JP2013511750A - マイクロホンアレイノイズ低減制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、マイクロホンアレイノイズ低減制御方法及びマイクロホンアレイノイズ低減制御装置を提供する。その方法は、マイクロホンアレイにより音声信号を収集するステップＳ１と、マイクロホンアレイの全ての音声信号の入射角度を確定するステップＳ２と、入射角度に基づいて信号成分の統計を行うステップＳ３と、統計の結果に基づいて適応フィルタを制御するステップＳ４と、を含む。本発明によれば、マイクロホンアレイによって音声の空間方位情報が直接得られ、方位情報を活用し適応フィルタの更新フィルタリングをより正確に制御し、ノイズを低減し、ＳＮ比を向上するとともに音声品質を良好に保護する。
【選択図】図４

Description

本発明は、マイクロホンアレイの適応ノイズ低減制御分野に関し、具体的には、マイクロホンアレイノイズ低減制御方法及び装置に関する。

移動無線通信技術及びその装置は、人々の日常生活及び仕事中に広く普及されており、通信における時間空間的制限を解決し、人々に多大な便利を与えている。しかし、時間空間的制限がないので、通信環境は騒音などを含む複雑かつ多変の環境であり、通話の音声品質はノイズにより著しく降下するため、ノイズが抑圧された音声増強技術は、現代の通信において重要な応用価値がある。

現在、通常の音声増強技術では、例えば特許文献１と特許文献２に開示されている音声増強技術のような、シングルチャネルスペクトルサブトラクション音声増強技術とも言われるシングルマイクロホンスペクトルサブトラクション音声増強技術がある。このような技術は問題点として、まず、定常ノイズしか抑圧できず、非定常ノイズ（例えばデパート、スーパーマーケット中の周りの人の話し声）に対し明らかな抑圧効果がなく、次に、ＳＮ比が比較的に低い場合に、ノイズエネルギーを正確に統計することができないので、音声を損害することがあり、さらに、この技術がノイズエネルギーの推定に比較的長い統計時間を必要とするので、ノイズが現れてから一定時間の後にノイズ低減が有効に働くなどである。

特許文献３は、適応フィルタにより、一方のマイクロホンで受信したノイズを用いて他方のマイクロホンで受信した信号におけるノイズ成分を相殺し、音声成分を保留するという、より優れた、２つ又は複数のマイクロホンからなるマイクロホンアレイ音声増強技術を提供している。実際には、２つのマイクロホンに受信した信号は何れも音声成分を有し、ノイズ低減と同時に音声も損害することになるので、この技術の一番の難点は、ノイズを効果的に抑圧するとともに、一方のマイクロホンにおける音声が他方のマイクロホンにおける音声で相殺されないためには、如何に適応フィルタの収束やフィルタリングを制御するかということである。

特許文献４において、マイクロホンの特定の位置を設計することによりマイクロホンアレイに指向性を持たせているが、特許文献３には直接指向性マイクロホンを用いているため、異なる方向からの信号のエネルギーに対する応答が異なるので、エネルギーの相違の比較により信号の方向を判定することでノイズの消去を制御する。しかし、この方法では、まず、例えば、マイクロホンの一致性に対し厳しく要求される、又は厳密設計により指向性マイクロホンに明らかな指向性を持たせる必要があるなど、マイクロホンに対する要求が厳しいので、大きな使用上の制限があり、次に、ノイズが大きい場合音声の状態を正確に判定することができず、言い換えれば適応フィルタによるノイズ低減を正確に制御することができないので、ノイズ低減と同時に音声を損害することになる。

中国特許第１６８４１４３号明細書 中国特許第１０１４７７８００号明細書 中国特許第１０１４６６０５５号明細書 中国特許第１０１４６６０５６号明細書

上述の従来の技術に存在している問題に対し、本発明が解決しようとする問題は、２つ又は複数のマイクロホンからなるマイクロホンアレイを用いて音声状態を正確に判定することにより、適応フィルタのノイズ消去を有効に制御し、ＳＮ比を向上するとともに、良好な音声品質を保つことである。

上述の問題を解決するために、本発明におけるマイクロホンアレイノイズ低減制御方法は、
マイクロホンアレイにより音声信号を収集するステップＳ１と、
マイクロホンアレイの全ての音声信号の入射角度を確定するステップＳ２と、
入射角度に基づいて信号成分の統計を行うステップＳ３と、
統計の結果に基づいて適応フィルタを制御するステップＳ４と、を含む。
さらに、音声の入射角度を確定するステップは、
音声信号に対し周波数領域変換又はサブバンド変換を行うステップＳ２０１と、
マイクロホンアレイ信号の各周波数サブバンドの位相差を算出し、位相差に基づいてマイクロホンアレイ信号の各周波数サブバンドの相対遅延を算出するステップＳ２０２と、
各周波数サブバンドの相対遅延に基づいてマイクロホンアレイ信号の入射角度を算出するステップＳ２０３と、を含む。

また、ステップＳ４において、ノイズのみ存在する場合、適応フィルタの更新速度が速く、目的信号が存在する場合、適応フィルタの更新速度が遅い。

好ましくは、αが小さいほど適応フィルタの更新が遅くなり、αが０である場合、音声信号が全て目的音声信号であり、適応フィルタが更新されず、逆にαが１である場合、音声信号が全てノイズ信号であり、適応フィルタが最も速い速度で更新される。

好ましくは、ステップＳ２の後、さらに、角度過渡範囲を設置し、目的音声信号の多少によって空間全体を複数の域に分け、前記入射角度の所在する域によってパラメータβを算出し、β＊αを適応フィルタの制御パラメータとするステップを含む。

さらに、空間全体を保護域、過渡域及び抑圧域に分け、入射角度が保護域にある場合β＝０であり、入射角度が過渡域にある場合０＜β＜１であり、入射角度が抑圧域にある場合β＝１である。

また、音声信号を周波数領域変換するステップは、さらに、
音声信号に対しフレーム化処理を行うステップＳ２０１１と、
フレーム化処理された後の各フレーム信号に対し窓掛け処理を行うステップＳ２０１２と、
窓掛け処理されたデータを周波数領域にＤＦＴ変換するステップＳ２０１３と、を含む。

さらに、ステップＳ２０１１において、音声信号ｓ_ｉ（ｉ＝１，２）に対しフレーム化処理を行い、各フレーム毎にＮ個のサンプリング点を取り、或いは、フレーム長を１０ｍｓ〜３２ｍｓとし、第ｍ個のフレーム信号をｄ_ｉ（ｍ，ｎ）とし（０≦ｎ＜Ｎ、０≦ｍ）、隣接する２つのフレームはＭ個のサンプリング点のエイリアシングを有し、各フレーム毎にＬ＝Ｎ−Ｍ個のサンプリング点の新たなデータを有するとすると、第ｍフレームのデータはｄ_ｉ（ｍ，ｎ）＝ｓ_ｉ（ｍ＊Ｌ＋ｎ）である。

一方、本発明におけるマイクロホンアレイノイズ低減制御装置は、音声信号を収集するマイクロホンアレイと、マイクロホンアレイの全ての音声信号の入射角度を確定し、入射角度に基づいて信号成分の統計を行い、次に、信号成分の統計の結果に基づいて適応フィルタを制御するフィルタリング制御部と、ノイズをフィルタリングするための適応フィルタと、を含む。

また、フィルタリング制御部は、離散フーリエ変換により音声信号を周波数領域に変換するＤＦＴ手段と、マイクロホンアレイ信号の各周波数サブバンドの位相差を算出し、位相差に基づいてマイクロホンアレイ信号の各周波数サブバンドの相対遅延を算出する信号遅延推定手段と、各周波数サブバンドの相対遅延に基づいてマイクロホンアレイ信号の入射角度を算出する信号方向推定手段と、前記入射角度に基づいて目的信号成分の統計を行い、目的信号成分とノイズ成分とを区別して取得する信号成分統計手段と、を含む。

さらに、ＤＦＴ手段は、音声信号に対しフレーム化処理を行うフレーム化手段と、フレーム化処理された各フレーム信号に対し窓掛け処理を行う窓掛け手段と、窓掛け処理されたデータを周波数領域にＤＦＴ変換するＤＦＴ変換手段と、を含む。

また、好ましくは、本発明に係るマイクロホンアレイは、全てが全指向性マイクロホンからなり、又は、全指向性マイクロホンと単一指向性マイクロホンからなり、又は、全てが単一指向性マイクロホンからなる。

上述の技術を用いることにより、マイクロホンアレイによって音声の空間方位情報を直接獲得し、方位情報を十分に用いて適応フィルタの更新フィルタリングをより正確に制御し、ノイズを有効に低減するとともに音声を良好に保護することが可能である。また、本技術では、信号のエネルギー情報を必要とせず、２つのマイクロホンの一致性に対し厳しい要求がなく、エネルギー変化による影響を受けることもない。

下記のように図面を参照しながらその実施例を記述することによって、本発明の上述の特徴及び技術的利点は、より明確で理解し易くなる。

本発明に係る実施の形態の２つのマイクロホンアレイを示す位置概略図 本発明に係るダブルマイクロホンの実施の形態の簡単原理概略図 本発明に係るマイクロホンアレイの実施の形態の簡単原理概略図 本発明に係るダブルマイクロホンの時間領域適応フィルタによるノイズ低減の実施の形態の原理概略図 本発明に係るダブルマイクロホンの周波数領域（サブバンド）適応フィルタによるノイズ低減の実施の形態の原理概略図 本発明に係る実施の形態のノイズ低減処理前の、ノイズ付き音声信号のオシログラム 本発明に係る実施の形態のノイズ低減処理後の、音声信号のオシログラム 本発明に係る２つのマイクロホンアレイの位置概略図 本発明に係るダブルマイクロホンのイヤホンに適用する２つのマイクロホンアレイの位置概略図

以下、図面及び具体的な実施例により本発明をさらに詳しく記述する。

従来のマイクロホンのノイズ低減処理技術では、例えば２つのマイクロホンからなるマイクロホンアレイの場合、一般的に、２つのマイクロホンが収集した音声信号と一つの適応フィルタを用いてノイズ低減処理を行っている。２つのマイクロホンが収集した音声信号をそれぞれノイズ付き音声信号ｓ_１と参考信号ｓ_２とする。まず、参考信号ｓ_２を適応フィルタに入力してフィルタリングし、ノイズ信号ｓ_３を出力し、ノイズ付き音声信号ｓ_１からｓ_３を引いて信号ｙを取得するとともに、ｙを適応フィルタにフィードバックしてフィルタ重み値を更新する。ｙのエネルギーが大きい場合、適応フィルタの更新速度が速く、ｓ_３が漸次ｓ_１に近付く。次に、ｓ_１とｓ_３との減算により得られたｙのエネルギーが漸次小さくなり、ｓ_３＝ｓ_１の場合、ｙのエネルギーが最小で、適応フィルタの更新が停止することによって、ｓ_２によりｓ_１を抑圧する効果に達する。

マイクロホンアレイが受信したｓ_１、ｓ_２においてノイズ信号のみ存在する場合、適応フィルタによりノイズを適切に抑圧することができる。しかし、ｓ_１、ｓ_２において音声信号が存在する場合、適応フィルタは、ｓ_３とｓ_１を相殺された後のｙエネルギーが最小であっても、その中の音声信号を相殺するので、音声の損害をもたらす。従って、音声を抑圧させないために、本発明は、音声が存在する場合適応フィルタによって音声が損害されないよう、音声の入射方向によって適応フィルタの更新とフィルタリングを制御する方法を提供する。

図１は本発明に係る一つの実施の形態の２つのマイクロホンアレイを示す位置概略図である。図１に示すように、本実施の形態において、マイクロホンアレイは、２つの全指向性マイクロホンｍｉｃ＿ａ、ｍｉｃ＿ｂからなり、マイクロホンの距離Ｄ＝２ｃｍであり、利用者は、図１に示す−４５度と４５度との間の範囲内に話しをすると仮定する。

図２は本発明に係るダブルマイクロホン音声増強制御の実施の形態の簡単原理概略図である。図２に示すように、２つの全指向性マイクロホンｍｉｃ＿ａ、ｍｉｃ＿ｂは、それぞれ音声信号ｓ_１、ｓ_２を収集している。具体的に、本実施の形態のノイズ低減処理を行う過程において、音声信号ｓ_１を所望音声信号として、音声信号ｓ_２を参考信号として処理する。まず、一つのフィルタリング制御部によって音声信号ｓ_１、ｓ_２を処理して制御パラメータαを取得し、次に、適応フィルタＨは制御パラメータαに基づいて更新速度を調整するとともに、ノイズ信号ｓ_３を算出する。さらに、所望音声信号ｓ_１からノイズ信号ｓ_３を引算してノイズ低減後の音声信号ｙを取得し、同時に、ｙを適応フィルタにフィードバックしてフィルタ重み値を更新することにより、ｙにおけるノイズのエネルギーが最小で、音声エネルギーが不変になり、従って、ノイズを抑圧するとともに音声を保護する効果に達する。

図３は本発明に係る複数のマイクロホンからなるマイクロホンアレイの実施の形態の簡単原理概略図である。図３に示すように、ｎ＋１個の全指向性マイクロホンｍｉｃ＿ａ、ｍｉｃ＿ｂ１、……ｍｉｃ＿ｂｎが一つのマイクロホンアレイを構成し、本実施例のノイズ低減処理を行う過程において、マイクロホンｍｉｃ＿ａが収集した音声信号を所望音声信号ｓ_１とし、ｍｉｃ＿ｂ１、……ｍｉｃ＿ｂｎが収集した音声信号を参考信号として処理する。

図３のマイクロホンアレイの実施の形態を図２のダブルマイクロホンの実施の形態と比較するとその区別は、マイクロホンアレイのうち参考信号を提供するマイクロホンはｎ個（ｍｉｃ＿ｂ１、……ｍｉｃ＿ｂｎ）あり、適応フィルタの制御モジュールは、それぞれこれらｎ個のマイクロホンが収集した音声信号とｍｉｃ＿ａが収集した音声信号とを処理して、ｎ個の制御パラメータα_ｉを取得し、ｎ個（Ｈ１……Ｈｎ）適応フィルタＨｉ（ｉ＝１……ｎ）は、制御パラメータα_ｉに基づいて更新速度を調整するとともに、ｎ個ノイズ信号を算出し、これらｎ個のノイズ信号を累積して最終的なノイズ信号ｓ_３を取得する。次に、所望音声信号ｓ_１からノイズ信号ｓ_３を引算してノイズ低減後の音声信号ｙを取得する。同時に、ｙを適応フィルタにフィードバックしてフィルタ重み値を更新することにより、ｙにおけるノイズのエネルギーが最小で、音声エネルギーが不変になり、従って、ノイズ抑圧と音声保護の効果に達する。

上記図２、図３に示す実施の形態では、何れも適応フィルタとして時間領域適応フィルタ又は周波数領域適応フィルタを選択することができる。以下、時間領域適応フィルタと周波数適応フィルタを例として、本発明のノイズ低減の実施の形態について詳しく説明する。

図４は本発明に係るダブルマイクロホンの時間領域適応フィルタによるノイズ低減の実施の形態の原理概略図である。図４に示すように、マイクロホンアレイは、２つの全指向性マイクロホンｍｉｃ＿ａ、ｍｉｃ＿ｂからなり、まず、２つのマイクロホンは、ｆ_ｓ＝８ｋＨｚのサンプリング周波数で信号ｓ_１、ｓ_２を受信し、その内、信号ｓ_１を所望音声信号とし、信号ｓ_２を参考信号とする。次に、フィルタリング制御部により信号を処理して、適応フィルタに制御パラメータαを出力する。適応フィルタは、制御パラメータαに基づいてその重み値を限定して、対応の速度で更新やフィルタリングを行うとともに、ノイズ信号ｓ_３を出力し、また、ノイズ信号ｓ_３と所望音声信号ｓ_１におけるノイズとを相殺して、最終的なノイズ低減音声信号ｙを取得する。

そこで、フィルタリング制御部は、ＤＦＴ手段、信号遅延推定手段、信号方向推定手段、及び信号成分統計手段を含み、ＤＦＴ手段は２つの信号をそれぞれ周波数領域に離散フーリエ変換し、周波数領域に変換された信号をマイクロホンの信号遅延推定手段に入力して２つの信号の各周波数サブバンドの位相差を算出し、次に、位相差に基づいて２つの信号の各周波数サブバンドの相対遅延を算出する。目的音声は０度方向からのものとし、信号方向推定手段は、２つの信号の各周波数サブバンドの相対遅延からそれらの入射角度を換算し、入射角度に基づいて保護角内の目的音声成分と保護角外のノイズ成分とを区分することができ、信号成分統計手段は入射角度が保護角内に入る目的音声信号の成分を統計して、制御パラメータαを確定する（０≦α≦１）。

そこで、保護角外のノイズ成分が多いほど、制御パラメータαが大きくなることを意味し、適応フィルタの更新が速くなり、受信した信号が全て保護角外のノイズ成分である場合、α＝１であり、適応フィルタはノイズセグメントにおいて最も速く更新を行うことにより、ノイズ信号を抑圧する。

逆に、保護角内の目的信号成分が多いほど、αが小さく、適応フィルタの更新が遅くなり、信号が全て目的音声成分である場合、α＝０で、適応フィルタは所望音声信号ｓ_１における音声が相殺されないよう、フィルタの重み値を制限し音声セグメントにおいて更新しないようにすることにより、目的音声を損害されないよう保護する。

図４において、ノイズ低減音声信号ｙは時間領域適応フィルタＨにフィードバックされ、ｙのエネルギーが大きい場合、適応フィルタが速く更新され、ｓ_３が漸次ｓ_１に近付き、次に、ｓ_１とｓ_３との減算により得られたｙのエネルギーが次第に小さくなり、ｓ_３＝ｓ_１の場合、ｙのエネルギーが最小で、適応フィルタの更新が停止されることにより、ｓ_２によりｓ_１を抑圧する機能を果たしている。

図４において、フィルタリング制御部の具体的な処理プロセスは、以下の通りである。

ＤＦＴ手段は、信号ｓ_１、ｓ_２を離散フーリエ変換する。まず、ｓ_ｉ（ｉ＝１，２）に対しフレーム化処理を行い、各フレーム毎にＮ個のサンプリング点を取り、或いは、フレーム長が１０ｍｓ〜３２ｍｓとし、第ｍ個のフレーム信号をｄ_ｉ（ｍ，ｎ）とする（０≦ｎ＜Ｎ、０≦ｍ）。隣接する２つのフレームはＭ個（Ｍ＝１２８〜１９２）のサンプリング点のエイリアシングを有し、即ち、現在フレームの最初のＭ個サンプリング点は、直前のフレームの最終のＭ個のサンプリング点であり、各フレーム毎にＬ＝Ｎ−Ｍ個のサンプリング点の新たなデータを有する。従って、第ｍフレームのデータはｄ_ｉ（ｍ，ｎ）＝ｓ_ｉ（ｍ＊Ｌ＋ｎ）である。本実施の形態では、フレーム長としてＮ＝２５６、即ち３２ｍｓを取り、エイリアシングＭ＝１２８であり、即ち、５０％のエイリアシングを有する。フレーム化処理後、各フレーム信号に対し、窓関数ｗｉｎ（ｎ）を用いて窓掛け処理を行い、窓掛け後のデータは、ｇ_ｉ（ｍ，ｎ）＝ｗｉｎ（ｎ）＊ｄ_ｉ（ｍ，ｎ）である。窓関数は、ハミング窓、ハニング窓などの窓関数を選択することができ、本実施の形態においてはハニング窓を取っている。

窓掛け後のデータは、最終的に周波数領域にＤＦＴ変換する。

信号遅延推定手段は、２つの信号の相対遅延を算出する。

ｓ_１（ｎ）からｓ_３（ｎ）を引算して相殺後の信号ｙ（ｎ）を取得する。

ｙ（ｎ）を適応フィルタにフィードバックしてフィルタ重み値を更新する。

その更新速度μはパラメータαにより制御される。α＝１、即ちｓ_１（ｎ）、ｓ_２（ｎ）において全てノイズ成分である場合、適応フィルタは速く収束することにより、ｓ_３（ｎ）とｓ_１（ｎ）とが同一になり、相殺後のｙ（ｎ）のエネルギーが最小であり、これによって、ノイズが消去される。α＝０、即ちｓ_１（ｎ）、ｓ_２（ｎ）において全て目的音声成分である場合、適応フィルタは更新を停止することにより、適応フィルタの出力信号ｓ_３（ｎ）がｓ_１（ｎ）に収束せず、ｓ_３（ｎ）とｓ_１（ｎ）とが異なり、ことによって、減算後の音声成分が相殺されず、出力信号ｙ（ｎ）には音声成分が保留される。０＜α＜１、即ちマイクロホンにより収集された信号に音声成分とノイズ成分が同時に存在する場合、音声成分とノイズ成分の多少によって適応フィルタの更新速度が制御されることにより、ノイズを消去するとともに音声成分をそのまま保留する。

図６ａと図６ｂは、それぞれ本発明に係る上記実施の形態のノイズ低減処理前後の、ノイズ付き音声信号とノイズ低減音声信号のオシログラムを示すものである。図６ａ、図６ｂに示すように、目的音声は０°方向から発送され、音楽ノイズは９０°方向から発送されており、図６ａは、マイクロホンｍｉｃ＿ａが収集した最初のノイズ付き音声信号ｓ_１の波形であり、図６ｂは、本発明のノイズ低減処理を行った後の信号ｙの波形である。これらの図から、本発明に係る、音声の入射角度を用いてノイズ低減処理を行う技術案は、目的音声におけるノイズを消去すると同時に目的音声を良好に保護しており、優れたノイズ低減の効果を有することがわかる。

また、上記実施の形態では、信号収集空間全体が保護域と抑圧域と２つの域に分けられているが、さらに過渡域を追加してパラメータβ（０≦β≦１）を取得してもよい。信号入射角度が保護域にあるとβ＝０であり、過渡域にあると０＜β＜１であり、抑圧域に近付くほどβが大きくなり、抑圧域にあるとβ＝１である。β＊αを適応フィルタの制御パラメータとする。これにより、適応フィルタの制御パラメータがより精確になるので、音声のノイズ低減効果を増強することができる。

本実施の形態では、制御パラメータαを用いて時間領域適応フィルタを制御してノイズを低減しているが、時間領域適応フィルタに限られず、制御パラメータαを用いて周波数領域（サブバンド）適応フィルタを制御してノイズを低減してもよい。時間領域と周波数領域との相違は、以下の通りである。即ち、時間領域の信号成分統計手段は、目的信号の数又は比例を統計することにより制御パラメータαを取得しているが、周波数領域の信号成分統計手段は各周波数サブバンドの入射角度を統計することによりＮ個の、周波数サブバンドの制御パラメータαを取得する。

図５は本発明に係るダブルマイクロホンの周波数領域（サブバンド）適応フィルタによるノイズ低減の実施の形態の原理概略図である。図５に示すように、ＤＦＴ手段は、２つの全指向性マイクロホンｍｉｃ＿ａ、ｍｉｃ＿ｂが収集した信号ｓ_１、ｓ_２を周波数領域に変換し、周波数領域に変換された信号をマイクロホン信号遅延推定手段に入力して２つの信号の各周波数サブバンドの相対遅延を算出し、信号方向推定手段は各周波数サブバンド信号の相対遅延を各周波数サブバンド信号の入射角度に換算し、信号成分統計手段は各周波数サブバンドの入射角度の保護角内における位置を統計するとともに、相応の制御パラメータα_ｉ（ｉ＝１……ｎ、周波数サブバンドを示す）を算出する。

周波数領域（サブバンド）適応フィルタは、各周波数サブバンドの特徴に基づいて、信号成分を統計した後、各周波数サブバンドに対しそれぞれ更新制御を行う。各周波数サブバンドの入射角度は、適応フィルタの制御パラメータα_ｉ（ｉは周波数サブバンドを示す）に換算される。入射角度が大きいほど、当該周波数サブバンドの音声が０度方向の目的音声から離れていることを意味し、α_ｉが大きくなり、当該周波数サブバンドの更新速度も速くなる。第ｉ個の周波数サブバンドの入射角度が保護角内の０度方向にあると、α_ｉ＝０であり、当該サブバンド適応フィルタは更新されず、当該サブバンドの目的音声成分が保護される。第ｉ個の周波数サブバンドの入射角度が保護角外にあると、０度方向の目的音声から最も離れているので、α_ｉ＝１であり、当該サブバンド適応フィルタの更新が最も速く、当該サブバンドのノイズ成分が抑圧される。

周波数領域（サブバンド）適応フィルタを制御してノイズを低減することにより、さらに各周波数サブバンドの制御パラメータα_ｉを取得するとともに、各周波数サブバンド毎に周波数領域適応フィルタを更新を別々制御するので、そのノイズ低減の効果はより顕著になる。

同様に、本実施の形態では、さらに過渡域を追加してパラメータβ（０≦β≦１）を取得し、新たな制御パラメータα_ｉ＊βを生成してもよい。信号入射角度が保護域にあるとβ＝０であり、過渡域にあると０＜β＜１であり、抑圧域に近付くほどβが大きく、抑圧域にあるとβ＝１である。α_ｉ＊βを適応フィルタの制御パラメータとすることにより、適応フィルタの制御パラメータがより精確になるので、音声のノイズ低減効果を増強することができる。

さらに、過渡域を追加して各周波数サブバンドのパラメータβ_ｉ（０≦β_ｉ≦１）を算出し、入射角度が保護域にあるとβ_ｉ＝０であり、過渡域にあると０＜β_ｉ＜１であり、抑圧域に近付くほどβ_ｉが大きくなり、抑圧域にあるとβ_ｉ＝１である。新たな制御パラメータα_ｉ＊β_ｉを生成するとともに、α_ｉ＊β_ｉを適応フィルタの制御パラメータとする。よって、適応フィルタの制御パラメータの精確度をさらに向上したので、音声のノイズ低減効果がさらに増強する。

上述の実施の形態では、保護範囲として−４５°〜４５°を取り上げているが、実際応用では、ユーザの実際の位置と要求に応じて調整することができる。２つのマイクロホンとユーザとの相対位置も、図１に示す位置に限られず、マイクロホンと人の口又は目的音源との間に音声信号の伝播を阻害する障害物さえなければ、何れの位置でもよい。例えば、図７に示す２つのマイクロホンアレイの位置、図８に示すダブルマイクロホンのイヤホンに適用する２つのマイクロホンアレイの位置であってもよい。

また、説明すべきことは、本技術手段のノイズ低減処理過程において、信号のエネルギー情報が必要としないので、２つのマイクロホンの一致性に対し厳しい要求がなく、また、音声信号のエネルギー変化による影響を受けず、マイクロホンの指向性に厳しい要求もない。それゆえ、本発明は、従来のマイクロホンのノイズ低減技術に比べて、実施の過程において、より実現され易い。本発明に係る上記実施の形態において、マイクロホンアレイとして、何れも全指向性マイクロホンを用いているが、全指向性マイクロホンと単一指向性マイクロホンからなっても、或いは全て単一指向性マイクロホンからなってもよい。
本発明の上述の開示に基づいて、当業者は、上述の実施例を基に各種の改善及び変形を行うことができるほか、これらの改善及び変形は、全て本発明の保護範囲内に属し、当業者であれば、上述の具体的な記述は、本発明の目的をより好適に解釈したことに過ぎず、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲及びその同等物により限定されるべきである。

上述の問題を解決するために、本発明におけるマイクロホンアレイノイズ低減制御方法は、
マイクロホンアレイにより音声信号を収集するステップＳ１と、
マイクロホンアレイの全ての音声信号の入射角度を確定するステップＳ２と、
入射角度に基づいて信号成分の統計を行うステップＳ３と、
統計の結果におけるノイズ成分の占める比率に基づいてパラメータαを確定し、パラメータαを制御パラメータとして適応フィルタを制御するステップＳ４と、を含む。
さらに、音声の入射角度を確定するステップは、
音声信号に対し周波数領域変換又はサブバンド変換を行うステップＳ２０１と、
マイクロホンアレイ信号の各周波数サブバンドの位相差を算出し、位相差に基づいてマイクロホンアレイ信号の各周波数サブバンドの相対遅延を算出するステップＳ２０２と、
各周波数サブバンドの相対遅延に基づいてマイクロホンアレイ信号の入射角度を算出するステップＳ２０３と、を含む。

一方、本発明におけるマイクロホンアレイノイズ低減制御装置は、音声信号を収集するマイクロホンアレイと、マイクロホンアレイの全ての音声信号の入射角度を確定し、入射角度に基づいて信号成分の統計を行い、次に、統計の結果におけるノイズ成分の占める比率に基づいてパラメータαを確定し、パラメータαを制御パラメータとして適応フィルタを制御するフィルタリング制御部と、ノイズをフィルタリングするための適応フィルタと、を含む。

また、フィルタリング制御部は、離散フーリエ変換により音声信号を周波数領域に変換するＤＦＴ手段と、マイクロホンアレイ信号の各周波数サブバンドの位相差を算出し、位相差に基づいてマイクロホンアレイ信号の各周波数サブバンドの相対遅延を算出する信号遅延推定手段と、各周波数サブバンドの相対遅延に基づいてマイクロホンアレイ信号の入射角度を算出する信号方向推定手段と、前記入射角度に基づいて目的信号成分の統計を行い、目的信号成分とノイズ成分とを区別して取得し、かつ、統計の結果におけるノイズ成分の占める比率に基づいてパラメータαを確定し、パラメータαを制御パラメータとして適応フィルタを制御する信号成分統計手段と、を含む。
好ましくは、信号成分統計手段は、さらに、目的音声信号の数によって空間全体を複数の域に分け、前記入射角度の所在する域によってパラメータβを算出し、かつβ＊αを適応フィルタの制御パラメータとする。

Claims (13)

1. マイクロホンアレイにより音声信号を収集するステップＳ１と、
   マイクロホンアレイの全ての音声信号の入射角度を確定するステップＳ２と、
   入射角度に基づいて信号成分の統計を行うステップＳ３と、
   統計の結果に基づいて適応フィルタを制御するステップＳ４と、
   を含むことを特徴とするマイクロホンアレイノイズ低減制御方法。
2. 前記音声の入射角度を確定するステップは、
   音声信号に対し周波数領域変換又はサブバンド変換を行うステップＳ２０１と、
   マイクロホンアレイ信号の各周波数サブバンドの位相差を算出し、位相差に基づいてマイクロホンアレイ信号の各周波数サブバンドの相対遅延を算出するステップＳ２０２と、
   各周波数サブバンドの相対遅延に基づいてマイクロホンアレイ信号の入射角度を算出するステップＳ２０３と、
   を含むことを特徴とする請求項１記載のマイクロホンアレイノイズ低減制御方法。
3. 前記ステップＳ４において、具体的には、
   ノイズのみ存在する場合、適応フィルタの更新速度が速く、
   目的信号が存在する場合、適応フィルタの更新速度が遅い
   ことを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロホンアレイノイズ低減制御方法。
4. 制御パラメータαにより適応フィルタの更新速度を制御しており、そのαの値は統計の結果におけるノイズの占める比率により確定され、
   αが小さいほど適応フィルタの更新が遅くなり、αが０である場合、音声信号は全て目的音声信号であり、適応フィルタは更新されず、逆に、αが１である場合、音声信号は全てノイズ信号であり、適応フィルタは最も速い速度で更新される
   ことを特徴とする請求項３記載のマイクロホンアレイノイズ低減制御方法。
5. 前記ステップＳ２の後、さらに、
   角度過渡範囲を設置し、目的音声信号の数によって空間全体を複数の域に分け、前記入射角度の所在する域によってパラメータβを算出し、β＊αを適応フィルタの制御パラメータとするステップを含む
   ことを特徴とする請求項４記載のマイクロホンアレイノイズ低減制御方法。
6. 空間全体を保護域、過渡域及び抑圧域に分け、入射角度が保護域にある場合β＝０であり、入射角度が過渡域にある場合０＜β＜１であり、入射角度が抑圧域にある場合β＝１である
   ことを特徴とする請求項５記載のマイクロホンアレイノイズ低減制御方法。
7. 前記音声信号を周波数領域変換するステップは、さらに、
   音声信号に対しフレーム化処理を行うステップＳ２０１１と、
   フレーム化処理された後の各フレーム信号に対し窓掛け処理を行うステップＳ２０１２と、
   窓掛け処理された後のデータを周波数領域にＤＦＴ変換するステップＳ２０１３と、
   を含むことを特徴とする請求項２記載のマイクロホンアレイノイズ低減制御方法。
8. 前記ステップＳ２０１１において、
   音声信号ｓ_ｉ（ｉ＝１，２）に対しフレーム化処理を行い、各フレーム毎にＮ個のサンプリング点を取り、或いは、フレーム長を１０ｍｓ〜３２ｍｓとし、第ｍ個のフレーム信号をｄ_ｉ（ｍ，ｎ）とし（０≦ｎ＜Ｎ、０≦ｍ）、隣接する２つのフレームはＭ個のサンプリング点のエイリアシングを有し、各フレーム毎にＬ＝Ｎ−Ｍ個のサンプリング点の新たなデータを有するとした場合、
   第ｍフレームのデータはｄ_ｉ（ｍ，ｎ）＝ｓ_ｉ（ｍ＊Ｌ＋ｎ）である
   ことを特徴とする請求項７記載のマイクロホンアレイノイズ低減制御方法。
9. Ｎ＝２５６であり、エイリアシングのＭ＝１２８〜１９２である
   ことを特徴とする請求項８記載のマイクロホンアレイノイズ低減制御方法。
10. 音声信号を収集するマイクロホンアレイと、
    マイクロホンアレイの全ての音声信号の入射角度を確定し、入射角度に基づいて信号成分の統計を行い、次に、信号成分の統計の結果に基づいて適応フィルタを制御するフィルタリング制御部と、
    ノイズをフィルタリングする適応フィルタと、
    を含むことを特徴とするマイクロホンアレイノイズ低減制御装置。
11. 前記フィルタリング制御部は、
    離散フーリエ変換により音声信号を周波数領域に変換するＤＦＴ手段と、
    マイクロホンアレイ信号の各周波数サブバンドの位相差を算出し、位相差に基づいてマイクロホンアレイ信号の各周波数サブバンドの相対遅延を算出する信号遅延推定手段と、
    各周波数サブバンドの相対遅延に基づいてマイクロホンアレイ信号の入射角度を算出する信号方向推定手段と、
    前記入射角度に基づいて目的信号成分の統計を行い、目的信号成分とノイズ成分とが区別して取得する信号成分統計手段と、
    を含むことを特徴とする請求項１０記載のマイクロホンアレイノイズ低減制御装置。
12. 前記ＤＦＴ手段は、
    音声信号に対しフレーム化処理を行うフレーム化手段と、
    フレーム化処理された後の各フレーム信号に対し窓掛け処理を行う窓掛け手段と、
    窓掛け処理された後のデータを周波数領域にＤＦＴ変換するＤＦＴ変換手段と、
    を含むことを特徴とする請求項１１記載のマイクロホンアレイノイズ低減制御装置。
13. 前記マイクロホンアレイは、全て全指向性マイクロホンからなり、又は、全指向性マイクロホンと単一指向性マイクロホンからなり、又は、全て単一指向性マイクロホンからなることを特徴とする請求項１０〜１３の何れか１項に記載のマイクロホンアレイノイズ低減制御装置。
    

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