JP5982900B2 - 雑音抑制装置、マイクロホンアレイ装置、雑音抑制方法、及びプログラム - Google Patents

雑音抑制装置、マイクロホンアレイ装置、雑音抑制方法、及びプログラム Download PDF

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Description

雑音抑制装置、マイクロホンアレイ装置、雑音抑制方法、及びプログラムに関する。
従来、図１５に示すように、２つのマイクロホンの各々からの出力を同期減算または同期加算することにより指向性受音処理を行うマイクロホンアレイが一般的に用いられている。例えば、車内の運転席と同乗者席との間にマイクロホンアレイを設置し、同乗者席方向に合せた同期減算により、その方向から到来する音声を雑音として抑制することで、運転席方向に指向性を持たせることができる。
また、マイクロホンにエアコンからの風などが当たった場合に、振動板が非常に大きく動くことで大きなレベルの非定常雑音が生じる。このような大きなレベルの非定常雑音を抑制する技術が提案されている。例えば、図１６に示す例では、相関分析部１０００で、複数のマイクから入力された入力信号間の相関を計算する。そして、風雑音分析部１００２で、相関分析部１０００で計算された相関が小さい場合には、風当りによる雑音が生じていると判定して、風雑音低減部１００４に低減ゲインを出力する。そして、風雑音低減部１００４で、入力信号を低減ゲインに応じてレベルを低減して出力している（例えば、特許文献１〜３参照）。
特開平１０−２３５９０号公報 特許第２９９５９５９号公報 特開２００８−２６３４８３号公報
風当り雑音のような大きなレベルの非定常雑音が生じている環境下で指向性受音処理を行う場合、指向性受音処理のための同期減算または同期加算によってこの非定常雑音が強調される、という問題がある。これは、風当り雑音のような大きなレベルの非定常雑音では、複数のマイクロホンの各々からの入力信号間の相関が小さいために、下記に示す通り、同期減算した結果のパワーが、各入力信号のパワーの和と同等の値になるためである。また同様に、同期減算においては位相をずらして加算した雑音のパワーが、各入力信号のパワーの和と同等の値になる。
「(Lin(t)-Rin(t-1))のパワー」≒「Lin(t)のパワー」+「Rin(t)のパワー」
ここで、Ｌｉｎ（ｔ）及びＲｉｎ（ｔ）は入力信号、Ｒｉｎ（ｔ−１）は入力信号Ｒｉｎ（ｔ）を１サンプル遅延させた信号である。
また、指向性受音及び非定常雑音の低減を同時に実現する場合、図１７に示すように、風雑音低減処理と指向性受音処理とを結合することが考えられる。しかし、この場合でも、指向性受音のための同期減算または同期加算によって風当り雑音の残留分が強調される、という問題がある。
図１８に、風当り雑音が同期減算によって強調される例を示す。振幅が突出している箇所で風当たり雑音が生じていることを示している。図１８の例では、同期減算前に比べて、同期減算後の方が風当たり雑音が強調されていることが分かる。ここでは、約６ｄＢの雑音レベルの増大の問題が生じている。
開示の技術は、風当たり雑音のような大きなレベルの非定常雑音が生じている環境下で指向性受音処理を行う場合において、この非定常雑音が強調されることを抑制することが目的である。
開示の技術は、相関分析部が、複数のマイクロホンの各々から入力された複数の入力信号間の相関を分析する。そして、係数計算部が、前記相関分析部により分析された前記相関が小さくなるほど、同期減算または同期加算の程度が小さくなる係数を、前記複数のマイクロホン間の距離が小さいほど、前記係数の最大値に対応する最大相関が大きく、かつ前記係数の最小値に対応する最小相関が前記最大相関に近くなるように設定された前記最小値から前記最大値までの範囲で計算する。そして、指向性受音部が、前記係数計算部により計算された係数を用いて、前記複数の入力信号に対する指向性受音処理を行う。
また、開示の技術は、複数のマイクロホンが所定間隔で配置されたマイクロホンアレイを含むことができる。
開示の技術は、大きなレベルの非定常雑音が生じている環境下で指向性受音処理を行う場合において、非定常雑音が強調されることを抑制することができる、という効果を有する。
第１の実施の形態に係るマイクロホンアレイ装置の機能ブロック図である。 第１の実施の形態の同期減算係数計算部の処理を説明するための図である。 第１の実施の形態に係るマイクロホンアレイ装置における雑音抑制処理の内容を示すフローチャートである。 従来技術と比較した本実施の形態に係るマイクロホンアレイ装置における同期減算結果を示す図である。 第２の実施の形態に係るマイクロホンアレイ装置の機能ブロック図である。 第２の実施の形態の同期減算係数計算部の処理を説明するための図である。 第２の実施の形態に係るマイクロホンアレイ装置における雑音抑制処理の内容を示すフローチャートである。 第３の実施の形態に係るマイクロホンアレイ装置の機能ブロック図である。 第３の実施の形態の同期減算係数計算部の処理を説明するための図である。 第３の実施の形態に係るマイクロホンアレイ装置における雑音抑制処理の内容を示すフローチャートである。 マイク間隔に応じたパラメータ調整を示す図である。 第５の実施の形態に係るマイクロホンアレイ装置の機能ブロック図である。 出力パワーの相対値を基にしたパラメータ調整を示す図である。 第６の実施の形態に係るマイクロホンアレイ装置として機能するコンピュータの概略ブロック図である。 従来技術における同期減算による指向性受音処理を示す構成図である。 従来技術における入力信号間の相関を基にした風当り雑音低減処理を示す構成図である。 従来技術における指向性受音処理と風当たり雑音低減処理とを結合した構成図である。 従来技術の指向性受音処理の問題を示す図である。
以下、図面を参照して開示の技術の実施の形態の一例を詳細に説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１に、第１の実施の形態に係るマイクロホンアレイ装置１を示す。マイクロホンアレイ装置１は、複数のマイクロホンを所定間隔で配置したマイクロホンアレイ１１と、雑音抑制装置１０とを備えている。
マイクロホンアレイ１１には、少なくとも２つのマイクロホンが含まれる。ここでは、Ｌチャネルのマイクロホン１１ａ及びＲチャネルのマイクロホン１１ｂの２つのマイクロホンが含まれる場合を例に説明する。
マイクロホン１１ａ及び１１ｂは、周辺の音を集音し、集音した音をアナログ信号に変換する。また、アナログ信号を所定のサンプリング周波数Ｆｓでサンプリングしたデジタル信号に変換し、各々入力信号Ｌｉｎ（ｔ）及びＲｉｎ（ｔ）として出力する。なお、ｔはサンプリング番号である。
雑音抑制装置１０は、非定常雑音低減部１２、同期減算係数計算部１４、及び指向性受音部１６を含んで表すことができる。また、雑音抑制装置１０の各機能部は、例えば半導体集積回路、より詳しくはＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等で実現することができる。また、雑音抑制装置１０は、マイクロホンアレイ１１から出力されたデジタル信号が入力されるＤＳＰ（Digital Signal Processor）と、ＤＳＰから出力されるデジタル信号をアナログ信号に変換するデジタル／アナログ変換器とで構成することもできる。
非定常雑音低減部１２は、さらに、相関係数計算部１２ａ、分析部１２ｂ、及び低減部１２ｃを含んで表すことができる。なお、相関係数計算部１２ａが、開示の技術の相関分析部の一例、分析部１２ｂ及び低減部１２ｃが、開示の技術の低減部の一例である。
相関係数計算部１２ａは、下記（１）式により、マイクロホン１１ａ及び１１ｂの各々から入力された入力信号Ｌｉｎ（ｔ）とＲｉｎ（ｔ）との相関係数ｒ（ｔ）を計算する。なお、（１）式内の変数ｉは０〜Ｉの自然数で、（ｔ−Ｉ）〜ｔまでの各サンプルでの入力信号を用いて相関係数を計算することを示す。
r(t)=Σi=0Lin(t-i)Rin(t-i)/(Σi=0Lin(t-i)2Σi=0Rin(t-i)2)1/2 （１）
風当たり雑音のような大きなレベルの非定常雑音が生じている場合には、２つの入力信号Ｌｉｎ（ｔ）とＲｉｎ（ｔ）との相関は小さくなる。例えば、車内に搭載されたマイクロホンアレイでドライバの声を集音する場合において、ドライバの声が集音された各マイクロホンからの入力信号の波形は類似し、入力信号間の相関が大きくなる。一方で、エアコンなどからの風がマイクロホンに当たる場合には、各マイクロホンからの入力信号の波形は異なり、入力信号間の相関が小さくなる。従って、上記の相関係数の絶対値｜ｒ（ｔ）｜は、非定常雑音が生じていることの確からしさを示す指標となる。すなわち、相関係数の絶対値｜ｒ（ｔ）｜ が小さいほど、非定常雑音が生じていることの確からしさが高いことを示す。
分析部１２ｂは、相関係数計算部１２ａで計算された相関係数の絶対値｜ｒ（ｔ）｜に基づいて、入力信号に大きなレベルの非定常雑音が生じているか否かを分析し、相関係数の絶対値｜ｒ（ｔ）｜に応じた低減ゲインを出力する。低減ゲインは、相関係数の絶対値｜ｒ（ｔ）｜が大きいほど大きく、相関係数の絶対値｜ｒ（ｔ）｜が小さいほど小さくなる値とする。
低減部１２ｃは、分析部１２ｂから出力された低減ゲインを用いて、入力された入力信号Ｌｉｎ（ｔ）及びＲｉｎ（ｔ）のレベルを低減した信号Ｌｉｎ’（ｔ）及びＲｉｎ’（ｔ）を出力する。これにより、大きなレベルの非定常雑音が生じている確からしさが高いほど、入力信号Ｌｉｎ（ｔ）及びＲｉｎ（ｔ）のレベルが低減され、非定常雑音が低減される。
同期減算係数計算部１４は、後述する指向性受音部１６における同期減算の係数を計算する。風当たり雑音のような大きなレベルの非定常雑音が生じている場合には、指向性受音処理のための同期減算によって、非定常雑音が強調されてしまう。そこで、大きなレベルの非定常雑音が生じている確からしさが高い場合には、同期減算の程度を小さくすることにより、同期減算により非定常雑音が強調されることを抑制する。なお、同期減算係数計算部１４が、開示の技術の係数計算部の一例である。
同期減算係数計算部１４では、上記の同期減算の程度を示す同期減算係数α（ｔ）を計算する。例えば、図２に示すように、同期減算係数α（ｔ）を、相関係数の絶対値｜ｒ（ｔ）｜が大きいほど大きく、｜ｒ（ｔ）｜が小さいほど小さくなるように予め定めておく。すなわち、同期減算係数α（ｔ）は、大きなレベルの非定常雑音が生じている確からしさが高いほど小さな値となる。なお、０≦｜ｒ（ｔ）｜≦１、０≦α（ｔ）≦１である。図２に示すような同期減算係数α（ｔ）と相関係数の絶対値｜ｒ（ｔ）｜との関係を、例えばテーブル形式や関数の形式で所定の記憶領域に記憶しておく。
同期減算係数計算部１４は、所定の記憶領域に記憶した同期減算係数α（ｔ）と相関係数の絶対値｜ｒ（ｔ）｜との関係を参照して、相関係数計算部１２ａから入力された相関係数の絶対値｜ｒ（ｔ）｜に対応する同期減算係数α（ｔ）を計算する。計算した同期減算係数α（ｔ）は、指向性受音部１６へ出力する。
指向性受音部１６は、さらに、遅延部１６ａ、乗算部１６ｂ、及び減算部１６ｃを含んで表すことができる。
遅延部１６ａは、非定常雑音低減部１２から入力された信号Ｒｉｎ’（ｔ）を、マイクロホン１１ａと１１ｂとの間隔に基づいて定まる同期減算の際の同期化のための遅延量ｄだけ遅延させた信号Ｒｉｎ’（ｔ−ｄ）を出力する。例えば、マイクロホン１１ａと１１ｂとの間隔が、音速ｃ／サンプリング周波数Ｆｓの場合、信号Ｒｉｎ’（ｔ）を１サンプル遅延させることで、同期減算の同期化が図れる。この場合、遅延部１６ａを１サンプル遅延器として構成することができる。第１の実施の形態では、遅延部１６ａが１サンプル遅延器である場合を例に説明する。すなわち、遅延部１６ａからは、信号Ｒｉｎ’（ｔ−１）が出力される。
乗算部１６ｂは、遅延部１６ａから出力された信号Ｒｉｎ’（ｔ−１）に、同期減算係数計算部１４で計算された同期減算係数α（ｔ）を乗算した信号α（ｔ）Ｒｉｎ’（ｔ−１）を出力する。
減算部１６ｃは、非定常雑音低減部１２から入力された信号Ｌｉｎ’（ｔ）から、乗算部１６ｂから出力された信号α（ｔ）Ｒｉｎ’（ｔ−１）を減算した信号を出力信号ｏｕｔ（ｔ）として出力する。出力信号ｏｕｔ（ｔ）は、下記（２）式となる。
out(t) = Lin'(t)-α(t)Rin'(t-1) （２）
次に、第１の実施の形態のマイクロホンアレイ装置１の作用について説明する。マイクロホンアレイ１１で周辺の音が集音され、マイクロホン１１ａ及び１１ｂの各々から入力信号Ｌｉｎ（ｔ）及びＲｉｎ（ｔ）が雑音抑制装置１０に入力されると、雑音抑制装置１０において、図３に示す雑音抑制処理が実行される。
まず、ステップ１００で、相関係数計算部１２ａが、（１）式により、マイクロホン１１ａ及び１１ｂの各々から入力された入力信号Ｌｉｎ（ｔ）とＲｉｎ（ｔ）との相関係数ｒ（ｔ）を計算する。
次に、ステップ１０２で、分析部１２ｂが、上記ステップ１００で計算された相関係数の絶対値｜ｒ（ｔ）｜に基づいて、入力信号に大きなレベルの非定常雑音が生じているか否かを分析し、相関係数の絶対値｜ｒ（ｔ）｜に応じた低減ゲインを出力する。そして、低減部１２ｃが、分析部１２ｂから出力された低減ゲインを用いて、入力された入力信号Ｌｉｎ（ｔ）及びＲｉｎ（ｔ）のレベルを低減した信号Ｌｉｎ’（ｔ）及びＲｉｎ’（ｔ）を出力する。
次に、ステップ１０４で、同期減算係数計算部１４が、所定の記憶領域に記憶された同期減算係数α（ｔ）と相関係数の絶対値｜ｒ（ｔ）｜との関係を参照する。そして、上記ステップ１００で計算された相関係数の絶対値｜ｒ（ｔ）｜に対応する同期減算係数α（ｔ）を計算する。
次に、ステップ１０６で、遅延部１６ａが、信号Ｒｉｎ’（ｔ）を１サンプル遅延させた信号Ｒｉｎ’（ｔ−１）を出力する。そして、乗算部１６ｂが、遅延部１６ａから出力された信号Ｒｉｎ’（ｔ−１）に、上記ステップ１０４で計算された同期減算係数α（ｔ）を乗算した信号α（ｔ）Ｒｉｎ’（ｔ−１）を出力する。そして、減算部１６ｃが、（２）式に従って、上記ステップ１０２で非定常雑音が低減された信号Ｌｉｎ’（ｔ）から、乗算部１６ｂから出力された信号α（ｔ）Ｒｉｎ’（ｔ−１）を減算した信号を出力信号ｏｕｔ（ｔ）として出力して、処理を終了する。
以上説明したように、第１の実施の形態のマイクロホンアレイ装置によれば、大きなレベルの非定常雑音が生じている確からしさを示す入力信号間の相関係数の絶対値が大きいほど大きくなる同期減算係数を計算し、指向性受音処理における同期減算でこの同期減算係数を用いる。このため、非定常雑音が生じている確からしさが高い場合には、同期減算の程度を小さくすることで、同期減算により非定常雑音が強調されることを抑制することができる。
図４に、風当たり雑音がある環境において固定係数の同期減算を行った結果（図１８の右図と同じ）と、本実施の形態による同期減算の結果を示す。図４の例では、本実施の形態によると、風当たり雑音の強調を約６ｄＢ抑制できることが分かった。
＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施の形態について説明する。図５に、第２の実施の形態に係るマイクロホンアレイ装置２を示す。なお、第１の実施の形態のマイクロホンアレイ装置１と同一の部分については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
第２の実施の形態に係るマイクロホンアレイ装置２は、マイクロホンアレイ１１と、雑音抑制装置２１０とを備えている。雑音抑制装置２１０は、非定常雑音低減部２１２、同期減算係数計算部２１４、及び指向性受音部２１６を含んで表すことができる。
非定常雑音低減部２１２は、さらに、相関係数計算部２１２ａ、音源方向検出部１２ｄ、分析部１２ｂ、及び低減部１２ｃを含んで表すことができる。
相関係数計算部２１２ａは、下記（３）式により、マイクロホン１１ａ及び１１ｂの各々から入力された入力信号Ｌｉｎ（ｔ）とＲｉｎ（ｔ）との相関係数ｒ（ｔ，ｄ）を計算する。
r(t,d)=Σi=0Lin(t-i)Rin(t-i-d)/(Σi=0Lin(t-i)2Σi=0Rin(t-i-d)2)1/2 （３）
ここで、ｄは遅延量であり、例えば、マイクロホン１１ａと１１ｂとの間隔が、音速ｃ／サンプリング周波数Ｆｓの場合には、ｄ＝−１，０，１となる。相関係数計算部２１２ａでは、（３）式により遅延量ｄが各値のときの相関係数を各々計算し、その絶対値｜ｒ（ｔ，ｄ）｜が最大となるときの値｜ｒ（ｔ，ｄｍａｘ）｜を出力する。
音源方向検出部１２ｄは、相関係数計算部２１２ａから出力された相関係数の絶対値｜ｒ（ｔ，ｄｍａｘ）｜におけるｄｍａｘ、すなわち（３）式の相関係数の絶対値が最大となるときの遅延量ｄｍａｘに基づいて音源方向を検出する。ｄｍａｘ＝−１の場合は、Ｌチャネルのマイクロホン１１ａ側が音源方向となる。ｄｍａｘ＝０の場合は、Ｌチャネルのマイクロホン１１ａとＲチャネルのマイクロホン１１ｂとの中間方向が音源方向となる。ｄｍａｘ＝１の場合は、Ｒチャネルのマイクロホン１１ｂ側が音源方向となる。
また、音源方向検出部１２ｄは、信号Ｌｉｎ’（ｔ）及びＲｉｎ’（ｔ）の各々について、検出した音源方向に応じた同期化のための遅延量ｄＬ及びｄＲを、下記のように求める。
ｄｍａｘ≧０の場合・・・ｄＬ＝０， ｄＲ＝ｄｍａｘ
ｄｍａｘ＜０の場合・・・ｄＬ＝｜ｄｍａｘ｜， ｄＲ＝０
同期減算係数計算部２１４は、第１の実施の形態における同期減算係数α（ｔ）と相関係数の絶対値｜ｒ（ｔ）｜との関係と同様に、例えば、図６に示すような同期減算係数α（ｔ）と相関係数の絶対値｜ｒ（ｔ，ｄｍａｘ）｜との予め定められた関係を用いる。
同期減算係数計算部２１４は、所定の記憶領域に記憶した同期減算係数α（ｔ）と相関係数の絶対値｜ｒ（ｔ，ｄｍａｘ）｜との関係を参照する。そして、相関係数計算部２１２ａから入力された相関係数の絶対値｜ｒ（ｔ，ｄｍａｘ）｜に対応する同期減算係数α（ｔ）を計算する。計算した同期減算係数α（ｔ）は、指向性受音部２１６へ出力する。
指向性受音部２１６は、さらに、遅延部２１６ａＬ、遅延部２１６ａＲ、乗算部２１６ｂ、及び減算部２１６ｃを含んで表すことができる。
遅延部２１６ａＬは、非定常雑音低減部２１２から入力された信号Ｌｉｎ’（ｔ）を、音源方向検出部１２ｄで求められた遅延量ｄＬだけ遅延させた信号Ｌｉｎ’（ｔ−ｄＬ）を出力する。同様に、遅延部２１６ａＲは、非定常雑音低減部２１２から入力された信号Ｒｉｎ’（ｔ）を、音源方向検出部１２ｄで求められた遅延量ｄＲだけ遅延させた信号Ｒｉｎ’（ｔ−ｄＲ）を出力する。
乗算部２１６ｂは、第１の実施の形態と同様に、遅延部２１６ａＲから入力された信号Ｒｉｎ’（ｔ−ｄＲ）に、同期減算係数計算部２１４で計算された同期減算係数α（ｔ）を乗算した信号α（ｔ）Ｒｉｎ’（ｔ−ｄＲ）を出力する。
減算部２１６ｃは、遅延部２１６ａＬから入力された信号Ｌｉｎ’（ｔ−ｄＬ）から、乗算部２１６ｂから入力された信号α（ｔ）Ｒｉｎ’（ｔ−ｄＲ）を減算した信号を出力信号ｏｕｔ（ｔ）として出力する。出力信号ｏｕｔ（ｔ）は、下記（４）式となる。
out(t) = Lin'(t-dL)-α(t)Rin'(t-dR) （４）
次に、第２の実施の形態のマイクロホンアレイ装置２の作用について説明する。マイクロホンアレイ１１で周辺の音が集音され、マイクロホン１１ａ及び１１ｂの各々から入力信号Ｌｉｎ（ｔ）及びＲｉｎ（ｔ）が雑音抑制装置２１０に入力されると、雑音抑制装置２１０において、図７に示す雑音抑制処理が実行される。なお、第１の実施の形態における雑音抑制処理と同様の処理については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
まず、ステップ２００で、相関係数計算部２１２ａが、（３）式により、マイクロホン１１ａ及び１１ｂの各々から入力された入力信号Ｌｉｎ（ｔ）とＲｉｎ（ｔ）との遅延量毎の相関係数ｒ（ｔ，ｄ）を計算する。そして、その絶対値が最大となるときの値｜ｒ（ｔ，ｄｍａｘ）｜を出力する。
次に、ステップ２０２で、音源方向検出部１２ｄが、上記ステップ２００で出力された相関係数の絶対値｜ｒ（ｔ，ｄｍａｘ）｜におけるｄｍａｘに基づいて音源方向を検出する。そして、次のステップで出力される信号Ｌｉｎ’（ｔ）及びＲｉｎ’（ｔ）の各々について、検出した音源方向に応じた同期化のための遅延量ｄＬ及びｄＲを求める。
次に、ステップ１０２で、分析部１２ｂ及び低減部１２ｃが、上記ステップ２００で計算された相関係数の絶対値｜ｒ（ｔ，ｄｍａｘ）｜に基づいて、非定常雑音を低減した信号Ｌｉｎ’（ｔ）及びＲｉｎ’（ｔ）を出力する。
次に、ステップ２０４で、同期減算係数計算部２１４が、所定の記憶領域に記憶された同期減算係数α（ｔ）と相関係数の絶対値｜ｒ（ｔ，ｄｍａｘ）｜との関係を参照する。そして、上記ステップ２００で計算された相関係数の絶対値｜ｒ（ｔ，ｄｍａｘ）｜に対応する同期減算係数α（ｔ）を計算する。
次に、ステップ２０６で、遅延部２１６ａＬ及び２１６ａＲが、信号Ｌｉｎ’（ｔ）及びＲｉｎ’（ｔ）の各々を、上記ステップ２０２で求めた遅延量ｄＬ及びｄＲ遅延させた信号Ｌｉｎ’（ｔ−ｄＬ）及びＲｉｎ’（ｔ−ｄＲ）を出力する。そして、乗算部１６ｂが、遅延部２１６ａＲから入力された信号Ｒｉｎ’（ｔ−ｄＲ）に、上記ステップ２０４で計算された同期減算係数α（ｔ）を乗算した信号α（ｔ）Ｒｉｎ’（ｔ−ｄＲ）を出力する。そして、減算部２１６ｃが、（４）式に従って、遅延部２１６ａＬから入力された信号Ｌｉｎ’（ｔ−ｄＬ）から、乗算部２１６ｂから入力された信号α（ｔ）Ｒｉｎ’（ｔ−ｄＲ）を減算した信号を出力信号ｏｕｔ（ｔ）として出力して、処理を終了する。
以上説明したように、第２の実施の形態のマイクロホンアレイ装置２によれば、遅延量毎に求めた入力信号の相関係数の絶対値が最大になるときの遅延量から音源方向を検出して、同期減算の際の遅延量を求める。これにより、指向性受音の指向性を制御することができる。また、第１の実施の形態と同様に、大きなレベルの非定常雑音が生じている確からしさを示す入力信号間の相関係数の絶対値が小さいほど小さくなる同期減算係数を計算し、指向性受音処理における同期減算でこの同期減算係数を用いる。このため、非定常雑音が生じている確からしさが高い場合には、同期減算の程度を小さくすることで、同期減算により非定常雑音が強調されることを抑制することができる。
なお、音源方向が複数存在する場合には、各音源方向に合せて上記の処理を並行して行うとよい。
＜第３の実施の形態＞
次に、第３の実施の形態について説明する。図８に、第３の実施の形態に係るマイクロホンアレイ装置３を示す。なお、第１の実施の形態のマイクロホンアレイ装置１と同一の部分については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
第３の実施の形態に係るマイクロホンアレイ装置３は、マイクロホンアレイ１１と、雑音抑制装置３１０とを備えている。雑音抑制装置３１０は、ＦＦＴ部１８Ｌ，１８Ｒ、非定常雑音低減部３１２、同期減算係数計算部３１４、指向性受音部３１６、及びＩＦＦＴ部２０を含んで表すことができる。なお、ＦＦＴ部１８Ｌ，１８Ｒが、開示の技術の周波数領域変換部の一例である。
ＦＦＴ部１８Ｌ，１８Ｒは、時間領域の信号である入力信号Ｌｉｎ（ｔ）及びＲｉｎ（ｔ）の各々を周波数領域の信号に変換する。具体的には、入力信号Ｌｉｎ（ｔ）及びＲｉｎ（ｔ）の各々に対して、所定割合（例えば、５０％）でオーバラップしたハニング窓掛けを行い、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）により周波数領域の信号ＬＩＮ（ｋ，ｆ）及びＲＩＮ（ｋ，ｆ）に変換する。ここで、ｋはフレーム番号、ｆは周波数番号を示す。
非定常雑音低減部３１２は、さらに、相関係数計算部３１２ａ、分析部１２ｂ、及び低減部１２ｃを含んで表すことができる。
相関係数計算部３１２ａは、下記（５）式により、周波数領域の信号に変換された入力信号ＬＩＮ（ｋ，ｆ）とＲＩＮ（ｋ，ｆ）との相関係数ｒ（ｋ，ｆ）を計算する。
r(k,f)=Σi=0LIN(k-i,f)RIN(k-i,f)/(Σi=0LIN(k-i,f)2Σi=0RIN(k-i,f)2)1/2 （５）
分析部１２ｂ及び低減部１２ｃは、相関係数計算部３１２ａで計算された相関係数の絶対値｜ｒ（ｋ，ｆ）｜に基づいて、非定常雑音を低減した信号ＬＩＮ’（ｋ，ｆ）及びＲＩＮ’（ｋ，ｆ）を出力する。
同期減算係数計算部３１４は、第１の実施の形態における同期減算係数α（ｔ）と相関係数の絶対値｜ｒ（ｔ）｜との関係と同様に、例えば、図９に示すような同期減算係数α（ｋ，ｆ）と相関係数の絶対値｜ｒ（ｋ，ｆ）｜との予め定められた関係を用いる。
同期減算係数計算部３１４は、所定の記憶領域に記憶した同期減算係数α（ｋ，ｆ）と相関係数の絶対値｜ｒ（ｋ，ｆ）｜との関係を参照する。そして、相関係数計算部３１２ａから入力された相関係数の絶対値｜ｒ（ｋ，ｆ）｜に対応する同期減算係数α（ｋ，ｆ）を計算する。計算した同期減算係数α（ｋ，ｆ）は、指向性受音部３１６へ出力する。
指向性受音部３１６は、さらに、遅延部３１６ａ、乗算部３１６ｂ、及び減算部３１６ｃを含んで表すことができる。
遅延部３１６ａは、非定常雑音低減部３１２から入力された信号ＲＩＮ’（ｋ，ｆ）を、マイクロホン１１ａと１１ｂとの間隔に基づいて定まる同期減算の際の同期化のための遅延量ｄだけ遅延させた信号を出力する。例えば、マイクロホン１１ａと１１ｂとの間隔が、音速ｃ／サンプリング周波数Ｆｓの場合、信号ＲＩＮ’（ｋ，ｆ）を１サンプル遅延させることで、同期減算の同期化が図れる。この場合、遅延部３１６ａを１サンプル遅延器として構成することができ、遅延部３１６ａからは、信号ｅｘｐ（−２πｆ／Ｆｓ）ＲＩＮ’（ｋ，ｆ）が出力される。ここで、Ｆｓはサンプリング周波数であり、ｅｘｐ（−２πｆ／Ｆｓ）は、時間領域での１サンプル遅延に相当する、周波数領域での位相スペクトルのシフト係数である。
乗算部３１６ｂは、遅延部３１６ａから出力された信号ｅｘｐ（−２πｆ／Ｆｓ）ＲＩＮ’（ｋ，ｆ）に、同期減算係数計算部３１４で計算された同期減算係数α（ｋ，ｆ）を乗算した信号α（ｋ，ｆ）ｅｘｐ（−２πｆ／Ｆｓ）ＲＩＮ’（ｋ，ｆ）を出力する。
減算部３１６ｃは、非定常雑音低減部３１２から入力された信号ＬＩＮ’（ｋ，ｆ）から、乗算部３１６ｂから入力された信号α（ｋ，ｆ）ｅｘｐ（−２πｆ／Ｆｓ）ＲＩＮ’（ｋ，ｆ）を減算した信号を出力信号ＯＵＴ（ｋ，ｆ）として出力する。出力信号ＯＵＴ（ｋ，ｆ）は、下記（６）式となる。
OUT(k,f)=LIN'(k,f)-α(k,f)exp(-2πf/Fs)RIN'(k,f) （６）
ＩＦＦＴ部２０は、指向性受音部３１６から入力された周波数領域の信号である出力信号ＯＵＴ（ｋ，ｆ）を、ＩＦＦＴ（Inverse FFT）により時間領域の信号に変換し、所定割合（例えば、５０％）でオーバラップ加算した出力信号ｏｕｔ（ｔ）を出力する。
次に、第３の実施の形態のマイクロホンアレイ装置３の作用について説明する。マイクロホンアレイ１１で周辺の音が集音され、マイクロホン１１ａ及び１１ｂの各々から入力信号Ｌｉｎ（ｔ）及びＲｉｎ（ｔ）が雑音抑制装置３１０に入力されると、雑音抑制装置３１０において、図１０に示す雑音抑制処理が実行される。なお、第１の実施の形態における雑音抑制処理と同様の処理については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
まず、ステップ３００で、ＦＦＴ部１８Ｌ，１８Ｒが、入力信号Ｌｉｎ（ｔ）及びＲｉｎ（ｔ）の各々に対して、所定割合でオーバラップしたハニング窓掛けを行い、ＦＦＴにより周波数領域の信号ＬＩＮ（ｋ，ｆ）及びＲＩＮ（ｋ，ｆ）に変換して出力する。
次に、ステップ３０２で、相関係数計算部３１２ａが、（５）式により、周波数領域の信号に変換された入力信号Ｌｉｎ（ｋ，ｆ）とＲｉｎ（ｋ，ｆ）との相関係数ｒ（ｋ，ｆ）を計算する。
次に、ステップ１０２で、分析部１２ｂ及び低減部１２ｃが、上記ステップ３００で計算された相関係数の絶対値｜ｒ（ｋ，ｆ）｜に基づいて、非定常雑音を低減した信号ＬＩＮ’（ｋ，ｆ）及びＲＩＮ’（ｋ，ｆ）を出力する。
次に、ステップ３０４で、同期減算係数計算部３１４が、所定の記憶領域に記憶された同期減算係数α（ｋ，ｆ）と相関係数の絶対値｜ｒ（ｋ，ｆ）｜との関係を参照する。そして、上記ステップ３００で計算された相関係数の絶対値｜ｒ（ｋ，ｆ）｜に対応する同期減算係数α（ｋ，ｆ）を計算する。
次に、ステップ３０６で、遅延部３１６ａが、ＲＩＮ’（ｋ，ｆ）を１サンプル相当遅延させた信号ｅｘｐ（−２πｆ／Ｆｓ）ＲＩＮ’（ｋ，ｆ）を出力する。そして、乗算部３１６ｂが、遅延部３１６ａから出力された信号ｅｘｐ（−２πｆ／Ｆｓ）ＲＩＮ’（ｋ，ｆ）に、上記ステップ３０４で計算された同期減算係数α（ｋ，ｆ）を乗算した信号α（ｋ，ｆ）ｅｘｐ（−２πｆ／Ｆｓ）ＲＩＮ’（ｋ，ｆ）を出力する。そして、減算部３１６ｃが、（６）式に従って、非定常雑音低減部３１２から入力された信号ＬＩＮ’（ｋ，ｆ）から、乗算部３１６ｂから入力された信号α（ｋ，ｆ）ｅｘｐ（−２πｆ／Ｆｓ）ＲＩＮ’（ｋ，ｆ）を減算した信号を出力信号ＯＵＴ（ｋ，ｆ）として出力する。
次に、ステップ３０８で、ＩＦＦＴ部２０が、上記ステップ３０６で出力された周波数領域の信号である出力信号ＯＵＴ（ｋ，ｆ）を、ＩＦＦＴにより時間領域の信号に変換し、所定割合でオーバラップ加算した出力信号ｏｕｔ（ｔ）を出力する。
以上説明したように、第３の実施の形態のマイクロホンアレイ装置３によれば、入力信号を周波数領域の信号に変換することにより、周波数成分毎に同期減算係数を計算して同期減算の処理を行うことができる。また、第１の実施の形態と同様に、大きなレベルの非定常雑音が生じている確からしさを示す入力信号間の相関係数の絶対値が小さいほど小さくなる同期減算係数を計算し、指向性受音処理における同期減算でこの同期減算係数を用いる。このため、非定常雑音が生じている確からしさが高い場合には、同期減算の程度を小さくすることで、同期減算により非定常雑音が強調されることを抑制することができる。
＜第４の実施の形態＞
次に、第４の実施の形態について説明する。第４の実施の形態に係るマイクロホンアレイ装置４の構成は、第１の実施の形態のマイクロホンアレイ装置１と同様であるため、説明を省略する。
第４の実施の形態に係るマイクロホンアレイ装置４では、同期減算係数計算部１４で同期減算係数αを計算する際のパラメータが、マイクロホン１１ａと１１ｂとの間隔に応じて定められている。
マイクロホン１１ａと１１ｂとの間隔が短い場合には、風当たり雑音のような大きなレベルの非定常雑音が生じている場合でも、入力信号間の相関が高くなる傾向にある。このような場合を考慮して、マイク間隔が短い場合には、真に相関が高い場合に同期減算係数αが大きくなるように、同期減算係数αを計算するためのパラメータを決定する。
例えば、図２、図６、図９で示したような、同期減算係数αと相関係数の絶対値｜ｒ｜との関係におけるパラメータγ０及びγ１を、例えば、図１１に示すように調整する。図１１の例では、横軸に「音速ｃ／サンプリング周波数Ｆｓ」を基準としたマイク間隔の相対値、縦軸にγ０及びγ１をとっている。大きなレベルの非定常雑音が生じている場合でも、マイク間隔が短いほど相関係数の絶対値｜ｒ｜が１．０に近い値になるため、図１１のように、パラメータγ０及びγ１の値も１．０に近い値になるように定めておく。
以上説明したように、第４の実施の形態のマイクロホンアレイ装置４によれば、マイク間隔が短いために入力信号の相関係数が大きくなる場合を考慮して、適切な同期減算係数が計算されるため、同期減算により非定常雑音が強調されることを適切に抑制することができる。
＜第５の実施の形態＞
次に、第５の実施の形態について説明する。図１２に、第５の実施の形態に係るマイクロホンアレイ装置５を示す。なお、第１の実施の形態のマイクロホンアレイ装置１と同一の部分については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
第５の実施の形態に係るマイクロホンアレイ装置５は、マイクロホンアレイ１１と、雑音抑制装置５１０とを備えている。雑音抑制装置５１０は、非定常雑音低減部１２、同期減算係数計算部５１４、指向性受音部１６、及びパラメータ更新部２２を含んで表すことができる。なお、パラメータ更新部２２が、開示の技術の更新部の一例である。
パラメータ更新部２２は、指向性受音部１６への入力Ｌｉｎ'（ｔ）のパワーに対する出力ｏｕｔ（ｔ）のパワーの比で表される出力パワーの相対値に基づいて、同期減算係数計算部５１４で同期減算係数αを計算する際のパラメータを更新する。
風当りの状況やマイクロホンアレイ装置５が車両の車内に搭載された態様における前記車両の走行状況などにより、同期減算係数αに応じた出力パワーの相対値は変化する。例えば、図１３に示すように、横軸に同期減算係数α、縦軸に出力パワーの相対値を取った場合に、出力パワーの相対値が最小となるときのαの値αｏｐｔ（ｒ（ｔ））が変化する。なお、出力パワーの相対値が小さいということは、指向性受音処理による雑音抑制効果が高いことを示す。
パラメータ更新部２２では、異なる相関係数ｒ（ｔ）におけるαｏｐｔ（ｒ（ｔ））の値を算出し、異なる複数の相関係数ｒ（ｔ）とαｏｐｔ（ｒ（ｔ））との組を基にした直線補間などにより、相関係数ｒ（ｔ）とαｏｐｔ（ｒ（ｔ））との関係を求める。この関係に基づいて、パラメータγ０及びγ１に対応するパラメータα０及びα１の値を取得し、同期減算係数計算部５１４に設定されているパラメータα０及びα１を更新する。
以上説明したように、第５の実施の形態のマイクロホンアレイ装置５によれば、雑音抑制効果が高くなるように、同期減算係数を計算する際のパラメータが更新されるため、同期減算により非定常雑音が強調されることを抑制し、さらに雑音抑制効果を高めることができる。
＜第６の実施の形態＞
次に、第６の実施の形態について説明する。
第６の実施の形態の係るマイクロホンアレイ装置６は、例えば図１４に示すコンピュータ７０で実現することができる。コンピュータ７０はＣＰＵ７２、マイクロホン１１ａ、１１ｂ、メモリ４４、不揮発性の記憶部４６、及びスピーカ５４を備え、これらはバス５６を介して互いに接続されている。なお、記憶部４６はＨＤＤ（Hard Disk Drive）やフラッシュメモリ等によって実現できる。
記録媒体としての記憶部４６には、コンピュータ７０をマイクロホンアレイ装置６として機能させるための雑音抑制プログラム５８が記憶されている。ＣＰＵ７２は、雑音抑制プログラム５８を記憶部４６から読み出してメモリ４４に展開し、雑音抑制プログラム５８が有するプロセスを順次実行する。
雑音抑制プログラム５８は、非定常雑音低減プロセス６０、同期減算係数計算プロセス６２、及び指向性受音プロセス６４を有する。ＣＰＵ７２は、非定常雑音低減プロセス６０を実行することで、図１に示す非定常雑音低減部１２として動作する。またＣＰＵ７２は、同期減算係数計算プロセス６２を実行することで、図１に示す同期減算係数計算部１４として動作する。またＣＰＵ７２は、指向性受音プロセス６２を実行することで、図１に示す指向性受音部１６として動作する。これにより、雑音抑制プログラム５８を実行したコンピュータ７０が、マイクロホンアレイ装置６として機能することになる。
また、雑音抑制プログラム５８の各プロセスを実行することで、図５及び図８に示す各機能部として動作するようにしてもよい。また、雑音抑制プログラム５８が更にパラメータ更新プロセスを含み、各プロセスを実行することで、図１２に示す各機能部として動作するようにしてもよい。
以上説明したように、第６の実施の形態のマイクロホンアレイ装置は、コンピュータを、第１〜第５の実施の形態のいずれかのマイクロホンアレイ装置を構成する各機能部として機能させるためのプログラムとして提供される。
なお、上記では雑音抑制プログラム５８が記憶部４６に予め記憶（インストール）されている態様を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、開示の技術における雑音抑制プログラムは、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に記録されている形態で提供することも可能である。
また、第１〜第６の実施の形態では、同期減算による指向性受音処理について説明したが、同期加算による指向性受音の場合にも適用可能である。同期加算の場合も、入力信号間の相関が小さくなるほど小さくなるような同期加算係数を計算し、入力信号の一方に、入力信号の他方を所定サンプル数遅延させた信号に同期加算係数を乗算した信号を加算すればよい。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願及び技術規格は、個々の文献、特許出願及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
１、２、３、４、５、６ マイクロホンアレイ装置
１０、２１０、３１０、５１０ 雑音抑制装置
１１ マイクロホンアレイ
１１ａ、１１ｂ マイクロホン
１２、２１２、３１２ 非定常雑音低減部
１２ａ、２１２ａ、３１２ａ 相関係数計算部
１２ｂ 分析部
１２ｃ 低減部
１２ｄ 音源方向検出部
１４、２１４、３１４、５１４ 同期減算係数計算部
１６、２１６、３１６ 指向性受音部
１６ａ、２１６ａＬ、２１６ａＲ、３１６ａ 遅延部
１６ｂ、２１６ｂ、３１６ｂ 乗算部
１６ｃ、２１６ｃ、３１６ｃ 減算部
１８Ｌ、１８Ｒ ＦＦＴ部
２０ ＩＦＦＴ部
２２ パラメータ更新部

Claims (9)

  1. 複数のマイクロホンの各々から入力された複数の入力信号間の相関を分析する相関分析部と、
    前記相関分析部により分析された前記相関が小さくなるほど、同期減算または同期加算の程度が小さくなる係数を、前記複数のマイクロホン間の距離が小さいほど、前記係数の最大値に対応する最大相関が大きく、かつ前記係数の最小値に対応する最小相関が前記最大相関に近くなるように設定された前記最小値から前記最大値までの範囲で計算する係数計算部と、
    前記係数計算部により計算された係数を用いて、前記複数の入力信号に対する指向性受音処理を行う指向性受音部と、
    を含む雑音抑制装置。
  2. 前記相関分析部により分析された前記相関の大きさに応じて、前記複数の入力信号のレベルを低減する低減部を含み、
    前記指向性受音部は、前記低減部による処理後の信号に対して、前記指向性受音処理を行う
    請求項１記載の雑音抑制装置。
  3. 前記相関を、前記複数の入力信号間の相関係数の絶対値とした請求項１又は請求項２記載の雑音抑制装置。
  4. 前記指向性受音処理における音源方向を検出する音源方向検出部を含み、
    前記相関分析部は、音源方向に対応した前記複数のマイクロホン間における音の到来の遅延量毎に前記相関を分析し、
    前記音源方向検出部は、前記相関分析部により分析された前記相関が最大になるときの遅延量に基づいて、前記音源方向を検出し、
    前記指向性受音部は、前記音源方向検出部で検出された前記音源方向に指向性を持たせるように、前記同期減算または同期加算を行う
    請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の雑音抑制装置。
  5. 前記複数の入力信号を周波数領域の信号に変換する周波数領域変換部を含み、
    前記指向性受音部は、周波数成分毎に前記指向性受音処理を行う
    請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の雑音抑制装置。
  6. 前記指向性受音部へ入力される信号のレベルに対する出力される信号のレベルの比で表される前記指向性受音処理による雑音抑制効果を示す値に基づいて、前記雑音抑制効果が高くなるように前記同期減算または同期加算の程度を更新する更新部を含む請求項１〜請求項５のいずれか１項記載の雑音抑制装置。
  7. 複数のマイクロホンが所定間隔で配置されたマイクロホンアレイと、
    請求項１〜請求項６のいずれか１項記載の雑音抑制装置と、
    を含むマイクロホンアレイ装置。
  8. コンピュータに、
    複数のマイクロホンの各々から入力された複数の入力信号間の相関を分析する相関分析ステップと、
    前記相関分析ステップにより分析された前記相関が小さくなるほど、同期減算または同期加算の程度が小さくなる係数を、前記複数のマイクロホン間の距離が小さいほど、前記係数の最大値に対応する最大相関が大きく、かつ前記係数の最小値に対応する最小相関が前記最大相関に近くなるように設定された前記最小値から前記最大値までの範囲で計算する係数計算ステップと、
    前記係数計算ステップにより計算された係数を用いて、前記複数の入力信号に対する指向性受音処理を行う指向性受音ステップと、
    を含む処理を実行させる雑音抑制方法。
  9. コンピュータに、
    複数のマイクロホンの各々から入力された複数の入力信号間の相関を分析する相関分析ステップと、
    前記相関分析ステップにより分析された前記相関が小さくなるほど、同期減算または同期加算の程度が小さくなる係数を、前記複数のマイクロホン間の距離が小さいほど、前記係数の最大値に対応する最大相関が大きく、かつ前記係数の最小値に対応する最小相関が前記最大相関に近くなるように設定された前記最小値から前記最大値までの範囲で計算する係数計算ステップと、
    前記係数計算ステップにより計算された係数を用いて、前記複数の入力信号に対する指向性受音処理を行う指向性受音ステップと、
    を含む処理を実行させるための雑音抑制プログラム。
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