JP3676825B2 - 多チャンネル音響エコー消去方法および多チャンネル音響エコー消去装置 - Google Patents
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Description
発明の分野
この発明は、多チャンネル音響エコー消去方法並びに多チャンネル音響エコー消去装置に関するものである。
発明の背景
音声信号の伝達範囲において、「ハンドフリー」電話法およびテレビ会議のようないくつかのアプリケーションでは、音響エコーが無視できない不都合の源である。音響エコーを打ち消す公知の装置は、通常、考慮される音声信号伝達システムのスピーカーとマイクロフォンとの間の音響結合経路のインパルス応答を同定しかつモデリングするように機能する適応フィルタを具備している。
図１は、従来の音響エコー消去装置の一般的な構造を示している。この装置は、間に音響結合経路またはエコー経路１４が存在するスピーカー１０とマイクロフォン１２に関連している。符号１６，１８は、それぞれ、受信された音声信号および送信される音声信号を示している。図１のエコー消去装置は、受信された音声信号１６をその入力において受信する適応フィルタ２０を含んでいる。適応フィルタ２０の目的は、マイクロフォン１２によって受信された信号からエコーを差し引くために、その係数を通してエコー経路１４のインパルス応答を推定することである。この目的のために、適応フィルタ２０の出力は、マイクロフォン１２により受信された信号から適応フィルタ２０により出力された信号を減算する減算器２２に接続されている。減算器２２からの出力から得られた差信号は、推定誤差２４を与える。適応フィルタ２０の係数は、推定誤差情報を使用する適当なアルゴリズムによって、漸次調節される。このアルゴリズムの選択はエコー消去装置の性能を決定する要因である。公知のエコー消去方法および装置は、一般に、通常、頭文字によってＮＬＭＳと示される正規化確率的勾配と呼ばれるアルゴリズムを使用している。このアルゴリズムの欠点は、その収束速度が、受信した音声信号のスペクトル特性に依存するということである。この発明の目的は、この依存性を低減することである。音響エコーの問題はもちろん、多チャンネル音声信号伝達システム、すなわち、複数のスピーカーおよび複数のマイクロフォン、例えば、ステレオの場合における２つのスピーカーと２つのマイクロフォンとを有するシステムにおいても生ずる。
多チャンネルエコー消去方法および装置は、１チャンネル消去のものと同様の原理に基づいて知られている。図２は、従来のステレオの音響エコー消去装置の部分的なブロック図を、例として示しており、この図においては、明確のために、２つのマイクロフォンチャンネルの内の一方のみが示されている。大まかな構造は、容易に、Ｎを任意の整数として、Ｎ個の音声信号チャンネルを有する音響エコー消去装置のものに一般化することができる。Ｎ＝２の場合についてのみ以下に説明する。図１のエコー消去装置と同様の方法で、ステレオのエコー消去装置が受信された音声信号チャンネル１６1，１６2および送信される音声信号チャンネルに適用される。送信される音声信号チャンネルは、その内の１つのみが符号１８1により示されている。エコー消去装置は、２つのスピーカー１０1，１０2および２つのマイクロフォンに接続されている。マイクロフォンはその内の１つのみが符号１２1により示されている。４つのエコーチャンネルがあり、その内の２つのエコーチャンネル（１４1，１４2）は２つのスピーカー１０1，１０2と第１のマイクロフォン１２1との間に配置され、他の２つのエコーチャンネル（図示略）は、２つのスピーカー１０1，１０2と第２のマイクロフォンとの間に配置されている。種々のエコーチャンネルからのインパルス応答を推定するために、適応フィルタが各スピーカーチャンネルと各マイクロフォンチャンネルとの間に設けられている。このように、マイクロフォンチャンネル１２1が考慮される場合には、受信された音声信号１６1，１６2を入力としてそれぞれ受信する２つの適応フィルタ２０1，２０2が設けられる。適応フィルタ２０1，２０2の出力は、加算器２６1に、入力として供給される。Ｎを任意の整数として、Ｎチャンネルを有するエコー消去装置においては、そのような加算器が各マイクロフォンチャンネルに設けられる。加算器２６1により供給された適応フィルタの出力信号の合計は、減算器２２1により、マイクロフォン１２1により受信された信号から減算される。同じ操作が、各マイクロフォンチャンネルにおいて実行される。減算器２２1の出力として得られた信号は、考慮されるマイクロフォンチャンネルに対する全ての適応フィルタに共通の推定誤差２４1を供給する。図２の例では、推定誤差２４1は、適応フィルタ２０1，２０2に共通している。１チャンネルエコー消去装置の場合のように、適応フィルタの係数は、各マイクロフォンチャンネルについて、得られた推定誤差から、適当なアルゴリズムにより、反復する方法で変更される。
多チャンネル消去装置、特に、ステレオエコー消去装置において、適応フィルタの係数の適応アルゴリズムの収束速度は、１チャンネルエコー消去装置の場合のそれらのアルゴリズムの収束速度よりも比較的遅いことを特筆しておく。この収束の低速化は、図２おいて、符号１６1，１６2により示されたスピーカーにより受信された音声信号が、相互に相関しているという事実に起因していることがわかっている。
収束の低速化は多くの不都合を生ずる。特に、テレビ会議システムにおいて、離れた部屋に配置されたスピーカーは、システムの始動中またはエコー消去装置が配置されている部屋内における音響的な変化（例えば視聴者の移動）後の会話のエコーを、長時間にわたって検知する。さらに、多チャンネルエコー消去においては、エコーレベルの再現または増加を生ずる、受信した音声信号間の上述した相互の相関のために、離れた部屋における全ての音響的な変化がエコー消去装置の適応フィルタの収束を妨害する。
他方では、各マイクロフォンの信号について、相互に相関しない構成要素が提供されるときには、多チャンネルエコー消去装置の収束を加速する傾向にあるということが、実際にわかってきている。この発明の目的は、多チャンネルエコー消去装置の性能を改良し、かつ、その結果、多チャンネルエコー消去装置を備えた音声信号送信システムにおける通信の品質を向上するために、この相互に相関しない構成要素の性質を使用することである。このために、この発明の一般的な原理は、ある人間の聴覚特性を使用することにより不可聴にされた、相互に相関しない補助信号を、受信された音声信号チャンネルに加えることにある。
発明の概要
より正確には、この発明は、Ｎを１以上の整数として、各々１つのスピーカーと１つの結合されたマイクロフォンとを有するＮ個の音声信号チャンネルについてのエコー消去方法を目的としており、Ｎチャンネルの各々に対して、
（ａ） 隣接する周波数帯にわたって広がるスペクトルを有し、他のチャンネルについて発生された合成信号とは相関しない、ホワイトノイズのスペクトル特性を有する合成信号が生成され、
（ｂ） 各周波数帯について、人間の聴覚認識力の性質を利用して、考慮されるチャンネルのスピーカーと関連する信号に対応して、周波数遮蔽しきい値が計算され、
（ｃ） 各周波数帯において、補助信号を得るために、前記合成信号のレベルが、前記関連する遮蔽周波数しきい値の値とされ、
（ｄ） 前記補助信号が、考慮されるチャンネルのスピーカーに関連する前記信号に加えられ、前記遮蔽周波数しきい値が前記補助信号を不可聴しかつ前記Ｎチャンネルの前記補助信号が相互に相関しないものとするように予め計算され、
（ｅ） 前記予め得られた信号が、考慮される音声信号チャンネルに関連するスピーカーとマイクロフォンとの間の音響結合経路のインパルス応答の推定を形成する係数を有する適応フィルタに、入力として供給され、
（ｆ） 各マイクロフォンチャンネルに関連するＮ個の適応フィルタの出力として得られた信号が計算され、かつ、その結果の信号が、このチャンネルに結合されたマイクロフォンにより受信された信号から減算され、
（ｇ） 前記減算の結果において得られた差から推定誤差が計算され、
（ｈ） 考慮されるマイクロフォンに関連する前記適応フィルタの係数が、関連する推定誤差の関数として補正されることを特徴としている。
この方法の特定の実施形態において、各周波数遮蔽しきい値を計算するために、
（ｂ１） 各々が予め特定された数の音声信号サンプルを含み、２つの連続するブロックが相互に予め特定されたサンプル数にわたって重複する複数のブロックが形成され、
（ｂ２） 各ブロックのサンプルがアポディゼーションウインドウにより重み付けされ、
（ｂ３） 各ブロックのフーリエ変換が演算され、
（ｂ４） その周波数範囲が、特定された下限および上限周波数を有する複数の隣接する臨界帯に分割され、
その後、各ブロックに対し、かつ、各臨界帯において：
（ｂ５） この臨界帯についてのエネルギ分布関数の値を得るために、前記臨界帯に属する異なるスペクトル線のエネルギが加算され、
（ｂ６） 前記エネルギ分布関数と積基底拡散関数との畳み込みが、スペクトル拡散Ｅｉを得るために計算され、かつ、参照テーブルから得られ、
（ｂ７） 音調性指数αｉが、異なる臨界帯に属するスペクトル線のエネルギから計算され、
（ｂ８） 補正係数Ｏｉが、上記において計算された音調指数から計算され、
（ｂ９） 周波数遮蔽しきい値Ｔｉが、スペクトル拡散Ｅｉおよび補正係数Ｏｉから計算され、周波数遮蔽しきい値Ｔｉが以下のように定義される。
１０ｌｏｇ10Ｔｉ＝１０ｌｏｇ10Ｅｉ−Ｏｉ−Ｃｉ
ここで、Ｃｉは、Ｎチャンネルの音声信号の種々の特性から計算された追加のしきい値補正パラメータである。
この方法の特定の実施形態において、追加のしきい値補正パラメータＣｉから計算するのに供される特性には、Ｎチャンネルの信号のそれぞれのレベルおよび、少なくとも数対のこれらの信号の内部相関関数の一組の値が含まれ、追加の補正パラメータＣｉは、この内部相関関数の値とともに増加する関数である。
変形例として、追加のしきい値補正パラメータＣｉの計算に供される特性は、各チャンネルの種々の臨界帯に含まれているエネルギの合計および少なくとも数対の異なるチャンネルに対する臨界帯毎のエネルギの比を含んでおり、種々の臨界帯内に含まれているエネルギの合計がより大きくなればなるほど、一対のチャンネルの臨界帯毎のエネルギの比が、異なる臨界帯の間で異ならなくなり、したがって、追加の補正パラメータＣｉがより重要になる。
この発明は、Ｎを１以上の整数として、各々がスピーカーと関連するマイクロフォンとを有するＮ個の音声信号チャンネルを有するエコー消去装置であって、
− 連続する２つが、予め特定されたサンプル数にわたって相互に重複する、予め特定された数の音声信号サンプルと各々含むブロック形成手段と；
該ブロック形成手段の出力位置に配置され、アポディゼーションウインドウにより各ブロックのサンプルを重み付けする重み付け手段と；
該重み付け手段の出力位置に配置され、フーリエ変換を計算する計算手段と；
隣接する臨界帯の下限および上限周波数値を計算する計算手段またはこれらの値を含む参照テーブルと；
臨界帯についてのエネルギ分布関数であって、所定の臨界帯について、この臨界帯に属する異なるスペクトル線のエネルギを加算することにより計算されるエネルギ分布関数の値を計算する計算手段と；
所定の臨界帯と各々関連する基底拡散関数を表す値を含む第２の参照テーブルと；
所定の臨界帯について、この臨界帯に関連するエネルギ分布関数と前記拡散関数との畳み込み積を計算することによりスペクトル拡散Ｅｉを計算する計算手段と；
所定の臨界帯と関連する補正係数Ｏｉを計算する計算手段と；
所定の臨界帯と関連する周波数遮蔽しきい値Ｔｉを、該臨界帯と関連するスペクトル拡散および補正係数Ｏｉから、Ｃｉを追加のしきい値補正パラメータとして、
１０ｌｏｇ10Ｔｉ＝１０ｌｏｇ10Ｅｉ−Ｏｉ−Ｃｉ
により計算する計算手段と；
ホワイトノイズのスペクトル特性を有する合成信号を発生する発生手段と；
各臨界帯について、Ｎチャンネルの複数の音声特性から、追加のしきい値補正パラメータＣｉを計算するためにＮ個の音声信号チャンネルに接続された制御手段と；
補助信号を得るために、合成信号のレベルを前記関連する周波数遮蔽しきい値の値にする手段と；
フーリエ逆変換を計算する計算手段と；
連続するブロックの処理の結果を記憶するための記憶手段と；
ブロックの処理結果を前のブロックの処理結果と組み合わせる手段と；
データ速度をブロック速度からサンプリング速度まで推移させるために記憶手段に接続された逐次読み出し手段と；
各チャンネルにおいて、受信した音声信号と関連する補助信号とを加算するために、Ｎ個の音声信号チャンネルにそれぞれ配置されたＮ個の第１の加算器手段と；
を具備する補助信号計算手段と、
− Ｎ個のマイクロフォンチャンネルの各々と結合され、各々が、前記Ｎ個の音声信号チャンネルの内の１つ結合された前記スピーカーとマイクロフォンとの間の音響結合経路のインパルス応答の推定を形成する係数を有するＮ個の適応フィルタリング手段を含む、Ｎ×Ｎ適応フィルタリング手段と、
− これらのＮ個の適応フィルタリング手段からの出力信号を加算するために、各マイクロフォンチャンネルと関連するＮ個の適応フィルタリング手段の出力に接続された第２の加算器手段と、
− 各チャンネルについて、前記第２の加算器手段の出力において得られた信号をこのチャンネルのマイクロフォンにより受信された信号から減算するために、前記第２の加算器手段の出力位置に各々配置され、Ｎ個の音声信号チャンネルのマイクロフォンにそれぞれ接続されたＮ個の減算器手段と、
− 各チャンネルのマイクロフォンに接続された前記減算器手段により供給される結果から、各チャンネルについて、推定誤差を計算するＮ個の計算手段と、
− Ｎ個のマイクロフォンチャンネルの各々と結合されたＮ個の適応フィルタリング手段の各係数を、各マイクロフォンチャンネルに関連する推定誤差の関数として、繰り返しにより補正するＮ個の補正手段とを具備するエコー消去装置を提案している。
装備は、アプリケーションによって異なり、特に、考慮される音声信号送信システムのスピーカーの数は、マイクロフォンの数と異なっていてもよい。
装置の特定の実施形態において、追加のしきい値補正パラメータＣｉの計算に供される特性には、Ｎ個のチャンネルの信号のそれぞれのレベルおよび少なくとも数対のこれらの信号の一組の内部相関関数の値が含まれており、該追加の補正パラメータＣｉは、この内部相関関数の値とともに増加する関数である。
変形例として、追加のしきい値補正パラメータＣｉの計算に供される特性は、各チャンネルの種々の臨界帯に含まれるエネルギの合計および少なくとも数対の異なるチャンネルの臨界帯毎のエネルギの比率を含んでいてもよく、種々の臨界帯に含まれるエネルギの合計が大きければ大きいほど、一対のチャンネルの臨界帯毎のエネルギの比率は、異なる臨界帯の間では異ならなくなり、したがって、追加の補正パラメータＣｉがより重要になる。
装置の特定の実施形態において、エコー消去装置は、さらに、異なる臨界帯に属するスペクトル線のエネルギから音調性指数αｉを計算するための手段と、該音調性指数αｉから補正係数Ｏｉを計算する、補正係数Ｏｉの計算手段とを具備している。
装置の特定の実施形態において、音調性指数を計算するための手段は、全ての臨界帯に対して同一であり、
αi＝α＝ｍｉｎ（ＳＦＭ／ＳＦＭｍａｘ，１）
により定義される一定の音調性指数を供給する。
ここで、ｍｉｎ（ａ，ｂ）はは、ａとｂの値の内の小さいものを指し、ＳＦＭｍａｘは、デシベルで表された、純粋な正弦波信号に関連する予め特定された値のパラメータであり、ここで、ＳＦＭ＝１０ｌｏｇ10Ｇ／Ａであり、ｌｏｇ10は、底を１０とする対数を示し、Ｇは予め特定された数のフーリエ変換点にわたるエネルギの幾何平均を示し、Ａは、同数の点にわたる算術平均を示している。
特定の実施形態において、ＳＦＭｍａｘ＝−６０ｄＢである。
特定の実施形態において、補正係数Ｏｉの計算手段は、
Ｏｉ＝ｍａｘ（ＳＯ，αｉ．（ｋ１＋Ｂｉ）＝（１−αｉ）．ｋ２）
によって定義された補正係数Ｏｉを供給する。
ここで、ｍａｘ（ｓ，ｂ）は、ａとｂの内の大きいものを示し、ＳＯ，ｋ１およびｋ２は予め特定されたパラメータ値をデシベルで示し、αｉは、考慮される臨界帯に関連する音調性指数であり、Ｂｉは臨界帯の周波数をバーク（Bark）で示している。
装置の特定の実施形態において、ＳＯ＝２４．５ｄＢ、ｋ１＝１４．５ｄＢ、ｋ２＝５．５ｄＢである。
【図面の簡単な説明】
この発明の他の特徴および利点は、限定しない例として与えられた特定の実施形態の以下の詳細な説明を読むことにより明らかになる。この説明は、添付図面を参照している。
図１は、従来技術に関連しかつ導入部分において説明されている、従来の１チャンネル音響エコー消去装置を表す該略図である。
図２は、従来技術に関連しかつ導入部分において説明されている、従来のステレオの音響エコー消去装置の部分的な概略図であり、１つのマイクロフォンチャンネルのみが示されている。
図３は、特定の実施形態におけるこの発明の方法の段階の連続を概略的に示すフローチャートである。
図４は、この発明の部分的な実施形態における装置を概略的に示している。
図５は、この発明の特定の実施形態における装置に含まれている補助信号計算モジュールの構造を概略的に示している。
図６ａは、音響結合経路の実際のインパルス応答と、この発明の特定の実施形態に係るステレオのエコー消去装置の適応フィルタにより推定されたインパルス応答との間の相対的な差の変化を時間の関数として示した第１の例を示すグラフである。
図６ｂは、従来のステレオのエコー消去装置について描かれた図６ａのものと類似するグラフである。
図７ａは、音響結合経路の実際のインパルス応答とこの発明の特定の実施形態に係るステレオのエコー消去装置の適応フィルタにより推定されたインパルス応答との相対的な差の変化を、時間の関数として示した第２の例を示すグラフである。
図７ｂは、従来のステレオのエコー消去装置について描かれた図７ａのものと類似するグラフである。
好ましい実施形態の詳細な説明
この発明の方法および装置は、任意の音声信号に適用される。限定しない例として、それは言語信号のみならず音楽信号でもよい。最初に、一実施形態において図３を参照して、多チャンネルエコー消去方法の概括的な構成を説明する。
Ｎ個の音声信号チャンネルが想定され、その各々が、１つのスピーカーと１つのマイクロフォンとを具備している。
各受信した音声信号チャンネルにおいて、まず第１に、ホワイトノイズのスペクトル特性を有しかつ隣接する複数の周波数帯にわたって広がるスペクトルを有する信号が合成され、該Ｎ個のチャンネルの合成信号は、相互に相関していない。
次に、各周波数帯について、考慮されたチャンネルのスピーカーにより受信された音声信号に対応する周波数遮蔽しきい値が計算される。
遮蔽効果は、他の存在する音声が部分的にまたは完全に不可聴となることにあるということに注意すべきである。この現象が周波数領域において生ずるときには、同時遮蔽または周波数遮蔽と呼ばれる。その値以下において遮蔽された音声の全ての周波数成分が不可聴となる周波数遮蔽しきい値と呼ばれるしきい値が存在する。遮蔽現象のさらなる詳細については、Ｅ．ＺＷＩＣＫＥＲおよびＲ．ＦＥＬＤＴＫＥＬＬＥＲによる「Das Ohr als Nachrichtenempfanger」,Stuttgart,West Germany,Hirzel Verlag,1967の文献を参照することが有効である。
一実施形態においては、周波数遮蔽しきい値の計算が以下のように実行される。まず第１に、音声信号データフローの速度が、サンプリング速度、例えば１６ｋＨｚからブロック速度まで推移して変換され、各ブロックは、例えば、３２ｍｓの持続時間を有している。したがって、各ブロックは、予め特定された数のサンプルを含んでいる。２つの連続するブロックは、予め特定された数のサンプル、例えば、１６ｍｓの持続時間にわたって相互に重なっている。
次に、スペクトルのその後の推定を改良するために、各ブロックのサンプルがアポディゼーションウインドウ、例えば、ハミング(Hamming)またはハニング(Hanning)ウインドウ形式のウインドウにより重み付けされる。
各ブロックのフーリエ変換が、予め特定された数の点、例えば、３２ｍｓのブロックに対して５１２点にわたって計算される。このために、高速フーリエ変換アルゴリズムが使用されてもよい。
次いで、受信された音声信号が属しそうな周波数領域が、特定の下限および上限周波数を有する複数の隣接する周波数帯に分割される。これらの周波数帯は、臨界帯と呼ばれる。以下のテーブルは、限定しない例として、Ｅ．ＺＷＩＣＫＥＲおよびＲ．ＦＥＬＤＴＫＥＬＬＥＲにより設定され、かつ、上述した文献に示されている臨界帯（下限および上限および中心周波数）への音声周波数の領域の分解を与えている。各臨界帯の幅は、協定により１バークに等しい。したがって、テーブルは、ヘルツによる周波数スケールとバークの周波数スケールとの間の対応を与えている。
上述したフーリエ変換の適用に代えて、変形例として、複数のフィルタによる分解が使用され、臨界帯への分解を直接得ることが可能となる。
以下の段階は、各臨界帯に属する異なるスペクトル線のエネルギを、この臨界帯におけるエネルギ分布関数の値を得るために加算することにある。
次に、基底拡散と呼ばれる関数と臨界帯毎のエネルギ分布を与える関数との畳み込み積として定義されるスペクトル拡散Ｅｉが計算される。基底拡散関数Ｅｂは、人間の耳の基底膜のエネルギ周波数応答に対応している。それは、音調性、すなわち純粋な音声周波数の知覚から生ずる刺激を表し、上述したＥ．ＺＷＩＣＫＥＲおよびＲ．ＦＥＬＤＴＫＬＬＥＲの文献にも示されている以下の等式により定義され得る。
10log10Eb=15.81+7.5(B+0.474)-17.5(1+(B+0.474)2)1/2
ここで、ｌｏｇ10は、１０を底とする対数を表し、Ｂはバークで表した周波数である。説明される特定の実施形態において、この関数の値は参照テーブル内に読み込まれる。
ノイズを音により遮蔽することがその逆よりも難しいことが例証されてきた。遮蔽しきい値のこの不釣合を考慮に入れるために、所定の臨界帯Ｂｉに関連し、音声信号の音調性のまたは非音調性の側面に依存する補正係数Ｏｉが各しきい値に適用される。この音調性のまたは非音調性の側面を評価するために、特定の実施形態において、ＳＦＭ（スペクトル平坦度測定:spectral Flatness Measure）と呼ばれる測定が使用され、該測定は、予め特定された数のフーリエ変換点にわたるエネルギの幾何平均とその同じ数の点、例えば、５１２点にわたり計算されたフーリエ変換に対して２５６点にわたる算術平均の比として定義されている。
得られたＳＦＭ値は、純粋な正弦波信号のＳＦＭ値と比較され、限定しない例として、協定によりＳＦＭ＝ＳＦＭｍａｘ＝−６０ｄＢと表示され得る。
その後、音調性指数αｉが計算され、それは、特定の実施形態において、一定かつ全ての臨界帯について同一であり、
αｉ＝α＝ｍｉｎ（ＳＦＭ／ＳＦＭｍａｘ，１）
により定義される。
ここで、ｍｉｎ（ａ，ｂ）はａ，ｂの内の小さいものを示しており、指数αｉは０，１の間の数であり、非音調性成分に対してよりも音調性成分に対してより高い値である。適当と判断される音調性指数の他の任意の計算方法を考えることは可能である。
バークで表された周波数Ｂｉの臨界帯に関連する補正係数Ｏｉは、音調性指数αｉから以下のように定義される。
Ｏｉ＝ｍａｘ（ＳＯ，αｉ．（ｋ１＋Ｂｉ）＋（１−αｉ）．ｋ２）
ここで、ｍａｘ（ａ，ｂ）は、ａ，ｂの内の大きいものを示し、ＳＯ，ｋ１，ｋ２は、デシベルで表された予め特定されたパラメータ値である。通常、ＳＯ＝２４．５ｄＢ、ｋ１＝１４．５ｄＢ、ｋ２＝５．５ｄＢが選択され得る。
補正係数Ｏｉは、一般の音調性成分の場合には、臨界帯のランクとともに増加する関数であり、これらの音調性成分に対しては、非音調性成分に対するよりもより大きな重みづけが与えられる。
さらに、追加の補正パラメータＣｉが、遮蔽しきい値に適用され、該パラメータＣｉはＮチャンネルの音声信号の複数の特徴から計算される。該パラメータＣｉは、異なる臨界帯に対応する全ての遮蔽しきい値に共通であってもよく、または、各臨界帯に対して特定の値を有していてもよい。
特定の実施形態において、追加のしきい値補正パラメータＣｉは、Ｎチャンネルについて受信された音声信号レベルおよび少なくとも数対のこれらの信号からの内部相関関数の一組の値から計算される。この特定の実施形態において、追加のしきい値パラメータＣｉは、内部相関関数の値とともに増加する関数である。
限定しない例として、複数のマイクロフォンと複数のスピーカーとを備えた典型的な実際のテレビ会議において、マイクロフォンは、ピックアップされた信号間の相関が、２つの隣接するマイクロフォンの間で大きくかつ離れたマイクロフォン間で小さくなるように配置されている。この可変の相関は、送信中の処理によってとり得る変更とともに、受信において、一方では隣接チャンネル間、すなわち２つの直接隣り合うスピーカー間で、他方では離れたチャンネル間、すなわち他の対の離れたスピーカー間においても生ずる。
このようにして、パラメータＣｉの計算は、直接隣り合うスピーカーの対および２つの隣接する対（これらの対が存在する場合には、スピーカーの総数を考慮に入れる。）に対応するチャンネルの対のレベルおよび内部相関の特徴を利用することに限定され得る。したがって、直接隣り合うスピーカー（ＨＰｋ、ＨＰｋ＋１）の対が考慮される場合には、それらのレベルおよび内部相関特性が、隣接する対（ＨＰｋ−１，ＨＰｋ）（ＨＰｋ−１とＨＰｋは直接隣り合っている。）および（ＨＰｋ＋１，ＨＰｋ＋２）（ＨＰｋ＋１とＨＰｋ＋２は直接隣り合っている。）のものと同様に使用される。
他の実施形態において、追加の補正パラメータＣｉは、各チャンネルの種々の臨界帯に含まれるエネルギの合計および少なくとも数対の異なるチャンネルの臨界帯毎のエネルギの比率から計算される。
上述した実施形態と同様の方法で、このことは、直接隣り合うスピーカーの対および２つの隣接するついに相当するチャンネル対のエネルギ合計およびエネルギ比率の特性を利用することに限定され得る。種々の臨界帯に含まれるエネルギの合計がより大きければ大きいほど、一対のチャンネルの臨界帯毎のエネルギ比率は、異なる臨界帯間において、より異ならないようになり、該パラメータＣｉがより重要になる。
したがって、２つの所定のチャンネルの音声信号間の内部相関が強く、かつ／または、これら２つの信号が比較可能なエネルギを有する場合には、パラメータＣｉが高く、すなわち、しきい値の重大な低減、通常は６〜１０ｄＢが適用される。他方では、信号があまり相関していない、かつ／またはかなり異なったエネルギのものであるときには、しきい値のあまり大きくない低減、通常は０〜６ｄＢが適用される。この補正は、聴覚特性を考慮している。これは、導入部で述べた補助信号に、最も高いとり得るレベルを与えることを可能にしながら、該補助信号を不可聴にするという目的を有しており、この目的を達成することについては以下に詳細に述べる。
各ブロックについて、かつ、各臨界帯において、周波数遮蔽しきい値Ｔｉが、スペクトル拡散Ｅｉおよび上記において定義された補正係数Ｏｉおよび以下のような追加のしきい値補正係数Ｃｉから得られる。
１０ｌｏｇ１０Ｔｉ＝１０ｌｏｇＥｉ−Ｏｉ−Ｃｉ
図３に示されるように、この方法の以下の段階は、各チャンネルについて補助信号を得ることにある。このために、特定の実施形態において、各臨界帯内への合成信号のレベルが、関連する周波数遮蔽しきい値にされる。
現在ブロックの処理の結果に対応するフーリエ逆変換が、その後、例えば、高速フーリエ変換アルゴリズムによって計算される。フーリエ変換が使用されない場合であって、上述したようにフィルタバンク(filter banks)により分解される場合には、フィルタバンクによる分解の逆変換に相当する合成段階が、フーリエ逆変換の代わりに実行される。
次に、現在の遮蔽されたノイズブロックを、例えば、「オーバーラップ・加算(overlap-add)」または「オーバーラップ・セーブ(overlap-save)」合成の公知の方法によって、再構築するために前のブロックの結果が、現在ブロックの処理の結果と組み合わせられる。
次にブロック速度が、再度、サンプリング速度まで推移させられる。
上記の全ての段階は、リアルタイムの信号処理により実行されてもよい。
特定の実施形態において、この方法の以下の段階は、図３に示されるように、各チャンネルについての、得られた補助信号のこのチャンネルのスピーカーに関連する信号への加算からなっている。構造により、Ｎチャンネルの補助信号は、相互に相関のないものであり、かつ、補助信号は関連する周波数遮蔽しきい値を超えないので、不可聴である。
上述した実施形態において、各補助信号は、その全体において、異なる臨界帯から再形成されたのちに、関連するスピーカー信号へ加算される。変形例として、この加算は、異なる臨界帯の各々においても全く同様に行われ得る。
次に、包括的な適応フィルタリング段階が、図３に示されるように実行される。
まず第１に、前記補助信号とスピーカー信号との合計が、適応フィルタへの入力として供給され、該適応フィルタの係数が、考慮される音声信号チャンネルに関連するスピーカーとマイクロフォンとの間の音響結合経路のインパルス応答の推定を形成する。
各チャンネルについて、この手続が行われ、その後、各マイクロフォンチャンネルに関連したＮ個の適応フィルタの出力において得られた信号が加算される。次に、各マイクロフォンチャンネルについての残りの信号がこのチャンネルと関連するマイクロフォンによって受信された信号から差し引かれる。
このようにして得られた差信号から、各マイクロフォンチャンネルについて、推定誤差が計算され、このマイクロフォンチャンネルに関連する適応フィルタの係数がこの推定誤差の関数として計算される。
上記において詳述された適応フィルタリング段階が、時間領域において実行される。変形例として、適応フィルタリングは、ブロックによりかつサンプルによらずに、特にフーリエ領域における対応する処理の全体の実行により、行われてもよい。周波数適応フィルタリング方法を説明するために、通常は、J.PRADOおよびE.MOULINESによる"Frequency domain adaptive filtering with applications to acoustic echo cancellation",Annales des Telecommunications,49,no.7-8,1994,pages 414-428が参照される。
以下においては、この発明に係るエコー消去装置の一実施形態を図４および図５を参照して説明する。
この実施形態において、スピーカーの数は、マイクロフォンの数と同一である。しかしながら、アプリケーションによっては、種々の装備が可能であり、特にスピーカーの数はマイクロフォンの数と異ならせてもよい。
図４に示されるように、エコー消去装置は、Ｎ個のスピーカー３０1，…，３０NおよびＮ個のマイクロフォン３２1，…，３２Nと結合されている。該エコー消去装置は、補助信号計算モジュール３４を含んでおり、その詳細な構造は図５を参照して説明されている。全体的な方法において、補助信号計算モジュール３４は、Ｎ個のスピーカーチャンネルに接続された制御モジュール３６、Ｎ個のスピーカーチャンネルおよび前記制御モジュール３６にそれぞれ接続されたＮ個の補助信号生成モジュール３８1，…，３８NおよびＮ個のスピーカーチャンネルにそれぞれ配置されかつ各々が、考慮されたチャンネルにおいて受信された音声信号を入力として受信しかつこのチャンネルに結合された補助信号生成モジュールから信号を出力するＮ個の第１の加算器モジュール４０1，…，４０Nを含んでいる。
図４に示されたエコー消去装置は、さらに、Ｎ×Ｎ適応フィルタリングモジュール４２i,jを含んでおり、ここで、ｉおよびｊは１〜Ｎの間で変化する整数である。Ｎ個の適応フィルタリングモジュール４２i,1，…，４２j,Nは、図４に示されるように、ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）のマイクロフォンチャンネルに結合され、Ｎ個のスピーカーチャンネルにそれぞれ結合されている。ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）のマイクロフォンチャンネルに対して、Ｎ個の適応フィルタリングモジュール４２i,1，…，４２j,Nの出力が第２の加算器モジュール４４iに接続されている。各第２の加算器モジュール４４i（１≦ｉ≦Ｎ）の出力は、その非減算入力において、前記ｉ番目のマイクロフォン３２iにより受信された信号を受信する、減算器モジュール４６iの減算入力に接続されている。各減算器モジュール４６iの出力は、Ｎ個の適応フィルタリングモジュール４２i.1，…，４２j,Nの組を、減算器モジュール４６iによる結果出力に基づく推定誤差を計算するためのモジュール（図示略）を介して、かつ、得られた推定誤差の関数としてＮ個の適応フィルタリングモジュール４２i,1，…，４２j,Nの係数を繰り返す方法で補正するためのモジュール（図示略）を介して制御する。
図５は、制御モジュール３６とＮ個の補助信号生成モジュール３８1，…，３８Nとにより構成される補助信号計算モジュール３４のサブアセンブリの構造をより詳細に示している。モジュール４８は、受信した音声信号の予め特定した数のサンプルを各々含むブロックを出力する。２つの連続するブロックは、特定数のサンプルにおいて相互に重複している。この方法の特定の実施形態の説明において与えられる数値例は、なおも有効である。
ブロック形成モジュール４８は、各ブロックにアポディゼーションウインドウ、例えばハミングまたはハニングウインドウ形式のものを適用する重み付けモジュール５０に接続されている。
この重み付けモジュール５０は、フーリエ変換計算モジュール５２に接続されている。限定しない例として、モジュール５２は５１２点についての高速フーリエ変換を実行してもよい。
補助信号計算モジュール３４は、受信した音声信号が属する周波数範囲をカバーする隣接する臨界帯の下限および上限周波数値を計算するためのモジュール５４をも含んでいる。変形例として、モジュール５４は、これらの値を含む参照テーブルからなっていてもよい。モジュール５４は、エネルギ分布関数を計算するためのモジュール５６に接続されている。このモジュール５６の入力は、フーリエ変換計算モジュールにも接続されている。このモジュール５６は、モジュール５４により供給された臨界帯の限界周波数値を使用することにより、各臨界帯に属する異なるスペクトル線のエネルギを計算しかつ加算する。モジュール５６は、各臨界帯について、エネルギ分布関数の値を出力する。
第２の参照テーブル５８は、所定の臨界帯にそれぞれ関連する基底拡散関数を表す値を含んでいる。これらの関数の定義は、この方法の特定の実施形態との関係で上記に与えられている。
第２の参照テーブル５８は、スペクトル拡散Ｅｉを計算することができるモジュール５０の入力に接続されている。モジュール５０の入力は、エネルギ分布関数計算モジュール５６にも接続されている。モジュール６０は、所定の臨界帯について、この臨界帯に対するスペクトル拡散を出力するために、エネルギ分布関数と拡散関数との畳み込み積を計算する。
図５に示される特定の実施形態において、補助信号計算モジュール３４は、さらに、所定の臨界帯にそれぞれ関連する音調性指数αｉを計算するためのモジュール６２を含んでいる。このモジュール６２は、フーリエ変換計算モジュール５２の出力に接続されており、異なる臨界帯に属するスペクトル線のエネルギ値を使用する。
この特定の実施形態において、音調性指数を計算するモジュール６２は、所定の臨界帯にそれぞれ関連する補正係数Ｏｉを計算するためのモジュール６４に接続されている。このモジュール６４は、音調性指数αｉから補正係数Ｏｉを計算する。
特定の実施形態において、音調性指数計算モジュール６２は、全ての臨界帯について同一であり、
αｉ＝α＝ｍｉｎ（ＳＦＭ／ＳＦＭｍａｘ，１）
により定義される一定の音調性指数αｉを供給する。ここで、ｍｉｎ（ａ，ｂ）はａとｂのうちの小さいものを示しており、ＳＦＭｍａｘは、純粋な正弦波信号に関連してデシベルで表された予め特定した値のパラメータであり、
ＳＦＭ＝１０ｌｏｇ10Ｇ／Ａ
であって、ｌｏｇ10は１０を底とする対数を表し、Ｇは、特定数のフーリエ変換点にわたるエネルギの幾何平均を示し、Ａは、同じ数の点にわたる算術平均を示している。この実施形態において、補正係数Ｏｉ計算モジュール６４は、各臨界帯について、下式により定義された補正係数Ｏｉを出力する。
Ｏｉ＝ｍａｘ（ＳＯ，αｉ．（ｋ１＋Ｂｉ）＋（１−αｉ）．ｋ２）
ここで、ｍａｘ（ａ，ｂ）は、ａとｂのうちの大きいものを示し、ＳＯ，ｋ１，ｋ２は、デシベルで表された特定値のパラメータであり、αｉは考慮される臨界帯に関連する音調性指数であり、Ｂｉはバークで表した臨界帯の周波数である。限定しない例として、パラメータＳＦＭｍａｘ，ＳＯ，ｋ１，ｋ２は、この方法の特定の実施形態に関連して上述した数値を有することができる。
補正係数Ｏｉ計算モジュール６４およびスペクトル拡散計算モジュール６０は、所定の臨界帯にそれぞれ関連する周波数遮蔽しきい値Ｔｉを計算するためのモジュール６６の入力に接続されている。モジュール６６は、各臨界帯に対して、以下に定義される周波数遮蔽しきい値Ｔｉを出力する。
１０ｌｏｇ10Ｔｉ＝１０ｌｏｇ10Ｅｉ−Ｏｉ−Ｃｉ
ここで、Ｅｉは、スペクトル拡散であり、Ｏｉはこの臨界帯に関連する補正係数であり、Ｃｉは追加のしきい値補正パラメータである。
パラメータＣｉは、上述した制御モジュール３６によって供給される。図４に示されているモジュール３６のＮ個のスピーカーチャンネルへの接続は、より明確にするために、図５においては省略されている。
特定の実施形態において、制御モジュール３６は、この方法の特定の実施形態にしたがって上述したように、追加のしきい値パラメータＣｉをＮ個のチャンネルからの各信号のレベルおよび少なくとも数対のこれらの信号の内部相関関数の一組の値から各臨界帯に対して計算する。この場合には、パラメータＣｉは、内部相関関数の値とともに増加する関数であることがわかる。
他の実施形態において、制御モジュール３６は、特定の方法の実施形態に関連して示されたように、各チャンネルの種々の臨界帯に含まれるエネルギの合計および少なくとも数対の異なるチャンネルの臨界帯毎とのエネルギの比率から、各臨界帯についてのパラメータＣｉを計算する。この場合には、種々の臨界帯に含まれているエネルギの合計が大きければ大きいほど、一対のチャンネルの臨界帯毎のエネルギの比率は、異なる臨界帯間において異ならなくなり、したがって、パラメータＣｉはより重要になる。
補助信号計算モジュール３４は、さらに合成信号生成モジュール６８を具備している。このモジュールは、各音声信号チャンネルに対して、ホワイトノイズのスペクトル特性を有しかつ他のチャンネルに対して生成された合成信号とは相関しない信号を生成する。
周波数遮蔽しきい値計算モジュール６６の出力は、周波数変換モジュール６９に接続されている。このモジュール６９はモジュール６６により供給された遮蔽しきい値のバークからヘルツへの変換を行う。
モジュール７０は、モジュール６８により生成された合成信号およびモジュール６６により計算されモジュール６９により変換された周波数遮蔽しきい値を入力として受信する。モジュール７０は、補助信号を得るために、各合成信号のレベルを関連する周波数遮蔽しきい値の値とする。
モジュール７０の出力は、フーリエ逆変換計算モジュール７２の入力に接続されている。モジュール７２の出力は、合成モジュール７４の入力に接続されている。合成モジュール７４は、ランダムアクセスメモリ（図示略）ブロックの処理の結果と、ランダムアクセスメモリにより供給された以前のブロックの処理の結果とを、例えば、「オーバーラップ・加算」または「オーバーラップ・セーブ」合成方法を実行することにより結合する。
逐次読み出しモジュール７６は、合成モジュール７４およびランダムアクセスメモリに接続されており、データ速度のブロック速度からサンプリング速度への推移を保証している。
上述したモジュール４８〜７６は、図４に簡略化した方法で示されている一連の補助信号生成モジュール３８1，…，３８Nと等価である。実際に、各モジュール４８〜７６は、各スピーカーチャンネルに対する補助信号を生成することに寄与している。
このようにして、この発明は、音声信号チャンネルの各受信時に最大限のレベルの補助信号が発せられることを可能とし、収束速度の効果的な増加を保証するとともに、そのために、そのレベルは受信した音声信号による遮蔽のレベルよりも小さい構成により生成される。
この発明の方法および装置は、適応フィルタの収束を改良するために、１チャンネル（Ｎ＝１の場合）のエコー消去装置にも適用する。
これらは、全ての形式の音響エコー消去装置、特に、周波数領域におけると同様に時間領域においても、または副バンドにおいても適用可能である。
図６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂは、この発明の特定の実施形態に係るエコー消去方法および装置によって得られる比較結果の２つの例を示している。
図６ａ〜図７ｂのグラフは、全て２つの曲線を含んでいる。破線の曲線は、右側ステレオチャンネルに関係し、点線からなる曲線は左側ステレオチャンネルに関係している。適応フィルタの係数の適応に使用されるアルゴリズムは、確率的正規勾配アルゴリズム（ＮＬＭＳ）である。適応フィルタは、１０２４個の係数からなるサイズを有している。横軸は、２５６で除した適応アルゴリズムの繰り返し回数を示している。縦軸は、音響結合経路の実際のインパルス応答とステレオエコー消去装置の適応フィルタのインパルス応答との間の相対的な差をデシベルで示している。
図６ａ，６ｂにより示されている第１の比較例は、男性の話者に対応している。ＮＬＭＳアルゴリズムの適応ピッチは、０．２５である。図６ａはこの発明を用いることにより得られた相対的な差を示しており、図６ｂは従来のエコー消去方法および装置、特に補助信号を使用しないものを使用することにより得られた相対的な差を示している。
図７ａ，７ｂにより示されている第２の比較例は、女性の話者に対応している。ＮＬＭＳアルゴリズムの適応ピッチは０．１２５である。図７ａ，７ｂは、それぞれ図６ａ，６ｂに類似したものである。
２つの比較例において、この発明の使用により、常に、１より少ない相対的な差（すなわち負のデシベル）が保証され、これは右側チャンネル（破線からなる曲線）についての従来の方法および装置の場合には該当しない。さらに、この発明を使用する場合には、左側チャンネル（点線からなる曲線）は、従来の方法及び装置に対応する曲線について観測される差より数デシベル小さい。したがって、この発明は、音響結合経路の変動が存在する場合に、エコー消去装置の適用における良好な性能を確保することができるという優れた性能を示す。
さらに、２つの例において、遮蔽しきい値に対して適用される補正は、１０ｄＢである。この補正の数デシベルの低減を許容してもよく、その場合には、追加されたノイズにより若干変更されてはいるけれども、知覚された対話が、テレビ会議のようなアプリケーションにおいて全く許容し得る品質を維持することになるので、提案された方法および装置の性能をさらに改善するものである。
この発明は、多チャンネル音響エコー消去方法並びに多チャンネル音響エコー消去装置に関するものである。
発明の背景
音声信号の伝達範囲において、「ハンドフリー」電話法およびテレビ会議のようないくつかのアプリケーションでは、音響エコーが無視できない不都合の源である。音響エコーを打ち消す公知の装置は、通常、考慮される音声信号伝達システムのスピーカーとマイクロフォンとの間の音響結合経路のインパルス応答を同定しかつモデリングするように機能する適応フィルタを具備している。
図１は、従来の音響エコー消去装置の一般的な構造を示している。この装置は、間に音響結合経路またはエコー経路１４が存在するスピーカー１０とマイクロフォン１２に関連している。符号１６，１８は、それぞれ、受信された音声信号および送信される音声信号を示している。図１のエコー消去装置は、受信された音声信号１６をその入力において受信する適応フィルタ２０を含んでいる。適応フィルタ２０の目的は、マイクロフォン１２によって受信された信号からエコーを差し引くために、その係数を通してエコー経路１４のインパルス応答を推定することである。この目的のために、適応フィルタ２０の出力は、マイクロフォン１２により受信された信号から適応フィルタ２０により出力された信号を減算する減算器２２に接続されている。減算器２２からの出力から得られた差信号は、推定誤差２４を与える。適応フィルタ２０の係数は、推定誤差情報を使用する適当なアルゴリズムによって、漸次調節される。このアルゴリズムの選択はエコー消去装置の性能を決定する要因である。公知のエコー消去方法および装置は、一般に、通常、頭文字によってＮＬＭＳと示される正規化確率的勾配と呼ばれるアルゴリズムを使用している。このアルゴリズムの欠点は、その収束速度が、受信した音声信号のスペクトル特性に依存するということである。この発明の目的は、この依存性を低減することである。音響エコーの問題はもちろん、多チャンネル音声信号伝達システム、すなわち、複数のスピーカーおよび複数のマイクロフォン、例えば、ステレオの場合における２つのスピーカーと２つのマイクロフォンとを有するシステムにおいても生ずる。
多チャンネルエコー消去方法および装置は、１チャンネル消去のものと同様の原理に基づいて知られている。図２は、従来のステレオの音響エコー消去装置の部分的なブロック図を、例として示しており、この図においては、明確のために、２つのマイクロフォンチャンネルの内の一方のみが示されている。大まかな構造は、容易に、Ｎを任意の整数として、Ｎ個の音声信号チャンネルを有する音響エコー消去装置のものに一般化することができる。Ｎ＝２の場合についてのみ以下に説明する。図１のエコー消去装置と同様の方法で、ステレオのエコー消去装置が受信された音声信号チャンネル１６1，１６2および送信される音声信号チャンネルに適用される。送信される音声信号チャンネルは、その内の１つのみが符号１８1により示されている。エコー消去装置は、２つのスピーカー１０1，１０2および２つのマイクロフォンに接続されている。マイクロフォンはその内の１つのみが符号１２1により示されている。４つのエコーチャンネルがあり、その内の２つのエコーチャンネル（１４1，１４2）は２つのスピーカー１０1，１０2と第１のマイクロフォン１２1との間に配置され、他の２つのエコーチャンネル（図示略）は、２つのスピーカー１０1，１０2と第２のマイクロフォンとの間に配置されている。種々のエコーチャンネルからのインパルス応答を推定するために、適応フィルタが各スピーカーチャンネルと各マイクロフォンチャンネルとの間に設けられている。このように、マイクロフォンチャンネル１２1が考慮される場合には、受信された音声信号１６1，１６2を入力としてそれぞれ受信する２つの適応フィルタ２０1，２０2が設けられる。適応フィルタ２０1，２０2の出力は、加算器２６1に、入力として供給される。Ｎを任意の整数として、Ｎチャンネルを有するエコー消去装置においては、そのような加算器が各マイクロフォンチャンネルに設けられる。加算器２６1により供給された適応フィルタの出力信号の合計は、減算器２２1により、マイクロフォン１２1により受信された信号から減算される。同じ操作が、各マイクロフォンチャンネルにおいて実行される。減算器２２1の出力として得られた信号は、考慮されるマイクロフォンチャンネルに対する全ての適応フィルタに共通の推定誤差２４1を供給する。図２の例では、推定誤差２４1は、適応フィルタ２０1，２０2に共通している。１チャンネルエコー消去装置の場合のように、適応フィルタの係数は、各マイクロフォンチャンネルについて、得られた推定誤差から、適当なアルゴリズムにより、反復する方法で変更される。
多チャンネル消去装置、特に、ステレオエコー消去装置において、適応フィルタの係数の適応アルゴリズムの収束速度は、１チャンネルエコー消去装置の場合のそれらのアルゴリズムの収束速度よりも比較的遅いことを特筆しておく。この収束の低速化は、図２おいて、符号１６1，１６2により示されたスピーカーにより受信された音声信号が、相互に相関しているという事実に起因していることがわかっている。
収束の低速化は多くの不都合を生ずる。特に、テレビ会議システムにおいて、離れた部屋に配置されたスピーカーは、システムの始動中またはエコー消去装置が配置されている部屋内における音響的な変化（例えば視聴者の移動）後の会話のエコーを、長時間にわたって検知する。さらに、多チャンネルエコー消去においては、エコーレベルの再現または増加を生ずる、受信した音声信号間の上述した相互の相関のために、離れた部屋における全ての音響的な変化がエコー消去装置の適応フィルタの収束を妨害する。
他方では、各マイクロフォンの信号について、相互に相関しない構成要素が提供されるときには、多チャンネルエコー消去装置の収束を加速する傾向にあるということが、実際にわかってきている。この発明の目的は、多チャンネルエコー消去装置の性能を改良し、かつ、その結果、多チャンネルエコー消去装置を備えた音声信号送信システムにおける通信の品質を向上するために、この相互に相関しない構成要素の性質を使用することである。このために、この発明の一般的な原理は、ある人間の聴覚特性を使用することにより不可聴にされた、相互に相関しない補助信号を、受信された音声信号チャンネルに加えることにある。
発明の概要
より正確には、この発明は、Ｎを１以上の整数として、各々１つのスピーカーと１つの結合されたマイクロフォンとを有するＮ個の音声信号チャンネルについてのエコー消去方法を目的としており、Ｎチャンネルの各々に対して、
（ａ） 隣接する周波数帯にわたって広がるスペクトルを有し、他のチャンネルについて発生された合成信号とは相関しない、ホワイトノイズのスペクトル特性を有する合成信号が生成され、
（ｂ） 各周波数帯について、人間の聴覚認識力の性質を利用して、考慮されるチャンネルのスピーカーと関連する信号に対応して、周波数遮蔽しきい値が計算され、
（ｃ） 各周波数帯において、補助信号を得るために、前記合成信号のレベルが、前記関連する遮蔽周波数しきい値の値とされ、
（ｄ） 前記補助信号が、考慮されるチャンネルのスピーカーに関連する前記信号に加えられ、前記遮蔽周波数しきい値が前記補助信号を不可聴しかつ前記Ｎチャンネルの前記補助信号が相互に相関しないものとするように予め計算され、
（ｅ） 前記予め得られた信号が、考慮される音声信号チャンネルに関連するスピーカーとマイクロフォンとの間の音響結合経路のインパルス応答の推定を形成する係数を有する適応フィルタに、入力として供給され、
（ｆ） 各マイクロフォンチャンネルに関連するＮ個の適応フィルタの出力として得られた信号が計算され、かつ、その結果の信号が、このチャンネルに結合されたマイクロフォンにより受信された信号から減算され、
（ｇ） 前記減算の結果において得られた差から推定誤差が計算され、
（ｈ） 考慮されるマイクロフォンに関連する前記適応フィルタの係数が、関連する推定誤差の関数として補正されることを特徴としている。
この方法の特定の実施形態において、各周波数遮蔽しきい値を計算するために、
（ｂ１） 各々が予め特定された数の音声信号サンプルを含み、２つの連続するブロックが相互に予め特定されたサンプル数にわたって重複する複数のブロックが形成され、
（ｂ２） 各ブロックのサンプルがアポディゼーションウインドウにより重み付けされ、
（ｂ３） 各ブロックのフーリエ変換が演算され、
（ｂ４） その周波数範囲が、特定された下限および上限周波数を有する複数の隣接する臨界帯に分割され、
その後、各ブロックに対し、かつ、各臨界帯において：
（ｂ５） この臨界帯についてのエネルギ分布関数の値を得るために、前記臨界帯に属する異なるスペクトル線のエネルギが加算され、
（ｂ６） 前記エネルギ分布関数と積基底拡散関数との畳み込みが、スペクトル拡散Ｅｉを得るために計算され、かつ、参照テーブルから得られ、
（ｂ７） 音調性指数αｉが、異なる臨界帯に属するスペクトル線のエネルギから計算され、
（ｂ８） 補正係数Ｏｉが、上記において計算された音調指数から計算され、
（ｂ９） 周波数遮蔽しきい値Ｔｉが、スペクトル拡散Ｅｉおよび補正係数Ｏｉから計算され、周波数遮蔽しきい値Ｔｉが以下のように定義される。
１０ｌｏｇ10Ｔｉ＝１０ｌｏｇ10Ｅｉ−Ｏｉ−Ｃｉ
ここで、Ｃｉは、Ｎチャンネルの音声信号の種々の特性から計算された追加のしきい値補正パラメータである。
この方法の特定の実施形態において、追加のしきい値補正パラメータＣｉから計算するのに供される特性には、Ｎチャンネルの信号のそれぞれのレベルおよび、少なくとも数対のこれらの信号の内部相関関数の一組の値が含まれ、追加の補正パラメータＣｉは、この内部相関関数の値とともに増加する関数である。
変形例として、追加のしきい値補正パラメータＣｉの計算に供される特性は、各チャンネルの種々の臨界帯に含まれているエネルギの合計および少なくとも数対の異なるチャンネルに対する臨界帯毎のエネルギの比を含んでおり、種々の臨界帯内に含まれているエネルギの合計がより大きくなればなるほど、一対のチャンネルの臨界帯毎のエネルギの比が、異なる臨界帯の間で異ならなくなり、したがって、追加の補正パラメータＣｉがより重要になる。
この発明は、Ｎを１以上の整数として、各々がスピーカーと関連するマイクロフォンとを有するＮ個の音声信号チャンネルを有するエコー消去装置であって、
− 連続する２つが、予め特定されたサンプル数にわたって相互に重複する、予め特定された数の音声信号サンプルと各々含むブロック形成手段と；
該ブロック形成手段の出力位置に配置され、アポディゼーションウインドウにより各ブロックのサンプルを重み付けする重み付け手段と；
該重み付け手段の出力位置に配置され、フーリエ変換を計算する計算手段と；
隣接する臨界帯の下限および上限周波数値を計算する計算手段またはこれらの値を含む参照テーブルと；
臨界帯についてのエネルギ分布関数であって、所定の臨界帯について、この臨界帯に属する異なるスペクトル線のエネルギを加算することにより計算されるエネルギ分布関数の値を計算する計算手段と；
所定の臨界帯と各々関連する基底拡散関数を表す値を含む第２の参照テーブルと；
所定の臨界帯について、この臨界帯に関連するエネルギ分布関数と前記拡散関数との畳み込み積を計算することによりスペクトル拡散Ｅｉを計算する計算手段と；
所定の臨界帯と関連する補正係数Ｏｉを計算する計算手段と；
所定の臨界帯と関連する周波数遮蔽しきい値Ｔｉを、該臨界帯と関連するスペクトル拡散および補正係数Ｏｉから、Ｃｉを追加のしきい値補正パラメータとして、
１０ｌｏｇ10Ｔｉ＝１０ｌｏｇ10Ｅｉ−Ｏｉ−Ｃｉ
により計算する計算手段と；
ホワイトノイズのスペクトル特性を有する合成信号を発生する発生手段と；
各臨界帯について、Ｎチャンネルの複数の音声特性から、追加のしきい値補正パラメータＣｉを計算するためにＮ個の音声信号チャンネルに接続された制御手段と；
補助信号を得るために、合成信号のレベルを前記関連する周波数遮蔽しきい値の値にする手段と；
フーリエ逆変換を計算する計算手段と；
連続するブロックの処理の結果を記憶するための記憶手段と；
ブロックの処理結果を前のブロックの処理結果と組み合わせる手段と；
データ速度をブロック速度からサンプリング速度まで推移させるために記憶手段に接続された逐次読み出し手段と；
各チャンネルにおいて、受信した音声信号と関連する補助信号とを加算するために、Ｎ個の音声信号チャンネルにそれぞれ配置されたＮ個の第１の加算器手段と；
を具備する補助信号計算手段と、
− Ｎ個のマイクロフォンチャンネルの各々と結合され、各々が、前記Ｎ個の音声信号チャンネルの内の１つ結合された前記スピーカーとマイクロフォンとの間の音響結合経路のインパルス応答の推定を形成する係数を有するＮ個の適応フィルタリング手段を含む、Ｎ×Ｎ適応フィルタリング手段と、
− これらのＮ個の適応フィルタリング手段からの出力信号を加算するために、各マイクロフォンチャンネルと関連するＮ個の適応フィルタリング手段の出力に接続された第２の加算器手段と、
− 各チャンネルについて、前記第２の加算器手段の出力において得られた信号をこのチャンネルのマイクロフォンにより受信された信号から減算するために、前記第２の加算器手段の出力位置に各々配置され、Ｎ個の音声信号チャンネルのマイクロフォンにそれぞれ接続されたＮ個の減算器手段と、
− 各チャンネルのマイクロフォンに接続された前記減算器手段により供給される結果から、各チャンネルについて、推定誤差を計算するＮ個の計算手段と、
− Ｎ個のマイクロフォンチャンネルの各々と結合されたＮ個の適応フィルタリング手段の各係数を、各マイクロフォンチャンネルに関連する推定誤差の関数として、繰り返しにより補正するＮ個の補正手段とを具備するエコー消去装置を提案している。
装備は、アプリケーションによって異なり、特に、考慮される音声信号送信システムのスピーカーの数は、マイクロフォンの数と異なっていてもよい。
装置の特定の実施形態において、追加のしきい値補正パラメータＣｉの計算に供される特性には、Ｎ個のチャンネルの信号のそれぞれのレベルおよび少なくとも数対のこれらの信号の一組の内部相関関数の値が含まれており、該追加の補正パラメータＣｉは、この内部相関関数の値とともに増加する関数である。
変形例として、追加のしきい値補正パラメータＣｉの計算に供される特性は、各チャンネルの種々の臨界帯に含まれるエネルギの合計および少なくとも数対の異なるチャンネルの臨界帯毎のエネルギの比率を含んでいてもよく、種々の臨界帯に含まれるエネルギの合計が大きければ大きいほど、一対のチャンネルの臨界帯毎のエネルギの比率は、異なる臨界帯の間では異ならなくなり、したがって、追加の補正パラメータＣｉがより重要になる。
装置の特定の実施形態において、エコー消去装置は、さらに、異なる臨界帯に属するスペクトル線のエネルギから音調性指数αｉを計算するための手段と、該音調性指数αｉから補正係数Ｏｉを計算する、補正係数Ｏｉの計算手段とを具備している。
装置の特定の実施形態において、音調性指数を計算するための手段は、全ての臨界帯に対して同一であり、
αi＝α＝ｍｉｎ（ＳＦＭ／ＳＦＭｍａｘ，１）
により定義される一定の音調性指数を供給する。
ここで、ｍｉｎ（ａ，ｂ）はは、ａとｂの値の内の小さいものを指し、ＳＦＭｍａｘは、デシベルで表された、純粋な正弦波信号に関連する予め特定された値のパラメータであり、ここで、ＳＦＭ＝１０ｌｏｇ10Ｇ／Ａであり、ｌｏｇ10は、底を１０とする対数を示し、Ｇは予め特定された数のフーリエ変換点にわたるエネルギの幾何平均を示し、Ａは、同数の点にわたる算術平均を示している。
特定の実施形態において、ＳＦＭｍａｘ＝−６０ｄＢである。
特定の実施形態において、補正係数Ｏｉの計算手段は、
Ｏｉ＝ｍａｘ（ＳＯ，αｉ．（ｋ１＋Ｂｉ）＝（１−αｉ）．ｋ２）
によって定義された補正係数Ｏｉを供給する。
ここで、ｍａｘ（ｓ，ｂ）は、ａとｂの内の大きいものを示し、ＳＯ，ｋ１およびｋ２は予め特定されたパラメータ値をデシベルで示し、αｉは、考慮される臨界帯に関連する音調性指数であり、Ｂｉは臨界帯の周波数をバーク（Bark）で示している。
装置の特定の実施形態において、ＳＯ＝２４．５ｄＢ、ｋ１＝１４．５ｄＢ、ｋ２＝５．５ｄＢである。
【図面の簡単な説明】
この発明の他の特徴および利点は、限定しない例として与えられた特定の実施形態の以下の詳細な説明を読むことにより明らかになる。この説明は、添付図面を参照している。
図１は、従来技術に関連しかつ導入部分において説明されている、従来の１チャンネル音響エコー消去装置を表す該略図である。
図２は、従来技術に関連しかつ導入部分において説明されている、従来のステレオの音響エコー消去装置の部分的な概略図であり、１つのマイクロフォンチャンネルのみが示されている。
図３は、特定の実施形態におけるこの発明の方法の段階の連続を概略的に示すフローチャートである。
図４は、この発明の部分的な実施形態における装置を概略的に示している。
図５は、この発明の特定の実施形態における装置に含まれている補助信号計算モジュールの構造を概略的に示している。
図６ａは、音響結合経路の実際のインパルス応答と、この発明の特定の実施形態に係るステレオのエコー消去装置の適応フィルタにより推定されたインパルス応答との間の相対的な差の変化を時間の関数として示した第１の例を示すグラフである。
図６ｂは、従来のステレオのエコー消去装置について描かれた図６ａのものと類似するグラフである。
図７ａは、音響結合経路の実際のインパルス応答とこの発明の特定の実施形態に係るステレオのエコー消去装置の適応フィルタにより推定されたインパルス応答との相対的な差の変化を、時間の関数として示した第２の例を示すグラフである。
図７ｂは、従来のステレオのエコー消去装置について描かれた図７ａのものと類似するグラフである。
好ましい実施形態の詳細な説明
この発明の方法および装置は、任意の音声信号に適用される。限定しない例として、それは言語信号のみならず音楽信号でもよい。最初に、一実施形態において図３を参照して、多チャンネルエコー消去方法の概括的な構成を説明する。
Ｎ個の音声信号チャンネルが想定され、その各々が、１つのスピーカーと１つのマイクロフォンとを具備している。
各受信した音声信号チャンネルにおいて、まず第１に、ホワイトノイズのスペクトル特性を有しかつ隣接する複数の周波数帯にわたって広がるスペクトルを有する信号が合成され、該Ｎ個のチャンネルの合成信号は、相互に相関していない。
次に、各周波数帯について、考慮されたチャンネルのスピーカーにより受信された音声信号に対応する周波数遮蔽しきい値が計算される。
遮蔽効果は、他の存在する音声が部分的にまたは完全に不可聴となることにあるということに注意すべきである。この現象が周波数領域において生ずるときには、同時遮蔽または周波数遮蔽と呼ばれる。その値以下において遮蔽された音声の全ての周波数成分が不可聴となる周波数遮蔽しきい値と呼ばれるしきい値が存在する。遮蔽現象のさらなる詳細については、Ｅ．ＺＷＩＣＫＥＲおよびＲ．ＦＥＬＤＴＫＥＬＬＥＲによる「Das Ohr als Nachrichtenempfanger」,Stuttgart,West Germany,Hirzel Verlag,1967の文献を参照することが有効である。
一実施形態においては、周波数遮蔽しきい値の計算が以下のように実行される。まず第１に、音声信号データフローの速度が、サンプリング速度、例えば１６ｋＨｚからブロック速度まで推移して変換され、各ブロックは、例えば、３２ｍｓの持続時間を有している。したがって、各ブロックは、予め特定された数のサンプルを含んでいる。２つの連続するブロックは、予め特定された数のサンプル、例えば、１６ｍｓの持続時間にわたって相互に重なっている。
次に、スペクトルのその後の推定を改良するために、各ブロックのサンプルがアポディゼーションウインドウ、例えば、ハミング(Hamming)またはハニング(Hanning)ウインドウ形式のウインドウにより重み付けされる。
各ブロックのフーリエ変換が、予め特定された数の点、例えば、３２ｍｓのブロックに対して５１２点にわたって計算される。このために、高速フーリエ変換アルゴリズムが使用されてもよい。
次いで、受信された音声信号が属しそうな周波数領域が、特定の下限および上限周波数を有する複数の隣接する周波数帯に分割される。これらの周波数帯は、臨界帯と呼ばれる。以下のテーブルは、限定しない例として、Ｅ．ＺＷＩＣＫＥＲおよびＲ．ＦＥＬＤＴＫＥＬＬＥＲにより設定され、かつ、上述した文献に示されている臨界帯（下限および上限および中心周波数）への音声周波数の領域の分解を与えている。各臨界帯の幅は、協定により１バークに等しい。したがって、テーブルは、ヘルツによる周波数スケールとバークの周波数スケールとの間の対応を与えている。
以下の段階は、各臨界帯に属する異なるスペクトル線のエネルギを、この臨界帯におけるエネルギ分布関数の値を得るために加算することにある。
次に、基底拡散と呼ばれる関数と臨界帯毎のエネルギ分布を与える関数との畳み込み積として定義されるスペクトル拡散Ｅｉが計算される。基底拡散関数Ｅｂは、人間の耳の基底膜のエネルギ周波数応答に対応している。それは、音調性、すなわち純粋な音声周波数の知覚から生ずる刺激を表し、上述したＥ．ＺＷＩＣＫＥＲおよびＲ．ＦＥＬＤＴＫＬＬＥＲの文献にも示されている以下の等式により定義され得る。
10log10Eb=15.81+7.5(B+0.474)-17.5(1+(B+0.474)2)1/2
ここで、ｌｏｇ10は、１０を底とする対数を表し、Ｂはバークで表した周波数である。説明される特定の実施形態において、この関数の値は参照テーブル内に読み込まれる。
ノイズを音により遮蔽することがその逆よりも難しいことが例証されてきた。遮蔽しきい値のこの不釣合を考慮に入れるために、所定の臨界帯Ｂｉに関連し、音声信号の音調性のまたは非音調性の側面に依存する補正係数Ｏｉが各しきい値に適用される。この音調性のまたは非音調性の側面を評価するために、特定の実施形態において、ＳＦＭ（スペクトル平坦度測定:spectral Flatness Measure）と呼ばれる測定が使用され、該測定は、予め特定された数のフーリエ変換点にわたるエネルギの幾何平均とその同じ数の点、例えば、５１２点にわたり計算されたフーリエ変換に対して２５６点にわたる算術平均の比として定義されている。
得られたＳＦＭ値は、純粋な正弦波信号のＳＦＭ値と比較され、限定しない例として、協定によりＳＦＭ＝ＳＦＭｍａｘ＝−６０ｄＢと表示され得る。
その後、音調性指数αｉが計算され、それは、特定の実施形態において、一定かつ全ての臨界帯について同一であり、
αｉ＝α＝ｍｉｎ（ＳＦＭ／ＳＦＭｍａｘ，１）
により定義される。
ここで、ｍｉｎ（ａ，ｂ）はａ，ｂの内の小さいものを示しており、指数αｉは０，１の間の数であり、非音調性成分に対してよりも音調性成分に対してより高い値である。適当と判断される音調性指数の他の任意の計算方法を考えることは可能である。
バークで表された周波数Ｂｉの臨界帯に関連する補正係数Ｏｉは、音調性指数αｉから以下のように定義される。
Ｏｉ＝ｍａｘ（ＳＯ，αｉ．（ｋ１＋Ｂｉ）＋（１−αｉ）．ｋ２）
ここで、ｍａｘ（ａ，ｂ）は、ａ，ｂの内の大きいものを示し、ＳＯ，ｋ１，ｋ２は、デシベルで表された予め特定されたパラメータ値である。通常、ＳＯ＝２４．５ｄＢ、ｋ１＝１４．５ｄＢ、ｋ２＝５．５ｄＢが選択され得る。
補正係数Ｏｉは、一般の音調性成分の場合には、臨界帯のランクとともに増加する関数であり、これらの音調性成分に対しては、非音調性成分に対するよりもより大きな重みづけが与えられる。
さらに、追加の補正パラメータＣｉが、遮蔽しきい値に適用され、該パラメータＣｉはＮチャンネルの音声信号の複数の特徴から計算される。該パラメータＣｉは、異なる臨界帯に対応する全ての遮蔽しきい値に共通であってもよく、または、各臨界帯に対して特定の値を有していてもよい。
特定の実施形態において、追加のしきい値補正パラメータＣｉは、Ｎチャンネルについて受信された音声信号レベルおよび少なくとも数対のこれらの信号からの内部相関関数の一組の値から計算される。この特定の実施形態において、追加のしきい値パラメータＣｉは、内部相関関数の値とともに増加する関数である。
限定しない例として、複数のマイクロフォンと複数のスピーカーとを備えた典型的な実際のテレビ会議において、マイクロフォンは、ピックアップされた信号間の相関が、２つの隣接するマイクロフォンの間で大きくかつ離れたマイクロフォン間で小さくなるように配置されている。この可変の相関は、送信中の処理によってとり得る変更とともに、受信において、一方では隣接チャンネル間、すなわち２つの直接隣り合うスピーカー間で、他方では離れたチャンネル間、すなわち他の対の離れたスピーカー間においても生ずる。
このようにして、パラメータＣｉの計算は、直接隣り合うスピーカーの対および２つの隣接する対（これらの対が存在する場合には、スピーカーの総数を考慮に入れる。）に対応するチャンネルの対のレベルおよび内部相関の特徴を利用することに限定され得る。したがって、直接隣り合うスピーカー（ＨＰｋ、ＨＰｋ＋１）の対が考慮される場合には、それらのレベルおよび内部相関特性が、隣接する対（ＨＰｋ−１，ＨＰｋ）（ＨＰｋ−１とＨＰｋは直接隣り合っている。）および（ＨＰｋ＋１，ＨＰｋ＋２）（ＨＰｋ＋１とＨＰｋ＋２は直接隣り合っている。）のものと同様に使用される。
他の実施形態において、追加の補正パラメータＣｉは、各チャンネルの種々の臨界帯に含まれるエネルギの合計および少なくとも数対の異なるチャンネルの臨界帯毎のエネルギの比率から計算される。
上述した実施形態と同様の方法で、このことは、直接隣り合うスピーカーの対および２つの隣接するついに相当するチャンネル対のエネルギ合計およびエネルギ比率の特性を利用することに限定され得る。種々の臨界帯に含まれるエネルギの合計がより大きければ大きいほど、一対のチャンネルの臨界帯毎のエネルギ比率は、異なる臨界帯間において、より異ならないようになり、該パラメータＣｉがより重要になる。
したがって、２つの所定のチャンネルの音声信号間の内部相関が強く、かつ／または、これら２つの信号が比較可能なエネルギを有する場合には、パラメータＣｉが高く、すなわち、しきい値の重大な低減、通常は６〜１０ｄＢが適用される。他方では、信号があまり相関していない、かつ／またはかなり異なったエネルギのものであるときには、しきい値のあまり大きくない低減、通常は０〜６ｄＢが適用される。この補正は、聴覚特性を考慮している。これは、導入部で述べた補助信号に、最も高いとり得るレベルを与えることを可能にしながら、該補助信号を不可聴にするという目的を有しており、この目的を達成することについては以下に詳細に述べる。
各ブロックについて、かつ、各臨界帯において、周波数遮蔽しきい値Ｔｉが、スペクトル拡散Ｅｉおよび上記において定義された補正係数Ｏｉおよび以下のような追加のしきい値補正係数Ｃｉから得られる。
１０ｌｏｇ１０Ｔｉ＝１０ｌｏｇＥｉ−Ｏｉ−Ｃｉ
図３に示されるように、この方法の以下の段階は、各チャンネルについて補助信号を得ることにある。このために、特定の実施形態において、各臨界帯内への合成信号のレベルが、関連する周波数遮蔽しきい値にされる。
現在ブロックの処理の結果に対応するフーリエ逆変換が、その後、例えば、高速フーリエ変換アルゴリズムによって計算される。フーリエ変換が使用されない場合であって、上述したようにフィルタバンク(filter banks)により分解される場合には、フィルタバンクによる分解の逆変換に相当する合成段階が、フーリエ逆変換の代わりに実行される。
次に、現在の遮蔽されたノイズブロックを、例えば、「オーバーラップ・加算(overlap-add)」または「オーバーラップ・セーブ(overlap-save)」合成の公知の方法によって、再構築するために前のブロックの結果が、現在ブロックの処理の結果と組み合わせられる。
次にブロック速度が、再度、サンプリング速度まで推移させられる。
上記の全ての段階は、リアルタイムの信号処理により実行されてもよい。
特定の実施形態において、この方法の以下の段階は、図３に示されるように、各チャンネルについての、得られた補助信号のこのチャンネルのスピーカーに関連する信号への加算からなっている。構造により、Ｎチャンネルの補助信号は、相互に相関のないものであり、かつ、補助信号は関連する周波数遮蔽しきい値を超えないので、不可聴である。
上述した実施形態において、各補助信号は、その全体において、異なる臨界帯から再形成されたのちに、関連するスピーカー信号へ加算される。変形例として、この加算は、異なる臨界帯の各々においても全く同様に行われ得る。
次に、包括的な適応フィルタリング段階が、図３に示されるように実行される。
まず第１に、前記補助信号とスピーカー信号との合計が、適応フィルタへの入力として供給され、該適応フィルタの係数が、考慮される音声信号チャンネルに関連するスピーカーとマイクロフォンとの間の音響結合経路のインパルス応答の推定を形成する。
各チャンネルについて、この手続が行われ、その後、各マイクロフォンチャンネルに関連したＮ個の適応フィルタの出力において得られた信号が加算される。次に、各マイクロフォンチャンネルについての残りの信号がこのチャンネルと関連するマイクロフォンによって受信された信号から差し引かれる。
このようにして得られた差信号から、各マイクロフォンチャンネルについて、推定誤差が計算され、このマイクロフォンチャンネルに関連する適応フィルタの係数がこの推定誤差の関数として計算される。
上記において詳述された適応フィルタリング段階が、時間領域において実行される。変形例として、適応フィルタリングは、ブロックによりかつサンプルによらずに、特にフーリエ領域における対応する処理の全体の実行により、行われてもよい。周波数適応フィルタリング方法を説明するために、通常は、J.PRADOおよびE.MOULINESによる"Frequency domain adaptive filtering with applications to acoustic echo cancellation",Annales des Telecommunications,49,no.7-8,1994,pages 414-428が参照される。
以下においては、この発明に係るエコー消去装置の一実施形態を図４および図５を参照して説明する。
この実施形態において、スピーカーの数は、マイクロフォンの数と同一である。しかしながら、アプリケーションによっては、種々の装備が可能であり、特にスピーカーの数はマイクロフォンの数と異ならせてもよい。
図４に示されるように、エコー消去装置は、Ｎ個のスピーカー３０1，…，３０NおよびＮ個のマイクロフォン３２1，…，３２Nと結合されている。該エコー消去装置は、補助信号計算モジュール３４を含んでおり、その詳細な構造は図５を参照して説明されている。全体的な方法において、補助信号計算モジュール３４は、Ｎ個のスピーカーチャンネルに接続された制御モジュール３６、Ｎ個のスピーカーチャンネルおよび前記制御モジュール３６にそれぞれ接続されたＮ個の補助信号生成モジュール３８1，…，３８NおよびＮ個のスピーカーチャンネルにそれぞれ配置されかつ各々が、考慮されたチャンネルにおいて受信された音声信号を入力として受信しかつこのチャンネルに結合された補助信号生成モジュールから信号を出力するＮ個の第１の加算器モジュール４０1，…，４０Nを含んでいる。
図４に示されたエコー消去装置は、さらに、Ｎ×Ｎ適応フィルタリングモジュール４２i,jを含んでおり、ここで、ｉおよびｊは１〜Ｎの間で変化する整数である。Ｎ個の適応フィルタリングモジュール４２i,1，…，４２j,Nは、図４に示されるように、ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）のマイクロフォンチャンネルに結合され、Ｎ個のスピーカーチャンネルにそれぞれ結合されている。ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）のマイクロフォンチャンネルに対して、Ｎ個の適応フィルタリングモジュール４２i,1，…，４２j,Nの出力が第２の加算器モジュール４４iに接続されている。各第２の加算器モジュール４４i（１≦ｉ≦Ｎ）の出力は、その非減算入力において、前記ｉ番目のマイクロフォン３２iにより受信された信号を受信する、減算器モジュール４６iの減算入力に接続されている。各減算器モジュール４６iの出力は、Ｎ個の適応フィルタリングモジュール４２i.1，…，４２j,Nの組を、減算器モジュール４６iによる結果出力に基づく推定誤差を計算するためのモジュール（図示略）を介して、かつ、得られた推定誤差の関数としてＮ個の適応フィルタリングモジュール４２i,1，…，４２j,Nの係数を繰り返す方法で補正するためのモジュール（図示略）を介して制御する。
図５は、制御モジュール３６とＮ個の補助信号生成モジュール３８1，…，３８Nとにより構成される補助信号計算モジュール３４のサブアセンブリの構造をより詳細に示している。モジュール４８は、受信した音声信号の予め特定した数のサンプルを各々含むブロックを出力する。２つの連続するブロックは、特定数のサンプルにおいて相互に重複している。この方法の特定の実施形態の説明において与えられる数値例は、なおも有効である。
ブロック形成モジュール４８は、各ブロックにアポディゼーションウインドウ、例えばハミングまたはハニングウインドウ形式のものを適用する重み付けモジュール５０に接続されている。
この重み付けモジュール５０は、フーリエ変換計算モジュール５２に接続されている。限定しない例として、モジュール５２は５１２点についての高速フーリエ変換を実行してもよい。
補助信号計算モジュール３４は、受信した音声信号が属する周波数範囲をカバーする隣接する臨界帯の下限および上限周波数値を計算するためのモジュール５４をも含んでいる。変形例として、モジュール５４は、これらの値を含む参照テーブルからなっていてもよい。モジュール５４は、エネルギ分布関数を計算するためのモジュール５６に接続されている。このモジュール５６の入力は、フーリエ変換計算モジュールにも接続されている。このモジュール５６は、モジュール５４により供給された臨界帯の限界周波数値を使用することにより、各臨界帯に属する異なるスペクトル線のエネルギを計算しかつ加算する。モジュール５６は、各臨界帯について、エネルギ分布関数の値を出力する。
第２の参照テーブル５８は、所定の臨界帯にそれぞれ関連する基底拡散関数を表す値を含んでいる。これらの関数の定義は、この方法の特定の実施形態との関係で上記に与えられている。
第２の参照テーブル５８は、スペクトル拡散Ｅｉを計算することができるモジュール５０の入力に接続されている。モジュール５０の入力は、エネルギ分布関数計算モジュール５６にも接続されている。モジュール６０は、所定の臨界帯について、この臨界帯に対するスペクトル拡散を出力するために、エネルギ分布関数と拡散関数との畳み込み積を計算する。
図５に示される特定の実施形態において、補助信号計算モジュール３４は、さらに、所定の臨界帯にそれぞれ関連する音調性指数αｉを計算するためのモジュール６２を含んでいる。このモジュール６２は、フーリエ変換計算モジュール５２の出力に接続されており、異なる臨界帯に属するスペクトル線のエネルギ値を使用する。
この特定の実施形態において、音調性指数を計算するモジュール６２は、所定の臨界帯にそれぞれ関連する補正係数Ｏｉを計算するためのモジュール６４に接続されている。このモジュール６４は、音調性指数αｉから補正係数Ｏｉを計算する。
特定の実施形態において、音調性指数計算モジュール６２は、全ての臨界帯について同一であり、
αｉ＝α＝ｍｉｎ（ＳＦＭ／ＳＦＭｍａｘ，１）
により定義される一定の音調性指数αｉを供給する。ここで、ｍｉｎ（ａ，ｂ）はａとｂのうちの小さいものを示しており、ＳＦＭｍａｘは、純粋な正弦波信号に関連してデシベルで表された予め特定した値のパラメータであり、
ＳＦＭ＝１０ｌｏｇ10Ｇ／Ａ
であって、ｌｏｇ10は１０を底とする対数を表し、Ｇは、特定数のフーリエ変換点にわたるエネルギの幾何平均を示し、Ａは、同じ数の点にわたる算術平均を示している。この実施形態において、補正係数Ｏｉ計算モジュール６４は、各臨界帯について、下式により定義された補正係数Ｏｉを出力する。
Ｏｉ＝ｍａｘ（ＳＯ，αｉ．（ｋ１＋Ｂｉ）＋（１−αｉ）．ｋ２）
ここで、ｍａｘ（ａ，ｂ）は、ａとｂのうちの大きいものを示し、ＳＯ，ｋ１，ｋ２は、デシベルで表された特定値のパラメータであり、αｉは考慮される臨界帯に関連する音調性指数であり、Ｂｉはバークで表した臨界帯の周波数である。限定しない例として、パラメータＳＦＭｍａｘ，ＳＯ，ｋ１，ｋ２は、この方法の特定の実施形態に関連して上述した数値を有することができる。
補正係数Ｏｉ計算モジュール６４およびスペクトル拡散計算モジュール６０は、所定の臨界帯にそれぞれ関連する周波数遮蔽しきい値Ｔｉを計算するためのモジュール６６の入力に接続されている。モジュール６６は、各臨界帯に対して、以下に定義される周波数遮蔽しきい値Ｔｉを出力する。
１０ｌｏｇ10Ｔｉ＝１０ｌｏｇ10Ｅｉ−Ｏｉ−Ｃｉ
ここで、Ｅｉは、スペクトル拡散であり、Ｏｉはこの臨界帯に関連する補正係数であり、Ｃｉは追加のしきい値補正パラメータである。
パラメータＣｉは、上述した制御モジュール３６によって供給される。図４に示されているモジュール３６のＮ個のスピーカーチャンネルへの接続は、より明確にするために、図５においては省略されている。
特定の実施形態において、制御モジュール３６は、この方法の特定の実施形態にしたがって上述したように、追加のしきい値パラメータＣｉをＮ個のチャンネルからの各信号のレベルおよび少なくとも数対のこれらの信号の内部相関関数の一組の値から各臨界帯に対して計算する。この場合には、パラメータＣｉは、内部相関関数の値とともに増加する関数であることがわかる。
他の実施形態において、制御モジュール３６は、特定の方法の実施形態に関連して示されたように、各チャンネルの種々の臨界帯に含まれるエネルギの合計および少なくとも数対の異なるチャンネルの臨界帯毎とのエネルギの比率から、各臨界帯についてのパラメータＣｉを計算する。この場合には、種々の臨界帯に含まれているエネルギの合計が大きければ大きいほど、一対のチャンネルの臨界帯毎のエネルギの比率は、異なる臨界帯間において異ならなくなり、したがって、パラメータＣｉはより重要になる。
補助信号計算モジュール３４は、さらに合成信号生成モジュール６８を具備している。このモジュールは、各音声信号チャンネルに対して、ホワイトノイズのスペクトル特性を有しかつ他のチャンネルに対して生成された合成信号とは相関しない信号を生成する。
周波数遮蔽しきい値計算モジュール６６の出力は、周波数変換モジュール６９に接続されている。このモジュール６９はモジュール６６により供給された遮蔽しきい値のバークからヘルツへの変換を行う。
モジュール７０は、モジュール６８により生成された合成信号およびモジュール６６により計算されモジュール６９により変換された周波数遮蔽しきい値を入力として受信する。モジュール７０は、補助信号を得るために、各合成信号のレベルを関連する周波数遮蔽しきい値の値とする。
モジュール７０の出力は、フーリエ逆変換計算モジュール７２の入力に接続されている。モジュール７２の出力は、合成モジュール７４の入力に接続されている。合成モジュール７４は、ランダムアクセスメモリ（図示略）ブロックの処理の結果と、ランダムアクセスメモリにより供給された以前のブロックの処理の結果とを、例えば、「オーバーラップ・加算」または「オーバーラップ・セーブ」合成方法を実行することにより結合する。
逐次読み出しモジュール７６は、合成モジュール７４およびランダムアクセスメモリに接続されており、データ速度のブロック速度からサンプリング速度への推移を保証している。
上述したモジュール４８〜７６は、図４に簡略化した方法で示されている一連の補助信号生成モジュール３８1，…，３８Nと等価である。実際に、各モジュール４８〜７６は、各スピーカーチャンネルに対する補助信号を生成することに寄与している。
このようにして、この発明は、音声信号チャンネルの各受信時に最大限のレベルの補助信号が発せられることを可能とし、収束速度の効果的な増加を保証するとともに、そのために、そのレベルは受信した音声信号による遮蔽のレベルよりも小さい構成により生成される。
この発明の方法および装置は、適応フィルタの収束を改良するために、１チャンネル（Ｎ＝１の場合）のエコー消去装置にも適用する。
これらは、全ての形式の音響エコー消去装置、特に、周波数領域におけると同様に時間領域においても、または副バンドにおいても適用可能である。
図６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂは、この発明の特定の実施形態に係るエコー消去方法および装置によって得られる比較結果の２つの例を示している。
図６ａ〜図７ｂのグラフは、全て２つの曲線を含んでいる。破線の曲線は、右側ステレオチャンネルに関係し、点線からなる曲線は左側ステレオチャンネルに関係している。適応フィルタの係数の適応に使用されるアルゴリズムは、確率的正規勾配アルゴリズム（ＮＬＭＳ）である。適応フィルタは、１０２４個の係数からなるサイズを有している。横軸は、２５６で除した適応アルゴリズムの繰り返し回数を示している。縦軸は、音響結合経路の実際のインパルス応答とステレオエコー消去装置の適応フィルタのインパルス応答との間の相対的な差をデシベルで示している。
図６ａ，６ｂにより示されている第１の比較例は、男性の話者に対応している。ＮＬＭＳアルゴリズムの適応ピッチは、０．２５である。図６ａはこの発明を用いることにより得られた相対的な差を示しており、図６ｂは従来のエコー消去方法および装置、特に補助信号を使用しないものを使用することにより得られた相対的な差を示している。
図７ａ，７ｂにより示されている第２の比較例は、女性の話者に対応している。ＮＬＭＳアルゴリズムの適応ピッチは０．１２５である。図７ａ，７ｂは、それぞれ図６ａ，６ｂに類似したものである。
２つの比較例において、この発明の使用により、常に、１より少ない相対的な差（すなわち負のデシベル）が保証され、これは右側チャンネル（破線からなる曲線）についての従来の方法および装置の場合には該当しない。さらに、この発明を使用する場合には、左側チャンネル（点線からなる曲線）は、従来の方法及び装置に対応する曲線について観測される差より数デシベル小さい。したがって、この発明は、音響結合経路の変動が存在する場合に、エコー消去装置の適用における良好な性能を確保することができるという優れた性能を示す。
さらに、２つの例において、遮蔽しきい値に対して適用される補正は、１０ｄＢである。この補正の数デシベルの低減を許容してもよく、その場合には、追加されたノイズにより若干変更されてはいるけれども、知覚された対話が、テレビ会議のようなアプリケーションにおいて全く許容し得る品質を維持することになるので、提案された方法および装置の性能をさらに改善するものである。
Claims (12)
- Ｎを１以上の整数として、各々がスピーカーおよび付随するマイクロフォンを有するＮ個の音声チャンネルについてのエコー消去方法であって、Ｎ個のチャンネルの各々について：
（ａ） ホワイトノイズのスペクトル特性を有し、そのスペクトルが複数の隣接する周波数帯にわたって広がり、他のチャンネルについて生成された合成信号と相関しない合成信号が生成され、
（ｂ） 各周波数帯について、周波数遮蔽しきい値が人間の聴覚の特性を利用することにより、考慮されたチャンネルのスピーカーに関連する信号に対応して計算され、
（ｃ） 各周波数帯において、前記合成信号のレベルが、補助信号を得るために、関連する周波数遮蔽しきい値の値とされ、
（ｄ） 前記補助信号が、考慮されたチャンネルのスピーカーに関連する信号に加えられ、前記周波数遮蔽しきい値が、前記補助信号を不可聴にし、かつ、前記Ｎチャンネルの補助信号が相互に相関しないものとするように予め計算され、
（ｅ） 予め得られた前記信号が、考慮される音声信号チャンネルに関連するスピーカーとマイクロフォンとの間の音響結合経路のインパルス応答の推定を形成する係数を有する適応フィルタに、入力として供給され、
（ｆ） 各マイクロフォンチャンネルに関連するＮ個の適応フィルタから出力として得られた信号が加算され、その結果の信号が、このチャンネルに関連するマイクロフォンにより受信された信号から減算され、
（ｇ） 前記減算の結果において得られた差から推定誤差が計算され、
（ｈ） 考慮されたマイクロフォンチャンネルに関連する適応フィルタの係数が、関連する推定誤差の関数として補正される
ことを特徴とするエコー消去方法。 - 各周波数遮蔽しきい値を計算するために、
（ｂ１） 予め特定された数の音声信号サンプルを各々含むブロックが形成され、連続する２つのブロックが予め特定されたサンプル数にわたって相互に重複し、
（ｂ２） 各ブロックのサンプルが、アポディゼーションウインドウにより重み付けされ、
（ｂ３） 各ブロックのフーリエ変換が計算され、
（ｂ４） その周波数範囲が、特定された上限および下限周波数を有する複数の隣接する臨界帯に分割され、
その後、各部ロックについて、かつ、各臨界帯において、
（ｂ５） この臨界帯に対してエネルギ分布関数の値を得るために、前記臨界帯に属する異なるスペクトル線のエネルギが加算され、
（ｂ６） 該エネルギ分布関数と基底拡散関数との畳み込み積が、スペクトル拡散Ｅｉを得るために計算され、かつ、参照テーブルから得られ、
（ｂ７） 音調性指数αｉが、異なる臨界帯に属するスペクトル線のエネルギから計算され、
（ｂ８） 補正係数Ｏｉが、上記において計算された音調指数から計算され、
（ｂ９） ＣｉをＮチャンネルからの音声信号の複数の特性から計算された追加のしきい値補正パラメータとして、以下の式により定義される周波数遮蔽しきい値Ｔｉが、前記スペクトル拡散Ｅｉおよび前記補正係数Ｏｉから計算されることを特徴とする請求項１記載の方法。
１０ｌｏｇ10Ｔｉ＝１０ｌｏｇ10Ｅｉ−Ｏｉ−Ｃｉ - 前記追加のしきい値補正パラメータＣｉの計算に供される特性が、Ｎチャンネルの信号のそれぞれのレベルおよび少なくとも数対のこれらの信号からの内部相関関数の一組の値を含み、前記追加の補正パラメータＣｉが、この内部相関関数の値とともに増加する関数であることを特徴とする請求項２記載の方法。
- 前記追加のしきい値補正パラメータＣｉの計算に供される特性が、各チャンネルの種々の臨界帯に含まれるエネルギの合計および少なくとも数対の異なるチャンネルに対する臨界帯毎のエネルギの比率を含み、前記種々の臨界帯に含まれるエネルギの合計が大きければ大きいほど、一対のチャンネルの臨界帯毎のエネルギの比率が異なる臨界帯の間で異ならなくなり、したがって、前記追加の補正パラメータＣｉがより重要になることを特徴とする請求項２記載の方法。
- Ｎを１以上の整数として、各々がスピーカーと関連するマイクロフォンとを有するＮ個の音声信号チャンネルを有するエコー消去装置であって、
− 連続する２つが、予め特定されたサンプル数にわたって相互に重複する、予め特定された数の音声信号のサンプルを各々含むブロック形成手段と、
該ブロック形成手段の出力位置に配置され、アポディゼーションウインドウにより各ブロックのサンプルを重み付けする重み付け手段と、
該重み付け手段の出力位置に配置され、フーリエ変換を計算する計算手段と、
隣接する臨界帯の下限および上限周波数値を計算する計算手段、または、これらの値を含む参照テーブルと、
前記臨界帯についてのエネルギ分布関数であって、所定の臨界帯について、この臨界帯に属する異なるスペクトル線のエネルギを加算することにより計算されるエネルギ分布関数の値を計算する計算手段と、
所定の臨界帯と各々関連する基底拡散関数を表す値を含む第２の参照テーブルと、
所定の臨界帯について、この臨界帯に関連するエネルギ分布関数と前記拡散関数との畳み込み積を計算することにより、スペクトル拡散Ｅｉを計算する計算手段と、
所定の臨界帯と関連する補正係数Ｏｉを計算する計算手段と、
所定の臨界帯と関連する周波数遮蔽しきい値Ｔｉを、該臨界帯と関連するスペクトル拡散および補正係数Ｏｉから、Ｃｉを追加のしきい値補正パラメータとして、
１０ｌｏｇ10Ｔｉ＝１０ｌｏｇ10Ｅｉ−Ｏｉ−Ｃｉ
により計算する計算手段と、
ホワイトノイズのスペクトル特性を有する合成信号を発生する発生手段と、
各臨界帯について、Ｎチャンネルからの音声信号の複数の特性から、前記追加のしきい値補正パラメータＣｉを計算するために、Ｎ個の音声信号チャンネルに接続された制御手段と、
補助信号を得るために、合成信号のレベルを前記関連する周波数遮蔽しきい値の値にする手段と、
フーリエ逆変換を計算する計算手段と、
連続するブロックの処理の結果を記憶する記憶手段と、
ブロックの処理結果を前のブロックの処理結果と組み合わせる手段と、
データ速度をブロック速度からサンプリング速度まで推移させるために記憶手段に接続された逐次読み出し手段と、
各チャンネルについて、受信した音声信号と関連する補助信号とを加算するために、Ｎ個の音声信号チャンネルにそれぞれ配置されたＮ個の第１の加算器手段と、
を具備する補助信号計算手段と、
− Ｎ個のマイクロフォンチャンネルの各々と結合され、各々が、Ｎ個の音声信号チャンネルの内の１つと結合された、前記スピーカーと前記マイクロフォンとの間の音響結合経路のインパルス応答の推定を形成する係数を有する、Ｎ個の適応フィルタリング手段を含む、Ｎ×Ｎ適応フィルタリング手段と、
− これらのＮ個の適応フィルタリング手段からの出力信号を加算するために、各マイクロフォンチャンネルに関連するＮ個の適応フィルタリング手段の出力に接続された第２の加算器手段と、
− 各マイクロフォンチャンネルについて、前記第２の加算器手段からの出力において得られた信号を、このチャンネルのマイクロフォンにより受信された信号から減算するために、それぞれが前記第２の加算器手段の出力位置に配置されかつＮ個の音声信号チャンネルのマイクロフォンにそれぞれ接続されたＮ個の減算器手段と、
− このチャンネルのマイクロフォンに接続された前記減算器手段により供給される結果から、各マイクロフォンチャンネルについて、推定誤差を計算する計算手段と、
− Ｎ個のマイクロフォンチャンネルの各々と結合されたＮ個の適応フィルタリング手段の各係数を、各マイクロフォンチャンネルに関連する推定誤差の関数として、繰り返しにより補正する補正手段とを具備するエコー消去装置。 - 前記追加のしきい値補正パラメータＣｉの計算に供される特性が、Ｎ個のチャンネルの信号のそれぞれのレベルと、少なくとも数対のこれらの信号の婦負部相関関数の一組の値とを含み、前記追加の補正パラメータＣｉがこの内部相関関数の値とともに増加する関数であることを特徴とする請求項５記載の装置。
- 前記追加のしきい値補正パラメータＣｉの計算に供される特性が、各チャンネルの種々の臨界帯に含まれるエネルギの合計と、少なくとも数対の異なるチャンネルの臨界帯毎のエネルギの比率とを含み、種々の臨界帯に含まれるエネルギの合計が大きければ大きいほど、一対のチャンネルの臨界帯毎のエネルギの比率が異なる臨界帯間では異ならなくなり、したがって前記追加の補正パラメータＣｉがより重要になることを特徴とする請求項５記載の装置。
- 前記異なる臨界帯に属するスペクトル線のエネルギから音調性指数αｉを計算する手段をさらに含み、前記補正係数Ｏｉの前記計算手段が、前記音調性指数αｉから前記補正係数Ｏｉを計算することを特徴とする請求項５記載の装置。
- 前記補正係数Ｏｉの計算手段が、下式により定義される補正係数Ｏｉを供給することを特徴とする請求項８記載の装置。
Ｏｉ＝ｍａｘ（ＳＯ，αｉ．（ｋ１＋Ｂｉ）＋（１−αｉ）．ｋ２）
ここで、ｍａｘ（ａ，ｂ）はａとｂのうちの大きいものを示し、ＳＯ，ｋ１，ｋ２は、予め特定された値をデシベルで示したパラメータであり、αｉは、考慮された臨界帯に関連する音調性指数であり、Ｂｉは前記臨界帯の周波数をバークで示している。 - ＳＯ＝２４．５ｄＢ、ｋ１＝１４．５ｄＢ、ｋ２＝５．５ｄＢであることを特徴とする請求項９記載の装置。
- 前記音調性指数の計算手段が、全ての臨界帯について同一でありかつ下式により定義される一定の音調性指数を供給することを特徴とする請求項８記載の装置。
αｉ＝α＝ｍｉｎ（ＳＦＭ／ＳＦＭｍａｘ，１）
ここで、ｍｉｎ（ａ，ｂ）は、ａとｂの内の小さいものを示し、ＳＦＭｍａｘは、純粋な正弦波信号に関連するデシベルで表された予め特定された値のパラメータであり、ＳＦＭ−１０ｌｏｇ10Ｇ／Ａであり、ｌｏｇ10は１０を底とする対数を示し、Ｇは予め特定された数のフーリエ変換点にわたるエネルギの幾何平均を示し、Ａは同じ数の点にわたるエネルギの算術平均を示すことを特徴とする請求項８記載の装置。 - 前記ＳＦＭｍａｘ＝−６０ｄＢであることを特徴とする請求項１１記載の装置。
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