JP2003514412A - 音源が一対のマイクロフォンから近いか遠いかを判断する方法 - Google Patents

音源が一対のマイクロフォンから近いか遠いかを判断する方法

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、音源が、残響空間内に設けられた一対のマイクロフォンから近くに設けられているか遠くに設けられているかを判断する、方法、装置およびコンピュータ・プログラムを含む。信号検出器をデータに適用し、信号検出器を通った信号だけをさらに処理する。２つのマイクロフォンでの信号を比較して、音響出力の角度分布を得る。直通路対残響路における音響出力の集中を判断して、それを用いて直通対残響比を計算する。この比率が選択した閾値よりも大きい場合には、音源はマイクロフォンに近いと判断する。そうでない場合には、音源はマイクロフォンから遠いと判断する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は、反響空間内における音響信号源の距離を推定するシステムおよび方
法に関する。
【０００２】 （背景） 人間−機械会話インターフェースの分野においては、またはオーディオ・フォ
ンなどのハンド・フリー・テレコミュニケーションにおいては、マイクロフォン
に近い話者の声だけを処理し背景の雑音を無視することが通常は望まれている。
ある程度の干渉排除は、共に本発明の譲受人に譲渡されている「ＭＥＴＨＯＤ
ＦＯＲ ＥＮＨＡＮＣＥＭＥＮＴ ＯＦ ＡＣＯＵＳＴＩＣ ＳＩＧＮＡＬ Ｉ
Ｎ ＮＯＩＳＥ」という名称の米国特許出願第０９／３７５，３０９号および、
「ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＣＬＡＳＳＩＦＩＣＡＴＩＯ
Ｎ ＯＦ ＳＯＵＮＤ ＳＯＵＲＣＥＳ」という名称の米国特許出願第０９／３
８５，９７５号に記載されたものなどの音声検出器の使用を介して達成できる。
しかし、かかる音声検出器は、遠い会話、テレビ受像器および公共アナウンスシ
ステムなどの音声干渉を処理させてしまう。
【０００３】 ほとんどの従来技術の手法は、音量（音の大きさ）に依拠して、音源がその処
理を正当化するほど十分にマイクロフォンに近いかどうかを判断する。しかし、
音源の音量はマイクロフォンへのその距離に幾分かは相関しているとしても、遠
くの音の大きい音源は、それよりは近くても弱い音源より音が大きいものと認識
することが多い。
【０００４】 音源のレンジを判断する別の方法は、数対のマイクロフォンの使用を介した三
角測量を用いることである。この手法は、計算上面倒であり、はるかに大きな付
加的なハードウエアを必要とする。
【０００５】 ２つのマイクロフォンだけを用いて、音源本来の音の大きさとは無関係に音源
のレンジを推定できるようにすることが望ましいと本発明者は判断した。本発明
は、従来技術の制限を回避する、反響空間内における音響信号のレンジを判断す
るシステムおよび方法を提供する。
【０００６】 （概要） 本発明は、音源が、反響空間に設けられた一対のマイクロフォンから近いか遠
いかを判断する方法、装置およびコンピュータ・プログラムを含む。入力信号は
人間の会話を表してもよいが、本発明は、楽器および一時的な雑音などのあらゆ
る種類の音響データの位置を測定するために用いることができることを認識され
たい。
【０００７】 本発明の好適な実施態様は、以下のように入力信号の位置を測定する。一対の
マイクロフォンからの音響入力信号をバイナリ・データにデジタル化する。信号
検出器をそのデータに適用して、その信号検出器を通過したデータのみをさらに
処理する。２つのマイクロフォンでの信号を比較して、音響出力の角度分布を得
る。直通路対反響路における音響出力の集中を判断し、それを用いて直通対反響
比を計算する。この比率が閾値よりも大きい場合には、音源はマイクロフォンに
近いと判断する。そうでない場合には、音源はマイクロフォンから遠いと判断し
て、システムにより無視する。
【０００８】 特に、一態様において、本発明は、２つのマイクロフォンを利用して、反響空
間内における音響信号の距離を推定する方法であって、任意選択で音響信号を信
号検出器に通して、音響信号と同じクラスでない雑音を区別し、２つのマイクロ
フォンに対する音響信号からの音響出力の角度分布を判断し、音響出力の角度分
布から直通対反響比を推定し、任意選択で直通対反響比を閾値検出器に通し、閾
値検出器の出力に基づいて、一対のマイクロフォンへの音響信号の距離が近いか
遠いかに関する指示を出力することを含む方法である。
【０００９】 本発明は、次の利点を有する。すなわち、直通対反響比は音源の音量すなわち
音の大きさとは無関係であるので、レンジ推定も音量とは無関係であり、本発明
は機能させるのに２つのマイクロフォンだけを必要とする。
【００１０】 本発明の１つまたは複数の実施形態の詳細を、添付の図面および以下の説明に
記載する。本発明の他の特徴、目的および利点は、これらの説明および図面なら
びに特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【００１１】 各種図面における同じ参照番号および名称は同じ構成要素を示す。
【００１２】 （詳細な説明） この説明の全体を通して、示した好適な実施形態および例は、本発明の限定と
してではなく代表例として考えられるべきである。
【００１３】 動作環境の概要 図１は、本発明の信号強化システムを実施するために用いることができる、典
型的な従来技術のプログラム可能処理システムのブロック図を示している。音響
信号は一対のトランスデューサであるマイクロフォン１０で受信され、これらは
それぞれ、音響信号を表す対応する電気信号を生成する。そして、トランスデュ
ーサ・マイクロフォン１０からの信号は、対応するアナログ・デジタル変換器１
４によってデジタル化される前に、対応する増幅器１２によって増幅されること
が望ましい。各アナログ・デジタル変換器１４の出力は、本発明の強化技術を応
用する処理システムに適用される。処理システムは、図示したようにＣＰＵバス
２２によって連結された、ＣＰＵ１６、ＲＡＭ２０、ＲＯＭ１８（フラッシュＲ
ＯＭなどの書き込み可能なものであってもよい）を含むことが望ましい。位置測
定工程の出力は、自動会話認識システムなどの他の処理システムに適用するか、
遠隔地の聴取者の利益のために送信するか、録音システムによって取り込むこと
ができる。
【００１４】 システムの機能的概要 以下は、音響信号強化システムの機能的コンポーネントを説明している。本発
明の任意選択のコンポーネントは信号検出機能である。このステップで、システ
ムが信号と同じクラスでない雑音を区別する。話者の位置測定のために、音声検
出器をこのステップで適用する。
【００１５】 システムの次の機能的コンポーネントは、２つのマイクロフォン１０に対する
角度の関数としての、音響出力の分布の判断である。これは、タイムラグが音響
出力の入射の角度に対応するため、２つのマイクロフォン１０からの入力の間の
時間的な差（タイムラグ）を比較することにより行う。こうして、タイムラグの
関数としての音響出力を測定することにより角度の関数としての音響出力を推定
する。
【００１６】 そして、直通対反響比（ＤＴＲ）を、角音響出力分布から判断する。これは、
角度分布のピークまたはそれに近い出力が、音源とマイクロフォン１０との間の
直通路からのものであり、角度出力分布の残りは、音源および、マイクロフォン
１０を収容または囲む空間（たとえば部屋）の周囲で始まる反響路から来るもの
であると仮定することにより行う。これらの通路のほとんどは、直通路の角度と
は異なる角度から、マクロフォン１０に到達する。直通路と出力分布の残りとの
間の出力の比率は、ＤＴＲの測定値である。ＤＴＲは音源のレンジを推定するた
めに用いることができる。
【００１７】 図２は、１つのマイクロフォンに近い音源について、直通および反射音線を示
した図である。図３は、一対のマイクロフォンから遠い音源について、直通およ
び反射音線を示した図である。図２において、音源２０２は直通路２０４に沿っ
て一対のマイクロフォン２１０に向けて音を発するとともに、マイクロフォン対
２１０に向けて方向づけられる前に、反響空間の壁２０８から音が反射するよう
に多数の間接路２０６に沿って音を発する。この場合に、直通路２０４に沿った
音は、反射路２０６からの音に比べて比較的大きい。図３は、音源３０２がマイ
クロフォン対３１０から遠く設けられている類似の状況を表している。音源３０
２は直通路３０４に沿ってマイクロフォン対３１０に向けて音を発し、かつ、マ
イクロフォン対３１０に向けて方向づけられる前に、反響空間の壁３０８から音
が反射するように、多数の間接路３０６に沿って音を発する。この場合に、直通
路３０４に沿った音は、反射路３０６からの音に比べて比較的弱い。反射の角度
および音源の配置に応じて、直通路および間接路の両方に沿った音は、異なった
時間に２つのマイクロフォンに作用し、タイムラグにつながる。
【００１８】 図示した実施形態において、前もって設定されてはいるが調節可能な閾値に対
してＤＴＲ値を比較することができる。ＤＴＲ値が閾値よりも大きい場合には、
音源は遠い領域にあると判断する。一方、ＤＴＲ値が閾値よりも小さい場合には
、音源は近い領域にあると判断する。一対のマイクロフォンへの音源の距離が近
いか遠いかに関して、指示を出力する。
【００１９】 基本的方法の概要 図４は、本発明の好適な方向の実施形態の流れ図である。図４に示した方法は
、入ってきた音響信号のレンジを判断するために用いられる。入ってきた音響信
号は図１に示したアナログ・デジタル変換器１４からの出力として生成された複
数のデータ・サンプルからなる。この方法は開始状態（ステップ４０２）から始
まる。入力データ・ストリームを一連のサンプルとしてコンピュータ・メモリに
読み込む（ステップ４０４）。好適な実施形態において、本発明は通常、データ
・ストリーム全体が処理されるように、連続的音響データ・ストリームの部分を
表すデータの「移動ウィンドウ」を強化するために適用する。一般的に、強化さ
れる音響データ・ストリームは、元の音響データ・ストリームの継続時間にかか
わらず、固定長の一連のデータ「バッファ」として表す。典型的な実際のバッフ
ァ長は１０２４データ・ポイントである。
【００２０】 そして、任意選択でデータを信号検出器機能に適用する（ステップ４０６）。
このステップは、システムが、所望の信号と同じクラス（すなわち、相対的音量
）ではない雑音を区別することを可能にする。会話強化のために、このステップ
で音声検出器を適用する。かかる音声検出器の例は、共に本発明の譲受人に譲渡
されており、参照することにより教示を本明細書に一体化した、「ＭＥＴＨＯＤ
ＦＯＲ ＥＮＨＡＮＣＥＭＥＮＴ ＯＦ ＡＣＯＵＳＴＩＣ ＳＩＧＮＡＬ
ＩＮ ＮＯＩＳＥ」という名称の、米国特許出願第０９／３７５，３０９号およ
び、「ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＣＬＡＳＳＩＦＩＣＡＴ
ＩＯＮ ＯＦ ＳＯＵＮＤ ＳＯＵＲＣＥＳ」という名称の、米国特許出願第０
９／３８５，９７５号に記載されている。
【００２１】 そして、信号検出器を通過したデータを用いて、角度の関数として音響出力の
分布を判断する（ステップ４０８）。好適な実施形態は、参照することにより教
示を本明細書に一体化した、米国特許第５，５２６，４３３号に記載された音位
置測定方法を用いる。音位置測定の出力は、タイムラグτの関数としての出力の
分布Ｐ（τ）である。
【００２２】 そして、音響出力分布Ｐ（τ）からＤＴＲを計算する（ステップ４１０）。Ｄ
ＴＲ推定器の好適な実施形態を以下で説明する。
【００２３】 Ｐ（τ）は、−Ｔ≦τ≦Ｔである、２つのマイクロフォン１０の間の有限数の
可能なタイムラグに対応する、タイムラグτの離散的関数であると仮定する。ま
ず、最大出力のタイムラグ、すなわちＰ（τｍａｘ）＞Ｐ（τ）；∀τ≠τｍａ ｘ であるタイムラグτｍａｘの位置を測定する。
【００２４】 直通路における出力を、Ｐｄ＝Ｐ（τ−Δτ）＋Ｐ（τ）＋Ｐ（τ＋Δ）と定
義し、反響路における出力を
【数１】 と定義する。これらの定義を用いると、ＤＴＲ＝Ｐｄ／Ｐｒとなる。
【００２５】 そして、任意選択で各ＤＴＲ値を、前もって設定されているが調節可能な閾値
に対して比較する（ステップ４１２）。ＤＴＲ値が閾値よりも大きい場合には、
音源は遠い領域にあることを示す（すなわち、近接＝偽）（ステップ４１４）。
一方、ＤＴＲ値が閾値未満である場合には、音源は近い領域にあることを示す（
すなわち、近接＝真）（ステップ４１６）。閾値は、実験による経験に基づいて
ユーザ選択できる。あるいは、他の技術を用いて、一対のマイクロフォンへの音
響信号の距離が近いか遠いかに関する指示を、直通対反響比に基づいて生成する
ことができる。たとえば、ユーザが会話しながら、マイクロフォンから近くなっ
たり遠くになったりして、システムに閾値を設定するトレーニング段階を用いる
ことができる。
【００２６】 入力データの何れかが処理されないままである場合には（ステップ４１８）、
全工程を音響データの次のサンプルについて繰り返す（ステップ４０４）。そう
でなければ、処理を終了する（ステップ４２０）。最後の出力は、一対のマイク
ロフォンへの音源の距離が近いか遠いかに関する決定または指示である。かかる
情報は、発声されたコマンド（たとえば、空港のキオスクで）を処理するか、ハ
ンド・フリー通信システムにおいて遠隔地の聴取者に音声を送信するかを決定す
る際に有用である。
【００２７】 コンピュータでの実施 本発明は、ハードウエアまたはソフトウエアあるいは、両方の結合（たとえば
、プログラム可能論理アレイ）において実施できる。別段の指定がなければ、本
発明の部分として含まれるアルゴリズムは、如何なる特定のコンピュータまたは
他の装置にも本来は関係していない。特に、様々な汎用機を本明細書における教
示に従って書かれたプログラムと共に用いることができるし、より専用化された
装置を製作して必要な方法のステップを行うことがより便利になり得る。しかし
、本発明は、それぞれが少なくとも１つのプロセッサ、少なくとも１つのデータ
記憶システム（揮発性および不揮発性メモリおよび／または記憶素子を含む）お
よび少なくとも２つのマイクロフォン入力を含む、プログラム可能システム上で
実行される１つまたは複数のコンピュータ・プログラムで実施されることが好ま
しい。本明細書に記載した機能を遂行するために、プログラム・コードをプロセ
ッサ上で実行する。
【００２８】 コンピュータ・システムと通信するために、各かかるプログラムを、あらゆる
所望のコンピュータ言語（機械語、アセンブリ語、高級手続き型言語またはオブ
ジェクト指向プログラム言語を含む）で実装することができる。いずれの場合に
も、言語はコンパイルされるかまたはインタープリトされる言語でよい。
【００２９】 各かかるコンピュータ・プログラムは、汎用または専用のプログラム可能コン
ピュータによって読み取り可能な記憶媒体または装置（たとえば、固体、磁気ま
たは光学媒体）に記憶し、記憶媒体または装置がコンピュータによって読み取ら
れたときに、本明細書に記載した手順を遂行するようにコンピュータを構成し動
作させるようにすることが望ましい。本発明のシステムは、コンピュータ・プロ
グラムを備えて構成されたコンピュータ可読記憶媒体として実施することも考え
られ、この場合に、そのように構成された記憶媒体は、コンピュータを特定の予
め決められた方法で動作させて、本明細書に記載した機能を遂行する。
【００３０】 本発明の多数の実施形態を説明してきた。それにもかかわらず、本発明の趣旨
および範囲から逸脱せずに様々な変更を行えることが理解されるであろう。たと
えば、アルゴリズムのステップのいくつかは、順序とは無関係にすることができ
、そのため、上記以外の順序で実行することができる。したがって、他の実施形
態は特許請求の範囲内に入る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の信号強化技術を実施するのに適した、従来技術のプログラム可能コン
ピュータ・システムのブロック図である。
【図２】 一対のマイクロフォンの近くの音源について、直通および反射音線を示した図
である。
【図３】 一対のマイクロフォンから遠い音源について、直通および反射音線を示した図
である。
【図４】 本発明の好適な実施形態の基本的方法を示した流れ図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ２つのマイクロフォンを利用して、反響空間内における音響
    信号の距離を推定する方法であって、 （ａ）前記２つのマイクロフォンに対する前記音響信号からの音響出力の角度分
    布を判断することと、 （ｂ）前記音響信号の角度分布から直通対反響比を推定することと、 （ｃ）前記音響信号の前記一対のマイクロフォンへの距離が近いか遠いかに関す
    る指示を、前記直通対反響比に基づいて出力することとを含む方法。
  2. 【請求項２】 前記音響出力の角度分布を判断する前に、前記音響信号を信
    号検出器に通して、前記音響信号と同じクラスでない雑音を区別することをさら
    に含む請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記直通対反響比を閾値検出器に通すことをさらに含む請求
    項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】 （ａ）前記音響出力の角度分布を判断する前に、前記音響信
    号を信号検出器に通して、前記音響信号と同じクラスでない雑音を区別すること
    と、 （ｂ）前記直通対反響比を閾値検出器に通すこととをさらに含む請求項１に記載
    の方法。
  5. 【請求項５】 ２つのマイクロフォンを利用して、反響空間内における音響
    信号の距離を推定するシステムであって、 （ａ）前記２つのマイクロフォンに対する前記音響信号からの音響出力の角度分
    布を判断する手段と、 （ｂ）前記音響信号の角度分布から直通対反響比を推定する手段と、 （ｃ）前記音響信号の前記一対のマイクロフォンへの距離が近いか遠いかに関す
    る指示を、前記直通対反響比に基づいて出力する手段とを含むシステム。
  6. 【請求項６】 前記音響信号を信号検出器に通して、前記音響信号と同じク
    ラスでない雑音を区別する手段をさらに含む請求項５に記載のシステム。
  7. 【請求項７】 前記直通対反響比を閾値検出器に通す手段をさらに含む請求
    項５に記載のシステム。
  8. 【請求項８】 （ａ）前記音響信号を信号検出器に通して、前記音響信号と
    同じクラスでない雑音を区別する手段と、 （ｂ）前記直通対反響比を閾値検出器に通す手段とをさらに含む請求項５に記載
    のシステム。
  9. 【請求項９】 反響空間内において２つのマイクロフォンから得られるデジ
    タル化された音響信号の距離を推定する、コンピュータ可読媒体に常駐するコン
    ピュータ・プログラムであって、コンピュータに、 （ａ）前記２つのマイクロフォンに対する前記音響信号からの音響出力の角度分
    布を判断させ、 （ｂ）前記音響信号の角度分布から直通対反響比を推定させ、 （ｃ）前記音響信号の前記一対のマイクロフォンへの距離が近いか遠いかに関す
    る指示を、前記直通対反響比に基づいて出力させる命令を含むコンピュータ・プ
    ログラム。
  10. 【請求項１０】 前記コンピュータに、前記音響信号と同じクラスでない前
    記音響信号内の雑音を区別させる命令をさらに含む請求項９に記載のコンピュー
    タ・プログラム。
  11. 【請求項１１】 前記コンピュータに、閾値テストを前記直通対反響比に適
    用させる命令をさらに含む請求項９に記載のコンピュータ・プログラム。
  12. 【請求項１２】 コンピュータに、 （ａ）前記音響信号と同じクラスでない前記音響信号内の雑音を区別させ、 （ｂ）閾値テストを前記直通対反響比に適用させる命令をさらに含む請求項９に
    記載のコンピュータ・プログラム。
JP2001536596A 1999-11-05 2000-10-30 音源が一対のマイクロフォンから近いか遠いかを判断する方法 Pending JP2003514412A (ja)

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