化した信号が同じ信号になるとき、そのビットにいかなる情報を埋め込んでも許容歪み範囲内であると判定することができる。また、抽出手段により、受信された各サンプルのみから埋め込み判定を行って補助情報を抽出することができ、原信号を必要としないブラインド検出が可能である。 When some of these bits are set to 0 or 1, the sample values are most distant between when some of the bits are set to 0 and when they are set to 1, so that a signal obtained by encoding them using the second encoding method is When the same signal is obtained, it can be determined that any information is embedded in the bit and that it is within the allowable distortion range. Further, the extraction means can perform the embedding determination only from each received sample to extract the auxiliary information, and the blind detection that does not require the original signal is possible.
本発明に係るデータ通信方法で、前記所定のデータは音声情報を符号化したPCM信号から成り、前記第1符号化方式は前記PCM信号を対数量子化する手段から成り、前記第2符号化方式は前記PCM信号を圧縮可能なADPCMから成ることが好ましい。 In the data communication method according to the present invention, the predetermined data includes a PCM signal obtained by encoding voice information, the first encoding method includes means for logarithmically quantizing the PCM signal, and the second encoding method. Preferably comprises ADPCM capable of compressing the PCM signal.
本発明に係るデータ通信システムで、前記所定のデータは音声情報を符号化したPCM信号から成り、前記第1符号化方式は前記PCM信号を対数量子化する手段から成り、前記第2符号化方式は前記PCM信号を圧縮可能なADPCMから成ることが好ましい。 In the data communication system according to the present invention, the predetermined data includes a PCM signal obtained by encoding speech information, the first encoding method includes means for logarithmically quantizing the PCM signal, and the second encoding method. Preferably comprises ADPCM capable of compressing the PCM signal.
本発明に係るデータ通信プログラムで、前記所定のデータは音声情報を符号化したPCM信号から成り、前記第1符号化方式は前記PCM信号を対数量子化する手段から成り、前記第2符号化方式は前記PCM信号を圧縮可能なADPCMから成ることが好ましい。 In the data communication program according to the present invention, the predetermined data includes a PCM signal obtained by encoding speech information, the first encoding method includes means for logarithmically quantizing the PCM signal, and the second encoding method. Preferably comprises ADPCM capable of compressing the PCM signal.
この音声情報に基づくデータを通信する場合、VoIPなどの音声データ通信の情報隠蔽技術として利用することができ、情報を埋め込んだ音声データの音質劣化を、人の検知限度内に抑制することができる。また、音声符号化方式として一般的な、PCM信号を対数量子化して圧縮するlog−PCMやADPCMを利用して、容易に実現することができる。 When data based on this voice information is communicated, it can be used as an information concealment technique for voice data communication such as VoIP, and the sound quality degradation of voice data embedded with information can be suppressed within the human detection limit. . In addition, it can be easily realized by using log-PCM or ADPCM, which is a common speech coding method and compresses a logarithmically quantized PCM signal.
本発明に係るデータ通信方法は、符号化ステップにより符号化されたデジタル信号の各サンプルごとに、その値が所定の値より小さいとき、一部のビットに補助情報を埋め込む微小区間埋込ステップと、受信ステップにより受信された各サンプルごとに、その値が所定の値より小さいとき、一部のビットから補助情報を抽出する微小区間抽出ステップとを有し、所定の値より大きい値のサンプルに対して埋込ステップおよび抽出ステップを実行してもよい。
本発明に係るデータ通信システムは、符号化手段により符号化されたデジタル信号の各サンプルごとに、その値が所定の値より小さいとき、一部のビットに補助情報を埋め込む微小区間埋込手段と、受信手段により受信された各サンプルごとに、その値が所定の値より小さいとき、一部のビットから補助情報を抽出する微小区間抽出手段とを有し、所定の値より大きい値のサンプルに対して埋込手段および抽出手段を実行してもよい。
本発明に係るデータ通信プログラムは、符号化手段により符号化されたデジタル信号の各サンプルごとに、その値が所定の値より小さいとき、一部のビットに補助情報を埋め込む微小区間埋込手段と、受信手段により受信された各サンプルごとに、その値が所定の値より小さいとき、一部のビットから補助情報を抽出する微小区間抽出手段とを有し、所定の値より大きい値のサンプルに対して埋込手段および抽出手段を実行してもよい。
この微小区間に補助情報を埋め込む場合、サンプルの値が所定の値より小さい微小区間には、有効なデータが含まれていないため、データの品質劣化を気にすることなく補助情報を埋め込むことができる。これにより、埋め込む補助情報の量を増やすことができる。
The data communication method according to the present invention includes a micro-interval embedding step for embedding auxiliary information in some bits when the value is smaller than a predetermined value for each sample of the digital signal encoded by the encoding step. Each of the samples received by the receiving step has a minute interval extracting step for extracting auxiliary information from a part of bits when the value is smaller than a predetermined value. The embedding step and the extracting step may be performed on the same.
The data communication system according to the present invention includes a micro-interval embedding unit that embeds auxiliary information in a part of bits when the value of each sample of the digital signal encoded by the encoding unit is smaller than a predetermined value. Each of the samples received by the receiving means has a minute section extracting means for extracting auxiliary information from some bits when the value is smaller than a predetermined value, and samples having a value larger than the predetermined value Alternatively, embedding means and extraction means may be executed.
A data communication program according to the present invention includes a micro-interval embedding unit that embeds auxiliary information in a part of bits when the value of each sample of the digital signal encoded by the encoding unit is smaller than a predetermined value. Each of the samples received by the receiving means has a minute section extracting means for extracting auxiliary information from some bits when the value is smaller than a predetermined value, and samples having a value larger than the predetermined value Alternatively, embedding means and extraction means may be executed.
When the auxiliary information is embedded in this minute section, since the valid data is not included in the minute section whose sample value is smaller than the predetermined value, it is possible to embed the auxiliary information without worrying about data quality deterioration. it can. Thereby, the amount of auxiliary information to be embedded can be increased.
本発明によれば、情報を埋め込んだデータの品質劣化を、人の検知限度内に抑制することができるデータ通信方法、データ通信システムおよびデータ通信プログラムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the data communication method, data communication system, and data communication program which can suppress the quality degradation of the data which embedded information within the human detection limit can be provided.
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図1乃至図5は、本発明の実施の形態のデータ通信方法、データ通信システムおよびデータ通信プログラムを示している。なお、本発明の実施の形態のデータ通信システムは、本発明の実施の形態のデータ通信プログラムを使用して、本発明の実施の形態のデータ通信方法を実施可能である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 5 show a data communication method, a data communication system, and a data communication program according to an embodiment of the present invention. The data communication system according to the embodiment of the present invention can implement the data communication method according to the embodiment of the present invention by using the data communication program according to the embodiment of the present invention.
図1に示すように、本発明の実施の形態のデータ通信方法、データ通信システムおよびデータ通信プログラムは、音声情報を符号化したlog−PCMのデータに対して情報隠蔽技術を用いることにより、下位互換性を保ちつつ、高付加価値な音声通信方式を可能とするものである。
図2および図3に示すように、本発明の実施の形態のデータ通信システムは、符号化手段11と埋込手段12と送信手段(図示せず)と受信手段(図示せず)と抽出手段13と復号手段14とを有している。
As shown in FIG. 1, the data communication method, the data communication system, and the data communication program according to the embodiment of the present invention use the information concealment technique for the log-PCM data in which voice information is encoded. This enables a high-value-added voice communication system while maintaining compatibility.
As shown in FIGS. 2 and 3, the data communication system according to the embodiment of the present invention includes an encoding means 11, an embedding
図2に示すように、符号化手段11は、log-PCM Encoderから成り、PCM信号xlinをいわゆるlog−PCMにより対数量子化して、1サンプルあたり8ビットのデジタル信号xlogに符号化するようになっている。なお、PCM信号xlinは、アナログの音声情報を、あらかじめ14ビットのデジタル信号に符号化したものである。また、log−PCMが、第1符号化方式を成している。 As shown in FIG. 2, the encoding means 11 is composed of a log-PCM encoder, and the PCM signal x lin is logarithmically quantized by so-called log-PCM so as to be encoded into a digital signal x log of 8 bits per sample. It has become. The PCM signal x lin is obtained by encoding analog audio information into a 14-bit digital signal in advance. In addition, log-PCM constitutes the first encoding method.
図2に示すように、埋込手段12は、埋め込み判定部21と埋込部(Embedder)22とを有している。埋め込み判定部21は、符号化手段11で符号化されたデジタル信号xlogの各サンプルごとに、以下の手順で補助情報を埋め込み可能かどうかの判定を行うようになっている。まず、8ビットの各サンプルごとに、下位のnビット(nは8以下の所定の整数)を0に置換したサンプルxlog0を作成し、そのサンプルxlog0を一旦PCM信号に戻してから、ADPCM Encoder23によりADPCMで符号化して符号化値I0を算出する。また、同じサンプルxlogの下位のnビットを1に置換したサンプルxlog1を作成し、そのサンプルxlog1を一旦PCM信号に戻してから、ADPCM Encoder23によりADPCMで符号化して符号化値I1を算出する。符号化値I0と符号化値I1とが同じ値(I0=I1)のとき、埋め込み可能であると判定し、異なる値(I0≠I1)のとき、埋め込み不可であると判定する。
As illustrated in FIG. 2, the embedding
埋込手段12は、埋め込み判定部21で埋め込み可能であると判定された場合、埋込部22でそのサンプルの下位のnビットに補助情報を埋め込み、埋込サンプルxembを作成するようになっている。埋め込み判定部21で埋め込み不可であると判定された場合には、同じサンプルのn−1ビットに対して、埋め込み判定部21により同様の判定を行う。埋め込み可能と判定されるまで、下位ビットの数を減らしながら同様の判定を行う。最下位ビットに対しても埋め込み不可と判定された場合には、そのサンプルには埋め込みは行わず、そのまま埋込サンプルxembとする。なお、ADPCM Encoder23は過去の信号に依存して符号化を行うことから、ADPCM Encoder23に用いる過去信号として、埋め込みを行った後の埋込サンプルxembを使用している。また、ADPCMが、第2符号化方式を成している。
When the embedding
送信手段は、埋込手段12を経た各埋込サンプルxembを、IPネットワークなどの広帯域ネットワークを介して送信するようになっている。
受信手段は、送信手段から送信された各埋込サンプルxembを、IPネットワークなどの広帯域ネットワークを介して受信するようになっている。
The transmission means transmits each embedded sample x emb which has passed through the embedding means 12 via a broadband network such as an IP network.
The receiving means receives each embedded sample x emb transmitted from the transmitting means via a broadband network such as an IP network.
図3に示すように、抽出手段13は、埋め込み判定部24と抽出部(Detecter)25とを有している。埋め込み判定部24は、受信手段で受信された各埋込サンプルxembごとに、以下の手順で補助情報が埋め込まれているかどうかの判定を行うようになっている。まず、8ビットの各埋込サンプルxembごとに、下位のnビット(nは8以下の所定の整数)を0に置換したサンプルxlog0を作成し、そのサンプルxlog0を一旦PCM信号に戻してから、ADPCM Encoder26によりADPCMで符号化して符号化値I0を算出する。また、同じサンプルxlogの下位のnビットを1に置換したサンプルxlog1を作成し、そのサンプルxlog1を一旦PCM信号に戻してから、ADPCM Encoder26によりADPCMで符号化して符号化値I1を算出する。符号化値I0と符号化値I1とが同じ値(I0=I1)のとき、埋め込み可能であると判定し、異なる値(I0≠I1)のとき、埋め込み不可であると判定する。
As illustrated in FIG. 3, the
抽出手段13は、埋め込み判定部24で埋め込み可能であると判定された場合、抽出部25でそのサンプルの下位のnビットを埋め込まれた補助情報(Hidden data)として抽出するようになっている。埋め込み判定部24で埋め込み不可であると判定された場合には、同じサンプルのn−1ビットに対して、埋め込み判定部24により同様の判定を行う。埋め込み可能と判定されるまで、下位ビットの数を減らしながら同様の判定を行う。最下位ビットに対しても埋め込み不可と判定された場合には、そのサンプルには補助情報は埋め込まれていないと判断し、抽出は行わない。なお、抽出手段13のADPCM Encoder26は過去の信号に依存して符号化を行うことから、ADPCM Encoder26に用いる過去信号として、受信手段で受信された埋込サンプルxembを使用している。
When it is determined by the
復号手段14は、log-PCM Decoderから成り、log−PCMに基づいて、抽出手段13を経た各埋込サンプルxembを、14ビットのPCM信号x’linに復号するようになっている。 The decoding means 14 comprises a log-PCM Decoder, and decodes each embedded sample x emb which has passed through the extracting means 13 into a 14-bit PCM signal x ′ lin based on log-PCM.
次に、作用について説明する。
本発明の実施の形態のデータ通信方法、データ通信システムおよびデータ通信プログラムでは、まず、音声情報に基づくPCM信号xlinを、符号化手段11によりlog−PCMで1サンプルあたり8ビットのデジタル信号xlogに符号化する。埋込手段12の埋め込み判定部21により、デジタル信号xlogの各サンプルごとに、補助情報を埋め込み可能かどうかの判定を行う。埋込手段12で下位のnビットを0に置換したサンプルxlog0と、1に置換したサンプルxlog1とで、その値が最も離れるため、それらをADPCMで符号化した信号が同じ信号になるとき、そのビットにいかなる情報を埋め込んでも許容歪み範囲内であると判定する。
Next, the operation will be described.
In the data communication method, the data communication system, and the data communication program according to the embodiment of the present invention, first, the PCM signal x lin based on the voice information is converted into a digital signal x of 8 bits per sample by log-PCM by the encoding means 11. Encode to log . The embedding
このとき、高圧縮率のADPCMでデータ通信を行った場合には、埋め込んだ情報の有無に関わらず、同じ信号が得られるため、ADPCMの圧縮率のレベルでは、データの品質の劣化が生じていないことになる。ADPCMの圧縮率レベルが人の検知限度内であると考えられるため、情報を埋め込んだときに生じる歪み量によるデータの品質劣化を、人の検知限度内に抑えることができる。 At this time, when data communication is performed using ADPCM with a high compression rate, the same signal is obtained regardless of the presence or absence of embedded information. Therefore, the quality of data is degraded at the ADPCM compression rate level. There will be no. Since the compression rate level of ADPCM is considered to be within the human detection limit, data quality degradation due to the amount of distortion caused when information is embedded can be suppressed within the human detection limit.
埋め込み判定部21により埋め込み可能であると判定された場合、埋込部22でそのサンプルに補助情報を埋め込む。埋込手段12を経た各埋込サンプルxembを、送信手段により、IPネットワークなどの広帯域ネットワークを介して送信する。送信された各埋込サンプルxembを、受信手段により、IPネットワークなどの広帯域ネットワークを介して受信する。
When the embedding
受信された各埋込サンプルxembごとに、抽出手段13の埋め込み判定部24により、埋込手段12の埋め込み判定部24と同様にして、補助情報が埋め込まれているかどうかの判定を行う。埋め込み可能であると判定された場合、抽出部25でそのサンプルから埋め込まれた補助情報(Hidden data)を抽出する。抽出手段13を経た各埋込サンプルxembを、復号手段14によりlog−PCMに基づいて、14ビットのPCM信号x’linに復号する。
For each received embedded sample x emb , the
このように、本発明の実施の形態のデータ通信方法、データ通信システムおよびデータ通信プログラムは、VoIPなどの音声データ通信の情報隠蔽技術として利用可能である。また、補助情報を埋め込んだ音声データの音質劣化を、人の検知限度内に抑制することができる。音声符号化方式として一般的な、PCM信号を対数量子化して圧縮するlog−PCMやADPCMを利用して、容易に実現することができる。 As described above, the data communication method, the data communication system, and the data communication program according to the embodiment of the present invention can be used as an information concealment technique for voice data communication such as VoIP. In addition, it is possible to suppress deterioration in sound quality of audio data in which auxiliary information is embedded within the human detection limit. It can be easily realized by using log-PCM or ADPCM, which is a common speech coding method, and logarithmically quantizes and compresses a PCM signal.
本発明の実施の形態のデータ通信方法、データ通信システムおよびデータ通信プログラムでは、抽出手段13でADPCM Encoder26を使用するとき、補助情報を埋め込んだ信号しか入手できないため、埋込手段12でADPCM Encoder23を使用するときにも、過去信号として埋め込みを行った後の埋込サンプルxembを使用している。これにより、抽出手段13でも、受信された埋込サンプルxembのみから埋め込み判定を行って補助情報を正確に抽出することができ、原信号を必要としないブラインド検出を行うことができる。
In the data communication method, data communication system, and data communication program of the embodiment of the present invention, when the
[性能評価実験]
本発明の実施の形態のデータ通信方法、データ通信システムおよびデータ通信プログラムの性能評価実験を行った。ADPCMは、32kbpsのものを使用した。音声情報として、NTTアドバンステクノロジ株式会社製の「音素バランス1000文」を用い、その内の10音声を使用した。埋め込む補助情報は、乱数により生成した。性能の評価は、埋め込むことができるビットレート、および埋め込んだ際に生じる音質劣化について行った。比較対象として、LSB置換法および選択的埋め込み方式について同様の性能評価を行った。音質劣化の評価手法として、PESQ(perceptual evaluation of speech quality;ITU-T P.862)を用いた。
[Performance evaluation experiment]
The performance evaluation experiment of the data communication method, the data communication system, and the data communication program according to the embodiment of the present invention was performed. The ADPCM used was 32 kbps. As speech information, “phoneme balance 1000 sentence” manufactured by NTT Advanced Technology Co., Ltd. was used, and 10 of them were used. The auxiliary information to be embedded was generated by random numbers. The performance was evaluated with respect to the bit rate that can be embedded and the deterioration of sound quality that occurs when embedding. For comparison, the same performance evaluation was performed for the LSB replacement method and the selective embedding method. PESQ (perceptual evaluation of speech quality; ITU-T P.862) was used as an evaluation method for sound quality degradation.
実験結果を、表1に示す。表1に示すように、本発明の実施の形態のデータ通信方法、データ通信システムおよびデータ通信プログラムは、PESQによる音質評価の結果、LSB置換法および選択的埋め込み方式と比べて、音質劣化が小さいことが確認された。また、選択的埋め込み方式の2000bpsの場合よりも少ない音質劣化で、約5500bpsを埋め込むことが可能であることが示された。このように、本発明の実施の形態のデータ通信方法、データ通信システムおよびデータ通信プログラムは、従来のLSB置換法および選択的埋め込み方式と比べ、音質劣化の抑制効果が優れているといえる。 The experimental results are shown in Table 1. As shown in Table 1, the data communication method, the data communication system, and the data communication program according to the embodiment of the present invention have less sound quality degradation than the LSB replacement method and the selective embedding method as a result of sound quality evaluation by PESQ. It was confirmed. Further, it was shown that it is possible to embed approximately 5500 bps with less sound quality degradation than in the case of 2000 bps of the selective embedding method. Thus, it can be said that the data communication method, the data communication system, and the data communication program according to the embodiment of the present invention have an excellent effect of suppressing sound quality degradation as compared with the conventional LSB replacement method and the selective embedding method.
図4および図5に、埋め込んだ音声信号の一部、および、この時埋め込まれたビット数を示す。なお、埋め込むビットは、下位の3ビット(n=3)までとした。図5に示すように、サンプルに応じて埋め込むビット数が変化していることが確認された。 4 and 5 show a part of the embedded audio signal and the number of bits embedded at this time. The bits to be embedded are limited to the lower 3 bits (n = 3). As shown in FIG. 5, it was confirmed that the number of bits to be embedded changed according to the sample.
本発明の実施の形態のデータ通信方法、データ通信システムおよびデータ通信プログラムでは、ADPCMを利用して埋め込み判定を行っているため、埋め込み後の音声は、ADPCMの音質へと近づいていく性質がある。ADPCMで符号化した音声をPESQで評価した結果、4.19であった。このことから、埋め込み判定部21により埋め込み可能と判定された下位のnビットを、どのような値で置換した場合でも、4.19より劣化しないといえる。
In the data communication method, data communication system, and data communication program of the embodiment of the present invention, since the embedding determination is performed using ADPCM, the sound after embedding has a property of approaching the sound quality of ADPCM. . As a result of evaluating the speech encoded by ADPCM using PESQ, it was 4.19. From this, it can be said that the lower n bits determined to be embeddable by the
なお、本発明の実施の形態のデータ通信方法、データ通信システムおよびデータ通信プログラムでは、ADPCMを利用して埋め込み判定を行っているが、ADPCMに限らず、他の符号化方式を用いる場合やマスキングなどの特性を模擬したモデルを用いる場合など、様々な判定方式が考えられる。 In the data communication method, data communication system, and data communication program according to the embodiment of the present invention, the embedding determination is performed using ADPCM. However, the present invention is not limited to ADPCM, and other encoding methods or masking are used. Various determination methods are conceivable, for example, when a model simulating characteristics such as these is used.
11 符号化手段
12 埋込手段
13 抽出手段
14 復号手段
21 埋め込み判定部
22 埋込部
23 ADPCM Encoder
24 埋め込み判定部
25 抽出部
26 ADPCM Encoder
DESCRIPTION OF
24 Embedding
Claims (9)
前記デジタル信号の各サンプルごとに、一部のビットにいかなる情報を埋め込んでも、その情報を埋め込んだサンプルに基づくデータを前記第1符号化方式より高い圧縮率を有する第2符号化方式により符号化した信号が、情報を埋め込む前のサンプルに基づくデータを前記第2符号化方式により符号化した信号と同じ信号になるとき、前記一部のビットに補助情報を埋め込む埋込ステップと、
各サンプルを送信する送信ステップと、
送信された各サンプルを受信する受信ステップと、
受信された各サンプルから、埋め込まれた前記補助信号を抽出する抽出ステップと、
前記第1符号化方式に基づいて各サンプルを復号する復号ステップとを、
有することを特徴とするデータ通信方法。 An encoding step of encoding predetermined data into a digital signal having a plurality of bits per sample by the first encoding method;
For each sample of the digital signal, no matter what information is embedded in some bits, data based on the sample in which the information is embedded is encoded by the second encoding method having a higher compression rate than the first encoding method. And when the signal becomes the same signal as the signal obtained by encoding the data based on the sample before the information is embedded by the second encoding method, the embedding step of embedding the auxiliary information in the part of the bits,
A sending step for sending each sample;
A receiving step for receiving each transmitted sample;
An extraction step of extracting the embedded auxiliary signal from each received sample;
Decoding each sample based on the first encoding scheme;
A data communication method comprising:
前記抽出ステップは、受信された各サンプルごとに、前記一部のビットを0にしたサンプルに基づくデータを前記第2符号化方式により符号化した信号と、前記一部のビットを1にしたサンプルに基づくデータを前記第2符号化方式により符号化した信号とが同じ信号になるとき、前記一部のビットから前記補助情報を抽出することを、
特徴とする請求項1記載のデータ通信方法。 In the embedding step, for each sample of the digital signal, a signal obtained by encoding data based on a sample in which the partial bits are set to 0 by the second encoding method, and setting the partial bits to 1. When the signal based on the sampled data encoded by the second encoding method is the same signal, auxiliary information is embedded in the some bits,
The extraction step includes, for each received sample, a signal obtained by encoding data based on a sample in which the partial bits are set to 0 by the second encoding method, and a sample in which the partial bits are set to 1. Extracting the auxiliary information from the part of bits when the signal based on the second encoding method is the same signal as the signal encoded by the second encoding method,
The data communication method according to claim 1, wherein:
前記第1符号化方式は前記PCM信号を対数量子化する手段から成り、
前記第2符号化方式は前記PCM信号を圧縮可能なADPCMから成ることを、
特徴とする請求項1または2記載のデータ通信方法。 The predetermined data includes a PCM signal obtained by encoding voice information,
The first encoding method comprises means for logarithmically quantizing the PCM signal,
The second encoding method comprises ADPCM capable of compressing the PCM signal.
The data communication method according to claim 1 or 2, characterized in that:
前記デジタル信号の各サンプルごとに、一部のビットにいかなる情報を埋め込んでも、その情報を埋め込んだサンプルに基づくデータを前記第1符号化方式より高い圧縮率を有する第2符号化方式により符号化した信号が、情報を埋め込む前のサンプルに基づくデータを前記第2符号化方式により符号化した信号と同じ信号になるとき、前記一部のビットに補助情報を埋め込む埋込手段と、
各サンプルを送信する送信手段と、
送信された各サンプルを受信する受信手段と、
受信された各サンプルから、埋め込まれた前記補助信号を抽出する抽出手段と、
前記第1符号化方式に基づいて各サンプルを復号する復号手段とを、
有することを特徴とするデータ通信システム。 Encoding means for encoding predetermined data into a digital signal having a plurality of bits per sample by the first encoding method;
For each sample of the digital signal, no matter what information is embedded in some bits, data based on the sample in which the information is embedded is encoded by the second encoding method having a higher compression rate than the first encoding method. When the signal becomes the same signal as the signal obtained by encoding the data based on the sample before the information is embedded by the second encoding method, the embedding means for embedding the auxiliary information in the partial bits,
A transmission means for transmitting each sample;
Receiving means for receiving each transmitted sample;
Extraction means for extracting the embedded auxiliary signal from each received sample;
Decoding means for decoding each sample based on the first encoding scheme;
A data communication system comprising:
前記抽出手段は、受信された各サンプルごとに、前記一部のビットを0にしたサンプルに基づくデータを前記第2符号化方式により符号化した信号と、前記一部のビットを1にしたサンプルに基づくデータを前記第2符号化方式により符号化した信号とが同じ信号になるとき、前記一部のビットから前記補助情報を抽出することを、
特徴とする請求項4記載のデータ通信システム。 The embedding means sets, for each sample of the digital signal, a signal obtained by encoding data based on a sample in which the partial bits are set to 0 by the second encoding method, and sets the partial bits to 1. When the signal based on the sampled data encoded by the second encoding method is the same signal, auxiliary information is embedded in the some bits,
For each received sample, the extraction means includes a signal obtained by encoding data based on a sample in which the partial bits are set to 0 by the second encoding method, and a sample in which the partial bits are set to 1. Extracting the auxiliary information from the part of bits when the signal based on the second encoding method is the same signal as the signal encoded by the second encoding method,
5. The data communication system according to claim 4, wherein
前記第1符号化方式は前記PCM信号を対数量子化する手段から成り、
前記第2符号化方式は前記PCM信号を圧縮可能なADPCMから成ることを、
特徴とする請求項4または5記載のデータ通信システム。 The predetermined data includes a PCM signal obtained by encoding voice information,
The first encoding method comprises means for logarithmically quantizing the PCM signal,
The second encoding method comprises ADPCM capable of compressing the PCM signal.
6. A data communication system according to claim 4, wherein the data communication system is characterized in that:
所定のデータを第1符号化方式により1サンプルあたり複数ビットのデジタル信号に符号化する符号化手段と、
前記デジタル信号の各サンプルごとに、一部のビットにいかなる情報を埋め込んでも、その情報を埋め込んだサンプルに基づくデータを前記第1符号化方式より高い圧縮率を有する第2符号化方式により符号化した信号が、情報を埋め込む前のサンプルに基づくデータを前記第2符号化方式により符号化した信号と同じ信号になるとき、前記一部のビットに補助情報を埋め込む埋込手段と、
各サンプルを送信する送信手段と、
送信された各サンプルを受信する受信手段と、
受信された各サンプルから、埋め込まれた前記補助信号を抽出する抽出手段と、
前記第1符号化方式に基づいて各サンプルを復号する復号手段として、
機能させることを特徴とするデータ通信プログラム。 Computer
Encoding means for encoding predetermined data into a digital signal having a plurality of bits per sample by the first encoding method;
For each sample of the digital signal, no matter what information is embedded in some bits, data based on the sample in which the information is embedded is encoded by the second encoding method having a higher compression rate than the first encoding method. When the signal becomes the same signal as the signal obtained by encoding the data based on the sample before the information is embedded by the second encoding method, the embedding means for embedding the auxiliary information in the partial bits,
A transmission means for transmitting each sample;
Receiving means for receiving each transmitted sample;
Extraction means for extracting the embedded auxiliary signal from each received sample;
As decoding means for decoding each sample based on the first encoding method,
A data communication program characterized by functioning.
前記抽出手段は、受信された各サンプルごとに、前記一部のビットを0にしたサンプルに基づくデータを前記第2符号化方式により符号化した信号と、前記一部のビットを1にしたサンプルに基づくデータを前記第2符号化方式により符号化した信号とが同じ信号になるとき、前記一部のビットから前記補助情報を抽出することを、
特徴とする請求項7記載のデータ通信プログラム。 The embedding means sets, for each sample of the digital signal, a signal obtained by encoding data based on a sample in which the partial bits are set to 0 by the second encoding method, and sets the partial bits to 1. When the signal based on the sampled data encoded by the second encoding method is the same signal, auxiliary information is embedded in the some bits,
For each received sample, the extraction means includes a signal obtained by encoding data based on a sample in which the partial bits are set to 0 by the second encoding method, and a sample in which the partial bits are set to 1. Extracting the auxiliary information from the part of bits when the signal based on the second encoding method is the same signal as the signal encoded by the second encoding method,
8. A data communication program according to claim 7, wherein:
前記第1符号化方式は前記PCM信号を対数量子化する手段から成り、
前記第2符号化方式は前記PCM信号を圧縮可能なADPCMから成ることを、
特徴とする請求項7または8記載のデータ通信プログラム。
The predetermined data includes a PCM signal obtained by encoding voice information,
The first encoding method comprises means for logarithmically quantizing the PCM signal,
The second encoding method comprises ADPCM capable of compressing the PCM signal.
The data communication program according to claim 7 or 8, characterized in that
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