JP3716918B2 - 収音装置、方法及びプログラム、記録媒体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空間に複数の音源が異なる位置に配置されている場合に、少なくとも２本以上のマイクロホンを用いて、空間を複数のゾーンに分割し、目的とするゾーンにある音源からの音を他のゾーンの音源とは独立に収音する装置、方法及びこの方法をコンピュータに実行させるプログラム、プログラム記録媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のゾーン分離収音技術には、例えば、音が持ついくつかの周波数成分の和として表現される特徴を利用したものがある。
すなわち、複数の音（複数の音源）が同時に鳴っている場合、互いに離して設けられた複数のマイクロホンにより収音し、各マイクロホンの各出力チャネル信号を、フレーム毎に複数の周波数帯域に分割し、その各帯域には主として１つの音源信号成分のみ存在するようにし、これら分割された各出力チャネル信号の各同一帯域毎に、複数のマイクロホンの位置に起因して変化する、マイクロホンに到達する音響信号のパラメータ、すなわちレベル（パワー）、到達時間の値の差を帯域別チャネル間パラメータ値差として検出し、各帯域の帯域別チャネル間パラメータ差に基づき、その帯域の帯域分割された各出力チャネル信号の何れが何れの音源から入力された信号であるかを判定し、この音源信号判定に基づき、帯域分割された各出力チャネル信号の内、同一音源から入力された信号を少なくとも１つ選択し、選択された複数の帯域信号を音源信号として合成する音源分離方法が提案されている（参考：特開平１０−３１３４９７号公報（特願平０９−２５２３１２号）「音源分離方法、装置および記録媒体」）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の技術では、部屋の残響時間が長くなるにつれ、チャネル間の到達レベル差や到達位相差（時間差）の算出誤差が生じ、その結果、異なるゾーンからの音が混じったり、目的とするゾーンで発せられている音が劣化するという欠点があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、 本発明は、従来、１フレームの情報を元に算出されていたチャネル間の到達位相差や到達レベル差を、複数フレームに渡り加重平均することにより、到達位相差や到達レベル差の算出誤差を減らし、目的とするゾーン（音源）の音のみを従来に比べて高Ｓ／Ｎで抽出することを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の実施例である収音装置の構成を示す。
収音手段はそれぞれマイクロホン２1,２2で構成し、音源１1,１2からの音響信号s1(n),s2(n)（n：時間）を収音して電気信号（チャネル信号）x1(n),x2(n)に変換する。３は帯域分割手段であり、収音手段からの信号をフレーム毎に周波数帯域（帯域分解能が約１０〜２０Hz）に分割する。その分割した各周波数帯域信号X1,X2を式（１）、（２）で表す。帯域分割の手段として例えば、フーリエ変換やウォーブレット変換があげられる。
【０００６】
【数１】
ここで、ω（２πｆ）は角速度を表し、lは信号分析長（フーリエ変換の場合はフレーム長：約２０〜４０msec）のインデックスである。
【０００７】
４のパラメータ値差検出用レベル加重平均手段においては、X1 ,X2の信号レベルに対し、式（３）で示す加重平均を行う。
【数２】
ここで、０＜α≦１とする。また、Lは加重平均に用いるフレームの個数とする。 i はチャネルのインデックスである。
５のパラメータ値差検出用位相加重平均手段においては、X1 ,X2の位相に対し、式（４）で示す加重平均を行う。
【数３】
ここで、０＜β≦１とする。また、Ｍは加重平均に用いるフレームの個数とする。
【０００８】
６の信号合成用レベル加重平均手段においては、X1 ,X2の信号レベルに対し、式（５）で示す加重平均を行う。
【数４】
ここで、０＜γ≦１とする。また、Ｎは加重平均に用いるフレームの個数とする。
【０００９】
７の信号合成用位相加重平均手段においては、X1 ,X2の信号レベルに対し、式（６）で示す加重平均を行う。
【数５】
ここで、０＜δ≦１とする。また、Ｏは加重平均に用いるフレームの個数とする。
パラメータ値差検出用レベル、位相加重平均手段４、５、信号合成用レベル加重平均手段６，７を設けることにより、α,β,γ,δ及びＬ,Ｍ,Ｎ,Oをそれぞれ異なる値に設定することができる。
【００１０】
８のパラメータ値差検出手段においては、パラメータ値差検出用レベル、位相加重平均手段４、５で加重平均されたレベルまたは位相を用いて、チャネル間レベル差（ΔLev）、チャネル間位相差（Δarg）を算出する。
これらはそれぞれ、式（７）、（８）で算出される。
【数６】
【００１１】
９の信号判定手段においては、パラメータ値差手段８で算出されたチャネル間レベル差またはチャネル間位相差に基づき、|V1(ω,ｌ)|,arg(Y1(ω,ｌ)),|V2(ω,ｌ)|,arg(Y2(ω,ｌ))に乗算する重み値Wei１(ω),Wei２(ω)を決定する。例えばチャネル間レベル差|W1（ω,l)|／|W2（ω,l)|が、ある１より大きな値τより大きい場合、|V1(ω,ｌ)|,arg(Y1(ω,ｌ))には１を乗算し、|V2(ω,ｌ)|,arg(Y2(ω,ｌ))には０または１より小さな値ａ(ω)を乗算するように決定する。すなわち、あるωにおいてチャネル１の方がレベルが大きい場合にはゾーン１（チャネル１で代表されるゾーン）に音源があると判定する。これに対し、チャネル２の方がレベルが大きい場合にはゾーン２に音源があると判定する。また、例えば△argが正の値となる場合、|V1(ω,ｌ)|,arg(Y1(ω,ｌ))には１を乗算し、|V2(ω,ｌ)|,arg(Y2(ω,ｌ))には０または１より小さな値ａ(ω)を乗算するように決定する。すなわちチャネル２の方が遅れるのでゾーン１に音源があると判定する。但し、ここではarg(X1(ω,ｌ))等は周波数領域での係数arg(X1(ω,ｌ))等の複素平面上での位相角の負値である。もし、これを正値と定義されるなら△argが正の値にある場合にはチャネル１の方が遅れるのでゾーン２と判定する。
【００１２】
１０の信号選択手段においては、信号判定手段９で決定された重み値Wei１(ω)およびWei２(ω)を、信号合成用レベル、位相加重平均手段６、７から出力されるレベル及び位相信号に対して乗算する。この場合、簡略化するために信号合成用レベル及び位相の加重平均を省略してもよい。
【００１３】
１１の信号合成手段においては、重み値Wei１(ω）,Wei２(ω）が乗算された、信号のレベル|V1(ω,ｌ)|,|V2(ω,ｌ)|および位相arg(Y1(ω,ｌ)),arg(Y2(ω,ｌ))を元に、信号を周波数領域から時間領域に変換することで、各音源からの音s1^(n),s2^(n)を高いＳ／Ｎで抽出する。
【００１４】
図２を参照して本発明の収音装置の処理を説明する。
互いに離して配置された複数のマイクロホンからの各出力チャネル信号を入力し、フレーム毎に複数の周波数帯域に分割する（ｓ１）。複数の周波数帯域に分割された各チャネル信号X1,X2の各同一帯域毎に、フレーム毎に算出された信号のレベル、位相を過去から複数フレームに渡り保持し、その信号レベル、位相のパラメータ値差検出用の加重平均|W1（ω,l)|,|W2（ω,l)|,arg(U1(ω,ｌ)),arg(U2(ω,ｌ))を算出する（ｓ２）。また、複数の周波数帯域に分割された各出力チャネル信号の各同一帯域毎に、フレーム毎に算出された信号のレベル、位相を複数フレームに渡り保持し、その信号レベル、位相の信号合成用の加重平均|V1（ω,l)|,|V2（ω,l)|,arg(Y1(ω,ｌ)),arg(Y2(ω,ｌ))を算出する（ｓ３）。複数のマイクロホンの位置に起因して変化する、マイクロホンに到達する音響信号のパラメータの値の差としてｓ２で算出したチャネル間レベル差△Lev、チャネル間位相差△argを検出する（ｓ４）。各帯域のチャネル間パラメータ値差に基づき、その帯域の信号合成用レベル、位相加重平均した出力信号のうち、何れが何れの音源から入力された信号であるかを判定する（すなわち乗算する重み値Wei１(ω),Wei２(ω)を決定する）（ｓ５）。ｓ５の判定に基づきｓ３で算出した信号合成用レベル、位相加重平均信号に重み値を乗算することで、同一音源から入力された信号を少なくとも１つ抽出する（ｓ６）。同一音源からの信号として選択された複数の帯域信号を合成し音源信号s1^(n),s2^(n)として出力する（ｓ７）。
【００１５】
また、本発明の収音装置は、CPUやメモリ等を有するコンピュータと、アクセス主体となるユーザが利用する利用者端末と、記録媒体から構成することができる。
記録媒体はCD-ROM、磁気ディスク装置、半導体メモリ等の機械読み取りが可能な記録媒体であり、ここに記録された制御用プログラムは、コンピュータに読み取られ、コンピュータの動作を制御しコンピュータ上に前述した実施の形態における各構成要素、すなわち、帯域分割手段、パラメータ値差検出用レベル、位相加重平均手段、信号合成用レベル、位相加重平均手段、パラメータ値差検出手段、信号判定手段、信号選択手段、信号合成手段等を実現する。
【００１６】
【発明の効果】
本発明は、チャネル間の到達時間差及び到達レベル差を加重平均することにより、これら値の算出誤差を減らし、従来の方法に比べて高いＳ／Ｎで目的とするゾーン（音源）の音を抽出することを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である収音装置の構成図。
【図２】本発明の実施例である収音装置の処理を説明するための図。
【符号の説明】
１・・・音源、２・・・マイクロホン、３・・・帯域分割手段、４・・・パラメータ値差検出用レベル加重平均手段、５・・・パラメータ値差検出用位相加重平均手段、６・・・信号合成用レベル加重平均手段、７・・・信号合成用位相加重平均手段、８・・・パラメータ値差検出手段、９・・・信号判定手段、１０・・・信号選択手段、１５・・・信号合成手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、空間に複数の音源が異なる位置に配置されている場合に、少なくとも２本以上のマイクロホンを用いて、空間を複数のゾーンに分割し、目的とするゾーンにある音源からの音を他のゾーンの音源とは独立に収音する装置、方法及びこの方法をコンピュータに実行させるプログラム、プログラム記録媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のゾーン分離収音技術には、例えば、音が持ついくつかの周波数成分の和として表現される特徴を利用したものがある。
すなわち、複数の音（複数の音源）が同時に鳴っている場合、互いに離して設けられた複数のマイクロホンにより収音し、各マイクロホンの各出力チャネル信号を、フレーム毎に複数の周波数帯域に分割し、その各帯域には主として１つの音源信号成分のみ存在するようにし、これら分割された各出力チャネル信号の各同一帯域毎に、複数のマイクロホンの位置に起因して変化する、マイクロホンに到達する音響信号のパラメータ、すなわちレベル（パワー）、到達時間の値の差を帯域別チャネル間パラメータ値差として検出し、各帯域の帯域別チャネル間パラメータ差に基づき、その帯域の帯域分割された各出力チャネル信号の何れが何れの音源から入力された信号であるかを判定し、この音源信号判定に基づき、帯域分割された各出力チャネル信号の内、同一音源から入力された信号を少なくとも１つ選択し、選択された複数の帯域信号を音源信号として合成する音源分離方法が提案されている（参考：特開平１０−３１３４９７号公報（特願平０９−２５２３１２号）「音源分離方法、装置および記録媒体」）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の技術では、部屋の残響時間が長くなるにつれ、チャネル間の到達レベル差や到達位相差（時間差）の算出誤差が生じ、その結果、異なるゾーンからの音が混じったり、目的とするゾーンで発せられている音が劣化するという欠点があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、 本発明は、従来、１フレームの情報を元に算出されていたチャネル間の到達位相差や到達レベル差を、複数フレームに渡り加重平均することにより、到達位相差や到達レベル差の算出誤差を減らし、目的とするゾーン（音源）の音のみを従来に比べて高Ｓ／Ｎで抽出することを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の実施例である収音装置の構成を示す。
収音手段はそれぞれマイクロホン２1,２2で構成し、音源１1,１2からの音響信号s1(n),s2(n)（n：時間）を収音して電気信号（チャネル信号）x1(n),x2(n)に変換する。３は帯域分割手段であり、収音手段からの信号をフレーム毎に周波数帯域（帯域分解能が約１０〜２０Hz）に分割する。その分割した各周波数帯域信号X1,X2を式（１）、（２）で表す。帯域分割の手段として例えば、フーリエ変換やウォーブレット変換があげられる。
【０００６】
【数１】
【０００７】
４のパラメータ値差検出用レベル加重平均手段においては、X1 ,X2の信号レベルに対し、式（３）で示す加重平均を行う。
【数２】
５のパラメータ値差検出用位相加重平均手段においては、X1 ,X2の位相に対し、式（４）で示す加重平均を行う。
【数３】
【０００８】
６の信号合成用レベル加重平均手段においては、X1 ,X2の信号レベルに対し、式（５）で示す加重平均を行う。
【数４】
【０００９】
７の信号合成用位相加重平均手段においては、X1 ,X2の信号レベルに対し、式（６）で示す加重平均を行う。
【数５】
パラメータ値差検出用レベル、位相加重平均手段４、５、信号合成用レベル加重平均手段６，７を設けることにより、α,β,γ,δ及びＬ,Ｍ,Ｎ,Oをそれぞれ異なる値に設定することができる。
【００１０】
８のパラメータ値差検出手段においては、パラメータ値差検出用レベル、位相加重平均手段４、５で加重平均されたレベルまたは位相を用いて、チャネル間レベル差（ΔLev）、チャネル間位相差（Δarg）を算出する。
これらはそれぞれ、式（７）、（８）で算出される。
【数６】
９の信号判定手段においては、パラメータ値差手段８で算出されたチャネル間レベル差またはチャネル間位相差に基づき、|V1(ω,ｌ)|,arg(Y1(ω,ｌ)),|V2(ω,ｌ)|,arg(Y2(ω,ｌ))に乗算する重み値Wei１(ω),Wei２(ω)を決定する。例えばチャネル間レベル差|W1（ω,l)|／|W2（ω,l)|が、ある１より大きな値τより大きい場合、|V1(ω,ｌ)|,arg(Y1(ω,ｌ))には１を乗算し、|V2(ω,ｌ)|,arg(Y2(ω,ｌ))には０または１より小さな値ａ(ω)を乗算するように決定する。すなわち、あるωにおいてチャネル１の方がレベルが大きい場合にはゾーン１（チャネル１で代表されるゾーン）に音源があると判定する。これに対し、チャネル２の方がレベルが大きい場合にはゾーン２に音源があると判定する。また、例えば△argが正の値となる場合、|V1(ω,ｌ)|,arg(Y1(ω,ｌ))には１を乗算し、|V2(ω,ｌ)|,arg(Y2(ω,ｌ))には０または１より小さな値ａ(ω)を乗算するように決定する。すなわちチャネル２の方が遅れるのでゾーン１に音源があると判定する。但し、ここではarg(X1(ω,ｌ))等は周波数領域での係数arg(X1(ω,ｌ))等の複素平面上での位相角の負値である。もし、これを正値と定義されるなら△argが正の値にある場合にはチャネル１の方が遅れるのでゾーン２と判定する。
【００１２】
１０の信号選択手段においては、信号判定手段９で決定された重み値Wei１(ω)およびWei２(ω)を、信号合成用レベル、位相加重平均手段６、７から出力されるレベル及び位相信号に対して乗算する。この場合、簡略化するために信号合成用レベル及び位相の加重平均を省略してもよい。
【００１３】
１１の信号合成手段においては、重み値Wei１(ω）,Wei２(ω）が乗算された、信号のレベル|V1(ω,ｌ)|,|V2(ω,ｌ)|および位相arg(Y1(ω,ｌ)),arg(Y2(ω,ｌ))を元に、信号を周波数領域から時間領域に変換することで、各音源からの音s1^(n),s2^(n)を高いＳ／Ｎで抽出する。
【００１４】
図２を参照して本発明の収音装置の処理を説明する。
互いに離して配置された複数のマイクロホンからの各出力チャネル信号を入力し、フレーム毎に複数の周波数帯域に分割する（ｓ１）。複数の周波数帯域に分割された各チャネル信号X1,X2の各同一帯域毎に、フレーム毎に算出された信号のレベル、位相を過去から複数フレームに渡り保持し、その信号レベル、位相のパラメータ値差検出用の加重平均|W1（ω,l)|,|W2（ω,l)|,arg(U1(ω,ｌ)),arg(U2(ω,ｌ))を算出する（ｓ２）。また、複数の周波数帯域に分割された各出力チャネル信号の各同一帯域毎に、フレーム毎に算出された信号のレベル、位相を複数フレームに渡り保持し、その信号レベル、位相の信号合成用の加重平均|V1（ω,l)|,|V2（ω,l)|,arg(Y1(ω,ｌ)),arg(Y2(ω,ｌ))を算出する（ｓ３）。複数のマイクロホンの位置に起因して変化する、マイクロホンに到達する音響信号のパラメータの値の差としてｓ２で算出したチャネル間レベル差△Lev、チャネル間位相差△argを検出する（ｓ４）。各帯域のチャネル間パラメータ値差に基づき、その帯域の信号合成用レベル、位相加重平均した出力信号のうち、何れが何れの音源から入力された信号であるかを判定する（すなわち乗算する重み値Wei１(ω),Wei２(ω)を決定する）（ｓ５）。ｓ５の判定に基づきｓ３で算出した信号合成用レベル、位相加重平均信号に重み値を乗算することで、同一音源から入力された信号を少なくとも１つ抽出する（ｓ６）。同一音源からの信号として選択された複数の帯域信号を合成し音源信号s1^(n),s2^(n)として出力する（ｓ７）。
【００１５】
また、本発明の収音装置は、CPUやメモリ等を有するコンピュータと、アクセス主体となるユーザが利用する利用者端末と、記録媒体から構成することができる。
記録媒体はCD-ROM、磁気ディスク装置、半導体メモリ等の機械読み取りが可能な記録媒体であり、ここに記録された制御用プログラムは、コンピュータに読み取られ、コンピュータの動作を制御しコンピュータ上に前述した実施の形態における各構成要素、すなわち、帯域分割手段、パラメータ値差検出用レベル、位相加重平均手段、信号合成用レベル、位相加重平均手段、パラメータ値差検出手段、信号判定手段、信号選択手段、信号合成手段等を実現する。
【００１６】
【発明の効果】
本発明は、チャネル間の到達時間差及び到達レベル差を加重平均することにより、これら値の算出誤差を減らし、従来の方法に比べて高いＳ／Ｎで目的とするゾーン（音源）の音を抽出することを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である収音装置の構成図。
【図２】本発明の実施例である収音装置の処理を説明するための図。
【符号の説明】
１・・・音源、２・・・マイクロホン、３・・・帯域分割手段、４・・・パラメータ値差検出用レベル加重平均手段、５・・・パラメータ値差検出用位相加重平均手段、６・・・信号合成用レベル加重平均手段、７・・・信号合成用位相加重平均手段、８・・・パラメータ値差検出手段、９・・・信号判定手段、１０・・・信号選択手段、１５・・・信号合成手段
Claims (8)
- 複数の音源から少なくとも１つの音源を分離する収音装置において、
少なくとも２チャネルの信号をフレーム毎に複数の周波数帯域に分割する帯域分割手段と、
各チャネル及び周波数帯域毎にレベル又は位相を算出し、過去から現在のフレームにわたって加重平均するパラメータ値差検出用加重平均手段と、
前記加重平均されたレベル又は位相のチャネル間差を算出するチャネル間パラメータ差算出手段と、
前記チャネル間パラメータ差に基づき、対応する周波数帯域成分がいずれの音源に属するかを判定する信号判定手段と、
信号判定手段の同一音源からの信号として判定された周波数帯域成分信号を周波数帯域を跨いで音源信号を合成する音源合成手段とを有することを特徴とする収音装置。 - 請求項１に記載の収音装置において、
各チャネル及び周波数帯域毎にレベル及び位相を算出し、過去から現在のフレームにわたって加重平均して周波数帯域成分信号とし、音源合成手段に出力する信号合成用加重平均手段を有することを特徴とする収音装置。 - 複数の音源から少なくとも１つの音源を分離する収音方法において、
少なくとも２チャネルの信号をフレーム毎に複数の周波数帯域に分割し、各チャネル及び周波数帯域毎にレベル又は位相を算出し、
前記レベル及び位相を過去から現在のフレームにわたって加重平均し、
前記加重平均されたレベル又は位相のチャネル間差を算出し、
前記加重平均されたレベル又は位相のチャネル間差に基づき、対応する周波数帯域成分がいずれの音源に属するか判定し、
同一音源からの信号として判定された周波数帯域成分信号を周波数帯域を跨いで音源信号を合成することを特徴とする収音方法。 - 請求項３に記載の収音方法において、
前記周波数帯域成分信号は、各チャネル及び周波数帯域毎にレベル及び位相を過去から現在のフレームにわたって加重平均した信号であることを特徴とする収音方法。 - 少なくとも２チャネルの信号をフレーム毎に複数の周波数帯域に分割する処理と、
各チャネル及び周波数帯域毎にレベル又は位相を算出し、過去から現在のフレームにわたって加重平均する処理と、
前記加重平均されたレベル又は位相のチャネル間差を算出する処理と、
前記加重平均されたレベル又は位相のチャネル間差に基づき、対応する周波数帯域成分がいずれの音源に属するか判定する処理と、
同一音源からの信号として判定された周波数帯域成分信号を周波数帯域を跨いで音源信号を合成する処理とをコンピュータに実行させるための複数の音源から少なくとも１つの音源を分離する収音方法のプログラム。 - 請求項５に記載の収音方法のプログラムにおいて、
各チャネル及び周波数帯域毎にレベル及び位相を算出し、過去から現在のフレームにわたって加重平均して周波数帯域成分信号とする処理を有することを特徴とする収音方法のプログラム。 - 少なくとも２チャネルの信号をフレーム毎に複数の周波数帯域に分割する処理と、
各チャネル及び周波数帯域毎にレベル又は位相を算出し、過去から現在のフレームにわたって加重平均する処理と、
前記加重平均されたレベル又は位相のチャネル間差を算出する処理と、
前記加重平均されたレベル又は位相のチャネル間差に基づき、対応する周波数帯域成分がいずれの音源に属するか判定する処理と、
同一音源からの信号として判定された周波数帯域成分信号を周波数帯域を跨いで音源信号を合成する処理とをコンピュータに実行させるための複数の音源から少なくとも１つの音源を分離する収音方法のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。 - 請求項７に記載の記録媒体において、
各チャネル及び周波数帯域毎にレベル及び位相を算出し、過去から現在のフレームにわたって加重平均して周波数帯域成分信号とする処理を有する記録媒体。
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| JP4896449B2 (ja) | 2005-06-29 | 2012-03-14 | 株式会社東芝 | 音響信号処理方法、装置及びプログラム |
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