JP2011170190A - Device, method and program for signal separation - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a signal separation device that separates a signal with high accuracy, from composite signals containing a target signal and an interference signal. <P>SOLUTION: The signal separation device calculates an output signal parameter of a conventional Wiener filter of a time frequency domain in each short time frame, based on a time frequency component sequence calculated from the composite signals containing the target and interference signals, and on a time frequency amplitude component sequence for every source signal estimated. A weighted distance between the time frequency component sequence of a time series signal and the output signal parameter, which are obtained when restoring a separation signal parameter of time frequency domain for estimating the signals of interest by an inverse short-time Fourier transform, is used as a modified Wiener criterion. The signal separation device estimates the separation signal parameter value so that the modified Wiener criterion becomes smaller than a value when the separation signal parameter in the modified Wiener criterion is replaced with the output signal parameter from the input signal. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、各信号の時間周波数振幅成分配列の推定値及びそれらの混合信号が与えられた状況において、個々の信号を分離・抽出する方法に関し、例えば音声強調、雑音抑圧等に関する。   The present invention relates to a method for separating and extracting individual signals in a situation where an estimated value of a time-frequency amplitude component array of each signal and a mixed signal thereof are given, and relates to, for example, speech enhancement and noise suppression.

従来、信号の分離に関しては、信号の時間周波数表現又は信号をオーバーラップしている短時間フレームに分割した表現に基づく各種の分離方法が広く知られている。
前記分離の結果得られる分離信号パラメータは、時間周波数領域におけるものであるが、時間周波数領域での計算の結果、前記分離信号パラメータの組合せが、時間領域では信号として現実に存在しえない組合せになる可能性があり、何らかの後処理により時間領域の信号に対応させた解が必ずしも最尤な分離結果にならないという問題があった。
例えば、各信号の時間周波数振幅成分配列の推定値及びそれらの混合信号が与えられたとき個々の信号の分離を目的とした分離方法としてWienerフィルタリング(たとえば、非特許文献1)が知られている。
Conventionally, regarding signal separation, various separation methods based on a time-frequency representation of a signal or a representation obtained by dividing a signal into short-time frames are widely known.
The separated signal parameters obtained as a result of the separation are in the time-frequency domain. However, as a result of calculation in the time-frequency domain, the combination of the separated signal parameters is a combination that cannot actually exist as a signal in the time domain. There is a problem that a solution corresponding to a signal in the time domain by some kind of post-processing does not necessarily give the most likely separation result.
For example, Wiener filtering (for example, Non-Patent Document 1) is known as a separation method for the purpose of separating individual signals when an estimated value of a time-frequency amplitude component array of each signal and a mixed signal thereof are given. .

E. J. Diethorn, "Subband noise reduction methods for speech enhancement," in Audio Signal Processing for Next-Generation Multimedia Communication Systems, Y. Huang and J. Benesty, Eds., pp. 91--115, Boston, MA: Kluwer,2004.EJ Diethorn, "Subband noise reduction methods for speech enhancement," in Audio Signal Processing for Next-Generation Multimedia Communication Systems, Y. Huang and J. Benesty, Eds., Pp. 91--115, Boston, MA: Kluwer, 2004 .

しかしながら、非特許文献1の技術において、時間周波数領域で推定した時間周波数成分配列は時間領域では信号として現実に存在しえない組合せになる可能性があり、精度の良い信号分離結果が得られないことがある、という問題があった。   However, in the technique of Non-Patent Document 1, there is a possibility that the time-frequency component array estimated in the time-frequency domain may be a combination that cannot actually exist as a signal in the time domain, and an accurate signal separation result cannot be obtained. There was a problem that there was.

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、対象信号と干渉信号との混合信号から、高精度に信号分離処理を行うことができる信号分離装置、信号分離方法、および、信号分離プログラムを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and a signal separation device, a signal separation method, and a signal separation method capable of performing signal separation processing with high accuracy from a mixed signal of a target signal and an interference signal, and It is to provide a signal separation program.

この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、対象信号と干渉信号の混合信号である入力信号から時間周波数成分を計算する時間周波数解析部と、前記入力信号から、当該入力信号に含まれている前記対象信号と干渉信号との各ソース信号毎の時間周波数振幅成分配列を推定する時間周波数振幅成分配列推定部と、前記入力信号から計算された時間周波数成分と前記各ソース信号毎の時間周波数振幅成分配列の推定値とに基づいて、各短時間フレームにおける、時間周波数領域でのWienerフィルタである従来Wienerフィルタの出力信号パラメータを計算するWienerフィルタ出力信号パラメータ計算部と、前記対象信号を推定するための時間周波数領域の信号パラメータを分離信号パラメータとし、前記分離信号パラメータを逆短時間フーリエ変換により復元したときの時系列信号の時間周波数成分配列と前記従来Wienerフィルタの出力信号パラメータとの重みつき距離を修正Wiener 規準として、前記修正Wiener規準における前記分離信号パラメータを前記従来Wienerフィルタの前記出力信号パラメータに置き換えたときの値よりも、前記修正Wiener規準が小さくなるような前記分離信号パラメータ値を前記入力信号から推定する修正Wiener規準減少部と、前記修正Wiener規準減少部において推定された前記分離信号パラメータ値を出力する分離信号パラメータ出力部と、を備えることを特徴とする信号分離装置である。   The present invention has been made to solve the above-described problem, and the invention according to claim 1 is a time-frequency analysis unit that calculates a time-frequency component from an input signal that is a mixed signal of a target signal and an interference signal; A time frequency amplitude component array estimation unit that estimates a time frequency amplitude component array for each source signal of the target signal and interference signal included in the input signal from the input signal, and calculated from the input signal A Wiener filter that calculates output signal parameters of a conventional Wiener filter that is a Wiener filter in the time-frequency domain in each short-time frame based on the time-frequency component and the estimated value of the time-frequency amplitude component array for each source signal. An output signal parameter calculation unit; and a signal parameter in a time-frequency domain for estimating the target signal as a separation signal parameter; The weighted distance between the time-frequency component array of the time-series signal when the parameter is restored by inverse short-time Fourier transform and the output signal parameter of the conventional Wiener filter is a modified Wiener criterion, and the separated signal parameter in the modified Wiener criterion is A modified Wiener criterion reducing unit that estimates the separated signal parameter value from the input signal such that the modified Wiener criterion is smaller than a value when the output signal parameter of the conventional Wiener filter is replaced, and the modified Wiener criterion And a separation signal parameter output unit that outputs the separation signal parameter value estimated by the reduction unit.

請求項2に記載の発明は、前記修正Wiener規準減少部は、前記従来Wienerフィルタ出力信号パラメータを複数フレームの長さのブロックに分割するブロック分割部と、前記ブロックに分割された前記従来Wienerフィルタ出力信号パラメータの複数のフレームについて、前記修正Wiener規準が前記従来Wienerフィルタの場合より減少するように、当該ブロック内の分離信号パラメータ値を計算するブロック内分離信号パラメータ計算部と、前記ブロック内の分離信号パラメータ値から、前記ブロックの全体に対する分離信号パラメータを計算する全体分離信号パラメータ計算部と、を備えることを特徴とする請求項1に記載の信号分離装置である。   The invention according to claim 2 is characterized in that the modified Wiener criterion reducing unit includes a block dividing unit that divides the conventional Wiener filter output signal parameter into blocks having a length of a plurality of frames, and the conventional Wiener filter divided into the blocks. For a plurality of frames of output signal parameters, an intra-block separated signal parameter calculation unit for calculating a separated signal parameter value in the block, so that the modified Wiener criterion is smaller than in the case of the conventional Wiener filter, The signal separation apparatus according to claim 1, further comprising: an entire separated signal parameter calculation unit that calculates a separated signal parameter for the entire block from the separated signal parameter value.

請求項3に記載の発明は、前記修正Wiener規準減少部は、前記従来Wienerフィルタ出力信号パラメータと、前記時間周波数振幅成分配列推定値とを記憶する情報記憶部と、前記分離信号パラメータについて初期値を生成する分離信号パラメータ初期値生成部と、前記分離信号パラメータ値が収束したか否かを判定する分離信号パラメータ収束判定部と、前記分離信号パラメータ値を更新する分離信号パラメータ更新部と、前記分離信号パラメータ更新部において推定された前記分離信号パラメータ値を出力する分離信号パラメータ出力部と、を備えることを特徴とする請求項1に記載の信号分離装置である。   According to a third aspect of the present invention, the modified Wiener criterion reducing unit includes an information storage unit that stores the conventional Wiener filter output signal parameter and the time frequency amplitude component array estimated value, and an initial value for the separated signal parameter. A separation signal parameter initial value generation unit for generating a separation signal parameter convergence determination unit for determining whether or not the separation signal parameter value has converged, a separation signal parameter update unit for updating the separation signal parameter value, The signal separation device according to claim 1, further comprising: a separation signal parameter output unit that outputs the separation signal parameter value estimated by the separation signal parameter update unit.

請求項4に記載の発明は、前記分離信号パラメータ更新部は、前記分離信号パラメータについて、信号の時間周波数成分配列を無矛盾とした無矛盾化時間周波数成分配列を計算する無矛盾化時間周波数成分配列計算部と、前記無矛盾化時間周波数成分配列と、前記分離信号パラメータと、前記従来Wiener フィルタ出力信号パラメータとを要素とした時間周波数成分配列重み付き和を計算する時間周波数成分配列重み付き和計算部と、を備えることを特徴とする請求項3に記載の信号分離装置である。   According to a fourth aspect of the present invention, the separated signal parameter update unit calculates a consistent time frequency component array calculation unit that calculates a consistent time frequency component array with a consistent time frequency component array of the signal for the separated signal parameter. A time-frequency component array weighted sum calculation unit that calculates a time-frequency component array weighted sum having the consistent time-frequency component array, the separated signal parameter, and the conventional Wiener filter output signal parameter as elements, The signal separation device according to claim 3, further comprising:

請求項5に記載の発明は、対象信号と干渉信号の混合信号である入力信号から時間周波数成分配列を計算する時間周波数解析過程と、前記入力信号から、当該入力信号に含まれている前記対象信号と干渉信号との各ソース信号毎の時間周波数振幅成分配列を推定する時間周波数振幅成分配列推定過程と、前記入力信号から計算された時間周波数成分配列と前記各ソース信号毎の時間周波数振幅成分配列の推定値とに基づいて、各短時間フレームにおける、時間周波数領域でのWienerフィルタである従来Wienerフィルタの出力信号パラメータを計算するWienerフィルタ出力信号パラメータ計算過程と、前記対象信号を推定するための時間周波数領域の信号パラメータを分離信号パラメータとし、前記分離信号パラメータを逆短時間フーリエ変換により復元したときの時系列信号の時間周波数成分配列と前記従来Wienerフィルタの出力信号パラメータとの重みつき距離を修正Wiener 規準として、前記修正Wiener規準における前記分離信号パラメータを前記従来Wienerフィルタの前記出力信号パラメータに置き換えたときの値よりも、前記修正Wiener規準が小さくなるような前記分離信号パラメータ値を前記入力信号から推定する修正Wiener規準減少過程と、前記修正Wiener規準減少過程において推定された前記分離信号パラメータ値を出力する分離信号パラメータ出力過程と、を備えることを特徴とする信号分離方法である。   The invention according to claim 5 is a time-frequency analysis process for calculating a time-frequency component array from an input signal which is a mixed signal of a target signal and an interference signal, and the target included in the input signal from the input signal. A time frequency amplitude component array estimating process for estimating a time frequency amplitude component array for each source signal of a signal and an interference signal, a time frequency component array calculated from the input signal, and a time frequency amplitude component for each source signal In order to estimate the target signal, a Wiener filter output signal parameter calculation process for calculating an output signal parameter of a conventional Wiener filter that is a Wiener filter in the time-frequency domain in each short-time frame, based on the estimated value of the array The signal parameter in the time-frequency domain is set as a separation signal parameter, and the separation signal parameter is obtained by inverse short-time Fourier transform. The weighted distance between the time-frequency component array of the time-series signal and the output signal parameter of the conventional Wiener filter is a corrected Wiener criterion, and the separation signal parameter in the corrected Wiener criterion is the output signal of the conventional Wiener filter. A modified Wiener criterion decreasing process for estimating the separated signal parameter value from the input signal so that the modified Wiener criterion is smaller than a value when the parameter is replaced with a parameter, and the separation estimated in the modified Wiener criterion decreasing process And a separation signal parameter output process for outputting a signal parameter value.

請求項6に記載の発明は、前記修正Wiener規準減少過程は、さらに、前記従来Wienerフィルタ出力信号パラメータを複数フレームの長さのブロックに分割するブロック分割過程と、前記ブロックに分割された前記従来Wienerフィルタ出力信号パラメータの複数のフレームについて、前記修正Wiener規準が前記従来Wienerフィルタの場合より減少するように、当該ブロック内の分離信号パラメータ値を計算するブロック内分離信号パラメータ計算過程と、前記ブロック内の分離信号パラメータ値から、前記ブロックの全体に対する分離信号パラメータを計算する全体分離信号パラメータ計算過程と、を備えることを特徴とする請求項5に記載の信号分離方法である。   In the invention according to claim 6, the modified Wiener criterion decreasing process further includes a block dividing process of dividing the conventional Wiener filter output signal parameter into blocks each having a length of a plurality of frames, and the conventional technique divided into the blocks. An intra-block separated signal parameter calculation process for calculating a separated signal parameter value in the block so that the modified Wiener criterion is reduced as compared with the conventional Wiener filter for a plurality of frames of Wiener filter output signal parameters; 6. The signal separation method according to claim 5, further comprising: a total separation signal parameter calculation step of calculating a separation signal parameter for the entire block from a separation signal parameter value in the block.

請求項7に記載の発明は、前記修正Wiener規準減少過程は、さらに、前記従来Wienerフィルタ出力信号パラメータと、前記時間周波数振幅成分配列推定値とを記憶する情報記憶過程と、前記分離信号パラメータについて初期値を生成する分離信号パラメータ初期値生成過程と、前記分離信号パラメータ値が収束したか否かを判定する分離信号パラメータ収束判定過程と、前記分離信号パラメータ値を更新する分離信号パラメータ更新過程と、前記分離信号パラメータ更新過程において推定された前記分離信号パラメータ値を出力する分離信号パラメータ出力過程と、を備えることを特徴とする請求項5に記載の信号分離方法である。   In the invention according to claim 7, the modified Wiener criterion reduction process further includes an information storage process for storing the conventional Wiener filter output signal parameter and the time frequency amplitude component array estimated value, and the separated signal parameter. A separation signal parameter initial value generation process for generating an initial value, a separation signal parameter convergence determination process for determining whether or not the separation signal parameter value has converged, and a separation signal parameter update process for updating the separation signal parameter value 6. The signal separation method according to claim 5, further comprising: a separated signal parameter output step of outputting the separated signal parameter value estimated in the separated signal parameter update step.

請求項8に記載の発明は、前記分離信号パラメータ更新過程は、さらに、前記分離信号パラメータについて、信号の時間周波数成分配列を無矛盾とした無矛盾化時間周波数成分配列を計算する無矛盾化時間周波数成分配列計算過程と、前記無矛盾化時間周波数成分配列と、前記分離信号パラメータと、前記従来Wiener フィルタ出力信号パラメータとを要素とした時間周波数成分配列重み付き和を計算する時間周波数成分配列重み付き和計算過程と、を備えることを特徴とする請求項7に記載の信号分離方法である。   According to an eighth aspect of the present invention, in the separated signal parameter update process, a consistent time frequency component array for calculating a consistent time frequency component array in which the time frequency component array of the signal is consistent for the separated signal parameter is further calculated. Time-frequency component array weighted sum calculation process for calculating a time-frequency component array weighted sum including the calculation process, the consistent time-frequency component array, the separated signal parameter, and the conventional Wiener filter output signal parameter The signal separation method according to claim 7, further comprising:

請求項9に記載の発明は、信号分離装置としてのコンピュータに、対象信号と干渉信号の混合信号である入力信号から時間周波数成分配列を計算する時間周波数解析過程と、前記入力信号から、当該入力信号に含まれている前記対象信号と干渉信号との各ソース信号毎の時間周波数振幅成分配列を推定する時間周波数振幅成分配列推定過程と、前記入力信号から計算された時間周波数成分配列と前記各ソース信号毎の時間周波数振幅成分配列の推定値とに基づいて、各短時間フレームにおける、時間周波数領域でのWienerフィルタである従来Wienerフィルタの出力信号パラメータを計算するWienerフィルタ出力信号パラメータ計算過程と、前記対象信号を推定するための時間周波数領域の信号パラメータを分離信号パラメータとし、前記分離信号パラメータを逆短時間フーリエ変換により復元したときの時系列信号の時間周波数成分配列と前記従来Wienerフィルタの出力信号パラメータとの重みつき距離を修正Wiener 規準として、前記修正Wiener規準における前記分離信号パラメータを前記従来Wienerフィルタの前記出力信号パラメータに置き換えたときの値よりも、前記修正Wiener規準が小さくなるような前記分離信号パラメータ値を前記入力信号から推定する修正Wiener規準減少過程と、前記修正Wiener規準減少過程において推定された前記分離信号パラメータ値を出力する分離信号パラメータ出力過程と、を実行させるための信号分離プログラムである。   According to the ninth aspect of the present invention, there is provided a computer as a signal separation device, a time frequency analysis process for calculating a time frequency component array from an input signal that is a mixed signal of a target signal and an interference signal, and the input signal from the input signal. A time frequency amplitude component array estimation process for estimating a time frequency amplitude component array for each source signal of the target signal and interference signal included in the signal, a time frequency component array calculated from the input signal, and the respective Wiener filter output signal parameter calculation process for calculating output signal parameters of a conventional Wiener filter that is a Wiener filter in the time-frequency domain in each short-time frame based on the estimated value of the time-frequency amplitude component array for each source signal; A signal parameter in a time-frequency domain for estimating the target signal is a separated signal parameter, and the separated signal parameter is Using the weighted distance between the time-frequency component array of the time-series signal and the output signal parameter of the conventional Wiener filter when the meter is restored by inverse short-time Fourier transform as the modified Wiener criterion, the separated signal parameter in the modified Wiener criterion is A modified Wiener criterion reduction process for estimating the separated signal parameter value from the input signal so that the modified Wiener criterion is smaller than a value when the output signal parameter of the conventional Wiener filter is replaced, and the modified Wiener criterion And a separation signal parameter output process for outputting the separation signal parameter value estimated in the reduction process.

この発明によれば、パラメータ推定において、信号の時間周波数成分配列が無矛盾になるという制約を利用し、より的確な推定を行う。これにより、本発明は、対象信号と干渉信号との混合信号から、高精度に信号分離処理を行うことができる。また、本発明は、信号分離を従来技術による場合と同等の速度で行うことができる。   According to the present invention, in parameter estimation, more accurate estimation is performed using the restriction that the time-frequency component arrangement of the signal is consistent. Thereby, this invention can perform a signal separation process with high precision from the mixed signal of an object signal and an interference signal. In addition, the present invention can perform signal separation at the same speed as in the prior art.

時間領域と時間周波数領域の関係を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the relationship between a time domain and a time frequency domain. この発明の一実施形態による信号分離装置1の構成の一例示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of a structure of the signal separation apparatus 1 by one Embodiment of this invention. 図2の修正Wiener規準減少部40の構成の第1例を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram illustrating a first example of a configuration of a modified Wiener criterion reducing unit 40 in FIG. 2. 図2の修正Wiener規準減少部40の構成の第2例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the 2nd example of a structure of the correction Wiener reference | standard reduction part 40 of FIG. 図4の分離信号パラメータ更新部431の構成の一例を示すブロック図である。FIG. 5 is a block diagram illustrating an example of a configuration of a separated signal parameter update unit 431 in FIG. 4. 雑音中音声信号のスペクトログラムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the spectrogram of the speech signal in noise. 従来Wienerフィルタ出力信号のスペクトログラムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the spectrogram of the conventional Wiener filter output signal. 補助関数法に基づく手法により得られた信号のスペクトログラムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the spectrogram of the signal obtained by the method based on an auxiliary function method.

<原理>
公知の方法として「Wienerフィルタリング」と呼ばれる信号分離方法が知られている。ここで、Wienerフィルタリングの定式化を時間周波数領域における尤度関数の最適化問題として行う。
<Principle>
As a known method, a signal separation method called “Wiener filtering” is known. Here, the formulation of Wiener filtering is performed as an optimization problem of the likelihood function in the time frequency domain.

観測信号(入力信号)xが対象信号s1と干渉信号s2との二つの信号からなる混合信号であることを仮定する。また、観測信号の時間周波数成分配列をフレームシフトRの短時間フーリエ変換(以下STFTとも呼ぶ)により計算することを考える。更に、各時刻フレームtと周波数ビンωにおいて、信号s1とs2の短時間フーリエ変換係数S1とS2が、それぞれ平均0と分散σ1 2とσ2 2の独立ガウス変数であることを仮定する。便宜のため、以下ν(i)=1/σi 2と書く。なお、ここでは観測信号が二つの信号からなる混合信号であることを仮定したが、説明する原理は一般的にI個の信号からなる混合信号の場合でも成り立つ。 It is assumed that the observation signal (input signal) x is a mixed signal composed of two signals of the target signal s 1 and the interference signal s 2 . Also, consider calculating the temporal frequency component array of the observation signal by short-time Fourier transform (hereinafter also referred to as STFT) of frame shift R. Furthermore, it at each time frame t and frequency bin omega, signal s 1 short-time Fourier transform coefficients S 1 of the s 2 and S 2 are each mean 0 and variance sigma 1 2 and sigma 2 2 independent Gaussian variables Assuming For convenience, ν (i) = 1 / σ i 2 is written below. Here, it is assumed that the observation signal is a mixed signal composed of two signals, but the principle to be described is generally valid even in the case of a mixed signal composed of I signals.

干渉信号s2,...,sIが複数ある場合は、音源が互いに無相関であることを仮定しているため、一般性を失わずに干渉信号が一つしかない場合に戻すことができる。つまり、s2,...,sIを一つのグローバルな干渉信号~s2を次式(1)として扱うことができる。 If there are multiple interfering signals s 2 , ..., s I , it is assumed that the sound sources are uncorrelated with each other, so it can be restored when there is only one interfering signal without losing generality. it can. That is, s 2 ,..., S I can be handled as one global interference signal ~ s 2 as the following equation (1).

なお、「~s2」という記載は、次式(1)に示されるように、変数「s2」の上に符号「~」が付されていることを示す。後に記載される符号「^」などの記載も同様である。 Note that the description “˜s 2 ” indicates that the symbol “˜” is added on the variable “s 2 ” as shown in the following equation (1). The same applies to the description such as “^” described later.

上記と同じく、~s2の短時間フーリエ変換係数が平均0と、次式(2)による分散(~σ2の独立なガウス変数であることが言える。 Similarly to the above, it can be said that the short-time Fourier transform coefficient of ~ s 2 is an average of 0 and an independent Gaussian variable with variance (~ σ 2 ) 2 according to the following equation (2).

観測信号の短時間フーリエ変換時間周波数成分配列をXと呼ぶ。従来のWienerフィルタリングはSTFT係数S1とS2の対数尤度関数を最大化することとなる。X=S1+S2の制約のもとで、尤度関数を次式(3)のようにS=S1の関数として書くことができる。 The short-time Fourier transform time-frequency component array of the observation signal is called X. Conventional Wiener filtering maximizes the log-likelihood function of STFT coefficients S 1 and S 2 . Under the constraint of X = S 1 + S 2 , the likelihood function can be written as a function of S = S 1 as in the following equation (3).

S1に対する従来Wienerフィルタリングの推定値を、次式(4)のように定義する。 The estimated value of conventional Wiener filtering for S 1 is defined as the following equation (4).

また、対数尤度関数(3)の符号を逆転し、Sによらない定数を省略すると、尤度関数の最大化問題を次式(5)のように定義される目的関数の最小化問題として扱うことができる。   Also, if the sign of the log likelihood function (3) is reversed and constants that do not depend on S are omitted, the likelihood function maximization problem is defined as the objective function minimization problem defined by the following equation (5): Can be handled.

ただし、αω,tは、次式(6)である。 However, α ω, t is the following equation (6).

Sについて何の制約も入れなければ、上記目的関数(5)の最小解がS=^Sであることは明らかである。しかし、ここで注意しなければならないのは、短時間フーリエ変換が特別な構造を持った冗長な表現であることである。周波数ビン数をNとし、フレーム数をTとすると、時系列信号から得られる短時間フーリエ変換時間周波数成分配列がCNT(Cは複素数全体の集合)の要素であるが、CNTの全ての要素がその形で得られるわけではない(例えば、非特許文献2:D. W. Griffin and J. S. Lim,“Signal estimation from modified short-time Fourier transform,”IEEE Trans. Acoustics, Speech, and Signal Processing, vol.32, no.2, pp.236-243, Apr. 1984 と 非特許文献3:J. Le Roux, N. Ono and S. Sagayama,“Explicit consistency constraints for STFT spectrograms and their application to phase reconstruction,”in Proc. SAPA, Sep. 2008を参照)。 Without any constraints on S, it is clear that the minimum solution of the objective function (5) is S = ^ S. However, it should be noted here that the short-time Fourier transform is a redundant expression with a special structure. The number of frequency bins is N, and the number of frames is T, a short time is obtained from the time series signal Fourier transform time-frequency component sequence is (are C set of all complex numbers) C NT is an element of all the C NT Elements are not obtained in that form (eg, Non-Patent Document 2: DW Griffin and JS Lim, “Signal estimation from modified short-time Fourier transform,” IEEE Trans. Acoustics, Speech, and Signal Processing, vol. 32 , no.2, pp.236-243, Apr. 1984 and Non-Patent Document 3: J. Le Roux, N. Ono and S. Sagayama, “Explicit consistency constraints for STFT spectrograms and their application to phase reconstruction,” in Proc See SAPA, Sep. 2008).

時系列信号から得られる短時間フーリエ変換時間周波数成分配列を無矛盾な時間周波数成分配列と呼ぶ。ここで、時間周波数領域における複素数の配列に関して無矛盾な時間周波数成分配列であるための必要十分条件について説明する。逆STFTが、全ての時系列信号がそのSTFT時間周波数成分配列から逆STFTにより完全に再構成できるように行われていることを仮定すると、ある配列Wが無矛盾な時間周波数成分配列であるための必要十分条件は、Wの逆STFTのSTFTがWそのものであることである。つまり、無矛盾な時間周波数成分配列の集合は次式(7)のように定義されるCNT内のR(Rは実数全体の集合)線形写像Fの零空間である。 A short-time Fourier transform time-frequency component array obtained from a time-series signal is called a consistent time-frequency component array. Here, the necessary and sufficient conditions for a consistent time frequency component array with respect to the array of complex numbers in the time frequency domain will be described. Assuming that the inverse STFT is performed so that all time series signals can be completely reconstructed from the STFT time-frequency component array by the inverse STFT, an array W is a consistent time-frequency component array A necessary and sufficient condition is that the STFT of the inverse STFT of W is W itself. That is, a set of consistent time frequency component sequence is zero space defined by C R (the set of all R is a real number) in the NT linear mapping F as: (7).

ただし時間周波数領域内の写像Gは次式(8)のように定義される。   However, the mapping G in the time frequency domain is defined as the following equation (8).

ただし、STFT(W)はWのSTFT、iSTFT(W)はWの逆STFTを示す。時間領域と時間周波数領域の関係を図1に示す。   Here, STFT (W) represents W STFT, and iSTFT (W) represents W inverse STFT. The relationship between the time domain and the time frequency domain is shown in FIG.

逆STFT の計算のやりかたについて更に詳細に説明する。Wの逆STFT は一般的にWの各フレームの逆フーリエ変換にある合成窓関数s を掛け、得られた短時間信号をオーバーラップ・アッドし、全区間の時系列信号を計算する。ある時系列信号x のSTFT 時間周波数成分配列X の逆STFT がx そのものに等しくなる(完全再構成が成り立つ)ために、正規化を行わなければいけない。STFT のフレームシフトをRと呼ぶと、正規化項が次式(9)となり、周期Rの周期関数であることがわかる。   The method for calculating the inverse STFT will be described in more detail. The inverse STFT of W generally multiplies the synthesized window function s in the inverse Fourier transform of each frame of W, overlaps and adds the obtained short-time signals, and calculates the time series signals of the entire interval. Since the inverse STFT of the STFT time-frequency component array X of a certain time-series signal x is equal to x itself (complete reconstruction is established), normalization must be performed. When the frame shift of STFT is called R, the normalization term is expressed by the following equation (9), and it can be seen that it is a periodic function of period R.

ただし、l は時系列のインデックスである。したがって、正規化をオーバーラップ・アッド後に行ってもよいが、正規化項入りの合成窓関数~s を定義し、オーバーラップ・アッドを行う前の窓掛けにおいて直接正規化項入りの合成窓関数~s を用いる。このようにすると、その後オーバーラップ・アッドを行うことだけで完全再構成が成り立ち、正規化の必要がなくなる。   Where l is a time-series index. Therefore, normalization may be performed after overlap addition, but a composite window function with normalization term ~ s is defined, and the composite window function with normalization term directly in the windowing before overlap addition is performed. Use ~ s. In this way, complete reconstruction can be achieved only by performing overlap add after that, and normalization is not necessary.

なお、ある分析窓関数において、完全再構成が成り立つような合成窓関数が一般的に複数存在しうる。しかし、非特許文献2にも説明されているように、ある複素数の配列W から得られる時系列信号が、最小二乗誤差の意味でその配列W に一番近い時間周波数成分配列を持つ時系列信号であるようにするには、正規化項を入れる前の合成窓関数s がs = w とみなすように仮定すれば良い。言い換えると、s = w を仮定すれば、G(W) は最小二乗誤差の意味で複素数の配列W に一番近い無矛盾な時間周波数成分配列である。ここでは、s = w を仮定する。   Note that there can generally be a plurality of composite window functions that can be completely reconstructed in a certain analysis window function. However, as explained in Non-Patent Document 2, a time-series signal obtained from a complex array W 1 has a time-frequency component array closest to that array W in the sense of least square error. In order to ensure that, it can be assumed that the composite window function s before entering the normalization term is regarded as s = w. In other words, assuming s = w, G (W) is a consistent time-frequency component array closest to the complex array W in the sense of least square error. Here, s = w is assumed.

上述のとおり、Sについて何の制約も入れなければ、上記目的関数(5)の最小解がS=^Sであるが、本来は解が無矛盾な時間周波数成分配列となるように、ψの最小化をF(S)=0という制約のもとで行うべきである。   As described above, if no constraint is applied to S, the minimum solution of the objective function (5) is S = ^ S. However, the minimum of ψ so that the solution is essentially a consistent time-frequency component array. Should be performed under the constraint of F (S) = 0.

次に、「解を無矛盾な時間周波数成分配列の中から探す」ことが必要である理由を説明する。一般的に、従来Wienerフィルタ出力信号パラメータは無矛盾とは限らない。無矛盾でない時間周波数成分配列から逆STFTにより得られる信号のSTFT時間周波数成分配列はもとの時間周波数成分配列と異なる。そのため、最小解であるべき従来Wienerフィルタ出力信号パラメータが無矛盾でない場合、それから得られる時間領域の信号の時間周波数成分配列は実はψの最小解ではない。すなわち、従来Wienerフィルタ出力信号パラメータから得られる、実際に聞く信号が一般的にWiener尤度関数を最大にしているものというわけでない。実際に推定したいものは、STFT時間周波数成分配列がWiener規準ψを最小とするような時系列信号であり、時間周波数領域で定式化すれば次式(10)のように定義される「修正Wiener規準」の最小解である。   Next, the reason why it is necessary to “search for a solution from consistent time-frequency component arrays” will be described. Generally, conventional Wiener filter output signal parameters are not always consistent. The STFT time-frequency component array of a signal obtained by inverse STFT from a non-consistent time-frequency component array is different from the original time-frequency component array. Therefore, when the conventional Wiener filter output signal parameter that should be the minimum solution is not consistent, the time-frequency component array of the time-domain signal obtained therefrom is not actually the minimum solution of ψ. That is, the actually heard signal obtained from the conventional Wiener filter output signal parameters does not generally maximize the Wiener likelihood function. What we actually want to estimate is a time-series signal whose STFT time-frequency component array minimizes the Wiener criterion ψ, and if it is formulated in the time-frequency domain, it is defined as It is the minimum solution of the “standard”.

Sが無矛盾であるように制約されれば、修正Wiener規準~ψ(S)と従来Wiener規準ψ(S)が同値になるため、~ψの最小化問題をF(S)=0の制約下でのψの最小化問題として考えられる(方針1)。また、時系列信号sをパラメータとし直接時間領域でψ(STFT(s))を最小化する問題としても考えられる(方針2)。また、無矛盾性の制約をゆるめ、ペナルティ関数として目的関数を導入することも考えられる(方針3)。無矛盾性ペナルティ関数の重みを十分大きくすれば、または最適化の過程で徐々に大きくすれば、最終的に推定された時間周波数成分配列が無矛盾であり、無矛盾な時間周波数成分配列の中でψを最小とするものとなる。   If S is constrained to be consistent, the modified Wiener criterion ~ ψ (S) and the conventional Wiener criterion ψ (S) are equivalent, so the minimization problem of ~ ψ is subject to the constraint of F (S) = 0. It can be considered as a problem of minimizing ψ in (Policy 1). It can also be considered as a problem of minimizing ψ (STFT (s)) directly in the time domain using the time series signal s as a parameter (policy 2). It is also possible to relax the consistency constraint and introduce an objective function as a penalty function (policy 3). If the weight of the consistent penalty function is sufficiently large or gradually increased during the optimization process, the finally estimated time-frequency component array is consistent, and ψ is set within the consistent time-frequency component array. Minimize.

上記述べた三つの最適化の方針について具体的に説明する。まず、上述した方針2について説明する。   The three optimization policies described above will be specifically described. First, the above-described policy 2 will be described.

<方針2:時系列信号をパラメータとした最適化>
まずは時系列信号sをパラメータとし時間領域でψ(STFT(s))を直接的に最小化する方法を説明する。パーセバルの定理によりψ(STFT(s))を時間領域に戻す。ここで、重み係数(αω,t)ω=0,…,N-1を対角係数としたN×N対角行列をAt、N×NフーリエをF、信号xの長さをL、信号から窓を掛けたt番目のフレームを計算するN×L行列をwt、^Sのt番目のSTFTフレームの逆フーリエ変換を^stとする。すると、式(5)の目的関数ψ(S)を、次式(11)のように書き換えることができる。
<Policy 2: Optimization using time-series signals as parameters>
First, a method for directly minimizing ψ (STFT (s)) in the time domain using the time series signal s as a parameter will be described. Return ψ (STFT (s)) to the time domain by Parseval's theorem. Here, the weighting factor (α ω, t ) , where N × N diagonal matrix with diagonal coefficients as ω = 0, ..., N-1 is A t , N × N Fourier is F, and the length of signal x is L Let W t be the N × L matrix that calculates the t-th frame multiplied by the window from the signal, and let ^ s t be the inverse Fourier transform of the t-th STFT frame of ^ S. Then, the objective function ψ (S) in the equation (5) can be rewritten as the following equation (11).

ψ(STFT(s))のsによる微分が0になるような信号sは、次式(12)のような線形方程式を満たしている。   A signal s such that the derivative of ψ (STFT (s)) with respect to s becomes 0 satisfies a linear equation such as the following equation (12).

式(12)の右辺は、通常のWienerフィルタの出力信号^sに対して、フーリエ変換領域で重み係数(αω,t)ω=0,…,N-1を周波数ごとにかけた後に逆フーリエ変換し、さらに窓掛けする演算を表す。 The right side of equation (12) shows the inverse Fourier after applying the weighting factor (α ω, t ) ω = 0, ..., N-1 for each frequency in the Fourier transform domain to the output signal ^ s of the normal Wiener filter Represents an operation to transform and further window.

あるいは、式(12)の右辺は、通常のWienerフィルタの出力信号^sに対して、重み係数(αω,t)ω=0,…,N-1の逆フーリエ変換を畳み込んでから、窓掛けする演算を表す。 Alternatively, the right side of Equation (12) is obtained by convolving an inverse Fourier transform of weighting factors (α ω, t ) ω = 0 ,. Represents a windowing operation.

すると、ψ(STFT(s))を最小とする信号sは、解析的に次式(13)により計算できる。   Then, the signal s that minimizes ψ (STFT (s)) can be analytically calculated by the following equation (13).

上式で行列Atがなければ、非特許文献2にも説明されているように、容易に解の計算ができ、その解が最小二乗誤差の意味で従来Wienerフィルタ出力信号パラメータ^Sに一番近い時間周波数成分配列を持つ時系列信号となる。これに対して今回の問題では、重み係数行列Atの影響で最適信号sを求めることが、次式(14)の、サイズL×Lの巨大行列による線形方程式の解を求める問題となる。 Without the above equation in matrix A t, as described in Non-Patent Document 2, it is readily solutions calculations, with the solution is conventional in the sense of least square error Wiener filter output signal parameters ^ S one It becomes a time-series signal having the closest time-frequency component arrangement. Relative In this problem which, can obtain an optimum signal s by the influence of the weighting coefficient matrix A t, the problem of finding a solution of the linear equations following formula (14), by huge matrix of size L × L.

しかし、実際には次式(15)の行列がエルミート帯行列であるため、可能範囲内の計算時間とメモリ量で計算できる。   However, since the matrix of the following formula (15) is actually a Hermitian band matrix, it can be calculated with a calculation time and a memory amount within a possible range.

メモリ量に関しては特に、信号の全体を一括に計算するために、もしメモリ不足であれば、信号を、数フレームを含んだオーバーラップしているブロックに分割し、各ブロック内に最適化を行い、ブロック内の最適解を最後に組み合わせれば小メモリ量で計算ができる。この場合、ブロック分割やブロック内最適信号の重ね合わせをするために、得る解が全体信号の最適解と異なる可能性があるが、オーバーラップの調整で同等の結果が得られることが実験的にわかる。   With regard to the amount of memory in particular, in order to calculate the whole signal at once, if the memory is insufficient, the signal is divided into overlapping blocks containing several frames and optimized within each block. If the optimal solution in the block is combined last, the calculation can be performed with a small amount of memory. In this case, there is a possibility that the obtained solution is different from the optimum solution of the whole signal in order to perform block division and superimposition of the optimum signal in the block, but it is experimentally confirmed that the same result can be obtained by adjusting the overlap. Recognize.

<方針1: Douglas-Rachford splittingによる最適化>
方針1では、~ψの最小化問題をF(S)=0の制約下でのψの最小化問題として考える。上述のように、逆STFTはある複素数の配列から得られる時系列信号が最小二乗誤差の意味で、その配列に一番近い時間周波数成分配列を持つ時系列信号であるように定義されていると仮定する。ここで、
<Policy 1: Optimization by Douglas-Rachford splitting>
Policy 1 considers the minimization problem of ~ ψ as a minimization problem of φ under the constraint of F (S) = 0. As described above, inverse STFT is defined so that a time series signal obtained from an array of complex numbers is a time series signal having a time frequency component array closest to the array in the sense of least square error. Assume. here,

と書く。ただし、iKer(F)はKer(F)のインジケーター関数であり、次式(17)により定義される。 Write. However, i Ker (F) is an indicator function of Ker (F) and is defined by the following equation (17).

ψを最小とする無矛盾な時間周波数成分配列Sを求めることはf1+f2の最小解を認めることと同等であることが簡単にわかる。f1とf2が両方とも適正下半連続凸関数(proper lower semi-continuous convex functions)である。その場合でのf1+f2の最小化問題は凸最適化論で研究され、単調作用素(monotone operator)のためのDouglas-Rachford splitting法というアルゴリズムにより効率的に解けることが知られている(詳細は例えば、非特許文献4:P. L. Combettes and J.-C. Pesquet,“A Douglas-Rachford splitting approach to nonsmooth convex variational signal recovery,”IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, vol.1, no.4, pp.564-574, Dec.2007を参照)。各X∈Sに対し、変数Zの関数 It can be easily seen that finding a consistent time-frequency component array S that minimizes ψ is equivalent to finding a minimum solution of f 1 + f 2 . Both f 1 and f 2 are proper lower semi-continuous convex functions. The minimization problem of f 1 + f 2 in that case has been studied by convex optimization theory, and it is known that it can be solved efficiently by an algorithm called Douglas-Rachford splitting method for monotone operators ( For details, see Non-Patent Document 4: PL Combettes and J.-C. Pesquet, “A Douglas-Rachford splitting approach to nonsmooth convex variational signal recovery,” IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, vol.1, no.4. , pp.564-574, Dec. 2007). A function of variable Z for each X∈S

が唯一な最小解を持ち、その最小解をproxfi(X)と呼ぶ。このように定義された一価作用素(uniquely-valued operator)をfiのproximity operatorと呼ぶ。今回の問題設定では、βf1とβf2のproximity operatorはそれぞれ次式(19)と次式(20)のように具体的に計算できる。ただし、β>0は今後使用される正な定数である。 Has a unique minimum solution, which is called prox fi (X). Thus defined monovalent operator to (uniquely-valued operator) is referred to as a proximity operator of f i. In this problem setting, the probability operators for βf 1 and βf 2 can be calculated specifically as in the following equations (19) and (20), respectively. However, β> 0 is a positive constant used in the future.

上式(19)は二次関数の最小化により容易に導出できる。上式(20)に関しては、   Equation (19) can be easily derived by minimizing the quadratic function. For the above equation (20),

の最小解はかならず‖Z-X‖2を最小とするKer(F)の要素である、すなわち最小二乗誤差の意味でXに一番近い無矛盾な時間周波数成分配列であることにより導出できる。
Douglas-Rachford splitting法を今回の問題に適応すると、下記の最適化アルゴリズムが得られる。初期時間周波数成分配列を任意のS(0)∈Sと、任意な正な定数β>0と、Σpλp(2-λp)=+∞になるような(0,2)内の値を取る任意な系列(λp)p∈Nと予め設定し、次式(22)のように再起規則を定義すれば、系列S(p)が収束し、その収束値VSが修正Wiener規準の最小解であり、G(VS)がψを最小とする無矛盾な時間周波数成分配列であることが証明できる。
Minimum solution can be derived by always the ‖ZX‖ 2 is an element of the minimum to Ker (F), that is, consistent time frequency component arranged closest to X in the sense of minimum squared error.
When the Douglas-Rachford splitting method is applied to this problem, the following optimization algorithm is obtained. The initial time-frequency component array is an arbitrary S (0) ∈ S, an arbitrary positive constant β> 0, and (0,2) such that Σ p λ p (2-λ p ) = + ∞. If an arbitrary sequence (λ p ) p∈N is set in advance and a recurrence rule is defined as in the following equation (22), the sequence S (p) converges, and the convergence value V S is corrected Wiener It can be proved that this is the minimum standard solution and that G ( V S) is a consistent time-frequency component array that minimizes ψ.

ここで、上記の特別ケースとしてλp=1とし、γ=1/(2β)と書き換えると、上記更新式(22)を下記のように書き換えることができる。 Here, if λ p = 1 and rewrite as γ = 1 / (2β) as the special case, the update equation (22) can be rewritten as follows.

以下にも述べるが、上記更新式はのちほど説明するペナルティ関数を目的関数に導入した定式化により得られる更新式と非常に似たものである。   As will be described below, the above update formula is very similar to the update formula obtained by the formulation in which the penalty function described later is introduced into the objective function.

上記の反復計算において、あるSに対してG(S)を逆STFTとSTFTにより厳密に計算しても良い。また、高速化のため、G(S)の代わりに、近似的な計算を周波数領域で行っても良い。近似的な計算について説明する。線形写像Gの計算を直接時間周波数領域に行うことができる(例えば、非特許文献3を参照)。STFTの分析窓関数をw、逆STFTの正規化項入りの合成窓関数を~sと呼ぶ。ここでは、正規化項を入れる前の合成窓関数sがs=wとみなすように仮定しているので、~sは次式(24)により定義される。   In the above iterative calculation, G (S) for a certain S may be strictly calculated by inverse STFT and STFT. For speeding up, approximate calculation may be performed in the frequency domain instead of G (S). An approximate calculation will be described. The linear map G can be calculated directly in the time-frequency domain (see, for example, Non-Patent Document 3). The STFT analysis window function is called w, and the composite window function with the inverse STFT normalization term is called ~ s. Here, since it is assumed that the composite window function s before entering the normalization term is regarded as s = w, ~ s is defined by the following equation (24).

逆STFTとSTFTで行われる計算を具体的に書くと、写像Gの時間周波数領域での表現が次式(25)得られる。   When the calculation performed by the inverse STFT and STFT is specifically written, the expression of the mapping G in the time-frequency domain is obtained by the following equation (25).

ただし、Q=N/RはSTFTフレームのオーバーラップレートである。また、重み係数ηq,p
次式(26)により定義する。また、Sの周波数ビンのインデックスをモデュロ(mod)Nと考える。
However, Q = N / R is the overlap rate of STFT frames. The weighting coefficient η q, p is defined by the following equation (26). Further, the index of the frequency bin of S is assumed to be mod N.

非特許文献3に説明しているように、重み係数ηの主な寄与はインデックスω′の小さい(例えば-2≦ω′≦2)係数に集中しているので、近似的に式(25)の和のレンジを|ω′|≦l≪N/2に絞っても計算の結果がほとんど変わらない。したがって、ステップp+1での更新式(23)におけるG(S(p))の計算を近似的に次式(27)に置き換えても良い。 As explained in Non-Patent Document 3, the main contribution of the weighting coefficient η is concentrated on the coefficient with a small index ω ′ (for example, −2 ≦ ω ′ ≦ 2). Even if the range of the sum of is narrowed to | ω ′ | ≦ l << N / 2, the result of the calculation hardly changes. Therefore, the calculation of G (S (p) ) in the update equation (23) at step p + 1 may be approximately replaced with the following equation (27).

また、式(27)の計算において、重み係数ηの様々な対称性を用いて、掛け算の数をさらに減らすこともできる。また、全ての時間周波数ビンに関して更新を行っても良く、何らかの規準で各ビンに関して更新の計算を行うか、前ステップの値のままにするかという選択的更新にしても良い。例えば、ある閾値を決めて、閾値より大きい時間周波数振幅成分配列のビンのみを更新しても良い。また、閾値を固定しても良く、反復ステップ毎に変えても良い。   Further, in the calculation of Expression (27), the number of multiplications can be further reduced by using various symmetries of the weighting coefficient η. Further, all the time frequency bins may be updated. Alternatively, the update may be calculated for each bin according to some criterion or may be selectively updated to keep the value of the previous step. For example, a certain threshold value may be determined, and only the bin of the time frequency amplitude component array larger than the threshold value may be updated. Further, the threshold value may be fixed or may be changed for each repetitive step.

<方針3: 補助関数法による最適化>
F(S)=0という厳密な拘束ではなく、F(S)の任意なベクトルノルムを用いてある複素数の配列Sの無矛盾性を数値的に評価できる。ここではF(S)のL2ノルムを用いる。また、上記にも述べたように、逆STFTはある複素数の配列から得られる時系列信号が最小二乗誤差の意味でその配列に一番近い時間周波数成分配列を持つ時系列信号であるように定義されていると仮定する。そのように定義された無矛盾性ペナルティ関数を次式(28)のように新たに目的関数に導入する。
<Policy 3: Optimization by auxiliary function method>
The consistency of an array S of complex numbers can be evaluated numerically by using an arbitrary vector norm of F (S), not the strict constraint of F (S) = 0. Here, the L 2 norm of F (S) is used. Also, as described above, inverse STFT is defined so that the time series signal obtained from an array of a complex number is a time series signal having a time frequency component array closest to that array in the sense of least square error. Assuming that The consistency penalty function defined as such is newly introduced into the objective function as shown in the following equation (28).

但し、γは目的関数の無矛盾性項の重み係数を表す。前記γを0に終始固定した場合には、前記公知のWienerフィルタリングと同等の方法・装置となる。また、γを最初から0でない固定の係数にしてもよいが、反復計算の各過程毎に、γの値を任意に変えてもよい。反復計算の過程でγを徐々に大きくすれば、無矛盾性を徐々に考慮したWiener規準の最小解が得られることを期待できる。ここで、信号分離パラメータの具体的計算方法を示すため、新たに導入された無矛盾性項に対する補助関数を導入する。補助関数法の詳細に関しての詳細は例えば、非特許文献5(非特許文献5:D. D. Lee and H. S. Seung,“Learning of the parts of objects by non-negative matrix factorization,”Nature, vol.401, pp.788-791, 1999)を参照。ここでは簡単に概念の説明をする。ある目的関数f(θ)のθによる最小化を行いたい場合、次式(29)のような条件を満たすf+(θ, ̄θ)をf(θ)の補助関数と呼び、 ̄θを補助変数と呼ぶ。 However, γ represents the weighting coefficient of the consistency term of the objective function. When γ is fixed to 0 from beginning to end, a method and apparatus equivalent to the known Wiener filtering is obtained. In addition, γ may be a fixed coefficient that is not 0 from the beginning, but the value of γ may be arbitrarily changed for each process of iterative calculation. If γ is gradually increased in the iterative calculation process, it can be expected that a minimum solution of the Wiener criterion that gradually takes into account consistency is obtained. Here, in order to show a specific calculation method of the signal separation parameter, an auxiliary function for the newly introduced consistency term is introduced. For details on the auxiliary function method, see Non-Patent Document 5 (Non-Patent Document 5: DD Lee and HS Seung, “Learning of the parts of objects by non-negative matrix factorization,” Nature, vol. 401, pp. 788-791, 1999). Here, the concept will be briefly explained. If you want to minimize an objective function f (θ) by θ, f + (θ,  ̄θ) that satisfies the condition of the following equation (29) is called an auxiliary function of f (θ), and  ̄θ is Called auxiliary variable.

f+のθと ̄θに対しての最小化がそれぞれ解析的に行うことができれば、θと ̄θをそれぞれ次式(30)と次式(31)とのように交互に更新すれば、f(θ)が非増加で収束することが証明できる。   If the minimization of f + with respect to θ and  ̄θ can be performed analytically, respectively, θ and そ れ ぞ れ θ can be updated alternately as shown in the following equations (30) and (31), respectively. It can be proved that (θ) converges without increasing.

その概念をψγ(S)に適応する。上記説明した逆STFTについての仮定より、任意の複素数の配列Sに関してG(S)は最小二乗誤差の意味でSから一番近い無矛盾な時間周波数成分配列であることがわかる。すなわち、次式(32)がなりたつ。 The concept is applied to ψ γ (S). From the assumption about the inverse STFT described above, it can be seen that G (S) is a consistent time-frequency component array closest to S in the sense of least square error with respect to an array S of arbitrary complex numbers. That is, the following equation (32) is satisfied.

式(32)の結果より、次式(33)で定義される次式(34)の関数が、ψγの補助関数であることがわかる。 From the results of equation (32), the following equation is defined by the following equation (33) is a function of (34), it can be seen that an auxiliary function of [psi gamma.

ただし、Cはνとνにしかよらない定数である。 However, C is a constant that depends only on ν 1 and ν 2 .

上記の議論より、反復的な最適化アルゴリズムを設計できる。ステップpである複素数の配列S(p)からスタートすれば、先に ̄SをG(S(p))に更新し、次にS(p+1)の更新値を係数の対角な二次形式の最小解として計算できる。合わせて、S(p)を次式(35)のような更新式により反復的に計算できる。 From the above discussion, iterative optimization algorithms can be designed. If we start with the array of complex numbers S (p) , which is step p, we first update  ̄S to G (S (p) ) and then update the updated value of S (p + 1) to the diagonal of the coefficients. It can be calculated as a minimum solution of the form In addition, S (p) can be calculated iteratively by an update equation such as the following equation (35).

式(35)の更新式はDouglas-Rachford splitting法により導出した式(23)の更新式とはF(S(p))がなくなっている点で異なっているが、非常に似た形であることが注目に値する。Douglas-Rachford splittingの説明のときにも説明したように、上記の反復計算において、あるSに対してG(S)を逆STFTとSTFTにより厳密に計算しても良い。また、高速化のため、G(S)の代わりに、近似的な計算を周波数領域で行っても良い。具体的には、ステップp+1での更新式(35)におけるG(S(p))の計算を近似的に式(27)に置き換えても良い。また、Douglas-Rachford splittingの説明のときにも説明したように、重み係数の対称性による掛け算の数の削減や時間周波数ビンの選択的更新等を行っても良い。 The update equation of Equation (35) is different from the update equation of Equation (23) derived by the Douglas-Rachford splitting method in that F (S (p) ) is eliminated, but is very similar. It is worth noting. As described in the description of Douglas-Rachford splitting, in the above iterative calculation, G (S) may be strictly calculated for a certain S by inverse STFT and STFT. For speeding up, approximate calculation may be performed in the frequency domain instead of G (S). Specifically, the calculation of G (S (p) ) in the update formula (35) at step p + 1 may be approximately replaced with formula (27). Further, as described in the description of Douglas-Rachford splitting, reduction of the number of multiplications due to symmetry of weighting factors, selective update of time frequency bins, and the like may be performed.

<実施例1>
本発明の実施形態に係る信号分離装置について説明する。図2は前記信号分離装置1の機能ブロック図である。実施例1は上記「方針2」に沿って信号分離を行う構成である。
<Example 1>
A signal separation device according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is a functional block diagram of the signal separation device 1. The first embodiment is configured to perform signal separation in accordance with the “policy 2”.

図2に示すように、信号分離装置1は、時間周波数解析部10、時間周波数振幅成分配列推定部20、従来Wienerフィルタ出力信号パラメータ計算部30、修正Wiener規準減少部40、および分離信号パラメータ出力部50を備える。   As shown in FIG. 2, the signal separation device 1 includes a time frequency analysis unit 10, a time frequency amplitude component array estimation unit 20, a conventional Wiener filter output signal parameter calculation unit 30, a modified Wiener criterion reduction unit 40, and a separation signal parameter output. Part 50 is provided.

更に、修正Wiener規準減少部40は、図3に示すように、ブロック分割部400、ブロック内分離信号パラメータ計算部410、および全体分離信号パラメータ計算部420から構成されている。   Further, as shown in FIG. 3, the modified Wiener criterion reducing unit 40 includes a block dividing unit 400, an intra-block separated signal parameter calculating unit 410, and an entire separated signal parameter calculating unit 420.

時間周波数解析部10は、入力された時系列信号xから、時間周波数成分Xω,t(ω=0,...,N-1,t=0,...,T-1は、それぞれ周波数、時刻に対応するインデックス)を計算し、従来Wienerフィルタ出力信号パラメータ計算部30に出力する。より詳細には、時間周波数解析部10は、時系列信号xを入力として、短時間フーリエ変換(Short-Time Fourier Transform;STFT)を用いて時間周波数解析を行うことにより時間周波数成分Xω,tを計算し、時間周波数成分Xω,tを格納した行列X=(Xω,tN×Tを出力する。 The time frequency analysis unit 10 obtains time frequency components X ω, t (ω = 0,..., N−1, t = 0,. The index corresponding to the frequency and time is calculated and output to the conventional Wiener filter output signal parameter calculation unit 30. More specifically, the time-frequency analysis unit 10 receives the time-series signal x and performs time-frequency analysis using a short-time Fourier transform (STFT), thereby performing the time-frequency component Xω, t. And a matrix X = (X ω, t ) N × T storing the time frequency components X ω, t is output.

時間周波数振幅成分配列推定部20は、前記対象信号と干渉信号の混合信号である入力信号から、各ソース信号(対象信号と干渉信号)の時間周波数振幅成分配列の推定値を計算し、従来Wienerフィルタ出力信号パラメータ計算部30に出力する。   The time-frequency amplitude component array estimation unit 20 calculates an estimated value of the time-frequency amplitude component array of each source signal (target signal and interference signal) from the input signal that is a mixed signal of the target signal and interference signal. Output to the filter output signal parameter calculation unit 30.

この処理は、周知技術により実現できる。例えば、時間周波数振幅成分配列推定部20は、入力に対して非負値行列因子分解(例えば、非特許文献5を参照)を行い、入力信号の時間周波数振幅成分配列をいくつかの要素の時間周波数振幅成分配列に分解する。また、予め対象信号と干渉信号の時間周波数振幅成分配列の推定値のオラクル情報が与えられている場合を考えても良い。   This process can be realized by a known technique. For example, the time-frequency amplitude component array estimation unit 20 performs non-negative matrix factorization on the input (see, for example, Non-Patent Document 5), and converts the time-frequency amplitude component array of the input signal into the time frequency of several elements. Decompose into amplitude component array. Further, it may be considered that the oracle information of the estimated value of the time frequency amplitude component array of the target signal and the interference signal is given in advance.

あるいは、対象信号と干渉信号の両方の時間周波数振幅成分配列推定値ではなく、片方のみの振幅情報が与えられている場合を考えても良い。例えば、干渉信号の時間周波数振幅成分配列の推定値が与えられているとすると、スペクトルサブトラクション(例えば、非特許文献6: S. F. Boll,“Suppression of acoustic noise in speech using spectral subtraction,”IEEE Trans. Acoustics, Speech, and Signal Processing, vol.27, pp.113-120, Apr. 1979 を参照)により対象信号の時間周波数振幅成分配列を推定し両方を従来Wienerフィルタ出力信号パラメータ計算部30に出力することを考えても良い。   Alternatively, a case may be considered in which only one of the amplitude information is given instead of the time frequency amplitude component array estimated values of both the target signal and the interference signal. For example, if an estimated value of the time-frequency amplitude component array of an interference signal is given, spectral subtraction (for example, Non-Patent Document 6: SF Boll, “Suppression of acoustic noise in speech using spectral subtraction,” IEEE Trans. Acoustics , Speech, and Signal Processing, vol.27, pp.113-120, Apr. 1979) and estimating the time-frequency amplitude component array of the target signal and outputting both to the conventional Wiener filter output signal parameter calculation unit 30 You may think.

また、入力信号が音声信号を含んでいる場合、入力信号に対して全極モデル化(例えば、非特許文献7:J. S. Lim and A. V. Oppenheim,“All-pole modeling of degraded speech,”,IEEE Trans. Acoustics, Speech, and Signal Processing, vol.26, pp.197-210, Jun.1978を参照)を行い、推定された音声時間周波数振幅成分配列を用いてスペクトルサブトラクション等で干渉信号の時間周波数振幅成分配列を推定し両方を従来Wienerフィルタ出力信号パラメータ計算部30に出力することを考えても良い。   When the input signal includes a speech signal, all-pole modeling is performed on the input signal (for example, Non-Patent Document 7: JS Lim and AV Oppenheim, “All-pole modeling of degraded speech,” IEEE Trans. Acoustics, Speech, and Signal Processing, vol. 26, pp. 197-210, Jun. 1978), and the time frequency amplitude component of the interference signal by spectral subtraction using the estimated audio time frequency amplitude component array It may be considered that the arrangement is estimated and both are output to the conventional Wiener filter output signal parameter calculation unit 30.

従来Wienerフィルタ出力信号パラメータ計算部30は、前記時間周波数解析部10により計算された前記入力信号の時間周波数成分配列と、前記時間周波数振幅成分配列推定部20により与えられた個々の信号の時間周波数振幅成分配列推定値とを用いて、従来Wienerフィルタの出力信号パラメータを計算する。より詳細には、従来Wienerフィルタ出力信号パラメータ計算部30は、時間周波数解析部10で得られた前記入力信号の時間周波数成分配列(Xω,t)と、前記時間周波数振幅成分配列推定部20により与えられた個々の信号の時間周波数振幅成分配列推定値σi 2とを用いて、従来Wienerフィルタの出力信号パラメータ(^Sω,t)を次式(36)により計算する。 The conventional Wiener filter output signal parameter calculation unit 30 includes the time frequency component array of the input signal calculated by the time frequency analysis unit 10 and the time frequency of each signal given by the time frequency amplitude component array estimation unit 20. The output signal parameter of the conventional Wiener filter is calculated using the amplitude component array estimated value. More specifically, the conventional Wiener filter output signal parameter calculation unit 30 includes the time frequency component array ( Xω, t ) of the input signal obtained by the time frequency analysis unit 10 and the time frequency amplitude component array estimation unit 20. The output signal parameter (^ S ω, t ) of the conventional Wiener filter is calculated by the following equation (36) using the time frequency amplitude component array estimated value σ i 2 of each signal given by

ただし、 However,

である。 It is.

修正Wiener規準減少部40は、前記従来Wienerフィルタ出力信号パラメータ計算部30により計算された前記従来Wienerフィルタの出力信号パラメータ^Sω,tと、前記時間周波数振幅成分配列推定部20により与えられた個々の信号の時間周波数振幅成分配列推定値とを用いて、前記従来Wienerフィルタの出力信号パラメータより修正Wiener規準を更に低くする信号パラメータを、時間領域の信号パラメータである分離信号パラメータ値として推定する。 The modified Wiener criterion reduction unit 40 is provided by the output signal parameter ^ S ω, t of the conventional Wiener filter calculated by the conventional Wiener filter output signal parameter calculation unit 30 and the time frequency amplitude component array estimation unit 20. Using a time frequency amplitude component array estimated value of each signal, a signal parameter that further lowers the modified Wiener criterion than the output signal parameter of the conventional Wiener filter is estimated as a separated signal parameter value that is a time domain signal parameter. .

すなわち、修正Wiener規準減少部40は、修正Wiener規準における分離信号パラメータを従来Wienerフィルタの出力信号パラメータに置き換えたときの値よりも、修正Wiener規準が小さくなるような分離信号パラメータ値を入力信号から推定する。
たとえば、修正Wiener規準減少部40は、修正Wiener基準の分離パラメータが入る部分(式10のG(S)ω,tのS)に、従来Wienerフィルタの出力信号パラメータ(^S)を入れた場合よりも、修正Wiener規準の値が小さくなるような分離信号パラメータ値を入力信号から推定する。
In other words, the modified Wiener criterion reduction unit 40 uses the input signal to obtain a separation signal parameter value that makes the modified Wiener criterion smaller than the value when the separation signal parameter in the modified Wiener criterion is replaced with the output signal parameter of the conventional Wiener filter. presume.
For example, the modified Wiener criterion reduction unit 40 inserts the output signal parameter (^ S) of the conventional Wiener filter into the part where the separation parameter of the modified Wiener criterion is entered (S of G (S) ω, t in Equation 10). Rather, the separation signal parameter value such that the value of the modified Wiener criterion is smaller is estimated from the input signal.

ここで、対象信号を推定するための時間周波数領域の信号パラメータが、分離信号パラメータである。また、分離信号パラメータを逆短時間フーリエ変換により復元したときの時系列信号の時間周波数成分配列と従来Wienerフィルタの出力信号パラメータとの重みつき距離が、修正Wiener 規準である。
なお、ここでいう「分離信号パラメータを逆短時間フーリエ変換により復元したときの時系列信号の時間周波数成分配列」とは、「分離信号パラメータを復元したときの時系列信号の時間周波数成分配列」、あるいは、「分離信号パラメータを時間周波数解析の逆変換により復元したときの時系列信号の時間周波数成分配列」のことである。
Here, the signal parameter in the time-frequency domain for estimating the target signal is a separated signal parameter. The weighted distance between the time-frequency component array of the time-series signal and the output signal parameter of the conventional Wiener filter when the separated signal parameter is restored by inverse short-time Fourier transform is the modified Wiener criterion.
In addition, “the time-frequency component array of the time-series signal when the separated signal parameter is restored by inverse short-time Fourier transform” here means “the time-frequency component array of the time-series signal when the separated signal parameter is restored”. Or “a time-frequency component array of a time-series signal when the separated signal parameters are restored by inverse transformation of time-frequency analysis”.

分離信号パラメータ出力部50は、修正Wiener規準減少部40により推定された分離信号パラメータ値を出力する。分離信号パラメータ値は、入力信号から推定したい対象信号を分離するための時間周波数領域の信号パラメータである。分離信号パラメータ値に逆STFT施すことにより、入力信号中に含まれる対象信号の推定値を求めることができる。   The separated signal parameter output unit 50 outputs the separated signal parameter value estimated by the modified Wiener criterion reducing unit 40. The separated signal parameter value is a signal parameter in the time frequency domain for separating the target signal to be estimated from the input signal. By performing inverse STFT on the separated signal parameter value, an estimated value of the target signal included in the input signal can be obtained.

次に、図3を用いて、修正Wiener規準減少部40の構成の一例について、詳細に説明する。
ブロック分割部400は、前記従来Wienerフィルタ出力信号パラメータを複数フレームのブロックに分割する。ブロックがオーバーラップするように少数のフレームを一つのブロックにしても良い。また、各ブロックに含まれているフレームの数を一定にしても良く、各ブロック毎にそれぞれ別のフレーム数にしても良い。また、オーバーラップしているフレーム数も同様。ここでは、ブロックのインデックスをb、ブロック数をBと呼び、一つのブロックに含まれるフレーム数が一定を仮定しその数をnBと呼び、隣接しているブロックのオーバーラップしているフレーム数をnOと呼ぶ。ブロック内の分離信号をs(b)と呼ぶ。b番目のブロックに相当するフレームの最初のインデックスをnbと呼び、そのブロックに相当するフレームインデックスはt=nb,...,nb+1+nO-1。また、個々の信号の時間周波数振幅成分配列の推定値を用いて、重み係数を次式(38)のように計算する。
Next, an example of the configuration of the modified Wiener criterion reduction unit 40 will be described in detail with reference to FIG.
The block dividing unit 400 divides the conventional Wiener filter output signal parameter into blocks of a plurality of frames. A small number of frames may be combined into one block so that the blocks overlap. Further, the number of frames included in each block may be fixed, or the number of frames may be different for each block. The same applies to the number of overlapping frames. Here, the index of the block is called b, the number of blocks is called B, the number of frames contained in one block is assumed to be constant, the number is called n B, and the number of overlapping frames of adjacent blocks Is called nO. The separated signal in the block is called s (b) . The first index of the frame corresponding to the b-th block is called n b, and the frame index corresponding to the block is t = n b , ..., n b + 1 + n O −1. Also, using the estimated value of the time-frequency amplitude component array of each signal, the weighting coefficient is calculated as in the following equation (38).

ブロック内分離信号パラメータ計算部410は、前記ブロック分割部400で分割されたブロックb内において、修正Wiener規準を最小とする時系列信号である分離信号s(b)を計算し、各ブロック内分離信号パラメータとして出力する。より詳細には、ブロック内分離信号パラメータ計算部410は、ブロックb内の時系列信号である分離信号s(b)を、次式(39)により計算する。 The intra-block separation signal parameter calculation unit 410 calculates a separation signal s (b) that is a time-series signal that minimizes the modified Wiener criterion in the block b divided by the block division unit 400, and separates each intra-block separation Output as a signal parameter. More specifically, the intra-block separated signal parameter calculation unit 410 calculates the separated signal s (b) , which is a time series signal in the block b, by the following equation (39).

具体的には、式(39)の分子である次式(40)   Specifically, the following formula (40) is a numerator of formula (39)

を計算し、式(39)の分母の行列である次式(41) And the following equation (41), which is the matrix of the denominator of equation (39)

の逆行列を計算せず、分母の行列がエルミートかつ帯行列という性質を用いて、線形系の解を効率良く計算することができる。 It is possible to efficiently calculate the solution of the linear system by using the property that the denominator matrix is Hermitian and banded matrix without calculating the inverse matrix of.

詳細は例えば非特許文献8:W. H. Press, W. T. Vetterling, S. A. Teukolsky and B. P. Flannery, Numerical Recipes in C++: The Art of Scientific Computing, 2nd ed. Cambridge University Press, 2002を参照。 Details, for example, Non-Patent Document 8: WH Press, WT Vetterling, SA Teukolsky and BP Flannery, Numerical Recipes in C ++: see The Art of Scientific Computing, 2 nd ed Cambridge University Press, 2002..

全体分離信号パラメータ計算部420は、前記ブロック内分離信号パラメータ計算部410により計算された各ブロック内分離信号パラメータを用いて全体の分離信号パラメータを計算する。ここでは、nb+2≧nb+1+nOとし、同時に重なりうるブロック数が二つ以下だと仮定する。b番目のブロックにおいて、nb+nO<nb+1-1が成り立つ場合、隣のどのブロックとも重なっていない区間が存在し、その区間においては全体分離信号パラメータを次式(42)のようにブロック内分離信号パラメータそのものにする。 The total separation signal parameter calculation unit 420 calculates the total separation signal parameter using each intra-block separation signal parameter calculated by the intra-block separation signal parameter calculation unit 410. Here, it is assumed that n b + 2 ≧ n b + 1 + n O and that the number of blocks that can be simultaneously overlapped is two or less. In the b-th block, when n b + n O <n b + 1 −1 holds, there is a section that does not overlap with any adjacent block, and in that section, the total separation signal parameter is expressed by the following equation (42): Thus, the intra-block separation signal parameter itself is used.

b番目のブロックとb+1番目のブロックが重なっている区間においては、例えば下記のように全体分離信号パラメータを合成する。ブロックの境界に近い部分が境界の影響を受ける恐れがあるので、その部分を除くように、例えば、nC<nO/2を定義し、b+1番目のブロックの始めの長さnCの部分においては、全体分離信号パラメータを次式(43)のようにb番目のブロック内分離信号パラメータそのものにし、b番目のブロックの終わりの長さnCの部分においては、全体分離信号パラメータを次式(44)のようにb+1番目のブロック内分離信号パラメータそのものにする。 In a section where the b-th block and the b + 1-th block overlap, for example, the entire separation signal parameter is synthesized as follows. Since the part close to the boundary of the block may be affected by the boundary, for example, n C <n O / 2 is defined so as to exclude the part, and the length n C at the beginning of the b + 1-th block In this part, the total separation signal parameter is set to the b-th intra-block separation signal parameter itself as shown in the following equation (43), and in the part of the length n C at the end of the b-th block, the total separation signal parameter is As shown in the following equation (44), the b + 1-th intra-block separation signal parameter itself is used.

最後にオーバーラップしている区間の中間の部分は例えば次式(45)のようにクロスフェードにより全体分離信号パラメータを計算する。   Finally, the entire separation signal parameter is calculated by cross-fading as shown in the following equation (45), for example, in the middle part of the overlapping section.

なお、修正Wiener規準減少部40全体においては、ブロック分割部400においてブロックに分割を行わず(ブロック数B=1として)、式(39)により全体分離信号パラメータを一気に計算することもできる。その場合は全体分離信号パラメータ計算部420の処理は省略される。   In the modified Wiener criterion reducing unit 40 as a whole, the block dividing unit 400 does not divide the block (assuming that the number of blocks B = 1), and the entire separation signal parameter can be calculated at once by the equation (39). In that case, the process of the total separated signal parameter calculation unit 420 is omitted.

<実施例2>
実施例2は上記「方針1」に沿って信号分離を行う構成である。
ここで説明する本発明の実施形態に係る信号分離装置1は図2に示す実施例1で説明した信号分離装置であって、修正Wiener規準減少部40を実施例1(図3)で説明したものの代わりに、図4の構成に置き換えたものである。
<Example 2>
The second embodiment is configured to perform signal separation in accordance with the “policy 1”.
The signal separation device 1 according to the embodiment of the present invention described here is the signal separation device described in Example 1 shown in FIG. 2, and the modified Wiener criterion reduction unit 40 is described in Example 1 (FIG. 3). Instead of this, the configuration shown in FIG. 4 is used.

実施例2の修正Wiener規準減少部40は、情報記憶部401、分離信号パラメータ初期値生成部411、分離信号パラメータ収束判定部421、分離信号パラメータ更新部431、分離信号パラメータ出力部441から構成されている。   The modified Wiener criterion reduction unit 40 of the second embodiment includes an information storage unit 401, a separated signal parameter initial value generation unit 411, a separated signal parameter convergence determination unit 421, a separated signal parameter update unit 431, and a separated signal parameter output unit 441. ing.

情報記憶部401は、分離信号パラメータ、従来Wienerフィルタ出力信号パラメータ、並びに、対象信号と干渉信号の時間周波数振幅成分配列推定値を記憶するための記憶領域である。また、情報記憶部401は、対象信号と干渉信号の時間周波数振幅成分配列推定値から次式(46)のように計算できる重み係数も記憶する。   The information storage unit 401 is a storage area for storing the separation signal parameter, the conventional Wiener filter output signal parameter, and the time frequency amplitude component array estimated value of the target signal and the interference signal. The information storage unit 401 also stores a weighting coefficient that can be calculated as in the following equation (46) from the time frequency amplitude component array estimated values of the target signal and the interference signal.

分離信号パラメータ初期値生成部411は、前記分離信号パラメータS≡(Sω,t)N×Tの初期値を設定し、その設定値をS′として情報記憶部401に出力する。例えば、Sの初期値S′を式(4)で定義した^S=(^Sω,t)N×Tにしても良い。 The separated signal parameter initial value generation unit 411 sets an initial value of the separated signal parameter S≡ (S ω, t ) N × T , and outputs the set value to the information storage unit 401 as S ′. For example, the initial value S ′ of S may be set to ^ S = (^ S ω, t ) N × T defined by Equation (4).

分離信号パラメータ更新部431は、情報記憶部401に記憶されている分離信号パラメータS′と、重み係数αと、従来Wienerフィルタ出力信号パラメータ^Sとから、新たな分離信号パラメータを計算し、情報記憶部401に記憶されている分離信号パラメータS′を新たな分離信号パラメータで置き換える。また、分離信号パラメータ更新部431は、分離信号パラメータ収束判定部421において、情報記憶部401に記憶されている分離信号パラメータS′が所定の規準を満たしていないと判断された場合に、新たな分離信号パラメータを再度算出する。より詳細には、分離信号パラメータ更新部431は、情報記憶部401に記憶されている分離信号パラメータS′を用いて、次式(47)により無矛盾化時間周波数成分配列G(S′)を計算し、次式(48)により新たな分離信号パラメータSを計算する。   The separated signal parameter updating unit 431 calculates a new separated signal parameter from the separated signal parameter S ′ stored in the information storage unit 401, the weighting factor α, and the conventional Wiener filter output signal parameter ^ S, and information The separation signal parameter S ′ stored in the storage unit 401 is replaced with a new separation signal parameter. Further, the separated signal parameter update unit 431 generates a new signal when the separated signal parameter convergence determination unit 421 determines that the separated signal parameter S ′ stored in the information storage unit 401 does not satisfy a predetermined criterion. The separation signal parameter is calculated again. More specifically, the separated signal parameter updating unit 431 uses the separated signal parameter S ′ stored in the information storage unit 401 to calculate a consistent time frequency component array G (S ′) according to the following equation (47). Then, a new separated signal parameter S is calculated by the following equation (48).

ただし、γは正な定数である。また、算出された新たな値SをS′として情報記憶部401に反映させる。   Where γ is a positive constant. Also, the calculated new value S is reflected in the information storage unit 401 as S ′.

分離信号パラメータ収束判定部421は、情報記憶部401に記憶されている分離信号パラメータS′が所定の規準を満たしているか否かを判断する。より詳細には、分離信号パラメータ収束判定部421は、分離信号パラメータ更新部431を実行した回数(反復回数)をカウントしておき、反復回数が予め定めた回数に到達したか否か、或いは、情報記憶部401に記憶されている分離信号パラメータS′と分離信号パラメータ更新部431において新たに算出された分離信号パラメータSの変化率を計算し、変化率が予め定めた閾値以下になったか否か、或いは、次式(49)の目的関数値の変化率が予め定めた閾値以下になったか否か、或いは、次式(49)の目的関数値が予め定めた閾値以下になったか否か、により分離信号パラメータS′が所定の規準を満たしているか否かを判断する。   The separated signal parameter convergence determination unit 421 determines whether or not the separated signal parameter S ′ stored in the information storage unit 401 satisfies a predetermined criterion. More specifically, the separated signal parameter convergence determination unit 421 counts the number of times (the number of iterations) that the separated signal parameter update unit 431 has been executed, and whether or not the number of iterations has reached a predetermined number, The rate of change of the separation signal parameter S ′ stored in the information storage unit 401 and the separation signal parameter S newly calculated in the separation signal parameter update unit 431 is calculated, and whether or not the rate of change is below a predetermined threshold value Or whether the rate of change of the objective function value of the following equation (49) is less than or equal to a predetermined threshold, or whether the objective function value of the following equation (49) is less than or equal to a predetermined threshold. To determine whether the separated signal parameter S ′ satisfies a predetermined criterion.

分離信号パラメータ出力部441は、分離信号パラメータ収束判定部421によって前記分析パラメータが所定の規準を満たしていると判断された場合に、前記分析パラメータを出力する。   The separation signal parameter output unit 441 outputs the analysis parameter when the separation signal parameter convergence determination unit 421 determines that the analysis parameter satisfies a predetermined criterion.

<実施例3>
実施例3は、上述の「方針3」に沿って信号分離を行う構成である。実施例3は、前記実施例2における分離信号パラメータ更新部431と分離信号パラメータ収束判定部421の処理を、以下の処理で置き換えたものである。
<Example 3>
The third embodiment is configured to perform signal separation in accordance with the above-described “policy 3”. In the third embodiment, the processes of the separated signal parameter update unit 431 and the separated signal parameter convergence determination unit 421 in the second embodiment are replaced with the following processes.

ここで、図5に示すように、分離信号パラメータ更新部431は、無矛盾化時間周波数成分配列計算部4310、時間周波数成分配列重み付き和計算部4311、から構成されている。   Here, as shown in FIG. 5, the separated signal parameter update unit 431 includes a consistent time frequency component array calculation unit 4310 and a time frequency component array weighted sum calculation unit 4311.

分離信号パラメータ更新部431は、情報記憶部401に記憶されている分離信号パラメータS´と、重み係数αと、従来Wienerフィルタ出力信号パラメータ^Sとから、新たな分離信号パラメータを計算する。また、分離信号パラメータ更新部431は、分離信号パラメータ収束判定部421によって前記分離信号パラメータが所定の規準を満たしていないと判断された場合に、新たな分離信号パラメータを再度算出する。   The separated signal parameter updating unit 431 calculates a new separated signal parameter from the separated signal parameter S ′ stored in the information storage unit 401, the weighting factor α, and the conventional Wiener filter output signal parameter ^ S. The separated signal parameter updating unit 431 calculates a new separated signal parameter again when the separated signal parameter convergence determining unit 421 determines that the separated signal parameter does not satisfy a predetermined criterion.

無矛盾化時間周波数成分配列計算部4310は、情報記憶部401に記憶されている分離信号パラメーから、新たな無矛盾化時間周波数成分配列を算出する。より詳細には、無矛盾化時間周波数成分配列計算部4310は、情報記憶部401に記憶されているS′を用いて、次式(50)により無矛盾化時間周波数成分配列G(S′)を計算する。   The consistent time frequency component array calculation unit 4310 calculates a new consistent time frequency component array from the separated signal parameters stored in the information storage unit 401. More specifically, the consistent time frequency component array calculation unit 4310 calculates the consistent time frequency component array G (S ′) by the following equation (50) using S ′ stored in the information storage unit 401. To do.

時間周波数成分配列重み付き和計算部4311は、情報記憶部401に記憶されている重み係数αおよび従来Wienerフィルタ出力信号パラメータ^Sと、無矛盾化時間周波数成分配列計算部4310によって算出された無矛盾化時間周波数成分配列とから、新たな分離信号パラメータを計算する。より詳細には、時間周波数成分配列重み付き和計算部4311は、無矛盾化時間周波数成分配列計算部4310で得られた~Sと従来Wienerフィルタ出力信号パラメータ^Sとを用いて次式(51)により分離信号パラメータSを計算する。   The time-frequency component array weighted sum calculation unit 4311 is made consistent with the weight coefficient α and the conventional Wiener filter output signal parameter ^ S stored in the information storage unit 401 and the non-consistent time-frequency component array calculation unit 4310. A new separation signal parameter is calculated from the time-frequency component array. More specifically, the time-frequency component array weighted sum calculation unit 4311 uses the ~ S obtained by the consistent time-frequency component array calculation unit 4310 and the conventional Wiener filter output signal parameter ^ S to obtain the following equation (51): The separation signal parameter S is calculated by

ただし、γは正な定数である。また、算出された新たな値SをS´として情報記憶部401に反映させる。   Where γ is a positive constant. The calculated new value S is reflected in the information storage unit 401 as S ′.

分離信号パラメータ収束判定部421は、情報記憶部401に記憶されている前記
分離信号パラメータが所定の規準を満たしているか否かを判断する。より詳細には、分離信号パラメータ収束判定部421は、分離信号パラメータ更新部431を実行した回数(反復回数)をカウントしておき、反復回数が予め定めた回数に到達したか否か、或いは、情報記憶部401に記憶されている分離信号パラメータS′と分離信号パラメータ更新部431において新たに算出された分離信号パラメータSの変化率が予め定めた閾値以下になったか否か、或いは、次式(52)の目的関数値の変化率が予め定めた閾値以下になったか否か、或いは、次式(52)の目的関数値が予め定めた閾値以下になったか否か、により分離信号パラメータS′が所定の規準を満たしているか否かを判断する。
The separated signal parameter convergence determination unit 421 determines whether or not the separated signal parameter stored in the information storage unit 401 satisfies a predetermined criterion. More specifically, the separated signal parameter convergence determination unit 421 counts the number of times (the number of iterations) that the separated signal parameter update unit 431 has been executed, and whether or not the number of iterations has reached a predetermined number, Whether the rate of change of the separation signal parameter S ′ stored in the information storage unit 401 and the separation signal parameter S newly calculated in the separation signal parameter updating unit 431 is equal to or less than a predetermined threshold value, or The separation signal parameter S depends on whether the rate of change of the objective function value in (52) is less than or equal to a predetermined threshold value or whether the objective function value in the following equation (52) is less than or equal to a predetermined threshold value. It is determined whether or not ′ satisfies a predetermined criterion.

<実施例4>
前記実施例3において、無矛盾化時間周波数成分配列計算部4310に関して、代替処
理として以下のように行っても良い。
<Example 4>
In the third embodiment, the consistent time frequency component array calculation unit 4310 may be performed as follows as an alternative process.

無矛盾化時間周波数成分配列計算部4310は、情報記憶部401に記憶されている分離信号パラメータS´から、新たな無矛盾化時間周波数成分配列を算出する。より詳細には、無矛盾化時間周波数成分配列計算部4310は、情報記憶部401に記憶されているS′を用いて、次式(53)により近似的に無矛盾化時間周波数成分配列~Sを計算する。   The consistent time frequency component array calculation unit 4310 calculates a new consistent time frequency component array from the separated signal parameter S ′ stored in the information storage unit 401. More specifically, the consistent time frequency component array calculation unit 4310 uses S ′ stored in the information storage unit 401 to approximately calculate the consistent time frequency component array ~ S according to the following equation (53). To do.

ただし、重み係数ηt′,ω′は次式(54)により定義する。また、Sの周波数ビンのインデックスをモデュロ(mod)Nと考える。 However, the weighting coefficients η t ′ and ω ′ are defined by the following equation (54). Further, the index of the frequency bin of S is assumed to be mod N.

ただし、wはSTFTの分析窓関数で、~sは逆STFTの正規化項入りの合成窓関数である。ここでは、正規化項を入れる前の合成窓関数sがs=wとみなすように仮定するので、~sは次式(55)により定義される。   Where w is an analysis window function of STFT, and ~ s is a composite window function including a normalization term of inverse STFT. Here, since it is assumed that the composite window function s before entering the normalization term is regarded as s = w, ~ s is defined by the following equation (55).

また、式(53)の計算において、重み係数ηの様々な対称性を用いて、掛け算の数をさらに減らすこともできる。また、全ての時間周波数ビンに関して更新を行っても良く、何らかの規準で各ビンに関して更新の計算を行うか、前ステップの値のままにするかという選択的更新にしても良い。例えば、ある閾値を決めて、閾値より大きい時間周波数振幅成分配列のビンのみを更新しても良い。また、閾値を固定しても良く、反復ステップ毎に変えても良い。詳細は非特許文献3を参照。   Further, in the calculation of Expression (53), the number of multiplications can be further reduced by using various symmetries of the weighting coefficient η. Further, all the time frequency bins may be updated. Alternatively, the update may be calculated for each bin according to some criterion or may be selectively updated to keep the value of the previous step. For example, a certain threshold value may be determined, and only the bin of the time frequency amplitude component array larger than the threshold value may be updated. Further, the threshold value may be fixed or may be changed for each repetitive step. See Non-Patent Document 3 for details.

<効果を検証するための実験例>
本発明の効果および作用を示すため、本発明の実施形態を用いた実験例を以下に説明する。各手法において、計算時間と反復計算を終了したときの修正Wiener規準~ψの値についての評価実験を行う。従来Wienerフィルタの出力信号パラメータ^Sと、最小二乗誤差の意味で^Sの振幅成分に一番近い振幅成分を持つ無矛盾な時間周波数成分配列をGriffin-Lim法により(例えば非特許文献2を参照)計算したものを、今回の実験での本発明の比較対象とする。
<Experimental example to verify the effect>
In order to show the effects and operations of the present invention, experimental examples using the embodiments of the present invention will be described below. In each method, an evaluation experiment is performed on the value of the corrected Wiener criterion ~ ψ when the calculation time and the iterative calculation are finished. A consistent time-frequency component array having the amplitude component closest to the amplitude component of ^ S and the output signal parameter ^ S of the conventional Wiener filter in the sense of least square error (see Non-Patent Document 2, for example) ) The calculated value is the comparison target of the present invention in this experiment.

サンプリング周波数は16kHzとし、時間周波数成分配列はフレーム長N=1024(64ms)のsine窓関数を、特に指定する場合を除いてR=512(32ms)毎にシフトさせて作成した。逆STFTの合成窓には同じくsine窓関数を用いた。   The sampling frequency was 16 kHz, and the time frequency component array was created by shifting the sine window function with a frame length of N = 1024 (64 ms) every R = 512 (32 ms) unless otherwise specified. The sine window function was also used for the inverse STFT composite window.

各手法を下記のように実装した。時間領域の手法に関しては、実施例1にも説明したように、nB=64個のフレームを合わせたブロック毎に処理を行った。隣接するブロックが半分重なるようにnO=nB/2にした。すなわちnb=bnB/2であった。また、境界近くの除かれる区間のフレーム数をnC=nB/8にした。すなわち、クロスフェードが行われる区間の長さはnO-2nC=nB/4である。ブロック分割に関するパラメータnB、nO、nCについては予備実験で、全体の区間を一つのブロックにして解析に解く場合の修正Wiener規準の値をほとんど保ったまま、できるだけ計算時間と必要メモリ量を減らすように設定した。 Each method was implemented as follows. As described in the first embodiment, the time domain method is processed for each block in which n B = 64 frames are combined. N O = n B / 2 was set so that adjacent blocks overlapped half. That is, n b = bn B / 2. In addition, the number of frames in the excluded section near the boundary is set to n C = n B / 8. That is, the length of the section in which crossfading is performed is n O −2n C = n B / 4. Parameters n B , n O , and n C related to block partitioning are preliminary experiments, and the calculation time and required memory amount are kept as much as possible while maintaining almost the value of the modified Wiener criterion when solving the analysis with the entire interval as one block. Was set to reduce.

Douglas-Rachford splitting法に基づく手法および補助関数法に基づく手法に関しては、直感的にγを大きく設定するほど良い解が得られるが、収束の速度が遅くなる。補助関数法に基づく手法においては、あるγ0を用いた更新式(35)により得られた点から、γ0より大きいγ1を用いた更新式(35)を更に行うと修正Wiener規準~ψが単調減少することに実験的に気づいた。したがって、非常に小さい値から(例えばγ=10-5)スタートし、γを固定にしながら、~ψの減少が1%よりも小さくなるまで分離信号パラメータSを更新式(35)により更新し、~ψの減少が1%よりも小さくなったらγを2γに変え、Sの更新を再スタートする、という反復的アルゴリズムを行った。γの値が、~ψの1%より大きい減少無く2回連続引き上げられたときにアルゴリズムを打ち切った。あるいは、反復回数が200回になったときもアルゴリズムを打ち切った。また、Douglas-Rachford splitting法に基づく手法に関しては単調減少のような現象が補助関数法に基づく手法程明らかではなかったため、γを実験的に104に固定し、アルゴリズムの反復回数を4000回繰り返したところで打ち切った。最後にGriffin-Limによる位相推定のアルゴリズムも反復回数を4000回繰り返したところで打切った。 For the method based on the Douglas-Rachford splitting method and the method based on the auxiliary function method, a better solution can be obtained intuitively, but the convergence speed becomes slower. In the method based on the auxiliary function method, when the update formula (35) using γ 1 larger than γ 0 is further performed from the point obtained by the update formula (35) using a certain γ 0 , the modified Wiener criterion ~ ψ Experimentally noticed that the monotonic decrease. Therefore, starting from a very small value (for example, γ = 10 −5 ), while keeping γ fixed, the separation signal parameter S is updated by the update equation (35) until the decrease of ~ ψ becomes smaller than 1%, When the decrease in ~ ψ was smaller than 1%, we changed the γ to 2γ and restarted the S update. The algorithm was aborted when the value of γ was raised twice consecutively without a decrease of ~ 1% in ~ ψ. Alternatively, the algorithm was aborted when the number of iterations reached 200. Also, with the method based on the Douglas-Rachford splitting method, a phenomenon such as monotonic decrease was not as obvious as the method based on the auxiliary function method, so γ was experimentally fixed at 10 4 and the number of iterations of the algorithm was 4000 times. I broke it off. Finally, the phase estimation algorithm by Griffin-Lim was terminated after 4000 iterations.

5.5sの2人の女性話者の音声の混合信号を入力信号にした。それぞれの発話の時間周波数振幅成分配列が予め与えられている場合(オラクル条件)を考えた。実験結果を表1に示す。従来Wienerフィルタの性能が既に非常に高いものの、修正Wiener規準の改善においても、SN比(SNR、信号対雑音比)の改善においても、全ての提案手法によって著しい改善が得られたことがわかる。SNRも改善する理由は自明ではないかもしれないが、再合成した時系列信号の時間周波数成分配列が最尤推定の解により近いことから理解できる。時間領域での最適解の計算が非常に時間はかかるが、補助関数法に基づく手法によりもっと短い時間で得られた推定値が最適解に非常に近いことがわかる。   The mixed signal of two female speakers in 5.5s was used as the input signal. The case where the time frequency amplitude component arrangement | sequence of each utterance is given previously (Oracle condition) was considered. The experimental results are shown in Table 1. Although the performance of the conventional Wiener filter is already very high, it can be seen that all the proposed methods have achieved significant improvements both in improving the modified Wiener criterion and in improving the signal-to-noise ratio (SNR). The reason for improving SNR may not be obvious, but it can be understood from the fact that the time-frequency component array of the re-synthesized time-series signal is closer to the solution of maximum likelihood estimation. Although the calculation of the optimal solution in the time domain is very time-consuming, it can be seen that the estimated value obtained in a shorter time by the method based on the auxiliary function method is very close to the optimal solution.

STFT時間周波数成分配列におけるフレームシフトの影響に関する実験も行った。表2に実験結果を示す。フレームシフトが小さくなる、すなわちフレーム間のオーバーラップ量が大きくなると、特に解析的計算による最適解の場合、SNRが改善することがわかる。オーバーラップが大きくなると無矛盾性拘束が強くなることによりこの結果を解釈できる。しかし、計算量もオーバーラップと比例して大きくなる。すべての手法において計算量が大体時間周波数成分配列のフレーム数と共に線形な比例で増加する。   Experiments on the effect of frame shift on STFT time-frequency component array were also conducted. Table 2 shows the experimental results. It can be seen that when the frame shift is reduced, that is, the amount of overlap between frames is increased, the SNR is improved particularly in the case of an optimal solution by analytical calculation. This result can be interpreted by the consistency constraint becoming stronger as the overlap increases. However, the calculation amount also increases in proportion to the overlap. In all methods, the amount of calculation increases in a linear proportion with the number of frames of the temporal frequency component array.

最後に、雑音抑圧の評価実験も行った。ここでは、補助関数法に基づく手法を用いた。ガウス白色雑音を加わった音声を入力信号とし、三つの条件を考えた:1)音声対象信号と雑音干渉信号のそれぞれの時間周波数振幅成分配列の実際の値が既知である(“oracle”条件);2)音声対象信号の時間周波数振幅成分配列の実際の値が既知で、雑音に関しては分散のみが既知である(“variance”条件);3)雑音干渉信号の分散しか与えられていなくて、音声対象信号の時間周波数振幅成分配列をスペクトルサブトラクションにより推定する(“subtraction”条件)。ここでは補助関数法に基づく手法と従来Wienerフィルタを比較した。各条件において三つのSNRを用いた:-10dB、0dBと10dB。各設定に対して、10個の独立に生成した雑音信号に関して平均を取った結果を表3にまとめる。特にスペクトルサブトラクションにおいて、補助関数法に基づく手法により著しい改善が見られる。知覚的に、ミュージカルノイズがまだ強いものの、従来Wienerフィルタに残っている残留雑音信号が非常に弱くなった。   Finally, noise suppression evaluation experiments were also conducted. Here, a method based on the auxiliary function method was used. Three conditions were considered by using the voice with Gaussian white noise added as the input signal: 1) The actual values of the time frequency amplitude component arrays of the speech target signal and the noise interference signal are known ("oracle" condition) 2) the actual value of the time frequency amplitude component array of the speech target signal is known, and only the variance is known for the noise ("variance" condition); 3) only the variance of the noise interference signal is given, The time frequency amplitude component array of the speech target signal is estimated by spectral subtraction ("subtraction" condition). Here, the method based on the auxiliary function method is compared with the conventional Wiener filter. Three SNRs were used in each condition: -10dB, 0dB and 10dB. Table 3 summarizes the results of averaging for 10 independently generated noise signals for each setting. Especially in spectral subtraction, a significant improvement can be seen by the method based on the auxiliary function method. Perceptually, although the musical noise is still strong, the residual noise signal remaining in the Wiener filter has become very weak.

雑音中音声信号のスペクトログラムを図6に示す。また、従来Wienerフィルタ出力信号のスペクトログラムを図7に示す。また、補助関数法に基づく手法により得られた時間領域信号のスペクトログラムを図8に示す。   The spectrogram of the speech signal in noise is shown in FIG. Moreover, the spectrogram of the conventional Wiener filter output signal is shown in FIG. Moreover, the spectrogram of the time domain signal obtained by the technique based on the auxiliary function method is shown in FIG.

以上説明したように、本実施形態によれば、パラメータ推定において、信号の時間周波数成分配列が無矛盾になるという制約を利用し、より的確な推定を行う。これにより、高精度かつ高速な信号分離処理を行うことができるという利点がある。すなわち、本発明は、信号分離を従来技術による場合と同等の速度で行え、かつ、より高精度の分離結果を得ることができる。   As described above, according to the present embodiment, in parameter estimation, more accurate estimation is performed using the restriction that the time-frequency component arrangement of signals is consistent. As a result, there is an advantage that high-precision and high-speed signal separation processing can be performed. That is, according to the present invention, signal separation can be performed at the same speed as in the case of the prior art, and more accurate separation results can be obtained.

なお、上記に説明した信号分離装置1が備える各構成は、専用のハードウェアにより実現されるものであってもよく、また、この信号分離装置1が備える各構成はメモリおよびCPU(中央演算装置)により構成され、信号分離装置1が備える各構成の機能を実現するためのプログラムをメモリにロードして実行することによりその機能を実現させるものであってもよい。   Each configuration provided in the signal separation device 1 described above may be realized by dedicated hardware, and each configuration provided in the signal separation device 1 includes a memory and a CPU (central processing unit). The program may be realized by loading a program for realizing the function of each component included in the signal separation device 1 into a memory and executing the program.

また、信号分離装置1が備える各構成の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、信号分離装置1が備える各構成の処理を実行してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。   Further, by recording a program for realizing the function of each component included in the signal separation device 1 on a computer-readable recording medium, causing the computer system to read and execute the program recorded on the recording medium, You may perform the process of each structure with which the signal separation apparatus 1 is provided. Here, the “computer system” includes an OS and hardware such as peripheral devices.

また、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
Further, the “computer system” includes a homepage providing environment (or display environment) if a WWW system is used.
The “computer-readable recording medium” refers to a storage device such as a flexible medium, a magneto-optical disk, a portable medium such as a ROM and a CD-ROM, and a hard disk incorporated in a computer system. Furthermore, the “computer-readable recording medium” dynamically holds a program for a short time like a communication line when transmitting a program via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line. In this case, a volatile memory in a computer system serving as a server or a client in that case, and a program that holds a program for a certain period of time are also included. The program may be a program for realizing a part of the functions described above, and may be a program capable of realizing the functions described above in combination with a program already recorded in a computer system.

以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。   The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes design and the like within a scope not departing from the gist of the present invention.

1…信号分離装置、10…時間周波数解析部、20…時間周波数振幅成分配列推定部、30…従来Wienerフィルタ出力信号パラメータ計算部、40…修正Wiener規準減少部、50…分離信号パラメータ出力部、400…ブロック分割部、401…情報記憶部、410…ブロック内分離信号パラメータ計算部、411…分離信号パラメータ初期値生成部、420…全体分離信号パラメータ計算部、421…分離信号パラメータ収束判定部、431…分離信号パラメータ更新部、441…分離信号パラメータ出力部、4310…無矛盾化時間周波数成分配列計算部、4311…ペクトログラム重み付き和計算部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Signal separation apparatus, 10 ... Time frequency analysis part, 20 ... Time frequency amplitude component arrangement | sequence estimation part, 30 ... Conventional Wiener filter output signal parameter calculation part, 40 ... Modified Wiener criterion reduction part, 50 ... Separation signal parameter output part, 400: Block division unit, 401: Information storage unit, 410: Intra-block separation signal parameter calculation unit, 411: Separation signal parameter initial value generation unit, 420 ... Whole separation signal parameter calculation unit, 421 ... Separation signal parameter convergence determination unit, 431 ... Separation signal parameter update unit, 441 ... Separation signal parameter output unit, 4310 ... Contradiction time frequency component array calculation unit, 4311 ... Petrogram weighted sum calculation unit

Claims (9)

対象信号と干渉信号の混合信号である入力信号から時間周波数成分配列を計算する時間周波数解析部と、
前記入力信号から、当該入力信号に含まれている前記対象信号と干渉信号との各ソース信号毎の時間周波数振幅成分配列を推定する時間周波数振幅成分配列推定部と、
前記入力信号から計算された時間周波数成分配列と前記各ソース信号毎の時間周波数振幅成分配列の推定値とに基づいて、各短時間フレームにおける、時間周波数領域でのWienerフィルタである従来Wienerフィルタの出力信号パラメータを計算するWienerフィルタ出力信号パラメータ計算部と、
前記対象信号を推定するための時間周波数領域の信号パラメータを分離信号パラメータとし、前記分離信号パラメータを逆短時間フーリエ変換により復元したときの時系列信号の時間周波数成分配列と前記従来Wienerフィルタの出力信号パラメータとの重みつき距離を修正Wiener 規準として、前記修正Wiener規準における前記分離信号パラメータを前記従来Wienerフィルタの前記出力信号パラメータに置き換えたときの値よりも、前記修正Wiener規準が小さくなるような前記分離信号パラメータ値を前記入力信号から推定する修正Wiener規準減少部と、
前記修正Wiener規準減少部において推定された前記分離信号パラメータ値を出力する分離信号パラメータ出力部と、
を備えることを特徴とする信号分離装置。
A time-frequency analysis unit that calculates a time-frequency component array from an input signal that is a mixed signal of a target signal and an interference signal;
A time frequency amplitude component array estimation unit for estimating a time frequency amplitude component array for each source signal of the target signal and the interference signal included in the input signal from the input signal;
Based on the time frequency component array calculated from the input signal and the estimated value of the time frequency amplitude component array for each source signal, the Wiener filter of the conventional Wiener filter in the time frequency domain in each short time frame Wiener filter output signal parameter calculation unit for calculating output signal parameters;
The time frequency domain signal parameter for estimating the target signal is set as a separation signal parameter, and the time frequency component array of the time series signal and the output of the conventional Wiener filter when the separation signal parameter is restored by inverse short-time Fourier transform Using the weighted distance with the signal parameter as a modified Wiener criterion, the modified Wiener criterion is smaller than the value when the separated signal parameter in the modified Wiener criterion is replaced with the output signal parameter of the conventional Wiener filter. A modified Wiener criterion reduction unit for estimating the separated signal parameter value from the input signal;
A separation signal parameter output unit that outputs the separation signal parameter value estimated in the modified Wiener criterion reduction unit;
A signal separation device comprising:
前記修正Wiener規準減少部は、
前記従来Wienerフィルタ出力信号パラメータを複数フレームの長さのブロックに分割するブロック分割部と、
前記ブロックに分割された前記従来Wienerフィルタ出力信号パラメータの複数のフレームについて、前記修正Wiener規準が前記従来Wienerフィルタの場合より減少するように、当該ブロック内の分離信号パラメータ値を計算するブロック内分離信号パラメータ計算部と、
前記ブロック内の分離信号パラメータ値から、前記ブロックの全体に対する分離信号パラメータを計算する全体分離信号パラメータ計算部と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の信号分離装置。
The modified Wiener criterion reduction part is
A block dividing unit for dividing the conventional Wiener filter output signal parameter into blocks each having a length of a plurality of frames;
Intra-block separation for calculating a separation signal parameter value in the block so that the modified Wiener criterion is reduced compared to the case of the conventional Wiener filter for a plurality of frames of the conventional Wiener filter output signal parameter divided into the blocks A signal parameter calculator,
An overall separated signal parameter calculation unit for calculating a separated signal parameter for the entire block from the separated signal parameter value in the block;
The signal separation device according to claim 1, further comprising:
前記修正Wiener規準減少部は、
前記従来Wienerフィルタ出力信号パラメータと、前記時間周波数振幅成分配列推定値とを記憶する情報記憶部と、
前記分離信号パラメータについて初期値を生成する分離信号パラメータ初期値生成部と、
前記分離信号パラメータ値が収束したか否かを判定する分離信号パラメータ収束判定部と、
前記分離信号パラメータ値を更新する分離信号パラメータ更新部と、
前記分離信号パラメータ更新部において推定された前記分離信号パラメータ値を出力する分離信号パラメータ出力部と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の信号分離装置。
The modified Wiener criterion reduction part is
The conventional Wiener filter output signal parameter, and an information storage unit that stores the time frequency amplitude component array estimated value,
A separation signal parameter initial value generation unit for generating an initial value for the separation signal parameter;
A separation signal parameter convergence determination unit that determines whether or not the separation signal parameter value has converged;
A separation signal parameter update unit for updating the separation signal parameter value;
A separated signal parameter output unit that outputs the separated signal parameter value estimated in the separated signal parameter update unit;
The signal separation device according to claim 1, further comprising:
前記分離信号パラメータ更新部は、
前記分離信号パラメータについて、信号の時間周波数成分配列を無矛盾とした無矛盾化時間周波数成分配列を計算する無矛盾化時間周波数成分配列計算部と、
前記無矛盾化時間周波数成分配列と、前記分離信号パラメータと、前記従来Wiener フィルタ出力信号パラメータとを要素とした時間周波数成分配列重み付き和を計算する時間周波数成分配列重み付き和計算部と、
を備えることを特徴とする請求項3に記載の信号分離装置。
The separated signal parameter update unit includes:
For the separated signal parameter, a consistent time frequency component array calculation unit that calculates a consistent time frequency component array that makes the time frequency component array of the signal consistent, and
A time-frequency component array weighted sum calculation unit that calculates a time-frequency component array weighted sum having the non-consistent time-frequency component array, the separated signal parameter, and the conventional Wiener filter output signal parameter as elements;
The signal separation device according to claim 3, further comprising:
対象信号と干渉信号の混合信号である入力信号から時間周波数成分配列を計算する時間周波数解析過程と、
前記入力信号から、当該入力信号に含まれている前記対象信号と干渉信号との各ソース信号毎の時間周波数振幅成分配列を推定する時間周波数振幅成分配列推定過程と、
前記入力信号から計算された時間周波数成分配列と前記各ソース信号毎の時間周波数振幅成分配列の推定値とに基づいて、各短時間フレームにおける、時間周波数領域でのWienerフィルタである従来Wienerフィルタの出力信号パラメータを計算するWienerフィルタ出力信号パラメータ計算過程と、
前記対象信号を推定するための時間周波数領域の信号パラメータを分離信号パラメータとし、前記分離信号パラメータを逆短時間フーリエ変換により復元したときの時系列信号の時間周波数成分配列と前記従来Wienerフィルタの出力信号パラメータとの重みつき距離を修正Wiener 規準として、前記修正Wiener規準における前記分離信号パラメータを前記従来Wienerフィルタの前記出力信号パラメータに置き換えたときの値よりも、前記修正Wiener規準が小さくなるような前記分離信号パラメータ値を前記入力信号から推定する修正Wiener規準減少過程と、
前記修正Wiener規準減少過程において推定された前記分離信号パラメータ値を出力する分離信号パラメータ出力過程と、
を備えることを特徴とする信号分離方法。
A time-frequency analysis process for calculating a time-frequency component array from an input signal that is a mixed signal of a target signal and an interference signal;
A time frequency amplitude component array estimation process for estimating a time frequency amplitude component array for each source signal of the target signal and the interference signal included in the input signal from the input signal;
Based on the time frequency component array calculated from the input signal and the estimated value of the time frequency amplitude component array for each source signal, the Wiener filter of the conventional Wiener filter in the time frequency domain in each short time frame Wiener filter output signal parameter calculation process for calculating output signal parameters;
The time frequency domain signal parameter for estimating the target signal is set as a separation signal parameter, and the time frequency component array of the time series signal and the output of the conventional Wiener filter when the separation signal parameter is restored by inverse short-time Fourier transform Using the weighted distance with the signal parameter as a modified Wiener criterion, the modified Wiener criterion is smaller than the value when the separated signal parameter in the modified Wiener criterion is replaced with the output signal parameter of the conventional Wiener filter. A modified Wiener criterion reduction process for estimating the separated signal parameter value from the input signal;
A separated signal parameter output process for outputting the separated signal parameter value estimated in the modified Wiener criterion decreasing process;
A signal separation method comprising:
前記修正Wiener規準減少過程は、さらに、
前記従来Wienerフィルタ出力信号パラメータを複数フレームの長さのブロックに分割するブロック分割過程と、
前記ブロックに分割された前記従来Wienerフィルタ出力信号パラメータの複数のフレームについて、前記修正Wiener規準が前記従来Wienerフィルタの場合より減少するように、当該ブロック内の分離信号パラメータ値を計算するブロック内分離信号パラメータ計算過程と、
前記ブロック内の分離信号パラメータ値から、前記ブロックの全体に対する分離信号パラメータを計算する全体分離信号パラメータ計算過程と、
を備えることを特徴とする請求項5に記載の信号分離方法。
The modified Wiener criterion reduction process further includes:
A block division process of dividing the conventional Wiener filter output signal parameter into blocks of a length of a plurality of frames;
Intra-block separation for calculating a separation signal parameter value in the block so that the modified Wiener criterion is reduced compared to the case of the conventional Wiener filter for a plurality of frames of the conventional Wiener filter output signal parameter divided into the blocks Signal parameter calculation process;
A total separation signal parameter calculation process for calculating a separation signal parameter for the whole block from the separation signal parameter value in the block;
The signal separation method according to claim 5, further comprising:
前記修正Wiener規準減少過程は、さらに、
前記従来Wienerフィルタ出力信号パラメータと、前記時間周波数振幅成分配列推定値とを記憶する情報記憶過程と、
前記分離信号パラメータについて初期値を生成する分離信号パラメータ初期値生成過程と、
前記分離信号パラメータ値が収束したか否かを判定する分離信号パラメータ収束判定過程と、
前記分離信号パラメータ値を更新する分離信号パラメータ更新過程と、
前記分離信号パラメータ更新過程において推定された前記分離信号パラメータ値を出力する分離信号パラメータ出力過程と、
を備えることを特徴とする請求項5に記載の信号分離方法。
The modified Wiener criterion reduction process further includes:
Information storage process for storing the conventional Wiener filter output signal parameters and the time frequency amplitude component array estimated value,
A separation signal parameter initial value generation step of generating an initial value for the separation signal parameter;
A separation signal parameter convergence determination step of determining whether or not the separation signal parameter value has converged;
A separation signal parameter update process of updating the separation signal parameter value;
A separated signal parameter output process of outputting the separated signal parameter value estimated in the separated signal parameter update process;
The signal separation method according to claim 5, further comprising:
前記分離信号パラメータ更新過程は、さらに、
前記分離信号パラメータについて、信号の時間周波数成分配列を無矛盾とした無矛盾化時間周波数成分配列を計算する無矛盾化時間周波数成分配列計算過程と、
前記無矛盾化時間周波数成分配列と、前記分離信号パラメータと、前記従来Wiener フィルタ出力信号パラメータとを要素とした時間周波数成分配列重み付き和を計算する時間周波数成分配列重み付き和計算過程と、
を備えることを特徴とする請求項7に記載の信号分離方法。
The separated signal parameter update process further includes:
For the separated signal parameter, a consistent time frequency component array calculation process for calculating a consistent time frequency component array in which the time frequency component array of the signal is consistent, and
A time-frequency component array weighted sum calculation step of calculating a time-frequency component array weighted sum having the non-consistent time-frequency component array, the separated signal parameter, and the conventional Wiener filter output signal parameter as elements;
The signal separation method according to claim 7, further comprising:
信号分離装置としてのコンピュータに、
対象信号と干渉信号の混合信号である入力信号から時間周波数成分配列を計算する時間周波数解析過程と、
前記入力信号から、当該入力信号に含まれている前記対象信号と干渉信号との各ソース信号毎の時間周波数振幅成分配列を推定する時間周波数振幅成分配列推定過程と、
前記入力信号から計算された時間周波数成分配列と前記各ソース信号毎の時間周波数振幅成分配列の推定値とに基づいて、各短時間フレームにおける、時間周波数領域でのWienerフィルタである従来Wienerフィルタの出力信号パラメータを計算するWienerフィルタ出力信号パラメータ計算過程と、
前記対象信号を推定するための時間周波数領域の信号パラメータを分離信号パラメータとし、前記分離信号パラメータを逆短時間フーリエ変換により復元したときの時系列信号の時間周波数成分配列と前記従来Wienerフィルタの出力信号パラメータとの重みつき距離を修正Wiener 規準として、前記修正Wiener規準における前記分離信号パラメータを前記従来Wienerフィルタの前記出力信号パラメータに置き換えたときの値よりも、前記修正Wiener規準が小さくなるような前記分離信号パラメータ値を前記入力信号から推定する修正Wiener規準減少過程と、
前記修正Wiener規準減少過程において推定された前記分離信号パラメータ値を出力する分離信号パラメータ出力過程と、
を実行させるための信号分離プログラム。
To a computer as a signal separation device,
A time-frequency analysis process for calculating a time-frequency component array from an input signal that is a mixed signal of a target signal and an interference signal;
A time frequency amplitude component array estimation process for estimating a time frequency amplitude component array for each source signal of the target signal and the interference signal included in the input signal from the input signal;
Based on the time frequency component array calculated from the input signal and the estimated value of the time frequency amplitude component array for each source signal, the Wiener filter of the conventional Wiener filter in the time frequency domain in each short time frame Wiener filter output signal parameter calculation process for calculating output signal parameters;
The time frequency domain signal parameter for estimating the target signal is set as a separation signal parameter, and the time frequency component array of the time series signal and the output of the conventional Wiener filter when the separation signal parameter is restored by inverse short-time Fourier transform Using the weighted distance with the signal parameter as a modified Wiener criterion, the modified Wiener criterion is smaller than the value when the separated signal parameter in the modified Wiener criterion is replaced with the output signal parameter of the conventional Wiener filter. A modified Wiener criterion reduction process for estimating the separated signal parameter value from the input signal;
A separated signal parameter output process for outputting the separated signal parameter value estimated in the modified Wiener criterion decreasing process;
Signal separation program for executing
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