JP3583980B2

JP3583980B2 - 収音装置及び受信装置

Info

Publication number: JP3583980B2
Application number: JP2000247172A
Authority: JP
Inventors: 賢一古家
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2000-08-17
Filing date: 2000-08-17
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2020-08-17
Also published as: JP2002062900A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のマイクロホンを用いて目的の音声を良好に収録するための収音装置及び複数のアンテナを用いて目的の発信源の電波を良好に受信するための受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、マルチメディア技術の進歩に伴い、マイクロホンとスピーカを用いた拡声通話形態によるテレビ会議などの通信会議が普及してきている。その場合、机上に話者数分のマイクロホンを設置することなく、マイクロホンを意識しない自然な通話が可能で、かつ音声品質を劣化させる騒音や残響音を抑圧し目的とする音声のみを収音する収音装置が求められている。
【０００３】
そのような従来技術の一つとして、ＭＩＮＴ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｉｎｐｕｔ／ＯｕｔｐｕｔＩｎｖｅｒｓｅＦｉｌｔｅｒｉｎｇＴｈｅｏｒｅｍ）法がある。（Ｍ．ＭｉｙｏｓｈｉａｎｄＹ．Ｙａｍａｄａ，”ＩｎｖｅｒｓｅＦｉｌｔｅｒｉｎｇｏｆＲｏｏｍａｃｏｕｓｔｉｃｓ，”ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ａｃｏｕｓｔ，ＳｐｅｅｃｈＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓ，ｖｏｌ．ＡＳＳＰ−３６，ｎｏ２，ｐｐ．１４５−１５２，Ｆｅｂ．１９８８．）
図１は、ＭＩＮＴ法による目的音抽出の原理を説明する図である。
図１において、１_１〜１_Ｎはマイクロホン（Ｎはマイクロホン数）、２_１〜２_Ｎはフィルタ（Ｎはフィルタ数）、３は加算器、７はスピーカ、８は測定用信号発生部、９はインパルス応答計算部、１０は逆フィルタ計算部、６_１は目的音源、６_２〜６_Ｍ（Ｍは音源数）は騒音源である。
【０００４】
ＭＩＮＴ法では、まず、スピーカ７を目的音源６_１の位置に設置して測定用信号発生部８より発生される測定用信号を出力し、各マイクロホン１_１〜１_Ｎで収録し、インパルス応答計算部９で収録された音と測定用信号とスピーカ位置から各マイクロホンまでのインパルス応答を計算する。次に、騒音源６_２〜６_Ｍの位置にスピーカを設置して、同様にインパルス応答を測定する。
次に、それらインパルス応答から逆フィルタ計算部において次式の連立方程式を解いて逆フィルタを計算する。
Ｈｃ＝ｂ（１）
【０００５】
【数１】

Ｈはインパルス応答畳み込み行列、Ｈ_ｍｎは第ｍ番目の音源から第ｎ番目のマイクロホン１_ｎまでのインパルス応答畳み込み行列、ｃは逆フィルタ係数ベクトル、ｃ_ｎは第ｎ番目の逆フィルタ係数ベクトル、ｂは目的インパルス応答係数ベクトル、ｈ_ｍｎ（ｋ）は第ｍ番目の音源６_ｍから第ｎ番目のマイクロホン１_ｎまでのインパルス応答係数、ｃ_ｎ（ｌ）は第ｎ番目の逆フィルタ係数、Ｍは音源数、Ｎはマイクロホン数、Ｋはインパルス応答タップ数、Ｌは逆フィルタタップ数、ｍ＝１，・・・，Ｍ、ｎ＝１，・・・，Ｎである。
【０００６】
式（１）において、インパルス応答畳み込み行列Ｈと目的インパルス応答係数ベクトルｂを与えて、連立一次方程式を解き、逆フィルタ係数ベクトルｃを計算することにより逆フィルタ係数ｃ_ｎ（ｌ）を求める。
式（１）の連立一次方程式が解けるためには、ＭＩＮＴ理論から次の条件が成り立っていなければならない。
Ｎ≧Ｍ＋１（２）
【０００７】
【数２】

求めた逆フィルタ係数をフィルタ２_１〜２_Ｎに転送して、マイクロホン１_ｎからの信号に畳み込み、それら出力を加算器３において全て加算し、その結果を最終的な出力として出力する。
【０００８】
この出力は、騒音および残響音を抑圧し、目的音のみを抽出したものになっている。
また、一般の受信装置においては不要電波の抑圧手段を特に備えていない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＩＮＴ法では、事前に音源からマイクロホンまでのインパルス応答を測定しておく必要がある。しかし、テレビ会議など目的音源を高品質に収音したい場合、音源（目的音源、騒音源）の位置にスピーカを設置してインパルス応答を測定することは非常に困難であるという問題点があった。また、従来の受信装置においては、雑音電波、反射電波の抑圧して目的とする電波を受信することが困難であった。
【００１０】
本発明の目的は、インパルス応答の事前測定が必要ない収音装置、及び雑音電波、反射電波を抑圧して目的とする電波を受信する受信装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明では以下のような手段を有する。
請求項１の発明は、複数のマイクロホンで収録された音響信号を各々独立なフィルタを通し、加算して収音信号を得る収音装置として実現される。
該装置は複数のマイクロホンと、前記複数マイクロホンからの信号間の相関関数を計算する相関関数計算部と、前記相関関数計算部で計算された相関関数を用いて逆フィルタを計算するブラインド逆フィルタ計算部と、前記複数マイクロホンからの信号を、前記ブラインド逆フィルタ計算部で計算された逆フィルタ係数でフィルタリングするフィルタ部と、前記フィルタ部の出力を加算する加算器を具備し、前記複数マイクロホンからの信号間の相関関数のみから逆フィルタ係数を計算することを、特徴とする。
【００１２】
従来の技術とは、逆フィルタ係数を計算するのに音源からマイクロホンまでのインパルス応答を用いない点が異なる。
次に、相関関数のみから逆フィルタ係数を計算する原理について述べる。
ＭＩＮＴ法において、式（１）の連立一次方程式を解く上で、音源からマイクロホンまでのインパルス応答が分かっていなければ、インパルス応答行列Ｈが分からず逆フィルタ係数ベクトルｃについて解くことができない。ここに、ＭＩＮＴ法の欠点がある。
【００１３】
本発明では、式（１）をそのまま計算するのではなく、次のように式を変形して考える。
まず、式（１）の両辺にＨ^Ｔを左側からかける。
Ｈ^ＴＨｃ＝Ｈ^Ｔｂ（４）
ここで、ＨはＭＩＮＴ理論によれば、式（２）、式（３）が成り立ち、各インパルス応答の零点が重ならなければ、正則である。したがって、その転置行列Ｈ^Ｔも正則であり、式（４）の解は、式（１）の解と等しくなる。
【００１４】
次に、Ｈ^ＴＨをＲ’とおくと式（４）は、
Ｒ’ ｃ＝Ｈ^Ｔｂ（５）
ここで、
【００１５】
【数３】

であり、
【００１６】
【数４】

である。
また、各マイクロホン１_ｎからの信号をそれぞれｘ_ｎ（ｒ）とすると、各チャネル間の相関関数は、
【００１７】
【数５】

となる。ここで、
【００１８】
【数６】

であり、ｓ_ｍ（ｒ）は第ｍ番目の音源の原信号であることを用いてｒ_ｉｊ（ｐ）を書き直すと、
【００１９】
【数７】

となる。ここで、
【００２０】
【数８】

であり、第ｍ番目の音源の自己相関関数を表す。
ここで、音源の自己相関関数をデルタ関数で近似できるとすると、
【００２１】
【数９】

となる。
（なお、上記では音源の自己相関関数をデルタ関数で近似されることを仮定したが、その近似が成立したとみなされない場合、音源の自己相関関数はインパルス応答の一部として計算される。つまり、処理された出力信号として音源の自己相関関数の逆フィルタがかけられ白色化されたものが得られる。音源の自己相関は各チャネルに共通にかかるが、自己相関関数は零位相なので周波数軸上に零点が無い限り安定に逆フィルタが求まる。）
したがって、Ｒを
【００２２】
【数１０】

とすると、式（５）は次式のようになる。
【００２３】
Ｒｃ＝Ｈ^Ｔｂ（８）
次に、右辺は
【００２４】
【数１１】

から、次式となることがわかる。
【００２５】
Ｈ^Ｔｂ＝ｄ’ （９）
ここで、
【００２６】
【数１２】

である。
【００２７】
第ｎ：ｃｌｏｓｅｓｔ番目のマイクロホンに目的音源６_１に最も近く最初に音が届くとすると

となる。
したがって、式（９）は、

【００２８】
【数１３】

となる。ここで、

である。
【００２９】
式（８）と式（１０）より、
Ｒｃ＝ｈ_{１ｎ：ｃｌｏｓｅｓｔ}（０）ｄ（１１）
となる。さらに、
Ｒｃ’＝ｄ（１２）
とかける。ここで、
【００３０】
【数１４】

である。
ｃ’は、真の逆フィルタ係数ベクトルｃのスカラー倍されたものであるが、出力結果のスカラー倍は重要ではないので、ｃ’が計算されれば十分である。
【００３１】
したがって、式（１２）の連立一次方程式を解くことにより、スカラー倍を除き等価的に式（１）の連立一次方程式の解、つまり逆フィルタ係数ベクトルを求めることができる。
目的音源に最も近いマイクロホンがどれかを設定するには次の方法が考えられる。
（ａ）使用者が目的音源に近い場所にｎ：ｃｌｏｓｅｓｔ番目のマイクロホンを設置する。
（ｂ）すでに設置しているマイクロホンの中で、最も近い目的音源に近いマイクロホンをｎ：ｃｌｏｓｅｓｔ番目とする。
（ｃ）全てのマイクロホンにについてｎ：ｃｌｏｓｅｓｔ番目であると仮定して処理し、処理結果から使用者が聞くかあるいは機械的な認識手段でどのマイクロホンをｎ：ｃｌｏｓｅｓｔ番目にした場合に目的音源が出力されているか判断して、そのマイクロホンをｎ：ｃｌｏｓｅｓｔ番目とする。
（ｄ）一般の音源位置検出手段を用いて、目的音源の位置を検出し、マイクロホンとの位置関係からｎ：ｃｌｏｓｅｓｔ番目のマイクロホンを設定する。
【００３２】
式（１２）において、Ｒは複数マイクロホンの出力信号間の相関関数から計算でき、ｄは音源と最も近いマイクロホンの位置関係からわかるので音源から各マイクロホンまでのインパルス応答を使わずに逆フィルタ係数ベクトルを計算できる。
また、請求項６の発明は、請求項１の発明において、音声を電波に、マイクロホンを受信アンテナに、ブラインド収音装置をブラインド受信装置にそれぞれ置き換えたものであり、動作は請求項１の発明と同様である。
（作用）
前記請求項１の発明では、逆フィルタ係数は音源から前記複数マイクロホンまでのインパルス応答を用いずに、前記複数マイクロホンの信号間の相関関数を用いて逆フィルタ係数を計算するので、事前に音源から前記複数マイクロホンまでのインパルス応答を測定する必要がない。したがって、事前に音源（目的音源、騒音源）の位置にスピーカを設置してインパルス応答を測定する必要がなくなり、本発明の目的であるインパルス応答の事前測定が必要ない収音装置が可能となる。
【００３３】
また、前記請求項６の発明では、雑音電波、反射電波を抑制して目的とする電波を受信することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
以下、図面を参照しながら、本発明の実施例について説明する。
図２は、本発明にかかる収音装置の第１の実施例である。
１_１〜１_Ｎはマイクロホン（Ｎはマイクロホン数）、２_１〜２_Ｎはフィルタ、３は加算器、４は相関関数計算部、５はブラインド逆フィルタ計算部、６_１は目的音源、６_２〜６_Ｍは騒音源である。これを動作するには、まず、マイクロホン１_１〜１_Ｎで騒音の鳴っている環境で目的音を収録する。収録された各マイクロホンからの信号をそれぞれｘ_１（ｒ）〜ｘ_Ｎ（ｒ）とする。
【００３５】
次に、相関関数計算部４において各マイクロホン１で収録された信号ｘ_１（ｒ）〜ｘ_Ｎ（ｒ）の間の相関関数ｒ_１１（ｐ），ｒ_１２（ｐ），・・・，ｒ_１Ｎ（ｐ），ｒ_２１（ｐ），・・・，ｒ_２Ｎ（ｐ），・・・，ｒ_Ｎ１（ｐ），・・・ｒ_ＮＮ（ｐ）を計算する。ここで、
【００３６】
【数１５】

である。
次に、ブラインド逆フィルタ計算部５において、次式の連立一次方程式を解くことにより逆フィルタを計算する。
Ｒｃ＝ｄ（１３）
ここで、
【００３７】
【数１６】

ここで、Ｒはチャネル間相関関数行列（Ｒ_ｉｊはｉ番目のマイクロホン１_ｉとｊ番目のマイクロホン１_ｊの相関関数行列）、ｃは逆フィルタ係数ベクトル（ｃ_ｎは第ｎ番目の逆フィルタ係数ベクトル）、ｄはブラインド目的インパルス応答係数ベクトル（ｄ_ｎは第ｎ番目のブラインド目的インパルス応答ベクトル）、ｃ_ｎ（ｌ）は第ｎ番目の逆フィルタ係数、Ｍは音源数、Ｋはインパルス応答タップ数、Ｎはマイクロホン数、Ｌは逆フィルタタップ数である。
【００３８】
δ_ｎは、目的音源６_１がマイクロホンの中で第ｎ番目のマイクロホン１_ｎに最も近いときに１となり、それ以外は０とする。
式（４）においてチャネル間相関関数行列Ｒとブラインド目的インパルス応答係数ベクトルｄを与えて、連立一次方程式を解き、逆フィルタ係数ベクトルｃを計算することにより逆フィルタ係数ｃ_ｎ（ｌ）を求める。
式（４）の連立一次方程式が解けるためには、ＭＩＮＴ理論と同様の条件が成り立っていなければならない。
Ｎ≧Ｍ＋１（２）
【００３９】
【数１７】

求めた逆フィルタ係数をフィルタ部２_１〜２_Ｎに転送し、フィルタ部で各マイクロホン１_ｎからの信号ｘ_ｎ（ｒ）に畳み込み、その出力ｙ_ｎ（ｒ）を加算器３において全て加算し、その結果を最終的な出力ｗ（ｒ）として出力する。
【００４０】
この出力ｗ（ｒ）は、騒音および残響音を抑圧し、目的音のみを抽出したものになっている。
次に、実際の部屋を模擬したシュミレーション結果について説明する。
図３は、実験系の図であり、Ｎ＝３，Ｍ＝２の場合である。目的音源は、男性音声をスピーカから再生したもの、騒音源は白色雑音をスピーカから再生したものである。
【００４１】
図４（ａ）はマイクロホン１_１の処理前の信号であり、図４（ｂ）はブラインド収音装置で処理後の出力結果である。見て分かるように、処理後ははっきりと音声のみが抽出できていることがわかる。
図５（ａ）は目的音源からマイクロホン１_１までの処理前のインパルス応答であり、図５（ｂ）はブラインド収音装置で処理後のインパルス応答である。数百タップ付近の初期反射音が図５（ｂ）で小さくなっており、残響音を抑圧できていることがわかる。
【００４２】
このように、該装置では各マイクロホンからの信号間の相関関数を用いて逆フィルタを計算しているので、音源からマイクロホンまでのインパルス応答を用いずに、逆フィルタ係数を計算することが可能であり、従来技術に比べて事前にインパルス応答を測定する必要がなく、簡易に設置可能となった。
（実施例２）
図６は、本発明にかかる収音装置の第２の実施例である。
【００４３】
１_１〜１_Ｎはマイクロホン（Ｎはマイクロホン数）、６_１は目的音源、６_２〜６_Ｍは騒音源、７はスピーカ、１１はアンプ、１０１はブラインド収音装置である。
第２の実施例は、本発明を場内拡声に利用した場合である。目的音源から発せられた音は、本発明により騒音と分離され、また残響音を抑圧されて収音される。収音された音をアンプ１１で増幅し、スピーカ７から拡声する。ここで、拡声された音は再びマイクロホンに入るが、目的音よりも遅れて到達する相関の大きな音なので本発明により残響の一部として取り除かれ、通常、場内拡声系で生じる音のループにより生じるハウリングが抑圧される。このように、第２の実施例では騒音、残響を抑圧するだけでなく、場内拡声系で生じるハウリングも押さえる効果がある。
（実施例３）
図７は、本発明にかかる収音装置の第３の実施例である。
【００４４】
１_１〜１_Ｎはマイクロホン（Ｎはマイクロホン数）、６_１は目的音源、６_２〜６_Ｍは騒音源、７はスピーカ、１１はアンプ、１０１はブラインド収音装置である。
第３の実施例は、本発明を拡声通話系に利用した場合である。目的音源から発せられた音は、本発明により騒音と分離され、また残響音が抑圧されて収音され、送話信号として通信相手に送られる。また、受話信号はアンプで増幅されスピーカから拡声され、再びマイクロホンに入るが、目的音とは相関のない相手側の音なので、本発明により、騒音の一部として取り除かれ、通常、音響エコーとして相手側に帰ってしまう音を取り除くことができる。このように、第３の実施例では騒音、残響を抑圧するだけでなく、拡声通話系で生じる音響エコーを押さえる効果がある。
（実施例４）
図８は本発明にかかる収音装置の第４の実施例である。
【００４５】
１３_１〜１３_Ｎは受信アンテナ、１２_１は目的発信源、１２_１〜１２_Ｍは雑音電波源、１０２はブラインド受信装置である。第４の実施例は、本発明を歪なく、目的電波を受信することに利用した場合である。基本的には、実施例１において、音を電波に、マイクロホンを受信アンテナに置き換えたものである。目的発信源からの電波は、受信アンテナで受信されブラインド受信装置で雑音電波信号、反射電波が取り除かれ目的電波を得ることができる。このように、第４の実施例では、騒音、残響音の抑圧だけでなく、電波受信における雑音電波、反射電波を抑圧する効果もある。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では各マイクロホンからの信号間の相関関数を用いて逆フィルタを計算しているので、音源からマイクロホンまでのインパルス応答を用いずに、逆フィルタ係数を計算することが可能であり、従来技術に比べて事前にインパルス応答を測定する必要がなく、簡易に設置することが可能となった。また、本発明では雑音電波、反射電波を抑圧して目的電波を受信できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術であるＭＩＮＴ収音装置の構成図。
【図２】本発明の第１実施例である収音装置の構成図。
【図３】本発明を用いて実験をおこなった際の実験系を説明する図。
【図４】実験の結果として音声の抽出を示す図であり、（ａ）は処理前、（ｂ）は処理後を示す。
【図５】実験の結果として残響音の抑圧を示す図であり、（ａ）は処理前、（ｂ）は処理後を示す。
【図６】本発明の第２の実施例である収音装置の構成図。
【図７】本発明の第３の実施例である収音装置の構成図。
【図８】本発明の第４の実施例である受信装置の構成図。
【符号の説明】
１_１〜１_Ｎマイクロホン
２_１〜２_Ｎフィルタ
３加算器
４相関関数計算部
５ブラインド逆フィルタ計算部
６_１目的音源
６_２〜６_Ｍ騒音源
７スピーカ
８測定用信号発生部
９インパルス応答計算部
１０逆フィルタ計算部
１１アンプ
１２_１目的発信源
１２_２〜１２_Ｍ雑音電波源
１３_１〜１３_Ｎ受信アンテナ
１００ＭＩＮＴ収音装置
１０１ブラインド収音装置
１０２ブラインド受信装置

Claims

複数のマイクロホンで収録されたNチャネル（Nは２以上の整数）の音響信号を各々独立なフィルタを通し、加算して収音信号を得る収音装置において、
前記Nチャネルの音響信号間の相関関数を計算する相関関数計算手段と、
前記Nチャネルの相関関数からなる行列に畳み込み演算をすると、目的音源に最も近いチャネルについてインパルスが得られ、その他のチャネルについてはゼロとなるベクトルが得られるベクトルを、各チャネルの逆フィルタ係数として計算する逆フィルタ係数計算手段と、
前記逆フィルタ係数を前記各Nチャネルの音響信号に畳み込むN個のフィルタ手段と、
前記N個のフィルタ手段の出力を加算して収音信号を得る加算手段とを備えたこと
を特徴とする収音装置。
請求項１に記載の収音装置において、
前記目的音源に最も近いチャネルを前記相関関数が最大のチャネル間時間差を用いて決定すること
を特徴とする収音装置。
請求項１乃至２のいずれか１項に記載の収音装置において、
前記収音信号を拡声する拡声手段を備えたこと
を特徴とする収音装置。
請求項１乃至２のいずれか１項に記載の収音装置において、
前記収音信号を送話信号として通信相手に送信する送信手段と、
前記通信相手から受話信号を受信して拡声する受信・拡声手段を備えたこと
を特徴とする収音装置。
複数のアンテナで受信されたNチャネル（Nは２以上の整数）の受信信号を各々独立なフィルタを通し、加算して目的受信信号を得る受信装置において、
前記Nチャネルの受信信号間の相関関数を計算する相関関数計算手段と、
前記Nチャネルの相関関数からなる行列に畳み込み演算をすると、目的発信源に最も近いチャネルについてインパルスが得られ、その他のチャネルについてはゼロとなるベクトルが得られるベクトルを、各チャネルの逆フィルタ係数として計算する逆フィルタ係数計算手段と、
前記逆フィルタ係数を前記各Nチャネルの受信信号に畳み込むN個のフィルタ手段と、
前記N個のフィルタ手段の出力を加算して目的受信信号を得る加算手段とを備えたこと
を特徴とする受信装置。
請求項５に記載の受信装置において、
前記目的発信源に最も近いチャネルを前記相関関数が最大のチャネル間時間差を用いて決定すること
を特徴とする受信装置。