JP2011247921A - 信号合成方法、信号合成装置及びプログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】時系列信号の周期成分の周波数スペクトルに対応する周期特徴量と任意に選択された基本周波数とを用い、それぞれの周波数が基本周波数の整数倍である複数の正弦波の重畳によって、基本周波数と周期特徴量とに対応する時間領域の第1信号を生成し、時系列信号の非周期成分の周波数スペクトルに対応する非周期特徴量を用い、複数の正弦波の重畳によって、非周期特徴量に対応する時間領域の第2信号を生成し、第1信号と第2信号との和を合成信号とする。
【選択図】図1
Description
まず、本形態の原理を説明する。
図7の破線のグラフは時系列信号の周期成分の周波数スペクトルに対するスペクトル包絡(周期特徴量)を例示し、実線のグラフは時系列信号の周期成分の周波数スペクトルに対するスペクトル包絡(周期特徴量)を例示する。また、図8の実線のグラフは周期特徴量を例示し、白丸は選択された基本周波数の整数倍での周期特徴量を例示する。なお、図7及び図8の横軸は、離散周波数0,fs/L,…,fs(L-1)/Lに対するサンプル点0,1,...,(L-1)/Lを表す(周波数サンプル点)。ここで、fsはサンプリング周波数を表し、Lは周波数窓幅である正整数(スペクトル特徴量の次数)であり、図7の例ではL=512である。また、図7及び図8の縦軸は振幅スペクトルを表す。
=Σk=1 N Ak(t(i))・sin(2π・k・f0(t(i))・(t(i-1)+Δt))
=Σk=1 N Ak(t(i))・sin(θk,t(i)+ωk,t(i)) …(1)
ただし、離散時間t(i)での選択された基本周波数をf0(t(i))と表し、離散時間t(i)に対応する各周波数k・f0(t(i))での周期特徴量の振幅スペクトル(高調波成分の振幅)をAk(t(i))と表し(図8参照)、離散時間t(i)よりも1離散時間過去の離散時間をt(i-1)と表し、離散時間t(i-1)と離散時間t(i)との差分(1離散時間間の時間差分)を定数Δtとし、θk,t(i)=2π・k・f0(t(i))・t(i-1)とし、ωk,t(i)=2π・k・f0(t(i))・Δtとし、Nを正整数とし、kを1以上N以下の整数とする。また、Nの例はシステムに許容された帯域幅をBWとした場合におけるBW/f0(t(i))以下の正整数である。従って概念的には図9で例示するような正弦波の重ね合わせで周期成分(第1信号)が生成できる。
cos(θk,t(i)+ωk,t(i))=cos(θk,t(i))・cos(ωk,t(i))-sin(θk,t(i))・sin(ωk,t(i)) …(3)
また、αk,t(i)=sin(θk,t(i)+ωk,t(i))とし、βk,t(i)=cos(θk,t(i)+ωk,t(i))とし、δs k,t(i)=sin(ωk,t(i))とし、δc k,t(i)=cos(ωk,t(i))とする。ここで、
αk,t(i-1)=sin(θk,t(i-1)+ωk,t(i-1))=sin(θk,t(i)) …(4)
βk,t(i-1)=cos(θk,t(i-1)+ωk,t(i-1))=cos(θk,t(i)) …(5)
となるため、式(2)(3)は以下のように変形できる。
βk,t(i)=βk,t(i-1)・δc k,t(i)-αt(i-1)・δs k,t(i) …(7)
離散時間t(i-1),t(i)を含む時間区間で基本周波数が一定であってf0(t(i-1))=f0(t(i))である場合、δc k,t(i-1)=δc k,t(i)かつδs k,t(i-1)=δs k,t(i)となり、この時間区間内(基本周期内等)においてδc k,t(i)及びδs k,t(i)は定数とみなせ、式(6)(7)は固定係数の単純な漸化式となり、高速に計算可能となる。そして、式(6)で得られたαk,t(i)を用いて
Sp(t(i))=Σk=1 N Ak(t(i))・αk,t(i) …(8)
によって離散時間t(i)での第1信号Sp(t(i))を計算できる。
図10の破線のグラフは、図7と同じ周期特徴量を例示し、実線のグラフは、時系列信号の非周期成分の周波数スペクトルに対するスペクトル包絡(非周期特徴量)を例示する。また、図11の実線のグラフは非周期特徴量を例示し、白丸は選択された各離散周波数0,fs/L,…,fs(L-1)/Lでの非周期特徴量を例示する。なお、図10及び図11の横軸は、離散周波数0,fs/L,…,fs(L-1)/Lに対するサンプル点0,1,...,(L-1)/Lを表す(周波数サンプル点)。ここで、図10の例ではL=512である。また、図10及び図11の縦軸は振幅スペクトルを表す。
=Σm=1 M Bm(t(i))・sin(2π・m・fb・(t(i-1)+Δt))
=Σm=1 M Bm(t(i))・sin(θm,t(i)+ωm) …(9)
ただし、離散時間t(i)に対応する各周波数m・fbでの周期特徴量の振幅スペクトルをBm(t(i))と表し(図11参照)、θm,t(i)=2π・m・fb・t(i-1)とし、ωm=2π・m・fb・Δtとし、MをM≦Lを満たす正整数(定数)とし、mを1以上M以下の整数とする。なお、サンプリング周波数fs及びスペクトル特徴量の次数Lは一定であるため、基底周波数fb=fs/Lも一定値となる。
cos(θm,t(i)+ωm)=cos(θm,t(i))・cos(ωm)-sin(θm)・sin(ωm) …(11)
また、γm,t(i)=sin(θm,t(i)+ωm)とし、ηm,t(i)=cos(θm,t(i)+ωm)とし、εs m=sin(ωm)とし、εc m=cos(ωm)とする。ここで、
γm,t(i-1)=sin(θm,t(i-1)+ωm)=sin(θm,t(i)) …(12)
ηm,t(i-1)=cos(θm,t(i-1)+ωm)=cos(θm,t(i)) …(13)
となるため、式(10)(11)は以下のように変形できる。
ηm,t(i)=ηm,t(i-1)・εc m-γt(i-1)・εs m …(15)
ここで、基底周波数fbは一定であるためωmは一定となりεs m及びεc mも一定となる。よって、εs m及びεc mは定数とみなせ、式(14)(15)は固定係数の単純な漸化式となり、高速に計算可能となる。そして、式(14)で得られたγm,t(i)を用いて
Sa(t(i))=Σm=1 M Bm(t(i))・γm,t(i) …(16)
によって離散時間t(i)での第2信号Sa(t(i))を計算できる。
以上のように得られた離散時間t(i)での第1信号Sp(t(i))と第2信号Sa(t(i))とを用い、以下のようにSp(t(i))とSa(t(i))との和を離散時間t(i)での合成信号S(t(i))とする。
S(t(i))=Sp(t(i))+Sa(t(i)) …(17)
次に、本発明の第1実施形態を説明する。なお、以下では、時系列信号が音声信号である場合を例示する。
図1に例示するように、第1実施形態の信号合成装置1は、記憶部11と制御部12と基本周波数入力部13と信号入力部14と分析部15と周期成分合成部16と非周期成分合成部17と信号加算部18とを有する。図2に例示するように、本形態の周期成分合成部16は、判定部161と計算部162〜164と漸化式計算部165と抽出部166とN設定部167と重畳部168と記憶部169とを有する。図3に例示するように、本形態の非周期成分合成部17は、判定部171と計算部172,173と漸化式計算部175と抽出部176と重畳部178と記憶部179とを有する。
以下では、離散時間t(i)での処理を説明する。同様な処理が各離散時間t(i)で実行される。
まず、周期成分合成部16の判定部161(図2)が、基本周波数f(t(i))が1離散時間前の基本周波数f(t(i-1))から変更されたか否かを判定する(ステップS131)。本形態では、所定の時間区間(例えば、基本周期)ごとに選択された基本周波数f(t(i-1))が基本周波数入力部13に入力されるものとする。
θk,t(i)=2π・k・f0(t(i))・t(i-1) …(18)
ωk,t(i)=2π・k・f0(t(i))・Δt …(19)
を計算して出力する(ステップS132b)。ωk,t(i)は計算部164に入力され、計算部164がk=1,...,Nについて
δs k,t(i)=sin(ωk,t(i)) …(20)
δc k,t(i)=cos(ωk,t(i)) …(21)
を計算し、得られたδs k,t(i)及びδc k,t(i)を記憶部169に格納する(ステップS132c)。また、計算部162から出力されたθk,t(i)とωk,t(i)は計算部163に入力され、計算部163がk=1,...,Nについて
αk,t(i)=sin(θk,t(i)+ωk,t(i)) …(22)
βk,t(i)=cos(θk,t(i)+ωk,t(i)) …(23)
を計算し、得られたαk,t(i)及びβk,t(i)を記憶部169に格納し(ステップS132d)、ステップS134に進む。
αk,t(i)=αk,t(i-1)・δc k,t(i)+βt(i-1)・δs k,t(i) …(24)
βk,t(i)=βk,t(i-1)・δc k,t(i)-αt(i-1)・δs k,t(i) …(25)
を計算し、得られたαk,t(i),βk,t(i),δs k,t(i)及びδc k,t(i)を記憶部169に格納し(ステップS133)、ステップS134に進む。
Sp(t(i))=Σk=1 N Ak(t(i))・αk,t(i) …(26)
を計算して出力する(ステップS135/[ステップS13の具体例]の説明終わり)。
まず、非周期成分合成部17の判定部171(図3)が、離散時間t(i)が初期時間であるか否かを判定する(ステップS141)。
θm,t(i)=2π・m・fb・t(i-1) …(27)
を計算して出力する(ステップS142a)。θm,t(i)は計算部173に入力され、計算部173がm=1,...,M(MはM≦Lを満たす定数)について
γm,t(i)=sin(θm,t(i)+ωm) …(28)
ηm,t(i)=cos(θm,t(i)+ωm) …(29)
を計算し、得られたγm,t(i)及びηm,t(i)を記憶部179に格納し(ステップS142b)、ステップS144に進む。
γm,t(i)=γm,t(i-1)・εc m+ηt(i-1)・εs m …(30)
ηm,t(i)=ηm,t(i-1)・εc m-γt(i-1)・εs m …(31)
を計算する。なお、前述のようにεs m及びεc mは定数となる。得られたγm,t(i)及びηm,t(i)は記憶部179に格納され(ステップS143)、ステップS144に進む。
Sa(t(i))=Σm=1 M Bm(t(i))・γm,t(i) …(32)
を計算して出力する(ステップS145/[ステップS14の具体例]の説明終わり)。
S(t(i))=Sp(t(i))+Sa(t(i)) …(33)
以上のように、本形態では、周期成分(第1信号)を基本周波数の整数倍の周波数を有する複数の正弦波の重畳で表現し、1サンプルあたり高々ハーモニック数分の正弦波の加算のみで周期成分(第1信号)が計算可能であるため、高速な処理が可能である。ここでハーモニック数は基本周波数の整数倍となる周期成分の個数のことである。一方、非周期成分(第2信号)についても周期成分と同様に非周期成分のスペクトル特徴量の次元数個分の正弦波の加算で計算可能であり、また各高調波の角速度は一定のため漸化式を用いることで高速な処理が可能となる。
次に、本発明の第2実施形態を説明する。第2実施形態は第1実施形態の変形例であり、入力された時系列信号である音声信号が有声区間のものであるか、無声区間のものであるかに応じて処理を変える。これにより、無声区間において周期成分のための不要な演算がなされることをなくし、さらに演算速度を向上させることができる。以下では、第1実施形態との共通事項を中心に説明し、第1実施形態と共通する事項については説明を省略する。
図1に例示するように、第2実施形態の信号合成装置2は、記憶部11と制御部12と基本周波数入力部13と信号入力部14と分析部15と周期成分合成部16と非周期成分合成部17と信号加算部18と選択部21と分析部22と非周期成分合成部23とを有する。非周期成分合成部17と非周期成分合成部23との構成は同一である。なお、本形態では、非周期成分合成部17と非周期成分合成部23とを別個の構成とするが、非周期成分合成部17が非周期成分合成部23として利用されてもよい。また、信号合成装置2も、例えば、CPU、RAM、ROMなどを有する公知又は専用コンピュータと特別なプログラムとから構成される。
以下では、離散時間t(i)での処理を説明する。同様な処理が各離散時間t(i)で実行される。
S(t(i))=Sa(t(i)) …(34)
として出力する(ステップS24)。
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではない。例えば、上述の各種の処理は、記載に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されてもよい。その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。
Claims (8)
- 時系列信号の周期成分の周波数スペクトルに対応する周期特徴量と任意に選択された基本周波数とを用い、それぞれの周波数が前記基本周波数の整数倍である複数の正弦波の重畳によって、前記基本周波数と前記周期特徴量とに対応する時間領域の第1信号を生成する周期成分合成ステップと、
前記時系列信号の非周期成分の周波数スペクトルに対応する非周期特徴量を用い、複数の正弦波の重畳によって、前記非周期特徴量に対応する時間領域の第2信号を生成する非周期成分合成ステップと、
前記第1信号と前記第2信号との和を合成信号とする信号加算ステップと、
を有する信号合成方法。 - 請求項1の信号合成方法であって、
前記第1信号は、前記基本周波数の整数倍である各周波数での前記周期特徴量の振幅スペクトルと当該基本周波数の整数倍である各周波数の正弦波との各積の和に対応する信号である、
ことを特徴とする信号合成方法。 - 請求項1又は2の信号合成方法であって、
iを整数とし、離散時間t(i)での前記第1信号をSp(t(i))と表し、前記離散時間t(i)での前記基本周波数をf0(t(i))と表し、Nを正整数とし、kを1以上N以下の整数とし、離散時間t(i)に対応する各周波数k・f0(t(i))での前記周期特徴量の振幅スペクトルをAk(t(i))と表し、離散時間t(i-1)と離散時間t(i)との差分を定数Δtとし、θk,t(i)=2π・k・f0(t(i))・t(i-1)とし、ωk,t(i)=2π・k・f0(t(i))・Δtとし、αk,t(i)=sin(θk,t(i)+ωk,t(i))とし、βk,t(i)=cos(θk,t(i)+ωk,t(i))とし、δs k,t(i)=sin(ωk,t(i))とし、δc k,t(i)=cos(ωk,t(i))とした場合、Sp(t(i))=Σk=1 N Ak(t(i))・αk,t(i)を満たし、
前記周期成分合成ステップは、
前記離散時間t(i)及びt(i-1)を含む時間区間において前記基本周波数が一定であって、f0(t(i))=f0(t(i-1))が満たされる場合、
αk,t(i-1)とβk,t(i-1)とδs k,t(i-1)とδc k,t(i-1)とを用い、δs k,t(i)=δs k,t(i-1)とδc k,t(i)=δc k,t(i-1)として、各k (k=1,...,N)に対してそれぞれ、
αk,t(i)=αk,t(i-1)・δc k,t(i)+βt(i-1)・δs k,t(i)とβk,t(i)=βk,t(i-1)・δc k,t(i)-αt(i-1)・δs k,t(i)
を計算する第1漸化式計算ステップと、
Ak(t(i))及びαk,t(i) (k=1,...,N)を用い、前記第1信号Sp(t(i))=Σk=1 N Ak(t(i))・αk,t(i)を計算する第1重畳ステップと、
を含むことを特徴とする信号合成方法。 - 請求項1から3の何れかの信号合成方法であって、
前記第2信号は、任意の各周波数での前記非周期特徴量の振幅スペクトルと当該任意の各周波数の正弦波との各積の和に対応する信号である、
ことを特徴とする信号合成方法。 - 請求項1から4の何れかの信号合成方法であって、
iを整数とし、離散時間t(i)での前記第2信号をSa(t(i))と表し、Mを正整数とし、mを1以上M以下の整数とし、所定の基底周波数をfbとし、離散時間t(i)に対応する各周波数m・fbでの前記周期特徴量の振幅スペクトルをBm(t(i))と表し、離散時間t(i-1)と離散時間t(i)との差分を定数Δtとし、θm,t(i)=2π・m・fb・t(i-1)とし、ωm=2π・m・fb・Δtとし、γm,t(i)=sin(θm,t(i)+ωm)とし、ηm,t(i)=cos(θm,t(i)+ωm)とし、εs m=sin(ωm)とし、εc m=cos(ωm)とした場合、Sa(t(i))=Σm=1 M Bm(t(i))・γm,t(i)を満たし、
前記非周期成分合成ステップは、
γm,t(i-1)とηm,t(i-1)とを用い、各m (m=1,...,M)に対してそれぞれ、
γm,t(i)=γm,t(i-1)・εc m+ηt(i-1)・εs mとηm,t(i)=ηm,t(i-1)・εc m-γt(i-1)・εs m
を計算する第2漸化式計算ステップと、
Bm(t(i))及びγm,t(i) (m=1,...,M)を用い、前記第2信号Sa(t(i))=Σm=1 M Bm(t(i))・γm,t(i)を計算する第2重畳ステップと、を含む、
ことを特徴とする信号合成方法。 - 請求項1から5の何れかの信号合成方法であって、
前記基本周波数は、前記周波数スペクトルから独立に定められた値である、
ことを特徴とする信号合成方法。 - 時系列信号の周期成分の周波数スペクトルに対応する周期特徴量と任意に選択された基本周波数とを用い、それぞれの周波数が前記基本周波数の整数倍である複数の正弦波の重畳によって、前記基本周波数と前記周期特徴量とに対応する時間領域の第1信号を生成する周期成分合成部と、
前記時系列信号の非周期成分の周波数スペクトルに対応する非周期特徴量を用い、複数の正弦波の重畳によって、前記非周期特徴量に対応する時間領域の第2信号を生成する非周期成分合成部と、
前記第1信号と前記第2信号との和を合成信号とする信号加算部と、
をさらに有する信号合成装置。 - 請求項1から6の何れかの信号合成方法としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
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