JP2009212690A - 集音装置及び同装置における方向性雑音の除去方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 集音対象と異なる方向からマイクロホンに入力される雑音を除去する集音装置及び方向性雑音の除去方法を提供する。
【解決手段】 複数のマイクロホンから入力された各々の信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、デジタル信号をアナログ信号に変換して出力するＤ／Ａ変換器、デジタル信号に含まれる雑音成分を除去する演算を行なうＤＳＰを備え、ＤＳＰが有する高速フーリエ変換手段が各々のデジタル信号を周波数特性に変換するステップと、ノイズ算出手段が各々の周波数特性の差分の絶対値を算出して平均するステップと、ノイズ除去手段が１つのマイクロホンからの周波数特性から平均周波数特性を減算するステップと、逆フーリエ変換手段が減算後の周波数特性をデジタル信号に変換して出力するステップと、を有する方向性雑音の除去方法による。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数のマイクロホンを備える集音装置において、集音対象と異なる方向からマイクロホンに入力される雑音を除去することが出来る集音装置及び同装置における方向性雑音の除去方法に関するものである。

マイクロホンを用いて集音する場合、目的音（例えば人の声）と、それ以外の周囲の音が混在して集音される。目的音以外の周囲の音は、いわゆる雑音であって、このような雑音を除去した状態で目的音のみを出力出来ることが望ましい。それを防止するために所定の方向から到来する音にのみ感度が高く、それ以外の方向から到来する音に対する感度は低い指向性マイクロホンが知られている。しかし、指向性マイクロホンであっても、一定の範囲から到来する雑音を全く集音しないようにはできない。目的音とは異なる方向から到来する雑音を方向性雑音と言う。方向性雑音を除去して目的音のみを出力する方法として、複数の指向性マイクロホンにより構成されるマイクロホンアレイによって集音し、電気音響変換した信号（音信号）に対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）や相互相関関数を用いた信号処理を行なう方法が知られている（例えば、非特許文献１を参照）。

このような従来の方法について、図を用いて説明する。図４は、指向性マイクロホンを２つ備えた集音装置の構成例である。図４において、集音装置４０は２つの指向性マイクロホン（マイクＲとマイクＬ）と、このマイクロホンＲ、Ｌから入力された音に対して信号処理を行なう信号処理部４００を接続した構成を有している。図４においてマイクＲとマイクＬは所定の間隔ｄを隔てて固定されており、目的音Ｓの到来する方向に向けて設置されている。信号処理部４００は、マイクＲとマイクＬのそれぞれから入力される音に対して所定の信号処理を行なう機能を備えている。目的音Ｓと異なる方向からマイクＲ及びマイクＬに到来する方向性雑音Ｎのうち、マイクＬに到達する方向性雑音Ｎ_ＬとマイクＲに到達する方向性雑音Ｎ_Ｒは、マイクへの到達時間に違いがある。図に示すように、角度θによって示すことが出来る方向から到来する方向性雑音Ｎにおいて、マイクＬに到達するＮ_ＬはマイクＲに到達するＮ_Ｒに比べてｔ０に相当する時間だけ遅れている。すなわち、信号処理部４００には、方向性雑音Ｎ_Ｒからｔ０だけ時間が遅れて方向性雑音Ｎ_Ｌが入力されることになる。

目的音ＳはマイクＬ、マイクＲのいずれにも同時間で到達しているので、この遅れ時間を算出することで、方向性雑音Ｎを特定することができ、これを除去することが出来る。マイクＲに到達する方向性雑音Ｎ_Ｒの到達時間をｔとし、信号処理部４００にマイクＲから入力される信号をｘ（ｔ）とすると、マイクＬに到達するに方向性雑音Ｎ_Ｌは、その到達時間がｔ-ｔ０となるので、信号処理部４００にマイクＬから入力される信号はｘ（ｔ−ｔ０）となる。

上記を踏まえてＦＦＴを用いた方向性雑音の除去方法について説明をする。ＦＦＴを用いた方向性雑音Ｎの除去を行なうことが出来る集音装置４０の信号処理部４００にはマイクＲ及びマイクＬから入力された音をデジタル信号に変換するＡＤ変換器、デジタル信号を周波数特性に変換する高速フーリエ変換（ＦＦＴ）手段、ＦＦＴ処理が終了した後のデジタル信号をアナログ信号に再変換して出力するＤ／Ａ変換器が備わっている。マイクＲからの入力信号に対してＦＦＴ処理を行なった周波数特性をＸ_Ｒ，マイクＬからの入力信号に対してＦＦＴ処理を行なった周波数特性をＸ_Ｌとすると、Ｘ_Ｒ（ｗ）＝ＦＦＴ（ｘ（ｔ））、Ｘ_Ｌ（ｗ）＝ＦＦＴ（ｘ（ｔ−ｔ０））となる。

Ｘ_ＬはＸ_Ｒに比べて時間ｔ０分だけ遅れているので、その分、位相差が生じる。これを式で表わすとＸ_Ｌ（ｗ）＝Ｘ_Ｒ（ｗ）×ｅ^-jwtoとなるので、このＸ_Ｌ（ｗ）をＸ_Ｒ（ｗ）で除算すると位相差（ｅ^-jwto）を算出することが出来る。この位相差を横軸が周波数、縦軸が位相のグラフにプロットすると、ほぼ直線を描くので、この直線の傾きが遅延時間ｔ０に等しくなる。このようにして求めた遅延時間ｔ０を用いて、マイクＬの遅延を補正し、マイクＲの入力と同相化させ、同相化した入力信号を合成することで、強調される目的音Ｓのみを出力することが出来る。

次に、相互相関関数を用いた方向性雑音の除去方法について説明をする。この場合、信号処理部４００にはマイクＲ及びマイクＬから入力された音をデジタル信号に変換するＡＤ変換器、デジタル信号を用いた相互相関処理を行なうＤＳＰ、演算結果をアナログ信号に再変換して出力するＤ／Ａ変換器が備わっている。上記と同様に、マイクＲからの入力信号をｘ（ｔ）とすると、マイクＬからの入力信号はｘ（ｔ−ｔ０）であるので、この遅れ時間ｔ０を算出するため、ｘ（ｔ）とｘ（ｔ−ｔ０）を用いた積和演算を行なう。この積和演算の結果、遅れがない（同相である）目的音Ｓのみが相互相関により強調され、それ以外の方向性雑音Ｎは位相のずれによって、減衰する。このように相互相関関数を用いて方向性雑音を除去することが出来る。

大賀、山崎、金田 共著「音響システムとディジタル処理」 社団法人電子情報通信学会 １９９５年３月 Ｐ１７４−Ｐ１８９

しかしながら、上記のいずれの従来方法においても、マイクＲとマイクＬの特性が同じでなければ、正しく処理を行なうことが出来ず、また、同じ特性のマイクを用いてもそのゲインや位相などを厳密に合わせて用いることが必要であり、少しでもズレがあると、遅れ時間ｔ０の算出を正確に行なうことができない。従って、マイクロホンアレイを製造する段階で大きな調整工数を必要とし、また、経年劣化による特性変化が生じた場合には、遅延時間ｔ０の算出誤差が大きくなって方向性雑音の除去効果が低下してしまうという問題があった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、複数のマイクロホンを備える集音装置において、集音対象と異なる方向からマイクロホンに入力される雑音を除去することが出来る方向性雑音の除去方法およびこの方法を実行する集音装置を提供することを目的とする。

本発明は、複数のマイクロホンから入力された各々の信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、デジタル信号をアナログ信号に変換して出力するＤ／Ａ変換器と、上記デジタル信号に含まれる雑音成分を除去する演算を行なうＤＳＰと、を備えた集音装置による方向性雑音の除去方法であって、上記ＤＳＰは、高速フーリエ変換手段と、ノイズ算出手段と、ノイズ除去手段と、逆高速フーリエ変換手段とを有し、上記高速フーリエ変換手段が、上記Ａ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換された各々のデジタル信号を周波数特性に変換するステップと、上記ノイズ算出手段が、上記各々の周波数特性の差分の絶対値を算出し、この絶対値を平均するステップと、上記ノイズ除去手段が、上記複数のマイクロホンのうち１つのマイクロホンからの入力信号の周波数特性から上記平均した周波数特性を減算するステップと、上記逆フーリエ変換手段が、上記減算された周波数特性をデジタル信号に変換して上記Ｄ／Ａ変換器に出力するステップと、を有することを最も主要な特徴とする。

また本発明は、複数のマイクロホンから入力された各々の信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、デジタル信号をアナログ信号に変換して出力するＤ／Ａ変換器と、上記デジタル信号に含まれる雑音成分を除去する演算を行なうＤＳＰと、を有する集音装置であって、上記ＤＳＰが、上記Ａ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換された各々のデジタル信号を周波数特性に変換する高速フーリエ変換手段と、上記各々の周波数特性の差分の絶対値を算出し、この絶対値を平均するノイズ算出手段と、上記複数のマイクロホンのうち１つのマイクロホンからの入力信号の周波数特性から上記平均した周波数特性を減算するノイズ除去手段と、上記減算された周波数特性をデジタル信号に変換し、上記Ｄ／Ａ変換器に出力する逆フーリエ変換手段と、を有し、上記複数のマイクロホンから入力された信号に含まれる方向性雑音を除去することを特徴とする。

本発明によれば、遅延時間を算出する必要がなく、マイクロホンの特性を合わせる調整などが不要であって、経年劣化による性能低下も生じないため、長期に効果的な方向性雑音除去を行なうことが出来るようになる。

以下、本発明にかかる集音装置における方向性雑音除去方法の実施形態について、図を用いて説明する。図１は本発明に係る方法を実施する集音装置１０にマクロホンとアンプ、スピーカを接続した構成例である。図１において、集音装置１０は、２つのマイクロホンＲとＬが接続されている。マイクロホンＲとＬは、所定の間隔をおいて配置されている。これらのマイクロホンＲとＬは所定の方向から到達する目的音Ｓと、目的音Ｓと異なる方向からマイクに到達する方向性雑音Ｎを電気音響変換して収音装置１０に入力するようになっている。収音装置１０には、マイクロホンＲとＬから入力される信号に所定の信号処理をおこなった後の信号を増幅してスピーカ３０に出力するアンプ２０が接続されている。このアンプ２０にはスピーカ３０が接続され、このスピーカ３０から目的音Ｓが出力される。

図２は、上記集音装置１０の機能ブロック図である。集音装置１０は、マイクＬとマイクＲのそれぞれに対応し、入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１_ＬとＡ／Ｄ変換器１_Ｒ、信号処理を行なうＤＳＰ１００、信号処理が行なわれた後のデジタル信号をアナログ信号に変換してアンプ３０に出力するＤ／Ａ変換器６を備えている。

ＤＳＰ１００は、図示しないメモリに蓄積されたソフトウェアにより以下の信号処理を行なう手段を実行することが出来るプロセッサである。ＤＳＰ１００はソフトウェアによって、高速フーリエ変換手段ＦＦＴ２，周波数特性の差分を演算して方向性雑音Ｎの周波数特性を算出するノイズ算出手段３、マイクＲの入力信号から方向性雑音Ｎの周波数特性を減算するノイズ除去手段４、方向性雑音Ｎの周波数特性が減算された周波数特性を逆フーリエ変換するＩＦＦＴ５を備えている。

ＦＦＴ２は、上記Ａ／Ｄ変換器１_ＬとＡ／Ｄ変換器１_Ｒに対応するＦＦＴ２_Ｌ及びＦＦＴ２_Ｒを有しており、マイクＬとマイクＲから入力されデジタル変換された信号を周波数特性に変換する高速フーリエ変換処理を行なう。ノイズ算出手段３は、ＦＦＴ２によって変換されたマイクＬ及びマイクＲのそれぞれから入力された信号の周波数特性の差分演算と、差分演算の結果の絶対値を算出する演算と、絶対値の平均を算出する手段である。

ノイズ除去手段４は、マイクＲの入力信号の周波数特性から上記において算出された平均を減算する処理を行なう。このようにして、入力信号に含まれる方向性雑音Ｎを除去した後の周波数特性に対してＩＦＦＴ５において逆フーリエ変換処理を行ない、周波数特性からデジタル信号に変換する。Ｄ／Ａ変換器６は、上記デジタル信号をアナログ信号に変換して、アンプ３０に出力する。

次に上記の構成を有する集音装置１０を用いた方向性雑音の除去方法について、図３のフローチャートを用いて説明する。以下の説明において、各処理ステップをＳ３０１、Ｓ３０２・・と表記する。先ず、マイクＬ及びマイクＲから入力された音（目的音Ｓ＋方向性雑音Ｎ）をＡ／Ｄ変換器１によって各々のデジタル信号に変換する（Ｓ３０１）。次に、上記デジタル信号をフーリエ変換手段ＦＦＴ２によって周波数特性に変換する（Ｓ３０２）。

次に、ノイズ算出手段３において、先ず、マイクＬとマイクＲから入力された信号の上記周波数特性の差分を算出する。マイクＬ及びマイクＲに入力される信号に対する周波数特性は目的音Ｓと方向性雑音Ｎが混在しているが、マイクＬ及びマイクＲから入力される目的音Ｓは、ほぼ同じ音圧（レベル）と同じ位相を有すると仮定出来るので、この差分演算によって上記周波数特性に含まれる目的音Ｓに相当するものは相殺される。従って、本発明に係る方法においては、方向性雑音Ｎの周波数特性のみを考慮すればよい。

マイクＲから入力された信号に対する周波数特性をＦＦＴ（Ｎ）、マイクＬから入力された信号に対する周波数特性をＦＦＴ（Ｎ‘）とした場合、ノイズ算出手段３は｜ＦＦＴ（Ｎ―Ｎ’）｜（ＮとＮ‘の周波数特性の差分の絶対値）を算出する。ここで、Ｎ＝Ｎ（ｔ）、Ｎ‘＝Ｎ（ｔ−ｔ０）であるので、｜ＦＦＴ（Ｎ―Ｎ’）｜＝｜ＦＦＴ（Ｎ（ｔ）−（Ｎ（ｔ−ｔ０））｜となる。この算出された絶対値は、周波数特性であるので、遅れ時間ｔ０による変化する位相は微差であるから、｜ＦＦＴ（Ｎ（ｔ））｜と、｜ＦＦＴ（Ｎ（ｔ０））｜は、ほぼ同値になる。従って、｜ＦＦＴ（Ｎ―Ｎ’）｜≒｜ＦＦＴ（Ｎ（ｔ））｜となる（Ｓ３０３）。

上記絶対値は、ノイズＮの周波数特性の絶対値と見なせるので、これをマイクから入力された信号の周波数特性から除去することで、方向性雑音Ｎを除去することが出来る。従って、ノイズ除去手段４によって、マイクＲの入力信号の周波数特性から上記の｜ＦＦＴ（Ｎ（ｔ））｜を減算し（Ｓ３０５）、減算した後の周波数特性をＩＦＦＴ５によって逆フーリエ変換処理を行なう（Ｓ３０６）。最後に、方向性雑音Ｎが除去されたデジタル信号をアナログ信号に変換してアンプに出力する（Ｓ３０７）。

以上のように、マイクＲ及びＬにおいて集音した音から方向性雑音Ｎを除去し、目的音Ｓのみを出力することが出来る。

本発明は、騒音下でマイクロホンを用いて拡声を行なう装置、システムなどに適用出来る。具体的には駅の券売機やドライブスルーのマイク、また自動車に搭載するカーナビゲーションシステムの音声認識機能を備えた装置などに適用することが出来る。

本発明に係る方法を実施する集音装置の実施例を概略的に示す模式図である。 上記実施例の機能ブロック図である。 上記実施例の動作を示すフローチャートである。 指向性マイクロホンを２つ備えた従来の集音装置を示す模式図である。

符号の説明

１０ 集音装置
２０ アンプ
３０ スピーカ
Ｌ マイクロホン
Ｒ マイクロホン

Claims (4)

1. 複数のマイクロホンから入力された各々の信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、デジタル信号をアナログ信号に変換して出力するＤ／Ａ変換器と、上記デジタル信号に含まれる雑音成分を除去する演算を行なうＤＳＰと、を備えた集音装置による方向性雑音の除去方法であって、
   上記ＤＳＰは、高速フーリエ変換手段と、ノイズ算出手段と、ノイズ除去手段と、逆高速フーリエ変換手段とを有し、
   上記高速フーリエ変換手段が、上記Ａ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換された各々のデジタル信号を周波数特性に変換するステップと、
   上記ノイズ算出手段が、上記各々の周波数特性の差分の絶対値を算出し、この絶対値を平均するステップと、
   上記ノイズ除去手段が、上記複数のマイクロホンのうち１つのマイクロホンからの入力信号の周波数特性から上記平均した周波数特性を減算するステップと、
   上記逆フーリエ変換手段が、上記減算された周波数特性をデジタル信号に変換して上記Ｄ／Ａ変換器に出力するステップと、を有する方向性雑音除去方法。
2. マイクロホンは、所定の間隔をおいて配置された２つのマイクロホンからなる請求項１記載の方向性雑音除去方法。
3. 複数のマイクロホンから入力された各々の信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、デジタル信号をアナログ信号に変換して出力するＤ／Ａ変換器と、上記デジタル信号に含まれる雑音成分を除去する演算を行なうＤＳＰと、を有する集音装置であって、
   上記ＤＳＰが、
   上記Ａ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換された各々のデジタル信号を周波数特性に変換する高速フーリエ変換手段と、
   上記各々の周波数特性の差分の絶対値を算出し、この絶対値を平均するノイズ算出手段と、
   上記複数のマイクロホンのうち１つのマイクロホンからの入力信号の周波数特性から上記平均した周波数特性を減算するノイズ除去手段と、
   上記減算された周波数特性をデジタル信号に変換し、上記Ｄ／Ａ変換器に出力する逆フーリエ変換手段と、を有し、
   上記複数のマイクロホンから入力された信号に含まれる方向性雑音を除去することが出来る集音装置。
4. マイクロホンは、所定の間隔をおいて配置された２つのマイクロホンからなる請求項３記載の集音装置。

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