JP4920270B2

JP4920270B2 - 信号到来方向推定装置及び方法、並びに信号分離装置及び方法、コンピュータプログラム

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Publication number: JP4920270B2
Application number: JP2006059990A
Authority: JP
Inventors: 浩袁
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2006-03-06
Filing date: 2006-03-06
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2026-03-06
Also published as: JP2007240209A

Description

本発明は、信号到来方向推定装置及び方法、並びに信号分離装置及び方法、コンピュータプログラムに関する。

従来、周波数領域において独立成分分析（ＩＣＡ；Independent Component Analysis）を適用して信号を分離するブラインド信号分離の技術が知られている。そして、その信号を分離するときの「パーミュテーション：Ｐｅｒｍｕｔａｔｉｏｎ（置換）」の問題を解決するために、３次元信号の到来方向を推定している（例えば、非特許文献１参照）。
袁浩、山田誠、河井恒，"ICAを用いた3D音源の方向推定"，日本音響学会2005年秋季研究発表会論文集，2-2-16，pp.617-618

しかし、上述した従来の技術では、３次元での信号の到来方向の推定の際に、固定的に選択されたセンサにより全信号スペクトラムに渡って正確な到来方向を得ることができない場合が起こり得る。特に空間エイリアシングを避けるためにセンサ間の距離を小さくすると、低い周波数における方向推定の分離度が下がる。このため、低い周波数における「Ｐｅｒｍｕｔａｔｉｏｎ」の問題を解決することが困難となり、周波数間信号の相関性を利用する場合に、ブラインド信号分離における演算量が大きくなるという問題が生じる。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、３次元での信号の到来方向の推定の際に良好な角度分解度を得ることができ、ブラインド信号分離における信号分解能の向上に寄与することのできる信号到来方向推定装置及び方法、並びに信号分離装置及び方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、本発明の信号到来方向推定装置、信号分離装置をコンピュータを利用して実現するためのコンピュータプログラムを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係る信号到来方向推定装置は、非直線配置された４個以上の複数のセンサによって検知された信号を周波数領域の信号に変換する変換手段と、前記周波数領域の信号から、独立成分分析により周波数毎の分離行列をブラインドで算出する分離行列推定手段と、前記複数のセンサから、センサ間距離が信号最大周波数に対応する半波長以内であり、且つ、線形性の低い組み合わせとなる３個のセンサを選択し、この選択した３個のセンサにより、該３個のセンサの配置間隔に応じて所望の推定精度が得られるよう実測に基づいて予め決定された周波数についての周波数毎の分離行列から、周波数別の信号到来方向を算出する第１の周波数別到来方向推定手段と、前記周波数別の信号到来方向から、信号到来方向を算出する第１の到来方向推定手段と、前記第１の到来方向推定手段により算出された信号到来方向に対して開口長の大きい２個のセンサを選択し、さらに該２個のセンサに組み合わせると線形性が低くなる１個のセンサを選択し、この選択した３個のセンサにより、該３個のセンサの配置間隔に応じて所望の推定精度が得られるよう実測に基づいて予め決定された周波数について、周波数別の信号到来方向を再算出する第２の周波数別到来方向推定手段と、前記再算出した前記周波数別の信号到来方向から、信号到来方向を算出する第２の到来方向推定手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明に係る信号到来方向推定装置においては、前記第１の周波数別到来方向推定手段は、センサ間距離が信号最大周波数に対応する半波長以内であり、且つ、線形性の低い組み合わせとなる３個のセンサを選択することを特徴とする。

本発明に係る信号到来方向推定装置においては、前記第２の周波数別到来方向推定手段は、前記第１の到来方向推定手段により算出された信号到来方向に対して開口長の大きい２個のセンサを選択し、さらに該２個のセンサに組み合わせると線形性が低くなる１個のセンサを選択することを特徴とする。

本発明に係る信号到来方向推定装置においては、前記第２の周波数別到来方向推定手段は、前記選択した３個のセンサのセンサ間距離よりも短い半波長に対応する周波数については、前記第１の周波数別到来方向推定手段の算出結果を用いることを特徴とする。

本発明に係る信号到来方向推定装置においては、前記第２の周波数別到来方向推定手段は、前記選択した３個のセンサのセンサ間距離よりも短い半波長に対応する周波数については、センサ間距離が当該周波数の半波長以内であるセンサの組み合わせを用いて、信号到来方向を再算出することを特徴とする。

本発明に係る信号到来方向推定装置においては、指定された周波数のみを前記周波数別の信号到来方向の算出対象にすることを特徴とする。

本発明に係る信号到来方向推定装置においては、４個以上のセンサによって検知された信号を用いる場合において、１個のセンサが、他の３個以上のセンサが配置される平面とは異なる平面上に配置されるときには、該１個のセンサを含む少なくとも４個のセンサによって形成される少なくとも４つの平面を各々基準にした３次元座標系毎に、信号到来方向を推定することを特徴とする。

本発明に係る信号到来方向推定方法は、非直線配置された４個以上の複数のセンサによって検知された信号を周波数領域の信号に変換する第１の過程と、前記周波数領域の信号から、独立成分分析により周波数毎の分離行列をブラインドで算出する第２の過程と、前記複数のセンサから、センサ間距離が信号最大周波数に対応する半波長以内であり、且つ、線形性の低い組み合わせとなる３個のセンサを選択し、この選択した３個のセンサにより、該３個のセンサの配置間隔に応じて所望の推定精度が得られるよう実測に基づいて予め決定された周波数についての周波数毎の分離行列から、周波数別の信号到来方向を算出する第３の過程と、前記周波数別の信号到来方向から、信号到来方向を算出する第４の過程と、前記第４の過程により算出された信号到来方向に対して開口長の大きい２個のセンサを選択し、さらに該２個のセンサに組み合わせると線形性が低くなる１個のセンサを選択し、この選択した３個のセンサにより、該３個のセンサの配置間隔に応じて所望の推定精度が得られるよう実測に基づいて予め決定された周波数について、周波数別の信号到来方向を再算出する第５の過程と、前記再算出した周波数別の信号到来方向から、信号到来方向を算出する第６の過程と、を含むことを特徴とする。

本発明に係るコンピュータプログラムは、非直線配置された４個以上の複数のセンサによって検知された信号を周波数領域の信号に変換する第１の機能と、前記周波数領域の信号から、独立成分分析により周波数毎の分離行列をブラインドで算出する第２の機能と、前記複数のセンサから、センサ間距離が信号最大周波数に対応する半波長以内であり、且つ、線形性の低い組み合わせとなる３個のセンサを選択し、この選択した３個のセンサにより、該３個のセンサの配置間隔に応じて所望の推定精度が得られるよう実測に基づいて予め決定された周波数についての周波数毎の分離行列から、周波数別の信号到来方向を算出する第３の機能と、前記周波数別の信号到来方向から、信号到来方向を算出する第４の機能と、前記第４の機能により算出された信号到来方向に対して開口長の大きい２個のセンサを選択し、さらに該２個のセンサに組み合わせると線形性が低くなる１個のセンサを選択し、この選択した３個のセンサにより、該３個のセンサの配置間隔に応じて所望の推定精度が得られるよう実測に基づいて予め決定された周波数について、周波数別の信号到来方向を再算出する第５の機能と、前記再算出した周波数別の信号到来方向から、信号到来方向を算出する第６の機能と、をコンピュータに実現させることを特徴とする。
これにより、前述の信号到来方向推定装置がコンピュータを利用して実現できるようになる。

本発明に係る信号分離装置は、非直線配置された４個以上の複数のセンサによって検知された信号を周波数領域の信号に変換する変換手段と、前記周波数領域の信号から、独立成分分析により周波数毎の分離行列をブラインドで算出する分離行列推定手段と、前記複数のセンサから、センサ間距離が信号最大周波数に対応する半波長以内であり、且つ、線形性の低い組み合わせとなる３個のセンサを選択し、この選択した３個のセンサにより、該３個のセンサの配置間隔に応じて所望の推定精度が得られるよう実測に基づいて予め決定された周波数についての周波数毎の分離行列から、周波数別の信号到来方向を算出する第１の周波数別到来方向推定手段と、前記周波数別の信号到来方向から、信号到来方向を算出する第１の到来方向推定手段と、前記第１の到来方向推定手段により算出された信号到来方向に対して開口長の大きい２個のセンサを選択し、さらに該２個のセンサに組み合わせると線形性が低くなる１個のセンサを選択し、この選択した３個のセンサにより、該３個のセンサの配置間隔に応じて所望の推定精度が得られるよう実測に基づいて予め決定された周波数について、周波数別の信号到来方向を再算出する第２の周波数別到来方向推定手段と、前記再算出した周波数別の信号到来方向から、信号到来方向を算出する第２の到来方向推定手段と、前記第２の到来方向推定手段によって算出された信号到来方向に基づき、前記周波数毎の分離行列に関するパーミュテーション（Permutation）を解決するパーミュテーション解決手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明に係る信号分離装置においては、前記第２の到来方向推定手段によって算出された信号到来方向に基づき、前記周波数別の信号到来方向の算出結果の信頼度を判断する信頼度判断手段と、前記周波数領域の信号から、前記第２の到来方向推定手段によって算出された信号到来方向に対応した信号を分離するビームフォーミング手段、或いは、周波数間信号相関性に基づき、前記第２の到来方向推定手段によって算出された信号到来方向に対応した信号を並び替える信号置換手段、とを備え、前記パーミュテーション解決手段は、前記信頼度の判断結果に基づいて、前記第２の到来方向推定手段と、前記ビームフォーミング手段或いは信号置換手段とを、周波数の推定結果についての信頼性有り又は無しに応じて使い分けし、前記周波数毎の分離行列の並び替えを行うことを特徴とする。

本発明に係る信号分離装置においては、指定された周波数のみを前記周波数別の信号到来方向の算出対象とし、該指定外の周波数については、前記ビームフォーミング手段或いは信号置換手段を用いることを特徴とする。

本発明に係る信号分離方法は、非直線配置された４個以上の複数のセンサによって検知された信号を周波数領域の信号に変換する第１の過程と、前記周波数領域の信号から、独立成分分析により周波数毎の分離行列をブラインドで算出する第２の過程と、前記複数のセンサから、センサ間距離が信号最大周波数に対応する半波長以内であり、且つ、線形性の低い組み合わせとなる３個のセンサを選択し、この選択した３個のセンサにより、該３個のセンサの配置間隔に応じて所望の推定精度が得られるよう実測に基づいて予め決定された周波数についての周波数毎の分離行列から、周波数別の信号到来方向を算出する第３の過程と、前記周波数別の信号到来方向から、信号到来方向を算出する第４の過程と、前記第４の過程により算出された信号到来方向に対して開口長の大きい２個のセンサを選択し、さらに該２個のセンサに組み合わせると線形性が低くなる１個のセンサを選択し、この選択した３個のセンサにより、該３個のセンサの配置間隔に応じて所望の推定精度が得られるよう実測に基づいて予め決定された周波数について、周波数別の信号到来方向を再算出する第５の過程と、前記再算出した周波数別の信号到来方向から、信号到来方向を算出する第６の過程と、前記第６の過程によって算出された信号到来方向に基づき、前記周波数毎の分離行列に関するパーミュテーション（Permutation）を解決する第７の過程と、を含むことを特徴とする。

本発明に係るコンピュータプログラムは、非直線配置された４個以上の複数のセンサによって検知された信号を周波数領域の信号に変換する第１の機能と、前記周波数領域の信号から、独立成分分析により周波数毎の分離行列をブラインドで算出する第２の機能と、前記複数のセンサから、センサ間距離が信号最大周波数に対応する半波長以内であり、且つ、線形性の低い組み合わせとなる３個のセンサを選択し、この選択した３個のセンサにより、該３個のセンサの配置間隔に応じて所望の推定精度が得られるよう実測に基づいて予め決定された周波数についての周波数毎の分離行列から、周波数別の信号到来方向を算出する第３の機能と、前記周波数別の信号到来方向から、信号到来方向を算出する第４の機能と、前記第４の機能により算出された信号到来方向に対して開口長の大きい２個のセンサを選択し、さらに該２個のセンサに組み合わせると線形性が低くなる１個のセンサを選択し、この選択した３個のセンサにより、該３個のセンサの配置間隔に応じて所望の推定精度が得られるよう実測に基づいて予め決定された周波数について、周波数別の信号到来方向を再算出する第５の機能と、前記再算出した周波数別の信号到来方向から、信号到来方向を算出する第６の機能と、前記第６の機能によって算出された信号到来方向に基づき、前記周波数毎の分離行列に関するパーミュテーション（Permutation）を解決する第７の機能と、をコンピュータに実現させることを特徴とする。
これにより、前述の信号分離装置がコンピュータを利用して実現できるようになる。

本発明によれば、３次元での信号の到来方向の推定の際に良好な角度分解度を得ることができ、３次元での信号到来方向の推定精度が向上する。これにより、ブラインド信号分離における信号分解能の向上に寄与することができる。

以下、図面を参照し、本発明の一実施形態について説明する。

［信号到来方向推定装置］
図１は、本発明の一実施形態に係る信号到来方向推定装置１００の構成を示すブロック図である。
図１に示す信号到来方向推定装置１００は、Ｎ個（Ｎは３以上の整数）のセンサ１−１〜Ｎ（以下、特に区別しないときは「センサ１」と称する）と、増幅器２と、Ａ／Ｄ変換部３と、周波数領域変換部４と、分離行列推定部５と、周波数別到来方向推定部６及び９と、第１段階到来方向推定部７と、センサ適応選択部８と、第２段階到来方向推定部１０と、推定方向出力部１１とを備える。

センサ１としては、例えば、音声信号を検知して電気信号に変換するマイクロホンが挙げられる。その他のセンサ１としては、例えば、アンテナ、光センサ、温度センサ、圧力センサ、流量センサなどが挙げられる。

センサ１−１〜Ｎは、一直線上に配置されないように、非直線配置される。これにより、センサ１−１〜Ｎは少なくとも一平面上に配置される。センサ１−１〜Ｎは、センサアレーを形成する。例えば、図２には、６個のセンサ１−１〜６を用いた場合の配置例が示されている。図２では、Ｘ−Ｙ平面座標系によりセンサ配置を示し、Ｘ−Ｙ平面内において、６個のセンサ１−１〜６が非直線配置されている。

センサ１は、検知した信号（以下、観測信号と称する）を出力する。増幅器２は、各センサ１−１〜Ｎから出力された観測信号をそれぞれ増幅する。
Ａ／Ｄ変換部３は、増幅後の各センサ１−１〜Ｎの観測信号をデジタル信号に変換する。

周波数領域変換部４は、デジタル化された各センサ１−１〜Ｎの観測信号の各々に対して、時間領域から周波数領域の信号に変換するフーリエ変換処理を施す。具体的には、センサ１−１〜Ｎの観測信号毎に、短時間ＦＦＴ（高速フーリエ変換）を行う。その短時間ＦＦＴにより、観測信号は周波数領域の時間信号に変換され、各周波数における時間信号系列（観測信号ベクトル）が得られる。その観測信号ベクトルＸ（ｆ，ｔ）は（１）式で表される。

分離行列推定部５は、観測信号ベクトルＸ（ｆ，ｔ）から、独立成分分析により周波数毎の分離行列をブラインドで算出する。その分離行列算出処理においては、周波数領域において周波数毎に、教師信号なしで分離行列を収束させる。具体的には、例えば、（２）式を利用して分離行列Ｗ（ｆ）を計算することができる。これにより、周波数毎の分離行列Ｗ（ｆ）が得られる。

なお、独立成分分析に基づくブラインド信号分離手法においては、分離行列Ｗ（ｆ）を用いて混合信号を分離する。その分離した信号ベクトルＹ（ｆ，ｔ）は、（３）式により得られる。

周波数別到来方向推定部６は、分離行列Ｗ（ｆ）に基づいて信号の到来方向を周波数別に算出する。

独立成分分析によって得られる分離行列の各行は、ある方向から到来する信号を取り出しながら、別の方向から到来する信号を抑圧するという周波数領域での分離フィルタを形成している。これにより、各周波数における分離行列（分離フィルタ）を求めた後、その分離行列の逆行列により、分離行列の各行が取り出している信号の到来方向を推定することができる。また、各周波数における分離行列の逆行列の各列によりセンサ１間の位相差を求め、該位相差を用いて信号の到来方向を推定することができる。

また、分離行列Ｗ（ｆ）の逆行列Ｗ（ｆ）^−１の列ベクトルは複素混合行列Ｈ（ｆ）の列ベクトルに近似的に比例している。このことから、分離行列Ｗ（ｆ）の擬似逆行列Ｗ（ｆ）^＋を求めることができる。

周波数別到来方向推定部６は、先ず、分離行列Ｗ（ｆ）の擬似逆行列Ｗ（ｆ）^＋を求める。次いで、その擬似逆行列Ｗ（ｆ）^＋の列ごとに、非直線配置された３個のセンサ１に対応した要素を使って天頂角θと方位角φを算出する。

ここで、周波数別到来方向推定部６は、センサ１−１〜Ｎの中から、周波数別到来方向推定に用いる３個のセンサ１を選択する。その選択条件は、センサ間距離が信号最大周波数に対応する半波長以内であり、且つ、線形性の低い組み合わせとなる３個のセンサである。なお、３個のセンサを頂点とする三角形の線形性は、三角形の最大内角と最小内角の差として定義される。これにより、線形性の低い組み合わせ（３個のセンサ）とは、３個のセンサを頂点とする三角形の最大内角と最小内角の差が小さいものを指す。最も線形性の低い組み合わせとは、３個のセンサを頂点とする三角形が正三角形となるものである。

周波数別の信号到来方向は、（４）〜（７）式で得られる。分離行列Ｗ（ｆ）の擬似逆行列Ｗ（ｆ）^＋から、（４）式、（５）式が成り立つ。

そして、ｌ番目信号の到来方向（θ，φ）は、（６）式、（７）式で得られる。

なお、aｒg（ｚ）は複素数ｚの位相角（複素平面上で複素数を表す点と原点を結ぶ直線が実軸となす角）を表す。

第１段階到来方向推定部７は、周波数別到来方向推定部６の推定結果の周波数別の到来方向（θ，φ）に基づき、信号の到来方向を算出する。具体的には、周波数別に推定された到来方向（θ，φ）を統計処理し、この統計処理結果から信号の到来方向を求める。例えば、周波数別に推定された、θ、φをそれぞれ平均し、その平均値を信号の到来方向（θ，φ）として採用する。なお、統計処理の手法としては、上記平均以外の他の手法を用いてもよい。例えば、周波数別に推定された、θ、φのそれぞれのヒストグラムを計算し、そのヒストグラムから信号の到来方向（θ，φ）を求めるようにしてもよい。また、統計処理する対象の周波数は、全ての周波数であってもよく、或いは一部の周波数であってもよい。

上述の第１段階の到来方向推定処理では、周波数別の到来方向推定において、高域周波数での推定精度は良いが、低域周波数での推定精度はあまり良くない可能性がある。このため、良好な角度分解度を得ることが難しい。そこで、センサ適応選択部８、周波数別到来方向推定部９及び第２段階到来方向推定部１０により、第２段階の到来方向推定処理を行う。

センサ適応選択部８は、第１段階到来方向推定部７により算出された信号到来方向に対して適応的に３個のセンサ１を選択する。この３個のセンサ１の選択条件は、ある信号到来方向に対して開口長の大きい２個のセンサ１を選択し、さらに該２個のセンサ１に組み合わせると線形性が低くなる１個のセンサ１を選択する。

周波数別到来方向推定部９は、そのセンサ適応選択部８の選択結果の３個のセンサ１により、上述の周波数別到来方向推定部６と同様にして、周波数別の信号到来方向（θ，φ）を算出する。次いで、第２段階到来方向推定部１０は、周波数別到来方向推定部９の推定結果の周波数別の到来方向（θ，φ）に基づき、第１段階到来方向推定部７と同様にして、信号の到来方向（θ，φ）を算出する。

上述のセンサ適応選択部８、周波数別到来方向推定部９及び第２段階到来方向推定部１０による第２段階の到来方向推定処理は、第１段階到来方向推定部７により算出された各信号到来方向に対して、それぞれ行う。この第２段階の到来方向推定処理では、第１段階到来方向推定部７により算出された信号到来方向に対して開口長の大きい２個のセンサ１を用いることにより、センサ間距離つまりセンサ間位相差が大きくなり、低域周波数での到来方向推定における角度分解度が向上する。これにより、第１段階の到来方向推定処理ではあまり良くない低域周波数での到来方向推定精度が改善されるので、第２段階到来方向推定部１０の推定結果では、良好な角度分解度を得ることが可能になる。

なお、高域周波数での空間エイリアシングを避けるために、センサ適応選択部８で選択された３個のセンサ１のセンサ間距離よりも長い半波長に対応する周波数については、周波数別到来方向推定部６の算出結果を用いることが好ましい。或いは、当該周波数については、センサ間距離が当該周波数の半波長以内であるセンサ１の組み合わせを用いて、信号到来方向を再算出することが好ましい。

推定方向出力部１１は、第２段階到来方向推定部１０によって求められた信号到来方向（θ，φ）を出力する。

上述した実施形態によれば、３次元での信号の到来方向の推定の際に良好な角度分解度を得ることができる。これにより、３次元での信号到来方向の推定精度が向上する。この結果、ブラインド信号分離における信号分解能の向上に寄与することができる。

なお、上記した信号の到来方向の推定を行う対象の周波数は、実測に基づき、予め決定するようにしてもよい。周波数毎の推定精度は、センサ１の配置間隔に応じて変化する。このため、センサ１の配置決定後に、各周波数において、実際の信号を用いて到来方向の推定を行い、その推定結果を評価し、到来方向の推定対象に含める周波数を選択することが好ましい。これにより、所望の推定精度が期待できない周波数については、推定対象から除外し、演算量の削減を図る。

また、非直線配置された少なくとも３個のセンサを含む４個以上のセンサを用いる場合において、全て同一平面上に配置されるときは、上述した３個のセンサを用いる場合の推定方法がそのまま適用できる。
一方、非直線配置された少なくとも３個のセンサを含む４個以上のセンサを用いる場合において、１個のセンサが、他の３個以上のセンサが配置される平面とは異なる平面上に配置されるときには、該１個のセンサを含む少なくとも４個のセンサによって少なくとも４つの平面が形成される。そして、その各平面を各々基準にした３次元座標系毎に、信号の到来方向を推定することができる。

［信号分離装置］
次に、上述の実施形態に係る信号到来方向推定装置１００を適用した信号分離装置について説明する。以下、図１の各部に対応する部分には同じ符号を付す。
本実施形態に係る信号分離装置では、信号到来方向推定装置１００の推定結果の到来方向（θ，φ）を用いて、分離行列Ｗ（ｆ）の並び替えを行う。その手順を以下に示す。

ステップＳ１；
第２段階到来方向推定部１０によって求められた到来方向（θ，φ）に基づき、周波数別到来方向推定部９によって推定された周波数別の到来方向の信頼度を判断する。具体的には、第２段階到来方向推定部１０によって推定された到来方向と、周波数別に推定された到来方向とを比較し、両者の絶対差が所定範囲内ならば当該周波数の推定結果について信頼性ありと判断し、両者の絶対差が所定範囲外ならば当該周波数の推定結果について信頼性なしと判断する。

ステップＳ２；
ステップＳ１で信頼性ありと判断された周波数について、その推定された到来方向に従って信号Ｙ（ｆ，ｔ）の並び替えを行う。信号Ｙ（ｆ，ｔ）は、上記（３）式で算出される。これにより、信頼性ありと判断された周波数に関して、「Ｐｅｒｍｕｔａｔｉｏｎ」の問題が解決済みの信号Ｙ（ｆ，ｔ）が求められる。

ステップＳ３；
ステップＳ１で信頼性なしと判断された周波数については、新たにビームフォーミングによって信号Ｙ（ｆ，ｔ）を分離する。また、信号の到来方向の推定に利用されなかった周波数についても、ビームフォーミングによって信号Ｙ（ｆ，ｔ）を分離する。

そのビームフォーミングでは、信頼性なしと判断された周波数及び信号の到来方向の推定に利用されなかった周波数において、第２段階到来方向推定部１０によって推定された到来方向に指向性ビームを形成するための重み係数行列を算出する。そして、その算出された重み係数行列を用いたビームフォーミングによって、周波数領域の信号（周波数領域変換部４の出力信号）から、信頼性なしと判断された周波数及び信号の到来方向の推定に利用されなかった周波数の信号Ｙ（ｆ，ｔ）を分離する。

なお、上記ステップＳ３において、ビームフォーミングによって信号を分離するのではなく、周波数間信号相関性に基づき、分離行列の並び替えを行うようにしてもよい。この場合には、周波数間の信号の相関性を計算し、その計算結果の周波数間信号相関性に基づき、第２段階到来方向推定部１０によって推定された到来方向に対応した信号を並び替える。これにより、信頼性なしと判断された周波数及び信号の到来方向の推定に利用されなかった周波数に関して、「Ｐｅｒｍｕｔａｔｉｏｎ」の問題が解決済みの信号Ｙ（ｆ，ｔ）が求められる。

ステップＳ４；
ステップＳ２で得られた信号Ｙ（ｆ，ｔ）とステップＳ３で得られた信号Ｙ（ｆ，ｔ）により、全周波数帯の信号Ｙ（ｆ，ｔ）が揃う。その全周波数帯の信号Ｙ（ｆ，ｔ）を逆フーリエ変換して時間領域の信号に変換する。これにより、時間領域において各到来信号を分離することができる。

上述した実施形態によれば、３次元での信号の到来方向の推定の際に良好な角度分解度を得ることができ、３次元での信号到来方向の推定精度が向上するので、ブラインド信号分離における信号分解能が向上する。

また、周波数領域における信号の到来方向の推定結果の信頼度に応じて、ブラインド信号分離とビームフォーミングを使い分けるので、信号の分離精度の維持向上に寄与することができる。

図３及び図４は、本実施形態に係る周波数別の信号の到来方向の推定結果を示すプロット図である。図３及び図４において、周波数番号が小さいほど低い周波数であり、周波数番号が大きいほど高い周波数である。図３及び図４に係る実施例は、センサとして３個のマイクロホンを使用し、該３個のマイクロホンによって２つの音源から発生された音声信号を検知している。その音源には、ＡＴＲ音素バランス文の音声を利用している。また、サンプリング周波数は８ｋＨｚ、ＦＦＴサイズは１０２４ポイントである。そして、ＦａｓｔＩＣＡによって分離行列を求めている。また、３個のマイクロホンの座標値（ｘ，ｙ，ｚ）は、それぞれ（０，０，０）、（４，０，０）、（０，４，０）センチメートルである（図２のセンサ１−１、１−２、１−４に対応）。

図３には、周波数毎の方位角φの推定結果がプロットされている。その図３から示されるように、２つの音源の方位角φを正確に推定できることが分かる。図４には、その２つの方位角φにそれぞれ対応した天頂角θの推定結果がプロットされている。

また、図５及び図６には、図３及び図４と同様の条件で、６個のマイクロホンによって３つの音源から発生された音声信号を検知する場合において、周波数別の信号の到来方向の推定結果（方位角φのみ）がプロットされている。６個のマイクロホンの座標値（ｘ，ｙ，ｚ）は、それぞれ（０，０，０）、（４，０，０）、（８，０，０）、（０，４，０）、（４，４，０）、（８，４，０）センチメートルである（図２のセンサ１−１、１−２、１−３、１−４、１−５、１−６に対応）。図５及び図６の場合には、その６個のマイクロホンにより分離行列を求めている。また、座標値（ｘ，ｙ，ｚ）が（０，０，０）、（４，０，０）、（０，４，０）センチメートルである３個のマイクロホン（図２のセンサ１−１、１−２、１−４に対応）により、周波数別の信号の到来方向を推定している。図５及び図６において、周波数番号が小さいほど低い周波数であり、周波数番号が大きいほど高い周波数である。

図５には、第１段階の到来方向推定処理において、周波数別到来方向推定部６の推定結果の周波数別の方位角φがプロットされている。この第１段階では、音源１（φ１に対応）と音源３（φ３に対応）の天頂角θが小さいため、低い周波数帯における方位角φの推定値については、ばらつきが大きく、且つ、０度方向に近づく傾向を示している。

図６には、第２段階の到来方向推定処理において、周波数別到来方向推定部９の推定結果の周波数別の方位角φがプロットされている。この第２段階では、第１段階に比べて、推定値のばらつきが全体的に小さくなっている。特に、天頂角θが小さい音源１（φ１に対応）と音源３（φ３に対応）の低域周波数部分については、著しく改善されている。これは、センサ間位相差の大きいマイクロホンの組み合わせが用いられたことによるものである。このように角度分解能が向上することにより、低域周波数部分についての「Ｐｅｒｍｕｔａｔｉｏｎ」の問題が容易に解決可能となる。

なお、本実施形態に係る信号到来方向推定装置、信号分離装置の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより信号到来方向推定処理、信号分離処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものであってもよい。
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の書き込み可能な不揮発性メモリ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。

さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（例えばＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory））のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

以上、本発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明の一実施形態に係る信号到来方向推定装置１００の構成を示すブロック図である。同実施形態に係る６個のセンサ１−１〜６を用いた場合の配置例を示す２次元座標図である。本発明の一実施形態に係る周波数別の信号の到来方向の推定結果を示すプロット図である。本発明の一実施形態に係る周波数別の信号の到来方向の推定結果を示すプロット図である。本発明の一実施形態に係る第１段階の周波数別の信号の到来方向の推定結果を示すプロット図である。本発明の一実施形態に係る第２段階の周波数別の信号の到来方向の推定結果を示すプロット図である。

符号の説明

１（１−１〜Ｎ）…センサ、２…増幅器、３…Ａ／Ｄ変換部、４…周波数領域変換部、５…分離行列推定部、６，９…周波数別到来方向推定部、７…第１段階到来方向推定部、８…センサ適応選択部、１０…第２段階到来方向推定部、１１…推定方向出力部、１００…信号到来方向推定装置

Claims

非直線配置された４個以上の複数のセンサによって検知された信号を周波数領域の信号に変換する変換手段と、
前記周波数領域の信号から、独立成分分析により周波数毎の分離行列をブラインドで算出する分離行列推定手段と、
前記複数のセンサから、センサ間距離が信号最大周波数に対応する半波長以内であり、且つ、線形性の低い組み合わせとなる３個のセンサを選択し、この選択した３個のセンサにより、該３個のセンサの配置間隔に応じて所望の推定精度が得られるよう実測に基づいて予め決定された周波数についての周波数毎の分離行列から、周波数別の信号到来方向を算出する第１の周波数別到来方向推定手段と、
前記周波数別の信号到来方向から、信号到来方向を算出する第１の到来方向推定手段と、
前記第１の到来方向推定手段により算出された信号到来方向に対して開口長の大きい２個のセンサを選択し、さらに該２個のセンサに組み合わせると線形性が低くなる１個のセンサを選択し、この選択した３個のセンサにより、該３個のセンサの配置間隔に応じて所望の推定精度が得られるよう実測に基づいて予め決定された周波数について、周波数別の信号到来方向を再算出する第２の周波数別到来方向推定手段と、
前記再算出した前記周波数別の信号到来方向から、信号到来方向を算出する第２の到来方向推定手段と、
を備えたことを特徴とする信号到来方向推定装置。
前記第２の周波数別到来方向推定手段は、前記選択した３個のセンサのセンサ間距離よりも短い半波長に対応する周波数については、前記第１の周波数別到来方向推定手段の算出結果を用いることを特徴とする請求項１に記載の信号到来方向推定装置。
前記第２の周波数別到来方向推定手段は、前記選択した３個のセンサのセンサ間距離よりも短い半波長に対応する周波数については、センサ間距離が当該周波数の半波長以内であるセンサの組み合わせを用いて、信号到来方向を再算出することを特徴とする請求項１に記載の信号到来方向推定装置。
指定された周波数のみを前記周波数別の信号到来方向の算出対象にすることを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の信号到来方向推定装置。
４個以上のセンサによって検知された信号を用いる場合において、１個のセンサが、他の３個以上のセンサが配置される平面とは異なる平面上に配置されるときには、該１個のセンサを含む少なくとも４個のセンサによって形成される少なくとも４つの平面を各々基準にした３次元座標系毎に、信号到来方向を推定する、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の信号到来方向推定装置。
非直線配置された４個以上の複数のセンサによって検知された信号を周波数領域の信号に変換する第１の過程と、
前記周波数領域の信号から、独立成分分析により周波数毎の分離行列をブラインドで算出する第２の過程と、
前記複数のセンサから、センサ間距離が信号最大周波数に対応する半波長以内であり、且つ、線形性の低い組み合わせとなる３個のセンサを選択し、この選択した３個のセンサにより、該３個のセンサの配置間隔に応じて所望の推定精度が得られるよう実測に基づいて予め決定された周波数についての周波数毎の分離行列から、周波数別の信号到来方向を算出する第３の過程と、
前記周波数別の信号到来方向から、信号到来方向を算出する第４の過程と、
前記第４の過程により算出された信号到来方向に対して開口長の大きい２個のセンサを選択し、さらに該２個のセンサに組み合わせると線形性が低くなる１個のセンサを選択し、この選択した３個のセンサにより、該３個のセンサの配置間隔に応じて所望の推定精度が得られるよう実測に基づいて予め決定された周波数について、周波数別の信号到来方向を再算出する第５の過程と、
前記再算出した周波数別の信号到来方向から、信号到来方向を算出する第６の過程と、
を含むことを特徴とする信号到来方向推定方法。
非直線配置された４個以上の複数のセンサによって検知された信号を周波数領域の信号に変換する第１の機能と、
前記周波数領域の信号から、独立成分分析により周波数毎の分離行列をブラインドで算出する第２の機能と、
前記複数のセンサから、センサ間距離が信号最大周波数に対応する半波長以内であり、且つ、線形性の低い組み合わせとなる３個のセンサを選択し、この選択した３個のセンサにより、該３個のセンサの配置間隔に応じて所望の推定精度が得られるよう実測に基づいて予め決定された周波数についての周波数毎の分離行列から、周波数別の信号到来方向を算出する第３の機能と、
前記周波数別の信号到来方向から、信号到来方向を算出する第４の機能と、
前記第４の機能により算出された信号到来方向に対して開口長の大きい２個のセンサを選択し、さらに該２個のセンサに組み合わせると線形性が低くなる１個のセンサを選択し、この選択した３個のセンサにより、該３個のセンサの配置間隔に応じて所望の推定精度が得られるよう実測に基づいて予め決定された周波数について、周波数別の信号到来方向を再算出する第５の機能と、
前記再算出した周波数別の信号到来方向から、信号到来方向を算出する第６の機能と、
をコンピュータに実現させることを特徴とするコンピュータプログラム。
非直線配置された４個以上の複数のセンサによって検知された信号を周波数領域の信号に変換する変換手段と、
前記周波数領域の信号から、独立成分分析により周波数毎の分離行列をブラインドで算出する分離行列推定手段と、
前記複数のセンサから、センサ間距離が信号最大周波数に対応する半波長以内であり、且つ、線形性の低い組み合わせとなる３個のセンサを選択し、この選択した３個のセンサにより、該３個のセンサの配置間隔に応じて所望の推定精度が得られるよう実測に基づいて予め決定された周波数についての周波数毎の分離行列から、周波数別の信号到来方向を算出する第１の周波数別到来方向推定手段と、
前記周波数別の信号到来方向から、信号到来方向を算出する第１の到来方向推定手段と、
前記第１の到来方向推定手段により算出された信号到来方向に対して開口長の大きい２個のセンサを選択し、さらに該２個のセンサに組み合わせると線形性が低くなる１個のセンサを選択し、この選択した３個のセンサにより、該３個のセンサの配置間隔に応じて所望の推定精度が得られるよう実測に基づいて予め決定された周波数について、周波数別の信号到来方向を再算出する第２の周波数別到来方向推定手段と、
前記再算出した周波数別の信号到来方向から、信号到来方向を算出する第２の到来方向推定手段と、
前記第２の到来方向推定手段によって算出された信号到来方向に基づき、前記周波数毎の分離行列に関するパーミュテーション（Permutation）を解決するパーミュテーション解決手段と、
を備えたことを特徴とする信号分離装置。
前記第２の到来方向推定手段によって算出された信号到来方向に基づき、前記周波数別の信号到来方向の算出結果の信頼度を判断する信頼度判断手段と、
前記周波数領域の信号から、前記第２の到来方向推定手段によって算出された信号到来方向に対応した信号を分離するビームフォーミング手段、或いは、周波数間信号相関性に基づき、前記第２の到来方向推定手段によって算出された信号到来方向に対応した信号を並び替える信号置換手段、とを備え、
前記パーミュテーション解決手段は、前記信頼度の判断結果に基づいて、前記第２の到来方向推定手段と、前記ビームフォーミング手段或いは信号置換手段とを、周波数の推定結果についての信頼性有り又は無しに応じて使い分けし、前記周波数毎の分離行列の並び替えを行うことを特徴とする請求項８に記載の信号分離装置。
指定された周波数のみを前記周波数別の信号到来方向の算出対象とし、
該指定外の周波数については、前記ビームフォーミング手段或いは信号置換手段を用いる、
ことを特徴とする請求項９に記載の信号分離装置。
非直線配置された４個以上の複数のセンサによって検知された信号を周波数領域の信号に変換する第１の過程と、
前記周波数領域の信号から、独立成分分析により周波数毎の分離行列をブラインドで算出する第２の過程と、
前記複数のセンサから、センサ間距離が信号最大周波数に対応する半波長以内であり、且つ、線形性の低い組み合わせとなる３個のセンサを選択し、この選択した３個のセンサにより、該３個のセンサの配置間隔に応じて所望の推定精度が得られるよう実測に基づいて予め決定された周波数についての周波数毎の分離行列から、周波数別の信号到来方向を算出する第３の過程と、
前記周波数別の信号到来方向から、信号到来方向を算出する第４の過程と、
前記第４の過程により算出された信号到来方向に対して開口長の大きい２個のセンサを選択し、さらに該２個のセンサに組み合わせると線形性が低くなる１個のセンサを選択し、この選択した３個のセンサにより、該３個のセンサの配置間隔に応じて所望の推定精度が得られるよう実測に基づいて予め決定された周波数について、周波数別の信号到来方向を再算出する第５の過程と、
前記再算出した周波数別の信号到来方向から、信号到来方向を算出する第６の過程と、
前記第６の過程によって算出された信号到来方向に基づき、前記周波数毎の分離行列に関するパーミュテーション（Permutation）を解決する第７の過程と、
を含むことを特徴とする信号分離方法。
非直線配置された４個以上の複数のセンサによって検知された信号を周波数領域の信号に変換する第１の機能と、
前記周波数領域の信号から、独立成分分析により周波数毎の分離行列をブラインドで算出する第２の機能と、
前記複数のセンサから、センサ間距離が信号最大周波数に対応する半波長以内であり、且つ、線形性の低い組み合わせとなる３個のセンサを選択し、この選択した３個のセンサにより、該３個のセンサの配置間隔に応じて所望の推定精度が得られるよう実測に基づいて予め決定された周波数についての周波数毎の分離行列から、周波数別の信号到来方向を算出する第３の機能と、
前記周波数別の信号到来方向から、信号到来方向を算出する第４の機能と、
前記第４の機能により算出された信号到来方向に対して開口長の大きい２個のセンサを選択し、さらに該２個のセンサに組み合わせると線形性が低くなる１個のセンサを選択し、この選択した３個のセンサにより、該３個のセンサの配置間隔に応じて所望の推定精度が得られるよう実測に基づいて予め決定された周波数について、周波数別の信号到来方向を再算出する第５の機能と、
前記再算出した周波数別の信号到来方向から、信号到来方向を算出する第６の機能と、
前記第６の機能によって算出された信号到来方向に基づき、前記周波数毎の分離行列に関するパーミュテーション（Permutation）を解決する第７の機能と、
をコンピュータに実現させることを特徴とするコンピュータプログラム。