JP4529780B2 - 拡声システム - Google Patents
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Description
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は、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。
このような場合には、同時発話者分のマイクロフォンが必要となり、また、話者が変わるたびにマイクロフォンを持って回る必要がある。
また、マイクロフォン、スピーカ間の回り込み量の低減方法として、マイクロフォン及びスピーカの挟指向性化がある。しかしながら、挟指向性化のためには、信号処理が必要となり、かつ、挟指向性化したことにより、個々のサービスエリアが狭くなり、その結果、使用するマイクロフォン及びスピーカの数量が増加しシステムが高価なものとなる。
また、前記各マイクロフォンごとに、そのマイクロフォンが音源位置であるときに前記複数のスピーカから出力される拡声信号が他のマイクロフォンへ回り込む量を記録したテーブルを有し、前記音源位置検出手段は、該テーブルを参照して前記各マイクロフォンの出力から減算する値を決定するようになされているものである。
また、複数の話者が同時に存在するときでも話者を誤りなく検出することができ、同一室内において同時に複数系統での拡声、あるいは複数系統のマイクロフォンの切替えを行うことができる。
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(MIC1〜MICm)からなるマイクロフォン群、6は同じく天井に分散配置された複数(n個)のスピーカ(SP1〜SPn)からなるスピーカ群である。ここで、各マイクロフォン(以下、単に「マイク」という)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、マイクとスピーカ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、前記スピーカ群6の各スピーカ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。
前記音源位置検出部2は、前記複数のマイクMIC1〜MICmからの入力信号をモニタし、そのレベルが所定レベル以上であるマイクのうち最も出力レベルの高いマイクMICiを音源位置であると判定する。
この音源位置検出処理において、すでに話者の存在が検知されており、音源位置であると判定されたマイクが存在するときには、該既存の話者の発話を拡声した信号が各マイクに回り込むことにより新たに発話を開始した第2の話者を適確に検出することが困難となることを防止するために、前記回り込み量テーブル3を参照して各マイクに予測される回り込み量を推定し、各マイクの出力レベルから該予測した回り込み量を減算して、該補正された出力レベルを用いて話者の検出を行うようにしている。これにより、すでに話者が存在しているときであっても、確実に第2の話者を検出することができる。なお、この話者検出処理の詳細については後述する。
スピーカ出力調整部5は、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MICiからの入力信号を前記複数のスピーカ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。
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(マイクの位置)と各スピーカとの距離に応じて各スピーカの出力レベルを決定する。
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設定する。
第1の話者が発話を開始し、所定レベル以上の出力レベルを有するマイクが検出されたときは、該所定レベル以上の出力レベルを有するマイクのうち最も出力レベルの大きいマイクMICiを音源位置であると検出する。これに応じて、そのマイクMICiの出力信号が前記入力切替部4で選択されてスピーカ出力調整部5に供給され、それぞれのスピーカに応じたレベルとディレイ量を設定されて、各スピーカSP1〜SPnから拡声される。
ここで、該第1の話者が発話を停止したときは、所定レベル以上の出力レベルを有するマイクが検出されなくなり、前記複数のスピーカによる拡声は停止される。そして、その後に第2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、上述と同様にして、該第2の話者の発話が収音されるマイクMICjを新たな音源位置として検出し、該マイクMICjの出力信号が前記入力切替部4で選択されて前記スピーカ出力調整部5に供給され、前記複数のスピーカSP1〜SPnから拡声される。このように、話者が変わったときに、自動的に音源位置となるマイクが選択され、前記複数のスピーカSP1〜SPnから拡声信号が出力される。このように、ハンズフリーの拡声システムを実現することができる。
このようにして、音源位置検出部2で第2の話者が検出されたときには、前記入力切替部4は、該第2の話者の音源位置であるマイクMICkの出力を選択して前記スピーカ出力調整部5に供給する。スピーカ出力調整部5は、すでに選択されている第1の話者のマイクMICiの出力と同様に、第2の話者のマイクMICkの出力に対しても、各スピーカに対する出力レベルとディレイ量の設定を行い、各スピーカ対応に出力レベルとディレイ量の設定が行われたマイクMICiの出力とマイクMICkの出力を加算して、それぞれのスピーカSP1〜SPnに出力する。このようにして、同時に2系統のマイクの出力信号を拡声することができ、同時に発話している複数の話者の発話を拡声することができる。
図2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変換器群12でデジタルデータに変換される。A/D変換器群12から出力された各マイクからの入力信号は、前記音源位置検出部2に入力され、音源位置が検知される。すなわち、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の近傍のエリア(そのマイク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、そのマイクの位置を音源位置であると判定する。
そして、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を指定する情報を入力切替部4、後述するスイッチ群13,15及び出力レベル/ディレイ設定部14,16に出力する。
13と14は、前記入力切替部4の第1の系統の出力#1に対するスピーカ出力調整部であり、13は該系統の入力信号がどのマイクからの信号であるかに応じてオン/オフ制御されるスイッチ群、14は各マイクごとに各スピーカに対応するレベル及びディレイの制御を行う出力レベル/ディレイ設定部である。
同様に、15と16は、前記入力切替部4の第2の系統の出力#2に対するスピーカ出力調整部であり、15はその入力信号がどのマイクからの信号であるかに応じてオン/オフ制御されるスイッチ群、16は各マイクごとに各スピーカに対応するレベル及びディレイの制御を行う出力レベル/ディレイ設定部である。
出力レベル/ディレイ設定部14には、図示するように、各マイク対応に出力レベル/ディレイ設定回路14−1〜14−mが設けられており、各出力レベル/ディレイ設定回路14−iは、図2の右下に記載されているように、各スピーカ対応に、そのマイクからの伝搬遅延時間に対応する時間遅延を施す遅延処理部21と距離減衰を補うことができるように出力レベルを制御するレベル制御部22が設けられている。これにより、前記スイッチ群13でオンとされたスイッチに接続された出力レベル/ディレイ設定回路14−iにそのマイクMICiからの入力信号が供給され、各スピーカ対応の遅延とレベル制御が施されて出力される。ここで、各遅延処理部21には、そのマイクの位置からそのスピーカまでの音声信号の伝搬遅延時間に対応する遅延時間が設定されている。また、各レベル制御部22には、そのマイク位置で発声したときに、そのスピーカ位置の聴取者に到達する直接音と該スピーカから放射される拡声音の和がスピーカ位置にかかわらず均一な値となるような、そのスピーカから出力する拡声音のゲインが設定されている。
このように、この実施の形態においては、各マイクごとに前記スピーカ群6の各スピーカにそれぞれ出力する信号のレベル及びディレイ量を予め設定した出力レベル/ディレイ設定回路14−1〜14−mを設け、前記スイッチ群13により選択されたマイクに対応する出力レベル/ディレイ設定回路にそのマイクからの信号を供給するようにしている。
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の系統用のスイッチ群13と同様に構成された第2の系統用のスイッチ群15に供給され、当該マイク(MICj)に対応するスイッチがオンとされて、該マイクMICjからの入力信号が対応する出力レベル/ディレイ設定回路16−jに供給される。これにより、第2の話者によるマイクMICjからの入力信号に対して、前記第1の系統用の出力レベル/ディレイ設定部14と同様に構成された出力レベル/ディレイ設定部16において、上述の場合と同様に、各スピーカに対応する遅延処理とレベル制御が行われる。
図3は、前記音源位置検出部2により参照される前記回り込み量テーブル3について説明するための図であり、(a)は運用前に行われる回り込み量の測定について示す図、(b)は回り込み量テーブル3の一例を示す図である。
図3の(a)に示すように、前記マイク群1の各マイクごとに、その近傍に測定用一次音源を配置し、測定音を所定のレベル(例えば、60dB)で出力する。それをそのマイク(マイクAとする)で収音し、前記スピーカ群6の各スピーカにマイクAを入力として選択したときのゲイン及びディレイ量を設定して拡声信号を出力させ、他のマイクそれぞれについて拡声音の回り込み量を測定する。次に、測定用一次音源を他のマイクの近傍に配置し、上述の回り込み量の測定を行う。この測定を全てのマイクについて順次繰り返す。
図3の(b)は、このようにして測定された回り込み量を記録した回り込み量テーブルの一例を示す図である。この図に示すように、回り込み量テーブル3には、各マイクごとにそのマイクが音源位置として選択されたときの他のマイクの出力レベル(回り込み量)の測定結果が記録されている。図示する例においては、一次音源を60dBSPL(Sound Pressure Level:音圧レベル)で再生させ、選択されたマイクの出力レベルが50dBとなるように測定しており、マイクAが選択されたときに、マイクBの出力信号(マイクBへの回り込み量)が45dB、マイクCへの回り込み量が48dB、マイクDへの回り込み量が51dB、マイクEへの回り込み量が53dB、・・・となっている。マイクAよりも遠い位置に設置されているマイクほど、その近傍のスピーカの出力ゲインは大きくされるので、回り込み量も大きくなる。
図4の(a)に示すように、マイクAの近傍で第1の話者aが発話しており、マイクAが音源位置として検出されたとする。
このとき、前記選択されたマイクAの出力レベルが図4の(b)に示すように、各区間で検出されたとする。マイクAからの入力信号は、前記ヘッドアンプ11を介してA/D変換器12でA/D変換され、前記音源位置検出部2において所定の時間幅(例えば、数10msec)を有する時間区間ごとにその平均出力レベルが検出される。図示する例では、区間1において65dB、区間2において70dB、区間3において60dBとされている。
前述のように、前記回り込み量テーブル3には、マイクAが選択されたときの他の各マイクへの拡声音の回り込み量が記録されており、該回り込み量テーブル3のデータと観測された各区間のマイクAの出力レベルとに基づいて、上記各区間における他のマイクへの回り込み量を求めることができる。
すなわち、前記図3(b)に示した回り込み量テーブル3の場合には、マイクAの出力レベルが50dBのとき、マイクEへの回り込み量は53dBであり、これから、図4(b)に示した各時間区間におけるマイクEへの回り込み量は図4(c)に示した値(区間1は68dB、区間2は73dB、区間3は63dB)となる。
ここで、話者を検出するときの前提条件として、話者の発話の音圧レベルが60dBSPL以上でないと音源として検出しないようにするものとする。ここで、60dBSPLの発話があったときには、近傍のマイクの出力レベルは50dBとなる。そこで、この50dBを音源位置検出のためのしきい値とする。
まず、第2の話者eがマイクEの近傍にいない場合には、マイクEの出力レベルは図4(d)のようになる。ここで、第1の話者aの直接音がマイクEに入力するレベルを、区間1で40dB、区間2で45dB、区間3で35dBとした。これらの値は、マイクAへ入力するレベルに対して、マイクEへ入力するレベルが25dB低いものとして設定した。そこで、図4(d)の区間1では、前述した第1の話者aの発話によるマイクE近傍のスピーカからの回り込み量68dBに、第1の話者aの発話によるマイクEへの直接音による回り込み量40dBが加算され、その出力レベルは68.3dBとなる。(68[dB]+40[dB]=20*log(10^(68/20)+10^(40/20))=68.3[dB])
同様に、区間2においてはスピーカからの回り込み量73dBに、直接音の回り込み量45dBが加算され73.3dB、区間3においてはスピーカからの回り込み量63dBに、直接音の回り込み量35dBが加算され63.3dBと、それぞれ計算される。
次に、第2の話者eがマイクEの近傍にいる場合には、マイクEの出力レベルは図4(e)のようになる。ここで、第2の話者eの発話は最小の音圧レベル60dBSPLであり、マイクEの出力レベルは50dBとする。この場合、同図(e)の区間1では、前述した第1の話者aの発話によるマイクE近傍のスピーカからの回り込み量68dBと、第1の話者aの発話によるマイクEへの直接音による回り込み量40dBに加えて、第2の話者eの発話による50dBが加算され、その出力レベルは69.3dBとなる。(68[dB]+40[dB]+50[dB]=20*log(10^(68/20)+10^(40/20)+10^(50/20))=69.3dB)
同様に、区間2においては73.9dB、区間3においては65.0dBと、それぞれ計算される。
以上、同図(d)、(e)に示すように、両者ともしきい値50dBを超えるため、第2の話者がいるといないとにかかわらず、マイクEは誤って選択されてしまう。
上述した例では、マイクEの出力レベルから差し引く量としては、図4(c)に計算したマイクEへの回り込み量を用いればよい。その計算結果を図4(f)、(g)に示すとともに、以下に計算の経緯を説明する。
同図(f)は、第2の話者がいない場合で、マイクEの出力レベルから回り込み量を差し引いた後のレベルである。例えば、区間1では第2の話者がいない場合のマイクEの出力レベル68.3dB(同図(d))から、マイクE近傍のスピーカからの回り込み量68dB(同図(c))を差し引くと、40dBとなる。(68.3[dB]-68[dB]=20*log(10^(68.3/20)-10^(68/20))=40[dB])
同様に、区間2においては45dB、区間3においては35dBと、それぞれ計算できる。
同図(g)は、第2の話者がいる場合で、マイクEの出力レベルから回り込み量を差し引いた後のレベルである。例えば、区間1では第2の話者が居る場合のマイクEの出力レベル69.3dB(同図(e))から、マイクE近傍のスピーカからの回り込み量68dB(同図(c))を差し引くと、52.4dBとなる。(69.3[dB]-68[dB]=20*log(10^(69.3/20)-10^(68/20))=52.4[dB])
同様に、区間2においては53.9dB、区間3においては51.4dBと、それぞれ計算される。
以上より、同図(f)に示すように、これらの値は、音源位置検出のためのしきい値50dBをすべての区間で下回っており、発話がなく回り込みのみがある場合に、マイクE近傍に話者が存在するとの誤検出をしないことを示す。
また、同図(g)に示すように、これらの値は、音源位置検出のためのしきい値50dBを全ての区間で上回っており、最低限の発話レベルがあった場合に、話者が存在することを確認できる。
従って、最低限の発話があった場合に、しきい値を超えて話者が存在することを確認することができ、かつ、発話がなく回り込みのみがある場合にしきい値を超えて話者が存在することの誤検出をしないようにするために、各マイクの出力レベルから差し引く量は、同図(c)に示す値である。なお、ここで差し引くという演算は、dB数値をそのまま差し引くのではなく、前述の通りエネルギ量に換算した上で差し引くことを意味するのは当然のことである。
このようにして、選択されているマイクの出力レベルに応じた値を、他のマイクの出力レベルから差し引くことにより、既存の話者の拡声信号による影響を排して、新たな話者を検出することができる。
処理が開始されると、音源位置検出部2は、全マイクの出力について、その所定の時間区間における平均出力レベル(以下、平均パワーとする)を算出する(ステップS1)。
そして、そのときにすでに話者が存在し、選択されているマイクがあるか否かを判定する(ステップS2)。
その結果、選択されているマイクがあるときには、上述のように、その選択されているマイクの番号とそのマイクの出力の区間平均パワーに基づいて、前記回り込み量テーブル3を参照し、前述のように、各マイクの出力レベルから差し引く量(補正値)を算出する(ステップS3)。
そして、各マイク出力の区間平均パワーから、該算出した補正値を減算する(ステップS4)。
すなわち、全マイクについて、その区間平均パワーとしきい値(例えば、50dB)とを比較し、区間平均パワーがしきい値より大きいマイクの番号を記録する(ステップS5,S6,S7)。
そして、全マイクについて比較が終了すると、ステップS8に進み、区間平均パワーがしきい値を超過していたマイクについて、その区間平均パワーが大きいものから順にソートし(ステップS8)、区間平均パワーが最も大きいマイクを選択する(ステップS9)。そして、前述のように、選択されたマイクからの距離に応じて各スピーカの出力レベルを設定し、該選択されたマイクからの入力信号の拡声を開始する(ステップS9)。
このようにして、第1の話者が存在しているときでも、第2の話者の発話を確実に検出して、複数の話者の発話を拡声することができる。
また、上記においては、スピーカ出力調整部5において各スピーカから出力する信号の出力レベルとディレイ量の両方を制御するようにしていたが、出力レベルのみを制御するようにして構成を簡略化してもよい。
Claims (2)
- 室内に分散配置された複数のマイクロフォンと、
前記室内に分散配置された複数のスピーカと、
前記複数のマイクロフォンからの入力信号をモニタし、最も入力信号レベルの高いマイクロフォンを音源位置として検出する音源位置検出手段と、
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の入力信号を、該マイクロフォンと各スピーカとの間の距離に応じたゲインで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
を有する拡声システムであって、
前記音源位置検出手段は、第1の話者が発話中であり、該第1の話者に対応するマイクロフォンが既に音源位置として検出されているときは、該音源位置として検出されているマイクロフォンからの信号をスピーカから出力した拡声信号が他のマイクロフォンへ回り込む量を各マイクロフォンの出力から減算した信号を用いて、第2の話者の検出を行うようになされていることを特徴とする拡声システム。 - 前記各マイクロフォンごとに、そのマイクロフォンが音源位置であるときに前記複数のスピーカから出力される拡声信号が他のマイクロフォンへ回り込む量を記録したテーブルを有し、
前記音源位置検出手段は、該テーブルを参照して前記各マイクロフォンの出力から減算する値を決定す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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