JP4120646B2 - 拡声システム - Google Patents

Description

本発明は、拡声システムに関し、特に中小会議室などに適用して好適なものである。

話者と聴衆が同じ室内に存在しており、その会場の広さがある程度以上であって肉声だけでは話者の発声内容が十分に聞き取れない場合には、拡声が必要となる。
拡声を行なう場合、明りょうな音を収音するために、通常は、固定のマイクロフォンが設置されており、その位置で話者が音声を発するか、もしくは、話者がマイクロフォンを持ち歩くことが必要であった。そして、質疑応答のとき等、話者が変わる場合にも、質問者が固定マイクロフォンの位置まで移動するか、もしくは、マイクロフォンを移動させる必要があった。
また再生系では、集中配置又は天井に分散配置されたスピーカが用いられることが多いが、集中配置の場合はスピーカ近傍において、また分散配置の場合では話者近傍において、必要以上に拡声され、同一室内において均一な拡声が行われていなかった。
さらに、ハウリングの危険性があるため、複数系統の拡声は困難であった。

なお、特許文献１には、固定マイクで収音された音声を天井に分散配置されたスピーカを用いて拡声するシステムにおいて、スピーカの音量をマイクロフォンに近づくにしたがって小さくなるように設定して肉声とスピーカの拡声音との合成音量を平均化するようにした寺院用音響システムが記載されている。
また、特許文献２には、話者の顔方向認識方法及び装置に関する発明が記載されている。
特開平９−６５４７０号公報 特開平１０−２４３４９４号公報

上述のように、従来の拡声システムにおいては、話者が固定マイクロフォンの位置まで移動したり、あるいは、マイクロフォンを話者の位置まで移動させたりすることが必要であった。
また、分散配置されたスピーカから出力される拡声音の音量を制御して肉声と拡声音との合成音量を均一化することが提案されているが、音響信号の伝搬遅延時間に対する考慮が払われていなかった。
そこで、本発明は、マイクロフォンの位置まで移動したり、あるいは、マイクロフォンを移動させたりする必要がなく、ハンズフリーでかつ高品質の拡声ができる拡声システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の拡声システムは、天井に分散配置された複数のマイクロフォンであって、各マイクロフォンは制限された指向性を有する複数のマイクロフォンと、前記天井に分散配置された複数のスピーカであって、各スピーカは制限された指向性を有する複数のスピーカと、前記複数のマイクロフォンからの入力信号に基づいて音源位置を検出する音源位置検出手段と、前記複数のマイクロフォンからの入力信号に基づいて話者の顔方向を検出する話者顔方向検出手段と、前記音源位置検出手段により音源位置であるとされたマイクロフォンから入力された信号を、該マイクロフォンと各スピーカとの間の距離及び前記話者顔方向検出手段により検出された顔方向に応じたゲインと遅延時間と周波数特性を調整して、前記複数のスピーカに出力するスピーカ出力調整手段とを有するものである。
また、前記スピーカ出力調整手段は、複数のマイクロフォンからの入力信号を前記複数のスピーカに出力することができるようになされているものである。

本発明の拡声システムによれば、天井に分散配置されている複数のマイクロフォンにより音源位置（話者の位置）を検出し、該音源位置のマイクロフォンにより収音するようにしているため、話者はマイクロフォンを持ち歩く必要がない。
そして、音源位置に対応するマイクロフォンからの入力信号を、該マイクロフォンからの距離及び話者の顔の向きに応じて、レベル、遅延時間及び周波数特性を調整して天井に分散配置された複数のスピーカから拡声しているため、同一室内において自然で均一な拡声が可能となる。
さらに、新たな音源位置が検出されると、マイクロフォンが切り替わり、それに応じて、各スピーカから拡声される信号の出力レベル、遅延時間及び周波数特性も変更されるので、話者が移動した場合にも均一な拡声が可能である。
さらにまた、マイクロフォンとスピーカの指向性の制限により、同一室内においても同時に複数の系統での拡声が可能である。

図１は、本発明の拡声システムの全体構成を示すブロック図である。この拡声システムは、話者の肉声だけでは全ての聴取者が十分に聞き取ることができない中小型の会議室などに好適である。
この図において、１は本発明の拡声システムが設備される部屋の天井に分散配置された複数（ｍ個）のマイクロフォン、６は同じく天井に分散配置された複数（ｎ個）のスピーカである。ここで、各マイクロフォン１（MIC1〜MICm）はそれぞれの近傍のエリアにおける音のみを収音するように制限された指向性を有しており、天井に分散配置されたｍ個のマイクロフォンで全室内をカバーするようになされている。同様に、各スピーカ６（SP1〜SPn）もそれぞれの近傍エリアにのみ拡声するように制限された指向性を有するものとされており、天井に分散配置されたｎ個のスピーカで全室内をカバーすることができるようになされている。なお、前記複数のマイクロフォンの配置間隔及び前記複数のスピーカの配置間隔は、それぞれの指向性や天井高に応じて決定される。ただし、マイクロフォンとスピーカとの間隔はなるべく離れた位置になるように配置することが望ましい。
また、前記複数のスピーカ６には平面スピーカを使用しても良く、また、スピーカをシステム天井の一部として使用しても良い。

２は前記複数のマイクロフォン１の各マイクロフォン（MIC1〜MICm）からの入力信号のレベルを監視して話者の位置を検知するとともに、入力切替部４及びスピーカ出力調整部５に対して制御信号を出力する音源位置検出部、３は前記複数のマイクロフォン１の各マイクロフォンからの入力信号の周波数別の信号レベルから話者の顔方向を検出するとともに、スピーカ出力調整部５への制御信号を出力する話者顔方向検出部、４は前記音源位置検出部２からの信号に基づいて話者が位置する場所に対応するマイクロフォンMICiから入力される信号を選択する入力切替部、５は、該入力切替部４で選択された信号に対して、前記各スピーカSPj（ｊ＝１〜ｎ）への出力信号に、それぞれ対応したレベル制御及びディレイ制御を行い、さらに、前記話者顔方向検出部３からの制御信号に基づいてそれぞれ対応した周波数特性を付与して、前記複数のスピーカ６（SP1〜SPn）に出力するスピーカ出力調整部である。

前記音源位置検出部２は、前記複数のマイクロフォン（MIC1〜MICm）からの入力信号をモニタし、所定レベル以上の入力信号のうち最も入力信号レベルの高いマイクMICiを音源位置（話者の位置）であると判定する。なお、話者が発声を停止し、所定レベル以上の入力信号を有するマイクロフォンがないときには、音源位置がないものと判定する。
また、前記音源位置検出部２は、音源位置であると判定されたマイクMICiからの入力信号を前記複数のスピーカ５（SP1〜SPn）から拡声して出力するときに、室内のどの位置においても聴取位置の高さにおける音圧レベルが均一となるように、前記各スピーカ（SP1〜SPn）から出力する信号に対する出力レベルと遅延時間（ディレイ）を設定するための制御信号を前記スピーカ出力調整部５に出力する。
ここで、前記各スピーカからの出力信号レベルについては、話者からの直接音とそのスピーカからの拡声音の和が室内のどの位置でも一定となるようにスピーカの出力レベルを決定する。すなわち、直接音の距離減衰を補うように、音源位置から遠い位置にあるスピーカの出力レベルを制御するものであり、音源位置（マイクロフォンの位置）と各スピーカとの距離に基づいて演算により各スピーカの出力レベルを求めても良いし、予め各音源位置ごとに各スピーカに対応する出力レベルを記録したテーブルを作成しておき、該テーブルを参照することにより各スピーカから出力する信号の出力レベルを決定するようにしても良い。
また、前記ディレイ量は、音源位置から発せられる直接音が各スピーカ位置に到達するのに要する時間に対応する遅延時間をそれぞれのスピーカから出力される拡声信号に付与するものであり、音源位置（マイクロフォンの位置）と各スピーカとの距離に基づいて算出するようにしてもよいし、予め各音源位置ごとに各スピーカまでの遅延時間を記録したテーブルを作成しておき、該テーブルを参照することによりディレイ量を決定するようにしても良い。

また、前記話者顔方向検出部３は、前記各マイクロフォン（MIC1〜MICm）からそれぞれ入力される入力信号の周波数帯域ごとの信号レベルを検出し、そのパターンから話者の顔の向いている方向を検出する。
図２は、人の声の、口を通る左右対称垂直面内における５つの周波数（100Hz，400Hz，1000Hz，4000Hz，10,000Hz）についての指向特性を示す図である。この図において、０°の方向が口の前方正面を示しており、２７０°が頭頂方向を示している。
この図に示すように、声の後方への到達量は、周波数が高くなるほど、少なくなるという特性を有している。
したがって、前記複数のマイクロフォン１から入力される信号の周波数ごとのレベルをモニタし、そのパターンから、話者の顔の向きを判定することができる。
前記話者顔方向検出部３は、前記複数のマイクロフォン１（MIC1〜MICm）からの入力信号それぞれについて、その周波数ごとのレベルのパターンから話者の顔の向きを判定し、その結果に基づいて、話者の後方に位置するスピーカからは高域を強調した拡声信号を出力するように、前記スピーカ出力調整部５に対して制御信号を出力する。この制御信号は、予め、顔の向きと音源位置のマイクロフォンからの距離に応じた制御信号をテーブルに記憶しておき、顔の向きと音源位置の検出結果に基づいて対応する制御信号を該テーブルから読み出して、前記スピーカ出力調整部５に出力するようにすればよい。
なお、上記図２に示した垂直面内の指向特性に加えて、水平面内の各周波数別の指向特性も参照して話者の顔の向きをさらに高精度に検知するようにしても良い。

前記入力切替部４は、前記音源位置検出部２からの出力信号（音源位置であると検知されたマイクロフォンを指定する信号）に基づいて、そのマイクロフォンからの入力信号を選択して、スピーカ出力調整部５に出力する。
前記スピーカ出力調整部５は、前記入力切替部４により選択された入力信号に対して、前記音源位置検出部２及び前記話者顔方向検出部３から供給される制御信号に基づいて、各スピーカへの出力信号のレベル、ディレイ量及び周波数特性を設定する。
ここで、話者が発話を停止したときは、前記音源位置検出部２から音源位置を指定する信号が出力されなくなり、前記入力切替部３は入力信号を前記スピーカ出力調整部４に出力しない。
そして、他の話者が発話を開始したときは、前記音源位置検出部２は、該新しく発話を開始した話者の近傍のマイクロフォンMICjを音源位置であると判定し、該マイクロフォンを識別する信号を前記入力切替部４に出力する。これにより、今度は、マイクロフォンMICjからの入力信号が前記スピーカ出力調整部５に供給され、該マイクロフォンMICjが音源位置であるときの出力レベルとディレイ及び前記話者顔方向検出部３で検出された新たな話者の顔の向きに対応した周波数特性を有する拡声信号が各スピーカ６から出力されることとなる。

図３は、本発明の拡声システムにおける動作を模式的に説明する図である。
この図において、（１）〜（５）は、話者の後方及び前方の各位置における直接到来波の信号レベルの例を示しており、話者の後方の（１）及び（２）の位置においては、話者からの距離に応じた距離減衰に加えて前記図２に示した周波数特性の影響を受けている。なお、前方に位置する（３）〜（５）では距離減衰の影響を受けている。また、各位置に到達する信号は、話者からの距離に応じた伝搬遅延時間をもって到達している。
ここで、本発明の拡声システムにおいては、話者に最も近い位置にあるマイクロフォン（この例では、MIC3）からの入力信号が選択されて前記スピーカ出力調整部５に入力され、（１）〜（５）の各位置の聴取高さにおいて、図中の破線で示す目標レベルとなるように、「＊」で示す量の拡声信号をそれぞれの位置に対応するスピーカSP1，SP2，SP5及びSP6から出力するように制御する。なお、このときに、話者からの直接波と同一のタイミングとなるように、話者からの距離に対応した遅延時間が付加されて出力される。なお、図示する例では、スピーカSP3及びSP4は、話者からの直接波のレベルが大きいため、拡声信号を出力しないように制御されている。
これにより、室内の各位置において、均一な音質で聴取することができる。

なお、複数の話者が同時に発声しており、音源が複数ある場合には、同時に複数系統の拡声を行うようにすることもできる。以下、２系統の拡声を行う場合について説明する。複数のマイクロフォン（MIC1〜MICm）からの入力信号をモニタし、所定レベル以上の入力信号が２本のマイクMICi、MICjにある場合に、この２本のマイクMICi、MICjに音源が位置すると判定し、MICi、MICjをオンとする（MICi、MICjからの信号を選択する）。また、MICi付近にいた話者が発話を停止し、MICiに所定レベル以上の入力信号がなくなった場合は、その位置の音源がなくなったものと判断し、MICiをオフとする。さらに、音源がなくなったと判断された後に、他のマイクロフォンMICkに所定レベル以上の入力信号があった場合には、そのマイクに音源位置が移動又は新たな音源が発生したと判定し、新たにMICkをオンとする。複数の音源がある場合は、該複数の音源位置に対応するマイクロフォンごとに、上述した１系統の場合と同様に、室内のどの位置においても音圧レベルが均一となるように各スピーカの出力レベルとディレイ量を制御して拡声を行う。この場合には、前記入力切替部３において、複数（例えば、２個）のマイクロフォンからの入力信号を選択し、複数系統の入力信号を処理することのできる前記スピーカ出力調整部４において、それぞれの入力信号に対して、各スピーカに出力する信号のレベルとディレイ量を制御し、両系統の出力信号を加算して各スピーカに出力すればよい。
このように、本発明においては、各マイクロフォン及び各スピーカがともに制限された指向性を有するもの（指向角が狭いもの）とされており、また、選択されたマイクロフォン近傍のスピーカ出力を小さく、該マイクロフォンから遠いスピーカ出力を大きくするようにしているので、ハウリングの危険が少なく、複数のマイクロフォンからの入力を同時に拡声することができる。

図４は、本発明の拡声システムのより具体的な実施の形態の構成を示す図である。なお、この実施の形態は、同時に２系統までの入力信号を処理することができるようになされている。
図４において、前記図１と同一の構成要素には同一の番号を付して説明を省略する。
前述のように天井に分散配置された複数のマイクロフォン１（MIC1〜MICm）で収音された入力信号は、それぞれ、ヘッドアンプ群１１で増幅された後、Ａ／Ｄ変換部１２でデジタルデータに変換される。Ａ／Ｄ変換部１２から出力された各マイクロフォンからの入力信号は、前記音源位置検出部２及び前記話者顔方向検出部３に入力されるとともに、入力切替部４に供給される。
前述のように、前記音源位置検出部２は、所定レベル以上の入力信号のうち、最も入力信号のレベルの高いマイクロフォンの近傍のエリア（そのマイクロフォンにより集音される範囲内）に話者が存在しているものと判断し、そのマイクロフォン（MICi）の位置を音源位置であると判定し、音源位置であると判定されたマイクロフォンを指定する情報を入力切替部４に出力するとともに、後述する出力レベル／ディレイ制御部１３，１５に対して、そのマイクロフォンが音源位置である場合における各スピーカから出力する信号のレベル及びディレイ量を制御する制御信号を出力する。
また、前記話者顔方向検出部３は、前記各マイクロフォンからの入力信号の各周波数ごとの信号レベルのパターンから話者の顔の向きを検出し、後述するイコライザ群１４，１６に対し、各スピーカ６から出力される信号に対して話者の顔の向きに応じた周波数特性を補正するためのパラメータを出力する。

前記入力切替部４は、＃１及び＃２で示す２系統の出力を有し、前記音源位置検出部２により音源位置であると判定されたマイクロフォンからの入力信号を２つの出力のうちいずれかに選択的に接続する。例えば、最初に検知された音源位置に対して、当該マイクロフォンからの入力信号を第１の出力＃１に接続し、その後、２人目の話者が検知されたときは、そのマイクロフォンからの入力信号を第２の出力＃２に接続する。
１３は、前記入力切替部４の第１の出力＃１を介して供給される入力信号に対して、分散配置された複数のスピーカ６の各スピーカごとにレベルの制御及び遅延時間制御を施す出力レベル／ディレイ制御部であり、各スピーカ対応に個々に出力レベル／ディレイ制御部１３−１〜１３−ｎが設けられている。
また、１４は、前記出力レベル／ディレイ制御部１３からそれぞれ出力された信号に対して、前述した話者の向きに対応する周波数特性を補正するためのイコライザ群であり、各スピーカ対応に個々にイコライザ１４−１〜１４−ｎが設けられている。
同様に、１５は前記入力切替部４の第２の出力＃２に対応した出力レベル／ディレイ制御部であり、１６は出力レベル／ディレイ制御部から出力された信号に対して、話者の向きに応じた周波数特性の補正を行うためのイコライザ群である。

前記入力切替部４の第１の出力＃１から出力された入力信号（MICiで収音された信号）は、出力レベル／ディレイ制御部１３に供給され、前記スピーカ６の各スピーカごとの出力レベル／ディレイ制御部１３−１〜１３−ｎにおいて、そのマイクロフォンMICiとそれぞれのスピーカの位置関係に応じたレベル及びディレイ時間を設定される。この設定のための制御信号は、前述のように、前記音源位置検出部２から供給される。これにより、各スピーカ対応に、マイクロフォンMICiからの距離減衰を補うことができる出力レベルで、マイクロフォンMICiからの伝搬遅延時間に対応する時間遅延を有する信号が出力される。
そして、該出力レベル／ディレイ制御部１３からの各スピーカに対応する出力信号は、各スピーカ対応に設けれたイコライザ１４−１〜１４−ｎに入力され、ここで、前記話者顔方向検出部３から供給されるパラメータにより、前述した話者の顔方向による周波数特性を補正するような周波数特性を付与される。
これにより、イコライザ群１４から、前記図３に示した目標値とされた出力信号、すなわち、室内のどの位置においても均一な出力信号が出力されることとなる。

なお、第２の話者が発話を開始し、前記音源位置検出部２において第２の音源が検知されたときは、音源位置検出部２からその音源位置であるマイクロフォン（MICjとする）を示す情報が前記入力切替部４に供給され、該マイクロフォン（MICj）からの入力信号が前記入力切替部４の第２の出力＃２に接続されるように制御される。
該第２の出力＃２を介して出力される入力信号は、前記第１の系統用の出力レベル／ディレイ制御部１３と同様に構成された第２の系統用の出力レベル／ディレイ制御部１５に供給され、上述と同様に、各スピーカに対応する遅延処理とレベル制御が行われた後、前記第１の系統用のイコライザ群１４と同様に構成されたイコライザ群１６において、話者の顔の向きによる周波数特性を補正する周波数特性を付与されて、ミキサ１７に出力されることとなる。

前記イコライザ群１４からのマイクMICiからの入力信号に各スピーカ対応に出力レベル、ディレイ及び周波数特性の補正を施された信号と、前記イコライザ群１６からのマイクMICjからの入力信号に各スピーカ対応に出力レベル、ディレイ時間及び周波数特性の補正を施された信号は、ミキサー１７で加算され、Ｄ／Ａ変換器群１８でそれぞれアナログ信号に変換された後、増幅器群１９でそれぞれ電力増幅され、対応する各スピーカ６（SP1〜SPn）から出力される。
これにより、室内のどの位置においても、均一のレベルで高品質に、話者による発音を聴取することができる。

本発明の拡声システムの概略構成を示すブロック図である。 人の声の、口を通る左右対称垂直面内における５つの周波数についての指向特性を示す図である。 本発明の拡声システムにおける動作を模式的に示す図である。 本発明の拡声システムの一実施の形態の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１：マイクロフォン群、２：音源位置検出部、３：話者顔方向検出部、４：入力切替部、５：スピーカ出力調整部、６：スピーカ群、１１：ヘッドアンプ、１２：Ａ／Ｄ変換器群、１３，１５：出力レベル／ディレイ制御部、１４，１６：イコライザ群、１７：ミキサー、１８：Ｄ／Ａ変換器群、１９：パワーアンプ群

Claims (2)

1. 天井に分散配置された複数のマイクロフォンであって、各マイクロフォンは制限された指向性を有する複数のマイクロフォンと、
   前記天井に分散配置された複数のスピーカであって、各スピーカは制限された指向性を有する複数のスピーカと、
   前記複数のマイクロフォンからの入力信号に基づいて音源位置を検出する音源位置検出手段と、
   前記複数のマイクロフォンからの入力信号に基づいて話者の顔方向を検出する話者顔方向検出手段と、
   前記音源位置検出手段により音源位置であるとされたマイクロフォンから入力された信号を、該マイクロフォンと各スピーカとの間の距離及び前記話者顔方向検出手段により検出された顔方向に応じたゲインと遅延時間と周波数特性を調整して、前記複数のスピーカに出力するスピーカ出力調整手段と
   を有することを特徴とする拡声システム。
2. 前記スピーカ出力調整手段は、複数のマイクロフォンからの入力信号を前記複数のスピーカに出力することができるようになされていることを特徴とする請求項１記載の拡声システム。

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