JP6567216B2 - 信号処理装置 - Google Patents
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Description
図1は、本実施の形態による信号処理装置の構成図である。
図示の信号処理装置1は、複数のマイクロホンによって構成されるマイクロホンアレイ2と、フィルタ係数ベクトル生成部3と、ビームフォーミング部4を備える。マイクロホンアレイ2は、複数のマイクロホン2−1〜2−mによって観測されたアナログ音声信号に対してA/D変換を施し、得られたデジタル信号を観測信号として出力するよう構成されている。フィルタ係数ベクトル生成部3は、ビームフォーミングによって、ユーザが所望する方向の指向性を形成するためのフィルタ係数ベクトルを生成する処理部である。なお、以下、ユーザが所望する方向を目的方向とする。また、目的方向の情報は、信号処理装置1の外部よりフィルタ係数ベクトル生成部3に与えられるとする。フィルタ係数ベクトルは、マイクロホンアレイ2を構成する各マイクロホンの観測信号に対して与える利得や遅延に関する情報を含んでいる。このとき、フィルタ係数ベクトル生成部3は、生成されるフィルタ係数ベクトルが各マイクロホンの観測信号に与える利得が過大とならないようにフィルタ係数ベクトルの大きさを抑制する。ビームフォーミング部4は、マイクロホンアレイ2を構成する各マイクロホンから得られる観測信号と、フィルタ係数ベクトル生成部3から得られるフィルタ係数ベクトルに基づき、目的方向から到来する音声を強調した音声信号を出力する処理部である。なお、この処理の詳細については後述する。
図示のように、ビームフォーミング部4は、DFT部41、観測信号ベクトル生成部42、内積部43、IDFT部44を備える。DFT部41は、マイクロホンアレイ2におけるそれぞれのマイクロホンに対応して設けられ、離散フーリエ変換(DFT:discrete fourier transform)を行う回路である。観測信号ベクトル生成部42は、それぞれのDFT部41から出力された周波数スペクトルを一つの複素ベクトルに統合して出力する回路である。内積部43は、観測信号ベクトル生成部42からの出力と、フィルタ係数ベクトル生成部3からの出力の内積を計算する回路である。IDFT部44は、内積部43からの出力に対して逆フーリエ変換(IDFT:inverse discrete Fourier transform)を行う回路である。
フィルタ係数ベクトル生成部3は、複素ベクトルx(τ,ω)と同じ要素数(M)の複素ベクトルであるフィルタ係数ベクトルw(ω)を出力する。フィルタ係数ベクトルw(ω)のm番目の要素である複素数は、その絶対値がm番目のマイクロホンの観測信号に与える利得を表し、偏角が観測信号に与える遅延を表す。フィルタ係数ベクトル生成部3における目的方向の指向性から適切なw(ω)を生成する方法については後述する。
ここで、マイクロホンアレイ2を中心としマイクロホンアレイの大きさよりも十分に大きい円の円周をN等分するN個の点を考える。このとき、マイクロホンアレイ2から見たn番目の点に対するステアリングベクトル(要素数はM)をaω,nとする。また、N個のステアリングベクトルを以下のように並べて作成した行列をA(ω)とする。
フィルタ係数ベクトル生成部3では、先ず、目的方向の指向性(r)を読み込む(ステップST1)。これは上式(4)で示すrを読み込むことに相当する。また、フィルタ係数ベクトル生成部3では、上式(3)に示すように、行列A(ω)を計算する(ステップST2)。次に、フィルタ係数ベクトル生成部3は、ステップST2で得られた行列A(ω)を特異値分解し、閾値以下の特異値を0に置換する(ステップST3)。そして、行列A(ω)のMoore‐Penrose型疑似逆行列を求め、式(6)の計算を行う(ステップST4)。最後に、式(6)で得られたフィルタ係数ベクトルw(ω)を出力する(ステップST5)。
また、多くの場合、疑似逆行列を計算する処理は特異値分解を利用して実装されているが、小さな特異値を0に置換した上で疑似逆行列を求める手法は、特異値分解を利用した実装においては非常に小さな実装の変更だけで実現可能である。従って、実装や試験に要する時間を削減することができるので、装置の低コスト化が期待できる。
実施の形態2は、フィルタ係数ベクトル生成部3が、L2正則化によりフィルタ係数ベクトルを生成するよう構成したものである。他の各構成は図1に示した実施の形態1と同様であるため、ここでの説明は省略する。
実施の形態1における式(5)の誤差eは、実施の形態2では、次式(7)のように書き換えられる。ただし、λはペナルティの寄与度を調整するパラメータである。
式(7)のeをw(ω)で微分して0とおくと、次式(8)のようにeを最小化するフィルタ係数ベクトルw(ω)が求められる。ただし、Hはエルミート転置、Iは単位行列を表す。
実施の形態3は、フィルタ係数ベクトルのノルムの閾値をフィルタ係数ベクトル生成部3に与え、フィルタ係数ベクトル生成部3は、この閾値以内の値を実現するフィルタ係数ベクトルを生成するよう構成したものである。他の各構成は図1に示した実施の形態1と同様であるため、ここでの説明は省略する。
Claims (5)
- 複数の音響センサと、
ビームフォーミングによって目的方向の指向性を形成するためのフィルタ係数ベクトルを設定値以内に抑制して生成するフィルタ係数ベクトル生成部と、
前記複数の音響センサから得られる観測信号と前記フィルタ係数ベクトル生成部で生成されたフィルタ係数ベクトルに基づき前記ビームフォーミングを行い、前記目的方向の指向性を形成し、当該形成した指向性の音声を強調した信号を出力するビームフォーミング部とを備えた信号処理装置。 - 前記フィルタ係数ベクトル生成部は、
特異値分解により前記フィルタ係数ベクトルのノルムが設定値以内となるフィルタ係数ベクトルを生成することを特徴とする請求項1記載の信号処理装置。 - 前記フィルタ係数ベクトル生成部は、
L2正則化によりフィルタ係数ベクトルを生成することを特徴とする請求項1記載の信号処理装置。 - 前記フィルタ係数ベクトル生成部は、
前記フィルタ係数ベクトルのノルムが閾値として与えられ、かつ、当該閾値以内のノルムを実現するフィルタ係数ベクトルを生成することを特徴とする請求項1記載の信号処理装置。 - 前記フィルタ係数ベクトル生成部は、
前記フィルタ係数ベクトルのノルムを閾値以下とする制約下で、前記目的方向の指向性と、前記ビームフォーミング部によって形成される指向性との誤差を設定値以内とするフィルタ係数ベクトルを生成することを特徴とする請求項4記載の信号処理装置。
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