CN104067632B - 指向性控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种指向性控制方法及装置，该指向性控制方法及装置可以使用接近配置的两个传声器(microphone)，将从任意方向传来的声音以少的运算量强调或压制后输出。利用交换电路(2)对每1样本交替地更换一对输入信号(InL)及(InR)，由此生成一对交换信号(InA)及(InB)，并利用系数更新电路(3)，对交换信号的一个(InB)乘上系数m之后，生成交换信号(InA)与(InB)的误差信号，运算包含误差信号的系数m的递推公式，对每1样本更新系数m。然后，将一对输入信号(InL)及(InR)乘以逐次更新的系数m后输出。

Description

指向性控制方法及装置
技术领域
本发明涉及一种拾音装置，该拾音装置使用接近配置的两个传声器(microphone)，对任意方向赋予指向性而输出声音。
背景技术
声音录音时，为了有效地收集目标声音，必须抑制杂音等目标声音周围的声音的输入。为了收集任意方向的声音，可以通过使用指向性传声器而清晰地收集目标声音。而且，还可以通过将间隔形成得较宽的立体声录音(stereophonic recording)等而制造出身临其境之感。多次提出如下方法：在集成电路(Integrated Circuit，IC)录音机(recorder)中，对两个传声器的输入信号进行处理，强调任意方向的声音或者压制除此以外的方向的声音而拾音。
例如，在专利文献1的发明中，判断根据接近配置的两个传声器的输入信号所输入的声音是否位于目标方向上，修正两个输入信号的相位差的差分，强调存在于目标方向上的声音。而且，在专利文献2的发明中，使两个输入信号彼此相互参考，并利用所获得的信号逐次更新滤波器(filter)。如果将此应用于从两个传声器输入的信号，那么便可以抽取并强调同相的声音。也就是说，可以强调来自规定方向的声音，而赋予指向性。
背景技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特表2009-135593号公报
专利文献2：日本专利特开2009-027388号公报
发明内容
[发明要解决的课题]
但是，为了响应根据情况而想要轻松愉快地进行录音的要求，IC录音机也正在推进小型化。在IC录音机小型化至可以携带的情况下，为用于立体声录音而配备的两个传声器接近配置。这样一来，所述两个传声器的距离短，因此，拾音时的相位差变得非常小，根据指向性方向与声源的位置关系进行的强调与压制、以及左右存在分离感的拾音均变得难以进行。此倾向在具有相对于两个传声器的间隔为几十倍以上的长波长的低频波长中显著。
而且，专利文献1的发明以获取相位差的差分为前提，因此，必须设定固定间隔以上的间隔而配置传声器。即使可以应用于低频波长，也需要多个延迟器或长滤波器系数(filter coefficient)，运算处理也变得烦杂。
专利文献2的发明是：只要为立体声声源，便可以充分赋予指向性，但像IC录音机这样两个传声器接近配置的情况下，各输入声音的相位差变少，因此，不具有能够获取其差分的程度的灵敏度。而且，因为根据运算结果逐次更新滤波器，所以，滤波器长度变长，且运算处理加重。
本申请的发明是为了解决如上所述的背景技术的问题点而完成的，其目的在于提供一种指向性控制方法及装置，该指向性控制方法及装置可以使用接近配置的两个传声器，将从任意方向传来的声音以少的运算量强调或压制后输出。
[解决课题的手段]
为了达成所述目的，实施方式的指向性控制方法是对从一对传声器输入的一对输入信号赋予与其相位差对应的强弱，其特征在于包括如下步骤：第一步骤，利用交换电路对每1样本(sample)交替地更换所述一对输入信号，由此生成一对交换信号；第二步骤，对所述交换信号的一个乘上系数m之后，生成所述交换信号的误差信号；第三步骤，运算包含所述误差信号的系数m的递推公式(recurrence formula)而对每1样本更新系数m；以及第四步骤，将所述一对输入信号乘以逐次更新的系数m后输出。
也可以是，在所述第二步骤及第三步骤中，通过如下方式对每1样本更新所述系数m：使所述交换信号的一个通过设定在1样本前算出的过去的系数m的-1倍的第一积算器，经过所述第一积算器之后，使其通过将所述一对交换信号相加的第一加法器，经过第一加法器之后，使其通过设定常数μ的第二积算器，经过所述第二积算器之后，使其通过设定乘以所述过去的系数m之前的所述一个交换信号的第三积算器，经过所述第三积算器之后，使其通过设定在1样本前算出的过去的系数m的第二加法器。
也可以是，所述第三步骤包括对在1样本前算出的过去的系数m乘上常数β的第五步骤，运算参考第五步骤获得的相乘结果的所述递推公式，所述常数β小于1，且小于固定电平(level)的所述输入信号连续时，经过第三步骤后的输出信号逐步衰减。
也可以是，所述第三步骤包括对在1样本前算出的过去的系数m乘上常数β的第五步骤，运算参考第五步骤获得的相乘结果的所述递推公式，所述常数β小于1，且经过第三步骤，将强弱强调至所述输入信号的相位差以上。
也可以预先对输入信号分割频带，按频带进行所述各步骤。
[发明的效果]
根据本发明，可以一边利用交换电路与运算递推公式的一个电路大幅度削减运算数，一边高精度地强调从一对传声器的中心位置传来的声音信号，并高精度地压制从角度自中心位置偏移的方向传来的声音信号。
附图说明
图1是表示指向性控制装置的构成的框图。
图2是表示系数更新电路的一例的框图。
图3是表示系数m(k)的收敛例的曲线图。
图4是表示变更常数β的情况下系数m(k)的收敛形式的曲线图。
图5是表示与交换电路的有无对应的系数m(k)的收敛速度的曲线图。
图6是表示其他实施方式的指向性控制装置的构成的框图。
[符号的说明]
1：特性修正电路
2：交换电路
3：系数更新电路
4：合成电路
5：积算器
6：加法器
7：积算器
8：积算器
9：加法器
10：延迟器
11：积算器
具体实施方式
以下，一边参照附图，一边对本发明的指向性控制方法及装置的实施方式详细地进行说明。
(构成)
图1是表示指向性控制装置的构成的框图。指向性控制装置连接于具有规定相隔距离的一对传声器L、R，如图1所示，从传声器L、R输入输入信号InL(k)与输入信号InR(k)。
输入信号InL(k)与输入信号InR(k)是由模数(analog to digital，AD)转换器采样(sampling)的离散值。也就是说，输入信号InL(k)是从传声器L输出且第k个被采样的数字信号(digital signal)。输入信号InR(k)是从传声器R输出且第k个被采样的数字信号。
输入信号InL(k)与输入信号InR(k)在指向性控制装置中经过特性修正电路1后被输入至交换电路2。特性修正电路1包含频率特性修正滤波器与相位特性修正电路。频率特性修正滤波器抽取所需频段的声音信号。相位特性修正电路使传声器L、R的声响特性对输入信号InL(k)与输入信号InR(k)造成的影响减少。
交换电路2是每隔1样本交替地更换并输出输入信号InL(k)与输入信号InR(k)。也就是说，交换信号InA(k)及交换信号InB(k)的数据列(data column)是在k＝1、2、3、4…时成为如下。
InA(k)＝{InL(1)InR(2)InL(3)InR(4)…}
InB(k)＝{InR(1)InL(2)InR(3)InL(4)…}
交换信号InA(k)及交换信号InB(k)被输入至系数更新电路3。该系数更新电路3计算交换信号InA(k)与交换信号InB(k)的误差，决定与误差对应的系数m(k)。而且，系数更新电路3参考过去的系数m(k－1)而逐次更新系数m(k)。
将同时到达的交换信号InA(k)与交换信号InB(k)的误差信号e(k)定义为如下式(1)般。
e(k)＝InB(k)－m(k－1)×InA(k)…(1)
该系数更新电路3是将误差信号e(k)设为系数m(k－1)的函数，通过运算包含误差信号e(k)的系数m(k)的邻接二项间递推公式，找出误差信号e(k)成为最小的系数m(k)。系数更新电路3是通过该运算处理，朝输入信号InL(k)与输入信号InR(k)越是产生相位差越是使系数m(k)减少的方向更新系数m(k)，若为同相，则使系数m(k)接近1而输出。
系数m(k)被输入至合成电路4。合成电路4是对输入信号InL(k)与输入信号InR(k)以任意的比率乘上系数m(k)，并以任意的比率相加，结果为，将输出信号OutL(k)与信号OutR(k)输出。
图2是表示系数更新电路3的一例的框图。如图2所示，系数更新电路3是包含多个积算器与加法器且体现邻接二项间递推公式的电路，参考过去的系数m(k－1)而逐步更新系数m(k)。具有长分接头(tap)数的适应性滤波器除外。
在该系数更新电路3中，将交换信号InB(k)用作参考信号而生成误差信号e(k)。也就是说，交换信号InA(k)被输入至积算器5。积算器5对交换信号InA(k)乘上1样本前的系数m(k－1)的-1倍。在积算器5的输出侧连接着加法器6。对该加法器6输入从积算器5输出的信号与交换信号InB(k)，通过将这些信号相加，而获得瞬时误差信号e(k)。通过该运算处理获得的误差信号e(k)如下式(2)所示。
e(k)＝-m(k－1)×InA(k)+InB(k)…(2)
误差信号e(k)被输入至将输入信号μ倍化的积算器7。系数μ是小于1的步长参数(step size parameter)。在积算器7的输出侧连接着积算器8。对积算器8输入交换信号InA(k)与经过积算器后的信号μe(k)。该积算器8将交换信号InA(k)与信号μe(k)相乘，获得由下式(3)表示的瞬时平方误差的微分信号
在积算器8连接着加法器9。加法器9通过运算以下的数式(4)而完成系数m(k)，对利用输入信号InL(k)与InR(k)生成输出信号OutL(k)与OutInR(k)的合成电路4设定系数m(k)。
也就是说，加法器9通过对微分信号加上信号β·m(k－1)而完成系数m(k)。
在加法器9的输出侧连接着使信号延迟1样本量的延迟器10与积算常数β的积算器11，通过利用积算器11对通过1样本前的信号处理而更新的系数m(k－1)乘上常数β而生成信号β·m(k－1)。
由此，在系数更新电路3中，以下的递推公式(5)的运算处理实现，生成系数m(k)，每次采样时逐步更新。
m(k)＝m(k－1)×β+(-m(k－1)×InA(k)+InB(k))×μ×InA(k)…(5)
(作用)
像这样，在指向性控制装置中，将输入信号InL(k)与输入信号InR(k)输入时，生成并输出由下式(6)及(7)表示的输出信号OutL(k)及输出信号OutInR(k)。
OutL(k)＝m(k)×InL(k)…(6)
OutR(k)＝m(k)×InR(k)…(7)
此处，将系数m(k)的收敛例示于图3。图3是将横轴设为采样数，将纵轴设为系数m(k)，表示预先将系数m(0)设定为零的情况下的系数m(k)的收敛形式。传声器L、R的间隔设为25mm。图3是输入信号InL(k)与输入信号InR(k)的频率为1000Hz且相位差为0的情况(曲线A)、输入信号InL(k)与输入信号InR(k)的频率为1000Hz且相位差为10.00°的情况(曲线B)、及输入信号InL(k)与输入信号InR(k)的频率为1000Hz且相位差为26.47°的情况(曲线C)。另外，常数β为1.000。
如图3所示，相位差为0的情况下的系数m(k)朝向1收敛。另一方面，相位差为10.00°的情况下的系数m(k)朝向0.91收敛，相位差为26.47°的情况下的系数m(k)朝向0.66收敛。
可知，像这样，输出信号OutL(k)与信号OutInR(k)经过指向性控制装置而以与相位差对应的系数m(k)被强调或压制。换句话说，声源越是靠近传声器L、R的中心位置，输入信号InL(k)与输入信号InR(k)越是被强调。另一方面，声源越是远离传声器L、R的中心位置，输入信号InL(k)与输入信号InR(k)越是被压制。所谓中心位置，是指存在于通过将传声器L、R连结的线段的中点的相对于该线段的垂线上的位置。
而且，将变更常数β的情况下的系数m(k)的收敛形式示于图4。在图4中示出设为β＝1.000而求出系数m(k)的情况(曲线D)、及设为β＝0.999而求出系数m(k)的情况(曲线E)。如图4所示，关于相位差为26.47°的信号，β＝1.000的情况下，系数m(k)收敛成0.96，β＝0.999的情况下，系数m(k)收敛成0.8。
可知，通过像这样将常数β变更为小于1，可以对系数m(k)赋予输入信号InL(k)与输入信号InR(k)的相位差以上的强弱。例如，具有比传声器L、R的接近距离长的波长的声音的输入信号InL(k)与输入信号InR(k)的相位差较小。但是，即使为这种声音，通过变更常数β，基于系数m(k)的强调或压制也变得明了。
接下来，对交换电路的意义进行说明。经过交换电路，系数更新电路交替地运算以下的数式(8)。
k为奇数时
m(k)＝m(k－1)×β+(-m(k－1)×InL(k)2+InL(k)×InR(k))×μ
k为偶数时
m(k)＝m(k－1)×β+(-m(k－1)×InR(k)2+InR(k)×InL(k))×μ
…(8)
在数式(8)中，信号的平方项是以随时间经过使白噪声(white noise)等无关成分变小的方式发挥作用。另一方面，其邻接项与逐次算出相关系数的以下的数式(9)的分子部分同等，使相关成分的影响反映到系数m。
也就是说，系数更新电路想要使输入信号InR(k)相对于输入信号InL(k)近似时，输入信号InL(k)的无关成分成为放大方向，输入信号InR(k)的无关成分成为抑制方向。而且，想要使输入信号InL(k)相对于输入信号InR(k)近似时，输入信号InR(k)的无关成分成为放大方向，输入信号InL(k)的无关成分成为抑制方向。
因此，若在系数更新电路3之前设置交换电路2，则交替地重复想要使输入信号InR(k)相对于输入信号InL(k)近似而同步相加的作用、及想要使输入信号InL(k)相对于输入信号InR(k)近似而同步相加的作用。因此，想要放大及抑制无关成分的作用交替地相互抵消，而使相关成分的影响密切地反映到系数m(k)。
另外，图5表示存在交换电路2的情况与不存在交换电路2的情况下的系数m(k)的收敛状态。两种收敛状态均在中心位置放置声源而利用传声器L、R收集声音。如图5的曲线F所示，在存在交换电路2的情况下，在约第1000次时系数m(k)收敛成1，如曲线G所示，在不存在更新电路2的情况下，即使更新系数m(k)10000次，也还没有收敛成1，其差为10倍。也就是说，在存在交换电路2的情况下，表示指向性控制迅速地完成。
(效果)
如上所述，在本实施方式的指向性控制装置中，利用交换电路对每1样本交替地更换从传声器L、R输入的一对输入信号，由此生成一对交换信号。然后，对交换信号的一个乘上系数m之后，生成交换信号的误差信号。此外，运算包含误差信号的系数m的递推公式而对每1样本更新系数m。最后，将一对输入信号乘以逐次更新的系数m后输出。
该控制方法例如只要通过如下方式对每1样本更新系数m即可：使所述交换信号的一个通过设定在1样本前算出的过去的系数m的-1倍的第一积算器，经过第一积算器之后，使其通过将一对交换信号相加的第一加法器，经过第一加法器之后，使其通过设定常数μ的第二积算器，经过第二积算器之后，使其通过设定乘以过去的系数m之前的一个交换信号的第三积算器，经过第三积算器之后，使其通过设定在1样本前算出的过去的系数m的第二加法器。
由此，从传声器L、R的中心位置传来的声音信号被强调，从角度自中心位置偏移的方向传来的声音信号被压制，而出现在中心位置具有指向性的中心且包罗传声器L、R的指向范围般的假想的第三传声器。此外，使该声音抑扬顿挫的形式不依存于分接头数多的滤波器等，可以通过交换电路与运算递推公式的一个系数更新电路而实现，可以大幅度削减运算数，并且可以将延迟控制在几十微秒(microsecond)～几毫秒(millisecond)以内。
而且，也可以对在1样本前算出的过去的系数m乘上常数β，运算参考相乘结果的递推公式。此处，若使常数β小于1，则在小于固定电平的输入信号连续的情况下，输出信号逐步衰减。
也就是说，通过使常数β小于1，而作为系数m逐步衰减的渐隐(Fade Out)功能发挥作用。由此，经过无声状态后再次收集从任意方向传来的声音时，系数m(k)的值一旦收敛成0后进行更新，因此，进行恰当的强调或压制。因此，即使来自一声源的声音发送结束，而从另一声源进行新的声音发送，也可以防止在对所述新的声音发送生成系数m时被来自之前的声源的声音发送影响。
此外，若使常数β小于1，则输出信号的强弱被强调至输入信号的相位差以上。常数β的值是：通过预先对输入信号分割频带而按频带进行所述各步骤，可以按频带进行设定。由此，可以进行按频带求出系数m(k)的并列处理，不仅如此，由宽频带的信号所引起的约束条件被解除，而可以根据频带进行恰当的强调或压制。
(其他实施方式)
如上所述，对本发明的若干实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提出的，并非有意限定发明范围。这些新的实施方式能够以其他的各种方式实施，可以在不脱离发明的主旨的范围内进行各种省略、置换、变更。这些实施方式或其变形包含在发明的范围或主旨内，并且包含在其均等的范围内。
例如，如图6所示，系数更新电路只要对交换信号的一个乘上系数m之后，生成交换信号的误差信号，运算包含该误差信号的系数m的递推公式而对每1样本更新系数m，便不限定于所述实施方式，也能够以其他形式实现。
而且，该指向性控制装置也可以作为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)或数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)的软件(software)处理而实现，也可以由专用的数字电路(digital circuit)构成。

Claims (13)

1.一种指向性控制方法，对从一对传声器输入的一对输入信号以与其相位差对应的系数m进行强调或压制，其特征在于包括如下步骤：
第一步骤，利用交换电路对每1样本交替地更换所述一对输入信号，由此生成一对交换信号；
第二步骤，对所述交换信号的一个乘上系数m之后，生成所述交换信号的误差信号，所述误差信号是从另一个所述交换信号减去乘上系数m的一个所述交换信号；
第三步骤，运算递推公式而对每1样本更新系数m，所述递推公式是将对所述误差信号乘上小于1的系数μ及所述交换信号的一个之后的值与对1样本前的系数m乘上1以下的常数β之后的值进行相加；以及
第四步骤，将所述一对输入信号乘以逐次更新的系数m后输出。
2.根据权利要求1所述的指向性控制方法，其特征在于：所述第三步骤是：
包括对在1样本前算出的过去的系数m乘上常数β的第五步骤，运算参考所述第五步骤获得的相乘结果的所述递推公式，
所述常数β小于1，且小于固定电平的所述输入信号连续时，经过所述第三步骤后的输出信号逐步衰减。
3.根据权利要求1所述的指向性控制方法，其特征在于：所述第三步骤是：
包括对在1样本前算出的过去的系数m乘上常数β的第五步骤，运算参考所述第五步骤获得的相乘结果的所述递推公式，
所述常数β小于1，且经过所述第三步骤，将强弱强调至所述输入信号的相位差以上。
4.根据权利要求1所述的指向性控制方法，其特征在于：在所述第二步骤及第三步骤中，
通过如下方式对每1样本更新所述系数m：
使所述交换信号的一个通过设定在1样本前算出的过去的系数m的-1倍的第一积算器，
经过所述第一积算器之后，使其通过将所述一对交换信号相加的第一加 法器，
经过所述第一加法器之后，使其通过设定常数μ的第二积算器，
经过所述第二积算器之后，使其通过设定乘以所述过去的系数m之前的所述一个交换信号的第三积算器，
经过所述第三积算器之后，使其通过设定在1样本前算出的过去的系数m的第二加法器。
5.根据权利要求4所述的指向性控制方法，其特征在于：在所述第三步骤中，
预先设置对在1样本前算出的过去的系数m乘上常数β的第四积算器，并预先对所述第二加法器设定经过第四积算器后的过去的系数m，
所述常数β小于1，且经过所述第三步骤，将强弱强调至所述输入信号的瞬时值的比以上。
6.根据权利要求4所述的指向性控制方法，其特征在于：在所述第三步骤中，
预先设置对在1样本前算出的过去的系数m乘上常数β的第四积算器，并预先对所述第二加法器设定经过第四积算器后的过去的系数m，
所述常数β小于1，且经过所述第三步骤，将强弱强调至所述输入信号的相位差以上。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的指向性控制方法，其特征在于：预先对输入信号分割频带，按频带进行所述各步骤。
8.一种指向性控制装置，对从一对传声器输入的一对输入信号以与其相位差对应的系数m进行强调或压制，其特征在于包括：
交换部，通过对每1样本交替地更换所述一对输入信号，生成一对交换信号；
误差信号生成部，对所述交换信号的一个乘上系数m之后，生成所述交换信号的误差信号，所述误差信号是从另一个所述交换信号减去乘上系数m的一个所述交换信号；
递推公式运算部，运算递推公式而对每1样本更新系数m，所述递推公式是将对所述误差信号乘上小于1的系数μ及所述交换信号的一个之后的值与对1样本前的系数m乘上1以下的常数β之后的值进行相加；以及
积算部，将所述一对输入信号乘以逐次更新的系数m后输出。
9.根据权利要求8所述的指向性控制装置，其特征在于：所述递推公式运算部是：
包括对在1样本前算出的过去的系数m乘上常数β的静噪部，
参考所述静噪部的相乘结果而运算所述递推公式，
所述常数β小于1，且小于固定电平的所述输入信号连续时，经过所述递推公式运算部后的输出信号逐步衰减。
10.根据权利要求8所述的指向性控制装置，其特征在于：所述递推公式运算部是：
包括对在1样本前算出的过去的系数m乘上常数β的强调处理部，
参考所述强调处理部的相乘结果而运算所述递推公式，
所述常数β小于1，且对经过所述递推公式运算部后的输出信号赋予所述输入信号的相位差以上的强弱。
11.根据权利要求8所述的指向性控制装置，其特征在于：所述误差信号生成部包括：
第一积算器，设定在1样本前算出的过去的系数m的-1倍，使所述交换信号的一个通过；以及
第一加法器，经过所述第一积算器之后，将所述一对交换信号相加；
所述递推公式运算部包括：
第二积算器，设定常数μ，使经过所述第一加法器后的信号通过；
第三积算器，设定乘以所述过去的系数m之前的所述一个交换信号，使经过所述第二积算器后的信号通过；以及
第二加法器，设定在1样本前算出的过去的系数m，使经过所述第三积算器后的信号通过；
该指向性控制装置对每1样本更新所述系数m。
12.根据权利要求11所述的指向性控制装置，其特征在于：所述递推公式运算部是：
还包括对在1样本前算出的过去的系数m乘上常数β的第四积算器，
对所述第二加法器设定经过第四积算器后的过去的系数m，
所述常数β小于1，且经过所述递推公式运算部，将强弱强调至所述输 入信号的相位差以上。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的指向性控制装置，其特征在于：
还包括预先对输入信号分割频带的分割部，
按频带生成所述交换信号，生成所述误差信号，更新所述系数m，以及，进行将所述一对输入信号乘以所述系数m的输出。
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