JP3929863B2 - マイクロホンアレーにおけるマイクロホン受信信号の補正方法および補正装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マイクロホンアレーにおけるマイクロホン受信信号の補正方法および補正装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、遠隔発話音声認識を実現するためのアプローチの１つとして、マイクロホンアレーを用いた雑音除去に関する研究が盛んに行われている。また、注目を浴びつつある携帯型音声認識装置において、現状では音声認識の性能確保のために接話マイクロホンを利用する必要があるが、将来的にはＰＤＡ(Portable Digital Assistance) 等でのマイクロホンアレーの利用が想定される。
【０００３】
しかし、モバイル機器でのマイクロホンアレーの利用は、各マイクロホン素子の空間的な位置が時々刻々と変化するため、音源方向が固定されていたとしても適応的にビームパターンを設計する必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、マイクロホンアレーを構成する各マイクロホンの受信信号を、互いに遅延時間差のない信号に変換できるマイクロホンアレーにおけるマイクロホン受信信号の補正方法および補正回路を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、可搬型機器に搭載されかつ可搬型機器を基準とした３次元空間のｘｙ平面上に原点から等しい距離に配置された３以上のマイクロホンを有するマイクロホンアレーにおけるマイクロホン受信信号の補正方法において、所定時間毎に、各マイクロホンの受信信号の遅延時間の差が０となるように各受信信号を補正し、各受信信号に対応する出力信号を生成する補正ステップを備えており、補正ステップは、前回の補正により得られた各出力信号間の遅延時間差が０となるようなｘ軸周りの回転角およびｙ軸周りの回転角を算出する第１ステップ、および第１ステップによって算出されたｘ軸周りの回転角およびｙ軸周りの回転角を用いて、各マイクロホンの受信信号の遅延時間の差が０となるように各受信信号を補正する第２ステップを備えていることを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、可搬型機器に搭載されかつ可搬型機器を基準とした３次元空間のｘｙ平面上に原点から等しい距離に配置された３以上のマイクロホンを有するマイクロホンアレーにおけるマイクロホン受信信号の補正装置において、所定時間毎に、各マイクロホンの受信信号の遅延時間の差が０となるように各受信信号を補正して、各受信信号に対応する出力信号を得る補正手段を備えており、補正手段は、前回の補正により得られた各出力信号間の遅延時間差が０となるようなｘ軸周りの回転角およびｙ軸周りの回転角を推定する第１手段、および第１手段によって推定されたｘ軸周りの回転角およびｙ軸周りの回転角を用いて、各マイクロホンの受信信号の遅延時間の差が０となるように各受信信号を補正する第２手段を備えていることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。
【００１０】
〔１〕マイクロホンアレー座標系の定義
【００１１】
図１は、マイクロホンアレー座標系を示している。
【００１２】
マイクロホンアレーは、可搬型機器に搭載されている。マイクロホンＭ１，Ｍ２，Ｍ３は、可搬型機器を基準とした３次元空間（３次元座標系）のｘｙ平面上に、原点ｏを重心とする１辺の長さが２ｄの正三角形の頂点に配置されている。マイクロホンＭi （ｉ＝１，２，３）の座標ｐi は、幾何学的な関係から次式（１），（２），（３）のように表される。
【００１３】
【数１】
【００１４】
また、座標系をｘ，ｙ軸周りに回転する場合の回転角θx , θy は、回転軸となる座標軸の正の方向側から原点ｏを見て、座標を反時計周りに回す場合に回転角が正の値をとるように定義する。このとき、ｘ，ｙ軸周りの回転に関する回転行列Ｔx （θx ）, Ｔy （θy ）は、次式（４）、（５）のように与えられる。
【００１５】
【数２】
【００１６】
したがって、時刻ｊにおける回転角をθx , θy とすると、マイクロホンＭi の座標ｐi (j) は、次式（６）のように与えられる。
【００１７】
【数３】
【００１８】
〔２〕マイクロホンアレーにおけるマイクロホン受信信号を補正するための回路の説明
【００１９】
図２は、マイクロホンアレーにおけるマイクロホン受信信号を補正するための回路を示している。
【００２０】
各マイクロホンＭ１，Ｍ２，Ｍ３の受信信号ｘ１（ｔ），ｘ２（ｔ），ｘ３（ｔ）は、補正回路１０に送られる。補正回路１０は、受信信号ｘ１（ｔ），ｘ２（ｔ），ｘ３（ｔ）の遅延時間の差が０となるように、受信信号ｘ１（ｔ），ｘ２（ｔ），ｘ３（ｔ）を補正し、信号ｙ１（ｔ），ｙ２（ｔ），ｙ３（ｔ）として出力する。以下、補正回路１０による補正方法について説明する。
【００２１】
この実施の形態では、簡単化のために信号はすべて平面波で到来すると仮定する。目的音源信号をｓ(t) とし、これがマイクロホンＭi へ到来する際の遅延時間をδi とすると、マイクロホンＭi での受音信号ｘi (t) は、一般に次式（７）のように表される。
【００２２】
【数４】
【００２３】
ただし、ｎi (t) はマイクロホンＭi での雑音信号である。
【００２４】
ここで、マイクロホンアレーに対する目的音源方向が、ｚ軸上、すなわち、各マイクロホン間の遅延時間差が０になるようにマイクロホンアレー座標系を回転角θx , θy だけ回転したとする。
【００２５】
このとき、遅延時間δi は、回転角θx , θy を用いて、次式（８）のように表すことができる。
【００２６】
【数５】
【００２７】
ただし、ｃは音速である。この遅延時間δi （θx , θy ）を用いて補正された出力信号ｙi (t) は、次式（９）のように表すことができる。
【００２８】
【数６】
【００２９】
ただし、sinc(x) ＝sin(πx)／πx で与えられ、Ｔはサンプリング間隔である。ここで、次式（１０）のような二乗誤差ｅを用いる。
【００３０】
【数７】
【００３１】
これは、各出力信号ｙi 間の遅延時間差が０になった際に最小値をとる評価関数である。この二乗誤差ｅを最小化する回転角θx , θy の推定に最急降下法を用いると、ｋ＋１回目に推定された回転角θx (k+1) , θy (k+1) は、ｋ回目に推定された回転角θx (k) , θy (k) によって、次式（１１），（１２）のように求められる。
【００３２】
【数８】
【００３３】
ただし、μはステップサイズパラメータである。
【００３４】
つまり、補正回路１０は、上記式（１１），（１２）に基づいて、前回算出した出力信号ｙi 間の遅延時間差が０となるような回転角θx , θy を算出し、得られた回転角θx , θy と上記式（９）とに基づいて、出力信号ｙi を算出する。
【００３５】
なお、前回算出した出力信号ｙi 間の遅延時間差が０となるような回転角θx , θy を算出することは、言い換えれば、マイクロホンアレーに対する音源方向が一定に保たれるように、マイクロホンアレー座標系を補正することに相当する。
【００３６】
〔３〕評価
本発明手法の有効性を確認するため、計算機シミュレーションによる評価を行った。
【００３７】
〔３．１〕シミュレーション条件
目的音源信号は平均０，分散0.05のshaped gaussian noise を用いた。雑音信号は０とした。なお、マイクロホン間距離２ｄは0.1m, サンプリング周波数は４８kHz とした。
【００３８】
マイクロホンＭi での受音信号ｘi (t) は、目的音源信号を＋３，−５，＋２サンプル，および−４，＋３，＋１サンプルシフトしたもので模擬した。ただし，１サンプルはサンプリング間隔Ｔである。
【００３９】
また、回転角θx , θy の推定における式（１１），（１２）のステップサイズパラメータμは0.01とし、回転角の初期値θx (0) , θy (0) は０rad とした。
【００４０】
〔３．２〕シミュレーション結果
シミュレーション結果を図３に示す。横軸は更新回数ｋ，縦軸は推定した回転角θx , θy である。実線は、目的音源信号を＋３，−５，＋２サンプルシフトし模擬した受音信号ｘi (t) な対する結果を示し、破線は目的音源信号を−４，＋３，＋１サンプルシフトし模擬した受音信号ｘi (t) に対する結果を示している。回転角の推定値は、理論値（θx , θy ）＝（0.30,0.59)，(0.14,-0.51)にそれぞれ収束していることが確認できる。
【００４１】
〔４〕まとめ
モバイル機器での利用が想定される可搬型マイクロホンアレーにおいて、マイクロホンアレーに対する音源方向が一定に保たれるように、マイクロホンアレー座標系を逐次的に補正する手法を提案し、計算機シミュレーションにより、補正が可能であることを確認した。
【００４３】
【発明の効果】
この発明によれば、マイクロホンアレーを構成する各マイクロホンの受信信号を、互いに遅延時間差のない信号に変換できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マイクロホンアレー座標系を示す模式図である。
【図２】マイクロホンアレーにおけるマイクロホン受信信号を補正するための回路の構成を示すブロック図である。
【図３】シミュレーション結果を示すグラフである。
【符号の説明】
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３：マイクロホン
【発明の属する技術分野】
この発明は、マイクロホンアレーにおけるマイクロホン受信信号の補正方法および補正装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、遠隔発話音声認識を実現するためのアプローチの１つとして、マイクロホンアレーを用いた雑音除去に関する研究が盛んに行われている。また、注目を浴びつつある携帯型音声認識装置において、現状では音声認識の性能確保のために接話マイクロホンを利用する必要があるが、将来的にはＰＤＡ(Portable Digital Assistance) 等でのマイクロホンアレーの利用が想定される。
【０００３】
しかし、モバイル機器でのマイクロホンアレーの利用は、各マイクロホン素子の空間的な位置が時々刻々と変化するため、音源方向が固定されていたとしても適応的にビームパターンを設計する必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、マイクロホンアレーを構成する各マイクロホンの受信信号を、互いに遅延時間差のない信号に変換できるマイクロホンアレーにおけるマイクロホン受信信号の補正方法および補正回路を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、可搬型機器に搭載されかつ可搬型機器を基準とした３次元空間のｘｙ平面上に原点から等しい距離に配置された３以上のマイクロホンを有するマイクロホンアレーにおけるマイクロホン受信信号の補正方法において、所定時間毎に、各マイクロホンの受信信号の遅延時間の差が０となるように各受信信号を補正し、各受信信号に対応する出力信号を生成する補正ステップを備えており、補正ステップは、前回の補正により得られた各出力信号間の遅延時間差が０となるようなｘ軸周りの回転角およびｙ軸周りの回転角を算出する第１ステップ、および第１ステップによって算出されたｘ軸周りの回転角およびｙ軸周りの回転角を用いて、各マイクロホンの受信信号の遅延時間の差が０となるように各受信信号を補正する第２ステップを備えていることを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、可搬型機器に搭載されかつ可搬型機器を基準とした３次元空間のｘｙ平面上に原点から等しい距離に配置された３以上のマイクロホンを有するマイクロホンアレーにおけるマイクロホン受信信号の補正装置において、所定時間毎に、各マイクロホンの受信信号の遅延時間の差が０となるように各受信信号を補正して、各受信信号に対応する出力信号を得る補正手段を備えており、補正手段は、前回の補正により得られた各出力信号間の遅延時間差が０となるようなｘ軸周りの回転角およびｙ軸周りの回転角を推定する第１手段、および第１手段によって推定されたｘ軸周りの回転角およびｙ軸周りの回転角を用いて、各マイクロホンの受信信号の遅延時間の差が０となるように各受信信号を補正する第２手段を備えていることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。
【００１０】
〔１〕マイクロホンアレー座標系の定義
【００１１】
図１は、マイクロホンアレー座標系を示している。
【００１２】
マイクロホンアレーは、可搬型機器に搭載されている。マイクロホンＭ１，Ｍ２，Ｍ３は、可搬型機器を基準とした３次元空間（３次元座標系）のｘｙ平面上に、原点ｏを重心とする１辺の長さが２ｄの正三角形の頂点に配置されている。マイクロホンＭi （ｉ＝１，２，３）の座標ｐi は、幾何学的な関係から次式（１），（２），（３）のように表される。
【００１３】
【数１】
また、座標系をｘ，ｙ軸周りに回転する場合の回転角θx , θy は、回転軸となる座標軸の正の方向側から原点ｏを見て、座標を反時計周りに回す場合に回転角が正の値をとるように定義する。このとき、ｘ，ｙ軸周りの回転に関する回転行列Ｔx （θx ）, Ｔy （θy ）は、次式（４）、（５）のように与えられる。
【００１５】
【数２】
したがって、時刻ｊにおける回転角をθx , θy とすると、マイクロホンＭi の座標ｐi (j) は、次式（６）のように与えられる。
【００１７】
【数３】
〔２〕マイクロホンアレーにおけるマイクロホン受信信号を補正するための回路の説明
【００１９】
図２は、マイクロホンアレーにおけるマイクロホン受信信号を補正するための回路を示している。
【００２０】
各マイクロホンＭ１，Ｍ２，Ｍ３の受信信号ｘ１（ｔ），ｘ２（ｔ），ｘ３（ｔ）は、補正回路１０に送られる。補正回路１０は、受信信号ｘ１（ｔ），ｘ２（ｔ），ｘ３（ｔ）の遅延時間の差が０となるように、受信信号ｘ１（ｔ），ｘ２（ｔ），ｘ３（ｔ）を補正し、信号ｙ１（ｔ），ｙ２（ｔ），ｙ３（ｔ）として出力する。以下、補正回路１０による補正方法について説明する。
【００２１】
この実施の形態では、簡単化のために信号はすべて平面波で到来すると仮定する。目的音源信号をｓ(t) とし、これがマイクロホンＭi へ到来する際の遅延時間をδi とすると、マイクロホンＭi での受音信号ｘi (t) は、一般に次式（７）のように表される。
【００２２】
【数４】
ただし、ｎi (t) はマイクロホンＭi での雑音信号である。
【００２４】
ここで、マイクロホンアレーに対する目的音源方向が、ｚ軸上、すなわち、各マイクロホン間の遅延時間差が０になるようにマイクロホンアレー座標系を回転角θx , θy だけ回転したとする。
【００２５】
このとき、遅延時間δi は、回転角θx , θy を用いて、次式（８）のように表すことができる。
【００２６】
【数５】
ただし、ｃは音速である。この遅延時間δi （θx , θy ）を用いて補正された出力信号ｙi (t) は、次式（９）のように表すことができる。
【００２８】
【数６】
ただし、sinc(x) ＝sin(πx)／πx で与えられ、Ｔはサンプリング間隔である。ここで、次式（１０）のような二乗誤差ｅを用いる。
【００３０】
【数７】
これは、各出力信号ｙi 間の遅延時間差が０になった際に最小値をとる評価関数である。この二乗誤差ｅを最小化する回転角θx , θy の推定に最急降下法を用いると、ｋ＋１回目に推定された回転角θx (k+1) , θy (k+1) は、ｋ回目に推定された回転角θx (k) , θy (k) によって、次式（１１），（１２）のように求められる。
【００３２】
【数８】
ただし、μはステップサイズパラメータである。
【００３４】
つまり、補正回路１０は、上記式（１１），（１２）に基づいて、前回算出した出力信号ｙi 間の遅延時間差が０となるような回転角θx , θy を算出し、得られた回転角θx , θy と上記式（９）とに基づいて、出力信号ｙi を算出する。
【００３５】
なお、前回算出した出力信号ｙi 間の遅延時間差が０となるような回転角θx , θy を算出することは、言い換えれば、マイクロホンアレーに対する音源方向が一定に保たれるように、マイクロホンアレー座標系を補正することに相当する。
【００３６】
〔３〕評価
本発明手法の有効性を確認するため、計算機シミュレーションによる評価を行った。
【００３７】
〔３．１〕シミュレーション条件
目的音源信号は平均０，分散0.05のshaped gaussian noise を用いた。雑音信号は０とした。なお、マイクロホン間距離２ｄは0.1m, サンプリング周波数は４８kHz とした。
【００３８】
マイクロホンＭi での受音信号ｘi (t) は、目的音源信号を＋３，−５，＋２サンプル，および−４，＋３，＋１サンプルシフトしたもので模擬した。ただし，１サンプルはサンプリング間隔Ｔである。
【００３９】
また、回転角θx , θy の推定における式（１１），（１２）のステップサイズパラメータμは0.01とし、回転角の初期値θx (0) , θy (0) は０rad とした。
【００４０】
〔３．２〕シミュレーション結果
シミュレーション結果を図３に示す。横軸は更新回数ｋ，縦軸は推定した回転角θx , θy である。実線は、目的音源信号を＋３，−５，＋２サンプルシフトし模擬した受音信号ｘi (t) な対する結果を示し、破線は目的音源信号を−４，＋３，＋１サンプルシフトし模擬した受音信号ｘi (t) に対する結果を示している。回転角の推定値は、理論値（θx , θy ）＝（0.30,0.59)，(0.14,-0.51)にそれぞれ収束していることが確認できる。
【００４１】
〔４〕まとめ
モバイル機器での利用が想定される可搬型マイクロホンアレーにおいて、マイクロホンアレーに対する音源方向が一定に保たれるように、マイクロホンアレー座標系を逐次的に補正する手法を提案し、計算機シミュレーションにより、補正が可能であることを確認した。
【００４３】
【発明の効果】
この発明によれば、マイクロホンアレーを構成する各マイクロホンの受信信号を、互いに遅延時間差のない信号に変換できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マイクロホンアレー座標系を示す模式図である。
【図２】マイクロホンアレーにおけるマイクロホン受信信号を補正するための回路の構成を示すブロック図である。
【図３】シミュレーション結果を示すグラフである。
【符号の説明】
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３：マイクロホン
Claims (2)
- 可搬型機器に搭載されかつ可搬型機器を基準とした３次元空間のｘｙ平面上に原点から等しい距離に配置された３以上のマイクロホンを有するマイクロホンアレーにおけるマイクロホン受信信号の補正方法において、
所定時間毎に、各マイクロホンの受信信号の遅延時間の差が０となるように各受信信号を補正し、各受信信号に対応する出力信号を生成する補正ステップを備えており、
補正ステップは、前回の補正により得られた各出力信号間の遅延時間差が０となるようなｘ軸周りの回転角およびｙ軸周りの回転角を算出する第１ステップ、および第１ステップによって算出されたｘ軸周りの回転角およびｙ軸周りの回転角を用いて、各マイクロホンの受信信号の遅延時間の差が０となるように各受信信号を補正する第２ステップを備えていることを特徴とするマイクロホンアレーにおけるマイクロホン受信信号の補正方法。 - 可搬型機器に搭載されかつ可搬型機器を基準とした３次元空間のｘｙ平面上に原点から等しい距離に配置された３以上のマイクロホンを有するマイクロホンアレーにおけるマイクロホン受信信号の補正装置において、
所定時間毎に、各マイクロホンの受信信号の遅延時間の差が０となるように各受信信号を補正して、各受信信号に対応する出力信号を得る補正手段を備えており、
補正手段は、前回の補正により得られた各出力信号間の遅延時間差が０となるようなｘ軸周りの回転角およびｙ軸周りの回転角を推定する第１手段、および第１手段によって推定されたｘ軸周りの回転角およびｙ軸周りの回転角を用いて、各マイクロホンの受信信号の遅延時間の差が０となるように各受信信号を補正する第２手段を備えていることを特徴とするマイクロホンアレーにおけるマイクロホン受信信号の補正方法。
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|---|---|---|---|
| JP2002275886A JP3929863B2 (ja) | 2002-09-20 | 2002-09-20 | マイクロホンアレーにおけるマイクロホン受信信号の補正方法および補正装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004112701A JP2004112701A (ja) | 2004-04-08 |
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| JP (1) | JP3929863B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107509155A (zh) * | 2017-09-29 | 2017-12-22 | 广州视源电子科技股份有限公司 | 一种阵列麦克风的校正方法、装置、设备及存储介质 |
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|---|---|---|---|---|
| JP4799443B2 (ja) * | 2007-02-21 | 2011-10-26 | 株式会社東芝 | 受音装置及びその方法 |
| JP6070339B2 (ja) * | 2013-03-26 | 2017-02-01 | 富士ゼロックス株式会社 | 音解析装置、音解析システムおよびプログラム |
| WO2017038543A1 (ja) | 2015-09-03 | 2017-03-09 | ソニー株式会社 | 音声処理装置および方法、並びにプログラム |
-
2002
- 2002-09-20 JP JP2002275886A patent/JP3929863B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|---|---|---|
| CN107509155A (zh) * | 2017-09-29 | 2017-12-22 | 广州视源电子科技股份有限公司 | 一种阵列麦克风的校正方法、装置、设备及存储介质 |
| CN107509155B (zh) * | 2017-09-29 | 2020-07-24 | 广州视源电子科技股份有限公司 | 一种阵列麦克风的校正方法、装置、设备及存储介质 |
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| JP2004112701A (ja) | 2004-04-08 |
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| Huang et al. | Source localization |
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