JP3171756B2 - ノイズ除去装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はノイズ除去装置に関
し、例えば、電話装置や音響装置などで、特に高騒音下
での音声入力に適したものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の高騒音下での拡声電話機の入力装
置やハンズフリー電話機または音声認識装置などの音声
入力装置における雑音除去装置としては特開平４−３４
０５９９号公報に記載されているものがある。

【０００３】この雑音除去装置は音声信号を周波数スペ
クトルに分解した後、音声の存在する音声区間を検出
し、非音声区間の信号から雑音成分の周波数スペクトル
を推定し、音声区間の周波数スペクトルに推定された雑
音成分の周波数スペクトルを加算する事により音声信号
から雑音成分を除去していた。

【０００４】このような雑音除去装置に用いられる音声
区間の検出装置の例を図２に示す。図２において、装置
はマイクロフォン１、２と、マイクアンプ３、６と、帯
域フィルタ４、７と、Ａ／Ｄ変換器５、８と、信号の特
徴抽出ブロック９、１０と、第１の音声区間検出部１１
と、係数演算部１２と、雑音成分除去部１３と、第２の
音声区間検出部１４とから構成されている。

【０００５】以下、図２を用いて従来技術の説明を行
う。雑音源から出た雑音はマイクロフォン１及びマイク
ロフォン２に入力される。マイクロフォン１は第１の特
徴抽出部９に音声信号を出力する。第１の特徴抽出部９
においてマイクロフォン１からの出力はマイクアンプ３
に入力される。

【０００６】第１の特徴抽出部９に入力された音声信号
はマイクアンプ３によって予め設定された倍率に増幅さ
れ、帯域フィルタ４で所望の周波数帯域に帯域制限（例
えば、３００〜３４００Ｈｚ）された後、Ａ／Ｄ変換器
５に入力される。Ａ／Ｄ変換器５は入力信号をアナログ
信号から予め設定したサンプリング周期でディジタル信
号に変換し、第１の音声期間検出部９に出力する。

【０００７】一方マイクフォロン２は第２の特徴抽出部
１０に音声信号を出力する。第２の特徴抽出部１０にお
いてはマイクロフォン２からの音声信号はマイクアンプ
６に入力される。マイクアンプ６、帯域フィルタ７、Ａ
／Ｄ変換器８の動作は上述したマイクアンプ３、帯域フ
ィルタ４、Ａ／Ｄ変換器５の動作と同様であるのでここ
では省略する。

【０００８】第１の特徴抽出部９で音声の特徴量Ｘ
（ｉ）を求め、第２の特徴抽出部１０で雑音Ｎ（ｉ）を
求め、係数演算部１２で係数ｋ（ｉ）を下記式（１）に
よって求める。

【０００９】

【数１】 ｋ（ｉ）＝｛Ｘ（ｉ）＋Ｃ１｝／｛Ｎ（ｉ）＋Ｃ２｝ （Ｃ１、Ｃ２：定数＞０） …（１） 雑音成分除去部１３では入力された信号の周波数スペク
トルを計算する。スペクトルの算出には周知の高速フ−
リエ変換（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒ
ｍ：ＦＦＴ）を用いる。

【００１０】次に雑音成分除去部１３は音声区間中の音
声スペクトルの推定値Ｓ（ｉ）を下記式（２）の様にし
て求める。

【００１１】

【数２】 Ｓ（ｉ）＝Ｘ（ｉ）−ｋ（ｉ）・Ｎ（ｉ） …（２） 第２の音声区間検出部１４では、第１の音声区間検出部
１１で検出された大まかな音声区間の前後にそれぞれ予
め定められた区間を追加した区間まで対象区間を広げ、
その広げられた対象区間で（２）式によって求まる音声
スペクトルの推定値Ｓ（ｉ）が閾値を超えたかどうかで
各チャンネル毎に、音声期間を決定し、音声期間と決め
られた場合には音声スペクトルの推定値Ｓ（ｉ）をそう
でない場合には０を出力していた。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成の装置では以下に示すような問題があった。即ち、 （１）信号の特徴を抽出するために周波数スペクトルの
計算をしなければならないのでＦＦＴを用いる必要があ
り、演算規模が大きかった。

【００１３】（２）また、ＦＦＴを用いるため予め定め
た数だけデ−タをため込んでから処理する必要があり、
処理に遅延が生じるので、信号が時間可変で、かつ連続
的又は周期的に変化する場合、信号の変化に対する追従
性が劣化し、音質が劣化するという問題があった。

【００１４】（３）更に、上述の式（１）でＸ（ｉ）＝
〜Ｎ（ｉ）の時（尚以下では「＝〜」の記号はほぼ等し
いを表すものとする。）、即ち、著しい高Ｓ／Ｎの時ま
たは著しい低Ｓ／Ｎの時に式（１）、式（２）から

【数３】 Ｓ（ｉ）＝（１−Ｃ１／Ｃ２）Ｘ（ｉ）＜Ｘ（ｉ） …（３） 又は

【数４】 Ｓ（ｉ）＝（１−Ｃ１／Ｃ２）Ｎ（ｉ）＜Ｎ（ｉ） …（４） ｋ（ｉ）＝Ｃ１／Ｃ２＜１ となる。

【００１５】従って、Ｃ１／Ｃ２＝〜１に設定してあれ
ば式（３）より高Ｓ／Ｎの時に音声信号Ｓ（ｉ）＝〜０
となり所望の音声信号は得られない。また逆にＣ１／Ｃ
２＜１で設定してあれば低Ｓ／Ｎの時式４よりＳ（ｉ）
＝〜Ｎ（ｉ）となりほとんど音質の改善がなされなくな
ってしまうという問題があった。

【００１６】以上のような問題からして、簡単な処理で
捕捉した音響信号から精度良くノイズ成分を迅速に除去
することができる仕組みの提供が要請されている。

【００１７】

【課題を解決するための手段】そこで、この発明は、音
響信号を捕捉して主音響信号を出力する主音響信号捕捉
手段と、音響を捕捉して副音響信号を出力する副音響信
号捕捉手段と、上記主音響信号に含まれているノイズ成
分を推定する適応フィルタ部と、上記主音響信号から上
記ノイズ成分を除去する演算手段とを備え、上記主音響
信号から上記ノイズ成分が除去されたノイズ除去音響信
号を出力するノイズ除去装置において、次のような構成
で上述の課題を解決するものである。

【００１８】即ち、副音響信号から上記主音響信号に含
まれているノイズ成分を推定するためのノイズ推定適応
フィルタ手段と、このノイズ成分を後述する小適応フィ
ルタを用いるなどして上記主音響信号から除去し、この
除去後の信号から音響の有無を検出し、音響の検出の有
無によって、上記適応フィルタのノイズ成分の推定を制
御する音響検出制御手段と、適応フィルタのフィルタ係
数を、主音響信号が雑音主体のときに算出し設定する第
１の設定手段と、上記小適応フィルタにおいて上記ノイ
ズ推定適応フィルタ手段のフィルタ係数を、適応フィル
タの係数を利用して設定する第２の設定手段とを備え
る。

【００１９】そして、上記音響検出制御手段によって音
響を検出すると、上記適応フィルタのフィルタ係数の更
新を停止させ、上記演算手段を実行する構成としたもの
である。

【００２０】更に、主音響信号又は副音響信号の信号対
雑音比（Ｓ／Ｎ）が所定以上に高い場合は、ノイズ除去
処理を停止させ、主音響信号又は副音響信号を出力する
ことが好ましい。

【００２１】

【作用】この発明において、入力の音響が雑音主体のと
きに適応フィルタ部のフィルタ係数を最適に収束させ
る。そして、この適応フィルタ部のフィルタ係数を利用
して音響検出のためのノイズ推定適応フィルタ手段のフ
ィルタ係数を設定する。

【００２２】このフィルタ係数の利用の仕方としては、
フィルタ係数の一部を利用することや、そのまま全部利
用することもできる。

【００２３】ノイズ推定適応フィルタ手段にフィルタ係
数が設定されると、主音響信号及び副音響信号として音
響信号が捕捉されると共に、含まれているノイズ成分を
ノイズ推定適応フィルタ手段が推定する。

【００２４】この推定されたノイズ成分は、音響検出制
御手段によって除去され、音響が検出された場合には、
適応フィルタ部のフィルタ係数更新を停止させる。これ
によってノイズ成分を精度良く推定し、適応フィルタの
フィルタ係数を最適に設定できる。

【００２５】即ち、ノイズ推定適応フィルタ手段は、信
号対雑音比が低いときであっても含まれているノイズを
十分に精度良く推定し、除去することができ、このため
音響の有無検出も精度良く行うことができる。従って、
精度良く音声区間を検出することができると考えられ
る。

【００２６】このため、適応フィルタ部のフィルタ係数
の係数更新制御を適格迅速に行うことができる。また、
ノイズ成分に時間的に連続な変動があってとしても、適
応フィルタ部でフィルタ係数を更新しているので、適宜
追従してノイズ除去することができる。

【００２７】また、主音響信号又は副音響信号の信号対
雑音比が高い場合は、ノイズ除去処理を停止させ、主音
響信号又は副音響信号を出力することで、音響の有無検
出処理や、ノイズ除去処理などを行わなくても、良好な
音響を出力しても問題はなく、処理の負担を軽減するこ
とができる。

【００２８】

【実施例】次にこの発明の好適な実施例を図面を用いて
説明する。 『基本的な構成』： そこで、この実施例はハンズフ
リー電話装置や音声認識装置の音声検出器として適用し
得るものである。音声検出装置においては、低Ｓ／Ｎの
際にノイズを除去するための小フィルタ部と加算器を設
ける。更に、時間可変なノイズ変動にも追従するように
ノイズ除去部を適応デジタルフィルタで構成する。更に
また、周波数領域での演算規模の大規模化をなくすため
に時間軸での適応フィルタ係数更新を行うように構成す
るものである。

【００２９】『音声検出装置の構成』： 図１はこの
発明を音声検出装置に適用した場合の実施例の音声検出
装置の機能構成図である。この図１において、音声検出
装置は、主信号用マイクロフォン２０１（以下主マイク
ロフォンと記す。）と雑音参照用マイクロフォン２０２
（以下参照マイクロフォンと記す。）と、音声検出器２
０３と、ディレイ回路２０４、小フィルタ部２０５、適
応フィルタ部２０６と、主マイクロフォン２０１の出力
と小フィルタ部２０５の出力を合成する加算器２０７
と、ディレイ回路２０４の出力と適応フィルタ部２０６
出力を合成する加算器２０８とから構成されている。

【００３０】『動作』： 次に図１の動作を説明す
る。この実施例においては、雑音が入力されることが時
間的に早く、そして、時間的にその後から音声信号が入
力されるものとする。言い換えれば雑音が存在し、時間
的に雑音の初期抽出が終了した後に音声が入力される場
合を説明する。

【００３１】（Ａ）まず音声が存在しない場合に雑音を
検出し、疑似雑音信号を作成する動作について説明す
る。

【００３２】雑音源で発生した雑音Ｎは雑音参照マイク
ロフォン２０２（副音響信号捕捉手段）及び主信号用マ
イクロフォン２０１（主音響信号捕捉手段）に入力され
る。この時スイッチ２０９、２１０は開放されており、
小フィルタ部２０５には何も入出力されていない。雑音
参照マイクロフォン２０２から出力された信号は適応フ
ィルタ部２０６に入力される。適応フィルタ部２０６で
は一般的に良く知られている学習同定法などのアルゴリ
ズムで駆動される適応フィルタを用いて疑似雑音Ｎ＊を
作成し加算器２０８に出力する。疑似ノイズ作成の方法
は後で述べる。この時スイッチ２１２、スイッチ２１１
は閉じられている。

【００３３】一方、主マイクロフォン２０１に入力され
た雑音は主マイクロフォンと雑音の間の音響伝達関数Ｈ
を加味されてＮＨと成っている。主マイクロフォン２０
１に入力された雑音ＮＨはディレイ回路２０４に出力さ
れる。ディレイ回路２０４では音声検出器２０３が音声
検出処理に必要な時間分（例えば、１０ｍｓ程度）の遅
延が加えられる。ディレイ回路２０４は単純な遅延線で
構成することができる。

【００３４】ディレイ回路２０４の出力は加算器２０８
に入力される。加算器２０８では疑似雑音Ｎ＊とディレ
イ回路２０４の出力ＮＨが加算される。このとき、適応
フィルタのタップ係数が正しく収束し、タップ係数Ｈ＊
が精度よくノイズの音響伝達関数Ｈを推定していれば、
Ｈ＊＝〜Ｈとなり、適応フィルタ部２０６の畳み込み演
算によって適応フィルタ部２０６の出力Ｎ＊はＮ＊＝Ｎ
Ｈ＊となる。Ｎ＊はスイッチ２１２を通り、加算器２０
８に出力される。

【００３５】加算器２０８の出力Ｅは式（５）に示すよ
うになりノイズが消去された信号になっている。

【００３６】

【数５】 Ｅ＝ＮＨ−ＮＨ＊ …（５） この信号Ｅは後述するようにスイッチ２１１を通り適応
フィルタのタップ係数更新に用いられる。

【００３７】『適応フィルタ部２０６の詳細』： 次
に図３を用いて疑似ノイズの作成方法を述べる。図３は
適応フィルタ部２０６を更に詳細に記述したものであ
る。図３において、適応フィルタ部２０６は、遅延タッ
プ部３００、適応フィルタタップ係数レジスタ部３０
１、加算器部３０２とから構成されている。この加算器
部３０２は、加算器Ａ１〜Ａｋから構成されている。

【００３８】参照マイクロフォン２０２から出力された
雑音は遅延タップ部３００のレジスタ群Ｔ１〜Ｔｋに入
力される。タップ係数レジスタ群で保存された雑音デ−
タは適応フィルタタップ係数レジスタｈ（Ｋ）の内容と
乗算され、加算器部３０２に入力される。従って、適応
フィルタ部２０６での畳み込み演算は式（６）の様にな
る。

【００３９】

【数６】 これは時間的に表現すると式（７）の様に参照入力の雑
音ベクトルとタップ係数の畳み込みに等しい。

【００４０】

【数７】 適応タップ係数の更新方法を学習同定法を例に採ると式
（８）の様になる。ここで小文字ｔは時間を、ｋはタッ
プのＫ番目を表す。

【００４１】

【数８】 再び図１を用いて説明すると、適応フィルタ部２０６が
収束すると、小フィルタ部２０５は適応フィルタ部２０
６のタップ係数からディレイを差し引いた分の係数をコ
ピーする。またスイッチ２０９を閉じる。小フィルタ部
２０５の係数のコピーについては、ディレイ回路２０４
の遅延サンプル数がＭであった場合、小フィルタ部２０
５は適応フィルタのｈ（Ｍ＋１）番目から小フィルタ部
２０５に必要な個数、例えば１００個分、従ってｈ（Ｍ
＋１００）までの係数をコピーする。

【００４２】このようにする事によって、『音声検出器
２０３でディレイの含まれない有効な疑似ノイズを使用
する事ができる』。

【００４３】（Ｂ）次に音声信号が有る場合について再
び図１を用いて説明する。信号源から発生した信号Ｓは
主マイクロフォン２０１及び参照マイクロフォン２０２
に入力される。但し参照マイクロフォン２０２に入力さ
れる信号Ｓには信号源から参照マイクロフォン２０２の
間の音響伝達関数Ｇが付加されＳＧと成っている。主マ
イクロフォン２０１に入力された信号Ｓはディレイ回路
２０４に入力される。

【００４４】また信号Ｓは加算器２０７に入力される。
ディレイ回路２０４では音声検出器２０３が音声検出に
要する時間分の遅延を主マイクロフォン２０１からの信
号に加える。

【００４５】音声検出器２０３の音声検出方法は、信号
のパワーの平均値など、データの統計的性質を用いるも
の、又は相関性などの周期性を用いるもの等であればい
ずれでも良い。音声検出器２０３は音声信号Ｓを検出し
た場合、スイッチ２１１を開放して適応フィルタ部２０
６の適応フィルタタップ係数更新を停止する。結局加算
器２０７に入力される信号は雑音が前もって存在するの
で雑音ＮＨと信号Ｓとなる。

【００４６】小フィルタ部２０５は適応フィルタ部２０
６からコピーした係数を用いて疑似ノイズＮ＊_１を作成
する。疑似ノイズＮ＊_１の作成方法は適応フィルタでの
疑似ノイズ作成方法で述べたと同様の畳み込み演算法を
用いるものである。但し、小フィルタ部２０５のフィル
タタップ係数自体は適応フィルタ部２０６からコピーす
る以外に内容（タップ係数値）を変化させる事はない。
小フィルタ部２０５の出力はスイッチ２１０を通って加
算器２０７に入力される。

【００４７】加算器２０７は小フィルタ部２０５の出力
Ｎ＊_１と主マイクロフォン２０１の出力Ｓ＋ＮＨを加算
する。この時上述したように、適応フィルタが収束して
いれば、Ｎ＊_１＝ＮＨとなるので、加算器の出力Ｎ＊_３
は式（９）の様になる。

【００４８】

【数９】 Ｎ＊_３＝Ｓ＋ＮＨ−Ｎ＊_１ ＝〜Ｓ＋ＮＨ−ＮＨ ＝Ｓ …（９） この式（９）より主マイクロフォン２０１からの出力か
ら雑音を消去できるので、Ｓ／Ｎが小さい時の音声区間
検出精度を向上する事が出来る。一方、高Ｓ／Ｎのとき
には、主マイクロフォン２０１の出力と参照マイクロフ
ォン２０２の出力はほぼ等しい。

【００４９】即ち、Ｓ＝〜ＳＧである。従って加算器２
０７の出力Ｎ＊_３は式（９）よりＮ＊_３＝〜０となるの
で、音声検出器２０３が予め設定した閾値以下である
時、スイッチ２１１を開放して適応フィルタ部２０６の
フィルタ係数の更新を停止すると共に、スイッチ２１２
を開放して疑似ノイズＮ＊が加算器２０８に出力されな
いようにする。

【００５０】またスイッチ２０９、２１０を開放する。
従って、加算器２０８からはディレイ回路２０４からの
信号だけが出力される。

【００５１】このようにして高Ｓ／Ｎの時に音声検出器
２０３の誤動作をなくし、音声検出の精度を向上させる
事ができる。

【００５２】（実施例の効果）： 以上の実施例によ
れば、低Ｓ／Ｎの時に主信号マイクロフォンの信号から
雑音を消去するための小フィルタ部２０５と加算器２０
７を設け、雑音が除去された信号で音声検出（音声区間
の検出等）を行うようにしたので低Ｓ／Ｎでも精度良く
音声を検出できた。

【００５３】また、時間可変なノイズ変動にも系が追従
するようにノイズ除去部に適応ディジタルフィルタを用
いたのでノイズ（雑音）の変化があっても音質劣化を招
くことがなくなった。

【００５４】更に、適応フィルタ係数更新を時間軸で行
うようにしたので周波数領域での大規模な演算が無くす
ことができた。

【００５５】更にまた、適応フィルタ部２０６と小フィ
ルタ部２０５の出力を切るスイッチ２１０、２１２を設
けたので、高Ｓ／Ｎの時の主信号マイクロフォン上の信
号音質の劣化をなくすことができた。

【００５６】また、主信号線上にディレイ回路２０４を
設けたので音声検出器２０３の検出時間遅延が、適応フ
ィルタ部２０６に与える悪影響を未然に防ぎ、主信号マ
イクロフォン上の信号の品質を劣化させないようにする
ことができた。

【００５７】以上によって、主信号の音声品質を改善
し、且つ精度良く音声区間を検出できる音声検出装置を
実現することができた。

【００５８】（他の実施例）： （１）尚、以上の実
施例においては、音声検出を主体に説明したが、音響検
出としても適用できる。

【００５９】（２）また、空間の音響を捕らえるだけで
なく、水中音響を捕らえる場合にも適用することができ
る。

【００６０】（３）上述の音声検出装置への適用の他、
電話装置、音声認識装置などの種々の音響装置へ適用す
ることができると考えられる。

【００６１】（４）更に、雑音参照マイクロフォン２０
２は、一つだけでなく、複数備え、複数のマイクロフォ
ンで捕らえた信号から雑音（ノイズ）除去処理を行うこ
ともできる。

【００６２】（５）更にまた、適応フィルタ部２０６の
構成は、巡回型、非巡回型、巡回型非巡回型の複合型な
どのいずれの構成で実現することでも良い。小フィルタ
部２０５も同様である。

【００６３】

【発明の効果】以上述べたようにこの発明のノイズ除去
装置によれば、副音響信号を元に上記主音響信号に含ま
れているノイズ成分を推定するためのノイズ推定適応フ
ィルタ手段と、このノイズ成分を上記主音響信号から除
去し、この除去後の信号から音響の有無を検出し、音響
の検出の有無によって、上記適応フィルタ部のノイズ成
分の推定を制御する音響検出制御手段と、上記適応フィ
ルタのフィルタ係数を、主音響信号が雑音主体のときに
設定する第１の設定手段と、上記ノイズ推定適応フィル
タ手段のフィルタ係数を、上記適応フィルタ部のフィル
タ係数を利用して設定する第２の設定手段とを備え、上
記音響検出制御手段によって音響を検出すると、上記適
応フィルタのフィルタ係数の更新を停止させ、上記演算
手段を実行する構成としたものである。

【００６４】このような構成を採ったことで、簡単な処
理で捕捉した音響信号から精度良くノイズ成分を迅速に
除去することができるようになると考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例の音声検出装置の機能構成
図である。

【図２】従来例の雑音除去装置の構成図である。

【図３】一実施例の適応フィルタ部の詳細な機能構成図
である。

【符号の説明】

２０１、２０２…マイクロフォン、２０３…音声検出
器、２０４…ディレイ回路、２０５…小フィルタ部、２
０６…適応フィルタ部、２０７、２０８…加算２０９、
２１０、２１１、２１２…スイッチ。

フロントページの続き (56)参考文献 特許2995959（ＪＰ，Ｂ２) 特許3091244（ＪＰ，Ｂ２) 特許2962572（ＪＰ，Ｂ２) 特許3118023（ＪＰ，Ｂ２) 特許3110201（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭62−14139（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G10L 15/20 G10L 21/02 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 音響信号を捕捉して主音響信号を出力す
   る主音響信号捕捉手段と、音響を捕捉して副音響信号を
   出力する副音響信号捕捉手段と、上記主音響信号に含ま
   れているノイズ成分を推定する適応フィルタ部と、上記
   主音響信号から上記ノイズ成分を除去する演算手段とを
   備え、上記主音響信号から上記ノイズ成分が除去された
   ノイズ除去音響信号を出力するノイズ除去装置におい
   て、 上記副音響信号から上記主音響信号に含まれているノイ
   ズ成分を推定するためのノイズ推定適応フィルタ手段
   と、 このノイズ成分を上記主音響信号から除去し、この除去
   後の信号から音響の有無を検出し、音響の検出の有無に
   よって、上記適応フィルタ部のノイズ成分の推定を制御
   する音響検出制御手段と、 上記適応フィルタのフィルタ係数を、主音響信号が雑音
   主体のときに設定する第１の設定手段と、 上記ノイズ推定適応フィルタ手段のフィルタ係数を、上
   記適応フィルタ部のフィルタ係数を利用して設定する第
   ２の設定手段とを備え、 上記音響検出制御手段によって音響を検出すると、上記
   適応フィルタのフィルタ係数の更新を停止させ、上記演
   算手段を実行する構成としたことを特徴とするノイズ除
   去装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のノイズ除去装置におい
   て、 主音響信号又は副音響信号の信号対雑音比が所定以上に
   高い場合は、ノイズ除去処理を停止させ、主音響信号又
   は副音響信号を出力することを特徴とするノイズ除去装
   置。