JP3339612B2 - 多チャンネル音声通信会議用反響消去方法 - Google Patents

多チャンネル音声通信会議用反響消去方法

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JP3339612B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、多チャンネル再
生系を有する通信会議システムにおいて、ハウリングの
原因および聴覚上の障害となる室内反響信号を消去する
多チャンネル音声通信会議用反響消去方法に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】同時通話性能に優れ反響感の少ない拡声
通話システムを提供するために、反響消去装置がある。
まず、1チャンネル用の反響消去装置について、その反
響消去方法および装置構成を図7を参照して説明する。
拡声通話において、相手の発話等で端子11に得られる
受話信号は、そのままスピーカ(再生器)12から再生
される場合と、スピーカ12へ送る前に、受話信号の振
幅やパワー等の大きさに応じて自動的に利得を調節する
受話信号加工部13が挿入され、受話信号に何らかの加
工が施された後に、スピーカ12から再生される場合と
がある。このため、この明細書で受話信号x1 (k)と
は、相手からの受話信号そのものとは限らず、受話信号
加工部13が挿入されたときは、加工された後の受話信
号を指すものとする。kは離散時間を表す。反響消去装
置14は、受話信号x1 (k)がスピーカ12から反響
路15を経て、マイクロホン(集音器)16に集音され
て得られる反響信号y1 (k)を消去する。ここで、反
響信号y1 (k)は、時刻kにおける反響路15のイン
パルス応答をh11(k,n)として、 y1 (k)=Σh11(k,n)x1 (k−n) Σはn=0からL−1まで (1) のような畳み込み演算で得られるものとモデル化でき
る。Lはタップ数で、反響路15の残響時間に対応させ
て、あらかじめ設定しておく定数である。まず、受話信
号蓄積・べクトル生成部17において、受話信号x
1 (k)をL−1時刻過去のものまで蓄積しておく。蓄
積された信号は、受話信号べクトルx1 (k)、すな
わち x1 (k)=[x1 (k),x1 (k−1),…,x1 (k−L+1)]T (2) として出力される。但し、*T はべクトルの転置を表
す。疑似反響信号生成部18では、式(2)の受話信号
べクトルx1 (k)と、反響路推定部19から得られ
る疑似反響路べクトルh^11(k)との内積演算 y^1 (k)=h^11 T (k)x1 (k) (3) を行ない、その結果として、疑似反響信号y^1 (k)
を生成する。この内積演算は、式(1)のような畳み込
み演算と等価である。反響路推定部19では、疑似反響
信号生成部18で用いる疑似反響路べクトルh^
11(k)を生成する。この反響路推定に用いる最も一般
的なアルゴリズムは、NLMSアルゴリズム(学習同定
法)である。NLMSアルゴリズムでは、時刻kにおけ
る受話信号べクトルx1 (k)と残留反響信号e
1 (k)、すなわち e1 (k)=y1 (k)−y^1 (k) (4) とから、時刻k+1において用いる疑似反響路べクトル
h^11(k+1)を次式のように求める。
【0003】 h^11(k+1)=h^11(k)+μ1 1 (k)x1 (k) /x1 T (k)x1 (k) (5) 但し、μ1 はステップサイズ係数と呼ばれ0<μ1 <2
の範囲で適応動作の調整に用いる。以上のような処理を
繰り返すことにより、反響路推定部19では、次第に疑
似反響路べクトルh^11(k)を、真の反響路15の
インパルス応答h 11(k,n)の時系列を各要素として
持つ反響路べクトルh11(k)、すなわち h11(k)=[h11(k,0),h11(k,1),…, h11(k,L−1)]T (6) と一致させることが可能となり、その結果式(4)の残
留反響信号e1 (k)を小さくすることができる。
【0004】一般にN(2)チャンネルの再生系とM
1)チャンネルの集音系とで構成される通信会議シ
ステムの場合の反響の消去は、図8に示すような構成に
より行なわれる。すなわち再生側の全Nチャンネルと集
音側の各1チャンネルとの間に接続してN入力1出力時
系列信号を処理するNチャンネル反響消去装置221
222 ,…,22M を集音側の全Mチャンネルに対して
用意した反響消去システム23により実現される。この
場合システム全体でN×M個の反響路15nm(1
N,1M)が存在する。このシステムの構成単位
である再生側の全Nチャンネルと集音側の各1チャンネ
ルとの間に接続されるNチャンネル反響消去装置2
1 ,222 ,…,22M については、図7に示した反
響消去装置14の構成を拡張して、図9に示すように構
成される。これは例えば電子情報通信学会論文誌 '86
/10Vol.J69−A No.10「多チャンネル
適応ディジタルフィルタ」に詳しく述べられている。こ
こで、集音側が第m集音チャンネル(1M)に接
続されているNチャンネル反響消去装置22m を考え
る。第mチャンネルの集音器16m で集音される反響信
号は、各再生チャンネルの再生信号がそれぞれの反響路
151m〜15Nmを経て集音側で全て加算されることによ
り得られるために、反響路推定をどの再生チャンネルに
ついても、統一的に同じ1つの残留反響信号em (k)
のみを評価して行なうための工夫が必要となる。まず、
各再生チャンネルの受話信号について、受話信号蓄積・
べクトル生成部(171 ,172 ,…,17N )によ
り、受話信号べクトル x1 (k)=[x1 (k),x1 (k−1),…,x1 (k−L+1)]T (7) x2 (k)=[x2 (k),x2 (k−1),…,x2 (k−L+1)]T (8) ・ ・ ・ xN (k)=[xN (k),xN (k−1),…,xN (k−L+1)]T (9) を生成する。但し、Lはタップ数で、再生器と集音器が
設置される室内の残響時間に対応させて、あらかじめ設
定する定数である。これらのべクトルをべクトル結合部
24によって、 x(k)=[x1 T (k),x2 T (k),…,xN T (k)]T (10) と結合する。また、反響路推定部19m においても、各
再生チャンネルと第m集音チャンネルとの間のN個の反
響路を模擬するための、各疑似反響路べクトルh^1m
(k),h^2m(k),…,h^Nm(k)を結合し
て h^m (k)=[h^1m T (k),h^2m T (k),…, h^Nm T (k)]T (11) として扱う。疑似反響路結合べクトルh^m (k)の
更新は、NLMSアルゴリズムを用いた場合、 h^m (k+1)=h^m (k)+μm m (k)x(k) /xT (k)x(k) (12) のように行なわれる。ただし、μm は集音側の第mチャ
ンネルに対応するステップサイズ係数である。疑似反響
信号生成部18m では、内積演算 y^m (k)=h^m T (k)x(k) (13) により、第m集音チャンネルで集音された反響信号ym
(k)に対する疑似反響信号y^m (k)を生成する。
このように、各チャンネル毎のべクトルを結合して1つ
のべクトルとして扱うことにより、基本的な処理の流れ
は、図7に示した1チャンネル反響消去装置と同様とな
る。
【0005】しかしながら、多チャンネル系の反響消去
には、以下に述べる問題があり、上記NLMSアルゴリ
ズムを用いるのでは反響路推定の性能が不十分であるこ
とを述べる。具体的な例として、図10に示すように、
A地点とB地点間において、2チャンネルで集音・再生
を行なうステレオ音声会議装置に従来の反響消去システ
ムを適用した場合、B地点側の反響路が全く変動しない
場合においても、A地点側で発話者が移動あるいは交替
を行なう度にその発話に対するB地点からの反響音が増
大するという問題がある。これは、B地点側の反響消去
システムにおいて反響路推定が正しく行なわれていない
ために起こる問題である。
【0006】そこで、この問題を説明するために、B地
点における反響消去システムの構成単位である2チャン
ネル反響消去装置のうちの1つである第1集音チャンネ
ルに接続された装置22b1の動作に注目する。以下で
は、各再生チャンネルの動作を明確化するために、先に
用いた結合べクトルの各再生チャンネルについての要素
が明示された形で表記する。結合べクトルを用いずに各
再生チャンネル毎のべクトルで表記するB地点側におけ
る2チャンネル受話信号べクトルをx1 (k)とx
2 (k)とする。各再生チャンネルに対する真の反響路
1511,1521の反響路べクトルをh11(k),h
21(k)とすると、これら反響路1511,1521を経て
集音される反響信号y1 (k)は、 y1 (k)=h11 T (k)x1 (k)+h21 T (k)x2 (k) (14) と表される。一方、反響消去装置内で生成される疑似反
響信号y^1 (k)は、装置内で生成される疑似反響路
h^11(k)とh^21(k)とを用いて、 y^1 (k)=h^11 T (k)x1 (k) +h^21 T (k)x2 (k) (15) と得られる。A地点から一人の話者が発話した場合等に
は、このx1 (k)とx2 (k)との間には強い相
互相関がある。いま、x1 (k)とx2 (k)との
間に、一定な強い相互相関があるとすると、 y^1 (k)=y1 (k) (16) の解としての結合べクトル[h^11 T (k),h^
21 T (k)]は無数に存在し、x1 (k)とx
2 (k)との相互相関に固有な部分空間Hx を形成す
る。このため、NLMSアルゴリズムのような一般的な
逐次誤差最小化アルゴリズムを用いた場合に、[h^
11 T (k),h^21 T (k)]は初期値から部分空間
x までの距離が最小となる点に収束し、一般に真値
[h11 T (k),h21 T (k)]には収束しない。
【0007】説明を簡単にするために、一定なスカラー
値p1 ,p2 と原信号べクトルs(k)により、受話
信号べクトルx1 (k),x2 (k)が、 x1 (k)=p1 s(k),x2 (k)=p2 s(k) (17) と表される場合を考える。[h^11 T (k),h^
21 T (k)]が存在し得る部分空間Hx は、 p1 h^11(k)+p2 h^21(k)=p1 11(k) +p2 21(k) (18) を満たし、図12Aにおいて便宜上直線として扱うこと
ができるものである。初期値0から適応を開始した場
合、収束点[h^11p T (k),h^
21p T (k)]は、 h^11p (k)=(p1 2/(p1 2+p2 2)) {h11(k)+(p2 /p1 )h21(k)} ≠h11(k) (19) h^21p (k)=(p2 2/(p1 2+p2 2)) {(p1 /p2 )h11(k)+h21(k)} ≠h21(k) (20) のように得られる。このため、スカラー値p1 とp2
の間の比が変動した時点で、式(18)は満足されなく
なるため、反響を消去できなくなり、反響が増大する。
【0008】以上の例からも分かるように、一般にNチ
ャンネルの再生系とMチャンネルの集音系とで構成され
る通信会議システムに、従来の反響消去装置を適用した
場合は、各チャンネルの受話信号間に相互相関がある場
合に、反響路の推定が正しく行なわれないため、受話信
号間の相互相関が変動する度に反響が増大する問題が生
じる。
【0009】この問題を解決する方法として、特願平7
−50002号において、以下の考察に基づいて射影ア
ルゴリズムの適用が提案されている。すなわち、式(1
7)で表される2チャンネルステレオ受話信号x
1 (k)とx2 (k)との相互相関が変動した場合と
して、式(17)のp1 ,p2 がそれらとは比関係の異
なるq1 ,q2 に変化した例を考える。まず、[h^
11 T (k),h^21 T (k)]は、式(19),(2
0)の[h^11p T (k),h^21p T (k)]に
収束する。次に、p1 とp2 とがq1 ,q2 に変化した
とき、[h^11p T (k),h^21p T (k)]を
“初期値”として、そこから最短距離にある[h^
11q T (k),h^21q T (k)]に収束する。この
動作は図11Bのように幾何学的に解釈される。ここで
収束点[h^ 11q T (k),h^21q T (k)]
は、収束点[h^11p T (k),h^
21p T (k)]から、 q1 h^11(k)+q2 h^21(k)=q1 11(k) +q2 21(k) (21) を満たす(図11Bにおいては便宜上直線として表して
いる)部分空間におろした垂線の交点になる。従って、
図11Bにおけるフィルタ係数誤差べクトルe p
q のノルムは、一般に‖ep ‖>‖eq ‖の関
係にあることが自明である。このことは、一般に、受話
信号間の相互相関の変化の度に、フィルタ係数誤差べク
トルのノルムが小さくなることを意味している。つま
り、多チャンネル受話信号間の相互相関の変動は、反響
消去装置内において反響路推定が誤っている場合に、反
響の増大をひき起こすが、無限回の変動が繰り返された
末には、反響路推定部における真の反響路の推定を可能
とする有効な情報であると捉えることができる。
【0010】そして、上記特願平7−50002号で
は、射影アルゴリズムにより、上記多チャンネル受話信
号間の相互相関の変動を強調して利用することが可能と
なるため、反響路の推定が高速に実行できると指摘して
いる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】Nチャンネルの再生系
とMチャンネルの集音系とで構成される通信会議システ
ムに用いられる反響消去方法において、この発明が解決
しようとする課題は主に演算量を低減させることであ
り、以下に説明する通りである。集音側の第mチャンネ
ルに対応する疑似反響路べクトルの更新を、 h^m (k+1)=h^m (k)+μm Δh^m (k) (22) と行なう。ただし、Δh^m (k)をh^m (k)
の修正べクトルと呼ぶ。射影アルゴリズムでは、上記修
正べクトルΔh^m (k)を以下のp時刻分の入出力
関係を満たすように求める。
【0012】 ym (k)={h^m (k)+Δh^m (k)}T x(k) (23) ym (k−1)={h^m (k)+Δh^m (k)}T x(k−1) (24) ・ ・ ・ ym (k−p+1)={h^m (k)+Δh^m (k)}T x(k−p+1) (25) ただし、pは1以上、N×L以下の整数である。残留反
響信号em (k)を em (k)=ym (k)−h^m T (k)x(k) (26) と求め、 X(k)=[x(k),x(k−1),…,x(k−p+1)] (27) em (k)=[em (k),(1−μm )em (k−1),…, (1−μm p-1 m (k−p+1)]T (28) とすると、式(23)〜(25)は、 XT (k)Δh^m (k)=em (k) (29) と等価である。式(29)の最小ノルム解として、修正
べクトルΔh^m (k)を求めると、式(22)の更
新式は h^m (k+1)=h^m (k)+μm X(k)gm (k) (30) となる。ただし、gm (k)はプレフィルタ係数べク
トルと呼ばれ、 gm (k)=[XT (k)X(k)+δI]-1m (k) (31) と与えられる。ただし、δは非負のスカラー値、Iは
単位行列である。数学的にはδ=0とするのが厳密であ
るが、数値演算の安定のために適度な大きさのδが与え
られる場合が多い。図12は、上記射影アルゴリズムを
用いた従来の多チャンネル反響消去装置の構成を示し、
疑似反響信号生成部18m と減算器21mとにより、式
(26)の反響消去を行ない、反響路推定部19m 内に
おいて、式(31)によりプレフィルタ係数べクトルの
計算を行なうプレフィルタ係数べクトル算出部31と、
ここで得られたプレフィルタ係数べクトルをもとに、式
(30)により疑似反響路の修正べクトルを求め、疑似
反響路結合べクトルを更新する修正部32とを有する。
【0013】それぞれの処理の演算量を主に乗算に注目
して見積もると、式(26) m T (k)
(k)は各集音系ごとにNLであり、全集音系でNML
となり、式(31)はX(k)はp次行列であって一
般的なコレスキー法などで計算するとO(p3 )M
(約p3 のオーダ)、式(30)はμm についての乗算
を無視して、約pNMLであり、全体で約(p+1)N
ML+O(p3 )Mである。ただし、集音側の全Mチャ
ンネルについて、合計している。
【0014】1チャンネルの集音再生系で、NLMSア
ルゴリズムを用いて反響消去する方法では、上記と同様
に演算量を見積もると、約2Lとなる。これより、多チ
ャンネルの集音再生系における反響消去方法は、1チャ
ンネルの集音再生系の場合と比較して、再生チャンネル
数N、集音チャンネル数M、射影アルゴリズムの次数
p、に応じて演算量が増大し、実際の装置実現を困難に
している一面がある。
【0015】この発明の課題は、従来の多チャンネル音
声通信会議用反響消去方法において、性能劣化を抑えな
がら、演算量の低減を図ることである。
【0016】
【課題を解決するための手段】
第1の方法 まず、請求項1記載の発明では、主に式(30)のX
(k)gm (k)のpNML回の積和演算を低減させ
るため、上記疑似反響路結合べクトルh^m(k)の
代わりに近似疑似反響路結合べクトルzm (k)を導
入する。
【0017】このとき、式(26)の反響消去は、近似
疑似反響路結合べクトルzm (k)、自己相関べクト
ルr(k)、平滑化係数べクトルsm (k−1)を
用いて em (k)=ym (k)−xT (k)zm (k)−rT (k) sm (k−1) (32) となる。ただし、疑似反響信号y^m (k)は、式(3
2)の右辺第2項以降で、 y^m (k)=xT (k)zm (k)+rT (k) sm (k−1) (33) であり、 x^n (k)=[xn (k),xn (k−1),…, xn (k−p+2)]T ,(1N) (34) として、自己相関べクトルr(k)は r(k)=r(k−1)+Σn=1 N {xn (k)x^n (k−1) −xn (k−L)x^n (k−L−1)} (35) と再帰的に求め、また、平滑化係数べクトルs
m (k)を と再帰的に求める。ここで、smp(k)はスカラであ
って平滑化係数と呼ぶことにする。実際の多くの実施形
態においては、各反響路のタップ数Lがチャンネル数
N,Mや射影アルゴリズムの次数pに比べて十分大きい
とみなせるため、式(32)〜(36)のうち、式(3
2)の演算にかかる処理量が支配的であり、NML+O
(p)Mである。
【0018】式(30)に対応して、近似疑似反響路結
合べクトルzm (k)の更新は、 zm (k+1)=zm (k)+x(k−p+1)smp(k) (37) となり、ここで要する演算量はNMLである。式(3
1)に対応するプレフィルタ係数べクトルgm (k)
を求める計算については、残留反響信号べクトルem
(k)を 再帰的に求めることとする。ここで要する演算量はO
(p3 )Mである。
【0019】全体の演算量は従来法の約(p+1)NM
L+O(p3 )Mに対して、この方法により、約2NM
L+O(p3 )Mとなる。通常Lの値は数10であり、
pは16又は32程度でありNMLの値が可成り大きい
ため、NML回だけでも演算量が減ることは有効であ
る。第2の方法請求項2記載の発明では、上記請求項1
記載の発明に加えて、式(31)のプレフィルタ係数べ
クトルgm (k)を求める計算に工夫を施した方法で
ある。
【0020】すなわち、 [XT (k)X(k)+δI]a(k)= [F(k),0,…,0]T (39) [XT (k)X(k)+δI]b(k)= [0,0,…,B(k)]T (40) を満たすp次元の前向き線形予測係数べクトルa
(k)と、その最小2乗予測誤差和F(k)、p次元の
後向き線形予測係数べクトルb(k)と、その最小2
乗予測誤差和B(k)を求め、これらを用いて、p次元
のプレフィルタ係数べクトルgm (k)を と求める。ここで、fm (k)を上記プレフィルタ誘
導係数べクトルと呼び、 と得られる。式(41),(42)によって、g
m (k)を再帰的に求めることにより、p次元の前向き
線形予測係数べクトルa(k)と、その最小2乗予測
誤差和F(k)、p次元の後向き線形予測係数べクトル
b(k)と、その最小2乗予測誤差和B(k)を求め
る演算も含めて、約O(p)Mの演算量で実現できるよ
うになり、全体の演算量は請求項1記載の方法の約2N
ML+O(p3)Mに対して、本方法により、約2NM
L+O(p)Mとなる。第3の方法まず、ステップサイ
ズ係数μm を時間に対して変化させられるよう拡張し、
時刻kにおける値をμm (k)と表す。
【0021】このとき、残留反響信号べクトルe
m (k)について、式(27)を、 X(k)=[x(k),x(k−1),…,x(k−p+1)] (43) em (k)=[em (k),(1−μm (k−1))em (k−1),…, Πi=1 p-1 (1−μm (k−i))em (k−p+1)]T (44) Πはi=1からp−1までとし、また、式(38)を、 とすればよい。
【0022】式(30)の更新式は h^m (k+1)=h^m (k)+μm (k)X(k)gm (k) (46) となる。以上のようにすると、多チャンネル系に対する
射影アルゴリズムに用いるステップサイズ係数を時変と
して扱うことができる。
【0023】そこで、請求項3記載の発明では、各時刻
kにおいて、M個の集音側チャンネルのうち少なくとも
0 個のチャンネルに対応するステップサイズ係数μm
(k)を0として、対応する集音側チャンネルmの式
(46)の更新計算を省略する。これにより、各時刻に
おいて、ステップサイズ係数μm (k)が全集音側チャ
ンネルとも0でなかった場合に更新に要する演算量pN
MLが、少なくともpN(M−M0 )Lに低減される。
【0024】また、式(31)に対応するプレフィルタ
係数べクトルgm (k)を求める計算についてもステ
ップサイズ係数μm (k)が0である集音側について
は、省略できるので、演算量は、少なくともO(p3
(M−M0 )に低減される。全体の演算量は従来法の約
(p+1)NML+O(p3 )Mに対して、この方法に
より、約(p+1)NML−pNM0 L+O(p3
(M−M0 )となる。
【0025】ただし、この方法は、ステップサイズ係数
μm (k)を0とする頻度が大きくなるほど、言い換え
ると、M0 が大きくなるほど、演算量は少なくなるが、
反響路の推定速度も低下してしまう一面がある。しかし
ながら、入力される信号の性質あるいは用途によって、
反響路の推定速度の低下と演算量の低減との相関関係は
様々であり、全体の演算量の上限、疑似反響路べクトル
の更新回数を優先させるのか、それとも、射影アルゴリ
ズムの次数を優先させるのか、といった具合に実施形態
に自由度を持たせられる利点がある。第4の方法請求項
4記載の発明は、請求項3記載の発明における一つの具
体的実施形態である。
【0026】ここでは、請求項3記載のステップサイズ
係数μm (k)を0とする頻度の下限M0 を、M0 =M
−1とする。このとき、各時刻において、ステップサイ
ズ係数μm (k)が0でないことが許される集音側チャ
ンネルは1つだけである。この1つの集音側チャンネル
の選び方を、以下のようにする。ここで、全M個の集音
側チャンネルのそれぞれに対する番号m=1,2,…,
Mの割り振り方は任意である。
【0027】時刻kをMで割った余りの数と一致する集
音側チャンネル番号mに対して、ステップサイズ係数μ
m (k)に0でない値を与える。ただし、状況に応じて
0を与えることもある。この場合、その時刻kにおい
て、全ての疑似反響路べクトルが更新されないことにな
る。このように、時刻kに対するモジュロ演算によっ
て、対応する集音側チャンネルを選択することにより、
装置実現に当たっての処理の流れが整然とし、また、各
集音側チャンネルに偏りなく疑似反響路べクトルの更新
が可能となる。
【0028】全体の演算量は従来法の約(p+1)NM
L+O(p3 )Mに対して、この方法により、約NML
+pNL+O(p3 )となる。第5の方法請求項5記載
の発明は、請求項3記載の発明による方法を用いたと
き、上記ステップサイズ係数μm (k)が時刻k−1か
ら過去k−k0 (k0 は1以上の整数)まで連続して0
であった場合、対応する集音側チャンネルの時刻kにお
ける上記疑似反響路結合べクトルh^m (k)はh
m (k−k0 )と等しいことから、文献「Z.J.M
ou and P.Duhamel,“Fast FI
R filtering:algorithms an
d implementation,”Signal
Processing,13,pp.377−384,
1987」記載の高速FIRフィルタリング手法を適用
し、上記疑似反響信号y^m (k)を、過去の演算結果
を利用して計算する。
【0029】例えば、M=2のとき、k0 =1として、
第1集音チャンネルに対して、h^1 (k)=h^
1 (k−1)であったとする。このとき、疑似反響信号
y^ 1 (k−1)とy^1 (k)は、
【0030】
【数1】
【0031】
【数2】 とする。このとき、式(57),(58)において、
{h^e1 T (k−1)+h^01 T (k−1)}x
d (k−1)の項は共通であり、y^1 (k−1)を求
める時に{h^e1 T (k−1)+h^01 T (k−
1)}xd (k−1)の値を記憶しておき、y^
1 (k)の計算に再利用することができる。したがっ
て、乗算回数を調べると、y^1 (k−1)を求める時
には、NL回であるが、y^1 (k)を求める時には、
NL/2回である。y^1 (k−1)を求める際の演算
量は特に削減されていないので、実時間処理する際に、
y^1 (k−1)の算出に要する演算を1時刻内に実行
できるようにすると、結局装置規模を小さくできないこ
とになる。この問題に対して、集音系が1チャンネルの
場合には、時刻k−1とkとをまとめて1ブロックとみ
なして、y^1 (k−1)の出力をy^1 (k)の出力
と同時に行なうことにより、演算量を1ブロック内で平
滑化する方法があるが、y^1 (k−1)の出力に遅延
を伴うことになる。一方、この発明が対象とする集音系
が多チャンネルの場合には、請求項3記載の発明を請求
項4記載の発明の方法に従って行なえば、例えばM=2
の場合は、μ1 (k)とμ2 (k)とが1時刻毎に交互
に0になる。つまり、第2集音チャンネルについては、
第1集音チャンネルとは逆に、乗算回数を調べると、y
2 (k−1)を求める時に、NL/2回であり、y^
2 (k)を求める時に、NL回である。つまり、システ
ム全体として、各時刻に要する演算量は低減され、集音
系が1チャンネルの場合のように、出力に遅延を伴うこ
と無く、装置規模を小さくすることができる。
【0032】また、上記の検討で、Lを偶数としたが、
Lを奇数としても、同様の効果が得られる。一般に集音
側チャンネル数がMの場合、請求項3記載の発明を請求
項4記載の発明の方法により行なった場合で、この方法
の全体の演算量は従来法の約(p+1)NML+O(p
3 )Mに対して、この方法により、約N(M+1)L/
2+pNL+O(p3 )となる。
【0033】この発明によれば、疑似反響路結合べクト
ルに変わる近似疑似反響路結合べクトルの導入、線形予
測手法、ステップサイズ制御手法、あるいは、高速FI
Rフィルタリング手法の導入により、疑似反響路べクト
ルの更新及び計算を少ない演算量で実行できるため、多
チャンネル反響消去システムを従来よりも小さい規模で
実現できる。
【0034】
【発明の実施の形態】
第1の方法の実施例 請求項1記載の発明の特徴は、疑似反響路結合べクトル
h^m (k)の代わりに近似疑似反響路結合べクトル
m (k)を用いることであり、図12における、疑
似反響信号生成部18m と反響路推定部19m とは再構
成され、図1に示すように実現される。ここで、プレフ
ィルタ係数べクトル算出部31Aは、図12中のプレフ
ィルタ係数べクトル算出部31と同じ機能を有し、修正
部32と、反響路推定部19m とに相当する機能部はま
とめて反響路推定簡略型疑似反響信号生成部180m
なる。反響路推定簡略型疑似反響信号生成部180m
詳細は図2に示すように、入力信号結合べクトルx
(k)が相関計算部109に入力され、式(35)によ
り自己相関べクトルr(k)の演算とその更新が行わ
れ、またプレフィルタ係数べクトルgm (k)が平滑
係数べクトル修正部110に入力され、式(36)によ
り平滑化係数べクトルsm (k−1)、平滑化係数s
mp(k)が計算され、かつその更新が行われる。入力信
号結合べクトルx(k)と平滑化係数smp(k)とが
反響路近似値修正部111へ入力され、式(37)が演
算され、近似疑似反響路結合べクトルzm (k)が演
算、更新され、このzm (k)と入力信号結合べクト
ルx(k)との内積が内積演算部113で行われ、ま
た、自己相関べクトルr(k)と平滑化係数べクトル
m (k−1)との内積演算が内積演算部112で行わ
れ、これら両内積演算結果が加算部114で加算されて
式(33)の演算結果である疑似反響信号y^m (k)
が得られる。 第2の方法の実施例 請求項2記載の発明では、請求項1記載の発明に加え
て、式(31)のプレフィルタ係数べクトルg
m (k)を求める計算に工夫を施し、この場合の図1の
プレフィルタ係数べクトル計算部31Aの構成例は、図
3に示すとおりであり、式(39),(40)を満たす
p次元の前向き線形予測係数べクトルa(k)と、そ
の最小2乗予測誤差和F(k)、p次元の後向き線形予
測係数べクトルb(k)と、その最小2乗予測誤差和B
(k)を線形予測器103で求め、式(41),(4
2)の再帰式を計算する処理をgm (k)修正部10
5、fm (k)修正部104でそれぞれ実現する。
【0035】ここで、請求項1記載の発明を請求項2記
載の発明のもとに実現した場合の処理の手順をまとめ
る。ただし、信号及びインパルス応答等は複素数として
一般化し、また、Nチャンネルの再生系とMチャンネル
の集音系との間に存在するN×M個の反響路のインパル
ス応答を要素として持つ反響路べクトルhnm T (k)
(1N,1M)を反響路行列として
【0036】
【数3】 とまとめて扱い、さらに、ステップサイズ係数を各集音
チャンネル独立に時変なものとしてステップサイズ係数
行列
【0037】
【数4】
【0038】
【数5】 を満たすp次の前向き線形予測係数ベクトルa(k) と、
その最小2乗予測誤差和F(k) 、p次の後向き線形予測
係数ベクトルb(k) と、その最小2乗予測誤差和B(k)
を求める。
【0039】
【数6】 第3,4の方法の実施例 請求項3記載の発明を、請求項4記載の方法で実現する
具体例として、集音、再生がともに2チャンネルのステ
レオ音声通信に適用する場合を考える。このとき、第1
集音チャンネルと第2集音チャンネルとにおいて、時刻
kが偶数のときはμ1 (k)=0、奇数のときはμ
2 (k)=0として、交互に疑似反響路結合べクトルの
更新を行なうようにする。これより、図12中のプレフ
ィルタ係数算出部31および修正部32における処理
は、ステップサイズ係数μm (k)(m=1,2)が0
であった場合に不要な演算を省略することができ、図4
に示すような構成で実現される。図4では、スイッチ1
20,121を時刻kが奇数か偶数かによって対応する
集音チャンネル側へ切替えることによって、式(31)
を計算する連立方程式計算部110、修正べクトル算出
部111が共用される。
【0040】また、ステップサイズ係数μm (k)を周
期的に0にすることの、反響路推定への影響を計算機シ
ミュレーションにより示したのが、図6である。計算機
シミュレーションは、集音、再生がともに2チャンネル
のステレオ音声通信への適用を仮定し、残響時間150
msの会議室で実測した2つのインパルス応答を、2つ
の再生器から、1つの集音器へ到る2つの反響路h11
(k),h21(k)として用い、受話信号は、2本の
マイクロホンで実測した音声信号を用いた。疑似反響路
をh11(k),h21(k)として、フィルタ係数誤
差 (‖h11(k)−h11^(k)‖2 +‖h21(k)−h^21(k)‖2 )/(‖h11(k)‖2 +‖h21(k)‖2 ) (82) により、時刻の経過に対する反響路推定の度合を評価し
た。条件として、射影アルゴリズムの次数がp=2およ
びp=4の場合において、ステップサイズ係数μ
m (k)を常に1とした場合と、時刻kが偶数のときは
1、奇数のときは0としたときの場合とを比較した。こ
の結果から分かるように、疑似反響路の更新回数を減ら
すことにより、収束速度はやや低下するものの、p=2
として毎回更新するよりも、p=4として1回おきに更
新するほうが収束は速く、更新回数にかかる演算量と、
射影アルゴリズムの次数に依存した演算量との兼ね合い
で装置実現の際の仕様が決定できることがわかる。 第5の方法の実施例 請求項5記載の発明を、集音、再生がともに2チャンネ
ルのステレオ音声通信に適用する例を述べる。請求項4
記載の方法に基づき、第1集音チャンネルと第2集音チ
ャンネルとにおいて、時刻kが偶数のときはμ1 (k)
=0、奇数のときはμ2 (k)=0として、交互に疑似
反響路結合べクトルの更新を行なうようにする。このと
き、第1集音チャンネルに対する疑似反響信号y^
1 (k)の生成は、図5に示すように行なわれる。ここ
で、スイッチ141が記憶部134に接続されると、記
憶部134は1時刻過去に内積演算部133から得た結
果を出力する。スイッチ141が記憶部134に接続さ
れたとき、内積演算部133における処理を停止させる
ことにより、演算量を低減させることができる。スイッ
チ140は演算時刻ごとに切替え時刻kが偶数の時h^
e1(k)、奇数の時h^ 01(k)を内積演算部132へ
供給する。
【0041】
【発明の効果】一般に多チャンネル再生系と集音系とで
構成される通信会議システムに適用される反響消去方法
は、集音チャンネルと再生チャンネルの積にほぼ比例し
て処理量が増大することもあり、実時間処理を行なうた
めには、装置規模が大きくなり、コストも高くなるとい
う問題があった。この発明方法においては、多チャンネ
ル通信会議システムへの適用が有効な射影アルゴリズム
を用いた反響消去方法において疑似反響路結合べクトル
に代わる近似疑似反響路結合べクトルの導入、線形予測
手法、ステップサイズ制御手法、あるいは、高速FIR
フィルタリング手法の導入により、疑似反響路べクトル
の更新及び計算を少ない演算量で実行するため、多チャ
ンネル反響消去システムを従来よりも小さい規模での実
現を可能とし、装置を低コスト化する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】請求項1の発明の実施例を示すブロック図。
【図2】図1中の反響路推定簡略型疑似反響信号生成部
108m の具体例を示すブロック図。
【図3】請求項2の発明の実施例の要部である図1中の
プレフィルタ係数べクトル算出部31Aの具体例を示す
ブロック図。
【図4】請求項3の発明の実施例の要部を示すブロック
図。
【図5】請求項5の発明の実施例の要部を示すブロック
図。
【図6】請求項3の発明を適用した場合と、従来法とに
おけるフィルタ係数誤差(反響路推定誤差)の時間経過
のシミュレーション結果を示す図。
【図7】従来の1チャンネル反響消去装置を示すブロッ
ク図。
【図8】多チャンネル反響消去装置システムを示すブロ
ック図。
【図9】従来の多チャンネル反響消去装置を示すブロッ
ク図。
【図10】ステレオ音声通信系を示すブロック図。
【図11】Aは受話信号間に相互相関がある場合の反響
路推定動作を示す図、Bは前記相互相関が変動した場合
の反響路推定動作を示す図である。
【図12】射影アルゴリズムを用いた提案されている多
チャンネル反響消去装置を示すブロック図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小島 順治 東京都新宿区西新宿三丁目19番2号 日 本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平4−284732(JP,A) 特開 平5−218906(JP,A) 特開 平5−235807(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H04B 3/00 - 3/44

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 離散的時刻k毎にサンプルとして入力さ
    れる各チャンネルn(1N)の受話信号x
    n (k)をチャンネル毎の再生器で音響信号に再生し、
    Nは2以上の整数であり、これらN個の音響信号が、N
    個の上記再生器から各チャンネルm(1M)の集
    音器に到るN×M個の反響路を経由して集音される反響
    信号ym (k)(1M)を得、Mは、1以上の整
    数であり、上記各チャンネルnの受話信号のL−1時刻
    過去までの系列xn (k),xn (k−1),…,xn
    (k−L+1)よりなる入力信号ベクトルxn (k)
    =[xn (k),xn (k−1),…,xn (k−L+
    1)]T をNチャンネルについて結合させた受話信号結
    合ベクトルx(k)=[x1 T (k),x2
    T (k),…,xN T (k)]T を求め、上記N×M
    個の反響路に対するN×M個の各タップ数Lの疑似反響
    路ベクトルh^nm(k)(1N,1M)
    をnについて結合し疑似反響路結合ベクトルh^
    m (k)=[h^1m T (k),h^2m T (k),
    …,h^Nm T (k)]T (1M)に上記受話信
    号結合ベクトルx(k)を入力して得られる疑似反響
    信号y^m (k)(1M)を生成し、上記各集音
    器に対する反響信号ym (k)から上記疑似反響信号y
    m (k)を差し引いた残留反響信号em (k)を求
    め、射影アルゴリズムに基づいて過去p−1(pは1以
    上L×N以下の整数)時刻まで遡って上記各残留反響信
    号em (k)を最小化するように上記疑似反響路結合ベ
    クトルh^m (k)の修正ベクトルΔh^m (k)
    を求め、次の時刻で用いる上記疑似反響路結合ベクトル
    をh^m (k+1)=h^m (k)+μm Δh^
    m (k)と更新し、μm はm番目の集音器へ到る反響路
    を模擬する上記疑似反響路結合ベクトルh^m (k)
    の修正量を調節するステップサイズ係数である多チャン
    ネル反響消去方法において、 上記疑似反響路結合ベクトルh^m (k)の代わりに
    近似疑似反響路結合ベクトルzm (k)を用いること
    を特徴とする多チャンネル反響消去方法であり、上記疑
    似反響信号y^m (k)(1M)の生成及び近似
    疑似反響路結合ベクトルzm (k)の更新を以下の手
    順(a)〜(g)に従って行う: (a)x^n (k)=[xn (k),xn (k−1),…, xn (k−p+2)]T ,(1N) として、自己相関べクトルr(k)を r(k)=r(k−1)+Σn=1 N {xn (k)x^n (k−1) −xn (k−L)x^n (k−L−1)} と更新し、 (b)上記疑似反響記号y^m (k)を、受話信号結合
    べクトルx(k)、近似疑似反響路結合べクトルz
    m (k)、自己相関べクトルr(k)、平滑化係数べ
    クトルsm (k−1)を用いて、 y^m (k)=xT (k)zm (k)+rT (k)sm (k−1) と求め、 (c)上記残留反響信号em (k)を em (k)=ym (k)−y^m (k) と求め、 (d)残留反響信号べクトルem (k)を 【数1】 と更新し、 (e)受話信号行列X(k)を X(k)=[x(k),x(k−1),…,x(k−p+1)] として、p元連立1次方程式 [XT (k)X(k)+δI]gm (k)=em (k) を満たすp次元のプレフィルタ係数べクトルg
    m (k)を求め、δは安定化係数で0以上の値をとり、
    Iは単位行列であり、 (f)平滑化係数べクトルsm (k)および平滑化係
    数smp(k)を 【数2】 更新し、 (g)近似疑似反響路結合べクトルzm (k)を zm (k+1)=zm (k)+x(k−p+1)smp(k) と更新する。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の多チャンネル反響消去方
    法において、 上記の手順(e)のp次元のプレフィルタ係数べクトル
    m (k)の算出を以下の手順(a)〜(c)に従い
    再帰的に行う: (a)[XT (k)X(k)+δI]a(k)=[F(k),0, …,0]T [XT (k)X(k)+δI]b(k)=[0,0,…, B(k)]T を満たすp次元の前向き線形予測係数べクトルa
    (k)と、その最小2乗予測誤差和F(k)、p次元の
    後向き線形予測係数べクトルb(k)と、その最小2
    乗予測誤差和B(k)を求め、 (b)p次元のプレフィルタ係数べクトルgm (k)
    を1時刻前に求めた(p−1)次元のプレフィルタ誘導
    係数べクトルfm (k−1)を用いて 【数3】 と更新し、 (c)1時刻後に用いる上記プレフィルタ誘導係数べク
    トルfm (k)を 【数4】 と更新する。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2記載の多チャンネル反響
    消去方法において、上記ステップサイズ係数μm を時間
    変化可能として、μm (k)と表し、上記疑似反響路結
    合ベクトルh^m (k)の更新時に、各時刻につい
    て、少なくとも、あるM0 (10 <M)個の集音側
    チャンネルに対して上記ステップサイズ係数μm (k)
    を0に設定して、上記疑似反響路結合ベクトル m
    (k+1)= m (k)+μ m X(k)g m (k)
    の更新計算を省略することを特徴とする。
  4. 【請求項4】 請求項3記載の多チャンネル反響消去方
    法において、 各時刻について、上記M0 =M−1とし、各集音側チャ
    ンネルに順不同に1からMまでの番号を与え、与えられ
    た番号順にMを周期として上記ステップサイズ係数μm
    (k)の各設定の際に、μm (k)を0としなくてもよ
    い残りの1集音側チャンネルを選ぶことを特徴とする。
  5. 【請求項5】 請求項3記載の多チャンネル反響消去方
    法において、 上記ステップサイズ係数μm (k)が時刻k−1から過
    去のk−k0 (k0 1)まで遡って連続して0であっ
    た場合、対応する集音側チャンネルの時刻kにおける上
    記疑似反響路べクトルh^m (k)としてh^
    m (k−k0 )を用いて上記疑似反響信号y^m (k)
    を演算することを特徴とする。
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