JP5596039B2 - オーディオ信号における雑音推定の方法および装置 - Google Patents
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Description
一実施形態では本発明のシステムおよび方法は、ノイズフロアを計算するために最小統計値よりむしろ平均統計値を使用する。具体的に信号エネルギーσ1 2は,過去のフレーム値のスケール(scaled)標準偏差σを平均値λdバーから減算することによって計算される。それから現在のエネルギーレベルσ2 2は過去のフレームから前に計算されたすべての信号エネルギーσ1 2の最小値として選択される:
いったん雑音推定値σ1 2が計算されると、音声は高いSNRの領域を識別することによって推測され得る。特にロジスティック回帰ベースの類別子に基づいて音声の存在の較正された確率を正確に推定する数学的モデルが開発され得る。ある幾つかの実施形態では特徴要素ベースの類別子が使用され得る。音声の短期間スペクトルは対数(log)分布によってうまくモデル化されるので、特徴要素の集合としてSNR自身よりむしろ推定された帰納的SNRの対数を使用できる。すなわち
平均値および標準偏差の計算は、過去のフレーム推定値を記憶するために十分なメモリを必要とする。この要件は、限定されたメモリを有するある幾つかのアプリケーション/デバイス(ある幾つかの極めて小さな携帯型デバイスといった)に関して禁止的であり得る。このような場合、上記の計算に取って代わるために下記の近似式が使用され得る。平均推定値の近似値は、平滑定数αMを用いてパワー推定値x(n)を指数関数的に平均化することによって計算され得る。同様に分散推定値の近似値は、nがフレームインデックスを表すとして平滑化定数αVを用いてパワー推定値の平方を指数関数的に平均化することによって計算され得る:
典型的には着信信号が極めて清浄(高いSNR)であるとき、雑音レベルは典型的に過小評価される。この問題を解決する1つの方法は、雑音レベルを所望信号レベルσ2 desired未満の例えば少なくとも18dBになるように低く限界設定することである。低く限界設定することは下記のフロアリング演算を使用して達成され得る:
もしσ2 noise[n−1]>Δ2であれば
floor1[n]=σ2 desired[n]/Δ3であり、
もしfloor[n−1]<floor1[n]であれば
floor[n]=floor1[n]であり、
そうでなく、もしSNR diff[n−1]>Δ4であって
もしσ2 noise[n−1]<Δ5であれば
floor[n]=floor1[n]である
終了
終了
終了
終了
実施形態は更に、他で使用され得る周波数ドメイン・サブバンド・ベースのコンピュータ関連音声検出子を含む。ここで各時間フレームは、時間フレームのフーリエ変換で表される1群の成分周波数に分割される。これらの周波数は、「時間・周波数」ビン内のそれぞれのフレーム関連付けられた状態に留まる。この説明されている実施形態はそれから、各時間・周波数ビン(k,n)における、すなわちk番目の周波数ビンおよびn番目の時間フレームにおける音声の存在の確率を推定する。ある幾つかのアプリケーションは、音声存在の確率が時間・周波数アトムレベルおよび時間フレームレベルの両者において推定されることを必要とする。
もしσ2 noise[n−1]>Δ2であれば
floor1[k,n]=σ2 desired[k,n]/Δ3であり、
もしfloor[k,n−1]<floor1[k,n]であれば
floor[k,n]=floor1[k,n]であり、
そうでなく、もしSNR diff[k,n−1]>Δ4であって
もしσ2 noise[k,n−1]<Δ5であれば
floor[k,n]=floor1[k,n]である
終了
終了
終了
終了
上記の数学モデルは、各時間フレームにおける音声存在の確率の改善された推定値を取得するために任意選択的に各時間・周波数ビンにおける出力確率を柔軟に組み合わせることを可能にする。一実施形態は例えば、検出子の第1のレベルが時間・周波数ビンレベルで動作し、出力が第2の時間フレームレベル音声検出子に入力される2レベル・アーキテクチャを考えている。
上記の実施形態の利点を評価するために音声検出は、上記に説明された時間および周波数実施形態ならびに2つの先行するVADシステムを使用して実行された。種々の雑音環境下におけるこれらの実例の各々に関するROCカーブは、図3〜6に示されている。上記の実施形態の時間および周波数バージョンの各々は、標準的VADよりかなり良好に機能した。これらの例の各々に関して使用された雑音データベースは、勧告された規格ETSI EG202 396−1に基づいていた。このデータベースは、音声品質および雑音抑制評価目的のために車両雑音、街路雑音、バブル雑音などの標準的記録を提供する。VAD性能を評価するために更なる現実世界の記録も使用された。これらの雑音環境は、定常的雑音および非定常的雑音の両者を含んでおり、テストすべき挑戦的な集大成(コーパス(corpus))を提供している。更に、検出を極めて困難にするために5dBのSNRが選択された(典型的なオフィス雑音はおよそ30dBであろう)。
提案された時間ドメイン音声検出子を評価するために、種々の雑音環境下で5dBのSNRにおける受信機動作特性(ROC)がプロットされている。図2に示されているようにROCカーブは、検出の確率(音声が存在するときに音声の存在を検出する)301対誤警報の確率(音声が存在しないときに音声の存在を宣言する)302をプロットしている。適切な検出率で極めて低い誤警報を有することが望ましい。所定の誤警報に関するより高い検出確率の値はより良好な性能を示すので、一般により高いカーブはより良好な検出子である。
図4は、第1の標準的VADのROCカーブ403cと第2の標準的VADのROCカーブ403bと本時間ベース実施形態のROCカーブ403aと本周波数ベース実施形態のROCカーブ403dとを示しており、これらはバブル雑音環境においてプロットされている。図示のように本実施形態403a、403dは、第1のVAD403bおよび第2のVAD403cの各々より大幅に優れた性能を示しており、誤警報制約402が緩和されたという理由から常により高い検出401を記録した。
図5は、第1の標準的VADのROCカーブ503cと第2の標準的VADのROCカーブ503bと本時間ベース実施形態のROCカーブ503aと本周波数ベース実施形態のROCカーブ503dとを示しており、これらはトラヒック雑音環境においてプロットされている。図示のように本実施形態503a、503dは、第1のVAD503bおよび第2のVAD503cの各々より大幅に優れた性能を示しており、誤警報制約502が緩和されたという理由から常により高い検出501を記録した。
図6は、第1の標準的VADのROCカーブ603cと第2の標準的VADのROCカーブ603bと本時間ベース実施形態のROCカーブ603aと本周波数ベース実施形態のROCカーブ603dとを示しており、これらはROC−ICASSPオーディトリウム(聴衆席)雑音環境においてプロットされている。図示のように本実施形態603a、603dは、第1のVAD603bおよび第2のVAD603cの各々より大幅に優れた性能を示しており、誤警報制約602が緩和されたという理由から常により高い検出601を記録した。
以下に本件出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1] オーディオ信号の現在フレームにおける雑音レベルを推定する方法であって、
複数のオーディオフレームの雑音レベルを決定することと、
前記複数のオーディオフレームにわたる雑音レベルの平均値と標準偏差とを計算することと、
前記現在フレームの雑音レベル推定値を前記平均値から減算される標準偏差の値として計算することと、
を備える方法。
[2] 前記平均値からの減算に先立って前記標準偏差をスケール(scaling)することを更に備える[1]に記載の方法。
[3] 複数の雑音レベル推定値の最小値を決定することによって前記現在雑音レベル推定値を決定することを更に備える[1]に記載の方法。
[4] 前記複数のオーディオフレームは約100フレームを備える[1]に記載の方法。
[5] 前記雑音レベル推定値を計算することは平滑化係数を使用することを備える[1]に記載の方法。
[6] 前記雑音レベル推定値は音声活動の期間中一定に保持される[5]に記載の方法。
[7] 前記平滑化係数は第2の平滑化係数を使用して前記現在フレームにおける音声の確率と1との間を補間することによって再帰的に平均化される[5]に記載の方法。
[8] 前記雑音レベル推定値は複数の予め決められた雑音レベルの最小値を備える[1]に記載の方法。
[9] 前記雑音レベルの平均値は前記雑音レベルの予め計算された平均値を現在雑音レベルによって補間することによって推定される[1]に記載の方法。
[10] 前記計算された雑音レベル推定値を所望の信号レベル未満の12〜24dBの間に限界設定することを更に備える[1]に記載の方法。
[11] 前記現在フレームを、非雑音セグメントを有するものとして識別することによって音声活動を検出することを更に備える[1]に記載の方法。
[12] すべてのτがτ∈[0.2,1)であるとして、音声の確率>τであるときに音声活動が宣言される[11]に記載の方法。
[13] 複数のオーディオフレームの雑音レベルを決定するように構成された第1のモジュールと、
前記複数のオーディオフレームにわたる雑音レベルの平均値と標準偏差とを計算するように構成された第2のモジュールと、
現在フレームの雑音レベル推定値を前記平均値から減算される標準偏差の値として計算するように構成された第3のモジュールと、
を備える雑音決定システム。
[14] 前記第3のモジュールは前記平均値からの減算に先立って前記標準偏差をスケール(scale)するように構成される[13]に記載の雑音決定システム。
[15] 前記雑音レベル推定値を計算することは平滑化係数を使用することを備える[13]に記載の雑音決定システム。
[16] 前記雑音レベル推定値は音声活動の期間中一定に保持される[15]に記載の雑音決定システム。
[17] 前記平滑化係数は第2の平滑化係数を使用して現在フレームにおける音声の確率と1という値との間を補間することによって再帰的に平均化される[15]に記載の雑音決定システム。
[18] 信号の複数の時間・周波数ビンにおける前記信号の雑音レベルを推定する方法であって、前記信号の前記ビンの各々に関して、
複数のオーディオフレームの雑音レベルを決定することと、
前記時間・周波数ビンにおける雑音レベルを推定することと、
前記時間・周波数ビンにおける仮の雑音レベルを決定することと、
前記仮の雑音レベルから前記時間・周波数ビンにおける2次雑音レベルを決定することと、
前記時間・周波数ビンにおける2次雑音レベルから限界設定された雑音レベルを決定することと、
を備える方法。
[19] 前記限界設定された雑音レベルを決定することはアクティブな所望信号レベル未満の12〜24dBの間で前記推定雑音レベルを限界設定することを備える[18]に記載の方法。
[20] 現在フレームにおける各周波数に関する音声の確率の重み付け合計を取ることによって前記現在フレームにおける音声の確率を計算することを更に備える[18]に記載の方法。
[21] 600Hz〜1550Hzの範囲内の重み付けが少なくとも0.02という値を与えられる[20]に記載の方法。
[22] オーディオ信号の現在フレームにおける雑音レベルを推定するシステムであって、
複数のオーディオフレームの雑音レベルを決定する手段と、
前記複数のオーディオフレームにわたる雑音レベルの平均値と標準偏差とを計算する手段と、
前記現在フレームの雑音レベル推定値を前記平均値から減算される標準偏差の値として計算する手段と、
を備えるシステム。
[23] 前記現在フレームの雑音レベル推定値を計算する前記手段は前記平均値からの減算に先立って前記標準偏差をスケールする[22]に記載の雑音決定システム。
[24] 前記雑音レベルを決定する前記手段は信号のエネルギーレベルを決定するように構成されたモジュールを備える[22]に記載のシステム。
[25] 前記雑音レベルの平均値と標準偏差とを計算する前記手段は数学的演算を実行するように構成されたモジュールを備える[22]に記載のシステム。
[26] 雑音レベル推定値を計算する前記手段は数学的演算を実行するように構成されたモジュールを備える[22]に記載のシステム。
[27] プロセッサ上で実行されたときに、
複数のオーディオフレームの雑音レベルを決定することと、
前記複数のオーディオフレームにわたる前記雑音レベルの平均値と標準偏差とを計算することと、
現在フレームの雑音レベル推定値を前記平均値から減算される標準偏差の値として計算することと、
を備える方法を実行する命令を備えるコンピュータ可読媒体。
[28] 前記平均値からの減算に先立って前記標準偏差をスケールすることを更に備える[27]に記載の方法。
[29] 複数のオーディオフレームの雑音レベルを決定することと、
前記複数のオーディオフレームにわたる前記雑音レベルの平均値と標準偏差とを計算することと、
現在フレームの雑音レベル推定値を前記平均値から減算される標準偏差の値として計算することと、
を備える方法を実行するようにプログラムされたプロセッサ。
[30] 前記平均値からの減算に先立って前記標準偏差をスケールすることを更に備える[29]に記載の方法。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[C1]
オーディオ信号の現在フレームにおける雑音レベルを推定するための方法であって、
複数のオーディオフレームの雑音レベルを決定することと;
前記複数のオーディオフレームに亘る雑音レベルの平均値と標準偏差とを計算することと、
前記現在フレームの雑音レベル推定値を前記平均値から減算される標準偏差の値として計算することと、
を備える方法。
[C2]
前記平均値からの減算に先立って前記標準偏差を基準化すること(scaling)を更に備える、C1に記載の方法。
[C3]
複数の雑音レベル推定値の最小値を決定することによって前記現在雑音レベル推定値を決定することを更に備える、C1に記載の方法。
[C4]
前記複数のオーディオフレームは約100フレームを備える、C1に記載の方法。
[C5]
前記雑音レベル推定値を計算することは平滑化係数を使用することを備える、C1に記載の方法。
[C6]
前記雑音レベル推定値は音声活動の期間中、一定に保持される、C5に記載の方法。
[C7]
前記平滑化係数は第2の平滑化係数を使用して前記現在フレームにおける音声の確率と1との間を補間することによって再帰的に平均化される、C5に記載の方法。
[C8]
前記雑音レベル推定値は複数の予め決められた雑音レベルの最小値を備える、C1に記載の方法。
[C9]
前記雑音レベルの平均値は前記雑音レベルの予め計算された平均値を現在雑音レベルによって補間することによって推定される、C1に記載の方法。
[C10]
前記計算された雑音レベル推定値を所望の信号レベル未満の12〜24dBの間に限界設定することを更に備える、C1に記載の方法。
[C11]
前記現在フレームを、非雑音セグメントを有するものとして識別することによって音声活動を検出することを更に備える、C1に記載の方法。
[C12]
すべてのτがτ∈[0.2,1]であるとして、音声の確率>τであるときに音声活動が宣言される、C11に記載の方法。
[C13]
複数のオーディオフレームの雑音レベルを決定するように構成された第1のモジュールと、
前記複数のオーディオフレームに亘る雑音レベルの平均値と標準偏差とを計算するように構成された第2のモジュールと、
現在フレームの雑音レベル推定値を前記平均値から減算される標準偏差の値として計算するように構成された第3のモジュールと、
を備える雑音決定システム。
[C14]
前記第3のモジュールは前記平均値からの減算に先立って前記標準偏差を基準化(scale)するように構成される、C13に記載の雑音決定システム。
[C15]
前記雑音レベル推定値を計算することは平滑化係数を使用することを備える、C13に記載の雑音決定システム。
[C16]
前記雑音レベル推定値は音声活動の期間中、一定に保持される、C15に記載の雑音決定システム。
[C17]
前記平滑化係数は第2の平滑化係数を使用して現在フレームにおける音声の確率と1という値との間を補間することによって再帰的に平均化される、C15に記載の雑音決定システム。
[C18]
信号の複数の時間・周波数ビンにおける前記信号の雑音レベルを推定するための方法であって、前記信号の前記ビンの各々に関して、
複数のオーディオフレームの雑音レベルを決定することと、
前記時間・周波数ビンにおける雑音レベルを推定することと、
前記時間・周波数ビンにおける仮の雑音レベルを決定することと、
前記仮の雑音レベルから前記時間・周波数ビンにおける2次雑音レベルを決定することと、
前記時間・周波数ビンにおける2次雑音レベルから限界設定された雑音レベルを決定することと、
を備える方法。
[C19]
前記限界設定された雑音レベルを決定することはアクティブな所望信号レベル未満の12〜24dBの間で前記推定雑音レベルを限界設定することを備える、C18に記載の方法。
[C20]
現在フレームにおける各周波数に関する音声の確率の重み付け合計を取ることによって前記現在フレームにおける音声の確率を計算することを更に備える、C18に記載の方法。
[C21]
600Hz〜1550Hzの範囲内の重み付けが少なくとも0.02という値を与えられる、C20に記載の方法。
[C22]
オーディオ信号の現在フレームにおける雑音レベルを推定するためのシステムであって、
複数のオーディオフレームの雑音レベルを決定するための手段と、
前記複数のオーディオフレームに亘る雑音レベルの平均値と標準偏差とを計算するための手段と、
前記現在フレームの雑音レベル推定値を前記平均値から減算される標準偏差の値として計算するための手段と、
を備えるシステム。
[C23]
前記現在フレームの雑音レベル推定値を計算するための前記手段は前記平均値からの減算に先立って前記標準偏差を基準化する、C22に記載の雑音決定システム。
[C24]
前記雑音レベルを決定するための前記手段は信号のエネルギーレベルを決定するように構成されたモジュールを備える、C22に記載のシステム。
[C25]
前記雑音レベルの平均値と標準偏差とを計算するための前記手段は数学的演算を実行するように構成されたモジュールを備える、C22に記載のシステム。
[C26]
雑音レベル推定値を計算するための前記手段は数学的演算を実行するように構成されたモジュールを備える、C22に記載のシステム。
[C27]
プロセッサ上で実行されたときに、
複数のオーディオフレームの雑音レベルを決定することと、
前記複数のオーディオフレームに亘る前記雑音レベルの平均値と標準偏差とを計算することと、
現在フレームの雑音レベル推定値を前記平均値から減算される標準偏差の値として計算することと、
を備える方法を実行する命令を備えるコンピュータ可読媒体。
[C28]
前記平均値からの減算に先立って前記標準偏差を基準化することを更に備える、C27に記載の方法。
[C29]
複数のオーディオフレームの雑音レベルを決定することと、
前記複数のオーディオフレームに亘る前記雑音レベルの平均値と標準偏差とを計算することと、
現在フレームの雑音レベル推定値を前記平均値から減算される標準偏差の値として計算することと、
を備える方法を実行するようにプログラムされたプロセッサ。
[C30]
前記平均値からの減算に先立って前記標準偏差を基準化することを更に備える、C29に記載の方法。
Claims (19)
- オーディオ信号の現在フレームにおける雑音レベルを推定する方法であって、
複数のオーディオフレームの各々の雑音レベルを決定することと、
前記複数のオーディオフレームにわたる雑音レベルの平均値と標準偏差とを計算することと、
前記標準偏差をスケールすることと、
スケールされた前記標準偏差を前記平均値から減算することにより得られる値として前記現在フレームの雑音レベル推定値を計算することとを備え、
前記雑音レベル推定値を計算することは、時間の経過と共に更新される平滑化係数を使用することを備える方法。 - 複数の雑音レベル推定値の最小値を決定することによって前記現在フレームの雑音レベル推定値を決定することを更に備える請求項1に記載の方法。
- 前記複数のオーディオフレームは約100フレームを備える請求項1に記載の方法。
- 前記雑音レベル推定値は音声活動の期間中一定に保持される請求項1に記載の方法。
- 前記平滑化係数は第2の平滑化係数を使用して前記現在フレームにおける音声の確率と1との間を補間することによって再帰的に平均化される請求項1に記載の方法。
- 前記雑音レベル推定値は複数の予め決められた雑音レベルの最小値を備える請求項1に記載の方法。
- 前記雑音レベルの平均値は前記雑音レベルの予め計算された平均値を現在雑音レベルによって補間することによって推定される請求項1に記載の方法。
- 前記計算された雑音レベル推定値を所望の信号レベル未満の12〜24dBの間に限界設定することを更に備える請求項1に記載の方法。
- 前記現在フレームを、非雑音セグメントを有するものとして識別することによって音声活動を検出することを更に備える請求項1に記載の方法。
- すべてのτがτ∈[0.2,1]であるとして、音声の確率>τであるときに音声活動が宣言される請求項9に記載の方法。
- 複数のオーディオフレームの各々の雑音レベルを決定するように構成された第1のモジュールと、
前記複数のオーディオフレームにわたる雑音レベルの平均値と標準偏差とを計算するように構成された第2のモジュールと、
前記標準偏差をスケールし、スケールされた前記標準偏差を前記平均値から減算することにより得られる値として現在フレームの雑音レベル推定値を計算するように構成された第3のモジュールとを備え、
前記雑音レベル推定値を計算することは、時間の経過と共に更新される平滑化係数を使用することを備える雑音決定システム。 - 前記雑音レベル推定値は音声活動の期間中一定に保持される請求項11に記載の雑音決定システム。
- 前記平滑化係数は第2の平滑化係数を使用して現在フレームにおける音声の確率と1という値との間を補間することによって再帰的に平均化される請求項11に記載の雑音決定システム。
- オーディオ信号の現在フレームにおける雑音レベルを推定するシステムであって、
複数のオーディオフレームの各々の雑音レベルを決定する手段と、
前記複数のオーディオフレームにわたる雑音レベルの平均値と標準偏差とを計算する手段と、
前記標準偏差をスケールし、スケールされた前記標準偏差を前記平均値から減算することにより得られる値として前記現在フレームの雑音レベル推定値を計算する手段とを備え、
前記標準偏差をスケールし前記雑音レベル推定値を計算する前記手段は、時間の経過と共に更新される平滑化係数を備えるシステム。 - 前記雑音レベルを決定する前記手段は信号のエネルギーレベルを決定するように構成されたモジュールを備える請求項14に記載のシステム。
- 前記雑音レベルの平均値と標準偏差とを計算する前記手段は数学的演算を実行するように構成されたモジュールを備える請求項14に記載のシステム。
- 雑音レベル推定値を計算する前記手段は数学的演算を実行するように構成されたモジュールを備える請求項14に記載のシステム。
- プロセッサ上で実行されたときに、
複数のオーディオフレームの各々の雑音レベルを決定することと、
前記複数のオーディオフレームにわたる前記雑音レベルの平均値と標準偏差とを計算することと、
前記標準偏差をスケールすることと、
スケールされた前記標準偏差を前記平均値から減算することにより得られる値として現在フレームの雑音レベル推定値を計算することとを備え、前記雑音レベル推定値を計算することは、時間の経過と共に更新される平滑化係数を使用することを備える方法を実行する複数の命令を備えるコンピュータ可読記憶媒体。 - 複数のオーディオフレームの各々の雑音レベルを決定することと、
前記複数のオーディオフレームにわたる前記雑音レベルの平均値と標準偏差とを計算することと、
前記標準偏差をスケールすることと、
スケールされた前記標準偏差を前記平均値から減算することにより得られる値として現在フレームの雑音レベル推定値を計算することとを備え、前記雑音レベル推定値を計算することは、時間の経過と共に更新される平滑化係数を備える方法を行うようにプロセッサにより実行可能なプログラム。
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