WO2019003716A1 - 集音装置、指向性制御装置及び指向性制御方法 - Google Patents

集音装置、指向性制御装置及び指向性制御方法 Download PDF

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WO2019003716A1
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directivity
signal
signals
specific direction
sound
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PCT/JP2018/019488
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English (en)
French (fr)
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好孝 村山
寧 本多
Original Assignee
共栄エンジニアリング株式会社
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    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10L—SPEECH ANALYSIS TECHNIQUES OR SPEECH SYNTHESIS; SPEECH RECOGNITION; SPEECH OR VOICE PROCESSING TECHNIQUES; SPEECH OR AUDIO CODING OR DECODING
    • G10L21/00—Speech or voice signal processing techniques to produce another audible or non-audible signal, e.g. visual or tactile, in order to modify its quality or its intelligibility
    • G10L21/02—Speech enhancement, e.g. noise reduction or echo cancellation
    • G10L21/0208—Noise filtering
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/32—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only
    • H04R1/40—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only by combining a number of identical transducers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones

Definitions

  • the present invention relates to directivity control that directs in any direction.
  • This spectral subtraction method is a method of reducing noise by estimating the average value of the power spectrum of noise and subtracting it from the power spectrum of the input signal containing noise.
  • An ambisonic microphone is a microphone unit which arranges four microphones which face outward from each vertex of a regular tetrahedron.
  • the microphone unit includes a directional microphone and a space in the center surrounded by the directional microphone.
  • a signal expression called B format includes a non-directional sound collection signal of zero order and bidirectional sound collection signals of top, bottom, right and left and front and back called primary. Then, the zero-order sound collection signal and the first-order circumferential sound signals are added together at a ratio suitable for a specific direction giving directivity. Thereby, directivity is given in a specific direction using an ambisonic microphone.
  • the ambisonic microphone it is necessary to accurately hold the phase difference of the sound collection signal. If the phase difference of the sound collection signal is changed, the effect of emphasizing or attenuating the signal in the calculation at the time of reproduction can not be expected. For this reason, in the sound collection method using an ambisonic microphone, it is difficult to suppress uncorrelated noise by signal processing. Therefore, when using ambisonic microphones, four unidirectional microphones were carefully selected so as to reduce individual differences among the four unidirectional microphones.
  • the unidirectional microphone there is a possibility that the wind may enter from the acoustic port on the back surface, turbulence is generated, and the wind noise becomes large. Therefore, the noise caused by the wind noise can not be sufficiently eliminated by the ambisonic microphone, and the SN ratio becomes worse.
  • the noise caused by the wind noise can not be sufficiently eliminated by the ambisonic microphone, and the SN ratio becomes worse.
  • it is attempted to select four unidirectional microphones so that the individual difference between the four unidirectional microphones is reduced a large cost will be incurred, and if it is attempted to reduce this cost, The signal-to-noise ratio is degraded due to circuit noise and the like inherent to the unidirectional microphone.
  • the present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, and its object is to achieve a good SN ratio when directivity is provided using a plurality of microphones. It is in providing a sound collection device which can be performed.
  • the sound collection device is a sound collection device which gives directivity in a specific direction expressed in N dimensions, which measures surrounding sound and outputs a sound collection signal
  • the beamformer generating two directional signals having unidirectionality in a specific direction based on at least N + 2 omnidirectional microphones and a sound collection signal output from the omnidirectional microphone;
  • a noise processing unit that suppresses noise components based on various directional signals, and the beam former is single in a specific direction based on N + 1 sound collection signals selected from the outputs of the nondirectional microphones.
  • the first directivity signal having directivity is generated, and the N + 1 collection signals different from the N + 1 collection signals used to generate the first directivity signal are used based on N + 1 collection signals.
  • First directivity signal Generating a second directional signal having unidirectional in the same particular direction, the noise processing unit is to suppress the two uncorrelated sound component between directional signal, characterized by.
  • the noise correction unit further includes a sensitivity correction unit for equalizing the sensitivities of the sound collection signals output by the at least N + 2 nondirectional microphones, wherein the noise processing unit is not present between the two types of directivity signals corrected by the sensitivity correction unit.
  • the sound component of the correlation may be suppressed.
  • the beam former is based on four collected signals selected from the outputs of the non-directional microphones And generating a first directivity signal having a single directivity in a specific direction, and collecting four different combinations of the four collection signals used to generate the first directivity signal.
  • a second directivity signal having unidirectivity in the same specific direction as the first directivity signal may be generated based on the sound signal.
  • the omnidirectional microphones are three-dimensionally arranged so that two combinations of the omnidirectional microphones facing each vertex direction of the tetrahedron can be selected, and the two tetrahedrons are neither congruent nor similar,
  • the positions may be different, the directions may be different, or a combination of these may be used.
  • the beam former is based on three collected signals selected from the outputs of the non-directional microphones And generating a first directivity signal having a single directivity in a specific direction, and using three different combinations of the three collection signals used to generate the first directivity signal.
  • a second directivity signal having unidirectivity in the same specific direction as the first directivity signal may be generated based on the sound signal.
  • the apparatus may further include an input unit that receives an input in the specific direction, and the beam former may form directivity in the specific direction received by the input unit.
  • the system further comprises a panoramic imaging unit having a plurality of cameras and photographing surrounding directions, wherein the at least N + 2 omnidirectional microphones are distributed among the plurality of cameras or a user holds the plurality of cameras It may be attached to a rod for use.
  • the noise processing unit alternates the first directivity signal and the second directivity signal alternately for each sample to generate a pair of exchange signals, and a coefficient to one of the exchange signals.
  • an error signal generation unit that generates an error signal of the exchange signal, and a recurrence equation operation that updates the coefficient m every one sample by computing the recurrence equation of the coefficient m including the error signal
  • an integration unit that multiplies the first directivity signal or the second directivity signal and outputs the multiplied signal.
  • a directivity control apparatus is a directivity control apparatus for providing directivity in a specific direction expressed in N dimensions, and at least N + 2 nondirectional microphones. And a beam former for generating two types of directivity signals having a single directivity in a specific direction based on a storage unit for storing each of the sound collection signals generated by the storage unit, and the two types of directivity signals based on the sound collection signals of the storage unit.
  • a noise processing unit configured to suppress a noise component based on a directivity signal, the beam former having a single directivity in a specific direction based on N + 1 sound collection signals selected from the storage unit;
  • the first directivity signal is generated based on N + 1 collection signals different in combination from the N + 1 collection signals used to generate the first directivity signal and Same specific direction as Generating a second directional signal having a unidirectional, the noise processing unit is to suppress the two uncorrelated sound component between directional signal, characterized by.
  • the noise correction unit further includes a sensitivity correction unit that adjusts the sensitivity of the at least N + 2 sound collection signals, and the noise processing unit suppresses uncorrelated sound components between the two types of directivity signals that have been corrected by the sensitivity correction unit. You may do so.
  • the noise processing unit alternates the first directivity signal and the second directivity signal alternately for each sample to generate a pair of exchange signals, and a coefficient to one of the exchange signals.
  • an error signal generation unit that generates an error signal of the exchange signal, and a recurrence equation operation that updates the coefficient m every one sample by computing the recurrence equation of the coefficient m including the error signal
  • an integration unit that multiplies the first directivity signal or the second directivity signal and outputs the multiplied signal.
  • a directivity control apparatus is a directivity control method for providing directivity in a specific direction expressed in N dimensions, and at least N + 2 nondirectional microphones.
  • the beamforming step generates a first directivity signal having unidirectionality in a specific direction based on N + 1 sound collection signals of at least N + 2 sound collection signals.
  • the method further includes a sensitivity correction step of equalizing the sensitivities of the at least N + 2 sound collection signals, and the noise suppression step suppresses uncorrelated sound components between the two types of directivity signals that have been corrected by the sensitivity correction step. You may do so.
  • the first directivity signal and the second directivity signal are alternately interchanged every one sample to generate a pair of exchange signals, and one of the exchange signals is a coefficient.
  • An error signal generation step of generating an error signal of the exchange signal after multiplication by m, and a recurrence equation operation of updating the coefficient m every one sample by calculating a recurrence equation of the coefficient m including the error signal may further include the steps of: integrating the step of: multiplying the first directivity signal or the second directivity signal with the sequentially updated coefficient m;
  • noise components included in the first directivity signal and the second directivity signal can be made uncorrelated, and a good signal-to-noise ratio can be achieved by the process of suppressing the non-correlation component.
  • FIG. 6 is a schematic view showing original polar patterns of six nondirectional microphones. It is a block diagram which shows the detailed structure of a sensitivity correction
  • FIG. 7 is a schematic view showing control points set around four omnidirectional microphones according to the multipoint control method. It is a block diagram showing composition of a beam former. It is a graph which shows two directivity signals which a beamformer outputs.
  • It is a schematic diagram which shows the 1st application example of a sound collector (a) is a perspective view, (b) is a side view, (c) is a bottom view.
  • It is a schematic diagram which shows the 2nd application example of a sound collector (a) is a perspective view, (b) is a side view, (c) is a bottom view.
  • It is a schematic diagram which shows the 3rd application example of a sound collector (a) is a perspective view, (b) is a side view, (c) is a bottom view.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration of a sound collection device.
  • the sound collection device 1 includes a microphone unit 2 and a directivity control device 3. After collecting the surrounding sound, the sound collection device 1 adds directivity in the specific direction selected by the user.
  • the microphone unit 2 and the directivity control device 3 each have a power supply and can be separately driven.
  • the user carries around the microphone unit 2 to perform sound collection work, and connects the microphone unit 2 to the directivity control device 3 at home or in a studio.
  • the microphone unit 2 transfers the sound collection result to the directivity control device 3, and the directivity control device 3 receives the setting of the specific direction from the user, and gives directivity to the sound collection result in the specific direction. Signal processing.
  • the microphone unit 2 includes a plurality of nondirectional microphones 21a, 21b,... And a non-volatile memory 22 such as a flash memory.
  • the microphone unit 2 collects surrounding sounds by multi-channel, and records each of the collected signals Sa to Sf as raw data.
  • the sound collection signals Sa to Sf are formed by synthesizing sound components coming from the surrounding directions.
  • the microphone unit 2 converts amplifiers from the analog signals to digital signals and amplifies the sound collection signals Sa to Sf and the amplifiers.
  • a converter is additionally provided, and a digital sound collection signal passed through the amplifier and the converter is recorded in the non-volatile memory 22.
  • the directivity control device 3 is a dedicated circuit by a microcomputer, a computer or a DSP that digitally processes the sound collection signals Sa to Sf.
  • the directivity control device 3 stores the sound collection signals Sa to Sf transferred from the microphone unit 2 in a memory 34 such as a hard disk or an SSD in the device or an internal storage. Then, the directivity control device 3 performs signal processing on each of the sound collection signals Sa to Sf to clarify the sound component arriving from the specific direction, and the circuit noise and wind noise of the nondirectional microphones 21a, 21b,. To generate an output signal So excluding.
  • the output signal So may be multi-channel in accordance with the number of speakers to be output.
  • the directivity control device 3 relatively emphasizes the sound component arriving at the microphone unit 2 from the specific direction, as compared with the sound component arriving from other than the specific direction. In other words, the directivity control device 3 largely suppresses the sound components that arrive at the microphone unit 2 from directions other than the specific direction, as the difference between the arrival direction and the specific direction becomes close. Furthermore, the directivity control device 3 improves the SN ratio by suppressing noises such as circuit noise and wind noise generated due to individual differences among the nondirectional microphones 21a, 21b,.
  • the microphone unit 2 includes a cylindrical support member 23.
  • the six nondirectional microphones 21a to 21f are attached to the surface of the support member 23 at equal distances from the adjacent nondirectional microphones 21a to 21f.
  • the support member 23 is solid, even if other parts are disposed inside the support member 23 at positions surrounded by the nondirectional microphones 21a, 21b,. The inside and the outside need not be in communication.
  • the support member 23 is cylindrical, but the shape of the support member 23 may be any shape.
  • a regular hexagonal column inscribed in the support member 23 is considered.
  • the six nondirectional microphones 21a to 21f are distributed and disposed at six places among the corners of the regular hexagonal prism.
  • the distribution positions are selected so as not to be adjacent to each other across one side of the regular hexagonal column. That is, three corners are selected at intervals of 120 degrees from one bottom surface around the axis of a regular hexagonal column, and three corners are selected at intervals of 120 degrees from the other bottom surface, The three places on the bottom of the case and the three places on the other bottom are shifted 60 degrees around the axis of the regular hexagonal column.
  • This microphone arrangement conforms to the following rules. That is, first, nondirectional microphones 21a, 21b,... Next, as shown in (b) and (c) of FIG. 3, the microphone unit 2 selects two types of combinations of four nondirectional microphones 21a, 21b,... Facing the respective vertex directions of the tetrahedron. In order to be able to, at least five or more omnidirectional microphones are provided in a stereo arrangement.
  • the two tetrahedrons are neither congruent nor similar, have different positions, have different orientations, or have a combination of these.
  • the tetrahedron is preferably, but not limited to, a tetrahedron.
  • the nondirectional microphones 21a, 21c, 21d, and 21e are combination groups A arranged in one tetrahedron, and the nondirectional microphones 21a, 21b, 21d, and 21f are other tetrahedrons. It is a combination group B to be arranged.
  • the microphone unit 2 has eight omnidirectional microphones 21a, 21b,.
  • the microphone unit 2 has eight omnidirectional microphones 21a, 21b,.
  • four corners are selected at intervals of 90 degrees from one bottom surface around the axis of a regular octagonal prism, and four corners are selected at intervals of 90 degrees from the other bottom surface,
  • the four bottoms and the other four bottoms are offset 45 degrees around the axis of the regular octagonal prism.
  • the nondirectional microphones 21a, 21b,... are arranged at these selected positions, so that the four nondirectional microphones 21a, 21b,. Two groups of sex microphones 21a, 21b,... Can be created.
  • the nondirectional microphones 21a, 21b,... are five or more is applied when relatively emphasizing sound components from a specific direction represented in three dimensions.
  • at least four nondirectional microphones 21a, 21b,... May be provided. That is, when relatively emphasizing sound components from a specific direction expressed in N dimensions, the nondirectional microphones including at least N + 2 nondirectional microphones 21a, 21b,...
  • two sets of N + 1 nondirectional microphones 21a, 21b, ... may be made.
  • FIG. 4 is a block diagram showing the detailed configuration of the directivity control device 3.
  • the sound collection signals from the nondirectional microphones 21a, 21c, 21d, 21e having one tetrahedral arrangement relationship are regarded as one group A, and the nondirectionality having another one tetrahedral arrangement relationship.
  • the collected sound signals from the microphones 21a, 21b, 21d and 21f are regarded as one group B.
  • the directivity control device 3 includes a sensitivity correction unit 31, a beam former 32, and a noise processing unit 33.
  • the sensitivity correction unit 31 unifies the sensitivities of the six nondirectional microphones 21a to 21f.
  • the beam former 32 generates a first directivity signal S1 whose directivity is directed in a specific direction based on the sound collection signals Sa, Sc, Sd and Se of the group A, and the sound collection signals Sa, Sb, A second directivity signal S2 whose directivity is directed in a specific direction is generated based on Sd and Sf.
  • the noise processing unit 33 generates a coefficient m that emphasizes the correlation component of the first directivity signal S1 and the second directivity signal S2 and suppresses the non-correlation component.
  • the output signal So is generated by multiplying the polarity signal S1.
  • the factor m may be multiplied by the second directivity signal S2.
  • FIG. 5 is a schematic view showing original polar patterns of six nondirectional microphones 21a to 21f.
  • the sensitivity correction unit 31 selects one of the sound collection signals Sa to Sf of the six nondirectional microphones 21a to 21f, and selects another sound collection as the sound power of the selected sound collection signal. Gains Ga to Gf are applied to the other collected sound signals so that the acoustic powers of the signals Sa to Sf become equal.
  • the sound collection signal Sa output from the nondirectional microphone 21a is selected, and another sound collection signal having sound powers Pb, Pc, Pd, Pe and Pf based on the sound power Pa of the sound collection signal Sa. All of Sb to Sf are changed to the acoustic power Pa. That is, the sound collection signal Sb having the sound power Pb is multiplied by the gain Gb, with the inverse of the magnification of the sound power Pb with respect to the reference sound power Pa as the gain Gb.
  • the sound collection signal Sc having the acoustic power Pc is multiplied by the reciprocal of the magnification of the acoustic power Pc with respect to the reference acoustic power Pa as the gain Gc.
  • the reciprocal of the sound collection signal Sd having the acoustic power Pd, the sound collection signal Sf having the acoustic power Pf and the sound collection signal Sf having the acoustic power Pf are similarly multiplied.
  • FIG. 6 is a block diagram showing the detailed configuration of the sensitivity correction unit 31.
  • the sensitivity correction unit 31 includes band pass filters 311a to 311f and power calculation units 312a to 312f for the sound collection signals Sa to Sf input from the six nondirectional microphones 21a to 21f.
  • the band pass filters 311a to 311f extract predetermined frequency regions from the respective sound collection signals Sa to Sf. An audible range is desirable as the predetermined frequency range.
  • the power calculation units 312a to 312f calculate root mean square from the signals passed through the band pass filters 311a to 311f, and obtain power values Pa, Pb, Pc, Pd, Pe, and Pf of the respective sound collection signals Sa to Sf.
  • the sensitivity correction unit 31 further includes a coefficient calculation unit 313 and multiplication units 314a to 314f.
  • the coefficient calculation unit 313 takes one of the power values of the respective collected signals Sa to Sf as a reference value, and obtains respective gains Ga to Gf represented by inverses of the magnification of the power value with respect to the reference value.
  • the multipliers 314a to 314f use the gains Ga to Gf obtained by the coefficient calculator 313 so as to make the corresponding sound pickups in such a manner that the sound pickup signals and the sound powers on which the respective sound pickup signals Sa to Sf become the same. Multiply the signal.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing control points D1 to Dn set around four nondirectional microphones M1 to M4 according to the multipoint control method.
  • the control points are arranged only in the horizontal plane, but it is assumed that n control points D1 to Dn are equally arranged on a spherical surface equidistant from the centers of the microphones M1 to M4. .
  • a control filter convoluted to the output of the omnidirectional microphone M k is a transfer function H k ( ⁇ )
  • a desired response to each control point D i is a response function A i ( ⁇ ).
  • the following equation (1) is satisfied so that the result of collecting the sound coming from each control point D i by the nondirectional microphones M1 to M4 is obtained.
  • Transfer function H k ( ⁇ ) is required.
  • the beam former 32 applies the above-described multipoint control method to generate and apply transfer functions H k ( ⁇ ) corresponding to the nondirectional microphones 21a to 21f, thereby collecting the sound collection signal of group A.
  • a second directivity signal S1 having directivity in a specific direction is generated from Sa, Sc, Sd and Se, and a directivity in the specific direction is generated from sound collection signals Sa, Sb, Sd and Sf of group B
  • the directivity signal S2 of The bi-directional signals S1 and S2 have the same polar pattern.
  • the polar pattern may be a unidirectional cardioid type having directivity in a specific direction, or may be bidirectional having directivity in the opposite direction of the specific direction and the ridge.
  • r is the distance from the control point to the microphone and r / c is the propagation time.
  • FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of this beam former 32.
  • the beam former 32 adds together the outputs of the control filters 321a, 321c, 321d and 321e to which the sound collection signals Sa, Sc, Sd and Se of the group A are input, and the control filters 321a, 321c, 321d and 321e. And an adder 322a that outputs the directivity signal S1. Further, the beam former 32 adds up the outputs of the control filters 321a, 321b, 321d and 321f to which the sound collection signals Sa, Sb, Sd and Sf of the group B are input and the control filters 321a, 321b, 321d and 321f.
  • the adder 322 b outputs the second directivity signal S 2.
  • the beam former 32 includes a specific direction setting unit 323 that generates a transfer function H k ( ⁇ ) and sets it in the control filters 321a to 321f.
  • the specific direction setting unit 323 When the specific direction is set, the specific direction setting unit 323 generates a matrix A ( ⁇ ) of the desired response transfer function Ai ( ⁇ ) according to the specific direction. Further, the specific direction setting unit 323 takes the product of the matrix C ( ⁇ ) of the transfer function C ik ( ⁇ ) and the matrix H ( ⁇ ) of the transfer function H k ( ⁇ ).
  • the specific direction setting unit 323 generates an error e by subtracting the multiplication result of the transfer function matrix C ( ⁇ ) and the transfer function matrix H ( ⁇ ) with respect to the desired response transfer function matrix A ( ⁇ ).
  • the specific direction setting unit 323 solves the transfer function matrix H ( ⁇ ) that minimizes the error e by the steepest descent method, and sets the transfer function H k ( ⁇ ) in the control filters 321a to 321f.
  • the beam former 32 Fourier-transforms and inputs the sound collection signals Sa, Sc, Sd, and Se of the group A to the control filters 321 a to 321 f in which the corresponding transfer functions H k ( ⁇ ) are set.
  • the sound collection signals Sa, Sb, Sd and Sf are Fourier-transformed and input.
  • the beam former 32 adds up the sound collection signals Sa, Sc, Sd and Se of the group A outputted from the control filters 321a, 321c, 321d and 321e to generate a first directivity signal S1, and thereby the control filter
  • the sound collection signals Sa, Sb, Sd and Sf of the group B output from 321a, 321b, 321d and 321f are added together to generate a second directivity signal S1.
  • FIG. 9 shows the first directivity signal S1 derived from group A
  • (b) shows the second directivity signal S2 derived from group B
  • the horizontal axis represents frequency
  • the vertical axis represents sound pressure. It is a graph taken.
  • the first and second directivity signals S1 and S2 have a single directivity emphasized in a specific direction by the beam former, and the sensitivity correction unit 31 Since the sensitivities are unified by the above, they have a common sound component Sc.
  • noises N1 and N2 are on each frequency band.
  • the characteristics of the six nondirectional microphones 21a to 21f are not aligned, and the individual differences of the six nondirectional microphones 21a to 21f are remarkable. Therefore, the noise N1 and the noise N2 on the bi-directional signals S1 and S2 derived from the groups A and B different in the combination of the four microphones have low correlation.
  • the bidirectional signals S1 and S2 derived from the group A and the group B have noises N1 and N2 having no correlation.
  • the noise processing unit 33 emphasizes the sound component having high correlation, and performs signal processing to suppress the sound component as the correlation of the sound component is lower.
  • the sound components included in the bi-directional signals S1 and S2 and coming from the specific direction are equalized to the same sound pressure by the sensitivity correction unit 31 and the beam former 32, and thus are enhanced by the noise processing unit 33 and correlated.
  • the small or no noise N1, N2 will be suppressed.
  • the noise processing unit 33 calculates an error between the exchange signal Sx (k) and the exchange signal Sy (k), and determines a coefficient m (k) according to the error. Also, the noise processing unit 33 sequentially updates the coefficient m (k) with reference to the coefficient m (k ⁇ 1) in the past.
  • the noise processing unit 33 sets the error signal e (k) as a function of the coefficient m (k ⁇ 1), and operates the adjacent binomial recurrence equation of the coefficient m (k) including the error signal e (k). Search for a coefficient m (k) that minimizes the error signal e (k).
  • the noise processing unit 33 decreases the coefficient m (k) as the time difference is generated between the first directivity signal S1 (k) and the second directivity signal S2 (k) by this arithmetic processing.
  • the coefficient m (k) is made close to 1 if there is no time difference.
  • the noise processing unit 33 multiplies the first directivity signal S1 (k) or the second directivity signal S2 (k) by a coefficient m (k) at an arbitrary ratio to generate an output signal So (k). Output.
  • FIG. 10 is a block diagram showing a configuration example of the noise processing unit 33.
  • the noise processing unit 33 alternates the signal sequence of the first directivity signal S1 (k) and the second directivity signal S2 (k) at the previous stage to exchange signals Sx (k).
  • An exchange unit 331 which is a circuit for generating exchange signal Sy (k), is provided with a plurality of integrators and adders for updating coefficient m (k) in the middle stage, and coefficient m (k)
  • An integration unit 332 is provided which generates an output signal So (k) by multiplying the one directivity signal S1 (k) or the second directivity signal S2 (k).
  • the middle row is a circuit that embodies the adjacent binomial recurrence equation, and is for gradually updating the coefficient m (k) with reference to the coefficient m (k-1) in the past.
  • an adaptive filter having a long tap number is excluded.
  • the exchange signal Sy (k) is used as a reference signal to generate an error signal e (k). That is, the exchange signal Sx (k) is input to the integrator 335.
  • the integrator 335 multiplies the exchange signal Sa (k) by ⁇ 1 times the coefficient m (k ⁇ 1) one sample before.
  • An adder 336 is connected to the output side of the integrator 335. The signal output from the integrator 335 and the exchange signal Sy (k) are input to the adder 336, and an instantaneous error signal e (k) is obtained by adding these signals.
  • the error signal e (k) is input to an integrator 337 that multiplies the input signal by ⁇ .
  • the factor ⁇ is a step size parameter less than one.
  • An integrator 338 is connected to the output side of the integrator 337. To the integrator 338, the exchange signal Sx (k) and the signal ⁇ e (k) that has passed through the integrator are input. The integrator 338 multiplies the exchange signal Sx (k) and the signal ⁇ e (k) to obtain a differential signal ⁇ E (m) 2 / ⁇ m of the instantaneous square error expressed by the following equation (4).
  • An adder 339 is connected to the integrator 338.
  • the adder 339 completes the coefficient m (k) by calculating the following equation (5), and sets the coefficient m (k) in the integration unit 332. That is, as shown in the following equation (5), the adder 339 completes the coefficient m (k) by adding the signal ⁇ ⁇ m (k ⁇ 1) to the differential signal ⁇ E (m) 2 / ⁇ m
  • the signal ⁇ ⁇ m (k ⁇ 1) is connected to the output side of the adder 339, with a delay unit 333 for delaying the signal by one sample and an integrator 334 for integrating the constant ⁇ .
  • the coefficient m (k-1) updated by the processing is generated by multiplying the constant ⁇ in the integrator 334.
  • the noise processing unit 33 the calculation processing of the following recurrence formula (6) is realized, the coefficient m (k) is generated, and the coefficient m (k) is gradually updated for each sampling.
  • the noise processing unit 33 multiplies the coefficient m by one of the exchange signals Sx and Sy, and then generates an error signal e of the exchange signals Sx and Sy, and gradually generates the coefficient m including the error signal e.
  • a recurrence formula operation unit is provided which calculates the equation and updates the coefficient m every one sample.
  • the error signal generation unit multiplies the exchange signal Sa (k) by ⁇ 1 times the coefficient m (k ⁇ 1) one sample before, an integrator 335, the signal output from the integrator 335, and the exchange signal Sy. (K) is input and it is the adder 336 which adds these signals.
  • the recurrence formula operation unit is an integrator other than the integrator 335 and the adder 336 and an adder.
  • the noise processing unit 33 alternately operates the following equation (7), and multiplies the directivity signal by the coefficient m (k) obtained by the equation (7).
  • equation (7) the square of the signal acts to reduce uncorrelated components such as white noise with the passage of time.
  • the adjacent term is equivalent to the numerator part of the following equation (8) which sequentially calculates the correlation coefficient, and the influence of the correlation component is reflected in the coefficient m.
  • the uncorrelated component of the first directivity signal S1 is in the amplification direction, and the second directivity signal S2 is obtained.
  • the uncorrelated component of is in the suppression direction.
  • the uncorrelated component of the first directivity signal S1 is in the amplification direction, and the first directivity signal S1 is The uncorrelated component of is in the suppression direction.
  • the noise processing unit 33 has the function of approximating the second directivity signal S2 with respect to the first directivity signal S1 and performing synchronous addition, and the first directivity signal S2 for the second directivity signal S2.
  • the function of trying to perform synchronous addition by approximating the directivity signal S1 is alternately repeated. Therefore, the functions of amplifying and suppressing uncorrelated components cancel each other alternately. That is, the influence of the correlation component is strongly reflected on the coefficient m (k), and from the directivity signals S1 and S2 multiplied by the coefficient m (k), the nondirectional microphones 21a to 21f are obtained. Inherent noise is suppressed.
  • the sound collection device 1 adds directivity in a specific direction expressed in N dimensions, and at least N + 2 nondirectional microphones 21a, 21b, ..., the beam former 32, and noise processing A part 33 is provided.
  • the beam former 32 generates two types of directivity signals S1 and S2 having unidirectionality in a specific direction based on the collected sound signals Sa, Sb,... Output from the nondirectional microphones 21a, 21b,.
  • Generate The noise processing unit 33 suppresses noise components based on the two types of directivity signals S1 and S2.
  • This beamformer has a first directivity having unidirectionality in a specific direction based on N + 1 collected signals Sa, Sb,... Selected from the outputs of the nondirectional microphones 21a, 21b,. While generating the signal S1, the N + 1 sound collection signals Se, Sf,... Of different combinations from the N + 1 sound collection signals Sa, Sb,... Used for generating the first directivity signal S1. , To generate a second directivity signal S2 having a single directivity in the same specific direction as the first directivity signal S1. Then, the noise processing unit 33 suppresses uncorrelated sound components between the two types of directivity signals S1 and S2.
  • the noise components included in the first directivity signal S1 and the second directivity signal S2 become uncorrelated, so suppressing the uncorrelated sound components allows the nondirectional microphones 21a, 21b,. ⁇ It is possible to suppress inherent circuit noise and wind noise, and improve the SN ratio.
  • the noise correction unit 31 further includes a sensitivity correction unit 31 that equalizes the sensitivities of the sound collection signals output by at least N + 2 nondirectional microphones 21a, 21b,... The uncorrelated sound component is suppressed between the directivity signals S1 and S2 of FIG.
  • the sound components obtained from the specific direction obtained by the nondirectional microphones 21a, 21b,... are precisely aligned, and are included in the first directivity signal S1 and the second directivity signal S2.
  • the correlation of sound components in the direction can be made higher. Therefore, the relative emphasis or suppression between the sound component and the noise component in the specific direction is sharpened, and the SN ratio is further improved.
  • the microphones recording surrounding sounds have directivity in different directions, it is unclear whether the sound pressure difference of each microphone is derived from the arrival direction or the sensitivity difference, and the sound arrived from a specific direction It is difficult to align the ingredients.
  • the omnidirectional microphones 21a, 21b,... are used, the sound pressure difference between the microphones can be limited to that derived from the sensitivity difference, and the sound components coming from the specific direction It is possible to align.
  • the noise processing unit 33 alternately switches the first directivity signal S1 and the second directivity signal S2 every one sample.
  • one of the exchange signals Sx and Sy is multiplied by a coefficient m to generate an error signal of the exchange signals Sx and Sy.
  • the recurrence formula of the coefficient m including the error signal e is calculated to update the coefficient m every one sample.
  • the sequentially updated coefficient m is multiplied by the first directivity signal S1 or the second directivity signal S2 and output.
  • the second directivity signal S2 is approximated to the first directivity signal S1 to perform synchronous addition, and the first directivity signal S1 is output to the second directivity signal S2.
  • the operation to approximate and synchronize is alternately repeated. Therefore, the functions of amplifying and suppressing uncorrelated components cancel each other alternately. That is, the influence of the correlation component is strongly reflected on the coefficient m (k), and from the directivity signals S1 and S2 multiplied by the coefficient m (k), the nondirectional microphones 21a to 21f are obtained. Inherent noise is suppressed.
  • FIG. 11 and FIG. 11 and 12 are schematic views showing an example of an omnidirectional camera capable of photographing each azimuth and each elevation angle.
  • the microphone unit 2 and the panoramic imaging unit 100 are integrated, and both have the same support member 23 as a housing, and a plurality of cameras 101 and omnidirectional microphones 21a to 21f included in the panoramic imaging unit 100 are attached to the support member 23 ing.
  • the support member 23 has a square pole shape.
  • two cameras 101 made of fisheye lenses are distributed to a pair of opposing surfaces, one by one.
  • the omnidirectional microphones 21a to 21f are distributed to the four corners.
  • the nondirectional microphones 21a to 21c are distributed one by one to three corners of one facing surface
  • the nondirectional microphones 21d to 21f are distributed one by one to three corners of the other facing surface.
  • the support member 23 has a spherical shape.
  • Two cameras 101 made of fisheye lenses are distributed 180 degrees apart to the support member 23.
  • the omnidirectional microphones 21a to 21f are distributed beside the two cameras 101.
  • the nondirectional microphones 21a to 21c are distributed one by one at 45 degrees, 225 degrees and 315 degrees positions viewed clockwise from the direction facing the camera 101.
  • the nondirectional microphones 21d to 21f are distributed one by one at positions 135 degrees, 225 degrees and 315 degrees clockwise as viewed from the direction facing the camera 101, with the top of the other camera 101 as zero degree. Be done.
  • the omnidirectional camera is compact. The reason is that since the sound collection device 1 actively uses the nondirectional microphones 21a to 21f, a space like a directional microphone is not required behind the nondirectional microphones 21a to 21f.
  • FIG. 1 Another application example of the sound collection device 1 is shown in FIG.
  • the panoramic imaging unit 100 is attached to a rod-like support member 23 held by a user.
  • the microphone unit 2 is built in the support member 23 held by the user. That is, the nondirectional microphones 21a to 21f are attached to the corners of the virtual hexagonal column inscribed in the support member 23.
  • the omnidirectional microphones 21a to 21f can be incorporated in the user's grip bar, so that the omnidirectional camera can be compact. This is because there is no need for a space like a directional microphone behind the nondirectional microphones 21a to 21f.
  • the imaging data of the panoramic imaging unit 100 and the sound collection signals Sa to Sf are transferred to the personal computer 102 of the user.
  • image processing for rendering an image in a specific direction from imaging data and an application 103 for realizing the directivity control device 3 are installed.
  • Information indicating a specific direction input to the application 103 using a man-machine interface such as a keyboard or mouse is passed to the beam former 32, and the beam former 32 performs a desired response transfer function matrix according to the information indicating the specific direction.
  • an input unit such as a keyboard or a mouse that receives an input in a specific direction may be further provided, and the beam former 32 may form directivity in the specific direction received by the input unit.
  • a panoramic image pickup unit 100 having a plurality of cameras 101 and photographing surrounding directions is further provided, and at least N + 2 nondirectional microphones 21a, 21b,... Are distributed among the plurality of cameras 101.
  • N + 2 nondirectional microphones 21a, 21b,... are distributed among the plurality of cameras 101.
  • the reason why the plurality of cameras 101 can be distributed is that no space is required behind the nondirectional microphones 21a, 21b,.
  • the noise processing unit 33 multiplies the coefficient m by one side of the exchange signal, then generates an error signal of the exchange signal, calculates the regression equation of the coefficient m including the error signal, and samples the coefficient m If it is made to update every time, it is realizable in other modes, without limiting to the above-mentioned embodiment.
  • the sound collection device 1 may be realized as software processing of a CPU or DSP, or may be configured by a dedicated digital circuit.
  • software processing in a computer including a CPU, an external memory, and a RAM, a program that describes the same processing contents as the sensitivity correction unit 31, the beam former 32, and the noise processing unit 33 is ROM, hard disk, flash memory, etc. It may be stored in the external memory of the above, appropriately expanded in the RAM, and operated by the CPU according to the program of ⁇ .

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Abstract

複数のマイクを用いて指向性を付ける際に良好なＳＮ比を達成する。Ｎ次元で表現される特定方向に指向性を付けるべく、Ｎ＋２個以上の無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・とビームフォーマ３２とノイズ処理部３３を備える。ビームフォーマ３２は、Ｎ＋１個の集音信号Ｓａ，Ｓｂ・・・から、特定方向への第１の指向性信号Ｓ１を生成し、第１の指向性信号Ｓ１の生成に用いられたＮ＋１個の集音信号Ｓａ，Ｓｂ・・・とは異なる組み合わせのＮ＋１個の集音信号Ｓｅ，Ｓｆ，・・・から、特定方向への第２の指向性信号Ｓ２を生成する。ノイズ処理部３３は、２種類の指向性信号Ｓ１，Ｓ２間で無相関の音成分を抑制する。

Description

集音装置、指向性制御装置及び指向性制御方法
　本発明は、任意の方向に指向性を付ける指向性コントロールに関する。
　複数のマイクで周囲の音を収集し、複数の集音信号から特定方向に指向性を付けた音波信号を生成する技術が各種提案されている。複数のマイクには個体差があり、マイク固有の回路ノイズや風切り音といったマイク間で無相関のノイズが発生する。そこで、これらノイズを抑制する方法が検討されているところである。
　無相関のノイズを抑制する方法として、非線形性のアルゴリズムを使ったスペクトルサブトラクション法がある（例えば特許文献１参照）。このスペクトルサブトラクション法は、雑音のパワースペクトルの平均値を推定し、雑音を含んだ入力信号のパワースペクトルから差し引くことで雑音を低減させる方法である。
　また、アンビソニックマイク（Ambisonic Microphones）を用い、再生時に記録済み信号同士を加算或いは減算処理することで、指向性を制御する方法が知られている（例えば非特許文献１参照）。アンビソニックマイクとは、正四面体の各頂点から外側に向く４つのマイクを配置したマイクロフォンユニットである。このマイクロフォンユニットは、指向性マイクを備え、指向性マイクで囲まれる中心に空間部を備える。
　このアンビソニックマイクを用いた指向性制御方法では、まず４つの単一指向性マイクが出力した集音信号に基づいて、Ｂフォーマットと呼ばれる信号表現に変換する。Ｂフォーマットと呼ばれる信号表現には、０次である無指向性の集音信号と、１次と呼ばれる上下、左右及び前後に双方向性の各集音信号が含まれる。そして、０次の集音信号と１次の各周音信号を、指向性を与える特定方向に適した比率で足し合わせる。これにより、アンビソニックマイクを用いて特定方向に指向性が付けられる。
　ここで、アンビソニックマイクでは、集音信号の位相差が正確に保持されている必要がある。集音信号の位相差が変わってしまうと、本来再生時の演算で信号が強調または減衰される効果が望めなくなってしまうためである。このため、アンビソニックマイクを用いた集音方法では、無相関性のノイズを信号処理で抑制することが困難である。そこで、アンビソニックマイクを用いる場合には、４つの単一指向性マイクの個体差が小さくなるように、４つの単一指向性マイクの選択を念入りに行っていた。
S.F.Boll、「Suppression of Acoustic Noise in Speech Using Spectral Subtraction」、IEEE Trans. ASSP.、1979年4月2日、Vol.27、pp.113-120 D.G. Malham、「SPATIAL HEARING MECHANISMS and SOUND REPRODUCTION」、［online］、2008年5月6日、University of York、［平成29年6月23日検索］、インターネット〈URL：https://www.york.ac.uk/inst/mustech/3d_audio/ambis2.htm〉
　非線形性のアルゴリズムを使ったスペクトルサブトラクション法で無相関のノイズを抑制しようとすると、１チャンネル毎に個別の挙動の処理が行われるため、４つのマイクの集音信号間の位相差が集音時から変化してしまうと、位相差が変化した信号同士を加算または減算して指向性を得ようとしても、信号の強調や減衰ができなくなり、指向性に影響を与えてしまう。そのため、アンビソニックマイクのマイク信号毎にノイズを抑制することはできず、ＳＮ比を向上させることができない。
　また、単一指向性マイクは、背面の音響ポートから風が進入する虞があり、乱気流が発生してウインドノイズが大きくなる。従って、風切り音を原因とするノイズは、アンビソニックマイクでは十分に解消できず、ＳＮ比が悪くなる。また、４つの単一指向性マイクの個体差が小さくなるように、４つの単一指向性マイクを選択しようとすると、多大なコストが発生してしまい、このコストを抑制しようとすると、４つの単一指向性マイクに固有の回路ノイズ等を起因として、ＳＮ比が悪くなってしまう。
　本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために成されたものであり、その目的は、複数のマイクを用いて指向性を付ける際に良好なＳＮ比を達成することができる集音装置を提供することにある。
　上記の目的を達成するために、本発明に係る集音装置は、Ｎ次元で表現される特定方向に指向性を付ける集音装置であって、周囲の音を測定して集音信号を出力する、少なくともＮ＋２個の無指向性マイクと、前記無指向性マイクが出力する集音信号に基づき、特定方向に単一指向性を有する２種類の指向性信号を生成するビームフォーマと、前記２種類の指向性信号に基づいてノイズ成分を抑制するノイズ処理部と、を備え、前記ビームフォーマは、前記無指向性マイクの出力から選ばれるＮ＋１個の集音信号に基づき、特定方向に単一指向性を有する第１の指向性信号を生成するとともに、前記第１の指向性信号の生成に用いられた前記Ｎ＋１個の集音信号とは異なる組み合わせのＮ＋１個の集音信号に基づき、前記第１の指向性信号と同じ特定方向に単一指向性を有する第２の指向性信号を生成し、前記ノイズ処理部は、前記２種類の指向性信号間で無相関の音成分を抑制すること、を特徴とする。
　前記少なくともＮ＋２個の無指向性マイクが出力する集音信号の感度を揃える感度補正部を更に備え、前記ノイズ処理部は、前記感度補正部による補正を経た前記２種類の指向性信号間で無相関の音成分を抑制するようにしてもよい。
　３次元で表される特定方向に指向性を付け、少なくとも５個以上の前記無指向性マイクを備え、前記ビームフォーマは、前記無指向性マイクの出力から選ばれる４個の集音信号に基づき、特定方向に単一指向性を有する第１の指向性信号を生成するとともに、前記第１の指向性信号の生成に用いられた前記４個の集音信号とは異なる組み合わせの４個の集音信号に基づき、前記第１の指向性信号と同じ特定方向に単一指向性を有する第２の指向性信号を生成するようにしてもよい。
　前記無指向性マイクは、四面体の各頂点方向を向いた当該無指向性マイクの組み合わせを２種類選択できるように、立体配置され、前記２種類の四面体は、合同でも相似でもないか、位置が異なるか、向きが異なるか、又はこれらの組み合わせの関係を有するようにしてもよい。
　２次元で表される特定方向に指向性を付け、少なくとも４個以上の前記無指向性マイクを備え、前記ビームフォーマは、前記無指向性マイクの出力から選ばれる３個の集音信号に基づき、特定方向に単一指向性を有する第１の指向性信号を生成するとともに、前記第１の指向性信号の生成に用いられた前記３個の集音信号とは異なる組み合わせの３個の集音信号に基づき、前記第１の指向性信号と同じ特定方向に単一指向性を有する第２の指向性信号を生成するようにしてもよい。
　前記特定方向の入力を受け付ける入力部を更に備え、前記ビームフォーマは、前記入力部が受け付けた前記特定方向に指向性を形成するようにしてもよい。
　複数のカメラを有し、周囲各方向を撮影するパノラマ撮像部を更に備え、前記少なくともＮ＋２個の無指向性マイクは、前記複数のカメラ間の合間に配分され、又は複数のカメラを支えるユーザ把持用の棒に取り付けられているようにしてもよい。
　前記ノイズ処理部は、前記第１の指向性信号と前記第２の指向性信号を１サンプル毎に交互に入れ替えることで、一対の交換信号を生成する交換部と、前記交換信号の片方に係数ｍを乗じた上で、前記交換信号の誤差信号を生成する誤差信号生成部と、前記誤差信号を含む係数ｍの漸化式を演算して係数ｍを１サンプル毎に更新する漸化式演算部と、逐次更新された係数ｍを前記第１の指向性信号又は前記第２の指向性信号に乗じて出力する積算部と、を備えるようにしてもよい。
　また、上記の目的を達成するために、本発明に係る指向性制御装置は、Ｎ次元で表現される特定方向に指向性を付ける指向性制御装置であって、少なくともＮ＋２個の無指向性マイクが生成した各集音信号を記憶する記憶部と、前記記憶部の集音信号に基づき、特定方向に単一指向性を有する２種類の指向性信号を生成するビームフォーマと、前記２種類の指向性信号に基づいてノイズ成分を抑制するノイズ処理部と、を備え、前記ビームフォーマは、前記記憶部から選ばれるＮ＋１個の集音信号に基づき、特定方向に単一指向性を有する第１の指向性信号を生成するとともに、前記第１の指向性信号の生成に用いられた前記Ｎ＋１個の集音信号とは異なる組み合わせのＮ＋１個の集音信号に基づき、前記第１の指向性信号と同じ特定方向に単一指向性を有する第２の指向性信号を生成し、前記ノイズ処理部は、前記２種類の指向性信号間で無相関の音成分を抑制すること、を特徴とする。
　前記少なくともＮ＋２個の集音信号の感度を揃える感度補正部を更に備え、前記ノイズ処理部は、前記感度補正部による補正を経た前記２種類の指向性信号間で無相関の音成分を抑制するようにしてもよい。
　前記ノイズ処理部は、前記第１の指向性信号と前記第２の指向性信号を１サンプル毎に交互に入れ替えることで、一対の交換信号を生成する交換部と、前記交換信号の片方に係数ｍを乗じた上で、前記交換信号の誤差信号を生成する誤差信号生成部と、前記誤差信号を含む係数ｍの漸化式を演算して係数ｍを１サンプル毎に更新する漸化式演算部と、逐次更新された係数ｍを前記第１の指向性信号又は前記第２の指向性信号に乗じて出力する積算部と、を備えるようにしてもよい。
　また、上記の目的を達成するために、本発明に係る指向性制御装置は、Ｎ次元で表現される特定方向に指向性を付ける指向性制御方法であって、少なくともＮ＋２個の無指向性マイクが生成した各集音信号に基づき、特定方向に単一指向性を有する２種類の指向性信号を生成するビームフォーミングステップと、前記２種類の指向性信号に基づいてノイズ成分を抑制するノイズ抑制ステップと、を含み、前記ビームフォーミングステップは、少なくともＮ＋２個の前記集音信号のうちのＮ＋１個の集音信号に基づき、特定方向に単一指向性を有する第１の指向性信号を生成するとともに、前記第１の指向性信号の生成に用いられた前記Ｎ＋１個の集音信号とは異なる組み合わせのＮ＋１個の集音信号に基づき、前記第１の指向性信号と同じ特定方向に単一指向性を有する第２の指向性信号を生成し、前記ノイズ抑制ステップは、前記２種類の指向性信号間で無相関の音成分を抑制すること、を特徴とする。
　前記少なくともＮ＋２個の集音信号の感度を揃える感度補正ステップを更に含み、前記ノイズ抑制ステップは、前記感度補正ステップによる補正を経た前記２種類の指向性信号間で無相関の音成分を抑制するようにしてもよい。
　前記ノイズ処理ステップは、前記第１の指向性信号と前記第２の指向性信号を１サンプル毎に交互に入れ替えることで、一対の交換信号を生成する交換ステップと、前記交換信号の片方に係数ｍを乗じた上で、前記交換信号の誤差信号を生成する誤差信号生成ステップと、前記誤差信号を含む係数ｍの漸化式を演算して係数ｍを１サンプル毎に更新する漸化式演算ステップと、逐次更新された係数ｍを前記第１の指向性信号又は前記第２の指向性信号に乗じて出力する積算ステップと、を備えるようにしてもよい。
　本発明によれば、第１の指向性信号と第２の指向性信号に含まれるノイズ成分を無相関とすることができ、無相関成分を抑制する処理によって、良好なＳＮ比を達成することができる。
集音装置の全体構成を示すブロック図である。 マイクロフォンユニットを示す模式図である。 マイクロフォンユニットから二種類のマイク群を選択する例を示す模式である。 指向性制御装置の詳細構成を示すブロック図である。 ６つの無指向性マイクのオリジナルのポーラーパターンを示す模式図である。 感度補正部の詳細構成を示すブロック図である。 多点制御法に係り、４つの無指向性マイクロフォンの周りに設定される制御点を示す模式図である。 ビームフォーマの構成を示すブロック図である。 ビームフォーマが出力する２つの指向性信号を示すグラフである。 ノイズ処理部の構成例を示すブロック図である。 集音装置の第１の適用例を示す模式図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は下面図である。 集音装置の第２の適用例を示す模式図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は下面図である。 集音装置の第３の適用例を示す模式図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は下面図である。
　（構成）
　図１は、集音装置の全体構成を示すブロック図である。集音装置１は、マイクロフォンユニット２と指向性制御装置３とを備える。この集音装置１は、周囲の音を収録した後で、ユーザが選択した特定方向に事後的に指向性を付ける。マイクロフォンユニット２と指向性制御装置３は、各々が電源を有し、別々に駆動可能となっている。
　ユーザは、マイクロフォンユニット２を持ち歩いて集音作業を行い、自宅やスタジオでマイクロフォンユニット２を指向性制御装置３に繋ぐ。マイクロフォンユニット２は、指向性制御装置３へ集音結果を転送し、指向性制御装置３は、ユーザからの特定方向の設定を受け付け、集音結果に対して特定方向に指向性を付けるように信号処理する。
　マイクロフォンユニット２は、複数の無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・及びフラッシュメモリ等の不揮発性メモリ２２を備える。このマイクロフォンユニット２は、周囲の音をマルチチャンネルで集音し、各集音信号Ｓａ～Ｓｆをロウデータ（raw data）で各々記録する。集音信号Ｓａ～Ｓｆは、周囲各方向から到来する音成分が合成されて成る。
　無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・がアナログ出力の場合、マイクロフォンユニット２には、各々の集音信号Ｓａ～Ｓｆを増幅するアンプと集音信号Ｓａ～Ｓｆをアナログ信号からデジタル信号へ変換するコンバータとが付設され、アンプとコンバータを経たデジタルの集音信号が不揮発性メモリ２２に記録される。
　指向性制御装置３は、集音信号Ｓａ～Ｓｆをデジタル処理するマイコン、コンピュータ又はＤＳＰによる専用回路である。この指向性制御装置３は、装置内のハードディスクやＳＳＤや内部ストレージ等のメモリ３４に、マイクロフォンユニット２から転送された集音信号Ｓａ～Ｓｆを保存しておく。そして、指向性制御装置３は、各集音信号Ｓａ～Ｓｆを信号処理して、特定方向から到来した音成分を明瞭化し、無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・の回路系ノイズや風雑音を除いた出力信号Ｓｏを生成する。出力信号Ｓｏは、出力するスピーカ数に合わせてマルチチャンネルであってもよい。
　即ち、この指向性制御装置３は、特定方向からマイクロフォンユニット２に到来した音成分を、特定方向以外から到来した音成分と比べて相対的に強調する。言い換えれば、指向性制御装置３は、特定方向以外の方向からマイクロフォンユニット２に到来した音成分を、その到来方向と特定方向との差が付けば付くほど大きく抑制する。更に、指向性制御装置３は、各無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・の個体差に起因して生じる回路系ノイズ及び風雑音等のノイズを抑制してＳＮ比を向上させる。
　（マイクロフォンユニット）
　図２及び図３に示すように、マイクロフォンユニット２は円筒の支持部材２３を備える。６つの無指向性マイク２１ａ～２１ｆは、隣り合う他の無指向性マイク２１ａ～２１ｆと等しく距離を取りながら、支持部材２３の表面に取り付けられている。無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・は、振動板の前方が音場に対して開放されていればよい。
　そのため、無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・の背後に空間は不要である。従って、支持部材２３は中実であっても、支持部材２３の内部の、無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・に囲まれた位置に他の部品が配置されていても、支持部材２３の内外が連通していなくともよい。また、無指向性マイク２１ａ～２１ｆの向き設定が容易であるため、支持部材２３は円筒としているが、支持部材２３の形状は何れでも良い。
　図３の（ａ）に示すように、支持部材２３に内接する正六角柱を考える。このとき、６つの無指向性マイク２１ａ～２１ｆは、正六角柱の角のうちの６箇所に分配配置される。各分配位置は、正六角柱の一辺を挟んで隣り合わないように選択される。即ち、正六角柱の軸周りに、一方の底面から１２０度間隔で一つ置きに３箇所の角を選択し、他方の底面から１２０度間隔で一つ置きに３箇所の角を選択し、一方の底面の３箇所と他方の底面の３箇所とは、正六角柱の軸周りに６０度ずらされる。
　このマイク配置は次の規則に従ったものである。即ち、まず、指向性ではなく、無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・が配置される。次に、図３の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、マイクロフォンユニット２は、四面体の各頂点方向を向いた４つの無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・の組み合わせを２種類選択できるように、少なくとも５つ以上の無指向性マイクを立体配置して備える。２種類の四面体は、合同でも相似でもないか、位置が異なるか、向きが異なるか、又はこれらの組み合わせの関係を有する。四面体は、正四面体が望ましいが、これに限られない。本実施形態では、無指向性マイク２１ａ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅが１つの四面体に配置される組み合わせグループＡであり、無指向性マイク２１ａ，２１ｂ，２１ｄ，２１ｆが他の１つの四面体に配置される組み合わせグループＢである。
　２種類の四面体に重複して属する無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・が少ないほどよく、望ましくは、マイクロフォンユニット２は、８つの無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・を有する。例えば、正八角柱の軸周りに、一方の底面から９０度間隔で一つ置きに４箇所の角を選択し、他方の底面から９０度間隔で一つ置きに４箇所の角を選択し、一方の底面の４箇所と他方の底面の４箇所とは、正八角柱の軸周りに４５度ずれている。無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・は、これら選択位置に配置されることにより、無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・が２種類の四面体に重複して属することなく、４つの無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・のグループを２種類作出できる。
　無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・が５つ以上という規則は、３次元で表される特定方向からの音成分を相対的に強調する場合に適用される。２次元で表される特定方向からの音成分を相対的に強調する場合には、少なくとも４つ以上の無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・を備えていればよい。即ち、Ｎ次元で表現される特定方向からの音成分を相対的に強調する場合、少なくともＮ＋２個の無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・を備え、２組に重複して属する無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・をなるべく少なくするように、Ｎ＋１個の無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・の組を２組作れればよい。
　（指向性制御装置）
　図４は、指向性制御装置３の詳細構成を示すブロック図である。まず、１つの四面体状の配置関係を有する無指向性マイク２１ａ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅからの集音信号を１つのグループＡとし、他の１つの四面体状の配置関係を有する無指向性マイク２１ａ，２１ｂ，２１ｄ，２１ｆからの集音信号を１つのグループＢとする。そして、この指向性制御装置３は、感度補正部３１、ビームフォーマ３２及びノイズ処理部３３を備える。
　感度補正部３１は、６つの無指向性マイク２１ａ～２１ｆの感度を統一する。ビームフォーマ３２は、グループＡの集音信号Ｓａ、Ｓｃ、Ｓｄ及びＳｅに基づいて特定方向に指向性を向けた第１の指向性信号Ｓ１を生成し、グループＢの集音信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｄ及びＳｆに基づいて特定方向に指向性を向けた第２の指向性信号Ｓ２を生成する。
　ノイズ処理部３３は、第１の指向性信号Ｓ１と第２の指向性信号Ｓ２の相関性成分を強調し、且つ無相関成分を抑圧する係数ｍを生成し、この係数ｍを第１の指向性信号Ｓ１に乗じることで、出力信号Ｓｏを生成する。係数ｍを乗じるのは、第２の指向性信号Ｓ２であってもよい。
　図５は、６つの無指向性マイク２１ａ～２１ｆのオリジナルのポーラーパターンを示す模式図である。図５に示すように、感度補正部３１は、６つの無指向性マイク２１ａ～２１ｆの各集音信号Ｓａ～Ｓｆの一つを選択し、選択した集音信号の音響パワーに他の集音信号Ｓａ～Ｓｆの音響パワーが等しくなるように、他の集音信号にゲインＧａ～Ｇｆをかける。
　例えば、無指向性マイク２１ａが出力した集音信号Ｓａを選択し、この集音信号Ｓａの音響パワーＰａを基準にして、音響パワーＰｂ、Ｐｃ、Ｐｄ、Ｐｅ及びＰｆを有する他の集音信号Ｓｂ～Ｓｆの全てを音響パワーＰａに変化させる。即ち、音響パワーＰｂを有する集音信号Ｓｂに、基準となった音響パワーＰａに対する音響パワーＰｂの倍率の逆数をゲインＧｂとして、このゲインＧｂを乗算する。
　また、音響パワーＰｃを有する集音信号Ｓｃに、基準となった音響パワーＰａに対する音響パワーＰｃの倍率の逆数をゲインＧｃとして乗算する。音響パワーＰｄを有する集音信号Ｓｄに対しても、音響パワーＰｅを有する集音信号Ｓｅに対しても、音響パワーＰｆを有する集音信号Ｓｆに対しても同様に逆数を乗算する。
　図６は、この感度補正部３１の詳細構成を示すブロック図である。この感度補正部３１は、６つの無指向性マイク２１ａ～２１ｆから入力された集音信号Ｓａ～Ｓｆに対して、バンドパスフィルタ３１１ａ～３１１ｆ及びパワー算出部３１２ａ～３１２ｆを備える。バンドパスフィルタ３１１ａ～３１１ｆは、各集音信号Ｓａ～Ｓｆから所定周波数領域を抽出する。所定周波数領域としては可聴域が望ましい。パワー算出部３１２ａ～３１２ｆは、バンドパスフィルタ３１１ａ～３１１ｆを経た信号から二乗平均平方根を算出し、各集音信号Ｓａ～Ｓｆのパワー値Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄ、Ｐｅ及びＰｆを得る。
　また、感度補正部３１は、係数算出部３１３と乗算部３１４ａ～３１４ｆとを備える。係数算出部３１３は、各集音信号Ｓａ～Ｓｆのパワー値の１つを基準値とし、この基準値に対するパワー値の倍率の逆数で表される各ゲインＧａ～Ｇｆを得る。乗算部３１４ａ～３１４ｆは、各集音信号Ｓａ～Ｓｆが基準となった集音信号と音響パワーにおいて同一になるように、係数算出部３１３で得られたゲインＧａ～Ｇｆを、対応の集音信号に乗算する。
　次に、ビームフォーマ３２の信号処理を説明する。まず、４つの無指向性マイクロフォンＭ１～Ｍ４が存在する空間を仮定する。図７は、多点制御法に係り、４つの無指向性マイクロフォンＭ１～Ｍ４の周りに設定される制御点Ｄ１～Ｄｎを示す模式図である。図中では、説明の都合上、制御点を水平面にのみ配置しているが、マイクロフォンＭ１～Ｍ４の中心から等距離の球面にｎ個の制御点Ｄ１～Ｄｎを等配置しているものとする。
　そして、制御点Ｄｉ,（ｉ＝１～ｎ）から無指向性マイクＭｋ,（ｋ＝１～ｍ）までの経路において音に変化を与える伝達関数を伝達関数Ｃｉｋ（ω）とし、無指向性マイクＭｋの出力に畳み込む制御フィルタを伝達関数Ｈｋ（ω）とし、各制御点Ｄｉに対する所望応答を応答関数Ａｉ（ω）とする。このとき、各制御点Ｄｉから到来した音を無指向性マイクＭ１～Ｍ４で集音した結果を、所望応答伝達関数Ａｉ（ω）とするには、以下式（１）が満たされるような伝達関数Ｈｋ（ω）が要求される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、上記式（１）において、特定方向にある制御点Ｄｊに対応する所望応答伝達関数Ａｊ（ω），（ｉ＝ｊ）を「１」にし、それ以外の抑圧すべき制御点Ｄｉに対応する所望応答伝達関数Ａｉ（ω），（ｉ≠ｊ）をゼロにすれば、上記式（１）は、制御点Ｄｊの存在方向を特定方向として、この特定方向に指向性を向けるための伝達関数Ｈｋ（ω）,（ｋ＝１～ｍ）を含む式となる。
　そこで、ビームフォーマ３２は、特定方向がユーザにより設定されると、特定方向に合った制御点Ｄｊに対応する所望応答伝達関数Ａｊ（ω）を１にセットし、その他の所望応答伝達関数Ａｉ（ω）をゼロにセットする。そして、ビームフォーマ３２は、一般化逆行列を用いて最小二乗解として伝達関数Ｈｋ（ω）,（ｋ＝１～ｍ）を求める。そして、無指向性マイクＭ１～Ｍ４に対応する伝達関数Ｈ１（ω）～Ｈ４（ω）を無指向性マイクＭ１～Ｍ４の集音信号に畳み込む。
　ビームフォーマ３２は、以上のような多点制御法を適用して、無指向性マイク２１ａ～２１ｆに対応する伝達関数Ｈｋ（ω）を生成して適用することにより、グループＡの集音信号Ｓａ、Ｓｃ、Ｓｄ及びＳｅから特定方向に指向性を有する第１の指向性信号Ｓ１を生成し、またグループＢの集音信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｄ及びＳｆから特定方向に指向性を有する第２の指向性信号Ｓ２を生成する。そして、両指向性信号Ｓ１、Ｓ２は、同一のポーラーパターンを有することになる。そのポーラーパターンとしては、特定方向に指向性を有する単一指向性のカーディオイド型でもよいし、特定方向と其の反対方向に指向性を有する双方向性であってもよい。
　尚、伝達関数Ｃｉｋ（ω）は、自由空間における理想が以下式（２）となる。ただし、伝達関数Ｃｉｋ（ω）は、各無指向性マイク２１ａ～２１ｆと各制御点ｉ間の減衰や遅れなどの伝達特性を実測することで、求めることが望ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 但し、ｒは制御点からマイクまでの距離であり、ｒ／ｃは伝播時間である。
　図８は、このビームフォーマ３２の構成を示すブロック図である。ビームフォーマ３２は、グループＡの集音信号Ｓａ、Ｓｃ、Ｓｄ及びＳｅが入力される制御フィルタ３２１ａ、３２１ｃ、３２１ｄ及び３２１ｅと、制御フィルタ３２１ａ、３２１ｃ、３２１ｄ及び３２１ｅの出力を合算して第１の指向性信号Ｓ１を出力する加算器３２２ａを備える。また、ビームフォーマ３２は、グループＢの集音信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｄ及びＳｆが入力される制御フィルタ３２１ａ、３２１ｂ、３２１ｄ及び３２１ｆと、制御フィルタ３２１ａ、３２１ｂ、３２１ｄ及び３２１ｆの出力を合算して第２の指向性信号Ｓ２を出力する加算器３２２ｂを備える。
　更に、ビームフォーマ３２は、伝達関数Ｈｋ（ω）を生成し、制御フィルタ３２１ａ～３２１ｆにセットする特定方向設定部３２３を備える。この特定方向設定部３２３は、特定方向が設定されると、特定方向に応じた所望応答伝達関数Ａｉ（ω）の行列Ａ（ω）を生成する。また、特定方向設定部３２３は、伝達関数Ｃｉｋ（ω）の行列Ｃ（ω）と伝達関数Ｈｋ（ω）の行列Ｈ（ω）の積を取る。
　そして、特定方向設定部３２３は、所望応答伝達関数行列Ａ（ω）に対して、伝達関数行列Ｃ（ω）と伝達関数行列Ｈ（ω）の乗算結果を差分して誤差ｅと生成する。特定方向設定部３２３は、最急降下法によって誤差ｅが最小になる伝達関数行列Ｈ（ω）を解き、伝達関数Ｈｋ（ω）を制御フィルタ３２１ａ～３２１ｆにセットする。
　ビームフォーマ３２は、対応の伝達関数Ｈｋ（ω）がセットされた制御フィルタ３２１ａ～３２１ｆに対し、グループＡの集音信号Ｓａ、Ｓｃ、Ｓｄ及びＳｅをフーリエ変換して入力し、グループＢの集音信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｄ及びＳｆをフーリエ変換して入力する。そして、ビームフォーマ３２は、制御フィルタ３２１ａ、３２１ｃ、３２１ｄ及び３２１ｅから出力されるグループＡの集音信号Ｓａ、Ｓｃ、Ｓｄ及びＳｅを合算して第１の指向性信号Ｓ１を生成し、制御フィルタ３２１ａ、３２１ｂ、３２１ｄ及び３２１ｆから出力されるグループＢの集音信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｄ及びＳｆを合算して第２の指向性信号Ｓ１を生成する。
　図９の（ａ）はグループＡ由来の第１の指向性信号Ｓ１を示し、（ｂ）はグループＢ由来の第２の指向性信号Ｓ２を示し、横軸に周波数、縦軸に音圧を取ったグラフである。図９の（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１及び第２の指向性信号Ｓ１、Ｓ２は、ビームフォーマによって、特定方向に単一の指向性が強調され、また感度補正部３１によって感度が統一されているため、共通の音成分Ｓｃを有している。一方、各周波数帯にノイズＮ１，Ｎ２が乗っている。
　ここで、６つの無指向性マイク２１ａ～２１ｆの特性は揃えられておらず、６つの無指向性マイク２１ａ～２１ｆの個体差は顕著である。そのため、４つのマイクの組み合わせが異なるグループＡとグループＢを由来とする両指向性信号Ｓ１，Ｓ２に乗っているノイズＮ１及びノイズＮ２は相関性の低い。グループＡとグループＢに属する４つのマイクに重複が無い場合、グループＡとグループＢを由来とする両指向性信号Ｓ１、Ｓ２は、相関性の無いノイズＮ１，Ｎ２を有している。
　そこで、ノイズ処理部３３は、相関性の高い音成分を強調し、音成分の相関性が低ければ低いほど、その音成分を抑圧する信号処理を行う。両指向性信号Ｓ１、Ｓ２に含まれる、特定方向から到来した音成分は、感度補正部３１とビームフォーマ３２によって同一音圧に揃えられているので、このノイズ処理部３３によって強調され、相関性の小さい又は無いノイズＮ１，Ｎ２は抑圧されることになる。
　このノイズ処理部３３は、第１の指向性信号Ｓ１（ｋ）と第２の指向性信号Ｓ２（ｋ）を１サンプルおきに交互に入れ替えて出力する。すなわち、交換信号Ｓｘ（ｋ）及び交換信号Ｓｙ（ｋ）のデータ列は、ｋ＝１、２、３、４・・・において、以下のようになる。
Ｓｘ（ｋ）＝｛Ｓ１（１）　Ｓ２（２）　Ｓ１（３）　Ｓ２（４）・・・｝
Ｓｙ（ｋ）＝｛Ｓ２（１）　Ｓ１（２）　Ｓ２（３）　Ｓ１（４）・・・｝
　ノイズ処理部３３は、交換信号Ｓｘ（ｋ）と交換信号Ｓｙ（ｋ）の誤差を計算し、誤差に応じた係数ｍ（ｋ）を決定する。また、ノイズ処理部３３は、過去の係数ｍ（ｋ－１）を参照して逐次的に係数ｍ（ｋ）を更新する。
　同着の交換信号Ｓｘ（ｋ）と交換信号Ｓｙ（ｋ）の誤差信号ｅ（ｋ）を以下式（３）のように定義する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
　ノイズ処理部３３は、誤差信号ｅ（ｋ）を係数ｍ（ｋ－１）の関数とし、誤差信号ｅ（ｋ）を含む係数ｍ（ｋ）の隣接二項間漸化式を演算することで、誤差信号ｅ（ｋ）が最小となる係数ｍ（ｋ）を探索する。ノイズ処理部３３は、この演算処理により、第１の指向性信号Ｓ１（ｋ）と第２の指向性信号Ｓ２（ｋ）とに時間差が生じていればいるほど、係数ｍ（ｋ）を減少させる方向で更新し、時間差がなければ係数ｍ（ｋ）を１に近づける。そして、ノイズ処理部３３は、第１の指向性信号Ｓ１（ｋ）または第２の指向性信号Ｓ２（ｋ）とに任意の比率で係数ｍ（ｋ）を乗じて出力信号Ｓｏ（ｋ）を出力する。
　図１０は、このノイズ処理部３３の構成例を示すブロック図である。図１０に示すように、ノイズ処理部３３は、前段に、第１の指向性信号Ｓ１（ｋ）と第２の指向性信号Ｓ２（ｋ）の信号列を交互に入れ替えて交換信号Ｓｘ（ｋ）交換信号Ｓｙ（ｋ）を生成する回路である交換部３３１を備え、中段に、係数ｍ（ｋ）を更新する複数の積算器と加算器を備え、後段に、係数ｍ（ｋ）を第１の指向性信号Ｓ１（ｋ）若しくは第２の指向性信号Ｓ２（ｋ）に乗じて出力信号Ｓｏ（ｋ）を生成する積算部３３２を備える。
　中段は、隣接二項間漸化式を体現した回路であり、過去の係数ｍ（ｋ－１）を参照して係数ｍ（ｋ）を漸次更新するものである。ノイズ処理部３３において、長いタップ数を有する適応フィルタは排除されている。
　このノイズ処理部３３において、中段では、交換信号Ｓｙ（ｋ）を参照信号として用いて誤差信号ｅ（ｋ）を生成する。すなわち、交換信号Ｓｘ（ｋ）は、積算器３３５に入力される。積算器３３５は、交換信号Ｓａ（ｋ）に対して１サンプル前の係数ｍ（ｋ－１）の－１倍を掛け合わせる。積算器３３５の出力側には、加算器３３６が接続されている。この加算器３３６には、積算器３３５から出力された信号と交換信号Ｓｙ（ｋ）とが入力され、これら信号を加算することで、瞬時の誤差信号ｅ（ｋ）を得る。
　誤差信号ｅ（ｋ）は、入力信号をμ倍する積算器３３７に入力される。係数μは、１未満のステップサイズパラメータである。積算器３３７の出力側には、積算器３３８が接続される。積算器３３８には、交換信号Ｓｘ（ｋ）と積算器を経た信号μｅ（ｋ）とが入力される。この積算器３３８は、交換信号Ｓｘ（ｋ）と信号μｅ（ｋ）とを乗じ、以下式（４）で表される瞬時二乗誤差の微分信号∂Ｅ（ｍ）２／∂ｍを得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
　積算器３３８には加算器３３９が接続されている。加算器３３９は、以下式（５）を演算することで係数ｍ（ｋ）を完成させ、積算部３３２に係数ｍ（ｋ）をセットする。すなわち、以下式（５）のように、加算器３３９は微分信号∂Ｅ（ｍ）２／∂ｍに対して信号β・ｍ（ｋ－１）を加算することで係数ｍ（ｋ）を完成させる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
　信号β・ｍ（ｋ－１）は、加算器３３９の出力側に１サンプル分だけ信号を遅延させる遅延器３３３と定数βを積算する積算器３３４とが接続されており、１サンプル前の信号処理により更新された係数ｍ（ｋ－１）に対して積算器３３４で定数βを乗じることにより生成される。
　これにより、ノイズ処理部３３では、以下の漸化式（６）の演算処理が実現し、係数ｍ（ｋ）を生成され、サンプリング毎に漸次更新していく。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
　即ち、ノイズ処理部３３は、交換信号Ｓｘ，Ｓｙの片方に係数ｍを乗じた上で交換信号Ｓｘ，Ｓｙの誤差信号ｅを生成する誤差信号生成部と、誤差信号ｅを含む係数ｍの漸化式を演算して係数ｍを１サンプル毎に更新する漸化式演算部を備える。誤差信号生成部は、交換信号Ｓａ（ｋ）に対して１サンプル前の係数ｍ（ｋ－１）の－１倍を掛け合わせる積算器３３５と、積算器３３５から出力された信号と交換信号Ｓｙ（ｋ）とが入力され、これら信号を加算する加算器３３６である。漸化式演算部は、積算器３３５と加算器３３６以外の積算器と加算器である。
　そして、ノイズ処理部３３は、以下の数式（７）を交互に演算し、数式（７）で得られる係数ｍ（ｋ）を指向性信号に乗じる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
　数式（７）において、信号の二乗の項は、ホワイトノイズ等の無相関成分を時間の経過とともに小さくなるように作用する。一方、その隣接項は、相関係数を逐次的に算出する以下の数式（８）の分子部分と同等であり、相関成分の影響を係数ｍに反映させていくこととなる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000008
　つまり、第１の指向性信号Ｓ１に対して第２の指向性信号Ｓ２を近似させようとしたときには、第１の指向性信号Ｓ１の無相関成分は増幅方向となり、第２の指向性信号Ｓ２の無相関成分は抑制方向となる。また、第２の指向性信号Ｓ２に対して第１の指向性信号Ｓ１を近似させようとしたときには、第１の指向性信号Ｓ１の無相関成分は増幅方向となり、第１の指向性信号Ｓ１の無相関成分は抑制方向となる。
　そこで、ノイズ処理部３３は、第１の指向性信号Ｓ１に対して第２の指向性信号Ｓ２を近似させて同期加算しようとする働きと、第２の指向性信号Ｓ２に対して第１の指向性信号Ｓ１を近似させて同期加算しようとする働きとを交互に繰り返す。そのため、無相関成分を増幅及び抑制しようとする働きは、交互に打ち消し合うことになる。即ち、係数ｍ（ｋ）には相関成分の影響を濃く反映させていくことになり、この係数ｍ（ｋ）が乗じられた指向性信号Ｓ１，Ｓ２からは、無指向性マイク２１ａ～２１ｆに固有のノイズが抑制される。
　（効果）
　以上のように、集音装置１は、Ｎ次元で表現される特定方向に指向性を付けるものであり、少なくともＮ＋２個の無指向性マイク２１ａ，２１ｂ，・・・とビームフォーマ３２とノイズ処理部３３を備えるようにした。ビームフォーマ３２は、無指向性マイク２１ａ，２１ｂ，・・・が出力する集音信号Ｓａ，Ｓｂ，・・・に基づき、特定方向に単一指向性を有する２種類の指向性信号Ｓ１，Ｓ２を生成する。ノイズ処理部３３は、２種類の指向性信号Ｓ１，Ｓ２に基づいてノイズ成分を抑制する。
　このビームフォーマは、無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・の出力から選ばれるＮ＋１個の集音信号Ｓａ，Ｓｂ，・・・に基づき、特定方向に単一指向性を有する第１の指向性信号Ｓ１を生成するとともに、第１の指向性信号Ｓ１の生成に用いられたＮ＋１個の集音信号Ｓａ，Ｓｂ・・・とは異なる組み合わせのＮ＋１個の集音信号Ｓｅ，Ｓｆ，・・・に基づき、第１の指向性信号Ｓ１と同じ特定方向に単一指向性を有する第２の指向性信号Ｓ２を生成するようにした。そして、ノイズ処理部３３は、２種類の指向性信号Ｓ１，Ｓ２間で無相関の音成分を抑制するようにした。
　これにより、第１の指向性信号Ｓ１と第２の指向性信号Ｓ２に含まれるノイズ成分は無相関となるため、無相関の音成分を抑制することで、無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・に固有の回路系ノイズや風雑音を抑制でき、ＳＮ比が向上する。
　しかも、集音信号Ｓａ，Ｓｂ・・・を収録した機器に固有の回路系ノイズや風雑音が存在することを寧ろ積極的に利用するものであり、無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・の特性を揃える作業が不要となり、労力の飛躍的な軽減がもたらされ、集音装置１の単価を軽減できる。
　また、少なくともＮ＋２個の無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・が出力する集音信号の感度を揃える感度補正部３１を更に備え、ノイズ処理部３３は、感度補正部３１による補正を経た２種類の指向性信号Ｓ１，Ｓ２間で無相関の音成分を抑制するようにした。
　これにより、無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・が得た、特定方向から到来した音成分が精度良く揃えられ、第１の指向性信号Ｓ１と第２の指向性信号Ｓ２に含まれる、特定方向の音成分の相関性をより高くできる。従って、特定方向の音成分とノイズ成分との相対的な強調又は抑制にメリハリが大きくなり、ＳＮ比がより良好となる。
　ここで、周囲の音を収録するマイクが異なる方向に向く指向性を有すると、各マイクの音圧差が到来方向に由来するのか、感度差に由来するのか不明であり、特定方向から到来した音成分を揃えることは難しい。しかしながら、この集音装置１では、無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・を利用するため、各マイクの音圧差は感度差に由来するものあることに限定でき、特定方向から到来した音成分を揃えることが可能となったものである。
　ノイズ処理部３３は、まず、第１の指向性信号Ｓ１と第２の指向性信号Ｓ２を１サンプル毎に交互に入れ替える。次に、交換信号Ｓｘ，Ｓｙの片方に係数ｍを乗じた上で、交換信号Ｓｘ，Ｓｙの誤差信号を生成する。そして、誤差信号ｅを含む係数ｍの漸化式を演算して係数ｍを１サンプル毎に更新する。この逐次更新された係数ｍを第１の指向性信号Ｓ１又は第２の指向性信号Ｓ２に乗じて出力する。
　これにより、第１の指向性信号Ｓ１に対して第２の指向性信号Ｓ２を近似させて同期加算しようとする働きと、第２の指向性信号Ｓ２に対して第１の指向性信号Ｓ１を近似させて同期加算しようとする働きとを交互に繰り返す。そのため、無相関成分を増幅及び抑制しようとする働きは、交互に打ち消し合うことになる。即ち、係数ｍ（ｋ）には相関成分の影響を濃く反映させていくことになり、この係数ｍ（ｋ）が乗じられた指向性信号Ｓ１，Ｓ２からは、無指向性マイク２１ａ～２１ｆに固有のノイズが抑制される。
　（適用例）
　集音装置１の適用例を図１１及び図１２に示す。図１１及び図１２は、各方位及び各仰角を撮影可能な全方向カメラの例を示す模式図である。マイクロフォンユニット２とパノラマ撮像部１００は一体であり、共に同一の支持部材２３を筐体とし、この支持部材２３にパノラマ撮像部１００が備える複数のカメラ１０１と無指向性マイク２１ａ～２１ｆが取り付けられている。
　例えば、図１１に示すように、支持部材２３は四角柱形状を有する。この支持部材２３の側面のうち、一対の対向面に魚眼レンズにより成る２つのカメラ１０１が１つずつ配分されている。一対の対向面の四隅には余白が生じている。無指向性マイク２１ａ～２１ｆは、この四隅に配分されている。例えば、一方の対向面の三つの隅に無指向性マイク２１ａ～２１ｃが１つずつ配分され、他方の対向面の三つの隅に無指向性マイク２１ｄ～２１ｆが１つずつ配分される。
　また、図１２に示すように、支持部材２３は球形を有する。この支持部材２３に魚眼レンズにより成る２つのカメラ１０１が１８０度離されて配分されている。無指向性マイク２１ａ～２１ｆは、２つのカメラ１０１の脇に配分されている。例えば、一方のカメラ１０１の真上をゼロ度として、当該カメラ１０１に向かい合う方向から見て時計回りに４５度位置、２２５度位置及び３１５度位置に無指向性マイク２１ａ～２１ｃが１つずつ配分され、他方のカメラ１０１の真上をゼロ度として、当該カメラ１０１に向かい合う方向から見て時計回りに１３５度位置、２２５度位置及び３１５度位置に無指向性マイク２１ｄ～２１ｆが１つずつ配分される。
　即ち、同じ支持部材２３にカメラ１０１もマイクロフォンユニット２も一体的に備えられているため、全方向カメラはコンパクトに収まっている。その理由は、集音装置１が無指向性マイク２１ａ～２１ｆを積極的に用いるため、無指向性マイク２１ａ～２１ｆの背後には指向性マイクのような空間が不要だからである。
　また、集音装置１の他の適用例を図１３に示す。パノラマ撮像部１００は、ユーザが把持する棒状の支持部材２３に取り付けられている。マイクロフォンユニット２は、このユーザが把持する支持部材２３に内蔵されている。即ち、この支持部材２３に内接する仮想の六角柱の各隅に無指向性マイク２１ａ～２１ｆが取り付けられている。このように、無指向性マイク２１ａ～２１ｆはユーザの把持する棒に内蔵させることもできるので、全方向カメラはコンパクトに収まる。無指向性マイク２１ａ～２１ｆの背後には指向性マイクのような空間が不要だからである。
　パノラマ撮像部１００の撮像データと集音信号Ｓａ～Ｓｆは、ユーザのパーソナルコンピュータ１０２に転送される。パーソナルコンピュータ１０２には、撮像データから特定方向の画像をレンダリングする画像処理と、指向性制御装置３を実現するためのアプリ１０３がインストールされている。アプリ１０３に対してユーザがキーボードやマウス等のマンマシンインターフェースを用いて入力した特定方向を示す情報は、ビームフォーマ３２に渡され、ビームフォーマ３２は当該特定方向を示す情報に従って所望応答伝達関数行列Ａ（ω）を生成する。
　このように、特定方向の入力を受け付けるキーボードやマウス等の入力部を更に備え、ビームフォーマ３２は、入力部が受け付けた特定方向に指向性を形成するようにすればよい。
　また、複数のカメラ１０１を有し、周囲各方向を撮影するパノラマ撮像部１００を更に備え、少なくともＮ＋２個の無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・は、複数のカメラ１０１間の合間に配分されて取り付けられているようにした。これにより、複数のカメラ１０１に無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・が写り難くなり、品質の高い撮影が可能となる。複数のカメラ１０１間の合間に配分できるのは、無指向性マイク２１ａ，２１ｂ・・・の裏に空間を必要としないためである。
　（その他の実施形態）
　以上のように、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これら新規な実施形態は、そのほかの様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
　例えば、ノイズ処理部３３は、交換信号の片方に係数ｍを乗じた上で、交換信号の誤差信号を生成し、この誤差信号を含む係数ｍの漸化式を演算して係数ｍを１サンプル毎に更新するようにすれば、上記実施形態に限定することなく、その他の態様で実現可能である。
　また、この集音装置１は、ＣＰＵやＤＳＰのソフトウェア処理として実現してもよいし、専用のデジタル回路で構成するようにしてもよい。ソフトウェア処理として実現する場合には、ＣＰＵ、外部メモリ、ＲＡＭを備えるコンピュータにおいて、感度補正部３１、ビームフォーマ３２及びノイズ処理部３３と同一の処理内容を記述したプログラムをＲＯＭやハードディスクやフラッシュメモリ等の外部メモリに記憶させ、ＲＡＭに適宜展開し、ＣＰＵで其のプログラムに従って演算を行うようにすればよい。
１　集音装置
２　マイクロフォンユニット
２１ａ～２１ｆ　無指向性マイク
２２　不揮発性メモリ
２３　支持部材
３　指向性制御装置
３１　感度補正部
３１１ａ～３１１ｆ　バンドパスフィルタ
３１２ａ～３１２ｆ　パワー算出部
３１３　係数算出部
３１４ａ～３１４ｆ　乗算部
３２　ビームフォーマ
３２１ａ～３２１ｆ　制御フィルタ
３２２ａ、３２２ｂ　加算器
３２３　特定方向設定部
３３　ノイズ処理部
３３１　交換部
３３２　積算部
３３３　遅延器
３３４　積算器
３３５　積算器
３３６　加算器
３３７　積算器
３３８　積算器
３３９　加算器
３４　メモリ
１００　パノラマ撮像部
１０１　カメラ
１０２　パーソナルコンピュータ
１０３　アプリ

Claims (14)

  1. 　Ｎ次元で表現される特定方向に指向性を付ける集音装置であって、
    　周囲の音を測定して集音信号を出力する、少なくともＮ＋２個の無指向性マイクと、
    　前記無指向性マイクが出力する集音信号に基づき、特定方向に単一指向性を有する２種類の指向性信号を生成するビームフォーマと、
    　前記２種類の指向性信号に基づいてノイズ成分を抑制するノイズ処理部と、
    　を備え、
    　前記ビームフォーマは、
    　前記無指向性マイクの出力から選ばれるＮ＋１個の集音信号に基づき、特定方向に単一指向性を有する第１の指向性信号を生成するとともに、
    　前記第１の指向性信号の生成に用いられた前記Ｎ＋１個の集音信号とは異なる組み合わせのＮ＋１個の集音信号に基づき、前記第１の指向性信号と同じ特定方向に単一指向性を有する第２の指向性信号を生成し、
    　前記ノイズ処理部は、
    　前記２種類の指向性信号間で無相関の音成分を抑制すること、
    　を特徴とする集音装置。
  2. 　前記少なくともＮ＋２個の無指向性マイクが出力する集音信号の感度を揃える感度補正部を更に備え、
    　前記ノイズ処理部は、前記感度補正部による補正を経た前記２種類の指向性信号間で無相関の音成分を抑制すること、
    　を特徴とする請求項１記載の集音装置。
  3. 　３次元で表される特定方向に指向性を付け、
    　少なくとも５個以上の前記無指向性マイクを備え、
    　前記ビームフォーマは、
    　前記無指向性マイクの出力から選ばれる４個の集音信号に基づき、特定方向に単一指向性を有する第１の指向性信号を生成するとともに、
    　前記第１の指向性信号の生成に用いられた前記４個の集音信号とは異なる組み合わせの４個の集音信号に基づき、前記第１の指向性信号と同じ特定方向に単一指向性を有する第２の指向性信号を生成すること、
    　を特徴とする請求項１又は２記載の集音装置。
  4. 　前記無指向性マイクは、
    　四面体の各頂点方向を向いた当該無指向性マイクの組み合わせを２種類選択できるように、立体配置され、
    　前記２種類の四面体は、合同でも相似でもないか、位置が異なるか、向きが異なるか、又はこれらの組み合わせの関係を有すること、
    　を特徴とする請求項３記載の集音装置。
  5. 　２次元で表される特定方向に指向性を付け、
    　少なくとも４個以上の前記無指向性マイクを備え、
    　前記ビームフォーマは、
    　前記無指向性マイクの出力から選ばれる３個の集音信号に基づき、特定方向に単一指向性を有する第１の指向性信号を生成するとともに、
    　前記第１の指向性信号の生成に用いられた前記３個の集音信号とは異なる組み合わせの３個の集音信号に基づき、前記第１の指向性信号と同じ特定方向に単一指向性を有する第２の指向性信号を生成すること、
    　を特徴とする請求項１又は２記載の集音装置。
  6. 　前記特定方向の入力を受け付ける入力部を更に備え、
    　前記ビームフォーマは、前記入力部が受け付けた前記特定方向に指向性を形成すること、
    　を特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の集音装置。
  7. 　複数のカメラを有し、周囲各方向を撮影するパノラマ撮像部を更に備え、
    　前記少なくともＮ＋２個の無指向性マイクは、前記複数のカメラ間の合間に配分され、又は複数のカメラを支えるユーザ把持用の棒に取り付けられていること、
    　を特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の集音装置。
  8. 　前記ノイズ処理部は、
    　前記第１の指向性信号と前記第２の指向性信号を１サンプル毎に交互に入れ替えることで、一対の交換信号を生成する交換部と、
    　前記交換信号の片方に係数ｍを乗じた上で、前記交換信号の誤差信号を生成する誤差信号生成部と、
    　前記誤差信号を含む係数ｍの漸化式を演算して係数ｍを１サンプル毎に更新する漸化式演算部と、
    　逐次更新された係数ｍを前記第１の指向性信号又は前記第２の指向性信号に乗じて出力する積算部と、
    　を備えること、
    　を特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の集音装置。
  9. 　Ｎ次元で表現される特定方向に指向性を付ける指向性制御装置であって、
    　少なくともＮ＋２個の無指向性マイクが生成した各集音信号を記憶する記憶部と、
    　前記記憶部の集音信号に基づき、特定方向に単一指向性を有する２種類の指向性信号を生成するビームフォーマと、
    　前記２種類の指向性信号に基づいてノイズ成分を抑制するノイズ処理部と、
    　を備え、
    　前記ビームフォーマは、
    　前記記憶部から選ばれるＮ＋１個の集音信号に基づき、特定方向に単一指向性を有する第１の指向性信号を生成するとともに、
    　前記第１の指向性信号の生成に用いられた前記Ｎ＋１個の集音信号とは異なる組み合わせのＮ＋１個の集音信号に基づき、前記第１の指向性信号と同じ特定方向に単一指向性を有する第２の指向性信号を生成し、
    　前記ノイズ処理部は、
    　前記２種類の指向性信号間で無相関の音成分を抑制すること、
    　を特徴とする指向性制御装置。
  10. 　前記少なくともＮ＋２個の集音信号の感度を揃える感度補正部を更に備え、
    　前記ノイズ処理部は、前記感度補正部による補正を経た前記２種類の指向性信号間で無相関の音成分を抑制すること、
    　を特徴とする請求項９記載の指向性制御装置。
  11. 　前記ノイズ処理部は、
    　前記第１の指向性信号と前記第２の指向性信号を１サンプル毎に交互に入れ替えることで、一対の交換信号を生成する交換部と、
    　前記交換信号の片方に係数ｍを乗じた上で、前記交換信号の誤差信号を生成する誤差信号生成部と、
    　前記誤差信号を含む係数ｍの漸化式を演算して係数ｍを１サンプル毎に更新する漸化式演算部と、
    　逐次更新された係数ｍを前記第１の指向性信号又は前記第２の指向性信号に乗じて出力する積算部と、
    　を備えること、
    　を特徴とする請求項９又は１０記載の指向性制御装置。
  12. 　Ｎ次元で表現される特定方向に指向性を付ける指向性制御方法であって、
    　少なくともＮ＋２個の無指向性マイクが生成した各集音信号に基づき、特定方向に単一指向性を有する２種類の指向性信号を生成するビームフォーミングステップと、
    　前記２種類の指向性信号に基づいてノイズ成分を抑制するノイズ抑制ステップと、
    　を含み、
    　前記ビームフォーミングステップは、
    　少なくともＮ＋２個の前記集音信号のうちのＮ＋１個の集音信号に基づき、特定方向に単一指向性を有する第１の指向性信号を生成するとともに、
    　前記第１の指向性信号の生成に用いられた前記Ｎ＋１個の集音信号とは異なる組み合わせのＮ＋１個の集音信号に基づき、前記第１の指向性信号と同じ特定方向に単一指向性を有する第２の指向性信号を生成し、
    　前記ノイズ抑制ステップは、
    　前記２種類の指向性信号間で無相関の音成分を抑制すること、
    　を特徴とする指向性制御方法。
  13. 　前記少なくともＮ＋２個の集音信号の感度を揃える感度補正ステップを更に含み、
    　前記ノイズ抑制ステップは、前記感度補正ステップによる補正を経た前記２種類の指向性信号間で無相関の音成分を抑制すること、
    　を特徴とする請求項１２記載の指向性制御方法。
  14. 　前記ノイズ処理ステップは、
    　前記第１の指向性信号と前記第２の指向性信号を１サンプル毎に交互に入れ替えることで、一対の交換信号を生成する交換ステップと、
    　前記交換信号の片方に係数ｍを乗じた上で、前記交換信号の誤差信号を生成する誤差信号生成ステップと、
    　前記誤差信号を含む係数ｍの漸化式を演算して係数ｍを１サンプル毎に更新する漸化式演算ステップと、
    　逐次更新された係数ｍを前記第１の指向性信号又は前記第２の指向性信号に乗じて出力する積算ステップと、
    　を備えること、
    　を特徴とする請求項１２又は１３記載の指向性制御方法。
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