JP2003323195A

JP2003323195A - 雑音除去システムおよび雑音除去方法

Info

Publication number: JP2003323195A
Application number: JP2002129820A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Hoya; 谷哲也保; Chihokki Anjei; チホツキアンジェイ
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2002-05-01
Filing date: 2002-05-01
Publication date: 2003-11-14
Anticipated expiration: 2022-05-01
Also published as: JP4228104B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ステレオ音声信号などの狭帯域信号から広帯
域雑音を効果的に除去することができる、雑音除去シス
テムおよび雑音除去方法を提供する。【解決手段】Ｍ個の観測信号ｘ_ｉ（ｋ）が入力部１１
のＭ個のチャンネル１１ａを介して雑音除去部１２に時
系列的に順次入力されると、互いにカスケード接続され
たＮ段の特異値分解ユニット１２ａにより当該観察信号
ｘ_ｉ（ｋ）に対して順次処理が行われる。具体的には、
各段の特異値分解ユニット１２ａにて、Ｍ個の入力信号
を特異値分解法によって信号部分空間と雑音部分空間と
に分離するとともに、分離された信号部分空間に対して
Ｍ個の入力信号を直交射影し、時間領域の信号であるＭ
個の出力信号を抽出する。これにより、第Ｎ段の特異値
分解ユニット１２ａから、Ｍ個の観測信号ｘ_ｉ（ｋ）か
ら雑音が除去されたＭ個の信号が出力され、振幅調整部
１４の各振幅増減器１４ａにて各信号の振幅に対して係
数ｃ_ｉが乗じられた後、雑音が除去されたＭ個の雑音除
去信号ｙ_ｉ（ｋ）として、出力部１３のＭ個のチャンネ
ル１３ａを介して出力される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種の観測信号か
ら雑音（ノイズ）を除去する雑音除去システムおよび雑
音除去方法に係り、とりわけ、ステレオ音声信号などの
狭帯域信号から広帯域雑音を除去するために好適に用い
られる雑音除去システムおよび雑音除去方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】携帯電話などを利用した通信処理や、音
声認識処理、レーダーから送られるデータの解析処理、
脳波や心電図の測定処理、といった様々な信号処理の分
野において、雑音の除去は欠かせないものである。

【０００３】一般に、音声信号などの狭帯域信号から広
帯域雑音を軽減する手法としては、非線形スペクトル減
算法（ＮＳＳ：Nonlinear spectral subtraction）（文
献１参照）が用いられている。この手法は、ある一定の
時間内に、雑音が混在した観測信号に基づいて音声信号
成分および雑音信号成分のそれぞれに対応するスペクト
ルを個別に推定し、推定された雑音スペクトルを観測信
号から減算するものである。

【０００４】しかしながら、このような非線形スペクト
ル減算法では、雑音除去後の信号を周波数領域から時間
領域へ変換する際に、雑音スペクトルの推定誤差によ
り、副次的な、ある種の楽器のような雑音が発生してし
まい、このような雑音が、広帯域雑音が軽減される代わ
りに付加されてしまう、という問題がある。また、ＳＮ
比が低いような場合には、広帯域雑音が除去されるのに
伴って、音声信号の一部も除去されてしまう、という問
題がある。さらに、良好な雑音軽減性能を得るために
は、非常に多くのパラメーターを調整する必要があり、
また、それらの最適な調整を異なった環境ごとに行う必
要がある、という問題がある。

【０００５】ところで、近年、生物医療工学の分野にお
いては、観測信号である生体信号に特異値分解法（ＳＶ
Ｄ：singular value decomposition）（例えば文献２参
照）を適用し、生体信号から特定の要素のみを抽出する
手法が提案されている（文献３および４参照）。これら
の手法は、観測信号を特異値分解法によって信号部分空
間（signal subspace）と雑音部分空間（noise subspac
e）とに分離するとともに、分離された信号部分空間に
対して観測信号を直交射影（ＯＮＰ：orthonormal proj
ection）することにより、時間領域の信号である複数の
出力信号（雑音が除去された信号）を抽出するものであ
る。なお、このような特異値分解法は、生体信号からの
雑音の除去に応用されるだけでなく、音声信号からの雑
音の除去にも応用されている（文献５〜１０参照）。

【０００６】また、このような特異値分解法を用いた手
法としては、特異値分解法を適用する前にウィナーフィ
ルター処理（Wiener filtering）を行って、脳の誘発電
位を抽出する手法も提案されている（文献１１）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような特異値分解法を用いた従来の手法では、ステレ
オ音声信号などのように互いに相関（correlation）の
ある複数の観測信号から雑音を除去するような場合につ
いては何ら考慮されておらず、このような場合には、入
力された複数の観測信号から雑音を十分に除去すること
ができない、という問題がある。

【０００８】本発明はこのような点を考慮してなされた
ものであり、ステレオ音声信号などの狭帯域信号から広
帯域雑音を効果的に除去することができる、雑音除去シ
ステムおよび雑音除去方法を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、第１の解決手
段として、複数の観測信号を入力するための複数のチャ
ンネルを有する入力部と、前記入力部の前記複数のチャ
ンネルを介して入力された前記複数の観測信号から雑音
を除去する雑音除去部と、前記雑音除去部により雑音が
除去された複数の雑音除去信号を出力するための複数の
チャンネルを有する出力部とを備え、前記雑音除去部
は、前記入力部の前記複数のチャンネルを介して入力さ
れた前記複数の観測信号を処理する、互いにカスケード
接続された複数段の特異値分解ユニットを有し、前記各
段の特異値分解ユニットは、前記複数のチャンネルのそ
れぞれに対応する複数の入力信号を特異値分解法によっ
て信号部分空間と雑音部分空間とに分離するとともに、
分離された信号部分空間に対して前記複数の入力信号を
直交射影することにより、時間領域の信号である複数の
出力信号を抽出することを特徴とする雑音除去システム
を提供する。

【００１０】なお、上述した第１の解決手段において、
前記雑音除去部は、前記各段の特異値分解ユニットから
出力された前記複数の出力信号のうち異なるチャンネル
に属する少なくとも２つの出力信号を互いに所定サンプ
ル数だけずらす遅延器または前進器をさらに備えている
ことが好ましい。また、前記出力部から出力される前記
複数の雑音除去信号の振幅を増減させる振幅調整部をさ
らに備えていることが好ましい。

【００１１】本発明は、第２の解決手段として、複数の
観測信号を入力するステップと、前記複数の観測信号か
ら雑音を除去する雑音除去ステップと、雑音が除去され
た複数の雑音除去信号を出力するステップとを含み、前
記雑音除去ステップにおいて、前記複数の観測信号に対
して特異値分解法を複数回適用することにより前記複数
の観測信号から雑音を除去し、前記各回の特異値分解法
は、前記複数の観測信号に対応する複数の入力信号を特
異値分解法によって信号部分空間と雑音部分空間とに分
離するとともに、分離された信号部分空間に対して前記
複数の入力信号を直交射影することにより、時間領域の
信号である複数の出力信号を抽出するものであることを
特徴とする雑音除去方法を提供する。

【００１２】本発明によれば、互いにカスケード接続さ
れた複数段の特異値分解ユニットなどにより、複数の観
測信号に対して特異値分解法を複数回適用するようにし
ているので、ステレオ音声信号などのように互いに相関
のある複数の観測信号から雑音を除去するような場合で
も、入力された観測信号の波形を良好に保ったまま雑音
のみを効果的に除去することができる。また、互いにカ
スケード接続された複数段の特異値分解ユニットなどに
より、複数の観測信号に対して特異値分解法を複数回適
用するようにしているので、複数の観測信号に対して適
用される特異値分解法の回数を任意に設定することがで
き、センサーなどの数が少なく観測信号の個数が小さい
場合でも、特異値分解ユニットの段数を増加させること
により容易に雑音軽減性能を向上させることができる。
さらに、複数の観測信号に対して適用される雑音除去手
法として特異値分解法を用いているので、雑音源の位置
や数などがあらかじめ判明していない場合でも、信号成
分と雑音成分とを容易に分離することができ、入力され
た観測信号から雑音を容易に除去することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。

【００１４】まず、図１により、本発明による雑音除去
システムの一実施の形態の構成について説明する。

【００１５】図１に示すように、本実施の形態に係る雑
音除去システム１０は、センサなどで検出されたＭ個の
観測信号ｘ_ｉ（ｋ）（ｉ＝１，２，…，Ｍ；ｋは離散時
間）を入力するためのＭ個のチャンネル１１ａを有する
入力部１１と、入力部１１のＭ個のチャンネル１１ａを
介して入力されたＭ個の観測信号ｘ_ｉ（ｋ）から雑音を
除去する雑音除去部１２と、雑音除去部１２により雑音
が除去されたＭ個の雑音除去信号ｙ_ｉ（ｋ）（ｉ＝１，
２，…，Ｍ；ｋは離散時間）を出力するためのＭ個のチ
ャンネル１３ａを有する出力部１３とを備えている。

【００１６】ここで、雑音除去部１２と出力部１３との
間には、出力部１３から出力されるＭ個の雑音除去信号
ｙ_ｉ（ｋ）の振幅を増減させる振幅調整部１４が設けら
れている。なお、振幅調整部１４には、出力部１３の各
チャンネル１３ａに対応してＭ個の振幅増減器１４ａが
設けられている。ここで、各振幅増減器１４ａに付され
た符号ｃ_ｉ（ｉ＝１，２，…，Ｍ）は、雑音除去部１２
から出力されるＭ個の信号のそれぞれに対して乗じられ
る係数を表しており、その係数の値は目的に応じて適宜
調整される。具体的には例えば、出力部１３の後段に適
応信号強調器（adaptive signal enhancer）などがさら
に接続されるような場合には、特定の信号の強調などが
良好に行われるように係数ｃ_ｉの値が調整される。

【００１７】また、雑音除去部１２は、入力部１１のＭ
個のチャンネル１１ａを介して入力されたＭ個の観測信
号ｘ_ｉ（ｋ）を処理するものであり、互いにカスケード
接続されたＮ段の特異値分解ユニット（ＳＶＤユニッ
ト）１２ａを有している。なお、各段の特異値分解ユニ
ット１２ａは、Ｍ個のチャンネル１１ａのそれぞれに対
応するＭ個の入力信号を特異値分解法によって信号部分
空間と雑音部分空間とに分離するとともに、分離された
信号部分空間に対してＭ個の入力信号を直交射影するこ
とにより、時間領域の信号であるＭ個の出力信号を抽出
する。なお、各段の特異値分解ユニット１２ａで行われ
る特異値分解法の基本的な内容は、概略としては既存の
もの（例えば文献１１および１２参照）と同様である。

【００１８】以下、各段の特異値分解ユニット１２ａで
行われる特異値分解法の詳細について説明する。

【００１９】まず、入力信号データを、Ｌ×Ｍ行列の形
式で行列Ｘ＝［ｘ _１，ｘ _２，…，ｘ _Ｍ］として表す。な
お、行列Ｘの列ベクトルｘ _ｉ（ｉ＝１，２，…，Ｍ）
は、ｘ _ｉ＝［ｘ_１ｉ，ｘ_２ｉ，…，ｘ_Ｌｉ］^Ｔ（Ｔは
転置ベクトルを表す）である。なお、本明細書中におい
て、下線付きの英字はベクトルを表す。

【００２０】このような行列Ｘは、Ｍ＜Ｌとすると、特
異値分解法により次式（１）のように表される。

【００２１】

【数１】

【００２２】ここで、行列ＵおよびＶはそれぞれ、Ｕ＝
［ｕ _１，ｕ _２，…，ｕ _Ｍ］∈Ｒ^Ｌ× ^Ｍ、Ｖ＝［ｖ _１，ｖ
_２，…，ｖ _Ｍ］∈Ｒ^Ｍ×Ｍであり、それぞれ、Ｕ^ＴＵ＝
Ｉ_Ｍ、およびＶ^ＴＶ＝Ｉ_Ｍを満足する直交行列であるも
のとする。また、行列Σは、Σ＝diag（σ_１，σ_２，
…，σ_Ｍ）∈Ｒ^Ｍ×Ｍであり、σ_１≧σ_２≧…≧σ_Ｍ≧
０であるものとする。なお、行列ＵおよびＶに含まれる
列ベクトルは、それぞれ、Ｘの左側特異値ベクトルおよ
び右側特異値ベクトルと呼ばれる。また、行列Σの対角
の成分は特異値と呼ばれ、信号の数やエネルギー、雑音
レベルなどに関する情報を含んでいる。

【００２３】なお、ＳＮ比が十分に高い場合には、行列
Ｘは次式（２）のように分解される。

【００２４】

【数２】

【００２５】ここで、行列Σ_ｓはｓ個の信号源に関連す
る最大特異値、行列Σ_ｎは雑音に関連する（Ｍ−ｓ）個
の特異値を表している。また、行列Ｕ_ｓおよびＶ_ｓはと
もに信号源に関連するｓ個の特異値ベクトルを有し、行
列Ｕ_ｎおよびＶ_ｎはともに雑音に関連する（Ｍ−ｓ）個
の特異値ベクトルを有している。なお、行列Ｕ_ｓの列ベ
クトルにより張られた部分空間は信号部分空間と呼ば
れ、行列Ｕ_ｎの列ベクトルにより張られた部分空間は雑
音部分空間と呼ばれる。

【００２６】なお、信号部分空間と雑音部分空間とは理
論上互いに直交していることから、信号部分空間に対し
て観測信号である雑音付きのデータを直交射影すること
により、最小二乗近似の原理を利用して雑音の除去を行
うことができる。

【００２７】すなわち、雑音の除去が行われた後の出力
信号データを、行列Ｙ＝［ｙ _１，ｙ _２，…，ｙ _Ｍ］（列
ベクトルｙ _ｉ（ｉ＝１，２，…，Ｍ）はｙ _ｉ＝
［ｙ_１ｉ，ｙ _２ｉ，…，ｙ_Ｌｉ］^Ｔ）と表すものとす
ると、上述した直交射影により、行列Ｙは次式（３）に
より与えられる。

【００２８】

【数３】

【００２９】そして、上式（３）は、信号部分空間を表
すベクトルの特性（直交特性）により、簡単に次式
（４）のように表される。

【００３０】

【数４】

【００３１】すなわち、図１に示す各段の特異値分解ユ
ニット１２ａでは、Ｍ個のチャンネル１１ａから入力さ
れたＭ個の入力信号のＬサンプル分を１フレームとし、
このＬ×Ｍ個の入力信号を含む行列Ｘに対して、上式
（４）に従って特異値分解法を適用する。

【００３２】ここで、従来のフレーム演算式を用いる既
存の方法（例えば文献１１および１２参照）では、図２
(b)に示すように、互いにオーバーラップしないＬサン
プル分のフレーム単位で行列Ｘに対応する行列Ｙを求
め、Ｌ×Ｍ個の出力信号を抽出するが、このような方法
ではなく、図２(a)に示すように、１サンプルだけずれ
るような形で互いにオーバーラップするＬサンプル分の
フレーム単位で、行列Ｘに対応する行列Ｙを求めるよう
にしてもよい。

【００３３】なお、図２(a)に示す方法では、特異値分
解法による出力結果としての行列Ｙのうち一部の要素
（図２(b)の符号３１参照）のみが最終的な出力信号と
して用いられ、残りの要素は、離散時間ｋが一つ増加す
る（時間が１サンプル分進む）度に全て更新される。こ
れに対し、図２(b)に示す方法では、特異値分解法によ
る出力結果としての行列Ｙの全ての要素（図２(b)の符
号３２参照）が最終的な出力信号として用いられる。な
お、図２(a)に示す方法によれば、各段の特異値分解ユ
ニット１２ａにおいて、信号部分空間を表す行列Ｕ_ｓの
更新が離散時間ｋの各点で行われることとなり、入力信
号に対してフィルターと同じように機能することが可能
となる。このため、図２(a)に示す方法は、図１に示す
ような複数段の特異値分解ユニット１２ａがカスケード
接続された構成において特に好適に用いられる。

【００３４】次に、このような構成からなる本実施の形
態の作用について説明する。

【００３５】図１に示す雑音除去システム１０におい
て、センサなどで検出されたＭ個の観測信号ｘ_ｉ（ｋ）
は、入力部１１のＭ個のチャンネル１１ａを介して雑音
除去部１２に時系列的に順次入力される。

【００３６】雑音除去部１２においては、まず、入力部
１１のＭ個のチャンネル１１ａを介して入力されたＭ個
の観測信号ｘ_ｉ（ｋ）が第１段の特異値分解ユニット１
２ａに入力される。第１段の特異値分解ユニット１２ａ
においては、上述した特異値分解法により、Ｍ個のチャ
ンネル１１ａのそれぞれに対応するＭ個の入力信号を特
異値分解法によって信号部分空間と雑音部分空間とに分
離するとともに、分離された信号部分空間に対してＭ個
の入力信号を直交射影することにより、時間領域の信号
であるＭ個の出力信号を抽出し、その抽出されたＭ個の
出力信号を次段（第２段）の特異値分解ユニット１２ａ
に送る。

【００３７】その後、同様にして、第２段〜第Ｎ段の特
異値分解ユニット１２ａにおいて、前段の特異値分解ユ
ニット１２ａから出力されたＭ個の出力信号を入力信号
として、第１段の特異値分解ユニット１２ａと同様の処
理が行われる。

【００３８】これにより、最終的に、第Ｎ段の特異値分
解ユニット１２ａから、Ｍ個の観測信号ｘ_ｉ（ｋ）から
雑音が除去されたＭ個の信号が出力される。

【００３９】ここで、このようにして出力されたＭ個の
信号は、振幅調整部１４の各振幅増減器１４ａに入力さ
れ、各信号の振幅に対して係数ｃ_ｉが乗じられる。

【００４０】そして最終的に、振幅調整部１４の各振幅
増減器１４ａにより振幅が増減された各信号は、雑音が
除去されたＭ個の雑音除去信号ｙ_ｉ（ｋ）として、出力
部１３のＭ個のチャンネル１３ａを介して出力される。

【００４１】このように本実施の形態によれば、互いに
カスケード接続された複数段の特異値分解ユニット１２
ａにより、複数の観測信号ｘ_ｉ（ｋ）に対して特異値分
解法を複数回適用するようにしているので、ステレオ音
声信号などのように互いに相関のある複数の観測信号ｘ
_ｉ（ｋ）から雑音を除去するような場合でも、入力され
た観測信号ｘ_ｉ（ｋ）の波形を良好に保ったまま雑音の
みを効果的に除去することができる。

【００４２】また、本実施の形態によれば、互いにカス
ケード接続された複数段の特異値分解ユニット１２ａに
より、複数の観測信号ｘ_ｉ（ｋ）に対して特異値分解法
を複数回適用するようにしているので、複数の観測信号
ｘ_ｉ（ｋ）に対して適用される特異値分解法の回数を任
意に設定することができ、センサーなどの数が少なく観
測信号ｘ_ｉ（ｋ）の個数（Ｍ）が小さい場合でも、特異
値分解ユニット１２ａの段数（Ｎ）を増加させることに
より容易に雑音軽減性能を向上させることができる。

【００４３】さらに、本実施の形態によれば、複数の観
測信号ｘ_ｉ（ｋ）に対して適用される雑音除去手法とし
て特異値分解法を用いているので、信号源や雑音源の位
置や数などがあらかじめ判明していない場合でも、信号
成分と雑音成分とを容易に分離することができ、音声信
号を検出するためのマイク（センサー）の位置や数にか
かわらず入力された観測信号ｘ_ｉ（ｋ）から雑音を容易
に除去することができる。すなわち、既存の音声信号分
離（speech separation）の手法（文献１３〜１７参
照）などにおいては、例えば複数のマイク（センサー）
が信号源の近くにそれぞれ設置されているときには有効
であるが、信号源（例えば話者）の近くに全てのマイク
が設置されていたり、雑音源からマイクが遠ざかってい
るときにはうまく機能しない、という問題があり、ま
た、信号源の数がマイク（センサー）の数を上回ってい
るときなども通常機能しない、という問題があるが、本
実施の形態によれば、このような問題は生じない。ま
た、音声信号などのように時間の経過に伴ってその振幅
が急激に変化するような観測信号ｘ_ｉ（ｋ）であって
も、音声検出器（voice activity detector）などのメ
カニズムを用いることなく、観測信号ｘ_ｉ（ｋ）から雑
音を容易に除去することができる。

【００４４】なお、上述した実施の形態においては、雑
音除去部１２の各段の特異値分解ユニット１２ａ同士を
直接接続するようにしているが、図３に示すように、雑
音除去部１２の各段の特異値分解ユニット１２ａの間に
遅延器（delay）１５，１６または前進器（advancer）
１７，１８を挿入するようにしてもよい。

【００４５】図３に示す雑音除去システム１０′は、図
１に示す雑音除去システム１０において、雑音除去部１
２の各段の特異値分解ユニット１２ａの間に遅延器１
５，１６および前進器１７，１８を挿入したものであ
る。なお、図３に示す雑音除去システム１０′は、ステ
レオ音声信号などのような強相関（strongly correlate
d）の２チャンネルの観測信号ｘ_１（ｋ），ｘ_２（ｋ）
から雑音を除去する場合に好適に用いられるものである
が、基本的な構成については、図１に示す雑音除去シス
テム１０と略同一である。図３に示す雑音除去システム
１０′において、図１に示す雑音除去システム１０と同
一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

【００４６】図３に示すように、雑音除去部１２は、各
段の特異値分解ユニット１２ａから出力された２チャン
ネルの出力信号を互いにｐサンプルだけずらす遅延器１
５，１６および前進器１７，１８を有している。具体的
には、図３に示すように、第１段〜第（Ｎ／４）段のそ
れぞれの特異値分解ユニット１２ａの後段には第１チャ
ンネル（観測信号ｘ_１（ｋ）に対応するチャンネル）上
に遅延器１５が設けられ、第（Ｎ／４＋１）段〜第（Ｎ
／２）段のそれぞれの特異値分解ユニット１２ａの後段
には第２チャンネル（観測信号ｘ_２（ｋ）に対応するチ
ャンネル）上に遅延器１６が設けられている。また、第
（Ｎ／２＋１）段〜第（３Ｎ／４）段のそれぞれの特異
値分解ユニット１２ａの後段には第１チャンネル上に前
進器１７が設けられ、第（３Ｎ／４＋１）段〜第Ｎ段の
それぞれの特異値分解ユニット１２ａの後段には第２チ
ャンネル上に前進器１８が設けられている。

【００４７】このように、図３に示す雑音除去システム
１０′によれば、一方のチャンネルの信号を他方のチャ
ンネルの信号に対して遅延器１５，１６または前進器１
７，１８によってｐサンプルだけずらすようにしている
ので、相関のない信号成分のみを効果的に弱めることが
できる。すなわち、ステレオ音声信号などのような強相
関の２チャンネルの観測信号では、音声信号成分が時間
軸において互いに強い相関がある一方で、除去されるべ
き雑音信号成分は白色雑音（white noise）などのよう
に相関がない場合が多いので、図３に示すような雑音除
去システム１０′により、音声信号成分の相関はある程
度保ったまま、白色雑音である雑音信号成分の相関のみ
を弱めることができ、特異値分解法による観測信号から
の雑音の除去をより効率的に行うことができる。このと
き、サンプリング周波数（sampling rate/interval）が
十分に高ければ、特異値分解法による信号部分空間の推
定誤差はそれほど問題にならないので、このような観点
でサンプリング周波数を設定することにより、最終的に
出力される２チャンネルの雑音除去信号ｙ_１（ｋ），ｙ
_２（ｋ）が、入力された観測信号ｘ_１（ｋ），ｘ
_２（ｋ）の波形を良好に保つようにすることができる。

【００４８】なお、図３に示す雑音除去システム１０′
において、遅延器１５，１６および前進器１７，１８を
各段の特異値ユニット１２ａの間へ挿入する態様は任意
であるが、最終的に出力される雑音除去信号ｙ
_１（ｋ），ｙ_２（ｋ）の時間の整合性を考慮して、各チ
ャンネルには同数の遅延器および前進器を挿入すること
が好ましい。

【００４９】

【実施例】次に、上述した実施の形態の具体的実施例に
ついて述べる。

【００５０】図１に示すような雑音除去システムを用い
て、２チャンネルのステレオ音声信号から雑音を除去す
る実験を行った。なおここでは、ステレオ音声信号とし
ては、無響室で３人の話者（男性２人、女性１人）によ
りそれぞれ録音（４８ｋＨｚでサンプリング）された３
種類のステレオ音声信号を準備し、この３種類のステレ
オ音声信号のそれぞれに対して、次のような３種類の雑
音（２チャンネル分の雑音）を加えた。

【００５１】(1) 相関のない雑音 (2) １つの白色雑音源から、無響室のインパルス応答
（impulse response）を仮定して得られた固定のフィル
ターによって、ある程度の共相関（cross-correlatio
n）を持たせた雑音 (3) 車のエンジン音をモデル化した周期的かつ広帯域
の雑音

【００５２】そして、図１に示すような構成の雑音除去
システムを用いて、上述した９種類の雑音付きのステレ
オ音声信号から雑音を除去する実験を行った。なおここ
では、特異値分解ユニットの段数Ｎは４、各段の特異値
分解ユニットで用いられる解析用行列の長さＬは３２、
係数ｃ_ｉの値は０．１とした。

【００５３】その結果、いずれの雑音付きのステレオ音
声信号についても、雑音が十分に除去され、元の音声波
形に近いものが得られた。

【００５４】なお、比較実験として、各段の特異値分解
ユニットの間に遅延器および前進器（サンプル数ｐ＝１
または６）を挿入して、上述した９種類の雑音付きのス
テレオ音声信号から雑音を除去する実験を行ったとこ
ろ、いずれの雑音付きのステレオ音声信号についても、
遅延器および前進器を挿入した場合の方が、挿入しない
場合に比べて雑音軽減性能が向上した。

【００５５】また、比較実験として、従来の非線形スペ
クトル減算法（ＮＳＳ）を用いて、上述した９種類の雑
音付きのステレオ音声信号から雑音を除去する実験を行
ったところ、いずれの雑音付きのステレオ音声信号につ
いても、音声波形が大きく変形され、しかも、副次的
な、ある種の楽器のような雑音が付加された。

【００５６】以下、上述した９種類の雑音付きのステレ
オ音声信号のうちの１つのステレオ音声信号を例にと
り、実験結果を詳細に説明する。

【００５７】図４は、上述した９種類の雑音付きのステ
レオ音声信号のうち、１つのステレオ音声信号（一人の
男性により録音されたステレオ音声信号に、相関のない
雑音を加えたもの）を用いた実験結果を示す図である。
なお、図４(a)は雑音が加えられる前のステレオ音声信
号の波形、図４(b)はステレオ音声信号に加えられた雑
音信号の波形、図４(c)は非線形スペクトル減算法（Ｎ
ＳＳ）により雑音が除去された後のステレオ音声信号の
波形、図４(d)は１段の特異値分解ユニットにより雑音
が除去された後のステレオ音声信号の波形、図４(e)は
４段の特異値分解ユニットにより雑音が除去された後の
ステレオ音声信号の波形である。

【００５８】図４(d)(e)を比較すると分かるように、図
４(e)に示す音声波形の方が図４(d)に示す音声波形より
も図４(a)に示す元の音声波形に近く、この結果は、実
際に雑音除去後の信号を視聴した結果とも合致してい
た。なお、図４(c)に示す音声波形は、図４(e)に示す音
声波形に比べて、図４(a)に示す元の音声波形と類似し
ているように見えるが、実際に雑音除去後の信号を視聴
すると、副次的な、ある種の楽器のような雑音が付加さ
れていた。

【００５９】一方、上述した図４に示す実験で用いられ
たものと同じ雑音付きのステレオ音声データについて、
特異値分解ユニットの段数を１から１０まで変化させな
がら利得（segmental gain）およびケプストラル距離
（cepstral distance）（例えば文献１８および１９参
照）を測定した。

【００６０】図５(a)(b)はそれぞれ利得およびケプスト
ラル距離の測定結果を示す図である。図５(a)(b)に示す
ように、カスケード接続されている特異値分解ユニット
の段数Ｎを増加させることにより利得およびケプストラ
ル距離ともその性能がほぼ直線的に向上することが分か
る。

【００６１】

【参考文献】[1] R. Martin, ``Spectral subtraction
based on minimum statistics,'' Proc. EUSIPCO-94, p
p. 1182-1185, Edinburgh, 1994. [2] G. H. Golub and C. F. Van Loan, Matrix Computa
tion, 3rd Ed., The Johns Hopkins Univ. Press, Balt
imore and London, 1996. [3] P. A. Karjalainen, J. P. Kaipio, A. S. Koistin
en and M. Vuhkonen,``Subspace regularization metho
d for the single-trial estimation of evoked potent
ials,'' IEEE Trans. Biomed. Eng., Vol. 40, pp. 849
-860, July 1999. [4] T. Kobayashi and S. Kuriki, ``Principle compon
ent elimination method for the improvement of S/N
in evoked neuromagnetic field measurements,'' IEEE
Trans. Biomed. Eng., Vol. 46, pp. 951-958, Aug. 1
999. [5] F. Asano, S, Hayamizu, T. Yamada, and S. Nakam
ura, ``Speech enhancement based on the subspace me
thod,'' IEEE Trans. Speech, Audio Proc., Vol. 8, N
o. 5, pp. 497-507, Sept. 2000. [6] M. Dendrinos, S. Bakamidis, and G. Carayannis,
``Speech enhancement from noise: a regenerative a
pproach,'' Speech Communication, Vol. 10,pp. 45-5
7, Feb. 1991. [7] S. Doclo and M. Moonen, ``SVD-based optimal fi
ltering with applications to noise reduction in sp
eech signals,'' IEEE Workshop on App., Sig., Pro
c., to Audio, Acoust., pp. 143-146, New Paltz, NY,
USA, Oct. 1999,also in internal report, K. U. Leu
ven, Apr. 1999. [8] Y. Ephraim and H. L. V. Trees, ``A signal subs
pace approach for speech enhancement,'' IEEE Tran
s. Speech, Audio Proc., Vol. 3, No. 4, pp.251-266,
July 1995. [9] P. S. K. Hansen, ``Signal subspace methods for
speech enhancement,'' Ph.D. Thesis, Technical Uni
v. of Denmark, Lyngby, Denmark, Sept. 1997. [10] S. H. Jensen, P. C. Hansen, S. D. Hansen, and
J. A. Sorensen, ``Reduction of broad-band noise i
n speech by truncated QSVD,'' IEEE Trans.Speech, A
udio Proc., Vol. 3, pp. 439-448, Nov. 1995. [11] A. Cichocki, R. R. Gharieb, and T. Hoya, ``Ef
ficient extraction of evoked potentials by combina
tion of Wiener filtering and subspace methods,'' i
n Proc. ICASSP-2001, Salt Lake City, May 2001. [12] P. K. Sadasivan and D. N. Dutt, ``SVD based t
echnique for noise reduction in electroencephalogr
aphic signals,'' Signal Processing, Vol. 55, No.2,
pp. 179-189, 1996. [13] S. Haykin, ``Unsupervised adaptive filterin
g,'' Volume I & II, John Wiley & Sons, Inc, 2000. [14] S. Amari and A. Cichocki, ``Adaptive blind si
gnal processing -- neural network approaches'', Pr
oc. IEEE, Vol. 86, No. 10, pp. 2026-2048,Oct. 199
8. [15] K. Torkkola, ``Blind separation of delayed so
urces based on information maximization,'' Proc.IC
ASSP-96, pp. 3509-3512, 1996. [16] H. L. Nguyen Thi and C. Jutten, ``Blind sourc
e separation for convolved mixtures,'' Signal Proc
essing, Vol. 45, No. 2, pp. 209-229, 1995. [17] C. Jutten and J. Herault, ``Blind separation
of sources, part I:an adaptive algorithm based on
neuromimetic architecture,'' Signal Processing, Vo
l. 24, No. 1, pp. 1-10, 1991. [18] J. R. Deller, Jr., J. G. Proakis, and J. H.
L. Hansen, ``Discrete-time processing of speech si
gnals,'' Macmillan Publishing Company, 1993. [19] R. Le Bouquin-Jennes, A. Akbari Azirani, and
G. Faucon, ``Enhancement of Speech Degraded by Coh
erent and Incoherent Noise Using a Cross-Spectral
Estimator'', IEEE Trans. on Speech, Audio Proc., V
ol. 5, No. 5,pp. 484-487, Sept. 1997.

【００６２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ス
テレオ音声信号などの狭帯域信号から広帯域雑音を効果
的に除去することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による雑音除去システムの一実施の形態
を示すブロック図。

【図２】本発明による雑音除去システムで用いられる特
異値分解法の概要を説明するための図。

【図３】本発明による雑音除去システムの他の実施の形
態を示すブロック図。

【図４】本発明の具体的実施例に係る雑音除去システム
を用いた実験結果を示す図。

【図５】本発明の具体的実施例に係る雑音除去システム
において特異値分解ユニットの段数を変化させた場合の
利得およびケプストラル距離の測定結果を示す図。

【符号の説明】

１０，１０′ 雑音除去システム１１入力部１１ａチャンネル１２雑音除去部１２ａ特異値分解ユニット１３出力部１３ａチャンネル１４振幅調整部１４ａ振幅増減器１５，１６遅延器１７，１８前進器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の観測信号を入力するための複数のチ
ャンネルを有する入力部と、前記入力部の前記複数のチャンネルを介して入力された
前記複数の観測信号から雑音を除去する雑音除去部と、前記雑音除去部により雑音が除去された複数の雑音除去
信号を出力するための複数のチャンネルを有する出力部
とを備え、前記雑音除去部は、前記入力部の前記複数のチャンネル
を介して入力された前記複数の観測信号を処理する、互
いにカスケード接続された複数段の特異値分解ユニット
を有し、前記各段の特異値分解ユニットは、前記複数の
チャンネルのそれぞれに対応する複数の入力信号を特異
値分解法によって信号部分空間と雑音部分空間とに分離
するとともに、分離された信号部分空間に対して前記複
数の入力信号を直交射影することにより、時間領域の信
号である複数の出力信号を抽出することを特徴とする雑
音除去システム。
【請求項２】前記雑音除去部は、前記各段の特異値分解
ユニットから出力された前記複数の出力信号のうち異な
るチャンネルに属する少なくとも２つの出力信号を互い
に所定サンプル数だけずらす遅延器または前進器をさら
に備えたことを特徴とする、請求項１に記載の雑音除去
システム。
【請求項３】前記出力部から出力される前記複数の雑音
除去信号の振幅を増減させる振幅調整部をさらに備えた
ことを特徴とする、請求項１または２に記載の雑音除去
システム。
【請求項４】複数の観測信号を入力するステップと、前記複数の観測信号から雑音を除去する雑音除去ステッ
プと、雑音が除去された複数の雑音除去信号を出力するステッ
プとを含み、前記雑音除去ステップにおいて、前記複数の観測信号に
対して特異値分解法を複数回適用することにより前記複
数の観測信号から雑音を除去し、前記各回の特異値分解
法は、前記複数の観測信号に対応する複数の入力信号を
特異値分解法によって信号部分空間と雑音部分空間とに
分離するとともに、分離された信号部分空間に対して前
記複数の入力信号を直交射影することにより、時間領域
の信号である複数の出力信号を抽出するものであること
を特徴とする雑音除去方法。