(57)【要約】      （修正有）【課題】音響信号処理において、帯域を分離する境界の周波数を決定し、特定の周波数帯域の処理を軽減した装置を提供する。【解決手段】聴覚の音源方向知覚特性が、特定の周波数帯域に関して信号の劣化に対して頑健であることに基づき、信号解析処理および信号生成処理の音源方向知覚に影響しない帯域の処理を軽減あるいは省略する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）複数の音源から発生される音響信号を，左右両受音部から入力し、
（２）入力した左右両入力信号を周波数帯域ごとに分割し、
（３）周波数帯域ごとの情報から音源方向を推定する手段、
において特定の周波数帯域の信号は音源方向の知覚には影響を与えないという実験事実に基づき、分割した周波数帯域のうち音源方向知覚に影響を与えない周波数帯域の信号処理を軽減する手段。
【請求項２】
（１）複数の音源から発生される音響信号を，左右両受音部から入力する手段、
（２）入力した左右両入力信号を周波数帯域ごとに分割する手段、
（３）周波数帯域ごとの情報から音源方向を推定する手段、
とからなる音源方向を推定するシステムにおいて、
特定の周波数帯域の信号は音源方向の知覚には影響を与えないという実験事実に基づき、分割した周波数帯域のうち音源方向知覚に影響を与えない周波数帯域の信号処理を軽減するシステム。
【請求項３】
（１）複数の音源から発生される音響信号を，左右両受音部から入力し、
（２）入力した左右両入力信号を周波数帯域ごとに分割し、
（３）周波数帯域ごとの情報から音源方向を推定し、
（４）上記より推定された音源方向情報をもとに特定音源方向の音響信号を抽出することにより音源を分離する手段、
において、特定の周波数帯域の信号は音源方向の知覚には影響を与えないという実験事実に基づき、分割した周波数帯域のうち音源方向知覚に影響を与えない周波数帯域の信号処理を軽減する手段。
【請求項４】
（１）複数の音源から発生される音響信号を，左右両受音部から入力する手段、
（２）入力した左右両入力信号を周波数帯域ごとに分割する手段、
（３）周波数帯域ごとの情報から音源方向を推定する手段、
（４）上記より推定された音源方向情報をもとに特定音源方向の音響信号を抽出することにより音源を分離する手段、
とからなる音源を分離するシステムにおいて、
特定の周波数帯域の信号は音源方向の知覚には影響を与えないという実験事実に基づき、分割した周波数帯域のうち音源方向知覚に影響を与えない周波数帯域の信号処理を軽減するシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、両耳に音響信号を提示するシステムにおいて、信号解析または信号生成処理において周波数処理帯域を制限することで処理を削減するものでありながら、方向知覚が可能な信号の生成を可能とする低遅延信号処理装置に関するものである。          
【背景技術】
【０００２】
両耳に入射する音信号には、物理的には音源からの直接音に加え、室等の音の伝搬空間におけるさまざまな反射音が含まれている。反射音が存在しない無響空間においても、聴取者自身の頭部や耳介・胴体における反射音が存在する。それらの直接音および反射音の周波数特性が音源方向に依存するため、わずかな相違を聴覚が聞き分けることで方向知覚の手がかりとして利用できると言われている。
【０００３】
さらに、両耳間の信号差も方向知覚の手がかりとして重要である。音源から両耳までの経路差に起因する、入射音の両耳間時間差、両耳間位相差、両耳間レベル差が代表的な手がかりとして知られている。
【０００４】
一般にヘッドホンなどを用いて両耳に音信号を提示すると、上記方向知覚の手がかりが得られず、音が頭部の内側から聞こえるように感じる頭内定位が生じる。そこで、信号処理によって手がかりを模擬することで、仮想的な音源を実現する方法が知られている。
【０００５】
周囲の雑音を抑制し特定の方向の音を強調して提示するようなシステムを、両耳音信号提示装置によって実現するには、上記頭内定位が生じることを避けるために、音の方向知覚を損なわないような方法で音の到来方向を検出し方向知覚可能な信号を適切に生成する処理が必要である。
【０００６】
複数のマイクロホンを用いて特定方向の音源を推定し、分離あるいは強調する装置やシステムが各種開示されている。
【０００７】
特許文献１には、複数のマイクロホンで受信した音信号の相互相関係数を重みとして目的音の成分を強調する装置が開示されている。
【０００８】
特許文献２には、複数のマイクロホンを用いて複数方向に集音ビームを形成することで音源方向を推定した後、該方向エリアを小エリアに分割してさらに集音ビームを形成することで指向性を高めた集音装置が開示されている。
【０００９】
特許文献３には、両擬似耳で受信した音信号に内耳モデル等の時間周波数分析を適用する音源方向検出装置及び音源方向検出方法が開示されている。
【００１０】
特許文献４には，入力音信号をディジタルフィルタによって周波数帯域に分割した上で音信号到来方向の推定及び強調し両耳に提示する装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−２８９７６２
【特許文献２】特開２００７−１３４００
【特許文献３】特開２００７−８５７３４
【特許文献４】特開２００４−３２５２８４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献１、２は出力チャネルが１つであり、方向知覚の手がかりが失われている。特許文献３は、音信号生成装置を備えておらず、人間の知覚処理を模擬した機械による音源方向検出に関する発明である。
【００１３】
特許文献４における周波数帯域ごとに分割する手段は、低周波数帯域のきめ細かい制御を行う場合、必要とされるフィルタ係数長が周波数帯域によって異なるという問題がある。特に、低域において所望の性能を有するフィルタを実現するためには数千〜数万次数の長さが必要であり、数十〜数百ミリ秒の処理遅延が生じる。この遅延は十分知覚されるものであり、実時間動作するようなシステムを実現するためには解決すべき課題である。
【００１４】
本発明は、上記課題を解決するために、特定の周波数帯域の周波数特性が音源の方向知覚に影響しないという実験的発見に基づき、入力信号の解析及び生成処理において削減可能な処理帯域の指標を与え、方向知覚に影響しない音信号を生成し両耳に提示する低遅延信号処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、複数のマイクロホンで受信した音信号から音源方向を推定し、強調処理などの信号処理を施した上で両耳に提示する装置であるが、方向知覚の手がかりに影響しないように処理を各耳に対応させる形で行うことが望ましいと考え、マイクロホンは２つとする。
【００１６】
本発明は、入力音信号を周波数分析によって帯域分割し到来方向を特定する、方向検出のための信号解析器、および音声強調などの音響信号処理を行う信号生成器を備えており、帯域ごとに異なる精度のフィルタを適用することで、処理の軽減および遅延の減少を提供する。
【００１７】
２チャネルの入力信号から音源方向を推定するために、方向知覚の手がかりである両耳間レベル差（ｉｎｔｅｒａｕｒａｌ  ｌｅｖｅｌ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ：ＩＬＤ）および両耳間位相差（ｉｎｔｅｒａｕｒａｌ  ｐｈａｓｅ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ：ＩＰＤ）を算出する。ＩＬＤおよびＩＰＤは、周波数依存性があるためバンドパスフィルタによって周波数帯域に分割して行う。これらの処理は、特許文献４記載の装置に基づいて行う。
【００１８】
本発明は、上記信号解析処理および信号生成処理において、適用する帯域を制限することで、バンドパスフィルタ処理によって生じる群遅延の低減並びに処理時間の低減を実現する。処理帯域の幅は方向知覚実験に基づき決定する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の構成によると、特定の周波数帯域の処理を制御あるいは処理を省略し、かつ音源方向知覚に影響を与えない信号を生成することが可能となり、物理的な群遅延のみを低減するだけではなく、処理全体の負荷を軽減し消費電力の低減も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施例を説明する図である。
【図２】音源方向推定部を説明する図である。
【図３】信号生成処理部を説明する図である。
【図４】処理帯域とフィルタ係数長の関係を説明する図である。
【図５】頭部伝達関数の一例として示した周波数振幅特性の図である。
【図６】本発明における低域と高域の境界を決定するために実施した方向定位実験の結果の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して、以下に説明する。
【実施例】
【００２２】
本発明の実施例では、低域における音源方向知覚への影響に関する実験的に得られた知見を適用した例を示している。
【００２３】
図１は、本発明の実施例の構成を示す図である。システムは大きく２つのブロックから成り、それぞれ信号解析処理、信号生成処理である。実施例では、音源方向を推定し、信号生成処理において推定した方向の音信号に対する強調処理などの信号処理を行うことを想定している。なお、各信号処理はディジタル信号処理によって行うため、入力信号はマイクロホンで集音された後、まずＡ／Ｄ（ａｎａｌｏｇ／ｄｉｇｉｔａｌ）変換器によってアナログ信号からディジタル信号に変換され、各信号処理の後Ｄ／Ａ（ｄｉｇｉｔａｌ／ａｎａｌｏｇ）変換器によってディジタル信号からアナログ信号に変換される。
【００２４】
信号解析処理部では、両耳への入力信号をマイクロホンで集音し、周波数分析器によって周波数帯域ごとに帯域分割を行い、高域の信号は音源方向推定部においてさらに方向推定のための信号解析処理が行われる。
【００２５】
図２は、特許文献４に基づく音源方向推定処理の構成を示す図である。周波数帯域ごとに分割された信号のうち、高域の音響信号に対して左右の信号のレベル差（ＩＬＤ）および位相差（ＩＰＤ）を算出する。この処理は周波数領域で行うため、時間領域の信号を周波数領域に変換する高速フーリエ変換（ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：ＦＦＴ）を適用する。これらＩＬＤおよびＩＰＤは音信号の到来方向に依存して変化するものであり、聴覚の方向知覚の手がかりとして重要である。また、ＩＬＤおよびＩＰＤは音源から左右耳までの経路差すなわち聴取者の頭部の大きさなどの身体形状に強く依存するものである。そこで、あらかじめいくつかの音源方向に対してＩＬＤおよびＩＰＤを使用者ごとに測定しデータベースを用意しておく。音源方向推定部では、データベースとの比較によって音源方向を推定する。
【００２６】
一方、実験的に得られた音源方向知覚に影響しない帯域に関する知見に基づき、帯域分割された信号のうち低域の信号はそのまま信号生成処理部に入力される。
【００２７】
図３は、信号生成処理部の概要を示す図である。音信号の処理は帯域ごとに行われ、フィルタ処理を含む所望の音響処理を適用する。例えば、到来方向外の雑音信号を抑圧することで音信号強調処理を行うなどが考えられる。また、その際使用されるフィルタの精度に関して、方向知覚に影響する高域では高い精度のものを使用し、方向知覚に影響しない低域では低い精度のものを許容する。
【００２８】
一般に、ディジタルフィルタの精度はフィルタ係数長によって制御できるが、所望の精度に必要な最低限のフィルタ係数長は周波数帯域によって異なる。図４は、フィルタ係数長と周波数帯域の関係の概念を示す図である。帯域によらず同程度の精度を持つフィルタを実現するには、低域ほどフィルタ係数長が長くなる。そのため、低域の処理の計算量が多くなることを意味する。また、フィルタ係数長は群遅延に対応する量であり、最も長いものがシステム全体の遅延に影響する。
【００２９】
もし、低域において高精度なフィルタを必要としないのであれば、システム全体の処理時間及び遅延が低減される。本発明では、方向知覚に影響しない程度の精度を実現することが目的であるため、低域と高域の境界となる周波数を方向定位実験によって決定した。
【００３０】
方向定位実験では、方向知覚の手がかりを一部の帯域のみ劣化させるという状態を模擬するため、ディジタル信号処理によって仮想音源を模擬する音信号を作成しヘッドホンによって提示した。仮想音源の模擬において、音源から聴取者の鼓膜面上までの伝搬特性を伝達関数として表現する。特に、無響空間における伝達関数を頭部伝達関数と呼び、その周波数特性を持つディジタルフィルタを音源信号に畳み込むことで仮想音源の方向を制御する方法が広く行われている。
【００３１】
図５は、頭部伝達関数の例として、正面（０度）方向の音源から左耳までの伝達関数の周波数振幅特性を示している図である。実験では、あらかじめ計算機上で音声信号に頭部伝達関数を畳み込んだ音を作成し、それらをランダムに提示して知覚される仮想音源の方向を回答させた。
【００３２】
また、低域の方向知覚の手がかりを劣化させるために、頭部伝達関数を畳み込んだ上で低域フィルタをかけることで帯域制限した妨害音を同時に提示した。すなわち、仮想的に２方向からの音源を再現し、一方を目標音、他方を妨害音とし、被験者には目標音の方向を回答させた。妨害音の帯域を制限するためにかけた低域フィルタの遮断周波数を５００、１０００、１５００、２０００、２００００（全帯域）Ｈｚおよび妨害音なし（ｏｒｉｇｉｎａｌ）の６条件で実験を行った。
【００３３】
図６は、ある被験者における仮想音源の方向に対する知覚した方向を示しており、一致していれば対角線上に回答がプロットされる。ｆｃの値は、妨害音の帯域を示している。したがって、２０００Ｈｚ以上では対角線からずれたところに回答がプロットされていることから、妨害音の影響が表れているといえる。逆に、２０００Ｈｚより下の帯域であれば、方向知覚への影響が少ないことがわかる。
【００３４】
実験結果から、本発明の周波数帯域分割部における低域と高域の境界は２０００Ｈｚとするのが妥当である。すなわち、２０００Ｈｚより下の帯域については、信号生成処理部において短い係数長のフィルタ処理を適用する、あるいはフィルタ処理を省略することが可能である。また、信号解析処理部においても、高域から音源方向推定が十分可能であるならは、低域に対する処理を省略することが可能である。
【００３５】
なお、帯域フィルタをＪＩＳ Ｃ１５１３（クラス２）に従うように設計すると、２０００Ｈｚ以上の帯域ではフィルタ係数長は２５６次以下で十分な性能となると考えられる。これは、群遅延及び計算量が十分小さなものであり、方向知覚への影響を抑え、かつ処理遅延も軽減したシステムが実現できる。
【００３６】
以上のことから、フィルタ係数長を短くすることで物理的な群遅延を低減することができ、計算量を削減できることでシステム全体の処理が軽減され、全体として低遅延なシステムが実現可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の実施例に基づくと、例えば両耳補聴器への適用が可能である。両耳補聴器において、方向知覚への影響を考慮しないと頭内定位が起きるが、方向定位の手がかりを厳密に再現するために全帯域に渡り高精度なフィルタ処理を適用すると、処理遅延が増加し実時間での動作が不可能となり、実用性の点で問題となる。本発明では、音信号を帯域に分割することで、方向知覚への影響を最小限に留めた上で高度な音響信号処理の適用が可能となる。
【００３８】
本発明によれば、処理遅延が少なく、負荷の軽減による省電力化も期待できるので、補聴器以外にも音響信号処理産業全般への適用が可能である。特に音響機器の小型化などへの応用が可能である。
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図１】
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【図２】
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