JP4173469B2 - 信号抽出方法、信号抽出装置、拡声装置、送話装置、受信装置、信号抽出プログラム、これを記録した記録媒体 - Google Patents
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Description
以下では抽出対象となる信号を音響信号とした場合の信号抽出方法の従来技術を説明する。図1は、MINT法による目的音抽出の原理を説明する図である。図1において11〜1Nはマイクロホン(Nはマイクロホン数)、21〜2Nはフィルタ、3は加算器、7はスピーカ、8は測定用信号発生部、9はインパルス応答計算部、10は逆フィルタ計算部、61は目的音源、62〜6Mは騒音源である。
次に、それらインパルス応答から逆フィルタ計算部10において次式の連立一次方程式を解いて逆フィルタを計算する。
式(1)の連立一次方程式が解けるためには、MINT理論から次の条件が成り立っていなければならない。
N>M+1 …(2)
L=M(K−1)/(N−M) …(3)
求めた逆フィルタ係数をフィルタ21〜2Nに転送して、マイクロホン1Nからの信号に畳み込み、それら出力を加算器3において全て加算し、その結果を最終的な出力として出力する。この出力は、騒音および残響音を抑圧し、目的音のみを抽出したものになっている。
複数のマイクロホンで収録された音響信号を各々独立なフィルタを通し、加算して収音信号を得る収音装置として実現される。
MINT法において、式(1)の連立一次方程式を解く上で、音源からマイクロホンまでのインパルス応答が分かっていなければ、インパルス応答行列Hが分からず逆フィルタ係数ベクトルcについて解くことができない。ここに、MINT法の欠点がある。
本発明では、式(1)をそのまま計算するのではなく、次のように式を変形して考える。
HTHc=HTb …(5)
ここで、HはMINT理論によれば、式(2)、式(3)が成り立ち、各インパルス応答の零点が重ならなければ、正則である。したがって、その転置行列HTも正則であり、式(5)の解は、式(1)の解と等しくなる。
次に、HTHをR1とおくと式(5)は、
R′c=HTb …(6)
ここで、
r′ij(p)=ΣmΣqhmi(q)hmj(q+p),i=1,…,N,j=1,…,N,m=1,…,M
である。
rij(p)=Σqxi(q)xj(q+p),i=1,…,N,j=1,…,N
となる。ここで、xn(r)=ΣmΣqsm(q)hmn(q+r),n=1,…,N,m=1,…,Mであり、sm(r)は第m番目の音源の原信号であることを用いてrij(p)を書きなおすと、
rij(r)=Σm{ΣpSm(p+r)Σqhmi(q)hmj(q+p)} …(7)
となる。ここで、Sm(p)=Σqsm(q)sm(q+p)であり、第m番目の音源の自己相関関数を表す。ここで、音源の自己相関関数をデルタ関数で近似できるとすると、
したがって、Rを
Rc=HTb …(9)
HTb=d′ …(10)
ここで、
第nclosest番目のマイクロホンに目的音源61が最も近く、最初に音が届くとすると
h1n(0)≠0 for n=nclosest
=0 for n≠nclosest
となる。
δn=1 for n=nclosest
=0 for n≠nclosest
である。
式(9)と式(11)より、
Rc=h1nclosest(0)d …(12)
となる。さらに、
Rc′=d …(13)
とかける。ここで、c′=c/h1nclosest(0)である。
したがって、式(13)の連立一次方程式を解くことにより、スカラー倍を除き等価的に式(1)の連立一次方程式の解、つまり逆フィルタ係数ベクトルを求めることができる。
式(13)において、Rは複数マイクロホンの出力信号間の相関関数から計算でき、dは音源と最も近いマイクロホンの位置関係からわかるので、音源から各マイクロホンまでのインパルス応答を使わずに逆フィルタ係数ベクトルを計算できる。
M.Miyoshi and Y.Kaneda,"Inverse Filtering of Room acoustics,"IEEE Trans.Acoust.Speech Signal Process.,vol.ASSP-36,no2,pp.145-152,Feb.1988.
本発明の目的は、目的音源の自己相関関数がデルタ関数でないとき、すなわち白色雑音と仮定できないときにおいて、逆フィルタ係数の推定を精度良く行ない雑音抑圧、残響抑圧の性能を向上させることにある。
特許文献1の構成の信号入力部分に各Nチャネルのうち予め特定したチャネルの音響信号の平均スペクトルを平坦に補正する白色化フィルタ係数計算手段と、
白色化フィルタ係数を前記各Nチャネルの音響信号に畳み込むN個の白色化フィルタ手段と、
を追加し、雑音抑圧性能、残響抑圧性能を向上する。
コンピュータはNチャネル(Nは2以上の整数)の信号のうち予め定めたチャネルの信号の平均スペクトルを平坦に補正する白色化フィルタ係数計算処理と、
白色化フィルタ係数計算処理で得られた白色化フィルタ係数を各Nチャネルの信号に畳み込む白色化処理と、
白色化処理により得られたNチャネルの白色化信号間の相関関数を計算する相関関数計算処理と、
Nチャネルの相関関数からなる行列にかけると特定したチャネルについてはインパルスが得られ、その他のチャネルについてはゼロとなるベクトルが得られるベクトルを各チャネルの逆フィルタ係数として計算する逆フィルタ係数計算処理と、
逆フィルタ係数を各Nチャネルの信号に畳み込むフィルタ処理と、
N個のフィルタ手段の出力を加算して目的信号のみを得る加算処理と、
を実行して「出力結果は元信号の特性を保ったまま出力され、より目的信号の原音に近い信号を得ることができる」とする本願独特の作用効果が実現される。
図3は、本発明にかかる信号抽出方法を実現するための信号抽出装置の第1の実施例である。11〜1Nはマイクロホン(Nはマイクロホン数)、21〜2Nはフィルタ部、3は加算器、4は相関関数計算部、5′は逆フィルタ係数計算部、61は目的音源、62〜6Mは騒音源、110は白色化フィルタ係数計算部、1001〜100Nは白色化フィルタである。これを動作させるには、まず、マイクロホン11〜1Nで騒音の鳴っている環境で目的音を収録する。次に白色化フィルタ係数計算部110で、目的音源の平均スペクトルを推定し、その平均スペクトルをフラットにする白色化フィルタ係数を計算する。白色化フィルタ係数の計算は、次のように行なわれる。まず、収録された音から予め特定した、例えばマイクロホンからの信号u1(r)(この場合チャネル1)を長さFのフレーム(時間方向に区分されたもの)毎にf番目の自己相関関数U1f(p)を計算する。
これをフレームについて平均をとり平均自己相関関数を計算する。
U− 1(p)=ΣfU1f(p),p=−F,…,0,…F
この平均自己相関関数U1(p)から平均スペクトルV1(k)はフーリエ変換FFTすることによって計算される。
V1(k)=FFT(U− 1(p))
また、別の平均スペクトルの計算方法として、まず、各フレーム毎に信号u1(r)のスペクトルを計算し、それを、フレームについて平均をとる方法もある。
V1(k)=Σf|FFT(u1(p))|
W1(k)=1/V1(k)
白色化フィルタのフィルタ係数は、このスペクトルを逆フーリエ変換IFFTし、窓がけして計算される。窓の種類としてハニング窓、ハミング窓、方形窓、三角窓、カイザー窓、などがある。
w1(p)=window(IFFT(W1(k)))
ここで、rij(p)=Σqxi(q)xj(q+p),i=1,…,N,j=1,…,Nである。
式(4)の連立一次方程式が解けるためには、MINT理論と同様の条件が成り立っていなければならない。
N>M+1 …(2)
L=M(K−1)/(N−M) …(3)
求めた逆フィルタ係数をフィルタ部21〜2Nに転送し、フィルタ部で各マイクロホン1Nからの信号xn(r)に畳み込み、その出力yn(r)を得る。各フィルタ部の出力yn(r)を加算器3において全て加算し、その結果を最終的な出力信号w(r)として出力する。この出力信号w(r)は、騒音および残響音を抑圧し、目的音のみを抽出したものになっている。
21〜2N フィルタ部
3 加算器
4 相関関数計算部
5′ 逆フィルタ係数計算部
61 目的音源
62〜6M 騒音源
1001〜100n 白色化フィルタ
110 白色化フィルタ係数計算部
Claims (7)
- Nチャネル(Nは2以上の整数)の信号のうち予め特定したチャネルの信号の平均スペクトルを平坦に補正する白色化フィルタ係数計算処理と、
前記白色化フィルタ係数計算処理で得られた白色化フィルタ係数を前記各Nチャネルの信号に畳み込む白色化処理と、
前記白色化処理により得られたNチャネルの白色化信号間の相関関数を計算する相関関数計算処理と、
前記Nチャネルの相関関数からなる行列にかけると上記特定したチャネルについてはインパルスが得られ、その他のチャネルについてはゼロとなるベクトルが得られるベクトルを各チャネルの逆フィルタ係数として計算する逆フィルタ係数計算処理と、
前記逆フィルタ係数を前記各Nチャネルの信号に畳み込むフィルタ処理と、
前記N個のフィルタ処理結果を加算して目的とした信号のみを得る加算処理と、
を含むことを特徴とする信号抽出方法。 - Nチャネル(Nは2以上の整数)の信号のうち予め特定したチャネルの信号の平均スペクトルを平坦に補正する白色化フィルタ係数計算手段と、
前記白色化フィルタ係数計算手段が計算した白色化フィルタ係数を前記各Nチャネルの信号に畳み込むN個の白色化フィルタ手段と、
前記白色化フィルタ手段により出力されたNチャネルの白色化信号間の相関関数を計算する相関関数計算手段と、
前記Nチャネルの相関関数からなる行列にかけると、上記特定したチャネルについてについてはインパルスが得られ、その他のチャネルについてはゼロとなるベクトルが得られるベクトルを各チャネルの逆フィルタ係数として計算する逆フィルタ係数計算手段と、
前記逆フィルタ係数を前記各Nチャネルの信号に畳み込むN個のフィルタ手段と、
前記N個のフィルタ手段の出力を加算して目的とする信号のみを得る加算手段と、
を備えたことを特徴とする信号抽出装置。 - 上記Nチャネルの信号はN個のマイクロホンで収音した音響信号とされ、N個のマイクロホンのうち、予め特定したマイクロホンで収音した音響信号を目的信号とし、この目的信号を上記請求項2記載の信号抽出装置で抽出し、抽出した目的信号を拡声装置で放音することを特徴とする拡声装置。
- 上記Nチャネルの信号はN個のマイクロホンで収音した音響信号とされ、N個のマイクロホンのうち、予め特定したマイクロホンで収音した音響信号を目的信号とし、この目的信号を上記請求項2記載の信号抽出装置で抽出し、抽出した目的信号を送話信号として送信することを特徴とする送話装置。
- 上記Nチャネルの信号はN個のアンテナで受信した受信信号とされ、N個のアンテナのうち、予め特定したアンテナで受信した受信信号を目的信号とし、この目的信号を上記請求項2記載の信号抽出装置で抽出することを特徴とする受信装置。
- コンピュータが解読可能なプログラム言語によって記述され、コンピュータに前記請求項1記載の信号抽出方法を実行させる信号抽出プログラム。
- コンピュータが読み取り可能な記録媒体で構成され、この記録媒体に前記請求項6記載の信号抽出プログラムを記録した記録媒体。
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US20110058676A1 (en) * | 2009-09-07 | 2011-03-10 | Qualcomm Incorporated | Systems, methods, apparatus, and computer-readable media for dereverberation of multichannel signal |
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