JP7067146B2 - 収音装置、プログラム及び方法 - Google Patents

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Description

この発明は、収音装置、プログラム及び方法に関し、例えば、雑音環境下で用いられる音声通信システム等に適用し得る。
雑音環境下で音声通信システムや音声認識応用システムを利用する場合、必要な目的音声と同時に混入する周囲の雑音は、良好なコミュニケーションを阻害し、音声認識率の低下をもたらす厄介な存在である。従来、このような複数の音源が存在する環境下において、特定の方向の音のみ分離・収音することで不要音の混入を避け必要な目的音を得る技術として、マイクアレイを用いたビームフォーマ（Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍｅｒ；以下「ＢＦ」とも呼ぶ；特許文献２参照）がある。ＢＦとは各マイクロホンに到達する信号の時間差を利用して指向性を形成する技術である。しかしＢＦだけでは収音を目的とするエリア（以下、「目的エリア」と呼ぶ）の周囲に他の音源が存在する場合、目的エリア内に存在する音（以下、「目的エリア音」と呼ぶ）だけを収音することが難しい。そのため、従来、特許文献１等により、複数のマイクアレイを用いて目的エリアを収音するエリア収音方式が提案されている。
図１３は、２つのマイクアレイＭＡ１、ＭＡ２を用いて、目的エリアの音源からの目的エリア音を収音する処理について示した説明図である。図１３（ａ）は、各マイクアレイＭＡ１、ＭＡ２の構成例について示した説明図である。図１３（ｂ）、図１３（ｃ）は、それぞれ図１３（ａ）に示すマイクアレイＭＡ１、ＭＡ２のＢＦ出力について周波数領域で示した図（グラフ形式のイメージ図)である。図１３（ｂ）、図１３（ｃ）は、それぞれマイクアレイＭＡ１、ＭＡ２のＢＦ出力について周波数領域で示した図（グラフ形式のイメージ図）である。図１３において各マイクアレイＭＡ１、ＭＡ２は、それぞれ２つのマイクロホンＭＣ１、ＭＣ２により構成されている。
従来のエリア収音では、図１３（ａ）に示すように、マイクアレイＭＡ１、ＭＡ２の指向性を別々の方向から収音したいエリア（目的エリア）で交差させて収音する。図１３（ａ）の状態では、各マイクアレイＭＡ１、ＭＡ２の指向性に目的エリア内に存在する音（目的エリア音）だけでなく、目的エリア方向の雑音（非目的エリア音）も含まれている。しかし、図１３（ｂ）、図１３（ｃ）に示すように、マイクアレイＭＡ１、ＭＡ２の指向性を周波数領域で比較すると、目的エリア音成分はどちらの出力にも含まれるが、非目的エリア音成分は各マイクアレイで異なることになる。従来のエリア収音技術では、このような特性を利用し、２つのマイクアレイＭＡ１、ＭＡ２のＢＦ出力に、共通に含まれる成分以外を抑圧することで目的エリア音のみ抽出することができる。
特開２０１４－０７２７０８号公報 特開２００５－１９５９５５号公報
浅野太著，"音響テクノロジーシリーズ１６ 音のアレイ信号処理－音源の定位・追跡と分離－"，日本音響学会編，コロナ社，２０１１年２月２５日発行
ところで、雑音環境下で音声通信といえば、スマートホンなどのモバイル通信機器が代表的である。近年は音声認識アプリの利用が進み、画面を見ながら音声入力するケースが多くなっている。その場合、スマートホンと口元が離れるため、より外部騒音の影響を受けやすくなる。また、緊急車両に備えられるハンドセット（送受話器）はサイレンなどの大騒音が障害となり緊急の情報伝達の妨げとなっている。このような利用環境において、前記エリア収音技術は有効な解決策として期待される。すなわち、スマートホンの前面、あるいはハンドセットの送話口周辺に２つのマイクアレイを設置し、当該２つのマイクアレイのそれぞれの指向性を送話口の前で交差させエリア収音を機能させることにより、周辺雑音を排除し送話者の音声だけを正確に伝達することが可能になる。
しかし、これらの機器の限られたスペースに、エリア収音実現のために多くのマイクアレイを装着することは必ずしも容易ではない。
そのため、効率良く、かつ効果的にエリア収音を行うことができる収音装置、プログラム及び方法が望まれている。
第１の本発明の収音装置は、Ｎ個（Ｎは３以上の整数）のマイクロホンがそれぞれＮ角形の各頂点の位置に配置されているマイクアレイ部を構成する前記Ｎ角形の辺及び又は対角線のうち、互いに平行なものを除く任意の２つの組み合わせに対応する２つのマイクアレイのそれぞれから入力された入力信号に基づいて、前記Ｎ角形の領域内の目的エリアの目的エリア音を収音する収音手段とを有することを特徴とする。
第２の本発明の収音プログラムは、コンピュータを、Ｎ個（Ｎは３以上の整数）のマイクロホンがそれぞれＮ角形の各頂点の位置に配置されているマイクアレイ部を構成する前記Ｎ角形の辺及び又は対角線のうち、互いに平行なものを除く任意の２つの組み合わせに対応する２つのマイクアレイのそれぞれから入力された入力信号に基づいて、前記Ｎ角形の領域内の目的エリアの目的エリア音を収音する収音手段として機能させることを特徴とする。
第３の本発明は、収音装置が行う収音方法において、収音手段を備え、前記収音手段は、Ｎ個（Ｎは３以上の整数）のマイクロホンがそれぞれＮ角形の各頂点の位置に配置されているマイクアレイ部を構成する前記Ｎ角形の辺及び又は対角線のうち、互いに平行なものを除く任意の２つの組み合わせに対応する２つのマイクアレイのそれぞれから入力された入力信号に基づいて、前記Ｎ角形の領域内の目的エリアの目的エリア音を収音することを特徴とする。
第４の本発明の収音装置は、Ｎ個（Ｎは３以上の整数）のマイクロホンがそれぞれＮ角形の各頂点の位置に配置されているマイクアレイ部を構成する前記Ｎ角形の辺及び又は対角線のうち、互いに平行なものを除く任意の２つの組み合わせに対応する２つのマイクアレイのそれぞれから入力された入力信号に基づいて、目的エリアの目的エリア音を収音する収音手段とを備え、前記収音手段は、２つの前記マイクアレイから入力されたそれぞれの入力信号について前記Ｎ角形の内側方向にビームフォーマにより指向性を形成する指向性形成部と、それぞれの前記マイクアレイのビームフォーマ出力をスペクトル減算することで目的エリア方向に存在する非目的エリア音を抽出する非目的エリア音抽出手段と、前記マイクアレイのビームフォーマ出力から前記非目的エリア音をスペクトル減算することにより、目的エリア音を抽出する目的エリア音抽出手段とを有することを特徴とする。
第５の本発明の収音プログラムは、コンピュータを、Ｎ個（Ｎは３以上の整数）のマイクロホンがそれぞれＮ角形の各頂点の位置に配置されているマイクアレイ部を構成する前記Ｎ角形の辺及び又は対角線のうち、互いに平行なものを除く任意の２つの組み合わせに対応する２つのマイクアレイのそれぞれから入力された入力信号に基づいて、目的エリアの目的エリア音を収音する収音手段として機能させ、前記収音手段は、２つの前記マイクアレイから入力されたそれぞれの入力信号について前記Ｎ角形の内側方向にビームフォーマにより指向性を形成する指向性形成部と、それぞれの前記マイクアレイのビームフォーマ出力をスペクトル減算することで目的エリア方向に存在する非目的エリア音を抽出する非目的エリア音抽出手段と、前記マイクアレイのビームフォーマ出力から前記非目的エリア音をスペクトル減算することにより、目的エリア音を抽出する目的エリア音抽出手段とを有することを特徴とする。
第６の本発明は、収音装置が行う収音方法において、収音手段を備え、前記収音手段は、Ｎ個（Ｎは３以上の整数）のマイクロホンがそれぞれＮ角形の各頂点の位置に配置されているマイクアレイ部を構成する前記Ｎ角形の辺及び又は対角線のうち、互いに平行なものを除く任意の２つの組み合わせに対応する２つのマイクアレイのそれぞれから入力された入力信号に基づいて、目的エリアの目的エリア音を収音し、前記収音手段は、２つの前記マイクアレイから入力されたそれぞれの入力信号について前記Ｎ角形の内側方向にビームフォーマにより指向性を形成する指向性形成部と、それぞれの前記マイクアレイのビームフォーマ出力をスペクトル減算することで目的エリア方向に存在する非目的エリア音を抽出する非目的エリア音抽出手段と、前記マイクアレイのビームフォーマ出力から前記非目的エリア音をスペクトル減算することにより、目的エリア音を抽出する目的エリア音抽出手段とを有することを特徴とする。
本発明によれば、効率良く、かつ効果的にエリア収音を行う収音装置を提供することができる。
第１の実施形態に係る各装置の構成（第１の実施形態に係る収音部（収音装置）の機能的構成を含む）について示したブロック図である。 第１の実施形態に係る収音部（収音装置）を備えた通信装置の外観について示した図（平面図）である。 ２つのマイクアレイのＢＦによる指向性を別々の方向から目的エリアへ向けるマイクアレイ配置の説明図（イメージ図）である。 マイクアレイから近接したエリアを収音する場合のマイクアレイ配置の説明図（イメージ図）である。 ３個のマイクロホンを用いたエリア収音処理の概要について示した説明図（イメージ図）である。 ３個のマイクロホンにより形成されるマイクアレイの構成例について示した説明図（イメージ図）である。 ３個のマイクロホンにより形成されるマイクアレイの各組み合に対応するエリア収音処理について示した説明図（イメージ図）である。 マイクロホン数が２個の場合の減算型ＢＦに係る構成を示すブロック図である。 ２個のマイクロホンを用いた減算型ＢＦにより形成される指向特性を示す図である。 第２の実施形態に係る各装置の構成（第１の実施形態に係る収音部（収音装置）の機能的構成を含む）について示したブロック図である。 第２の実施形態に係る多角形（５角形、Ｎ＝５）のマイクアレイ部の構成について示した図である。 第２の実施形態に係る多角形（５角形、Ｎ＝５）のマイクアレイ部を用いたエリア収音処理の例について示した説明図（イメージ図）である。 従来の収音装置において、２つのマイクアレイのビームフォーマ（ＢＦ）による指向性を別々の方向から目的エリアへ向けた場合の構成例について示した説明図である。
（Ａ）第１の実施形態
以下、本発明による収音装置、プログラム及び方法の第１の実施形態を、図面を参照しながら詳述する。この実施形態では、本発明の収音装置、プログラム及び方法を収音部に適用した例について説明する。
まず、第１の実施形態におけるマイクアレイを用いたエリア収音処理の基本的な原理について図３～図７を用いて説明する。
図３に示すように、エリア収音を実現するためには、通常少なくとも２つ以上のマイクアレイが必要となる。
図３では、２つのマイクアレイＭＡ１００、ＭＡ２００の指向性をそれぞれ別の方向に向けて収音エリア（目的エリア）で交差させている。また、図３では、マイクアレイＭＡ１００、ＭＡ２００は、それぞれ２つのマイクロホンｃｈ１、ｃｈ２により構成されている。さらに、図３では、マイクアレイＭＡ１００の指向性を破線で図示し、マイクアレイＭＡ２００の指向性を一点鎖線で図示している。そして、図３では、２つのマイクアレイＭＡ１００、ＭＡ２００の指向性が交差する収音エリアにハッチ（斜線）を付している。
一方、ハンドセットやスマートホン等の送話器（話者の音声を捕捉するマイクロホンを備える装置）を備える装置（以下、「送話装置」とも呼ぶ）において、収音を必要とするエリア（使用時における話者の口元の位置）は送話口（マイクロホンが配置されている部分）から直近（例えば、数センチ以内）の狭いエリアに限定される。
したがって、ハンドセットやスマートホン等の送話装置において、２つのマイクアレイＭＡ１００、ＭＡ２００を用いて、話者の口元のエリア収音を行う場合、図４（ａ）に示すように２つのマイクアレイＭＡ１００、ＭＡ２００の距離も近接して配置する必要がある。このとき、２つのマイクアレイＭＡ１００、ＭＡ２００の距離を限界まで近づけると、図４（ｂ）に示すように、２つのマイクアレイＭＡ１００、ＭＡ２００の一部のマイクロホン（図４（ｂ）では、内側に配置されたマイクロホンｃｈ１）をほぼ重なった位置とすることになる。そのため、図４（ｂ）の状態では、マイクアレイＭＡ１００のマイクロホンｃｈ１と、マイクアレイＭＡ２００のマイクロホンｃｈ１については共通化して、図４（ｃ）に示すような３個のマイクロホンｃｈ１～ｃｈ３の構成に置き換えることが可能となる。
すなわち、送話器の送話口から直近の狭いエリアのエリア収音を行う必要のある送話装置では、図４（ｃ）のように、最小で３つのマイクロホンｃｈ１～ｃｈ３により構成されるマイクアレイで、話者の口元から発話される音声のエリア収音を実現することができる。
したがって、送話器から直近の狭いエリアのエリア収音を行う必要のある送話装置では、図５に示すような３つのマイクロホンｃｈ１～ｃｈ３を用いて、エリア収音を実現することができる。図５では、マイクロホンｃｈ１とマイクロホンｃｈ２との間を結ぶ線分Ｌ１０１と、マイクロホンｃｈ２とマイクロホンｃｈ３との間を結ぶ線分Ｌ１０２とが角度を有するように（すなわち、∠≠１８０°となるように）、３つのマイクロホンｃｈ１～ｃｈ３が配置されている。また、図５では、線分Ｌ１０１の両端のマイクロホンｃｈ１、ｃｈ２を対とする第１のマイクアレイと、線分Ｌ１０２の両端のマイクロホンｃｈ２、ｃｈ３を対とする第２のマイクアレイを構成し、各マイクアレイの指向性を内角方向（収音エリア）に向けて交差させている。なお、図５では、第１のマイクアレイの指向性を破線で図示し、第２のマイクアレイの指向性を一点鎖線で図示している。また、図５では、第１のマイクアレイと第２のマイクアレイの指向性が重なる領域にハッチ（斜線）を付している。
そうすると、マイクロホンｃｈ１～ｃｈ３では、図６に示すように、マイクロホンの組み合わせによって最大３つのマイクアレイ（指向性の方向の異なる３つのマイクアレイ）を設定することができる。図６に示すように、マイクロホンｃｈ１～ｃｈ３では、マイクロホンｃｈ１、ｃｈ２を対とするマイクアレイＭＡ３０１、マイクロホンｃｈ２、ｃｈ３を対とするマイクアレイＭＡ３０２、及びマイクロホンｃｈ３、ｃｈ１を対とするマイクアレイＭＡ３０３を設定することができる。
そして、マイクロホンｃｈ１～ｃｈ３では、図７に示すように、３つのマイクアレイＭＡ３０１、ＭＡ３０２、ＭＡ３０３の組み合わせ（３通りの組み合わせ）に応じたエリア収音が可能となる。
図７（ａ）では、マイクアレイＭＡ３０１の指向性を一点鎖線で図示し、マイクアレイＭＡ３０２の指向性を二点鎖線で図示し、ている。また、図７（ｂ）では、マイクアレイＭＡ３０２の指向性を一点鎖線で図示し、マイクアレイＭＡ３０３の指向性を二点鎖線で図示している。さらに、図７（ｃ）では、マイクアレイＭＡ３０１の指向性を一点鎖線で図示し、マイクアレイＭＡ３０３の指向性を二点鎖線で図示している。さらにまた、図７（ａ）では、マイクアレイＭＡ３０１、ＭＡ３０２の組み合わせに応じた収音エリアＡ３０１にハッチ（斜線）を付している。また、図７（ｂ）では、マイクアレイＭＡ３０２、ＭＡ３０３の組み合わせに応じた収音エリアＡ３０２にハッチ（斜線）を付している。さらに、図７（ｃ）では、マイクアレイＭＡ３０１、ＭＡ３０３の組み合わせに応じた収音エリアＡ３０３にハッチ（斜線）を付している。
図７に示すように、マイクロホンｃｈ１～ｃｈ３では、いずれのマイクアレイ（ＭＡ３０１～ＭＡ３０３）でも、マイクアレイ同士（マイクアレイを構成する２つのマイクの位置を結ぶ線分同士）で角度を有することから、互いの指向性を交差させて、組み合わせ毎に異なるエリア収音（異なる領域のエリア収音）が実現可能である。
後述する第１の実施形態の収音部（収音装置）では、図６、図７に示すように、三角形の各頂点に配置された３つのマイクロホンを用いたエリア収音を行う構成となっている。
（Ａ－１）第１の実施形態の構成
図１は、第１の実施形態に関連する各装置の構成について示したブロック図である。
図１では、第１の実施形態に係る収音部１１０を備える通信装置１００と、通信装置２００とを図示している。また、図１では、通信装置１００、２００間は、通信路Ｐにより通信可能な構成となっている。
通信装置１００は、話者Ｕ１が発話した音声（音）を捕捉し収音し、収音した音声の音声データを通信路Ｐを介して通信装置２００に送信する装置である。そして、通信装置２００は、通信装置１００から受信した音声データに基づく音声を聴者Ｕ２に表音出力する装置である。
話者Ｕ１は、例えば、災害救助等の現場で作業する作業員（例えば、騒音環境下で作業をする作業員）等が該当し、聴者Ｕ２としては遠隔地（例えば、災害救助等の現場を指揮する司令センタ）の指令担当者等が該当する。
次に、通信装置１００の構成概要について図１、図２を用いて説明する。
通信装置１００は、３個のマイクロホンＭＣ１～ＭＣ３を備えるマイクアレイ部１と、マイクアレイ部１で捕捉した音響信号に基づいて話者Ｕ１の発話した音声を収音する収音部１１０と、収音部１１０が収音した音声に基づく音声データを通信（通信路Ｐを介した通信）により通信装置２００に送信する通信部１２０とを有している。
通信路Ｐは、有線・無線に限定されず種々の接続手段や接続構成（ネットワーク構成）を適用することができる。
通信装置１００のハードウェア的な構成については限定されないものであるが、この実施形態の例では、図２に示すように、この実施形態の例では、通信装置１００は、ハードウェア的にはスマートホン（話者Ｕ１が所持するスマートホン）の構成となっているものとする。
この実施形態の例では、図１に示すように、マイクアレイ部１は、３つのマイクロホンＭＣ１～ＭＣ３により構成されている（すなわち、図１ではＮ＝３）。
次に、収音部１１０の詳細構成について図１を用いて説明する。
収音部１１０は、信号入力部２、周波数変換部３、指向性形成部４、及び目的エリア音抽出部５を有している。
収音部１１０は、例えば、プロセッサやメモリ等を備えるコンピュータにプログラム（実施形態に係る収音プログラムを含む）を実行させるようにしてもよいが、その場合であっても、機能的には、図１のように示すことができる。
次に、通信装置２００の構成概要について図１を用いて説明する。
通信装置２００のハードウェア構成についても限定されないものであるが、例えば、種々の電話装置（例えば、スピーカホン等）を適用することができる。
通信装置２００は、通信路Ｐを介して通信装置１００から音声データを受信する通信部２１０と、通信部２１０が受信した音声データに基づく音声を聴者Ｕ２に向けて表音出力するスピーカ６とを有している。
次に、マイクアレイ部１の構成について、図２を用いて説明する。
この実施形態の例では、マイクアレイ部１は、３つのマイクロホンＭＣ１～ＭＣ３を有する構成であるものとする。
そして、図２に示すように、この実施形態の例では、通信装置１００はスマートホンの構成であるため、通信装置１００では、この３つのマイクロホンＭＣ１～ＭＣ３は、スマートホンにおいて通常送話口となる部分（スピーカＳＰが配置されている部分と反対側の端）の周囲に配置されることが望ましい。言い換えると、通信装置１００において、３つのマイクロホンＭＣ１～ＭＣ３は、通信装置１００の使用時に話者Ｕ１の口元と対向する部分（話者Ｕ１の口元と最も近接する部分）の周囲に配置することが望ましい。図２では、話者Ｕ１が通信装置１００を手で把持し、耳にスピーカＳＰを押し付けた場合に、話者Ｕ１の口元が位置する部分（図２の方向から見て下側の部分）の周囲（話者Ｕ１の口元と最も近接する部分の周囲）に３つのマイクロホンＭＣ１～ＭＣ３が配置されている。
図２に示す通信装置１００（マイクアレイ部１）では、図６、図７に示マイクアレイと同様に、３個のマイクロホンＭＣ１～ＭＣ３の各位置（各マイクロホンの中心位置）が正三角形の頂点となるように配置されている。図２では、説明を簡易とするため、マイクロホンＭＣ１～ＭＣ３による三角形の各辺が同じ距離（マイクロホンＭＣ１～ＭＣ３による三角形が正三角形）としているが、各辺の距離や各角の角度は全て同じでなくてもよい。
なお、図２に示すように、以下では、通信装置１００（マイクアレイ部１）において、マイクロホンＭＣ１、ＭＣ２を対とするマイクアレイをＭＡ１、マイクロホンＭＣ２、ＭＣ３を対とするマイクアレイをＭＡ２、マイクロホンＭＣ３、ＭＣ１を対とするマイクアレイをＭＡ３と呼ぶものとする。
（Ａ－２）第１の実施形態の動作
次に、以上のような構成を有する第１の実施形態の動作（実施形態に係る収音方法）を説明する。
通信装置１００では、収音部１１０が、マイクアレイ部１のマイクロホンＭＣ１～ＭＣ３から供給される音響信号を用いて、目的エリアの目的エリア音を収音する目的エリア音収音処理を行う。
以下では、通信装置１００を構成する収音部１１０内部の動作を中心に説明する。
信号入力部２は、各マイクロホンＭＣ１～ＭＣ３で収音した音響信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、周波数変換部３に供給する。その後、周波数変換部３では、例えば高速フーリエ変換を用いてマイク信号を時間領域から周波数領域へ変換する。指向性形成部４はＢＦにより指向性を形成する。
ここで、図８、図９を用いてＢＦによる指向性形成について説明する。
ＢＦとは、マイクアレイにおいて各マイクロホンに到達する信号の時間差を利用して収音の指向性を形成する技術である（非特許文献１参照）。ＢＦは加算型と減算型の大きく２つの種類に分けられるが、ここでは少ないマイクロホン数で指向性を形成できる減算型ＢＦについて説明する。
図８は、マイクロホン数が２個（ＭＣ１、ＭＣ２）の場合の減算型ＢＦ３００に係る構成を示すブロック図である。
減算型ＢＦ３００は、まず遅延器３１０により目的とする方向に存在する音（以下、「目的音」と呼ぶ）が各マイクロホンＭＣ１、ＭＣ２に到来する信号の時間差を算出し、遅延を加えることにより目的音の位相を合わせる。時間差は（１）式により算出される。ここで、ｄはマイクロホンＭＣ１、ＭＣ２間の距離、ｃは音速、τｉは遅延量を示している。またθＬは、マイクロホンＭＣ１、Ｍ２の位置を結んだ直線に対する垂直方向から目的方向への角度を示している。
ここで、死角がマイクロホンＭＣ１とマイクロホンＭＣ２の中心に対し、マイクロホンＭＣ１の方向に存在する場合、遅延器３１０は、マイクロホンＭＣ１の入力信号ｘ１（ｔ）に対し遅延処理を行う。その後、減算器３２０が、（２）式に従い減算処理を行う。減算器３２０では、この減算処理は周波数領域でも同様に行うことができ、その場合（２）式は（３）式のように変更される。
Figure 0007067146000001
ここでθＬ＝±π／２の場合、形成される指向性は図９（ａ）に示すように、カージオイド型の単一指向性となり、θＬ＝０，πの場合は、図９（ｂ）のような８の字型の双指向性となる。また、減算器３２０では、スペクトル減算法（Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｓｕｂｔｒａｃｔｉｏｎ）の処理（以下、単に「ＳＳ」とも呼ぶ）を用いることで、双指向性の死角に強い指向性を形成することもできる。ＳＳによる指向性は、（４）式に従い全周波数、もしくは指定した周波数帯域で形成される。（４）式では、マイクロホンＭＣ１の入力信号Ｘ１を用いているが、マイクロホンＭＣ２の入力信号Ｘ２でも同様の効果を得ることができる。ここで、ｎはフレーム番号、βはＳＳの強度を調節するための係数を示している。減算器３２０では、減算時に値がマイナスなった場合は、０または元の値を小さくした値に置き換えるフロアリング処理を行うようにしてもよい。この方式では、双指向性の特性によって目的方向以外に存在する音（以下、「非目的音」と呼ぶ）を抽出し、抽出した非目的音の振幅スペクトルを入力信号の振幅スペクトルから減算することで、目的音を強調することができる。
Figure 0007067146000002
ところで、ある特定の目的エリア内に存在する目的エリア音だけを収音したい場合、減算型ＢＦを用いるだけでは、そのエリアと同一方向の線上に存在する音源（以下、「非目的エリア音」と呼ぶ）も収音してしまう。
そこで、指向性形成部４では、特許文献１で提案されているエリア収音処理（複数のマイクアレイを用い、それぞれ別々の方向から目的エリアへ指向性を向け、指向性を目的エリアで交差させることで目的エリア音を収音する処理）を行うものとして説明する。具体的には、図１に示す指向性形成部４は、以下のような処理によりエリア収音処理を行うようにしてもよい。
例えば、指向性形成部４は、マイクロホンＭＣ１、ＭＣ２により構成されるマイクアレイＭＡ１と、マイクロホンＭＣ１、ＭＣ３により構成されるマイクアレイＭＡ３に対し、マイクロホンＭＣ１～ＭＣ３の三角形の内側に向かってそれぞれＢＦによって指向性を形成し、マイクアレイの指向性を別々の方向から収音したいエリア（目的エリア）である送話口前（マイクロホンＭＣ１～ＭＣ３により形成される三角形の内側の領域）で交差させる（図７（ｃ）参照）。
目的エリア音抽出部５は、指向性形成部４で形成したマイクアレイＭＡ１、およびマイクアレイＭＡ３の各ＢＦ出力データＹ１（ｎ）、Ｙ２（ｎ）を（５）、もしくは（６）式に従いＳＳし、目的エリア方向に存在する非目的エリア音Ｎ１（ｎ）、Ｎ２（ｎ）を抽出する。以下では、マイクアレイＭＡ１のＢＦ出力データをＹ１（ｎ）、マイクアレイＭＡ３のＢＦ出力データをＹ２（ｎ）とする。また、以下では、マイクアレイＭＡ１の非目的エリア音出力データをＮ１（ｎ）、マイクアレイＭＡ３の非目的エリア音出力データをＮ２（ｎ）とする。
ここでα１、α２は、目的エリアと各マイクアレイの距離の違いによって生じる信号レベルの差を補正する補正係数であり、所定の処理によって逐一計算されるべきものであり、その手法は特許文献１にも記載されている。ここでは簡単のため、目的エリアと各マイクアレイＭＡ１、ＭＡ３までの距離は同一（α１（ｎ）＝α２（ｎ）＝１））とし（５）、（６）式を（７）、（８）式に代える。
Figure 0007067146000003
その後、目的エリア音抽出部５は、（９）、（１０）式に従い、各ＢＦ出力から非目的エリア音をＳＳして目的エリア音を抽出した目的エリア強調音Ｚ１（ｎ）、Ｚ２（ｎ）を生成する。なお、γ１（ｎ）、γ２（ｎ）はＳＳ時の強度を変更するための係数を示している。なお、目的エリア音抽出部５は、目的エリア強調音Ｚ１（ｎ）、Ｚ２（ｎ）の両方を出力するようにしてもよいし、いずれか一方だけを出力するようにしてもよい。
Figure 0007067146000004
目的エリア音抽出部５で生成された目的エリア強調音（Ｚ１（ｎ）及び又はＺ２（ｎ））は、通信部１２０に供給される。通信部１２０は、供給された目的エリア強調音に基づく音声データを、通信路Ｐを介して通信装置２００に送信する。
通信装置２００では、通信部２１０が音声データを受信し、スピーカ６が受信した音声データに基づく音響信号を表音出力（聴者Ｕ２に向けて表音出力）する。
（Ａ－３）第１の実施形態の効果
第１の実施形態によれば、以下のような効果を奏することができる。
第１の実施形態では、３個のマイクロホンＭＣ１～ＭＣ３で、２つのマイクアレイを構成することでエリア収音を実現している。また、収音部１１０が行うエリア収音処理において、処理量の多くを占めるのは周波数分析（離散フーリエ変換等）であり、それらはマイクロホン毎に必要な処理である。すなわち、収音部１１０が行うエリア収音処理において、処理対象のマイクロホンの数を少なくできるということは、エリア収音処理全体の処理量も少なくできることになる。第１の実施形態では、３個のマイクロホンで２つのマイクアレイを構成しているため、スマートホンやハンドセット等の小スペース機器への実装が効率的に行なえる。
従来のエリア収音処理の構成（例えば、図３に示す構成）では、少なくても４個のマイクロホンを使用（２つのマイクロホンにより構成されるマイクアレイを２つ使用）して１つのエリア収音処理を実現していたが、第１の実施形態では、３個のマイクロホンＭＣ１～ＭＣ３を備えるマイクアレイ部１で、１～３個のエリアの収音を実現することができる。また、エリア収音の処理量の多くを占める周波数分析（離散フーリエ変換等）であり、それらはマイクロホン毎に必要な処理であるため、３つのエリア収音を行なっても、マイクロホンの数が増えない第１の実施形態の構成であれば、処理量の増加も少ない。
以上のように、第１の実施形態の収音部１１０では、より少ないマイクロホン数で複数のエリア収音が実現され、限られた実装スペースにおいても、簡易な構成で効果的な雑音環境対策が可能となる。
（Ｂ）第２の実施形態
以下、本発明による収音装置、プログラム及び方法の第２の実施形態を、図面を参照しながら詳述する。この実施形態では、本発明の収音装置、プログラム及び方法を収音部に適用した例について説明する。
（Ｂ－１）第２の実施形態の構成
図１１は、第２の実施形態に関連する各装置の構成について示したブロック図である。
第２の実施形態では、通信装置１００が通信装置１００Ａに置き換わっている点で第１の実施形態と異なっている。
また、第２の実施形態の通信装置１００Ａでは、マイクアレイ部１及び収音部１１０が、マイクアレイ部１Ａ及び収音部１１０Ａに置き換わっている点で第１の実施形態と異なっている。さらに、第２の実施形態の収音部１１０Ａでは、信号入力部２、周波数変換部３、指向性形成部４、及び目的エリア音抽出部５が、信号入力部２Ａ、周波数変換部３Ａ、指向性形成部４Ａ、及び目的エリア音抽出部５Ａに置き換わっている点で第１の実施形態と異なっている。
第１の実施形態のマイクアレイ部１は、図１、図２に示すように、三角形の角頂点にマイクロホンＭＣ１～ＭＣ３を配置する構成となっているが、マイクアレイ部１は、三角形（Ｎ＝３）に限定されずそれより多い数の辺を有する多角形の構成としてもよい。そこで、第２の実施形態のマイクアレイ部１Ａは、任意のＮ個（Ｎは３以上の整数）のマイクロホンＭＣ（ＭＣ１～ＭＣＮ）を備えるものとする。すなわち、第２の実施形態のマイクアレイ部１Ａは、Ｎ角形（Ｎ個の辺及び角を有する多角形）のそれぞれの頂点の位置に配置されたＮ個のマイクロホンＭＣ１～ＭＣＮにより構成されている。
Ｎ個のマイクロホンによるＮ角形のマイクアレイ部１Ａは、最小Ｎ＝３で構成されるが、Ｎが増えることで実現できるエリア収音の数が大幅に増加する。
上述の通り、収音部１１０Ａは、Ｎ個のマイクロホンＭＣ１～ＭＣＮにより捕捉された音響信号に基づくエリア収音処理を行う。そして、収音部１１０Ａは、Ｎ角形（Ｎ個のマイクロホンの位置により構成されるＮ角形）において、互いに並行であるものを除く任意の２つの辺もしくは対角線の組み合わせで形成されるマイクアレイを用いてエリア収音処理が可能である。例えば、上述のＮ角形において隣り合う辺同士の組み合わせだけでＮ組の組み合わせがあるため、Ｎ個（Ｎか所）のエリア収音が可能となる。また、上述のＮ角形において、隣接しない２組の辺、及び対角線を含めれば、さらに多くのエリア収音が可能になる。
図１２は、マイクロホンの数を５（Ｎ＝５）とした場合におけるマイクアレイ部１Ａの構成例について示した説明図である。なお、上述の通り、マイクアレイ部１Ａにおけるマイクロホンの数（Ｎ）は３や５に限定されない。
図１２に示すマイクアレイ部１Ａでは、５角形の角頂点にそれぞれマイクロホンＭＣ１～ＭＣ５が配置されている。図１２に示すように、第２の実施形態では、マイクロホンＭＣ１とマイクロホンＭＣ２との間の辺をＳ１、マイクロホンＭＣ２とマイクロホンＭＣ３との間の辺をＳ２、…、マイクロホンＭＣ５とマイクロホンＭＣ１との間の辺をＳ５と呼ぶものとする。また、図１２に示すように、第２の実施形態では、マイクロホンＭＣ１とマイクロホンＭＣ３との間の対角線をＬ１、マイクロホンＭＣ２とマイクロホンＭＣ４との間の対角線をＬ２、…、マイクロホンＭＣ５とマイクロホンＭＣ２との間の対角線をＬ５と呼ぶものとする。
第２の実施形態では、辺Ｓ１の両端のマイクロホンにより構成されるマイクアレイをＭＡ１１、辺Ｓ２の両端のマイクロホンにより構成されるマイクアレイをＭＡ１２、…、辺Ｓ５の両端のマイクロホンにより構成されるマイクアレイをＭＡ１５と呼ぶものとする。また、第２の実施形態では、対角線Ｌ１の両端のマイクロホンにより構成されるマイクアレイをＭＡ２１、対角線Ｌ２の両端のマイクロホンにより構成されるマイクアレイをＭＡ２２、…、対角線Ｌ５の両端のマイクロホンにより構成されるマイクアレイをＭＡ２５と呼ぶものとする。
マイクアレイを構成するには最小２個のマイクロホンが必要であるが、図１２に示すように、５角形のマイクアレイ部１Ａ（マイクロホンＭＣ１～ＭＣ５）の辺と対角線で形成されるマイクアレイＭＡ１１～ＭＡ１５、ＭＡ２１～ＭＡ２５の数は５Ｃ２（＝１０）個となる。これは、図１２に示す五角形の５つの辺Ｓ１～Ｓ５及び５つの対角線Ｌ１～Ｌ５の数を合計した数に相当する。
エリア収音は、指向性の方向が互いに異なる２個のマイクアレイで実現されることから、５角形（正５角形）のマイクアレイ部１Ａ（マイクロホンＭＣ１～ＭＣ５）の場合、上述の１０個のマイクアレイＭＡ１１～ＭＡ１５、ＭＡ２１～ＭＡ２５（辺Ｓ１～Ｓ５、対角線Ｌ１～Ｌ５）で互いに平行となる組み合わせは１つとしてない。したがって、５角形（正５角形）のマイクアレイ部１Ａ（マイクロホンＭＣ１～ＭＣ５）の場合、最大で１０Ｃ２（＝２８）通りの組合せでエリア収音が可能である。ＢＦによる指向性形成やエリア収音処理にとって、マイクロホン間の距離が同一ではないことは好ましいことではないが、単純に組合せだけを考えれば、第１の実施形態では、三角形のマイクアレイ部１（３個のマイクロホンＭＣ１～ＭＣ３）で、３つのエリア収音を実現したのに対し、第２の実施形態のマイクアレイ部１Ａ（マイクロホンＭＣ１～ＭＣ５）では、僅か２個のマイクロホンの増設で実に２８通りの組み合わせでエリア収音が実現される。また、第２の実施形態のマイクアレイ部１Ａ（マイクロホンＭＣ１～ＭＣ５）では、すべてのマイクロホン間隔が等しい辺だけを使っても１０通りの組合せでエリア収音が可能である。
（Ｂ－２）第２の実施形態の動作
次に、以上のような構成を有する第１の実施形態の動作（実施形態に係る収音方法）を説明する。
通信装置１００Ａでは、収音部１１０Ａが、マイクアレイ部１ＡのマイクロホンＭＣ１～ＭＣＮから供給される音響信号を用いて、目的エリアの音源からの目的エリア音を収音する目的エリア音収音処理を行う。
以下では、通信装置１００Ａを構成する収音部１１０Ａ内部の動作について第１の実施形態との差異を説明する。
信号入力部２Ａは、各マイクロホンＭＣ１～ＭＣｉ（ｉ＝Ｎ）で収音した音響信号をアナログ信号からデジタル信号に変換してマイクロホン信号ｘ１～ｘｉ（ｉ＝Ｎ）を生成し、周波数変換部３Ａに供給する。
周波数変換部３Ａは、マイクロホン信号ｘ１～ｘｉ（ｉ＝Ｎ）を時間領域から周波数領域へ変換してマイクロホン信号Ｘ１～Ｘｉ（ｉ＝Ｎ）を生成し、指向性形成部４Ａに供給する。
指向性形成部４Ａは、所望の指向性を形成するために必要なマイクアレイに係るマイクロホン信号を選択し、各マイクアレイについて収音エリア方向に指向性を向けたＢＦ出力Ｙ１～Ｙｊ得て、目的エリア音抽出部５Ａに供給する処理を行う。なお、ｊはエリア収音に必要なＢＦ出力（マイクアレイ）の数であり、２からＮ角形のマイクアレイ部１Ａで構成可能なマイクアレイの最大数Ｍの間のいずれかの整数となる。例えば、Ｎ＝３（三角形）の場合Ｍは３となり、Ｎ＝５（五角形）の場合Ｍは１０となる。
目的エリア音抽出部５Ａは、指向性形成部４Ａで生成されたＢＦ出力Ｙ１～Ｙｊを用いて所望の目的エリアの目的エリア音を抽出（強調）した目的エリア強調音Ｚ１～Ｚｋを生成して出力する。なおｋは、所望の目的エリア音（収音エリア）の個数である。所望の目的エリア音の個数が１つの場合、目的エリア音抽出部５Ａは、１つの目的エリア強調音Ｚ１だけを出力することになる。
例えば、図１２に示すように、マイクアレイ部１Ａにおけるマイクロホンの数を５（Ｎ＝５）とした場合のエリア収音の例について説明する。
図１２は、マイクロホンの数を５（Ｎ＝５）とした場合におけるマイクアレイ部１Ａのエリア収音処理の例について示した説明図である。
図１２の例では、辺Ｓ１に対応するマイクアレイＭＡ１１の指向性（点線で図示した指向性）と、辺Ｓ２に対応するマイクアレイＭＡ１２の指向性（一点鎖線で図示した指向性）とが重なる領域Ａ４０１（ハッチ（斜線）を付した領域）でエリア収音することについて示している。図１２の例の場合、指向性形成部４Ａは、マイクロホン信号Ｘ１、Ｘ２を用いてマイクアレイＭＡ１１のＢＦ出力Ｙ１を生成し、さらに、マイクロホン信号Ｘ２、Ｘ３を用いてマイクアレイＭＡ１２のＢＦ出力Ｙ２を生成することになる。
そして、図１２の例では、目的エリア音抽出部５Ａが、指向性形成部４Ａで生成されたＢＦ出力Ｙ１、Ｙ２を用いて所望の目的エリアの目的エリア音を抽出（強調）した目的エリア強調音Ｚ１を生成して出力することになる。
（Ｂ－３）第２の実施形態の効果
第２の実施形態によれば、以下のような効果を奏することができる。
第２の実施形態では、Ｎ角形（多角形）のマイクアレイ部１Ａを用いてエリア収音することにより、より少ない数のマイクロホンで多数のエリア収音を行うことができる。従来、Ｎ個のエリア収音を行なうには、最低でも２個のマイクロホンを備えるマイクアレイがＮ個（合計で２×Ｎ個のマイクロホン）必要である。これに対して、この実施形態では、Ｎ角形のマイクアレイ部１Ａを用いたエリア収音を行うことで、設定できる収音エリアの位置には制約があるものの、Ｎ個のマイクロホンで最低Ｎ個のエリア収音を実行することができるため、必要なマイクロホンの数を１／２以下に節約することも可能である。
また、第２の実施形態では、Ｎ角形のマイクアレイ部１Ａにおいて、Ｎを奇数に設定することで、より効率的に目的エリアを設定することができる。例えば、マイクアレイ部１Ａにおいて、Ｎ角形に正八角形を適用した場合、平行する辺や対角線が発生するため、正七角形とした方がより少ないマイクロホンの数でより多くの収音エリアを設定することができる。
（Ｃ）他の実施形態
本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、以下に例示するような変形実施形態も挙げることができる。
（Ｃ－１）上記の各実施形態では、収音部１１０、１１０Ａは通信装置１００、１００Ａの一部を構成するものとして説明したが、独立した装置として構成するようにしてもよい。また、上記の各実施形態では、収音部１１０、１１０Ａにマイクアレイ部１、１Ａは含まない構成として説明したが、収音部１１０、１１０Ａとマイクアレイ部１、１Ａを一体とした装置として構成するようにしてもよい。
（Ｃ－２）上記の各実施形態では、本発明の収音装置（収音部１１０、１１０Ａ）をスマートホンやハンドセット等の手持ち型の送話器に適用する例について説明したが、本発明の収音装置は、ヘッドセットやウェアラブルデバイス（例えば、マイクロホン付きのヘッドマウントディスプレイ、マイクロホン付きのネックバンド型ヘッドホン等）に適用し、話者Ｕ１による装着時に話者Ｕ１の口元が位置する領域を目的エリアとして、その周囲（周辺）にＮ角形のマイクロホンを設置し、エリア収音処理するようにしてもよい。
１００…通信装置、１…マイクアレイ部、ＭＣ１～ＭＣ３…マイクロホン、１１０…収音部、２…信号入力部、３…周波数変換部、４…指向性形成部、５…目的エリア音抽出部、１２０…通信部、２００…通信装置、２１０…通信部、６…スピーカ、Ｕ１…話者、Ｕ２…聴者。

Claims (8)

  1. Ｎ個（Ｎは３以上の整数）のマイクロホンがそれぞれＮ角形の各頂点の位置に配置されているマイクアレイ部を構成する前記Ｎ角形の辺及び又は対角線のうち、互いに平行なものを除く任意の２つの組み合わせに対応する２つのマイクアレイのそれぞれから入力された入力信号に基づいて、前記Ｎ角形の領域内の目的エリアの目的エリア音を収音する収音手段と
    を有することを特徴とする収音装置。
  2. 前記収音手段は、２つの前記マイクアレイから入力されたそれぞれの入力信号について前記Ｎ角形の内側方向にビームフォーマにより指向性を形成する指向性形成部と、
    それぞれの前記マイクアレイのビームフォーマ出力をスペクトル減算することで目的エリア方向に存在する非目的エリア音を抽出する非目的エリア音抽出手段と、
    前記マイクアレイのビームフォーマ出力から前記非目的エリア音をスペクトル減算することにより、目的エリア音を抽出する目的エリア音抽出手段と
    を有することを特徴とする請求項１に記載の収音装置。
  3. 前記Ｎは奇数であることを特徴とする請求項１又は２に記載の収音装置。
  4. コンピュータを、
    Ｎ個（Ｎは３以上の整数）のマイクロホンがそれぞれＮ角形の各頂点の位置に配置されているマイクアレイ部を構成する前記Ｎ角形の辺及び又は対角線のうち、互いに平行なものを除く任意の２つの組み合わせに対応する２つのマイクアレイのそれぞれから入力された入力信号に基づいて、前記Ｎ角形の領域内の目的エリアの目的エリア音を収音する収音手段として機能させること
    を特徴とする収音プログラム。
  5. 収音装置が行う収音方法において、
    収音手段を備え、
    前記収音手段は、Ｎ個（Ｎは３以上の整数）のマイクロホンがそれぞれＮ角形の各頂点の位置に配置されているマイクアレイ部を構成する前記Ｎ角形の辺及び又は対角線のうち、互いに平行なものを除く任意の２つの組み合わせに対応する２つのマイクアレイのそれぞれから入力された入力信号に基づいて、前記Ｎ角形の領域内の目的エリアの目的エリア音を収音する
    ことを特徴とする収音方法。
  6. Ｎ個（Ｎは３以上の整数）のマイクロホンがそれぞれＮ角形の各頂点の位置に配置されているマイクアレイ部を構成する前記Ｎ角形の辺及び又は対角線のうち、互いに平行なものを除く任意の２つの組み合わせに対応する２つのマイクアレイのそれぞれから入力された入力信号に基づいて、目的エリアの目的エリア音を収音する収音手段とを備え、
    前記収音手段は、
    ２つの前記マイクアレイから入力されたそれぞれの入力信号について前記Ｎ角形の内側方向にビームフォーマにより指向性を形成する指向性形成部と、
    それぞれの前記マイクアレイのビームフォーマ出力をスペクトル減算することで目的エリア方向に存在する非目的エリア音を抽出する非目的エリア音抽出手段と、
    前記マイクアレイのビームフォーマ出力から前記非目的エリア音をスペクトル減算することにより、目的エリア音を抽出する目的エリア音抽出手段とを有する
    ことを特徴とする収音装置。
  7. コンピュータを、
    Ｎ個（Ｎは３以上の整数）のマイクロホンがそれぞれＮ角形の各頂点の位置に配置されているマイクアレイ部を構成する前記Ｎ角形の辺及び又は対角線のうち、互いに平行なものを除く任意の２つの組み合わせに対応する２つのマイクアレイのそれぞれから入力された入力信号に基づいて、目的エリアの目的エリア音を収音する収音手段として機能させ、
    前記収音手段は、
    ２つの前記マイクアレイから入力されたそれぞれの入力信号について前記Ｎ角形の内側方向にビームフォーマにより指向性を形成する指向性形成部と、
    それぞれの前記マイクアレイのビームフォーマ出力をスペクトル減算することで目的エリア方向に存在する非目的エリア音を抽出する非目的エリア音抽出手段と、
    前記マイクアレイのビームフォーマ出力から前記非目的エリア音をスペクトル減算することにより、目的エリア音を抽出する目的エリア音抽出手段とを有する
    ことを特徴とする収音プログラム。
  8. 収音装置が行う収音方法において、
    収音手段を備え、
    前記収音手段は、Ｎ個（Ｎは３以上の整数）のマイクロホンがそれぞれＮ角形の各頂点の位置に配置されているマイクアレイ部を構成する前記Ｎ角形の辺及び又は対角線のうち、互いに平行なものを除く任意の２つの組み合わせに対応する２つのマイクアレイのそれぞれから入力された入力信号に基づいて、目的エリアの目的エリア音を収音し、
    前記収音手段は、
    ２つの前記マイクアレイから入力されたそれぞれの入力信号について前記Ｎ角形の内側方向にビームフォーマにより指向性を形成する指向性形成部と、
    それぞれの前記マイクアレイのビームフォーマ出力をスペクトル減算することで目的エリア方向に存在する非目的エリア音を抽出する非目的エリア音抽出手段と、
    前記マイクアレイのビームフォーマ出力から前記非目的エリア音をスペクトル減算することにより、目的エリア音を抽出する目的エリア音抽出手段とを有する
    ことを特徴とする収音方法。
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