WO2015049921A1

WO2015049921A1 - 信号処理装置、メディア装置、信号処理方法および信号処理プログラム

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Publication number: WO2015049921A1
Application number: PCT/JP2014/070807
Authority: WO
Inventors: 昭彦杉山; 良次宮原
Original assignee: 日本電気株式会社
Priority date: 2013-10-04
Filing date: 2014-08-07
Publication date: 2015-04-09
Also published as: US20160254008A1; JP6593643B2; CN105594226A; JPWO2015049921A1; US9905247B2; CN105594226B

Abstract

　アレイサイズの増大やセンサ数の増加なく、目標信号を強調し、それ以外の成分を抑圧するため、目標信号を強調する信号処理装置を提案する。この信号処理装置は、複数のセンサから受けた信号に対して部分的に所定の信号を強調して第１のアレイ処理信号を生成する第１のアレイ処理部と、複数のセンサとは別の補助センサから受けた信号と相関のある信号成分を前記第１のアレイ処理信号から消去して相関除去信号を生成する相関除去部と、を備える。

Description

信号処理装置、メディア装置、信号処理方法および信号処理プログラム

　本発明は、複数のセンサが形成する指向性を用いて信号を強調または抑圧する技術に関する。

　上記技術分野において、非特許文献１および２には、複数のセンサ信号を処理して強調された目標信号を生成し、その目標信号を抑圧することで妨害信号が相対的に強調された擬似妨害信号を生成し、擬似妨害信号と相関のある成分を強調された目標信号から差し引くことで、目標信号を強調し、妨害信号を抑圧する記載がある。この技術は、複数のセンサにおける空間位置の違いに基づく信号の位相差を利用して指向性を形成し、形成した指向性に基づいて、特定の信号を強調または抑圧するものである。また、非特許文献３および４には、センサ間隔の異なる複数のアレイを用いることにより、低域から高域まで複数の周波数帯域で、非特許文献１および２の技術を組み合わせた構成の記載がある。

1982年1月、アイ・イー・イー・イー・トランザクションズ・オン・シグナル・プロセシング、第30巻、第1号、 (IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATIONS, VOL.30, NO.1, PP.27-34, Jan. 1982) 27～34 ページ 2001年、「マイクロホン・アレイズ」、第５章、シュプリンガー、ベルリンハイデルベルグニューヨーク (CH.5, MICROPHONE ARRAYS, SPRINGER, BERLIN HEIDELBERG NEW YORK, 2001.) 1985年5月、ジャーナル・オブ・アクースティカル・ソサイエティ・オブ・アメリカ、第78巻、第5号、(JOURNAL OF ACOUSTICAL SOCIETY OF AMERICA, VOL.5, No. 5, PP.1508-1518, May 1985) 1508～1518 ページ 1995年5月、アイ・イー・イー・イー・プロシーディングス・オブ・インターナショナル・カンファレンス・オン・アクースティクス・スピーチ・アンド・シグナルプロセシング、第V巻、(IEEE PROCEEDINGS OF INTERNATIONAL CONFERENCE ON ACOUSTICS, SPEECH, AND SIGNNAL PROCESSING, VOL.V, PP.2995-2998, May 1995) 2995～2998 ページ 2008年、「ハンドブック・オブ・スピーチ・プロセシング」、第４６．５章、シュプリンガー、ベルリンハイデルベルグニューヨーク(CH.46.5, HANDBOOK OF SPEECH PROCESSING, SPRINGER, BERLIN HEIDELBERG NEW YORK, 2008.) 1984年、「アダプティブ・フィルタリング、プリディクション・アンド・コントロール」、第８章、プレンティスーホール、イングルウッド・クリフス　(SEC. 8, ADAPTIVE FILTERINGG, PREDICTION AND CONTROL, PRENTICE-HALL, ENGLEWOOD CLIFFS, 1984.) 1992年1月、アイ・イー・イー・イー・シグナル・プロセシング・マガジン、第9巻、第1号、 (IEEE TRANSACTIONS ON ACOUSTICS, SPEECH, AND SIGNAL PROCESSING, VOL.9, NO.1, PP.14-37, Jan. 1992) 14～37 ページ 1983年6月、アイ・イー・イー・イー・トランザクションズ・オン・アクースティクス・スピーチ・アンド・シグナル・プロセシング、第31巻、第6号、 (IEEE SIGNAL PROCESSING MAGAZINE, VOL.31, NO.3, PP. 609-615, Jun. 1983) 609～615 ページ

　しかし、上述の非特許文献１および２に記載の技術では、低周波数の信号成分に対して十分な指向性を形成できない。これは、中高周波と比較して波長が長い低周波数で中高周波と共通のセンサを用いると、相対的に狭くなったセンサ間隔が、複数センサ間で十分に大きな信号間位相差を生成できないためである。また、非特許文献３および４に記載の技術は、増加したセンサ数によるコスト増や、低域に対応した広いセンサ間隔によるアレイサイズ増大が問題となる。

　このため、これらの文献に記載の技術では、センサアレイのサイズを大きくしたり、センサ数を増加させたりすることなしに、センサアレイの指向性を用いて、広帯域信号を強調または抑圧することはできなかった。

　本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。

　上記目的を達成するため、本発明に係る信号処理装置は、
　複数のセンサから受けた信号に対して部分的に所定の信号を強調して第１のアレイ処理信号を生成する第１のアレイ処理部と、
　前記複数のセンサとは別の補助センサから受けた信号と相関のある信号成分を前記第１のアレイ処理信号から消去して相関除去信号を生成する相関除去部と、を備えた。

　上記目的を達成するため、本発明に係る信号処理方法は、
　複数のセンサから受けた信号に対して部分的に所定の信号を強調してアレイ処理信号を生成するステップと、
　前記複数のセンサとは別の補助センサから受けた信号と相関のある信号成分を前記アレイ処理信号から消去して相関除去信号を生成するステップと、
　を含む。

　上記目的を達成するため、本発明に係る信号処理プログラムは、
　複数のセンサから受けた信号に対して部分的に所定の信号を強調してアレイ処理信号を生成するステップと、
　前記複数のセンサとは別の補助センサから受けた信号と相関のある信号成分を前記アレイ処理信号から消去して相関除去信号を生成するステップと、をコンピュータに実行させる。

　上記目的を達成するため、本発明に係るメディア装置は、
　前面に配置された複数のセンサと、
　前記複数のセンサと音響的特性の異なる位置に配置された補助センサと、
　前記複数のセンサから受けた信号に対して部分的に所定の信号を強調してアレイ処理信号を生成するアレイ処理部と、
　前記補助センサから受けた信号と相関のある信号成分を前記アレイ処理信号から消去して相関除去信号を生成する相関除去部と、を備えた。

　本発明によれば、センサアレイのサイズを大きくすることなく、センサアレイの指向性を用いて、広帯域信号を強調または抑圧することができる。

本発明の第１実施形態に係る信号処理装置の構成を示すブロック図である。本発明の第２実施形態に係る信号処理装置の構成を示すブロック図である。本発明の第２実施形態に係るアレイ処理部２０３の構成を示すブロック図である。本発明の第２実施形態に係る相関除去部の構成を示すブロック図である。本発明の第３実施形態に係る相関除去部の構成を示すブロック図である。本発明の第４実施形態に係る信号処理装置の構成を示すブロック図である。本発明の第４実施形態に係る混合部の構成を示すブロック図である。本発明の第５実施形態に係る信号処理装置の構成を示すブロック図である。本発明の第５実施形態に係る信号処理装置のハードウェア構成を示すブロック図である。本発明の第５実施形態に係る信号処理装置の処理の流れを説明するフローチャートである。本発明の第５実施形態に係るアレイ処理部７０６の構成を示すブロック図である。本発明の第５実施形態に係るアレイ処理部７０８の構成を示すブロック図である。本発明の第６実施形態に係る信号処理装置の構成を示すブロック図である。本発明の第７実施形態に係る信号処理装置の構成を示すブロック図である。本発明の第８実施形態に係る信号処理装置の構成を示すブロック図である。本発明の第１乃至８実施形態の第１の応用例を示すブロック図である。本発明の第１乃至８実施形態の第２の応用例を示すブロック図である。

　以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態について例示的に詳しく説明する。ただし、以下の実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。なお、以下の説明中における「音声信号」とは、音声その他の音響に従って生ずる直接的の電気的変化であって、音声その他の音響を伝送するためのものをいい、音声に限定されない。

　［第１実施形態］
　本発明の第１実施形態としての信号処理装置１００について、図１を用いて説明する。信号処理装置１００は、複数のセンサ１０１からの信号を用いて広帯域信号を強調または抑圧する装置である。

　図１に示すように、信号処理装置１００は、アレイ処理部１０３と相関除去部１０４とを含む。

　アレイ処理部１０３は、数のセンサ１０１から受けた信号１０５に対して部分的に所定の信号を強調してアレイ処理信号１１０を生成する。

　相関除去部１０４は、複数のセンサ１０１とは別の補助センサ１０２から受けた信号１２１と相関のある信号成分をアレイ処理信号１１０から消去して相関除去信号１１２を生成する。

　このような構成により、信号処理装置１００は、センサアレイからの信号を用いて広帯域信号を効果的に強調または抑圧することができる。

　［第２実施形態］
　《全体構成》
　本発明の第２実施形態としての信号処理装置２００について図２乃至図４を用いて説明する。本実施形態の信号処理装置２００は、各種メディア装置、例えばデジタルカメラ、ビデオレコーダ、パソコン、携帯電話、テレビ、ボイスレコーダ、ゲーム機、自動販売機などの信号強調に適用できる。すなわち、音声、音楽、環境音などの目的とする信号を、これらに重畳された信号（ノイズまたは妨害信号）に対して強調することができる。ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、入力信号に含まれる特定の信号の強調を要求されるあらゆる信号処理装置に適用可能である。

　なお、本実施形態では、信号処理の一例として、背景雑音や妨害信号に重畳された音声を強調する信号強調装置について説明する。本実施形態としての信号処理装置２００は、例えば、テレビから離れた位置から、音声コマンドを用いてテレビを制御するための音声認識装置のような形態において、かかる音声コマンドを妨害する背景雑音やその他の信号をそれらの方向に基づいて適切に抑圧する。簡単に説明すると、高周波成分に対しては、複数のセンサ信号を処理して指向性を形成し、音声を強調する。また、低周波成分に対しては、音声の入力が少ない位置に配置された補助センサの信号を参照信号として、補助センサの信号と相関のある成分を消去することで、音声以外の信号を抑圧し、音声を強調する。

　本実施形態における信号処理装置２００の全体構成を図２Ａに示す。概略構成は、図１に示したものと同様であり、アレイ処理部２０３と相関除去部２０４とを含む。

　アレイ処理部２０３は、センサアレイ２０１の各センサから受けた入力信号２０５をアレイ処理して指向性を形成し、目標信号が強調された第１のアレイ処理信号２１０として出力する。

　相関除去部２０４は、補助センサ２０２から受けた入力信号２１１を参照信号として、入力信号２１１と相関のある成分をアレイ処理信号２１０から消去し、相関除去信号２１２として出力する。センサ２０２を、目標信号が入力されにくい音響空間の位置に配置したり、目標信号が入力されにくいような音響遮蔽物を近傍に設置したりすることによって、入力信号２１１が目標信号と相関のある成分をできる限り含まないようにする。相関除去信号２１２は、出力信号として出力端子２０９に供給される。

　アレイ処理部２０３は主として目標信号以外の高周波成分を指向性に基づいて抑圧し、相関除去部２０４は主として目標信号以外の低周波成分を相関除去に基づいて抑圧する。

　《アレイ処理部２０３の構成》
　図２Ｂは、アレイ処理部２０３の構成を示すブロック図である。アレイ処理部２０３は、Ｍ個のフィルタ２３１、および加算器２３３を含む。ここに、Мはセンサ数を表す自然数である。フィルタ２３１には、センサアレイ２０１からの入力信号２０５、がそれぞれ供給されている。フィルタ２３１は、これらの入力信号２０５をフィルタリングして、得られた出力信号２３２を加算器２３３に供給する。加算器２３３は、フィルタ２３１から供給された信号を全て加算して、加算結果を、目標信号が強調され、それ以外の成分が抑圧されたアレイ処理信号２１０として出力する。

　図２Ｂに示す構成は、フィルタ和ビームフォーマ（Ｆｉｌｔｅｒ－ａｎｄ－Ｓｕｍ　Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ）として知られている。また、フィルタ２３１が全て有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタであり、各フィルタのタップ係数のうち一つだけが１で、それ以外の係数が全てゼロであるとき、図２Ｂは遅延和ビームフォーマ（Ｄｅｌａｙ－ａｎｄ－Ｓｕｍ　Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ）として知られている構成になる。より正確には、非ゼロのタップ係数は、特定の方向から到来する平面波の波面方向を回転（ステア：Ｓｔｅｅｒ）させるように設定される。フィルタ和ビームフォーマと遅延和ビームフォーマに関しては、非特許文献５に開示されている。アレイ処理部２０３は、一般化サイドローブキャンセラ（グリフィツージムビームフォーマ）を構成するための固定ビームフォーマとして知られている。アレイ処理部２０３の構成例と動作は、非特許文献１および２に詳細に開示されている。

　《相関除去部２０４の構成》
　図３は、相関除去部２０４の第１の構成例を示すブロック図である。相関除去部２０４は、適応フィルタ３０１と減算器３０２を含む。適応フィルタ３０１は、目標信号以外の成分が支配的な入力信号２１１を受けて、フィルタ処理結果を出力３１１として減算器３０２に供給する。減算器３０２の別の入力には、目標信号が強調され、それ以外の成分が抑圧されたアレイ処理信号２１０が供給されている。減算器３０２は、アレイ処理信号２１０から適応フィルタ３０１の出力３１１を差し引いて、差分を相関除去信号２１２として出力する。相関除去信号２１２は、誤差として適応フィルタ３０１に帰還される。適応フィルタ３０１は、相関除去信号２１２と入力信号２１１との相関を求め、相関の大きさに応じてフィルタ係数を逐次更新する。フィルタ係数更新アルゴリズムとしては、LMSアルゴリズム、NLMSアルゴリズムなど様々なアルゴリズムを利用することができる。係数更新アルゴリズムの詳細に関しては、非特許文献６などに詳細が開示されている。

　図３の構成では、入力信号２１１をフィルタバンクで複数の周波数帯域に分割し、各周波数帯域で独立な適応フィルタでフィルタ処理を行い、入力信号２１１をフィルタバンクで複数の周波数帯域に分割し、各周波数帯域で独立な減算器によって帯域分割された入力信号２１０からフィルタ処理結果を減算し、減算結果をフィルタバンクで一つの帯域に合成して相関除去信号２１２とすることもできる。このとき、各減算器の出力は各適応フィルタに帰還される。適応フィルタ３０１は、帰還された減算器出力と、帯域分割された入力信号２１０との相関を計算し、相関の大きさに応じて、適応フィルタ係数を逐次更新する。このような構成はサブバンドフィルタ処理として知られている。サブバンドフィルタ処理の詳細に関しては、非特許文献７に詳細が開示されている。

　アレイ処理部２０３は指向性を用いて、相関除去部２０４は参照信号２１１に基づく相関除去によって、いずれも目標信号以外の成分を抑圧する。特に、高周波数成分に対してはアレイ処理部２０３が、低周波成分に対しては相関除去部２０４が有効に動作する。相関除去部２０４が低周波成分を消去するので、センサアレイ２０１が小型であっても、低周波から高周波まで広い周波数帯域の信号を抑圧することができる。以上の構成により、アレイサイズの増大やセンサ数の増加なく、広帯域信号を抑圧し、目標信号を十分に強調することができる。

　［第３実施形態］
　本発明の第３実施形態としての信号処理装置について、図４を用いて説明する。上記第２実施形態と比べると、本実施形態にかかる相関除去部２０４に変換部４４１が追加されている点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略し、ここでは相関除去部２０４の構成の違いについてのみ説明する。

　図４は、相関除去部２０４の構成を示すブロック図である。相関除去部２０４は、変換部４４１、適応フィルタ３０１、および減算器３０２を含む。変換部４４１は、目標信号以外の成分が支配的な入力信号２１１を受けて複数の周波数成分に分解することで、周波数領域信号を生成する。適応フィルタ３０１は、この周波数領域信号を受けて、複数の周波数成分に対応した信号値を重み付き加算し、得られた加算結果を出力３１１として減算器３０２に供給する。減算器３０２の別の入力には、目標信号が強調されたアレイ処理信号２１０が供給されている。減算器３０２は、アレイ処理信号２１０から適応フィルタ３０１の出力３１１を差し引いて、差分を第１の相関除去信号２１２として出力する。

　相関除去信号２１２は、誤差として適応フィルタ３０１に帰還される。適応フィルタ３０１は、相関除去信号２１２と変換部４４１の出力信号４４２との相関を求め、相関の大きさに応じてフィルタ係数を逐次更新する。

　以上説明した相関除去部２０４の動作により、相関除去信号２１２に含まれる目標信号以外の成分と相関のある成分は最小化される。その結果、相関除去信号２１２は目標信号が強調され、それ以外が抑圧された信号となる。図４に示す変換部４４１の構成に関しては、非特許文献８にその詳細が開示されている。

　［第４実施形態］
　本発明の第４実施形態としての信号処理装置５００について、図５を用いて説明する。上記第１実施形態と比べると、信号処理装置５００には混合部５０１が追加されており、相関除去信号２１２とアレイ処理信号２１０の混合信号が出力端子２０９に出力５１１として供給される点で異なる。その他の構成および動作は、第１実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略し、ここでは混合部５０１の動作だけを説明する。

　相関除去部２０４の出力である相関除去信号２１２と、アレイ処理部２０３の出力であるアレイ処理信号２１０は、共に混合部５０１に供給される。混合部５０１は、相関除去信号２１２とアレイ処理信号２１０を混合して混合信号５１１を生成し、出力端子２０９に供給する。

　図６は、混合部５０１の構成を示すブロック図である。混合部５０１は、低域通過フィルタ６０１と高域通過フィルタ６０２と加算器６０３とを含む。低域通過フィルタ６０１は、相関除去信号２１２を受けてその低周波数成分だけを通過させ、加算器６０３に供給する。高域通過フィルタ６０２は、アレイ処理信号２１０を受けてその高周波数成分だけを通過させ、加算器６０３に供給する。加算器６０３は、相関除去信号２１２の低周波成分とアレイ処理信号２１０の高周波成分をあらかじめ定められた割合で混合して、混合信号５１１として出力する。

　加算器６０３は、単純な加算を行うこともできるし、重み付き加算を行ってもよい。低域通過フィルタ６０１の出力と高域通過フィルタ６０２の出力に対する重みは、あらかじめ決めておくこともできるし、信号の周波数スペクトルを分析した結果を用いて、適応的に逐次決定することもできる。例えば、目標信号以外が低域に偏ったスペクトルを有する場合には、低域通過フィルタ６０１の出力に対してより大きな重みを適用する。このような重み設定により、相関除去部２０４の効果がアレイ処理部２０３よりも相対的に大きくなり、加算信号においてより大きな抑圧効果が期待できる。

　同様に、低域通過フィルタ６０１の出力と高域通過フィルタ６０２の通過帯域の設定においても、信号の周波数スペクトルを分析した結果によって、適応的に逐次決定することもできる。例えば、目標信号以外が低域に偏ったスペクトルを有する場合には、低域通過フィルタ６０１の通過帯域を広く、高域通過フィルタ６０２の通過帯域を狭く設定する。このような通過帯域設定により、相関除去部２０４の効果がアレイ処理部２０３よりも相対的に大きくなり、加算信号においてより大きな抑圧効果が期待できる。

　さらに、低域通過フィルタ６０１の出力と高域通過フィルタ６０２の通過帯域を、センサ間隔に応じて設定することもできる。例えば、センサ間隔が狭い場合には低域通過フィルタ６０１の通過帯域を広く、高域通過フィルタ６０２の通過帯域を狭く設定する。このような通過帯域設定により、相関除去部２０４の効果がアレイ処理部２０３よりも相対的に大きくなり、加算信号においてより大きな抑圧効果が期待できる。

　目標信号以外の成分の低周波成分は相関除去信号２１２の方が、高周波成分に関してはアレイ処理信号の方が、大きく抑圧される。相関除去信号２１２の低周波成分とアレイ処理信号２１０の高周波成分を混合して得られる混合信号５１１は両者の長所を兼ね備えるので、いずれか単独の信号よりも目標信号以外の成分の抑圧効果が高い。

　以上説明したとおり、本実施形態では、相関除去信号２１２に代えて、相関除去信号２１２とアレイ処理信号２１０の混合信号５１１を出力端子２０９に出力として供給する。これにより、第２実施形態よりも目標信号以外の成分をさらに抑圧した高品質な信号を得ることができる。すなわち、アレイサイズの増大やセンサ数の増加なく、広帯域信号を抑圧し、目標信号を十分に強調することができる。

　［第５実施形態］
　本発明の第５実施形態としての信号処理装置７００について、図７Ａを用いて説明する。上記第４実施形態と比べると、信号処理装置７００にはアレイ処理部７０６とアレイ処理部７０８が追加されている点で異なる。その他の構成および動作は、第１実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略し、ここではアレイ処理部７０６とアレイ処理部７０８の動作だけを説明する。

　アレイ処理部７０６は、相関除去信号２１２を参照信号として、センサアレイ２０１の各センサから受けた入力信号２０５の各々から相関除去信号２１２と相関のある信号成分を消去し、目標信号が抑圧されたアレイ処理信号７０７として出力する。アレイ処理部７０６は、目標信号が強調された相関除去信号２１２と相関のある信号成分を消去するので、アレイ処理信号７０７は、目標信号が抑圧され、それ以外が強調された信号となる。

　アレイ処理部７０８は、アレイ処理信号７０７を参照信号として、アレイ処理信号２１０に含まれるアレイ処理信号７０７と相関のある信号成分を消去して、目標信号以外の成分が抑圧されたアレイ処理信号７１３として出力する。すなわち、アレイ処理部７０８の出力信号７１３は、目標信号が強調され、それ以外の信号が抑圧された信号となっている。

　《アレイ処理部７０６の構成》
　図８は、アレイ処理部７０６の構成を示すブロック図である。アレイ処理部７０６は、Ｍ個の適応フィルタ８０１と、Ｍ個の減算器８０４とを含む。適応フィルタ８０１には、相関除去部２０４から、相関除去信号２１２が供給されている。適応フィルタ８０１は、これらの信号をフィルタ処理して、フィルタ処理結果を減算器８０４に供給する。減算器８０４には、また、センサアレイ２０１の各センサから受けた入力信号２０５が供給されている。減算器８０４は、入力信号２０５から適応フィルタ８０１の出力を減算して、その結果である差分をアレイ処理信号７０７として出力する。アレイ処理信号７０７は、誤差として適応フィルタ８０１に帰還される。適応フィルタ８０１は、アレイ処理信号７０７と相関除去信号２１２との相関を求め、相関の大きさに応じてフィルタ係数を逐次更新する。

　以上説明した動作により、入力信号２０５に含まれる目標信号と相関のある成分は最小化される。その結果、アレイ処理信号７０７は目標信号が抑圧され、それ以外の信号が強調された信号となる。

　アレイ処理部７０６は、一般化サイドローブキャンセラ（グリフィツージムビームフォーマ）を構成するためのブロッキング行列として知られている。アレイ処理部７０６の構成例と動作は、非特許文献１および２に詳細に開示されている。

　《アレイ処理部７０８の構成》
　図９は、アレイ処理部７０８の構成を示すブロック図である。アレイ処理部７０８は、Ｍ個の適応フィルタ９０１、遅延素子９０２、および減算器９０３を含む。適応フィルタ９０１には、アレイ処理信号７０７が供給されている。適応フィルタ９０１は、これらの信号をフィルタ処理して、フィルタ処理結果９１１を減算器９０３に供給する。遅延素子９０２は、アレイ処理信号２１０を遅延させて、遅延されたアレイ処理信号を減算器９０３に供給する。減算器９０３は、遅延されたアレイ処理信号から適応フィルタ９０１の出力信号９１１を全て減算し、得られた結果をアレイ処理信号７１３として出力する。

　アレイ処理信号７１３は、誤差として全ての適応フィルタ９０１に帰還される。適応フィルタ９０１は、それぞれ、アレイ処理信号７１３とアレイ処理信号７０７との相関を求め、相関の大きさに応じてフィルタ係数を逐次更新する。

　アレイ処理部７０８は、一般化サイドローブキャンセラ（グリフィツージムビームフォーマ）を構成するための多入力キャンセラとして知られている。アレイ処理部７０８の構成例と動作は、非特許文献１および２に詳細に開示されている。

　以上の説明した通り、本実施形態によれば、相関除去信号２１２を参照信号として相関除去信号２１２と相関のある信号成分を消去して、目標信号が抑圧され、それ以外が強調されたアレイ処理信号７０７を生成する。さらに、アレイ処理信号７０７を参照信号として、アレイ処理信号２１０に含まれるアレイ処理信号７０７と相関のある信号成分を消去して、目標信号が強調され、それ以外の信号が抑圧されたアレイ処理信号７１３として出力する。このため、第１実施形態よりも目標信号以外の成分をさらに抑圧した高品質な信号を得ることができる。すなわち、アレイサイズの増大やセンサ数の増加なく、広帯域信号を抑圧し、目標信号を十分に強調することができる。

　《一般化サイドローブキャンセラとの関係》
　非特許文献１および２に開示されているように、アレイ処理部２０３、アレイ処理部７０６、アレイ処理部７０８はそれぞれ、固定ビームフォーマ、ブロッキング行列、多入力キャンセラとして知られており、一般化サイドローブキャンセラ（グリフィツージムビームフォーマ）を構成する。アレイ処理部２０３、アレイ処理部７０６、アレイ処理部７０８の構成例と動作は、非特許文献１および２に詳細に開示されている。

　アレイ処理部２０３は、センサアレイ２０１の各センサで得られる信号を用いて、目標信号を強調する。しかし、アレイ処理部２０３の出力信号では、特に低域において目標信号以外の成分が十分に抑圧されない。これは、前述のとおり、センサアレイ２０１におけるセンサ間隔が低域の波長に対して十分に広くなく、アレイ処理部２０３が形成する指向性が、特に低域で不十分なためである。

　一般化サイドローブキャンセラでは、アレイ処理部７０６が、目標信号が強調された(それ以外が抑圧された)アレイ処理部２０３の出力を参照信号として、目標信号以外の成分が強調された(目標信号が抑圧された)第２のアレイ処理信号を生成する。アレイ処理部２０３の出力において目標信号以外の成分が十分に抑圧されていないために、アレイ処理部２０３の出力信号を参照信号として動作するアレイ処理部７０６の出力において、目標信号以外の成分が十分に強調（目標信号が十分に抑圧）されない。したがって、アレイ処理部７０６の出力と相関のある信号成分をアレイ処理部２０３の出力から消去するアレイ処理部７０８は、アレイ処理部２０３の出力からの目標信号以外の成分を十分に消去できず、出力信号２１３に目標信号以外の成分、特に低周波成分が残留する。

　図７Ａに示す本実施形態では、アレイ処理部７０６が、アレイ処理部２０３のセンサ処理信号２１０の代わりに相関除去部２０４の出力信号２１２を参照信号として、目標信号を抑圧する。相関除去部２０４は、入力信号２１１を参照信号として入力信号２１１と相関のある信号、すなわち目標信号以外の信号成分を消去するものであり、アレイ処理は行っていない。したがって、アレイのセンサ間隔と処理する信号の周波数の関係とは独立に、相関除去信号２１２に含まれる目標信号以外の成分は最小化される。

　このように、アレイ処理信号２１０と比較して目標信号以外の成分が十分に抑圧された相関除去信号２１２を参照信号として用いるので、アレイ処理部７０６は、目標信号が十分に抑圧されたアレイ処理信号７０７を生成することができる。

　このため、アレイ処理部７０６の出力と相関のある信号成分をアレイ処理部２０３の出力から消去するアレイ処理部７０８は、アレイ処理部２０３の出力における目標信号以外の成分を十分に消去することが可能となり、出力信号２１３に目標信号以外の成分、特に低周波成分が残留することがない。

　図７Ｂは、本実施形態にかかる信号処理装置７００をソフトウェアを用いて実現する場合のハードウェア構成について説明する図である。

　信号処理装置７００は、プロセッサ７１０、ＲＯＭ(Read Only Memory)７２０、ＲＡＭ(Random Access Memory)７４０、ストレージ７５０、入出力インタフェース７６０、操作部７６１、入力部７６２、および出力部７６３を備えている。プロセッサ７１０は中央処理部であって、様々なプログラムを実行することにより信号処理装置７００全体を制御する。

　ＲＯＭ７２０は、プロセッサ７１０が最初に実行すべきブートプログラムの他、各種パラメータ等を記憶している。ＲＡＭ７４０は、不図示のプログラムロード領域の他に、入力信号２０５、補助信号２１１、アレイ処理信号２１０、相関除去信号２１２、アレイ処理信号７０７、アレイ処理信号７１３（出力信号）等を記憶する領域を有している。

　また、ストレージ７５０は、信号処理プログラム７５１を格納している。信号処理プログラム７５１は、アレイ処理モジュール７５１ａ、相関除去モジュール７５１ｂ、アレイ処理モジュール７５１ｃ、およびアレイ処理モジュール７５１ｄを含んでいる。信号処理プログラム７５１に含まれる各モジュールをプロセッサ７１０が実行することにより、図７Ａのアレイ処理部２０３、相関除去部２０４、アレイ処理部７０６、およびアレイ処理部７０８の各機能を実現できる。

　プロセッサ７１０が実行した信号処理プログラム７５１に関する出力であるアレイ処理信号７１３は、入出力インタフェース７６０を介して出力部７６３から出力される。これにより、例えば、入力部７６２から入力した入力信号２０５に含まれる雑音や妨害信号などを抑圧し、音声などの目標信号を強調することができる。

　図７Ｃは、信号処理プログラム７５１による、雑音や妨害信号に混合された音声等の目標信号を強調する処理の流れを説明するためのフローチャートである。ステップＳ７７１では、センサ２０１からの複数の入力信号２０５がアレイ処理部２０３に供給される。ステップＳ７７３では、アレイ処理部２０３が、第１のアレイ処理として音声、すなわち目標信号の強調処理を実行し、アレイ処理信号２１０を生成させる。

　次にステップＳ７７５において、センサ２０２から補助信号２１１を入力して相関除去部２０４に供給する処理を実行させる。ステップＳ７７７において、相関除去部２０４は、補助信号２１１を参照信号にして、アレイ処理信号２１０に含まれる、補助信号２１１と相関のある成分を消去し、相関除去信号２１２を生成する。ステップＳ７７９において、アレイ処理部７０６は、第２のアレイ処理として、相関除去信号２１２を参照信号にして、入力信号２０５に含まれる音声、すなわち目標信号成分を消去し、アレイ処理信号７０７を生成する。ステップＳ７８１では、強調された妨害信号であるアレイ処理信号７０７を参照信号として、アレイ処理信号２１０に含まれる妨害信号成分を消去し、音声、すなわち目標信号が強調されたアレイ処理信号７１３を生成させる。

　最終的には、ステップＳ７８３において、アレイ処理信号７１３を、目標信号、すなわち音声が強調され、それ以外が抑圧された信号として出力させる。

　図７Ｃでは、本実施形態にかかる信号処理装置７００をソフトウェアで実現する場合の処理の流れを説明するためのフローチャートを示した。しかし、第２乃至第４実施形態、第６乃至第８実施形態に関しても各々のブロック図における違いを適宜省略および追加することで、同様に実現できる。

　以上の構成により、本実施形態によれば、一般化サイドローブキャンセラよりも、高品質な出力信号を得ることができる。このため、アレイサイズの増大やセンサ数の増加なく、広帯域信号を抑圧し、目標信号を十分に強調することができる。

　［第６実施形態］
　次に本発明の第６実施形態に係る信号処理装置について、図１０を用いて説明する。図１０は、本実施形態に係る信号処理装置１０００の構成を示すブロック図である。

　本実施形態に係る信号処理装置１０００は、上記第５実施形態と比べると、アレイ処理部２０３の出力であるアレイ処理信号２１０に代えて、相関除去部２０４の出力である相関除去信号２１２を、アレイ処理部７０８に供給する点で異なる。その他の構成および動作は、第３実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

　以上説明したとおり本実施形態によれば、アレイ処理部７０８に供給される信号がアレイ処理信号２１０よりも妨害信号抑圧効果の高い、すなわち、目標信号強調効果の高い、相関除去信号２１２になっているために、アレイ処理部７０８の出力にはさらに目標信号が強調された信号を得ることができる。このため、第５実施形態と比較して高品質な出力信号を得ることができる。すなわち、アレイサイズの増大やセンサ数の増加なく、広帯域信号を抑圧し、目標信号を十分に強調することができる。

　［第７実施形態］
　次に本発明の第７実施形態に係る信号処理装置について、図１１を用いて説明する。図１１は、本実施形態に係る信号処理装置１１００の構成を示すブロック図である。

　本実施形態に係る信号処理装置１１００は、上記第４実施形態と比べると、アレイ処理部７０６とアレイ処理部７０８が追加されている点で異なり、その他の構成および動作は第２実施形態と同様である。

　また、上記第５実施形態と比べると、混合部５０１が追加されている点で異なり、その他の構成および動作は第２実施形態と同様である。

　そこで、アレイ処理部７０６とアレイ処理部７０８と混合部５０１以外は、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

　さらに、アレイ処理部７０６とアレイ処理部７０８に関しては第５実施形態で、混合部５０１に関しては第４実施形態で既にその構成と動作を説明したので、それらの詳しい説明を省略する。

　以上説明したとおり本実施形態によれば、アレイ処理部７０６とアレイ処理部７０８の追加により第４実施形態よりも高品質な出力を得ることができ、混合部５０１の追加により第５実施形態よりも高品質な出力を得ることができる。すなわち、第４実施形態と第５実施形態のいずれよりも、高品質な出力を得ることができるから、アレイサイズの増大やセンサ数の増加なく、広帯域信号を抑圧し、目標信号を十分に強調することができる。

　［第８実施形態］
　次に本発明の第８実施形態に係る信号処理装置について、図１２を用いて説明する。図１２は、本実施形態に係る信号処理装置１２００の機能構成を示すブロック図である。

　本実施形態に係る信号処理装置１２００は、上記第７実施形態と比べると、アレイ処理部２０３の出力であるアレイ処理信号２１０に代えて、相関除去部２０４の出力である相関除去信号２１２を、アレイ処理部７０８に供給する点で異なる。その他の構成および動作は、第５実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

　以上説明したとおり本実施形態によれば、アレイ処理部７０８に供給される信号がアレイ処理信号２１０よりも妨害信号抑圧効果の高い、すなわち、目標信号強調効果の高い、相関除去信号２１２になっているために、アレイ処理部７０８の出力にはさらに目標信号が強調された信号を得ることができる。このため、第７実施形態と比較して高品質な出力信号を得ることができる。すなわち、アレイサイズの増大やセンサ数の増加なく、広帯域信号を抑圧し、目標信号を十分に強調することができる。

　［第９実施形態］
　本発明の適用例として、机上に置いたタブレットＰＣを利用して、ネットワークを介したビデオチャットや遠隔通信を行うものが考えられる。図１３に、そのような適用例を上から見た上面図を示す。

　マイクロホンで実現された４つのセンサを含むセンサアレイ２０１をタブレットＰＣ１３０１の表面上部に配置し、センサ２０２を同裏面下部に配置する。センサ２０２は、裏面上部や側面に配置してもよい。これらのマイクロホンで取得した音響信号を第１から第８実施形態のいずれかで処理することによって、ソファーに着座したユーザー１３０２の声を強調し、その背後にいる人１３０３の声およびユーザー正面奥にある左右スピーカー１３０４から発生される音楽信号を抑圧することができる。このため、ユーザーの音声だけが出力として得られ、この出力を通話や音声認識に利用することで、快適な通話や高い音声認識率が実現できる。

　また、図１４に示すように、ユーザーから離れた位置に置いたテレビ受信機１４０１を利用して、ネットワークを介したビデオチャットや遠隔通信を行うことも考えられる。図１４は、そのような適用例を上から見た上面図を示す。

　マイクロホンで実現された４つセンサを含むセンサアレイ２０１をテレビ受信機１４０１の表面上部に配置し、センサ２０２を同裏面下部に配置する。センサ２０２は、裏面上部や側面に配置してもよい。これらのマイクロホンで取得した音響信号を第１から第８実施形態のいずれかで処理することによって、ソファーに着座したユーザー１４０２の声を強調し、テレビ受信機１４０１の斜め前にいる人１４０４の声およびテレビ受信機側方にある左右スピーカー１４０３から発生される音楽信号を抑圧することができる。このため、ユーザー１４０２の音声だけが出力として得られ、この出力を通話や音声認識に利用することで、快適な通話や高い音声認識率が実現できる。特に、この音声認識機能によってテレビ受信機１４０１を制御することによって、ユーザー１４０２は音声を用いてテレビ受信機１４０１のチャネルやボリュームを変更することができる。

　［他の実施形態］
　以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。

　また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用されてもよいし、単体の装置に適用されてもよい。さらに、本発明は、実施形態の機能を実現する信号処理プログラムが、システムあるいは装置に直接あるいは遠隔から供給される場合にも適用可能である。したがって、本発明の機能をコンピュータで実現するために、コンピュータにインストールされるプログラム、あるいはそのプログラムを格納した媒体、そのプログラムをダウンロードさせるＷＷＷ(World Wide Web)サーバも、本発明の範疇に含まれる。

　［実施形態の他の表現］
　上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）
　複数のセンサから受けた信号に対して部分的に所定の信号を強調して第１のアレイ処理信号を生成する第１のアレイ処理部と、
　前記複数のセンサとは別の補助センサから受けた信号と相関のある信号成分を前記第１のアレイ処理信号から消去して相関除去信号を生成する相関除去部と、を備えたことを特徴とする信号処理装置。
（付記２）
　前記相関除去信号と前記第１のアレイ処理信号とを混合して混合信号を生成する混合部をさらに備えたことを特徴とする付記１に記載の信号処理装置。
（付記３）
　前記混合部は、前記相関除去信号の低域成分を通過させる低域通過フィルタと、
　前記第１のアレイ処理信号の高域通過成分を通過させる高域通過フィルタと、
　前記低域通過フィルタの出力と前記高域通過フィルタの出力を加算する加算器とを含むことを特徴とする付記２に記載の信号処理装置。
（付記４）
　前記複数のセンサから受けた信号と前記相関除去信号に基づいて前記所定の信号を減衰させて第２のアレイ処理信号を生成する第２のアレイ処理部と、
　前記第２のアレイ処理信号と相関のある信号成分を前記第１のアレイ処理信号から消去する第３のアレイ処理部と、
　をさらに備えたことを特徴とする付記１から３のいずれかに記載の信号処理装置。
（付記５）
　前記複数のセンサから受けた信号と前記相関除去信号に基づいて前記所定の信号を減衰させて第２のアレイ処理信号を生成する第２のアレイ処理部と、
　前記第２のアレイ処理信号と相関のある信号成分を前記相関除去信号から消去する第３のアレイ処理部と、をさらに備えたことを特徴とする付記１から３のいずれかに記載の信号処理装置。
（付記６）
　前記相関除去部は、
　前記補助センサから受けた信号を処理する適応フィルタと、
　前記第１のアレイ処理信号から前記適応フィルタの出力を差し引いて相関除去信号を生成する減算器とを含み、
　前記補助センサから受けた信号と前記減算器の出力とを用いて前記適応フィルタの係数を更新する
　ことを特徴とする付記１から５のいずれかに記載の信号処理装置。
（付記７）
　複数のセンサから受けた信号に対して部分的に所定の信号を強調してアレイ処理信号を生成するステップと、
　前記複数のセンサとは別の補助センサから受けた信号と相関のある信号成分を前記アレイ処理信号から消去して相関除去信号を生成するステップと、
　を含むことを特徴とする信号処理方法。
（付記８）
　複数のセンサから受けた信号に対して部分的に所定の信号を強調してアレイ処理信号を生成するステップと、
　前記複数のセンサとは別の補助センサから受けた信号と相関のある信号成分を前記アレイ処理信号から消去して相関除去信号を生成するステップと、をコンピュータに実行させることを特徴とする信号処理プログラム。
（付記９）
　前面に配置された複数のセンサと、
　前記複数のセンサと音響的特性の異なる位置に配置された補助センサと、
　前記複数のセンサから受けた信号に対して部分的に所定の信号を強調してアレイ処理信号を生成するアレイ処理部と、
　前記補助センサから受けた信号と相関のある信号成分を前記アレイ処理信号から消去して相関除去信号を生成する相関除去部と、を備えたことを特徴とするメディア装置。

この出願は、２０１３年１０月４日に出願された日本出願特願２０１３－２０９７３１を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims

　複数のセンサから受けた信号に対して部分的に所定の信号を強調して第１のアレイ処理信号を生成する第１のアレイ処理部と、
　前記複数のセンサとは別の補助センサから受けた信号と相関のある信号成分を前記第１のアレイ処理信号から消去して相関除去信号を生成する相関除去部と、を備えたことを特徴とする信号処理装置。
　前記相関除去信号と前記第１のアレイ処理信号とを混合して混合信号を生成する混合部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
　前記混合部は、前記相関除去信号の低域成分を通過させる低域通過フィルタと、
　前記第１のアレイ処理信号の高域通過成分を通過させる高域通過フィルタと、
　前記低域通過フィルタの出力と前記高域通過フィルタの出力を加算する加算器とを含むことを特徴とする請求項２に記載の信号処理装置。
　前記複数のセンサから受けた信号と前記相関除去信号に基づいて前記所定の信号を減衰させて第２のアレイ処理信号を生成する第２のアレイ処理部と、
　前記第２のアレイ処理信号と相関のある信号成分を前記第１のアレイ処理信号から消去する第３のアレイ処理部と、
　をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の信号処理装置。
　前記複数のセンサから受けた信号と前記相関除去信号に基づいて前記所定の信号を減衰させて第２のアレイ処理信号を生成する第２のアレイ処理部と、
　前記第２のアレイ処理信号と相関のある信号成分を前記相関除去信号から消去する第３のアレイ処理部と、をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の信号処理装置。
　前記相関除去部は、
　前記補助センサから受けた信号を処理する適応フィルタと、
　前記第１のアレイ処理信号から前記適応フィルタの出力を差し引いて相関除去信号を生成する減算器とを含み、
　前記補助センサから受けた信号と前記減算器の出力とを用いて前記適応フィルタの係数を更新する
　ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の信号処理装置。
　複数のセンサから受けた信号に対して部分的に所定の信号を強調してアレイ処理信号を生成するステップと、
　前記複数のセンサとは別の補助センサから受けた信号と相関のある信号成分を前記アレイ処理信号から消去して相関除去信号を生成するステップと、
　を含むことを特徴とする信号処理方法。
　複数のセンサから受けた信号に対して部分的に所定の信号を強調してアレイ処理信号を生成するステップと、
　前記複数のセンサとは別の補助センサから受けた信号と相関のある信号成分を前記アレイ処理信号から消去して相関除去信号を生成するステップと、をコンピュータに実行させることを特徴とする信号処理プログラム。
　前面に配置された複数のセンサと、
　前記複数のセンサと音響的特性の異なる位置に配置された補助センサと、
　前記複数のセンサから受けた信号に対して部分的に所定の信号を強調してアレイ処理信号を生成するアレイ処理部と、
　前記補助センサから受けた信号と相関のある信号成分を前記アレイ処理信号から消去して相関除去信号を生成する相関除去部と、を備えたことを特徴とするメディア装置。