JP2010161735A - 音再生装置および音再生方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明による音再生装置1は、複数のスピーカ112を備えている。音再生装置1は、さらに、再生音源以外の音源のユーザ聴取位置での音源方向を推定する音源位置推定部303と、推定した音源方向との方向の異なりが最大となる方向に位置するスピーカ112を再生用スピーカとして選択する出力係数決定部306と、を有している。
【選択図】図3
Description
図1を参照し、音再生装置1の概要を説明する。自動車10などの車室11内に複数のマイクロホン102を有するマイクロホンアレイ101を設置する。マイクロホンアレイ101で収録した音から雑音の到来方向を推定する。そして、スピーカ112によって再生される音が、ユーザ聴取位置で、雑音の到来方向と異なる方向に定位されるように、スピーカ112ごとにスピーカ出力係数を設定する。このような構成により、ユーザは、聞きやすい音でスピーカ再生音を聞くことが可能となる。
マイクロホンアレイ101は、車室11内で音を収録し、収録した音を示すアナログ信号を出力する。
多チャンネルA/D変換機202は、このアナログ信号をマイクロホン102ごとにデジタル信号に変換する。
スピーカアレイ111は、所望の再生音を車室11内に放射する。
中央演算装置203は、スピーカ出力係数を制御し、生成したデジタル信号(スピーカ出力信号)を出力する。
スピーカ112は、このアナログ信号によって鳴動し、音を空中に放射する。
波形取り込み部301は、多チャンネルA/D変換機202(図2参照)を制御し、デジタル信号を取得する。
音響エコーキャンセラ307は、取得したデジタル信号に含まれるスピーカ出力に起因する成分(音響エコー成分)を除去する。音響エコーキャンセラ307の具体的な構成については後記する。音響エコーキャンセラ307は、マイクロホン素子ごとに動作する。音響エコー消去後の複数チャンネル信号は、音源分離部302に送られる。
具体的には、図4に示すように、ユーザ位置とマイクロホンアレイ101(図1参照)の位置から求めることができるユーザ位置ベクトルV1をマイクロホンアレイ101から見た音源の推定音源位置ベクトルV2に足し合わせることで、ユーザ位置から見た変換後音源位置ベクトルV3を取得することが可能となる。なお、マイクロホンアレイ101の設置位置は固定位置とする。この場合、ユーザ位置ベクトルV1は、ユーザ位置が分かれば決まる。ユーザ位置は、「運転席12」にプリセットしてもよいし、座席センサ208(図2参照)が検知した乗員位置/同乗者位置の情報から決めてもよい。
本実施形態で設定された出力係数記憶部401は、不揮発性メモリ205または揮発性メモリ204上に確保される。出力ソース取得部403は、オーディオやハンズフリー通話の出力音などの原信号を取得する。そして、スピーカ出力部402は、出力するスピーカ112ごとに、出力係数記憶部401に蓄えられている出力係数を重畳して、出力を行う。出力係数は、単なる音量値でもよいし、FIR(Finite Impulse Response)フィルタまたは、短時間フーリエ変換により時間周波数領域に変換した後、周波数ごとに出力係数を設定し、時間周波数領域に戻して出力するような構成を採ってもよい。
音源位置推定部303が推定した各音源のマイクロホンアレイ101の位置からみた相対的な音源位置P=(x,y,z)T(肩字のTは、ベクトル・行列の転置であることを示す。)が、音源位置変換部304へ入力となる。
マイク位置データベース504には、マイクロホンアレイ101の車室11内における空間的位置p2(x2,y2,z2)Tが記載されているものとする。ユーザ位置抽出部502は、車室11内におけるユーザ聴取位置の空間的位置pu=(xu,yu,zu)Tを取得する。座席センサ208などにより検出した乗員/同乗者の位置からユーザ聴取位置を決めてもよいし、予めユーザ聴取位置を運転席12(図1参照)に固定するなどしてプリセットしておいてもよい。変換ベクトル生成部503では、ユーザ聴取位置puとマイクロホンアレイ101の空間的位置p2の差b=p2−puを計算する。変換ベクトル加算部505では推定したマイクロホンアレイ位置での音源位置Pにbを加算したP´=P+bを得る。P´は、ユーザ聴取位置から見た音源の相対的な位置となる。
出力係数決定部306は、音源位置変換部304(図3参照)により変換した音源ごとかつ周波数ごとの音源位置から、音源の相対的な方位角θまたは仰角値φを取り出す。これは音源位置(x,y,z)を極座標(rcosθcosφ,rsinθcosφ,sinφ)と見立てて、推定することができる。通常、車室11内では音源はすべて同一水平面上に存在すると仮定しても実用上問題がないと考えられるため、φ=0としてもよい。
音源方向θごとに、音源の頻度PがヒストグラムP(θ)上に得られる。
本発明では、このように合成波面の方向を雑音の音源位置との異なりが大きい方向に設定することが可能となる。
この出力係数決定部306は、複数のスピーカ112の中から雑音とのステアリングベクトルの違いが最も大きいスピーカ(素子)112を選択する構成を有している。
スピーカ内積計算部703は、次の式(10)で定義される各スピーカ(素子)112のステアリングベクトルとRn(f)との内積計算を行う。
この方向行列計算部801は、図10に示す方向行列計算部702に、同乗者位置推定部802および既知雑音位置803が付加された構成である。したがって、この方向行列計算部801は、音源分離により検出した音源の情報のみから雑音共分散行列Rn(f)を生成するのではなく、同乗者位置推定部802からの乗員/同乗者の情報やワイパー音、エンジン音など予め既知の音源の情報を表す既知雑音位置803も用いてRn(f)を生成する構成を有している。
各マイクロホン(素子)102で受音したデジタル音圧波形は、バッファリング部901に送られる。
バッファリング部901は、マイクロホン(素子)102ごとに例えば数秒間データが溜められ、データが溜まる度に後段処理にデータを出力する。
短時間周波数変換部902は、バッファリング部901の出力信号を例えば数十[ms]ごとに処理する。処理の単位をフレームと呼び、1フレームで処理するマイクロホン(素子)102ごとのポイント数をフレームサイズLframeと呼ぶ。1フレームごとに処理を開始する位置をフレームシフトLshift分ずつずらす。つまりτ番目のフレームで処理するデータはτ*Lshiftポイントからτ*Lshift+Lframeである。フレームごとにデータを短時間フーリエ変換により周波数領域に変換する。m番目のマイクロホン素子について、フレームτでの周波数f成分をxm(f,τ)と表記する。短時間フーリエ変換に先立って、直流成分カット、窓関数重畳などの処理を波形(信号)に施してもよい。窓関数としてはハミング窓やハニング窓、ブラックマン窓などが適用可能である。
フィルタリング部904では、フィルタ適応部903で適応した音源分離フィルタを使って、フレームごと、周波数ごとに音を音源ごとに分離する。ここで、ベクトルX(f,τ)を[x1(f,τ),x2(f,τ),…,xM(f,τ)]Tで定義する。つまり、X(f,τ)は、フレームτ、周波数fのすべてのマイクロホン(素子)102の信号を要素に持つベクトルとなる。X(f,τ)から音源分離フィルタWを使って、次の式(12)で分離信号を得る。
ynorm(f,τ)←y(f,τ)/|y(f,τ)|
で正規化される。つまりynorm(f,τ)のパワーは0から1までの値をとる。棄却判定部906では、正規化したパワーのフレーム平均値が閾値より小さい音源・周波数成分については、背景雑音成分と見直して音源分離結果から外し、閾値以上の成分についてのみ音源・周波数成分を出力する。出力の際、音源ごとに短時間フーリエ逆変換をかけて、時間領域の波形に戻した後、出力してもよい。
音源分離フィルタWの値が十分収束したかどうかを判定する(収束判定;ステップS1001)。フィルタ更新回数が所定回数に達した場合収束したと判定してもよいし、後述する非線形共分散行列の非対角項のパワーが対角項のパワーに対してあらかじめ定める値以下になった場合に収束したと判定してもよい。
収束したと判定されなければ(ステップS1001のNo)、次のステップへ進む。
そして、ステップS1003以降の処理を繰り返す。
そして、ステップS1001以降の処理を繰り返す。
音源分離部302(図3参照)が分離した分離フィルタの逆行列は音源ごとのステアリングベクトルから構成される行列であることが知られている。
逆行列計算部1102は、分離フィルタの逆行列の第i列w(f,τ)−1 iを抽出する。以降のブロックはフレームごと、周波数ごとに実行される。マイクロホンアレイ101は直線配置とする。本実施形態における音源位置推定部303は、マイクロホンアレイ101を構成するマイクロホン(素子)102を2分割する。分割後のマイクロホンアレイ101をサブアレイと呼ぶ。それぞれのサブアレイで音源方向を推定した後、三角測量法により、その音源方向の交点をとることで、方向と距離を知ることができる。
スピーカ出力音は空間を伝播し、マイクロホンアレイ101で受音される。本実施形態では、入力音は一義的に雑音であると判定するため、音響エコーキャンセラ307が存在しない場合、マイクロホンアレイ101で受音されたスピーカ出力音は雑音と判断される。したがって、音響エコーキャンセラ307が存在しない場合、スピーカ出力係数を設定する際に、以前のスピーカ出力係数との異なりが大きくなるようにスピーカ出力係数を設定することになり、スピーカ出力係数が安定せず音響出力の定位方向が時々刻々不安定に変化してしまうという問題が起こる。この問題を避けるために、マイクロホンアレイ101で受音されたスピーカ出力音中に含まれるスピーカ出力成分をあらかじめ除去する必要がある。
エコー消去部1506は、推定したエコー量をマイクロホン入力信号xm(t)から引くことで、エコー消去後の信号em(t)を次の式(21)のように得る。
複数のマイクロホン102から構成されるマイクロホンアレイ101で取り込んだアナログ音圧値は、A/D変換装置1602内に配置されるA/D変換処理部1602aによりデジタル音圧値に変換される。
変換されたデジタル音圧値は、中央演算装置203に送られて各種デジタル信号処理を施される。波形取り込み部1603a(図3の波形取り込み部301に対応)はデジタル音圧波形を取り込んでバッファリングする。
音響エコーキャンセラ1603b(図3の音響エコーキャンセラ307に対応)は取り込んだデジタル音圧波形中のスピーカ出力信号成分を消去する。
エコー消去後の信号は、音源分離部1603d(図3の音源分離部302に対応)に送られ、音源ごとに分離される。
音源位置推定部1603e(図3の音源位置推定部303に対応)は、音源ごとの音源位置を推定する。推定した音源位置はマイクロホンアレイ位置から見た音源位置となる。
音源位置変換部1603f(図3の音源位置変換部304に対応)は、マイクロホンアレイ位置から見た音源位置をユーザ聴取位置から見た音源方向に変換する。
出力係数決定部1603gは、ユーザ聴取位置から見た音源方向とスピーカ出力音の合成波面のユーザ聴取位置での音源方向の異なりが最大となるようにスピーカ出力係数を決定する。
音声再生部1603cは、決定したスピーカ112ごとの出力係数を出力音に畳み込む。ここまでのデジタル信号処理で必要なワークメモリ及びマイク配置等の事前情報は不揮発性メモリ205、揮発性メモリ204(図2参照)に記憶される。
D/A変換装置1604内に配置されるD/A変換処理部1604aは、音声再生部1603cが出力するデジタル信号をアナログ信号に変換する。
このアナログ信号は複数のスピーカ112からなるスピーカアレイ111に送られ、各スピーカ112から音響信号として出力され空中に放射される。
スピーカ出力係数決定部1701は、前記したように、スピーカ合成波面のユーザ聴取位置での音源方向と雑音方向との異なりが最大となるようにスピーカ出力係数を決定する。
まず、出力音のソースが変更されたかどうかを判定する(ソース変更判定;ステップS2001)。これは、音楽の場合は再生曲が終了したかどうかをオーディオ機器に問い合わせることで実現可能である。
なお、出力係数変更(ステップS2002)では、更新したヒストグラムからスピーカ出力係数を決定する。
次に、音源ごとに分離される(音源分離;ステップS2005)。
そして、音源ごとのマイクロホン位置での音源位置が推定される(音源位置変換推定;ステップS2006)。
そして、ユーザ聴取位置での音源方向が算出される(音源位置変換;ステップS2007)。
そして、ユーザ聴取位置での音源方向のヒストグラムを更新する(ヒストグラム更新;ステップS2008)。
そして、再生終了か否かを判断する(ステップS2009)。再生終了の場合(ステップS2009のYes)、処理を終了する。
再生終了でない場合(ステップS2009のNo)、ステップS2001以降の処理を繰り返す。
雑音方向はθ1からθ2に変化するものとする。スピーカ出力係数を常時更新する場合、雑音の方向が変化したタイミングでスピーカ出力係数が変化することになるが、この例の場合、ソース(2)再生中に出力係数が変化することになり、ユーザにとって聞き取りにくい音となる。本例に示すように、ソース(2)とソース(3)のソースが変わるタイミングで出力係数を変化させる構成を取ることで、ユーザに与える不快感を軽減することが可能となる。5.1chサラウンド音楽など一つのソースに複数の音源が含まれている場合は、スピーカ出力音の合成波面の音源方向が雑音の音源方向との異なりが大きくなるものから順番に音源数分だけスピーカ出力係数を選択し、それぞれの音源に重畳するような構成を取ってもよい。
図20に示す音再生装置1bは、車室11内でのハンズフリー通話に応用する際のハードウェア構成を示すものであって、図2で示した構成に加えて、携帯電話1801をハードウェアとして加えたものである。
携帯電話1801は電話網を通してデジタル音圧データを通話相手に送信する。また電話網を通して通話相手の音声が送られてきた音を、中央演算装置203内で計算したスピーカごとの出力係数を重畳した後、多チャンネルD/A変換機206に送りアナログ信号に変換する。
アナログ信号はスピーカアレイ111に送られ各スピーカ112から出力されて、空中に放射される。
ハンズフリー通話の構成においては、ユーザ聴取位置から音が放射される可能性がある。そこで、本実施形態のスピーカ出力係数決定部1701においては、音源分離後の各音源の信号のうち音源位置がユーザ聴取位置近傍となる音源については棄却し雑音とみなさないという構成を取ってもよい。また、音源分離後のユーザ聴取位置近傍の音源を携帯電話1801に送信するような構成を取ってもよい。このような構成を取ることで、雑音が存在する車室11内でも雑音の少ないクリアな音を通話相手に送ることが可能となる。
波形取り込み部301で取り込んだ複数チャンネルのデジタル波形は、音響エコーキャンセラ307に送られ、スピーカ出力音の成分が除去される。
音源分離部302は、除去後の波形(信号)を音源ごとに分離する。
音源位置推定部303は、分離した音源ごとにマイクロホンアレイ101の位置での音源位置を推定する。
音源位置変換部304は、仮想的なユーザ聴取位置での音源位置に変換する。
話者ボリューム決定部1906は、音源分離部302で分離した出力信号に仮想的なユーザ聴取位置から見た音源のステアリングベクトルを重畳する。
すべての音源に対して同様な処理を繰り返した後、波形再結合部1907は、マイクロホン(素子)102ごとに音源ごとの波形を統合して出力する。
1b 音再生装置(第2実施形態)
10 自動車
11 車室
12 運転席
101 マイクロホンアレイ
102 マイクロホン
111 スピーカアレイ
112 スピーカ
202 多チャンネルA/D変換機
203 中央演算装置
204 揮発性メモリ
205 不揮発性メモリ
206 多チャンネルD/A変換機
208 座席センサ
301 波形取り込み部
302 音源分離部
303 音源位置推定部
304 音源位置変換部
305 ヒストグラム更新部
306 出力係数決定部
307 音響エコーキャンセラ
401 出力係数記憶部
402 スピーカ出力部
403 出力ソース取得部
502 ユーザ位置抽出部
503 変換ベクトル生成部
504 マイク位置データベース
505 変換ベクトル加算部
602 方向行列計算部
603 固有値・ベクトル計算部
604 最小コスト係数算出部
702 方向行列計算部
703 スピーカ内積計算部
704 最小コスト係数算出部
801 方向行列計算部
802 同乗者位置推定部
803 既知雑音位置
901 バッファリング部
902 短時間周波数変換部
903 フィルタ適応部
904 フィルタリング部
905 パワー正規化部
906 棄却判定部
1102 逆行列計算部
1103 サブアレイ分割部
1104 方向推定部
1105 交点推定部
1106 ヒストグラム推定部
1501 参照信号取り込み部
1503 出力係数重畳部
1504 フィルタリング部
1505 フィルタ更新部
1506 エコー消去部
1602 A/D変換装置
1604 D/A変換装置
1701 スピーカ出力係数決定部
1702 オーディオソース取得部
1703 オーディオ再生
1801 携帯電話
1906 話者ボリューム決定部
1907 波形再結合部
Claims (6)
- 複数のスピーカを備えた音再生装置であって、
再生音源以外の音源のユーザ聴取位置での音源方向を推定する音源方向推定部と、
推定した音源方向と前記複数のスピーカから音を放射した際の音像定位方向が異なるように前記複数のスピーカそれぞれの出力係数を決定する出力係数決定部と、
を有することを特徴とする音再生装置。 - 複数のマイクロホンからなるマイクロホンアレイを有し、
前記マイクロホンアレイの位置での音源方向を推定する音源方向推定処理部と、
推定した前記マイクロホンアレイの位置での音源方向をユーザ聴取位置での音源方向に変換する音源方向変換処理部と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の音再生装置。 - 乗員を検出する座席センサを備え、
前記出力係数決定部は、前記座席センサによって検出した乗員位置に雑音源が存在すると見なして演算を行うことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の音再生装置。 - 乗員を検出する座席センサを備え、
前記出力係数決定部は、前記座席センサによって検出した乗員位置がユーザ聴取位置であると見なして演算を行うことを特徴とする請求項1に記載の音再生装置。 - 所定の位置に複数のマイクロホンと複数のスピーカとが配置された環境において、前記複数のスピーカを用いて音再生装置からの音を再生する音再生方法であって、
複数のマイクロホンからなるマイクロホンアレイからの音の情報と、前記マイクロホンアレイと各前記スピーカとの位置関係の情報とを用いて、前記複数のスピーカからの再生音源以外の音源の、前記マイクロホンアレイでの音源方向を推定する音源方向推定工程と、
前記マイクロホンアレイでの音源方向をユーザ聴取位置での音源方向に変換する音源方向変換工程と、
前記ユーザ聴取位置での音源方向と、前記複数のスピーカから音を放射した際の音像定位方向が異なるようにそれぞれの前記スピーカの出力係数を決定する出力係数決定工程と、
決定した前記出力係数によって前記スピーカから音を放射する音放射工程と、
を含むことを特徴とする音再生方法。 - 前記出力係数決定工程では、前記複数のスピーカのうち、前記ユーザ聴取位置での音源方向が異なる方向に位置するものを選択する、
ことを特徴とする請求項5に記載の音再生方法。
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