JP6300031B2 - 信号処理装置、信号処理方法、および信号処理プログラム - Google Patents
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Description
第1信号と第2信号とが混在した混在信号を、周波数ごとの位相成分および周波数ごとの振幅成分またはパワー成分に変換する変換手段と、
前記振幅成分またはパワー成分があらかじめ定めた条件に適合する所定周波数を、各周波数単独の振幅成分またはパワー成分に基づいて、または、各周波数とその隣接周波数の振幅成分またはパワー成分に基づいて導き出す振幅分析手段と、
前記位相成分よりも相互相関が弱いデータ系列を用いて、前記位相成分から、前記所定周波数の前記位相成分の変化量を生成する変化量生成手段と、
前記変化量生成手段から提供された変化量を用いて、前記所定周波数の前記位相成分を制御する位相制御手段と、
前記位相制御手段によって制御処理を加えられた位相成分を用いて強調信号を生成する逆変換手段と、
を備えた。
第1信号と第2信号とが混在した混在信号を、周波数ごとの位相成分および周波数ごとの振幅成分またはパワー成分に変換する変換ステップと、
前記振幅成分またはパワー成分があらかじめ定めた条件に適合する所定周波数を各周波数単独または各周波数とその隣接周波数の振幅成分またはパワー成分に基づいて導き出す振幅分析ステップと、
前記位相成分を用いて前記位相成分よりも相互相関が弱いデータ系列を用いて、前記所定周波数の前記位相成分の変化量を生成する変化量生成ステップと、
前記変化量生成ステップで提供された変化量を用いて、前記所定周波数の前記位相成分を制御する位相制御ステップと、
前記位相制御ステップによって制御処理を加えられた位相成分を用いて強調信号を生成する逆変換ステップと、
を含む。
第1信号と第2信号とが混在した混在信号を、周波数ごとの位相成分および周波数ごとの振幅成分またはパワー成分に変換する変換ステップと、
前記振幅成分またはパワー成分があらかじめ定めた条件に適合する所定周波数を各周波数単独または各周波数とその隣接周波数の振幅成分またはパワー成分に基づいて導き出す振幅分析ステップと、
前記位相成分を用いて前記位相成分よりも相互相関が弱いデータ系列を用いて、前記所定周波数の前記位相成分の変化量を生成する変化量生成ステップと、
前記変化量生成ステップで提供された変化量を用いて、前記所定周波数の前記位相成分を制御する位相制御ステップと、
前記位相制御ステップによって制御処理を加えられた位相成分を用いて強調信号を生成する逆変換ステップと、
をコンピュータに実行させる。
図1は、本発明の第1実施形態に係る信号処理装置100の概略構成を示す図である。図1において、信号処理装置100は、変換部101と位相制御部102と変化量生成部103と逆変換部104と振幅分析部105とを備える。
《全体構成》
本発明の第2実施形態としての雑音抑圧装置200について図2乃至図4を用いて説明する。図2は、雑音抑圧装置200の全体構成を示すブロック図である。本実施形態の雑音抑圧装置200は、例えばデジタルカメラ、ノートパソコン、携帯電話などといった装置の一部としても機能するが、本発明はこれに限定されるものではない。雑音抑圧装置200は、入力信号からのノイズ除去を要求されるあらゆる情報処理装置に適用可能である。本実施形態としての雑音抑圧装置は、例えば、マイクの近くでボタン押下などの操作がなされるような形態において、かかるボタン操作により発生する衝撃音を適切に除去する。簡単に説明すると、衝撃音を含む信号を周波数領域信号に変換し、周波数空間における位相成分を、相互相関が弱いデータ系列を用いて制御することにより、衝撃音を適切に除去する。
図3は、変換部201の構成を示すブロック図である。図3に示すように、変換部201はフレーム分割部301、窓掛け処理部(windowing unit)302、およびフーリエ変換部303を含む。劣化信号サンプルは、フレーム分割部301に供給され、K/2サンプル毎のフレームに分割される。ここで、Kは偶数とする。フレームに分割された劣化信号サンプルは、窓掛け処理部302に供給され、窓関数(window function)であるw(t)との乗算が行なわれる。第nフレームの入力信号yn(t)(t=0,1,...,K/2-1)に対するw(t)で窓掛け(windowing)された信号は、次式(1)で与えられる。
図4は、逆変換部204の構成を示すブロック図である。図4に示すように、逆変換部204は逆フーリエ変換部401、窓掛け処理部402およびフレーム合成部403を含む。逆フーリエ変換部401は、変換部201から供給された劣化信号振幅スペクトル230(|Xn(k)|)と位相制御部202から供給された強調信号位相スペクトル240(argXn(k))とを乗算して、強調信号(以下の式(4)の左辺)を求める。
振幅分析部205は、変換部201から劣化信号振幅スペクトル230の供給を受け、振幅情報を分析することによって位相の相関を減じるべき周波数を決定する。位相制御部202における位相制御の目的は、変換部201に入力される信号に固有な特徴を除去することである。仮に、そのような特徴が残っていても、逆変換部204で位相と振幅が統合されて逆変換を適用されたときに、知覚できない振幅の信号であれば、問題にならない。したがって、振幅分析部205においては、振幅成分またはパワー成分があらかじめ定めた条件に適合する所定周波数を導き出し、その所定周波数において位相制御を行なう。例えば、振幅成分があらかじめ定められた第1閾値よりも大きな周波数を、位相制御するべき周波数と決定することができる。あらかじめ定められた第1閾値より大きな振幅を有する周波数を位相制御するべき周波数と決定することによって、知覚できない振幅の周波数を除外することができ、位相制御に必要な演算量を削減することができる。また、あらかじめ定められた第2閾値よりも小さな振幅を有する周波数を位相制御すべき周波数と決定することにより、音声などの目的信号成分に対して位相相関を減じることがなくなり、目的信号成分の品質低下を防止することができる。第1閾値および/または第2閾値を用いて位相制御対象周波数を規定する方法としては以下のものが挙げられる。
絶対可聴閾値は、このレベル以下では知覚できないという、人間の最低知覚レベルである。したがって、絶対可聴閾値を第1閾値とすることによって、知覚できないレベルの周波数の位相に対して制御処理を適用することを防ぐことができ、演算量削減につながる。
マスキングレベルは、マスカーと呼ばれる振幅の大きな信号成分によるマスキング効果を考慮して絶対可聴閾値を補正したものであり、大きな振幅の成分の近傍周波数にある小さな振幅成分が知覚できない現象を反映したものである。マスキングレベルの計算方法については、ISO/IEC 11172-3:1993, Information technology -- Coding of moving pictures and associated audio for digital storage media at up to about 1.5 Mbit/s - Part 3 : Audio, Aug. 1993(非特許文献2)に詳しい。マスキングレベルを第1閾値として設定することにより、大きな振幅の成分の近傍周波数にある小さな振幅成分が存在するときでも、知覚できないレベルの周波数の位相に対する制御処理の適用を防ぐことができ、演算量削減につながる。
振幅が大きな周波数を全て選択すると、その中に音声などの目的信号成分を含む場合があり、問題となる。これは、一般的に目的信号成分はそれ以外の信号成分よりも振幅が大きなことが多いからである。したがって、目的信号成分である確率が高い振幅の周波数は、位相制御するべき周波数から除外することが望ましい。これは、第1閾値よりも大きい第2閾値を導入して、第1閾値よりも大きく、第2閾値よりも小さな振幅を有する周波数を位相制御するべき周波数と決定することで達成できる。すなわち、大きくもなく、小さくもない、中程度の振幅を有する周波数を、位相制御するべき周波数と決定することになる。第2閾値を用いた処理を適用することによって、音声などの目的信号成分に対して位相相関を減じることがなくなり、目的信号成分の品質低下を防止することができる。
目的信号成分の除外は、振幅成分に含まれるスペクトルのピークを利用して行なうこともできる。例えば、音声や音楽などの信号は、明確な複数のピークを含むことが知られている。これらのピーク成分の品質が主観音質に与える影響は、極めて大きい。そこで、振幅成分のうちピーク成分に関しては、位相制御するべき周波数としないように設定することが有効である。振幅成分がピークとなる周波数の検出方法は各種知られているが、例えば、前記の非特許文献2に開示された方法を用いることができる。位相制御する周波数からピークとして検出された周波数を除外することによって、音声などの目的信号成分に対して位相相関を減じることがなくなり、目的信号成分の品質低下を防止することができる。
音声の重要成分の一つに摩擦音がある。摩擦音を位相制御の対象周波数から除外することもできる。摩擦音は、低周波数域から高周波数域まで比較的平坦な振幅分布を有することが知られている。これは、相対的に高周波数域の振幅が大きいことを意味する。したがって、高周波数域の振幅成分が通常よりも大きいときに、摩擦音であると判断して、該当する高周波数域を位相制御の対象周波数から除外する。高周波数域として、特定の周波数成分を用いてもよいし、複数の連続または不連続の周波数成分に関する振幅和を求めて用いてもよい。また、通常の高周波数域の振幅成分は、相対的に振幅成分が小さいフレームにおいて、その値を平均して求めることができる。摩擦音の周波数を位相制御の対象周波数から除外することによって、摩擦音における品質低下を防止することができる。
さらに、背景雑音(環境雑音)の振幅近傍まで抑圧された周波数成分は、知覚可能であるが、それよりも小さい振幅は背景雑音自体にマスクされて知覚できない。そこで、第1閾値として背景雑音レベルより少し小さな振幅を設定することができる。
変化量生成部203は、変換部201から劣化信号位相スペクトル220の供給を受け、位相の相関を減じるための変化量を生成する。変換部201から供給される劣化信号位相スペクトル220はargYn(k)(0≦k<K)であるので、変化量生成部203は、相関低減された強調信号位相スペクトルargXn(k)を、例えば、次のような処理で求めることができる。
位相制御部202は、変化量生成部203から供給された回転量ΔargYn(k)を、変換部201から供給された劣化信号位相スペクトル220に加算することにより、強調信号位相スペクトル240argXn(k)を求めて、逆変換部204に供給する。すなわち、次式を実行する。
《全体構成》
本発明の第3実施形態としての雑音抑圧装置500について図5を用いて説明する。図5は、雑音抑圧装置500の全体構成を示すブロック図である。本実施形態の雑音抑圧装置500は、第2実施形態の雑音抑圧装置200と比較して、変化量生成部503以外の構成は、同一である。そこで、変化量生成部503に関してだけ説明し、その他の構成要素に関する詳細な説明は省略する。
図6は位相制御部202および変化量生成部503の構成を示すブロック図である。図6に示すように、変化量生成部503は振幅保持部601と振幅分析部602とを含む。振幅保持部601は、劣化信号振幅スペクトル230を保持し、振幅分析部602に供給する。
振幅分析部602は、例えば、振幅保持部601が保持した劣化信号振幅スペクトルにπを乗じて得られた積を回転量とする。あるいは、振幅保持部601が保持した劣化信号振幅スペクトルをそのまま回転量としても、同様の効果が得られる。位相制御部202は、変化量生成部503が劣化信号振幅スペクトルにより生成した変化量を用いて、劣化信号位相スペクトルを各周波数で変化(回転または置換)させる。位相制御部202が行なう制御により、劣化信号位相スペクトル220の形状が変化する。この形状の変化により、雑音の特徴を弱めることができる。
振幅分析部602は、また、振幅保持部601が保持した劣化信号振幅スペクトル230を正規化したものを回転量として位相制御部202に供給してもよい。この場合、振幅分析部602は、まず、劣化信号振幅スペクトル230(全て正の値K個)の平均を求める。求めた平均値で劣化信号振幅スペクトルを除して得られた商にπを乗じて得られた積を回転量とする。なお、このときにπを乗じずに商をそのまま回転量としても、類似の効果が得られる。正規化なしの場合と比べて分散を相対的に大きくすることができるので、回転させられる位相に対する相関除去の効果を強化することができる。また、平均を求める際に、最初に極端に他と異なる値(外れ値)を除外してから、平均を求めることもできる。外れ値の悪影響を排除することができ、より効果的な回転量を求めることができる。
変化量生成部503は、また、劣化信号振幅スペクトルの分布を自身の包絡線で正規化して、回転量とすることもできる。包絡線は、例えば、劣化信号振幅スペクトルの回帰曲線をN個のサンプルから求めて、回帰曲線の値で各サンプルを除する。N個のサンプルのうち、一部を用いて回帰曲線を求めてもよいし、外れ値を除外してから回帰曲線を求めることもできる。外れ値の除外によって、外れ値の悪影響を除外することができ、より効果的な回転量を求めることができる。このようにして得られた商は、1を中心とした分布となる。
本発明の第4実施形態について、図7を用いて説明する。本実施形態に係る雑音抑圧装置700は、位相制御部202での位相の制御による出力レベルの低下を、振幅制御部708を用いて補填する点で第2実施形態と異なる。他の構成および動作は第2実施形態と同様であるためここではその説明を省略する。
本発明の第5実施形態にかかる雑音抑圧装置1500について、図15を用いて説明する。本実施形態では、振幅制御部708を備えている点で、第3実施形態の構成と異なる。振幅制御部708以外の構成については、第3実施形態と同様であり、振幅制御部708は、第4実施形態と同様であるため、同じ構成については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。
本発明の第6実施形態に係る雑音抑圧装置1600について、図16を用いて説明する。本実施形態では、位相の回転量の上限を制限する点で第2実施形態と異なる。それ以外の構成および動作については第2実施形態と同様であるためここでは詳しい説明を省略する。
本発明の第7実施形態について、図17を用いて説明する。本実施形態に係る本発明は、位相成分を遅延させ、フレーム間での位相成分の差分を求めた上でそこから補正量を算出する点で第4実施形態と異なる。つまり、振幅制御部1708の内部構成において第2実施形態と異なる。他の構成および動作は第2実施形態と同様であるためここではその説明を省略する。
本発明の第8実施形態について、図18を用いて説明する。図18は、本実施形態に係る位相制御部202および振幅制御部1808の構成を示すブロック図である。
本発明の第9実施形態について、図19を用いて説明する。図19は、本実施形態に係る振幅制御部1908の構成を示すブロック図である。図19に示すように、本実施形態における振幅制御部1908は、第8実施形態に含まれる入出力比算出部1881に加え、平均化処理部1981を含む。平均化処理部1981以外の構成および動作については、第8実施形態と同様であるためここではその説明を省略する。
本発明の第10実施形態について、図20および図21を用いて説明する。図20は、本実施形態に係る雑音抑圧装置2000の構成を示す図である。本実施形態に係る雑音抑圧装置2000は、第2実施形態の図2の構成に加え、振幅成分遅延部2011、位相成分遅延部2012および逆変換部2013を含む。また、振幅制御部2008の内部構成にも差異がある。本実施形態において、振幅成分遅延部2011、位相成分遅延部2012および振幅制御部2008以外の動作については、第2実施形態と同様であるためここではその説明を省略する。
本発明の第11実施形態について、図22を用いて説明する。図22に示すように、本実施形態に係る雑音抑圧装置2200は、第4実施形態の構成に加え、フレームオーバーラップ制御部2208を含む。フレームオーバーラップ制御部2208は、変換部201および逆変換部204において、フレーム分割、合成されるときのオーバーラップ率の制御を行なう。フレームオーバーラップ制御部2208は、そのオーバーラップ率を振幅制御部708に供給する。既に説明したとおり、位相回転によるレベル低下はオーバーラップによって生じる。このレベル低下量はオーバーラップ率により変化し、オーバーラップ率が大きくなるほど、低下量も大きくなる。よって、オーバーラップ率が変化した場合には、振幅補正量を制御する必要がある。具体的には、オーバーラップ率50%の場合の振幅補正量Gを基準に補正量を求める。
が成立する。オーバーラップ率25%の場合には、Q=L/4より以下の式(70)が成立する。
本発明の第12実施形態としての雑音抑圧装置2300について図23を用いて説明する。図23は、雑音抑圧装置2300の全体構成を示すブロック図である。本実施形態の雑音抑圧装置2300は、振幅分析部205と振幅抑圧部2306を有する。これら以外の構成要素とその動作は、第2実施形態と等しいので詳細な説明を省略する。
本発明の第13実施形態としての雑音抑圧装置2400について図24を用いて説明する。図24は、雑音抑圧装置2400の全体構成を示すブロック図である。本実施形態の雑音抑圧装置2400において、振幅分析部2405は、振幅抑圧部2306で振幅抑圧する前と後の振幅に対して振幅分析を行い、位相制御を適用する周波数を決定する。これら以外の構成要素とその動作は、第3実施形態と等しいので詳細な説明を省略する。
本実施形態によれば、振幅抑圧の程度に応じて位相制御する周波数を決定することができるので、目的信号成分の品質を向上させることができる。
以上説明してきた第1乃至第13実施形態では、それぞれ別々の特徴を持つ雑音抑圧装置について説明したが、それらの特徴を如何様に組み合わせた雑音抑圧装置も、本発明の範疇に含まれる。
Claims (7)
- 第1信号と第2信号とが混在した混在信号を、周波数ごとの位相成分および周波数ごとの振幅成分またはパワー成分に変換する変換手段と、
前記振幅成分またはパワー成分があらかじめ定めた条件に適合する所定周波数を、各周波数単独の振幅成分またはパワー成分に基づいて、または、各周波数とその隣接周波数の振幅成分またはパワー成分に基づいて導き出す振幅分析手段と、
前記位相成分よりも相互相関が弱いデータ系列を用いて、前記位相成分から、前記所定周波数の前記位相成分の変化量を生成する変化量生成手段と、
前記変化量生成手段から提供された変化量を用いて、前記所定周波数の前記位相成分を制御する位相制御手段と、
前記位相制御手段によって制御処理を加えられた位相成分を用いて強調信号を生成する逆変換手段と、
を備えた信号処理装置。 - 前記振幅分析手段は、所定の閾値よりも小さな振幅を有する周波数を前記所定周波数として決定する請求項1に記載の信号処理装置。
- 前記振幅分析手段は、前記振幅成分に含まれるスペクトルのピークとして検出された周波数以外の周波数を前記所定周波数として決定する請求項1に記載の信号処理装置。
- 前記振幅分析手段は、高周波数域の前記振幅成分が所定値よりも大きい場合に、該高周波数域以外の周波数を前記所定周波数として決定する請求項1に記載の信号処理装置。
- 前記振幅分析手段は、背景雑音レベルに基づいて、前記所定周波数を決定する請求項1に記載の信号処理装置。
- 第1信号と第2信号とが混在した混在信号を、周波数ごとの位相成分および周波数ごとの振幅成分またはパワー成分に変換する変換ステップと、
前記振幅成分またはパワー成分があらかじめ定めた条件に適合する所定周波数を各周波数単独または各周波数とその隣接周波数の振幅成分またはパワー成分に基づいて導き出す振幅分析ステップと、
前記位相成分よりも相互相関が弱いデータ系列を用いて、前記位相成分から、前記所定周波数の前記位相成分の変化量を生成する変化量生成ステップと、
前記変化量生成ステップで提供された変化量を用いて、前記所定周波数の前記位相成分を制御する位相制御ステップと、
前記位相制御ステップによって制御処理を加えられた位相成分を用いて強調信号を生成する逆変換ステップと、
を含む信号処理方法。 - 第1信号と第2信号とが混在した混在信号を、周波数ごとの位相成分および周波数ごとの振幅成分またはパワー成分に変換する変換ステップと、
前記振幅成分またはパワー成分があらかじめ定めた条件に適合する所定周波数を各周波数単独または各周波数とその隣接周波数の振幅成分またはパワー成分に基づいて導き出す振幅分析ステップと、
前記位相成分よりも相互相関が弱いデータ系列を用いて、前記位相成分から、前記所定周波数の前記位相成分の変化量を生成する変化量生成ステップと、
前記変化量生成ステップで提供された変化量を用いて、前記所定周波数の前記位相成分を制御する位相制御ステップと、
前記位相制御ステップによって制御処理を加えられた位相成分を用いて強調信号を生成する逆変換ステップと、
をコンピュータに実行させる信号処理プログラム。
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