JP7392969B2 - マイクロホン位置決定方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のマイクロホンを備えるマイクロホンアレイにおける複数のマイクロホンの位置を決定する方法、マイクロホンアレイ、及びマイクロホンアレイを備えるマイクロホンシステムに関する。

従来、会議室等に設置されるマイクロホンアレイが知られている。従来のマイクロホンアレイにおいては、複数のマイクロホンが、例えば複数の同心円上に設けられている（例えば、特許文献１を参照）。

米国特許第９５６５４９３号明細書

従来のマイクロホンアレイにおける複数のマイクロホンの配置は、設計者の経験と勘により決定されていた。したがって、マイクロホンアレイの指向特性におけるメインローブとサイドローブとの差が不十分であり、指向性を向上させることが求められていた。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、マイクロホンアレイの指向性を向上させることを目的とする。

本発明の第１の態様のマイクロホン位置決定方法は、複数の同心円上に配置された複数のマイクロホンを有するマイクロホンアレイにおける前記複数のマイクロホンの位置を決定する方法である。マイクロホン位置決定方法は、前記複数のマイクロホンの最大個数を含む制約条件を取得する制約条件取得ステップと、前記制約条件を満たす前記複数の同心円それぞれに含まれるマイクロホンの数と前記複数の同心円それぞれの半径との複数の組み合わせのうち、前記マイクロホンアレイの指向特性の目標値との差が最も小さい指向特性を示す組み合わせを選択する選択ステップと、を有する。

前記選択ステップにおいて、差分進化アルゴリズムで用いられる変異ベクトルとして前記複数の同心円それぞれに含まれるマイクロホンの数と、前記複数の同心円それぞれの半径とを含む変数ベクトルを用いることにより、前記目標値との差が最も小さい指向特性を示す前記複数の同心円それぞれに含まれるマイクロホンの数と前記複数の同心円それぞれの半径との前記組み合わせを選択してもよい。

前記制約条件取得ステップにおいて、音源がある向きを特定するために用いられる複数の音源定位用マイクロホンの個数を前記制約条件の１つとして取得してもよい。
前記制約条件取得ステップにおいて、前記複数の同心円のうち最も外側の同心円の半径を前記制約条件の１つとして取得してもよい。
前記制約条件取得ステップにおいて、前記複数の同心円それぞれに含まれるマイクロホンの数が３以上であることを前記制約条件の１つとして取得してもよい。

本発明の第２の態様のマイクロホンアレイは、複数の同心円上に配置された複数のマイクロホンを有するマイクロホンアレイであって、前記複数の同心円のうち、隣接する２つの同心円の半径の差の変化量が、前記複数の同心円の中心位置からの距離に応じて単調増加しておらず、指向特性におけるメインローブに対するサイドローブの減衰量が１０ｄＢ以上である。

前記マイクロホンアレイは、前記中心位置と、前記複数の同心円のうち最も前記中心位置に近い最内同心円上の複数の位置とに設けられた、音源がある向きを特定するために用いられる複数の定位用マイクロホンと、前記複数の同心円に設けられており、前記複数の定位用マイクロホンを用いて位置が特定された前記音源が発する音を集めるために用いられる複数のビームフォーミング用マイクロホンと、を有してもよい。

前記最内同心円上に３個又は６個の前記定位用マイクロホンが等間隔に設けられていてもよい。前記複数の定位用マイクロホンのうち隣り合う２つの定位用マイクロホンの間の距離は、前記音源がある向きを特定するために使用する周波数帯域内の音の最小波長の１／２以下であってもよい。

前記複数の同心円の中心を通る少なくとも１本の直線が前記複数の同心円それぞれと交わる複数の交点に前記複数のマイクロホンの一部の複数のマイクロホンが設けられていてもよい。

本発明の第３の態様のマイクロホンシステムは、上記のマイクロホンアレイと、前記マイクロホンアレイから出力される音信号を処理する音声処理部と、を備え、前記音声処理部は、前記複数の定位用マイクロホンから入力された複数の前記音信号に基づいて音源がある向きを特定する向き特定部と、前記向き特定部が特定した前記音源がある向きに基づいて前記複数のビームフォーミング用マイクロホンに入力された複数の音それぞれに重み付けして合成した音を出力する音出力部と、を有する。

本発明によれば、マイクロホンアレイが不要な音を収集しづらくなるという効果を奏する。

マイクロホンシステムの概要を説明するための図である。 マイクロホンアレイの構成を示す図である。 音声処理部の構成を示す図である。 複数のマイクロホンの配置を決定する方法の概要を示すフローチャートである。 本探索例において使用したモデルを示す図である。 第１探索例のマイクロホンアレイの指向特性を示す図である。 比較例のマイクロホンアレイの指向特性を示す図である。 第２探索例のマイクロホンアレイの指向特性を示す図である。 第３探索例のマイクロホンアレイの指向特性を示す図である。

［マイクロホンシステムＳの概要］
図１は、マイクロホンシステムＳの概要を説明するための図である。図２は、マイクロホンアレイ１の構成を示す図である。マイクロホンシステムＳは、マイクロホンアレイ１と音声処理部２とを備えており、会議室又はホール等の空間内で複数の話者Ｈ（図１においては、話者Ｈ－１～Ｈ－４）が発した音声を収集するためのシステムである。図２に示すように、マイクロホンアレイ１は複数のマイクロホン１１を有しており、話者Ｈが滞在する空間の天井、壁面又は床面に設置される。マイクロホンアレイ１は、複数のマイクロホン１１に入力された音声に基づく複数の音信号を音声処理部２に入力する。

音声処理部２は、マイクロホンアレイ１から出力される音信号を処理する装置である。音声処理部２は、マイクロホンアレイ１から入力された音信号を解析することにより、音声を発した話者Ｈ（すなわち音源）がいる向きを特定する。さらに、音声処理部２は、特定した話者Ｈがいる向きに基づいて複数のマイクロホン１１に対応する複数の音信号の重み係数を調整することによりビームフォーミング処理を実行し、話者Ｈが発する音声に対する感度を話者Ｈがいる向き以外の向きから到来する音に対する感度よりも大きくする。

図１（ａ）は、話者Ｈ－２が音声を発している状態を示している。図１（ｂ）は、話者Ｈ－３が音声を発している状態を示している。音声処理部２は、図１（ａ）に示す状態においては、マイクロホンアレイ１の指向特性におけるメインローブが話者Ｈ－２の向きになるようにビームフォーミング処理を行う。音声処理部２は、図１（ｂ）に示す状態においては、マイクロホンアレイ１の指向特性におけるメインローブが話者Ｈ－３の向きになるようにビームフォーミング処理を行う。

マイクロホンアレイ１では、音声処理部２がビームフォーミング処理を行うことで指向特性におけるメインローブとサイドローブとの差が１０ｄＢ以上になるように、複数のマイクロホン１１が配置されている。以下、マイクロホンアレイ１の構成、及び複数のマイクロホン１１の配置の決定方法について詳細に説明する。

［マイクロホンアレイ１の構成］
図２の黒丸で示すように、マイクロホンアレイ１は、複数（例えば４つ以上）の同心円上に配置された複数のマイクロホン１１を有する。マイクロホンアレイ１においては、４つの同心円Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４のそれぞれに複数のマイクロホン１１が設けられている。同心円Ｃ１は最も内側の同心円（以下、「最内同心円」という。）であり、同心円Ｃ１には３つのマイクロホン１１が設けられている。同心円Ｃ１に設けられた３つのマイクロホン１１は、音源である話者Ｈがいる向きを特定するための音源定位用のマイクロホン１１として機能するとともに、話者Ｈが発した音声を収集するためのビームフォーミング用のマイクロホン１１として機能する。

同心円Ｃ２は、内側から２番目の同心円であり、同心円Ｃ２には４個のマイクロホン１１が配置されている。同心円Ｃ３は、内側から３番目の同心円であり、同心円Ｃ３には７個のマイクロホン１１が配置されている。同心円Ｃ４は、最も外側の同心円（以下、「最外同心円」という。）である。同心円Ｃ４には、１７個のマイクロホン１１が配置されている。同心円Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４に配置されているマイクロホン１１は、ビームフォーミング用として機能する。

詳細については後述するが、４つの同心円Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の半径、及び各同心円を構成するマイクロホン１１の個数及び位置は、最適な指向特性を探索することにより決定されている。その結果、４つの同心円Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４のうち隣接する２つの同心円の半径の差の変化量が、複数の同心円の中心位置からの距離に応じて単調増加しないように決定されている。

具体的には、図２に示すマイクロホンアレイ１における同心円Ｃ１の半径は０．０３８５６［ｍ］、同心円Ｃ２の半径は０．１０６６０［ｍ］、同心円Ｃ３の半径は０．１４０２４［ｍ］、同心円Ｃ４の半径は０．２１５００［ｍ］である。同心円Ｃ１の半径と同心円Ｃ２の半径との差は０．０６８０４［ｍ］、同心円Ｃ２の半径と同心円Ｃ３の半径との差は０．０３３６４［ｍ］、同心円Ｃ３の半径と同心円Ｃ４の半径との差は０．０７４７６［ｍ］であり、これらの差は複数の同心円の中心位置からの距離に応じて単調増加していない。そして、マイクロホンアレイ１の指向特性におけるメインローブに対するサイドローブの減衰量は－１４．８ｄＢであり、十分な指向性が実現されている。詳細については後述するが、複数のマイクロホン１１の最適な配置を探索するアルゴリズムを用いて複数のマイクロホン１１の配置が決定されていることにより、マイクロホンアレイ１は、このように良好な指向特性を有している。

マイクロホンアレイ１が備える複数のマイクロホン１１のうち、複数の同心円の中心位置に配置されているマイクロホン１１ａ、及び中心位置に最も近い最内同心円Ｃ１に等間隔に設けられている３つのマイクロホン１１ｂ（１１ｂ－１、１１ｂ－２、１１ｂ－３）は、音源の位置を特定するために用いられる複数の音源定位用のマイクロホン１１として機能する。他のマイクロホン１１は、複数の音源定位用のマイクロホン１１を用いて位置が特定された音源が発する音を集めるために用いられる複数のビームフォーミング用のマイクロホン１１として機能する。マイクロホン１１ａ、及び３つのマイクロホン１１ｂがビームフォーミング用のマイクロホン１１として機能してもよい。すなわち、マイクロホン１１ａ、及び３つのマイクロホン１１ｂが、音源定位用及びビームフォーミング用の２つの用途に使用されてもよい。

音源定位用のマイクロホン１１として機能する複数のマイクロホン１１のうち隣り合う２つの音源定位用のマイクロホン１１の間の距離は、音源である話者Ｈがいる向きを特定するために使用する周波数帯域内の音の最小波長の１／２以下である。２つの音源定位用のマイクロホン１１の間の距離がこのように設定されている場合にはエリアシングが発生しないので、話者Ｈがいる向きの推定精度が向上する。

想定される話者Ｈの声の主要な周波数成分が含まれる周波数範囲が５００Ｈｚ以上４０００Ｈｚ以下である場合、周波数４０００Ｈｚの音の波長が８５ｍｍであることから、隣り合う２つの音源定位用のマイクロホン１１の間の距離Ｄは４２．５ｍｍ以下であることが好ましい。想定される話者Ｈの声の主要な周波数成分が含まれる周波数範囲が５００Ｈｚ以上５０００Ｈｚ以下である場合、周波数５０００Ｈｚの音の波長が６８ｍｍであることから、距離Ｄは３４ｍｍ以下であることが好ましい。なお、距離Ｄが小さ過ぎると、各音源定位用のマイクロホン１１に入る音の差が小さくなり過ぎるので、距離Ｄは、例えば３０ｍｍ以上４０ｍｍ以下であることが好ましい。

また、複数の同心円Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の中心を通る少なくとも１本の直線Ｌが複数の同心円Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４のそれぞれと交わる複数の交点に、複数のマイクロホン１１の一部の複数のマイクロホン１１が設けられている。図２に示す例の場合、マイクロホン１１ａ、１１ｂ－１、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅが、同一の直線Ｌ上に配置されている。すなわち、複数の同心円Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４それぞれに配置されているマイクロホン１１のうち１つのマイクロホン１１が、他の同心円に配置されているマイクロホン１１のうち１つのマイクロホン１１と同一の直線Ｌ上に配置されている。

マイクロホンアレイ１がこのように構成されていることで、話者Ｈがいる向きの指向性が強くなるように信号処理をする際の精度が向上するとともに、信号処理の負荷が低減する。また、複数のマイクロホン１１の位置関係が明確になるので、話者Ｈの向きの特定精度が向上する。

［音声処理部２の構成］
図３は、音声処理部２の構成を示す図である。音声処理部２は、ＡＤ変換器２１と、ＡＤ変換器２２と、向き特定部２３と、音出力部２４と、を有する。

ＡＤ変換器２１は、複数の音源定位用のマイクロホン１１に入った音に基づく複数の音信号を複数の音源定位用デジタルデータに変換する。ＡＤ変換器２１は、変換後の音源定位用デジタルデータを向き特定部２３に入力する。ＡＤ変換器２２は、複数のビームフォーミング用（図３における「ＢＦ用」）のマイクロホン１１に入った音に基づく複数の音信号を複数のビームフォーミング用デジタルデータに変換する。ＡＤ変換器２２は、変換後のビームフォーミング用デジタルデータを音出力部２４に入力する。ＡＤ変換器２１及びＡＤ変換器２２は、単一のデバイスであってもよい。

向き特定部２３は、複数の音源定位用のマイクロホン１１から入力された複数の音信号に基づいて音源としての話者Ｈがいる向きを特定する。具体的には、向き特定部２３はＡＤ変換器２１から入力された複数の音源定位用デジタルデータに基づいて話者Ｈがいる向きを特定する。向き特定部２３は、例えば複数の音源定位用デジタルデータそれぞれが示す音の大きさの関係に基づいて話者Ｈがいる向きを特定する。向き特定部２３は、特定した話者Ｈがいる向きを音出力部２４に通知する。

音出力部２４は、向き特定部２３が特定した話者Ｈがいる向きに基づいて、複数のビームフォーミング用のマイクロホン１１に入力された複数の音それぞれに重み付けして合成した音を出力する。具体的には、音出力部２４は、音声を発している話者Ｈがいる向きに基づいて決定した重み係数を各マイクロホン１１に対応する複数のビームフォーミング用デジタルデータそれぞれに乗算して複数の乗算値を生成し、生成した複数の乗算値を加算することにより、合成した音を出力する。例えば話者Ｈがいる向きに対応する位置のマイクロホン１１に対する重み係数の絶対値は、他の位置のマイクロホン１１に対する重み係数の絶対値よりも大きな値に設定される。向き特定部２３及び音出力部２４がこのように動作することで、話者Ｈがいる向きによらず、話者Ｈが発する音声の再現性が向上する。

マイクロホンアレイ１の指向特性は複数のマイクロホン１１の配置によって異なるので、音出力部２４が合成する音の品質は、複数のマイクロホン１１の配置の影響を受ける。以下、音出力部２４が合成する音の品質を向上させるための複数のマイクロホン１１の配置の決定方法を詳細に説明する。

［複数のマイクロホン１１の配置決定方法の概要］
図４は、複数のマイクロホン１１の配置を決定する方法の概要を示すフローチャートである。一例として、配置探索装置はコンピュータを有しており、プログラムを実行することにより、図４のフローチャートに示す方法で複数のマイクロホン１１の配置を決定することができる。図４のフローチャートに示す方法を実行することで、配置探索装置は、音源が特定の向きにある場合の複数のマイクロホン１１の最適な配置を決定する。配置探索装置は、音源がある向き（すなわち音源がある位置の向き）を複数の異なる向きに変化させて、それぞれの向きに対する複数のマイクロホン１１の最適な配置を決定する。配置探索装置は、例えば最小二乗法を用いることにより、複数の音源それぞれがある向きにできるだけ適した複数のマイクロホン１１の配置を決定できる。

以下、図４を参照しながら、配置探索装置が複数のマイクロホン１１の配置を決定する処理の流れを説明する。配置探索装置は、例えば差分進化アルゴリズムであるＤＥ（Differential Evolution）法、又はＤＥ法が改良されたＪＡＤＥ法を用いて複数のマイクロホン１１の配置を決定する。

複数のマイクロホン１１の配置を決定するために、まず、配置探索装置は、制約条件を取得する（ステップＳ１）。配置探索装置は、例えば、制約条件を入力するための画面をディスプレイに表示し、当該画面において入力された制約条件を取得する。

配置探索装置は、例えば、複数のマイクロホン１１の最大個数を制約条件の１つとして取得する。配置探索装置は、複数の音源定位用のマイクロホン１１の個数、及び複数の同心円のうち最も外側の同心円の半径を制約条件の１つとして取得してもよい。配置探索装置がこれらの制約条件を取得することにより、マイクロホンアレイ１に要求されるサイズ及びコストの条件を満たす複数のマイクロホン１１の配置を決定するための時間を短縮することができる。配置探索装置は、複数の同心円それぞれに含まれるマイクロホン１１の数が３以上であることを制約条件の１つとして取得してもよい。マイクロホンアレイ１が１つの同心円上に３つ以上のマイクロホン１１を有することで、音源がある向きによる指向特性のばらつきを小さくすることができる。

続いて、配置探索装置は、マイクロホンアレイ１の指向特性の目標値を取得する（ステップＳ２）。マイクロホンアレイ１の指向特性は、メインローブの大きさとサイドローブの大きさとの差に対応する値により表される。例えば、マイクロホンアレイ１の指向特性は、所定の音がマイクロホンアレイ１に入力された場合のメインローブに対するサイドローブの減衰量として表される。配置探索装置は、例えば、目標値を入力するための画面をディスプレイに表示し、当該画面において入力された目標値を取得する。

続いて、配置探索装置は、ＪＡＤＥ法を用いて最適な複数のマイクロホン１１の配置の探索を開始するための初期変数ベクトルを決定する（ステップＳ３）。配置探索装置は、例えば、マイクロホン１１を配置する同心円の個数、各同心円の半径、及び各同心円に配置するマイクロホン１１の個数を変数として含むベクトルを初期変数ベクトルに設定する。

続いて、配置探索装置は、決定した初期変数ベクトルを用いた場合の目的関数値を算出し（ステップＳ４）、算出した目的関数値を基準関数値として、初期変数ベクトルに関連付けて一時的に記憶する（ステップＳ５）。目的関数値は、マイクロホン１１の指向特性の理想値と算出したマイクロホン１１の指向特性との誤差を示す値である。目的関数値が小さいほど指向特性が向上する。

続いて、配置探索装置は、更新変数ベクトルを決定する（ステップＳ６）。更新変数ベクトルは、初期変数ベクトルに含まれる少なくとも１つの変数が変更された変数ベクトルである。配置探索装置は、マイクロホン１１を配置する同心円の個数、各同心円の半径、及び各同心円に配置するマイクロホン１１の個数の少なくともいずれかを初期変数ベクトルと異なる値にすることにより、更新変数ベクトルを決定する。配置探索装置は、更新変数ベクトルを決定する際に、例えば差分進化アルゴリズムを用いる。

配置探索装置は、差分進化アルゴリズムで用いられる変異ベクトルである更新変数ベクトルとして、例えば、複数の同心円それぞれに含まれるマイクロホン１１の数と、複数の同心円それぞれの半径とを含む変数ベクトルを用いる。そして、配置探索装置は、制約条件を満たす複数の同心円それぞれに含まれるマイクロホンの数と前記複数の同心円それぞれの半径との複数の組み合わせのうち、指向特性の目標値との差が最も小さい指向特性を示す組み合わせを選択する。

具体的には、配置探索装置は、まず、更新変数ベクトルを用いた場合の目的関数値を算出する（ステップＳ７）。配置探索装置は、算出した目的関数値と、ステップＳ５において記憶した目的関数値とを比較する（ステップＳ８）。配置探索装置は、算出した目的関数値が記憶した基準関数値以上である場合（ステップＳ８においてＹＥＳ）、配置決定処理をステップＳ１０に進める。配置探索装置は、算出した目的関数値が記憶した目的関数値よりも小さい場合（ステップＳ８においてＮＯ）、算出した目的関数値を更新変数ベクトルに関連付けて新たな基準関数値として記憶する（ステップＳ９）。

続いて、配置探索装置は、所定の回数にわたって目的関数値を算出したか否かを判定する（ステップＳ１０）。すなわち、配置探索装置は、所定の個数の変数ベクトルに対して目的関数値を算出したか否かを判定する。所定の回数は、例えば、マイクロホンアレイ１の設計者により設定された回数である。配置探索装置は、所定の回数にわたって目的関数値を算出した場合（ステップＳ１０においてＹＥＳ）、基準関数値に関連付けて記憶されている変数ベクトルが示す配置を複数のマイクロホン１１の配置に決定して処理を終了する。配置探索装置は、目的関数値を算出した回数が所定の回数に達していない場合（ステップＳ１０においてＮＯ）、配置決定処理をステップＳ６に戻す。配置探索装置は、このようにステップＳ７～Ｓ１０の選択ステップを実行することにより、制約条件を満たす複数のマイクロホン１１の位置の複数の組み合わせのうち、指向特性の目標値との差が最も小さい指向特性を示す組み合わせを選択する。

［ＪＡＤＥ法を用いた最適配置の探索例］
以下、ＪＡＤＥ法を用いて複数のマイクロホン１１の最適な配置を探索する例を示す。以下の設計の処理は、図４のフローチャートを実行する配置探索装置がプログラムを実行することにより行われる。ＪＡＤＥ法においては、ＤＥ法の大域探索性が強化された、パラメータを問題ごとに自動調整させるアルゴリズムが用いられる。そのため、複数のマイクロホン１１の配置を決定する場合のように、多峰性の目的関数が存在する問題に対しても、配置探索装置は、ＪＡＤＥ法を用いることにより良好な探索を実現することができる。

図５は、本探索例において使用するモデルを示す図である。図５に示すように、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸により位置が規定される空間内において、複数のマイクロホン１１の最適な配置を探索する前提となる音源が、ｘｙ平面においてｘ軸からθの角度にあり、かつｘｙ平面からｚ軸に向けてΦの角度にあるものとする。すなわち、配置探索装置は、マイクロホンアレイ１が原点に対して（θ，Φ）の向きにある音源からの音を受ける場合に指向特性が最適になる複数のマイクロホン１１の配置を探索する。

ここで、同心円の総数をＰ、同心円それぞれの半径をｒ_ｐ、同心円それぞれに配置されるマイクロホン１１の数をＭ_ｐ(ｐ＝１、２、・・・、Ｐ)とする。最大の同心円の半径ｒ_Ｐに対して音源とマイクロホンアレイ１との距離が十分に大きければ、音源が発する音信号はマイクロホンアレイ１の付近で平面波であると見なすことができる。この場合、ある同心円ｐ上のｍ番目のマイクロホン１１の受音信号ｚ_ｐｍ（ｎ）は、各同心円のｘ軸上のマイクロホン１１の受音信号ｚ_{ｐ、ｘａｘｉｓ}（ｎ）を基準とすると、到達時間差τ_ｐｍ（θ，Φ）を用いて次式で表すことができる。

ここで、ｃは音速である。このとき、マイクロホンアレイ１のメインローブの大きさに対応する指向性Ｇ（θ，Φ，ω_ｋ）は次式で表せる。

遅延和ビームフォーマの重み係数ｗ^＊ _ｐｍ，ｋは次式で表せる。

複数のマイクロホン１１の最適な配置に関する設計問題は、目標値としての所望の指向性Ｄ（θ，Φ，ωｋ）に近い指向性Ｇ（θ，Φ，ωｋ）を得ることができるマイクロホン１１の配置を探索する問題に置き換えられる。探索に用いられる誤差Ｅ（θ，Φ，ωｋ）は、次式で表せる。

最適な配置は、次式のように近似帯域上の最大誤差を最小化する変数ベクトルを求めることにより特定できる。

ここで、ＪＡＤＥ法を用いて最大誤差を最小化する変数ベクトルを求めるために、配置探索装置は、まずＮ個の解個体群Ｘ_ｉ（ｉ＝１、２、・・・、Ｎ）を探索空間の定義域範囲内を対象とした一様乱数により初期化し、各個体の目的関数値を計算する。配置探索装置は、最大世代数Ｉまでの間、差分変異個体、子個体、及び進化個体をそれぞれ生成し、目的関数の極小解を探索する。

ＪＡＤＥ法をマイクロホン配置設計問題に適用するために、変数ベクトルｘを以下のように定義する。

ここで、実現が不可能な配置に決定されないように、マイクロホン１１の個数を実現可能な最大個数Ｍ_ｍａｘ以内に抑えるための制約条件を以下のように定める。

マイクロホンシステムＳにおいては、ビームフォーミング処理の前に、音源定位処理が実行される。したがって、複数のマイクロホン１１の配置を決定する際には、音源定位用のマイクロホン１１の配置も考慮する必要がある。図２に示した同心円の中心位置に１個、及び最内同心円Ｃ１に３個又は６個の音源定位用のマイクロホン１１を配置するために、以下の制約を加える。

最外同心円の最大半径をＲ_ｍａｘとすると、各同心円の半径ｒ_ｐに対する制約は、以下のとおりである。

この場合、求める変数ベクトルｘ’は、以下のように表される。

以上より、複数のマイクロホン１１を配置する設計問題は次式のような混合整数計画問題として定式化される。

ここで、θ_ｓ、Φ_ｓ（ｓ＝１、・・・、Ｓ）は離散化された方向、δは（数６）の式における近似帯域上の最大誤差を表す。ＪＡＤＥ法による最適配置の探索において、このδを用いる以下の拡大目的関数ｆ（ｘ’）を使用する。

ここで、λ_ｕ（ｘ’）（ｕ＝１、・・・、４）は、ペナルティ関数を表す。λ_１（ｘ’）はマイクロホン１１の最大個数の制限に関するペナルティ関数である。

λ_２（ｘ’）は、音源定位用のマイクロホン１１の数に関するペナルティ関数である。

λ_３（ｘ’）は、各同心円に配置されるマイクロホン１１の数が２個以下になることを避けるためのペナルティ関数である。

λ_４（ｘ’）は、半径が昇順並びになるようにするためのペナルティ関数である。α＞０は、隣接する同心円の半径の差が０になることを回避するための定数である。

［第１探索例］
本探索例では、簡略化のためΦ_Ｌ＝０［ｒａｄ］とした。所望の指向性Ｄ（θ、ω_ｋ）を次式のように設定した。

ここで、θ_Ｓ１及びθ_Ｓ２は、メインローブの境界線の方向である。本探索例においては、θ_Ｓ１＝－π／３［ｒａｄ］、θ_Ｓ２＝π／３［ｒａｄ］、音源方向θ_Ｌ＝０［ｒａｄ］、音速ｃ＝３４３［ｍ／ｓ］とした。ＪＡＤＥ法で用いられるμ_Ｆ及びμ_ＣＲの初期値は０．５、Ｐ_ｂｅｓｔは０．０５とした。

以上の条件で、配置探索装置としてのコンピュータを用いてＪＡＤＥ法で複数のマイクロホン１１の配置を決定した結果、図２に示すマイクロホンアレイ１が設計された。マイクロホンアレイ１において、各同心円の半径及び各同心円上のマイクロホン１１の数を表１に示す。

図６は、第１探索例のマイクロホンアレイ１（すなわち図２に示したマイクロホンアレイ１）の指向特性を示す図である。図６は、５００Ｈｚ、７００Ｈｚ、１０００Ｈｚ、２０００Ｈｚ、及び４０００Ｈｚのそれぞれの周波数の音に対する指向特性を示している。なお、図６においては、メインローブの最大値が０ｄＢとして示されている。

比較例としてＪＡＤＥ法を用いないでマイクロホン１１を配置したマイクロホンアレイの各同心円の半径及び各同心円上のマイクロホン１１の数を表２に示す。図７は、比較例のマイクロホンアレイの指向特性を示す図である。

図６と図７とを比較すると、図６に示す指向特性は、図７に示す指向特性よりも指向性が強いことを確認できる。具体的には、図６に示す指向特性においては、メインローブに対するサイドローブの減衰量の最小値が１４．８ｄＢであるのに対して、図７に示す指向特性においては、メインローブに対するサイドローブ減衰量の最小値が５ｄＢである。この結果から、ＪＡＤＥ法を用いて複数のマイクロホン１１の配置を決定することが有効であることが確認できた。

［第２探索例］
マイクロホン１１の個数を４８個、同心円の最大半径を０．２１５［ｍ］の条件でＪＡＤＥ法を用いて決定した各同心円の半径及び各同心円上のマイクロホン１１の数を表３に示す。

図８は、第２探索例のマイクロホンアレイ１の指向特性を示す図である。図８に示す指向特性においては、メインローブに対するサイドローブ減衰量の最小値が１６．１ｄＢである。図８に示す指向特性も、図７に示した指向特性よりも指向性が強いことを確認できる。

［第３探索例］
マイクロホン１１の個数を６４個、同心円の最大半径を０．２１５［ｍ］の条件でＪＡＤＥ法を用いて決定した各同心円の半径及び各同心円上のマイクロホン１１の数を表４に示す。

図９は、第３探索例のマイクロホンアレイ１の指向特性を示す図である。図９に示す指向特性においては、メインローブに対するサイドローブ減衰量の最小値が１７．４ｄＢである。図９に示す指向特性も、図７に示した指向特性よりも指向性が強いことを確認できる。

ＪＡＤＥ法を用いて設計した上記のマイクロホンアレイ１は、以下の共通の特徴を有する。
（１）複数の同心円のうち、隣接する２つの同心円の半径の差の変化量が、複数の同心円の中心位置からの距離に応じて単調増加していないこと
（２）指向特性におけるメインローブに対するサイドローブの減衰量が１０ｄＢ以上であること
マイクロホンアレイ１がこれらの特徴を有することで、マイクロホンアレイ１は、音を収集するべき対象の音源が発する音を優先的に収集し、不要な音を収集しづらい。

［変形例］
以上の説明においては、最内同心円Ｃ１上に３個の音源定位用のマイクロホン１１が等間隔で配置されている場合を例示したが、最内同心円Ｃ１上に６個の音源定位用のマイクロホン１１が等間隔に配置されていてもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。

１ マイクロホンアレイ
２ 音声処理部
１１ マイクロホン
２１ ＡＤ変換器
２２ ＡＤ変換器
２３ 向き特定部
２４ 音出力部

Claims (5)

1. 複数の同心円のうち１つの同心円上に配置された音源がある向きを特定するために用いられる複数の音源定位用マイクロホンを含む複数のマイクロホンを有するマイクロホンアレイにおける前記複数のマイクロホンの位置を決定する方法であって、
   前記複数のマイクロホンの位置を決定するための制約条件を入力するための画面を表示するステップと、
   前記画面で入力された、（ｉ）前記複数のマイクロホンの最大個数と、（ｉｉ）前記複数のマイクロホンの数が３個以上であり、少なくとも３個の前記複数のマイクロホンが前記複数の同心円の一つにおける三角形の頂点に配置されているという条件とを含む前記制約条件を取得する制約条件取得ステップと、
   前記制約条件を満たす前記複数の同心円それぞれに含まれるマイクロホンの数と前記複数の同心円それぞれの半径との複数の組み合わせのうち、前記マイクロホンアレイの指向特性の目標値との差が最も小さい指向特性を示す組み合わせを選択する選択ステップと、
   を有するマイクロホン位置決定方法。
2. 前記選択ステップにおいて、差分進化アルゴリズムで用いられる変異ベクトルとして前記複数の同心円それぞれに含まれるマイクロホンの数と、前記複数の同心円それぞれの半径とを含む変数ベクトルを用いることにより、前記目標値との差が最も小さい指向特性を示す前記複数の同心円それぞれに含まれるマイクロホンの数と前記複数の同心円それぞれの半径との前記組み合わせを選択する、
   請求項１に記載のマイクロホン位置決定方法。
3. 前記制約条件取得ステップにおいて、音源の位置を特定するために用いられる複数の音源定位用マイクロホンの個数を前記制約条件の１つとして取得する、
   請求項１又は２に記載のマイクロホン位置決定方法。
4. 前記制約条件取得ステップにおいて、前記複数の同心円のうち最も外側の同心円の半径を前記制約条件の１つとして取得する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載のマイクロホン位置決定方法。
5. 前記制約条件取得ステップにおいて、前記複数の同心円それぞれに含まれるマイクロホンの数が３以上であることを前記制約条件の１つとして取得する、
   請求項１から４のいずれか一項に記載のマイクロホン位置決定方法。

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