JP2008112056A - 音声信号処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】デジタル音声信号の再生音の音質改善を図る。
【解決手段】極点検出部１は、入力されるデジタル音声信号の波形における極小点と極大点とを検出し、傾き算出部２は、隣接する極小点と極大点とをつなぐ直線の傾き値を算出する。正規化値算出部３は、各サンプルのタイミングにおける、隣接する極小点と極大点とをつなぐ直線上の値を、各サンプル値から減算した値を正規化値として算出する。補正値算出部４は、正規化値算出部３で算出した各サンプルについての正規化値と、隣接する極小点と極大点との間のサンプリング間隔数に応じた係数を正規化値に乗算した値とを加算した値を、補正値として算出する。出力データ生成部６は、補正値算出部４で算出した各サンプルについての補正値を、各サンプルのタイミングにおける、隣接する極小点と極大点とをつなぐ直線上の値に加算して出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、デジタル音声信号の再生音の音質を改善する音声信号処理装置に関する。

一般に、アナログ音声信号からデジタル音声信号（圧縮音声データを含む）への変換により、高周波成分が除去される。このため、デジタル音声信号をそのままＤ／Ａ変換してスピーカにより再生しても、原音を忠実に再生することができない。

そこで、デジタル音声信号を原音に近づけるため、特許文献１，２に記載されているような技術が提案されている。特許文献１，２では、デジタル音声信号の時間軸のオリジナルの波形（高周波成分が除去されていない場合のデジタル音声信号の波形）が矩形波に近いと想定して、入力データ波形を矩形波に近づけるように補正している。この方法では、図５に示すように、入力データ波形において極小値をとるサンプルの前後のサンプルに対しては、それぞれのサンプル値から所定の値を減算し、極大値をとるサンプルの前後のサンプルに対しては、それぞれのサンプル値に所定の値を加算することにより、入力データ波形を矩形波に近づけるようにしている。
特開２００２−１６９５９７号公報 特開２００２−１８９４９８号公報

ところで、オリジナルの波形が三角波のような鋭角的な波形である場合、デジタル音声信号の波形は、Ａ／Ｄ変換により高周波成分が欠落することで、矩形波のような波形に近づいたものになっている。このようなデジタル音声信号に対して、特許文献１，２に記載された技術により波形の補正を行うと、矩形波に近づけるように補正されるため、オリジナルの鋭角的な波形からは遠ざかることになる。

このように特許文献１，２に記載された技術では、オリジナルの波形が鋭角的な波形である場合のように、入力データ波形をオリジナルの波形に近づけることができず音質改善効果が得られないことがあった。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、デジタル音声信号の音質改善処理において、デジタル音声信号のオリジナルの波形が、矩形波のような波形、鋭角的な波形のいずれであっても、再生音の音質を改善することができる音声信号処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の音声信号処理装置は、外部から入力されるデジタル音声信号の各サンプルについて、当該サンプルのサンプル値を時間的に１つ前のサンプルのサンプル値と比較し、その比較結果に基づいて、前記デジタル音声信号の波形における極小点と極大点とを検出する極点検出手段と、前記波形中で隣接する極小点と極大点とをつなぐ直線の傾き値を算出する傾き算出手段と、この傾き算出手段で算出した前記傾き値を用いて、前記隣接する極小点と極大点との間の各サンプルのサンプル値が、前記直線に対してどの程度ずれているかを示す値である正規化値を算出する正規化値算出手段と、この正規化値算出手段で算出した前記正規化値、および前記隣接する極小点と極大点との間のサンプリング間隔数に応じた係数を用いて、前記隣接する極小点と極大点との間の各サンプルを、前記直線からのずれが大きくなる方向に補正するための補正値を、各サンプルについて算出する補正値算出手段と、この補正値算出手段で算出した各サンプルについての前記補正値を、各サンプルのタイミングにおける前記直線上の値に加算して出力する出力データ生成手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明の音声信号処理装置は、外部から入力されるデジタル音声信号の各サンプルについて、当該サンプルのサンプル値を時間的に１つ前のサンプルのサンプル値と比較し、その比較結果に基づいて、前記デジタル音声信号の波形における極小点と極大点とを検出する極点検出手段と、前記波形中で隣接する極小点と極大点とをつなぐ直線の傾き値を算出する傾き算出手段と、この傾き算出手段で算出した前記傾き値を用いて、前記隣接する極小点と極大点との間の各サンプルのタイミングにおける前記直線上の値をそれぞれ算出し、この算出結果を対応する各サンプルのサンプル値から減算した値を、各サンプルについての正規化値として算出する正規化値算出手段と、この正規化値算出手段で算出した各サンプルについての前記正規化値と、前記隣接する極小点と極大点との間のサンプリング間隔数に応じた係数を前記正規化値に乗算した値とを加算した値を、各サンプルについての補正値として算出する補正値算出手段と、この補正値算出手段で算出した各サンプルについての前記補正値を、各サンプルのタイミングにおける前記直線上の値に加算して出力する出力データ生成手段とを備えることを特徴とする。

本発明の音声信号処理装置によれば、デジタル音声信号の波形中で隣接する極小点と極大点との間の各サンプルを、隣接する極小点と極大点とをつなぐ直線からのずれが大きくなる方向に補正するので、オリジナルの波形が、矩形波のような波形、鋭角的な波形のいずれであっても、デジタル音声信号の波形をオリジナルの波形に近づけるように補正することができ、デジタル音声信号の再生音の音質を改善することができる。

以下、本発明の音声信号処理装置を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る音声信号処理装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように本実施の形態に係る音声信号処理装置は、外部から入力されるデジタル音声信号の波形における極小点と極大点とを検出する極点検出部１と、デジタル音声信号の波形中で隣接する極小点と極大点とをつなぐ直線の傾き値を算出する傾き算出部２と、傾き算出部２で算出した傾き値を用いて、隣接する極小点と極大点との間の各サンプルが、隣接する極小点と極大点とをつなぐ直線に対してどの程度ずれているかを示す値である正規化値を算出する正規化値算出部３と、正規化値算出部３で算出した正規化値、および隣接する極小点と極大点との間のサンプリング間隔数に応じた係数を用いて、隣接する極小点と極大点との間の各サンプルを、隣接する極小点と極大点とをつなぐ直線からのずれが大きくなる方向に補正するための補正値を各サンプルについて算出する補正値算出部４と、隣接する極小点と極大点との間のサンプリング間隔数に応じた係数を保存する係数テーブル５と、補正値算出部４で算出した各サンプルについての補正値を、各サンプルのタイミングにおける、隣接する極小点と極大点をつなぐ直線上の値に加算して出力する出力データ生成部６とを備える。

次に、本実施の形態に係る音声信号処理装置の動作を説明する。

外部からデジタル音声信号が入力されると、極点検出部１は、入力されたデジタル音声信号の数サンプルを一旦記録する。そして、記録した各サンプルについて、当該サンプルのサンプル値を時間的に１つ前のサンプルのサンプル値と比較し、大きいか、小さいか、同じかを検出する。その比較結果に基づいて、極点検出部１は、入力デジタル音声信号の波形における極小点と極大点とを検出する。

次に、傾き算出部２は、極点検出部１で検出された極小点、極大点の値、および極小点と極大点との間のサンプリング間隔数に基づいて、デジタル音声信号の波形中で隣接する極小点と極大点とをつなぐ直線の傾き値を算出する。

正規化値算出部３は、傾き算出部２で算出した傾き値を用いて、隣接する極小点と極大点との間の各サンプルのタイミングにおける、隣接する極小点と極大点とをつなぐ直線上の値をそれぞれ算出し、この算出結果を対応する各サンプルのサンプル値から減算した値を、各サンプルについての正規化値として算出する。

そして、補正値算出部４は、正規化値算出部３で算出した各サンプルについての正規化値と、隣接する極小点と極大点との間のサンプリング間隔数に応じた係数を正規化値に乗算した値とを加算した値を、各サンプルについての補正値として算出する。ここで、隣接する極小点と極大点との間のサンプリング間隔数に応じた係数は、係数テーブル５から取得する。

図２に係数テーブル５の一例を示す。図２に示すように、係数テーブル５では、隣接する極小点と極大点との間のサンプリング間隔数が少ない場合（サンプリング間隔数＝２〜５）に比較的大きい係数α＝１／２が設定され、サンプリング間隔数が多くなると段階的に小さくなるように設定されている。

そして、出力データ生成部６は、この補正値算出部４で算出した各サンプルについての補正値を、各サンプルのタイミングにおける、隣接する極小点と極大点とをつなぐ直線上の値に加算して出力する。

以上のようにしてデジタル音声信号の補正処理を行う際の処理対象の第１例として、図３（ａ）に示すような時間軸波形のデジタル音声信号が入力された場合について説明する。

図３（ａ）に示すデジタル音声信号が入力されると、極点検出部１によりサンプルＡ_３が極小点として検出され、サンプルＡ_８が極大点として検出される。ここで、サンプルＡ_３〜Ａ_８のサンプル値をａ_３〜ａ_８とし、ａ_３＝１００，ａ_４＝２００，ａ_５＝４６０，ａ_６＝６８０，ａ_７＝８８０，ａ_８＝１０００とする。

次に、傾き算出部２において、サンプルＡ_３とサンプルＡ_８とをつなぐ直線１１の傾き値が算出される。サンプルＡ_３とサンプルＡ_８との間のサンプリング間隔数は５であるので、傾き値ｋ_１は、以下の（数式１）のように算出される。

ｋ_１＝（１０００−１００）／５＝１８０ （数式１）

次に、正規化値算出部３において、サンプルＡ_３〜Ａ_８についての正規化値ｎ_３〜ｎ_８が算出される。正規化値ｎ_３〜ｎ_８は、サンプルＡ_３〜Ａ_８が直線１１に対してどの程度ずれているかの指標となる値である（図３（ｂ）参照）。正規化値ｎ_３〜ｎ_８は、以下の（数式２）〜（数式７）のように、サンプルＡ_３〜Ａ_８それぞれのタイミングにおける直線１１上の値を、サンプル値ａ_３〜ａ_８から減算することにより算出される。

ｎ_３＝１００−１００＝０ （数式２）
ｎ_４＝２００−（１００＋１８０×１）＝−８０ （数式３）
ｎ_５＝４６０−（１００＋１８０×２）＝０ （数式４）
ｎ_６＝６８０−（１００＋１８０×３）＝４０ （数式５）
ｎ_７＝８８０−（１００＋１８０×４）＝６０ （数式６）
ｎ_８＝１０００−１０００＝０ （数式７）

次に、補正値算出部４において、サンプルＡ_３〜Ａ_８についての補正値ｐ_３〜ｐ_８が算出される。補正値ｐ_３〜ｐ_８は、以下の（数式８）〜（数式１３）のように、各サンプルについての正規化値ｎ_３〜ｎ_８と、サンプルＡ_３とサンプルＡ_８との間のサンプリング間隔数に応じた係数αを正規化値ｎ_３〜ｎ_８に乗算した値とを加算することにより算出される。ここでは、サンプルＡ_３とサンプルＡ_８との間のサンプリング間隔数は５であるので、図２より、係数α＝１／２である。

ｐ_３＝０ （数式８）
ｐ_４＝−８０＋（−８０×１／２）＝−１２０ （数式９）
ｐ_５＝０ （数式１０）
ｐ_６＝４０＋（４０×１／２）＝６０ （数式１１）
ｐ_７＝６０＋（６０×１／２）＝９０ （数式１２）
ｐ_８＝０ （数式１３）

次に、出力データ生成部６において、補正後のサンプル値ａ_３´〜ａ_８´が算出される。補正後のサンプル値ａ_３´〜ａ_８´は、以下の（数式１４）〜（数式１９）のように、各サンプルについての補正値ｐ_３〜ｐ_８を、各サンプルのタイミングにおける直線１１上の値に加算して算出する。

ａ_３´＝１００＋０＝１００ （数式１４）
ａ_４´＝（１００＋１８０×１）−１２０＝１６０ （数式１５）
ａ_５´＝（１００＋１８０×２）＋０＝４６０ （数式１６）
ａ_６´＝（１００＋１８０×３）＋６０＝７００ （数式１７）
ａ_７´＝（１００＋１８０×４）＋９０＝９１０ （数式１８）
ａ_８´＝１０００＋０＝１０００ （数式１９）

この第１例の補正処理後の波形を図３（ｃ）に示す。図３（ｃ）において、サンプルＡ_４´，Ａ_６´，Ａ_７´は、それぞれサンプルＡ_４，Ａ_６，Ａ_７に対応する補正処理後のサンプル点を示し、補正処理前の波形を点線、補正処理後の波形を実線で示している。

第１例では、入力デジタル音声信号の波形のサンプルＡ_３〜Ａ_８間において、サンプルＡ_３，Ａ_８における波形の傾きが、直線１１の傾きよりも小さくなっているため、オリジナルの波形は矩形波のような波形であると予想される。そこで、上記に説明した補正処理を行うことにより、図３（ｃ）に示すように、サンプルＡ_３，Ａ_８における補正後の波形の傾きを、補正前の波形の傾きよりもさらに小さくすることで、予想される矩形波のような波形に近づけることができ、これにより、再生音の音質の改善を図ることができる。

次に、補正処理対象の第２例として、図４（ａ）に示すような時間軸波形のデジタル音声信号が入力された場合について説明する。

図４（ａ）に示すデジタル音声信号が入力されると、極点検出部１によりサンプルＢ_３が極小点として検出され、サンプルＢ_８が極大点として検出される。ここで、サンプルＢ_３〜Ｂ_８のサンプル値をｂ_３〜ｂ_８とし、ｂ_３＝１００，ｂ_４＝３３０，ｂ_５＝５００，ｂ_６＝６４０，ｂ_７＝７８０，ｂ_８＝１０００とする。

次に、傾き算出部２において、サンプルＢ_３とサンプルＢ_８とをつなぐ直線１２の傾き値が算出される。サンプルＢ_３とサンプルＢ_８との間のサンプリング間隔数は５であるので、傾き値ｋ_２は、以下の（数式２０）のように算出される。

ｋ_２＝（１０００−１００）／５＝１８０ （数式２０）

次に、正規化値算出部３において、以下の（数式２０）〜（数式２５）のように、第１例と同様の方法で、サンプルＢ_３〜Ｂ_８についての正規化値ｍ_３〜ｍ_８が算出される。

ｍ_３＝１００−１００＝０ （数式２０）
ｍ_４＝３３０−（１００＋１８０×１）＝５０ （数式２１）
ｍ_５＝５００−（１００＋１８０×２）＝４０ （数式２２）
ｍ_６＝６４０−（１００＋１８０×３）＝０ （数式２３）
ｍ_７＝７８０−（１００＋１８０×４）＝−４０ （数式２４）
ｍ_８＝１０００−１０００＝０ （数式２５）

次に、補正値算出部４において、以下の（数式２６）〜（数式３１）のように、第１例と同様の方法で、サンプルＢ_３〜Ｂ_８についての補正値ｑ_３〜ｑ_８が算出される。

ｑ_３＝０ （数式２６）
ｑ_４＝５０＋（５０×１／２）＝７５ （数式２７）
ｑ_５＝４０＋（４０×１／２）＝６０ （数式２８）
ｑ_６＝０ （数式２９）
ｑ_７＝−４０＋（−４０×１／２）＝−６０ （数式３０）
ｑ_８＝０ （数式３１）

次に、出力データ生成部６において、以下の（数式３２）〜（数式３７）のように、第１例と同様の方法で、補正後のサンプル値ｂ_３´〜ｂ_８´が算出される。

ｂ_３´＝１００＋０＝１００ （数式３２）
ｂ_４´＝（１００＋１８０×１）＋７５＝３５５ （数式３３）
ｂ_５´＝（１００＋１８０×２）＋６０＝５２０ （数式３４）
ｂ_６´＝（１００＋１８０×３）＋０＝６４０ （数式３５）
ｂ_７´＝（１００＋１８０×４）−６０＝７６０ （数式３６）
ｂ_８´＝１０００＋０＝１０００ （数式３７）

この第２例の補正処理後の波形を図４（ｃ）に示す。図４（ｃ）において、サンプルＢ_４´，Ｂ_５´，Ｂ_７´は、それぞれサンプルＢ_４，Ｂ_５，Ｂ_７に対応する補正処理後のサンプル点を示し、補正処理前の波形を点線、補正処理後の波形を実線で示している。

第２例では、入力デジタル音声信号の波形のサンプルＢ_３〜Ｂ_８間において、サンプルＢ_３，Ｂ_８における波形の傾きが、直線１２の傾きよりも大きくなっているため、オリジナルの波形は鋭角的な波形であると予想される。そこで、上記に説明した補正処理を行うことにより、図４（ｃ）に示すように、サンプルＢ_３，Ｂ_８における補正後の波形の傾きを、補正前の波形の傾きよりもさらに大きくすることで、予想される鋭角的な波形に近づけることができ、これにより、再生音の音質の改善を図ることができる。

このように本実施の形態によれば、デジタル音声信号の波形中で隣接する極小点と極大点との間の各サンプルを、隣接する極小点と極大点とをつなぐ直線からのずれが大きくなる方向に補正する。このため、上記第１例のようにオリジナルの波形が矩形波のような波形である場合、第２例のようにオリジナルの波形が鋭角的な波形である場合のいずれであっても、デジタル音声信号の波形をオリジナルの波形に近づけるように補正することができ、再生音の音質を改善することができる。

なお、上記した音声信号処理装置の機能をプログラムによりコンピュータに実現させるようにしてもよい。このプログラムは、記録媒体から読みとられてコンピュータに取り込まれてもよいし、通信ネットワークを介して伝送されてコンピュータに取り込まれてもよい。

本発明の実施の形態に係る音声信号処理装置の構成を示すブロック図である。 係数テーブルの一例を示す図である。 図１に示す音声信号処理装置による波形補正処理の第１例を説明するための図である。 図１に示す音声信号処理装置による波形補正処理の第２例を説明するための図である。 従来技術による処理波形を示す説明図である。

符号の説明

１ 極点検出部
２ 傾き算出部
３ 正規化値算出部
４ 補正値算出部
５ 係数テーブル
６ 出力データ生成部

Claims (2)

1. 外部から入力されるデジタル音声信号の各サンプルについて、当該サンプルのサンプル値を時間的に１つ前のサンプルのサンプル値と比較し、その比較結果に基づいて、前記デジタル音声信号の波形における極小点と極大点とを検出する極点検出手段と、
   前記波形中で隣接する極小点と極大点とをつなぐ直線の傾き値を算出する傾き算出手段と、
   この傾き算出手段で算出した前記傾き値を用いて、前記隣接する極小点と極大点との間の各サンプルのサンプル値が、前記直線に対してどの程度ずれているかを示す値である正規化値を算出する正規化値算出手段と、
   この正規化値算出手段で算出した前記正規化値、および前記隣接する極小点と極大点との間のサンプリング間隔数に応じた係数を用いて、前記隣接する極小点と極大点との間の各サンプルを、前記直線からのずれが大きくなる方向に補正するための補正値を、各サンプルについて算出する補正値算出手段と、
   この補正値算出手段で算出した各サンプルについての前記補正値を、各サンプルのタイミングにおける前記直線上の値に加算して出力する出力データ生成手段と
   を備えることを特徴とする音声信号処理装置。
2. 外部から入力されるデジタル音声信号の各サンプルについて、当該サンプルのサンプル値を時間的に１つ前のサンプルのサンプル値と比較し、その比較結果に基づいて、前記デジタル音声信号の波形における極小点と極大点とを検出する極点検出手段と、
   前記波形中で隣接する極小点と極大点とをつなぐ直線の傾き値を算出する傾き算出手段と、
   この傾き算出手段で算出した前記傾き値を用いて、前記隣接する極小点と極大点との間の各サンプルのタイミングにおける前記直線上の値をそれぞれ算出し、この算出結果を対応する各サンプルのサンプル値から減算した値を、各サンプルについての正規化値として算出する正規化値算出手段と、
   この正規化値算出手段で算出した各サンプルについての前記正規化値と、前記隣接する極小点と極大点との間のサンプリング間隔数に応じた係数を前記正規化値に乗算した値とを加算した値を、各サンプルについての補正値として算出する補正値算出手段と、
   この補正値算出手段で算出した各サンプルについての前記補正値を、各サンプルのタイミングにおける前記直線上の値に加算して出力する出力データ生成手段と
   を備えることを特徴とする音声信号処理装置。

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