CN104885152A - 声源分离方法、装置、及程序 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种声源分离方法、装置、及程序，能够使用接近配置的传声器，将从任意方向传来的声音无需进行特别的分析便以少的运算量强调或压制后输出。对从传声器L、R输入的一对输入信号的其中一个实施包含指定时间的延迟的滤波处理。而且，在滤波处理之后，利用交换电路2对每一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，利用系数更新电路3，对交换信号的一个InB乘以系数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，而对每一样本更新系数m。然后，对一对输入信号InL及InR乘以逐次被更新的系数m并输出。

Description

声源分离方法、装置、及程序

技术领域

本发明涉及一种基于声波信号朝向位于任意方向的声源形成指向性的声源分离方法、装置、及程序(program)。

背景技术

为了高精度地分离目标声源的声波，抑制杂音等目标声源以外的声音，一般来说，需要使用指向性传声器(microphone)，以固定以上的间隔将这些传声器排列多个。然而，在像集成电路(Integrated Circuit，IC)录音机(recorder)这样的小型集音设备中，难以应用搭载指向性传声器或使用扩大了间隔的多个传声器的集音技术。另外，对于从多个声源预先人工进行向下混合(downmix)处理而得的录制完毕的声音，难以应用这些集音技术来实现精度良好的声源分离。

因此，提出了多种如下技术：在录制声波之后，对从各传声器输出的信号间的振幅差或相位差进行分析，并实施对应于分析结果的信号处理，由此分离提取目标声源。近年来，开始使用统计分析、频率分析、复分析等，检测输入信号的波形构造的差异，将该检测结果用于声源分离处理。

例如，以如下方式进行信号处理：将输入信号从时间轴转换成频率轴，针对每一频率算出相位的差分，基于该差分，指定出从目标声源输入的声波频带，并强调该频带的声波(参照专利文献1)。

另外，在信号处理中，基于接近配置的两个传声器的输入信号，判断所输入的声波是否位于目标方向，修正两个输入信号的相位差的差分，从而强调存在于目标方向的声音(参照专利文献2)。使两个输入信号彼此相互参考，利用所获得的信号逐次更新滤波器(filter)(参照专利文献3)。

背景技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2007-318528号公报

专利文献2：日本专利特表2009-135593号公报

专利文献3：日本专利特开2009-027388号公报

发明内容

发明欲解决的课题

集音设备或搭载集音设备的设备的小型化伴随着传声器的配置间隔的进一步接近化，因此，信号间的振幅差或相位差变得极小，清晰指定这些振幅差或相位差需要庞大的工作量。这种情况尤其是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区域、及到达至两个传声器的声波的相位差成为一个周期以上的高频区域中显著。

近年来，像专利文献1至3那样，通过使波形构造的频率分析、复分析、或统计分析高度复杂化，而应对传声器的接近化。然而，这些分析的高度复杂化结果会导致转换为频率区域的情况下的帧(frame)长的增大化、配置多个延迟器、长滤波器长度、长滤波器系数等，在运算处理能力方面，难以实时(real time)地形成指向性。为了实现减轻运算处理的负荷，只要增加传声器的数量即可，但因设备的空间(space)有限，导致传声器的相隔距离会进一步变短。

本申请的发明是为了解决如上所述的现有技术的问题而完成的，其目的在于提供一种声源分离方法、装置、及程序，该声源分离方法、装置、及程序能够使用接近配置的传声器，将从任意方向传来的声音无需进行高度复杂的分析便以少的运算量强调或压制并输出。

解决课题的手段

为了达成所述目的，实施方式的声源分离方法是针对一对输入信号，对指定方向形成指向性，其特征在于包括：滤波处理步骤，对所述一对输入信号的其中一个实施包含指定时间的延迟的滤波处理；交换步骤，在经过所述滤波处理步骤之后，利用交换电路对每一样本(sample)交替地更换所述一对输入信号，由此生成一对交换信号；生成步骤，在对所述交换信号的一个乘以系数m之后，生成所述交换信号的误差信号；更新步骤，运算包含所述误差信号的系数m的递推公式，而对每一样本更新系数m；以及输出步骤，对所述一对输入信号乘以逐次被更新的系数m并输出，且所述滤波处理步骤中的指定时间相当于来自所述指定方向的声波到达至一对传声器的时间差，在所述滤波处理步骤中，将源自于来自所述指定方向的声波的所述一对输入信号调整为同振幅同相位。

也可以是，在所述滤波处理步骤中，利用使输入信号延迟指定时间的传递函数T1，对所述一对输入信号的其中一个实施滤波处理，且如果将从所述指定方向到输出进行所述滤波处理的输入信号的传声器的声波的传递函数设为C11，将从所述指定方向到另一传声器的声波的传递函数设为C12，所述传递函数T1大致满足T1×C11＝C12。

也可以是，还包括延迟处理步骤，所述延迟处理步骤是对另一输入信号产生使声波前进一对传声器的相隔距离所需的时间以上的延迟时间，且在所述滤波处理步骤中，对所述其中一个输入信号实施滤波处理，该滤波处理包含将所述延迟处理步骤的延迟时间与所述指定时间相加所得的时间的延迟。

也可以是，在所述滤波处理步骤中，利用使输入信号延迟指定时间的传递函数T1，对所述一对输入信号的其中一个实施滤波处理，在所述延迟处理步骤中，利用使输入信号延迟所述延迟时间量的传递函数D1，使所述一对输入信号的另一个延迟，且如果将从所述指定方向到输出进行所述滤波处理的输入信号的传声器的声波的传递函数设为C11，将从所述指定方向到另一传声器的声波的传递函数设为C12，所述传递函数T1与所述传递函数D1大致满足T1×C11＝D1×C12。

也可以是，在所述生成及所述更新步骤中，通过如下方式对每一样本更新所述系数m：使所述交换信号的一个通过设定(set)着在一样本前算出的过去的系数m的-1倍的第一积算器，在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，在经过第一加法器之后，使其通过设定着常数μ的第二积算器，在经过所述第二积算器之后，使其通过设定着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，在经过所述第三积算器之后，使其通过设定着在一样本前算出的过去的系数m的第二加法器。

另外，为了达成所述目的，实施方式的声源分离装置是针对一对输入信号，对指定方向形成指向性，其特征在于包括：滤波器，对所述一对输入信号的其中一个实施包含指定时间的延迟的滤波处理；交换部，在经过所述滤波器之后，对每一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；误差信号生成部，对所述交换信号的一个乘以系数m之后，生成所述交换信号的误差信号；递推公式运算部，运算包含所述误差信号的系数m的递推公式，而对每一样本更新系数m；以及积算部，对所述一对输入信号乘以逐次被更新的系数m并输出，且所述滤波处理中的指定时间相当于来自所述指定方向的声波到达至一对传声器的时间差，在所述滤波处理中，将源自于来自所述指定方向的声波的所述一对输入信号调整为同振幅同相位。

也可以是，所述滤波器利用使输入信号延迟指定时间的传递函数T1，对所述一对输入信号的其中一个实施滤波处理，且如果将从所述指定方向到输出进行所述滤波处理的输入信号的传声器的声波的传递函数设为C11，将从所述指定方向到另一传声器的声波的传递函数设为C12，所述传递函数T1大致满足T1×C11＝C12。

也可以是，还包括延时器(delay)，所述延时器对另一输入信号产生使声波前进一对传声器的相隔距离所需的时间以上的延迟时间，且所述滤波器对所述其中一个输入信号实施滤波处理，该滤波处理包含将所述延迟处理步骤的延迟时间与所述指定时间相加所得的时间的延迟。

也可以是，所述滤波器利用使输入信号延迟指定时间的传递函数T1，对所述一对输入信号的其中一个实施滤波处理，所述延时器利用使输入信号延迟所述延迟时间量的传递函数D1，使所述一对输入信号的另一个延迟，且如果将从所述指定方向到输出进行所述滤波处理的输入信号的传声器的声波的传递函数设为C11，将从所述指定方向到另一传声器的声波的传递函数设为C12，所述传递函数T与所述传递函数D1大致满足T1×C11＝D1×C12。

也可以是，所述误差信号生成部及所述递推公式运算部通过如下方式对每一样本更新所述系数m：使所述交换信号的一个通过设定着在一样本前算出的过去的系数m的-1倍的第一积算器，在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，在经过第一加法器之后，使其通过设定着常数μ的第二积算器，在经过所述第二积算器之后，使其通过设定着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，在经过所述第三积算器之后，使其通过设定着在一样本前算出的过去的系数m的第二加法器。

另外，为了达成所述目的，实施方式的声源分离程序是使计算机(computer)以针对一对输入信号对指定方向形成指向性的方式发挥功能，其特征在于，使所述计算机作为如下机构发挥功能：滤波器，对所述一对输入信号的其中一个实施包含指定时间的延迟的滤波处理；交换部，在经过所述滤波器之后，对每一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；误差信号生成部，在对所述交换信号的一个乘以系数m之后，生成所述交换信号的误差信号；递推公式运算部，运算包含所述误差信号的系数m的递推公式，而对每一样本更新系数m；以及积算部，将所述一对输入信号乘以逐次被更新的系数m并输出，且所述滤波处理中的指定时间相当于来自所述指定方向的声波到达至一对传声器的时间差，在所述滤波处理中，将源自于来自所述指定方向的声波的所述一对输入信号调整为同振幅同相位。

也可以是，所述滤波器利用使输入信号延迟指定时间的传递函数T1，对所述一对输入信号的其中一个实施滤波处理，且如果将从所述指定方向到输出进行所述滤波处理的输入信号的传声器的声波的传递函数设为C11，将从所述指定方向到另一传声器的声波的传递函数设为C12，所述传递函数T1大致满足T1×C11＝C12。

也可以是，使所述计算机作为延时器进而发挥功能，所述延时器对另一输入信号产生使声波前进一对传声器的相隔距离所需的时间以上的延迟时间，且所述滤波器对所述其中一个输入信号实施滤波处理，该滤波处理包含将所述延迟处理步骤的延迟时间与所述指定时间相加所得的时间的延迟。

也可以是，所述滤波器利用使输入信号延迟指定时间的传递函数T1，对所述一对输入信号的其中一个实施滤波处理，所述延时器利用使输入信号延迟所述延迟时间量的传递函数D1，使所述一对输入信号的另一个延迟，且如果将从所述指定方向到输出进行所述滤波处理的输入信号的传声器的声波的传递函数设为C11，将从所述指定方向到另一传声器的声波的传递函数设为C12，所述传递函数T与所述传递函数D1大致满足T1×C11＝D1×C12。

也可以是，所述误差信号生成部及所述递推公式运算部通过如下方式对每一样本更新所述系数m：使所述交换信号的一个通过设定着在一样本前算出的过去的系数m的-1倍的第一积算器，在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，在经过第一加法器之后，使其通过设定着常数μ的第二积算器，在经过所述第二积算器之后，使其通过设定着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，在经过所述第三积算器之后，使其通过设定着在一样本前算出的过去的系数m的第二加法器。

发明效果

根据本发明，通过聚焦于因目标声源与传声器的物理性配置而导致产生的时间差，可利用强调无时间差的声音的简单方法，相对地强调存在于任意方向的目标声源的声音，因此，无需进行指定出信号间的振幅或差分的繁杂的分析，可大幅地削减运算数，并且高精度地强调从任意方向传来的声波信号。

附图说明

图1是表示第一实施方式的声源分离装置的构成的框图。

图2是表示系数更新电路的一例的框图。

图3是表示声源与传声器L、R的关系的模型(model)。

图4是表示到达至各声源的同一声波的到达时间差的曲线图。

图5是表示使到达至各声源的同一声波中的一个延迟的情况下的到达时间差的变化的曲线图。

图6是表示在使来自80deg方向的声源的时间差消除的情况下，基于来自80deg方向的声源的输入信号而生成的系数m(k)的收敛形式的曲线图。

图7是表示在使来自80deg方向的声源的时间差消除的情况下，基于来自270deg方向的声源的输入信号而生成的系数m(k)的收敛形式的曲线图。

图8是表示在使来自80deg方向的声源的时间差消除的情况下，基于来自0deg方向的声源的输入信号而生成的系数m(k)的收敛形式的曲线图。

图9是表示在使来自80deg方向的声源的时间差消除的情况下，基于来自30deg方向的声源的输入信号而生成的系数m(k)的收敛形式的曲线图。

图10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11是表示第二实施方式的声源分离装置的构成的框图。

图12是表示利用延时器的到达时间差的变化的曲线图。

图13是表示延时器后的利用滤波器的到达时间差的变化的曲线图。

图14表示第三实施方式的指向性的范围。

图15是表示第三实施方式的声源分离装置的构成的框图。

图16是表示另一实施方式的声源分离装置的构成的框图。

具体实施方式

以下，一边参照附图，一边对本发明的声源分离方法、装置、及程序的实施方式详细地进行说明。

(第一实施方式)

(构成)

图1是表示声源分离装置的构成的框图。如图1所示，声源分离装置连接于相隔配置的一对传声器L、R，输入信号InL(k)与输入信号InR(k)从传声器L、R输入。声源分离装置对该输入信号InL(k)与输入信号InR(k)进行信号处理，与从其他方向传来的声波相比，相对地强调目标声源S1的某一指定方向的声波。在本实施方式中，目标声源S1设为存在于传声器L、R的正面、或偏离正面而靠近传声器R的指定方向。

该声源分离装置在靠近目标声源S1的传声器R的后段具备滤波器1a。滤波器1a使输入信号InR(k)的时间波形延迟传递函数T1所表示的指定时间。该滤波器1a例如为有限脉冲响应(Finite Impulse Response，FIR)滤波器或无限脉冲响应(Infinite Impulse Response，IIR)滤波器等。

滤波器1a的传递函数T1由以下式(1)表示。式中，C11是从位于指定方向的目标声源S1到传声器R的路径的传递函数。C12是从位于指定方向的目标声源S1到传声器L的路径的传递函数。

$C11\×T1\≅C\mathrm{12...}\left(1\right)$

滤波器1a利用满足该式(1)的传递函数T1，使录制位于指定方向的目标声源S1的声波而获得的输入信号InL(k)与输入信号InR(k)一致成为同振幅同相位，另一方面，对于录制从偏离指定方向的方向传来的声波而获得的输入信号In(L)与输入信号In(R)，随着从指定方向偏离，而逐渐赋予时间差。

也就是说，以如下方式调整传递函数T1：传递函数T1所表示的延迟时间相当于来自目标声源S1的同一声波到达至传声器L、R的时间差。

从传声器R输入并经过滤波器1a的输入信号InR(k)、及从传声器L输入的输入信号InL(k)被分配到串联地连接着特性修正电路2a、交换电路2及系数更新电路3的路径、与朝向合成电路4的路径。然后，该声源分离装置进行如下处理：使用这些交换电路2、系数更新电路3、及合成电路4，将基于从传声器L输入的输入信号InL(k)与从滤波器1a输出的输入信号InR(k)的时间差的增益赋予至输入信号InL(k)与输入信号InR(k)。

特性修正电路2a具有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提取所需频带的声波信号。相位特性修正电路使对输入信号InL(k)与输入信号InR(k)的传声器L、R的音响特性所造成的影响减少。

交换电路2将输入信号InL(k)与输入信号InR(k)每隔一样本交替地更换并输出。也就是说，交换信号InA(k)及交换信号InB(k)的数据列在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)被输入到系数更新电路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，并决定对应于误差的系数m(k)。另外，系数更新电路3参考过去的系数m(k-1)逐次地更新系数m(k)。

像以下式(2)那样定义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)。

e(k)＝InB(k)-m(k-1)×InA(k)...(2)

该系数更新电路3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，而找出误差信号e(k)成为最小的系数m(k)。系数更新电路3通过该运算处理，朝输入信号InL(k)与输入信号InR(k)越是产生时间差越是使系数m(k)减少的方向更新系数m(k)，如果无时间差，那么使系数m(k)接近1而输出。

系数m(k)与输入信号InL(k)及输入信号InR(k)一起被输入到合成电路4。合成电路4对输入信号InL(k)与输入信号InR(k)以任意的比率乘以系数m(k)，并以任意的比率相加，其结果为，将输出信号OutL(k)与信号OutR(k)输出。

进一步说明系数更新电路3的一例。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)。在系数更新电路3中，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)被输入到积算器5。积算器5对交换信号InA(k)乘以一样本前的系数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)。通过该运算处理而获得的误差信号e(k)如下式(3)所示。

e(k)＝-m(k-1)×InA(k)+InB(k)...(3)

误差信号e(k)被输入到将输入信号μ倍化的积算器7。系数μ是小于1的步长参数(stepsize parameter)。在积算器7的输出侧连接积算器8。对积算器8输入交换信号InA(k)与经过积算器的信号μe(k)。该积算器8将交换信号InA(k)与信号μe(k)相乘，而获得由下式(4)表示的瞬时平方误差的微分信号

$\∂E{\left(m\right)}^2/\∂m=\mathrm{\μ}\×e\left(k\right)\×InA\left(k\right)\mathrm{...}\left(4\right)$

在积算器8连接着加法器9。加法器9通过运算下式(5)而完成系数m(k)，对根据输入信号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)。

$m\left(k\right)=m(k-1)\×\mathrm{\β}+\∂E{\left(m\right)}^2/\∂m\mathrm{...}\left(5\right)$

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相当于一样本的延迟器10与积算常数β的积算器11，通过利用积算器11对通过一样本前的信号处理而更新的系数m(k-1)乘以常数β而生成信号β·m(k-1)。

由此，在系数更新电路3中，实现以下的递推公式(6)的运算处理，生成系数m(k)，且在每次采样(sampling)时逐步更新。

m(k)＝m(k-1)×β+(-m(k-1)×InA(k)+InB(k))×μ×InA(k)...(6)

(作用)

图3表示各声源与传声器L、R的位置关系。在表示该位置关系的模型中，在x轴上以原点为中心设置间隔4cm的传声器L、R，以原点为中心在半径0.5m的圆周上配置着多个声源。各声源是将y轴正方向设为0deg、将x轴正方向设为90deg而以角度来指定。

将音速设为340m/s，将各声源到传声器L的传递时间设为Y1。另外，将各声源到传声器R的传递时间设为Y2。此时，通过(Y1-Y2)算出的时间差、也就是已经到达至传声器R的声波到达至传声器L的延迟时间成为图4所示的曲线。图4中横轴为声源的位置，纵轴为延迟时间。

如图4所示，来自0deg及180deg的声波同时到达至传声器L、R，来自90deg及270deg的声波拉开最大时间到达至传声器L、R。在90deg时，早到达至传声器R。在270deg时，晚到达至传声器R。另外，来自80deg的声波从到达至传声器R晚0.1159ms到达至传声器L。

此处，通过滤波器1a，使到达至传声器R的输入信号InR(k)延迟。传递函数T1以如下方式设定：延迟来自80deg的同一声波到达至传声器L、R的时间差为0.1159ms。如此一来，如图5所示，录制来自80deg的声波而获得的输入信号InL(k)与输入信号InR(k)的时间差成为零。

也就是说，从80deg传来且从传声器L、R输出的输入信号InL(k)与输入信号InR(k)在时间波形上成为同振幅同相位，而成为相对强调对象。

将通过具有这种传递函数T1的滤波器1a的情况下的系数m(k)的收敛例示于图6至9。各图中，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。将传声器L、R的间隔设为40mm。此外，常数β为1.000，常数μ为0.01，通过平均处理使系数m(k)平滑化。

首先，如图6所示，根据录制来自80deg的声波而获得的输入信号InR(k)与输入信号InL(k)，系数m(k)朝向1收敛。另一方面，如图7所示，于在270deg方向存在声源的情况下，系数m(k)约朝向0.1收敛。另外，如图8所示，于在0deg方向存在声源的情况下，系数m(k)约朝向0.75收敛。进而，如图9所示，于在30deg方向存在声源的情况下，系数m(k)约朝向0.94收敛。

由此，声源的存在位置越是靠近80deg的方向，越是对输出信号OutL(k)与信号OutInR(k)赋予利用接近于1的系数m(k)而相对地强调的增益。另一方面，声源的存在位置越是远离80deg的方向，越是对输出信号OutL(k)与信号OutInR(k)赋予利用小于1的系数m(k)而相对地抑制的增益。

接下来，对交换电路的意义进行说明。经过交换电路，由此系数更新电路交替地运算以下数式(7)。

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...(7)

数式(7)中，信号的平方项以白噪声(white noise)等无关成分随着时间经过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数式(8)的分子部分同等，使相关成分的影响反映到系数m。

$R\left(n\right)=R(n-1)\×\∂+\frac{x\×y}{\left|x\right|\left|y\right|}(1-\∂)\mathrm{...}\left(8\right)$

也就是说，当系数更新电路3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。另外，当想要使输入信号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，如果在系数更新电路3之前设置交换电路2，那么将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强烈地反映到系数m(k)。

此外，图10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。两种收敛状态均是在中心(center)位置放置声源且利用传声器L、R收集声音。如图10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，即便将系数m(k)更新10000次，也还没有收敛成1，相差10倍。也就是说，表示在存在交换电路2的情况下，迅速地结束声源分离。

(效果)

如上所述，在本实施方式的声源分离装置中，对从传声器L、R输入的一对输入信号的其中一个实施包含指定时间的延迟的滤波处理。然后，在滤波处理之后，利用交换电路2对每一样本交替地更换从传声器L、R输入的一对输入信号InL(k)与InR(k)，由此生成一对交换信号InA(k)与InB(k)，对该交换信号InA(k)与InB(k)的一个乘以系数m，并生成交换信号InA(k)与InB(k)的误差信号。进而，运算包含误差信号的系数m的递推公式，而对每一样本更新系数m。最后，对一对输入信号乘以逐次被更新的系数m并输出。

例如，通过具有使输入信号延迟指定时间的传递函数T1的滤波器1a，由此，对一对输入信号InL(k)与InR(k)的其中一个实施滤波处理。如果将从目标声源S1到输出进行滤波处理的输入信号的传声器的声波的传递函数设为C11，将从目标声源S1到另一传声器的声波的传递函数设为C12，该传递函数T1大致满足T1×C11＝C12。

另外，通过如下方式对每一样本更新系数m：使交换信号的一个通过设定着在一样本前算出的过去的系数m的-1倍的积算器5，经过积算器5之后，使其通过将一对交换信号相加的加法器6，经过加法器6之后，使其通过设定着常数μ的积算器7，经过积算器7之后，使其通过设定着乘以过去的系数m之前的一个交换信号的积算器8，经过积算器8之后，使其通过设定着在一样本前算出的过去的系数m的加法器9。

由此，本实施方式的声源分离装置聚焦于因目标声源S1与传声器L、R的物理性配置而导致产生的时间差，可避免繁杂的运算，即便输入信号In(L)与输入信号In(R)的相位差或振幅差极微小，或反之即便二者产生一个周期以上的时间差，也可无需进行分析而简单地对偏离传声器L、R的中心位置的指定方向的目标声源S1形成指向性。

进而，可不为了形成该指向性而依靠分接头数量多的滤波器等，而能够通过交换电路与运算递推公式的一个系数更新电路实现。因此，可大幅地削减运算数，可将最终的延迟控制在几十微秒～几毫秒以内。

此外，本实施方式中的形成指向性的指定方向为例示。不用说的是，通过传递函数T1的调整及对设置滤波器1a的传声器L、R的，可任意地设定指定方向。

(第二实施方式)

(构成)

如图11所示，第二实施方式的声源分离装置除了具备设置在传声器R的后段的滤波器1a以外，而且在传声器L的后段具备延时器1b。延时器1b为电容-电感(Inductor-Capacitor，LC)电路等，对输入信号InL(k)赋予固定的延迟时间。

利用延时器1b的延迟时间设为使声波前进传声器L、R的相隔距离所需的时间以上。如果在270deg的方向上存在目标声源S1，到达至传声器L、R的声波的到达时间差最大，且传声器L比传声器R先接收声波。延时器1b使输入信号InL(k)延迟该最大时间以上。也就是说，一直将输入信号InR(k)设为时间波形先进于输入信号InL(k)的状态。

延时器1b的传递函数D1与滤波器1a的传递函数T1以满足下式(9)的方式调整。也就是说，以如下方式调整传递函数T1：加进利用延时器1b使输入信号InL(k)延迟的情况，消除从指定方向传来的声波的时间差。

C11×T1＝D1×C12...(9)

(作用)

考虑图3的位置关系模型。在第二实施方式的声源分离装置中，利用延时器1b，以使传声器L输出的输入信号InL(k)的时间波形延迟的方式偏移(shift)。偏移量设为来自270deg的同一声波到达至传声器L、R的时间差。

如此一来，如图12所示，从同一声波到达至传声器R起到该同一声波到达至传声器L的时间差必定成为零以上的正值。也就是说，不管目标声源S1位于何处，其声波的输入信号InR(k)会比其声波的输入信号InL(k)在时间波形上快零以上。

因此，以使传声器R输出的输入信号InR(k)的时间波形延迟的方式偏移。例如，使目标声源S1存在于280deg，将偏移量设为来自280deg的声波到达至传声器L、R的时间差。如此一来，如图13所示，录制来自280deg的声波而获得的输入信号InL(k)与输入信号InR(k)的时间差成为零。

同样地，在滤波器1a所具有的传递函数T1满足所述式(9)的情况下，从280deg传来且从传声器L、R输出的InR(k)与InL(k)以在时间波形上成为同振幅同相位的方式进行调整，使时间差消失，而成为相对强调对象。

(效果)

如上所述，在该声源分离装置中，使输入信号的一侧通过滤波器1a，使输入信号的另一侧通过延时器1b。由此，对另一侧的输入信号产生声波前进传声器L、R的相隔距离所需的时间以上的延迟时间。然后，在滤波器1a中，实施滤波处理，该滤波处理包含将利用延时器1b的延迟时间与来自目标声源S的声波到达的时间差相加所得的时间的延迟。具体来说，只要滤波器1a的传递函数T1与延时器1b的传递函数D1大致满足T1×C11＝D1×C12即可。由此，不管目标声源S1存在于何处，均可相对地强调该目标声源S的声波。

此外，本实施方式中的形成指向性的指定方向为例示。不用说的是，通过传递函数T1及传递函数D1的调整及对设置滤波器1a、延时器1b的传声器L、R的选择，可任意地设定指定方向。

(第三实施方式)

第三实施方式的声源分离装置除了包含第一实施方式或第二实施方式的声源分离装置以外，还生成使从噪声源N1传来的声波的时间及振幅差一致并从一侧进行扣除的合成信号InC(k)，将合成信号InC(k)加进利用合成电路4进行的增益(gain)处理，由此，相对提高对指定方向的目标声源S1的灵敏度，而进一步强调来自该目标声源S1的声波。

图14表示反映到合成信号InC(k)的指向性的范围。如图14所示，通过对从传声器L、R输入的输入信号InL(k)与输入信号InR(k)进行信号处理，而形成将噪声源N1的方向排除的心(cardioid)型指向性的范围D。

如图15所示，该声源分离装置在想要抑制距传声器L、R的中心位置270deg侧的声波的情况下，在传声器L的后段，与朝向延时器1b的路径分支而具备滤波器1c。从滤波器1c与传声器R输出的信号经过加法器1d作为合成信号InC(k)被输入到合成电路4。

滤波器1c的传递函数HI满足下式(10)。C21是噪声源N1到传声器R的传递函数，C22是噪声源N1到传声器L的传递函数。

$H1\≅-C21/C\mathrm{22...}\left(10\right)$

如式(10)所示，如果输入信号InL(k)经过滤波器1c，从噪声源N1传来的输入信号InL(k)与输入信号(R)成为以同相位使振幅的正负反转的关系。因此，如果经过加法器1d，这些输入信号InL(k)与输入信号(R)的时间差越少越是相互抵消，而生成270deg方向的声波被抑制的合成信号InC(k)。

合成信号InC(k)是对设定的方向具有低灵敏度的指向性的输出，通过对合成信号InC(k)以任意的比率乘以m(k)，与第一实施方式及第二实施方式相比，可获得具有更强的指向性的输出Out。

(其他实施方式)

如上所述，对本发明的若干个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，并非有意限定发明的范围。这些新颖的实施方式能够以其他各种方式实施，可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，并且包含在权利要求书所记载的发明及其均等的范围内。

例如，在实施方式中，以将声源分离装置搭载于IC录音机、个人计算机(Personal Computer，PC)或携带式终端等具有录制功能的设备为前提而进行了说明，但也能搭载于其他所有音响设备，只要取代传声器而接收从存储着声波数据的存储器(memory)提供的输入信号In(L)及In(R)即可。也就是说，所谓的“针对从一对传声器输入的一对输入信号，对指定方向形成指向性”，不仅包含针对从传声器实时地输入的输入信号，而且还包含针对利用连接于声源分离装置的一对传声器预先录制而获得的输入信号、利用完全不同的一对传声器预先录制而获得的输入信号、使用计算机等当作利用一对传声器录制的声波而疑似生成的输入信号，对指定方向形成指向性的情况。

另外，如图16所示，系数更新电路只要在对交换信号的一个乘以系数m后，生成交换信号的误差信号，且运算包含该误差信号的系数m的递推公式，而对每一样本更新系数m，则不限定于所述实施方式，能够以其他实施方式实现。

另外，该声源分离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。在作为软件处理而实现的情况下，只要在具备CPU、外部存储器、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)的计算机中，使记述着与滤波器1a、延时器1b、滤波器1c、加法器1e、交换电路2、系数更新电路3、合成电路4相同的处理内容的程序存储在只读存储器(Read Only Memory，ROM)、硬盘(hard disk)、或闪速存储器(flash memory)等外部存储器，并适当展开到RAM，由CPU按照该程序进行运算即可。

符号的说明

1a：滤波器

1b：延时器

1c：滤波器

1e：加法器

2：交换电路

2a：特性修正电路

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

Claims (15)

1.一种声源分离方法，针对一对输入信号，对指定方向形成指向性，其特征在于包括：

滤波处理步骤，对所述一对输入信号的其中一个实施包含指定时间的延迟的滤波处理；

交换步骤，在经过所述滤波处理步骤之后，利用交换电路对每一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；

生成步骤，在对所述交换信号的一个乘以系数m之后，生成所述交换信号的误差信号；

更新步骤，运算包含所述误差信号的系数m的递推公式，而对每一样本更新系数m；以及

输出步骤，对所述一对输入信号乘以逐次被更新的系数m并输出，且

所述滤波处理步骤中的指定时间相当于来自所述指定方向的声波到达至一对传声器的时间差，

在所述滤波处理步骤中，将源自于来自所述指定方向的声波的所述一对输入信号调整为同振幅同相位。

2.根据权利要求1所述的声源分离方法，其特征在于：

在所述滤波处理步骤中，

利用使输入信号延迟指定时间的传递函数T1，对所述一对输入信号的其中一个实施滤波处理，且

如果将从所述指定方向到输出进行所述滤波处理的输入信号的传声器的声波的传递函数设为C11，将从所述指定方向到另一传声器的声波的传递函数设为C12，所述传递函数T1大致满足

T1×C11＝C12。

3.根据权利要求1所述的声源分离方法，其特征在于还包括：

延迟处理步骤，对另一输入信号产生使声波前进一对传声器的相隔距离所需的时间以上的延迟时间，且

在所述滤波处理步骤中，对所述其中一个输入信号实施滤波处理，该滤波处理包含将所述延迟处理步骤的延迟时间与所述指定时间相加所得的时间的延迟。

4.根据权利要求3所述的声源分离方法，其特征在于：

在所述滤波处理步骤中，利用使输入信号延迟指定时间的传递函数T1，对所述一对输入信号的其中一个实施滤波处理，

在所述延迟处理步骤中，利用使输入信号延迟所述延迟时间量的传递函数D1，使所述一对输入信号的另一个延迟，且

如果将从所述指定方向到输出进行所述滤波处理的输入信号的传声器的声波的传递函数设为C11，将从所述指定方向到另一传声器的声波的传递函数设为C12，所述传递函数T与所述传递函数D1大致满足

T1×C11＝D1×C12。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的声源分离方法，其特征在于：

在所述生成步骤及所述更新步骤中，

通过如下方式对每一样本更新所述系数m：

使所述交换信号的一个通过设定着在一样本前算出的过去的系数m的-1倍的第一积算器，

在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，

在经过第一加法器之后，使其通过设定着常数μ的第二积算器，

在经过所述第二积算器之后，使其通过设定着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，

在经过所述第三积算器之后，使其通过设定着在一样本前算出的过去的系数m的第二加法器。

6.一种声源分离装置，针对一对输入信号，对指定方向形成指向性，其特征在于包括：

滤波器，对所述一对输入信号的其中一个实施包含指定时间的延迟的滤波处理；

交换部，在经过所述滤波器之后，对每一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；

误差信号生成部，在对所述交换信号的一个乘以系数m之后，生成所述交换信号的误差信号；

递推公式运算部，运算包含所述误差信号的系数m的递推公式，而对每一样本更新系数m；以及

积算部，对所述一对输入信号乘以逐次被更新的系数m并输出，且

所述滤波处理中的指定时间相当于来自所述指定方向的声波到达至一对传声器的时间差，

在所述滤波处理中，将源自于来自所述指定方向的声波的所述一对输入信号调整为同振幅同相位。

7.根据权利要求6所述的声源分离装置，其特征在于：

所述滤波器是

利用使输入信号延迟指定时间的传递函数T1，对所述一对输入信号的其中一个实施滤波处理，且

如果将从所述指定方向到输出进行所述滤波处理的输入信号的传声器的声波的传递函数设为C11，将从所述指定方向到另一传声器的声波的传递函数设为C12，所述传递函数T1大致满足

T1×C11＝C12。

8.根据权利要求6所述的声源分离装置，其特征在于还包括：

延时器，对另一输入信号产生使声波前进一对传声器的相隔距离所需的时间以上的延迟时间，且

所述滤波器对所述其中一个输入信号实施滤波处理，该滤波处理包含将所述延迟处理步骤的延迟时间与所述指定时间相加所得的时间的延迟。

9.根据权利要求8所述的声源分离装置，其特征在于：

所述滤波器利用使输入信号延迟指定时间的传递函数T1，对所述一对输入信号的其中一个实施滤波处理，

所述延时器利用使输入信号延迟所述延迟时间量的传递函数D1，使所述一对输入信号的另一个延迟，且

如果将从所述指定方向到输出进行所述滤波处理的输入信号的传声器的声波的传递函数设为C11，将从所述指定方向到另一传声器的声波的传递函数设为C12，所述传递函数T与所述传递函数D1大致满足

T1×C11＝D1×C12。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的声源分离装置，其特征在于：

所述误差信号生成部及所述递推公式运算部通过如下方式对每一样本更新所述系数m：

使所述交换信号的一个通过设定着在一样本前算出的过去的系数m的-1倍的第一积算器，

在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，

在经过第一加法器之后，使其通过设定着常数μ的第二积算器，

在经过所述第二积算器之后，使其通过设定着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，

在经过所述第三积算器之后，使其通过设定着在一样本前算出的过去的系数m的第二加法器。

11.一种声源分离程序，使计算机以针对一对输入信号对指定方向形成指向性的方式发挥功能，其特征在于：

使所述计算机作为如下机构发挥功能：

滤波器，对所述一对输入信号的其中一个实施包含指定时间的延迟的滤波处理；

交换部，在经过所述滤波器之后，对每一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；

误差信号生成部，在对所述交换信号的一个乘以系数m之后，生成所述交换信号的误差信号；

递推公式运算部，运算包含所述误差信号的系数m的递推公式，而对每一样本更新系数m；以及

积算部，对所述一对输入信号乘以逐次被更新的系数m并输出，且

所述滤波处理中的指定时间相当于来自所述指定方向的声波到达至一对传声器的时间差，

在所述滤波处理中，将源自于来自所述指定方向的声波的所述一对输入信号调整为同振幅同相位。

12.根据权利要求11所述的声源分离程序，其特征在于：

所述滤波器是

利用使输入信号延迟指定时间的传递函数T1，对所述一对输入信号的其中一个实施滤波处理，且

如果将从所述指定方向到输出进行所述滤波处理的输入信号的传声器的声波的传递函数设为C11，将从所述指定方向到另一传声器的声波的传递函数设为C12，所述传递函数T1大致满足

T1×C11＝C12。

13.根据权利要求11所述的声源分离程序，其特征在于：

使所述计算机作为延时器进而发挥功能，所述延时器对另一输入信号产生使声波前进一对传声器的相隔距离所需的时间以上的延迟时间，且

所述滤波器对所述其中一个输入信号实施滤波处理，该滤波处理包含将所述延迟处理步骤的延迟时间与所述指定时间相加所得的时间的延迟。

14.根据权利要求13所述的声源分离程序，其特征在于：

所述滤波器利用使输入信号延迟指定时间的传递函数T1，对所述一对输入信号的其中一个实施滤波处理，

所述延时器利用使输入信号延迟所述延迟时间量的传递函数D1，使所述一对输入信号的另一个延迟，且

如果将从所述指定方向到输出进行所述滤波处理的输入信号的传声器的声波的传递函数设为C11，将从所述指定方向到另一传声器的声波的传递函数设为C12，

所述传递函数T与所述传递函数D1大致满足

T1×C11＝D1×C12。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的声源分离程序，其特征在于：

所述误差信号生成部及所述递推公式运算部通过如下方式对每一样本更新所述系数m：

使所述交换信号的一个通过设定着在一样本前算出的过去的系数m的-1倍的第一积算器，

在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，

在经过第一加法器之后，使其通过设定着常数μ的第二积算器，

在经过所述第二积算器之后，使其通过设定着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，

在经过所述第三积算器之后，使其通过设定着在一样本前算出的过去的系数m的第二加法器。