JP2003519816A - 信号の品質を決定するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 短時間の外乱がある場合でさえ、発生する品質信号Ｑと人間の品質認知との間に高い相関が得られる信号の品質決定手段を提供する。 【解決手段】 オーディオすなわち音声の信号処理および／または伝送システムの出力信号（Ｘ（ｔ））の品質を決定するための客観的測定技術により、該出力信号および参照信号（Ｙ（ｔ））が適当に選ばれた認知モデルの代表信号（Ｒ（Ｘ），Ｒ（Ｙ））にマップされる。該代表信号の微分信号（Ｄ（ｔ））が時間平均デバイス（１７）において２つのステップで、直列につながれた２つの平均メンバ（３１・３２）によって時間平均され、それによって品質信号Ｑが発生する。該時間平均は、さまざまな平均関数、たとえば、好ましくはさまざまなｐ値ｐ１＞ｐ２をもつルベーグｐ平均関数を使って、それぞれ局部および全体レベルで、第１・第２平均メンバによってなされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明はオーディオおよび音声信号のようなサウンド信号の品質測定分野に属
する。さらに詳しくは、対象測定技術により、それぞれ請求項１および７の前文
による参照信号に関し、信号処理システムの出力信号の品質を決定するための方
法および装置に関するものである。このようなタイプの方法および装置は、たと
えば参考文献１〜６（後述）から公知である。公知技術によれば、その品質が決
定されるべきオーディオ信号処理・伝送システムの出力信号と参照信号が、人の
ヒアリングの精神・物理認知モデルにより代表信号上にマップされる。参照信号
として、参考文献１〜５のようにシステムの入力信号が使われる。しかし、たと
えば参考文献６にあるような参照信号として、出力信号から再生されたオリジナ
ルの入力信号の評価も使われる。次に、出力信号内にあるシステムの外乱を表す
代表信号から、時間の関数として微分信号が決定される。以後、外乱信号として
も述べる時間依存微分信号は、微分信号、比信号あるいはこの２つの結合であり
、参照信号から外れる出力信号まで含む時間依存表現を構成する。さいごに、外
乱信号が時間的に平均されて時間に依存しない品質信号が得られる。これが出力
信号の音声認知の品質の測定である。

【０００２】

【従来の技術】

オーディオ信号を聴くとき、すでにその中にある短い外乱（ｄｉｓｔｕｒｂａ
ｎｃｅ）により信号全体の品質に重大な影響が与えられる現象が知られている。
これは語られる言葉や音楽ばかりでなく、一般にサウンド信号の再生にも当ては
まる。線形時間平均を取ると、人の音響認知と測定技術で得られた品質信号との
間に、あまり相関が得られない。時間平均関数として２乗平均平方根を用いると
少し改善されるがまだ相関は低い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】

本発明の目的は、とりわけ、上記現象がおこる場合、出力信号を人が認知する
品質と測定技術によって得られる品質信号の間に高い相関が得られる上記タイプ
の方法および装置を提供することにある。本発明が基づく考慮は次の点である。
線形時間平均と２乗平均平方根法は、それぞれｐ＝１とｐ＝２に対するルベーグ
ｐ平均関数あるいはルベーグｐノルム関数（Ｌｐノルム）の特別な場合である。
このノルム関数に対し、ｐが増加すると、ノルムの値は関数ｆの最大値により一
層近づく。外乱信号に平均関数としてＬｐノルムを適用すると、増加するｐに対
し、平均した結果、平均間隔よりも高い外乱信号の値が一層支配的に得られる。

【０００４】 現行品質測定技術において、２つの文あるいはその部分からなり約１０秒間続
く語られた文のテスト信号を使うことになっている。語られた語の場合、（平均
約０．３秒間続く）１シラブルは、音声信号が外乱するとき、明確でない。つま
り外乱したシラブルの信号を表す部分からなる外乱信号において、その信号部分
は線形平均で得られた信号値を超える平均信号値に置き換えられ、品質の決定に
関係のある情報を引き出す。このより高い平均信号値は、たとえば比較的高いｐ
値をもつＬｐノルムを信号部分に適用することにより、得られる。しかし、文レ
ベルでは、たとえばｐ＝１や２のような比較的低いｐ値をもつＬｐノルムのよう
な線形平均に対応する平均関数が適用されるように、先行する第１文やその部分
が外乱を受けさえすれば、第２文やその部分が明確であり続ける。

【０００５】 一般に任意のオーディオ信号にも適用できる本発明は、公知の単一時間平均の
代りに、二重のすなわち２段階時間平均を用いる。これは次の２つのサブ工程か
らなる：結合ステップで得られる時間依存外乱信号が、まず局部レベルすなわち
比較的短い時間間隔で第１平均関数に処理され、第１時間間隔あたりの平均値が
得られる第１サブ工程、および、第１サブ工程で得られた平均値が全信号持続時
間にわたって第２平均関数に処理される第２サブ工程。第１平均関数は第２平均
関数と異なり、第２平均関数よりも線形平均から強く外れている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】

本発明によれば、上記方法および装置は、それぞれ請求項１および６の特性を
有する。 第１の好ましい態様において、平均関数はＬｐノルムに基づいて適用される。
すなわち、第１サブ工程においては比較的高いｐ値をもつＬｐノルム、また第２
サブ工程においては比較的低いｐ値をもつＬｐノルムに基づく。 このため、方法と装置はそれぞれ請求項３および７の特性をもつことが好まし
い。 さらなる方法および装置の好ましい態様は、従属請求項に要約されている。

【０００７】 〔参考文献〕 １． ベーレンズＪ．Ｇ．、ステメルディンクＪ．Ａ．「心理音響学的サウンド
表現に基づく知覚音質測定」音響工学学会誌、４０巻１２号、１９９２年１２月
、９６３−９７８頁 ２． ＷＯ−Ａ−９６／２８９５０ ３． ＷＯ−Ａ−９６／２８９５２ ４． ＷＯ−Ａ−９６／２８９５３ ５． ＷＯ−Ａ−９７／４４７７９ ６． ＷＯ−Ａ−９６／０６４９６ すべての参考文献が本発明の理解の参考になる。

【０００８】

【発明の実施の形態】

図１に、サウンド信号の品質を決定するための公知の測定装置の構成を概略的
に示す。この装置は信号入力１１・１２、および信号カプリング１３・１４によ
って結合デバイス１５の信号入力につながる信号出力をもつ信号プロセッサ１０
からなる。結合デバイス１５は信号カプリング１６によって時間平均デバイス１
７の信号入力につながる信号出力をもつ。時間平均デバイス１７は測定装置全体
の出力となる信号出力１８をもつ。

【０００９】 この公知の測定装置は次のように使われる。入力１１・１２にそれぞれ、その
品質が決定されるべき入力信号Ｘ（ｔ）と参照信号Ｙ（ｔ）が供給される。入力
信号Ｘ（ｔ）はオーディオまたは音声信号処理、および／または伝送システムの
出力信号である。信号プロセッサ１０は信号Ｘ（ｔ）とＹ（ｔ）を処理し、（ハ
ードウエアおよび／またはソフトウエアに）内蔵された人のヒアリング認知モデ
ルによって、Ｘ（ｔ）およびＹ（ｔ）を表す代表信号Ｒ（Ｘ）およびＲ（Ｙ）を
生じる。たいてい、代表信号は時間および周波数（Ｈｚあるいはバーク・スケー
ル）の関数である。Ｒ（Ｘ）とＲ（Ｙ）はそれぞれ信号カプリング１３・１４を
経て、結合デバイス１５に送られる。結合デバイス１５で、比信号あるいは絶対
微分信号の比較・較正・決定および周波数積分のようなさまざまな操作を代表信
号に行って、時間依存外乱信号Ｄ（ｔ）が得られ、信号カプリング１６を経て時
間平均デバイス１７に送られる。デバイス１７において、信号Ｄ（ｔ）は時間積
分されて時間平均を取られる。その結果、信号出力１８に品質信号Ｑが得られる
。時間に依存しない品質信号Ｑは信号Ｘ（ｔ）の聴覚認知の品質に対する程度を
表す。時間平均として、信号Ｄ（ｔ）の時間積分を信号の全持続時間で割った線
形時間平均がよく使われる（たとえば、参考文献１の９７７−９７８頁の付録Ｆ
を参照）。しかし、そのような時間の平均によって、信号全体の品質認知に重大
な影響をもつサウンド信号の外乱が平均化される。この場合、人の品質認知と品
質信号との間の相関が乏しくなる。時間平均関数として２乗平均平方根を用いる
と、ある相関が得られるが、まだ低い。

【００１０】 線形時間平均と２乗平均平方根はルベーグｐ平均関数あるいはルベーグｐノル
ム（Ｌｐノルム）の特別な場合である。 メジャーμをもつ特定インタバル（ａ，ｂ）にわたって積分可能な関数ｆに対
して、

【００１１】

【数１】

【００１２】 また、それぞれｐ＝１，ｐ＝２に対するインタバル（ａ，ｂ）において不連続
な点ｘ_i （ｉ＝１，…，ｎ）で定義される関数ｆに対して、

【００１３】

【数２】

【００１４】 このノルムの場合、増加するｐに対し、ノルムの値はインタバル内でｆの最大
値ｆ_max により一層近づき、ｐ→∞に対する上限で、Ｌ∞（ｆ）＝ｆ_max となる
。平均関数としてこのようなノルムを外乱信号（の一部）に適用する効果は、増
加するｐに対し、より高い外乱信号値が一層支配的になることである。Ｌ_p ノル
ムにおいて、一般にｐＥＲが適用される。しかし、本発明の場合、ｐＥＲ₍₊₎ が
一層意味がある。

【００１５】 品質信号内の比較的短時間の外乱の影響を平均化することを避けるため、図２
のような２つのサブステップで時間平均ステップが実行される。２つの異なる平
均関数が相次いで外乱信号に適用され、第１サブステップにおける第１平均関数
は第２平均関数よりも支配的に現れるより高い外乱信号値をもつ。一般に、その
ような対の平均関数は、個々の選択、たとえばシミュレーションによって決定さ
れる。Ｌｐノルムを適用する場合、第２サブ工程のｐ値よりも大きなｐ値をもつ
Ｌｐノルムを、第１サブ工程に選ぶだけでよい。Ｌｐノルムは凸関数、すなわち
ｐ＝１，２，…に対しｇ（ｘ）＝｜ｘ｜^p で、その逆関数ｇ^-1（ｘ）＝｜ｘ｜^{1/ p} をもつ関数の特別な形なので、凸関数の一般クラスにおいて、他の適当な対が
見つかることが期待される。次は上記式（１）、（２）の一層一般的な形である
。

【００１６】

【数３】

【００１７】 第１・第２平均工程において平均関数が基づく適当な関数は、たとえば、第１
ステップでｐ＝１，２，…をもつｇ₁ （ｘ）＝ｅｘｐ（ｐｘ）で、逆関数ｇ₁ ^-1 （ｘ）＝ｐ^-1ｌｎ（ｘ）をもち、第２工程ではｇ₂ （ｘ）＝｜ｘ｜またはｇ₂ （
ｘ）＝｜ｘ｜² である。以下、簡単化のため、平均関数としてＬｐノルムのみを
扱うが、本発明はこれのみに限定されるものではない。

【００１８】 図２（ａ）に、時間の関数として外乱信号Ｄ（ｔ）を示す。横軸に時間、縦軸
に信号Ｄ（ｔ）（の強さ）を取ってある。第１サブステップで、信号Ｄ（ｔ）の
全持続時間Ｔ_tot がｎ個のインタバルＴ_i （ｉ＝１，…，ｎ）に区切られ、これ
らは等しい持続時間Ｔ_int であることが好ましい。また信号Ｄ（ｔ）は、インタ
バルＴ_i あたり信号部分Ｄ_i （ｔ）をもつ各部分に分けられる。次に、各インタ
バルＴ_i で、まず比較的高いｐ値のｐ₁ （たとえば、ｐ₁ ＝６）で式（１）のＬ _p ノルムによって時間平均が決められる。ここで、図２（ａ）には例示として、
信号Ｄ（ｔ）を連続関数として表してあることに注意すべきである。信号Ｄ（ｔ
）は、たとえばインタバルあたり連続関数のサンプリング点として考えられる２
０の値の時間的に連続する列の形で、結合デバイス１５の出力に離散時間関数と
して利用できる。この場合、Ｌｐノルムは式（２）から決まる。ｉ＝１，…，ｎ
に対する時間平均Ｌ_p1（Ｄ_i ）の値は、図２（ｂ）に短い横ダッシュ２１によっ
て、各インタバルＴ_i に対して表されている。比較のため、ｐ₁ ＝１およびｐ₁
＝∞に対する時間平均Ｌ₁ （Ｄ_i ）およびＬ∞（Ｄ_i ）が、それぞれ長い横ダッ
シュ２２および点２３によって示されている。

【００１９】 第２サブ工程で、値Ｌ_p1（Ｄ_i ）のＬ_p ノルムが比較的低いｐ値のｐ₂ ＜ｐ₁
（たとえば、ｐ₂ ＝１あるいは２）を伴って式（２）により全持続時間Ｔ_tot に
わたって、インタバルＴ_i あたり決定され、これが品質信号Ｑとなる。図２の（
ｃ）に、ｐ₂ ＝１に対するノルムＬ_p2によるｎインタバルにわたる平均値Ｌ_p1（
Ｄ_i ）、Ｌ₁ （Ｄ_i ）およびＬ∞（Ｄ_i ）を、それぞれ短い横ダッシュ２４、長
い横ダッシュ２５、および点２６で示す。ダッシュ２５に示すＱの値は、ｐ₁ ＝
ｐ₂ ＝１をもって２ステップ平均によって得られ、Ｌ₁ ノルムが適用される公知
の単一時間平均によって得られる値に実質的に対応する。これは、本発明によっ
て描かれる相関の改善がｐ₁ ＞ｐ₂ であれば得られることを意味している。

【００２０】 第１サブ工程で各インタバルＴ_i において信号部分Ｄ_i （ｔ）の最大値を決め
ることが簡単なら、たとえばｐ₁ ＝∞が選ばれる。第２サブ工程で、ｐ₂ ＝１と
いう選択が最も簡単である。 ２工程時間平均を用いると、最終的な品質信号に対する短時間の外乱の影響は
重要であり続ける。語られた語のテスト信号に対し、Ｔ_tot は約１０秒間で、語
られたシラブルの平均持続時間は約０．３秒であり得る。

【００２１】 ｐ値の変動は別として、特に第１サブ工程において、短時間の外乱の影響もイ
ンタバルＴ_i を適当に選ぶことにより、たとえば語られた語や音楽、信号の関数
、およびＸ（ｔ）が出力信号であるオーディオや音声信号処理および／または伝
送システムの関数として、操作できる。語られた語をもつテスト信号の場合、シ
ラブルの平均持続時間は約０．３秒である。しかし、この平均時間は場合によっ
ては故意にゆっくりあるいは速く発音された文になると、著しく変わり得る。同
様のことが音楽信号の場合にも当てはまる。

【００２２】 短時間外乱を操作する他の方法は、インタバルの境目にある重なり合うインタ
バルを選ぶことである。この重なりはたとえば１０％で、次のインタバルＴ_i+1
がインタバルＴ_i の０．９で始まり、あるいは５０％で、このときにはＴ_i+1 は
Ｔ_i の半分から始まる。 サウンド信号を聴くとき、最も後に聴かれたサウンド信号部分は一般にさいし
ょに聴かれた信号部分よりも大きな品質認知効果をもつ。第２サブステップでよ
りよく表現された品質信号の効果により、重み関数ｗ（ｔ）を使って重み平均が
適用される。 離散値であろうとなかろうと、ｗ（ｔ）はＴ_tot にわたって０〜１の値をもつ
。すなわち、

【００２３】

【数４】

【００２４】 各インタバルＴ_i に対し、たとえばｗ（ｔ）の最大値に等しい重みｗ_i が配分
される。 ここで、式（２）のノルム関数は次式のようになる。

【００２５】

【数５】

【００２６】 図３に示すように、時間平均デバイス１７は２つの平均メンバー３１・３２か
らなる。第１平均メンバー３１は信号カプリング１６を経て結合デバイス１５か
ら外乱信号Ｄ（ｔ）を受け、第１サブステップによって処理する。信号Ｄ（ｔ）
はｎ個のインタバルＴ_i （ｉ＝１，…，ｎ）にわたって、ｎ個のサブ信号Ｄ_i （
ｔ）に区切られ、比較的高いｐ値であるｐ₁ をもつＬｐノルムを使って時間平均
信号値Ｌ_p1（Ｄ_i ）の時系列に変換される。この信号値Ｌ_p1（Ｄ_i ）の列は、信
号カプリング３３を経て第２平均メンバ３２に送られる。ここで式（２）あるい
は（２’）によって、比較的低いｐ値であるｐ₂ をもつＬｐノルムによって、平
均信号値Ｌ_p2（Ｌ_p1（Ｄ））が決められる。この値Ｌ_p2（Ｌ_p1（Ｄ））は、第２
平均メンバ３２から時間平均デバイス１７の信号出力１８として、品質信号Ｑを
送り出す。

【図面の簡単な説明】

【図１】 サウンド信号の品質を決定するための従来の装置の概略ブロック図。

【図２】 （ａ）時間の関数としての一例からなる外乱信号Ｄ（ｔ）のグラフ、（ｂ）第
１サブステップにおけるサブ信号の平均信号値を示すグラフ、および（ｃ）第２
サブステップにおけるいくつかの品質信号値を示すグラフ。

【図３】 本発明による時間平均デバイスの構成を示すブロック図。

【符号の説明】

１０： 信号プロセッサ １５： 結合デバイス １７： 時間平均デバイス ３１・３２： 平均メンバ Ｘ（ｔ）： 入力信号 Ｙ（ｔ）： 参照信号 Ｒ（Ｘ）・Ｒ（Ｙ）： 代表信号 Ｄ（ｔ）： 外乱信号 Ｑ： 品質信号

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 出力信号を処理して第１代表信号を発生させ、 参照信号を処理して第２代表信号を発生させ、そして 該第１及び第２代表信号を結合して時間に依存しない品質信号を形成する工程
   からなり、 該結合の工程が、時間の関数として微分信号を決定し、そして 外乱信号を時間にわたって平均し、時間に依存しない品質信号を発生させる工
   程からなる、客観的測定技術により、参照信号に関し、信号処理システムの出力
   信号の品質を決定する方法において、 該時間にわたって平均する工程が、 微分信号の持続時間にわたる一連の継続的インタバルの各インタバルにおいて
   、第１平均関数によって外乱信号の第１信号平均を決定する第１サブ工程、およ
   び 該持続時間にわたって、第１平均関数とは異なる第２平均関数によって第１信
   号平均から第２信号平均を決定する第２サブ工程からなりそして品質信号が第２
   信号平均を含むことを特徴とする信号処理システムの出力信号の品質決定方法。
2. 【請求項２】 第１平均関数が、第２平均関数よりも高い信号値がその平均
   結果により支配的に現れる平均関数であることを特徴とする請求項１の方法。
3. 【請求項３】 第１及び第２平均関数が、それぞれ互いに異なるｐ値ｐ１お
   よびｐ２（ｐ１＞ｐ２）をもつルベーグｐ平均Ｌｐによる関数であることを特徴
   とする請求項２の方法。
4. 【請求項４】 ｐ１＝∞、ｐ２＝１であることを特徴とする請求項３の方法
   。
5. 【請求項５】 第１サブ工程におけるインタバルが互いに重なり合うインタ
   バルであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項の方法。
6. 【請求項６】 第２サブ工程の第２平均関数が重み平均からなることを特徴
   とする請求項１〜５のいずれか１項の方法。
7. 【請求項７】 出力信号を処理し、第１代表信号を発生するための第１信号
   処理デバイス、 参照信号を処理し、第２代表信号を発生するための第２信号処理デバイス、お
   よび 該第１及び第２代表信号を結合し、時間に依存しない品質信号を発生するため
   の結合回路からなり、 該結合回路が、時間の関数として微分信号を決定するための微分デバイス、お
   よび 時間に依存しない品質信号を発生するための時間平均デバイスからなる、客観
   的測定技術により、参照信号に関し、信号処理システムの出力信号の品質を決定
   するための装置において、 該時間平均デバイスが、微分信号の持続時間にわたる一連の継続的インタバル
   の各インタバルにおいて第１平均関数によって参照信号の第１信号平均を決定す
   るための第１平均メンバ、および該持続時間にわたって第１平均関数とは異なる
   第２平均関数によって第１信号平均から第２信号平均を決定するための第２平均
   メンバからなり、そして品質信号は第２信号平均を含むことを特徴とする出力信
   号を決定するための装置。
8. 【請求項８】 第１及び第２平均メンバが、それぞれ互いに異なるｐ値ｐ１
   およびｐ２（ｐ１＞ｐ２）をもつルベーグｐ平均Ｌｐによる平均関数を実行する
   ように構成されていることを特徴とする請求項７の装置。
9. 【請求項９】 ｐ１＝∞およびｐ２＝１であることを特徴とする請求項８の
   装置。