JP2010010758A - 係数測定装置および収音装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のマイク間の音響特性の差を補償するフィルタの係数測定装置および当該フィルタを備えた収音装置を提供する
【解決手段】双指向性マイク１２Ａおよび双指向性マイク１２Ｂの出力信号をフィルタ処理する。ＦＩＲフィルタ３２ＡおよびＦＩＲフィルタ３２Ｂのフィルタ係数は、工場等において係数測定装置で測定しておく。例えば、双指向性マイク１２Ａの収音した音声信号をＦＩＲフィルタ３２Ａに入力し、ＦＩＲフィルタ３２Ａの出力信号を無指向性マイク１３の収音した信号から差し引く。
【選択図】図３

Description

この発明は、複数のマイク間の音響特性の差を補償するフィルタの係数測定装置および当該フィルタを備えた収音装置に関する。

従来、無指向性マイクと指向性マイクを組み合わせ、多方向の音声を収音することができる技術が提案されている（例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３を参照）。

図１および図２は、特許文献３の装置のように、無指向性マイクと２つの双指向性マイクを組み合わせ、多方向の音声を収音する概念を示す図である。この例では、Ｙ方向および−Ｙ方向の音声（方向１２１Ａおよび方向１２２Ａ）を収音する双指向性マイク１２Ａ、Ｘ方向および−Ｘ方向の音声（方向１２１Ｂおよび方向１２２Ｂ）を収音する双指向性マイク１２Ｂ、および全周方向の音声（領域１３１）を収音する無指向性マイク１３を設置する。

ここで、収音方向が直交する２つの双指向性マイク１２Ａおよび双指向性マイク１２Ｂで収音した音声と、無指向性マイク１３で収音した音声を合成すると、音声信号の位相が同一となる方向では収音レベルが最も高くなり、その方向に指向性を形成することができる。

例えば、図２（Ａ）に示すように、双指向性マイク１２Ａが収音した音声信号と無指向性マイク１３が収音した音声信号の増幅量を同一に設定し、双指向性マイク１２Ｂの増幅量をゼロとした場合において、方向１２１Ａと全周方向（領域１３１）で収音した音声の位相が「＋」であり、方向１２２Ａで収音した音声の位相が「−］（反転した位相）であるとすると、方向１２１Ａと領域１３１が重なるＹ方向において音声信号が強調される。そのため、Ｙ方向に指向性が設定される。

また、同図（Ｂ）に示すように、方向１２２Ａ、方向１２２Ｂ、および領域１３１で収音した音声が全て同じ位相「＋」である場合、方向１２２Ａと方向１２２Ｂの間（方向１５２：−Ｘ，−Ｙ方向）で収音された音声信号が強調される。

なお、各マイクで収音した音声信号の加算比率は、後段のアンプのゲインで任意に調整される。
特許第３５９９６５３号公報 特許第３２７９０４０号公報 特開２００８−６１１８６号公報

上記のような特許文献３に示す方式による指向性制御においては、各マイクの音響特性（振幅特性や位相特性）が異なると、位相が同一となるべき方向で収音した音声信号が強調されず、理想的な指向性を得ることができない。つまり、理想的には全マイクの音響特性（振幅特性および位相特性）が同一でなければならない。

しかし、小型安価なマイクでは双指向性マイクと無指向性マイクとの間で、特に周波数特性の差が大きいため、所望の指向性を得ることができなかった。

なお、各マイクの出力側にイコライザを設置すれば、振幅特性の差を補償することができるが、位相特性の差まで補償することは困難であった。

そこで、この発明は、複数のマイク間の音響特性の差を補償するフィルタの係数測定装置および当該フィルタを備えた収音装置を提供することを目的とする。

この発明の係数測定装置は、双指向性マイクと、無指向性マイクと、適応型フィルタと、を備えている。適応型フィルタは、双指向性マイクの出力信号をフィルタ処理するとともに、当該フィルタ処理した信号を無指向性マイクの出力信号から減算する。この減算した後の残さ信号に基づいて、フィルタ係数を更新する。適応アルゴリズムはどのようなものを用いてもよいが、例えばＬＭＳ（Ｌｅａｓｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）アルゴリズムを用いる。適応型フィルタの適応処理が進むにつれ、無指向性マイクの出力信号と双指向性マイクの出力信号が近似する。このように、無指向性マイクの出力信号と双指向性マイクの出力信号が近似するため、各マイクの音響特性を補償することができる。なお、双指向性マイクは１つであってもよいし、複数であってもよい。複数である場合においても、無指向性マイクの出力信号に近似するように各双指向性マイクの出力信号をフィルタ処理する。

また、この発明の収音装置は、双指向性マイクと、無指向性マイクと、上記フィルタ係数測定装置で測定されたフィルタ係数が設定されるフィルタ部と、収音指向性制御部と、を備えている。収音指向性制御部は、無指向性マイクの出力信号とフィルタ処理した後の出力信号を合成する。このとき、各信号のレベルと位相を制御することで指向性を制御する。この場合、搭載するフィルタ部には、予め工場等で測定したフィルタ係数が設定されているため、安定して各マイクの音響特性差を補償することができ、結果として安定した指向性制御を行うことができる。

また、この発明の収音装置は、双指向性マイクと、無指向性マイクと、適応型フィルタと、収音指向性制御部と、を備えている。適応型フィルタは、双指向性マイクの出力信号をフィルタ処理するとともに、当該フィルタ処理した信号を無指向性マイクの出力信号から減算する。この減算した後の残さ信号に基づいて、フィルタ係数を更新する。適応アルゴリズムはどのようなものを用いてもよい。また、収音指向性制御部は、無指向性マイクの出力信号とフィルタ処理した後の出力信号を合成し、各信号のレベルと位相を制御することで指向性を制御する。この場合、適応型フィルタでフィルタ係数を更新しながら各マイクの音響特性を補償するため、特殊な環境（例えば工場出荷時に数ｃｍ程度の収音距離となっていたものが数ｍ程度の収音距離で用いられる場合）において各マイクの音響特性差を補償することができる。

この発明によれば、適応型フィルタが複数のマイク（無指向性マイクの出力信号と双指向性マイク）の出力信号を近似させるようにフィルタ係数を更新するため、高精度に音響特性の差を補償することができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施形態である係数測定装置、および収音装置について説明する。図３は、収音装置の構成を示すブロック図であり、図４は、係数測定装置の構成を示すブロック図である。

図３に示すように、収音装置１は、収音処理部３、制御部５、出力Ｉ／Ｆ７、双指向性マイク１２Ａ、双指向性マイク１２Ｂ、および無指向性マイク１３を備えている。

双指向性マイク１２Ａ、双指向性マイク１２Ｂ、および無指向性マイク１３は、収音処理部３に接続されている。収音処理部３は、出力Ｉ／Ｆ７に接続されている。また、制御部５は、収音処理部３および出力Ｉ／Ｆ７に接続されている。なお、本実施形態においてはフロントエンドのアンプやＡ／ＤコンバータおよびＤ／Ａコンバータを省略し、特に記載無き場合、装置内を伝達する音声信号は全てデジタル音声信号とする。

出力Ｉ／Ｆ７は、音声出力端子やネットワーク端子を有し、音声信号を他の装置に出力する。なお、この収音装置１がＰＬＣ（Power Line Communications）によりネットワーク通信を行う端末である場合、家庭内のコンセントに接続される電源ケーブルも出力Ｉ／Ｆ７に含まれる。

双指向性マイク１２Ａ、双指向性マイク１２Ｂ、および無指向性マイク１３が収音した音声信号は、収音処理部３に入力される。収音処理部３は、無指向性マイク１３が収音した音声信号を遅延処理するディレイ３１、ディレイ３１の出力音声信号を増幅する増幅器３３、マイク１２Ａが収音した音声信号をフィルタ処理するＦＩＲフィルタ３２Ａ、ＦＩＲフィルタ３２Ａの出力音声信号を増幅する増幅器３４Ａ、マイク１２Ｂが収音した音声信号をフィルタ処理するＦＩＲフィルタ３２Ｂ、ＦＩＲフィルタ３２Ｂの出力音声信号を増幅する増幅器３４Ｂ、および各増幅器で増幅された音声信号を加算して後段の出力Ｉ／Ｆ７に出力する加算器３５を備えている。

ディレイ３１は、ＦＩＲフィルタ３２ＡまたはＦＩＲフィルタ３２Ｂにおけるフィルタ処理の遅延量に相当するディレイを付与する。

ＦＩＲフィルタ３２Ａは、無指向性マイク１３と双指向性マイク１２Ａの音響特性（振幅特性、位相特性等）の差を補償する有限長のフィルタである。同様に、ＦＩＲフィルタ３２Ｂは、無指向性マイク１３と双指向性マイク１２Ｂの音響特性の差を補償する有限長のフィルタである。ＦＩＲフィルタ３２ＡおよびＦＩＲフィルタ３２Ｂのフィルタ係数は、図４に示す係数測定装置によって測定される。

図４において、係数測定装置１１は、双指向性マイク１２Ａ、無指向性マイク１３、ディレイ３１、ＦＩＲフィルタ３２Ａ、および加算器５１を備えている。なお、加算器５１を除き、この係数測定装置１１に搭載されている各構成部は、そのまま収音装置１に搭載される。すなわち、工場等において係数測定装置１１で測定されたフィルタ係数がＦＩＲフィルタ３２Ａに設定され、収音装置１に組み込まれる。

同図に示すように、無指向性マイク１３が収音した音声信号はディレイ３１で遅延付与された後、加算器５１に出力される。また、双指向性マイク１２Ａが収音した音声信号はＦＩＲフィルタ３２Ａでフィルタ処理された後、加算器５１に出力される。なお、図１に示したように、無指向性マイク１３が収音する領域１３１は、双指向性マイク１２Ａが収音する領域（方向１２１Ａ、方向１２２Ａ）を全てカバーしている。

なお、工場等において測定を行う場合、無指向性マイク１３の収音領域と双指向性マイク１２Ａの収音方向が重なる部分（例えば方向１２１Ａ）にスピーカを設置し、このスピーカから測定用のホワイトノイズを出力するようにすればよい。

加算器５１は、ディレイ３１の出力音声信号からＦＩＲフィルタ３２Ａの出力音声信号を差し引く。この差し引いた後の信号（残さ信号）がＦＩＲフィルタ３２Ａに入力される。ＦＩＲフィルタ３２Ａは、残さ信号と双指向性マイク１２Ａから出力された音声信号に基づき、フィルタ係数を更新する。フィルタ係数の更新には所定の適応アルゴリズム（例えばＬＭＳアルゴリズム）を用いる。これにより、ＦＩＲフィルタ３２Ａの出力信号は、ディレイ３１の出力信号に近づけられる。その結果、ＦＩＲフィルタ３２Ａは、無指向性マイク１３と双指向性マイク１２Ａの音響特性差を補償するフィルタとなる。

同様に、ＦＩＲフィルタ３２Ｂについても係数測定装置１１にてフィルタ係数が測定される。すなわち、図４において双指向性マイク１２Ａを双指向性マイク１２Ｂに置き換え、ＦＩＲフィルタ３２ＡをＦＩＲフィルタ３２Ｂに置き換えることで、ＦＩＲフィルタ３２Ｂのフィルタ係数が測定され、無指向性マイク１３と双指向性マイク１２Ｂの音響特性差を補償するフィルタとなる。

このようにして測定されたフィルタ係数を備えたＦＩＲフィルタ３２ＡおよびＦＩＲフィルタ３２Ｂが収音装置１に搭載される。これにより、マイク間の音響特性差が抑えられ、理想的な指向性制御を行うことができる。

次に、収音装置１において収音指向性を制御する例について説明する。
収音装置１は、制御部５において各増幅器の増幅量、および加算器３５の加算態様を制御することで、収音装置１の指向性を複数方向に変更することができる。この指向性の態様を図５および図６を用いて説明する。図５および図６は、各マイクの収音指向性を示した図である。

双指向性マイク１２Ａは、Ｙ方向（方向１２１Ａ）、および−Ｙ方向（方向１２２Ａ）に指向性を有する（図１を参照）。方向１２１Ａで収音した音声信号と方向１２２Ａで収音した音声信号とは位相が反転している。双指向性マイク１２Ｂは、Ｘ方向（方向１２１Ｂ）、および−Ｘ方向（方向１２２Ｂ）に指向性を有する。方向１２１Ｂで収音した音声信号と方向１２２Ｂで収音した音声信号とは位相が反転している。無指向性マイク１３は、全周方向から均等に音声を収音する（領域１３１）。領域１３１は、各双指向性マイクが収音する領域（方向１２１Ａ、方向１２２Ａ、方向１２１Ｂ、および方向１２２Ｂ）を全てカバーしている。

制御部５は、これらの双指向性マイクおよび無指向性マイクが収音した音声信号の増幅量および位相を制御することで指向性を制御することができる。図５および図６は、増幅量および位相と、指向性との関係例を示した図である。同図において、所定の位相を「＋」と示し、所定の位相から反転した位相を「−」と示す。

まず、図５（Ａ）は、方向１２１Ａ、方向１２１Ｂ、および領域１３１で収音した音声信号が全て同じ位相「＋」である場合の例を示すものである。方向１２１Ａと領域１３１が重なる部分で収音された音声信号は、同じ位相であるため加算すると強調される。同様に、方向１２１Ｂと領域１３１が重なる部分で収音された音声信号も同じ位相であるため加算すると強調される。また、方向１２１Ａと方向１２１Ｂの間（ｘ，ｙ方向）で収音された音声信号も加算すると強調される。したがって、これら全てが重なる方向１５１で収音される音声信号が最も強調される。そのため、増幅器３３、増幅器３４Ａ、増幅器３４Ｂの増幅量を同一に設定し、加算器３５で全音声信号を同位相で加算するように設定すると、方向１５１に指向性が設定されることとなる。

ここで、加算器３５で、双指向性マイク１２Ａと双指向性マイク１２Ｂの収音した音声信号を反転させてから加算するように設定すると、同図（Ｂ）に示すように、方向１２１Ａ、方向１２２Ａ、方向１２１Ｂ、および方向１２２Ｂにおける位相が同図（Ａ）に対して反転する。そのため、方向１２２Ａ、方向１２２Ｂ、および領域１３１が全て重なる方向１５２で収音される音声信号が最も強調され、方向１５２に指向性が設定されることとなる。

同様に、図示はしていないが、双指向性マイク１２Ａの収音した音声信号のみ同図（Ａ）に対して位相を反転すると、方向１２２Ａ、方向１２１Ｂ、および領域１３１が全て重なる方向に指向性が設定される。また、双指向性マイク１２Ｂの収音した音声信号のみ位相を同図（Ａ）に対して反転すると、方向１２１Ａ、方向１２２Ｂ、および領域１３１が全て重なる方向に指向性が設定される。

次に、図６は、図５（Ａ）において双指向性マイク１２Ａが収音した音声信号と無指向性マイク１３が収音した音声信号の増幅量を同一に設定し、双指向性マイク１２Ｂの増幅量をゼロとした場合の例を示すものである。図６の例では、方向１２１Ａと領域１３１が重なる方向（方向１５３）で収音された音声信号が同位相であるため、加算すると強調される。したがって、増幅器３３と増幅器３４Ａの増幅量を同一に設定し、増幅器３４Ｂの増幅量をゼロとし、加算器３５で全音声信号を同位相で加算するように設定すると、方向１５３に指向性が設定されることとなる。

以上のように、本実施形態の収音装置１および係数測定装置１１を用いることで、マイク間の音響特性差を高精度に補償することができ、理想的な指向性制御を行うことができる。

なお、上記例では、工場等で係数測定装置１１を用いてフィルタ係数を設定し、フィルタ係数が設定済のＦＩＲフィルタを収音装置１に搭載する例を示したが、実際の使用時にフィルタ係数を更新することもできる。図７はフィルタ係数を更新する場合の収音装置の構成を示すブロック図である。なお、図７において、図３に示した収音装置１と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

図７に示す収音装置２は、収音処理部４、制御部５、出力Ｉ／Ｆ７、双指向性マイク１２Ａ、双指向性マイク１２Ｂ、および無指向性マイク１３を備えている。収音処理部４は、ディレイ３１、増幅器３３、ＦＩＲフィルタ３２Ａ、増幅器３４Ａ、ＦＩＲフィルタ３２Ｂ、増幅器３４Ｂ、加算器３５に加え、加算器５３および加算器５４を備えている。

加算器５３は、ディレイ３１の出力信号からＦＩＲフィルタ３２Ａの出力信号を差し引く。この差し引いた後の信号（残さ信号）がＦＩＲフィルタ３２Ａに入力される。ＦＩＲフィルタ３２Ａは、残さ信号と双指向性マイク１２Ａから出力された音声信号に基づき、フィルタ係数を更新する。

同様に、加算器５４は、ディレイ３１の出力信号からＦＩＲフィルタ３２Ｂの出力信号を差し引く。この差し引いた後の信号（残さ信号）がＦＩＲフィルタ３２Ｂに入力される。ＦＩＲフィルタ３２Ｂは、残さ信号と双指向性マイク１２Ｂから出力された音声信号に基づき、フィルタ係数を更新する。

このように、収音装置２は、収音装置１に係数測定装置１１を組み込んだ構成となり、実際の使用時にＦＩＲフィルタ３２ＡおよびＦＩＲフィルタ３２Ｂのフィルタ係数を更新する。この場合、各ＦＩＲフィルタの適応が進むまではマイクの音響特性差を補償することができないが、工場での測定環境と実際の使用環境が大きく異なる場合（例えば工場出荷時に数ｃｍ程度の収音距離となっていたものが数ｍ程度の収音距離で用いられる場合）において各マイクの音響特性差を補償する場合に好適である。

なお、図７に示した収音装置２において、フィルタ係数の更新度合いを制限するようにしてもよい。すなわち、工場等において係数測定装置１１で予め設定したフィルタ係数を各ＦＩＲフィルタに設定しておき、実際の使用時に更新度合いを制限する。更新度合いを制限するためには、適応フィルタの更新パラメータ（ステップサイズ等）を抑えたり、フィルタ係数の数値に上限を設けるようにすればよい。

これにより、工場等で測定した精度の良いフィルタ係数を用いながら実際の使用環境で更新することができ、かつ突発的に発生した音声等によりフィルタ係数が大きく変更されることもなくなる。

なお、本実施形態では、無指向性マイクと２つの双指向性マイクにより収音指向性を制御する例を示したが、指向性を制御する方向が少なくてよい場合は、単一指向性マイクと双指向性マイクにより収音指向性を制御するようにしてもよい。

無指向性マイクと２つの双指向性マイクを組み合わせ、多方向の音声を収音する概念を示す図である。 無指向性マイクと２つの双指向性マイクを組み合わせ、多方向の音声を収音する概念を示す図である。 収音装置の構成を示すブロック図である。 係数測定装置の構成を示すブロック図である。 各マイクの収音指向性を示した図である。 各マイクの収音指向性を示した図である。 フィルタ係数を更新する場合の収音装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１−収音装置
３−収音信号処理部
５−制御部
７−出力Ｉ／Ｆ
３１−ディレイ
３２Ａ，３２Ｂ−ＦＩＲフィルタ
３３，３４Ａ，３４Ｂ−増幅器
３５−加算器

Claims (3)

1. 双指向性マイクと、
   無指向性マイクと、
   前記双指向性マイクの出力信号をフィルタ処理するとともに、当該フィルタ処理した信号を無指向性マイクの出力信号から減算し、減算した後の残さ信号に基づいて、フィルタ係数を更新する適応型フィルタと、
   を備えた係数測定装置。
2. 双指向性マイクと、
   無指向性マイクと、
   請求項１に記載のフィルタ係数測定装置で測定されたフィルタ係数が設定され、この設定されたフィルタ係数で前記双指向性マイクの出力信号をフィルタ処理するフィルタ部と、
   無指向性マイクの出力信号、および前記フィルタ処理した後の出力信号のレベルおよび位相を制御してから合成することで装置本体周囲に収音指向性を設定する収音指向性制御部と、
   を備えた収音装置。
3. 双指向性マイクと、
   無指向性マイクと、
   前記双指向性マイクの出力信号をフィルタ処理するとともに、当該フィルタ処理した信号を無指向性マイクの出力信号から減算し、減算した後の残さ信号に基づいて、フィルタ係数を更新する適応型フィルタと、
   無指向性マイクの出力信号、および前記フィルタ処理した後の出力信号のレベルおよび位相を制御してから合成することで装置本体周囲に収音指向性を設定する収音指向性制御部と、
   を備えた収音装置。

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