JP5004276B2 - 音源方向判定装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、音源の方向を判定する音源方向判定装置及び方法に関する。

本出願は、日本国において２００４年１１月１６日に出願した日本特許出願番号２００４−３３２３８３を基礎として優先権を主張するものであり、この出願を参照することにより、本出願に援用される。

音場をより的確に評価するには、方向情報の把握が重要である。これまで室内音場の測定では、近接４点法（近接４点法による空間情報の把握と展開、遠藤健二、山崎芳男、伊藤毅、建築音響研究委員会資料ＡＡ８５−２１（１９８５．７）及び、特開２０００−３５４２９０号公報を参照）や正四面体頂点法等を用いて、各チャンネルのマイクロホンに入射される音波の時間差によって音の方向情報を抽出していた。

しかしながら、一つのマイクロホンに同時に複数の音波が入射された場合、それらの音波を区別することが難しく、音波の到来方向の推定に誤差が生じてしまう。また、音波の到来方向の推定作業は、試験信号（インパルス信号）の応答（インパルス応答）に対して後処理で解析されるため、リアルタイムの方向情報を得ることが困難であった。

本発明の目的は、特別な試験信号を用いずに、騒音や楽音信号に対してリアルタイムに音源の到来方向を推定することができる音源方向判定装置及び方法を提供することにある。

本発明に係る音源方向判定装置は、任意の場所に設けられる観測点において、それぞれ所定の指向特性を有し、音源から到来してくる信号を受信する、指向特性の感度最大方向を基準方向に向けて配置される第１の受信部と、上記基準方向に対して指向特性の感度最大方向を９０度方向に向けて配置される第２の受信部と、上記基準方向に対して指向特性の感度最大方向を１８０度方向に向けて配置される第３の受信部と、上記基準方向に対して指向特性の感度最大方向を２７０度方向に向けて配置される第４の受信部とからなる受信手段と、上記所定の指向特性が基準方向に向いている上記第１の受信部と、上記所定の指向特性が上記基準方向に対して１８０度方向に向いている上記第３の受信部の角度ごとの感度差である第１の感度差データベースと、上記所定の指向特性が上記基準方向に対して、９０度方向に向いている上記第２の受信部と、２７０度方向に向いている上記第４の受信部の角度ごとの感度差である第２の感度差データベースとを格納する格納手段と、上記第１の受信部で受信した信号と、上記第３の受信部で受信した信号のレベル差を算出する第１の演算手段と、上記第２の受信部で受信した信号と、上記第４の受信部で受信した信号のレベル差を算出する第２の演算手段と、上記第１の演算手段で得られた演算結果と、上記第２の演算手段で得られた演算結果を比較し、当該比較結果に基づき、上記格納手段に格納されている上記第１の感度差データベース及び上記第２の感度差データベースから音源の到来角度を判定する領域として決定される感度差が変化する傾きの大きな領域の感度差を参照し、音源の到来角度を判定する到来角度判定手段と、上記到来角度判定手段により得られた判定結果に基づき、上記格納手段に格納されている上記第１の感度差データベース及び上記第２の感度差データベースから音源の到来方向の判定に用いる領域として決定される感度差が変化する傾きの小さな領域の感度差を参照し、音源の到来方向を確定する到来方向確定手段とを備える。

また、本発明に係る音源方向判定方法は、任意の場所に設けられる観測点において、それぞれ所定の指向特性を有し、音源から到来してくる信号を受信し、指向特性の感度最大方向を基準方向に向けて配置される第１の受信部で受信した信号と、上記基準方向に対して指向特性の感度最大方向を１８０度方向に向けて配置される第３の受信部で受信した信号のレベル差を算出する第１の演算工程と、上記基準方向に対して指向特性の感度最大方向を９０度方向に向けて配置される第２の受信部で受信した信号と、上記基準方向に対して指向特性の感度最大方向を２７０度方向に向けて配置される第４の受信部で受信した信号のレベル差を算出する第２の演算工程と、上記第１の演算工程で得られた演算結果と、上記第２の演算工程で得られた演算結果を比較し、当該比較結果に基づき、上記所定の指向特性が基準方向に向いているときと、上記所定の指向特性が上記基準方向に対して１８０度方向に向いているときの第１の感度差データベースと、上記所定の指向特性が上記基準方向に対して、９０度方向に向いているときと、２７０度方向に向いているときの第２の感度差データベースから音源の到来角度を判定する領域として決定される感度差が変化する傾きの大きな領域の感度差を参照し、音源の到来角度を判定する到来角度判定工程と、上記到来角度判定工程により得られた判定結果に基づき、上記第１の感度差データベース及び上記第２の感度差データベースから音源の到来方向を判定する領域として決定される感度差が変化する傾きの小さな領域の感度差を参照し、音源の到来方向を確定する到来方向確定工程とを備える。

また、本発明に係る音源方向判定装置は、所定の指向特性を有し、音源から到来してくる信号を受信する受信手段と、上記受信手段を、任意の場所に設けられる観測点において、指向特性の感度最大方向を基準方向、上記基準方向に対して、９０度方向、１８０度方向及び２７０度方向に向くように回転駆動する回転駆動手段と、上記所定の指向特性が上記基準方向に向いているときと、上記所定の指向特性が上記基準方向に対して１８０度方向に向いているときの第１の感度差データベースと、上記所定の指向特性が上記基準方向に対して、９０度方向に向いているときと、２７０度方向に向いているときの第２の感度差データベースを格納する格納手段と、上記受信手段の指向特性が上記基準方向に向いているときに受信した信号と、上記受信手段の指向特性が上記基準方向に対して１８０度方向に向いているときに受信した信号のレベル差を算出する第１の演算手段と、上記受信手段の指向特性が上記基準方向に対して、９０度方向に向いているときに受信した信号と、２７０度方向に向いているときに受信した信号のレベル差を算出する第２の演算手段と、上記第１の演算手段で得られた演算結果と、上記第２の演算手段で得られた演算結果を比較し、当該比較結果に基づき、上記格納手段に格納されている上記第１の感度差データベース及び上記第２の感度差データベースから音源の到来角度を判定する領域として決定される感度差が変化する傾きの大きな領域の感度差を参照し、音源の到来角度を判定する到来角度判定手段と、上記到来角度判定手段により得られた判定結果に基づき、上記格納手段に格納されている上記第１の感度差データベース及び上記第２の感度差データベースからから音源の到来方向を判定する領域として決定される感度差が変化する傾きの小さな領域の感度差を参照し、音源の到来方向を確定する到来方向確定手段とを備える。

また、本発明に係る音源方向判定方法は、所定の指向特性を有し、音源から到来してくる信号を受信する受信部の指向特性が基準方向に向いているときに受信した信号と、上記基準方向に対して１８０度方向に向いているときに受信した信号のレベル差を算出する第１の演算工程と、上記受信部の指向特性が上記基準方向に対して、９０度方向に向いているときに受信した信号と、２７０度方向に向いているときに受信した信号のレベル差を算出する第２の演算工程と、上記第１の演算工程で得られた演算結果と、上記第２の演算工程で得られた演算結果を比較し、当該比較結果に基づき、上記所定の指向特性が上記基準方向に向いているときと、上記所定の指向特性が上記基準方向に対して１８０度方向に向いているときの第１の感度差データベースと、上記所定の指向特性が上記基準方向に対して、９０度方向に向いているときと、２７０度方向に向いているときの第２の感度差データベースから音源の到来角度を判定する領域として決定される感度差が変化する傾きの大きな領域の感度差を参照し、音源の到来角度を判定する到来角度判定工程と、上記到来角度判定工程により得られた判定結果に基づき、上記第１の感度差データベース及び上記第２の感度差データベースから音源の到来方向を判定する領域として決定される感度差が変化する傾きの小さな領域の感度差を参照し、音源の到来方向を確定する到来方向確定工程とを備える。

図１は、本発明を適用した音源方向判定装置の構造を示すブロック図である。 図２は、本発明を適用した音源方向判定装置に備えられている受信部及び処理部の詳細な構成を示すブロック図である。 図３は、マイクロホンの指向特性を示す図である。 図４は、受信部の他の構成例を示すブロック図である。 図５は、受信部の他の構成例を示すブロック図である。 図６Ａ及び図６Ｂは、図５に示した受信部において、ターンテーブルによりマイクロホンを回転させる際の説明に供する図である。 図７Ａ及び図７Ｂは、１８０度反対向きの指向特性の感度差を算出する説明に供する図である。 図８Ａ及び図８Ｂは、図７に示した図に基づいて得られる感度差曲線を示す図である。 図９は、音源の到来方向及び到来角度を判定する手順についての説明に供するフローチャートである。 図１０は、各方向における受信レベルを示す図である。 図１１は、マイクロホンから任意の位置に音源を配置したときの構成を示す図である。 図１２は、各方向における受信レベルを示す図である。 図１３は、本発明を適用した音源方向判定装置の他の構成例を示すブロック図である。 図１４は、マイクロホンから任意の位置に音源を配置したときの構成を示す図である。 図１５は、図１３に示す音源方向判定装置によりホワイトノイズを処理した結果を示す図である。 図１６は、図１３に示す音源方向判定装置により男声アナウンスを処理した結果を示す図である。 図１７Ａは、ホワイトノイズのエネルギー加重平均角度を示し、図１７Ｂは、男声アナウンスのエネルギー加重平均角度を示す図である。 図１８Ａ及び図１８Ｂは、各時間窓内エネルギーの到来方向と大きさを円によって表した図である。 図１９Ａ及び図１９Ｂは、ＳＮ比が１０ｄＢの暗騒音がある状態での方向推定の結果を示す図である。 図２０Ａ及び図２０Ｂは、ＳＮ比が３０ｄＢの暗騒音がある状態での方向推定の結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明は、例えば、図１に示すような構造の音源方向判定装置１に適用される。音源方向判定装置１は、信号を受信（受音）する複数のマイクロホンからなる受信部２と、受信部２で受信された信号に所定の信号処理を行う処理部３を備えている。

受信部２は、例えば、図２に示すように、任意の場所に設けられる観測点において、それぞれ所定の指向特性Ｄを有し、音源から到来してくる信号を受信する、指向特性Ｄが０度方向（（基準）前方方向）に向けて配置されるマイクロホン１０Ａと、マイクロホン１０Ａに対して指向特性Ｄが９０度方向（右方向）に向けて配置されるマイクロホン１０Ｂと、マイクロホン１０Ａに対して指向特性Ｄが１８０度方向（後方方向）に向けて配置されるマイクロホン１０Ｃと、マイクロホン１０Ａに対して指向特性Ｄが２７０度方向（左方向）に向けて配置されるマイクロホン１０Ｄと、マイクロホン１０Ａ乃至マイクロホン１０Ｄに対して指向特性Ｄが垂直方向に向けて配置されるマイクロホン１０Ｅ（上方垂直方向）と、マイクロホン１０Ｅに対して指向特性Ｄが１８０度方向（下方垂直方向）に向けて配置されるマイクロホン１０Ｆとからなる。なお、受信部２は、マイクロホン１０Ａ乃至マイクロホン１０Ｄの４つで構成されていても良い。また、マイクロホンの配置において、音響中心が問題となるが、全てのマイクロホンをほぼ同一点に設置し、音響中心を揃えても良いし、任意の一点から全てのマイクロホンの音響中心までの距離が等しくなるように配置されていても良い。

また、マイクロホン１０Ａ乃至マイクロホン１０Ｆが有する指向特性Ｄは、例えば、図３に示すような汎用性の高いカーディオイド状の指向特性である。

また、受信部２は、図４に示すように、マイクロホン１０を水平方向に回転駆動する水平方向回転駆動部２０と、マイクロホン１０を垂直方向に回転駆動する垂直方向回転駆動部２１と、水平方向回転駆動部２０及び垂直方向回転駆動部２１を制御する制御部２２からなる構成であっても良い。

水平方向回転駆動部２０は、制御部２２の制御に応じてマイクロホン１０を水平方向に任意の角度回転駆動する。垂直方向回転駆動部２１は、制御部２２の制御に応じてマイクロホン１０を垂直方向に任意の角度回転駆動する。

このような構成によれば、マイクロホン１０を３次元的に駆動することが可能となり、図２に示す例のように、６つのマイクロホンで構成した場合と同様の効果を得ることができる。

また、受信部２は、図５に示すように、マイクロホン１０がターンテーブル３０上に配置されている構成であっても良い。ターンテーブル３０は、駆動部３１により制御され、マイクロホン１０を０度方向（基準方向）、９０度方向、１８０度方向及び２７０度方向に向くように順次回転駆動する。また、ターンテーブル３０によりマイクロホン１０を回転させる際に、音響中心が問題となるが、マイクロホン１０の音響中心をターンテーブル３０の回転軸Ａと一致させて、回転駆動しても良いし（図６Ａ）、マイクロホン１０の音響中心をターンテーブル３０の回転軸Ａから一定距離保ちながら、回転駆動しても良い（図６Ｂ）。

つぎに、処理部３の構成について以下に説明する。処理部３は、図２、図５に示すように、受信部２で受信された信号に基づいて信号レベルを演算する演算処理部１１と、マイクロホンの指向特性Ｄ等の各種情報が格納されているデータベース１２を備えている。

データベース１２には、音源の到来方向の判定に用いる情報と、音源の到来角度の判定に用いる情報が予め格納されているものとする。ここで、データベース１２に格納されている情報について説明する。データベース１２には、図７Ａに示すように、指向特性Ｄが０度方向（基準方向）に向いているときと、指向特性Ｄが１８０度方向に向いているときの第１の感度差データベース（図８Ａ）と、また、図７Ｂに示すように、指向特性Ｄが９０度方向に向いているときと、指向特性Ｄが２７０度方向に向いているときの第２の感度差データベース（図８Ｂ）とが格納されている。また、第１の感度差データベース及び第２の感度差データベースとから、音源の到来方向の判定に用いる領域と、音源の到来角度の判定に用いる領域とが決定される。したがって、図８から分かるように、感度差データベースの傾きが大きいところほど角度推定精度は高い、すなわち角度分解能に偏りが出ないので、後述する演算処理部１１では、この範囲を音源の到来角度の判定に用い、一方、感度差データベースの傾きはフラットであるが感度差データベースが大きい範囲を音源の到来方向の判定に用いる。

また、上述例は、２次元の場合、すなわち互いに直交するマイクロホンが４つ配置されている場合であって、３次元の場合には、上下垂直方向に指向特性が向いているときの第３の感度差データベースを演算した情報も併せてデータベース１２に格納しておく。このような構成により、３次元における音源の到来方向及び到来角度の判定が可能となる。

ここで、演算処理部１１により音源の到来方向及び到来角度を判定する手順について図９に示すフローチャートにしたがって説明する。なお、以下では、マイクロホンが０度方向（基準方向）、９０度方向、１８０度方向及び２７０度方向にそれぞれ指向特性の感度最大方向を向けて構成されている２次元の場合を想定して説明する。

ステップＳＴ１において、演算処理部１１は、受信部２から供給される信号に基づき、各方向の信号レベルを演算し、各方向の受信レベル差を算出する。受信部２は、各方向における信号を受信し、受信した信号を演算処理部１１に供給する。ここで、図１０に演算処理部１１により算出された結果を示す。０度方向（基準方向）の受信レベルは、約−１ｄＢであり、９０度方向の受信レベルは、約−１４ｄＢであり、１８０度方向の受信レベルは、約−１２ｄＢであり、２７０度方向の受信レベルは、約０ｄＢである。

ステップＳＴ２において、演算処理部１１は、ステップＳＴ１の工程で算出された各方向の受信レベルに基づき、０度方向（基準方向）と１８０度方向（以下、０度−１８０度方向という。）の受信レベル差と、９０度方向と２７０度方向（以下、９０度−２７０度方向という。）の受信レベル差をそれぞれ算出する。０度−１８０度方向の受信レベル差は、１１ｄＢ（＝−１−（−１２））であり、９０度−２７０度方向の受信レベル差は、１４ｄＢ（＝０−（−１４））である。

ステップＳＴ３において、演算処理部１１は、０度−１８０度方向の受信レベル差と、９０度−２７０度方向の受信レベル差を比較する。

ステップＳＴ４において、演算処理部１１は、ステップＳＴ３の工程により得られた比較結果に基づいて、データベース１２に格納されている第１の感度差データベース及び第２の感度差データベースから決定される音源の到来角度を判定する領域を参照し、音源の到来角度を判定する。演算処理部１１は、ステップＳＴ３の工程により得られる比較結果より、受信レベル差の小さい方、すなわち０度−１８０度方向の受信レベル差（１１ｄＢ）に基づいて音源の到来角度を判定する。演算処理部１１は、データベース１２に格納されている情報（図８Ａ）から、０度−１８０度方向の受信レベル差（１１ｄＢ）の交点が５５度若しくは３０５度であることが分かる。

つぎに、ステップＳＴ５において、演算処理部１１は、ステップＳＴ４の工程により得られた音源の到来方向に基づき、データベース１２に格納されている第１の感度差データベース及び第２の感度差データベースから決定される音源の到来方向の判定に用いる領域を参照し、音源の到来方向を確定する。演算処理部１１は、比較結果より、受信レベル差の大きい方、すなわち９０度−２７０度方向の受信レベル差（１４ｄＢ）に基づいて音源の到来方向を判定する。演算処理部１１は、データベース１２に格納されている情報（図８Ｂ）から、９０度−２７０度方向の受信レベル差（１４ｄＢ）の交点が共に１８０度〜３６０度の範囲（左方向）にあることが分かる。なお、音源の到来方向は、０度−１８０度方向のレベル差からは前（０度〜９０度および２７０度〜３６０度）か後（９０度〜２７０度）のどちらか、９０度−２７０度方向のレベル差からは右（０度〜１８０度）か左（１８０度〜３６０度）のどちらか大まかな方向が判定される。

したがって、演算処理部１１は、ステップＳＴ５の工程により得られた音源の到来方向（１８０度〜３６０度の範囲）に基づき、音源の到来角度を３０５度であると判定する。

上述は、図１１に示すように、マイクロホン１０から第１の方向（０度（基準）方向）に５．５ｍ行き、そこから第４の方向（２７０度方向）に８ｍ行った場所に配置した音源（Ａ地点）からＴＳＰ（Time Stretched Pulse,時間伸長パルス）信号（５００Ｈｚ）を発生させて、本発明に係る音源方向判定装置１により測定したものである。受信部２から音源の位置を計算すると、約３０４．５度となる。したがって、本発明に係る音源方向判定装置１では、ほとんど誤差なく音源位置を判定することができたことになる。

また、ステップＳＴ６において、演算処理部１１は、ステップＳＴ４及びステップＳＴ５の工程により得られた音源の到来角度に基づき、音源のレベルを算出する。音源のレベルは、最も大きいレベルで測定されたマイクロホンで行う。本実施例の場合には、マイクロホン１０Ａに対して指向特性Ｄが２７０度方向に向けて配置されるマイクロホン１０Ｄ（０ｄＢ）である。音源の到来角度は、ステップＳＴ５の工程により得られているので、マイクロホン１０Ｄを基準にした音源の到来角度は、３０５度−２７０度＝３５度となる。したがって、マイクロホン１０Ｄの指向方向と音源の到来方向との感度差データベースの絶対値を、当該マイクロホン１０Ｄの測定レベルに補正することにより音源のレベルを得ることができる。

なお、ステップＳＴ４の工程（音源の到来角度の判定）と、ステップＳＴ５の工程（音源の到来方向の確定）は、逆の順番であっても良い。

また、図１１に示すように、受信部２から０度（基準）方向に８ｍ行った場所に配置した音源（Ｂ地点）からＴＳＰ信号を発生させた場合の例について以下に述べる。

図１２は、演算処理部１１により受信部２から供給された信号に基づき、各方向における信号レベルを演算したものである。０度（基準）方向の受信レベルは、約０ｄＢであり、９０度方向の受信レベルは、約−６ｄＢであり、１８０度方向の受信レベルは、約−１６ｄＢであり、２７０度方向の受信レベルは、約−６ｄＢである。

また、図１２より、０度−１８０度方向の受信レベル差は、１６ｄＢ（＝０−（−１６））であり、９０度−２７０度方向の受信レベル差は、０ｄＢ（＝−６−（−６））である。

したがって、音源の到来方向の判定には、受信レベル差の大きい方、すなわち０度−１８０度方向の受信レベル差に基づいて行い、音源の到来角度の判定には、受信レベル差の小さい方、すなわち９０度−２７０度方向の受信レベル差に基づいて行う。

ゆえに、音源の到来方向は、０度−１８０度方向のレベル差（１６ｄＢ）を用いて、図８Ａから読み取ると、０度〜９０度及び２７０度〜３６０度（すなわち前方向）の範囲と判定され、また、音源の到来角度は、９０度−２７０度方向のレベル差（０ｄＢ）を用いて、図８Ｂから読み取ると、０度と判定される。

このようにして、本発明に係る音源方向判定装置１は、汎用性の高い所定の指向特性Ｄを有するマイクロホン１０を有する受信部２と、受信部２のマイクロホンの配置に応じて、予め１８０度反対向きのマイクロホンの指向特性の感度差データベース（第１の感度差データベース及び第２の感度差データベース）が格納されているデータベース１２と、受信部２から受信した各方向の受信レベルから各方向の受信レベル差を算出し、算出された各方向の受信レベル差と、データベース１２に格納されているマイクロホン１０の指向特性Ｄに基づく第１の感度差データベース及び第２の感度差データベースを参照し、音源の到来方向及び到来角度並びにレベルを判定する演算処理部１１を備えるので、１８０度反対向きの指向特性の感度差データベースを使用することにより、感度差データベース関数が直線的になり、角度分解能に偏りが生じないため、音源の到来方向、角度及びレベルをほとんど誤差なく判定することができる。

したがって、本願発明に係る音源方向判定装置１は、特殊な指向特性を有するマイクロホンではなく、汎用性の高い指向特性を有するマイクロホンを用いて音場の測定を行うため、当該測定結果に基づいて客観性の高い判定をすることができる。

＜他の実施例＞
また、本発明に係る音源方向判定装置１を応用すれば、騒音や楽音等の任意の音源に対してリアルタイム動作で音源の方向推定を行うことができ、例えば、不思議音等の騒音源や遮音の弱い箇所を特定することや、ホール等で実際に演奏している状態における空間印象のリアルタイム評価に利用することができる。以下に、実施の態様について説明する。

音源方向判定装置４０は、図１３に示すように、信号を受信（受音）する複数のマイクロホンからなる受信部４１と、受信部４１で受信された信号に対して任意の時間窓幅で時分割処理を行う時分割部４２と、時間窓幅を設定する設定部４３と、時分割部４２で時分割された信号に対してフーリエ変換を行う周波数分析部４４と、周波数分析部４４により周波数分析された信号に対して、所定の信号処理を行う処理部４５とを備えている。

受信部４１は、図２に示した受信部２と同様の構成である。なお、以下では、単一指向性のマイクロホンを４つ（マイクロホン１０Ａ〜１０Ｄ）用いた場合を想定して説明する。

時分割部４２は、設定部４３により設定された時間窓幅に基づいて、受信部４１で受信された信号を時間方向に分割する。

設定部４３は、任意の幅で時間窓を設定する。なお、設定部４３では、少なくとも、受信部４１で受信される信号の単位波長（１周期）よりも大きい幅を設定するものとする。

周波数分析部４４は、時分割部４２から出力された信号に対してフーリエ変換を行い、時間窓幅ごとに周波数分析を行う。

処理部４５は、上述した処理部３と同様の構成であり、周波数分析部４４から供給された信号に基づいて、受信部４１で受信された信号の信号レベルを演算する演算処理部１１と、マイクロホンの指向特性Ｄ等の各種情報が格納されているデータベース１２を備えている。

演算処理部１１は、図７Ａに示すように、指向特性Ｄが０度（基準）方向に向いているときと、指向特性Ｄが１８０度方向に向いているときの感度差データベースを演算し（図８Ａ）、また、図７Ｂに示すように、指向特性Ｄが９０度方向に向いているときと、指向特性Ｄが２７０度方向に向いているときの感度差データベースを演算する（図８Ｂ）。

また、既述したように、感度差データベースは、約±２０ｄＢと大きいが、演算処理部１１は、角度分解能が低い部分（傾きが緩やかな部分）により音の到来方向（前後）の判定を行い、感度差データベースが小さいが、角度分解能が高い部分（傾きが急な部分）により音の到来角度の判定を行う。

また、到来角度の算出式を一次式により近似すると以下のようになる。

※到来方向（前後）の判定式
４５度〜１３５度：θ＝−３．０８８３（Ｌ０−Ｌ１８０）＋９０ ・・・（１）
２２５度〜３１５度：θ＝３．０８８３（Ｌ０−Ｌ１８０）＋２７０ ・・・（２）
※到来角度の判定式
３１５度〜４５度：θ＝−３．０８８３（Ｌ２７０−Ｌ９０）＋３６０ ・・・（３）
１３５度〜２２５度：θ＝３．０８８３（Ｌ２７０−Ｌ９０）＋１８０ ・・・（４）
但し、θは、角度を示し、Ｌ０、Ｌ９０、Ｌ１８０、Ｌ２７０は、それぞれ、０度、９０度、１８０度、２７０度の方向に向けられているマイクロホンのレベルを示している。

また、（３）式において、θの値が３６０を超えた場合には、得られた値から３６０を差し引くこととする。また、上述した（１）式乃至（４）式は、データベース１２に格納されるものであるが、その場合には、上述した第１の感度差データベース及び第２の感度差データベースは、データベース１２には格納されないものとする。

ここで、音源方向判定装置４０により、異なる二つの音源から所定の信号を出力した場合に、それぞれの音の到来方向を演算した結果について説明する。

具体的には、図１４に示すように、マイクロホン１０から一の方向（３２４度）に音源（Ｃ地点）を配置し、また、マイクロホン１０から他の方向（３７度）に音源（Ｄ地点）を配置した。

＜Ｃ地点からホワイトノイズ、男声アナウンスを出力した場合＞
まず、音源（Ｃ地点）から５秒間連続して出力された定常音と、同様に音源（Ｃ地点）から５秒間連続して出力された変動音について、音源方向判定装置４０によりリアルタイムに音の到来方向を算出した結果を以下に示す。なお、定常音は、ホワイトノイズであり、変動音は、男声アナウンスである。また、測定においては、暗騒音（back ground noise）による影響を回避するため、ＳＮ比が１０ｄＢ及び３０ｄＢの状況を想定し、４方向のマイクロホンに無相関のピンクノイズを加算した。

ここで、ホワイトノイズを処理した結果を図１５に示し、男声アナウンスを処理した結果を図１６に示す。また、設定部４３により、窓関数（矩形窓）を変化させた場合における到来角度の算出値の違いと、時間幅の違いを比較検討した結果を図１７に示す。なお、到来角度の算出は、上述した（１）式乃至（４）式を用いて、１オクターブバンド毎に算出した。また、図１７Ａでは、ホワイトノイズを時間窓毎のエネルギーで重み付けをした荷重平均角度により表しており、図１７Ｂでは、男声アナウンスを時間窓毎のエネルギーで重み付けをした荷重平均角度により表している。

これらの結果から、変動音、定常音共にばらつきはあるものの、実際の音源方向（３２４度）に近い値で方向推定できていることが分かる。また、時間窓幅の影響については、「４０９６」及び「３２７６８」共にほとんど変化が無かった。このように数ｃｍの小さいサイズのマイクロホンシステムにも関わらず、低音域から高音域までほぼ同精度で方向推定ができている。

＜Ｃ地点から男声アナウンスを出力し、同時にＤ地点から女声アナウンスを出力した場合＞
つぎに、音源（Ｃ地点）から男声アナウンスが出力され、また、同時に、音源（Ｄ地点）から女声アナウンスが出力されたときに、音源方向判定装置４０によりリアルタイムに音の到来方向を算出した結果を以下に示す。なお、測定においては、暗騒音（back ground noise）による影響を回避するため、ＳＮ比が１０ｄＢ及び３０ｄＢの状況を想定し、４方向のマイクロホンに無相関のピンクノイズを加算した。

図１８は、各時間窓内エネルギーの到来方向と大きさを円によって表現したものである。これを見ると、５００Ｈｚ（図１８Ａ）及び２ｋＨｚ（図１８Ｂ）ともに大きいエネルギーが音源方向の３２４度付近と、３７度付近に連なっており、２つの音源方向を分離抽出できているのが分かる。

また、ＳＮ比が１０ｄＢと３０ｄＢの暗騒音がある状態での方向推定の結果をそれぞれ図１９及び図２０に示す。

ＳＮ比が１０ｄＢの暗騒音がある状態における結果を見ると、５００Ｈｚ（図１９Ａ）及び２ｋＨｚ（図１９Ｂ）ともに到来角度を推定するまでには至らなかったが、３１５度〜４５度の範囲の方向から音が到来していることは推察できる。

一方で、ＳＮ比が３０ｄＢの暗騒音がある状態における見ると、ノイズの影響はほとんど無く、５００Ｈｚ（図２０Ａ）及び２ｋＨｚ（図２０Ｂ）ともに、音源を分離して到来角度を推定できている。つまり、ＳＮ比が１０ｄＢ以下では推定精度が低くなることが分かった。

しかし、図１９から明らかなように、ノイズに対する結果は、０度、９０度、１８０度、２７０度とマイクロホンの軸方向に算出される傾向があり、これを逆手に取れば、音源を統計的に分離することができるものと推察される。

このようにして、本発明に係る音源方向判定装置４０は、信号を受信（受音）する複数のマイクロホンからなる受信部４１と、受信部４１で受信された信号に対して任意の時間窓幅で時分割処理を行う時分割部４２と、時間窓幅を設定する設定部４３と、時分割部４２で時分割された信号に対してフーリエ変換を行う周波数分析部４４と、周波数分析部４４により周波数分析された信号に対して、所定の信号処理を行う処理部４５とを備えるので、騒音や楽音等の任意の音源に対してリアルタイム動作で音源の方向推定を行うことができる。

＜応用例＞
また、本発明に係る音源方向判定装置４０と、映像を撮像する映像撮像装置を組み合わせることにより、様々な利用形態が考えられる。

例えば、映像撮像装置と音源方向判定装置４０とを一体的に構成するものが考えられる。なお、本構成には、映像撮像装置により撮像された映像に、音源方向判定装置４０により音源の方向を判定した結果を重ね合わせる重合部と、重合部によって重合された結果を表示する表示部が備えられているものとする。

例えば、遮音が要求される部屋から音が漏れているときに、当該装置を遮音室のドアに向けて撮像し、撮像した映像に漏れ音の到来方向とそのレベルを重ね合わせることにより、当該ドアのどの位置から、どのくらいのレベルの音が漏れているのかを視覚的に提供することができる。

また、例えば、音源方向判定装置４０による音源方向の判定結果を監視カメラに通知するような構成にするものが考えられる。なお、本構成においては、音源方向判定装置４０による音源方向の判定結果に基づいて、監視カメラの撮像方向を調整する調整部が備えられているものとする。

例えば、部屋の所定位置に本構成に係る装置を備えておき、この部屋に侵入した者が音を立てた場合に、音源方向判定装置４０によって音の到来方向を判定し、当該判定結果に基づいて、監視カメラの撮像方向を調整することにより、侵入者を監視カメラによって捉えることが可能になる。

また、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施例に限定されるものではなく、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な変更、置換又はその同等のものを行うことができることは勿論である。

以上詳細に説明したように、本発明に係る音源方向判定装置及び方法は、特殊な指向特性を有するマイクロホンではなく、汎用性の高い指向特性を有するマイクロホンを用いて音場の測定を行うため、当該測定結果に基づいて客観性の高い判定をすることができる。

また、本発明に係る音源方向判定装置及び方法は、音源の到来方向及び到来角度の判定に、マイクロホンの構成に応じた、１８０度反対向きの指向特性の感度差を使用するので、感度差関数が直線的になり、角度分解能に偏りが生じないため、音源の到来方向、角度及びレベルをほとんど誤差なく正確に判定することができる。

Claims (8)

1. 任意の場所に設けられる観測点において、それぞれ所定の指向特性を有し、音源から到来してくる信号を受信する、指向特性の感度最大方向を基準方向に向けて配置される第１の受信部と、上記基準方向に対して指向特性の感度最大方向を９０度方向に向けて配置される第２の受信部と、上記基準方向に対して指向特性の感度最大方向を１８０度方向に向けて配置される第３の受信部と、上記基準方向に対して指向特性の感度最大方向を２７０度方向に向けて配置される第４の受信部とからなる受信手段と、
   上記所定の指向特性が基準方向に向いている上記第１の受信部と、上記所定の指向特性が上記基準方向に対して１８０度方向に向いている上記第３の受信部の角度ごとの感度差である第１の感度差データベースと、上記所定の指向特性が上記基準方向に対して、９０度方向に向いている上記第２の受信部と、２７０度方向に向いている上記第４の受信部の角度ごとの感度差である第２の感度差データベースとを格納する格納手段と、
   上記第１の受信部で受信した信号と、上記第３の受信部で受信した信号のレベル差を算出する第１の演算手段と、
   上記第２の受信部で受信した信号と、上記第４の受信部で受信した信号のレベル差を算出する第２の演算手段と、
   上記第１の演算手段で得られた演算結果と、上記第２の演算手段で得られた演算結果を比較し、当該比較結果に基づき、上記格納手段に格納されている上記第１の感度差データベース及び上記第２の感度差データベースから音源の到来角度を判定する領域として決定される感度差が変化する傾きの大きな領域の感度差を参照し、音源の到来角度を判定する到来角度判定手段と、
   上記到来角度判定手段により得られた判定結果に基づき、上記格納手段に格納されている上記第１の感度差データベース及び上記第２の感度差データベースから音源の到来方向の判定に用いる領域として決定される感度差が変化する傾きの小さな領域の感度差を参照し、音源の到来方向を確定する到来方向確定手段とを備えることを特徴とする音源方向判定装置。
2. 上記到来方向確定手段により得られた音源の到来角度と、各受信部で受信した信号のレベルと、各受信部の方向別感度とに基づき、当該音源のレベルを算出するレベル算出手段を備えることを特徴とする請求項１記載の音源方向判定装置。
3. 上記受信手段は、上記第１の受信部、上記第２の受信部、上記第３の受信部及び上記第４の受信部に対して指向特性が垂直方向に向けて配置される第５の受信部と、上記第５の受信部に対して指向特性が１８０度方向に向けて配置される第６の受信部とを有し、
   上記第５の受信部で受信した信号と、上記第６の受信部で受信した信号のレベル差を算出する第３の演算手段とを備え、
   上記格納手段は、上記所定の指向特性が、垂直方向に向いているときと、上記垂直方向に対して１８０度方に向いているときの第３の感度差データベースを有しており、
   上記到来角度判定手段は、上記第１の演算手段で得られた演算結果と、上記第２の演算手段で得られた演算結果と、上記第３の演算手段で得られた演算結果とを比較し、当該比較結果に基づき、上記格納手段に格納されている上記第１の感度差データベース、上記第２の感度差データベース及び上記第３の感度差データベースから音源の到来角度を判定する領域として決定される感度差が変化する傾きの大きな領域の感度差を参照し、音源の到来角度を判定し、
   上記到来方向確定手段は、上記到来角度判定手段により得られた判定結果に基づき、上記格納手段に格納されている上記第１の感度差データベース、上記第２の感度差データベース及び上記第３の感度差データベースから音源の到来方向を判定する領域として決定される感度差が変化する傾きの小さな領域の感度差を参照し、音源の到来方向を確定することを特徴とする請求項１記載の音源方向判定装置。
4. 任意の場所に設けられる観測点において、それぞれ所定の指向特性を有し、音源から到来してくる信号を受信し、指向特性の感度最大方向を基準方向に向けて配置される第１の受信部で受信した信号と、上記基準方向に対して指向特性の感度最大方向を１８０度方向に向けて配置される第３の受信部で受信した信号のレベル差を算出する第１の演算工程と、
   上記基準方向に対して指向特性の感度最大方向を９０度方向に向けて配置される第２の受信部で受信した信号と、上記基準方向に対して指向特性の感度最大方向を２７０度方向に向けて配置される第４の受信部で受信した信号のレベル差を算出する第２の演算工程と、
   上記第１の演算工程で得られた演算結果と、上記第２の演算工程で得られた演算結果を比較し、当該比較結果に基づき、上記所定の指向特性が基準方向に向いているときと、上記所定の指向特性が上記基準方向に対して１８０度方向に向いているときの第１の感度差データベースと、上記所定の指向特性が上記基準方向に対して、９０度方向に向いているときと、２７０度方向に向いているときの第２の感度差データベースから音源の到来角度を判定する領域として決定される感度差が変化する傾きの大きな領域の感度差を参照し、音源の到来角度を判定する到来角度判定工程と、
   上記到来角度判定工程により得られた判定結果に基づき、上記第１の感度差データベース及び上記第２の感度差データベースから音源の到来方向を判定する領域として決定される感度差が変化する傾きの小さな領域の感度差を参照し、音源の到来方向を確定する到来方向確定工程とを備えることを特徴とする音源方向判定方法。
5. 所定の指向特性を有し、音源から到来してくる信号を受信する受信手段と、
   上記受信手段を、任意の場所に設けられる観測点において、指向特性の感度最大方向を基準方向、上記基準方向に対して、９０度方向、１８０度方向及び２７０度方向に向くように回転駆動する回転駆動手段と、
   上記所定の指向特性が上記基準方向に向いているときと、上記所定の指向特性が上記基準方向に対して１８０度方向に向いているときの第１の感度差データベースと、上記所定の指向特性が上記基準方向に対して、９０度方向に向いているときと、２７０度方向に向いているときの第２の感度差データベースを格納する格納手段と、
   上記受信手段の指向特性が上記基準方向に向いているときに受信した信号と、上記受信手段の指向特性が上記基準方向に対して１８０度方向に向いているときに受信した信号のレベル差を算出する第１の演算手段と、
   上記受信手段の指向特性が上記基準方向に対して、９０度方向に向いているときに受信した信号と、２７０度方向に向いているときに受信した信号のレベル差を算出する第２の演算手段と、
   上記第１の演算手段で得られた演算結果と、上記第２の演算手段で得られた演算結果を比較し、当該比較結果に基づき、上記格納手段に格納されている上記第１の感度差データベース及び上記第２の感度差データベースから音源の到来角度を判定する領域として決定される感度差が変化する傾きの大きな領域の感度差を参照し、音源の到来角度を判定する到来角度判定手段と、
   上記到来角度判定手段により得られた判定結果に基づき、上記格納手段に格納されている上記第１の感度差データベース及び上記第２の感度差データベースからから音源の到来方向を判定する領域として決定される感度差が変化する傾きの小さな領域の感度差を参照し、音源の到来方向を確定する到来方向確定手段とを備えることを特徴とする音源方向判定装置。
6. 上記到来方向確定手段で得られた音源の到来角度と、各受信部で受信した信号のレベルと、各受信部の方向別感度とに基づき、当該音源のレベルを算出するレベル算出手段を備えることを特徴とする請求項５記載の音源方向判定装置。
7. 上記回転駆動手段は、上記受信手段の指向特性の感度最大方向を、任意の場所に設けられる観測点において、基準方向、上記基準方向に対して、９０度方向、１８０度方向、２７０度方向及び上下垂直方向に回転駆動する構成であり、
   上記受信手段が上記基準方向に対して一方の垂直方向に向いているときに受信した信号と、上記受信手段が他方の垂直方向に向いているときに受信した信号のレベル差を算出する第３の演算手段とを備え、
   上記格納手段は、上記所定の指向特性が上記基準方向に対して上下垂直方向に向いているときの第３の感度差データベースを有しており、
   上記到来角度判定手段は、上記第１の演算手段で得られた演算結果と、上記第２の演算手段で得られた演算結果と、上記第３の演算手段で得られた演算結果を比較し、当該比較結果に基づき、上記格納手段に格納されている上記第１の感度差データベース、上記第２の感度差データベース及び上記第３の感度差データベースから音源の到来角度を判定する領域として決定される感度差が変化する傾きの大きな領域の感度差を参照し、音源の到来角度を判定し、
   上記到来方向確定手段は、上記到来角度判定手段により得られた判定結果に基づき、上記格納手段に格納されている上記第１の感度差データベース、上記第２の感度差データベース及び上記第３の感度差データベースから音源の到来方向を判定する領域として決定される感度差が変化する傾きの小さな領域の感度差を参照し、音源の到来方向を確定することを特徴とする請求項５記載の音源方向判定装置。
8. 所定の指向特性を有し、音源から到来してくる信号を受信する受信部の指向特性が基準方向に向いているときに受信した信号と、上記基準方向に対して１８０度方向に向いているときに受信した信号のレベル差を算出する第１の演算工程と、
   上記受信部の指向特性が上記基準方向に対して、９０度方向に向いているときに受信した信号と、２７０度方向に向いているときに受信した信号のレベル差を算出する第２の演算工程と、
   上記第１の演算工程で得られた演算結果と、上記第２の演算工程で得られた演算結果を比較し、当該比較結果に基づき、上記所定の指向特性が上記基準方向に向いているときと、上記所定の指向特性が上記基準方向に対して１８０度方向に向いているときの第１の感度差データベースと、上記所定の指向特性が上記基準方向に対して、９０度方向に向いているときと、２７０度方向に向いているときの第２の感度差データベースから音源の到来角度を判定する領域として決定される感度差が変化する傾きの大きな領域の感度差を参照し、音源の到来角度を判定する到来角度判定工程と、
   上記到来角度判定工程により得られた判定結果に基づき、上記第１の感度差データベース及び上記第２の感度差データベースから音源の到来方向を判定する領域として決定される感度差が変化する傾きの小さな領域の感度差を参照し、音源の到来方向を確定する到来方向確定工程とを備えることを特徴とする音源方向判定方法。

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