JP2015004915A - ノイズ抑圧方法および音声処理装置 - Google Patents

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Takehiko Isaka
岳彦 井阪
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Abstract

【課題】音声信号においてより適切にノイズ抑圧できる技術を提供する。【解決手段】主として環境雑音を取り込む第一音声入力部と、主として声を取り込む第二音声入力部と、前記第一および第二の音声入力部からの信号の複数周波数帯域のパワー差を算出する第一周波数帯域差算出部と、前記パワー差に基づいて第一の雑音抑圧量を算出する第一雑音抑圧量算出部と、前記第二音声入力部からの信号に前記第一の雑音抑圧量に基づいて雑音抑圧する雑音抑圧部とを備え、前記第一雑音抑圧量算出部は前記パワー差が比較的小さい場合に前記第一の雑音抑圧量を増やす音声処理装置。【選択図】 図5

Description

本発明の実施形態は、ノイズ抑圧方法および音声処理装置に関する。
音声処理装置等においてはノイズ抑圧方法への要請がある。例えば、録音やVoIP(Voic
e over Internet Protocol)通話において、マイクの音声入力の聞き取りやすさを改善し
たいというニーズがある。また、屋外などの雑音環境であっても正確に音声認識したいと
いうニーズなどもある。
例えばある雑音抑圧法は、2つのマイクを用いた抑圧法であり、2つのマイクの周波数
帯域のパワー差に基づいて「雑音推定の速度」を制御するものである。しかしながらこの
先行技術は雑音区間でも音声区間でも高精度に雑音推定できる効果はあるが、抑圧対象の
周波数帯しか見ておらず、部分的にパワーの小さい音声帯域を抑圧したり、部分的にパワ
ーの大きい雑音帯域を抑圧しないなどの不具合が生じやすい。その結果、声が減衰したり
、雑音を適切に抑圧できないなどの副作用が生じる。
より適切にノイズ抑圧できる技術への要望があるが、かかる要望を実現するための手段
は知られていない。
特許第5007442号公報
本発明の実施の形態は、音声信号においてより適切にノイズ抑圧できる技術を提供する
ことを目的とする。
上記課題を解決するために、実施形態によれば音声処理装置は、主として環境雑音を取
り込む第一音声入力部と、主として声を取り込む第二音声入力部と、前記第一および第二
の音声入力部からの信号の複数周波数帯域のパワー差を算出する第一周波数帯域差算出部
と、前記パワー差に基づいて第一の雑音抑圧量を算出する第一雑音抑圧量算出部と、前記
第二音声入力部からの信号に前記第一の雑音抑圧量に基づいて雑音抑圧する雑音抑圧部と
を備え、前記第一雑音抑圧量算出部は前記パワー差が比較的小さい場合に前記第一の雑音
抑圧量を増やす。
実施形態にかかる電子機器の外観を模式的に示す図。 実施形態にかかる電子機器のハードウェア構成の一例を示すブロック構成図。 同実施形態の音声処理部の詳細な構成を示すブロック図。 同実施形態に用いられる音声処理部200等の構成を示す概略ブロック図。 同実施形態のノイズの抑圧処理を示すフローチャート。
以下、添付図面を参照して音声処理装置の実施形態にかかる電子機器及び制御方法の詳
細を説明する。
なお、以下の実施形態では、PDAや携帯電話等、ユーザが把持して使用する電子機器
を例に説明する。
図1は、実施形態にかかる電子機器100の外観を模式的に示す図である。電子機器1
00は、表示画面を備えた情報処理装置であり、例えばスレート端末(タブレット端末)
や電子書籍リーダ、デジタルフォトフレーム等として実現されている。なお、ここでは、
X軸、Y軸、Z軸の矢印方向(Z軸では図の正面方向)を正方向としている(以下同様)
電子機器100は、薄い箱状の筐体Bを備え、この筐体Bの上面に表示部110が配置
されている。表示部110は、ユーザによってタッチされた表示画面上の位置を検知する
タッチパネル(図2、タッチパネル111参照)を備えている。また、筐体Bの正面下部
にはユーザが各種操作を行う操作スイッチ等である操作スイッチ190、ユーザの音声を
取得するためのマイク210aとマイク210bとが配置されている。ここでは筐体Bの
裏面に配置されているマイク210aと、筐体Bの上面に配置されているマイク210b
とに分かれている。マイク210aは主として環境雑音の集音用で、マイク210bは主
として声の集音用で、それぞれ指向性を持たせるのも好適である。
また、筐体Bの正面上部には音声出力を行うためのスピーカ220が配置されている。
また、筐体Bの縁には、把持するユーザの圧力を検知する圧力センサ230が配置されて
いる。なお、図示例ではX軸方向の左右の縁に圧力センサ230を備える構成を例示した
が、Y軸方向の上下の縁に圧力センサ230を備えてもよい。
図2は、実施形態にかかる電子機器100のハードウェア構成の一例を示すブロック図
である。図2に示すように、電子機器100は、上述の構成に加え、CPU120、シス
テムコントローラ130、グラフィックスコントローラ140、タッチパネルコントロー
ラ150、加速度センサ160、不揮発性メモリ170、RAM180、音声処理部20
0、通信部240等を備えている。また音声処理部200には、アナログのスイッチ21
0cを介して内蔵または外付けのマイク210aとマイク210bと、スピーカ220と
が接続されている。
表示部110は、タッチパネル111と、LCD(Liquid Crystal Display)や有機
EL(Electro Luminescence)等のディスプレイ112とから構成されている。タッチ
パネル111は、例えばディスプレイ112の表示画面上に配置された当面の座標検出装
置から構成されている。タッチパネル111は、例えば筐体Bを把持したユーザの指によ
ってタッチされた表示画面上の位置(タッチ位置)を検知することができる。このタッチ
パネル111の働きにより、ディスプレイ112の表示画面はいわゆるタッチスクリーン
として機能する。
CPU120は、電子機器100の動作を中央制御するプロセッサであり、システムコ
ントローラ130を介して電子機器100の各部を制御する。CPU120は、不揮発性
メモリ170からRAM180にロードされる、オペレーティングシステム、各種アプリ
ケーションプログラムを実行することで、後述する各機能部(図3など参照)を実現する
。RAM180は、電子機器100のメインメモリとして、CPU120がプログラムを
実行する際の作業領域を提供する。
システムコントローラ130には、不揮発性メモリ170及びRAM180をアクセス
制御するメモリコントローラも内蔵されている。また、システムコントローラ130は、
グラフィックスコントローラ140との通信を実行する機能も有している。また、システ
ムコントローラ130は、通信部240、インターネット等を介して図示せぬ外部のサー
バへ音声波形等の音声信号を送信し、この音声波形に対する音声認識の結果を必要によっ
ては受信する機能も有している。
グラフィックスコントローラ140は、電子機器100のディスプレイモニタとして使
用されるディスプレイ112を制御する表示コントローラである。タッチパネルコントロ
ーラ150は、タッチパネル111を制御し、ユーザによってタッチされたディスプレイ
112の表示画面上のタッチ位置を示す座標データをタッチパネル111から取得する。
加速度センサ160は、図1に示す3軸方向(X、Y、Z方向)や、これに各軸周りの
回転方向の検出を加えた6軸方向の加速度センサ等であって、電子機器100に対する外
部からの加速度の向きと大きさを検出し、CPU120に出力する。具体的に、加速度セ
ンサ160は、加速度を検出した軸、向き(回転の場合、回転角度)、及び大きさを含ん
だ加速度検出信号(傾き情報)をCPU120に出力する。なお、角速度(回転角度)検
出のためのジャイロセンサを、加速度センサ160に統合する形態としてもよい。
音声処理部200は、マイク210a、マイク210bより(スイッチ210cを介し
て)入力される音声信号に、ディジタル変換、ノイズ除去、エコーキャンセル等の音声処
理を施して、システムコントローラ130を介して、CPU120へ出力する。また、音
声処理部200は、CPU120の制御のもとで、音声合成等の音声処理を施して生成し
た音声信号をスピーカ220へ出力し、スピーカ220による音声報知を行う。この音声
処理部200に、後述のノイズサプレス部16がある。この中の音声処理部200の詳細
について次に説明する。
図3は、実施例にかかる音声処理部200の詳細な構成を示すブロック図である。音声
処理部200は図5の各機能ブロックで用いられる音声信号処理演算の基本的なハードウ
ェアやソフトウェア(モジュール)群であり、音声復号部11、DA変換器12、増幅器
13、増幅器14、AD変換器15、ノイズサプレス部16、音声符号部17などから構
成される。
このうち音声処理部200aは、DA変換器12、増幅器13、増幅器14、AD変換
器15からなる言わばアナデジ変換部のハードウェア部分である。また音声処理部200
bは、音声復号部11、ノイズサプレス部16、音声符号部17などからなる言わば音声
符号化/復号化部のソフトウェア部分である。
音声復号部11は、システムコントローラ130からの圧縮された音声信号を復号処理
する。DA変換器12は、それをDA変換する。増幅器13は、それを増幅して、スピー
カ220へ送出する。
増幅器14は、マイクロホン210a、マイク210bからの音声信号を増幅する。A
D変換器15はそれをAD変換する。ノイズサプレス部16は、その信号に対して、ノイ
ズの抑圧処理を行う。音声符号部17は、それに対して、音声圧縮処理を行い、システム
コントローラ130へ送出する。この中のノイズサプレス部16の詳細について、以下の
例で説明する。
さて図4は、実施形態に用いられる音声処理部200を主体とする構成を示す概略ブロ
ック図である。この構成は破線囲いで示しているノイズサプレス部16を中心としている
このブロックは、第一音声入力部400と第二音声入力部450と周波数変換部500
と帯域パワー計算部550と第一周波数帯域差算出部600と第一雑音抑圧量算出部65
0と第二周波数帯域差算出部700と第二雑音抑圧量算出部750と雑音抑圧量統合部8
00と雑音抑圧部900と周波数逆変換部950とから構成されている。第一音声入力部
400と第二音声入力部450は夫々主にマイク210aとマイク210bに対応し音声
処理部200の一部を含む構成であり、その他の機能ブロックは音声処理部200に拠っ
ている。
第一音声入力部400は主として環境雑音を集音し、第二音声入力部450は主として
声を集音する。
とより詳しくは、音声処理部200がスイッチ210cをマイク210aからの入力を
通過させるように切り替えたときには、マイク210aで集音された音声信号が増幅器1
4を経由してAD変換器15へ到達し、また音声処理部200がスイッチ210cをマイ
ク210bからの入力を通過させるように切り替えたときには、マイク210bで集音さ
れた音声信号が増幅器14を経由してAD変換器15へ到達するよう構成されている。
第一音声入力部400と第二音声入力部450の両者ともAD変換器15を動作させそ
の出力を得る構成となっている。また夫々の出力は時分割で周波数変換部500へ導かれ
る構成となっている。第一周波数帯域差算出部600は、第一音声入力部400と第二音
声入力部450からの信号の周波数帯域のパワー差を算出する。第一周波数帯域差算出部
600は、周波数変換部500、帯域パワー計算部550の出力を得る構成となっている
。第一雑音抑圧量算出部650は、第一周波数帯域差算出部600の出力に基づいて、周
波数帯域毎に、第一の雑音抑圧量を算出する。
第二周波数帯域差算出部700は、第一音声入力部400と第二音声入力部450から
の信号の周波数帯域の複数帯域に渡るパワー差を算出する。この算出方法は、第一周波数
帯域差算出部600と同様であってもよいし、異なっていても(例えば周波数帯域のレン
ジを変える、あるいは前述のように不等間隔に分割する等)よい。第二周波数帯域差算出
部700は、周波数変換部500、帯域パワー計算部550の出力を得る構成となってい
る。第二雑音抑圧量算出部750は、この第二周波数帯域差算出部700の出力に基づい
て、周波数帯域毎に、第二の雑音抑圧量を算出する。
雑音抑圧量統合部800は、第一雑音抑圧量算出部650からの雑音抑圧量と第二雑音
抑圧量算出部750からの雑音抑圧量に基づいて最終的な雑音抑圧量を算出する。雑音抑
圧部900は、雑音抑圧量統合部800からの雑音抑圧量に基づいて、第二音声入力部4
50からの入力音声に含まれる雑音成分を抑圧する。雑音抑圧部900は、周波数逆変換
部950へこの抑圧の結果を出力し、音声符号部17は周波数逆変換部950の出力を得
る構成となっている。
雑音抑圧量統合部800は、図示しない音声検出部の結果に基づいて、音声区間では第
一雑音抑圧量算出部650からの雑音抑圧量をそのまま出力し、雑音区間では第二雑音抑
圧量算出部750からの雑音抑圧量を第一雑音抑圧量算出部650からの雑音抑圧量に、
必要なら重み付けをして加算する。この音声検出部は、例えば同一出願人による特許第48
37123号の技術を援用してもよい。
図5は、実施形態のノイズの抑圧処理を示すフローチャートである。
ステップS60: 音声入力が実行される。第一音声入力部400はマイク210aから
主として環境雑音を集音する。集音された環境雑音は増幅器14で増幅され、AD変換器
15でAD変換されディジタル信号x1(t)となる。また同様に第二音声入力部450
はマイク210bから主として声を集音する。集音された声は増幅器14で増幅されAD
変換器15でAD変換されディジタル信号x2(t)となる。音声処理部200は、スイ
ッチ210cを切り替えることにより、第一音声入力部400と第二音声入力部450を
順に作動させる。
ステップS61: ノイズサプレス部16で第一周波数帯域差算出が実行される。第一周
波数帯域差算出部600は、第一音声入力部400と第二音声入力部450からの信号の
周波数帯域のパワー差を算出する。
まず周波数変換部500によるディジタル信号x1(t)、ディジタル信号x2(t)
の夫々時間/周波数領域変換によって、振幅スペクトルX1(n)、X2(n)が得られ
る。次に帯域パワー計算部550により夫々帯域パワーXd1(k)、Xd2(k)が算
出される。
帯域パワー計算部550は、振幅スペクトルXi(n)(i=1,2)を低域から高域
まで例えば16個の周波数帯域に分割し、これらの周波数帯域ごとに平均をとって各周波
数帯域を代表する帯域パワーXdi(k)(k=0〜K−1。Kは周波数帯域数で、例え
ば16でkが小さい方が低域、大きい方が高域とする。)(i=1,2)を算出する。こ
こでは、等間隔に分割する例を示したが、バークスケールやメルスケール等のように、低
域ほど分割幅を狭くして、人間の聴覚特性に適した分割幅を採用してもよい。また、瞬時
的な変動の大きい振幅スペクトルのパワーを用いるよりも安定したパワーを得ることを目
的として、周波数帯域に分割する例を示したが、特定の帯域(例えば、低域あるいは全帯
域)で振幅スペクトルのパワーそのものを用いて、より細かく処理してもよい。このよう
にして各周波数帯域を代表する帯域パワーXdi(k)(i=1,2)が求められる。
ここにマイク間レベル差(ILD)は、マイク間レベル量累積値を用いれば、ある時刻t
において例えば次のように定式化される。
Figure 2015004915
或いは帯域を限定して、次のように定式化してもよい。
Figure 2015004915
あるいは絶対値を用いてもよい。
Figure 2015004915
こちらも帯域を限定して、次のように定式化してもよい。
Figure 2015004915
すなわち周波数帯域方向でマイク間レベルの量累積が実行されるので、周波数方向のフ
ィルタの平滑化が行われることになる。よって特に音声区間の音声帯域の抑圧におけるミ
ュージカルノイズ(musical noise)を抑えつつ、雑音区間での高い雑音抑圧量を達成で
きる可能性が高い。
補足すると従来の方法によっては、入力信号と推定雑音のレベルがほぼ同じになる周波
数で信号の減衰が急に大きくなるので、雑音の推定レベルの誤差により特定の周波数で信
号が現れたり消えたりする現象が起き、ミュージカルノイズと呼ばれるトーン性の雑音が
発生する問題がある。
なお式1または式2に関し、例えばΣXd2(k)がΣXd1(k)のn倍(nは正数
、例えば2)以上の場合に第一の雑音抑圧量を減らし、そうでない場合は雑音抑圧量を増
すアプローチを採ってもよい。
なお、第一周波数帯域差算出部600は「周波数帯域毎の帯域差ILD(k)」で第一雑音抑
圧量を算出し、第二周波数帯域差算出部700は「周波数帯域およびその周辺の周波数帯
域での帯域差[例えば、ILD(k-1)+ILD(k)+ILD(k+1)]」で第二雑音抑圧量を算出し、第一お
よび第二雑音抑圧量がともに閾値(正の小さな値、例えば3dB)を超えたときに雑音抑圧す
る、としてもよい。このようにすることで、声の帯域を誤って抑圧しない効果が得られる
ステップS62: ノイズサプレス部16で第一周波数帯域差算出が実行される。第一周
波数帯域差算出部600は、第一音声入力部400と第二音声入力部450からの信号の
周波数帯域のパワー差を算出する。このパワー差の算出方法は、ステップS61と同一の
計算によるものであってもよいし、また計算方法を変えて算出してもよい。
ステップS63: ノイズサプレス部16で第一雑音抑圧量算出が実行される。第一雑音
抑圧量算出部650は、第一周波数帯域差算出部600の出力に基づいて、周波数帯域毎
に、第一の雑音抑圧量G_1(k)を以下のように算出する。
G_1(k)=α×ILD1(k) (5)
ここで、αは定数(例えば0.5)、ILD1(k)は帯域kにおける第一周波数帯域差
算出部600の出力である。
ステップS64: ノイズサプレス部16で第二雑音抑圧量算出が実行される。第二雑音
抑圧量算出部750は、第二周波数帯域差算出部700の出力に基づいて、周波数帯域毎
に、第二の雑音抑圧量G_2(k)を以下のように算出する。
G_2(k)=β×ILD2(k) (6)
ここで、βは定数(例えば0.3)、ILD2(k)は帯域kにおける第二周波波数帯域
差算出部700の出力である。
ステップS65: ノイズサプレス部16で雑音抑圧量統合が実行される。雑音抑圧量統
合部800は、第一雑音抑圧量算出部650からの雑音抑圧量と第二雑音抑圧量算出部7
50からの雑音抑圧量に基づいて、上記の雑音区間でないか雑音区間であるかの判定を基
に、最終的な雑音抑圧量を算出する。
即ち必要とする信号が得られているか否かの観点から、雑音区間でない(音声区間であ
る)場合には抑圧を弱め、雑音区間である場合には抑圧を強める方針による。
ステップS66: ノイズサプレス部16の図示せぬゲイン加重部で雑音抑圧が実行され
る。雑音抑圧部900は、雑音抑圧量統合部800からの雑音抑圧量に基づいて、第二の
音声入力部550からの入力音声に含まれる雑音成分を抑圧する。即ち雑音抑圧部900
は振幅スペクトルX2(n)に、ゲインG_1(k)+G_2(k)を帯域ごとに乗算して
重み付けをして、雑音の抑圧された振幅スペクトルY(n)を算出する。また周波数逆変
換部950では、この雑音抑圧された振幅スペクトルY(n)(及び対応する位相スペク
トルP(n))を時間領域の音声信号y(t)に変換する。
ステップS67: 音声信号が出力される。音声符号部17は、時間領域の音声信号y(
t)に対して、音声圧縮処理を行い、システムコントローラ130へ送出する。
本実施形態は雑音抑圧量の計算に一つの特徴があり、複数帯域に渡って周波数帯域のパ
ワー差を求めて、この値が小さいときに雑音抑圧量を修正する制御方法を採っている。よ
って、複数の帯域を見て抑圧量を算出するので、声の減衰や雑音の抑圧不足を抑えられる
。また、雑音区間では第二の抑圧量を加算することで、高い抑圧量を実現できる。
なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この外その要旨を逸脱しな
い範囲で種々変形して実施することができる。例えば実施形態では、ノイズサプレス部を
タブレットに適用した形態を例にとって行ったが、本発明のノイズサプレス部は、携帯電
話、スマートフォン、移動通信端末装置、固定電話装置、会議システム、音声認識装置、
LSI等、あらゆる音声信号を扱う装置、回路等に適用することが当然に可能である。
また、上記した実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜に組み合わせること
により、種々の発明を形成することができる。例えば、実施の形態に示される全構成要素
から幾つかの構成要素を削除しても良いものである。さらに、異なる実施の形態に係わる
構成要素を適宜組み合わせても良いものである。
11…音声復号部、12…DA変換器、13…増幅器、14…増幅器、15…AD変換
器、16…ノイズサプレス部、17…音声符号部、21…周波数変換部、22…帯域パワ
ー計算部、27…周波数逆変換部、100…電子機器、110…表示部、120…CPU
、130…システムコントローラ、140…グラフィックスコントローラ、150…タッ
チパネルコントローラ、160…加速度センサ、170…不揮発性メモリ、180…RA
M、190…操作スイッチ、200…音声処理部、210…マイク、220…スピーカ、
230…圧力センサ、240…通信部、111…タッチパネル、112…ディスプレイ、
B…筐体。

Claims (5)

  1. 主として環境雑音を取り込む第一音声入力部と、
    主として声を取り込む第二音声入力部と、
    前記第一および第二の音声入力部からの信号の複数周波数帯域のパワー差を算出する第一
    周波数帯域差算出部と、
    前記パワー差に基づいて第一の雑音抑圧量を算出する第一雑音抑圧量算出部と、
    前記第二音声入力部からの信号に前記第一の雑音抑圧量に基づいて雑音抑圧する雑音抑
    圧部とを備え、
    前記第一雑音抑圧量算出部は前記パワー差が比較的小さい場合に前記第一の雑音抑圧量を
    増やす音声処理装置。
  2. 第一音声入力部からの信号と第二音声入力部からの信号の複数周波数帯域のパワー差を
    算出する第二周波数帯域差算出部と、
    このパワー差に基づいて第二の雑音抑圧量を算出する第二雑音抑圧量算出部とを更に備
    え、
    前記雑音抑圧部は雑音区間では、前記第一の雑音抑圧量にこの第二の雑音抑圧量を加算
    して雑音抑圧する請求項1に記載の音声処理装置。
  3. 前記第一雑音抑圧量算出部は、前記パワー差が所定の閾値以上の場合に前記第一の雑音
    抑圧量を増やす請求項1または請求項2に記載の音声処理装置。
  4. 第一音声入力部からの信号と第二音声入力部からの信号の複数周波数帯域のパワー差を
    算出する第一周波数帯域差算出工程と、
    前記パワー差に基づいて第一の雑音抑圧量を算出する第一雑音抑圧量算出工程と、
    前記第二音声入力部からの信号に前記第一の雑音抑圧量に基づいて雑音抑圧する雑音抑
    圧工程とを含み、
    前記第一雑音抑圧量算出工程は前記パワー差が比較的小さい場合に前記第一の雑音抑圧量
    を増やすノイズ抑圧方法。
  5. 第一音声入力部からの信号と第二音声入力部からの信号の複数周波数帯域のパワー差を
    算出する第二周波数帯域差算出工程と、
    このパワー差に基づいて第二の雑音抑圧量を算出する第二雑音抑圧量算出工程とを更に
    含み、
    前記雑音抑圧工程は雑音区間では、前記第一の雑音抑圧量にこの第二の雑音抑圧量を加
    算して雑音抑圧する請求項4に記載のノイズ抑圧方法。
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