JP5017808B2 - 雑音除去装置及びそのプログラム - Google Patents

Description

本発明は、自動車の車内音から雑音を除去する技術に関する。

自動車内の乗員間の会話や乗員と車外の相手との会話のやり取りを円滑に行わせるための種々の仕組みが提案されている。
特許文献１に開示された会話支援装置は、車室内の複数の座席の各々にマイクとスピーカの対を備え付け、ある座席のマイクが収音した声を他の座席のスピーカから放音させる。この技術によれば、座席に着座した特定の乗員間における会話のやり取りを円滑に行わせることができる。

ところで、自動車が実際に走行する際は、エンジン音、ロードノイズ、風きり音などといった騒音が不可避的に発生し、この騒音こそが乗員らによる円滑な会話を妨げる最も大きな要因となっている。車室内の騒音をキャンセルする仕組みについては、特許文献２などにその開示がある。この文献に開示された消音システムは、車室内のマイクにより収音した音声の音声信号にそれと逆位相の音声信号を重畳してからスピーカより放音する。この技術によると、車内を無音状態に保つことはできるものの、騒音だけでなく乗員の発言までもキャンセルされてしまうということになる。よって、円滑な会話を支援するという用途には不向きであるといえる。

一方、特許文献３や４には、スペクトルサブトラクションと呼ばれる手法を用いることにより、車内音から騒音だけをキャンセルするようにした技術の開示がある。スペクトルサブトラクションとは、雑音を含む音声をフーリエ変換して得たパワースペクトルから予め推定しておいた雑音のパワースペクトルを差し引き、残りのパワースペクトルをフーリエ逆変換することで、雑音のキャンセルされた音声を取得する手法である。
特開平１１−３４２７９９号公報 特開２００４−１９１８７１号公報 特開２００１−２２８８９２号公報 特開２００１−２１５９９２号公報

路上を走行している自動車内で発生する雑音のパワースペクトルは、エンジンの回転数、防音性能といった諸条件に依存して大きく変わることが知られている。しかしながら、特許文献３や４に開示された類の技術では、それらの諸条件の変動がパワースペクトルの推定に何ら反映されない構成となっており、走行中の自動車の車内音から雑音を精度よくキャンセルすることは極めて難しかった。
本発明は、このような背景の下に案出されたものであり、自動車内の乗員間や乗員と車外の相手との間で、雑音のキャンセルされたクリアな発言の伝達を実現させることを目的とする。

本発明の別の好適な態様である車内音雑音除去装置は、車両の走行状態を示す状態値を検出する状態検出手段と、車内音を収音する収音手段と、雑音を形成する基本周波数成分及びその倍音周波数成分のスペクトルパワー比を示す比率情報を記憶した記憶手段と、前記収音手段が収音した車内音に所定の変換処理を施し、その車内音の特徴を示す車内音スペクトルを取得する変換手段と、前記検出した状態値を所定の関数に作用させることによって当該車両の走行状態に依存した雑音の基本周波数成分の周波数位置を求めると共に、その基本周波数を整数倍した倍音周波数成分の周波数位置を求める雑音周波数推定手段と、前記記憶手段に記憶された比率情報を読み出す比率情報読出手段と、前記雑音周波数推定手段が求めた周波数位置の各々に前記読み出した比率情報に応じたスペクトルパワーを割り当てることによって雑音の特徴を示す雑音スペクトルを取得する雑音スペクトル推定手段と、前記取得した雑音スペクトルを前記取得した車内音スペクトルから差し引くスペクトルサブトラクト手段と、前記雑音スペクトルを差し引いた残りのスペクトルに逆変換処理を施し、雑音の除去された車内音を取得する逆変換手段と、前記逆変換手段が取得した車内音を出力する出力手段とを備える。

本発明の別の好適な態様である車内音雑音除去装置は、自動車の走行制御機構の一部を成す第１のデバイスの稼動状態を示す状態値を検出する第１の状態検出手段と、自動車の走行制御機構の一部を成す前記第１のデバイスとは別の第２のデバイスの稼動状態を示す状態値を取得する第２の状態検出手段と、車内音を収音する収音手段と、雑音を形成する基本周波数成分及びその倍音周波数成分のスペクトルパワー比を夫々示す各比率情報と前記第２のデバイスの稼動状態を夫々示す各状態値とを対応付けて記憶した記憶手段と、前記収音手段が収音した車内音に所定の変換処理を施し、その車内音の特徴を示す車内音スペクトルを取得する変換手段と、前記第１の状態検出手段が検出した状態値を所定の関数に作用させることによって雑音の基本周波数成分の周波数位置を求めると共に、その基本周波数を整数倍した倍音周波数成分の周波数位置を求める雑音周波数推定手段と、前記第２の状態検出手段が検出した状態値と対応付けて前記記憶手段に記憶された比率情報を読み出す比率情報読出手段と、前記雑音周波数推定手段が求めた周波数位置の各々に前記読み出した比率情報に応じたスペクトルパワーを割り当てることによって雑音の特徴を示す雑音スペクトルを取得する雑音スペクトル推定手段と、前記取得した雑音スペクトルを前記取得した車内音スペクトルから差し引くスペクトルサブトラクト手段と、前記雑音スペクトルを差し引いた残りのスペクトルに逆変換処理を施し、雑音の除去された車内音を取得する逆変換手段と、前記逆変換手段が取得した車内音を出力する出力手段とを備える。

本発明の別の好適な態様であるプログラムは、車両の走行状態を示す状態値を検出する状態検出手段、車内音を収音する収音手段、及び雑音を形成する基本周波数成分とその倍音周波数成分のスペクトルパワー比を示す比率情報を記憶した記憶手段を備えたコンピュータ装置に、前記収音した車内音に所定の変換処理を施し、その車内音の特徴を示す車内音スペクトルを取得する変換機能と、前記検出した状態値を所定の関数に作用させることによって当該車両の走行状態に依存した雑音の基本周波数成分の周波数位置を求めると共に、その基本周波数を整数倍した倍音周波数成分の周波数位置を求める雑音周波数推定機能と、前記記憶手段に記憶された比率情報を読み出す比率情報読出機能と、前記雑音周波数推定機能によって求められた周波数位置の各々に前記読み出した比率情報に応じたスペクトルパワーを割り当てることによって雑音の特徴を示す雑音スペクトルを取得する雑音スペクトル推定機能と、前記取得した雑音スペクトルを前記取得した車内音スペクトルから差し引くスペクトルサブトラクト機能と、前記雑音スペクトルを差し引いた残りのスペクトルに逆変換処理を施し、雑音の除去された車内音を取得する逆変換機能と、前記逆変換機能によって取得された車内音を出力する出力機能とを実現させる。

本発明の別の好適な態様であるプログラムは、自動車の走行制御機構の一部を成す第１のデバイスの稼動状態を示す状態値を検出する第１の状態検出手段、自動車の走行制御機構の一部を成す前記第１のデバイスとは別の第２のデバイスの稼動状態を示す状態値を取得する第２の状態検出手段、車内音を収音する収音手段、及び雑音を形成する基本周波数成分とその倍音周波数成分のスペクトルパワー比を夫々示す各比率情報を前記第２のデバイスの稼動状態を夫々示す各状態値と対応付けて記憶した記憶手段を備えたコンピュータ装置に、前記収音した車内音に所定の変換処理を施し、その車内音の特徴を示す車内音スペクトルを取得する変換機能と、前記第１の状態検出手段が検出した状態値を所定の関数に作用させることによって雑音の基本周波数成分の周波数位置を求めると共に、その基本周波数を整数倍した倍音周波数成分の周波数位置を求める雑音周波数推定機能と、前記第２の状態検出手段が検出した状態値と対応付けて前記記憶手段に記憶された比率情報を読み出す比率情報読出機能と、前記雑音周波数推定機能により求められた周波数位置の各々に前記読み出した比率情報に応じたスペクトルパワーを割り当てることによって雑音の特徴を示す雑音スペクトルを取得する雑音スペクトル推定機能と、前記取得した雑音スペクトルを前記取得した車内音スペクトルから差し引くスペクトルサブトラクト機能と、前記雑音スペクトルを差し引いた残りのスペクトルに逆変換処理を施し、雑音の除去された車内音を取得する逆変換機能と、前記逆変換機能によって取得された車内音を出力する出力機能とを実現させる。

本発明によると、自動車内の乗員間や乗員と車外の相手との間で、雑音のキャンセルされたクリアな発言の伝達を実現させることができる。

（第１実施形態）
本願発明の第１実施形態について説明する。
本実施形態は、以下の３つの特徴を有する。１つ目の特徴は、様々な走行状態の自動車の車室内で発生するであろう雑音のパワースペクトル（以下、「雑音スペクトル」と呼ぶ）を予め推定してデータベース化しておくようにした点である。
２つ目の特徴は、走行中の自動車の車内音をマイクによって収音すると共に、その走行状態を決定付ける要素の１つである車速をセンサによって検出するようにした点である。
３つ目の特徴は、走行中に収音される車内音のパワースペクトル（以下、「車内音スペクトル」と呼ぶ）を求める一方で現在の車速に応じた雑音スペクトルをデータベースから抽出し、雑音スペクトルを車内音スペクトルから差し引いた残りのスペクトルから得た音声信号を雑音の除去された車内音として車外へ無線送信するようにした点である。

図１は、本実施形態にかかる車室内雑音除去システムの物理的構成を示すブロック図である。図に示すように、本システムは、収音部１０、車速検出部２０、記憶部３０、無線通信部４０、及び制御部５０を備える。
収音部１０は、運転席の近傍に備え付けられたマイクロホンであり、車内音を収音して得た音声信号を制御部５０へ供給する。
車速検出部２０は、車速を検出する速度センサであり、車速を検出してその検出結果を示す車速値を制御部５０へ供給する。

記憶部３０は、不揮発性の記憶素子であり、雑音スペクトルデータベース３１を有している。この雑音スペクトルデータベース３１は、車速を離散的に示す各車速値とそれらの各車速で走行している自動車の車室内で発生するであろう雑音の雑音スペクトルとを各々対応付けて記憶する。
雑音スペクトルデータベース３１に記憶される各雑音スペクトルは、以下の手順に従って取得される。まず、本システムを搭載させる自動車をその車速を切り替えながら走行させ、走行中に車室外から車室内へ漏出してくる雑音に個別に記録する。ここで、車室内に漏出する雑音には、エンジンのシリンダの爆発音のほか、ボディの風切り音やタイヤと路面の接触音であるロードノイズなどが含まれ得る。続いて、記録した各雑音の音声信号にフーリエ変換を施す。このフーリエ変換により、雑音の波形の特徴を各周波数毎のパワーとして示す雑音スペクトルが得られる。最後に、得られた各雑音スペクトルに車速値をインデックスとして対応付けた上で、データベースに記憶する。

制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを内蔵する。ＲＯＭには、本実施形態に特徴的な機能を実現する固有のプログラムが記憶されており、ＣＰＵは、ＲＡＭをワークエリアとして利用しつつこのプログラムを実行する。制御部５０の振る舞いの詳細については詳述する。
無線通信部４０は、制御部５０から供給される音声信号を無線信号として車外の通信機器（例えば、携帯電話）へと発信する。

図２は、制御部５０の機能の論理的構成を示すブロック図である。図に示すように、制御部５０は、雑音スペクトル読出部５１、フーリエ変換部５２、車内音スペクトル取得部５３、位相情報取得部５４、スペクトルサブトラクト部５５、及びフーリエ逆変換部５６からなる。各部の機能について概説すると、雑音スペクトル読出部５１は、車速検出部２０から供給されてくる車速値と対応する雑音スペクトルを雑音スペクトルデータベース３１から読み出す。また、フーリエ変換部５２は、収音部１０から供給される車内音の音声信号にフーリエ変換を施す。このフーリエ変換により、車内音の波形の特徴を各周波数毎のパワーとして示す車内音スペクトル及びその位相を示す位相情報が取得される。車内音スペクトル取得部５３は、フーリエ変換により得られた車内音スペクトルをスペクトルサブトラクト部５５へ供給する。また、位相情報取得部５４は、位相情報をフーリエ逆変換部５６へ供給する。

スペクトルサブトラクト部５５は、車内音スペクトルから雑音スペクトルを差し引き、その残りのスペクトルをフーリエ逆変換部５６へ供給する。フーリエ逆変換部５６は、スペクトルサブトラクト部５５から供給されたスペクトルに対して位相情報取得部５４から供給された位相情報に応じたフーリエ逆変換を施す。このフーリエ逆変換により、雑音の除去された車内音の音声信号が取得される。取得された音声信号は、無線通信部４０へと供給され、同部４０から車外へ発信される。

以上説明した本実施形態では、予め想定された各走行状態にある自動車の車室内で発生するであろう雑音のパワースペクトルを推定してデータベース化しておき、走行中の自動車の車内音のパワースペクトルから差し引く雑音のパワースペクトルを、その時点の車速に応じてデータベースから抽出してスペクトルサブトラクトを行うようになっている。これにより、走行状態の変化に対応した高精度の雑音除去が実現され、車室内の乗員と車室外の相手との間の発言のやり取りを円滑化できる。

（第２実施形態）
本願発明の第２実施形態について説明する。
本実施形態は、車両の走行状態を決定付ける要素の１つであるエンジンの回転数とアクセルの開度とをセンサによって検出する。そして、エンジンの回転数を所定の算出式に入力することによって雑音を形成する基本周波数成分と倍音周波数成分の周波数位置を求めた後、求めた各周波数のスペクトルパワーをアクセルの開度に応じて個別に割り当てることにより、雑音スペクトルを求める。
図３は、本実施形態にかかる車室内雑音除去システムの物理的構成を示すブロック図である。本システムは、収音部１０、記憶部３０、無線通信部４０、制御部５０、エンジン回転数検出部６０、及びアクセル開度検出部７０を備える。

エンジン回転数検出部６０は、エンジンの近傍に備え付けられたセンサであり、エンジンの回転数を検出してその検出結果を示す回転数値を制御部５０へ供給する。
アクセル開度検出部７０は、アクセルの近傍に備え付けられたセンサであり、アクセルの開度を検出してその検出結果を示す開度値を制御部５０へ供給する。

記憶部３０は、基本周波数算出関数３２とスペクトル比率データベース３３とを記憶する。
基本周波数算出関数３２は、エンジンの回転数を入力値として雑音の基本周波数ｆ０を出力するための算出式である。この関数の内容は、本システムを搭載する自動車のエンジンの駆動形式に応じて異なるものとなる。例えば、４サイクルエンジンを搭載した自動車に本システムを搭載する場合、基本周波数算出関数３２は、以下のような内容となる。この式の入力値ｒは、１分あたりのエンジンの回転数値（回／分）である。
（数１）
ｆ０＝ｒ／（６０×２）（Ｈｚ）

スペクトル比率データベース３３は、アクセルの開度を離散的に示す各開度値と比率情報とを対応付けて記憶している。比率情報は、雑音を構成する基本周波数の周波数成分とその整数倍の各周波数の周波数成分（倍音成分）のスペクトルパワー比率を示す情報である。

図４は、制御部５０の機能の論理的構成を示すブロック図である。図に示すように、制御部５０は、雑音スペクトル読出部５１を有しない代わりに、周波数推定部５７及びスペクトル推定部５８を備える。これら両部の振る舞いについて概説すると、まず、周波数推定部５７は、エンジン回転数検出部６０から供給された回転数値を基本周波数算出関数３２に入力することによってそのエンジン回転数に依存して発生するであろう雑音の基本周波数成分の周波数位置を特定し、更に、その周波数位置の整数倍にあたる倍音周波数成分の周波数位置を特定する。

スペクトル推定部５８は、アクセル開度検出部７０から供給された開度値と対応する比率情報をスペクトル比率データベース３３から読み出す。そして、周波数推定部５７によって特定された周波数位置の基本周波数成分及び倍音周波数成分の各々に、比率情報に応じたスペクトルパワーを割り当てる。これにより、雑音の特徴を基本周波数と倍音周波数のパワーとして示す雑音スペクトルが取得される。取得された雑音スペクトルは、第１実施形態と同様に、スペクトルサブトラクト部５５にて車内音スペクトルから差し引かれることになる。

以上説明した本実施形態では、エンジンの回転数値を基本周波数算出関数３２に作用させることによって雑音の基本周波数及び倍音周波数の周波数位置を特定し、アクセルの開度と対応する比率情報を基にそれらの各周波数へパワーを割り振ることによって雑音スペクトルを取得する。このような構成によっても、走行状態の変化に対応した高精度の雑音除去を実現させることができる。

（他の実施形態）
本実施形態は、種々の変形実施が可能である。
第２実施形態では、アクセルの開度値に依存した各周波数成分のパワースペクトル比率を示す比率情報をスペクトル比率データベース３３に記憶させておき、このスペクトル比率データベース３３から抽出した比率情報に応じた各スペクトルパワーをエンジンの回転数から求めた基本周波数成分及び倍音周波数成分に割り振ることにより、雑音スペクトルを求めていた。これに対し、スペクトル比率データベース３３に記憶させる比率情報を、自動車のボディの遮音性能や車速や、車速やエンジン回転数の単位時間当たりの変化量などといったような、アクセルの開度とはまた別の要素に依存した内容としてもよい。但し、自動車のボディの遮音性能は、走行状態に応じて変動するという性質を有し得ないため、この変形例の場合、スペクトル比率データベース３３には、基本周波数成分及び倍音周波数成分のパワースペクトル比率を示す１つの比率情報が記憶されることになる。そして、エンジンの回転数から基本周波数成分とその倍音周波数成分の周波数位置が求められた後、スペクトル比率データベース３３に記憶された比率情報を読み出し、その比率情報に従って各周波数成分のスペクトルパワーが割り振られることになる。
上記両実施形態は、本願発明を、自動車の車内音を車室外へ無線送信する態様を説明したが、本願発明の用途はこれに限られない。例えば、バスの運転席に、収音部１０を備え付け、この収音部１０を介して収音された乗務員の音声から雑音を除去した上で車室内後方のスピーカから放音させるといった用途にも適用可能である。

車室内雑音除去システムの物理的構成図である。 制御部の論理的構成図である。 車室内雑音除去システムの物理的構成図である。 制御部の論理的構成図である。

符号の説明

１０…収音部、２０…車速検出部、３０…記憶部、３１…雑音スペクトルデータベース、４０…無線通信部、５０…制御部、５１…雑音スペクトル読出部、５２…フーリエ変換部、５３…車内音スペクトル取得部、５４…位相情報取得部、５５…スペクトルサブトラクト部、５６…フーリエ逆変換部、５７…周波数推定部、５８…スペクトル推定部、６０…エンジン回転数検出部、７０…アクセル開度検出部

Claims (4)

1. 車両の走行状態を示す状態値を検出する状態検出手段と、
   車内音を収音する収音手段と、
   雑音を形成する基本周波数成分及びその倍音周波数成分のスペクトルパワー比を示す比率情報を記憶した記憶手段と、
   前記収音手段が収音した車内音に所定の変換処理を施し、その車内音の特徴を示す車内音スペクトルを取得する変換手段と、
   前記検出した状態値を所定の関数に作用させることによって当該車両の走行状態に依存した雑音の基本周波数成分の周波数位置を求めると共に、その基本周波数を整数倍した倍音周波数成分の周波数位置を求める雑音周波数推定手段と、
   前記記憶手段に記憶された比率情報を読み出す比率情報読出手段と、
   前記雑音周波数推定手段が求めた周波数位置の各々に前記読み出した比率情報に応じたスペクトルパワーを割り当てることによって雑音の特徴を示す雑音スペクトルを取得する雑音スペクトル推定手段と、
   前記取得した雑音スペクトルを前記取得した車内音スペクトルから差し引くスペクトルサブトラクト手段と、
   前記雑音スペクトルを差し引いた残りのスペクトルに逆変換処理を施し、雑音の除去された車内音を取得する逆変換手段と、
   前記逆変換手段が取得した車内音を出力する出力手段と
   を備えた雑音除去装置。
2. 自動車の走行制御機構の一部を成す第１のデバイスの稼動状態を示す状態値を検出する第１の状態検出手段と、
   自動車の走行制御機構の一部を成す前記第１のデバイスとは別の第２のデバイスの稼動状態を示す状態値を取得する第２の状態検出手段と、
   車内音を収音する収音手段と、
   雑音を形成する基本周波数成分及びその倍音周波数成分のスペクトルパワー比を夫々示す各比率情報と前記第２のデバイスの稼動状態を夫々示す各状態値とを対応付けて記憶した記憶手段と、
   前記収音手段が収音した車内音に所定の変換処理を施し、その車内音の特徴を示す車内音スペクトルを取得する変換手段と、
   前記第１の状態検出手段が検出した状態値を所定の関数に作用させることによって雑音の基本周波数成分の周波数位置を求めると共に、その基本周波数を整数倍した倍音周波数成分の周波数位置を求める雑音周波数推定手段と、
   前記第２の状態検出手段が検出した状態値と対応付けて前記記憶手段に記憶された比率情報を読み出す比率情報読出手段と、
   前記雑音周波数推定手段が求めた周波数位置の各々に前記読み出した比率情報に応じたスペクトルパワーを割り当てることによって雑音の特徴を示す雑音スペクトルを取得する雑音スペクトル推定手段と、
   前記取得した雑音スペクトルを前記取得した車内音スペクトルから差し引くスペクトルサブトラクト手段と、
   前記雑音スペクトルを差し引いた残りのスペクトルに逆変換処理を施し、雑音の除去された車内音を取得する逆変換手段と、
   前記逆変換手段が取得した車内音を出力する出力手段と
   を備えた雑音除去装置。
3. 車両の走行状態を示す状態値を検出する状態検出手段、車内音を収音する収音手段、及び雑音を形成する基本周波数成分とその倍音周波数成分のスペクトルパワー比を示す比率情報を記憶した記憶手段を備えたコンピュータ装置に、
   前記収音した車内音に所定の変換処理を施し、その車内音の特徴を示す車内音スペクトルを取得する変換機能と、
   前記検出した状態値を所定の関数に作用させることによって当該車両の走行状態に依存した雑音の基本周波数成分の周波数位置を求めると共に、その基本周波数を整数倍した倍音周波数成分の周波数位置を求める雑音周波数推定機能と、
   前記記憶手段に記憶された比率情報を読み出す比率情報読出機能と、
   前記雑音周波数推定機能によって求められた周波数位置の各々に前記読み出した比率情報に応じたスペクトルパワーを割り当てることによって雑音の特徴を示す雑音スペクトルを取得する雑音スペクトル推定機能と、
   前記取得した雑音スペクトルを前記取得した車内音スペクトルから差し引くスペクトルサブトラクト機能と、
   前記雑音スペクトルを差し引いた残りのスペクトルに逆変換処理を施し、雑音の除去された車内音を取得する逆変換機能と、
   前記逆変換機能によって取得された車内音を出力する出力機能と
   を実現させるプログラム。
4. 自動車の走行制御機構の一部を成す第１のデバイスの稼動状態を示す状態値を検出する第１の状態検出手段、自動車の走行制御機構の一部を成す前記第１のデバイスとは別の第２のデバイスの稼動状態を示す状態値を取得する第２の状態検出手段、車内音を収音する収音手段、及び雑音を形成する基本周波数成分とその倍音周波数成分のスペクトルパワー比を夫々示す各比率情報を前記第２のデバイスの稼動状態を夫々示す各状態値と対応付けて記憶した記憶手段を備えたコンピュータ装置に、
   前記収音した車内音に所定の変換処理を施し、その車内音の特徴を示す車内音スペクトルを取得する変換機能と、
   前記第１の状態検出手段が検出した状態値を所定の関数に作用させることによって雑音の基本周波数成分の周波数位置を求めると共に、その基本周波数を整数倍した倍音周波数成分の周波数位置を求める雑音周波数推定機能と、
   前記第２の状態検出手段が検出した状態値と対応付けて前記記憶手段に記憶された比率情報を読み出す比率情報読出機能と、
   前記雑音周波数推定機能により求められた周波数位置の各々に前記読み出した比率情報に応じたスペクトルパワーを割り当てることによって雑音の特徴を示す雑音スペクトルを取得する雑音スペクトル推定機能と、
   前記取得した雑音スペクトルを前記取得した車内音スペクトルから差し引くスペクトルサブトラクト機能と、
   前記雑音スペクトルを差し引いた残りのスペクトルに逆変換処理を施し、雑音の除去された車内音を取得する逆変換機能と、
   前記逆変換機能によって取得された車内音を出力する出力機能と
   を実現させるプログラム。

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