JP2016515342A - ノイズ低減法、およびシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】一配列のマイクロホンから受けた信号中の不要音を低減するノイズ低減法、およびシステムを開示する。【解決手段】本方法は、左右マイクロホン出力信号を発生するために配置されたマイクロホンにより、特定目標方向まわりに分配された音源の探知ステップと、左右マイクロホン信号の強度、または電力の評価ステップと、左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出される強度、または電力、または値の差に基づく信号減衰ステップ、を含むものである。【選択図】 図１
Description
本発明は、ノイズ低減法、およびその方法を実施するよう構成されたシステムに関する。発明の実施例は、参考文献によりここに組み込まれた内容であるWO2012/065217刊行の国際特許出願第PCT/AU2011/001476号に記載された、方法、またはシステムの発展形態、または代替形態を示したものである。
補聴器のような聴覚機器では、背景ノイズは音声の明瞭度にとって有害である。最新の聴覚機器はマイクロホン出力信号パスにノイズ低減処理技術を導入することによってこの問題に対応している。その目的は、機器使用者に聞き取れるようにSN比(SNR)を増大させ、それにより、聴覚機器装着者の聴き取りを容易、かつ明瞭に改善することにある。
ノイズ低減処理の成否は、ノイズ評価のための適切な基準信号の発生に強く依存している。その理由は、基準信号が、理想的には目標信号だけを残すようなノイズ除去を目的とした適応フィルタ最適化のために使用されるからである。しかし、このような基準評価は、音声検出のようなよく知られた技法がエラーの影響を受けやすいため、しばしば不正確なものとなる。更に、このような不正確さは、特に、ノイズ低減機能が最も必要とされる低SN比において、処理音(対象の歪)の出力品質の不適切なフィルタリングと劣化を招くことになる。
そこで、改良したノイズ低減法とシステムの必要性が残されることとなる。
本発明の第一の実施例は、一配列のマイクロホンから受けた信号の不要音を低減するためのノイズ低減法で、次のステップを含むものである。すなわち、左右マイクロホン出力信号発生のための、一配列のマイクロホンによる特定目標方向まわりへの探知音源の分配ステップ；左右マイクロホン信号の強度、または電力の評価ステップ；左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出した強度、または電力、または値の差に基づく信号減衰ステップである。
本方法は更に次のステップを含んでもよい。すなわち、左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出した強度、または電力、または値の合計と、左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出した強度、または電力、または値の差の比較に基づき、更に信号を減衰するステップにおける、左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出した強度、または電力、または値の合計の評価ステップである。
信号減衰ステップは、左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出した強度、または電力、または値の合計に対する、左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出した強度、または電力、または値の差の比率に基づいてもよい。
減衰ステップは、１−比率に基づいてもよい。
減衰ステップは、比率変換に基づいてもよい。
減衰ステップは、１−比率変換に基づいてもよい。
左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出した強度、または電力、または値の差は、時間-平均であってもよい。
左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出した強度、または電力、または値の合計は、時間-平均であってもよい。
時間-平均ステップは、非対称立ち上り、立ち下り時間を含んでもよい。
時間-平均ステップは、固有振動数でもよい。
減衰ステップは、他の周波数帯からの低周波数減衰の評価を含んでもよい。
減衰ステップは、左右マイクロホン信号間の差の強度、または電力、もしくは左右マイクロホン信号間の差の強度、または電力から導出される値、に基づく選択周波数の減衰の評価を含んでもよい。
選択周波数は、低周波数であってもよい。
減衰は、機能によって測定されるものでもよい。
高ノイズレベルにおける目標出力レベルの不要な低減は、除去されるノイズ合計の推定量を通じて除去されてもよい。
周波数利得幅を越えて除去されるノイズ合計の推定量は、その幅を跨いで適用される最大減衰から導出されてもよい。
本発明の第二の実施例は、一配列のマイクロホンから受けた不要音を低減させるためのシステムを提供するものであって、以下を含む。：左右マイクロホン出力信号を発生するため、一配列のマイクロホンによって特定目標方向まわりに探知音源を分配するための検知手法；左右マイクロホン信号の強度、または電力を評価するための評価手法；左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出した強度、または電力、または値の差に基づいた信号減衰のための減衰手法。
この評価手法は、さらに左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出した強度、または電力、または値の合計を評価するよう調整してもよい。；そして、この減衰手法は、更に左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出した強度、または電力、または値の合計と、左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出した強度、または電力、または値の差の比較に基づき、信号を減衰するよう調整してもよい。
この減衰手法は、左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出した強度、または電力、または値の合計に対する、左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出した強度、または電力、または値の差の比率に基づいて信号を減衰するよう調整してもよい。
この減衰手法は、１−比率に基づいて信号を減衰するよう調整してもよい。
この減衰手法は、比率変換に基づいて信号を減衰するよう調整してもよい。
この減衰手法は、１−比率変換に基づいて信号を減衰するよう調整してもよい。
いくつかの実施例では、バイラテラル補聴器において使用可能なマイクロホン出力のように、望む目標信号が異なる方向から干渉するノイズ源へ到着する場合、この信号処理技術は、空間的に割り振られたセンサーアレイにおいて干渉レベルを低減させることになる。この技術は、ヒアリング分野では補聴器、ヒアリングプロテクタ、人工内耳インプラントのようなデバイスにおいてノイズ効果低減に適用可能である。
本発明の実施例は、複雑で容易に発生する基準信号エラー予測の必要がなく、マイクロホン出力信号に存在するノイズ除去のために、改良された効果的なスキームを提案するものである。
いくつかの実施例は、マイクロホン出力信号を発生する頭部両側に位置する少なくとも一のマイクロホン、出力信号発生のための信号処理パス、聴覚系へこの出力信号を供する手法と共に、補聴器システムにおいて使用することも可能である。
実施例の以下の説明は、頭部左右両側からのマイクロホン出力信号に対するものである。伴うべき望ましい音源は、目標方向と呼称する特定方向から到達すると推定される。好ましい実施例においては、例えば、左右各チャネル信号XL(k)とXR(k) のフーリエ変換を用いたマルチ帯域周波数分析が採用されている。ここで、kは第k周波数チャネルを意味する。
図１に、本発明の好ましい実施例に係るシステム100の概略図表記を示す。システム100はデジタル信号処理(DSP)ハードウエアを具体化し、機能ブロック図として示したものである。ここでは、システム100のブロック動作の概要について述べ、実施する計算のより詳細な説明については後述する。
左101と右102のマイクロホン形態における検知手法からの出力は、解析フィルタバンクブロック103、104を用いて、各左右信号XL(k)とXR(k) を発生するため、例えばフーリエ変換を使用してマルチ帯域信号に変換される。
本方法は以下の手順で進められる。
１．(各周波数帯において)左右マイクロホン電力を計測する。左右信号における各チャネルへの電力は、評価手法105、106を経由して、別個に評価される。
２． (左右耳ノイズ間の差を含み、そのため小目標を取り消すことを受けた) マイクロホン電力差PDIFを計算する。PDIFの絶対値は107で計算される。すなわち、PDIFは常に正値である。
３．差電力の合計(2×目標と左右ノイズ成分を含む)PSUMを計算する。
４．108と110それぞれの積分処理を用いて、時間の経過と共に値を積算することにより(非対称立ち上り、立ち下り時間と共に必要に応じて)PDIFとPSUMの時間-平均をとる。
５．1−(PDIF／PSUM)に等しい111で「減衰」u(k)を計算する。これは、おおよそ目標のみの成分をよりよくするため、スケールバックにどのくらいのマイクロホン電力が必要かを予測するものである。任意の(PDIF／PSUM)比は、1から減じる前に、スケーリング機能により変更される可能性がある。
６．1組のフィルタ重みW(k)に到達する「減衰」変換マッピング機能の適用により、ノイズ低減強度を変更する。好ましい実施例においては、マッピング機能は規定値2.6の固定電力に対し、減衰を上げる形をとっている。固定電力係数の値は、アプリケーションに依存し、ユーザが選択可能である。
７．低周波数については、頭部が領域内に多くのノイズを残す耳間のわずかな減衰に供してしまうという問題が残る。この問題に対処するため、超低周波は付加の要因によってスケールダウンさせる。この付加要因は、500から4000Hz帯での周波数に適用された減衰の電力-重み平均値、あるいは最大値といった他の周波数領域で評価される。
112では、左右信号XL(k)とXR(k)が共に付加される。フィルタ重みW(k)は、出力信号Z(k)に供するため、プログラム可能なフィルタ113によってブロック111からの構成信号に適用される。
広帯域時間-領域信号は、例えば、逆フーリエ変換を使用した合成フィルタバンク120を使用して、必要に応じて発生させられる。そして、これら当業者に自明であるように、アプリケーションに依存するスペクトルコンテンツの調整や時間-領域平滑化といった更なる処理の利得が得られる。
上記方法においては、チャネル重みが適用される前にモノラル信号を発生するため、左右信号が共に付加されることになる。これは、左右方向キューのロスによる無駄で、追加のSN比利得に供することになる。この代替案としては、指向情報を保持するため別々に左右信号への重みを供することがあげられる。代替案実施においては、これらオプションの中間をとって、追加のSN比利得と指示キュー保持のための望ましい交換達成の追加前に、同側、反対側の信号が不均等に重みづけられるようにするのがよい。例えばチャネル減衰から、そのような追加の重み付けが完了され、あるいは劇的に評価される可能性がある。
以下の式はシステム100によって実施された方法に適用されるものである。
頭部左右側に位置するマイクロホンからの信号に対する各チャネルの電力は、以下のとおり計算される。
式１と式２は、頭部の指向方向に対応する目標方向の状況を述べている。必要に応じ、目標方向は、左右マイクロホン信号のフィルタリングにより変更することができる。
しかし、目標方向はユーザによって特定され、自動処理が使用されることも、これら当業者には自明である。
PDIFは、以下のとおり計算される。
PSUMは、以下のとおり計算される。
PDIFと PSUMの時間-平均値は、好ましい実施例において、非対称の立ち上り(τr)、 立ち下り(τf)時間を伴う減衰積分を使って、以下のとおり評価されている。
代替の時間-平均法が使用できる。
減衰レベルは、次のとおり計算される。
必要に応じて、
比は、減衰機能の形態を変更するため、1からの減算より前に電力を上げることとなる。u(k)は常時1に等しいか、それ未満のため、電力Sにその値を上げることにより、減衰は増加する。
チャネル重み値W(k)は、チャネル出力信号発生のため、統合チャネル信号XL(k)とXR(k)に適用される。：
あるいは、方向情報の望ましい保持は、立体音響出力の発生のための左右耳信号の部分的独立性を保持することにより達成される。
出力信号の更なるノイズ低減と品質向上は、どのくらいのノイズが500から4kHz間の明瞭な有声音声にとって最重要な周波数を除去されるのかといった推定量から導かれる。好ましい実施例において、推定量は500から4000Hzの音声幅に適用される減衰値の最大として計算されている。
好ましい実施例においては、WMAXは頭部が無効化バリアとなる数百ヘルツ以下の周波数チャネルに適用するため、追加の減衰を評価するのに使用されている。更に、目標に関し増加するノイズレベルと共に増大する目標レベルの低減を最小化する、低変動AGCの調整に使用される。減衰の電力-重み平均が500から4000Hzの音声幅において周波数チャネルに適用されるようなWMAXの代替メトリックは、同様の手順で使用される。
具体例の実行は、例えば各耳にマイクロホンを装着した機器使用者の「見る方向」のように、マイクロホンの構成にとって正常である目標方向の問題に言及しているが、望ましい目標方向がノイズ低減アプリケーションより前に左右耳入力のフィルタリングによって変更できることは、これら当業者に自明である。
上述の実施例においては、マイクロホン信号電力が評価される。そして、フィルタ重みの形態中での減衰度は電力値を基に計算される。同様に、他の実施例においても、信号強度が評価される。減衰度は強度に基づいて計算される。他の実施例においては、減衰度は、強度、または電力値から導出された値に基づいて計算されている。
上述した実施例のバリエーションにおいては、(電力、または強度)振幅単体ではなくフェーズに依存した、減衰発生のためのオプションが提供される。実際には、この新たなオプションは、耳間の電力／強度差が小さ過ぎて効果的でないような低周波領域においてのみ使用される。新たなアプローチが使用される低周波数帯においては、左右信号の電力が要求されるだけでなく、左右信号の減算も必要とされ、(電力の差とは対照的に)その差の電力が計算されることが必要となる。
図２は、システム100の中で述べた重み計算の改良に係る、改良重み計算システム200の概略を表現したものである。左201と右202のマイクロホン形態における探知手法からの出力は、解析フィルタバンクブロック203、204を用いて、例えば各左右信号XL(k)とXR(k) 発生のため、フーリエ変換を使用してマルチチャンネル信号内で再変換される。
本手法は、以下の手順で進められる。
本手法は、以下の手順で進められる。
１．システム100に対するステップ1から3で述べられるとおり、電力評価手法205、206と絶対値評価手法207により評価された左右電力値からPSUMとPDIFの値を計算する。
２．左右信号XL(k)、XR(k)を減算し、VDIFを計算する。評価手法208を使用して複合ベクトル差の電力VDIFを計算する。
３．PDIF、PSUM、必要に応じVDIFを使用して、209で予備減衰a(k)値を計算する。好ましい実施例においては、高周波数帯はa(k)＝1−(PDIF／PSUM)に係るPDIF、PSUMを使用してのみ処理されている。低周波数帯に対する減衰については、a(k)＝1−(PSUM×(PDIF＋VDIF)−(PDIF×VDIF)) ／(PSUM・PSUM)に係るVDIFに依存する追加要因を取り込んでいる。
４．必要な場合には、マッピング機能適用による減衰を発生させるため、予備減衰の強度を変更する。マッピング機能には、線形性も時間不変性も不要である。好ましい実施例においては、マッピング機能は、閾値より大きい減衰を制限する周波数-依存閾値機能としている。
５．積分処理208を使用して、時間の経過と共に値を積算することにより、減衰の時間-平均をとる。
６．必要な場合には、更なるマッピング機能を使用して、例えば固定係数を伴う電力機能を使って減衰値u[k]を発生するため、時間-平均減衰の強度を変更する。固定電力係数値は、アプリケーションに依存し、ユーザが選択可能である。好ましい実施例においては、マッピング機能はVDIF依存を組み込んだ低周波数帯と結びつくか、さもなければ2と等値としている。
システム200で低周波数に対しVDIF依存を導入することは、超低周波に対するシステム100で述べた追加の減衰機能の必要性を排除する。
以下の式はシステム200で実施される方法に適用される。：
PL(k)は、式1により計算される。
PL(k)は、式1により計算される。
PR(k)は、式2により計算される。
PDIFは、式3により計算される。
PSUMは、式4により計算される。
VDIFは、左右信号間のベクトル差の電力であり、次のとおり計算される。：
高周波数帯に対し、減衰の予備レベルは次のとおり計算される。：
式７とは対照的にPDIFとPSUMは平滑化されなかったことに注意を要する。
低周波数帯に対し、予備減衰は次に従って評価される。：
Re(VDIF)は複合電力VDIFの実数部である。
a[k]の時間-平均値は、好ましい実施例においては、以下のような周波数-依存減衰積分を使って評価されている。
代替の時間-平均法が使用できる。
システム200で述べた、好ましい実施例における減衰の時間-平均レベルは、以下のように固定周波数-依存電力係数にa[k]を上げて更に変更されている。
ノイズ低減w(k)の望ましい強度を発生するために、代替方法を使用してもよい。
左右信号間のフェーズ-依存に示す代替方法が、低周波数帯において性能を高めるためVDIFの代わりに用いられることは、当業者に自明である。
複数の実施例において、高低周波数の境界は特別なアプリケーションに依存している。高低周波数の境界は、500Hzと2500Hz間の幅において異なっている。上記詳細な実施例では、1000Hzの値が使用されている。
ここに含まれる先行技術の参考文献は、別に示されない限り、情報が一般的知識であるとのアドミションを取ったものではない。
最後に、本発明の趣旨や範囲から逸脱しない限り、様々な変更や追加がこれまでに述べた部分になされてもよいとされれば有り難い。
Claims (24)
- 左右マイクロホン出力信号を発生するために配置されたマイクロホンにより、特定目標方向まわりに分配された音源の探知ステップと、
左右マイクロホン信号の強度、または電力の評価ステップと、
左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出される強度、または電力、または値の差に基づく信号減衰ステップ、を含む、配置されたマイクロホンから受けた信号において、不要音を低減させるノイズ低減法。 - 左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出された強度、または電力、または値の合計の評価ステップを更に含み、
この評価ステップは、信号減衰ステップが、左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出された強度、または電力、または値の合計と、左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出された強度、または電力、または値の差の、比較に更に基づくものである、請求項１に記載の方法。 - 信号減衰のステップが、左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出された強度、または電力、または値の合計と、左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出された強度、または電力、または値の差の、比率に基づく、
請求項１または２のいずれかに記載の方法。 - 信号減衰ステップが１−比率に基づく、請求項３に記載の方法。
- 信号減衰ステップが比率変換に基づく、請求項３に記載の方法。
- 信号減衰ステップが１−比率変換に基づく、請求項５に記載の方法。
- 時間平均された左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出された強度、または電力、または値の差を有する、請求項１に記載の方法。
- 時間平均された左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出された強度、または電力、または値の合計を有する、請求項２に記載の方法。
- 非対称立ち上がり、立ち下り時間を含む時間平均ステップを有する、請求項７または８のいずれかに記載の方法。
- 減衰ステップが固有振動数である、請求項１から９のいずれかに記載の方法。
- 他の周波数帯から低周波数の減衰を評価する減衰ステップを有する、請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
- 左右マイクロホン信号間の差の強度、または電力、あるいは左右マイクロホン信号間の差の強度、または電力から導出された値、に基づく選択周波数の減衰評価を含む減衰ステップを有する、請求項１から１１のいずれかに記載の方法。
- 選択周波数が低周波数である、請求項１２に記載の方法。
- 減衰が機能によって計測される、請求項１から１３のいずれかに記載の方法。
- 高ノイズレベルにおける目標出力レベルの不要な低減が、除去されるノイズ合計の推定量を通じて除去される、
請求項１から１４のいずれかに記載の方法。 - 周波数利得幅を越えて除去されるノイズ合計の推定量が、その幅を跨いだ最大減衰から導出される、請求項１２に記載の方法。
- 左右マイクロホン出力信号を発生するため、一配列のマイクロホンにより、特定の目標まわりに音源を分配させる探知手法と、
左右マイクロホン信号の強度、または電力を評価する評価手法と、
左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出された強度、または電力、または値の差に基づき信号を減衰させる減衰手法を含む、
一配列のマイクロホンから受けた信号内の不要音の低減システム。 - 評価手法が左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出された強度、または電力、または値の合計を評価するよう更に改良され、更に、減衰手法が左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出された強度、または電力、または値の合計と、左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出された強度、または電力、または値の差の比較に基づいて信号を減衰するよう更に改良された、請求項１７に記載のシステム。
- 評価手法が左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出された強度、または電力、または値の合計を評価するよう更に改良され、更に、減衰手法が左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出された強度、または電力、または値の合計と、左右マイクロホン信号の強度、または電力から導出された強度、または電力、または値の差の比率に基づいて信号を減衰するよう更に改良された、請求項１７に記載のシステム。
- 減衰手法が１−比率に基づいた信号を減衰するよう改良された、請求項１９に記載のシステム。
- 減衰手法が比率変換に基づいた信号を減衰するよう改良された、請求項１９に記載のシステム。
- 減衰手法が１−比率変換に基づいた信号を減衰するよう改良された、請求項２１に記載のシステム。
- 減衰手法が左右マイクロホン信号間の差の強度、または電力、あるいは左右マイクロホン信号間の差の強度、または電力から導出された値、に基づく選択周波数を減衰するよう改良された、請求項１６から２２のいずれかに記載のシステム。
- 選択周波数が低周波数である、請求項２３に記載のシステム。
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