JP4633621B2

JP4633621B2 - 車載型音源捜索システム

Info

Publication number: JP4633621B2
Application number: JP2005377467A
Authority: JP
Inventors: 郁蘆原; 桐生昭吾; 博木戸
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2025-12-28
Also published as: JP2007180942A

Description

本発明は、情報通信機器を用いた車載型音源捜索システムに係り、より詳細には、３次元音響技術、信号処理技術などを利用した車載型の超指向性マイクロホンを備える車載型音源捜索システムに関する。

災害の被災地において、一人でも多くの人命を救出するためには、生存者を迅速に見つけ出すことが重要である。生存者の捜索を支援する道具としては、人命救助等に使用する目的で開発された地中聴音器や伸縮自在棒の先端にカメラ・マイクロホン・スピーカー・ライトを一体化して取り付けた装置が提案されている（特許文献１）。しかし、このような装置は、一度に捜索できる範囲が限られており、不特定の方向から到来する音が混じり合うため、騒音下での有用性は乏しい。

マイクロホンアレイは、音響情報を３次元的に計測する手段として有効であり、主に雑音環境下や、またはビデオ会議システムなどにおいて、複数話者の中から特定の話者の声だけを抽出する方法として（特許文献２）、音声認識装置やロボットの要素技術として研究が進められている（非特許文献１、２）。マイクロホンアレイの指向性や空間感度特性は、信号処理により制御できる。

US20010055544A1 特表2004-528766 J.-M. Valin、 F. Michaud、 J. Rouat、 and D. L´etourneau、 "Robust sound source localization using a microphone array on amobile robot、"in Proc. IROS、 2003 Yasuaki Ohashi、Tsuyoki Nishikawa、 Hiroshi Saruwatari、Akinobu Lee、Kiyohiro Shikano、 ``Noise Robust Speech RecognitionBased on Spatial Subtraction Array、''Proceedings of International Workshop on Nonlinear Signal and Image Processing(NSIP2005)、pp324−327、May 2005

地震や台風といった自然災害の被災地や大規模な事故の被害地では、生存者を迅速に発見することが求められる。このとき、生存者が発する声や音は重要な手がかりとなる。特に瓦礫などの障害物によって視野が制限されている場合、音は最大の手がかりとなる。そこで、単一指向性マイクロホンあるいは無指向性マイクロホンで収集した音を増幅してヘッドホン等により捜索者が聞く手段があるが、単一指向性マイクロホンの場合、一度に一つの方向しか捜索できないため効率が悪い。また無指向性マイクロホンの場合、不特定の方向から到来する信号が混じり合うため、外来騒音の影響を強く受けてしまう。

マイクロホンアレイを用いれば、信号処理によって任意の方向に鋭い指向性あるいはフォーカスを形成することができるため、騒音下でも微小な信号を発見できる可能性が高い。また、同時に独立した複数の指向性を形成できるので、広い領域を効率よく捜索することができる。

本発明の目的は、大型のマイクロホンアレイを車載型にするとともに、マイクロホンアレイのフォーカスを同時に複数形成させることにより、各種の災害現場等において、音源を効率よく発見することのできる車載型音源捜索システムを提供することにある。

本発明は、上記の問題を解決するため、下記の手段を採用した。
第１の手段は、複数のマイクロホンからなるマイクロホンアレイ部と、該マイクロホンアレイ部を支持するアーム部と、車両に固定されるとともに前記アーム部を支持する台座部と、前記マイクロホンアレイ部から入力されるマルチチャネルのアナログ信号をデジタル信号に変換するデータ変換部と、前記デジタル信号を無線送信するデータ送信部と、該データ送信部から送られる無線信号を受信するデータ受信部と、前記マイクロホンアレイ部が鋭い指向性を発揮するよう、前記データ受信部にて受信された信号のチャネルごとの遅延時間を操作し、任意の方向から到来する音を選択的に合成する信号処理部と、該信号処理部で合成された信号をアナログ信号に変換し、音響信号として再生する音響出力部と、内部に少なくとも前記音響出力部が設置された制御室部とを備えることを特徴とする車載型音源捜索システムである。
第２の手段は、第１の手段において、前記データ変換部と前記データ送信部は、前記アーム部または前記台座部に内蔵されていることを特徴とする車載型音源捜索システムである。
第３の手段は、第１の手段または第２の手段において、前記アーム部は、長さが可変であるとともに、水平方向および垂直方向に回転可能であることを特徴とする車載型音源捜索システムである。
第４の手段は、第１の手段ないし第３の手段のいずれか１つの手段において、前記アーム部は、１つまたは複数の角度可変の関節を備えることを特徴とする車載型音源捜索システムである。
第５の手段は、第１の手段ないし第４の手段のいずれか１つの手段において、前記アーム部または前記マイクロホンアレイ部は、前記アーム部の長さ方向を回転軸として回転可能であることを特徴とする車載型音源捜索システムである。
第６の手段は、第１の手段ないし第５の手段のいずれか１つの手段において、前記マイクロホンアレイ部は、折りたたみ式あるいは伸縮式に構成され、前記マイクロホンアレイ部の大きさが可変可能であることを特徴とする車載型音源捜索システムである。
第７の手段は、第１の手段ないし第６の手段のいずれか１つの手段において、前記音響出力部は複数のヘッドホンまたは複数のスピーカを備え、前記信号処理部は、独立に複数の指向性を創出することにより、複数の異なる方向から到来する音に対応してそれぞれ独立に合成した信号を出力し、前記独立に合成した信号に対応して前記各々のヘッドホンまたは前記各々のスピーカから別々に再生音を出力させることを特徴とする車載型音源捜索システムである。
第８の手段は、第１の手段ないし第７の手段のいずれか１つの手段において、前記制御室部は、防音処理されていることを特徴とする車載型音源捜索システムである。
第９の手段は、第１の手段ないし第８の手段のいずれか１つの手段において、前記制御室部は、車載可能であることを特徴とする車載型音源捜索システムである。
第１０の手段は、第１の手段ないし第９の手段のいずれか１つの手段において、前記データ受信部で受信された信号を圧縮し、記憶媒体に記録するためのデータ記録部を備えることを特徴とする車載型音源捜索システムである。

上述のとおり本発明では、指向性を任意に制御できる車載型の大型マイクロホンアレイを利用することにより、各種の災害現場等において、効率的に広範囲の捜索を可能にした車載型音源捜索システムを提供することができる。

また、マイクロホンアレイの感度は、マイクロホンの個数を増やすことによって向上させることができるので、数cm程度の間隔で数千個またはそれ以上のマイクロホンを配置することにより、わずかな信号でも確実に捉えることのできる高感度の車載型音源探査システムを提供することができる。

マイクロホンアレイの指向性は、信号処理によって形成されるので、複数の信号処理を並列に実行させれば、独立した複数の指向性を同時に生み出し、それぞれの指向性に対応した音響信号を合成することが可能である。並列信号処理によって合成された複数の音響信号を複数の捜索者が聞くことによって、同時に複数の方向を捜索できるため、広範な領域の捜索を効率的に行うことが可能となる。

発明の実施の形態

本発明の一実施形態を図１ないし図４を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係る車載型音源捜索システムの基本構成を示す図である。
同図において、１はマイクロホンアレイ部、２はアーム部、３はデータ変換部、４はデータ送信部、５はアーム部２を支持する共にデータ変換部３およびデータ送信部４を内蔵する台座部、６はデータ受信部、７はデータ記録部、８は信号処理部、９は捜索者が捜索音を聴取するためのスピーカまたはヘッドホンを備える音響出力部、１０はマイクロホン取り付けパネル、１１は遮音板である。
同図に示すように、マイクロホンアレイ部１は、複数のマイクロホン０・・・Ｎ−１とそれを取り付けるマイクロホン取り付けパネル１０と複数のアンプから構成され、マイクロホンアレイ部１の背面から到来する不要な音を遮断する遮音板１１を備えている。マイクロホン取り付けパネル１０の形状に制限はなく、正方形、長方形、円盤型などが考えられる。

同図において、この車載型音源捜索システムは以下のように動作する。マイクロホンアレイ部１において取得された音響信号はマルチチャネルのアナログ信号に変換されデータ変換部３へ送られる。データ変換部３ではアナログ信号からデジタル信号に変換されたデータ信号がデータ送信部４から無線送信される。送信されたデータ信号は、データ受信部６で受信され、信号処理部８へ送られる。信号処理部８では、各チャネルの遅延時間を制御し、任意の方向から到来する音を選択的に抽出し合成する。合成された信号は、音響出力部９においてアナログ信号に変換され、スピーカあるいはヘッドホンから出力され、捜索者によって聴取される。なお、データ記録部７は、データ受信部５から送られてくるデータ信号を必要に応じてデータ圧縮し、記録媒体に記録しておき、必要に応じて信号処理部６に出力させる。

図２および図３は、本実施形態の発明に係る車載型音源探査システムの構成を示す図であり、図２は捜索現場における車載型音源探査システムの測定装置群を示す図であり、図３は車載型音源探査システムの制御装置群を示す図である。
これらの図において、１２は測定装置群を運搬する車両、１３は車両１４内に備えられる制御室部、１４は制御装置群を運搬する車両である。その他の構成は図１に示す同符号の構成に対応するので説明を省略する。
上記測定装置群は、マイクロホンアレイ部１、マイクロホンアレイ部１を支持するアーム部２、アーム部２を支持すると共にデータ変換部３とデータ送信部４を内蔵する台座部５、台座部５が固定される車両１２とから構成され、上記制御装置群は、データ受信部６、データ記録部７、信号処理部８、および音響出力部９を備える制御室部１３と、制御室部１３を載置し音響出力部９に備えられるヘッドホンを装着した複数の捜索者１〜６を収容した車両１４とから構成される。

なお、データ変換部３とデータ送信部４を、台座部５に内蔵する場合について説明したが、アーム部２に内蔵するようにしてもよい。
また、アーム部２は、長さが可変であるとともに、水平方向および垂直方向に回転可能であるように構成してもよく、さらに、１つまたは複数の角度可変の関節を備えるようにしてもよい。
また、マイクロホンアレイ部１またはアーム部２は、アーム部２の長さ方向を回転軸として回転可能に構成してもよい。
また、マイクロホンアレイ部１は、折りたたみ式あるいは伸縮式に構成し、マイクロホンアレイ部１の大きさを可変するようにしてもよい。マイクロホンアレイ部１の最大時の長さは１０ｍ程度に達する場合もある。
また、マイクロホンアレイ部１には、マイクロホンを数cm程度の間隔で数千個またはそれ以上配置することも可能である。

図２において、マイクロホンアレイ部１において取得された音響信号はマルチチャネルのアナログ信号に変換されてデータ変換部３へ送られ、データ変換部３でデジタル信号に変換されたデータ信号がデータ送信部４から無線送信される。送信されたデータ信号は、図３において、データ受信部６で受信され、信号処理部８へ送られ、信号処理部８では、独立した複数の指向性（図２の指向性Ａ〜Ｆ）が演算によって求められ、異なる方向から到来する信号が別々に合成される。合成された複数の信号は、制御室部１３の中で音響出力部９を介して各捜索者１〜６ごとに別々のヘッドホンによって聴取される。複数の捜索者１〜６によって別々に聴取されることによって、同時に複数の方向が捜索されるため、効率よく広い領域の捜索が可能になる。形成される複数の指向性は独立なため、互いに干渉することはない。
なお、微弱な信号を検出可能にするため、制御室部１３の内部はできるだけ静かな環境が望ましく、また、制御室部１３は捜索場所の近くに置くことが望ましい。このため、制御室部１３は、車載可能なコンテナーに防音処理を施したものなどが考えられる。

ここで、本実施形態の車載型音源探査システムにおける信号処理部８にて行われる処理について式１から式３、および図４を用いて説明する。
図４は、マイクロホンアレイにおけるマイクロホンとマイクロホンアレイのフォーカスの関係を示すものである。

音波がt（秒）間に進む距離l（m）は音速c（m／秒）と伝達時間t（秒）の積で求まる（式１）。よって、距離lが既知の場合、距離lから伝達時間tを求めることができる（式２）。

フォーカス位置Xは、マイクロホンアレイから見た方向と距離を指定することによって任意に決めることができる。また、理論上は同時に独立したフォーカスをいくつでも形成することが可能である。式３からあきらかなように、マイクロホンの数が多いほど、目的とする信号は相対的に増幅されるため、鋭い指向性が得られる。

以上、本発明の基本的な実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、適宜の変更が可能なものである。

本発明に係る車載型音源探査システムの構成を示す図である。本発明に係る捜索現場における車載型音源探査システムの測定装置群を示す図である。本発明に係る車載型音源探査システムの制御装置群を示す図である。本発明に係るマイクロホンアレイとそのフォーカス位置の関係を示す図である。

符号の説明

１マイクロホンアレイ部
２アーム部
３データ変換部
４データ送信部
５台座部
６データ受信部
７データ記録部
８信号処理部
９音響出力部
１０マイクロホン取り付けパネル
１１遮音板
１２測定装置群を運搬する車両
１３制御室部
１４制御装置群を運搬する車両

Claims

複数のマイクロホンからなるマイクロホンアレイ部と、該マイクロホンアレイ部を支持するアーム部と、車両に固定されるとともに前記アーム部を支持する台座部と、前記マイクロホンアレイ部から入力されるマルチチャネルのアナログ信号をデジタル信号に変換するデータ変換部と、前記デジタル信号を無線送信するデータ送信部と、該データ送信部から送られる無線信号を受信するデータ受信部と、前記マイクロホンアレイ部が鋭い指向性を発揮するよう、前記データ受信部にて受信された信号のチャネルごとの遅延時間を操作し、任意の方向から到来する音を選択的に合成する信号処理部と、該信号処理部で合成された信号をアナログ信号に変換し、音響信号として再生する音響出力部と、内部に少なくとも前記音響出力部が設置された制御室部とを備えることを特徴とする車載型音源捜索システム。
前記データ変換部と前記データ送信部は、前記アーム部または前記台座部に内蔵されていることを特徴とする請求項１に記載の車載型音源捜索システム。
前記アーム部は、長さが可変であるとともに、水平方向および垂直方向に回転可能であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車載型音源捜索システム。
前記アーム部は、１つまたは複数の角度可変の関節を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つの請求項に記載の車載型音源捜索システム。
前記アーム部または前記マイクロホンアレイ部は、前記アーム部の長さ方向を回転軸として回転可能であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１つの請求項に記載の車載型音源捜索システム。
前記マイクロホンアレイ部は、折りたたみ式あるいは伸縮式に構成され、前記マイクロホンアレイ部の大きさが可変可能であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１つの請求項に記載の車載型音源捜索システム。
前記音響出力部は複数のヘッドホンまたは複数のスピーカを備え、前記信号処理部は、独立に複数の指向性を創出することにより、複数の異なる方向から到来する音に対応してそれぞれ独立に合成した信号を出力し、前記独立に合成した信号に対応して前記各々のヘッドホンまたは前記各々のスピーカから別々に再生音を出力させることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１つの請求項に記載の車載型音源捜索システム。
前記制御室部は、防音処理されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１つの請求項に記載の車載型音源捜索システム。
前記制御室部は、車載可能であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１つの請求項に記載の車載型音源捜索システム。
前記データ受信部で受信された信号を圧縮し、記憶媒体に記録するためのデータ記録部を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１つの請求項に記載の車載型音源捜索システム。