JP5774138B2 - 残響抑圧装置 - Google Patents
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Description
本発明は、入力信号に混入したエコー成分を抑圧する残響抑圧装置に関するものである。
自動車内のように前部座席と後部座席があるような環境において、前部座席で発声された音声は音の指向性から後部座席へ伝わりにくく、会話しづらい。また、走行中は走行音ノイズのマスキング効果によってさらに会話が困難となる。このような問題に対して、マイクとスピーカによって会話を補助する技術がある。後部座席と比較してSN比(信号対雑音比)の高い位置でマイクによる収音を行い、後部座席近くのスピーカより出力することで音声強調を行う。車内など狭い室内におけるこのようなシステムは閉ループ系を成し、スピーカ出力がマイクで収音されることでハウリングやエコーが発生する。そのため一般にハウリングキャンセラやエコーキャンセラなどが搭載される。しかし、これらは出力信号中のハウリングやエコーを抑圧するものであり、室内にて合成される音場の残響を抑圧するものではない。狭い室内では原信号(マイクを通さず聞こえる音声)も存在し、そこにスピーカ出力が合成されると、スピーカ出力自体に残響が含まれていなくとも室内音場に残響感が発生する。
またスピーカ出力を後部から行う場合、スピーカ出力が大きいと前方からの原信号が聞こえず、前方定位感が損なわれる。スピーカ出力を遅延させればハース効果により前方定位感は得られるが残響感の原因になり、遅延量によっては二重音声になってしまう。
この対策として、特許文献1には、ハンズフリー通話や電話会議システムなどにおいて通話状態を判定してパラメータを変更し、状況に対応したエコーキャンセルを行うエコーキャンセラが開示されている。また、特許文献2には、残響が発生する環境下でのスピーカ出力において、周波数帯域分割を行い隣り合う周波数帯のゲインを調整することで場の残響を抑圧するハウリング抑制装置が開示されている。
しかしながら、上述した特許文献1に開示されたエコーキャンセラは、マイク入力のエコーキャンセルに関する技術であり、室内音場の残響抑制を行うことができないという課題があった。また、特許文献2に開示されたハウリング抑圧装置は、FFTなどの高負荷処理が必要であり、また、大きな遅延も発生するため原信号も存在するような環境では二重音声の原因となり会話補助のためには適切ではないという課題があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、マイクとスピーカを具備した環境において、スピーカ出力がマイクに入力されうる系に関し、原音声とスピーカ出力の合成により音場に発生する残響感を抑制することを目的とする。
この発明に係る雑音抑圧装置は、エコー成分が除去された信号の周波数特性に基づいて検出されたハウリング成分の周波数レベルを減衰させた入力信号の音声区間を検出し、検出した音声区間の音声開始部分の信号値を抑圧する語頭抑圧部を備えるものである。
この発明によれば、音声開始部分の信号値を抑圧し、音場に発生する残響感を抑圧することができる。
以下、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1による残響抑圧装置の構成を示すブロック図である。
図1において、入力端子であるマイク1が接続された残響抑圧装置100は、エコーキャンセル部101、ハウリング抑圧部102および語頭抑圧部103で構成されている。語頭抑圧部103の後段には出力端子であるスピーカ2が接続されている。
エコーキャンセル部101は、マイク入力信号を参照信号とし、スピーカ出力信号からマイク入力信号中のエコー成分を推定して除去する。ハウリング抑圧部102は、マイク入力信号のハウリングを検出して抑圧する。語頭抑圧部103は、マイク入力信号の音声区間に関し、音声区間の開始部分(以下、語頭と称する)の信号値を弱め抑圧する。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1による残響抑圧装置の構成を示すブロック図である。
図1において、入力端子であるマイク1が接続された残響抑圧装置100は、エコーキャンセル部101、ハウリング抑圧部102および語頭抑圧部103で構成されている。語頭抑圧部103の後段には出力端子であるスピーカ2が接続されている。
エコーキャンセル部101は、マイク入力信号を参照信号とし、スピーカ出力信号からマイク入力信号中のエコー成分を推定して除去する。ハウリング抑圧部102は、マイク入力信号のハウリングを検出して抑圧する。語頭抑圧部103は、マイク入力信号の音声区間に関し、音声区間の開始部分(以下、語頭と称する)の信号値を弱め抑圧する。
次に各構成の詳細な動作について説明を行う。
エコーキャンセル部101は、NLMS(Normalised least mean squares filter)による適応フィルタを用いる。スピーカ2から出力する直前の信号をバッファリングしてNLMSの入力とし、マイク1へのマイク入力信号を参照信号とすることでマイク入力信号中のエコー成分を推定する。マイク入力信号と推定信号の残差はエコー除去後の信号となる。適応フィルタとしてNLMSを用いる例を示したが、LMS(least mean squares filter)、RLS(Recursive Least Squares)、アフィン射影フィルタなど他の適応フィルタを適用してもよい。
エコーキャンセル部101は、NLMS(Normalised least mean squares filter)による適応フィルタを用いる。スピーカ2から出力する直前の信号をバッファリングしてNLMSの入力とし、マイク1へのマイク入力信号を参照信号とすることでマイク入力信号中のエコー成分を推定する。マイク入力信号と推定信号の残差はエコー除去後の信号となる。適応フィルタとしてNLMSを用いる例を示したが、LMS(least mean squares filter)、RLS(Recursive Least Squares)、アフィン射影フィルタなど他の適応フィルタを適用してもよい。
ハウリング抑圧部102は、マイク1へのマイク入力信号におけるハウリングを検出または推定し、除去する。例えばノッチフィルタ、適応ノッチフィルタなどの公知技術を用いて構成することができる。ノッチフィルタは、あらかじめ設定した周波数のゲインを下げるフィルタである。適応ノッチフィルタは、信号値のパワーが強い周波数を検出し、ゲインを下げるフィルタである。
語頭抑圧部103は、音声区間の開始部分、すなわち語頭を抑圧するフィルタである。図3は、実施の形態1による残響抑圧装置の語頭抑圧部の構成を示すブロック図である。
語頭抑圧部103は、入力信号の信号値のパワー(以下、パワーと称する)の移動平均を計算する短時間パワー移動平均計算部201、フィルタ係数における固定パラメータを設定するフィルタ係数設定部202、フィルタ係数設定部202で設定された固定パラメータと、短時間パワー移動平均計算部201で計算されたパワーの移動平均値からフィルタ係数を算出するフィルタ係数計算部203、フィルタ係数の上限を規定するフィルタ係数リミッタ部204、およびフィルタ係数計算部203およびフィルタ係数リミッタ部204で決定されたフィルタ係数に基づいて入力信号の信号値を変換する語頭抑圧フィルタ部205で構成されている。
語頭抑圧部103は、入力信号の信号値のパワー(以下、パワーと称する)の移動平均を計算する短時間パワー移動平均計算部201、フィルタ係数における固定パラメータを設定するフィルタ係数設定部202、フィルタ係数設定部202で設定された固定パラメータと、短時間パワー移動平均計算部201で計算されたパワーの移動平均値からフィルタ係数を算出するフィルタ係数計算部203、フィルタ係数の上限を規定するフィルタ係数リミッタ部204、およびフィルタ係数計算部203およびフィルタ係数リミッタ部204で決定されたフィルタ係数に基づいて入力信号の信号値を変換する語頭抑圧フィルタ部205で構成されている。
語頭抑圧部103は、以下に示すようなパワーの移動平均を用いたフィルタを構成する。まず、短時間パワー移動平均計算部201は、以下の式(1)に基づいてパワーの移動平均pを計算する。
p=(1−ratio)・p+ratio・x2 ・・・(1)
フィルタ係数設定部202は、入力信号の特性に応じてフィルタ係数に用いる固定パラメータAを設定する。
p=(1−ratio)・p+ratio・x2 ・・・(1)
フィルタ係数設定部202は、入力信号の特性に応じてフィルタ係数に用いる固定パラメータAを設定する。
また、フィルタ係数リミッタ部204は、フィルタ係数の上限値を「1」と規定する。語頭抑圧フィルタ部205は、以下の式(3)に基づいて、得られたフィルタ係数を原信号の信号値に乗算し、フィルタ処理後の信号値x´を得る。
上述した式(1)ではx2を用いてパワーの移動平均pを計算したが、原信号の信号値xの分散V(x)を用いることもできる。分散V(x)は、以下の式(4)および式(5)に示すように移動平均により近似的に求めることができる。
M=(1−ratio)・M+ratio・x ・・・(4)
V=(1−ratio)・V+ratio・(x−M)(x−M) ・・・(5)
式(4)および式(5)において、Mは原信号の信号値xの平均値に相当する。
M=(1−ratio)・M+ratio・x ・・・(4)
V=(1−ratio)・V+ratio・(x−M)(x−M) ・・・(5)
式(4)および式(5)において、Mは原信号の信号値xの平均値に相当する。
以上のように、この実施の形態1によれば、入力信号からエコー成分を除去するエコーキャンセル部101と、入力信号のハウリングを検出し、抑圧するハウリング抑圧部102と、入力信号の音声区間について、音声開始の開始部分の信号値を抑圧する語頭抑圧部103とを備えるように構成したので、スピーカ出力では語頭の信号値が弱められ、原信号と合成された際の残響感を軽減することができる。
また、この実施の形態1によれば、語頭抑圧部103のフィルタ処理により得られるフィルタ処理後の信号値x´が、音声区間以外では小さくなるように構成したので、ノイズがスピーカから出力されるのを防止することができる。さらに、音声区間の開始部分は原信号が強く聞こえるため、ハース効果が期待される。
なおハース効果とは、人は最初に聞こえた方向から聞こえているように感じるという効果である。一般に、ハース効果を持たせるためにはスピーカ出力を遅延させる構成とするが、この実施の形態1の残響抑圧装置では、スピーカ出力を遅延させることなく、ハース効果を持たせることができる。
なおハース効果とは、人は最初に聞こえた方向から聞こえているように感じるという効果である。一般に、ハース効果を持たせるためにはスピーカ出力を遅延させる構成とするが、この実施の形態1の残響抑圧装置では、スピーカ出力を遅延させることなく、ハース効果を持たせることができる。
また、この実施の形態1によれば、語頭抑圧部103が、入力信号のパワーの移動平均pを算出する短時間パワー移動平均計算部201と、入力信号の特性に応じてフィルタ係数における固定パラメータAを設定するフィルタ係数設定部202と、パワーの移動平均pと固定パラメータAに基づいてフィルタ係数を算出するフィルタ係数計算部203と、フィルタ係数の上限値を設定するフィルタ係数リミッタ部204と、フィルタ係数またはフィルタ係数の上限値により入力信号の信号値を変換する語頭抑圧フィルタ部205とを備えるように構成したので、音声区間の開始部分において、それまでの無音声区間の影響でパワーの移動平均pが小さくなり、結果としてフィルタ処理後の信号値x´も小さい値とすることができる。これにより音声区間の開始部分の信号値を弱めることができる。
なお、上述した実施の形態1では、語頭抑圧部103をパワーの移動平均によるフィルタで構成する例を示したが、その他の手段で構成してもよい。例えば、公知の音声区間検出手段により音声区間を検出し、音声区間の開始後一定期間は出力ゲインを小さく設定する構成などが考えられる。
実施の形態2.
この実施の形態2では、上述した語頭抑圧部103の異なる構成を示す。
図4は、実施の形態2による残響抑圧装置の語頭抑圧部の構成を示すブロック図である。実施の形態2の語頭抑圧部103aは、実施の形態1で示した語頭抑圧部103に長時間パワー移動平均計算部206を追加して設けている。なお、以下では、実施の形態1による残響抑圧装置100および語頭抑圧部103の構成要素と同一または相当する部分には実施の形態1で使用した符号と同一の符号を付して説明を省略または簡略化する。
この実施の形態2では、上述した語頭抑圧部103の異なる構成を示す。
図4は、実施の形態2による残響抑圧装置の語頭抑圧部の構成を示すブロック図である。実施の形態2の語頭抑圧部103aは、実施の形態1で示した語頭抑圧部103に長時間パワー移動平均計算部206を追加して設けている。なお、以下では、実施の形態1による残響抑圧装置100および語頭抑圧部103の構成要素と同一または相当する部分には実施の形態1で使用した符号と同一の符号を付して説明を省略または簡略化する。
長時間パワー移動平均計算部206は、短時間パワー移動平均計算部201と比較して、より長いレンジで入力信号のパワーの移動平均を計算する。具体的には、以下の式(7)に基づいて長時間パワーの移動平均を計算する。
plong=(1−ratiolong)・plong+ratiolong・x2 ・・・(7)
plong=(1−ratiolong)・plong+ratiolong・x2 ・・・(7)
以上のように、この実施の形態2によれば、短時間パワー移動平均計算部201よりも長いレンジで長時間パワーの移動平均plongを計算する長時間パワー移動平均計算部206と、計算した長時間パワーの移動平均plongを用いてフィルタ係数計算部203が用いるフィルタ係数における変動パラメータAを算出するように構成したので、入力信号の特性に合わせて変動パラメータAを自動的に求めることができ、雑音パワーの変動に合わせて適切な変動パラメータAを設定することができ、安定した音声出力を行うことができる。
実施の形態3.
この実施の形態3では、語頭抑圧部103についてさらに異なる構成を示す。
図5は、実施の形態3による残響抑圧装置の語頭抑圧部の構成を示すブロック図である。実施の形態3の語頭抑圧部103bは、実施の形態2で示した語頭抑圧部103aに信号変化量計算部207を追加して設けている。なお、以下では、実施の形態1および実施の形態2による残響抑圧装置100および語頭抑圧部103,103aの構成要素と同一または相当する部分には実施の形態1および実施の形態2で使用した符号と同一の符号を付して説明を省略または簡略化する。
この実施の形態3では、語頭抑圧部103についてさらに異なる構成を示す。
図5は、実施の形態3による残響抑圧装置の語頭抑圧部の構成を示すブロック図である。実施の形態3の語頭抑圧部103bは、実施の形態2で示した語頭抑圧部103aに信号変化量計算部207を追加して設けている。なお、以下では、実施の形態1および実施の形態2による残響抑圧装置100および語頭抑圧部103,103aの構成要素と同一または相当する部分には実施の形態1および実施の形態2で使用した符号と同一の符号を付して説明を省略または簡略化する。
信号変化量計算部207は、入力信号値の差分を平均し、入力信号の信号値の変化量を監視する。具体的には、以下の式(11)に基づいて信号値の変化量diffnを算出する。なお、この実施の形態3では、上述した式(1)、(4)、(5)および(6)で示したratioを以下に示す式(9)から式(11)に基づいて算出する。
このように、信号変化量計算部207において、入力信号の信号値の変化量を検出し、パワーの移動平均pを監視する。すなわち、以下に示す状態を監視することができる。信号値xの分散があまり変化しない場合には移動平均の係数が小さい、つまりヒステリシスが大きくなり、パワーの移動平均pはなかなか大きくならない、あるいは分散が増加するに従って徐々にパワーの移動平均pが大きくなり、語頭が終わった後はヒステリシスが小さくなる。つまり音声区間終了後は速やかにパワーの移動平均pが小さくなる。
図6は、実施の形態1および実施の形態3の残響抑圧装置のフィルタ適用後のパワーの移動平均の特性を示す図である。図6(a)は入力信号の原信号を示し、図6(b)は式(1)で示したフィルタを適用した場合のパワーの移動平均の特性を示し、図6(c)は式(9)から式(11)で示したフィルタを適用した場合のパワーの移動平均の特性を示している。図6(c)では、図6(b)と比較して、入力信号の立ち上がりが緩やかであり、且つ立下りが急峻となっている。すなわち、語頭の信号値を抑圧し、且つ残響感を抑圧することができる。なお、立ち下がりは実施の形態2と同等に急峻であるため、雑音区間における出力信号は速やかに小さくすることができる。
以上のように、この実施の形態3によれば、入力信号の信号値の変化量を監視する信号変化量計算部207を備え、信号値の変化量を考慮して移動平均の係数ratioを算出するように構成したので、信号の立ち上がりが緩やかで、立下りが急峻となるフィルタを構成することができ、音声区間の開始部分の信号値を抑圧し、且つ残響感を抑圧することができる。
なお、上述した実施の形態3では、信号変化量計算部207を、実施の形態2で示した語頭抑圧部103aに適用する構成を示したが、実施の形態1で示した語頭抑圧部103に適用してもよい。
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
1 マイク、2 スピーカ、100 残響抑圧装置、101 エコーキャンセル部、102 ハウリング抑圧部、103,103a,103b 語頭抑圧部、201 短時間パワー移動平均計算部、202 フィルタ係数設定部、203 フィルタ係数計算部、204 フィルタ係数リミッタ部、205 語頭抑圧フィルタ部、206 長時間パワー移動平均計算部、207 信号変化量計算部。
Claims (5)
- エコー成分が除去された信号の周波数特性に基づいて検出されたハウリング成分の周波数レベルを減衰させた入力信号の音声区間を検出し、検出した音声区間の音声開始部分の信号値を抑圧する語頭抑圧部を備えた残響抑圧装置。
- 前記語頭抑圧部は、
前記入力信号の信号値をフィルタ係数に基づいて変換するフィルタ部と、
前記入力信号を参照し、所定時間区間の信号値のパワーの移動平均を取って平滑化した短時間パワーを算出する短時間パワー移動平均計算部と、
前記入力信号の特性に基づいて、前記フィルタ係数におけるパラメータを設定するフィルタ係数設定部と、
前記短時間パワー移動平均計算部が算出した短時間パワーと、前記フィルタ係数設定部が設定したフィルタ係数におけるパラメータとから、前記フィルタ係数を算出するフィルタ係数計算部と、
前記フィルタ部のフィルタ係数の上限値を設定する係数リミッタ部とを備え、
前記フィルタ部は、前記フィルタ係数計算部が算出したフィルタ係数、または前記係数リミッタ部が設定したフィルタ係数の上限値に基づいて、前記入力信号の信号値を変換する
ことを特徴とする請求項1記載の残響抑圧装置。 - 前記入力信号を参照し、前記短時間パワー移動平均計算部が算出に用いた時間区間長よりも長い時間区間の信号値のパワーの移動平均を取って平滑化した長時間パワーを算出する長時間パワー移動平均計算部を備え、
前記フィルタ係数設定部は、前記長時間パワー移動平均計算部が算出した長時間パワーに基づいて前記パラメータを設定する
ことを特徴とする請求項2記載の残響抑圧装置。 - 前記入力信号の信号値の変化を算出し、算出した変化に応じたヒステリシス特性により前記音声区間の音声開始部分および音声終了部分における信号値の変化を検出する信号変化量計算部を備え、
前記フィルタ係数計算部は、前記信号変化量計算部が検出した前記音声区間の音声開始部分および音声終了部分における信号値の変化と、前記短時間パワー移動平均計算部が算出した短時間パワーと、前記フィルタ係数設定部が設定したフィルタ係数におけるパラメータとから、前記フィルタ係数を算出する
ことを特徴とする請求項2記載の残響抑圧装置。 - 前記入力信号の信号値の変化を算出し、算出した変化に応じたヒステリシス特性により前記音声区間の音声開始部分および音声終了部分における信号値の変化を検出する信号変化量計算部を備え、
前記フィルタ係数計算部は、前記信号変化量計算部が検出した前記音声区間の音声開始部分および音声終了部分における信号値の変化と、前記短時間パワー移動平均計算部が算出した短時間パワーと、前記フィルタ係数設定部が設定したフィルタ係数におけるパラメータとから、前記フィルタ係数を算出する
ことを特徴とする請求項3記載の残響抑圧装置。
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