JP2006162461A

JP2006162461A - 音源位置検出装置及び方法

Info

Publication number: JP2006162461A
Application number: JP2004355183A
Authority: JP
Inventors: Hiromichi Nakajima; 弘道中島; Toshiharu Mukai; 利春向井
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2004-12-08
Filing date: 2004-12-08
Publication date: 2006-06-22

Abstract

【課題】前方に位置する音源の位置（上下左右方向）を、マイクロフォン数が少なく簡単な構造で正しく検出することができる音源位置検出装置及び方法を提供する。
【解決手段】前方に位置する音源１に対し、左右に所定の間隔を隔てて位置する左右の反射部材１２と、各反射部材で反射された反射音１ｂを音源からの直接音１ａと共に受信する左右のマイクロフォン１４と、両方のマイクロフォンの受信音から音源の位置を求める位置検出装置１６とを備える。左右の反射部材１２は、マイクロフォンを通る鉛直軸を中心として上下方向に反射距離が異なる曲線形を回転させた回転面の少なくとも一部を反射面１２ａとして有する。位置検出装置１６により、受信音の左右のマイクロフォンへの到達時間の差から音源の左右方向の位置を求め、受信音のスペクトル情報から音源の上下方向の位置を求める。
【選択図】図４

Description

本発明は、音源の位置を検出する音源位置検出装置及び方法に関する。

案内ロボットなど人とコミュニケーションをとるロボットに、話し声から話者を特定する能力を与えるためには、上下左右の任意方向の音源を定位できることが望ましい。また、このような任意方向の音源定位能力は、暗闇で広範囲の音源を定位することが必要とされる防犯システムなどにも有効に用いることが出来る。

音源の方向や位置を検出する従来手段としては、複数のマイクロフォンを配置してマイクロフォンに達する音の時間差や音圧差を用いるのが一般的である。
また、音を利用して目標物の位置を検出する手段としては、ソーナー装置が知られている。ソーナー装置は、１個以上の水中音源から発信した音波を水中目標物にて反射した反射音を複数のハイドロフォン（水中受信器）にて受信し、水中目標物の位置（又は方位）を検出する装置である。かかる分野の従来技術として、特許文献１、２等がある。

一方、音源位置を検出する手段として、人間の聴覚系を模倣した単耳音源定位システムが、非特許文献１、２に報告されている。
このシステムは、人間の耳介を模した図９（Ａ）のような反射板を用い、図１０のようにマイクロフォンを配置すると、音源から到達した音の直接波と反射波がマイクロフォンに到達することを利用するものである。
すなわち、到達した直接波と反射波の干渉によって、図１１（Ａ）のようにスペクトル波形にいくつかの極小値が現れる。この極小値をとる周波数は、直接音と反射音の経路差により異なることから、マイクロフォンから反射板までの距離が単調増加するように反射板の形状を作成すると、図１１（Ｂ）のように音源方向と極小値をとる周波数が１対１の関係となり、極小値周波数から音源の方向を検出することができる。

特開平５−６６２６６号公報、「ソーナー映像表示処理回路」特開２００２−１６８９３７号公報、「水中目標物位置検出装置及び方法」

小野順貴、他、「聴覚系を模倣した単耳音源定位システム」、電子情報通信学会、信学技報、Ｐ２５ｆ３２、２０００年８月Ｎ．Ｏｎｏ，Ｙ．Ｚａｉｔｓｕ，Ｔ．Ｎｏｍｉｙａｍａ，Ａ．ＫｉｍａｃｈｉａｎｄＳ．Ａｎｄｏ，"ＢｉｏｍｉｍｉｃｒｙＳｏｕｎｄＳｏｕｒｃｅＬｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎｗｉｔｈＦｉｓｈｂｏｎｅ"，Ｔｒａｎｓ．ＩＥＥＪ（Ｅ），ｖｏｌ．１２１-Ｅ，Ｎｏ．６，ｐｐ．３１３-３１９，Ｊｕｎ．２００１．

上述したように、音源の方向や位置を検出する従来技術では、複数のマイクロフォンを配置してマイクロフォンに達する音の時間差や音圧差を用いる。しかしこの手段では、例えば前方に位置する音源の上下方向を知るためには、上下に配置した少なくとも２本のマイクロフォンが必要であり、更に音源の位置（上下左右方向）を知るためには、３本以上のマイクロフォンが必要となる。

これに対し非特許文献１、２では、マイクロフォンと反射板を組合せ、直接波と反射波の干渉によって生じるスペクトル形状から、１本のマイクロフォンのみで音源の上下方向位置が検出可能な手段を提案している。
しかし、この手段は、耳介を模した反射板が音源の真正面に位置することを前提としているため、真正面以外の方向に位置する音源については、反射波が正面の時と同様にはマイクロフォンに到達しないため、正しく方向検出ができない問題点があった。

すなわち人間の耳介に相当する反射板を用いて音源方向を推定する場合、従来提案されている形状では、真正面の音源の上下方向（耳介に沿った方向）は検出可能であるが、正面から横にずれた方向の音源は正しく検出することができなかった。
そのため、前方に位置する音源の位置（上下左右方向）を知るためには、３本以上のマイクロフォンを使用し、マイクロフォンに達する音の左右及び上下の時間差や音圧差を用いるか、または、２本のマイクロフォンと反射板およびその移動機構を有する装置を用いて、２本のマイクロフォンで音源の左右位置を検出し、耳介を模した反射板をその方向に向ける必要があった。前者には３本以上のマイクロフォンを用意しそれらを上下及び左右に離して配置しなければならないという問題点、後者には反射板移動手段が必要となり、構造及び検出の手順が複雑となり検出時間が増大するという問題点があった。

本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、前方に位置する音源の位置（上下左右方向）を、マイクロフォン数が少なく簡単な構造で正しく検出することができる音源位置検出装置及び方法を提供することにある。

本発明によれば、前方に位置する音源に対し、左右に所定の間隔を隔てて位置する左右の反射部材と、該各反射部材で反射された音を音源からの直接音と共に受信する左右のマイクロフォンと、両方のマイクロフォンの受信音から音源の位置を求める位置検出装置とを備え、
前記左右の反射部材は、マイクロフォンを通る鉛直面内においてマイクロフォンへの反射距離が異なる曲線形を、マイクロフォンを通る鉛直軸を中心として回転させた回転面の少なくとも一部を反射面として有し、
前記位置検出装置は、受信音の左右のマイクロフォンへの到達時間の差から音源の左右方向の位置を求め、受信音のスペクトル情報から音源の上下方向の位置を求める、ことを特徴とする音源位置検出装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記反射部材の反射面は、マイクロフォンを通る鉛直軸を含む任意の断面形状が、マイクロフォンから反射面までの距離が角度に応じて単調増加する形状である。

また本発明によれば、（Ａ）左右の反射部材の反射面を、マイクロフォンを通る鉛直面内においてマイクロフォンへの反射距離が異なる曲線形を、マイクロフォンを通る鉛直軸を中心として回転させた回転面の少なくとも一部として形成し、
（Ｂ）前方に位置する音源に対し、左右の反射部材を左右に所定の間隔を隔てて位置決めし、前記各反射部材で反射された反射音を音源からの直接音と共に受信し、
（Ｃ）受信音の左右のマイクロフォンへの到達時間の差から音源の左右方向の位置を求め、受信音のスペクトル情報から音源の上下方向の位置を求める、ことを特徴とする音源位置検出方法が提供される。

上記本発明の音源位置検出装置及び方法によれば、マイクロフォンを通る鉛直面内においてマイクロフォンへの反射距離が異なる曲線形を、マイクロフォンを通る鉛直軸を中心として回転させた回転面の少なくとも一部を反射面として有する左右の反射部材を備えるので、受信音の左右のマイクロフォンへの到達時間の差から音源の左右方向の位置を求め、受信音のスペクトル情報から音源の上下方向の位置を求めることにより、前方に位置する音源の位置（上下左右方向）を、２つのマイクロフォンでかつ簡単な構造で正しく検出することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。

（従来の反射板の問題点）
上述した従来の反射板の場合、図９（Ｂ）のように正面以外から音が入った場合、その角度が小さい場合には図１２（Ｂ）のように反射音はマイクロフォンに到達するが、図１２（Ａ）の正面から音が入る場合と比べて、直接音と反射音の経路差が大きく変わってしまう。このため、直接音と反射音の干渉の結果生じるスペクトルの極小値が正面から音が入る場合と比べて変化してしまう。

さらに、真正面から大きくずれた方向から音が来た場合には、図１２（Ｃ）のようになり反射音はマイクロフォンに到達しないため、干渉が生じない。これらのことから、この反射板では、正面からの音に対してしか音源方向の推定が正しく行えないことが分かる。

（提案する反射面の形状）
正面以外から音が入った場合にも、正面方向と同様の周波数特性を得るためには、経路差を同じにする必要がある。
図１は本発明の原理を示す図であり、図２は本発明の反射面の作成方法を示す図である。
図１に示すように反射面の水平断面を円弧状にすると、上下方向の角度が同じ場合には、水平方向に関して、１８０度の範囲から来る音の直接音と反射音の経路差はすべて同じになることがわかる。従って、図２に示すように従来の反射面を回転させることにより、正面以外の方向からの音に対しても、正面と全く同じ経路差となる形状が作成出来る。
図３に回転させて作成した形状を示す。（Ａ）は１８０度回転させた形状であり、（Ｂ）は９０度回転させた形状である。図３（Ｂ）の反射板を用いた場合には、９０度の範囲に対応可能となる。

図４は、本発明による音源位置検出装置の構成図である。この図において、１は音源、２は人とコミュニケーションをとるためのロボットであり、ロボット２に本発明の音源位置検出装置１０を組み込んだ状態を模式的に示している。
この図に示すように、本発明の音源位置検出装置１０は、左右の反射部材１２、左右のマイクロフォン１４、及び位置検出装置１６からなる。

左右の反射部材１２は、正面に位置する音源１に対し、左右に所定の間隔Ｌ０を隔てて位置する。

図５は図４のＡ部拡大図であり、図６は図４のＢ−Ｂ’断面図である。
図６に示すように、左右の反射部材１２の反射面１２ａは、マイクロフォン１４を通る鉛直面内においてマイクロフォン１２への反射距離Ｒが異なる曲線形である。
また、図５に示すように、左右の反射部材１２の反射面１２ａは、この曲線形をマイクロフォン１４を通る鉛直軸Ｚを中心として回転させた回転面の一部として構成されている。

左右のマイクロフォン１４は、左右の反射部材１２で反射されたそれぞれの反射音１ｂを音源１からの直接音１ａと共に受信する機能を有する。

位置検出装置１６は、例えば、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）であり、両方のマイクロフォン１４の受信音から音源１の位置を求める機能を有する。
位置検出装置１６は、受信音の左右のマイクロフォンへの到達時間の差から音源１の左右方向の位置を求め、受信音のスペクトル情報から音源の上下方向の位置を求める。

上述した装置を用い、本発明の位置検出方法によれば、
（Ａ）左右の反射部材の反射面を、マイクロフォンを通る鉛直面内においてマイクロフォンへの反射距離が異なる曲線形を、マイクロフォンを通る鉛直軸を中心として回転させた回転面の少なくとも一部として形成し、
（Ｂ）前方に位置する音源に対し、左右の反射部材を左右に所定の間隔を隔てて位置決めし、前記各反射部材で反射された反射音を音源からの直接音と共に受信し、
（Ｃ）受信音の左右のマイクロフォンへの到達時間の差から音源の左右方向の位置を求め、受信音のスペクトル情報から音源の上下方向の位置を求める。

上述した本発明の構成によれば、左右の反射部材１２の反射面１２ａが、上下方向に反射距離が異なる曲線形（例えば対数らせん形状）をマイクロフォン１４を通る鉛直軸を中心として回転させた回転面の少なくとも一部として構成されているので、図４において、音源からの直接音１ａと同じ向きの反射音１ｂは、音波の上下方向θ（図６参照）が同じ場合には左右方向には依らず常に同一の形状の反射面１２ａで反射される。

従って、真正面から大きくずれた方向から音が来た場合でも、図１２（Ａ）の正面から音が入る場合と同様に、直接音と反射音の経路差を同一に維持することができる。
直接音をＳ（ｔ）、その反射音をｒ・Ｓ（ｔ−τ）で表すとその時間遅れτは、受信音のスペクトル情報から求めることができ、これから音源の上下方向θ（図６参照）を求めることができる。
また音源の左右方向の位置は、受信音の左右のマイクロフォンへの到達時間の差から定めることができる。

提案した反射板形状の有効性を検証するために、反射板の周波数特性を測定し、極小値の分布をプロットした（図８）。測定には図３（Ｂ）の形状の反射板を使用した。
図８において図中のθ、φは音源方向であり、図７に示すような関係となっている。図８の縦軸が音源方向の上下角（θ）、横軸が周波数（Ｈｚ）であり、正面（φ＝０度）から真横（φ＝９０度）まで測定した。
この図から極小値の分布が、正面と正面以外でほぼ同じ特性を示していることがわかる。このことから、正面以外の音に対しても正面と同様の音源方向θの推定が可能であることがわかる。

上述したように、提案した反射板とマイクロフォンのペアを２組、人の耳のようにロボットヘッドの両側面に設置することにより、左右方向については音の左右のマイクロフォンへの到達時間差、上下方向についてはスペクトル情報を用いて、前方の任意の音源方向の検出が可能となる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

本発明の原理を示す図である。本発明の反射面の作成方法を示す図である。本発明の反射部材の斜視図である。本発明による音源位置検出装置の構成図である。図４のＡ部拡大図である。図４のＢ−Ｂ’断面図である。本発明におけるθ、φと音源方向の関係を示す図である。本発明の実施例を示す図である。従来の反射板の模式的斜視図である。従来の直接波と反射波の経路を示す図である。従来の反射板の周波数特性図である。従来の反射板における音の入射方向による経路の変化を示す図である。

符号の説明

１音源、１ａ直接音、１ｂ反射音、２ロボット、
１０音源位置検出装置、１２反射部材、１２ａ反射面、
１４マイクロフォン、１６位置検出装置

Claims

前方に位置する音源に対し、左右に所定の間隔を隔てて位置する左右の反射部材と、該各反射部材で反射された反射音を音源からの直接音と共に受信する左右のマイクロフォンと、両方のマイクロフォンの受信音から音源の位置を求める位置検出装置とを備え、
前記左右の反射部材は、マイクロフォンを通る鉛直面内においてマイクロフォンへの反射距離が異なる曲線形を、マイクロフォンを通る鉛直軸を中心として回転させた回転面の少なくとも一部を反射面として有し、
前記位置検出装置は、受信音の左右のマイクロフォンへの到達時間の差から音源の左右方向の位置を求め、受信音のスペクトル情報から音源の上下方向の位置を求める、ことを特徴とする音源位置検出装置。
前記反射部材の反射面は、マイクロフォンを通る鉛直軸を含む任意の断面形状が、マイクロフォンから反射面までの距離が角度に応じて単調増加する形状である、ことを特徴とする請求項１に記載の音源位置検出装置。
（Ａ）左右の反射部材の反射面を、マイクロフォンを通る鉛直面内においてマイクロフォンへの反射距離が異なる曲線形を、マイクロフォンを通る鉛直軸を中心として回転させた回転面の少なくとも一部として形成し、
（Ｂ）前方に位置する音源に対し、左右の反射部材を左右に所定の間隔を隔てて位置決めし、前記各反射部材で反射された反射音を音源からの直接音と共に受信し、
（Ｃ）受信音の左右のマイクロフォンへの到達時間の差から音源の左右方向の位置を求め、受信音のスペクトル情報から音源の上下方向の位置を求める、ことを特徴とする音源位置検出方法。