JP6371167B2 - 残響抑制装置 - Google Patents

Description

本発明は、残響抑制装置に関するものである。

音響信号から残響を除去する技術が種々提案されている。ある技術では、最初に音響信号を採取し、採取した音響信号に基づいて逆フィルタを作成し、そして、作成した逆フィルタを使用して、音響信号から残響を除去している（例えば特許文献１，２参照）。

特開２００７−０６５２０４号公報 特開２００６−１５７９２０号公報

しかしながら、上述の技術では、室内などの環境による残響の評価（つまり、逆フィルタの作成）を事前に行う必要があり、残響の評価を正確に行おうとすると、時間を要してしまう。また、残響の評価に要する時間を短くすると、逆フィルタの誤差が大きくなり、音質が劣化する可能性がある。さらに、逆フィルタを作成する場合、演算量が大きくなるため、所要時間を短くするためには、装置の処理速度を高くする必要があり、装置のコストが高くなってしまう。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、比較的簡単な演算で残響を抑制する残響抑制装置を得ることを目的とする。

本発明に係る残響抑制装置は、入力信号の絶対値または２乗に相関がある値のエンベロープにおける瞬時値を算出する瞬時値算出部と、瞬時値算出部により算出される瞬時値の指数移動平均を推定残響成分として算出する残響推定部と、瞬時値が推定残響成分より大きい期間においては、推定残響成分および瞬時値に基づいて入力信号に対するゲインを導出し、瞬時値が推定残響成分より小さい期間においては、ゲインを下限値にするゲイン導出部と、ゲイン導出部により導出されたゲインに対してスムージング処理を行うスムージング処理部と、スムージング処理後のゲインを入力信号の振幅調整に適用するゲイン処理部とを備える。

本発明によれば、比較的簡単な演算で残響が抑制される。

図１は、本発明の実施の形態１に係る残響抑制装置の構成を示すブロック図である。 図２は、図１におけるゲイン導出部６によるゲインの導出に使用される計算式の一例である。 図３は、実施の形態１に係る残響抑制装置において得られるゲインを説明する図である。 図４は、実施の形態１に係る残響抑制装置による後期残響音抑制の具体例について説明する図である。 図５は、本発明の実施の形態２に係る補聴器の構成を示すブロック図である。

以下、図に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

実施の形態１．

図１は、本発明の実施の形態１に係る残響抑制装置の構成を示すブロック図である。図１に示す残響抑制装置は、分析フィルタバンク１、ゲイン処理部２、合成フィルタバンク３、瞬時値算出部４、残響推定部５、ゲイン導出部６、スムージング処理部７、および設定部８を備える。例えば、この装置の各部は、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）として実現してもよいし、コンピュータでプログラムを実行することで実現してもよい。

分析フィルタバンク１は、入力信号（音響信号）を所定の複数（例えば３２）の周波数帯域の成分に分割する。入力信号には音声が含まれている。

ゲイン処理部２は、分析フィルタバンク１による分割で得られた所定数の周波数帯域の成分に対してゲインをそれぞれ適用する。その際、ゲイン処理部２は、スムージング処理部７によるスムージング処理後のゲインを入力信号（つまり、各周波数帯域の成分）の振幅調整に適用する。

合成フィルタバンク３は、ゲイン処理部２によりゲインを適用された所定数の周波数帯域の成分を合成して出力信号を生成する。

瞬時値算出部４は、入力信号の絶対値または２乗に相関がある値のエンベロープにおける瞬時値を算出する。この実施の形態では、瞬時値算出部４は、入力信号の２乗に相関がある値としてのパワーのエンベロープ（時間包絡）における瞬時値を算出する。ただし、この瞬時値として、入力信号の絶対値を使用してもよい。なお、ここでは、入力信号における上述の所定数の周波数帯域の成分のそれぞれについて瞬時値が算出される。

残響推定部５は、瞬時値算出部４により算出される瞬時値の指数移動平均を推定残響成分として算出する。ここでは、入力信号における上述の所定数の周波数帯域の成分のそれぞれについて推定残響成分が算出される。例えば、残響推定部５は、各時点の瞬時値を、その時点から所定の期間だけ保持し、各時点で保持している瞬時値に基づいてその時点の指数移動平均を計算する。

なお、指数移動平均は、加重移動平均の一種で、加重係数を指数関数的に減衰させていくものである。残響推定部５は、指数移動平均の加重係数を、推定残響成分が瞬時値より小さい期間においては第１時定数で減衰させていき、推定残響成分が瞬時値より大きい期間においては、第１時定数より小さい第２時定数で減衰させていく。

ゲイン導出部６は、上述の推定残響成分および上述の瞬時値に基づいて入力信号に対するゲインを導出する。その際、ゲイン導出部６は、推定残響成分が瞬時値より大きい期間においてはゲインを下限値にする。ここでは、入力信号における上述の所定数の周波数帯域の成分のそれぞれについてゲインが導出される。

この実施の形態では、ゲイン導出部６は、推定残響成分が瞬時値より小さい期間においては所定の特性で推定残響成分および瞬時値に応じてゲインを変化させ、推定残響成分が瞬時値より大きい期間においてはゲインを所定値（以下、ゲイン下限値という）に固定する。

ここでは、上述の特性は、所定の計算式に基づくものである。図２は、図１におけるゲイン導出部６によるゲインの導出に使用される計算式の一例を示す図である。図２に示す計算式（１）は、第ｋの周波数帯域についてのゲインＧ（ｋ）を導出するための式であり、ａを第１指数としｂを第２指数としたとき、瞬時値Ｘ（ｋ）のａ乗と推定残響成分Ｒ（ｋ）のａ乗との差を瞬時値Ｘ（ｋ）のａ乗で除算したもののｂ乗をゲインＧ（ｋ）としている。計算式（１）のゲインＧ（ｋ）は、音声等の変動がある音については、その変動に応じたゲインを与え、定常的なノイズ音については、ゲインを小さくするように動作する。また、上述の特性では、この計算式の値が上述のゲイン下限値以上である場合には、ゲイン導出部６は、この計算式の値をゲインの値とし、この計算式の値が上述のゲイン下限値未満となる場合には、ゲイン下限値をゲインの値として、ゲインＧ１（ｋ）を出力する。

例えば、瞬時値が入力信号（つまり、第ｋの周波数帯域の成分）のパワー値である場合、ａ＝１，ｂ＝１／２とし、瞬時値が入力信号（つまり、第ｋの周波数帯域の成分）の絶対値である場合、ａ＝２，ｂ＝１／２とする。

スムージング処理部７は、ゲイン導出部６により導出されたゲインＧ１（ｋ）に対してスムージング処理（時間軸方向でのスムージング処理）を行う。ここでは、入力信号における上述の所定数の周波数帯域の成分のそれぞれのゲインに対してスムージング処理が実行される。

この実施の形態では、スムージング処理部７は、このスムージング処理として、ゲイン導出部６により導出されたゲインの指数移動平均を算出し、算出した指数移動平均をスムージング処理後のゲインＧ２（ｋ）とし、ゲイン処理部２に出力する。その際、スムージング処理部７は、ある時点のゲインＧ１（ｋ）とその直前のＧ２（ｋ）を比較し、Ｇ１（ｋ）≧Ｇ２（ｋ）の場合は、指数移動平均の加重係数を、第３時定数で減衰させていき、Ｇ１（ｋ）＜Ｇ２（ｋ）の場合は、指数移動平均の加重係数を、第３時定数より大きい第４時定数で減衰させていく。

設定部８は、ゲイン導出部６に対して、ゲイン下限値（例えば、０デシベル、−５デシベル、または−１０デシベル）および上述の計算式（例えば、上述の計算式における指数ａ，ｂ）をセットする。なお、設定部８は、上述の周波数帯域ごとに独立してゲイン下限値および上述の計算式をセットしてもよいし、設定部８は、所定数の周波数帯域に共通な単一のゲイン下限値および上述の計算式をセットしてもよい。

次に、実施の形態１に係る残響抑制装置の動作について説明する。

分析フィルタバンク１は、入力信号（音響信号）を所定数Ｎの周波数帯域の成分に分割し、以下に示すように、瞬時値算出部４、残響推定部５、ゲイン導出部６、スムージング処理部７、および設定部８は、各周波数帯域について別々に処理を行う。

瞬時値算出部４は、上述のようにして各時点のエンベロープの瞬時値Ｘ（ｋ）（ｋ＝１，・・・，Ｎ）を算出する。残響推定部５は、各時点において、瞬時値Ｘ（ｋ）の指数移動平均を推定残響成分Ｒ（ｋ）として算出する。そして、ゲイン導出部６は、上述のようにして、瞬時値Ｘ（ｋ）と推定残響成分Ｒ（ｋ）に基づいて、各時点におけるゲインＧ（ｋ）を導出し、スムージング部７は、ゲイン導出部６により導出されるゲインＧ（ｋ）を時間軸に沿ってスムージング処理を行い、スムージング処理後のゲインＧ（ｋ）をゲイン処理部２に出力する。

図３は、実施の形態１に係る残響抑制装置において得られるゲインを説明する図である。まず、図３における時刻Ｔ１以前では、入力信号（ここでは、第ｋの周波数帯域の成分）の振幅が継続的にゼロであり、瞬時値Ｘ（ｋ）および推定残響成分Ｒ（ｋ）はゼロとなるため、ゲイン導出部６から出力されるゲインＧ１（ｋ）はゲイン下限値となる。

その後、時刻Ｔ１において、入力信号の振幅が現れると、瞬時値Ｘ（ｋ）は、立ち上がり、推定残響成分Ｒ（ｋ）は、瞬時値Ｘ（ｋ）に遅れながら立ち上がっていく。そして、入力信号の振幅が低くなっていくと、瞬時値Ｘ（ｋ）はすぐに小さくなっていくが、推定残響成分Ｒ（ｋ）は遅れて小さくなっていくので、瞬時値Ｘ（ｋ）と推定残響成分Ｒ（ｋ）が交差する場合がある。瞬時値Ｘ（ｋ）と推定残響成分Ｒ（ｋ）が同一の値になる時刻を時刻Ｔ２とする。つまり、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間では、推定残響成分Ｒ（ｋ）は、瞬時値Ｘ（ｋ）より小さくなっており、時刻Ｔ２を過ぎると、推定残響成分Ｒ（ｋ）は、瞬時値Ｘ（ｋ）より大きくなる。本発明の実施の形態に係る残響抑制装置では、Ｘ（ｋ）＜Ｒ（ｋ）となる時間帯の音を後期残響音と見做し、その時間帯のゲインＧ１（ｋ）を下限値に下げることで、簡易に効果的な後期残響音の抑制を実現することを特徴としている。

そのため、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２においては、ゲイン導出部６から出力されるゲインＧ１（ｋ）は、（下限値以上であれば）計算式（１）のＧ（ｋ）となり、時刻Ｔ２を過ぎ、次に瞬時値Ｘ（ｋ）が推定残響成分Ｒ（ｋ）を上回る時刻Ｔ３までの時間については、ゲイン導出部６から出力されるゲインＧ１（ｋ）を、ゲイン下限値に固定する。

実施の形態１に係る残響抑制装置を音響製品に応用する場合、時刻Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３におけるゲインＧ１（ｋ）の変化が急峻となるため、処理後の音声が非常に聞き取りにくい音になってしまう場合があることがわかった。これを解消するために、ゲインＧ１（ｋ）にスムージング処理を施すようにした。

図３に示すように、スムージング処理部７によりゲインＧ１（ｋ）の急峻な変化が抑えられ、このように急峻な変化が抑えられたゲインＧ２（ｋ）がゲイン処理部２によって使用される。

このようにして、各時点におけるゲインＧ２（ｋ）が得られる。

そして、ゲイン処理部２は、所定数の周波数帯域の成分に対して、スムージング処理部７により得られたゲインＧ２（ｋ）をそれぞれ適用し、合成フィルタバンク３は、ゲイン処理部２によりゲインを適用された所定数の周波数帯域の成分を合成して出力信号を生成する。

図４は、実施の形態１に係る残響抑制装置による後期残響音抑制の具体例について説明する図である。図４（Ａ）は、入力信号の一例を示しており、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示す入力信号における１つの周波数帯域の成分についての瞬時値および推定残響成分の一例を示しており、図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）に示す瞬時値および推定残響成分に基づくゲインＧ１（ｋ），Ｇ２（ｋ）の一例を示しており、図４（Ｄ）は、図４（Ｃ）に示すゲインを含む、所定数の周波数帯域の成分についてのゲインを適用して得られる出力信号の一例を示している。

図４（Ｂ）および図４（Ｃ）に示すように、推定残響成分Ｒ（ｋ）が瞬時値Ｘ（ｋ）より大きくなる期間（つまり、直接音や初期反射音の成分より残響成分が優勢であると推定される期間）においては、入力信号の振幅が継続的にゼロである期間と同様にゲインＧ１（ｋ）が下限値に抑えられ、推定残響成分Ｒ（ｋ）が瞬時値Ｘ（ｋ）より小さくなる期間（つまり、残響成分より直接音や初期反射音の成分が優勢であると推定される期間）においては、ゲインＧ１（ｋ）が、計算式（１）のＧ（ｋ）に示すように変動する。そして、このようにゲインを調整することで、図４（Ｄ）に示すように、出力信号において、後期残響成分が優勢な期間の振幅が抑えられる。

以上のように、上記実施の形態１によれば、瞬時値算出部４は、入力信号の絶対値または２乗に相関がある値のエンベロープにおける瞬時値を算出し、残響推定部５は、その瞬時値の指数移動平均を推定残響成分として算出し、ゲイン導出部６は、瞬時値が推定残響成分より大きい期間においては、推定残響成分および瞬時値に基づいて入力信号に対するゲインを導出し、瞬時値が推定残響成分より小さい期間においてはゲインを下限値にする。そして、スムージング処理部７は、ゲイン導出部６により導出されたゲインに対してスムージング処理を行い、ゲイン処理部２は、スムージング処理後のゲインを入力信号の振幅調整に適用する。

これにより、比較的簡単な演算で残響が抑制される。

実施の形態２．

実施の形態２では、本発明に係る残響抑制装置が補聴器に応用される。図５は、本発明の実施の形態２に係る補聴器の構成を示すブロック図である。

図５に示す補聴器は、マイクロホン２１、イヤホン２２、および補聴処理部２３を備える。マイクロホン２１は、音響を検出し、検出した音響に応じた音響信号を出力する。イヤホン２２は、音響信号を入力され、入力された音響信号に応じた音響を出力する。

補聴処理部２３は、音声処理部３１、ゲイン処理部３２、および出力制限部３３を有する。音声処理部３１は、上述の周波数帯域ごとに、ノイズリダクション、スペクトル強調などの信号処理を行う。ゲイン処理部３２は、上述のゲイン処理部２と同様に、上述の周波数帯域ごとにゲインを適用する。出力制限部３３は、所定の最大音圧を超えないように出力音圧を制限する。

なお、実施の形態２におけるその他の構成要素については実施の形態１のものと同様であるので、その説明を省略する。

実施の形態２では、マイクロホン２１から出力された音響信号が、図示せぬＡ／Ｄ（Analog to Digital）変換部を介して分析フィルタバンク１に入力され、実施の形態１と同様にしてゲインが導出され、ゲイン処理部３２に入力される。そして、出力制限部３３（つまり、補聴処理部２３）から出力される各周波数帯域の成分が合成フィルタバンク３に入力され、合成フィルタバンク３からの出力信号が、図示せぬＤ／Ａ（Digital to Analog）変換部、アンプなどを介してイヤホン２２に出力される。

なお、上述の各実施の形態は、本発明の好適な例であるが、本発明は、これらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の変形、変更が可能である。

例えば、上記実施の形態１，２において、入力信号は、デジタル信号でもアナログ信号でもよい。

また、上記実施の形態１において、周波数分布が狭い音響信号については、フィルタバンクを使用せずに、単一の周波数帯域の音響信号として処理してもよい。

さらに、上記実施の形態１，２において、上述の所定数の周波数帯域のうちの低周波数側の一部の周波数帯域（例えば、１ｋＨｚ以下の周波数帯域、３２の周波数帯域のうちの低周波数側の７つの周波数帯域など）に対してのみ、上述の後期残響抑制を適用するようにしてもよい。

さらに、上記実施の形態１に係る残響抑制装置は、例えば、トンネル内などの残響の大きい空間での音声の採取、録音などに使用できる。

本発明は、例えば、補聴器などに適用可能である。

１ 分析フィルタバンク
２，３２ ゲイン処理部
３ 合成フィルタバンク
４ 瞬時値算出部
５ 残響推定部
６ ゲイン導出部
７ スムージング処理部

Claims (5)

1. 入力信号の絶対値または２乗に相関がある値のエンベロープにおける瞬時値を算出する瞬時値算出部と、
   前記瞬時値算出部により算出される前記瞬時値の指数移動平均を推定残響成分として算出する残響推定部と、
   前記瞬時値が前記推定残響成分より大きい期間においては、前記推定残響成分および前記瞬時値に基づいて前記入力信号に対するゲインを導出し、前記瞬時値が前記推定残響成分より小さい期間においては、前記ゲインを下限値にするゲイン導出部と、
   前記ゲイン導出部により導出された前記ゲインに対してスムージング処理を行うスムージング処理部と、
   前記スムージング処理後の前記ゲインを前記入力信号の振幅調整に適用するゲイン処理部と、
   を備えることを特徴とする残響抑制装置。
2. 前記ゲイン導出部は、前記推定残響成分が前記瞬時値より小さい期間においては所定の特性で前記推定残響成分および前記瞬時値に応じて前記ゲインを変化させ、前記推定残響成分が前記瞬時値より大きい期間においては前記ゲインを所定値に固定することを特徴とする請求項１記載の残響抑制装置。
3. 前記特性は、ａを第１指数としｂを第２指数としたとき、前記瞬時値のａ乗と前記推定残響成分のａ乗との差を前記瞬時値のａ乗で除算したもののｂ乗を前記ゲインとする計算式に基づくことを特徴とする請求項２記載の残響抑制装置。
4. 前記スムージング処理部は、前記スムージング処理として、前記ゲイン導出部により導出された前記ゲインの指数移動平均を算出し、算出した前記指数移動平均を前記スムージング処理後のゲインとすることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の残響抑制装置。
5. 入力信号を所定数の周波数帯域の成分に分割する分析フィルタバンクと、
   合成フィルタバンクとをさらに備え、
   前記ゲイン処理部は、前記所定数の周波数帯域の成分に対してゲインをそれぞれ適用し、
   前記合成フィルタバンクは、前記ゲイン処理部により前記ゲインを適用された前記所定数の周波数帯域の成分を合成し、
   前記瞬時値算出部は、前記所定数の周波数帯域の成分のそれぞれについて、前記成分の絶対値または２乗に相関がある値のエンベロープにおける瞬時値を算出し、
   前記残響推定部は、前記所定数の周波数帯域の成分のそれぞれについて、前記瞬時値算出部により算出される前記瞬時値の指数移動平均を推定残響成分として算出し、
   前記ゲイン導出部は、前記所定数の周波数帯域の成分のそれぞれについて、前記瞬時値が前記推定残響成分より大きい期間においては、前記推定残響成分および前記瞬時値に基づいて前記入力信号に対するゲインを導出し、前記瞬時値が前記推定残響成分より小さい期間においては、前記ゲインを下限値に固定し、
   前記スムージング処理部は、前記所定数の周波数帯域の成分のそれぞれについて、前記ゲイン導出部により導出された前記ゲインに対してスムージング処理を行い、
   前記ゲイン処理部は、前記所定数の周波数帯域の成分に対して、前記スムージング処理後のゲインをそれぞれ適用すること、
   を特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の残響抑制装置。

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