JP2014187556A

JP2014187556A - 信号処理装置

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Publication number: JP2014187556A
Application number: JP2013061189A
Authority: JP
Inventors: Masashi Kishimoto; 雅司岸本
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2013-03-23
Filing date: 2013-03-23
Publication date: 2014-10-02
Anticipated expiration: 2033-03-23
Also published as: JP5850343B2

Abstract

【課題】簡単な構成で、音声等をマイク入力する際に発生する吹きかけノイズや屋外での風によるノイズ等を自動で低減することができる信号処理装置を提供することを目的とする。
【解決手段】入力した音響信号から低周波ノイズ成分を低減する信号処理装置であって、入力した音響信号に対して、設定されたカットオフ周波数以下の周波数成分を減衰させるフィルタ手段と、所定時間ごとに、入力した音響信号のスペクトルを取得し、所定の複数の対象周波数ごとのスペクトル値の平均を算出する算出手段と、前記各対象周波数のスペクトル値の平均に基づいて求めたカットオフ周波数を、前記フィルタ手段のカットオフ周波数として設定する設定手段とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図５

Description

この発明は、音声等をマイク入力する際に発生する低域の吹きかけノイズや屋外での風によるノイズ等を自動で低減する技術に関する。

ミキサやオーディオインターフェース等（以下「デバイス」と言う）において、音声入力装置を用いて人の声をマイク取りする際、息などの吹きかけによる低周波ノイズが入ってしまう場合がある。また、屋外でマイクにて集音する際にも、マイクに風が当たることにより低周波ノイズが入ってしまうことがある。

そのようなノイズを抑制するため、簡易な方法としては、ポップガード（マイクの周りにつけるスポンジ状のカバー）などを使って、物理的に吹きかけノイズなどを減らす方法がある。また、デバイス側で、入力した信号の処理経路にハイパスフィルタ（以下「ＨＰＦ」と言う）を設け、必要に応じて低周波ノイズをカットする方法がある。ＨＰＦのカットオフ周波数は、エンジニアが状況に合わせて、例えば４０Ｈｚ、６０Ｈｚ、…、１２０Ｈｚ等に手動設定していた。この場合、屋内だと８０Ｈｚか１００Ｈｚ辺りに設定することが多く、屋外だと天候（特に風力）などの状況に応じて設定を変更していた。

下記特許文献１には、風雑音の少ない音声信号を取得するため、外部の空気の流れの影響から遮蔽する遮蔽手段を設けた第１のマイクと遮蔽手段を設けない第２のマイクを備え、第１のマイクの音声信号からは前記遮蔽手段の共振周波数より低い帯域の音声信号を抽出し、第２のマイクの音声信号からは前記周波数より大きい第２の周波数の帯域の音声信号を抽出し、それらを合成した音声信号を取得する技術が開示されている。

特開２０１１−１４７１０３号公報

上述のポップガードなどを用いる方法では、常に専用のハードウェアとしてポップガードなどを準備しておく必要があり面倒である。ＨＰＦにより低周波ノイズをカットする方法によれば、ポップガードなどは不要になるが、ＨＰＦのカットオフ周波数は状況に応じて最適な値に人が決めて設定する必要がある。また、上記特許文献１の技術では、マイクが２つ必要になり、ハードウエアが複雑である。

本発明は、簡単な構成で、音声等をマイク入力する際に発生する吹きかけノイズや屋外での風によるノイズ等を自動で低減することができる信号処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、入力した音響信号から低周波ノイズ成分を低減する信号処理装置であって、入力した音響信号に対して、設定されたカットオフ周波数以下の周波数成分を減衰させるフィルタ手段と、所定時間ごとに、入力した音響信号のスペクトルを取得し、所定の複数の対象周波数ごとのスペクトル値の平均を算出する算出手段と、前記各対象周波数のスペクトル値の平均に基づいて求めたカットオフ周波数を、前記フィルタ手段のカットオフ周波数として設定する設定手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の信号処理装置において、前記設定手段は、前記対象周波数ごとのスペクトル値の平均のうち、最大値から最小値を減算した差が所定の規定値以上である場合に、当該最小値を前記カットオフ周波数として前記フィルタ手段に設定することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載の信号処理装置において、前記設定手段は、前記対象周波数ごとのスペクトル値の平均のうち、最小値が、所定の最小規定値より小さすぎることなく、かつ、所定の最大規定値より大きすぎることがない場合に、当該最小値を前記カットオフ周波数として前記フィルタ手段に設定することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１に記載の信号処理装置において、前記設定手段は、前記対象周波数ごとのスペクトル値の平均についてそれらのばらつき具合を表す指標となる値を求め、該ばらつき具合が所定の規定値より大きい場合に、当該最小値を前記カットオフ周波数として前記フィルタ手段に設定することを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成で、音声等をマイク入力する際に発生する吹きかけノイズや屋外での風によるノイズ等を自動で低減することができる。特に、ミキサなどで従来より備えられている入力ｃｈのＨＰＦを利用して低周波ノイズの低減が実現できるので、専用のハードウェアは不要であり、所定のソフトウェアを用意するだけで実現可能である。また、自動的にリアルタイムにＨＰＦのカットオフ周波数をセットするため、集音環境の時間変化を気にしなくてよい。また、低域をカットするため、基本周波数に近い領域をカットすることになる。従って、ハウリング防止の効果もある。

この発明を適用した一実施形態であるミキサのハードウェア構成図実施形態のミキサの機能構成を示すブロック図入力ｃｈの概略構成を示すブロック図入力信号のスペクトル図カットオフ周波数の設定および判定手段のフローチャート判定手段の別の実施例を示すフローチャート

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の信号処理装置を適用した実施形態のミキサのハードウェア構成を示すブロック図である。中央処理装置（ＣＰＵ）１０１は、このミキサ全体の動作を制御する処理装置である。リードオンリメモリ（ＲＯＭ）１０２は、ＣＰＵ１０１が実行する各種のプログラムや各種のデータなどを格納した不揮発性メモリである。ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１０３は、ＣＰＵ１０１が実行するプログラムのロード領域やワーク領域に使用する揮発性メモリである。表示部１０５は、このミキサの操作パネル上に設けられた各種の情報を表示するためのディスプレイである。操作子１０７は、操作パネル上に設けられたユーザが操作するための各種の操作子である。通信Ｉ／Ｏ１０９は、各種の外部装置と接続するための入出力部である。表示インターフェース（ＩＦ）１０４と検出ＩＦ１０６と通信ＩＦ１０８は、表示部１０５と操作子１０７と通信Ｉ／Ｏ１０９をそれぞれ通信バス１２１に接続するためのインターフェースである。

信号処理部（ＤＳＰ）１１０は、ＣＰＵ１０１の指示に基づいて各種のマイクロプログラムを実行することにより、入力したディジタル音響信号に対する各種の信号処理を行い、処理後の音響信号を出力する。ＤＳＰ１１０には音声バス１２２を介して、ＡＤ変換部１１２、ＤＡ変換部１１３、およびデジタル信号入出力部（ＤＤ部）１１４が接続されている。ＡＤ変換部１１２は、マイクなどで入力したアナログ音響信号をディジタル音響信号に変換して、音声バス１２２経由でＤＳＰ１１０に出力する複数系列のアナログディジタル変換機能を実現する。ＤＡ変換部１１３は、ＤＳＰ１１０から出力されるディジタル音響信号をアナログ音響信号に変換してアンプやスピーカなどの音響機器に出力する複数系列のディジタルアナログ変換機能を実現する。デジタル信号入出力部１１４は、外部機器からディジタル信号を入力してＤＳＰ１１０に渡したり、ＤＳＰ１１０の出力であるディジタル音響信号を外部装置に出力する複数系列のディジタル入出力機能を実現する。ＥＦＸ１１１は、入力したディジタル音響信号の効果付与処理を行うための信号処理装置（ＤＳＰ）である。

図２は、本実施形態のミキサの機能構成を示すブロック図である。入力パッチ２０１に入る複数本の矢印は、図１のＡＤ変換部１１２やＤＤ部１１４により入力した複数系列の入力信号を示す。入力パッチ２０１は、それらの入力ポートの入力信号を複数の入力ｃｈ２０２にパッチング（任意結線）する。複数の入力ｃｈ２０２は、それぞれ、設定されたパラメータに基づいて入力信号に種々の信号処理を施す。それらの入力ｃｈ２０２の信号は、送出レベルをそれぞれ独立に設定してＭ本のＭＩＸバスやＣｕｅバス２０３（バス構成は任意）に送出される。

これらのバス２０３のそれぞれは、入力ｃｈ２０２から入力した信号をミキシングする。ミキシングされた信号はそれぞれ出力ｃｈ２０４に出力される。各出力ｃｈ２０４は、設定されたパラメータに基づいて、入力された信号に種々の信号処理を施す。出力ｃｈ２０４の出力は出力パッチ２０５に入力する。出力パッチ２０５は、出力ｃｈ２０４から出力される信号を複数の出力ポートにパッチング（任意結線）する。出力パッチ２０５から出ている複数本の矢印は、ＤＡ変換部３１３やＤＤ部３１４経由で出力される複数系列の出力信号を示す。

入力パッチ２０１から出力パッチ２０５までの処理は、主として図１のＤＳＰ１１０が所定のマイクロプログラムを実行することにより実現する。該マイクロプログラムは、ＣＰＵ１０１がＤＳＰ１１０に送って設定する。ＤＳＰ１１０が該マイクロプログラムを実行するときに使用する係数データも、ＣＰＵ１０１がＤＳＰ１１０に送って設定する。

図３は、入力パッチ２０９とバス２０３の間に介在する入力ｃｈ２０２の１ｃｈ分の概略構成を示す機能ブロック図である。アッテネータ（Ａｔｔ）３０１とヘッドアンプ（Ｈ／Ａ）３０２は、入力信号に対して先頭部分でのレベル制御を行う。ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）３０３およびイコライザ（ＥＱ）３０４は周波数特性の調整を行う。ゲート（Ｇａｔｅ）３０５は、信号レベルが下がったときにノイズが残らないように閉じるノイズゲートである。コンプレッサ（Ｃｏｍｐ）３０６は、自動ゲイン調整を行う。ディレイ（Ｄｅｌａｙ）３０７は、位相合わせを行うための遅延回路である。レベル（Ｌｅｖｅｌ）３０８は、信号の送出レベルを調整するレベル調整部である。パン（Ｐａｎ）３０９は、信号をステレオで出力する場合の左右定位（パン）の制御を行う。

本実施形態のミキサでは、マイク入力された入力信号は、何れかの入力ｃｈ２０２に割り当てられて図３に示すように信号処理される。この場合、ＨＰＦ３０３は、周波数特性の調整を行うために従来より設けられているものであるが、本実施形態では、このＨＰＦ（フィルタ手段）３０３を利用して、音声等をマイク入力する際に発生する吹きかけノイズや屋外での風によるノイズなどの低周波ノイズを低減する。ユーザは、任意の入力ｃｈに対して当該低周波ノイズの低減機能の有効／無効を指定することができる。該機能が有効に設定された入力ｃｈでは、以下で説明する原理および動作により、ＨＰＦ３０３のカットオフ周波数を自動設定し、上述の低周波ノイズを低減する。

図４は、ＨＰＦ３０３のカットオフ周波数の決め方の原理を説明するためのスペクトル図である。横軸は入力信号の周波数、縦軸は周波数ごとの信号強度を示す。点線のグラフ４０１は、マイク入力した人の声の入力信号を、ある時点でＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理して得たスペクトルの現在値を示す。本実施形態では、所定時間ごとに入力信号のスペクトルの現在値を取得する。そのために、本実施形態のミキサは、ＦＦＴを含む解析用ソフトウェアを備えており、ＤＳＰ１１０で該ソフトウェアを動作させて、指定された入力ｃｈの入力信号のスペクトルの現在値を取得する。

前記所定時間ごとに取得した入力信号のスペクトルの現在値から、所定の幾つかの周波数のスペクトル値を時間ごとに取得して保持する。ここでは、４０Ｈｚ、６０Ｈｚ、８０Ｈｚ、１００Ｈｚ、および１２０Ｈｚの各対象周波数のスペクトル値を保持するものとし、さらにそれらの各周波数について最新の値から過去のｎ回分（ｎは２以上の整数であり予め決めておく）のスペクトル値を取得して保持する。例えば、図４の１００Ｈｚの軸上に付番４０３で示すＳ1〜Ｓnは、当該周波数について、Ｓnが最新に取得されたスペクトル値、Ｓn-1が１回前に取得されたスペクトル値、…、Ｓ1がn-1回前に取得されたスペクトル値を示す。

次に、上述の各対象周波数ごとに、それらのｎ回分のスペクトル値の平均（Ｓ1＋Ｓ2＋…＋Ｓn）／ｎを求める。図４中の白丸（例えば白丸４０４）は、各対象周波数の最新ｎ回分のスペクトル値の平均を示す。４０２は、上記所定時間ごとに取得したｎ回分のスペクトルのうちの最大値（履歴）を示している。ここで、白丸で示したスペクトル平均値が高めのポイント（図４では４０Ｈｚや１２０Ｈｚ）は、その周波数がノイズかまたは声の成分の何れかであると想定される。一方、白丸で示したスペクトル平均値が最も低いポイント（図４では８０Ｈｚ）は、ノイズ部と声の基音部との境界ポイントであると判別できる。そこで、スペクトル平均値が最小となる周波数をＨＰＦ３０３のカットオフ周波数として設定する。以上のように、吹きかけなどによる低周波ノイズについては、相対的にレベルが最も低いスペクトルポイントの周波数がノイズと声との境界と考えられるので、その周波数を最適なカットオフ周波数としてＨＰＦ３０３に設定することで低周波ノイズを低減することができる。

なお、図４では白丸のｎ回の平均値が上記対象周波数のうちの中間的な位置（８０Ｈｚ）で最小値となるケースを例示したが、例えばこの平均値が最小周波数４０Ｈｚで最小値を取り周波数が大きくなるにつれて右肩上がりに増加するようなケースでは、該平均値が最小値となる周波数４０ＨｚをＨＰＦ３０３のカットオフ周波数として設定するものとする。この場合、実際は、より大きいカットオフ周波数とすべき可能性もあるが、音声部分を低減させてしまうことなく、安全を考えた設定としている。なお、デフォルトの値を最小周波数（例えば２０Ｈｚや４０Ｈｚ）として、まずはこの最小周波数をＨＰＦのカットオフとしてセットし、その後、測定が進んで適切な値が求められたら再セットするようにしてもよい。また、録音環境などにより、極端にノイズフロアが高い場合（例えば、周辺の騒音が非常に大きい場合等）は、吹きかけノイズとそれ以外のノイズとを判別することは困難となり、上記ｎ回の平均値が最小となる周波数位置がばらつく可能性が考えられるが、その場合はＨＰＦを適用しないか、上記デフォルトの値をそのまま使用するようにすればよい。

上述の各対象周波数におけるスペクトル平均値の演算結果は、ｎの値が大きい程、精度の高い判定ができるが同時に演算負荷も大きくなる。現実的には、例えば楽曲であればサビのワンフレーズ程度の時間（例えば１５秒程度）内でｎ＝１００回のスペクトル値の取得を行う程度を想定している。また、ユーザーがＨＰＦ設定を無効にしている場合はそちらが優先されて無効となる。ユーザーがＨＰＦ設定を有効にしていて、測定が完了した場合は、最適値が選択される。測定未完了状態では、デフォルト値が選択されるものとする。

なお、上述の原理でＨＰＦのカットオフ周波数を一旦設定したら、該カットオフ周波数は変更する必要はないが、各種の環境が変わった場合は再度カットオフ周波数を設定し直してもよい。また、リアルタイムに環境が変わる場合などは、所定時間ごとに、カットオフ周波数を設定し直してもよい。

図５（ａ）は、本実施形態のミキサにおけるカットオフ周波数の設定フローである。この処理は、ユーザにより低周波ノイズの低減を行うと指定された入力ｃｈについて実行されるものであり、特にその入力ｃｈへ入力する入力信号に対して所定時間ごとにスペクトル値を取得する処理を少なくともｎ回繰り返して、各対象周波数の最新のｎ個のスペクトル値が取得されているものとする。

ステップ５０１では、対象周波数ごとに過去ｎ回分のスペクトル値の平均値を求める。対象周波数は、例えば上述の４０Ｈｚ、６０Ｈｚ、８０Ｈｚ、１００Ｈｚ、および１２０Ｈｚなどであり、予め選択しておく。ここではｆ1，ｆ2，…,ｆmのｍ個の周波数とする。平均値の算出式は、例えばｆ１について、Ａｖｅ（ｆ1）＝（Ｓ1＋Ｓ2＋…＋Ｓn）／ｎで算出すればよい。ステップ５０１はスペクトル値の平均を算出する算出手段に相当する。次に、ステップ５０２，５０３で、ｍ個の各対象周波数のスペクトルの平均値の最小値ｍｉｎ（Ａｖｅ（ｆ1），Ａｖｅ（ｆ2），…，Ａｖｅ（ｆm））と最大値ｍａｘ（Ａｖｅ（ｆ1），Ａｖｅ（ｆ2），…，Ａｖｅ（ｆm））を算出する。ステップ５０４で、判定手段により、ＨＰＦ３０３のカットオフ周波数を決定してセットする。ステップ５０４はカットオフ周波数の設定手段に相当する。

図５（ｂ）は、ステップ５０４の判定手段の手順を示す。ステップ５１１で、ステップ５０３で求めた最大値からステップ５０２で求めた最小値を減算した差が規定値より小さいか否か判定する。規定値は予め決めておいた値である。「最大値−最小値＜規定値」なら、最大値と最小値との間に有意と見ることができるような差が無いと判定し、ステップ５１２で、デフォルトの周波数（例えば２０Ｈｚや４０Ｈｚ）をＨＰＦ３０３のカットオフ周波数としてセットする。「最大値−最小値＜規定値」でないなら、最小値の位置が声と低周波ノイズとの境界と判定し、ステップ５１３で、当該最小値の周波数をＨＰＦ３０３のカットオフ周波数としてセットする。

図６（ａ）は、ステップ５０４の判定手段の別の例を示す。ステップ６０１で、ステップ５０２で求めた最小値の値を判定する。予め決めてある最小規定値および最大規定値に対し、「最小値＜最小規定値」または「最大規定値＜最小値」である場合は、最小値が「小さすぎる」あるいは「大きすぎる」ため声と低周波ノイズとの有意な境界と見ることができないと判定し、ステップ６０２で、デフォルトの周波数をＨＰＦ３０３のカットオフ周波数としてセットする。「最小規定値＜＝最小値＜＝最大規定値」である場合は、最小値が声と低周波ノイズとの有意な境界と見ることができると判定し、ステップ６０３で、当該最小値の周波数をＨＰＦ３０３のカットオフ周波数としてセットする。

図６（ｂ）は、ステップ５０４の判定手段のさらに別の例を示す。ステップ６１１で、対象周波数のスペクトルの平均値の分散ｖａｒ（Ａｖｅ（ｆ1），Ａｖｅ（ｆ2），…，Ａｖｅ（ｆm））を算出する。ステップ６１２で、「分散値＜規定値」か否か判定する。この規定値は予め決めておいた値である。「分散値＜規定値」である場合は、対象周波数のスペクトルの平均値がそれほどばらついていないということであるから、最小値を声と低周波ノイズとの有意な境界と見ることができないと判定し、ステップ６１３で、デフォルトの周波数をＨＰＦ３０３のカットオフ周波数としてセットする。「分散値＜規定値」で無い場合は、対象周波数のスペクトルの平均値がある程度ばらついており、最小値が声と低周波ノイズとの有意な境界と見ることができると判定し、ステップ６１４で、当該最小値の周波数をＨＰＦ３０３のカットオフ周波数としてセットする。なお、分散の代わりに標準偏差などを利用してもよい。

１０１…中央処理装置（ＣＰＵ）、１０２…リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、１０３…ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、１０５…表示部、１０７…操作子、１０９…通信Ｉ／Ｏ、１１０…信号処理部（ＤＳＰ）、１１２…ＡＤ変換部、１１３…ＤＡ変換部、１１４…デジタル信号入出力部（ＤＤ部）、３０３…ＨＰＦ、４０１…スペクトルの現在値、４０４…ｎ回の平均値。

Claims

入力した音響信号から低周波ノイズ成分を低減する信号処理装置であって、
入力した音響信号に対して、設定されたカットオフ周波数以下の周波数成分を減衰させるフィルタ手段と、
所定時間ごとに、入力した音響信号のスペクトルを取得し、所定の複数の対象周波数ごとのスペクトル値の平均を算出する算出手段と、
前記各対象周波数のスペクトル値の平均に基づいて求めたカットオフ周波数を、前記フィルタ手段のカットオフ周波数として設定する設定手段と
を備えたことを特徴とする信号処理装置。
請求項１に記載の信号処理装置において、
前記設定手段は、前記対象周波数ごとのスペクトル値の平均のうち、最大値から最小値を減算した差が所定の規定値以上である場合に、当該最小値を前記カットオフ周波数として前記フィルタ手段に設定する
ことを特徴とする信号処理装置。
請求項１に記載の信号処理装置において、
前記設定手段は、前記対象周波数ごとのスペクトル値の平均のうち、最小値が、所定の最小規定値より小さすぎることなく、かつ、所定の最大規定値より大きすぎることがない場合に、当該最小値を前記カットオフ周波数として前記フィルタ手段に設定する
ことを特徴とする信号処理装置。
請求項１に記載の信号処理装置において、
前記設定手段は、前記対象周波数ごとのスペクトル値の平均についてそれらのばらつき具合を表す指標となる値を求め、該ばらつき具合が所定の規定値より大きい場合に、当該最小値を前記カットオフ周波数として前記フィルタ手段に設定する
ことを特徴とする信号処理装置。