JP2022061673A

JP2022061673A - マイクアレイシステム

Info

Publication number: JP2022061673A
Application number: JP2020169748A
Authority: JP
Inventors: 訓史鵜飼; Norifumi Ukai
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2020-10-07
Filing date: 2020-10-07
Publication date: 2022-04-19
Also published as: CN114302293A; US20220109928A1; EP3982644A1; US11589158B2

Abstract

【課題】少ないマイク数でも低周波数帯域のＳＮ比を向上させることができるマイクアレイシステムを提供する。【解決手段】マイクアレイシステム１は、第１の軸Ａ１に沿って配置された複数の第１マイク１１Ａ、１１Ｂと、第１の軸に直交する第２の軸Ａ２に沿って、第１の軸から第１の距離Ｈ１、Ｈ２で等間隔に離れて配置された複数の第２マイク１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅ、１１Ｆと、複数の第１マイクおよび複数の第２マイクの音信号をフィルタ処理して合成することによりビームフォーミングを行うビームフォーミング処理器と、を備える。複数の第２マイクを第１の軸に射影した時に、複数の第１マイクおよび射影した複数の第２マイク（仮想マイク１１Ｎ１、１１Ｎ２）が第２の距離Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３で等間隔に配置される。【選択図】図１

Description

この発明は、複数のマイクを備えたマイクアレイシステムに関する。

特許文献１には、同心円状に複数のマイクを配置し、ビームステアリングを行なうマイクアレイシステムが開示されている。特許文献１のマイクアレイシステムは、数十個のマイクを備える。特許文献１のマイクアレイシステムは、多数のマイクを備えることにより、低周波数帯域（例えば１０ｋＨｚ以下）から高周波数帯域（例えば１０ｋＨｚ以上）まで均一なＳＮ比を実現する。

特表２０１８－５１５０２８号公報

しかし、少ないマイク数（例えば１０個未満）では、低周波数帯域のＳＮ比を確保することが難しい。

そこで、この発明は、少ないマイク数でも低周波数帯域のＳＮ比を向上させることができるマイクアレイシステムを提供することを目的とする。

マイクアレイシステムは、第１の軸に沿って配置された複数の第１マイクと、前記第１の軸に直交する第２の軸に沿って、前記第１の軸から第１の距離で等間隔に離れて配置された複数の第２マイクと、前記複数の第１マイクおよび前記複数の第２マイクの音信号をフィルタ処理して合成することによりビームフォーミングを行うビームフォーミング処理器と、を備え、前記複数の第２マイクを前記第１の軸に射影した時に、前記複数の第１マイクおよび射影した前記複数の第２マイクが第２の距離で等間隔に配置されていて、前記複数の第２マイクを前記第１の軸に射影した時に、前記第１の軸に沿って並ぶ前記複数の第１マイクおよび射影した前記複数の第２マイクのうち、両端に配置された２つのマイクの距離は、前記複数の第１マイクを前記第２の軸に射影した時に、前記第２の軸に沿って並ぶ前記複数の第１マイクおよび前記複数の第２マイクの両端間のうち、両端に配置された２つのマイクの距離よりも長い。

マイクアレイシステムは、少ないマイク数でも低周波数帯域のＳＮ比を向上させることができる。

マイクアレイシステム１の正面図である。マイクアレイシステム１のブロック図である。マイクアレイシステム１の指向性係数を示す図である。８個のマイクを備えるマイクアレイシステム１Ａの正面図である。第１マイクが両端に配置されていないマイクアレイシステム１Ｂの正面図である。

図１は、マイクアレイシステム１の正面図である。マイクアレイシステム１は、筐体１０の正面に、複数のマイクを備えている。本実施形態のマイクアレイシステム１は、６個のマイク１１Ａ、マイク１１Ｂ、マイク１１Ｃ、マイク１１Ｄ、マイク１１Ｅ、およびマイク１１Ｆを備えている。

筐体１０は、一例として奥行きの短い直方体形状である。ただし、筐体１０の形状は、正面に複数のマイクを配置可能な形状であればどの様なものであってもよい。

図１に示す筐体１０は、左右方向（水平方向）に長く、上下方向（垂直方向）に短い形状である。筐体１０は、例えば表示器（不図示）の上または下に配置される。マイクアレイシステム１は、筐体１０の正面に配置された複数のマイクを用いて、表示器（不図示）の前に居る話者の音声を収音する。

図２は、マイクアレイシステム１の構成を示すブロック図である。マイクアレイシステム１は、上記の６個のマイク１１Ａ、マイク１１Ｂ、マイク１１Ｃ、マイク１１Ｄ、マイク１１Ｅ、およびマイク１１Ｆに加えて、さらに、ビームフォーミング処理器１５、通信部１６、ＣＰＵ１７、フラッシュメモリ１８、およびＲＡＭ１９を備えている。

ＣＰＵ１７は、マイクアレイシステム１の動作を制御する制御部である。ＣＰＵ１７は、記憶媒体であるフラッシュメモリ１８に記憶された所定のプログラムをＲＡＭ１９に読み出して実行することにより各種の動作を行なう。例えば、ＣＰＵ１７は、当該プログラムにより、ビームフォーミング処理器１５を制御する。

なお、ＣＰＵ１７が読み出すプログラムは、自装置内のフラッシュメモリ１８に記憶されている必要はない。例えば、プログラムは、サーバ等の外部装置の記憶媒体に記憶されていてもよい。この場合、ＣＰＵ１７は、該サーバから都度プログラムをＲＡＭ１９に読み出して実行すればよい。

ビームフォーミング処理器１５は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）からなる。ビームフォーミング処理器１５は、マイク１１Ａ、マイク１１Ｂ、マイク１１Ｃ、マイク１１Ｄ、マイク１１Ｅ、およびマイク１１Ｆから音信号を取得する。ビームフォーミング処理器１５は、マイク１１Ａ、マイク１１Ｂ、マイク１１Ｃ、マイク１１Ｄ、マイク１１Ｅ、およびマイク１１Ｆから取得した音信号に、それぞれフィルタ処理を施して合成することによりビームフォーミングを行う。ビームフォーミングに係る信号処理は、遅延和（Delay Sum）方式、Griffiths Jim型、Henry cox型、Sidelobe Canceller型、あるいはFrost型Adaptive Beamformer等、どの様な手法であってもよい。

ＣＰＵ１７は、ビームフォーミング処理器１５のフィルタ処理の内容を決定し、ビームフォーミング処理器１５のビームフォーミングを制御する。例えば、ＣＰＵ１７は、話者の位置を検出して、検出した話者の位置にビームを向けるように、ビームフォーミング処理器１５を制御する。ビームフォーミング処理器１５は、ビームフォーミングを行うことにより、話者の音声を高いＳＮ比で取得する。

通信部１６は、ビームフォーミング処理器１５によりビームフォーミング処理した後の音信号を、他の装置に送信する。他の装置は、例えば遠隔地に設置された情報処理装置である。これにより、マイクアレイシステム１は、話者の音声を遠隔地の情報処理装置に送信する。この場合、マイクアレイシステム１は、遠隔地との音声会話を行うためのコミュニケーションシステムの一構成として機能する。

マイクアレイシステム１は、図１に示したように、水平方向の第１の軸Ａ１上に、マイク１１Ａおよびマイク１１Ｂを配置している。また、マイクアレイシステム１は、第１の軸Ａ１に直交する垂直（鉛直）方向の第２の軸Ａ２に沿ってマイク１１Ｃ、マイク１１Ｄ、マイク１１Ｅ、およびマイク１１Ｆを配置している。

マイク１１Ｃおよびマイク１１Ｄは、それぞれ第１の軸Ａ１から上方向に距離Ｈ１離れた位置に配置されている。また、マイク１１Ｅおよびマイク１１Ｆは、それぞれ第１の軸Ａ１から下方向に距離Ｈ２離れた位置に配置されている。距離Ｈ１および距離Ｈ２は、同じである。

すなわち、マイク１１Ａおよびマイク１１Ｂは、第１の軸Ａ１に沿って配置された複数の第１のマイクを構成する。マイク１１Ｃ、マイク１１Ｄ、マイク１１Ｅ、およびマイク１１Ｆは、第１の軸Ａ１から第１の距離Ｈ１（＝Ｈ２）で等間隔に離れて配置された複数の第２マイクを構成する。なお、本実施形態において等間隔とは、完全に同じ間隔ではない。例えば±５％程度の誤差があったとしても、等間隔に含まれる。

さらに、マイク１１Ｃ、マイク１１Ｄ、マイク１１Ｅ、およびマイク１１Ｆを第１の軸Ａ１に射影すると、第１の軸上のマイクは、全て等間隔に並ぶ。マイク１１Ｃおよびマイク１１Ｅは、第１の軸Ａ１に射影すると第１の軸Ａ１上の仮想マイク１１Ｎ１を構成する。マイク１１Ｄおよびマイク１１Ｆは、第１の軸Ａ１に射影すると第１の軸Ａ１上の仮想マイク１１Ｎ２を構成する。仮想マイク１１Ｎ１ならびにマイク１１Ａの距離Ｄ１、仮想マイク１１Ｎ２ならびに仮想マイク１１Ｎ１の距離Ｄ２、およびマイク１１Ｂならびに仮想マイク１１Ｎ２の距離Ｄ３は、全て同じである。

マイク１１Ａ、マイク１１Ｂ、マイク１１Ｃ、マイク１１Ｄ、マイク１１Ｅ、およびマイク１１Ｆからなるマイクアレイは、水平方向のビームフォーミングにおいて、第１の軸Ａ１上に並ぶ４つのマイク（マイク１１Ａ、仮想マイク１１Ｎ１、仮想マイク１１Ｎ２、およびマイク１１Ｂ）の音信号を用いることと等価となる。

これら４つのマイクは、第１の軸Ａ１に沿って第２の距離Ｄ１（＝Ｄ２＝Ｄ３）で等間隔に配列されている。等間隔に配列されたマイクによってビームフォーミングを行うと、異なる間隔で配列されたマイクによってビームフォーミングを行ったときよりも、ギブズ現象によってより大きなリプルが現れる。したがって、４つのマイクの相互作用（共鳴）により、特定の周波数でＳＮ比が高くなったり、低くなったりする。

図３は、マイクアレイシステム１の指向性係数を示す図である。図３に示すグラフの横軸は周波数であり、縦軸は指向性係数である。指向性係数は、ある１つのマイク（例えばマイク１１Ａ）を基準として、６つのマイク１１Ａ、マイク１１Ｂ、マイク１１Ｃ、マイク１１Ｄ、マイク１１Ｅ、およびマイク１１Ｆを合成して１つのマイクと仮定した場合の相対的なＳＮ比に対応する。

マイクアレイシステム１は、マイク１１Ａと仮想マイク１１Ｎ１、仮想マイク１１Ｎ１と仮想マイク１１Ｎ２、およびマイク１１Ｂと仮想マイク１１Ｎ２の相互作用により、マイク間の距離に依存する特定の周波数においてＳＮ比にピークを生じる。ピークは、最も低い周波数から順に周期的に複数の周波数で生じる。

図３の例は、両端に配置されたマイク１１Ａおよびマイク１１Ｂの距離（Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３）が約１ｍである場合の特性を示す。この場合、距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は、それぞれ約３３ｃｍとなる。したがって、図３に示す様に、最も低い周波数では約１ｋＨｚにピークが生じる。また、１ｋＨｚより高い周波数帯域において、周期的に複数の周波数でピークが生じる。

最も低い周波数のピーク（以下、最低ピークと称する。）は、マイク１１Ａおよびマイク１１Ｂの距離、すなわち距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３により変化する。距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３が大きくなるほど、最低ピークの周波数は低くなる。例えば、マイク１１Ａおよびマイク１１Ｂの距離が約１０ｍであれば、最低ピークの周波数は、約１００Ｈｚとなる。また、距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３が小さくなるほど、最低ピークの周波数は高くなる。例えば、マイク１１Ａおよびマイク１１Ｂの距離が約１０ｃｍであれば、最低ピークの周波数は、約１０ｋＨｚとなる。

通常、室内ノイズ、残響、およびエコーは、１０ｋＨｚ以下の低周波数帯域で高いレベルを有する。特に、室内ノイズ、残響、およびエコーは、１ｋＨｚ以下などのより低い周波数帯域ほどより高いレベルを有する。したがって、ビームフォーミングのためには、１０ｋＨｚ以下のより低周波数帯域でより高いＳＮ比を確保することが重要である。本実施形態のマイクアレイシステム１は、少ない（６個の）マイクでありながらも、室内ノイズ、残響、およびエコーの影響の大きい１ｋＨｚの低周波数において非常に高いＳＮ比を示す。本実施形態のマイクアレイシステム１は、少ないマイク数でも低周波数帯域のＳＮ比を向上させることができる。したがって、マイクアレイシステム１は、室内ノイズ、残響、およびエコーの影響を低減し、良好な指向性を形成することができる。

また、本実施形態のマイクアレイシステム１は、水平方向だけでなく、垂直（鉛直）方向にも複数のマイクを配置している。マイク１１Ｂ、マイク１１Ｃ、マイク１１Ｄ、マイク１１Ｅ、およびマイク１１Ｆを第２の軸Ａ２に射影すると、第２の軸上のマイク１１Ａ、仮想マイク１１Ｍ１、および仮想マイク１１Ｍ２は、等間隔に並ぶ。よって、水平方向と同様に、垂直方向でも、複数のマイクの相互作用により、特定の周波数においてＳＮ比にピークを生じる。したがって、本実施形態のマイクアレイシステム１は、垂直方向にもビームフォーミングを行うことができる。

上述の様に、マイクアレイシステム１は、表示器（不図示）の上または下に配置され、表示器（不図示）の前に居る話者の音声を収音する。話者は、上下方向には床面から約１ｍ～２ｍ程度の高さに存在し、当該１ｍ～２ｍの範囲を大きく超えた位置に存在することは少ない。一方、話者は、水平方向には様々な位置に存在する場合が多い。例えば、話者は、表示器（不図示）の真正面に居たり、左右に離れた位置に居たりする。

これに対して、マイクアレイシステム１における、水平方向の第１の軸Ａ１に沿って並ぶマイクの両端間の距離（マイク１１Ａおよびマイク１１Ｂの距離）は、垂直方向の第２の軸Ａ２に沿って並ぶマイクの両端間の距離（１１Ｃおよびマイク１１Ｅの距離）よりも長い。これにより、マイクアレイシステム１は、垂直方向よりも水平方向のビームフォーミングの性能を向上させ、水平方向に沿って様々な位置に存在する話者の音声を収音することができる。

また、マイクアレイシステム１における、水平方向の第１の軸Ａ１に沿って並ぶマイク（マイク１１Ａ、仮想マイク１１Ｎ１、仮想マイク１１Ｎ２、およびマイク１１Ｂ）の数は、４個である。垂直方向の第２の軸Ａ２に沿って並ぶマイク（マイク１１Ａ、仮想マイク１１Ｍ１、仮想マイク１１Ｍ２）の数は３個である。すなわち、水平方向の第１の軸Ａ１に沿って並ぶマイクの数は、垂直方向の第２の軸Ａ２に沿って並ぶマイクの数よりも多い。これにより、マイクアレイシステム１は、垂直方向よりも水平方向に、より鋭いビームを形成することができる。したがって、マイクアレイシステム１は、複数の話者が存在する場合でも、話者毎の音声を高精度に分離して収音することができる。

なお、図１に示したマイクアレイシステム１では、第２の距離（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３）は、第１の距離（Ｈ１，Ｈ２）よりも長い。しかし、第２の距離（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３）は、第１の距離（Ｈ１，Ｈ２）と同じであってもよい。

また、図１のマイクアレイシステム１は、６個のマイクを備える例を示した。しかし、マイクの数は６個に限らない。例えば、図４は、８個のマイクを備えるマイクアレイシステム１Ａの正面図である。図１と共通する構成は同一の符号を付し、説明を省略する。

マイクアレイシステム１Ａは、さらにマイク１１Ｇおよびマイク１１Ｈを備えている。マイク１１Ｇは、第１の軸Ａ１から上方向に距離Ｈ１離れた位置に配置されている。マイク１１Ｈは、第１の軸Ａ１から下方向に距離Ｈ２離れた位置に配置されている。すなわち、マイク１１Ｇおよびマイク１１Ｈは、第１の軸Ａ１から第１の距離Ｈ１（＝Ｈ２）で等間隔に離れて配置された複数の第２マイクを構成する。

マイク１１Ｇおよびマイク１１Ｈは、第１の軸Ａ１に射影すると第１の軸Ａ１上の仮想マイク１１Ｎ３を構成する。マイク１１Ｇおよびマイク１１Ｈを第１の軸Ａ１に射影すると、第１の軸上のマイクは、全て等間隔に並ぶ。仮想マイク１１Ｎ１ならびにマイク１１Ａの距離Ｄ１、仮想マイク１１Ｎ２ならびに仮想マイク１１Ｎ１の距離Ｄ２、仮想マイク１１Ｎ３ならびに仮想マイク１１Ｎ２の距離Ｄ３、およびマイク１１Ｂならびに仮想マイク１１Ｎ３の距離Ｄ４は、全て同じである。

この場合も、図１のマイクアレイシステム１と同様に、水平方向に並ぶ複数のマイクの相互作用により、特定の周波数においてＳＮ比にピークを生じる。したがって、マイクアレイシステム１Ａは、少ない（８個の）マイクでありながらも、低周波数帯域のＳＮ比を向上させることができる。マイクアレイシステム１Ａは、図１のマイクアレイシステム１よりも水平方向に並ぶマイクの数が多いため、より低周波数帯域のＳＮ比を向上させることができる。

また、第１の軸Ａ１上に配置される第１マイクは、両端に配置される必要はない。例えば、図５は、第１マイクが両端に配置されていないマイクアレイシステム１Ｂの正面図である。図１と共通する構成は同一の符号を付し、説明を省略する。

マイクアレイシステム１Ｂは、正面視して左端にマイク１１Ｃおよびマイク１１Ｅを配置し、仮想マイク１１Ｎ１および仮想マイク１１Ｎ２の間にマイク１１Ａを配置している。その他の構成は図１のマイクアレイシステム１と同一である。

この場合も、マイク１１Ｃ、マイク１１Ｄ、マイク１１Ｅ、およびマイク１１Ｆを第１の軸Ａ１に射影すると、第１の軸上のマイクは、全て等間隔に並ぶ。したがって、マイクアレイシステム１Ｂは、図１のマイクアレイシステム１と同様に、少ない（６個の）マイクでありながらも、低周波数帯域のＳＮ比を向上させることができる。

本実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

例えば、本実施形態では、マイクの数が６個または８個の例を示した。しかし、マイクの数は１０個以上であってもよい。ただし、本実施形態のマイクアレイシステムは、少ないマイク数でも低周波数帯域のＳＮ比を向上させることができるため、マイクの数を少なくすることで、筐体の大きさを小さくし、コストを低減することができる。そのため、好ましくは、マイクの数は６個または８個である。

１，１Ａ，１Ｂ…マイクアレイシステム
１０…筐体
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅ，１１Ｆ，１１Ｇ，１１Ｈ…マイク
１１Ｍ１，１１Ｍ２，１１Ｎ１，１１Ｎ２，１１Ｎ３…仮想マイク
１５…ビームフォーミング処理器
１６…通信部
１７…ＣＰＵ
１８…フラッシュメモリ
１９…ＲＡＭ

Claims

第１の軸に沿って配置された複数の第１マイクと、
前記第１の軸に直交する第２の軸に沿って、前記第１の軸から第１の距離で等間隔に離れて配置された複数の第２マイクと、
前記複数の第１マイクおよび前記複数の第２マイクの音信号をフィルタ処理して合成することによりビームフォーミングを行うビームフォーミング処理器と、
を備え、
前記複数の第２マイクを前記第１の軸に射影した時に、前記複数の第１マイクおよび射影した前記複数の第２マイクが第２の距離で等間隔に配置されていて、
前記複数の第２マイクを前記第１の軸に射影した時に、前記第１の軸に沿って並ぶ前記複数の第１マイクおよび射影した前記複数の第２マイクのうち、両端に配置された２つのマイクの距離は、
前記複数の第１マイクを前記第２の軸に射影した時に、前記第２の軸に沿って並ぶ前記複数の第１マイクおよび前記複数の第２マイクの両端間のうち、両端に配置された２つのマイクの距離よりも長い、
マイクアレイシステム。
前記複数の第２マイクを前記第１の軸に射影した時に、前記第１の軸に沿って並ぶ前記複数の第１マイクおよび射影した前記複数の第２マイクの数は、
前記複数の第１マイクを前記第２の軸に射影した時に、前記第２の軸に沿って並ぶ射影した前記複数の第１マイクおよび前記複数の第２マイクの数よりも多い、
請求項１に記載のマイクアレイシステム。
前記第２の距離は前記第１の距離よりも長い、
請求項１または請求項２に記載のマイクアレイシステム。
前記第１の距離は前記第２の距離と同じである、
請求項１または請求項２に記載のマイクアレイシステム。
前記複数の第２マイクを前記第１の軸に射影した時に、前記第１の軸に沿って並ぶ前記複数の第１マイクおよび射影した前記複数の第２マイクのうち、両端に配置された２つのマイクの距離は、１０ｃｍ以上かつ１０ｍ以下である、
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のマイクアレイシステム。
前記第１マイクおよび前記第２マイクの数は、合計６個以上である、
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のマイクアレイシステム。
前記第１マイクおよび前記第２マイクの数は、合計８個以下である、
請求項６に記載のマイクアレイシステム。