JP2005503580A - 二段階ピッチ判断方法および装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、ピッチ判断方法および装置に関するものであって、外部から入力されるデジタル信号を周波数成分に分解した後、該周波数成分値に基づいてピッチ候補を導出するステップと、前記第ピッチ候補の誤差範囲と前記ピッチ候補の誤差範囲により算出された自己相関範囲に対する自己相関結果の誤差範囲とを比較するステップと、前記比較の結果、自己相関結果の誤差範囲がピッチ候補の誤差範囲以下である場合、前記デジタル信号の所定の時間領域に対する自己相関を行って周波数分析による周波数範囲と該周波数範囲内で自己相関値が最も大きな周波数範囲の交差領域を最終ピッチと決定するステップとを含むことを特徴とする。従って、外部から入力されるデジタル信号に対する周波数分析および自己相関を順に行ってピッチ判断結果に対する誤差範囲を減らすことで、より正確なピッチ判断結果が期待できる効果を奏する。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピッチ判断方法および装置に関し、特に、外部から入力されるデジタル信号に対する周波数分析および自己相関を順に行うことにより、ピッチ判断結果の誤差範囲を減らすことを特徴とする二段階ピッチ判断方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
リアルタイムで演奏される楽器の演奏音または人の声に関するピッチ（周波数）を判断する技術は、その楽器の演奏音または人の声に関する演奏情報データを抽出し、または、リアルタイム音楽との合奏などのために継続して研究が行われている。
【０００３】
かかるピッチ判断のために通常使用される方法としては、デジタル信号に変換された演奏音または声に関する周波数を分析する方法、繰り返されるウェーブの周期計算のためのウェーブ波形のピーク（ｐｅａｋ）またはゼロ交差（ｚｅｒｏ−ｃｒｏｓｓｉｎｇ）周期計算方法、ウェーブ波形の自己相関を用いる方法などがある。
【０００４】
ここで、前記周波数分析方法では、高周波帯域および低周波帯域における誤差は同じであるが、これを楽器のピッチ導出に用いる場合、音間周波数間隔が相対的に近い低周波帯域において誤差によるピッチ判断のエラー確率が大きくなるという短所がある。また、自己相関を用いる方法では、その計算の特性上、高周波帯域における誤差が大きいという問題点がある。
【０００５】
なお、ピークまたはゼロ交差周期計算方法は、雑音（ｎｏｉｓｅ）などによって正確な周期を算出することが難しく、その結果が正確でないという問題点がある。
【発明の開示】
【０００６】
本発明は、前述のような従来の問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、外部から入力されるデジタル信号に対して周波数分析を行った後、その周波数分析の結果に応じて選択された所定の時間領域に対する自己相関を行うことにより、より正確なピッチを導出することを特徴とする二段階ピッチ判断方法および装置を提供することにある。
【０００７】
前述の目的を達成するための本発明に係る二段階ピッチ判断方法は、外部から入力されるデジタル信号を周波数成分に分解した後、該周波数成分値に基づいて第１のピッチ候補を導出する第１のステップと、前記第１のピッチ候補の誤差範囲と前記第１のピッチ候補の誤差範囲により算出された自己相関範囲に対する自己相関結果の誤差範囲とを比較する第２のステップと、前記比較の結果、自己相関結果の誤差範囲がピッチ候補の誤差範囲以下である場合、前記デジタル信号の所定の時間領域に対する自己相関を行ってピッチを導出する第３のステップとを含むことを特徴とする。
【０００８】
また、前述の目的を達成するための本発明に係る二段階ピッチ判断装置は、外部から入力されるデジタル信号を周波数成分に分解した後、該周波数成分値に基づいて第１のピッチ候補を導出する周波数分析部と、前記第１のピッチ候補の誤差範囲と前記第１のピッチ候補の誤差範囲により算出された自己相関範囲に対する自己相関結果の誤差範囲とを比較する誤差範囲比較部と、前記前記誤差範囲比較部の比較結果、前記自己相関結果の誤差範囲が前記第１のピッチ候補の誤差範囲以下である場合、前記デジタル信号の所定の時間領域に対する自己相関を行って第２のピッチ候補を導出する自己相関計算部と、前記第１のピッチ候補の誤差範囲および前記第２のピッチ候補の誤差範囲に基づいてピッチを決定するピッチ決定部と、前記ピッチ決定部で決定されたピッチを出力する結果出力部とを備えることを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明に係る二段階ピッチ判断方法および装置に係る好適な実施例を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本発明の一実施例に係る二段階ピッチ判断装置を示す概略的なブロック図である。同図に示されたように、本発明の実施例に係る二段階ピッチ判断装置は、音楽情報入力部（１０）、音有無判別部（２０）、周波数分析部（３０）、誤差範囲比較部（４０）、自己相関計算部（５０）、ピッチ決定部（６０）、結果出力部（７０）を備えてなる。
【００１１】
音楽情報入力部（１０）は、マイクを介して入力されるアナログ信号をデジタル信号に変化し、または、既に変換過程を経て生成されたデジタル信号を受け取る。
【００１２】
音有無判別部（２０）は、音楽情報入力部（１０）を介して受け取られた信号の強さを感知して音の有無を判断する。即ち、音楽情報入力部（１０）を介して受け取られた信号の強さが、周辺環境などを考慮し、既に設定された雑音の強さより大きな場合は、音楽音の信号が入力されたものと判断する。
【００１３】
周波数分析部（３０）は、音有無判別部（２０）を介して入力されるデジタル音響を周波数成分に分解した後、該周波数成分値に基づいて第１のピッチ候補を導出する。この時、周波数分析によるピッチ導出方法は、公知の技術であって、多様な方法の適用が可能であるが、例えば、周波数成分値を分析してピッチの位置を抽出した後、それらのピッチ間の間隔をピッチ候補として導出する方法や多数のピークのうち最大ピークの位置をピッチ候補として導出する方法などを適用することが可能である。なお、デジタル音響を周波数成分に分解する方法としては、一般に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いるが、ウェーブレット（ｗａｖｅｌｅｔ）変換のような他の方法を用いることも可能である。
【００１４】
誤差範囲比較部（４０）は、周波数分析部（３０）を介して導出された第１のピッチ候補の誤差範囲（Ｒ１）と、該誤差範囲（Ｒ１）により算出された自己相関範囲（Ｌ１）に対する自己相関結果の誤差範囲（Ｒ２）とを比較する。この時、第１のピッチ候補の誤差範囲（Ｒ１）、自己相関範囲（Ｌ１）、自己相関範囲（Ｌ１）に対する自己相関結果の誤差範囲（Ｒ２）は、リアルタイムで算出されるか、または、予め計算されて分類格納された値を用いることを特徴とする。
【００１５】
自己相関計算部（５０）は、誤差範囲比較部（４０）の比較結果、自己相関結果の誤差範囲（Ｒ２）が第１のピッチ候補の誤差範囲（Ｒ１）以下である場合、デジタル信号の所定の時間領域に対する自己相関を行って第２のピッチ候補を導出する。なお、所定の時間領域とは、誤差範囲比較部（４０）で算出された自己相関範囲によって決定され、所定の範囲内で前記自己相関範囲を変化させて適用することも可能である。即ち、デジタル信号の根元（例えば、楽器の種類または人の音）や目的に応じて自己相関範囲を変化させて適用することができる。
【００１６】
前述のように自己相関範囲が決定されると、自己相関計算部（５０）は、当該範囲に対して自己相関を行った後、その自己相関係数が最高であるラグ（Ｌａｇ）を導出し、該ラグにより当該デジタル信号に対する第２のピッチ候補を導出する。
【００１７】
ピッチ決定部（６０）は、第１のピッチ候補の誤差範囲および第２のピッチ候補の誤差範囲に基づいてピッチを決定するが、誤差範囲比較部（４０）の比較結果を参照する。即ち、誤差範囲比較部（４０）の比較結果、自己相関結果の誤差範囲が第１のピッチ候補の誤差範囲以下である場合、第２のピッチ候補の誤差範囲内でピッチを決定し、そうでない場合は、第１のピッチ候補の誤差範囲内でピッチを決定する。なお、前記第２のピッチ候補を導出するためのラグ（Ｌａｇ）値が前記第１の候補の誤差範囲により算出された自己相関範囲の上限値または下限値である場合は、前記第１のピッチ候補の誤差範囲と第２のピッチ候補の誤差範囲との交差領域内でピッチを決定する。
【００１８】
結果出力部（７０）は、ピッチ決定部（６０）で決定されたピッチを出力する。
【００１９】
また、図２は、本発明の一実施例に係る二段階ピッチ判断方法を示す処理フローチャートであり、以下、同図を参照して本発明の一実施例に係る二段階ピッチ判断方法を説明する。
【００２０】
先ず、外部からデジタル信号が入力されると（Ｓ２１０）、該信号のレベルと周辺環境などにより予め設定された雑音（ｎｏｉｓｅ）のレベルとを比較し、信号のレベルが雑音のレベルより高い場合、信号が入力されたものとみなして周波数分析を行う（Ｓ２２０）。即ち、入力されたデジタル信号に対する周波数分析を行って第１のピッチ候補を導出する。なお、周波数分析によりピッチ候補を導出するための具体的な方法および周波数変換方法は、公知の技術であり、図１の「周波数分析部（３０）」に関連した部分で説明されているため、具体的な説明は、省略する。
【００２１】
前述のように周波数分析による第１のピッチ候補が導出されると、該第１のピッチ候補に対する誤差範囲（Ｒ１）を算出し（Ｓ２３０）、該誤差範囲による自己相関範囲（Ｌａｇ範囲）（Ｌ１）を算出した後（Ｓ２４０）、該自己相関範囲（Ｌａｇ範囲）に対する自己相関結果の誤差範囲（Ｒ２）を算出する（Ｓ２５０）の一連の過程を行う。なお、前記第１のピッチ候補に対する誤差範囲（Ｒ１）、自己相関範囲（Ｌ１）および自己相関結果の誤差範囲（Ｒ２）は、予め計算された値を用いることもできる。この場合、前記ステップ（Ｓ２３０乃至Ｓ２５０）は、省略することができる。
【００２２】
また、第１のピッチ候補の誤差範囲（Ｒ１）と自己相関結果の誤差範囲（Ｒ２）とを比較し（Ｓ２６０）、自己相関結果の誤差範囲（Ｒ２）がピッチ候補の誤差範囲（Ｒ１）以下の値である場合、該自己相関範囲（Ｌ１）により決定された所定の時間領域に対するデジタル信号の自己相関を行って第２のピッチ候補を導出する（Ｓ２７０）。また、第１のピッチ候補の誤差範囲と第２のピッチ候補の誤差範囲との交差領域でピッチを判断する（Ｓ２８０）。そうでない場合、即ち、自己相関結果の誤差範囲（Ｒ２）がピッチ候補の誤差範囲（Ｒ１）より大きな場合、周波数分析により導出された第１のピッチ候補をピッチと決定する（Ｓ２９０）。
【００２３】
ここで、前記第１のピッチ候補の誤差範囲と第２のピッチ候補の誤差範囲との交差領域は、一般の場合は別に計算する必要がないが、前記第２のピッチ候補を導出するためのラグ値が、前記ステップＳ２４０により算出された自己相関範囲（Ｌａｇ範囲）の上限値または下限値である場合、前記交差領域を別に計算するステップを経る必要がある。
本発明は、前述のように当該デジタル信号に対する周波数分析と自己相関を順に行うことにより、より正確なピッチを導出することが可能となる。
【００２４】
以下、サンプリングレート（Ｓａｍｐｌｉｎｇ Ｒａｔｅ）が２２，０５０Ｈｚで、ＦＦＴ変換のためのウインドーサイズ（Ｗｉｎｄｏｗ Ｓｉｚｅ）が１０２４である場合、本発明によってピッチを導出するための処理過程を数式を参照して説明すると、次の通りである。
【００２５】
先ず、前記条件により周波数分析を行う場合、ＦＦＴ変換のための単位区間（以下、「ｉｎｄｅｘ」という）内での周波数導出方法は、［数式１］で求められる。この時、ＦＦＴ変換のためのｉｎｄｅｘは、ＦＦＴ変換のためのウインドーサイズにより決定され、ＦＦＴ変換のためのウインドーサイズが１０２４である場合、ｉｎｄｅｘは、１〜１０２４内で決定される。
【００２６】
【数１】
【００２７】
この時、実際周波数の範囲（ＦＲ）は、［数式２］により決定される。
【００２８】
【数２】
【００２９】
従って、ピアノのＣ３ノートをＦＦＴ分析した結果、基本周波数に対するピークのｉｎｄｅｘが「７」である場合、その値と前記条件を［数式１］および［数式２］に代入してｉｎｄｅｘが「７」である場合、即ち、７番目周波数に対する周波数変換結果および実際周波数の範囲を求めると［数式３］および［数式４］となる。
【００３０】
即ち、［数式３］は、周波数変換結果に対する計算結果を示し、［数式４］は、当該誤差範囲に対する計算結果を示す。
【００３１】
【数３】
【００３２】
【数４】
【００３３】
従って、上記の条件により任意のデジタル信号に対するＦＦＴ変換結果、第１のピッチ候補は、１３９．９６Ｈｚ（１２９．１９〜１５０．７３）となり、該第１のピッチ候補の誤差範囲（Ｒ１）は、その周波数範囲（ＦＲFFT）により２１．５３Ｈｚ（（１５０．７３−１２９．１９）となる。
【００３４】
なお、かかる誤差範囲（Ｒ１）による自己相関範囲（Ｌ１）は、次の［数式５］により計算可能である。
【００３５】
【数５】
【００３６】
上記の例では、周波数範囲の最大周波数（Maximum frequency）は、１５０．７３であり、最小周波数（Minimum frequency）は、１２９．１９Ｈｚであるため、これらの値を［数式５］に適用して計算する場合、上記の例に対する自己相関範囲（Ｌ１）は、次の［数式６］となる。
【００３７】
【数６】
【００３８】
=146.29~170.67
≒147~171
即ち、上記の例では、自己相関範囲は、１４７〜１７１となる。
【００３９】
なお、自己相関による誤差範囲（Ｒ２）は、ラグ値により変動するが、自己相関により導出される周波数の範囲（ＦＲCOR）は、［数式７］により計算することができる。
【００４０】
【数７】
【００４１】
従って、前記自己相関範囲に相当するラグ値（１４７〜１７１）のうち最も低いラグ値が、最も大きな周波数範囲を有することとなる。ラグが１４７である時の周波数範囲は、［数式８］の通りである。
【００４２】
【数８】
【００４３】
従って、上記の条件によりラグが１４７〜１７１である時のデジタル信号に対する自己相関結果導出される最も大きな誤差を有する周波数範囲は、（１５０．５１〜１４９．４９）Ｈｚとなり、周波数の誤差範囲（Ｒ２）は、周波数の範囲（ＦＲCOR）により１．０２Ｈｚ（１５０．５１〜１４９．４９）となる。
【００４４】
即ち、自己相関結果の誤差範囲（Ｒ２、１．０２Ｈｚ）が周波数変換結果の誤差範囲（Ｒ１、２１．５３Ｈｚ）以下であることがわかる。従って、この場合、自己相関を適用してピッチを導出することとなる。
【００４５】
たとえ、自己相関結果の誤差範囲（Ｒ２）が周波数変換結果の誤差範囲（Ｒ１）より大きな場合は、自己相関を行うことなく周波数変換値をピッチと決定する。換言すると、周波数変換結果の誤差範囲内でピッチ周波数を決定する。
【００４６】
これらの値は、新しい音が入力され、これらに対するピッチ検出が要求される度にリアルタイムで算出することができ、予め設定されたサンプリングレート（Ｓａｍｐｌｉｎｇ Ｒａｔｅ）およびＦＦＴ変換のためのウインドーサイズ（ＦＦＴ Ｗｉｎｄｏｗ Ｓｉｚｅ）により予め計算して別の格納装置に格納することもできる。
【００４７】
図３Ａ乃至図３Ｄは、本発明の二段階ピッチ判断方法を説明するための例示的な波形図である。
【００４８】
図３Ａは、外部から入力されるウェーブ（ｗａｖｅ）波形を示し、図３Ｂは、図３Ａに示されたウェーブ波形を自己相関して示す結果を示し、図３Ｃは、図３Ａに示されたウェーブ波形に対する周波数分析結果を示し、図３Ｄは、図３Ａに対する周波数分析結果決定された自己相関範囲に対する自己相関結果を示す。
【００４９】
即ち、図３Ｂは、外部から入力された波形全体に対する自己相関結果を示す図であって、この場合、ラグタイムが１００〜２００である地点の最高ピーク位置が実際ピッチであるにもかかわらず、ラグタイムが０〜１００の地点で最高ピーク値を示す地点またはラグタイムが３００〜４００の地点で最高ピーク値を示す地点をピッチとして判別する間違いを犯すようになる。
【００５０】
なお、図３Ｃは、外部から入力された波形に対する周波数分析結果を示す図であって、この場合は、二番目ピークがピッチであるにもかかわらず、当該ピッチの二倍数ハーモニック周波数である４番目ピークをピッチと判読する間違いを犯すようになる。
図３Ｄは、本発明の実施例において周波数分析結果により決定された自己相関範囲（即ち、ラグタイム）に対して自己相関を行った結果を示す図であって、この場合、正確なピッチを判読することが可能である。
【００５１】
特に、図３Ｃおよび図３Ｄに示されたように、ピアノのＣ３音である場合に最も大きなピークのＦＦＴ ｉｎｄｅｘは、７であり、ラグが１７１である場合に最も大きな自己相関値を有し、そのラグ値を［数式７］に代入すると、当該周波数範囲は、１２８．５７〜１２９．３２Ｈｚであることがわかる。なお、［数式３］により前記ピアノＣ３音に対するＦＦＴ結果による周波数範囲は、１２９．１９〜１５０．７３Ｈｚである。従って、ピアノＣ３音に対するＦＦＴ結果の周波数範囲と自己相関結果の周波数範囲との交差領域を求めると、最終ピッチの範囲は、１２９．１９〜１２９．３２Ｈｚとなる。
【００５２】
この時、ＦＦＴ結果の周波数範囲と自己相関結果の周波数範囲に対する交差領域を求めることは、自己相関の時に参照されたラグ値が、ラグ範囲（１４７〜１７１）の上限値であるためである。
【００５３】
前述の例では、ミディノートＣ３での基本周波数が１３０．８Ｈｚである点から、使用されたピアノのチューニングが少し低くなっていることがわかり、通常、かかるピアノのチューニング状態での誤差により、ピアノのノートの基本周波数とミディノートの基本周波数とがある程度差異が出るのが一般である。従って、本発明によるピッチ導出において正確な結果値が得られる。
【００５４】
以上、図面を参照して本発明の実施例を説明したが、これは、一例にすぎず、本発明の保護範囲は、前述の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば、本発明の実施例において具体的に示された各構成要素の形状および構造は、変更して実施することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように、本発明によれば、外部から入力されるデジタル信号に対して周波数分析を行った後、該周波数分析の結果により選択された所定の時間領域に対する自己相関を選択的に行うことにより、低周波帯域において誤差によるピッチ導出の誤りが大きいという周波数分析方法の問題点および高周波帯域において誤差が大きいという自己相関方法の問題点を解決することができる。従って、本発明は、より正確なピッチを導出することができるという効果を奏する。
【００５６】
また、自己相関を行う時、サンプルサイズの全体デジタル信号に対する自己相関係数を全て求めてその値を比較するのでなく、周波数分析結果により選択された所定の時間領域に対する自己相関係数を求めた後、その値を比較することで、自己相関係数を求め、それらのうちの最大値を求めることにかかる時間を減らすことができるという効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】図１は、本発明の一実施例に係る二段階ピッチ判断装置を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の一実施例に係る二段階ピッチ判断方法を示す処理フローチャートである。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の二段階ピッチ判断方法を説明するための例示的な波形図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の二段階ピッチ判断方法を説明するための例示的な波形図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明の二段階ピッチ判断方法を説明するための例示的な波形図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、本発明の二段階ピッチ判断方法を説明するための例示的な波形図である。
【０００１】
本発明は、ピッチ判断方法および装置に関し、特に、外部から入力されるデジタル信号に対する周波数分析および自己相関を順に行うことにより、ピッチ判断結果の誤差範囲を減らすことを特徴とする二段階ピッチ判断方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
リアルタイムで演奏される楽器の演奏音または人の声に関するピッチ（周波数）を判断する技術は、その楽器の演奏音または人の声に関する演奏情報データを抽出し、または、リアルタイム音楽との合奏などのために継続して研究が行われている。
【０００３】
かかるピッチ判断のために通常使用される方法としては、デジタル信号に変換された演奏音または声に関する周波数を分析する方法、繰り返されるウェーブの周期計算のためのウェーブ波形のピーク（ｐｅａｋ）またはゼロ交差（ｚｅｒｏ−ｃｒｏｓｓｉｎｇ）周期計算方法、ウェーブ波形の自己相関を用いる方法などがある。
【０００４】
ここで、前記周波数分析方法では、高周波帯域および低周波帯域における誤差は同じであるが、これを楽器のピッチ導出に用いる場合、音間周波数間隔が相対的に近い低周波帯域において誤差によるピッチ判断のエラー確率が大きくなるという短所がある。また、自己相関を用いる方法では、その計算の特性上、高周波帯域における誤差が大きいという問題点がある。
【０００５】
なお、ピークまたはゼロ交差周期計算方法は、雑音（ｎｏｉｓｅ）などによって正確な周期を算出することが難しく、その結果が正確でないという問題点がある。
【発明の開示】
【０００６】
本発明は、前述のような従来の問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、外部から入力されるデジタル信号に対して周波数分析を行った後、その周波数分析の結果に応じて選択された所定の時間領域に対する自己相関を行うことにより、より正確なピッチを導出することを特徴とする二段階ピッチ判断方法および装置を提供することにある。
【０００７】
前述の目的を達成するための本発明に係る二段階ピッチ判断方法は、外部から入力されるデジタル信号を周波数成分に分解した後、該周波数成分値に基づいて第１のピッチ候補を導出する第１のステップと、前記第１のピッチ候補の誤差範囲と前記第１のピッチ候補の誤差範囲により算出された自己相関範囲に対する自己相関結果の誤差範囲とを比較する第２のステップと、前記比較の結果、自己相関結果の誤差範囲がピッチ候補の誤差範囲以下である場合、前記デジタル信号の所定の時間領域に対する自己相関を行ってピッチを導出する第３のステップとを含むことを特徴とする。
【０００８】
また、前述の目的を達成するための本発明に係る二段階ピッチ判断装置は、外部から入力されるデジタル信号を周波数成分に分解した後、該周波数成分値に基づいて第１のピッチ候補を導出する周波数分析部と、前記第１のピッチ候補の誤差範囲と前記第１のピッチ候補の誤差範囲により算出された自己相関範囲に対する自己相関結果の誤差範囲とを比較する誤差範囲比較部と、前記前記誤差範囲比較部の比較結果、前記自己相関結果の誤差範囲が前記第１のピッチ候補の誤差範囲以下である場合、前記デジタル信号の所定の時間領域に対する自己相関を行って第２のピッチ候補を導出する自己相関計算部と、前記第１のピッチ候補の誤差範囲および前記第２のピッチ候補の誤差範囲に基づいてピッチを決定するピッチ決定部と、前記ピッチ決定部で決定されたピッチを出力する結果出力部とを備えることを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明に係る二段階ピッチ判断方法および装置に係る好適な実施例を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本発明の一実施例に係る二段階ピッチ判断装置を示す概略的なブロック図である。同図に示されたように、本発明の実施例に係る二段階ピッチ判断装置は、音楽情報入力部（１０）、音有無判別部（２０）、周波数分析部（３０）、誤差範囲比較部（４０）、自己相関計算部（５０）、ピッチ決定部（６０）、結果出力部（７０）を備えてなる。
【００１１】
音楽情報入力部（１０）は、マイクを介して入力されるアナログ信号をデジタル信号に変化し、または、既に変換過程を経て生成されたデジタル信号を受け取る。
【００１２】
音有無判別部（２０）は、音楽情報入力部（１０）を介して受け取られた信号の強さを感知して音の有無を判断する。即ち、音楽情報入力部（１０）を介して受け取られた信号の強さが、周辺環境などを考慮し、既に設定された雑音の強さより大きな場合は、音楽音の信号が入力されたものと判断する。
【００１３】
周波数分析部（３０）は、音有無判別部（２０）を介して入力されるデジタル音響を周波数成分に分解した後、該周波数成分値に基づいて第１のピッチ候補を導出する。この時、周波数分析によるピッチ導出方法は、公知の技術であって、多様な方法の適用が可能であるが、例えば、周波数成分値を分析してピッチの位置を抽出した後、それらのピッチ間の間隔をピッチ候補として導出する方法や多数のピークのうち最大ピークの位置をピッチ候補として導出する方法などを適用することが可能である。なお、デジタル音響を周波数成分に分解する方法としては、一般に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いるが、ウェーブレット（ｗａｖｅｌｅｔ）変換のような他の方法を用いることも可能である。
【００１４】
誤差範囲比較部（４０）は、周波数分析部（３０）を介して導出された第１のピッチ候補の誤差範囲（Ｒ１）と、該誤差範囲（Ｒ１）により算出された自己相関範囲（Ｌ１）に対する自己相関結果の誤差範囲（Ｒ２）とを比較する。この時、第１のピッチ候補の誤差範囲（Ｒ１）、自己相関範囲（Ｌ１）、自己相関範囲（Ｌ１）に対する自己相関結果の誤差範囲（Ｒ２）は、リアルタイムで算出されるか、または、予め計算されて分類格納された値を用いることを特徴とする。
【００１５】
自己相関計算部（５０）は、誤差範囲比較部（４０）の比較結果、自己相関結果の誤差範囲（Ｒ２）が第１のピッチ候補の誤差範囲（Ｒ１）以下である場合、デジタル信号の所定の時間領域に対する自己相関を行って第２のピッチ候補を導出する。なお、所定の時間領域とは、誤差範囲比較部（４０）で算出された自己相関範囲によって決定され、所定の範囲内で前記自己相関範囲を変化させて適用することも可能である。即ち、デジタル信号の根元（例えば、楽器の種類または人の音）や目的に応じて自己相関範囲を変化させて適用することができる。
【００１６】
前述のように自己相関範囲が決定されると、自己相関計算部（５０）は、当該範囲に対して自己相関を行った後、その自己相関係数が最高であるラグ（Ｌａｇ）を導出し、該ラグにより当該デジタル信号に対する第２のピッチ候補を導出する。
【００１７】
ピッチ決定部（６０）は、第１のピッチ候補の誤差範囲および第２のピッチ候補の誤差範囲に基づいてピッチを決定するが、誤差範囲比較部（４０）の比較結果を参照する。即ち、誤差範囲比較部（４０）の比較結果、自己相関結果の誤差範囲が第１のピッチ候補の誤差範囲以下である場合、第２のピッチ候補の誤差範囲内でピッチを決定し、そうでない場合は、第１のピッチ候補の誤差範囲内でピッチを決定する。なお、前記第２のピッチ候補を導出するためのラグ（Ｌａｇ）値が前記第１の候補の誤差範囲により算出された自己相関範囲の上限値または下限値である場合は、前記第１のピッチ候補の誤差範囲と第２のピッチ候補の誤差範囲との交差領域内でピッチを決定する。
【００１８】
結果出力部（７０）は、ピッチ決定部（６０）で決定されたピッチを出力する。
【００１９】
また、図２は、本発明の一実施例に係る二段階ピッチ判断方法を示す処理フローチャートであり、以下、同図を参照して本発明の一実施例に係る二段階ピッチ判断方法を説明する。
【００２０】
先ず、外部からデジタル信号が入力されると（Ｓ２１０）、該信号のレベルと周辺環境などにより予め設定された雑音（ｎｏｉｓｅ）のレベルとを比較し、信号のレベルが雑音のレベルより高い場合、信号が入力されたものとみなして周波数分析を行う（Ｓ２２０）。即ち、入力されたデジタル信号に対する周波数分析を行って第１のピッチ候補を導出する。なお、周波数分析によりピッチ候補を導出するための具体的な方法および周波数変換方法は、公知の技術であり、図１の「周波数分析部（３０）」に関連した部分で説明されているため、具体的な説明は、省略する。
【００２１】
前述のように周波数分析による第１のピッチ候補が導出されると、該第１のピッチ候補に対する誤差範囲（Ｒ１）を算出し（Ｓ２３０）、該誤差範囲による自己相関範囲（Ｌａｇ範囲）（Ｌ１）を算出した後（Ｓ２４０）、該自己相関範囲（Ｌａｇ範囲）に対する自己相関結果の誤差範囲（Ｒ２）を算出する（Ｓ２５０）の一連の過程を行う。なお、前記第１のピッチ候補に対する誤差範囲（Ｒ１）、自己相関範囲（Ｌ１）および自己相関結果の誤差範囲（Ｒ２）は、予め計算された値を用いることもできる。この場合、前記ステップ（Ｓ２３０乃至Ｓ２５０）は、省略することができる。
【００２２】
また、第１のピッチ候補の誤差範囲（Ｒ１）と自己相関結果の誤差範囲（Ｒ２）とを比較し（Ｓ２６０）、自己相関結果の誤差範囲（Ｒ２）がピッチ候補の誤差範囲（Ｒ１）以下の値である場合、該自己相関範囲（Ｌ１）により決定された所定の時間領域に対するデジタル信号の自己相関を行って第２のピッチ候補を導出する（Ｓ２７０）。また、第１のピッチ候補の誤差範囲と第２のピッチ候補の誤差範囲との交差領域でピッチを判断する（Ｓ２８０）。そうでない場合、即ち、自己相関結果の誤差範囲（Ｒ２）がピッチ候補の誤差範囲（Ｒ１）より大きな場合、周波数分析により導出された第１のピッチ候補をピッチと決定する（Ｓ２９０）。
【００２３】
ここで、前記第１のピッチ候補の誤差範囲と第２のピッチ候補の誤差範囲との交差領域は、一般の場合は別に計算する必要がないが、前記第２のピッチ候補を導出するためのラグ値が、前記ステップＳ２４０により算出された自己相関範囲（Ｌａｇ範囲）の上限値または下限値である場合、前記交差領域を別に計算するステップを経る必要がある。
本発明は、前述のように当該デジタル信号に対する周波数分析と自己相関を順に行うことにより、より正確なピッチを導出することが可能となる。
【００２４】
以下、サンプリングレート（Ｓａｍｐｌｉｎｇ Ｒａｔｅ）が２２，０５０Ｈｚで、ＦＦＴ変換のためのウインドーサイズ（Ｗｉｎｄｏｗ Ｓｉｚｅ）が１０２４である場合、本発明によってピッチを導出するための処理過程を数式を参照して説明すると、次の通りである。
【００２５】
先ず、前記条件により周波数分析を行う場合、ＦＦＴ変換のための単位区間（以下、「ｉｎｄｅｘ」という）内での周波数導出方法は、［数式１］で求められる。この時、ＦＦＴ変換のためのｉｎｄｅｘは、ＦＦＴ変換のためのウインドーサイズにより決定され、ＦＦＴ変換のためのウインドーサイズが１０２４である場合、ｉｎｄｅｘは、１〜１０２４内で決定される。
【００２６】
【数１】
この時、実際周波数の範囲（ＦＲ）は、［数式２］により決定される。
【００２８】
【数２】
従って、ピアノのＣ３ノートをＦＦＴ分析した結果、基本周波数に対するピークのｉｎｄｅｘが「７」である場合、その値と前記条件を［数式１］および［数式２］に代入してｉｎｄｅｘが「７」である場合、即ち、７番目周波数に対する周波数変換結果および実際周波数の範囲を求めると［数式３］および［数式４］となる。
【００３０】
即ち、［数式３］は、周波数変換結果に対する計算結果を示し、［数式４］は、当該誤差範囲に対する計算結果を示す。
【００３１】
【数３】
【数４】
従って、上記の条件により任意のデジタル信号に対するＦＦＴ変換結果、第１のピッチ候補は、１３９．９６Ｈｚ（１２９．１９〜１５０．７３）となり、該第１のピッチ候補の誤差範囲（Ｒ１）は、その周波数範囲（ＦＲFFT）により２１．５３Ｈｚ（（１５０．７３−１２９．１９）となる。
【００３４】
なお、かかる誤差範囲（Ｒ１）による自己相関範囲（Ｌ１）は、次の［数式５］により計算可能である。
【００３５】
【数５】
上記の例では、周波数範囲の最大周波数（Maximum frequency）は、１５０．７３であり、最小周波数（Minimum frequency）は、１２９．１９Ｈｚであるため、これらの値を［数式５］に適用して計算する場合、上記の例に対する自己相関範囲（Ｌ１）は、次の［数式６］となる。
【００３７】
【数６】
=146.29~170.67
≒147~171
即ち、上記の例では、自己相関範囲は、１４７〜１７１となる。
【００３９】
なお、自己相関による誤差範囲（Ｒ２）は、ラグ値により変動するが、自己相関により導出される周波数の範囲（ＦＲCOR）は、［数式７］により計算することができる。
【００４０】
【数７】
従って、前記自己相関範囲に相当するラグ値（１４７〜１７１）のうち最も低いラグ値が、最も大きな周波数範囲を有することとなる。ラグが１４７である時の周波数範囲は、［数式８］の通りである。
【００４２】
【数８】
従って、上記の条件によりラグが１４７〜１７１である時のデジタル信号に対する自己相関結果導出される最も大きな誤差を有する周波数範囲は、（１５０．５１〜１４９．４９）Ｈｚとなり、周波数の誤差範囲（Ｒ２）は、周波数の範囲（ＦＲCOR）により１．０２Ｈｚ（１５０．５１〜１４９．４９）となる。
【００４４】
即ち、自己相関結果の誤差範囲（Ｒ２、１．０２Ｈｚ）が周波数変換結果の誤差範囲（Ｒ１、２１．５３Ｈｚ）以下であることがわかる。従って、この場合、自己相関を適用してピッチを導出することとなる。
【００４５】
たとえ、自己相関結果の誤差範囲（Ｒ２）が周波数変換結果の誤差範囲（Ｒ１）より大きな場合は、自己相関を行うことなく周波数変換値をピッチと決定する。換言すると、周波数変換結果の誤差範囲内でピッチ周波数を決定する。
【００４６】
これらの値は、新しい音が入力され、これらに対するピッチ検出が要求される度にリアルタイムで算出することができ、予め設定されたサンプリングレート（Ｓａｍｐｌｉｎｇ Ｒａｔｅ）およびＦＦＴ変換のためのウインドーサイズ（ＦＦＴ Ｗｉｎｄｏｗ Ｓｉｚｅ）により予め計算して別の格納装置に格納することもできる。
【００４７】
図３Ａ乃至図３Ｄは、本発明の二段階ピッチ判断方法を説明するための例示的な波形図である。
【００４８】
図３Ａは、外部から入力されるウェーブ（ｗａｖｅ）波形を示し、図３Ｂは、図３Ａに示されたウェーブ波形を自己相関して示す結果を示し、図３Ｃは、図３Ａに示されたウェーブ波形に対する周波数分析結果を示し、図３Ｄは、図３Ａに対する周波数分析結果決定された自己相関範囲に対する自己相関結果を示す。
【００４９】
即ち、図３Ｂは、外部から入力された波形全体に対する自己相関結果を示す図であって、この場合、ラグタイムが１００〜２００である地点の最高ピーク位置が実際ピッチであるにもかかわらず、ラグタイムが０〜１００の地点で最高ピーク値を示す地点またはラグタイムが３００〜４００の地点で最高ピーク値を示す地点をピッチとして判別する間違いを犯すようになる。
【００５０】
なお、図３Ｃは、外部から入力された波形に対する周波数分析結果を示す図であって、この場合は、二番目ピークがピッチであるにもかかわらず、当該ピッチの二倍数ハーモニック周波数である４番目ピークをピッチと判読する間違いを犯すようになる。
図３Ｄは、本発明の実施例において周波数分析結果により決定された自己相関範囲（即ち、ラグタイム）に対して自己相関を行った結果を示す図であって、この場合、正確なピッチを判読することが可能である。
【００５１】
特に、図３Ｃおよび図３Ｄに示されたように、ピアノのＣ３音である場合に最も大きなピークのＦＦＴ ｉｎｄｅｘは、７であり、ラグが１７１である場合に最も大きな自己相関値を有し、そのラグ値を［数式７］に代入すると、当該周波数範囲は、１２８．５７〜１２９．３２Ｈｚであることがわかる。なお、［数式３］により前記ピアノＣ３音に対するＦＦＴ結果による周波数範囲は、１２９．１９〜１５０．７３Ｈｚである。従って、ピアノＣ３音に対するＦＦＴ結果の周波数範囲と自己相関結果の周波数範囲との交差領域を求めると、最終ピッチの範囲は、１２９．１９〜１２９．３２Ｈｚとなる。
【００５２】
この時、ＦＦＴ結果の周波数範囲と自己相関結果の周波数範囲に対する交差領域を求めることは、自己相関の時に参照されたラグ値が、ラグ範囲（１４７〜１７１）の上限値であるためである。
【００５３】
前述の例では、ミディノートＣ３での基本周波数が１３０．８Ｈｚである点から、使用されたピアノのチューニングが少し低くなっていることがわかり、通常、かかるピアノのチューニング状態での誤差により、ピアノのノートの基本周波数とミディノートの基本周波数とがある程度差異が出るのが一般である。従って、本発明によるピッチ導出において正確な結果値が得られる。
【００５４】
以上、図面を参照して本発明の実施例を説明したが、これは、一例にすぎず、本発明の保護範囲は、前述の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば、本発明の実施例において具体的に示された各構成要素の形状および構造は、変更して実施することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように、本発明によれば、外部から入力されるデジタル信号に対して周波数分析を行った後、該周波数分析の結果により選択された所定の時間領域に対する自己相関を選択的に行うことにより、低周波帯域において誤差によるピッチ導出の誤りが大きいという周波数分析方法の問題点および高周波帯域において誤差が大きいという自己相関方法の問題点を解決することができる。従って、本発明は、より正確なピッチを導出することができるという効果を奏する。
【００５６】
また、自己相関を行う時、サンプルサイズの全体デジタル信号に対する自己相関係数を全て求めてその値を比較するのでなく、周波数分析結果により選択された所定の時間領域に対する自己相関係数を求めた後、その値を比較することで、自己相関係数を求め、それらのうちの最大値を求めることにかかる時間を減らすことができるという効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】図１は、本発明の一実施例に係る二段階ピッチ判断装置を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の一実施例に係る二段階ピッチ判断方法を示す処理フローチャートである。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の二段階ピッチ判断方法を説明するための例示的な波形図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の二段階ピッチ判断方法を説明するための例示的な波形図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明の二段階ピッチ判断方法を説明するための例示的な波形図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、本発明の二段階ピッチ判断方法を説明するための例示的な波形図である。
Claims (13)
- 外部から入力されるデジタル信号を周波数成分に分解した後、該周波数成分値に基づいて第１のピッチ候補を導出する第１のステップと、
前記第１のピッチ候補の誤差範囲と前記第１のピッチ候補の誤差範囲により算出された自己相関範囲に対する自己相関結果の誤差範囲とを比較する第２のステップと、
前記比較の結果、自己相関結果の誤差範囲がピッチ候補の誤差範囲以下である場合、前記デジタル信号の所定の時間領域に対する自己相関を行ってピッチを導出する第３のステップと、
を含むことを特徴とする二段階ピッチ判断方法。 - 第１項において、前記第２のステップは、
前記第１のピッチ候補の誤差範囲を算出する第２−１のステップと、
前記第１のピッチ候補の誤差範囲によって前記デジタル信号に対する自己相関範囲を算出する第２−２のステップと、
前記自己相関範囲に対する自己相関結果の誤差範囲を算出する第２−３のステップと、
前記第１のピッチ候補の誤差範囲と前記自己相関結果の誤差範囲とを比較する第２−４のステップと、
を含むことを特徴とする二段階ピッチ判断方法。 - 第１項または第２項において、前記第２のステップは、
予め計算されて分類格納された情報に基づいて、周波数分析により決定された全ての周波数に対する誤差範囲と、該誤差範囲による自己相関範囲および自己相関結果値を導出することを特徴とする二段階ピッチ判断方法。 - 第１項において、前記第３のステップは、
前記第２のステップで算出された自己相関範囲により決定された前記デジタル信号の所定の時間領域に対する自己相関を行う第３−１の過程と、
前記自己相関の結果、自己相関係数が最高であるラグ（Ｌａｇ）を導出する第３−２のステップと、
前記ラグにより当該デジタル信号に対する第２のピッチ候補を導出した後、該第２のピッチ候補からピッチを導出する第３−３のステップと、
を含むことを特徴とする二段階ピッチ判断方法。 - 第４項において、前記第３−１のステップは、
前記デジタル信号に対する自己相関のための時間領域を所定の範囲内で変化させて適用することを特徴とする二段階ピッチ判断方法。 - 第４項において、前記第３−３のステップは、
前記第３−２のステップで導出されたラグが前記第２のステップで算出された自己相関範囲の上限値または下限値である場合、前記第２のピッチ候補の誤差範囲と前記第１のピッチ候補の誤差範囲との交差領域でピッチを決定し、そうでない場合は、前記第２のピッチ候補の誤差範囲でピッチを決定することを特徴とする二段階ピッチ判断方法。 - 第１項または第４項または第５項または第６項において、前記第３のステップは、
前記第２のステップでの比較結果、自己相関結果の誤差範囲が第１のピッチ候補の誤差範囲より大きな場合、前記第１のピッチ候補の誤差範囲領域でピッチを決定することを特徴とする二段階ピッチ判断方法。 - 外部から入力されるデジタル信号を周波数成分に分解した後、該周波数成分値に基づいて第１のピッチ候補を導出する周波数分析部と、
前記第１のピッチ候補の誤差範囲と前記第１のピッチ候補の誤差範囲により算出された自己相関範囲に対する自己相関結果の誤差範囲とを比較する誤差範囲比較部と、
前記誤差範囲比較部の比較結果、前記自己相関結果の誤差範囲が前記第１のピッチ候補の誤差範囲以下である場合、前記デジタル信号の所定の時間領域に対する自己相関を行って第２のピッチ候補を導出する自己相関計算部と、
前記第１のピッチ候補の誤差範囲および前記第２のピッチ候補の誤差範囲に基づいてピッチを決定するピッチ決定部と、
前記ピッチ決定部で決定されたピッチを出力する結果出力部と、
を備えることを特徴とする二段階ピッチ判断装置。 - 第８項において、前記誤差範囲比較部は、
予め計算されて分類格納された情報に基づいて、周波数分析により決定された全ての周波数に対する誤差範囲と、該誤差範囲による自己相関範囲および自己相関結果値を導出することを特徴とする二段階ピッチ判断装置。 - 第８項において、前記自己相関計算部は、
前記誤差範囲比較部で算出された自己相関範囲により決定された前記デジタル信号の所定の時間領域に対する自己相関を行って自己相関係数が最高であるラグを導出した後、該ラグにより当該デジタル信号に対する第２のピッチ候補を導出することを特徴とする二段階ピッチ判断装置。 - 第１０項において、前記自己相関計算部は、
前記デジタル信号の自己相関範囲を所定の範囲内で変化させて適用することを特徴とする二段階ピッチ判断装置。 - 第８項において、前記ピッチ決定部は、
前記誤差範囲比較部の比較結果、前記自己相関結果の誤差範囲が前記第１のピッチ候補の誤差範囲以下である場合、前記第１のピッチ候補および第２のピッチ候補に基づいてピッチを決定し、
前記誤差範囲比較部の比較結果、前記自己相関結果の誤差範囲が前記第１のピッチ候補の誤差範囲より大きな場合、前記第１のピッチ候補の誤差範囲内でピッチを決定することを特徴とする二段階ピッチ判断装置。 - 第８項または第１０項または第１２項において、前記ピッチ決定部は、
自己相関係数が最高であるラグが前記誤差範囲比較部で算出された自己相関範囲の上限値または下限値である場合、前記第２のピッチ候補の誤差範囲と前記第１のピッチ候補の誤差範囲との交差領域でピッチを決定し、そうでない場合は、前記第２のピッチ候補の誤差範囲でピッチを決定することを特徴とする二段階ピッチ判断装置。
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