JP2012034312A - 放射指向特性推定方法とその装置とプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】少ないマイクロホンで得た観測信号を用いてあらゆる方向の放射指向特性を推定する。
【解決手段】この発明の放射指向特性推定方法は、収音過程と最低観測点数算出過程と補間点数算出過程と放射指向特性推定過程とを含む。収音過程は、音源を中心に、所定の間隔を空けてＬ個配置されるマイクロホンを用いて当該音源からの観測信号を必要な周波数毎に得る。最低観測点数算出過程は、音源の周囲の長さＱを、周波数毎の波長の８分の１以下の波長で除した数から１を引いた数を最低観測点数Ｍとして周波数毎に求める。補間点数算出過程は、マイクロホンの数Ｌを最低観測点数Ｍ＋１で除した値に１を加えた値を、放射指向特性を補間する補間に用いる観測点の個数Ｎとして求める。放射指向特性推定過程は、補間に用いる観測点の個数Ｎの観測信号を用いて補間して観測点の間の位置の放射指向特性を推定する。
【選択図】図７

Description

この発明は、指向性を持つ音源の放射指向特性を推定する方法とその装置とプログラムに関する。

指向性のある音源、例えば人間が話した声は正面で聞くとはっきり聞こえるが、後頭部側からでは発話内容を明瞭に聞き取ることは難しい。これは、人間が発する声に指向特性があり、正面方向には強く、後頭部方向には弱い音が出ているためである。また、聞こえて来る声の様子が正面でははっきりしているが、後頭部方向ではこもって聞こえる。これは、高音域が聞こえ難く低音域が聞こえ易いからである。この現象は、音の指向特性に周波数依存性があることを示している。

このような指向性を持つ音源の放射指向特性を正確に把握できれば、例えば、コンピュータグラフィックス等の音源の臨場感を向上させることができる。音源の放射指向特性は、音の反射の無い無響室内において、図１に示すように音源１を囲むように配置された複数のマイクロホン２_iで観測された観測信号Y_i(w)と、音源の源信号S(w)と用いて、例えば、H_i(w)=Y_i(w)/S(w)として求める。このH_i(w)は反射成分を含まない放射指向特性である。ここで、iは放射方向、wは周波数を表しY,S,Hは一般に複素数である。

しかしながら、測定に用いる無響室は高価なため、通常の部屋で放射指向特性が測定できた方が好ましい。そこで非特許文献１に、残響の有る部屋において音源S(w)の放射指向特性が分からない状態からでもその放射特性を抽出する方法が開示されている。その方法は次の通りである。

最初に、図２に示すように部屋の壁から離れた位置にマイクロホンを複数配置し、音源S(w)から放射された音Y_i(w)を観測する。そして、観測されたマイクロホン信号Y_i(w)から残響抑圧手法（例えば、非特許文献２）を利用してS(w)を推定する。推定したS(w)とY_i(w)とから音源１からマイクロホン２_iまでの伝達関数G_i(w)をG_i(w)=Y_i(w)/S(w)として求める。図３に示すように、G_i(w)には部屋の残響特性や壁からの反射音成分も含まれる。図３の横軸は時間、縦軸はマイクロホン信号の振幅であり、G_i(w)を逆フーリエ変換して時間領域の信号に変換したものであり、インパルス応答と呼ばれる。このインパルス応答から、残響や反射の影響を受けていない前半部分L<(P)のみを切り出し、フーリエ変換して残響や反射の影響を受けていない放射指向特性H_i(w)とする。

岡本ほか、「包囲型マイクロホンを用いた音源放射指向特性抽出に関する基礎的検討」、信学技法、EA200-48(2009-08)pp.31-36. 岡本ほか、「観測信号の白色化フィルタによる線形予測ブライント残響除去の高精度化」、音講論（春）、pp.675-676,Mar,2009.

音源の放射指向特性を測定する方法として、無響室で測定する方法と残響の有る部屋で測定する２つの従来手法を示したが、どちらの方法も、あらゆる方向に対する放射特性を求めようとした場合には、多数のマイクロホンを用意して観測信号を得る必要があり、手間がかかる。

この発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、従来法よりも少ない数のマイクロホンで観測した観測信号を元に放射指向特性を推定する放射指向特性推定方法とその装置とプログラムを提供することを目的とする。

この発明の放射指向特性推定方法は、周囲の長さがＱである音源の放射指向特性を推定する放射指向特性推定方法であって、収音過程と、最低観測点数算出過程と、補間点数算出過程と、放射指向特性推定過程と、を含む。収音過程は、音源を中心に、所定の間隔を空けてＬ個配置されるマイクロホンの収音信号を用いて上記音源からの観測信号を必要な周波数毎に得る。最低観測点数算出過程は、音源の周囲の長さＱを、周波数毎の波長の８分の１以下の波長で除した数から１を引いた数を最低観測点数Ｍとして必要な周波数毎に求める。補間点数算出過程は、マイクロホンの数Ｌを最低観測点数Ｍ＋１で除した値に１を加えた値を、放射指向特性を補間する補間に用いる観測点の個数Ｎとして求める。放射指向特性推定過程は、補間に用いる観測点の個数Ｎの観測信号を用いて補間して観測点の間の位置の放射指向特性を推定する。

この発明の放射指向特性推定方法は、音源の周囲の長さＱよりも大きい波長の周波数の放射指向特性の変化は全方位にわたって穏やか、また、周囲の長さＱよりも小さい波長の放射指向特性の変化は大きいと考え、周波数に応じて補間に利用する観測信号の数を変えて放射指向特性を推定する。よって、得たい放射指向特性の全ての方向にマイクロホンを配置する必要が無く、従来法よりも少ないマイクロホンの数で放射指向特性を正確に推定することを可能にする。

従来方法の、無響室内で音源１の放射指向特性を測定する音源１とマイクロホン２_iの配置の例を示す図。 非特許文献１に開示された残響の有る部屋において残響除去して放射指向特性を測定する方法の音源１とマイクロホン２_iの配置の例を示す図。 音源の放射特性に関わる部分と、反射・残響成分に関わる部分を示す時間領域の観測信号の例を示す図。 異なる周波数の放射指向特性を示す図であり、（ａ）は低い周波数の放射指向特性の例を示す、（ｂ）は高い周波数の放射指向特性の例を示す図である。 正弦波の波形の波長の８分の１以下の範囲では振幅が直線的に変化している様子を示す図。 この発明の放射指向特性推定装置１００の機能構成例を示す図。 放射指向特性推定装置１００の動作フローを示す図。 １６個のマイクロホンで音源１の放射指向特性を測定する場合の、音源１とマイクロホン２_iの配置の例を示す図。 この発明の放射指向特性推定装置１００′の機能構成例を示す図。 放射指向特性推定装置１００′の動作フローを示す図。

以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。複数の図面中同一のものには同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。実施例の説明の前に、この発明の基本的な考えについて説明する。

〔この発明の基本的な考え〕
この発明の基本的な考えは、観測点の間の放射指向特性を補間するときに、低域と高域の波長の違いに着目し、補間に利用する周辺の既知の観測信号の利用個数を変えて推定するものである。

図４に、音源の周囲の長さＱと放射指向特性との関係を定性的に示す。図４（ａ）は、音源の周囲の長さＱよりも大きな波長、つまり、音源の周囲の長さＱの波長に相当する周波数以下の周波数の放射指向特性の一例を示す。図４（ｂ）は、音源の周囲の長さＱよりも小さな波長、つまり、音源の周囲の長さＱの波長に相当する周波数以上の周波数の放射指向特性の一例を示す。どちらも極座標で放射指向特性を示す。

音は、低い周波数ほど波長が長く、高い周波数ほど波長が短い。音源の大きさが、波長に比べて小さい場合には、その音源からの音の放射指向特性の方向による変化は少ないと考えられる（図４（ａ））。これは、低い周波数の音を、移動しながら聞いた時に同じ音圧で聞こえる経験からも明らかである。逆に、音源の大きさが波長に比べて大きい場合の周波数の高い音の放射指向特性は、方向による変化が大きい（図４（ｂ））。

また、音波を周波数ごとに分解すれば、各周波数の波形は正弦波である。放射指向特性の各周波数の正弦波も波長の８分の１以下の間隔で観測すると、その特性の変化が緩やかであると考えられる。図５に、正弦波の波長の８分の１の変化を破線で示す。図５の横軸は時間、縦軸は振幅である。波長の８分の１以下の間隔で正弦波をみると、傾きの変化がなく、直線近似しても誤差が少ない。

この発明は、上記した２つの特性に着目して放射指向特性を推定する。半径rの音源では、音源の周囲の長さＱの８分の１波長に対応する周波数以下の放射指向特性の変化は穏やかである。そのため、式（１）に示す周波数ｆ以下の周波数であれば、音源の放射指向特性を観測する観測点は半径Ｒの円周上の１点でも良いことになる。

ここでcは音速であり約３４０mである。

一方、周波数が高くなると波長が短くなるため、音源の放射指向特性の変化も激しくなり、波長の８分の１の間隔で観測するためには観測点の最低観測点数Ｍは、式（２）で表すように増加させる必要がある。−１は、円周の起点（０）と終点（2πr）が同じなのでその数を減ずるものである。

なお、８は、音波の特性の変化が穏やかであることから決められた値なので、８以上の実数であれば何でも良いことになる。しかし、その値は、単純に増加させるとＭも増えるのでマイクロホンの数Ｌとのバランスで決められる。

このように最低観測点数Ｍは周波数ｆによって変化する値である。観測点の数が一定である場合、放射指向特性を推定するための最低観測点数Ｍは、周波数fが高いほど増加する関係になる。そして、観測点の間の放射指向特性は、推定する位置を挟む２点の観測信号から求めることになる。

一方、周波数fが低い場合は最低観測点数Ｍは減少する関係にある。しかし、観測信号は最低観測点数Ｍよりも多く存在する。少ないＭ個の観測信号から放射指向特性を推定することが可能であるが、その観測信号に雑音が含まれることも考えられる。よって、隣接する２点以外の観測点の観測信号も含めて補間するほうが、放射指向特性の推定誤差を少なくすることができる。

この補間に用いる点数Ｎは、式（３）に示すように定式化することができる。

最低観測点数Ｍが、実観測点数Ｌ（マイクロホンの数）と同等以上の場合には、隣接した２点の観測点の観測信号を用いて補間すれば良く、少ないマイクロホンの数で放射指向特性を正確に推定することができる。詳しくは後述する。

図６にこの発明の放射指向特性推定装置１００の機能構成例を示す。図７にその動作フローを示す。放射指向特性推定装置１００は、Ｌ個のマイクロホン２₁〜２_Lと、収音部１０と、最低観測点数算出部２０と、補間点数算出部３０と、放射指向特性推定部４０と、を具備する。

図８に、音源１とＬ個のマイクロホンの配置の例を示す。図８は、半径rの音源１を中心とした所定の半径Ｒの円周上に例えば１６個のマイクロホン２₁〜２₁₆が配置される例を示す。１６個のマイクロホンで収音された収音信号は収音部１０に入力される。マイクロホンの数は１６個に限定されない。また、音源１を中心に中心角22.5°で等間隔に配置する例を示したが、等間隔である必要もない。また、図２に示したようにマイクロホンを音源１を中心に四角形状に配置しても良い。マイクロホンの数Ｌ個は、音源１の周囲の長さＱと求める放射指向特性の上限周波数f_maxによって、式（２）で決まるＭ以上の数である。例えば、上限周波数f_maxを1280Hzとした場合はＬ＝３２個となる。

収音部１０は、Ｌ個の収音信号を周波数分析して音源１からの観測信号を必要な周波数毎に得る（ステップＳ１０）。収音部１０はディジタル信号処理を行うものであるが、図においてアナログ信号である収音信号を、ディジタル信号に変換するＡ/Ｄ変換器等の表記は省略している。

収音部１０は、周波数分析手段１１と、記憶手段１２と、を含み１６個の収音信号は周波数分析手段１１で必要な周波数ごとに周波数分析され、その分析された観測信号は記憶手段１２に記録される。周波数分析手段１１には、例えば高速フーリエ変換等が用いられる。周波数分析手段１１は、所望の周波数分解能が得られるサンプル数の単位で周波数分析を行う（ステップＳ１１）。周波数分析した観測信号は、記憶手段１２に記憶される（ステップＳ１２）。

最低観測点数算出部２０は、音源１の周囲の長さＱを、周波数毎の波長の８分の１以下の波長で除した数から１を引いた数を最低観測点数Ｍとして周波数毎に求める（ステップＳ２０）。補間点数算出部３０は、マイクロホンの数Ｌを最低観測点数Ｍ＋１で除した値に１を加えた値を、放射指向特性を補間する補間に用いる観測点の個数Ｎとして求める（ステップＳ３０）。音源１の周囲の長さＱとマイクロホンの数Ｌは、予め定数として設定されていても良いし、外部から与えても良い。

放射指向特性推定部４０は、補間に用いる観測点の個数Ｎの観測信号を用いて補間して観測点間の位置の放射特性を推定する（ステップＳ４０）。放射指向特性推定部４０は、記憶手段１２に記憶された補間に用いる観測点の周波数分析結果を読み出して観測点間の位置の放射特性を推定する。推定した放射特性は、周波数毎のパワーでも良いし、推定した周波数成分を時間領域の信号に逆フーリエ変換して求めたパワーでも良い。

次に具体例を示して放射指向特性推定部４０の動作を更に詳しく説明する。音源１の半径rをr＝0.17ｍ、マイクロホンの数ＬをＬ＝３２とすると、最低観測点数算出部２０と補間点数算出部３０とが、最低観測点数Ｍと補間に用いる観測点の個数Ｎを、表１に示すように計算する。

周波数f＝80Hzの場合、最低観測点数ＭはＭ＝１である。これは、放射指向特性が方向によって変動しないためである。したがって、例えば5°方向の放射指向特性を推定する場合、0°の観測点の観測信号と同じ値にして良い。しかし、その0°の観測信号に雑音が含まれている可能性もある。一方、観測信号は３２個存在するので、推定する位置を含むその方向の１６個の観測信号の例えば平均値を、その位置の放射指向特性の値とする。このように複数の観測信号を平均するので、放射指向特性の推定精度を向上させることができる。

周波数f＝160Hzの場合、最低観測点数ＭはＭ＝３である。周波数が少し高い分、補間に必要な最低観測点数Ｍが増加する。この場合、推定する位置を含む３個の観測信号の例えば平均値を、その位置の放射指向特性の推定値としても良いが、推定精度を向上させるために、推定する位置を含む８個の観測信号の平均値を推定値とする。

周波数f＝1280Hzの場合、最低観測点数ＭはＭ＝３１である。各観測点の間の放射指向特性は、その間の位置を挟む２点の観測信号の平均値を推定値とする。

以上述べたように、低い周波数領域、つまり、最低観測点数Ｍより実観測点数が多くなる周波数域においては隣接する２点より多い数の観測信号を使って補間することができ、最低観測点数Ｍが実観測点数Ｌと同等以上の場合は隣接した２点の観測信号を用いて補間すれば良いことが分かる。

なお、推定値を平均値で求める方法で説明したが、他の方法で推定値を求めても良い。例えば、最小自乗法で近似直線を求め、その近似直線を用いて直線補間して求めても良い。また、Ｎ≧４のときは、推定する位置の放射指向特性をスプライン補間して推定しても良い。スプライン補間は、滑らかな曲線で補間する周知の補間方法である。

また、放射指向特性推定装置１００では、残響成分の除去について触れなかったが、従来技術で説明したのと同じように、収音部１０に残響除去手段を設けて部屋の反射・残響成分を除去するようにしても良い。図９に、インパルス応答の前半の部分のみの信号を抽出する残響除去手段１３を設けた放射指向特性推定装置１００′の機能構成例を示す。その動作フローを図１０に示す。放射指向特性推定装置１００′は、残響除去手段１３を備える収音部１０′のみが放射指向特性推定装置１００と異なる。残響除去手段１３の動作は、従来技術で説明済みの動作と同じである。

以上述べたように、この発明の放射指向特性推定方法は、観測点の間の放射指向特性を補間するときに、低域と高域の波長の違いに着目し、補間に利用する周辺の既知の観測信号の利用個数を変えるものである。この方法によれば、従来は音源の放射指向特性を知るためには多くの観測点を用意する必要が有ったのに対して、少ない数の観測点からあらゆる方向の放射指向特性を推定することが可能になり効率的である。

上記方法における処理過程をコンピュータによって実現する場合、各過程が有すべき機能の処理内容はプログラムによって記述される。そして、このプログラムをコンピュータで実行することにより、各過程における処理手段がコンピュータ上で実現される。

この処理内容を記述したプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録しておくことができる。コンピュータで読み取り可能な記録媒体としては、例えば、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、半導体メモリ等どのようなものでもよい。具体的には、例えば、磁気記録装置として、ハードディスク装置、フレキシブルディスク、磁気テープ等を、光ディスクとして、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＤＶＤ−ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ（Recordable）/ＲＷ（ReWritable）等を、光磁気記録媒体として、ＭＯ（Magneto Optical disc）等を、半導体メモリとしてＥＥＰ−ＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable-Read Only Memory）等を用いることができる。

また、このプログラムの流通は、例えば、そのプログラムを記録したＤＶＤ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬型記録媒体を販売、譲渡、貸与等することによって行う。さらに、このプログラムをサーバコンピュータの記録装置に格納しておき、ネットワークを介して、サーバコンピュータから他のコンピュータにそのプログラムを転送することにより、このプログラムを流通させる構成としてもよい。

また、各手段は、コンピュータ上で所定のプログラムを実行させることにより構成することにしてもよいし、これらの処理内容の少なくとも一部をハードウェア的に実現することとしてもよい。

Claims (6)

1. 周囲の長さがＱである音源の放射指向特性を推定する放射指向特性推定方法であって、
   上記音源を中心に、所定の間隔を空けてＬ個配置されるマイクロホンの収音信号を用いて上記音源からの観測信号を必要な周波数毎に得る収音過程と、
   最低観測点数算出部が、上記音源の周囲の長さＱを、上記周波数毎の波長の８分の１以下の波長で除した数から１を引いた数を最低観測点数Ｍとして周波数毎に求める最低観測点数算出過程と、
   補間点数算出部が、上記マイクロホンの数Ｌを最低観測点数Ｍ＋１で除した値に１を加えた値を、放射指向特性を補間する補間に用いる観測点の個数Ｎとして求める補間点数算出過程と、
   放射指向特性推定部が、上記補間に用いる観測点の個数Ｎの観測信号を用いて補間して上記観測点の間の位置の放射指向特性を推定する放射指向特性推定過程と、
   を含む放射指向特性推定方法。
2. 請求項１に記載した放射指向特性推定方法において、
   上記放射指向特性推定過程は、上記観測点の間の位置の放射特性を直線補間して推定する過程であることを特徴とする放射指向特性推定方法。
3. 請求項１に記載した放射指向特性推定方法において、
   上記放射指向特性推定過程は、上記個数Ｎ≧４のとき、上記観測点の間の位置の放射特性をスプライン補間して推定する過程であることを特徴とする放射指向特性推定方法。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載した放射指向特性推定方法において、
   上記収音過程は、
   インパルス応答の前半の部分のみの信号を抽出する残響除去ステップを含むことを特徴とする放射指向特性推定方法。
5. 周囲の長さがＱである音源の放射指向特性を推定する放射指向特性推定装置であって、
   上記音源を中心に所定の間隔を空けてＬ個配置されるマイクロホンと、
   上記マイクロホンのＬ個の収音信号を入力として上記音源からの観測信号を必要な周波数毎に得る収音部と、
   観測周波数の波長を、当該波長の８分の１以下の波長で除した数から１を引いた数を最低観測点数Ｍとして求める最低観測点数算出部と、
   観測点の放射指向特性を補間する補間に用いる観測点の個数Ｎを、上記マイクロホンの数Ｌを最低観測点数Ｍ＋１で除した値に１を加えた値として求める補間点数算出部と、
   上記観測点の放射特性を、上記補間に用いる観測点の個数Ｎの観測信号を用いて補間して上記観測点の間の位置の放射指向特性を推定する放射指向特性推定部と、
   を具備する放射指向特性推定装置。
6. 請求項１乃至４の何れかに記載した放射指向特性推定方法を、コンピュータに実行させるための放射指向特性推定方法プログラム。

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