JP7189555B2 - 音響処理装置、音響処理方法およびプログラム - Google Patents
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Description
距離計測ではレーザ光線や音響を用いる手法がしばしば用いられる。レーザ光線は波長が短く、周囲環境により発生する外乱の影響を受けにくいため、精密な計測を可能とする。しかし、レーザ光線は測定対象物までの伝搬時間が短いため、出射から測定対象物で反射される反射波の到来までのきわめて小さい時間差を検出できる高精度な測定器を要する。また、ガラスなど光を透過する物体、光の反射が少ない黒い物体の検出は困難である。誤作動によるレーザ光線の被曝は危険を招きかねないため、特に人が所在する環境でのレーザ光線の使用は不向きである。
一般に、音響は人が聴取できる周波数帯域の成分を有する可聴音と、可聴音よりも高い周波数帯域の成分を有する超音波に大別される。超音波は、波長が短いために分解能が高く、より低い周波数帯域の成分を有する環境ノイズの影響を受けにくいため、音響を用いた距離計測では広く用いられている。しかし、超音波の出力開始時には人に不快感を与える立ち上がり音が生じがちである。また、超音波は人が聴取できないために、気づかれずに大音量の超音波を受音してしまう(超音波曝露)ことがある。大音量の超音波曝露は頭痛、吐き気などの身体的に不快な症状を引き起こす原因となる。そのため、超音波を用いる手法も、人が所在する環境での使用には適さない。
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、ノイズへの耐性を損なわずに測定対象物までの距離を高精度で推定できる音響処理装置、音響処理方法およびプログラムを提供することを課題とする。
図1は、本実施形態に係る音響処理システムS1の構成を示すブロック図である。
音響処理システムS1は、音響処理装置1と、再生部20と、収音部30と、を備える。
音響処理装置1は、送信音の送信に用いた送信信号と送信音の送信中に受信された受信音を収音して得られた受信信号との位相差を複数の周波数のそれぞれについて算出する。音響処理装置1は、算出した位相差に整数周期分の位相を加えて調整した位相差である調整位相差に対応する距離である距離候補のそれぞれに極大値を有する尤度関数を複数の周波数のそれぞれについて距離候補尤度として算出する。音響処理装置1は、算出した距離候補尤度を複数の周波数間で統合して統合尤度を算出する。音響処理装置1は、受信信号のパワースペクトルの周波数変動成分を距離領域に変換して距離スペクトルを算出する。音響処理装置1は、算出した距離スペクトルの極大値を与える距離であるピーク距離から所定範囲内における統合尤度に基づいて音を反射する物体までの距離を推定距離として定める。
収音部30は、自部に到来する音を受信音として収音し、収音した音の時間波形を示す音響信号を受信信号として生成し、生成した受信信号を音響処理装置1に出力する。収音部30は、例えば、マイクロホンである。
再生部20と収音部30は相互に隣接または所定範囲内に近接して設置される。再生部20と収音部30との距離は、再生部20から送信される送信波の波長よりも十分に短いことが望ましい。
本願では、再生部20が再生する音を送信音または送信信号と呼び、収音部30が収音する音を受信音または受信信号と呼ぶことがある。
入出力部10は、制御部12から入力される各種の出力信号を自装置の外部に出力する。入出力部10は、自装置の外部から入力される各種の入力信号を制御部12に出力する。入出力部10は、例えば、入出力インタフェースである。入出力部10は、アナログ/ディジタル(A/D:Analog-to-Digital)変換器と、ディジタル/アナログ(D/A:Digital-to-Analog)変換器を備えてもよい。送信音および受信音はアナログ信号であるが、制御部12がディジタル信号として扱うことができる。
尤度算出部126は、式(2)に示す関係を用いて調整位相差に対応する距離を距離候補dn(f)として周期nごとに算出する。
尤度算出部126は、算出した距離候補尤度pf(x)を示す尤度情報を尤度統合部128に出力する。
尤度統合部128は、算出した統合尤度q(x)を第2距離推定部140に出力する。
送信信号が既知である場合には、重み係数w(f)を予め尤度統合部128に設定しておき、設定した重み係数w(f)を統合尤度q(x)の算出に用いる。送信信号が未知である場合には、周波数分析部122は、送信信号変換係数を尤度統合部128にも出力する。尤度統合部128は、周波数分析部122から入力される周波数fごとの送信信号変換係数の絶対値について、その周波数f間の総和に対する比を重み係数w(f)として算出すればよい。
パワースペクトルp(f,0)は、図4に示すように周波数領域で与えられ、c/2d周期で変動する(式(12)参照)。
従って、送信信号が既知である場合には、距離差Lを統合尤度q(x)の周期Lwの半分Lw/2と予め定めておけばよい。
第2距離推定部140は、定めた推定距離xaを示す推定距離情報を出力処理部142に出力する。
出力処理部142は、入力された推定距離情報を他の機器(例えば、パーソナルコンピュータ、携帯電話機、などの情報機器)に通信ネットワークを経由して送信してもよい。
これに対して、本実施形態の第2距離推定部140のように距離dsから所定の推定範囲Deにおいて重み付き尤度関数の極大値を与える距離を推定値dpとして定めることで、周波数帯域が十分に広くなくても真値dtrに近似した推定値dpが得られる(図6参照)。
次に、本実施形態の作用効果を検証するための数値シミュレーションについて説明する。シミュレーションでは、既存の手法であるWELL法と推定距離を比較した。但し、再生部20と収音部30の位置を同一とし、再生部20から測定対象物Ob02までの距離を0.95mとした。送信信号として、期間が1sのチャープ信号を用いた。チャープ信号は、最低周波数から最高周波数まで時間経過に応じて周波数が線形に変化する信号である。チャープ信号の最低周波数、最高周波数をそれぞれ750Hz、1250Hzとした。
シミュレーションは、WELL法、本実施形態のそれぞれについて100回行った。
図12は、本実施形態による推定結果を示す図である。本実施形態では、100回中90回は推定距離が0.9-1.0mの範囲となり、残りの10回は1.0-1.05mの範囲にとどまった。本実施形態では、WELL法を用いた場合とは異なり、顕著な外れ値は発生していない。推定距離の分散は31.9cm2となった。これらの推定結果は、本実施形態により測定対象物までの距離の推定精度をWELL法よりも有意に向上できることを示す。
次に、実環境評価について説明する。実環境評価では、現実に再生部20から送信音測定対象物に対して放音させ、測定対象物からの反射音を含む受信音を収音部30に収音させ、受信信号に基づいて測定対象物までの距離を推定させた。比較対象とする既存の手法としてCSP法、WELL法、定在波法を用いた距離推定も行った。
なお、CSP法は、上記のように送信信号と受信信号の相互相関係数C(τ)を算出し、式(14)に示すように相互相関係数C(τ)の最大値を与える時間τ’を再生部20から収音部30までの伝搬時間とする距離を定める手法である。
測定対象物として会議室の一端の内壁Ob02を用い、収音部30として2本のマイクロホンを内壁Ob02に対して平行に同じ高さで配置した。2本のマイクロホンのうち一方のマイクロホン30-1を再生部20とするスピーカの真正面に設置した。他方のマイクロホン30-2を再生部20から0.2m離れた位置に設置した。再生部20ならびにマイクロホン30-1、30-2と測定対象物とする内壁までの距離を0.5mまたは1.0mとした。
実環境評価では、SN比を20dB、10dB、0dB、-10dBの4段階とし、送信信号として用いるチャープ音の周波数帯域を1750-2250Hzとし、距離が1.0mの場合には周波数帯域を1000-3000Hzとした。各手法について、距離とSN比の組ごとに距離推定を10回ずつ繰り返した。なお、内壁までの距離が0.2m以下の領域を不感帯として推定距離の候補から除外し、それ以外の領域を推定距離の候補とした。
これらの測定結果は、本実施形態によれば他の方式よりもノイズへの耐性を損なわずに測定対象物までの距離を高精度で推定できることを示す。
この構成により、測定対象物の候補がピーク距離から所定範囲内に限定されるため、顕著なノイズが含まれるためにノイズ源までの距離の誤検出などの外れ値を除外することができる。また、複数の周波数が送信信号に含まれていれば、ピーク距離から所定範囲内の統合尤度から測定対象物までの距離を推定できるため、送信信号の帯域幅が十分に広くなくても測定対象物までの距離の推定精度を確保することができる。
この構成により、統合尤度から測定対象物までの距離を推定する際に、距離を探索する範囲を、ピーク距離を中心とする前記統合尤度の極大値の半周期の範囲内に限定できる。そのため、その範囲から外れた外れ値の発生をより確実に排除できるとともに、探索に係る処理を軽減することができる。
この構成により、送信信号に含まれていない周波数成分は距離推定で考慮されず、ノイズの影響を受けやすい成分比率の低い周波数成分が距離推定において相対的に軽視される。そのため、送信信号に含まれていない周波数成分を有するノイズの影響を排除するとともに、信号成分が主な周波数成分が重視されるので、測定対象物までの距離の推定精度を向上させることができる。
この構成により、統合尤度を基準として測定対象物までの距離である確度が最も高い距離が推定距離として定められるため、測定対象物までの距離の推定精度を向上させることができる。
この構成により、候補となる複数の距離のうち、距離スペクトルを基準として測定対象物までの距離である確度が高い距離が推定距離として定められるため、測定対象物までの距離の推定精度を向上させることができる。
この構成により、正規分布を特性パラメータである標準偏差によりノイズ等の誤差要因による推定精度の調整を行うことができるとともに、既存の組み込み関数を用いて調整距離尤度を比較的容易に算出することができる。
音源処理部120は、スイープ音やホワイトノイズなどの専用の試験用の信号に限られず、楽音、発話音声、歌唱、物音などを音源とする音声信号を送信信号として取得してもよい。そのため、音源処理部120は、ネットワークに接続し、音源とする音声信号を取得してもよいし、予め記憶媒体に記憶された音声信号を読み出してもよい。
音源処理部120は、送信信号を出力しないとき収音部30から入力される受信信号の周波数ごとのレベルを検出し、検出したレベルが所定のレベルの閾値を超える周波数成分を特定してもよい。音源処理部120は送信信号の出力中であっても、送信信号に含まれない周波数成分のうち、検出したレベルが所定のレベルの閾値を超える周波数成分を特定してもよい。
そして、音源処理部120は、特定した周波数成分以外の周波数成分を含む送信信号を距離推定のために取得してもよい。これにより、周囲ノイズによる影響をさらに低減することができる。
また、上述した実施形態及び変形例における音響処理装置1の一部、または全部を、LSI(Large Scale Integration)等の集積回路として実現してもよい。音響処理装置1の各機能ブロックは個別にプロセッサ化してもよいし、一部、または全部を集積してプロセッサ化してもよい。また、集積回路化の手法はLSIに限らず専用回路、または汎用プロセッサで実現してもよい。また、半導体技術の進歩によりLSIに代替する集積回路化の技術が出現した場合、当該技術による集積回路を用いてもよい。
Claims (8)
- 音の送信に用いた送信信号と前記音の送信中に受信された音を収音して得られた受信信号との位相差を複数の周波数のそれぞれについて算出する位相差算出部と、
前記位相差に整数周期分の位相を加えて調整した位相差である調整位相差に対応する距離である距離候補のそれぞれに極大値を有する尤度関数を距離候補尤度として前記複数の周波数のそれぞれについて算出する尤度算出部と、
前記距離候補尤度を前記複数の周波数間で統合して統合尤度を算出する尤度統合部と、
前記受信信号のパワースペクトルの周波数変動成分を距離領域に変換して距離スペクトルを算出する距離スペクトル算出部と、
前記距離スペクトルの極大値を与える距離であるピーク距離から所定範囲内における前記統合尤度に基づいて前記音を反射する物体までの距離を推定距離として定める距離推定部と、を備える
音響処理装置。 - 前記所定範囲は、前記ピーク距離を中心とする前記統合尤度の半周期である
請求項1に記載の音響処理装置。 - 前記尤度統合部は、前記送信信号の周波数ごとの成分比率に比例する重み係数を用いて前記距離候補尤度を周波数間で重み付き加算して前記統合尤度を算出する
請求項1または請求項2に記載の音響処理装置。 - 前記距離推定部は、前記所定範囲内における前記統合尤度の最大値を与える距離を前記推定距離として定める
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の音響処理装置。 - 前記所定範囲内における前記統合尤度が複数の極大値を有する場合、
前記距離推定部は、前記複数の極大値のそれぞれを与える距離のうち、前記ピーク距離に最も近似する距離を前記推定距離として定める
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の音響処理装置。 - 前記尤度算出部は、
前記距離候補のそれぞれを平均値とする正規分布の総和を前記距離候補尤度として算出する
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の音響処理装置。 - 音響処理装置における音響処理方法であって、
音の送信に用いた送信信号と前記音の送信中に受信された音を収音して得られた受信信号との位相差を複数の周波数のそれぞれについて算出する位相差算出ステップと、
前記位相差に整数周期分の位相を加えて調整した位相差である調整位相差に対応する距離である距離候補のそれぞれに極大値を有する尤度関数を距離候補尤度として前記複数の周波数のそれぞれについて算出する尤度算出ステップと、
前記距離候補尤度を前記複数の周波数間で統合して統合尤度を算出する尤度統合部と、
前記受信信号のパワースペクトルの周波数変動成分を距離領域に変換して距離スペクトルを算出する距離スペクトル算出ステップと、
前記距離スペクトルの極大値を与える距離であるピーク距離から所定範囲内における前記統合尤度に基づいて前記音を反射する物体までの距離を推定距離として定める距離推定ステップと、を有する
音響処理方法。 - 音響処理装置のコンピュータに、
音の送信に用いた送信信号と前記音の送信中に受信された音を収音して得られた受信信号との位相差を複数の周波数のそれぞれについて算出する位相差算出手順と、
前記位相差に整数周期分の位相を加えて調整した位相差である調整位相差に対応する距離である距離候補のそれぞれに極大値を有する尤度関数を距離候補尤度として前記複数の周波数のそれぞれについて算出する尤度算出手順と、
前記距離候補尤度を前記複数の周波数間で統合して統合尤度を算出する尤度統合部と、
前記受信信号のパワースペクトルの周波数変動成分を距離領域に変換して距離スペクトルを算出する距離スペクトル算出手順と、
前記距離スペクトルの極大値を与える距離であるピーク距離から所定範囲内における前記統合尤度に基づいて前記音を反射する物体までの距離を推定距離として定める距離推定手順と、
を実行させるためのプログラム。
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高尾麻衣子 干場功太郎 中臺一博,可聴音を用いた周波数選択に基づく距離推定法の実環境利用に向けた評価,第49回人工知能学会 AIチャレンジ研究会,日本,人工知能学会,2017年11月25日,29-34 |
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