JP6691494B2 - 収音装置、及び収音方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のマイクロホンを立体的に配置して目的方向音（以下、ターゲット音ともいう）を収音する技術に関する。

回転放物面を有する反射部の焦点位置付近の複数の異なる位置に複数のマイクロホンを配置し、収音した信号に基づき、目的方向音のみを強調するようビームフォーミング処理を行う技術が知られている(特許文献１参照)。また、目的音源位置もしくは目的音源方向から各マイクロホンまでの伝達関数（アレイマニホールドベクトル）と、マイクロホンで受音された雑音信号の空間相関行列（雑音の空間相関行列）とから、ビームフォーミングフィルタの設計を行い、目的音源を強調し、雑音を抑圧する方法が知られている(非特許文献１参照)。さらに、特許文献１には、反射部の焦点位置付近に複数のマイクロホンを設置した装置に対し、目的音源からマイクロホンまでの伝達関数をあらかじめ測定しておき、これを用いてビームフォーミングのフィルタを設計することで、目的音源を反射部がないときよりも効率よく目的音源を強調できることが示されている。また、焦点位置付近に複数のマイクロホンを設置することで、反射部の正面方向(反射部の回転放物面の回転軸方向であって、開口している方向(焦点側の方向))だけでなく、正面方向からずれた方向に対しても指向性を形成することが可能となり、任意方向の音を強調することが可能である。

特開２０１５−１９８４１１号公報

浅田太, 「音のアレイ信号処理−音源の定位・追跡と分離−」, コロナ社, 2011年.

特許文献１に示されたように反射部の焦点位置付近に複数のマイクロホンを設置した装置を用いてビームフォーミング収音することで、目的音の強調を行うシステムがある。
しかしながら、反射部が小さい場合、低音域で指向性集音ができないという課題がある。特に反射部の直径よりも音波の波長が長い場合に、その影響が顕著である。反射部の指向特性例は参考文献１で示されている。
(参考文献１)「集音マイクロホン」、[online]、[平成29年2月20日検索]、インターネット<URL: http://www.kobayasi-riken.or.jp/news/No118/118_3.htm>

本発明は、反射部が小さい場合でも、低音域で指向性集音を実現することができる収音装置、及び収音方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の第一の態様によれば、収音装置は、回転放物面を有する反射部と、Pを2以上の整数の何れかとし、P個のマイクロホンとを含み、M,Nをそれぞれ1以上の整数の何れかとし、P≧M+Nとし、M個のマイクロホンが回転放物面の焦点位置近辺に配置され、N個のマイクロホンが回転放物面の焦点側の表面の中心位置近辺に配置される。

上記の課題を解決するために、本発明の他の態様によれば、収音装置は、回転放物面を有する反射部と、Pを2以上の整数の何れかとし、P個のマイクロホンとを含み、M,Lをそれぞれ1以上の整数の何れかとし、P≧M+Lとし、M個のマイクロホンが回転放物面の焦点位置近辺に配置され、L個のマイクロホンが回転放物面の焦点位置よりも前面側に配置され、L個のマイクロホンは回転放物面の焦点位置との距離が回転放物面の端部が形成する円の直径の0.5倍になる回転放物面の中心軸上の点Oの近辺Tに配置され、近辺Tは、対象とする周波数帯域の中心周波数の半波長以下の半径の、点Oを中心とする球内の領域である。

上記の課題を解決するために、本発明の他の態様によれば、収音方法は、回転放物面を有する反射部と、Pを2以上の整数の何れかとし、P個のマイクロホンとを用いる。M,Nをそれぞれ1以上の整数の何れかとし、P≧M+Nとし、M個のマイクロホンが回転放物面の焦点位置近辺に配置され、N個のマイクロホンが回転放物面の焦点側の表面の中心位置近辺に配置され、回転放物面の端部が形成する円の直径よりも波長が短い周波数に対しては、回転放物面の焦点位置近辺に配置されるM個のマイクロホンで収音した信号を用いてビームフォーミングを行い、回転放物面の端部が形成する円の直径以上の波長となる周波数に対しては、回転放物面の焦点位置近辺に配置されるM個のマイクロホンで収音した信号と、それ以外のマイクロホンで収音した信号とを用いてビームフォーミングを行うフィルタリングステップを含む。

上記の課題を解決するために、本発明の他の態様によれば、収音方法は、回転放物面を有する反射部と、Pを2以上の整数の何れかとし、P個のマイクロホンと用いる。M,Lをそれぞれ1以上の整数の何れかとし、P≧M+Lとし、M個のマイクロホンが回転放物面の焦点位置近辺に配置され、L個のマイクロホンが回転放物面の焦点位置よりも前面側に配置され、L個のマイクロホンは回転放物面の焦点位置との距離が回転放物面の端部が形成する円の直径の0.5倍になる回転放物面の中心軸上の点Oの近辺Tに配置され、近辺Tは、対象とする周波数帯域の中心周波数の半波長以下の半径の、点Oを中心とする球内の領域である。回転放物面の端部が形成する円の直径よりも波長が短い周波数に対しては、回転放物面の焦点位置近辺に配置されるM個のマイクロホンで収音した信号を用いてビームフォーミングを行い、回転放物面の端部が形成する円の直径以上の波長となる周波数に対しては、回転放物面の焦点位置近辺に配置されるM個のマイクロホンで収音した信号と、それ以外のマイクロホンで収音した信号とを用いてビームフォーミングを行うフィルタリングステップを含む。

本発明によれば、従来よりも小さい反射部を用いて低音域で従来と同程度の指向性集音を実現することができる、または、従来と同程度の大きさの反射部を用いて従来よりも低音域で指向性集音を実現することができるという効果を奏する。

マイクロホンの配置例を示す正面図。 マイクロホンの配置例を示す側面図。 マイクロホンの配置例を示す斜視図。 リフレクターの効果を説明するための図。 目的音源を効率よく強調するためのマイクロホン配置について説明するための図。 パラボラ型リフレクターとマイクロホンの配置例を説明するための図。 従来技術の収音装置の感度特性を示す図。 第一実施形態に係る収音装置の感度特性を示す図。 第一実施形態に係る収音装置の機能ブロック図。 第一実施形態に係る収音装置の処理フローの例を示す図。 マイクロホンの配置例１を示す図。 パラボラ型リフレクターに対するマイクロホンの配置例を示す図。 マイクロホンの配置例２を示す図。 パラボラ型リフレクターに対するマイクロホンの配置例を示す図。 第二実施形態のパラボラ型リフレクターに対するマイクロホンの配置の外観の例を示す図。 第三実施形態のパラボラ型リフレクターに対するマイクロホンの配置の外観の例を示す図。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、同じ機能を持つ構成部や同じ処理を行うステップには同一の符号を記し、重複説明を省略する。以下の説明において、ベクトルや行列の各要素単位で行われる処理は、特に断りが無い限り、そのベクトルやその行列の全ての要素に対して適用されるものとする。

＜第一実施形態のポイント＞
本実施形態では、マイクロホンを立体的に配置することで、マイクロホン間の音の到達時間差が発生する。この時間差（位相差）を利用して指向性の向上を図る。このような構成とすることで、奥にあるマイクロホン２０−ｎと手前にあるマイクロホン２０−ｍの距離に半波長分が入る周波数までは集音可能となる。

特許文献１に示されたようパラボラ型リフレクターの焦点位置近辺に平面的にマイクロホンを複数配置し、目的方向音を強調する手法はある。しかしながら、本実施形態で提案するような、焦点位置近辺だけでなく、焦点から離れたパラボラの底の部分にも配置して目的方向音を集音する方法は提案されていない。

本実施形態では、回転放物面を有する反射部（以下、パラボラ型リフレクターともいう)１０の焦点位置付近に加え、パラボラ型リフレクター１０の焦点側の表面の中心位置にマイクロホン２０−ｎを配置する。図１、図２、３は、それぞれマイクロホンの配置例を示す正面図、側面図、斜視図である。このような構成により、パラボラ型リフレクター１０の焦点位置近辺に配置したマイクロホン２０−ｍでは検知できない低域の位相差を精度良く推定できるとともに、目的方向音の低音域の指向性集音を実現する。

本実施形態では、パラボラ型リフレクター１０の焦点位置近辺にM個のマイクロホン２０−ｍを配置する。さらに、パラボラ型リフレクター１０の焦点側の表面の中心位置近辺にN個のマイクロホン２０−ｎを配置する。以下、マイクロホン２０−ｍを焦点マイク２０−ｍ、マイクロホン２０−ｎを底面マイク２０−ｎともいう。m=1_m,2_m,…,M_m、n=1_n,2_n,…,N_nである。下付き添え字ｍ，ｎはそれぞれ焦点マイク、底面マイクであることを示すインデックスである。このような構成により、低音域も含めた指向性集音を可能にする。

従来のパラボラ型リフレクターは、その直径よりも波長が長い周波数において、顕著にリフレクターの効果が低くなる。リフレクターの効果とは、リフレクターの焦点位置近辺にマイクロホンを設置した場合に、リフレクターの正面方向に近い角度に鋭い指向性が形成されることである。

リフレクターの直径よりも波長が短い周波数では、音の到来方向によって音がある一点に集中し、その点だけ音圧が高くなる。つまり、リフレクターの効果が高い。図４にその様子を示す。リフレクターの正面方向から到来した音は、リフレクターにより反射され、リフレクターの焦点（Ａ点）に集まり、リフレクターの焦点の音圧が高くなる。また、リフレクターの正面から少しずれた方向から到来した音は、リフレクターにより反射され、リフレクターの焦点から少しずれたＢ点に集まり、Ｂ点の音圧が高くなる。このように音の到来方向によって、音圧の高くなる点が異なるので、焦点位置近辺に設置された複数のマイクロホンで観測される音には、音の到来方向によって大きな振幅差が発生する。この振幅差の情報を主に利用してビームフォーミング処理を行うことで、任意方向の音を強調した集音を実現することができる。

しかし、リフレクターの直径よりも波長が長い周波数においては顕著にリフレクターの効果が低くなる。そのため、リフレクターの焦点位置近辺に設置された複数のマイクロホンでは、音の到来方向による振幅差が(リフレクターの直径よりも波長が短い周波数の場合と比べて)小さくなる。さらに、マイクロホンは焦点位置近辺に集中して設置されているため音の到来方向による位相差も小さい。このため、ビームフォーミング処理を行っても鋭い指向特性を形成することができない。

本実施形態では、リフレクターの直径よりも波長が長い周波数に対し、リフレクターの反射を用いなくても鋭い指向特性が形成できるようにマイクロホンの配置に工夫をする。また、コストの観点からはマイクロホンはなるべく少ないほうが良いので、追加するマイクロホン（底面マイクロホン）は、なるべく少ないことが望ましい。

まず、目的音源を効率よく強調するためのマイクロホン配置について説明する。図５に示すように２つのマイクロホンの位置を通る直線上に目的音源がある場合に目的音源を効率よく強調することができる。2つのマイクロホンを使ったビームフォーミングで形成される指向特性は、マイクロホンを通る線を軸として対称な形となるので、軸方向が強調したい方向であれば、１方向だけ強調される方向ができる。これに対し、軸方向以外が強調したい方向であれば、強調したい方向以外（軸との角度が同じ方向(軸に対して線対称となる方向)）にも同じ感度を有する方向が存在する。このように、マイクロホンを通る直線上に目的音源があるようなマイクロホン配置とすると効率よく目的音を強調することができる。また、マイクロホン間隔は、非特許文献１に記載のある通り、空間折り返しひずみが発生しない、対象周波数の半波長よりも狭い間隔であることが望ましく、位相差を観測しやすいように、なるべく間隔が広いほうが良い。すなわち、対象周波数の半波長程度の間隔が望ましい。

本実施形態では、図６に示すようにパラボラ型リフレクター１０の焦点位置近辺にマイクロホン２０−ｍを1個以上(図６の例では3個)設置し、パラボラ型リフレクターの焦点側の表面の中心位置にマイクロホン２０−ｎを１個設置することで、パラボラ型リフレクター１０の直径よりも波長の長い周波数に対しては、パラボラ型リフレクター１０の表面の中心に設置したマイクロホン２０−ｎと、焦点位置近辺のマイクロホン２０−ｍとの間の音の到来時間差（位相差）を主に活用して、ビームフォーミング処理を行い、目的音を効率よく強調する。例えば、パラボラ型リフレクター１０の正面方向（図６の実線）が目的音方向の場合には、Ｄ点に設置されたマイクロホン２０−ｎとＡ点に設置されたマイクロホン２０−１_ｍの２本を主に用いてビームフォーミングをする。正面からずれた方向（図６の破線）が目的音方向の場合には、Ｄ点に設置されたマイクロホン２０−ｎとＣ点に設置されたマイクロホン２０−３_ｍの２本を主に用いてビームフォーミングをする。このように、パラボラ型リフレクター１０の焦点位置近辺に加え、パラボラ型リフレクター１０の表面の中心位置にマイクロホン２０−ｎを１個設置することで、パラボラ型リフレクター１０の直径よりも波長の長い周波数に対して、位相差を主に使ったビームフォーミングにより効率よく目的音方向に指向性を形成することができる。

また、マイクロホン間隔は、対象周波数の半波長が望ましいことから、パラボラ型リフレクター１０の焦点（Ａ点）から、パラボラ表面の中心までの距離は、パラボラ型リフレクター１０の直径の0.25〜１倍程度であり、特に半分程度となることが望ましい。このようにパラボラ型リフレクター１０の形状を設計するとよい。

実際に指向性形成を行った例を示す。図７は、直径３０ｃｍのパラボラ型リフレクター１０の焦点位置近辺にのみマイクロホン２０−ｍを設置し0度方向を強調するようにビームフォーミングしたときの、各方向に対する感度特性である。図８は、直径３０ｃｍのパラボラ型リフレクター１０の焦点位置近辺とパラボラ型リフレクター１０表面の中心位置にマイクロホン２０−ｍ、２０−ｎを設置し0度方向を強調するようにビームフォーミングしたときの、各方向に対する感度特性である。直径３０ｃｍよりも波長の長い１ｋＨｚでの結果を見ると、焦点位置近辺にのみマイクロホン２０−ｍを設置した場合の0度方向と80度方向の感度差が10dBであるのに対し、パラボラ型リフレクター１０表面の中心位置にもマイクロホン２０−ｎを設置した場合では、感度差が15dBと大きくなっているのが分かる。このようにパラボラ型リフレクター１０表面の中心位置にもマイクロホン２０−ｎを設置することで、パラボラ型リフレクター１０の直径よりも波長の長い周波数に対して、より鋭い指向性を形成することが可能となる。

＜第一実施形態に係る収音装置１００＞
第一実施形態に係る収音装置１００の機能ブロック図および処理フローを図９と図１０に示す。
収音装置１００は、P個のマイクロホン２０−ｐ及びパラボラ型リフレクター１０とを含み、さらに、CPUと、RAMと、以下の処理を実行するためのプログラムを記録したROMを備えたコンピュータとを含む。このコンピュータは、機能的には次に示すように構成されている。収音装置１００は、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。

＜パラボラ型リフレクター１０＞
パラボラ型リフレクター１０は、回転放物面を有する。回転放物面は音波を反射可能な形状、材質、大きさであり、焦点を形成する。この実施形態では、パラボラ型リフレクター１０は、回転放物面を有する剛体である。回転放物面の縁が成す円形の直径は、扱う波長幅の中で最大の波長幅の0.25〜１倍程度以上であり、特に、半波長(0.5倍)程度以上であることが望ましい。例えば、音波の波長で扱う波長幅が0.01〜1mの場合、回転放物面の縁が成す円形の直径が0.5m程度以上であることが望ましい。パラボラ型リフレクター１０の材質は、音波を反射しやすいもの（言い換えると、反射係数の高い材質）が望ましく、硬い素材が良い。そこで、本実施形態では、硬くて面積のあるパラボラ形状の剛体をパラボラ型リフレクター１０として用いた。

＜マイクロホン２０−ｐ＞
P個のマイクロホン２０−ｐ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、P個のマイクロホン２０−ｐのうち、M個のマイクロホン２０−ｍはパラボラ型リフレクター１０の焦点位置近辺に配置され、N個のマイクロホン２０−ｎはパラボラ型リフレクター１０の焦点側の表面の中心位置近辺に配置される。ただし、Pは2以上の整数の何れかであり、M,Nはそれぞれ1以上の整数の何れかであり、P=M+Nであり、p=1,2,…,Pであり、m＝1_m,2_m,…,M_m、n＝1_n,2_n,…,N_nである。マイクロホン２０−ｍとマイクロホン２０−ｍ’とは、パラボラ型リフレクター１０が形成する焦点位置近辺の、異なる位置に配置される。ここでは、ｍ’は１，２，…，Ｍの何れかであり、ｍ≠ｍ’である。また、例えば、マイクロホン２０−ｎとマイクロホン２０−ｎ’とは、パラボラ型リフレクター１０の焦点側の表面の中心位置近辺の、異なる位置に配置される。ここでは、ｎ’は１，２，…，Ｎの何れかであり、ｎ≠ｎ’である。

＜パラボラ型リフレクター１０に対するマイクロホン２０−ｐの位置＞
雑音の空間相関行列Rの行列式det(R)が最大化されるようにP個のマイクロホン２０−ｐを配置すればよい。ただし、雑音の空間相関行列R(ω)は次式のように、雑音の伝達特性b^→ _k(ω)のみを用いて計算される(非特許文献１参照)。

SN比を高めるためにP個のマイクロホン２０−ｐを配置する。このとき、M個のマイクロホン２０−ｍを焦点位置近辺に配置する。また、チャネル間相関が低くなるように、M個のマイクロホン２０−ｍを異なる位置に配置する。例えば、特許文献１に記載されているように、M個のマイクロホン２０−ｍで電気信号に変換される音波の間の相関が低くなるように、M個のマイクロホン２０−ｍを配置すればよい。さらに、N個のマイクロホン２０−ｎをパラボラ型リフレクター１０の焦点側の表面の中心位置近辺に配置する。

（配置例１）
マイクロホンの配置の条件については図１１に示す。パラボラ型リフレクター１０の中心軸の方向を座標軸yとして記載する。パラボラ型リフレクター１０の中心軸とパラボラ型リフレクター１０の回転放物面との交点を通り、パラボラ型リフレクター１０の中心軸と直交する平面をy=H1とする。またパラボラ型リフレクター１０の焦点位置を通過し、かつパラボラ型リフレクター１０の中心軸と直交する平面をy=H2とする。ただし、図１１において、焦点から見てパラボラ型リフレクター１０の方向をy軸における正方向とすると、H1>H2である。

本配置例では、以下を満たすようにマイクロホン２０−ｐを配置する。

マイクロホン２０−ｍを、y=H2平面上かつ焦点位置から半径r2の領域（図１１の斜線の領域、正面から見ると円形の領域）内に任意に配置する。ただし半径r2はパラボラ型リフレクター１０の半径r1以下とする。例えば、図１１の斜線の領域が上述の「焦点位置近辺」に相当する。なお、「焦点位置近辺」との表現は焦点位置自体を含み、マイクロホン２０−ｍを焦点位置に配置してもよい。

y=H2平面からy=H1平面に向かって距離Dだけ離れた平面をy=H2+D（ただしH1>H2＋D）としたときに、マイクロホン２０−ｎをパラボラ型リフレクター１０の内側かつy=H1平面とy=H2+D平面で挟まれた領域内（図１１の梨地の領域）にN個のマイクロホン２０−ｎを任意に配置する。例えば、図１１の梨地の領域がパラボラ型リフレクター１０の「焦点側の表面の中心位置近辺」に相当する。ただし、パラボラ型リフレクター１０の縁を通過し、かつパラボラ型リフレクター１０の中心軸と直交する平面（パラボラの縁を通過する平面が複数定義できる場合はもっともy=H1平面に近い平面）をy=H3平面としたときに、平面y=H2+Dが平面y=H1と平面y=H3との間に位置するように(H3≦H2+D＜H1となるように)距離Dを設定する。このように距離Dを設定することで、N個のマイクロホン２０−ｎは、平面y=H2+Dとパラボラ型リフレクター１０の焦点側の表面との間に配置される。また、距離Dはパラボラ型リフレクター１０の直径の0.25〜1倍であり、特に0.5倍程度が良い。

図１２は、パラボラ型リフレクター１０に対するマイクロホン２０−ｐの配置例を示す。

この実施形態では、マイクロホン２０−ｍは、パラボラ型リフレクター１０に到来する波を遮りにくい形状の支持部１９１で支持されている。

図１２では、支持部１９１は、パラボラ型リフレクター１０が形成する焦点位置近辺に位置する平面y=H2を含む構造物であって、その面にはM個のマイクロホン２０−ｍを保持するための空孔が複数形成される。例えば、M'（M'>M）個の空孔が形成されており、各マイクロホン２０−ｍをM'個の空孔の何れかに埋め込む。この実施形態では、支持部１９１は、網状部材１９１Ａと支持部材１９１Ｂとを含む。支持部材１９１Ｂは、パラボラ形状のパラボラ型リフレクター１０の底を頭頂点とする正四角錐の、頭頂点から伸びる各辺を形成する棒状の構造物である。正四角錐の底面と同一平面状に網状の網状部材１９１Ａを備える。支持部材１９１Ｂは、パラボラ型リフレクター１０と網状部材１９１Ａとを結合し、パラボラ型リフレクター１０に対して網状部材１９１Ａを固定する。網状部材１９１Ａは、パラボラ型リフレクター１０が形成する焦点位置近辺に位置する面を含む構造物である。さらに、網状部材１９１Ａにはマイクロホン２０−ｍを保持するための空孔が複数形成されている。言い換えると、網状の網状部材１９１Ａの網の目の何れかにM個のマイクロホン２０−ｍを埋め込むことができる。

マイクロホン２０−ｎは、パラボラ型リフレクター１０の焦点側の表面の中心位置(底)近辺、この例では、支持部材１９１Ｂの固定部材上に配置される。

（配置例２）
他のマイクロホンの配置の条件については図１３に示す。本配置例では、以下を満たすようにマイクロホン２０−ｐを配置する。
マイクロホン２０−ｍを焦点位置から半径r2以内の領域（図１３の斜線部分、球状）内の任意の位置に配置する。例えば、図１３の斜線の領域が焦点位置近辺に相当する。

マイクロホン２０−ｎをパラボラ型リフレクター１０の内側かつy=H1とy=H3の平面に挟まれた領域(パラボラ型リフレクター１０の形成する三次元空間)で、かつ焦点の位置から距離D以上離れた領域（図１３の梨地部分）内に任意に配置する。ただし、r2はパラボラ型リフレクター１０の半径r1の1/4程度のサイズとする。距離Dはパラボラの直径の半分程度とする。

図１４では、支持部１９１は、パラボラ型リフレクター１０とマイクロホン２０−ｍとを結合する棒状の構造物である。

支持部１９１の形状は、上述のものに限られず、パラボラ型リフレクター１０に到来する波を遮りにくい形状であって、マイクロホン２０−ｍを支持できる形状であればどのようなものであってもよい。マイクロホン２０−ｍは、支持部１９１に支持され、焦点位置近辺に配置される。

＜ＡＤ変換部１２０＞
ＡＤ変換部１２０が、P個のマイクロホン２０−ｐで収音されたP個のアナログ信号をディジタル信号x^→(t)＝[x₁(t),…,x_P(t)]^Tへ変換し、（ｓ２）、周波数領域変換部１３０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＞
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),…,x_P(t)]^Tを入力とし、チャネルごとにQ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^→ _P(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^→ _p(τ)=[x_p((τ-1)Q+1),…,x_p(τQ)]（1≦p≦P）である。Q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),…,X_P(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＞
伝達特性記憶部１４０は、予め収音装置１００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),…,a_P(ω)]^Tを、ターゲット音とP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),…,a_P(ω)]^Tは、マイクロホンアレイ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、b_k ^→(ω)＝[b_k1(ω),…,b_kP(ω)]^Tを、雑音kとP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、b_k ^→(ω)＝[b_k1(ω),…,b_kP(ω)]^Tは、マイクロホンアレイ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＞
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。

例えば、従来技術と同様の方法により、フィルタW^→(ω)を設計することができる。例えば、参考文献２に記載されている<１>SN比最大化規準によるフィルタ設計法、<２>パワーインバージョン(Power Inversion)に基づくフィルタ設計法、<３>一つ以上の死角（雑音のゲインが抑圧される方向）を拘束条件に持つ最小分散無歪応答法によるフィルタ設計法、<４>遅延合成（Delay-and-Sum Beam Forming）法によるフィルタ設計法、<５>最尤法によるフィルタ設計法、<６>AMNOR（Adaptive Microphone-array for noise reduction）法等によって、フィルタW^→(ω)を設計することができる。
[参考文献２]国際公開第ＷＯ２０１２／０８６８３４号パンフレット

例えば、遅延和法をベースとする場合、次式により、フィルタW^→ _DS1(ω)を計算する。

また例えば、最尤法をベースとする場合、次式により、フィルタW^→ _DS2(ω)を計算する。

また例えば、一つ以上の死角を拘束条件に持つ最小分散無歪応答法によるフィルタ設計法の場合、次式により、フィルタW^→ _DS3(ω)を計算する。

ただし、ｆ_S(ω),f_k(ω)はそれぞれターゲット音、雑音k(k=1,2,…,K)に関する周波数ωでの通過特性を表す。例えば、伝達特性a^→(ω)が方向θに依存する伝達特性a^→(ω,θ)として事前に用意できる場合には、伝達特性a^→(ω,θ)を用いて、フィルタW^→(ω,θ)を計算し、フィルタリング部１６０において、特定の方向θ_sの信号処理が行える。また、伝達特性a^→(ω)が方向θ、距離Dに依存する伝達特性a^→(ω,θ,D)として事前に用意できる場合には、伝達特性a^→(ω,θ,D)を用いて、フィルタW^→(ω,θ,D)を計算し、フィルタリング部１６０において、特定の位置（特定の方向θ_sと距離D_Hにより特定される位置）の信号処理が行える。

このような構成とすることで、パラボラ型リフレクター１０の直径よりも波長が短い周波数に対しては、主にM個のマイクロホン２０−ｍを用いてビームフォーミングを行い、パラボラ型リフレクター１０の直径の直径以上の波長となる周波数に対しては、M個のマイクロホン２０−ｍと、それ以外のマイクロホン２０−ｎとを用いてビームフォーミングを行うように、ビームフォーミングのフィルタが設計され、以下のフィルタリング部１６０では、上述のビームフォーミングが実行される。

＜フィルタリング部１６０＞
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),…,X_P(ω,τ)]^Tに、次式のようにフィルタW^→(ω)を適用して（ｓ４）、出力信号Y(ω,τ)を出力する。

例えば、フィルタリング部１６０はマイクロホン２０−ｐによる収音信号とマイクロホン２０−ｐ’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ものであればよい。「収音特性を異ならせる」とは、例えば、特定の位置で発せられた音響信号を局所収音して他の位置で発せられた音響信号を極力収音しないようにしたり、逆に特定の位置で発せられた音響信号を抑圧（消音）して他の位置で発せられた音響信号のみを収音したりすることを意味する。

＜時間領域変換部１７０＞
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。

＜効果＞
このような構成により、特許文献１におけるチャネル間相関を低減する考えを継承し、さらに、インパルス応答長を短くし、受音時のSN比を高めることができる。そのため、様々な方向から到来する波（さらには、波により示される情報）を安定的に、同時に、高空間分解能で解析することが可能になる。例えば、従来よりも不要音方向の成分を抑え、低域を含めた目的方向音をより強調する集音が可能になる。特に、パラボラ型リフレクターの直径よりも音波の波長が長い周波数域での指向性を従来よりも鋭くすることができる。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、収音装置１００の計算処理能力などに応じて、音源位置、マイクロホンの配置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。

＜変形例＞
本実施形態では、マイクロホンの指向性について言及していないが、様々な指向性を持つマイクロホンを混ぜて使用することで、伝達特性間の相関を小さくし、無相関化を図ってもよい。例えば、マイクロホン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。言い換えると、複数のマイクロホンのうちの少なくとも１つのマイクロホンの指向特性と、他の１つのマイクロホンの指向特性とが異なるものとすることで、無相関化を図る。

本実施形態では、収音装置１００の含むP個のマイクロホン２０−ｐのうち、M個のマイクロホン２０−ｍはパラボラ型リフレクター１０の焦点位置近辺に配置され、N個のマイクロホン２０−ｎはパラボラ型リフレクター１０の焦点側の表面の中心位置近辺に配置されている。つまり、P=M+Nである。しかし、マイクホロンを焦点位置近辺や焦点側の表面の中心位置近辺以外の部分に配置してもよい。つまり、P>M+Nとしてもよい。

本実施形態では、フィルタリング部１６０において、各周波数ω∈Ωについて、周波数領域信号X^→(ω,τ)=[X₁(ω,τ),…,X_P(ω,τ)]^Tに、フィルタW^→(ω)を適用して、出力信号Y(ω,τ)を出力しているが、パラボラ型リフレクター１０の直径よりも波長が短い周波数に対しては、M個のマイクロホン２０−ｍのみを用いてビームフォーミングを行う構成としてもよい。例えば、パラボラ型リフレクター１０の直径に対応する周波数のインデックスをThとし、ω<Thでは第一実施形態の方法で周波数領域信号X^→(ω,τ)=[X₁(ω,τ),…,X_P(ω,τ)]^Tを求めるが、ω≧Thでは、M個のマイクロホン２０−ｍで収音されたM個のアナログ信号に対応する周波数領域信号X^→ _m(ω,τ)=[X_{1_m}(ω,τ),…,X_{M_m}(ω,τ)]^Tのみに、フィルタW^→ _m(ω)を適用して、出力信号Y_m(ω,τ)=[Y_{1_m}(ω,τ),…,Y_{M_m}(ω,τ)]^Tを出力する。フィルタ計算部１５０はω≧ThではフィルタW^→ _m(ω)のみを計算する。伝達特性記憶部１４０は、ω≧ThではフィルタW^→ _m(ω)を計算するために必要な伝達特性のみを記憶しておけばよい。例えば、ω≧Thではターゲット音とM本のマイクロホンとの間の周波数ωでの伝達特性a^→(ω)＝[a_{1_m}(ω),…,a_{M_m}(ω)]^Tと、雑音kとM個のマイクロホンとの間の周波数ωでの伝達特性b_k ^→(ω)＝[b_{k_m}(ω),…,b_{kM_m}(ω)]^Tとを記憶しておく。このような構成により、第一実施形態と同様の効果を得ることができる。

本実施形態では、周波数領域でフィルタリング処理を行っているが、時間領域でフィルタリング処理を行ってもよい。例えば、時間領域のP個のディジタル信号x₁(t),…,x_P(t)に、チャネルp毎に時間領域で時間領域フィルタ係数を畳み込み、全てのチャネルの畳み込み結果を加算する構成としてもよい。この場合、周波数領域変換部１３０、時間領域変換１７０を設けなくともよい。また、伝達特性記憶部１４０は予め収音装置１００を使って測定された時間領域の伝達特性を記憶しておき、フィルタ計算部１５０は時間領域のフィルタを計算する。

＜第二実施形態＞
第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

本実施形態に係る収音装置も、P個のマイクロホン２０−ｐ及びパラボラ型リフレクター１０とを含む。ただし、なお、P個のマイクロホン２０−ｐのうち、M個のマイクロホン２０−ｍはパラボラ型リフレクター１０の焦点位置近辺に配置され、L個のマイクロホン２０−lはパラボラ型リフレクター１０の中心軸の正面方向の離れた位置に配置される。ただし、Pは2以上の整数の何れかであり、M,Lはそれぞれ1以上の整数の何れかであり、P=M+Lであり、p=1,2,…,Pであり、m＝1_m,2_m,…,M_m、l=1_l,2_l,…,L_l、下付き添え字ｌ(エル)は正面方向の離れた位置に配置されたマイクロホンであることを示すインデックスである。このような構成により、第一実施形態と同様に低音域も含めた指向性集音を可能にする。配置の外観の例を図１５に示す。焦点位置よりも前面側にマイクロホン２０−ｌを置くことによっても、第一実施形態と同様の効果を得ることが可能である。

ただし、本実施形態の場合、焦点位置と焦点位置よりも前面に置いたマイクロホンの間の距離に制約はないので、任意の距離に置けるというメリットがある。例えば、効果を得たい周波数の波長の0.25〜1倍の距離となるようにL個のマイクロホン２０−lを配置する。特に、0.5倍の距離となるようにL個のマイクロホン２０−lを配置するとよい。すなわち、リフレクターの効果の低くなる周波数と波長の一致するパラボラ型リフレクター１０の直径の半分程度離れた位置にマイクロホン２０−ｌを設置するとよい。

＜変形例＞
本実施形態では、L個のマイクロホン２０−lはパラボラ型リフレクター１０の中心軸の正面方向の離れた位置に配置されているが、必ずしも「中心軸上」に配置される必要はない。L個のマイクロホン２０−ｌは、パラボラ型リフレクター１０の焦点位置よりも前面側に配置され、パラボラ型リフレクター１０の焦点位置との距離がパラボラ型リフレクター１０の直径の0.25〜1倍になるパラボラ型リフレクター１０の「中心軸上の点の近辺」に配置されればよい。特に、焦点位置との距離が直径の0.5倍になる「中心軸上の点の近辺」に配置するとよい。なお、低域の位相差を精度良く推定することができる程度に、M個のマイクロホン２０−ｍとL個のマイクロホン２０−ｌとが離れていればよく、上述の「中心軸上の点の近辺」における「近辺」とは、このような効果を得ることができる範囲を意味する。中心軸上の点をOとすると、例えば、「中心軸上の点の近辺」は、対象とする音の周波数帯域の中心周波数の半波長以下の半径の、点Oを中心とする球内の領域である。その場合、「中心軸上の点の近辺」は、最大で周波数帯域の中心周波数の半波長の半径をもつ、点Oを中心とする球内の領域であり、最小で点O(半径がゼロのとき)である。なお、「中心軸上の点の近辺」との表現は中心軸上の点自体を含み、マイクロホン２０−lを中心軸上の点に配置してもよい。

＜第三実施形態＞
第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

本実施形態に係る収音装置も、P個のマイクロホン２０−ｐ及びパラボラ型リフレクター１０とを含む。ただし、なお、P個のマイクロホン２０−ｐのうち、P個のマイクロホン２０−ｐのうち、M個のマイクロホン２０−ｍはパラボラ型リフレクター１０の焦点位置近辺に配置され、N個のマイクロホン２０−ｎはパラボラ型リフレクター１０の焦点側の表面の中心位置近辺に配置され、L個のマイクロホン２０−lはパラボラ型リフレクター１０の中心軸の正面方向の離れた位置に配置される。ただし、Pは3以上の整数の何れかであり、M,N,Lはそれぞれ1以上の整数の何れかであり、P=M+N+Lである。各マイクロホンの配置に関しては第一実施形態、第二実施形態、それらの変形例で説明した通りである。

このような構成により、低音域も含めた指向性集音を可能にする。配置の外観の例を図１６に示す。パラボラ型リフレクター１０の底の部分と焦点位置よりも前面側の両方にマイクロホンを置くことによって、第一実施形態及び第二実施形態よりも高い効果を得ることが可能である。第一実施形態及び第二実施形態と同様に、焦点位置とパラボラの底の部分のマイクロホン間の距離、および焦点位置と焦点よりも前面に設置したマイクロホン間の距離はパラボラ型リフレクター１０の直径の0.25〜１倍程度であり、特に、半分程度が望ましい。

＜その他の変形例＞
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。

＜プログラム及び記録媒体＞
また、上記の実施形態及び変形例で説明した各装置における各種の処理機能をコンピュータによって実現してもよい。その場合、各装置が有すべき機能の処理内容はプログラムによって記述される。そして、このプログラムをコンピュータで実行することにより、上記各装置における各種の処理機能がコンピュータ上で実現される。

この処理内容を記述したプログラムは、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。コンピュータで読み取り可能な記録媒体としては、例えば、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、半導体メモリ等どのようなものでもよい。

また、このプログラムの流通は、例えば、そのプログラムを記録したＤＶＤ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬型記録媒体を販売、譲渡、貸与等することによって行う。さらに、このプログラムをサーバコンピュータの記憶装置に格納しておき、ネットワークを介して、サーバコンピュータから他のコンピュータにそのプログラムを転送することにより、このプログラムを流通させてもよい。

このようなプログラムを実行するコンピュータは、例えば、まず、可搬型記録媒体に記録されたプログラムもしくはサーバコンピュータから転送されたプログラムを、一旦、自己の記憶部に格納する。そして、処理の実行時、このコンピュータは、自己の記憶部に格納されたプログラムを読み取り、読み取ったプログラムに従った処理を実行する。また、このプログラムの別の実施形態として、コンピュータが可搬型記録媒体から直接プログラムを読み取り、そのプログラムに従った処理を実行することとしてもよい。さらに、このコンピュータにサーバコンピュータからプログラムが転送されるたびに、逐次、受け取ったプログラムに従った処理を実行することとしてもよい。また、サーバコンピュータから、このコンピュータへのプログラムの転送は行わず、その実行指示と結果取得のみによって処理機能を実現する、いわゆるＡＳＰ（Application Service Provider）型のサービスによって、上述の処理を実行する構成としてもよい。なお、プログラムには、電子計算機による処理の用に供する情報であってプログラムに準ずるもの（コンピュータに対する直接の指令ではないがコンピュータの処理を規定する性質を有するデータ等）を含むものとする。

また、コンピュータ上で所定のプログラムを実行させることにより、各装置を構成することとしたが、これらの処理内容の少なくとも一部をハードウェア的に実現することとしてもよい。

Claims (7)

1. 回転放物面を有する反射部と、
   Pを2以上の整数の何れかとし、P個のマイクロホンとを含み、
   M,Lをそれぞれ1以上の整数の何れかとし、P≧M+Lとし、M個のマイクロホンが前記回転放物面の焦点位置近辺に配置され、L個のマイクロホンが前記回転放物面の前記焦点位置よりも前面側に配置され、前記L個のマイクロホンは前記回転放物面の前記焦点位置との距離が前記回転放物面の端部が形成する円の直径の0.5倍になる前記回転放物面の中心軸上の点Oの近辺Tに配置され、前記近辺Tは、対象とする周波数帯域の中心周波数の半波長以下の半径の、前記点Oを中心とする球内の領域である、
   収音装置。
2. 請求項１の収音装置であって、
   前記Pを3以上の整数の何れかとし、
   Nを1以上の整数の何れかとし、P≧M+N+Lとし、N個のマイクロホンが前記回転放物面の焦点側の表面の中心位置近辺に配置される、
   収音装置。
3. 請求項２の収音装置であって、
   前記回転放物面の中心軸と前記回転放物面との交点を通り、かつ、前記回転放物面の中心軸と直交する平面をy=H1とし、前記回転放物面の焦点を通り、かつ、前記回転放物面の中心軸と直交する平面をy=H2とし、
   前記回転放物面の端部が形成する円の半径をr1とし、r1≧r2とし、前記回転放物面の焦点位置近辺に配置されるM個のマイクロホンは、前記平面y=H2上、かつ、前記焦点位置から半径r2の領域内に配置され、
   前記平面y=H2から前記平面y=H1に向かって距離Dだけ離れた平面をy=H2+Dとし、前記回転放物面の端部が形成する平面をy=H3とし、距離Dは平面y=H2+Dが平面y=H1と平面y=H3との間に位置するように設定されるものとし、前記回転放物面の焦点側の表面の中心位置近辺に配置されるN個のマイクロホンは、平面y=H2+Dと前記回転放物面の焦点側の表面との間に配置され、
   前記距離Dは前記回転放物面の端部が形成する円の直径の0.5倍である、
   収音装置。
4. 請求項２の収音装置であって、
   前記回転放物面の端部が形成する円の直径が、前記回転放物面の焦点位置と前記回転放物面の表面の中心位置との距離の2倍である、
   収音装置。
5. 請求項１から請求項４の何れかの収音装置であって、
   前記回転放物面の端部が形成する円の直径よりも波長が短い周波数に対しては、前記回転放物面の焦点位置近辺に配置されるM個のマイクロホンで収音した信号を用いてビームフォーミングを行い、前記回転放物面の端部が形成する円の直径以上の波長となる周波数に対しては、前記回転放物面の焦点位置近辺に配置されるM個のマイクロホンで収音した信号と、それ以外のマイクロホンで収音した信号とを用いてビームフォーミングを行うように、ビームフォーミングのフィルタが設計されている、
   収音装置。
6. 回転放物面を有する反射部と、Pを2以上の整数の何れかとし、P個のマイクロホンとを用いた収音方法であって、
   M,Nをそれぞれ1以上の整数の何れかとし、P≧M+Nとし、M個のマイクロホンが前記回転放物面の焦点位置近辺に配置され、N個のマイクロホンが前記回転放物面の焦点側の表面の中心位置近辺に配置され、
   前記回転放物面の端部が形成する円の直径よりも波長が短い周波数に対しては、前記回転放物面の焦点位置近辺に配置されるM個のマイクロホンで収音した信号を用いてビームフォーミングを行い、前記回転放物面の端部が形成する円の直径以上の波長となる周波数に対しては、前記回転放物面の焦点位置近辺に配置されるM個のマイクロホンで収音した信号と、それ以外のマイクロホンで収音した信号とを用いてビームフォーミングを行うフィルタリングステップを含む、
   収音方法。
7. 回転放物面を有する反射部と、Pを2以上の整数の何れかとし、P個のマイクロホンと用いた収音方法であって、
   M,Lをそれぞれ1以上の整数の何れかとし、P≧M+Lとし、M個のマイクロホンが前記回転放物面の焦点位置近辺に配置され、L個のマイクロホンが前記回転放物面の前記焦点位置よりも前面側に配置され、前記L個のマイクロホンは前記回転放物面の前記焦点位置との距離が前記回転放物面の端部が形成する円の直径の0.5倍になる前記回転放物面の中心軸上の点Oの近辺Tに配置され、前記近辺Tは、対象とする周波数帯域の中心周波数の半波長以下の半径の、前記点Oを中心とする球内の領域であり、
   前記回転放物面の端部が形成する円の直径よりも波長が短い周波数に対しては、前記回転放物面の焦点位置近辺に配置されるM個のマイクロホンで収音した信号を用いてビームフォーミングを行い、前記回転放物面の端部が形成する円の直径以上の波長となる周波数に対しては、前記回転放物面の焦点位置近辺に配置されるM個のマイクロホンで収音した信号と、それ以外のマイクロホンで収音した信号とを用いてビームフォーミングを行うフィルタリングステップを含む、
   収音方法。

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