JP2006279298A - 音響ビーム制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】 各人物の発した音声を個別に集音し、且つそれらの音声を明瞭に聴取させる場所を自在にコントロールできるようにすること。
【解決手段】 フロアの４つの側壁面にマイクロホンアレイとスピーカアレイとを夫々埋め込み、そのフロア内を移動する２人の人物に発信機を携帯させて各人の所在位置を随時検出する。そして、一方の人物の発した音声が他方の人物の所在位置でのみ明瞭に聴取されるようにマイクロホンアレイとスピーカアレイの駆動を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、音声を集音し及び放音する際の指向性を制御する技術に関する。

音響ビームの制御を自在としたスピーカアレイが普及している。音響ビームとは、ある方角へ指向性を持たせるべく位相が調整された、波形を同じくする複数の音波の纏まりを意味する。スピーカアレイの多くは、列状に配置された複数のスピーカユニットと、それら各スピーカユニットに供給される音声信号の位相を個別に遅延させる遅延素子とを備える。

仮に、真正面から見て右よりの方角に指向性を持たせたい場合、スピーカアレイの遅延素子は、左側に配されたスピーカユニットに供給する音声信号の位相を右側に配されたスピーカユニットに供給する音声信号の位相よりも遅延させる。これにより、各スピーカユニットから放出された音波は真正面から見て右よりの方角にある所定位置において同位相で加算され、その所定位置の音圧が局所的に高められる。つまり、音声の指向性が真正面から右よりの方角へと移動する。音声の指向性を左よりの方角に移動させたいのであれば、これとは逆の制御を行う。この種の技術を開示した文献としては、特許文献１などが挙げられる。

また、上述のスピーカアレイと複数のマイクロホンとを組み合わせることで、複数の人物の音声を夫々明瞭に聴取させる場所を自在にコントロールできるようにしたシステムが提案されており、会議支援などの用途に利用されている。このシステムは、各人毎に固有のマイクロホンによって集音した音声を、それらの音声の発生源とは異なる位置に指向性を持たせた音響ビームとして夫々出力させる。これにより、ある人物の発言を別の場所にいる特定の人物だけに明瞭に聴取させるといったことが実現できる。
特開平７−２２８７８号公報

しかしながら、上述した類のシステムにおいては、各音声をそれらの発生源毎に個別に集音する手段として、発生源となる人物と同じ数だけのマイクロホンを準備しなければならないという不都合があった。
本発明は、このような背景の下に案出されたものであり、音声の発生源となる人物毎にマイクロホンを準備しなくても、各人物の発した音声を個別に集音し、且つそれらの音声を明瞭に聴取させる場所を自在にコントロールし得るようなシステムを提供することを目的とする。

本発明の好適な態様である音響ビーム制御システムは、列状に配置され、各々が集音した音声を音声信号として出力する複数のマイクロホンと、列状に配置され、各々に供給された音声信号を音声として放音する複数のスピーカと、前記各マイクロホンが集音した音声を強調させる位置である集音焦点位置を特定すると共に、前記各スピーカから放音する音声の音圧を高める位置である放音焦点位置を特定する焦点位置特定手段と、前記集音焦点位置から集音された音声を強調させるべく、前記各マイクロホンが出力した音声信号の各々に対して個別の信号処理を施す集音信号処理手段と、前記集音信号処理手段によって信号処理が施された音声信号をミキシングするミキシング手段と、前記ミキシングされた音声信号を前記スピーカの数に合わせて分離する信号分離手段と、前記放音焦点位置にて音声の音圧を高めるべく、前記信号分離手段が分離した音声信号の各々に対して個別の信号処理を施し、信号処理を施した音声信号を前記各スピーカへ夫々供給する放音信号処理手段とを備える。

この態様において、複数の人物の各所在位置を夫々検出する検出手段を備え、前記焦点位置特定手段は、前記検出手段によって検出された第１の所在位置を前記集音焦点位置として特定する一方、前記第１の所在位置とは異なる第２の所在位置を前記放音焦点位置として特定するようにしてもよい。

また、人物の所在位置を検出する検出手段を備え、前記焦点位置特定手段は、前記検出手段によって検出された所在位置を前記集音焦点位置として特定すると共に前記放音焦点位置としても特定するようにしてもよい。

本発明によると、各人物の発した音声を個別に集音し、且つそれらの音声を明瞭に聴取させる場所を自在にコントロールすることができる。

（発明の実施の形態）
本願発明の実施形態について説明する。本実施形態にかかる音響ビーム制御システムは、以下の２つの特徴を有する。１つ目の特徴は、内部に人物を収容するフロアの４つの側壁面にマイクロホンアレイとスピーカアレイとを夫々埋め込んだ点である。２つ目の特徴は、フロア内を移動する２人の人物に発信機を携帯させて各人の所在位置を随時検出し、一方の人物の発した音声が他方の人物の所在位置でのみ明瞭に聴取されるようにマイクロホンアレイとスピーカアレイの駆動を制御するようにした点である。
なお、以降の説明において、発信機を携帯させる２人の人物のうち、音声を発声する側の人物を「発声者」と呼び、音声を受聴する側の人物を「受聴者」と呼ぶ。

図１は、本実施形態にかかかる音響ビーム制御システムのハードウェア概略構成を示すブロック図である。本システムは、マイクロホンアレイ１１、集音信号処理部１２、ミキシング部１３、信号分離部１４、放音信号処理部１５、スピーカアレイ１６、発信機１７、所在位置検出部１８、及び焦点位置特定部１９を備える。
この図において、マイクロホンアレイ１１、集音信号処理部１２、ミキシング部１３、信号分離部１４、放音信号処理部１５、及びスピーカアレイ１６は、４つの側壁と夫々対応する音響処理系２０を個別に形成している。

図２に示すように、各音響処理系２０におけるマイクロホンアレイ１１とスピーカアレイ１６の各対は、フロア内部を包囲すべく４つの側壁に夫々埋め込まれている。そして、マイクロホンアレイ１１には６つのマイクロホンユニット２１が、スピーカアレイ１６には６つのスピーカユニット２２が夫々列状に配置されている。

列状に配置されたマイクロホンユニット２１の各々は、自身が集音した音声を音声信号として集音信号処理部１２へ出力する。集音信号処理部１２は、各マイクロホンユニット２１から出力されてきた音声信号の各々に対して個別の遅延信号処理を施してからミキシング部１３へ供給する。集音信号処理部１２による遅延信号処理を経た音声信号をミキシング部１３にてミキシングすることにより、任意の方角からマイクロホンユニット２１へ到達した音声を局所的に強調させることができる。この原理について、図３を参照して説明する。

図３においては、説明を簡略化すべく、集音信号処理部１２と接続された２つのマイクロホンユニット２１ａ及びｂを想定する。この図に示すマイクロホンユニット２１ａ及びｂの指向性は、両者を結ぶ直線Ｘに略直行する方角、つまり、真正面の方角に対して最も突鋭なものとなっており、仮にその方角からマイクロホンユニット２１ａ及びｂへ到来した音声の音声信号をそのままミキシングしたとすれば、各音声信号が表す波形が同位相で加算される結果、局所的に強調された音声を得られる。一方、音声の到来する方角が左又は右にずれるとマイクロホンユニット２１ａ及びｂに到達するタイミングに時間差が生まれるため、同様の結果を得ることはできない。

ここで、真正面からθだけ左にずれた方角からマイクロホンユニット２１ａ及びｂに到来する音声を想定する。マイクロホンユニット２１ａ及びｂに音声が到達するタイミングの間には、左側のマイクロホンユニット２１ａに至る行路長と右側のマイクロホンユニット２１ｂに至る行路長との差分である距離Ｌを音波が進むのに要する時間差ｔが生じる。従って、両マイクロホンユニット２１ａ及びｂが集音した音声の音声信号をそのままミキシングしたとしても、それらの音声信号は同位相で加算され得ない。

この場合、左側にあるマイクロホンユニット２１ａから出力される音声信号に対してその位相が時間差ｔだけ遅れるような遅延信号処理を施してやる。すると、両マイクロホンユニット２１ａ及びｂから出力される音声信号は同位相でミキシングされ、あたかも真正面の方角から到来したかのごとく局所的に強調された音声が得られる。列状に配置されたマイクロホンユニット２１が３つ以上に及ぶ場合であってもその原理は同様であり、最も音源から遠いマイクロホンユニット２１が出力する音声信号から遅延量を段階的に減じていけばよい。

本システムにおいては、マイクロホンアレイ１１の各マイクロホンユニット２１が出力する音声信号の位相を段階的に遅延させる機能を集音信号処理部１２が司るような構成となっており、また、集音信号処理部１２がそれら各音声信号に対して夫々与える遅延量は、後述する焦点位置特定部１９が生成するパラメータによって決定付づけられる。

図１において、信号分離部１４は、ミキシング部１３から入力されきた音声信号を、波形の内容を同じくする６つの音声信号に分離した上で放音信号処理部１５に入力する。
放音信号処理部１５は、信号分離部１４にて分離された６つの音声信号の各々に対して個別の遅延信号処理を施す。遅延信号処理が施された音声信号の各々は各スピーカユニット２２へ夫々供給され、各スピーカユニット２２から音声として放音される。放音信号処理部１５による遅延信号処理を経た音声信号を各スピーカユニット２２へ供給することにより、それらの各スピーカユニット２２から放音する音声の音圧を任意の位置で局所的に高めることができる。この原理について、図４及び５を参照して説明する。

図４及び５においては、説明を簡略化すべく、集音信号処理部１２と接続された３つのスピーカユニット２２ａ乃至ｃを想定する。図４に示すように、仮に位置Ｐを中心とする半径ｒの球面上における任意の３つの音源Ｚから波形を同じくする音波を同時に放出したとすると、各音波は位置Ｐにおいて同位相で加算されるため、その音圧が局所的に高められる。一方、図５に示すようにスピーカアレイ１６において３つのスピーカユニット２２ａ乃至ｃの位置は列状に固定されているため、位置Ｐとスピーカユニット２２ａ乃至ｃとがそのような理想的な位置関係をとることはない。

この場合、各スピーカユニット２２ａ乃至ｃから位置Ｐまでの行路長を夫々求め、行路長が最も大きいスピーカユニット２２ａを除いた２つのスピーカユニット２２ｂ及びｃに夫々供給する音声信号に対し、最も大きい行路長ｒとの差分である距離Ｌを音波が進むのに要する時間ｔだけ位相が遅れるような遅延信号処理を施してやる。すると、スピーカユニット２２ａ乃至ｃから放出される音波は位置Ｐにて同位相で加算される結果、位置Ｐにおける音圧が局所的に高められる。列状に配置されたスピーカユニット２２が４つ以上に及ぶ場合であってもその原理は同様であり、最も目標位置から近いスピーカユニット２２に供給する音声信号から遅延量を段階的に減じていけばよい。

本システムにおいては、スピーカユニット２２へ供給する音声信号の位相を段階的に遅延させる機能を放音信号処理部１５が司るような構成となっており、また、放音信号処理部１５が各音声信号に対して夫々与える遅延量は、後述する焦点位置特定部１９が生成するパラメータによって決定付けられる。
図１において、所在位置検出部１８は、発信機１７との間で無線による通信を行うことによってフロア内における発声者と受聴者の所在位置を検出し、検出した各々の所在位置を座標情報として焦点位置特定部１９へ供給する。

焦点位置特定部１９は、所在位置検出部１８による支援の下、各音響処理系２０における集音信号処理部１２と放音信号処理部１５が実行すべき遅延信号処理の内容を決定付けるパラメータを夫々生成し、生成したパラメータをそれら各部へ順次供給する。

この焦点位置特定部１９による振る舞いについて詳述する。
図６は、焦点位置特定部１９の振る舞いを示すフローチャートである。図に示す一連の処理は、所在位置検出部１８から座標情報が供給されるたびに実行される。
座標情報が供給されると、焦点位置特定部１９は、４つの音響処理系２０のうちの１つをパラメータの供給対象として特定する（Ｓ１００）。

次に、焦点位置特定部１９は、所在位置検出部１８から供給された座標情報が示す発声者の所在位置を集音焦点位置として特定する（Ｓ１１０）。集音焦点位置とは、ステップ１００にて特定した音響処理系２０の各マイクロホンユニット２１によって集音された音声を強調させる位置を意味する。
焦点位置特定部１９は、ステップ１１０で特定した集音焦点位置のある方角から集音した音声が局所的に強調されるような遅延量を表す各マイクロホンユニット２１毎のパラメータを生成し、生成したパラメータをステップ１００で特定した音響処理系２０の集音信号処理部１２へ供給する（Ｓ１２０）。

集音信号処理部１２へパラメータを供給した焦点位置特定部１９は、所在位置検出部１８から供給された座標情報が示す受聴者の所在位置を放音焦点位置として特定する（Ｓ１３０）。放音焦点位置とは、ステップ１００にて特定した音響処理系２０の各スピーカユニット２２から放音する音声の音圧を高める位置を意味する。
焦点位置特定部１９は、ステップ１４０で特定した放音焦点位置にて音声の音圧が局所的に高まるような遅延量を夫々表す各マイクロホンユニット２１毎のパラメータを生成し、生成したパラメータをステップ１００で特定した音響処理系２０の放音信号処理部１５へ供給する（Ｓ１４０）。

放音信号処理部１５へパラメータを供給した焦点位置特定部１９は、４つの壁面と夫々対応する音響処理系２０の全てをパラメータの供給対象として特定したか判断する（Ｓ１５０）。供給対象となっていない音響処理系２０が残っているときは、ステップ１００に戻って別の音響処理系２０を特定した後、以降の処理を繰返す。一方、音響処理系２０の全てが供給対象として特定されていたときは、処理をいったん終了し、所在位置検出部１８から新たな座標情報が供給されるのを待つ。

以上説明した本実施形態では、マイクロホンアレイ１１とスピーカアレイ１６が埋め込まれたフロア内にいる発声者と受聴者の所在位置を随時検出する。そして、発声者の所在位置で発せられた音声だけが強調して集音されるようにマイクロホンアレイ１１の駆動を制御すると共に、集音した音声が受聴者の所在位置でのみ明瞭に聴取されるようにスピーカアレイ１６の駆動を制御する。従って、音声の発生源及び受聴源となり得る別の人物がフロア内にいたとしても、発声者の発した音声を受聴者だけに明瞭に聴取させることができる。

（他の実施形態）
本願発明は、種々の変形実施が可能である。
上記実施形態では、マイクロホンアレイ１１は６つのマイクロホンユニット２１により構成されていたが、これとは異なる任意の数のマイクロホンユニット２１を列状に並べてマイクロホンアレイ１１を構成してもよい。スピーカアレイ１６についても同様の変形が可能である。
上記実施形態においては、発声者の所在位置が集音焦点位置として、また、受聴者の所在位置が放音焦点位置として夫々特定されるようになっており、フロア内における発声者と受聴者の関係は固定的なものであった。これに対し、このような一方通行的な制御を行なうのではなく、各々の人物が発した音声を自身とは別の人物に互いに聴取させ合うといったような双方角的な制御を行なってもよい。この変形例によると、比較的多数の人物を収容するフロア内において、離れた場所にいる２人の人物の間での密かな音声通話を実現させることもできる。

また、上記実施形態においては、異なる人物である発声者と受聴者の所在位置を集音焦点位置及び放音焦点位置として夫々特定していたが、同じ人物の所在位置に集音焦点位置と放音焦点位置とを重ね合わせるようにしてもよい。かかる構成によると、フロア内のある人物の音声をその人物本人だけに明瞭に聴取させることができるため、以下に示すような合唱練習の支援ツールとして利用することができる。即ち、この変形例では、合唱練習に参加する歌唱者の一人に発信機１７を携帯させてその所在位置を検出する。そして、検出した所在位置の方角から各マイクロホンユニット２１が集音した音声を強調させる一方で、その所在位置で音圧が高まるような音声を各スピーカユニット２２から放音させるような制御を行う。これにより、発信機１７を携帯する歌唱者は、共に歌唱している他の歌唱者らの音声に惑わされることなく、自身の歌唱音だけを明瞭に聴取することが可能となる。

音響ビーム制御システムのハードウェア概略構成図である。 マイクロホンアレイとスピーカアレイの設置態様を示す図である。 マイクロホンの指向性を制御する原理を示す図である。 スピーカの指向性を制御する原理を示す図である。 スピーカの指向性を制御する原理を示す図である。 焦点位置特定部の振る舞いを示すフローチャートである。

符号の説明

１１…マイクロホンアレイ、１２…集音信号処理部、１３…ミキシング部、１４…信号分離部、１５…放音信号処理部、１６…スピーカアレイ、１７…発信機、１８…所在位置検出部、１９…焦点位置特定部、２０…音響処理系、２１…マイクロホンユニット、２２…スピーカユニット

Claims (3)

1. 列状に配置され、各々が集音した音声を音声信号として出力する複数のマイクロホンと、
   列状に配置され、各々に供給された音声信号を音声として放音する複数のスピーカと、
   前記各マイクロホンが集音した音声を強調させる位置である集音焦点位置を特定すると共に、前記各スピーカから放音する音声の音圧を高める位置である放音焦点位置を特定する焦点位置特定手段と、
   前記集音焦点位置から集音された音声を強調させるべく、前記各マイクロホンが出力した音声信号の各々に対して個別の信号処理を施す集音信号処理手段と、
   前記集音信号処理手段によって信号処理が施された音声信号をミキシングするミキシング手段と、
   前記ミキシングされた音声信号を前記スピーカの数に合わせて分離する信号分離手段と、
   前記放音焦点位置にて音声の音圧を高めるべく、前記信号分離手段が分離した音声信号の各々に対して個別の信号処理を施し、信号処理を施した音声信号を前記各スピーカへ夫々供給する放音信号処理手段と
   を備えた音響ビーム制御システム。
2. 請求項１に記載の音響ビーム制御システムにおいて、
   複数の人物の各所在位置を夫々検出する検出手段を備え、
   前記焦点位置特定手段は、
   前記検出手段によって検出された第１の所在位置を前記集音焦点位置として特定する一方、前記第１の所在位置とは異なる第２の所在位置を前記放音焦点位置として特定する
   音響ビーム制御システム。
3. 請求項１に記載の音響ビーム制御システムにおいて、
   人物の所在位置を検出する検出手段を備え、
   前記焦点位置特定手段は、
   前記検出手段によって検出されたある所在位置を前記集音焦点位置として特定すると共に前記放音焦点位置としても特定する
   音響ビーム制御システム。

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