JP4247158B2 - 多チャネル音響エコー消去方法、多チャネル音響エコー消去装置、多チャネル音響エコー消去プログラム、記録媒体 - Google Patents

多チャネル音響エコー消去方法、多チャネル音響エコー消去装置、多チャネル音響エコー消去プログラム、記録媒体 Download PDF

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Description

この発明は、多チャネル音響再生系を有する通信会議システムにおいて、通話の障害となり、ときにはハウリングを引き起こす音響エコーを消去する多チャネル音響エコー消去方法、及びこの方法を適用して動作する多チャネル音響エコー消去装置、この装置をコンピュータで実現するための多チャネル音響エコー消去プログラム、このプログラムを記録した記録媒体に関する
近年、デジタルネットワークの大容量化・高速化の進展によって、より自然な通話環境を提供でき、複数の人が容易に参加できる多チャネルの拡声通話方式が研究されはじめている。その実現には、複数のスピーカからのマイクロホンへの音響的回り込みを消去する多チャネル音響エコーキャンセラが必要となる。
多チャネル通信会議系では受話信号のチャネル間相互相関が非常に高くなるのが通常であり、エコーがほぼ消去されている状態であっても、多チャネル適応フィルタにより推定されたエコー伝達特性と真のエコー伝達特性が一致するとは限らない。これに関しては非特許文献1を参照。そのため従来法のようにスピーカ再生信号と音響エコー消去部の出力信号から、音響結合量を経由して、適応フィルタのエコー経路推定状況を知ることができない。
このような不都合を解消する一つの方法として、相関変動処理部を設けて、チャネル毎に例えば受話信号を乱数で振幅変調して元の受話信号に付加して相互相関が絶えず変動している信号を生成し、各スピーカから再生すると同時に多チャネル・エコーキャンセラへの入力信号とする手法が提案されている(特許文献1、非特許文献2)。
図1にその一例を示す。この例ではM(≧2)チャネルの再生系とN(N≧1)チャネルの収音系とで構成されている通信会議システムを例示して説明する。
Mチャネルの受話信号は、それぞれの相関変動処理部31〜3Mを経て、各スピーカで11〜1Mで音響信号として再生され、音響エコー経路h1〜hMを経て各マイクロホン21〜2Nに回り込む。各マイクロホン21〜2Nに接続されたMチャネルエコー消去部41〜4Nには、受話側の全Mチャネルの受話端子51〜5Mが接続されている。
上記Mチャネルエコー消去部41〜4Nは、再生側の全Mチャネルと収音側の1チャネルとの間のM入力1出力の時系列信号を処理する構成をとる。このMチャネル・エコー消去部4Nの内部構成を図2に示す。各受話信号x1(k)…xM(k)は擬似エコー経路41に入力されて擬似エコー信号が生成され、減算器42によってマイクロホン2からの収音信号と擬似エコー信号との差eがとられる。
ここで、エコー経路推定部43内の処理を説明する。Mチャネル入力信号をx1(k)…xM(k)、収音された信号をy(k)、第mチャネルの再生器から収音器までの音響エコー経路のインパルス応答をhm(k)、その長さをLとする。Mチャネル入力信号と収音信号の間には次の関係がある。
Figure 0004247158
擬似エコー経路41は適応フィルタによって構成され、受話状態における減算器42の誤差信号が最小となるように適応フィルタの特性が制御される。従って以下では擬似エコー経路41を単に適応フィルタと呼ぶこともある。擬似エコー経路41を構成する適応フィルタの係数修正法としてNormalized Least Mean Squareアルゴリズム(NLMSアルゴリズム)を用いた場合を説明する。
Figure 0004247158
により決定され、μ0と入力信号のパワーに基づいて制御される。ただしμ0は推定を安定するために、あらかじめ0〜1の値に設定されるパラメータである。
適応フィルタの推定性能は、フィルタ係数の収束速度、すなわちフィルタ係数の相対誤差
Figure 0004247158
の減少速度で評価することができる。
通信会議では、1人の話者音声が複数のマイクロホンで収音されて多チャネルで送出され、受話信号のチャネル間相互相関が非常に高い時間が半数を占める。このため受話信号に相関変動処理を適用することで、推定されたエコー経路伝達特性が真値に収束することを保障している。また受話信号に加える相関変動が大きいほど、エコー経路の推定速度は向上する。
仮に相関変動処理を適用しない場合には、エコーが消去されていても、推定されたエコー伝達特性と真のエコー伝達特性が一致するとは限らない。このとき対地で話者が交代すると、その瞬間に受話信号のチャネル相互相関が変化し、突然音響エコーが消去されなくなってしまう。(前出の非特許文献1参照)。
通信会議では、受話信号はチャネル間相関変動を加えられてからスピーカで再生されるので、再生音の品質は相関変動の影響を受ける。ここでチャネル間相関変動に関して、エコー経路の推定性能と再生音の品質とは、トレードオフの関係にある。受話信号に加える相関変動を大きくした場合には、エコー経路の推定速度は向上するものの、スピーカからの再生音の品質は下がる。また受話信号に加える相関変動を小さくした場合には、スピーカからの再生音の品質は高く保たれるものの、エコー経路の推定に時間を要する。
このトレードオフへの対応方法として、図3のようにエコー消去量を測定するエコー消去量計算部101〜10Nと利得計算部11とを設け、エコー消去量に応じて相関変動処理部31〜3Mの利得を制御し、相関変動の大きさを制御する方法が提案されている。(特許文献2参照)。
特許第3397269号明細書 特開2002−252577号公報 M.M. Sondhi, D.R. Morgan, and J.L. Hall ,"Stereo-phonic Acoustic Echo Cancellation -An Overview of the Fundamental Problem,"IEEE Signal Processing Letters, Vol.2, no.8, pp. 148-151(1995) S.Shimauchi and S.Makino,"Stereo Projection Echo Canceller with True Echo Path Estimation,"Proc.ICASSP95, vol.5, pp. 3059-3062(1995)
図3の従来法では、受話信号のチャネル間相関変動処理は聴感的にマスキングされる範囲内で適用される必要があり、相関変動の大きさは制限され、受話信号のチャネル相関は依然高い。そのため、適応フィルタによる推定を開始して数秒後の時点では、エコーはほぼ消去されているものの、小さくないエコー経路推定誤差の残ることがある。このような状態では、エコー経路推定誤差が小さくないにも関わらず、相関変動量はエコー消去量にもとづいて小さく設定されてしまい、エコー経路の推定に時間を要してしまう。
このようにエコー消去量にもとづいてチャネル相関変動の大きさを制御する従来方法では、エコー消去量は必ずしもエコー経路の推定誤差と連動せず、エコー経路の推定が不充分な状態で相関変動量を小さくする可能性が残ってしまう問題がある。
そこで本発明では、エコー消去量ではなくエコー経路の推定誤差を推測し、この推定誤差にもとづいてチャネル間相関変動処理の大きさを制御することで、エコー経路の推定が不十分な状態で相関変動量を小さくしてしまうことを防止する。エコー経路の推定誤差が大きい状態では、エコー経路の推定を加速するための相関変動を大きくし、エコー経路の推定誤差が小さくなった状態では、スピーカ再生音の品質を重視して相関変動を小さくする。
Mチャネル適応フィルタ(M>1)のエコー経路推定の状態を推測するために、図4のように擬似エコー経路を構成する適応フィルタのLPタップ(LP≧1)を非因果成分に割当てる。そして時刻k−L+1から時刻kまでのMチャネル入力信号xm(k−L+1),…,xm(k)(m=1,…,M)から時刻k−LPのエコー信号y^(k−LP)を予測する。
擬似エコー経路のフィルタ係数ベクトルは以下のL次元ベクトルであらわされ、その最初のLP個の要素wm(−LP,k)…wm(−1,k)が非因果成分になる。
Figure 0004247158
信号xm(k−L+1),…,xm(k)(m=1,…,M)から時刻k−LPの擬似エコー信号y^(k−LP)への伝達係数になっている。
適応フィルタによる推定が完了して各擬似エコー経路が真のエコー経路に収束した状態では、擬似エコー経路の非因果成分はすべて0に収束し、擬似エコー経路の因果成分は真のエコー経路に収束する。また推定途中の段階では、擬似エコー経路の因果成分と真のエコー経路との差は、擬似エコー経路の非因果成分の大きさに連動する。
したがって擬似エコー経路の非因果成分の大きさに基づいて、多チャネル受話信号に加えるチャネル間相関変動の大きさを制御すると、適応フィルタによる推定がスタートしてエコー経路がほとんど推定されていない状態ではチャネル間相関変動を大きく設定し、エコー経路の推定が進んで非因果成分の大きさが減少するにしたがって、チャネル間相関変動を小さく設定することが可能となる。
つまり、この発明の請求項1ではMチャネルの受話信号にチャネル間相関を変動させるための付加信号を付加してスピーカ再生信号とする処理と、スピーカ再生信号をM×N本の経路から成る擬似エコー経路に入力してNチャネル擬似エコーを生成する処理と、収音信号とNチャネル擬似エコーから、Nチャネル誤差信号を求めてエコー消去信号として出力する処理と、Nチャネル誤差信号及びMチャネル再生信号から修正ベクトルを求める処理と、この修正ベクトルを用いて擬似エコー経路を逐次修正する処理とを含む多チャネル音響エコー消去方法において、擬似エコー経路が非因果成分を含み、遅延された収音信号と擬似エコーとの誤差信号を上記擬似エコー経路の修正に用い、非因果成分の大きさからエコー経路と擬似エコー経路との一致性を求め、この一致性に応じて受話信号のチャネル相関を変動させるための付加信号の大きさを制御することを特徴とする多チャネル音響エコー消去方法を提案する。
この発明の請求項2では請求項1記載の多チャネル音響エコー消去方法において、修正ベクトルを求める処理をNチャネル誤差信号と付加信号が強調されたMチャネル修正ベクトル生成用信号とを用いて求める処理に置換することを特徴とする音響エコー消去方法を提案する。
この発明の請求項3では請求項1又は2記載の多チャネル音響エコー消去方法の何れかにおいて、M×N本の経路からなる非因果成分を持たない第2の擬似エコー経路にスピーカ再生信号を入力して第2のNチャネル擬似エコーを生成する処理と、収音信号と第2のNチャネル擬似エコーから、Nチャネル誤差信号を求めて伝送経路に送信する処理と、第2の擬似エコー経路に、第1の擬似エコー経路の因果成分のみを転送する処理とを付加することを特徴とする多チャネル音響エコー消去方法を提案する。
本発明によれば、適応フィルタに非因果成分を含ませ、非因果成分の大きさから多チャネル適応フィルタの推定誤差を推測し、推測値に応じてチャネル間相関変動の大きさを制御する。これにより適応フィルタのエコー経路推定誤差が大きい状況で、確実にチャネル間相関変動を大きくしてエコー経路の推定を加速することが可能となる。またエコー経路推定誤差が小さい状況でのみ、チャネル間相関変動を小さく設定して再生音の品質を高く保つことが可能となる。また請求項3で提案する方法を適用することにより、適応フィルタに非因果成分を含ませるために挿入した遅延の影響を受けることなく送話信号を対地に送出することが可能となる。
本発明の多チャネル音響エコー消去方法及び装置は主にコンピュータ或はデジタル演算処理装置等に多チャネル音響エコー消去プログラムをインストールし、多チャネル音響エコー消去プログラムの記述に従ってコンピュータ或はデジタル演算処理装置を動作させることにより実現される。
本発明第1の実施例を図5に挙げる。ここではMチャネル再生器と1チャネル収音器からなる多チャネル拡声通信系を用いて説明する。
Mチャネル受話信号u1(k),…,uM(k)は、相関変動処理部31〜3MによりMチャネル信号x1(k),…,xM(k)に変換されてスピーカ11〜1Mから再生される。そのエコーy(k)は、マイクロホン2に収音されて、遅延器55によりLpサンプル(Lp≧1)遅延される。この遅延により非因果成分が生成される。
Mチャネル受話信号は同時にエコー消去部5の擬似エコー経路51に入力されて、擬似エコーが生成される。
Figure 0004247158
のようになる。なおエコー経路推定部53の擬似エコー経路のフィルタ係数ベクトルも、上記の擬似エコー経路51のフィルタ係数ベクトルとまったく同じ構成をとる。
遅延器55によりLpサンプル遅延された収音信号y(k−Lp)から擬似エコー信号y^(k−Lp)を引いて誤差信号e(k−Lp)を求めることで、エコー消去がはかられる。エコー経路推定部53では、相関変動処理後のMチャネル信号x1(k),…, xM(k)および誤差信号
Figure 0004247158
により求める。
ここでαはエコー経路の非因果成分の大きさを因果成分の大きさに換算するための定数であり、例えばα=(L−Lp)/Lpをもちいる。δは0割を防止するための正則化定数である。
適応フィルタによる推定がスタートしてエコーがほとんど消去されない状態では、Q(k)は1近辺の値をとる。適応フィルタによる推定が完了して擬似エコー経路51とエコー経路が完全に一致した状態では、擬似エコー経路51の非因果成分はすべて0に収束し、Q(k)=0となる。
相関変動処理部31〜3Mでは、相関を変動させるための付加信号をum ADD(k)として、特許文献2と同様に、
m(k)= um(k)+A(k)um ADD(k)
のように付加信号の大きさをゲインA(k)で制御して相関変動処理を行う。この付加信号ゲインA(k)は、一致性推定部54で求められた一致性の指標Q(k)から、例えば
A(k+1)=cA(k)+(1−c)Q(k)
のように相関変動制御部6において求められる。ここで、cは0<c<1の値をとる平滑化用の特定数であり、A(k)の初期値はA(0)=1とする。
適応フィルタによる推定がスタートしてエコーがほとんど消去されていない状態では、一致性の指標Q(k)が1付近の値をとるため、A(k)も1付近の値をとり相関変動用の信号um ADD(k)がほぼそのまま受話信号u1(k)〜uM(k)に付加される。適応フィルタによるエコー経路の推定が進むにつれてQ(k)が0に近づき、A(k)も0に近づくので付加信号の大きさは0に近づく。
なおMチャネル再生器(スピーカ11〜1M)とNチャネル収音器(マイクロホン21〜2N)からなるマルチチャネル拡声通話系の場合には、図6のようにMチャネルエコー消去部51〜5NがN個並列に並ぶ構成になり、各Mチャネルエコー消去部51〜5Nでそれぞれ付加信号ゲインA1(k),…,AN(k)が求められる。受話側で一括して適用される付加信号ゲインは、相関変動制御部6において、付加信号ゲインA1(k),…,AN(k)から、例えば
A(k)=MAX[A1(k)…AN(k)]
により求められる。
次に本発明の第2の実施例を、図7を用いて説明する。相関変動処理部31〜3Mは、受話信号um(k)(m=1…M)に信号um ADD(k)をゲインA(k)で付加して、スピーカ再生信号xm(k)を生成する。同時に修正ベクトル生成用信号zm(k)を、
m(k)= βum(k)+A(k)um ADD(k)
(m=1…M,0<β<1)
により減衰した受話信号と付加信号とから生成する。
この修正ベクトル生成用の信号と遅延器75によりLpサンプル遅延した収音信号との誤差信号
e(k−Lp)=y(k−Lp)−y^(k−Lp
をもちいて、適応フィルタは例えば
Figure 0004247158
である。
このように付加信号成分A(k)um ADD(k)(m=1…M,0<β<1)の強調された修正ベクトル生成用信号zm(k)を、スピーカ再生信号xm(k)に加えて適応フィルタの更新にもちいることで、適応フィルタの収束が高速化される。
また適応フィルタの更新には、上記のような時間領域の適応アルゴリズム以外に、周波数領域の適応アルゴリズム等をもちいることもできる(特開2002−223182号公報参照)。
次に請求項3に記載の本発明の第3の実施例を、図8を用いて説明する。相関変動処理部31〜3Mで相関変動処理を経たMチャネル信号は、スピーカ11〜1Mから再生されるのと同時に第2の擬似エコー経路56にも入力されて擬似エコーが生成される。第2の減算器57において収音信号から第2の擬似エコー信号を引いて誤差信号を求めることでエコー消去がはかられる。ただし第2の擬似エコー経路56は因果成分のみからなる構成とし、非因果成分は含まれない。エコー経路推定部53から第2の擬似エコー経路56には転送手段58を通じて因果成分のみが転送される。
このように非因果成分を持たない第2の擬似エコー経路56を併設することにより、非因果成分を求めるために第1の擬似エコー経路51およびエコー経路推定部53に挿入された遅延の影響を受けなくなり、送話信号を遅延なく対地に送出することが可能となる。なお、ここでは実施例1をベースに説明を行なったが、この方法は実施例2の図7にも適用可能である。
以上説明した本発明による多チャネル音響エコー消去方法及び多チャネル音響エコー消去装置は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た多チャネル音響エコー消去プログラムをコンピュータにインストールし、コンピュータに備えられたCPUに解読させて実行することにより実現される。
本発明による多チャネル音響エコー消去プログラムは例えばCD−ROMのようなコンピュータが読み取り可能な記録媒体に記録され、これらの記録媒体からコンピュータにインストールされるか又は通信回線を通じてインストールされる。
本発明による多チャネル音響エコー消去方法及び装置は多チャネル通信会議システム或は多地点間通信会議システムに活用することができる。
従来の多チャネル通信会議システムの構成を説明するためのブロック図。 図1に示したMチャネルエコー消去部の内部を説明するためのブロック図。 従来の多チャネル通信会議システムにチャネル間相関変動制御を付加した構成を説明するためのブロック図。 本発明で用いるエコー経路のインパルス応答と適応フィルタの因果成分及び、非因果成分の対応を説明するための図。 本発明の多チャネル音響エコー消去装置の第1実施例を説明するためのブロック図。 図5に示した多チャネル音響エコー消去装置をMチャネル再生系とNチャネル収音系で構成される通信会議システムに適用した構成を説明するためのブロック図。 本発明の多チャネル音響エコー消去装置の第2実施例を説明するためのブロック図。 本発明の多チャネル音響エコー消去装置の第3実施例を説明するためのブロック図。
符号の説明
1〜1M スピーカ 52、53 減算器
2、21〜2N マイクロホン 55、75 遅延器
1〜3M 相関変動処理部 57 第2の減算器
4、41〜4N Mチャネルエコー消去部
1〜5M Mチャネルエコー消去部
5、7 エコー消去部
相関変動制御部
41、71 擬似エコー経路
43、53、73 エコー経路推定部
51 第1の擬似エコー経路
56 第2の擬似エコー経路
54、74 一致性推定部

Claims (8)

  1. (M≧2)チャネルの受話信号にチャネル間相関を変動させるための付加信号を付加してスピーカ再生信号とする処理と、
    上記スピーカ再生信号を上記MチャネルのスピーカからN(N≧1)チャネルの収音器に回る込むM×N本のエコー経路に対応した擬似エコー経路に入力してNチャネル擬似エコーを生成する処理と、
    上記Nチャネルの収音器より得られる収音信号とNチャネル擬似エコーから、Nチャネル誤差信号を求めてエコー消去信号として出力する処理と、
    Nチャネル誤差信号及びMチャネル再生信号から修正ベクトルを求める処理と、
    この修正ベクトルを用いて上記擬似エコー経路を逐次修正する処理と、
    を含む多チャネル音響エコー消去方法において、
    上記擬似エコー経路が非因果成分と因果成分とを含み、遅延された収音信号と擬似エコーとの誤差信号を上記擬似エコー経路の修正に用い、上記Nチャネルの収音器の各々に対応するM本の上記擬似エコー経路について、上記因果成分の大きさに対する上記非因果成分の相対的な大きさから上記エコー経路と上記擬似エコー経路との一致性を求める処理と、
    上記Nチャネルの収音器の各々に対応するM本の上記擬似エコー経路について、上記一致性から上記受話信号のチャネル相関を変動させるための付加信号の大きさを一括して制御する最大のゲインを求める処理と、
    を行うことを特徴とする多チャネル音響エコー消去方法。
  2. 請求項1記載の多チャネル音響エコー消去方法において、上記修正ベクトルを求める処理を上記Nチャネル誤差信号と付加信号が強調されたMチャネル修正ベクトル生成用信号とを用いて求める処理に置換することを特徴とする音響エコー消去方法。
  3. 請求項1又は2記載の多チャネル音響エコー消去方法の何れかにおいて、M×N本の経路からなる非因果成分を持たない第2の擬似エコー経路にスピーカ再生信号を入力して第2のNチャネル擬似エコーを生成する処理と、
    収音信号と第2のNチャネル擬似エコーから、Nチャネル誤差信号を求めて伝送経路に送信する処理と、
    上記第2の擬似エコー経路に、第1の擬似エコー経路の因果成分のみを転送する処理と、
    を付加することを特徴とする多チャネル音響エコー消去方法。
  4. (M≧2)チャネルの受話信号のそれぞれにチャネル間相関を変動させるための付加信号を付加してスピーカ再生信号とする相関変動処理部と、
    上記Mチャネルのスピーカ再生信号を上記MチャネルのスピーカからN(N≧1)チャネルの収音器に回る込むM×N本のエコー経路に対応した擬似エコー経路に入力してNチャネル擬似エコーを生成する擬似エコー経路と、
    上記Nチャネルの収音器より得られる収音信号とNチャネル擬似エコーから、Nチャネル誤差信号を求めてエコー消去信号として出力する減算器と、
    Nチャネル誤差信号及びMチャネル再生信号から修正ベクトルを求め、この修正ベクトルを用いて上記擬似エコー経路を逐次修正するエコー経路推定部と、
    によって構成される多チャネル音響エコー消去装置において、
    上記擬似エコー経路が非因果成分と因果成分とを含み、遅延された収音信号と擬似エコーとの誤差信号を上記擬似エコー経路の修正に用い、上記Nチャネルの収音器の各々に対応するM本の上記擬似エコー経路について、上記因果成分の大きさに対する上記非因果成分の相対的な大きさから上記エコー経路と上記擬似エコー経路との一致性を求る一致性推定部と、
    上記Nチャネルの収音器の各々に対応するM本の上記擬似エコー経路について、この一致性推定部で求めた一致性から上記受話信号のチャネル相関を変動させるための付加信号の大きさを一括して制御する最大のゲインを求める相関変動制御部と
    を設けたことを特徴とする多チャネル音響エコー消去装置
  5. 請求項4記載の多チャネル音響エコー消去装置において、上記エコー経路推定部で求める修正ベクトルを上記Nチャネル誤差信号と、付加信号が強調されたMチャネル修正ベクトル生成用信号とを用いて求めることを特徴とする多チャネル音響エコー消去装置。
  6. 請求項4又は5記載の多チャネル音響エコー消去装置の何れかにおいて、
    M×N本の経路からなる非因果成分を持たない擬似エコー経路にスピーカ再生信号を入力してNチャネルの擬似エコーを生成する第2の擬似エコー経路と、
    収音信号と第2のNチャネル擬似エコーから、Nチャネル誤差信号を求めて伝送路に送信する第2の加算器と、
    上記第2の擬似エコー経路に、第1の擬似エコー経路の因果成分のみを転送する転送手段と、
    を付加することを特徴とする多チャネル音響エコー消去装置。
  7. 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、コンピュータを請求項4乃至6の何れかに記載の多チャネル音響エコー消去装置として機能させる多チャネル音響エコー消去プログラム。
  8. コンピュータが読み取り可能な記録媒体で構成され、この記録媒体に請求項7記載の多チャネル音響エコー消去プログラムを記録した記録媒体。
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