JP4000697B2 - Microphone device and voice recognition device, car navigation system, and automatic driving system - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音源から得られる信号を高S/Nかつ、良好な音声伝達特性で収音することを目的とするマイクロホン装置に関する。また、これを用いた音声認識装置、カーナビゲーションシステム、自動車の自動運転システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
高騒音下で目的の音を高S/Nで収音するためのマイクロホン装置として、複数のマイクロホンユニットを直線状に配列して、複数のマイクロホンユニットからの出力信号を加算し、超指向性を得るマイクロホンアレイがある。ここで、S/NのSは目的音源、Nは周囲雑音の音圧感度を示すものとする。
【0003】
このような機能を持つ従来のマイクロホン装置の構成について、図19を用いて説明する。図19はマイクロホンユニット数が5の場合の、従来例のマイクロホン装置の構成である。図19において、191から195は第1から第5の単一指向性マイクロホンユニットである。196は信号加算手段で、第1から第5の指向性マイクロホンユニット191,192,193,194,195からの出力信号を入力として信号の加算を行う。このようにして、高騒音下で目的の音を収音することができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような構成のマイクロホン装置では、比較的マイクロホンユニットの近くに音源が存在する場合、良好な収音が困難であるという課題があった。
【0005】
図20は、図19に示す従来のマイクロホンアレイの、距離に対する正面感度特性を示したものである。図19の第1から第5の指向性マイクロホンユニット191から195のユニット間隔は、それぞれ5cm、指向性マイクロホンユニットの向きは、全て図19左方向に平行に向ける。x軸を図19の左方向、y軸を図19の下方向とし、原点を第3の指向性マイクロホンユニット193とする。また、正面感度特性とはマイクロホンアレイの中心線に沿う方向の音圧感度のことであり、ここでは音源をx軸上原点から1mまで移動したときの、距離減衰分を補償した正面感度を示している。
【0006】
図20から、音源とマイクロホンとの距離が近づくほど、音圧感度は低下することを示している。このことは、比較的指向性マイクロホンユニットの近くに音源が存在する場合、従来のマイクロホン装置による収音では、十分な収音が困難であることを意味している。特に、音声入力機能付きカーナビゲーション等、自動車に搭載される音声認識装置用マイクロホン装置においては、S/N比の上下が直接認識率の上下に影響を与えるため、従来のマイクロホン装置による収音では、十分な音声レベルが得られず、音声認識装置の認識率の低下を招いていた。
【0007】
音源とマイクロホン装置との距離が近距離になるほど、音声利得が失われるのは、音源から各指向性マイクロホンユニットまでのそれぞれの距離が異なることに原因がある。すなわち、各ユニットに到達した音声信号が、特に高周波数領域において位相差により干渉を起こし、高域の音声信号の感度が低下する。さらに、距離減衰に差が生じることで、各指向性マイクロホンユニットに生じる電圧の波形レベルが不揃いとなり、全帯域で音圧感度が十分得られなくなる。このように、従来マイクロホン装置では近い音が拾いにくくなり、音声認識などの高S/Nが必要とされる収音には適さないという問題がある。
【0008】
また、図21は、マイクロホン装置の近傍に複数の反射面がある場合の、音源からマイクロホン出力までの音声伝達特性の一例である。矢印は、300Hzでのピーク〜ディップの音圧感度振れ幅を示している。この伝達特性は、特に音声認識に用いる場合、フラットであることが望ましいが、図20では200〜500Hz前後での乱れ、すなわちピークやディップの発生が目立つ。これは各指向性マイクロホンユニットの向きが互いに平行であるため、反射音の影響を受けやすく、特定の周波数の音が打ち消されて伝達特性のディップとなったり、増幅されて伝達特性のピークとなったりすることに因るものである。このように、従来のマイクロホン装置では、近傍に複数の反射面がある場合、音声伝達特性が乱され、音声認識のようなフラットな伝達特性が必要とされる収音には、適さないという問題がある。
【0009】
以上の問題点に鑑み、本発明は、音声認識装置用等の近距離音源を想定したマイクロホン装置のS/N比向上と、近傍に音響反射体が存在する場合においても音声伝達特性の平滑化を実現することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本願の請求項1の発明は、音源からの信号を収音するマイクロホン装置であって、所定の半径の略円弧状に配置され、複数個からなる指向性マイクロホンユニットと、前記指向性マイクロホンユニットから出力される信号を加算する加算手段とを具備し、前記指向性マイクロホンユニットは、指向性を前記円弧の焦点に向け、前記指向性マイクロホンユニットと前記焦点を含む平面に対して前記音源からのばした垂線との交点を目標点とし、前記目標点と前記指向性マイクロホンユニットとの間に前記焦点が配置されることを特徴とするものである。
【0011】
本願の請求項2の発明は、音源からの信号を収音するマイクロホン装置であって、所定の半径の略円弧状に配置され、複数個の指向性マイクロホンユニットと、前記指向性マイクロホンユニットから出力される信号を加算する加算手段とを具備し、前記指向性マイクロホンユニットと前記焦点を含む平面に対して前記音源からのばした垂線との交点と前記焦点が一致するように配置され、前記指向性マイクロホンユニット近傍に音を反射する音響反射体が存在する場合は、前記指向性マイクロホンユニットの指向性のディップを一律に前記音響反射体の方向に向けることを特徴とするものである。
【0012】
本願の請求項3の発明は、音源からの信号を収音するマイクロホン装置であって、略直線状に配置され、複数個からなる指向性マイクロホンユニットと、前記指向性マイクロホンユニットの出力信号を前記音源から前記指向性マイクロホンユニットまでの距離に応じて減衰した音波の振幅差を補償する複数の信号増幅器と、前記信号増幅器の出力信号を前記音源から前記指向性マイクロホンユニットまでの距離に応じて音波の到達時間の差を補償する複数の信号遅延器と、前記信号遅延器より出力される信号を加算する加算手段とを具備し、前記指向性マイクロホンユニットは、それぞれの指向性の延長線が一点て交わるように向け、その交点を焦点とし、前記指向性マイクロホンユニットと前記焦点を含む平面に対して前記音源からのばした垂線との交点を目標点とし、前記目標点と前記指向性マイクロホンユニットとの間に前記焦点が配置されることを特徴とするものである。
【0013】
本願の請求項4の発明は、請求項1乃至3のマイクロホン装置において、複数個の指向性マイクロホンユニットが、自動車のサンバイザー面または、天井面に設置ないし内蔵され、音源は運転者又は搭乗者であることを特徴とするものである。
【0014】
本願の請求項5の発明は、音声認識装置において、請求項1乃至4のいずれかのマイクロホン装置を備えたことを特徴とするものである。
【0015】
本願の請求項6の発明は、カーナビゲーションシステムにおいて、請求項5の音声認識装置を備えたことを特徴とするものである。
【0016】
本願の請求項7の発明は、自動車の自動運転システムにおいて、請求項5の音声認識装置を備えたことを特徴とするものである。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明のマイクロホン装置は、略円弧状に複数の指向性マイクロホンユニットを配置する、あるいは音源から前記指向性マイクロホンユニットまでの距離に応じて音波の到達時間の差を補償することにより、音源から直接ユニットに到達する音を、距離減衰や位相差による干渉の影響を受けることなく収音できる。またユニットの向きを工夫することで、マイク近傍に音響反射体が存在するときに、音声反射の影響を小さくすることができる。これにより、S/N比の向上、音声伝達特性の平滑化が図られ、特に音声認識機能における認識率を向上させることができる。
【0018】
以下、本発明の各実施の形態について図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1におけるマイクロホン装置について、図1〜図9を参照しながら説明する。図1は、本発明の実施の形態1におけるマイクロホン装置の構成を示したものであり、10は音源、11,12,13,14,15は、第1から第5の単一指向性マイクロホンユニットである。尚、指向性マイクロホンユニットの個数は、5個に限定されるものではない。指向性マイクロホンユニット11〜15は所定の半径の略円弧状に配置され、その指向性は円弧の焦点17に向けられる。また、音源10と指向性マイクロホンユニット11〜15の位置関係は、焦点17が、音源10と指向性マイクロホンユニット11〜15との間にくるように配置される。本実施の形態では一例として半径15cm、第1〜第5の指向性マイクロホンユニット間隔は5cmとしているが、これに限定されるものではなく、第1〜第5の指向性マイクロホンユニット間隔は、焦点を中心として等角度であってもよい。16は信号加算手段で、第1から第5の指向性マイクロホンユニット11〜15の出力信号を加算し、収音する。
【0019】
図2は、図1のように構成されたマイクロホン装置の正面感度特性を示す。x軸は図1の左方向、y軸は図1の下方向、原点を第3の指向性マイクロホンユニット13とし、周波数1kHzを発する音源がx軸上を原点から1mまで移動したときの、距離減衰分を補償した音圧感度特性である。音源10と指向性マイクロホンユニット13との距離が0.15〜0.20mで、感度は最大となり、それ以上距離が離れるほど音圧感度は低下する。一方、音源10と指向性マイクロホンユニット13との距離が0.15m以下すなわち、音源10が焦点17より内側にあると、感度は急激に低下する。従って、十分な音声レベルで収音するには、図1に示すように、焦点17が、音源10と指向性マイクロホンユニット11〜15との間にくるように、音源10と指向性マイクロホンユニット11〜15を配置することが不可欠である。
【0020】
図3は、無指向性ユニットのS/N周波数特性を基準に、すなわち全帯域0dBとして換算したときの、図1の本実施の形態のマイクロホン装置と図19の従来のマイクロホン装置におけるS/N周波数特性を示す。ここで、音源は原点から30cmの距離のx軸上、すなわちマイクロホンアレイの正面に配置した場合である(原点は図1の第3の指向性マイクロホンユニット13、図19の第3の指向性マイクロホンユニット193とする)。また、複数のノイズ音源が、原点を中心に十分遠方の半径100mの球面上に、一様に存在する拡散音場を仮定している。
【0021】
図3に示すように、本実施の形態のマイクロホン装置によれば、従来のマイクロホン装置よりも、全体で1〜3dB程度S/N比を向上することができた。さらに1kHz以上の高域では、音源から指向性マイクロホンユニットまでの距離差がなくなることで位相干渉がなくなり、音声収音レベルがさらに向上する。
【0022】
図4は、本実施の形態におけるマイクロホン装置の近傍に音響反射体が存在する場合を示しており、音響反射体41を除いて図1の構成と同じである。
【0023】
図5は、図4の場合の話者口元から指向性マイクロホンユニット出力までの音声伝達特性である。図中の矢印は、300Hz付近のピーク−ディップの音圧感度振れ幅を示している。図21に示す従来のマイクロホン装置の特性と比較して、低域200〜500Hz前後での音声伝達特性のピーク−ディップ幅が小さくなり、本実施の形態の方が、音声伝達特性を平滑化できる。
【0024】
また、音声伝達特性の平滑度は、周波数特性における周波数軸方向7点移動平均と実データとの差を加算した値(パラメータD)を評価指標とすると、パラメータDは次式で示される。音声伝達特性が平滑なほどパラメータDは小さくなる。
【0025】
【数1】
【0026】
H(ω)は周波数ωに対する音声伝達関数、mはデータ数である。従来のマイクロホン装置ではD=0.8995に対して、本実施の形態のマイクロホン装置によると、D=0.8074となり音声伝達特性を平滑化できる。
【0027】
すなわち、マイクロホンアレイは、本来複数の指向性マイクロホンユニットの信号加算構造による信号の平均化の効果があるが、このように、焦点17に第1から第5の指向性マイクロホンユニット11〜15の指向性を向けることで、音響反射体41からの反射音の影響を低減することができる。
【0028】
尚、音源、指向性マイクロホンユニット、焦点が同一平面に存在する場合について説明したが、同一平面に存在しない場合にも適用できる。
【0029】
図6は音源、指向性マイクロホンユニット、焦点が同一平面に存在せず、マイクロホンアレイが音響反射体である平面A上に配置される場合のそれぞれの位置関係を示したもので、61は音源、11、12、13、14、15は図1同様略円弧状に配置された指向性マイクロホンユニットである。指向性マイクロホンユニット11〜15と円弧の焦点17を含む平面を平面Aとする。また、マイクロホンアレイの主軸(第3の指向性マイクロホンユニット13と焦点17の延長線)と音源61を含む平面を平面Bとする。指向性マイクロホンユニット11〜15は、焦点17を通り、平面Aに垂直な直線上の任意の点に向けられるよう設置する。すなわち、平面Aに対して任意の角度φをなすようにする。平面Aへの音源61からの垂線の交点を目標点62とすると、焦点17は、目標点62と指向性マイクロホンユニット11〜15との間にくるように配置される。この様に配置された指向性マイクロホンユニット11〜15の指向特性Prは、次式のように近似される。
【0030】
【数2】
【0031】
ただし、音響反射体である平面Aに対する音波の入射角度をθ、設計変数をαとする。(数2)よりφの値により指向特性の形は変化するが、θ=0でPrは最大となる。すなわち、音響反射体に近接した指向性マイクロホンユニットの最も感度の高い方向は、常に音響反射体に沿う方向、この場合は平面Aに沿う方向となる。このため、図6において、平面Aに垂直で焦点17を通る直線上の任意の点に指向性マイクロホンユニット11〜15を向けても、実質的に得られるマイクロホンアレイの指向性は焦点17となる。
【0032】
このように、目標点62を図1に示す音源10とみなすことで、音源、指向性マイクロホンユニット、焦点が同一平面に存在しない場合においても、音源、指向性マイクロホンユニット、焦点が同一平面に存在する場合と同様の効果が得られる。
【0033】
以上、音源にではなく、その手前に焦点が合うよう略円弧状に複数の指向性マイクロホンユニットを配置することで、音源から各指向性マイクロホンユニットまでの距離減衰や位相差による干渉の影響を小さく抑えることができる。これにより、S/N比1〜3dBの向上、音声伝達特性の平滑化が図られ、特にこれを用いた音声認識装置の認識率を向上させることができる。
【0034】
さらに、本実施の形態のマイクロホン装置を自動車に設置する場合について説明する。図7は自動車の運転席付近を示したもので、第1から第5の指向性マイクロホンユニット11〜15は、サンバイザ70又は天井71の所定の位置に設置される。72はフロントガラス、73はサイドガラスで、天井71と共に音響反射体として収音に悪影響を与える。74は音源である話者である。
【0035】
図8はサンバイザ70に設置した一例で、図1同様第1から第5の指向性マイクロホンユニット11〜15は、所定の半径の略円弧状に配置され、その指向性は円弧の焦点に向けられる。
【0036】
図9はマイクロホン装置を自動車に設置する場合の音源、指向性マイクロホンユニット、焦点の位置関係を示している。第1から第5の指向性マイクロホンユニット11〜15は、所定の半径の略円弧状にサンバイザ70に配置され、その指向性は円弧の焦点17に向けられる。また、指向性マイクロホンユニット11〜15と焦点17を含む平面に対して音源61からのばした垂線との交点を目標点62とし、焦点17が、目標点62と指向性マイクロホンユニット11〜15との間にくるように配置される。
【0037】
このような配置、構成にすることによって、天井やサイドガラスなど収音に悪影響を与える音響反射体が多い自動車の車室内においても、音源から各指向性マイクロホンユニットまでの距離減衰や位相差による干渉の影響を小さく抑えると共に、音響反射体からの反射音の影響を低減することができる。
【0038】
(実施の形態2)
次に本発明の実施の形態2におけるマイクロホン装置について、図10〜図14を参照しながら説明する。図10は、本実施の形態のマイクロホン装置の構成を示したもので、100は音源、101,102,103,104,105は、第1から第5の指向性マイクロホンユニットである。指向性マイクロホンユニット101〜105は所定の半径の円弧状に配置され、音源100は円弧の焦点107に配置される。106は信号加算手段で、第1から第5の指向性マイクロホンユニット101〜105の出力信号を加算する。第1から第5の指向性マイクロホンユニット101〜105は同一の指向性を持ち、音響反射108の方向に、最も感度の低い指向性のディップを向けて配置する。
【0039】
図11は、指向性マイクロホンユニット101〜105の指向特性Pと音響反射体108との位置関係を示しており、指向特性Pは、指向性マイクロホンユニット101〜105の正面に対する音波の入射角度をθ、設計変数をαとすれば、次式のようになる。
【0040】
【数3】
【0041】
図11は、α=√2のときの指向特性で、最も感度の高い方向を矢印で示している。図11のように、最も感度の低い指向性のディップθ=225°を音響反射体に向け、最も感度の高い指向性の方向θ=0°を左下の音源方向に向けて配置する。このような構成により、音響反射体108からの反射音の影響を低減することができる。(数1)による音声伝達特性の平滑度を示すパラメータDは、D=0.6386となり、実施の形態1のマイクロホン装置の平滑度D=0.8074よりさらに平滑化される。
【0042】
以上、実施の形態1と同様、指向性マイクロホンユニットを略円弧状に配置することで、従来の直線状に配置したマイクロホン装置よりS/N比が改善される。さらに、音響反射体に指向性のディップを向けることで、実施の形態1よりも伝達特性の平滑化を図ることができる。
【0043】
尚、音源、指向性マイクロホンユニット、焦点が同一平面に存在する場合について説明したが、実施の形態1と同様、同一平面に存在しない場合にも適用できる。一例として、本実施の形態のマイクロホン装置を自動車に設置する場合について説明する。
【0044】
図12は自動車の運転席付近を示したもので、第1から第5の指向性マイクロホンユニット101〜105は、サンバイザ120又は天井121の所定の位置に設置される。122はフロントガラス、123はサイドガラスで、天井121と共に音響反射体として収音に悪影響を与える。124は音源である話者である。
【0045】
図13はサンバイザ120に設置した一例で、図10同様指向性マイクロホンユニット101〜105は、所定の半径の略円弧状に配置され、最も感度の低いディップを音響反射体であるフロントガラス122又はサイドガラス123に向けられる。
【0046】
図14はマイクロホン装置を自動車に設置する場合の音源、指向性マイクロホンユニット、焦点の位置関係を示している。第1から第5の指向性マイクロホンユニット101〜105は、所定の半径の略円弧状にサンバイザ120に配置され、その指向性は円弧の焦点107に向けられる。また、指向性マイクロホンユニット101〜105と焦点107を含む平面に対して音源100からのばした垂線との交点が、焦点107と一致するように配置される。
【0047】
このような配置、構成にすることによって、天井やサイドガラスなど収音に悪影響を与える音響反射体が多い自動車の車室内においても、音声伝達特性の平滑化が図られ良好な収音ができる。
【0048】
(実施の形態3)
次に本発明の実施の形態3におけるマイクロホン装置について、図15を参照しながら説明する。図15は、本実施の形態におけるマイクロホン装置の構成を示したもので、1500は音源、1501,1502,1503,1504,1505は、第1から第5の指向性マイクロホンユニットである。指向性マイクロホンユニット1501〜1505は、略直線状に配置され、かつ、最も感度の高い指向性の延長線が一点で交わるように向けられる(交点を焦点1517と称す)。また、実施の形態1と同様、音源1500よりも手前に焦点を作るよう向ける。1506,1507,1508,1509,1510は、第1から第5の信号増幅器であり、音源1500から指向性マイクロホンユニット1501〜1505までの距離減衰分を補償する。1511,1512,1513,1514,1515は第1から第5の信号遅延器であり、音源1500から指向性マイクロホンユニット1501〜1505までの音波の到達時間の差を補償する。1516は第1から第5の信号遅延器の出力信号を加算する信号加算手段である。
【0049】
指向性マイクロホンユニット1501〜1505で得られた音源1500からの信号は、信号増幅器1506〜1510で、音源1500から各指向性マイクロホンユニット1501〜1505までの距離減衰分を補償され、同一の振幅レベルに増幅される。さらに信号遅延器1511〜1515において、信号到達時間差を補償することにより、信号の位相差をなくし同期をとる。
【0050】
このようにして、指向性マイクロホンユニットが略直線状に配置される場合でも、実施の形態1のように略円弧状に配置される場合と同等の効果を発揮することができる。
【0051】
以上により、実施の形態1のように指向性マイクロホンユニットを略円弧状に配置できない場合においても、本実施の形態では実施の形態1と同等のS/N比の向上が実現できる。また指向性マイクロホンユニットの向きを個々に変えているので、図4のように音響反射体が近傍に存在する場合でも、音声伝達特性の平滑化が図られ、S/N比向上の効果と合わせて、音声認識装置の認識率を向上させることができる。
【0052】
尚、音源、指向性マイクロホンユニット、焦点が同一平面に存在する場合について説明したが、実施の形態1と同様、同一平面に存在しない場合にも適用できることは自明である。
【0053】
(実施の形態4)
次に本発明の実施の形態4における音声認識装置について、図16を参照しながら説明する。図16は、本発明の実施の形態4における音声認識装置の構成を示したものであり、同図において161は音源である話者、162は本発明の実施の形態1〜3のいずれかのマイクロホン装置、163は音声区間を検出する音声区間検出手段、164は雑音を抑圧する雑音抑圧手段、165は音声を認識する音声認識手段である。話者161からの音声をマイクロホン装置162で収音し、音声区間検出手段163で音声・非音声を検出、雑音抑圧手段164および音声認識部165にその情報を出力する。雑音抑圧手段164で音声信号に含まれる雑音を除去し、音声認識手段165で音声認識を行う。
【0054】
尚、音声区間検出手段163は、雑音抑圧手段164、音声認識部165に含めてそれぞれ独自に検出をしてもよい。また雑音抑圧手段164も、十分S/Nがよければ、省略することができる。
【0055】
従来のマイクロホン装置を用いた音声認識装置では、高速道路走行時における音声認識率が61.6%であったのに対して、本実施の形態の音声認識装置では、高速道路走行時における音声認識率を78.9%まで向上することができる。
【0056】
以上のように本実施の形態によれば、S/N比が高く音声伝達特性が平滑なマイクロホン装置を音声認識装置の入力手段とすることにより、音声認識装置の認識率を向上させることができる。
【0057】
また、本実施の形態の音声認識装置を用いて、運転者や搭乗者に目的地までの経路誘導や道路交通情報を提供するカーナビゲーションシステムや、ドライバーの音声によってハンドル操作やアクセル/ブレーキ操作等を行う自動車の自動運転システムが実現できる。
【0058】
図17は本実施の形態の音声認識装置を用いたカーナビゲーションシステムの一例である。運転者や搭乗者である話者171からの音声を本実施の形態の音声認識装置172で認識し、話者171からの操作情報として経路誘導手段173、交通情報提供手段174に入力する。経路誘導手段173は目的地までの距離や経路を、交通情報提供手段174は話者171が要求した情報を、音声または表示によって案内する。
【0059】
このように、高い認識率の音声認識装置を用いることで、音声によるカーナビゲーションシステムの操作が確実になり、従来のカーナビゲーション操作中の脇見運転や注意力の低下を防止し、より安全に自動車を運転することができる。
【0060】
図18は本実施の形態の音声認識装置を用いた自動車の自動運転システムの一例である。運転者や搭乗者である話者181からの音声を本実施の形態の音声認識装置182で認識し、話者181からの操作情報としてハンドル操作手段183、アクセル/ブレーキ操作手段184に入力する。操作情報をもとにハンドル操作手段183はハンドルの操作を、アクセル/ブレーキ操作手段184はアクセル又はブレーキの操作を行う。
【0061】
このように、高い認識率の音声認識装置を用いることで、音声による自動運転システムの実現が容易となり、運転者が疲れた場合に運転を代行したり、身体に障害を有する者でも自動車を運転することができる。
【0062】
【発明の効果】
以上のように請求項1及び4記載のマイクロホン装置によれば、音源にではなく、その手前に焦点が合うよう略円弧状に複数の指向性マイクロホンユニットを配置することで、音源から各指向性マイクロホンユニットまでの距離減衰や位相差による干渉の影響を小さく抑えることができる。これにより、S/N比1〜3dBの向上、音声伝達特性の平滑化が図られ、特に天井やサイドガラスなど収音に悪影響を与える音響反射体が多い自動車の車室内に設置される場合、その効果は大きい。
【0063】
また、請求項2記載のマイクロホン装置によれば、音響反射体に指向性マイクロホンユニットの指向性のディップを向けることで、さらに伝達特性の平滑化が図られ良好な収音ができる。
【0064】
また、請求項3記載のマイクロホン装置によれば、指向性マイクロホンユニットが略直線状に配置される場合でも、請求項1記載のマイクロホン装置のように略円弧状に配置される場合と同等の効果を発揮することができる。
【0065】
また、請求項5記載の音声認識装置によれば、音声認識装置の認識率を向上させることができる。
【0066】
また、請求項6記載のカーナビゲーションシステムによれば、音声によるカーナビゲーションシステムの操作が確実になり、従来のカーナビゲーション操作中の脇見運転や注意力の低下を防止し、より安全に自動車を運転することができる。
【0067】
さらに、請求項7記載の自動車の自動運転システムによれば、音声による自動運転システムの実現が容易となり、運転者が疲れた場合に運転を代行したり、身体に障害を有する者でも自動車を運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1におけるマイクロホン装置の構成図
【図2】本発明の実施の形態1におけるマイクロホン装置の音圧感度特性図
【図3】本発明の実施の形態1におけるマイクロホン装置と、従来のマイクロホン装置のS/N周波数特性図
【図4】本発明の実施の形態1におけるマイクロホン装置近傍に音響反射体が存在する場合の説明図
【図5】本発明の実施の形態1におけるマイクロホン装置の音声伝達特性図
【図6】本発明の実施の形態1におけるマイクロホン装置と音源との位置関係を示す説明図
【図7】本発明の実施の形態1において、自動車の車室内の説明図
【図8】本発明の実施の形態1におけるマイクロホン装置を、自動車のサンバイザに設置する場合の説明図
【図9】本発明の実施の形態1において、音源、指向性マイクロホンユニット、焦点の位置関係を示す説明図
【図10】本発明の実施の形態2におけるマイクロホン装置の構成図
【図11】本発明の実施の形態2における指向性マイクロホンユニットの指向特性図
【図12】本発明の実施の形態2において、自動車の車室内の説明図
【図13】本発明の実施の形態2におけるマイクロホン装置を、自動車のサンバイザに設置する場合の説明図
【図14】本発明の実施の形態2において、音源、指向性マイクロホンユニット、焦点の位置関係を示す説明図
【図15】本発明の実施の形態3におけるマイクロホン装置の構成図
【図16】本発明の実施の形態4における音声認識装置のブロック図
【図17】本発明の実施の形態4におけるカーナビゲーションシステムのブロック図
【図18】本発明の実施の形態4の自動車の自動運転システムのブロック図
【図19】従来のマイクロホン装置の構成図
【図20】従来のマイクロホン装置の音圧感度特性図
【図21】従来のマイクロホン装置の音声伝達特性図
【符号の説明】
10 音源
11 第1の指向性マイクロホンユニット
12 第2の指向性マイクロホンユニット
13 第3の指向性マイクロホンユニット
14 第4の指向性マイクロホンユニット
15 第5の指向性マイクロホンユニット
16 信号加算手段
17 焦点
41 音響反射体
61 音源
62 目標点
70 サンバイザ
71 天井
72 フロントガラス
73 サイドガラス
74 話者
100 音源
101 第1の指向性マイクロホンユニット
102 第2の指向性マイクロホンユニット
103 第3の指向性マイクロホンユニット
104 第4の指向性マイクロホンユニット
105 第5の指向性マイクロホンユニット
106 信号加算手段
107 焦点
108 音響反射体
120 サンバイザ
121 天井
122 フロントガラス
123 サイドガラス
124 話者
1500 音源
1501 第1の指向性マイクロホンユニット
1502 第2の指向性マイクロホンユニット
1503 第3の指向性マイクロホンユニット
1504 第4の指向性マイクロホンユニット
1505 第5の指向性マイクロホンユニット
1506 第1の信号増幅器
1507 第2の信号増幅器
1508 第3の信号増幅器
1509 第4の信号増幅器
1510 第5の信号増幅器
1511 第1の信号遅延器
1512 第2の信号遅延器
1513 第3の信号遅延器
1514 第4の信号遅延器
1515 第5の信号遅延器
1516 信号加算手段
1517 焦点
161 話者
162 マイクロホン装置
163 音声区間検出手段
164 雑音抑圧手段
165 音声認識手段
171 話者
172 音声認識装置
173 経路誘導手段
174 交通情報提供手段
181 話者
182 音声認識装置
183 ハンドル操作手段
184 アクセル/ブレーキ操作手段
191 第1の指向性マイクロホンユニット
192 第2の指向性マイクロホンユニット
193 第3の指向性マイクロホンユニット
194 第4の指向性マイクロホンユニット
195 第5の指向性マイクロホンユニット
196 信号加算手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a microphone device intended to collect a signal obtained from a sound source with high S / N and good sound transmission characteristics. The present invention also relates to a voice recognition device, a car navigation system, and an automatic driving system for a car using the same.
[0002]
[Prior art]
As a microphone device for picking up the target sound with high S / N under high noise, a plurality of microphone units are arranged in a straight line, and the output signals from the plurality of microphone units are added to provide super directivity. There is a microphone array to get. Here, S in S / N indicates the target sound source, and N indicates the sound pressure sensitivity of the ambient noise.
[0003]
The configuration of a conventional microphone device having such a function will be described with reference to FIG. FIG. 19 shows a configuration of a conventional microphone device when the number of microphone units is five. In FIG. 19,
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the microphone device configured as described above has a problem that good sound collection is difficult when a sound source exists relatively near the microphone unit.
[0005]
FIG. 20 shows the front sensitivity characteristic with respect to the distance of the conventional microphone array shown in FIG. The unit interval between the first to fifth
[0006]
FIG. 20 shows that the sound pressure sensitivity decreases as the distance between the sound source and the microphone decreases. This means that when a sound source exists relatively near the directional microphone unit, it is difficult to collect sound sufficiently with the sound collection by the conventional microphone device. In particular, in a microphone device for a voice recognition device mounted on an automobile such as a car navigation system with a voice input function, the upper and lower of the S / N ratio directly affects the upper and lower of the recognition rate. As a result, a sufficient voice level cannot be obtained, leading to a reduction in the recognition rate of the voice recognition apparatus.
[0007]
The sound gain is lost as the distance between the sound source and the microphone device becomes shorter because the distance from the sound source to each directional microphone unit is different. That is, the audio signal that reaches each unit causes interference due to the phase difference particularly in the high frequency region, and the sensitivity of the high frequency audio signal decreases. Furthermore, the difference in distance attenuation causes the waveform levels of the voltages generated in the directional microphone units to be uneven, and sufficient sound pressure sensitivity cannot be obtained in the entire band. As described above, the conventional microphone device has a problem that it is difficult to pick up a close sound and is not suitable for sound collection that requires high S / N such as voice recognition.
[0008]
FIG. 21 is an example of sound transfer characteristics from the sound source to the microphone output when there are a plurality of reflecting surfaces in the vicinity of the microphone device. The arrow indicates the peak-dip sound pressure sensitivity fluctuation range at 300 Hz. This transfer characteristic is desirably flat, particularly when used for voice recognition, but in FIG. 20, the disturbance around 200 to 500 Hz, that is, the occurrence of peaks and dips is conspicuous. This is because the direction of each directional microphone unit is parallel to each other, so it is easily affected by reflected sound, and the sound of a specific frequency is canceled out, resulting in a dip in the transfer characteristic, or amplified to a peak in the transfer characteristic. It is due to that. As described above, in the conventional microphone device, when there are a plurality of reflection surfaces in the vicinity, the sound transfer characteristic is disturbed and is not suitable for sound collection that requires a flat transfer characteristic such as voice recognition. There is.
[0009]
In view of the above problems, the present invention improves the S / N ratio of a microphone device assuming a short-distance sound source for a speech recognition device, etc., and smoothes the sound transfer characteristics even when an acoustic reflector is present in the vicinity. It aims at realizing.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention of
[0011]
The invention of claim 2 of the present application is a microphone device that picks up a signal from a sound source, and is arranged in a substantially arc shape with a predetermined radius, and outputs from a plurality of directional microphone units and the directional microphone unit. Adding means for adding signals to be transmitted, and arranged such that the focal point coincides with the intersection of the perpendicular line extending from the sound source with respect to a plane including the directional microphone unit and the focal point, and the directivity When an acoustic reflector that reflects sound is present in the vicinity of the directional microphone unit, the directional dip of the directional microphone unit is uniformly directed toward the acoustic reflector.
[0012]
The invention of
[0013]
According to claim 4 of the present application, in the microphone device according to
[0014]
The invention of claim 5 of the present application is characterized in that the speech recognition apparatus includes the microphone device of any one of
[0015]
The invention of
[0016]
The invention according to
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The microphone device of the present invention directly arranges a plurality of directional microphone units in a substantially circular arc shape, or compensates for a difference in arrival time of sound waves according to a distance from a sound source to the directional microphone unit. Sounds that reach the unit can be collected without being affected by interference due to distance attenuation or phase difference. Further, by devising the direction of the unit, the influence of sound reflection can be reduced when an acoustic reflector is present in the vicinity of the microphone. As a result, the S / N ratio can be improved and the voice transfer characteristics can be smoothed. In particular, the recognition rate in the voice recognition function can be improved.
[0018]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
A microphone device according to
[0019]
FIG. 2 shows a front sensitivity characteristic of the microphone device configured as shown in FIG. The x axis is the left direction in FIG. 1, the y axis is the downward direction in FIG. 1, the origin is the third
[0020]
FIG. 3 shows the S / N frequency characteristics of the microphone device of the present embodiment of FIG. 1 and the conventional microphone device of FIG. Shows frequency characteristics. Here, the sound source is a case where the sound source is arranged on the x-axis at a distance of 30 cm from the origin, that is, in front of the microphone array (the origin is the third
[0021]
As shown in FIG. 3, according to the microphone device of the present embodiment, the S / N ratio can be improved by about 1 to 3 dB as a whole as compared with the conventional microphone device. Furthermore, at a high frequency of 1 kHz or higher, there is no difference in distance from the sound source to the directional microphone unit, thereby eliminating phase interference and further improving the sound collection level.
[0022]
FIG. 4 shows a case where an acoustic reflector is present in the vicinity of the microphone device in the present embodiment, and is the same as the configuration of FIG. 1 except for the
[0023]
FIG. 5 shows the sound transfer characteristics from the speaker mouth to the output of the directional microphone unit in the case of FIG. The arrow in the figure indicates the peak-dip sound pressure sensitivity fluctuation range near 300 Hz. Compared with the characteristics of the conventional microphone device shown in FIG. 21, the peak-dip width of the sound transmission characteristics in the low frequency range of 200 to 500 Hz is reduced, and this embodiment can smooth the sound transmission characteristics. .
[0024]
The smoothness of the voice transfer characteristic is expressed by the following equation, where the evaluation index is a value (parameter D) obtained by adding the difference between the frequency axis direction 7-point moving average in the frequency characteristic and the actual data. The smoother the sound transfer characteristic, the smaller the parameter D.
[0025]
[Expression 1]
[0026]
H (ω) is an audio transfer function with respect to the frequency ω, and m is the number of data. In contrast to D = 0.8995 in the conventional microphone device, according to the microphone device of the present embodiment, D = 0.8074 and the sound transmission characteristics can be smoothed.
[0027]
That is, the microphone array originally has the effect of averaging signals by the signal addition structure of a plurality of directional microphone units. Thus, the directivity of the first to fifth
[0028]
Although the case where the sound source, the directional microphone unit, and the focal point exist on the same plane has been described, the present invention can also be applied to a case where the sound source, the directional microphone unit and the focal point do not exist on the same plane.
[0029]
FIG. 6 shows the positional relationship when the sound source, the directional microphone unit, and the focal point do not exist on the same plane, and the microphone array is arranged on the plane A which is an acoustic reflector. 11, 12, 13, 14, and 15 are directional microphone units arranged in a substantially arc shape as in FIG. 1. A plane including the
[0030]
[Expression 2]
[0031]
However, the incident angle of the sound wave with respect to the plane A which is an acoustic reflector is θ, and the design variable is α. From (Equation 2), the shape of the directivity changes depending on the value of φ, but Pr becomes maximum when θ = 0. That is, the direction with the highest sensitivity of the directional microphone unit close to the acoustic reflector is always the direction along the acoustic reflector, in this case, the direction along the plane A. Therefore, in FIG. 6, even if the
[0032]
In this way, by regarding the
[0033]
As described above, by arranging a plurality of directional microphone units in a substantially arc shape so that the focal point is in front of the sound source instead of the sound source, the influence of interference due to distance attenuation and phase difference from the sound source to each directional microphone unit is reduced. Can be suppressed. As a result, the S / N ratio is improved by 1 to 3 dB and the voice transfer characteristics are smoothed. In particular, the recognition rate of a voice recognition apparatus using the same can be improved.
[0034]
Furthermore, the case where the microphone device of the present embodiment is installed in an automobile will be described. FIG. 7 shows the vicinity of the driver's seat of the automobile. The first to fifth
[0035]
FIG. 8 shows an example installed in the
[0036]
FIG. 9 shows the positional relationship between the sound source, the directional microphone unit, and the focal point when the microphone device is installed in an automobile. The first to fifth
[0037]
With such an arrangement and configuration, even in the vehicle interior of an automobile where there are many acoustic reflectors that adversely affect sound collection such as the ceiling and side glass, interference due to distance attenuation and phase difference from the sound source to each directional microphone unit While suppressing an influence small, the influence of the reflected sound from an acoustic reflector can be reduced.
[0038]
(Embodiment 2)
Next, a microphone device according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 10 shows the configuration of the microphone device according to the present embodiment.
[0039]
FIG. 11 shows the positional relationship between the directional characteristic P of the
[0040]
[Equation 3]
[0041]
FIG. 11 shows the directional characteristic when α = √2, and the direction with the highest sensitivity is indicated by an arrow. As shown in FIG. 11, the directional dip θ = 225 ° having the lowest sensitivity is directed to the acoustic reflector, and the directional direction θ = 0 ° having the highest sensitivity is arranged toward the lower left sound source direction. With such a configuration, the influence of reflected sound from the acoustic reflector 108 can be reduced. The parameter D indicating the smoothness of the sound transfer characteristic according to (Equation 1) is D = 0.6386, which is further smoothed than the smoothness D = 0.8074 of the microphone device of the first embodiment.
[0042]
As described above, by arranging the directional microphone units in a substantially arc shape as in the first embodiment, the S / N ratio is improved over the conventional microphone device arranged in a straight line. Furthermore, by directing a directional dip toward the acoustic reflector, the transmission characteristics can be smoother than in the first embodiment.
[0043]
Although the case where the sound source, the directional microphone unit, and the focal point exist on the same plane has been described, the present invention can also be applied to the case where they do not exist on the same plane as in the first embodiment. As an example, a case where the microphone device of the present embodiment is installed in an automobile will be described.
[0044]
FIG. 12 shows the vicinity of the driver's seat of the automobile. The first to fifth
[0045]
FIG. 13 shows an example of installation on the
[0046]
FIG. 14 shows the positional relationship between the sound source, the directional microphone unit, and the focal point when the microphone device is installed in an automobile. The first to fifth
[0047]
With such an arrangement and configuration, sound transmission characteristics can be smoothed and good sound collection can be achieved even in the interior of an automobile having many acoustic reflectors that adversely affect sound collection, such as the ceiling and side glass.
[0048]
(Embodiment 3)
Next, a microphone device according to
[0049]
Signals from the
[0050]
Thus, even when the directional microphone unit is arranged in a substantially linear shape, the same effect as that in the case where the directional microphone unit is arranged in a substantially arc shape as in the first embodiment can be exhibited.
[0051]
As described above, even when the directional microphone unit cannot be arranged in a substantially arc shape as in the first embodiment, the present embodiment can achieve the same S / N ratio improvement as in the first embodiment. In addition, since the direction of the directional microphone unit is individually changed, the sound transmission characteristics can be smoothed even when an acoustic reflector is present in the vicinity as shown in FIG. 4, and this is combined with the effect of improving the S / N ratio. Thus, the recognition rate of the voice recognition device can be improved.
[0052]
Although the case where the sound source, the directional microphone unit, and the focal point exist on the same plane has been described, it is obvious that the present invention can also be applied when the sound source, the directional microphone unit, and the focal point do not exist on the same plane.
[0053]
(Embodiment 4)
Next, a speech recognition apparatus according to Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 16 shows the configuration of the speech recognition apparatus according to the fourth embodiment of the present invention. In FIG. 16, 161 is a speaker as a sound source, and 162 is one of the first to third embodiments of the present invention. A microphone device, 163 is a voice section detecting means for detecting a voice section, 164 is a noise suppressing means for suppressing noise, and 165 is a voice recognition means for recognizing voice. Voice from the
[0054]
Note that the voice section detection means 163 may be included in the noise suppression means 164 and the
[0055]
In the speech recognition apparatus using the conventional microphone device, the speech recognition rate when driving on an expressway was 61.6%, whereas in the speech recognition apparatus according to the present embodiment, speech recognition when traveling on an expressway. The rate can be increased to 78.9%.
[0056]
As described above, according to the present embodiment, the recognition rate of the speech recognition device can be improved by using the microphone device having a high S / N ratio and smooth speech transmission characteristics as the input means of the speech recognition device. .
[0057]
In addition, by using the speech recognition device of the present embodiment, a car navigation system that provides the driver and passengers with route guidance to the destination and road traffic information, steering operation and accelerator / brake operation by the driver's voice, etc. An automatic driving system for a car that performs
[0058]
FIG. 17 shows an example of a car navigation system using the speech recognition apparatus of this embodiment. The voice from the
[0059]
In this way, by using a speech recognition device with a high recognition rate, the operation of the car navigation system by voice is ensured, preventing side-by-side driving and a reduction in attention during conventional car navigation operations, and more safely Can drive.
[0060]
FIG. 18 shows an example of an automatic driving system for an automobile using the speech recognition apparatus of this embodiment. The voice from the
[0061]
In this way, by using a speech recognition device with a high recognition rate, it is easy to realize an automatic driving system by voice, so that when the driver gets tired, driving substitutes or driving a car even for people with physical disabilities can do.
[0062]
【The invention's effect】
As described above, according to the microphone device of the first and fourth aspects, by arranging a plurality of directional microphone units in a substantially arc shape so as to be focused in front of the sound source instead of the sound source, each directivity from the sound source can be obtained. The influence of interference due to the attenuation of the distance to the microphone unit and the phase difference can be reduced. As a result, the S / N ratio is improved by 1 to 3 dB and the sound transmission characteristics are smoothed. In particular, when installed in the vehicle interior of an automobile having many acoustic reflectors that adversely affect sound collection such as the ceiling and side glass, The effect is great.
[0063]
Further, according to the microphone device of the second aspect, by directing the directional dip of the directional microphone unit toward the acoustic reflector, the transmission characteristics can be further smoothed and good sound collection can be performed.
[0064]
According to the microphone device of the third aspect, even when the directional microphone unit is arranged in a substantially linear shape, the same effect as that in the case of being arranged in a substantially arc shape as in the microphone device of the first aspect. Can be demonstrated.
[0065]
Moreover, according to the speech recognition device of the fifth aspect, the recognition rate of the speech recognition device can be improved.
[0066]
In addition, according to the car navigation system of the sixth aspect, the operation of the car navigation system by voice is ensured, and a sideways driving and a reduction in attention are prevented during the conventional car navigation operation, and the car is driven more safely. can do.
[0067]
Furthermore, according to the automatic driving system for a car according to
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a microphone device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a characteristic diagram of sound pressure sensitivity of the microphone device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an S / N frequency characteristic diagram of the microphone device according to the first embodiment of the present invention and a conventional microphone device.
FIG. 4 is an explanatory diagram when an acoustic reflector is present in the vicinity of the microphone device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a sound transfer characteristic diagram of the microphone device according to the first embodiment of the present invention.
6 is an explanatory diagram showing a positional relationship between a microphone device and a sound source according to
FIG. 7 is an explanatory diagram of the interior of the automobile according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram when the microphone device according to
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the positional relationship between a sound source, a directional microphone unit, and a focus in
FIG. 10 is a configuration diagram of a microphone device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a directional characteristic diagram of a directional microphone unit according to Embodiment 2 of the present invention;
FIG. 12 is an explanatory diagram of the interior of an automobile in Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 13 is an explanatory diagram when the microphone device according to the second embodiment of the present invention is installed on a sun visor of an automobile.
FIG. 14 is an explanatory diagram showing the positional relationship between a sound source, a directional microphone unit, and a focal point in Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 15 is a configuration diagram of a microphone device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a block diagram of a speech recognition apparatus according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 17 is a block diagram of a car navigation system according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 18 is a block diagram of an automobile automatic driving system according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a configuration diagram of a conventional microphone device.
FIG. 20 is a characteristic diagram of sound pressure sensitivity of a conventional microphone device.
FIG. 21 is a diagram of sound transmission characteristics of a conventional microphone device.
[Explanation of symbols]
10 sound sources
11 First directional microphone unit
12 Second directional microphone unit
13 Third directional microphone unit
14 Fourth directional microphone unit
15 Fifth directional microphone unit
16 Signal adding means
17 Focus
41 Acoustic reflector
61 sound source
62 Target Point
70 Sunvisor
71 Ceiling
72 windshield
73 Side glass
74 Speaker
100 sound sources
101 First directional microphone unit
102 Second directional microphone unit
103 3rd directional microphone unit
104 Fourth directional microphone unit
105 Fifth directional microphone unit
106 Signal adding means
107 focus
108 Acoustic reflector
120 sun visor
121 Ceiling
122 windshield
123 Side glass
124 Speaker
1500 sound source
1501 First directional microphone unit
1502 Second directional microphone unit
1503 Third directional microphone unit
1504 Fourth directional microphone unit
1505 fifth directional microphone unit
1506 first signal amplifier
1507 second signal amplifier
1508 Third signal amplifier
1509 fourth signal amplifier
1510 fifth signal amplifier
1511 1st signal delay device
1512 Second signal delay device
1513 Third signal delay device
1514 Fourth signal delay device
1515 fifth signal delay device
1516 Signal addition means
1517 focus
161 Speaker
162 Microphone device
163 Voice segment detection means
164 Noise suppression means
165 Voice recognition means
171 Speaker
172 Voice recognition device
173 Route guidance means
174 Traffic information provision means
181 Speaker
182 Voice recognition device
183 Handle operating means
184 Accelerator / brake operating means
191 First directional microphone unit
192 Second directional microphone unit
193 Third directional microphone unit
194 Fourth directional microphone unit
195 Fifth directional microphone unit
196 Signal addition means
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