JP6314662B2

JP6314662B2 - 音声信号処理装置およびそのプログラム

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Publication number: JP6314662B2
Application number: JP2014111687A
Authority: JP
Inventors: 伸也日月
Original assignee: Onkyo Corp
Current assignee: Onkyo Corp
Priority date: 2014-05-29
Filing date: 2014-05-29
Publication date: 2018-04-25
Anticipated expiration: 2034-05-29
Also published as: JP2015226285A

Description

本発明は、音声信号のダイナミックレンジを圧縮するコンプレッサーの音声信号処理に関し、特に、入力されるデジタル音声信号をコンピュータのプロセッサで演算して出力する音声信号処理装置およびそのプログラムに関する。

音声信号のダイナミックレンジを圧縮するコンプレッサーの音声信号処理は、様々な音響機器で用いられている。音声信号の最小値と最大値の比率に相当するダイナミックレンジを圧縮するとは、音量レベルの小さい音声信号のレベルを増大させる一方で、音量レベルの大きい音声信号のレベルを抑制させる音声信号処理である。その結果として、小さな音量の音声を聞き取り易くなり、また、大きな音量の音声波形がつぶれて聞き取りにくくなるようなことを防止できるという利点がある。

楽曲等のコンテンツの音声信号にコンプレッサーの音声信号処理を適用すると、マスキングの原因となる他の騒音等が存在する場合にも、コンテンツの音声を聞き取りやすくなる。しかしながら、楽曲によって音声信号のダイナミックレンジは異なるので、ある一つの楽曲でコンプレッサーの効果が得られるように音声信号処理を調整したとしても、他の楽曲では、小さな音量の音声を聞き取りにくい、あるいは、大きな音量の音声波形がつぶれて聞き取りにくくなるようなことが生じる場合があるという問題がある。また、一つの楽曲の間でも、音声信号のダイナミックレンジが大きく変動することがあり、上記と同様の問題を発生する場合がある。

例えば、従来には、音響信号を表す入力デジタル信号をデジタル的に所定時間だけ遅延するデジタル遅延手段と、前記入力デジタル信号を絶対値変換して、同絶対値変換された値が上昇するときカットオフ周波数が高くなりかつ同絶対値変換された値が下降するときカットオフ周波数が低くなるデジタルローパスフィルタ処理により、同入力デジタル信号のレベル値をデジタル的に検出するデジタルレベル検出手段と、前記デジタル遅延手段の出力に接続され同遅延手段からのデジタル信号と前記デジタルレベル検出手段により検出されたレベル値に対応した値とをデジタル演算して出力するデジタル演算手段とで構成したことを特徴とする音響信号コンプレッサー装置がある（特許文献１）。

また、従来には、入力音声信号の所定期間内の平均的な信号強度に応じて利得を設定する第１の利得設定手段と、前記第１の利得設定手段で設定された利得で入力音声信号の信号強度を調節する第１の信号増幅手段と、前記第１の信号増幅手段の出力音声信号の瞬時的信号強度に応じて利得を設定する第２の利得設定手段と、前記第１の利得設定手段で設定された利得と前記第２の利得設定手段で設定された利得とを合成する利得算出手段と、前記利得算出手段で算出された利得で入力音声信号の信号強度を調節する第２の信号増幅手段と、を備えた音響装置がある（特許文献２）。

また、従来には、入力信号のレベルに応じて当該入力信号を増幅する際の利得を制御する自動利得制御装置において、入力信号に含まれる雑音成分を検出する雑音検出部と、入力信号の１６ｍ秒程度の短い時間における時間平均を検出する短時間平均レベル検出部と、雑音検出部で検出される雑音成分の大きさに応じて予め用意された複数の利得関数のうちから何れか一つの利得関数を選択する利得関数選択部と、短時間平均レベル検出部で検出される入力信号の短時間平均値及び利得関数選択部で選択された利得関数から入力信号を増幅する際の利得を算出する利得算出部と、利得算出部で算出された利得の変動分を検出するとともに検出した変動分が所定範囲を超える場合に変動を抑制する方向へ利得を補正する利得変動補正部とを備え、雑音検出部は、入力信号の前記短い時間を１６倍した時間における時間平均を検出する長時間平均レベル検出部からなり、利得関数選択部は、長時間平均レベル検出部で検出される入力信号の長時間平均値に応じて予め用意された複数の利得関数のうちから何れか一つの利得関数を選択してなり、長時間平均レベル検出部は、入力信号に含まれる雑音成分の推定値から長時間平均値を検出することを特徴とする自動利得制御装置がある（特許文献３）。

特許第３１２３０５２号公報特許第４３１２１０３号公報特許第４３２１０４９号公報

本発明は、上記の従来技術が有する問題を解決するためになされたものであり、その目的は、音声信号のダイナミックレンジを圧縮するコンプレッサーの音声信号処理に関し、音声信号のダイナミックレンジの変動に対応して適切なコンプレッサーの動作を実現し、小さな音量の音声を聞き取り易くするとともに、大きな音量の音声波形がつぶれて聞き取りにくくなるようなことを防止できる音声信号処理装置およびそのプログラムを提供することにある。

本発明の音声信号処理装置は、入力音声信号にゲイン係数を乗算して出力音声信号として出力する乗算器と、入力音声信号の第１実効値ＲＭＳ _１を算出する第１実効値算出器と、入力音声信号の第２実効値ＲＭＳ _２を算出する第２実効値算出器と、第１実効値ＲＭＳ _１および第２実効値ＲＭＳ _２が入力されてゲイン係数を演算して乗算器に出力するゲイン係数演算器と、を備え、第２実効値算出器で設定される第２時定数が、第１実効値算出器で設定される第１時定数よりも長い時間に設定されて、ゲイン係数演算器が、所定の初期値MG _default と初期設定値Ratiodefaultと第２実効値ＲＭＳ _２と初期設定値の閾値Thresholdに基づいて、第２実効値ＲＭＳ _２が相対的に大きくなるにつれて相対的に小さい値に更新されるゲイン上昇値ＭＧ _new および圧縮率値Ratio _newにより、乗算器に出力するゲイン係数を相対的に小さくするように演算して第２実効値ＲＭＳ _２に対応するゲイン係数を定める連続したゲイン特性カーブを設定し、ゲイン特性カーブにより第１実効値ＲＭＳ _１に応じてゲイン係数を乗算器に出力する。

好ましくは、本発明の音声信号処理装置は、ゲイン係数演算器が、式（１）により更新されるゲイン上昇値ＭＧ _new および式（２）により更新される圧縮率値Ratio _new により、第２実効値ＲＭＳ _２に対応するゲイン係数を定める連続したゲイン特性カーブを設定する。

また、好ましくは、本発明の音声信号処理装置は、第１実効値算出器が、入力音声信号の音量レベルの低下に対応する第３時定数と、入力音声信号の音量レベルの上昇に対応する第４時定数と、をさらに設定して第１実効値を演算し、第３時定数および第４時定数が、第２実効値算出器で設定される第２時定数よりも短い時間に設定される。

また、好ましくは、本発明の音声信号処理装置は、入力音声信号を遅延させて乗算器に入力する遅延器をさらに備える。

また、本発明のプログラムは、入力音声信号にゲイン係数を乗算して出力音声信号として出力するステップを含む信号処理をコンピュータに実行させるプログラムであって、プログラムは、コンピュータのプロセッサに、入力音声信号の第１実効値ＲＭＳ _１を算出するステップと、入力音声信号の第２実効値ＲＭＳ _２を算出するステップと、第１実効値ＲＭＳ _１および第２実効値ＲＭＳ _２が入力されてゲイン係数を演算して乗算器に出力するステップと、を実行させ、第２実効値ＲＭＳ _２を算出するステップで設定される第２時定数が、第１実効値ＲＭＳ _１を算出するステップで設定される第１時定数よりも長い時間に設定されて、ゲイン係数を演算して乗算器に出力するステップにおいて、所定の初期値MG _default と初期設定値Ratiodefaultと第２実効値ＲＭＳ_２と初期設定値の閾値Thresholdに基づいて、第２実効値ＲＭＳ _２が相対的に大きくなるにつれて相対的に小さい値に更新されるゲイン上昇値ＭＧ _newおよび圧縮率値Ratio _newにより、乗算器に出力するゲイン係数を相対的に小さくするように演算して第２実効値ＲＭＳ _２に対応するゲイン係数を定める連続したゲイン特性カーブを設定し、ゲイン特性カーブにより第１実効値ＲＭＳ _１に応じてゲイン係数を乗算器に出力するステップを含む。
また、本発明のプログラムは、前記ゲイン係数を演算して該乗算器に出力するステップにおいて、式（１）により更新される前記ゲイン上昇値ＭＧ _new および式（２）により更新される前記圧縮率値Ratio _new により、前記第２実効値ＲＭＳ _２に対応する前記ゲイン係数を定める連続した前記ゲイン特性カーブを設定するステップを含む。

以下、本発明の作用について説明する。

本発明の音声信号処理装置は、入力音声信号にゲイン係数を乗算して出力音声信号として出力する乗算器と、入力音声信号の第１実効値を算出する第１実効値算出器と、入力音声信号の第２実効値を算出する第２実効値算出器と、第１実効値および第２実効値が入力されてゲイン係数を演算して乗算器に出力するゲイン係数演算器と、を備える。また、本発明のプログラムは、入力音声信号にゲイン係数を乗算して出力音声信号として出力するステップを含む信号処理をコンピュータに実行させるプログラムであり、コンピュータのプロセッサに、入力音声信号の第１実効値を算出するステップと、入力音声信号の第２実効値を算出するステップと、第１実効値および第２実効値が入力されてゲイン係数を演算して乗算器に出力するステップと、を実行させる。

ここで、第２実効値算出器で設定される第２時定数は、第１実効値算出器で設定される第１時定数よりも長い時間に設定される。したがって、入力音声信号の第１実効値は、入力音声信号の短時間の瞬時的な信号レベルに相当する実効値として算出される。一方で、入力音声信号の第２実効値は、入力音声信号の長時間の平均的な信号レベルに相当する実効値として算出される。そこで、ゲイン係数演算器は、所定の初期値と第２実効値とに基づいて更新されるゲイン上昇値および圧縮率値により、第２実効値に対応するゲイン係数を定める連続したゲイン特性カーブを設定する。そして、ゲイン係数演算器は、このゲイン特性カーブにより第１実効値に応じてゲイン係数を乗算器に出力する。

つまり、本発明の音声信号処理装置では、平均的な第２実効値に基づいて更新されるゲイン上昇値および圧縮率値により、第２実効値に対応するゲイン係数を定める連続したゲイン特性カーブを設定し、このゲイン特性カーブにより第１実効値に応じてゲイン係数を乗算器に出力するので、第１実効値ならびに第２実効値がともに大きく変動するようなダイナミックレンジの変化が大きい楽曲であっても、入力音声信号に乗算するゲイン係数が滑らかに連続的に変化し、断続的に大きく変化することがない。その結果、従来技術に比べて、入力音声信号のダイナミックレンジの変動に対応して適切なコンプレッサーの動作を実現することができる。入力音声信号に含まれる小さな音量の音声を聞き取り易くするとともに、大きな音量の音声波形がつぶれて聞き取りにくくなるようなことを防止できる。

音声信号処理装置では、第２実効値算出器が算出する入力音声信号の第２実効値が相対的に大きくなるにつれて、ゲイン係数演算器が、ゲイン上昇値および圧縮率値を相対的に小さい値に更新し、乗算器に出力するゲイン係数を相対的に小さくするように演算するように構成するのが好ましい。入力音声信号の第２実効値が相対的に大きくなる場合には、音声信号の平均的な音量レベルが大きく、大きな音量の音声波形がつぶれて聞き取りにくくなる可能性があるので、ゲイン上昇値および圧縮率値を相対的に小さい値に更新し、乗算器で乗算するゲイン係数を実質的に１に近づけて、音声信号を圧縮しない様にするのが好ましいからである。なお、ゲイン係数演算器が出力するゲイン係数は、乗算器において行う乗算処理に適した係数に変換したものであればよく、必ずしも入力音声信号に乗算する係数そのものでなくてもよい。

また、音声信号処理装置では、第１実効値算出器が、入力音声信号の短時間の瞬時的な信号レベルに相当する第１実効値を算出するのに、入力音声信号の音量レベルの上昇に対応する第３時定数と、入力音声信号の音量レベルの低下に対応する第４時定数と、をさらに設定して第１実効値を演算するようにしてもよい。これらの第３時定数および第４時定数は、第２実効値算出器で設定される第２時定数よりも短い時間に設定される。つまり、第１実効値算出器が、急激な音声レベルの変動を招く音声の立ち上がりに対応する第３時定数と、あるいは、立ち下がりに対応する第４時定数と、をさらに設定することで、入力音声信号の第１実効値をより適切に算出することができるので、小さな音量の音声を聞き取り易くなり、さらにダイナミックに変動する音声信号であっても、適切なコンプレッサーの動作を実現することができる。

なお、音声信号処理装置は、入力音声信号を遅延させて乗算器に入力する遅延器をさらに備えるようにしてもよい。ゲイン係数演算器においてゲイン係数を演算するのに要する時間に相当する遅延時間を遅延器に設定すれば、コンプレッサーの動作がより適切になり、様々なコンテンツの音声信号にも対応できるようになる。

本発明の音声信号処理装置およびそのプログラムは、音声信号のダイナミックレンジの変動に対応して適切なコンプレッサーの動作を実現し、小さな音量の音声を聞き取り易くするとともに、大きな音量の音声波形がつぶれて聞き取りにくくなるようなことを防止できる。

本発明の好ましい実施形態による音声信号処理装置１について説明する図である。（実施例１）音声信号処理装置１のゲイン係数演算器１０の動作を説明するグラフである。（実施例１）音声信号処理装置１のコンプレッサーとしての動作を定めるゲイン特性カーブを説明するグラフである。（実施例１）

以下、本発明の好ましい実施形態による音声信号処理装置およびそのプログラムについて説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。

図１は、本発明の好ましい実施形態による音声信号処理装置１について説明する図である。具体的には、音声信号処理装置１は、入力端子２に入力されるデジタル音声信号を、ダイナミックレンジを圧縮・伸張して出力端子３から出力するコンプレッサーであり、図１は、それぞれの内部構成を示すブロック図である。なお、説明に不要な一部の構成や、内部構造等は、図示ならびに説明を省略する。

音声信号処理装置１の入力端子２に入力されるデジタル音声信号は、後述する遅延器１１を経て乗算器４にてゲイン係数が乗算されて、出力端子３からデジタル音声信号として出力される。音声信号処理装置１は、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）で構成され得る。その場合には、ＤＳＰを制御する制御回路としての（図示しない）マイクロコンピュータ（マイコン）が接続され、マイコンがＤＳＰにプログラムをロードさせて実行させるように制御する。

本実施例の音声信号処理装置１に入力されるデジタル音声信号は、同期したステレオ音声信号ＬおよびＲのデータの組であるＰＣＭ信号である。ただし、入力されるデジタル音声信号は、１チャンネルのモノラル信号であっても、３チャンネル以上のマルチチャンネル信号であってもよい。入力端子２に入力されたデジタル音声信号は、分岐されて音声信号特定器５に入力される。本実施例の音声信号特定器５は、ステレオ音声信号ＬおよびＲの和信号を生成して、音声信号処理装置１をコンプレッサーとして動作させる対象の音声信号を特定する。これは、ステレオ音声信号ＬおよびＲには同相の成分が多く含まれるので、それらの和信号が、一般的には音声信号Ｌおよび音声信号Ｒの音声信号レベルの変動を反映するものになるからである。したがって、図１は、ステレオ音声信号ＬおよびＲを一つのシグナルフローとしてまとめて図示している。

なお、音声信号特定器５は、対象とする入力音声信号の信号レベルを特定するものであれば他の手段であってもよく、入力されるデジタル音声信号がモノラル信号であれば、不要である。音声信号特定器５は、例えば、ステレオ音声信号ＬおよびＲのいずれか一方、または、その両方を特定するものであってもよく、デジタル音声信号がマルチチャンネル信号であれば、それらの和信号またはいずれか一つを特定して出力するものであればよい。

音声信号特定器５から出力されたデジタル音声信号は、分岐されて第１実効値算出器６および第２実効値算出器７に入力される。第１実効値算出器６および第２実効値算出器７は、例えば、それぞれ異なる時定数により規定される低域通過フィルタとして構成することができる。第１実効値算出器６は、予め設定される第１時定数に基づいて、入力音声信号の第１実効値ＲＭＳ_１を算出する。第２実効値算出器７は、予め設定される第２時定数に基づいて、入力音声信号の第２実効値ＲＭＳ_２を算出する。

第２実効値算出器７における第２時定数（例えば、１ｓｅｃ。）は、第１実効値算出器６で設定される第１時定数（例えば、２５０ｍｓｅｃ。）よりも長い時間に設定される。したがって、入力音声信号の第１実効値ＲＭＳ_１は、入力音声信号の短時間の瞬時的な信号レベルに相当する実効値として算出される。一方で、入力音声信号の第２実効値ＲＭＳ₂は、入力音声信号の長時間の平均的な信号レベルに相当する実効値として算出される。

第１実効値算出器６は、算出した入力音声信号の第１実効値ＲＭＳ_１を、ゲイン係数演算器１０のゲイン算出部８に出力する。また、第２実効値算出器７は、算出した入力音声信号の第２実効値ＲＭＳ₂を、ゲイン係数演算器１０のパラメータ算出部９に出力する。ゲイン係数演算器１０は、パラメータ算出部９が算出したコンプレッサーのパラメータをゲイン算出部８に入力し、ゲイン算出部８が算出したゲイン係数を乗算器４に出力する。

遅延器１１は、入力音声信号を遅延させて乗算器４に入力する。遅延器１１における遅延時間は、ゲイン係数演算器１０においてゲイン係数を演算するのに要する時間に相当する遅延時間を設定すればよい。なお、ゲイン係数を演算するのに要する時間が比較的に短い場合、あるいは、省略しても不具合がない場合には、遅延器１１は省略してもよい。

図２は、音声信号処理装置１のゲイン係数演算器１０の動作を説明するグラフである。図２の横軸は、入力音声信号の第２実効値ＲＭＳ₂であり、図２の縦軸はこれに対応するゲイン上昇値ＭＧである。また、図３は、音声信号処理装置１のコンプレッサーとしての動作を定めるゲイン特性カーブを説明するグラフである。図３の横軸は、入力音声信号の第１実効値ＲＭＳ₁であり、図３の縦軸はこれに対応する乗算器４における出力値に相当する値である。以下では、図２および図３を用いて、ゲイン係数演算器１０の動作を中心に説明する。

ゲイン係数演算器１０のパラメータ算出部９は、所定の初期値と入力音声信号の第２実効値ＲＭＳ₂とに基づいて、ゲイン上昇値ＭＧ（Makeup Gain）および圧縮率値Ratioを演算する。ゲイン上昇値ＭＧならびに圧縮率値Ratioは、コンプレッサーの動作を定めるゲイン特性カーブを規定するパラメータである。

例えば、図３のグラフにおけるゲイン特性カーブＡは、入力音声信号の第１実効値ＲＭＳ_１に対して乗算器４における出力ゲイン値がほぼ比例する関係を示している。つまり、ゲイン特性カーブＡは、ほぼ直線であり、コンプレッサーの動作を実質的に行わない場合に相当し、乗算器４は、入力音声信号に乗算するゲイン係数を実質的に１に近づけて、音声信号を圧縮しない様にする。

一方で、図３のグラフにおけるゲイン特性カーブＢまたはＣは、コンプレッサーの動作をそれぞれ行う場合であって、入力音声信号の第１実効値ＲＭＳ_１に対して乗算器４における出力ゲイン値が比例しない関係を示している。ゲイン特性カーブＢまたはＣでは、第１実効値ＲＭＳ_１が小さい場合には、ゲイン特性カーブＡに比べて相対的に大きな出力信号が得られ、第１実効値ＲＭＳ_１が大きい場合には、音声信号がクリップしないように乗算器４における出力ゲイン値を抑えるようにゲイン特性カーブが定められている。

つまり、ゲイン特性カーブは、基準となるほぼ直線のゲイン特性カーブＡから上側へ離隔して、折れ曲がりが大きくなるほど、コンプレッサーの動作として音声信号の伸張・圧縮が強くなることを意味する。図３の場合には、ゲイン特性カーブＢよりもゲイン特性カーブＣの方が、出力音声信号の変化は大きくなっている。

ゲイン上昇値ＭＧは、図３のグラフにおけるゲイン特性カーブＡを基準にしたときのゲイン特性カーブＣの場合に、例えば、図示する矢印Ｘ１に相当するゲイン上昇の値に相当する。ゲイン係数演算器１０のパラメータ算出部９は、ゲイン上昇値ＭＧを、以下の式（１）により計算する。ここで、MG_newは、ゲイン上昇値ＭＧの更新値であり、MG_defaultは、ゲイン上昇値ＭＧの初期設定値である。

つまり、ゲイン上昇値ＭＧは、入力音声信号の第２実効値ＲＭＳ₂に基づいて更新され、初期設定値MG_defaultを２０ｄＢに設定した場合には、第２実効値ＲＭＳ₂に対して図２に示すようなグラフになる。ゲイン上昇値ＭＧは、入力音声信号が相対的に小さいことを示す第２実効値ＲＭＳ₂のレベル（−４５ｄＢ以下）の場合には、ほぼ２０ｄＢに保たれる一方で、入力音声信号が相対的に大きくなってくると、第２実効値ＲＭＳ₂のレベルが最大になる場合（第２実効値ＲＭＳ₂がレベル０ｄＢ）に０ｄＢになるように順次下がっていくことになる。

また、圧縮率値Ratioは、音声信号の圧縮率に相当するパラメータである。圧縮率値Ratioが大きくなると、例えば、図３のグラフにおけるゲイン特性カーブＢの場合に、所定以上の大きな音声信号レベルに対応して、音声信号を圧縮する図示する直線部分Ｙ１の傾きが小さくなる。ゲイン特性カーブＢの場合の直線部分Ｙ１の傾きは、コンプレッサーの動作を実質的に行わないゲイン特性カーブＡの場合の傾きよりも、小さく緩やかになっており、圧縮率値Ratioが大きくなっている場合である。また、ゲイン特性カーブＣの場合の直線部分Ｙ２の傾きは、ゲイン特性カーブＢの場合の直線部分Ｙ１の傾きよりもさらに小さく緩やかになっており、圧縮率値Ratioがさらに大きくなっている場合である。

ゲイン係数演算器１０のパラメータ算出部９は、圧縮率値Ratioを、以下の式（２）により計算する。ここで、Rationewは、圧縮率値Ratioの更新値であり、Ratiodefaultは、圧縮率値Ratioの初期設定値であり、Thresholdは、初期設定値の閾値である。

その結果、ゲイン係数演算器１０は、例えば、図３のグラフに例示するゲイン特性カーブＡ、Ｂ、Ｃのように、入力音声信号の平均的な音声信号レベルに相当する第２実効値ＲＭＳ₂に適した異なるゲイン特性カーブを設定することができる。ゲイン特性カーブＡは、入力音声信号の平均的な音声信号レベルである第２実効値ＲＭＳ₂が大きい場合に適し、一方、ゲイン特性カーブＣは、入力音声信号の平均的な音声信号レベルである第２実効値ＲＭＳ₂が小さい場合に適する。

パラメータ算出部９は、式（１）および式（２）によりゲイン上昇値ＭＧならびに圧縮率値Ratioを算出し、ゲイン係数演算器１０のゲイン算出部８に出力する。ゲイン算出部８は、式（１）および式（２）により定まったゲイン特性カーブに基づいて、第１実効値ＲＭＳ_１に対応するゲイン係数を算出することができる。

この音声信号処理装置１では、第２実効値算出器７が算出する入力音声信号の第２実効値ＲＭＳ₂が相対的に大きくなるにつれて、ゲイン係数演算器１０のゲイン算出部８は、式（１）および式（２）によりゲイン上昇値ＭＧならびに圧縮率値Ratioを相対的に小さい値に更新することになる。したがって、入力音声信号の第２実効値ＲＭＳ₂が相対的に大きくなると、この音声信号処理装置１は、例えばゲイン特性カーブＢ、Ｃのように大きく圧縮・伸張を行うようにする場合から、ゲイン特性カーブＡのように乗算器で乗算するゲイン係数を実質的に１に近づけて、音声信号を圧縮・伸張しない様に信号処理することになる。

一方で、第２実効値算出器７が算出する入力音声信号の第２実効値ＲＭＳ₂が相対的に小さくなるにつれて、ゲイン係数演算器１０のパラメータ算出部９は、式（１）および式（２）によりゲイン上昇値ＭＧならびに圧縮率値Ratioを相対的に大きい値に更新することになる。したがって、入力音声信号の第２実効値ＲＭＳ₂が相対的に小さくなるとこの音声信号処理装置１は、例えばゲイン特性カーブＡのように乗算器で乗算するゲイン係数が実質的に１に近い場合から、ゲイン特性カーブＢ、Ｃのように大きく圧縮・伸張を行うように様に信号処理することになる。

ゲイン算出部８は、第１実効値ＲＭＳ_１に応じて乗算器４に出力するゲイン係数を、音声信号を圧縮・伸張しない図３のグラフにおけるゲイン特性カーブＡを基準にして、増加させる出力ゲイン値（例えば、Ｘ１またはＸ２）として、ゲイン特性カーブから導くことが出来る。ゲイン算出部８は、増加させる出力ゲイン値がＸであれば、入力音声信号に対して実質的に増加するゲイン値がＸになるような乗算処理に適した係数を、乗算器４に出力する。例えば、ゲイン算出部８は、増加させる出力ゲイン値Ｘが約６ｄＢであれば、乗算器４が、乗算器４に入力される音声信号を約２倍して出力するようなゲイン係数を、乗算器４に出力すればよい。

つまり、ゲイン係数演算器１０は、音声信号の平均的な第２実効値ＲＭＳ₂に基づいて更新されるゲイン上昇値ＭＧならびに圧縮率値Ratioにより、瞬時的な第１実効値ＲＭＳ₁に対応するゲイン係数を定める連続したゲイン特性カーブを設定し、このゲイン特性カーブにより第１実効値ＲＭＳ₁に応じてゲイン係数を乗算器４に出力する。したがって、第１実効値ＲＭＳ₁ならびに第２実効値ＲＭＳ_２がともに大きく変動するようなダイナミックレンジの変化が大きい楽曲であっても、入力音声信号に乗算するゲイン係数が滑らかに連続的に変化し、断続的に大きく変化することがなくなるという利点がある。入力音声信号に乗算するゲイン係数が断続的に大きく変化すれば、出力される音声信号の歪が著しく大きくなるからである。

その結果、従来技術に比べて、入力音声信号のダイナミックレンジの変動に対応して適切なコンプレッサーの動作を実現することができる。楽曲等のコンテンツの音声信号にコンプレッサーの音声信号処理を適用すると、マスキングの原因となる他の騒音等が存在する場合にも、コンテンツの音声が聞き取りやすくなるとともに、大きな音量の音声波形がつぶれて聞き取りにくくなるようなことを防止できる。

なお、急激に変動する音声信号に対応するには、音声信号処理装置１の第１実効値算出器６が第１実効値ＲＭＳ₁を算出するのに、さらに工夫を要するのが好ましい。つまり、第１実効値算出器６において、入力音声信号の短時間の瞬時的な信号レベルに相当する入力音声信号の音量レベルの上昇に対応する第３時定数と、入力音声信号の音量レベルの低下に対応する第４時定数と、をさらに設定して第１実効値ＲＭＳ₁を演算するようにしてもよい。音声信号は、振幅値がゼロから鋭く立ち上がるのに比べて、振幅値がゼロに収束するのに長い時間を要するという特性があるからである。

これらの第３時定数および第４時定数は、第２実効値算出器７で設定される第２時定数よりも短い時間に設定される。例えば、急激な音声レベルの変動を招く音声の立ち上がりに対応する第３時定数を１６ｍｓｅｃと設定し、あるいは、音声の立ち下がりに対応する第４時定数を２３０ｍｓｅｃと設定することができる。第１実効値算出器６は、入力音声信号の第１実効値ＲＭＳ₁をより適切に算出することができるので、さらにダイナミックに変動する音声信号であっても、音声信号処理装置１は適切なコンプレッサーの動作を実現することができる。

また、上記実施例では、音声信号処理装置１をデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）で構成しているが、もちろん、コンプレッサーの動作を実現す音声信号処理装置１は、音声信号を取り扱う演算能力を有する他の（図示しない）プロセッサのみで構成してもよい。その場合にも、コンピュータのプロセッサには、以下に説明するプログラムがロードされて実行される。したがって、以下では、上述の図１〜図３の図示における図番、ならびに、式（１）および（２）を共通に用いて説明し、コンプレッサーのプログラムのフローチャートは省略する。

このコンプレッサーのプログラムは、プロセッサに、入力音声信号の第１実効値ＲＭＳ₁を算出するステップＳ１と、入力音声信号の第２実効値ＲＭＳ₂を算出するステップＳ２と、第１実効値ＲＭＳ₁および第２実効値ＲＭＳ₂が入力されてゲイン係数を演算して乗算器４に出力するステップＳ３と、を実行させる。第２実効値ＲＭＳ₂を算出するステップＳ２では、上述したように、設定される第２時定数が、第１実効値ＲＭＳ₁を算出するステップＳ１で設定される第１時定数よりも長い時間に設定される。

また、ゲイン係数を演算して乗算器４に出力するステップＳ３において、所定の初期値と第２実効値ＲＭＳ₂とに基づいて更新されるゲイン上昇値ＭＧならびに圧縮率値Ratioにより、第１実効値ＲＭＳ₁に対応するゲイン係数を定める連続したゲイン特性カーブを設定し、ゲイン特性カーブにより第１実効値ＲＭＳ₁に応じてゲイン係数を乗算器４に出力するステップＳ４をさらに含む。最後に、プログラムは、プロセッサに、入力音声信号にゲイン係数を乗算して出力音声信号として出力するステップＳ５を実行させる。

もちろん、プロセッサは、上記ステップＳ３およびＳ４において、上記の式（１）および（２）に基づいて演算するので、第２実効値ＲＭＳ₂が相対的に大きくなるにつれて、ゲイン上昇値ＭＧならびに圧縮率値Ratioを相対的に小さい値に更新し、乗算器４に出力するゲイン係数を相対的に小さくするように演算する。したがって、入力音声信号の第２実効値ＲＭＳ₂が相対的に大きくなる場合であって、音声信号の平均的な音量レベルが大きく、大きな音量の音声波形がつぶれて聞き取りにくくなる可能性がある場合にも、ゲイン上昇値ＭＧならびに圧縮率値Ratioを相対的に小さい値に更新し、乗算器４で乗算するゲイン係数を実質的に１に近づけて、音声信号を伸張しない様にすることができる。

もちろん、プロセッサは、上記ステップＳ１において、上述の実施例と同様に、入力音声信号の短時間の瞬時的な信号レベルに相当する第１実効値ＲＭＳ₁を算出するのに、入力音声信号の音量レベルの上昇に対応する第３時定数と、入力音声信号の音量レベルの低下に対応する第４時定数と、をさらに設定して第１実効値を演算するようにしてもよい。入力音声信号の第１実効値ＲＭＳ₁をより適切に算出することができるので、小さな音量の音声を聞き取り易くなり、さらにダイナミックに変動する音声信号であっても、適切なコンプレッサーの動作を実現することができる。

なお、このコンプレッサーのプログラムは、コンピュータのプロセッサに限らず、デジタル音声信号を取り扱うことが出来るプロセッサを搭載する電子機器で実行可能である。例えば、携帯電話、スマートフォン、等の音声信号専用のプロセッサを備えていないものであっても、ＣＰＵにおいてデジタル音声信号の演算能力をそなえていればよい。

本発明の音声信号処理装置およびそのプログラムは、ステレオ音声信号を再生するステレオ装置のみならず、マルチチャンネルサラウンド音声再生装置を含む音響再生システム、あるいは、持ち運びが可能なポータブル機器、スマートフォンなどの電子機器にも適用が可能である。

１音声信号処理装置
２入力端子
３出力端子
４乗算器
５音声信号特定器
６第１実効値算出器
７第２実効値算出器
８ゲイン算出部
９パラメータ算出部
１０ゲイン係数演算器
１１遅延器

Claims

入力音声信号にゲイン係数を乗算して出力音声信号として出力する乗算器と、該入力音声信号の第１実効値ＲＭＳ _１を算出する第１実効値算出器と、該入力音声信号の第２実効値ＲＭＳ _２を算出する第２実効値算出器と、該第１実効値ＲＭＳ _１および該第２実効値ＲＭＳ _２が入力されて該ゲイン係数を演算して該乗算器に出力するゲイン係数演算器と、を備え、
該第２実効値算出器で設定される第２時定数が、該第１実効値算出器で設定される第１時定数よりも長い時間に設定されて、
該ゲイン係数演算器が、所定の初期値MG _default と初期設定値Ratiodefaultと該第２実効値ＲＭＳ _２と初期設定値の閾値Thresholdに基づいて、該第２実効値ＲＭＳ _２が相対的に大きくなるにつれて相対的に小さい値に更新されるゲイン上昇値ＭＧ _new および圧縮率値Ratio _newにより、該乗算器に出力する該ゲイン係数を相対的に小さくするように演算して該第２実効値ＲＭＳ _２に対応する該ゲイン係数を定める連続したゲイン特性カーブを設定し、該ゲイン特性カーブにより該第１実効値ＲＭＳ _１に応じて該ゲイン係数を該乗算器に出力する、
音声信号処理装置。
前記ゲイン係数演算器が、式（１）により更新される前記ゲイン上昇値ＭＧ _new および式（２）により更新される前記圧縮率値Ratio _new により、前記第２実効値ＲＭＳ _２に対応する前記ゲイン係数を定める連続した前記ゲイン特性カーブを設定する、
請求項１に記載の音声信号処理装置。
前記第１実効値算出器が、前記入力音声信号の音量レベルの上昇に対応する第３時定数と、該入力音声信号の該音量レベルの低下に対応する第４時定数と、をさらに設定して前記第１実効値ＲＭＳ _１を演算し、該第３時定数および該第４時定数が、前記第２実効値算出器で設定される前記第２時定数よりも短い時間に設定される、
請求項１または２に記載の音声信号処理装置。
前記入力音声信号を遅延させて前記乗算器に入力する遅延器をさらに備える、
請求項１から３のいずれかに記載の音声信号処理装置。
入力音声信号にゲイン係数を乗算して出力音声信号として出力するステップを含む信号処理をコンピュータに実行させるプログラムであって、
該プログラムは、該コンピュータのプロセッサに、
該入力音声信号の第１実効値ＲＭＳ _１を算出するステップと、該入力音声信号の第２実効値ＲＭＳ _２を算出するステップと、該第１実効値ＲＭＳ _１および該第２実効値ＲＭＳ _２が入力されて該ゲイン係数を演算して乗算器に出力するステップと、を実行させ、
該第２実効値ＲＭＳ _２を算出するステップで設定される第２時定数が、該第１実効値ＲＭＳ _１を算出するステップで設定される第１時定数よりも長い時間に設定されて、
該ゲイン係数を演算して該乗算器に出力するステップにおいて、所定の初期値MG _default と初期設定値Ratiodefaultと該第２実効値ＲＭＳ_２と初期設定値の閾値Thresholdに基づいて、該第２実効値ＲＭＳ _２が相対的に大きくなるにつれて相対的に小さい値に更新されるゲイン上昇値ＭＧ _newおよび圧縮率値Ratio _newにより、該乗算器に出力する該ゲイン係数を相対的に小さくするように演算して該第２実効値ＲＭＳ _２に対応する該ゲイン係数を定める連続したゲイン特性カーブを設定し、該ゲイン特性カーブにより該第１実効値ＲＭＳ _１に応じて該ゲイン係数を該乗算器に出力するステップを含む、
プログラム。
前記ゲイン係数を演算して該乗算器に出力するステップにおいて、式（１）により更新される前記ゲイン上昇値ＭＧ _new および式（２）により更新される前記圧縮率値Ratio _new により、前記第２実効値ＲＭＳ _２に対応する前記ゲイン係数を定める連続した前記ゲイン特性カーブを設定するステップを含む、
請求項５に記載のプログラム。