JP3908598B2 - 波動信号処理システム及び方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、媒質中を伝播する波動信号、特に音波を発する波源の方向の検出と、鋭い指向特性を小型、少ない演算量で実現する波動信号処理システム及び方法に関する。なお、「媒質」とは、波動信号が伝播していく媒体、空間、場等の全てを含む広い概念とする。
【０００２】
【従来の技術】
波動信号は、所定の媒質中を波源から放射状に伝播していく点に特徴を有しており、例えば波動信号の一種である音波では、特定の方向からの音波を検知する装置として、正面方向に最大の感度を有する単一指向性マイクや、正面方向に鋭い指向性を有するガンマイク等が開発されている。
【０００３】
また、複数のマイクを用いる手法として、良く知られているマイクロホンアレイ技術や、波源方向を検出することで目的の方向以外から到来した波動信号を抑圧し、目的方向への指向性を作り出すという方法も良く知られている。かかる方法を用いる場合、３つ以上のマイクを互いに一直線に並ばないように配置することによって、任意の方向へ単一の指向性を設定することができる。
【０００４】
複数のマイクを用いて波源の方向を検出する場合は、各マイクに到達する信号の時間差を求める必要があり、その演算には相関演算が用いられるのが一般的である。また、特願２００２−０７８６９７号においては、相関演算の代わりに、各マイクに到達する波動信号の時間差を受信信号の差分信号と微分信号を用いて少ない演算量で計算する方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、一般に、カーディオイド型の単一指向性マイクは、後方からの波動信号を抑圧する効果は大きいものの、横方向からの波動信号を抑圧する効果は小さく、ブロードな指向特性しか実現することができないという問題点があった。一方、ガンマイクは鋭い指向特性を有するものの、波源方向に大きな音響管を設ける必要があることから、一般的なマイクと比較して大きな設置スペースを要し、小型機器への組込みが困難になるという問題があった。同様に、マイクロホンアレイについても、その指向性を鋭くするためには大きな開口を要することから、一般的なマイクと比較して大きな設置スペースを要し、小型機器への組込みが困難になるという問題点があった。
【０００６】
また、複数のマイクを用いて音源方向を検出し、指向性を生成する方法は、入力信号を高サンプリングレートでＡＤ変換し、サンプリングされた多量のデータに対して処理量の多い相関演算を行う必要があり、リアルタイム性が要求されるアプリケーションへの適用が困難であるとともに、演算能力の低いプロセッサでは実現すること自体が困難である。
【０００７】
さらに、小型の機器に組み込む場合には、センサ開口が狭くなり遅延時間が微小になってしまうことから、相関演算を用いる方法では精度良く遅延時間を求めること自体が困難になってしまうという問題点もあった。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解決するために、複数のマイクを用いて指向性を生成する際に必要となる波源方向の検出方法に関して、小開口及び少ない演算量で処理を行い、鋭い指向性を確保することができる波動信号処理システム及び方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明にかかる波動信号処理システムは、少なくとも２つのセンサで構成されるセンサ群を少なくとも１組備え、各センサ群における任意の２つのセンサが検出した波動信号間の差分信号を求める差分信号演算部と、少なくとも１つのセンサが検出した波動信号の微分信号を求める微分信号演算部と、差分信号と微分信号の符号の組み合わせとセンサの位置関係に基づいて、２つのセンサが検出した波動信号間における遅延時間の符号を判定する遅延時間符号判定部とを含むことを特徴とする。
【００１０】
かかる構成により、差分信号と微分信号の符号を比較するだけで遅延時間符号を求めることができることから、少ない演算処理量で処理を完了することが可能となるとともに、特に微小な遅延時間しか検出することができない小開口のセンサ配置の場合について、安定して正しい信号処理を行うことが可能となる。
【００１１】
また、本発明にかかる波動信号処理システムは、遅延時間符号判定部において求められた、少なくとも１つのセンサ群が検出した波動信号間における遅延時間の符号の正負とセンサの位置関係に基づいて、波源の方向を判定する波源方向判定部をさらに含むことが好ましい。差分信号と微分信号の符号を比較するだけで波源の方向を特定することができることから、少ない演算処理量で波源方向を特定でき、特に微小な遅延時間しか検出することができない小開口のセンサ配置の場合についても、安定して正しい波源方向を特定することができるからである。
【００１２】
また、本発明にかかる波動信号処理システムは、遅延時間符号判定部において求められた、少なくとも１つのセンサ群が検出した波動信号間における遅延時間の符号の正負とセンサの位置関係、もしくは波源方向判定部において求められた、少なくとも１つのセンサ群が検出した波動信号の波源方向に基づいて、重み係数を算出する重み係数算出部をさらに含むことが好ましい。後述の雑音抑圧に利用する重み係数を少ない演算量で算出できるからである。
【００１３】
また、本発明にかかる波動信号処理システムは、重み係数を用いて、少なくとも一つのセンサで検出された波動信号に対して重み付けを行い、目的とする波源方向以外から到来する不要な波動信号部分を抑制する信号抑圧部をさらに含むことが好ましい。雑音信号を排除することによって、少ない演算量で指向性を生成することができるからである。
【００１４】
また、本発明にかかる波動信号処理システムは、少なくとも２つのセンサで構成するセンサ群を少なくとも２組備え、少なくとも１つのセンサ群において任意の２つのセンサ信号の遅延時間を算出する遅延時間演算部を含み、遅延時間に基づいた波動信号処理を並行して行うことが好ましい。さらに、本発明にかかる波動信号処理システムは、算出された遅延時間に基づいて波源方向を検出する波源方向検出部をさらに含むことが好ましい。従来の方法と併用することによって、小型かつ少ない演算量で処理を行うことができると共に、波源方向をより精度良く推定することができるからである。
【００１５】
また、本発明にかかる波動信号処理システムは、遅延時間符号判定部が、差分信号と微分信号を乗算又は除算する信号演算部と、信号演算部における乗算又は除算結果の符号を判定する信号符号判定部とをさらに含むことが好ましい。
【００１６】
さらに、本発明にかかる波動信号処理システムは、遅延時間符号判定部が、差分信号の符号を判定する差分信号符号判定部と、微分信号の符号を判定する微分信号符号判定部と、差分信号符号判定部における差分信号の符号と微分信号符号判定部における微分信号の符号を比較判定する符号判定部とをさらに含むことが好ましい。
【００１７】
また、本発明にかかる波動信号処理システムは、遅延時間符号判定部の後段に低域通過フィルタを含むことが好ましい。遅延時間符号の判定において、常に正しい結果を得ることが可能となり、小型あるいは低い演算処理能力を有する演算処理装置であってもより精度の高い遅延時間の符号判定を行うことができるからである。
【００１８】
また、本発明にかかる波動信号処理システムは、センサ群の後段に低域通過フィルタを含むことが好ましい。高周波成分による遅延時間符号判定の誤りを低減することができ、小型あるいは低い演算処理能力を有する演算処理装置であってもより精度の高い遅延時間の符号判定を行うことができるからである。
【００１９】
また、本発明は、上記のような波動信号処理システムの機能をコンピュータの処理ステップとして実行するソフトウェアを特徴とするものであり、具体的には、少なくとも２つのセンサで構成されるセンサ群を少なくとも１組備える信号処理装置における波動信号処理方法であって、各センサ群における任意の２つのセンサが検出した波動信号間の差分信号を求める工程と、少なくとも１つのセンサが検出した波動信号の微分信号を求める工程と、差分信号と微分信号の符号の組み合わせとセンサの位置関係に基づいて、２つのセンサが検出した波動信号間における遅延時間の符号を判定する工程とを含む波動信号処理方法並びにそのような工程を具現化するコンピュータ実行可能なプログラムであることを特徴とする。
【００２０】
かかる構成により、コンピュータ上へ当該プログラムをロードさせ実行することで、差分信号と微分信号の符号を比較するだけで遅延時間符号を求めることができることから、少ない演算処理量で処理を完了することが可能となるとともに、特に微小な遅延時間しか検出することができない小開口のセンサ配置の場合について、安定して正しい信号処理を行うことができる波動信号処理システムを構築することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
まず、本発明にかかる波動信号処理システムの原理について説明する。なお、ここでは、２個のセンサを有する１組のセンサ群で構成された波動信号処理システムについて説明するが、本実施の形態においてはセンサが３個以上であっても良いし、センサ群が２組以上であっても良い。
【００２２】
まず図１に、波源と２つのセンサであるセンサＡ及びセンサＢの位置関係を示す。図１において、図１に示す位置関係にある場合、センサＡ及びセンサＢにおいて受信する波動信号をそれぞれｆA（ｔ）及びｆB（ｔ）とする。
【００２３】
そして、図１からも明らかなように、波源からの信号は先にセンサＡに到達するため、ｆB（ｔ）の信号はｆA（ｔ）の信号に対して時間遅れが生じることになる。かかる時間遅れを遅延時間Δｔとする。なお、Δｔの符号が正の場合には時間進みを、負の場合には時間遅れを、それぞれ表すものとする。
【００２４】
このとき、センサＢの信号ｆB（ｔ）をはセンサＡの信号ｆA（ｔ）を用いて表すと、（数１）に示すようになる。
【００２５】
【数１】
【００２６】
次に、（数１）をテーラー展開して、遅延時間Δｔが微小であるという前提で２次微分項以降の項を省略すると、近似式として（数２）を得ることができる。
【００２７】
【数２】
【００２８】
遅延時間Δｔは、（数２）を解くことによって得ることができる。（数２）からΔｔを求めた結果を（数３）に示す。
【００２９】
【数３】
【００３０】
（数３）より、Δｔは、２つのセンサ間の差分信号ｆB（ｔ）−ｆA（ｔ）を微分信号ｆ’A（ｔ）で除算した値として求めることができることになる。
【００３１】
ここで、各信号の符合に注目すると、時間遅れ（Δｔが負の数）がある場合には、差分信号ｆB（ｔ）−ｆA（ｔ）と微分信号ｆ’A（ｔ）の符号組み合わせはいずれかが正なら他方が負となる組み合わせとなる。一方、時間進み（Δｔが正の数）がある場合には、差分信号と微分信号の符号は共に正又は共に負の組み合わせとなる。（表１）に当該組み合わせと遅延時間の符号との関係を示す。
【００３２】
【表１】
【００３３】
したがって、（表１）からもわかるように、差分信号の符号と微分信号の符号の組み合わせを確認することで、信号の遅延時間Δｔの正負、すなわち時間進みであるのか時間遅れであるのかを判定することが可能となる。
【００３４】
例えば、図１に示したセンサの配置において、波動信号を受信した場合の一例を図２に示す。図２において、各時刻Ｐ、Ｑ、Ｒにおけるセンサの差分信号ｆB（ｔ）−ｆA（ｔ）と微分信号ｆ’A（ｔ）の符号の組み合わせを（表２）に示す。
【００３５】
【表２】
【００３６】
（表２）から解るように、時刻Ｐ及びＲにおいては、上述した（表１）を用いる判定方法によって時間進みであるのか時間遅れであるのかを正しく判定できることがわかる。ただし、時刻ＱにおいてはΔｔの符号が逆になっており、誤った判定結果となっている。これは、（数２）において無視した２次微分項以降の項が影響したためである。
【００３７】
図２から解るように、時刻Ｑのような誤った判定結果となる区間は、センサＡの波形の極大点あるいは極小点から遅延時間Δｔの間である。しかし、信号の１波長に対して遅延時間Δｔが微小である場合には、このような誤検出区間は信号波形の極大点の近傍あるいは極小点の近傍において間欠的に短時間だけ生じるものであり、例えば図３に示すように、遅延時間符号判定結果が正のときに‘１’、負のときに‘０（ゼロ）’に設定して出力し、その出力を低域通過フィルタ６０を通し、例えば０．５以上を「進み」、０．５以下を「遅れ」と判定することができる。
【００３８】
このように本発明においては、信号の符号判定を行うだけで信号の遅延時間Δｔの正負、すなわち時間進みであるのか時間遅れであるのかを判定することができることから、従来の方法、すなわち相関演算により遅延時間を求め、求まった遅延時間の符合を求める方法に比べて、高サンプリングレートでＡＤ変換した多くのデータに対する演算処理量を必要とする相関演算を実行する必要がなく、少ない演算処理量により遅延時間符号を判定することができる。
【００３９】
また、上述したような原理より、遅延時間Δｔが微小であるという前提でテーラー展開の近似式（数２）を導いていることから、特に微小な遅延時間しか検出できない小さい開口を有するセンサ配置の場合に、従来の方法に比べて、安定して正しい結果が得ることができる。
【００４０】
さらに、本発明で用いる差分演算、微分演算、信号の符号の比較演算は、それぞれオペアンプによる差分回路、微分回路、コンパレータを用いて構成することも可能であり、相関演算のために高価な高サンプリングレートのＡＤ変換チップと汎用プロセッサあるいはＤＳＰを準備する必要がある従来の方法に比べて、コストの観点、あるいはシステム構成の容易さの観点においても優れている。
【００４１】
また、本発明は、少なくとも１つのセンサ群における遅延時間の符号の正負に基づいて波源の方向を判定することを特徴とするものである。上述したように、図１に示すセンサ配置において遅延時間符号が負となる場合には、２つのセンサの垂直２等分面、すなわちセンサＡとセンサＢの中点を通り、２つのセンサを結んだ直線に垂直な面（以下、「分岐面」という。）のセンサＡ側（０度から１８０度の空間）に波源が存在することを意味している（遅延時間が“０”の場合は分岐面上）。したがって、遅延時間符号の正負を判断することによって、波源の方向を分岐面のどちらかの空間に特定することが可能となる。
【００４２】
さらに、分岐面の後面から到来した音を不要音として抑圧することにより、従来のカーディオイド型の単一指向性マイクが後面方向にも指向性を有するのに比べて、本発明では分岐面の前面だけに指向性を有するようにすることができる。
【００４３】
また、例えば図４に示すように、センサ３個が互いの開口のなす角が３０度になるように配置されている場合には、センサ群１の判定結果がセンサ群１における分岐面の右側の空間を、センサ群２の判定結果がセンサ群２における分岐面の左側の空間をそれぞれ示しているときは、これらの空間の重なり部分として図４における濃い網掛けで示した前方３０度の空間に波源位置を特定することができる。このように、少なくとも３個のセンサによる２組のセンサ群の配置を調整することによって、あらかじめ設定しておいた波源の方向を所望の角度範囲の精度で判定することができる。
【００４４】
一方、従来の相関演算を用いる場合には、２個１組のセンサ群だけで同様に音源方向を判定することができる。しかし、相関演算の演算処理量は本発明の方法よりも多くなってしまう。すなわち、本発明においては、２組のセンサ群を用いているが、差分信号をそれぞれのセンサ群について求め、微分信号はセンサＢの信号を共通に用いることができることから、差分演算については２つのセンサ群で演算し、微分演算については１つのセンサでのみ演算し、最後に遅延時間符号の比較を２つのセンサ群で行うだけで音源方向の範囲を判定することができる。
【００４５】
一方、従来の方法では、相関演算を１組のセンサ群について行うだけであるが、高サンプリングレートでＡＤ変換した多量の入力データに対して畳み込み積分演算を行わなければならないため、遅延時間符号の判定を２組のセンサ群で行った場合でも本発明による演算処理量の方が少なくなるのである。
【００４６】
さらに、本発明では、前記手法で特定した波源方向の範囲と目的の波源方向が一致しない場合において、受信信号を抑圧して、指向性を持たせることも可能である。したがって、３つ以上のセンサを用いることで、従来のガンマイクやマイクアレイと同様の鋭い指向性を実現することができ、かつガンマイクやマイクアレイに比べて小開口の構成においても実現可能となる。
【００４７】
また、一般にセンサ配置面と同一平面内にある任意の音源方向の検出と任意の方向への単一指向特性を実現しようとする場合、２組以上のセンサ群を組み合わせる必要がある。そこで、２組あるセンサ群の一方のセンサ群に対して相関演算を用いる従来の音源方向検出手法を適用し、他方のセンサ群に対して本発明の遅延時間符号から音源方向を判定する手法を適用することで、相関演算を用いる従来の音源方向検出手法を２つ組み合わせる場合に比べて演算処理量を低減することができ、センサ群における配置面の任意の方向からの音源検出とそれに基づいた単一指向特性を実現することが可能となる。
【００４８】
以下、本発明の実施の形態にかかる波動信号処理システムについて、図面を参照しながら説明する。
【００４９】
（実施の形態１）
図５は、本発明の実施の形態１にかかる波動信号処理システムの構成ブロック図である。本実施の形態１においては、図６のセンサ配置図に示す１組のセンサ群５１を備えており、当該センサ群５１は２個のセンサ５２及び５３で構成されている。各センサ５２及び５３は、波動信号を電気信号に変換して出力する機能を有する。
【００５０】
また、差分信号演算部５４は、センサ群５１の一方のセンサ５２もしくは５３において検出された波動信号から、他方のセンサ５３もしくは５２において検出された波動信号を減算し、その差分信号を出力するものである。
【００５１】
微分信号演算部５５は、センサ群５１における少なくとも一つのセンサ５２又は５３が検出した波動信号について微分信号を演算し、その結果を出力するものである。
【００５２】
遅延時間符号判定部５６は、差分信号演算部５４において算出されたセンサ群５２の差分信号と、微分信号演算部５５において算出された微分信号の符号の組み合わせとセンサの位置関係に基づいて、センサ群５２における遅延時間符号を出力するものである。なお、遅延時間符号の判定は、入力された差分信号と微分信号の符号を（表１）に示す判定基準に照合して行うことになる。
【００５３】
以上のような構成とすることにより、差分信号と微分信号の符号を比較するだけで遅延時間符号が求まり、従来の相関演算で遅延時間を求めてその符号を抽出する手法に比べて、少ない演算処理量で処理を完了することが可能となる。
【００５４】
また、遅延時間Δｔが微小であるという前提でテーラー展開の近似式（数２）を導いていることから、微小な遅延時間しか検出することができない小開口のセンサ配置の場合であっても、従来の相関演算を行って遅延時間符号を求める手法に比べて、安定して正しい結果を得ることができる。
【００５５】
さらに、差分演算、微分演算、信号の符号の比較は、それぞれオペアンプによる差分回路、微分回路、コンパレータを用いることによって構成することができ、相関演算のために高価な高サンプリングレートのＡＤ変換チップと汎用プロセッサあるいはＤＳＰを準備する必要がある従来の方法に比べて、コストの観点、及びシステム構成の容易さの観点からも優れているものと考えられる。
【００５６】
なお、本実施の形態１においては、センサ群５２の数を１組としているが、特に１組に限定されるものではなく、２組以上であっても良い。その場合、各センサ群の開口が交差するように設置することになる。また、センサ群５２を構成するセンサの数についても３個以上であっても良い。
【００５７】
例えば図７に、センサ群を２組有する場合のブロック構成図を示す。図７においては、２組のセンサ群７１及び７２を有しており、センサ群７１は２個のセンサ７３及び７４で、センサ群７２は２個のセンサ７４及び７５で構成されている。また、２個のセンサ群は、図８に示すように互いの開口が直交するように配置されており、センサ７４はセンサ群７１と７２で共有されている。
【００５８】
この場合も、各センサは同様に波動信号を電気信号に変換して出力することになる。差分信号演算部７６においては、各センサ群７１及び７２における一方のセンサが検出した波動信号から他方のセンサが検出した波動信号を減算して差分信号を求め、第1のセンサ群７１の差分信号と第２のセンサ群７２の差分信号をそれぞれ出力することになる。
【００５９】
また、微分信号演算部７７においても、各センサ群７１及び７２における少なくとも一つのセンサが検出した波動信号の微分信号を演算し、第１のセンサ群７１の微分信号と第２のセンサ群７２の微分信号をそれぞれ出力することになる。
【００６０】
そして、遅延時間符号判定部７８は、第1のセンサ群７１の差分信号の符号と第１のセンサ群７２の微分信号の符号との組み合わせと第１のセンサ群７１のセンサの位置関係に基づいて、第1のセンサ群７１の遅延時間符号を求め、第２のセンサ群７２の差分信号の符号と第２のセンサ群７２の微分信号の符号との組み合わせと第２のセンサ群７２のセンサの位置関係に基づいて、第２のセンサ群７２の遅延時間符号を求める。遅延時間符号の判定は、（表１）に示す判定基準に照合して行うことになる。
【００６１】
以上のような構成によって、センサ群が１個である場合よりも、音源方向をより狭い範囲で推定することが可能となる。
【００６２】
なお、各センサ群は必ずしも図８に示す配置にする必要はなく、センサを共有していなくても各センサ群の開口が互いに交差さえしていればどのような配置であっても良い。
【００６３】
次に、本発明の実施の形態１にかかる波動信号処理システムを実現するプログラムの処理の流れについて説明する。図９に本発明の実施の形態にかかる波動信号処理システムを実現するプログラムの処理の流れ図を示す。
【００６４】
図９において、まず各センサが波動信号を検出し（ステップＳ９０１）、一方のセンサにおいて検出された波動信号から、他方のセンサにおいて検出された波動信号を減算し、その差分信号を出力する（ステップＳ９０２）。
【００６５】
次に、センサ群における少なくとも一つのセンサにおいて検出された波動信号について微分信号を演算し、その結果を出力する（ステップＳ９０３）。
【００６６】
そして、センサ群における差分信号と微分信号の符号を求めると共に（ステップＳ９０４）、差分信号の符号と微分信号の符号の組み合わせとセンサの位置関係に基づいて、センサ群における遅延時間符号を求めることになる（ステップＳ９０５）。
【００６７】
以上のように本実施の形態１によれば、差分信号と微分信号の符号を比較するだけで遅延時間符号を求めることができ、従来の相関演算で遅延時間を求めてその符号を抽出する手法に比べて、演算処理負担の減少を図ることが可能となる。
【００６８】
また、遅延時間Δｔが微小であるという前提でテーラー展開の近似式（数２）を導いていることから、例えば小型携帯機器のように小開口のセンサ配置しかできず、微小な遅延時間しか検出することができない場合であっても、従来の相関演算を行って遅延時間符号を求める手法に比べて、安定して正しい結果を得ることができる。
【００６９】
さらに、差分演算、微分演算、信号の符号の比較は、それぞれオペアンプによる差分回路、微分回路、コンパレータを用いることによって構成することができ、相関演算のために高価な高サンプリングレートのＡＤ変換チップと汎用プロセッサあるいはＤＳＰを準備する必要がある従来の方法に比べて、コストの観点、及びシステム構成の容易さの観点からも優れている。
【００７０】
また、本実施の形態１において、遅延時間符号判定部５６として様々な構成が考えられる。例えば、図１０は、本発明の実施の形態１にかかる波動信号処理システムにおける遅延時間符号判定部５６のブロック構成図である。図１０に示すように、遅延時間符号判定部５６は、信号演算部６１と信号符号判定部６２を備えている。
【００７１】
まず信号演算部６１においては、差分信号と微分信号について乗算又は除算を実行し、結果として当該乗算信号又は除算信号を出力するものである。また、信号符号判定部６２においては、信号乗算部６１から出力される乗算信号又は除算信号の符号を判定し、その符号のみを出力するものである。
【００７２】
具体的には、図１１にＤＳＰや汎用プロセッサを用いた場合の構成例を示す。図１１においては、汎用プロセッサによって差分信号演算部５４、微分信号演算部５５、遅延時間符号判定部５６を実現している。なお、２つのセンサを区別するためにセンサ５１及び５２を便宜上センサＡ及びセンサＢとしている。
【００７３】
図１１に示すように、ＡＤ変換部６３及び６４は、センサＡ及びセンサＢで検出した波動信号をＡＤ変換し、離散的なデジタルデータ列ｆA（ｋ）、ｆB（ｋ）（ｋ＝０，１，２，３，…）を出力する。そして、差分信号演算部５４において差分信号ｇSub（ｋ）をｇSub（ｋ）＝ｆB（ｋ）−ｆA（ｋ）として演算して、出力する。同様に微分信号演算部５５においては、現在の入力信号ｆA（ｋ）と前回の入力信号ｆA（ｋ−１）から、２サンプル間の傾き（ｆA（ｋ）−ｆA（ｋ−１））／Ｔを求め、近似的にその傾きを微分信号ｇDiff（ｋ）とする。ただし、ＴはＡＤ変換部６３及び６４におけるサンプリング周期を表している。最後に、信号演算部６１において差分信号ｇSub（ｋ）と微分信号ｇDiff（ｋ）の乗算又は除算を行い、その結果に対して信号符号判定部５６において符合の判定を行うことになる。
【００７４】
もちろん、信号符号判定部５６において、差分信号の符号を判定する差分信号符号判定部（図示せず）と、微分信号の符号を判定する微分信号判定部（図示せず）を設け、符号のみの処理によって遅延時間の符号を判定するものであっても良い。
【００７５】
一方、プロセッサを用いることなく構成することも可能である。この場合、図１２に示すように、センサＡ及びセンサＢで検出した波動信号をオペアンプで構成される差分回路６３及び微分回路６４に直接入力し、それぞれ差分信号と微分信号を出力する。そして、両信号を乗算回路６５を用いて乗算し、コンパレータ６６によって乗算回路６５の出力の正負を比較することになる。
【００７６】
この場合も同様に、出力された差分信号と微分信号を乗算回路６５へ入力するのではなく、コンパレータによって両信号の符号を求めてから、半加算器を用いて遅延時間の符号を求めるものであっても良い。
【００７７】
かかる構成にすることによって、本実施の形態１にかかる波動信号処理システムは、プロセッサを用いたデジタル回路であっても、あるいはオペアンプを用いたアナログ回路であっても容易に実現することが可能である。
【００７８】
すなわち、プロセッサを用いたデジタル回路による構成では、遅延時間符号を差分信号と微分信号の乗算信号の符号に基づいて判定することから、従来の相関演算で遅延時間を求めて、その符号を抽出する方法に比べて、少ない演算処理量で処理することが可能となる。
【００７９】
また、アナログ回路による構成では、相関演算をするために高価な高サンプリングレートのＡＤ変換チップと汎用プロセッサ又はＤＳＰを準備する必要がある従来の方法に比べて、コストの観点あるいはシステム構成の容易さの観点からも優れている。
【００８０】
（実施の形態２）
図１３は、本発明の実施の形態２にかかる波動信号処理システムのブロック構成図である。図１３に示すように、本実施の形態２では、実施の形態１にかかる波動信号処理システムに、波源方向判定部５７を新たに付加したものである。
【００８１】
すなわち、波源方向判定部５７において、前段の遅延時間符号判定部５６から出力される遅延時間符号に基づいて波源方向を判定することになる。
【００８２】
波源方向の判定手順を図１のセンサ配置に基づいて説明する。図１においては、センサ群の２個のセンサを識別するために、便宜的にセンサに識別子Ａ、Ｂを付けている。ここで、差分信号演算部５４は、センサＢにおいて検出された波動信号からセンサＡにおいて検出された波動信号を減算することによって差分信号を出力しているものとする。
【００８３】
このとき、分岐面のセンサＡ側から波動信号が入射すると、センサＢにおいて検出される波動信号にはセンサＡにおいて検出される波動信号に対する時間遅れが生じるため、（表１）により遅延時間の符合は負となる。
【００８４】
一方、分岐面のセンサＢ側から波動信号が入射すると、センサＢにおいて検出される波動信号にはセンサＡにおいて検出される波動信号に対する時間進みが生じるため、（表１）により遅延時間の符合は正となる。
【００８５】
したがって、波源方向判定部５７においては、前段の遅延時間符号判定部５６における出力が負である場合には、分岐面のセンサＡ側に波源が存在するものと判定し、出力が正である場合には、分岐面のセンサＢ側に波源が存在するものと判定することができ、分岐面のどちらの方向に波源が存在しているのかを出力することができる（出力が“０”の場合は分岐面上）。
【００８６】
例えば、遅延時間符号が負であった場合には、図１において分岐面のセンサＡ側の空間である０度から１８０度の方向を波源の存在方向として出力することになる。
【００８７】
なお、本実施の形態２においてはセンサ群の数を１組として説明しているが、実施の形態１と同様、２組以上のセンサ群の開口が互いに交差するように配置されていれば、センサ群の数に特に制限はない。また、センサ群を構成するセンサ数についても特に限定されるものではなく、３個以上であっても良い。
【００８８】
また、各センサ群の配置についても、必ずしも図１に示す配置に従う必要はなく、各センサ群の開口が互いに交差していれば、センサＡ及びセンサＢを任意の位置に配置しても良い。
【００８９】
さらに、差分信号演算部５４において、センサＡで検出された波動信号からセンサＢで検出された波動信号を減算することで差分信号を求めても良い。ただし、その場合には、波源方向判定部５７における判定結果を逆に読み替える必要が生じる。すなわち、前段の遅延時間符号判定部５６の出力が負である場合には分岐面のセンサＢ側に、符号が正である場合には分岐面のセンサＡ側に、それぞれ波源が存在すると判定しなければならない。
【００９０】
以上のように本実施の形態２によれば、差分信号と微分信号の符号の比較という簡単な演算で求めた遅延時間符号を用いて波源の方向を判定するため、従来の相関演算で遅延時間を求めて、当該遅延時間に基づいて波源の方向を判定する方法に比べて、演算処理負担の減少を図ることが可能となる。
【００９１】
また、遅延時間Δｔが微小であるという前提でテーラー展開の近似式（数２）を導いていることから、例えば小型携帯機器のような微小な遅延時間しか検出することができない小開口のセンサ配置しかできない場合であっても、従来の相関演算を行って遅延時間符号を求める手法に比べて、安定して正しい結果を得ることができる。
【００９２】
さらに、差分演算、微分演算、信号の符号の比較は、それぞれオペアンプによる差分回路、微分回路、コンパレータを用いることによって構成することができ、相関演算のために高価な高サンプリングレートのＡＤ変換チップと汎用プロセッサあるいはＤＳＰを準備する必要がある従来の方法に比べて、コストの観点、及びシステム構成の容易さの観点からも優れている。
【００９３】
（実施の形態３）
図１４は、本発明の実施の形態３にかかる波動信号処理システムのブロック構成図である。図１４に示すように、本実施の形態３は、実施の形態１に重み係数算出部５８を新たに付加したものである。以下、重み係数算出部５８について説明する。
【００９４】
例えば、図１に示すセンサ配置において、分岐面から見て空間１の方向からの波動信号の重みをαとし、空間２の方向からの波動信号の重みをβと設定するものとする。このとき、センサの配置関係から理論的に空間と遅延時間符号の関係を導き出すと、（表１）より、空間1側から波動信号が入射する場合は遅延時間符号が負になり、空間２側から波動信号が入射する場合は遅延時間符号が正になる。したがって、遅延時間符号が負の場合には重みαを出力し、正の場合には重みβを出力すれば良いことになる。ただし、差分信号演算部５４は、センサＢで検出された波動信号からセンサＡで検出された波動信号を減算することで差分信号を求めているものとする。
【００９５】
なお、本実施の形態３においては、センサ群の数を１組として説明しているが、特にこれに限定されるものではなく、２組以上のセンサ群を、開口が互いに交差するように配置するものであれば良い。また、センサ群を構成するセンサ数についても、特に限定されるものではなく、３個以上であっても良い。
【００９６】
また、各センサ群の配置は必ずしも図１に従う必要はなく、各センサ群の開口が互いに交差している配置でありさえすれば、センサＡ及びセンサＢを任意に配置しても良い。
【００９７】
さらに、差分信号演算部５４において、センサＡで検出された差分信号からセンサＢで検出された差分信号を減算することで差分信号を求めても良い。ただし、その場合には、重み係数算出部５８において遅延時間符号の正負に対してαとβの出力を逆にする必要が生じることは言うまでもない。
【００９８】
以上のように本実施の形態３によれば、差分信号と微分信号の符号の比較という簡単な演算で求めた遅延時間符号を用いて重み係数を演算するため、従来の相関演算で遅延時間を求めて、当該遅延時間に基づいて重み係数を演算する方法に比べて、演算処理負担の減少を図ることが可能となる。
【００９９】
また、遅延時間Δｔが微小であるという前提でテーラー展開の近似式（数２）を導いていることから、例えば小型携帯機器のような微小な遅延時間しか検出することができない小開口のセンサ配置しかできない場合であっても、従来の相関演算を行って遅延時間符号を求める手法に比べて、安定して正しい結果を得ることができる。
【０１００】
さらに、差分演算、微分演算、信号の符号の比較は、それぞれオペアンプによる差分回路、微分回路、コンパレータを用いることによって構成することができ、相関演算のために高価な高サンプリングレートのＡＤ変換チップと汎用プロセッサあるいはＤＳＰを準備する必要がある従来の方法に比べて、コストの観点、及びシステム構成の容易さの観点からも優れている。
【０１０１】
また、実施の形態２と組み合わせることにより、すなわち波源方向判定部５７において波源方向を判定した後に、重み係数算出部５８において重み係数を算出することによって、後述の雑音抑制のための重み計数を少ない演算量で求めることが可能となる。
【０１０２】
（実施の形態４）
図１５に本発明の実施の形態４にかかる波源信号処理システムのブロック構成図を示す。図１５に示すように、本実施の形態４においては、図１４に示す実施の形態３にかかる波源信号処理システムに、信号抑圧部５９を付加したものである。
【０１０３】
信号抑圧部５９は、１つのセンサで検出された波動信号を入力する入力部を備えており、重み係数算出部５８から出力される重み係数に基づいて、入力部に入力された波動信号に重み付けを行って出力するものである。なお、信号抑圧部５９の直前に重み係数算出部５８が配置されていれば足りることから、実施の形態２及び実施の形態３とを組合せた波源方向判定部５７を含んだ構成であっても良い。
【０１０４】
以上のように１組のセンサ群を用いた構成により、背面方向にも指向性の残る従来の単一指向性マイクと比べて、センサの分岐面の後面の指向特性を完全に消去することが可能となり、より強い指向特性を実現することが可能となる。
【０１０５】
また、２組以上の複数のセンサ群を用いた構成においても、従来のガンマイクやマイクロホンアレイと比べて、小型な構成で鋭い指向特性を持たせることが可能となる。
【０１０６】
（実施の形態５）
図１６に本発明の実施の形態５にかかる波動信号処理システムのブロック構成図を示す。本実施の形態５は、遅延時間符号判定部５６の後段に低域通過フィルタ６０を付加したものである。
【０１０７】
低域通過フィルタ６０は、図２に示す時刻Ｑのように、符号判定に誤りが生じる区間を除去するために付加するものである。フィルタ構成としては、例えば一般に知られているコンデンサと抵抗によるローパスフィルタやオペアンプを用いたアクティブフィルタ、あるいはプロセッサを用いた構成の場合においては、例えばＦＩＲ（Finite Impulse Response）あるいはＩＩＲ（Infinite Impulse Response）フィルタ等を用いれば良い。
【０１０８】
以上のように低域通過フィルタ６０を設けることにより、遅延時間符号の判定において、常に正しい結果を得ることが可能となり、従来の相関演算で遅延時間符号を求める方法に比べて、小型あるいは低い演算処理能力を有する演算処理装置であってもより精度の高い遅延時間の符号判定を行うことが可能となる。
【０１０９】
また、低域通過フィルタ６０を、センサ５２及び５３の直後に配置することも考えられる。この場合のブロック構成図を図１７に示す。
【０１１０】
すなわち、本発明にかかる遅延時間符号の判定方法においては、図２に示した時刻Ｑのように、符号判定に誤りが生じる区間が必ず存在する。例えば図１８（ａ）に示すような低周波と高周波の交じり合った音声信号が入力された場合、高周波が含まれる区間においては、時刻Ｑに示した状態が多く含まれることになり、遅延時間を正しく判定することができない区間が多く存在することになる。
【０１１１】
そのため、入力信号に低域通過フィルタを挿入し、図１８（ｂ）に示すように低周波成分のみを残した波形で信号処理を行うことで、誤判定区間を減少させることが可能となる。フィルタの構成は、例えば一般に知られているコンデンサと抵抗によるアナログフィルタや、オペアンプを用いたアクティブフィルタを用いることができ、システム構成がデジタルの場合においては、例えばＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタ、あるいはＩＩＲ（Infinite Impulse Response）フィルタ等を用いれば良い。
【０１１２】
以上のように、センサの直後に低域通過フィルタ６０を配置する構成においては、高周波成分による遅延時間符号判定の誤りを低減することができ、従来の相関演算で遅延時間符号を求める方法に比べて、小型構成においてもより精度の高い遅延時間符号の判定を行うことが可能となる。
【０１１３】
（実施の形態６）
図１９に本発明の実施の形態６にかかる波動信号処理システムのブロック構成図を示す。本実施の形態６は、センサ群５１とは別個に、第２のセンサ群５１０と遅延時間検出部５６０を付加し、遅延時間検出部５６０からの出力について重み係数算出部５８に入力するとともに、第２のセンサ群５１０のセンサ信号についても信号抑圧部５９に入力する構成となっている。
【０１１４】
遅延時間検出部５６０は、第２のセンサ群５１０の２つのセンサに到達する信号の遅延時間を出力する。遅延時間の検出手段は、相互相関による方法であっても良いし、特願２００２−０７８６９７に示されているような差分信号を微分信号で除算する方法であっても良い。
【０１１５】
重み係数算出部５８においては、センサ群５１（第１のセンサ群）から得られた遅延時間符号と、第２のセンサ群５１０から得られた遅延時間が、目的音源方向から音波が到来した場合に生じる遅延時間及び遅延時間符号と一致しない場合‘１’以下の重み係数を設定し、信号抑圧部５９において第１のセンサ群又は第２のセンサ群の信号を抑圧して出力する。
【０１１６】
また、遅延時間検出部５６０の後段に波源方向検出部（図示せず）を、遅延時間符号判定部５６の後段に波源方向判定部５７を設け、波源方向の情報から重み係数を求めても良い。この場合、目的の波源方向以外の方向が検出された場合に重み係数を‘１’以下の値に設定する。なお、第１のセンサ群と第２のセンサ群とで、必ずしもマイクを共有する必要はなく、それぞれ固有のマイクを設けても良い。
【０１１７】
以上のように、遅延時間を検出する第２のセンサ群と、遅延時間符号を判定する第１のセンサ群とを設ける構成とすることによって、２組のセンサ群でそれぞれ遅延時間を演算して単一の音源方向を求めて指向性を形成する場合に比べて、少ない演算量で単一の指向性を実現することが可能となる。
【０１１８】
なお、本発明の実施の形態にかかる波動信号処理システムを実現するプログラムは、図２０に示すように、ＣＤ−ＲＯＭ２０２−１やフレキシブルディスク２０２−２等の可搬型記録媒体２０２だけでなく、通信回線の先に備えられた他の記憶装置２０１や、コンピュータ２０３のハードディスクやＲＡＭ等の記録媒体２０４のいずれに記憶されるものであっても良く、プログラム実行時には、プログラムはローディングされ、主メモリ上で実行される。
【０１１９】
また、本発明の実施の形態にかかる波動信号処理システムにより生成された差分信号や微分信号等についても、図２０に示すように、ＣＤ−ＲＯＭ２０２−１やフレキシブルディスク２０２−２等の可搬型記録媒体２０２だけでなく、通信回線の先に備えられた他の記憶装置２０１や、コンピュータ２０３のハードディスクやＲＡＭ等の記録媒体２０４のいずれに記憶されるものであっても良く、例えば本発明にかかる波動信号処理システムを利用する際にコンピュータ２０３により読み取られる。
【０１２０】
（付記１） 少なくとも２つのセンサで構成されるセンサ群を少なくとも１組備え、
前記各センサ群における任意の２つのセンサが検出した波動信号間の差分信号を求める差分信号演算部と、
少なくとも１つのセンサが検出した波動信号の微分信号を求める微分信号演算部と、
前記差分信号と前記微分信号の符号の組み合わせとセンサの位置関係に基づいて、前記２つのセンサが検出した波動信号間における遅延時間の符号を判定する遅延時間符号判定部とを含むことを特徴とする波動信号処理システム。
【０１２１】
（付記２） 前記遅延時間符号判定部において求められた、少なくとも１つのセンサ群が検出した波動信号間における遅延時間の符号の正負とセンサの位置関係に基づいて、波源の方向を判定する波源方向判定部をさらに含む付記１に記載の波動信号処理システム。
【０１２２】
（付記３） 前記遅延時間符号判定部において求められた、少なくとも１つのセンサ群が検出した波動信号間における遅延時間の符号の正負とセンサの位置関係、もしくは前記波源方向判定部において求められた、少なくとも１つのセンサ群が検出した波動信号の波源方向に基づいて、重み係数を算出する重み係数算出部をさらに含む付記２に記載の波動信号処理システム。
【０１２３】
（付記４） 前記重み係数を用いて、少なくとも一つのセンサで検出された波動信号に対して重み付けを行い、目的とする前記波源方向以外から到来する不要な波動信号部分を抑制する信号抑圧部をさらに含む付記３に記載の波動信号処理システム。
【０１２４】
（付記５） 少なくとも２つのセンサで構成するセンサ群を少なくとも２組備え、
少なくとも１つのセンサ群において任意の２つのセンサ信号の遅延時間を算出する遅延時間演算部を含み、前記遅延時間に基づいた波動信号処理を並行して行う付記1から４のいずれか一項に記載の波動信号処理システム。
【０１２５】
（付記６） 算出された前記遅延時間に基づいて波源方向を検出する波源方向検出部をさらに含む付記５に記載の波動信号処理システム。
【０１２６】
（付記７） 前記遅延時間符号判定部が、前記差分信号と前記微分信号を乗算又は除算する信号演算部と、前記信号演算部における乗算又は除算結果の符号を判定する信号符号判定部とをさらに含む付記１から６のいずれか一項に記載の波動信号処理システム。
【０１２７】
（付記８） 前記遅延時間符号判定部が、
前記差分信号の符号を判定する差分信号符号判定部と、
前記微分信号の符号を判定する微分信号符号判定部と、
前記差分信号符号判定部における前記差分信号の符号と前記微分信号符号判定部における前記微分信号の符号を比較判定する符号判定部とをさらに含む付記１から６のいずれか一項に記載の波動信号処理システム。
【０１２８】
（付記９） 前記遅延時間符号判定部における判定結果を通す低域通過フィルタを含む付記１から８のいずれか一項に記載の波動信号処理システム。
【０１２９】
（付記１０） 前記センサ群の後段に低域通過フィルタを含む付記１から９のいずれか一項に記載の波動信号処理システム。
【０１３０】
（付記１１） 少なくとも２つのセンサで構成されるセンサ群を少なくとも１組備える信号処理装置における波動信号処理方法であって、
前記各センサ群における任意の２つのセンサが検出した波動信号間の差分信号を求める工程と、
少なくとも１つのセンサが検出した波動信号の微分信号を求める工程と、
前記差分信号と前記微分信号の符号の組み合わせとセンサの位置関係に基づいて、前記２つのセンサが検出した波動信号間における遅延時間の符号を判定する工程とを含むことを特徴とする波動信号処理方法。
【０１３１】
（付記１２） 少なくとも２つのセンサで構成されるセンサ群を少なくとも１組備える信号処理装置における波動信号処理方法を具現化するコンピュータ実行可能なプログラムであって、
前記各センサ群における任意の２つのセンサが検出した波動信号間の差分信号を求めるステップと、
少なくとも１つのセンサが検出した波動信号の微分信号を求めるステップと、前記差分信号と前記微分信号の符号の組み合わせとセンサの位置関係に基づいて、前記２つのセンサが検出した波動信号間における遅延時間の符号を判定するステップとを含むことを特徴とするコンピュータ実行可能なプログラム。
【０１３２】
【発明の効果】
以上のように本発明にかかる波動信号処理システムによれば、波源の方向推定が小型又は低い演算処理能力を有する演算処理装置を用いる場合であっても精度良く行うことができ、さらにその情報を用いることで、小型又は低い演算処理能力を有する演算処理装置であっても、単一指向特性を有する波動信号処理システムを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 波源及びセンサ群の位置関係の説明図
【図２】 波動信号受信時の例示図
【図３】 低域通過フィルタによる結果補正の説明図
【図４】 センサ群が複数の場合における波源及びセンサ群の位置関係の説明図
【図５】 本発明の実施の形態１にかかる波動信号処理システムの構成ブロック図
【図６】 本発明の実施の形態１にかかる波動信号処理システムにおけるセンサ配置図
【図７】 本発明の実施の形態１にかかる波動信号処理システムのセンサ群が複数の場合の構成ブロック例示図
【図８】 本発明の実施の形態１にかかる波動信号処理システムのセンサ群が複数の場合のセンサ配置図
【図９】 本発明の実施の形態１にかかる波動信号処理システムにおける処理の流れ図
【図１０】 本発明の実施の形態１にかかる波動信号処理システムにおける遅延時間符号判定部のブロック構成図
【図１１】 本発明の実施の形態１にかかる波動信号処理システムにおける遅延時間符号判定部の具体例を示す図
【図１２】 本発明の実施の形態１にかかる波動信号処理システムにおける遅延時間符号判定部の他の具体例を示す図
【図１３】 本発明の実施の形態２にかかる波動信号処理システムのブロック構成図
【図１４】 本発明の実施の形態３にかかる波動信号処理システムのブロック構成図
【図１５】 本発明の実施の形態４にかかる波動信号処理システムのブロック構成図
【図１６】 本発明の実施の形態５にかかる波動信号処理システムのブロック構成図
【図１７】 本発明の実施の形態５にかかる波動信号処理システムの他のブロック構成図
【図１８】 本発明にかかる波動信号処理システムにおける低域通過フィルタ効果の説明図
【図１９】 本発明の実施の形態６にかかる波動信号処理システムのブロック構成図
【図２０】 コンピュータ環境の例示図
【符号の説明】
５１、７１、７２ （第１の）センサ群
５２、５３、７３、７４、７５ センサ
５４、７６ 差分信号演算部
５５、７７ 微分信号演算部
５６、７８ 遅延時間符号判定部
５７ 波源方向判定部
５８ 重み係数算出部
５９ 信号抑圧部
６０ 低域通過フィルタ
６１ 信号演算部
６２ 信号符号判定部
６３、６４ ＡＤ変換部
６５ 乗算回路
６６ コンパレータ
２０１ 回線先の記憶装置
２０２ ＣＤ−ＲＯＭやフレキシブルディスク等の可搬型記録媒体
２０２−１ ＣＤ−ＲＯＭ
２０２−２ フレキシブルディスク
２０３ コンピュータ
２０４ コンピュータ上のＲＡＭ／ハードディスク等の記録媒体
５１０ 第２のセンサ群
５６０ 遅延時間検出部
【発明の属する技術分野】
本発明は、媒質中を伝播する波動信号、特に音波を発する波源の方向の検出と、鋭い指向特性を小型、少ない演算量で実現する波動信号処理システム及び方法に関する。なお、「媒質」とは、波動信号が伝播していく媒体、空間、場等の全てを含む広い概念とする。
【０００２】
【従来の技術】
波動信号は、所定の媒質中を波源から放射状に伝播していく点に特徴を有しており、例えば波動信号の一種である音波では、特定の方向からの音波を検知する装置として、正面方向に最大の感度を有する単一指向性マイクや、正面方向に鋭い指向性を有するガンマイク等が開発されている。
【０００３】
また、複数のマイクを用いる手法として、良く知られているマイクロホンアレイ技術や、波源方向を検出することで目的の方向以外から到来した波動信号を抑圧し、目的方向への指向性を作り出すという方法も良く知られている。かかる方法を用いる場合、３つ以上のマイクを互いに一直線に並ばないように配置することによって、任意の方向へ単一の指向性を設定することができる。
【０００４】
複数のマイクを用いて波源の方向を検出する場合は、各マイクに到達する信号の時間差を求める必要があり、その演算には相関演算が用いられるのが一般的である。また、特願２００２−０７８６９７号においては、相関演算の代わりに、各マイクに到達する波動信号の時間差を受信信号の差分信号と微分信号を用いて少ない演算量で計算する方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、一般に、カーディオイド型の単一指向性マイクは、後方からの波動信号を抑圧する効果は大きいものの、横方向からの波動信号を抑圧する効果は小さく、ブロードな指向特性しか実現することができないという問題点があった。一方、ガンマイクは鋭い指向特性を有するものの、波源方向に大きな音響管を設ける必要があることから、一般的なマイクと比較して大きな設置スペースを要し、小型機器への組込みが困難になるという問題があった。同様に、マイクロホンアレイについても、その指向性を鋭くするためには大きな開口を要することから、一般的なマイクと比較して大きな設置スペースを要し、小型機器への組込みが困難になるという問題点があった。
【０００６】
また、複数のマイクを用いて音源方向を検出し、指向性を生成する方法は、入力信号を高サンプリングレートでＡＤ変換し、サンプリングされた多量のデータに対して処理量の多い相関演算を行う必要があり、リアルタイム性が要求されるアプリケーションへの適用が困難であるとともに、演算能力の低いプロセッサでは実現すること自体が困難である。
【０００７】
さらに、小型の機器に組み込む場合には、センサ開口が狭くなり遅延時間が微小になってしまうことから、相関演算を用いる方法では精度良く遅延時間を求めること自体が困難になってしまうという問題点もあった。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解決するために、複数のマイクを用いて指向性を生成する際に必要となる波源方向の検出方法に関して、小開口及び少ない演算量で処理を行い、鋭い指向性を確保することができる波動信号処理システム及び方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明にかかる波動信号処理システムは、少なくとも２つのセンサで構成されるセンサ群を少なくとも１組備え、各センサ群における任意の２つのセンサが検出した波動信号間の差分信号を求める差分信号演算部と、少なくとも１つのセンサが検出した波動信号の微分信号を求める微分信号演算部と、差分信号と微分信号の符号の組み合わせとセンサの位置関係に基づいて、２つのセンサが検出した波動信号間における遅延時間の符号を判定する遅延時間符号判定部とを含むことを特徴とする。
【００１０】
かかる構成により、差分信号と微分信号の符号を比較するだけで遅延時間符号を求めることができることから、少ない演算処理量で処理を完了することが可能となるとともに、特に微小な遅延時間しか検出することができない小開口のセンサ配置の場合について、安定して正しい信号処理を行うことが可能となる。
【００１１】
また、本発明にかかる波動信号処理システムは、遅延時間符号判定部において求められた、少なくとも１つのセンサ群が検出した波動信号間における遅延時間の符号の正負とセンサの位置関係に基づいて、波源の方向を判定する波源方向判定部をさらに含むことが好ましい。差分信号と微分信号の符号を比較するだけで波源の方向を特定することができることから、少ない演算処理量で波源方向を特定でき、特に微小な遅延時間しか検出することができない小開口のセンサ配置の場合についても、安定して正しい波源方向を特定することができるからである。
【００１２】
また、本発明にかかる波動信号処理システムは、遅延時間符号判定部において求められた、少なくとも１つのセンサ群が検出した波動信号間における遅延時間の符号の正負とセンサの位置関係、もしくは波源方向判定部において求められた、少なくとも１つのセンサ群が検出した波動信号の波源方向に基づいて、重み係数を算出する重み係数算出部をさらに含むことが好ましい。後述の雑音抑圧に利用する重み係数を少ない演算量で算出できるからである。
【００１３】
また、本発明にかかる波動信号処理システムは、重み係数を用いて、少なくとも一つのセンサで検出された波動信号に対して重み付けを行い、目的とする波源方向以外から到来する不要な波動信号部分を抑制する信号抑圧部をさらに含むことが好ましい。雑音信号を排除することによって、少ない演算量で指向性を生成することができるからである。
【００１４】
また、本発明にかかる波動信号処理システムは、少なくとも２つのセンサで構成するセンサ群を少なくとも２組備え、少なくとも１つのセンサ群において任意の２つのセンサ信号の遅延時間を算出する遅延時間演算部を含み、遅延時間に基づいた波動信号処理を並行して行うことが好ましい。さらに、本発明にかかる波動信号処理システムは、算出された遅延時間に基づいて波源方向を検出する波源方向検出部をさらに含むことが好ましい。従来の方法と併用することによって、小型かつ少ない演算量で処理を行うことができると共に、波源方向をより精度良く推定することができるからである。
【００１５】
また、本発明にかかる波動信号処理システムは、遅延時間符号判定部が、差分信号と微分信号を乗算又は除算する信号演算部と、信号演算部における乗算又は除算結果の符号を判定する信号符号判定部とをさらに含むことが好ましい。
【００１６】
さらに、本発明にかかる波動信号処理システムは、遅延時間符号判定部が、差分信号の符号を判定する差分信号符号判定部と、微分信号の符号を判定する微分信号符号判定部と、差分信号符号判定部における差分信号の符号と微分信号符号判定部における微分信号の符号を比較判定する符号判定部とをさらに含むことが好ましい。
【００１７】
また、本発明にかかる波動信号処理システムは、遅延時間符号判定部の後段に低域通過フィルタを含むことが好ましい。遅延時間符号の判定において、常に正しい結果を得ることが可能となり、小型あるいは低い演算処理能力を有する演算処理装置であってもより精度の高い遅延時間の符号判定を行うことができるからである。
【００１８】
また、本発明にかかる波動信号処理システムは、センサ群の後段に低域通過フィルタを含むことが好ましい。高周波成分による遅延時間符号判定の誤りを低減することができ、小型あるいは低い演算処理能力を有する演算処理装置であってもより精度の高い遅延時間の符号判定を行うことができるからである。
【００１９】
また、本発明は、上記のような波動信号処理システムの機能をコンピュータの処理ステップとして実行するソフトウェアを特徴とするものであり、具体的には、少なくとも２つのセンサで構成されるセンサ群を少なくとも１組備える信号処理装置における波動信号処理方法であって、各センサ群における任意の２つのセンサが検出した波動信号間の差分信号を求める工程と、少なくとも１つのセンサが検出した波動信号の微分信号を求める工程と、差分信号と微分信号の符号の組み合わせとセンサの位置関係に基づいて、２つのセンサが検出した波動信号間における遅延時間の符号を判定する工程とを含む波動信号処理方法並びにそのような工程を具現化するコンピュータ実行可能なプログラムであることを特徴とする。
【００２０】
かかる構成により、コンピュータ上へ当該プログラムをロードさせ実行することで、差分信号と微分信号の符号を比較するだけで遅延時間符号を求めることができることから、少ない演算処理量で処理を完了することが可能となるとともに、特に微小な遅延時間しか検出することができない小開口のセンサ配置の場合について、安定して正しい信号処理を行うことができる波動信号処理システムを構築することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
まず、本発明にかかる波動信号処理システムの原理について説明する。なお、ここでは、２個のセンサを有する１組のセンサ群で構成された波動信号処理システムについて説明するが、本実施の形態においてはセンサが３個以上であっても良いし、センサ群が２組以上であっても良い。
【００２２】
まず図１に、波源と２つのセンサであるセンサＡ及びセンサＢの位置関係を示す。図１において、図１に示す位置関係にある場合、センサＡ及びセンサＢにおいて受信する波動信号をそれぞれｆA（ｔ）及びｆB（ｔ）とする。
【００２３】
そして、図１からも明らかなように、波源からの信号は先にセンサＡに到達するため、ｆB（ｔ）の信号はｆA（ｔ）の信号に対して時間遅れが生じることになる。かかる時間遅れを遅延時間Δｔとする。なお、Δｔの符号が正の場合には時間進みを、負の場合には時間遅れを、それぞれ表すものとする。
【００２４】
このとき、センサＢの信号ｆB（ｔ）をはセンサＡの信号ｆA（ｔ）を用いて表すと、（数１）に示すようになる。
【００２５】
【数１】
次に、（数１）をテーラー展開して、遅延時間Δｔが微小であるという前提で２次微分項以降の項を省略すると、近似式として（数２）を得ることができる。
【００２７】
【数２】
遅延時間Δｔは、（数２）を解くことによって得ることができる。（数２）からΔｔを求めた結果を（数３）に示す。
【００２９】
【数３】
（数３）より、Δｔは、２つのセンサ間の差分信号ｆB（ｔ）−ｆA（ｔ）を微分信号ｆ’A（ｔ）で除算した値として求めることができることになる。
【００３１】
ここで、各信号の符合に注目すると、時間遅れ（Δｔが負の数）がある場合には、差分信号ｆB（ｔ）−ｆA（ｔ）と微分信号ｆ’A（ｔ）の符号組み合わせはいずれかが正なら他方が負となる組み合わせとなる。一方、時間進み（Δｔが正の数）がある場合には、差分信号と微分信号の符号は共に正又は共に負の組み合わせとなる。（表１）に当該組み合わせと遅延時間の符号との関係を示す。
【００３２】
【表１】
したがって、（表１）からもわかるように、差分信号の符号と微分信号の符号の組み合わせを確認することで、信号の遅延時間Δｔの正負、すなわち時間進みであるのか時間遅れであるのかを判定することが可能となる。
【００３４】
例えば、図１に示したセンサの配置において、波動信号を受信した場合の一例を図２に示す。図２において、各時刻Ｐ、Ｑ、Ｒにおけるセンサの差分信号ｆB（ｔ）−ｆA（ｔ）と微分信号ｆ’A（ｔ）の符号の組み合わせを（表２）に示す。
【００３５】
【表２】
（表２）から解るように、時刻Ｐ及びＲにおいては、上述した（表１）を用いる判定方法によって時間進みであるのか時間遅れであるのかを正しく判定できることがわかる。ただし、時刻ＱにおいてはΔｔの符号が逆になっており、誤った判定結果となっている。これは、（数２）において無視した２次微分項以降の項が影響したためである。
【００３７】
図２から解るように、時刻Ｑのような誤った判定結果となる区間は、センサＡの波形の極大点あるいは極小点から遅延時間Δｔの間である。しかし、信号の１波長に対して遅延時間Δｔが微小である場合には、このような誤検出区間は信号波形の極大点の近傍あるいは極小点の近傍において間欠的に短時間だけ生じるものであり、例えば図３に示すように、遅延時間符号判定結果が正のときに‘１’、負のときに‘０（ゼロ）’に設定して出力し、その出力を低域通過フィルタ６０を通し、例えば０．５以上を「進み」、０．５以下を「遅れ」と判定することができる。
【００３８】
このように本発明においては、信号の符号判定を行うだけで信号の遅延時間Δｔの正負、すなわち時間進みであるのか時間遅れであるのかを判定することができることから、従来の方法、すなわち相関演算により遅延時間を求め、求まった遅延時間の符合を求める方法に比べて、高サンプリングレートでＡＤ変換した多くのデータに対する演算処理量を必要とする相関演算を実行する必要がなく、少ない演算処理量により遅延時間符号を判定することができる。
【００３９】
また、上述したような原理より、遅延時間Δｔが微小であるという前提でテーラー展開の近似式（数２）を導いていることから、特に微小な遅延時間しか検出できない小さい開口を有するセンサ配置の場合に、従来の方法に比べて、安定して正しい結果が得ることができる。
【００４０】
さらに、本発明で用いる差分演算、微分演算、信号の符号の比較演算は、それぞれオペアンプによる差分回路、微分回路、コンパレータを用いて構成することも可能であり、相関演算のために高価な高サンプリングレートのＡＤ変換チップと汎用プロセッサあるいはＤＳＰを準備する必要がある従来の方法に比べて、コストの観点、あるいはシステム構成の容易さの観点においても優れている。
【００４１】
また、本発明は、少なくとも１つのセンサ群における遅延時間の符号の正負に基づいて波源の方向を判定することを特徴とするものである。上述したように、図１に示すセンサ配置において遅延時間符号が負となる場合には、２つのセンサの垂直２等分面、すなわちセンサＡとセンサＢの中点を通り、２つのセンサを結んだ直線に垂直な面（以下、「分岐面」という。）のセンサＡ側（０度から１８０度の空間）に波源が存在することを意味している（遅延時間が“０”の場合は分岐面上）。したがって、遅延時間符号の正負を判断することによって、波源の方向を分岐面のどちらかの空間に特定することが可能となる。
【００４２】
さらに、分岐面の後面から到来した音を不要音として抑圧することにより、従来のカーディオイド型の単一指向性マイクが後面方向にも指向性を有するのに比べて、本発明では分岐面の前面だけに指向性を有するようにすることができる。
【００４３】
また、例えば図４に示すように、センサ３個が互いの開口のなす角が３０度になるように配置されている場合には、センサ群１の判定結果がセンサ群１における分岐面の右側の空間を、センサ群２の判定結果がセンサ群２における分岐面の左側の空間をそれぞれ示しているときは、これらの空間の重なり部分として図４における濃い網掛けで示した前方３０度の空間に波源位置を特定することができる。このように、少なくとも３個のセンサによる２組のセンサ群の配置を調整することによって、あらかじめ設定しておいた波源の方向を所望の角度範囲の精度で判定することができる。
【００４４】
一方、従来の相関演算を用いる場合には、２個１組のセンサ群だけで同様に音源方向を判定することができる。しかし、相関演算の演算処理量は本発明の方法よりも多くなってしまう。すなわち、本発明においては、２組のセンサ群を用いているが、差分信号をそれぞれのセンサ群について求め、微分信号はセンサＢの信号を共通に用いることができることから、差分演算については２つのセンサ群で演算し、微分演算については１つのセンサでのみ演算し、最後に遅延時間符号の比較を２つのセンサ群で行うだけで音源方向の範囲を判定することができる。
【００４５】
一方、従来の方法では、相関演算を１組のセンサ群について行うだけであるが、高サンプリングレートでＡＤ変換した多量の入力データに対して畳み込み積分演算を行わなければならないため、遅延時間符号の判定を２組のセンサ群で行った場合でも本発明による演算処理量の方が少なくなるのである。
【００４６】
さらに、本発明では、前記手法で特定した波源方向の範囲と目的の波源方向が一致しない場合において、受信信号を抑圧して、指向性を持たせることも可能である。したがって、３つ以上のセンサを用いることで、従来のガンマイクやマイクアレイと同様の鋭い指向性を実現することができ、かつガンマイクやマイクアレイに比べて小開口の構成においても実現可能となる。
【００４７】
また、一般にセンサ配置面と同一平面内にある任意の音源方向の検出と任意の方向への単一指向特性を実現しようとする場合、２組以上のセンサ群を組み合わせる必要がある。そこで、２組あるセンサ群の一方のセンサ群に対して相関演算を用いる従来の音源方向検出手法を適用し、他方のセンサ群に対して本発明の遅延時間符号から音源方向を判定する手法を適用することで、相関演算を用いる従来の音源方向検出手法を２つ組み合わせる場合に比べて演算処理量を低減することができ、センサ群における配置面の任意の方向からの音源検出とそれに基づいた単一指向特性を実現することが可能となる。
【００４８】
以下、本発明の実施の形態にかかる波動信号処理システムについて、図面を参照しながら説明する。
【００４９】
（実施の形態１）
図５は、本発明の実施の形態１にかかる波動信号処理システムの構成ブロック図である。本実施の形態１においては、図６のセンサ配置図に示す１組のセンサ群５１を備えており、当該センサ群５１は２個のセンサ５２及び５３で構成されている。各センサ５２及び５３は、波動信号を電気信号に変換して出力する機能を有する。
【００５０】
また、差分信号演算部５４は、センサ群５１の一方のセンサ５２もしくは５３において検出された波動信号から、他方のセンサ５３もしくは５２において検出された波動信号を減算し、その差分信号を出力するものである。
【００５１】
微分信号演算部５５は、センサ群５１における少なくとも一つのセンサ５２又は５３が検出した波動信号について微分信号を演算し、その結果を出力するものである。
【００５２】
遅延時間符号判定部５６は、差分信号演算部５４において算出されたセンサ群５２の差分信号と、微分信号演算部５５において算出された微分信号の符号の組み合わせとセンサの位置関係に基づいて、センサ群５２における遅延時間符号を出力するものである。なお、遅延時間符号の判定は、入力された差分信号と微分信号の符号を（表１）に示す判定基準に照合して行うことになる。
【００５３】
以上のような構成とすることにより、差分信号と微分信号の符号を比較するだけで遅延時間符号が求まり、従来の相関演算で遅延時間を求めてその符号を抽出する手法に比べて、少ない演算処理量で処理を完了することが可能となる。
【００５４】
また、遅延時間Δｔが微小であるという前提でテーラー展開の近似式（数２）を導いていることから、微小な遅延時間しか検出することができない小開口のセンサ配置の場合であっても、従来の相関演算を行って遅延時間符号を求める手法に比べて、安定して正しい結果を得ることができる。
【００５５】
さらに、差分演算、微分演算、信号の符号の比較は、それぞれオペアンプによる差分回路、微分回路、コンパレータを用いることによって構成することができ、相関演算のために高価な高サンプリングレートのＡＤ変換チップと汎用プロセッサあるいはＤＳＰを準備する必要がある従来の方法に比べて、コストの観点、及びシステム構成の容易さの観点からも優れているものと考えられる。
【００５６】
なお、本実施の形態１においては、センサ群５２の数を１組としているが、特に１組に限定されるものではなく、２組以上であっても良い。その場合、各センサ群の開口が交差するように設置することになる。また、センサ群５２を構成するセンサの数についても３個以上であっても良い。
【００５７】
例えば図７に、センサ群を２組有する場合のブロック構成図を示す。図７においては、２組のセンサ群７１及び７２を有しており、センサ群７１は２個のセンサ７３及び７４で、センサ群７２は２個のセンサ７４及び７５で構成されている。また、２個のセンサ群は、図８に示すように互いの開口が直交するように配置されており、センサ７４はセンサ群７１と７２で共有されている。
【００５８】
この場合も、各センサは同様に波動信号を電気信号に変換して出力することになる。差分信号演算部７６においては、各センサ群７１及び７２における一方のセンサが検出した波動信号から他方のセンサが検出した波動信号を減算して差分信号を求め、第1のセンサ群７１の差分信号と第２のセンサ群７２の差分信号をそれぞれ出力することになる。
【００５９】
また、微分信号演算部７７においても、各センサ群７１及び７２における少なくとも一つのセンサが検出した波動信号の微分信号を演算し、第１のセンサ群７１の微分信号と第２のセンサ群７２の微分信号をそれぞれ出力することになる。
【００６０】
そして、遅延時間符号判定部７８は、第1のセンサ群７１の差分信号の符号と第１のセンサ群７２の微分信号の符号との組み合わせと第１のセンサ群７１のセンサの位置関係に基づいて、第1のセンサ群７１の遅延時間符号を求め、第２のセンサ群７２の差分信号の符号と第２のセンサ群７２の微分信号の符号との組み合わせと第２のセンサ群７２のセンサの位置関係に基づいて、第２のセンサ群７２の遅延時間符号を求める。遅延時間符号の判定は、（表１）に示す判定基準に照合して行うことになる。
【００６１】
以上のような構成によって、センサ群が１個である場合よりも、音源方向をより狭い範囲で推定することが可能となる。
【００６２】
なお、各センサ群は必ずしも図８に示す配置にする必要はなく、センサを共有していなくても各センサ群の開口が互いに交差さえしていればどのような配置であっても良い。
【００６３】
次に、本発明の実施の形態１にかかる波動信号処理システムを実現するプログラムの処理の流れについて説明する。図９に本発明の実施の形態にかかる波動信号処理システムを実現するプログラムの処理の流れ図を示す。
【００６４】
図９において、まず各センサが波動信号を検出し（ステップＳ９０１）、一方のセンサにおいて検出された波動信号から、他方のセンサにおいて検出された波動信号を減算し、その差分信号を出力する（ステップＳ９０２）。
【００６５】
次に、センサ群における少なくとも一つのセンサにおいて検出された波動信号について微分信号を演算し、その結果を出力する（ステップＳ９０３）。
【００６６】
そして、センサ群における差分信号と微分信号の符号を求めると共に（ステップＳ９０４）、差分信号の符号と微分信号の符号の組み合わせとセンサの位置関係に基づいて、センサ群における遅延時間符号を求めることになる（ステップＳ９０５）。
【００６７】
以上のように本実施の形態１によれば、差分信号と微分信号の符号を比較するだけで遅延時間符号を求めることができ、従来の相関演算で遅延時間を求めてその符号を抽出する手法に比べて、演算処理負担の減少を図ることが可能となる。
【００６８】
また、遅延時間Δｔが微小であるという前提でテーラー展開の近似式（数２）を導いていることから、例えば小型携帯機器のように小開口のセンサ配置しかできず、微小な遅延時間しか検出することができない場合であっても、従来の相関演算を行って遅延時間符号を求める手法に比べて、安定して正しい結果を得ることができる。
【００６９】
さらに、差分演算、微分演算、信号の符号の比較は、それぞれオペアンプによる差分回路、微分回路、コンパレータを用いることによって構成することができ、相関演算のために高価な高サンプリングレートのＡＤ変換チップと汎用プロセッサあるいはＤＳＰを準備する必要がある従来の方法に比べて、コストの観点、及びシステム構成の容易さの観点からも優れている。
【００７０】
また、本実施の形態１において、遅延時間符号判定部５６として様々な構成が考えられる。例えば、図１０は、本発明の実施の形態１にかかる波動信号処理システムにおける遅延時間符号判定部５６のブロック構成図である。図１０に示すように、遅延時間符号判定部５６は、信号演算部６１と信号符号判定部６２を備えている。
【００７１】
まず信号演算部６１においては、差分信号と微分信号について乗算又は除算を実行し、結果として当該乗算信号又は除算信号を出力するものである。また、信号符号判定部６２においては、信号乗算部６１から出力される乗算信号又は除算信号の符号を判定し、その符号のみを出力するものである。
【００７２】
具体的には、図１１にＤＳＰや汎用プロセッサを用いた場合の構成例を示す。図１１においては、汎用プロセッサによって差分信号演算部５４、微分信号演算部５５、遅延時間符号判定部５６を実現している。なお、２つのセンサを区別するためにセンサ５１及び５２を便宜上センサＡ及びセンサＢとしている。
【００７３】
図１１に示すように、ＡＤ変換部６３及び６４は、センサＡ及びセンサＢで検出した波動信号をＡＤ変換し、離散的なデジタルデータ列ｆA（ｋ）、ｆB（ｋ）（ｋ＝０，１，２，３，…）を出力する。そして、差分信号演算部５４において差分信号ｇSub（ｋ）をｇSub（ｋ）＝ｆB（ｋ）−ｆA（ｋ）として演算して、出力する。同様に微分信号演算部５５においては、現在の入力信号ｆA（ｋ）と前回の入力信号ｆA（ｋ−１）から、２サンプル間の傾き（ｆA（ｋ）−ｆA（ｋ−１））／Ｔを求め、近似的にその傾きを微分信号ｇDiff（ｋ）とする。ただし、ＴはＡＤ変換部６３及び６４におけるサンプリング周期を表している。最後に、信号演算部６１において差分信号ｇSub（ｋ）と微分信号ｇDiff（ｋ）の乗算又は除算を行い、その結果に対して信号符号判定部５６において符合の判定を行うことになる。
【００７４】
もちろん、信号符号判定部５６において、差分信号の符号を判定する差分信号符号判定部（図示せず）と、微分信号の符号を判定する微分信号判定部（図示せず）を設け、符号のみの処理によって遅延時間の符号を判定するものであっても良い。
【００７５】
一方、プロセッサを用いることなく構成することも可能である。この場合、図１２に示すように、センサＡ及びセンサＢで検出した波動信号をオペアンプで構成される差分回路６３及び微分回路６４に直接入力し、それぞれ差分信号と微分信号を出力する。そして、両信号を乗算回路６５を用いて乗算し、コンパレータ６６によって乗算回路６５の出力の正負を比較することになる。
【００７６】
この場合も同様に、出力された差分信号と微分信号を乗算回路６５へ入力するのではなく、コンパレータによって両信号の符号を求めてから、半加算器を用いて遅延時間の符号を求めるものであっても良い。
【００７７】
かかる構成にすることによって、本実施の形態１にかかる波動信号処理システムは、プロセッサを用いたデジタル回路であっても、あるいはオペアンプを用いたアナログ回路であっても容易に実現することが可能である。
【００７８】
すなわち、プロセッサを用いたデジタル回路による構成では、遅延時間符号を差分信号と微分信号の乗算信号の符号に基づいて判定することから、従来の相関演算で遅延時間を求めて、その符号を抽出する方法に比べて、少ない演算処理量で処理することが可能となる。
【００７９】
また、アナログ回路による構成では、相関演算をするために高価な高サンプリングレートのＡＤ変換チップと汎用プロセッサ又はＤＳＰを準備する必要がある従来の方法に比べて、コストの観点あるいはシステム構成の容易さの観点からも優れている。
【００８０】
（実施の形態２）
図１３は、本発明の実施の形態２にかかる波動信号処理システムのブロック構成図である。図１３に示すように、本実施の形態２では、実施の形態１にかかる波動信号処理システムに、波源方向判定部５７を新たに付加したものである。
【００８１】
すなわち、波源方向判定部５７において、前段の遅延時間符号判定部５６から出力される遅延時間符号に基づいて波源方向を判定することになる。
【００８２】
波源方向の判定手順を図１のセンサ配置に基づいて説明する。図１においては、センサ群の２個のセンサを識別するために、便宜的にセンサに識別子Ａ、Ｂを付けている。ここで、差分信号演算部５４は、センサＢにおいて検出された波動信号からセンサＡにおいて検出された波動信号を減算することによって差分信号を出力しているものとする。
【００８３】
このとき、分岐面のセンサＡ側から波動信号が入射すると、センサＢにおいて検出される波動信号にはセンサＡにおいて検出される波動信号に対する時間遅れが生じるため、（表１）により遅延時間の符合は負となる。
【００８４】
一方、分岐面のセンサＢ側から波動信号が入射すると、センサＢにおいて検出される波動信号にはセンサＡにおいて検出される波動信号に対する時間進みが生じるため、（表１）により遅延時間の符合は正となる。
【００８５】
したがって、波源方向判定部５７においては、前段の遅延時間符号判定部５６における出力が負である場合には、分岐面のセンサＡ側に波源が存在するものと判定し、出力が正である場合には、分岐面のセンサＢ側に波源が存在するものと判定することができ、分岐面のどちらの方向に波源が存在しているのかを出力することができる（出力が“０”の場合は分岐面上）。
【００８６】
例えば、遅延時間符号が負であった場合には、図１において分岐面のセンサＡ側の空間である０度から１８０度の方向を波源の存在方向として出力することになる。
【００８７】
なお、本実施の形態２においてはセンサ群の数を１組として説明しているが、実施の形態１と同様、２組以上のセンサ群の開口が互いに交差するように配置されていれば、センサ群の数に特に制限はない。また、センサ群を構成するセンサ数についても特に限定されるものではなく、３個以上であっても良い。
【００８８】
また、各センサ群の配置についても、必ずしも図１に示す配置に従う必要はなく、各センサ群の開口が互いに交差していれば、センサＡ及びセンサＢを任意の位置に配置しても良い。
【００８９】
さらに、差分信号演算部５４において、センサＡで検出された波動信号からセンサＢで検出された波動信号を減算することで差分信号を求めても良い。ただし、その場合には、波源方向判定部５７における判定結果を逆に読み替える必要が生じる。すなわち、前段の遅延時間符号判定部５６の出力が負である場合には分岐面のセンサＢ側に、符号が正である場合には分岐面のセンサＡ側に、それぞれ波源が存在すると判定しなければならない。
【００９０】
以上のように本実施の形態２によれば、差分信号と微分信号の符号の比較という簡単な演算で求めた遅延時間符号を用いて波源の方向を判定するため、従来の相関演算で遅延時間を求めて、当該遅延時間に基づいて波源の方向を判定する方法に比べて、演算処理負担の減少を図ることが可能となる。
【００９１】
また、遅延時間Δｔが微小であるという前提でテーラー展開の近似式（数２）を導いていることから、例えば小型携帯機器のような微小な遅延時間しか検出することができない小開口のセンサ配置しかできない場合であっても、従来の相関演算を行って遅延時間符号を求める手法に比べて、安定して正しい結果を得ることができる。
【００９２】
さらに、差分演算、微分演算、信号の符号の比較は、それぞれオペアンプによる差分回路、微分回路、コンパレータを用いることによって構成することができ、相関演算のために高価な高サンプリングレートのＡＤ変換チップと汎用プロセッサあるいはＤＳＰを準備する必要がある従来の方法に比べて、コストの観点、及びシステム構成の容易さの観点からも優れている。
【００９３】
（実施の形態３）
図１４は、本発明の実施の形態３にかかる波動信号処理システムのブロック構成図である。図１４に示すように、本実施の形態３は、実施の形態１に重み係数算出部５８を新たに付加したものである。以下、重み係数算出部５８について説明する。
【００９４】
例えば、図１に示すセンサ配置において、分岐面から見て空間１の方向からの波動信号の重みをαとし、空間２の方向からの波動信号の重みをβと設定するものとする。このとき、センサの配置関係から理論的に空間と遅延時間符号の関係を導き出すと、（表１）より、空間1側から波動信号が入射する場合は遅延時間符号が負になり、空間２側から波動信号が入射する場合は遅延時間符号が正になる。したがって、遅延時間符号が負の場合には重みαを出力し、正の場合には重みβを出力すれば良いことになる。ただし、差分信号演算部５４は、センサＢで検出された波動信号からセンサＡで検出された波動信号を減算することで差分信号を求めているものとする。
【００９５】
なお、本実施の形態３においては、センサ群の数を１組として説明しているが、特にこれに限定されるものではなく、２組以上のセンサ群を、開口が互いに交差するように配置するものであれば良い。また、センサ群を構成するセンサ数についても、特に限定されるものではなく、３個以上であっても良い。
【００９６】
また、各センサ群の配置は必ずしも図１に従う必要はなく、各センサ群の開口が互いに交差している配置でありさえすれば、センサＡ及びセンサＢを任意に配置しても良い。
【００９７】
さらに、差分信号演算部５４において、センサＡで検出された差分信号からセンサＢで検出された差分信号を減算することで差分信号を求めても良い。ただし、その場合には、重み係数算出部５８において遅延時間符号の正負に対してαとβの出力を逆にする必要が生じることは言うまでもない。
【００９８】
以上のように本実施の形態３によれば、差分信号と微分信号の符号の比較という簡単な演算で求めた遅延時間符号を用いて重み係数を演算するため、従来の相関演算で遅延時間を求めて、当該遅延時間に基づいて重み係数を演算する方法に比べて、演算処理負担の減少を図ることが可能となる。
【００９９】
また、遅延時間Δｔが微小であるという前提でテーラー展開の近似式（数２）を導いていることから、例えば小型携帯機器のような微小な遅延時間しか検出することができない小開口のセンサ配置しかできない場合であっても、従来の相関演算を行って遅延時間符号を求める手法に比べて、安定して正しい結果を得ることができる。
【０１００】
さらに、差分演算、微分演算、信号の符号の比較は、それぞれオペアンプによる差分回路、微分回路、コンパレータを用いることによって構成することができ、相関演算のために高価な高サンプリングレートのＡＤ変換チップと汎用プロセッサあるいはＤＳＰを準備する必要がある従来の方法に比べて、コストの観点、及びシステム構成の容易さの観点からも優れている。
【０１０１】
また、実施の形態２と組み合わせることにより、すなわち波源方向判定部５７において波源方向を判定した後に、重み係数算出部５８において重み係数を算出することによって、後述の雑音抑制のための重み計数を少ない演算量で求めることが可能となる。
【０１０２】
（実施の形態４）
図１５に本発明の実施の形態４にかかる波源信号処理システムのブロック構成図を示す。図１５に示すように、本実施の形態４においては、図１４に示す実施の形態３にかかる波源信号処理システムに、信号抑圧部５９を付加したものである。
【０１０３】
信号抑圧部５９は、１つのセンサで検出された波動信号を入力する入力部を備えており、重み係数算出部５８から出力される重み係数に基づいて、入力部に入力された波動信号に重み付けを行って出力するものである。なお、信号抑圧部５９の直前に重み係数算出部５８が配置されていれば足りることから、実施の形態２及び実施の形態３とを組合せた波源方向判定部５７を含んだ構成であっても良い。
【０１０４】
以上のように１組のセンサ群を用いた構成により、背面方向にも指向性の残る従来の単一指向性マイクと比べて、センサの分岐面の後面の指向特性を完全に消去することが可能となり、より強い指向特性を実現することが可能となる。
【０１０５】
また、２組以上の複数のセンサ群を用いた構成においても、従来のガンマイクやマイクロホンアレイと比べて、小型な構成で鋭い指向特性を持たせることが可能となる。
【０１０６】
（実施の形態５）
図１６に本発明の実施の形態５にかかる波動信号処理システムのブロック構成図を示す。本実施の形態５は、遅延時間符号判定部５６の後段に低域通過フィルタ６０を付加したものである。
【０１０７】
低域通過フィルタ６０は、図２に示す時刻Ｑのように、符号判定に誤りが生じる区間を除去するために付加するものである。フィルタ構成としては、例えば一般に知られているコンデンサと抵抗によるローパスフィルタやオペアンプを用いたアクティブフィルタ、あるいはプロセッサを用いた構成の場合においては、例えばＦＩＲ（Finite Impulse Response）あるいはＩＩＲ（Infinite Impulse Response）フィルタ等を用いれば良い。
【０１０８】
以上のように低域通過フィルタ６０を設けることにより、遅延時間符号の判定において、常に正しい結果を得ることが可能となり、従来の相関演算で遅延時間符号を求める方法に比べて、小型あるいは低い演算処理能力を有する演算処理装置であってもより精度の高い遅延時間の符号判定を行うことが可能となる。
【０１０９】
また、低域通過フィルタ６０を、センサ５２及び５３の直後に配置することも考えられる。この場合のブロック構成図を図１７に示す。
【０１１０】
すなわち、本発明にかかる遅延時間符号の判定方法においては、図２に示した時刻Ｑのように、符号判定に誤りが生じる区間が必ず存在する。例えば図１８（ａ）に示すような低周波と高周波の交じり合った音声信号が入力された場合、高周波が含まれる区間においては、時刻Ｑに示した状態が多く含まれることになり、遅延時間を正しく判定することができない区間が多く存在することになる。
【０１１１】
そのため、入力信号に低域通過フィルタを挿入し、図１８（ｂ）に示すように低周波成分のみを残した波形で信号処理を行うことで、誤判定区間を減少させることが可能となる。フィルタの構成は、例えば一般に知られているコンデンサと抵抗によるアナログフィルタや、オペアンプを用いたアクティブフィルタを用いることができ、システム構成がデジタルの場合においては、例えばＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタ、あるいはＩＩＲ（Infinite Impulse Response）フィルタ等を用いれば良い。
【０１１２】
以上のように、センサの直後に低域通過フィルタ６０を配置する構成においては、高周波成分による遅延時間符号判定の誤りを低減することができ、従来の相関演算で遅延時間符号を求める方法に比べて、小型構成においてもより精度の高い遅延時間符号の判定を行うことが可能となる。
【０１１３】
（実施の形態６）
図１９に本発明の実施の形態６にかかる波動信号処理システムのブロック構成図を示す。本実施の形態６は、センサ群５１とは別個に、第２のセンサ群５１０と遅延時間検出部５６０を付加し、遅延時間検出部５６０からの出力について重み係数算出部５８に入力するとともに、第２のセンサ群５１０のセンサ信号についても信号抑圧部５９に入力する構成となっている。
【０１１４】
遅延時間検出部５６０は、第２のセンサ群５１０の２つのセンサに到達する信号の遅延時間を出力する。遅延時間の検出手段は、相互相関による方法であっても良いし、特願２００２−０７８６９７に示されているような差分信号を微分信号で除算する方法であっても良い。
【０１１５】
重み係数算出部５８においては、センサ群５１（第１のセンサ群）から得られた遅延時間符号と、第２のセンサ群５１０から得られた遅延時間が、目的音源方向から音波が到来した場合に生じる遅延時間及び遅延時間符号と一致しない場合‘１’以下の重み係数を設定し、信号抑圧部５９において第１のセンサ群又は第２のセンサ群の信号を抑圧して出力する。
【０１１６】
また、遅延時間検出部５６０の後段に波源方向検出部（図示せず）を、遅延時間符号判定部５６の後段に波源方向判定部５７を設け、波源方向の情報から重み係数を求めても良い。この場合、目的の波源方向以外の方向が検出された場合に重み係数を‘１’以下の値に設定する。なお、第１のセンサ群と第２のセンサ群とで、必ずしもマイクを共有する必要はなく、それぞれ固有のマイクを設けても良い。
【０１１７】
以上のように、遅延時間を検出する第２のセンサ群と、遅延時間符号を判定する第１のセンサ群とを設ける構成とすることによって、２組のセンサ群でそれぞれ遅延時間を演算して単一の音源方向を求めて指向性を形成する場合に比べて、少ない演算量で単一の指向性を実現することが可能となる。
【０１１８】
なお、本発明の実施の形態にかかる波動信号処理システムを実現するプログラムは、図２０に示すように、ＣＤ−ＲＯＭ２０２−１やフレキシブルディスク２０２−２等の可搬型記録媒体２０２だけでなく、通信回線の先に備えられた他の記憶装置２０１や、コンピュータ２０３のハードディスクやＲＡＭ等の記録媒体２０４のいずれに記憶されるものであっても良く、プログラム実行時には、プログラムはローディングされ、主メモリ上で実行される。
【０１１９】
また、本発明の実施の形態にかかる波動信号処理システムにより生成された差分信号や微分信号等についても、図２０に示すように、ＣＤ−ＲＯＭ２０２−１やフレキシブルディスク２０２−２等の可搬型記録媒体２０２だけでなく、通信回線の先に備えられた他の記憶装置２０１や、コンピュータ２０３のハードディスクやＲＡＭ等の記録媒体２０４のいずれに記憶されるものであっても良く、例えば本発明にかかる波動信号処理システムを利用する際にコンピュータ２０３により読み取られる。
【０１２０】
（付記１） 少なくとも２つのセンサで構成されるセンサ群を少なくとも１組備え、
前記各センサ群における任意の２つのセンサが検出した波動信号間の差分信号を求める差分信号演算部と、
少なくとも１つのセンサが検出した波動信号の微分信号を求める微分信号演算部と、
前記差分信号と前記微分信号の符号の組み合わせとセンサの位置関係に基づいて、前記２つのセンサが検出した波動信号間における遅延時間の符号を判定する遅延時間符号判定部とを含むことを特徴とする波動信号処理システム。
【０１２１】
（付記２） 前記遅延時間符号判定部において求められた、少なくとも１つのセンサ群が検出した波動信号間における遅延時間の符号の正負とセンサの位置関係に基づいて、波源の方向を判定する波源方向判定部をさらに含む付記１に記載の波動信号処理システム。
【０１２２】
（付記３） 前記遅延時間符号判定部において求められた、少なくとも１つのセンサ群が検出した波動信号間における遅延時間の符号の正負とセンサの位置関係、もしくは前記波源方向判定部において求められた、少なくとも１つのセンサ群が検出した波動信号の波源方向に基づいて、重み係数を算出する重み係数算出部をさらに含む付記２に記載の波動信号処理システム。
【０１２３】
（付記４） 前記重み係数を用いて、少なくとも一つのセンサで検出された波動信号に対して重み付けを行い、目的とする前記波源方向以外から到来する不要な波動信号部分を抑制する信号抑圧部をさらに含む付記３に記載の波動信号処理システム。
【０１２４】
（付記５） 少なくとも２つのセンサで構成するセンサ群を少なくとも２組備え、
少なくとも１つのセンサ群において任意の２つのセンサ信号の遅延時間を算出する遅延時間演算部を含み、前記遅延時間に基づいた波動信号処理を並行して行う付記1から４のいずれか一項に記載の波動信号処理システム。
【０１２５】
（付記６） 算出された前記遅延時間に基づいて波源方向を検出する波源方向検出部をさらに含む付記５に記載の波動信号処理システム。
【０１２６】
（付記７） 前記遅延時間符号判定部が、前記差分信号と前記微分信号を乗算又は除算する信号演算部と、前記信号演算部における乗算又は除算結果の符号を判定する信号符号判定部とをさらに含む付記１から６のいずれか一項に記載の波動信号処理システム。
【０１２７】
（付記８） 前記遅延時間符号判定部が、
前記差分信号の符号を判定する差分信号符号判定部と、
前記微分信号の符号を判定する微分信号符号判定部と、
前記差分信号符号判定部における前記差分信号の符号と前記微分信号符号判定部における前記微分信号の符号を比較判定する符号判定部とをさらに含む付記１から６のいずれか一項に記載の波動信号処理システム。
【０１２８】
（付記９） 前記遅延時間符号判定部における判定結果を通す低域通過フィルタを含む付記１から８のいずれか一項に記載の波動信号処理システム。
【０１２９】
（付記１０） 前記センサ群の後段に低域通過フィルタを含む付記１から９のいずれか一項に記載の波動信号処理システム。
【０１３０】
（付記１１） 少なくとも２つのセンサで構成されるセンサ群を少なくとも１組備える信号処理装置における波動信号処理方法であって、
前記各センサ群における任意の２つのセンサが検出した波動信号間の差分信号を求める工程と、
少なくとも１つのセンサが検出した波動信号の微分信号を求める工程と、
前記差分信号と前記微分信号の符号の組み合わせとセンサの位置関係に基づいて、前記２つのセンサが検出した波動信号間における遅延時間の符号を判定する工程とを含むことを特徴とする波動信号処理方法。
【０１３１】
（付記１２） 少なくとも２つのセンサで構成されるセンサ群を少なくとも１組備える信号処理装置における波動信号処理方法を具現化するコンピュータ実行可能なプログラムであって、
前記各センサ群における任意の２つのセンサが検出した波動信号間の差分信号を求めるステップと、
少なくとも１つのセンサが検出した波動信号の微分信号を求めるステップと、前記差分信号と前記微分信号の符号の組み合わせとセンサの位置関係に基づいて、前記２つのセンサが検出した波動信号間における遅延時間の符号を判定するステップとを含むことを特徴とするコンピュータ実行可能なプログラム。
【０１３２】
【発明の効果】
以上のように本発明にかかる波動信号処理システムによれば、波源の方向推定が小型又は低い演算処理能力を有する演算処理装置を用いる場合であっても精度良く行うことができ、さらにその情報を用いることで、小型又は低い演算処理能力を有する演算処理装置であっても、単一指向特性を有する波動信号処理システムを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 波源及びセンサ群の位置関係の説明図
【図２】 波動信号受信時の例示図
【図３】 低域通過フィルタによる結果補正の説明図
【図４】 センサ群が複数の場合における波源及びセンサ群の位置関係の説明図
【図５】 本発明の実施の形態１にかかる波動信号処理システムの構成ブロック図
【図６】 本発明の実施の形態１にかかる波動信号処理システムにおけるセンサ配置図
【図７】 本発明の実施の形態１にかかる波動信号処理システムのセンサ群が複数の場合の構成ブロック例示図
【図８】 本発明の実施の形態１にかかる波動信号処理システムのセンサ群が複数の場合のセンサ配置図
【図９】 本発明の実施の形態１にかかる波動信号処理システムにおける処理の流れ図
【図１０】 本発明の実施の形態１にかかる波動信号処理システムにおける遅延時間符号判定部のブロック構成図
【図１１】 本発明の実施の形態１にかかる波動信号処理システムにおける遅延時間符号判定部の具体例を示す図
【図１２】 本発明の実施の形態１にかかる波動信号処理システムにおける遅延時間符号判定部の他の具体例を示す図
【図１３】 本発明の実施の形態２にかかる波動信号処理システムのブロック構成図
【図１４】 本発明の実施の形態３にかかる波動信号処理システムのブロック構成図
【図１５】 本発明の実施の形態４にかかる波動信号処理システムのブロック構成図
【図１６】 本発明の実施の形態５にかかる波動信号処理システムのブロック構成図
【図１７】 本発明の実施の形態５にかかる波動信号処理システムの他のブロック構成図
【図１８】 本発明にかかる波動信号処理システムにおける低域通過フィルタ効果の説明図
【図１９】 本発明の実施の形態６にかかる波動信号処理システムのブロック構成図
【図２０】 コンピュータ環境の例示図
【符号の説明】
５１、７１、７２ （第１の）センサ群
５２、５３、７３、７４、７５ センサ
５４、７６ 差分信号演算部
５５、７７ 微分信号演算部
５６、７８ 遅延時間符号判定部
５７ 波源方向判定部
５８ 重み係数算出部
５９ 信号抑圧部
６０ 低域通過フィルタ
６１ 信号演算部
６２ 信号符号判定部
６３、６４ ＡＤ変換部
６５ 乗算回路
６６ コンパレータ
２０１ 回線先の記憶装置
２０２ ＣＤ−ＲＯＭやフレキシブルディスク等の可搬型記録媒体
２０２−１ ＣＤ−ＲＯＭ
２０２−２ フレキシブルディスク
２０３ コンピュータ
２０４ コンピュータ上のＲＡＭ／ハードディスク等の記録媒体
５１０ 第２のセンサ群
５６０ 遅延時間検出部
Claims (10)
- 少なくとも２つのセンサで構成されるセンサ群を少なくとも１組備え、
前記各センサ群における任意の２つのセンサが検出した波動信号間の差分信号を求める差分信号演算部と、
少なくとも１つのセンサが検出した波動信号の微分信号を求める微分信号演算部と、
前記差分信号と前記微分信号の符号の組み合わせとセンサの位置関係に基づいて、前記２つのセンサが検出した波動信号間における遅延時間の符号を判定する遅延時間符号判定部とを含むことを特徴とする波動信号処理システム。 - 前記遅延時間符号判定部において求められた、少なくとも１つのセンサ群が検出した波動信号間における遅延時間の符号の正負とセンサの位置関係に基づいて、波源の方向を判定する波源方向判定部をさらに含む請求項１に記載の波動信号処理システム。
- 前記遅延時間符号判定部において求められた、少なくとも１つのセンサ群が検出した波動信号間における遅延時間の符号の正負とセンサの位置関係、もしくは前記波源方向判定部において求められた、少なくとも１つのセンサ群が検出した波動信号の波源方向に基づいて、重み係数を算出する重み係数算出部をさらに含む請求項２に記載の波動信号処理システム。
- 前記重み係数を用いて、少なくとも一つのセンサで検出された波動信号に対して重み付けを行い、目的とする波源方向以外から到来する不要な波動信号部分を抑制する信号抑圧部をさらに含む請求項３に記載の波動信号処理システム。
- 少なくとも２つのセンサで構成するセンサ群を少なくとも２組備え、
少なくとも１つのセンサ群において任意の２つのセンサ信号の遅延時間を算出する遅延時間演算部を含み、前記遅延時間に基づいた波動信号処理を並行して行う請求項1から４のいずれか一項に記載の波動信号処理システム。 - 算出された前記遅延時間に基づいて波源方向を検出する波源方向検出部をさらに含む請求項５に記載の波動信号処理システム。
- 前記遅延時間符号判定部が、前記差分信号と前記微分信号を乗算又は除算する信号演算部と、前記信号演算部における乗算又は除算結果の符号を判定する信号符号判定部とをさらに含む請求項１から６のいずれか一項に記載の波動信号処理システム。
- 前記遅延時間符号判定部が、
前記差分信号の符号を判定する差分信号符号判定部と、
前記微分信号の符号を判定する微分信号符号判定部と、
前記差分信号符号判定部における前記差分信号の符号と前記微分信号符号判定部における前記微分信号の符号を比較判定する符号判定部とをさらに含む請求項１から６のいずれか一項に記載の波動信号処理システム。 - 少なくとも２つのセンサで構成されるセンサ群を少なくとも１組備える信号処理装置における波動信号処理方法であって、
前記各センサ群における任意の２つのセンサが検出した波動信号間の差分信号を求める工程と、
少なくとも１つのセンサが検出した波動信号の微分信号を求める工程と、
前記差分信号と前記微分信号の符号の組み合わせとセンサの位置関係に基づいて、前記２つのセンサが検出した波動信号間における遅延時間の符号を判定する工程とを含むことを特徴とする波動信号処理方法。 - 少なくとも２つのセンサで構成されるセンサ群を少なくとも１組備える信号処理装置における波動信号処理方法を具現化するコンピュータ実行可能なプログラムであって、
前記各センサ群における任意の２つのセンサが検出した波動信号間の差分信号を求めるステップと、
少なくとも１つのセンサが検出した波動信号の微分信号を求めるステップと、
前記差分信号と前記微分信号の符号の組み合わせとセンサの位置関係に基づいて、前記２つのセンサが検出した波動信号間における遅延時間の符号を判定するステップとを含むことを特徴とするコンピュータ実行可能なプログラム。
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