JP5948259B2 - 収音装置及び再生装置 - Google Patents
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Description
[参考文献1]特開2012−147413号公報
本実施形態は、拡散センシングを基にして、伝達特性を物理的に変調する収音装置に係るものである。
M(≧2)本のマイクロホンを用いて一つのターゲット音とK(≧1)個の雑音を受音する状況を考える。多くの雑音が存在する中で任意の位置にあるターゲット音を強調する指向制御を目的にする。目的は、K個の雑音源を抑圧し、ターゲット音を強調することで達成される。m(m=1,2,…,M)番目のマイクロホンとターゲット音、k(k=1,2,…,K)番目の雑音との間のインパルス応答をそれぞれam(i)、bk,m(i)とする。ただし、インパルス応答長をLとし、i=0,1,…,L-1とする。なお、インパルス応答長Lは、装置の規模や構造、設置された部屋の状況によって定まる残響時間により、実験的に定めればよい。ターゲット音、k番目の雑音の音源信号をそれぞれs(t)、nk(t)とするとき、m番目のマイクロホンで観測した観測信号xm(t)は、次式でモデル化される。
ビームフォーミング後の出力信号y(t)は、次式のように観測信号xm(t)と、ターゲット音を強調するように設計されたフィルタwm(t)とを畳み込むことで得られる。
[参考文献2]浅野太,「音のアレイ信号処理-音源の低位・追跡と分離」,コロナ社,2011年
非特許文献1では、広帯域に渡ってパワーpN(ω)を小さくするために、伝達特性の性質がどういう性質であるべきかが検討され、拡散センシングという基礎理論が纏められている。
しかし、従来技術では、前述の通り、装置規模が大きくなる傾向がある。
(1)指向性の異なる2以上の電気音響変換器を含むこと
図1を用いて説明する。2つ以上の電気音響変換器を有する。電気音響変換器が持つ指向性は、少なくとも2種類以上が含まれている。図1の場合、電気音響変換機111が持つ指向性と電気音響変換機112が持つ指向性とが異なる。様々な指向性を持つ電気音響変換器を混ぜて使用することで、伝達特性間の相関を小さくし、無相関化を図る。例えば、電気音響変換器の指向性に限定はないが、無指向性、単一指向性、双指向性、ハイパーカーディオイドといった様々な指向性を持つマイクロホンを混ぜて使用する。仮に、同じ位置に指向性の異なる電気音響変換器を配置した場合、同じ制御点との間の伝達特性は異なるものとなる。例えば、同じ位置に無指向性のマイクロホンと単一指向性のマイクロホンとを配置した場合、制御点と無指向性のマイクロホンとの間の伝達特性と、制御点と単一指向性のマイクロホンとの間の伝達特性とは、異なるものとなる。よって、この条件により、指向性の違いによる伝達特性の変化を利用して、さらに、伝達特性間の相関を小さくし、無相関化を図る。
2つ以上の電気音響変換器に対し、それぞれ独立なフィルタ処理できるようなフィルタリング部160を有していること。さらに、フィルタリング部160は、指向特性の違いによる伝達特性の変調を利用した信号処理を行う。
さらに、伝達特性を無相関化させるために以下のような条件を組合せる方式が考えられる。
音を反射・回折する素材で形成されており、開口部を有する電気音響変換器111及び112を包囲するような形状(言い換えると三次元空間を形成する形状)の反射構造体190があること(図2参照)。なお、本実施形態では指向性が異なる電気音響変換器を組合せることにより、伝達特性の相関を小さくできるため、従来技術の反射構造体よりも小さい反射構造体を用いても従来と同様の指向性能を得ることができる。
電気音響変換器111や電気音響変換器112の近傍に、制御点Aと電気音響変換器111や電気音響変換器112との間の反射経路数が多くなるような拡散構造体180が一つ以上設置されていること(図3参照)。制御点Aと電気音響変換器111との間の反射経路を図3に示す。拡散構造体180を設置することにより、反射経路(一点鎖線)が増える。従って、拡散構造体180は、拡散構造体180を有さない場合の伝達特性を変調するものである。反射経路が増えることによって、収音装置の容積が限定された状況でも、音場の拡散性が高まるので、伝達特性間の相関が小さくなることが期待できる。なお、拡散構造体180の形状や配置位置には限定はなく、凹凸の曲面を持ってもよい。ただし、図4のように、制御点Aと電気音響変換器112との間に板状の拡散構造体180を設ける場合、制御点Aと電気音響変換器112と間の経路を減らしてしまうので、拡散構造体180の形状や配置として適さない。よって、拡散構造体180は、収音装置に入射された音、または、再生装置に含まれるスピーカから発せられた音の反射回数が、拡散構造体180を有さない場合よりも多くなるように配置されている。
音響装置を収音装置として機能させる場合、以下の条件を加えてもよい。電気音響変換器(マイクロホン)111と112の少なくとも一方の向きまたは配置を変更するような可動制御手段200を含む(図6A参照)。また、上述の条件(4)(拡散構造体180を設置すること)と組合せる場合には、(例えば板状の)拡散構造体180の向きまたは配置を変更するような可動制御手段200を含む構成であってもよい(図6B参照)。なお、上述の条件(4)と組合せる場合には、電気音響変換器111、112及び拡散構造体180の少なくとも一つの向きまたは配置を、同時に、または、別々に変更するような可動制御手段200を含む構成であってもよい。
[収音装置10の信号処理]
第一実施形態に係る収音装置10の機能構成および処理フローを図7と図8に示す。この第一実施形態の収音装置10は、M個のマイクロホン211−m、AD変換部120、周波数領域変換部130、フィルタリング部160、時間領域変換部170、フィルタ計算部150、伝達特性記憶部140を含む。m=1,2,…,Mであり、M≧2である。
M個のマイクロホン211−mを用いて収音し(s1)、アナログ信号(収音信号)をAD変換部120に出力する。なお、マイクロホンの指向性は2種類以上で構成される。
AD変換部120が、M個のマイクロホン211−mで収音されたM個のアナログ信号をディジタル信号x→(t)=[x1(t),…,xM(t)]Tへ変換し、(s2)、周波数領域変換部に出力する。tは離散時間のインデックスを表す。
周波数領域変換部130は、まず、AD変換部120が出力したディジタル信号x→(t)=[x1(t),…,xM(t)]Tを入力とし、チャネルごとにNサンプルをバッファに貯めてフレーム単位のディジタル信号x→(τ)=[x→ 1(τ),…,x→ M(τ)]Tを生成する。τはフレーム番号のインデックスである。x→ m(τ)=[xm((τ-1)N+1),…,xm(τN)](1≦m≦M)である。Nはサンプリング周波数にもよるが、48kHzサンプリングの場合には2048点あたりが妥当である。次に、周波数領域変換部130は、各フレームのディジタル信号x→(τ)を周波数領域の信号X→(ω,τ)=[X1(ω,τ),…,XM(ω,τ)]Tに変換し(s3)、出力する。ωは離散周波数のインデックスである。時間領域信号を周波数領域信号に変換する方法の一つに高速離散フーリエ変換があるが、これに限定されず、周波数領域信号に変換する他の方法を用いてもよい。周波数領域信号X→(ω,τ)は、各周波数ω、フレームτごとに出力される。
伝達特性記憶部140は、予め収音装置10を使って測定された伝達特性A→(ω)=[a→(ω),b→ 1(ω),…,b→ K(ω)]を記憶しておく。a→(ω)=[a1(ω),…,aM(ω)]Tを、ターゲット音とM本のマイクロホンとの間の周波数ωでの伝達特性、換言すれば、a→(ω)=[a1(ω),…,aM(ω)]Tは、マイクロホンアレーに含まれる各マイクロホンへのターゲット音の周波数ωでの伝達特性とする。k=1,2,…,Kであり、Kは雑音の個数であり、bk →(ω)=[bk1(ω),…,bkM(ω)]Tを、雑音kとM本のマイクロホンとの間の周波数ωでの伝達特性、換言すれば、bk →(ω)=[bk1(ω),…,bkM(ω)]Tは、マイクロホンアレーに含まれる各マイクロホンへの雑音kの周波数ωでの伝達特性とする。なお、伝達特性A→(ω)は、事前測定によらず、理論式やシミュレーションにより事前に用意してもよい。
フィルタ計算部150は、伝達特性記憶部140から伝達特性A→(ω)を取り出し、フィルタW→(ω)を計算し、フィルタリング部160に出力する。例えば、特定の位置または方向からの音響信号を抑圧する信号処理に用いるフィルタW→(ω)を計算する。
[参考文献3]国際公開第WO2012/086834号パンフレット
フィルタリング部160は、予めフィルタ計算部150からフィルタW→(ω)を受け取っておき、周波数領域信号X→(ω,τ)を受け取り、フレームτごとに、各周波数ω∈Ωについて、周波数領域信号X→(ω,τ)=[X1(ω,τ),…,XM(ω,τ)]Tに、フィルタW→(ω)を適用して(式(5)参照、s4)、出力信号Y(ω,τ)を出力する。
時間領域変換部170は、第τフレームの各周波数ω∈Ωの出力信号Y(ω,τ)を時間領域に変換して(s5)、第τフレームのフレーム単位時間領域信号y(τ)を得て、さらに、得られたフレーム単位時間領域信号y(τ)をフレーム番号のインデックスの順番に連結して時間領域信号y(t)を出力する。周波数領域信号を時間領域信号に変換する方法は、s3の処理で用いた変換方法に対応する逆変換であり、例えば高速離散逆フーリエ変換である。
このような構成により、所定の指向性能に対する装置規模を従来技術よりも小さくできる。そのとき、ターゲット音と雑音を聞き分けるための手掛かりが観測信号に含まれることになるので、例えば、事前に用意した伝達特性を使ってフィルタを使って適切な信号処理をすることで、広帯域に渡って任意の指向制御が可能になる。なお、本実施形態では、予めフィルタW→(ω)を計算しているが、収音装置10の計算処理能力などに応じて、所定の指向性能が定まってからフィルタ計算部150が周波数ごとのフィルタW→(ω)を計算する構成としてもよい。
本発明は、スピーカを用いた再生装置として扱ってもよい。
M(≧2)個のスピーカを用いて制御点Dで強調されるような指向制御を行うことを考える。
まず、周波数領域変換部300は、ディジタル信号s(t)を受け取り、Nサンプルをバッファに貯めてフレーム単位のディジタル信号s(τ)を出力する。次に、周波数領域変換部300は、各フレームのディジタル信号s(τ)を周波数領域の信号S(ω,τ)に変換して(s31)出力する。
伝達特性記憶部310及びフィルタ計算部320の機能構成は、第一実施形態と同様である。例えば、フィルタ計算部320は、伝達特性記憶部310から伝達特性A→(ω)を取り出し、参考文献4記載の方法により、フィルタW→(ω)を計算し、フィルタリング部330に出力する。例えば、特定の位置または方向への音響信号を抑圧する信号処理に用いるフィルタW→(ω)を計算する。
[参考文献4]羽田陽一、片岡章俊、「自由空間伝達関数を用いた多点制御に基づく小型スピーカアレーの実空間性能」、日本音響学会研究発表会講演論文集、2008、pp.631-632
フィルタリング部330は、予めフィルタ計算部320からフィルタW→(ω)を受け取っておき、周波数領域信号S(ω,τ)を受け取り、フレームτごとに、各周波数ω∈Ωについて、周波数領域信号S(ω,τ)に、フィルタW→(ω)を適用して(次式参照、s32)、出力信号Z→(ω,τ)=[Z1(ω,τ),…,ZM(ω,τ)]を出力する。
時間領域変換部340は、第τフレームの各周波数ω∈Ωの再生信号Z→(ω,τ)=[Z1(ω,τ),…,ZM(ω,τ)]を時間領域に変換して(s33)、第τフレームのフレーム単位時間領域信号z→(τ)=[z1(τ),…,zM(τ)]を得て、さらに、得られたフレーム単位時間領域信号z→(τ)=[z1(τ),…,zM(τ)]をフレーム番号のインデックスの順番に連結して、時間領域信号z→(t)=[z1(t),…,zM(t)]を出力する。周波数領域信号を時間領域信号に変換する方法は、s31の処理で用いた変換方法に対応する逆変換であり、例えば高速離散逆フーリエ変換である。
Mチャネルの時間領域信号z1(t),…,zM(t)はそれぞれ、スピーカアレーを構成するM個のスピーカ311のうち、チャネルに対応するスピーカで再生される(s34)。M個のスピーカ311−mの指向性は2種類以上で構成される。
このような構成により、所定の指向性能に対する装置規模を従来技術よりも小さくできる。なお、本実施形態では、予めフィルタW→(ω)を計算しているが、再生装置30の計算処理能力などに応じて、所定の指向性能が定まってからフィルタ計算部320が周波数ごとのフィルタW→(ω)を計算する構成としてもよい。
本発明は上記の実施形態及び変形例に限定されるものではない。例えば、上述の各種の処理は、記載に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されてもよい。その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
上述した収音装置及び再生装置は、コンピュータにより機能させることもできる。この場合、コンピュータを目的とする装置(各種実施形態で図に示した機能構成を持つ装置)として機能させるためのプログラム、またはコンピュータにその処理手順(各実施形態で示したもの)の各過程を実行させるためのプログラムを、そのコンピュータに実行させればよい。なお、そのプログラムは、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、半導体メモリ等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録しておくことができる。コンピュータにプログラムを実行させる際には、そのプログラムを記録媒体から読み込んでもよいし、または、そのプログラムを記録したサーバ等から通信回線を介してダウンロードしてもよい。
Claims (6)
- 複数個のマイクロホンを含む収音装置であって、
前記マイクロホンのうちの少なくとも1つである第一マイクロホンの指向特性と、前記マイクロホンのうちの前記第一マイクロホン以外の少なくとも1つである第二マイクロホンの指向特性と、が異なり、
前記指向特性の違いによる伝達特性の変調を利用した信号処理を行うフィルタリング部を更に有する、
収音装置。 - 請求項1記載の収音装置であって、
前記フィルタリング部は、
当該収音装置の外部に存在する第一の音源位置から発せられる音と、当該収音装置の外部に存在する第一の音源位置とは異なる第二の音源位置から発せられる音とに、異なる収音特性を与えて出力するものである、
収音装置。 - 請求項1または請求項2に記載の収音装置であって、
前記フィルタリング部は、
前記第一マイクロホンによる収音信号と前記第二マイクロホンによる収音信号とに基づき、空間上の少なくとも複数の位置または方向から発せられた音響信号の収音特性を異ならせる、
収音装置。 - 複数個のスピーカを含む再生装置であって、
前記スピーカのうちの少なくとも1つである第一スピーカの指向特性と、前記スピーカのうちの前記第一スピーカ以外の少なくとも1つである第二スピーカの指向特性と、が異なり、
前記指向特性の違いによる伝達特性の変調を利用した信号処理を行うフィルタリング部を更に有する、
再生装置。 - 請求項4記載の再生装置であって、
前記フィルタリング部は、
当該再生装置の外部に存在する第一の音源位置から発せられる音と、当該再生装置の外部に存在する第一の音源位置とは異なる第二の音源位置から発せられる音とに、異なる再生特性を与えて出力するものである、
再生装置。 - 請求項4または請求項5に記載の再生装置であって、
前記フィルタリング部は、
空間上の少なくとも複数の位置へ、前記第一スピーカ及び前記第二スピーカから発する音響信号の再生特性を異ならせる、
再生装置。
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