(57)【要約】  単チャネル方向検出部（１３）は、チャネルを切り替えながらチャネルに対応する一組の音源データ（Ｅ１２）からチャネル毎の方向データを作成し、チャネル別方向データ（Ｅ１３）としてＦＦＴ部（１４）に出力する。ＦＦＴ部（１４）は、チャネル別方向データ（Ｅ１３）を連結して時系列の方向データとみなしたものをフーリエ変換して方向データ周波数成分（Ｅ１４）を求める。フィルタ部（１５）は、方向データ周波数成分（Ｅ１４）のうち偶数次高調波の周波数成分を抑圧したものをフィルタ済方向データ周波数成分（Ｅ１５）として出力する。ＩＦＦＴ部（１６）は、フィルタ済方向データ周波数成分（Ｅ１５）を逆フーリエ変換してフィルタ済方向データ（Ｅ１６）を求める。音源定位部（１７）は、フィルタ済方向データ（Ｅ１６）から音源の方向を求める。
2008143142.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも３つ以上のマイクロフォン素子から構成されるマイクロフォンアレイと、
前記マイクロフォンアレイからマイクロフォン素子毎の音声データを入力し、所定の位置関係にある２つのマイクロフォンの組み合わせに対応するチャネル毎に、チャネルに対応する２つのマイクロフォンの位置を基準とした音源の方向を示す方向データを求める方向検出手段と、
前記方向検出手段からチャネル毎の方向データを入力し、入力したチャネル毎の方向データを連結し、時系列データとみなしたものをフーリエ変換して連結された方向データが表す波形の周波数成分を求めるフーリエ変換手段と、
前記フーリエ変換手段が求めた周波数成分を入力し、入力した周波数成分のうち偶数次高調波の周波数成分を抑圧したものをフィルタ済周波数成分として出力するフィルタ手段と、
前記フィルタ手段からフィルタ済周波数成分を入力し、フィルタ済周波数成分を逆フーリエ変換してフィルタ済データを求める逆フーリエ変換手段と、
前記逆フーリエ変換手段が求めたフィルタ済データから音源の方向を求める音源定位手段と、
を備える、
ことを特徴とする音源定位装置。
【請求項２】
前記チャネルは隣接する２つのマイクロフォンの組み合わせに対応する、
ことを特徴とする請求項１に記載の音源定位装置。
【請求項３】
前記フィルタ手段は、
前記フーリエ変換手段が求めた周波数成分を入力し、入力した周波数成分のうち偶数次高調波の周波数成分を抑圧し、さらに奇数次高調波の周波数成分を減衰したものをフィルタ済周波数成分として出力する、
ことを特徴とする請求項１に記載の音源定位装置。
【請求項４】
前記方向検出手段は、
チャネルを選択するためのチャネル選択信号を出力し、チャネル選択信号に対応するチャネルの音声データを入力し、チャネル毎に方向データを求める単チャネル方向検出手段と、
前記マイクロフォンアレイからマイクロフォン素子毎の音声データを入力し、前記単チャネル方向検出手段から入力した選択信号により指示されたチャネルに対応する音声データを出力するチャネル切替手段と、
をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の音源定位装置。
【請求項５】
前記マイクロフォンアレイは、
無指向性のマイクロフォン素子から構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の音源定位装置。
【請求項６】
少なくとも３つ以上のマイクロフォン素子から構成されるマイクロフォンアレイからマイクロフォン素子毎の音声データを入力し、所定の位置関係にある２つのマイクロフォンの組み合わせに対応するチャネル毎に、チャネルに対応する２つのマイクロフォンの位置を基準とした音源の方向を示す方向データを求める方向検出ステップと、
前記方向検出ステップにより求められたチャネル毎の方向データを連結し、時系列の方向データとみなしたものをフーリエ変換して連結された方向データが表す波形の周波数成分を求めるフーリエ変換ステップと、
前記フーリエ変換ステップにより求められた周波数成分のうち偶数次高調波の周波数成分を抑圧したものをフィルタ済周波数成分として出力するフィルタステップと、
前記フィルタステップにより出力されたフィルタ済周波数成分を逆フーリエ変換してフィルタ済データを求める逆フーリエ変換ステップと、
前記逆フーリエ変換ステップにより求められたフィルタ済データから音源の方向を求める音源定位ステップと、
を備える、
ことを特徴とする音源定位方法。
【請求項７】
コンピュータを、
少なくとも３つ以上のマイクロフォン素子から構成されるマイクロフォンアレイから入力したマイクロフォン素子毎の音声データに基づいて、所定の位置関係にある２つのマイクロフォンの組み合わせに対応するチャネル毎に、チャネルに対応する２つのマイクロフォンの位置を基準とした音源の方向を示す方向データを求める方向検出手段、
前記方向検出手段が求めたチャネル毎の方向データを連結し、時系列データとみなしたものをフーリエ変換して連結された方向データが表す波形の周波数成分を求めるフーリエ変換手段、
前記フーリエ変換手段が求めた周波数成分のうち偶数次高調波の周波数成分を抑圧したものをフィルタ済周波数成分として求めるフィルタ手段、
前記フィルタ手段が求めたフィルタ済周波数成分を逆フーリエ変換してフィルタ済データを求める逆フーリエ変換手段、
前記逆フーリエ変換手段が求めたフィルタ済データから音源の方向を求める音源定位手段、
として機能させることを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音源定位装置、音源定位方法、及び、プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
精度の高い音源定位を実現する方法として、ビームフォーミング技術が知られている。音源定位とは、複数のマイクロフォンを使用し、それぞれに入力される音源データの位相差や強度差から音源の方向を特定することをいう。また、ビームフォーミング技術とは、多チャンネルの音源データ情報を統合し、精度の高い音源定位を実現する技術をいう。ビームフォーミング技術としては、適応型ビームフォーミング技術と遅延和型ビームフォーミング技術とが知られている。【０００３】
適応型ビームフォーミング技術は、複数のマイクロフォンで音源データを測定し、目的方向以外の音源データを減衰させて音源の方向を推定する技術である。適応型ビームフォーミング技術は、例えば、非特許文献１に記載されている。【０００４】
遅延和型ビームフォーミング技術は、複数のマイクロフォンで音源データを測定し、目的方向の音源データを強調させて音源の方向を推定する技術である。遅延和型ビームフォーミング技術は、例えば、特許文献１に記載されている。
【非特許文献１】電子情報通信学会編：音響システムとデジタル処理
【特許文献１】特開２００１−３０９４８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した適応型ビームフォーミング技術を用いた場合、（マイクロフォン数−１）の分しか目的方向以外の音源データを減衰することができない。このため、音波の反射やノイズの影響による目的方向以外の音源データが多い場合、これら音波の反射やノイズによる影響を抑えることができない。【０００６】
また、遅延和型ビームフォーミング技術を用いた場合であっても、音波の反射やノイズによる影響を完全に抑えることはできない。【０００７】
本発明は、反射やノイズの影響を抑制し、精度の高い音源定位を行うことのできる音源定位装置、音源定位方法、及び、プログラム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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る音源定位装置は、
少なくとも３つ以上のマイクロフォン素子から構成されるマイクロフォンアレイと、
前記マイクロフォンアレイからマイクロフォン素子毎の音声データを入力し、所定の位置関係にある２つのマイクロフォンの組み合わせに対応するチャネル毎に、チャネルに対応する２つのマイクロフォンの位置を基準とした音源の方向を示す方向データを求める方向検出手段と、
前記方向検出手段からチャネル毎の方向データを入力し、入力したチャネル毎の方向データを連結し、時系列データとみなしたものをフーリエ変換して連結された方向データが表す波形の周波数成分を求めるフーリエ変換手段と、
前記フーリエ変換手段が求めた周波数成分を入力し、入力した周波数成分のうち偶数次高調波の周波数成分を抑圧したものをフィルタ済周波数成分として出力するフィルタ手段と、
前記フィルタ手段からフィルタ済周波数成分を入力し、フィルタ済周波数成分を逆フーリエ変換してフィルタ済データを求める逆フーリエ変換手段と、
前記逆フーリエ変換手段が求めたフィルタ済データから音源の方向を求める音源定位手段と、を備えることを特徴とする。【０００９】
前記チャネルは隣接する２つのマイクロフォンの組み合わせに対応してもよい。【００１０】
前記フィルタ手段は、
前記フーリエ変換手段が求めた周波数成分を入力し、入力した周波数成分のうち偶数次高調波の周波数成分を抑圧し、さらに奇数次高調波の周波数成分を減衰したものをフィルタ済周波数成分として出力してもよい。【００１１】
前記方向検出手段は、
チャネルを選択するためのチャネル選択信号を出力し、チャネル選択信号に対応するチャネルの音声データを入力し、チャネル毎に方向データを求める単チャネル方向検出手段と、
前記マイクロフォンアレイからマイクロフォン素子毎の音声データを入力し、前記単チャネル方向検出手段から入力した選択信号により指示されたチャネルに対応する音声データを出力するチャネル切替手段と、をさらに備えてもよい。【００１２】
前記マイクロフォンアレイは、無指向性のマイクロフォン素子から構成されていてもよい。【００１３】
上記目的を達成するために、本発明の第２の観点に係る音源定位方法は、
少なくとも３つ以上のマイクロフォン素子から構成されるマイクロフォンアレイからマイクロフォン素子毎の音声データを入力し、所定の位置関係にある２つのマイクロフォンの組み合わせに対応するチャネル毎に、チャネルに対応する２つのマイクロフォンの位置を基準とした音源の方向を示す方向データを求める方向検出ステップと、
前記方向検出ステップにより求められたチャネル毎の方向データを連結し、時系列の方向データとみなしたものをフーリエ変換して連結された方向データが表す波形の周波数成分を求めるフーリエ変換ステップと、
前記フーリエ変換ステップにより求められた周波数成分のうち偶数次高調波の周波数成分を抑圧したものをフィルタ済周波数成分として出力するフィルタステップと、
前記フィルタステップにより出力されたフィルタ済周波数成分を逆フーリエ変換してフィルタ済データを求める逆フーリエ変換ステップと、
前記逆フーリエ変換ステップにより求められたフィルタ済データから音源の方向を求める音源定位ステップと、を備えることを特徴とする。【００１４】
上記目的を達成するために、本発明の第３の観点に係るプログラムは、
コンピュータを、
少なくとも３つ以上のマイクロフォン素子から構成されるマイクロフォンアレイから入力したマイクロフォン素子毎の音声データに基づいて、所定の位置関係にある２つのマイクロフォンの組み合わせに対応するチャネル毎に、チャネルに対応する２つのマイクロフォンの位置を基準とした音源の方向を示す方向データを求める方向検出手段、
前記方向検出手段が求めたチャネル毎の方向データを連結し、時系列データとみなしたものをフーリエ変換して連結された方向データが表す波形の周波数成分を求めるフーリエ変換手段、
前記フーリエ変換手段が求めた周波数成分のうち偶数次高調波の周波数成分を抑圧したものをフィルタ済周波数成分として求めるフィルタ手段、
前記フィルタ手段が求めたフィルタ済周波数成分を逆フーリエ変換してフィルタ済データを求める逆フーリエ変換手段、
前記逆フーリエ変換手段が求めたフィルタ済データから音源の方向を求める音源定位手段として機能させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明にかかる音源定位装置、音源定位方法、及び、プログラムによれば、多チャンネルの音源データにフーリエ変換をかけることにより、音波の反射やノイズによる影響を抑え、精度の高い音源定位を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る音源定位装置の全体構成を示す機能ブロック図である。
【図２】図２は、図１に示す音源定位装置における主要部の物理的な構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、マイクロフォンアレイの構成を模式的に表した図である。
【図４】図４は、単チャネル方向データを表現する際の角度の基準を説明するための図である。
【図５】図５は、音源定位装置の音源定位処理の一例を示したフローチャートである。
【図６】図６は、図５におけるチャネル別方向検出処理を示したフローチャートである。
【図７】図７は、図５における定位処理を示したフローチャートである。
【図８】図８は、ＩＩＤ（Interaural Intensity Difference）の確信度を定義した図である。
【図９】図９は、各チャネルにおける方向データの測定角度と理想角度とを示した図である。
【図１０】図１０は、時系列方向データが構成する波形を示したものである。
【図１１Ａ】図１１Ａは、フィルタ処理を行う前の方向データの周波数成分の一例を示した図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、フィルタ処理を行った後の方向データの周波数成分の一例を示した図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、奇数次高調波の強度を減衰させるフィルタ処理を行った後の方向データの周波数成分の一例を示した図である。
【図１２】図１２は、フィルタ済方向データが構成する波形を示した図である。
【図１３】図１３は、マイクロフォンの配置の変形例を示した図である。
【図１４】図１４は、図１３に示す変形例において、任意の基準方向とチャネルとの関係を示した図である。
【図１５】図１５は、図１３に示す変形例において、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理を行うデータの波形を示した図である。
【図１６】図１６は、マイクロフォンの配置の別の変形例において、任意の基準方向とチャネルとの関係を示した図である。
【符号の説明】
【００１７】
１０  音源定位装置
１１  マイクロフォンアレイ
１２  チャネル切替部
１３  単チャネル方向検出部
１４  ＦＦＴ部
１５  フィルタ部
１６  ＩＦＦＴ（Inverse Fast Fourier Transform）部
１７  音源定位部
１８  制御部
１９  測温部
２０  音源
５０  方向検出部
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面に基づき、本発明の実施形態に係る音源定位装置について説明する。【００１９】
本実施形態の音源定位装置１０は、図１に示すように、マイクロフォンアレイ１１と、方向検出部５０と、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）部１４と、フィルタ部１５と、ＩＦＦＴ（Inverse Fast Fourier Transform）部１６と、音源定位部１７と、制御部１８と、測温部１９と、を備える。【００２０】
音源定位装置１０は、音源２０が出力した音波ＳＷをマイクロフォンアレイ１１を構成する複数のマイクロフォンで検出し、複数のマイクロフォンが出力する音源データから音源の正確な方向を求める装置である。【００２１】
マイクロフォンアレイ１１は、音源２０が出力した音波ＳＷを入力する装置である。マイクロフォンアレイ１１は、複数のマイクロフォンから構成される。【００２２】
図３に示すように、マイクロフォンアレイ１１は、円周上に等間隔に配置された１６個のマイクロフォン（マイクロフォン１１Ａ〜マイクロフォン１１Ｐ）から構成される。各マイクロフォンは、指向性を有しないことが望ましい。マイクロフォン１１Ａ〜１１Ｐには、それぞれ音源２０から出力された音波ＳＷが入力される。各マイクロフォン１１Ａ〜１１Ｐは、入力した音波ＳＷをアナログオーディオデータ（アナログ音源データＥ１１）に変換してチャネル切替部１２に出力する。すなわち、マイクロフォンアレイ１１は、１６個のマイクロフォン１１Ａ〜１１Ｐがそれぞれ出力するアナログ音源データＥ１１を全て方向検出部５０に出力する。【００２３】
本明細書では、隣接するマイクロフォンの組を特定するためにチャネルという概念を用いる。マイクロフォンが１６個である場合、チャネル数は１６となる。【００２４】
方向検出部５０は、所定の位置関係にある２つのマイクロフォンの組み合わせに対応するチャネル毎に、入力されたアナログ音源データＥ１１から、音源の方向を示す方向データを求める。方向検出部５０は、チャネル切替部１２、単チャネル方向検出部１３を備える。【００２５】
チャネル切替部１２は、例えば、マルチプレクサから構成される。チャネル数が１６の場合、チャネル選択信号Ｅｃｈは、例えば、４ビット（２の４乗＝１６）のデジタル信号から構成される。チャネル切替部１２は、アナログ音源データＥ１１のうち、単チャネル方向検出部１３から入力するチャネル選択信号Ｅｃｈで指示されたチャネルに対応する隣接する一組のマイクロフォンの音源データＥ１２を選択する。そして、チャネル切替部１２は、選択した音源データＥ１２を内蔵するＡ／Ｄ（Analog/Digital）変換器１２ａ，１２ｂでデジタル信号に変換して単チャネル方向検出部１３に出力する。【００２６】
単チャネル方向検出部１３は、入力された一組の音源データＥ１２の信号から、チャネル毎に音源の方向を示す方向データを求める。そして、単チャネル方向検出部１３は、求められた方向データをチャネル別方向データＥ１３としてＦＦＴ部１４に出力する。【００２７】
なお、単チャネル方向検出部１３は、チャネル選択信号Ｅｃｈをチャネル切替部１２に出力することにより、単チャネル方向検出部１３に入力される一組の音源データＥ１２を切り替える。そして、単チャネル方向検出部１３は、順次チャネルを切り替えながらチャネル毎に方向データを求める。以下にチャネルとチャネルの切り替えについて詳細に説明する。【００２８】
単チャネル方向検出部１３は、チャネル１を選択すると、マイクロフォン１１Ａ及びマイクロフォン１１Ｂの音源データＥ１２がチャネル切替部１２から出力されるようなチャネル選択信号Ｅｃｈをチャネル切替部１２に出力する。そして、単チャネル方向検出部１３は、入力した音源データＥ１２からチャネル１の方向データを求める。【００２９】
また、単チャネル方向検出部１３は、１つのチャネルの方向検出が完了すると次のチャネルに切り替える。具体的には、チャネル１→チャネル２→・・・→チャネル１６という順序でチャネルを切り替える。例えば、チャネル２はマイクロフォン１１Ｂ，１１Ｃの組に対応する。チャネル３以降も同様であり、チャネル１６はマイクロフォン１１Ｐ，１１Ａの組に対応する。そして、単チャネル方向検出部１３は、チャネルを切り替える毎に、チャネル毎の方向データを求める。【００３０】
ここで、図４を用いて、方向データを表現する際の角度の基準について説明する。【００３１】
図４では、チャネル１、すなわちマイクロフォン１１Ａ，１１Ｂの出力する音源データＥ１２を用いて、音源２０の方向を検出する場合が例示されている。図４に示すように、マイクロフォン１１Ａとマイクロフォン１１Ｂとを結んだ線分Ｌ１の中心点を中心点Ｏとする。また、中心点Ｏから音源２０側に線分Ｌ１に対して垂直に伸びる半直線Ｌ２と、中心点Ｏと音源２０とを結んだ線分Ｌ３とのなす角を音源方向θとする。ここで、中心点Ｏを基準として、マイクロフォン１１Ａの方向を−９０°、マイクロフォン１１Ｂの方向を９０°、半直線Ｌ２の伸びる方向を０°としている。なお、他のチャネルにおいては、アルファベットの若い（ただし、ＰとＡの場合は、ＡよりもＰの方が若いものとする）方のマイクロフォンをマイクロフォン１１Ａと置き換え、他方のマイクロフォンをマイクロフォン１１Ｂと置き換えて角度の基準を考える。【００３２】
ＦＦＴ部１４は、単チャネル方向検出部１３から入力したチャネル別方向データＥ１３を時系列のデータとみなし、チャネル別方向データＥ１３が表している波形に高速フーリエ変換を実行する。そして、ＦＦＴ部１４は、変換された値を方向データ周波数成分Ｅ１４としてフィルタ部１５に出力する。【００３３】
フィルタ部１５は、ＦＦＴ部１４から入力した方向データ周波数成分Ｅ１４にフィルタ処理を行う。そして、フィルタ部１５は、フィルタ処理後の値をフィルタ済方向データ周波数成分Ｅ１５としてＩＦＦＴ部１６に出力する。【００３４】
ＩＦＦＴ部１６は、フィルタ部１５から入力したフィルタ済方向データ周波数成分Ｅ１６に対し逆フーリエ変換を実行する。そして、ＩＦＦＴ部１６は、変換された値をフィルタ済方向データＥ１６として音源定位部１７に出力する。【００３５】
音源定位部１７は、ＩＦＦＴ部１６から入力したフィルタ済方向データＥ１６から音源２０の方向を推定し、定位データＥ１７として出力する。【００３６】
制御部１８は、チャネル切替部１２、単チャネル方向検出部１３、ＦＦＴ部１４、フィルタ部１５、ＩＦＦＴ部１６又は音源定位部１７のタイミングの制御を行うための制御信号Ｅ１８の出力等を行う。【００３７】
測温部１９は、気温を測定する温度センサなどから構成される。測温部１９は、測定した気温のデータを電気信号である気温信号Ｅ１９に変換して単チャネル方向検出部１３に出力する。なお、測温部１９は、温度を常温と仮定して近似値を用いる場合はなくてもよい。【００３８】
音源２０は、音波ＳＷの発生源であり、本音源定位装置の定位の対象となる装置である。音源２０は、ＭＩＤＩ（Musical Instrument Digital Interface）音源など特定の規格に合致する音源である必要はなく、音波ＳＷを発生するものであれば人や動物などであってもよい。【００３９】
図１に示す音源定位装置１０は、物理的には、図２に示すように、コンピュータ１１０を備えている。コンピュータ１１０は、マルチプレクサ１１１、Ａ／Ｄ変換器１１２、ＲＯＭ（Read Only Memory）１１３、ＲＡＭ（Random Access Memory）１１４、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１５，入出力部１１６から構成される。なお、図１に示す音源定位装置１０の機能的構成では、コンピュータ１１０は、方向検出部５０と、ＦＦＴ部１４と、フィルタ部１５と、ＩＦＦＴ部１６と、音源定位部１７と、制御部１８と、から構成される。【００４０】
マルチプレクサ１１１は、チャネル切換部１２に対応する装置である。マルチプレクサ１１１は、マイクロフォンアレイ１１からのアナログ音源データＥ１１が入力されると、ＣＰＵ１１５の制御に従って、アナログ音源データＥ１１を順次切り換えて出力する。【００４１】
Ａ／Ｄ変換器１１２は、マルチプレクサ１１１が出力したアナログ音源データＥ１１をデジタルデータに変換して出力する。【００４２】
ＣＰＵ１１５は、ＲＯＭ１１３に格納された動作プログラムに従って、ＲＡＭ１１４を主メモリ及びワークエリアとして使用して、演算、制御などの動作を実行する。これにより、ＣＰＵ１１５は、単チャネル方向検出部１３，ＦＦＴ部１４，フィルタ部１５，ＩＦＦＴ部１６，音源定位部１７、制御部１８などを実現する。【００４３】
入出力部１１６は、判別した音源の方向を示すデータを他装置に提供する。また、入出力部１１６は、ＣＰＵ１１５の制御に従い、マルチプレクサ１１１に対して、チャネル選択信号Ｅｃｈを出力する。【００４４】
次に、上記の構成を有する音源定位装置の動作について、図５のフローチャートを参照して説明する。【００４５】
音源定位処理が開始されると、まず、単チャネル方向検出部１３（ＣＰＵ１１５）は、チャネル番号ｃｈを“１”に初期化する（ステップＳ１０）。【００４６】
単チャネル方向検出部１３は、次に、チャネル切替を行う（ステップＳ２０）。本ステップでは、単チャネル方向検出部１３は、チャネル番号ｃｈに応じた音源データＥ１２の組がチャネル切替部１２から入力されるようなチャネル選択信号Ｅｃｈをチャネル切替部１２に出力する。音源定位処理の開始直後はチャネル番号ｃｈは“１”であるため、単チャネル方向検出部１３は、マイクロフォン１１Ａ、１１Ｂの音源データＥ１２の組が入力されるようなチャネル選択信号Ｅｃｈを出力する。【００４７】
チャネル切替部１２は、単チャネル方向検出部１３からのチャネル選択信号Ｅｃｈに従って、マイクロフォン１１Ａ、１１Ｂのデジタル音源データＥ１２を単チャネル方向検出部１３に出力する。【００４８】
単チャネル方向検出部１３は、入力したマイクロフォン１１Ａ、１１Ｂのデジタル音源データＥ１２に対して、チャネル別方向検出処理を行う（ステップＳ３０）。本ステップでは、単チャネル方向検出部１３は、従来の方法により１チャネル分の方向検出を行う。【００４９】
図６は、図５に示すフローチャートにおけるチャネル別方向検出処理を説明するためのフローチャートである。まず、単チャネル方向検出部１３は、入力した２つの音源データＥ１２のそれぞれに対してＦＦＴ処理するなどして周波数解析を行う。これにより、単チャネル方向検出部１３は、２つの音源データＥ１２のスペクトル情報をそれぞれ求める（ステップＳ３１）。なお、単チャネル方向検出部１３は、周波数解析をした後に、フィルタ処理などによりノイズ成分を除去してもよい。【００５０】
次に、単チャネル方向検出部１３は、２つの音源データＥ１２のスペクトル情報からそれぞれ倍音成分を抽出する（ステップＳ３２）。【００５１】
次に、単チャネル方向検出部１３は、倍音（基音を含む）毎に位相差から実データＩＰＤ（Interaural Phase Difference）を計算する（ステップＳ３３）。具体的には、倍音毎の実データＩＰＤ（ΔφＲと定義する）は式（１）から求めることができる。
（数１）
ΔφＲ＝ａｒｃｔａｎ（Ｉ［Ｓｂ］／Ｒ［Ｓｂ］）−ａｒｃｔａｎ（Ｉ［Ｓａ］／Ｒ［Ｓａ］）  （１）
但し、
Ｓａ：マイクロフォン１１Ａの倍音のスペクトル値
Ｓｂ：マイクロフォン１１Ｂの倍音のスペクトル値
Ｒ［Ｓａ］、Ｒ［Ｓｂ］：倍音のスペクトルの実数部
Ｉ［Ｓａ］、Ｉ［Ｓｂ］：倍音のスペクトルの虚数部【００５２】
次に、単チャネル方向検出部１３は、倍音毎に強度差から実データＩＩＤ（Interaural Intensity Difference）を計算する（ステップＳ３４）。具体的には、マイクロフォン１１Ａ、１１Ｂの音源データのスペクトル情報のうち、各倍音のスペクトルのｄＢ（デシベル）値をＤａ、Ｄｂと定義すると、倍音毎の実データＩＩＤ（ΔＩｓと定義する）は式（２）から求めることができる。
（数２）
ΔＩｓ＝Ｄａ−Ｄｂ  （２）【００５３】
次に、単チャネル方向検出部１３は、式（２）で求められた倍音毎の実データＩＩＤを使用して方向情報ＳＩを求める。なお、方向情報ＳＩは、倍音の周波数が閾値ｆｔｈ未満の場合には実データＩＰＤを使用し、倍音の周波数が閾値ｆｔｈ以上の場合には実データＩＩＤを使用して求める。ここでは、方向情報ＳＩは、閾値ｆｔｈから考慮すべき最大の周波数であるｆｍａｘまでの倍音毎の実データＩＩＤを考慮して求める。すなわち、方向情報ＳＩは、倍音周波数を昇べきの順で並べた関数をＨ（ｉ）と定義すると、式（３）から求めることができる。なお、関数Ｈ（ｉ）は、例えば基音の周波数をｆ０とすると、Ｈ（０）＝ｆ０、Ｈ（１）＝２ｆ０、Ｈ（２）＝３ｆ０、…として表すことができる。
【数１】
2008143142.tif 000003
【００５４】
ｎｔｈは、Ｈ（ｎｔｈ）≧ｆｔｈを満たし、かつｆｔｈに最も近くなるような整数値である。例えば、ｆｔｈ＝１５００Ｈｚ、Ｈ（０）＝６００Ｈｚ、Ｈ（１）＝１２００Ｈｚ、Ｈ（２）＝１８００Ｈｚ、Ｈ（３）＝２４００Ｈｚである場合、ｎｔｈの値は２となる。また、ｎ−１はＨ（ｎ−１）がｆｍａｘとなる整数値である。【００５５】
閾値ｆｔｈは、νを音速（ｍ／ｓ）、λをマイクロフォン１１Ａとマイクロフォン１１Ｂの距離（ｍ）として、式（４）から求めることができる。
（数４）
ｆｔｈ  ＝  ν  ／  λ  （４）【００５６】
例えば、νを３４０ｍ／ｓ、λを２０ｃｍとすると、閾値ｆｔｈは１７００Ｈｚとなる。この場合、倍音の周波数が１７００Ｈｚ未満でＩＰＤを、１７００Ｈｚ以上でＩＩＤを使用して方向情報ＳＩを算出する。なお、音速νは、測温部１９が検出した気温信号Ｅ１９（空気温度）から求めることができる。【００５７】
ここで、式（３）により求めたＳＩが０に近ければ、正面方向（図４における半直線Ｌ２の伸びる方向）に音源が存在すると考えることができる。また、ＳＩが負であれば右方向（図４におけるマイクロフォン１１Ｂの方向）、ＳＩが正であれば左方向（図４におけるマイクロフォン１１Ａの方向）、にそれぞれ音源が存在すると考えることができる。【００５８】
次に、単チャネル方向検出部１３は、モデルとなるＩＰＤを求める（ステップＳ３５）。具体的には、５°おきの角度をθ’、倍音の周波数をｆと定義すると、モデルＩＰＤ（ΔφＭと定義する）は、式（５）から求めることができる。
（数５）
ΔφＭ＝（２πｆ／ν）×λ（ｓｉｎθ’）  （５）【００５９】
次に、単チャネル方向検出部１３は、ＩＰＤの確信度とＩＩＤの確信度とを求める（ステップＳ３６）。具体的には、式（１）により求めた実データＩＰＤと、モデルＩＰＤとを比較し、５°おきの方向に対するＩＰＤの確信度をガウスの確率分布によって求める。また、実データＩＩＤの確信度を式（３）により求めた方向情報ＳＩによって、図８の表に示すように定義する。【００６０】
図８は、ＩＩＤの確信度を定義した表である。例えば、θ’が９０°〜３５°のときのＩＩＤの確信度は、式（３）により求めた方向情報ＳＩが“＋”のときに０．３５、“−”のときに０．６５となる。【００６１】
次に、単チャネル方向検出部１３は、方向情報を抽出し、チャネル別方向データＥ１３としてＦＦＴ部１４に出力する（ステップＳ３７）。具体的には、ＩＰＤの確信度とＩＩＤの確信度とを、独立した証拠から推論された基本確率を統合するＤｅｍｐｓｔｅｒ−Ｓｈａｆｅｒ理論によって統合し、最も確信度の高い方向情報を真の方向とする。単チャネル方向検出部１３は、方向情報抽出を完了するとチャネル別方向検出処理（ステップＳ３０）を完了する。【００６２】
チャネル別方向検出処理が完了すると、単チャネル方向検出部１３は、チャネル番号ｃｈが１６であるか否かを判別する（ステップＳ４０）。単チャネル方向検出部１３は、チャネル番号ｃｈが１６でない、すなわち１６チャネル分の方向検出が完了していないと判別したときは、チャネル番号ｃｈをインクリメントし（ステップＳ５０）、チャネル切替（ステップＳ２０）に処理を戻す。【００６３】
一方、単チャネル方向検出部１３は、チャネル番号ｃｈが１６である、すなわち１６チャネル分の方向検出が完了したと判別したときは、定位処理（ステップＳ６０）に処理を移行する。【００６４】
図７は、図５に示すフローチャートにおける定位処理を説明するためのフローチャートである。まず、ＦＦＴ部１４は、チャネル別方向データＥ１３から時系列方向データを作成する（ステップＳ６１）。具体的には、ＦＦＴ部１４は、チャネル別方向検出処理（ステップＳ３０）で取得された１６チャネル分の方向データを時系列のデータとみなして連結して時系列方向データを作成する。ここで、図９を参照して各チャネルの方向データについて説明する。【００６５】
図９は、各チャネルにおける方向データの測定角度と理想角度との一例を示した図である。測定角度は、マイクロフォンアレイ１１と音源２０とが図３に示す位置関係にあるときに、チャネル別方向検出処理（ステップＳ３０）で実際に取得した方向データである。理想角度は、マイクロフォンアレイ１１と音源２０とが図３に示す位置関係にあるときに、チャネル別方向検出処理（ステップＳ３０）において取得されるべき方向データである。【００６６】
図９に例示するように、チャネル別方向検出処理（ステップＳ３０）で実際に取得した測定角度は、理想角度とは異なる。これは、実際の方向検出の際には、音の反射や雑音などが存在するためである。図９に示すデータを横軸をチャネル、縦軸を角度としてプロットすると、図１０に示すような三角波となる。【００６７】
図１０において、縦軸は角度（°）を表し、横軸はチャネル（ｃｈ）を表す。チャネルは、一定周期で選択されるので、チャネル（ｃｈ）＝時刻（ｓ）とみなすことも可能である。換言すれば、図１０のグラフは、チャネル別方向データＥ１３を検出（選択）タイミングに従って連結してプロットしたものであり、一定の周期波形となる。図１０では、３周期（１６×３チャネル）分の時系列方向データを示している。
なお、図１０において、測定角度が構成する波形を実線で示し、理想角度が構成する波形を破線で示す。【００６８】
このように、時系列方向データは、チャネル別方向検出処理（ステップＳ３０）で取得する方向データを、単純に時系列に並べたデータである。このため、音源２０が移動しない場合、時系列方向データは、毎回取得しても、同じ若しくは近い値となり、その波形は周期波形となる。【００６９】
ＦＦＴ部１４は、作成した時系列方向データにＦＦＴ処理を行う（ステップＳ６２）。即ち、ＦＦＴ部１４は、図１０に示す波形の横軸を時間とみなして、周知のＦＦＴ処理により時系列方向データを方向データ周波数成分Ｅ１４に変換する。そして、ＦＦＴ部１４は、方向データ周波数成分Ｅ１４をフィルタ部１５に出力する。【００７０】
フィルタ部１５は、ＦＦＴ部１４から入力した方向データ周波数成分Ｅ１４をフィルタ処理する（ステップＳ６３）。理想角度から構成される時系列方向データは、図１０に破線で示すように、時間軸上で三角波に近い形を形成する。これは、一定間隔毎にマイクロフォンが配列されているため、マイクロフォンアレイ１１の大きさに対して、音源２０が十分離れている場合、選択されたチャネルに対応するマイクロフォンの組からみた音源２０の角度は、チャネルを切り替える度に一定の角度（３６０°／１６＝２２．５°）ずつ変化すると推定できるからである。一方、測定角度から構成される時系列方向データは、反射やノイズの影響により、図１０において実線で示すように、時間軸上で三角波に近い形とはならない。フィルタ部１５は、この反射やノイズによる成分を、方向データ周波数成分Ｅ１４から除去するようにフィルタ処理する。【００７１】
具体的には、フィルタ部１５は、三角波を構成する周波数成分のみを抽出し、他の周波数成分を除去する。すなわち、三角波は、基本波と奇数次高調波のみから構成されるため、偶数次高調波を除去する。図１１（ａ）、図１１（ｂ）を参照して、フィルタ処理の一例を説明する。なお、図１１（ａ）、図１１（ｂ）において、ｆは基本波の周波数を示す。【００７２】
図１１（ａ）は、フィルタ処理を行う前の方向データの周波数成分の一例を示したものである。図１１（ａ）に示すように、フィルタ処理を行う前は、基本波の周波数成分の他、第２次高調波から第６次高調波の周波数成分を有している。【００７３】
ここで、偶数次高調波（基本波と奇数次高調波以外）の周波数成分をカットするフィルタ処理を行う。図１１（ｂ）は、フィルタ処理を行った後の方向データの周波数成分の一例を示したものである。図１１（ｂ）に示すように、フィルタ処理を行った後は、基本波と奇数次高調波の周波数成分のみが残されている。換言すれば、ノイズや反射により発生したと考えられる偶数次高調波の周波数成分がカットされている。また、残された周波数成分の位相（位相スペクトル）は変化しておらず、強度（強度スペクトル）も変化していない。すなわち、フィルタ処理において、方向データ周波数成分Ｅ１４の偶数時高調波のみをカットすることにより、ノイズや反射による影響分を除去し、ＩＦＦＴ処理後の時系列方向データを三角波に近づけることができる。【００７４】
フィルタ部１５は、フィルタ処理後のデータをフィルタ済方向データ周波数成分Ｅ１５としてＩＦＦＴ部１６に出力する。【００７５】
ＩＦＦＴ部１６は、フィルタ部１５から入力したフィルタ済方向データ周波数成分Ｅ１５に対し、ＩＦＦＴ処理すなわちＦＦＴ部１４が実行したＦＦＴ処理の逆変換を行う（ステップＳ６４）。ＩＦＦＴ部１６は、ＩＦＦＴ処理によりフィルタ済方向データ周波数成分Ｅ１５を時系列の方向データであるフィルタ済方向データＥ１６に変換する。図１２を参照して、フィルタ済方向データＥ１６について説明する。【００７６】
図１２は、フィルタ済方向データＥ１６が構成する波形を示したものである。図１２において、縦軸は角度（°）を表し、横軸は時刻（ｓ）を表す。フィルタ済方向データＥ１６は、フィルタ処理前の方向データと同様に、１６チャネル分の方向データから構成される。従って、図１２では、時系列方向データとして波形を示すため横軸を時刻（ｓ）としているが、横軸をチャネル（ｃｈ）と考えても良い。図１２では、３周期（１６×３チャネル）分の時系列方向データを示している。なお、図１２において、１周期分の時間を点線で区切っている。【００７７】
図１２に示すように、フィルタ済方向データＥ１６が形成する波形は、フィルタ処理前の方向データが形成する波形（図１１の実線で示す波形）と比較すると、三角波に近い波形となっている。これは、フィルタ処理において方向データ周波数成分Ｅ１４から偶数次高調波の周波数成分をカットしたため、ノイズや反射による周波数成分が除去されたためである。ＩＦＦＴ部１６は、ＩＦＦＴ処理が完了すると、フィルタ済方向データＥ１６を音源定位部１７に出力する。【００７８】
音源定位部１７は、ＩＦＦＴ部１６から入力したフィルタ済方向データＥ１６から音源２０の方向を求めて定位データＥ１７として出力する（ステップＳ６５）。前述のように、フィルタ済方向データＥ１６からはノイズや反射による周波数成分が除去されている。音源定位部１７は、このフィルタ済方向データＥ１６に基づいて、定位データＥ１７を求める。以下に、定位データを求める具体的な方法の例を示す。【００７９】
前述のように、各マイクロフォンは円周上に等間隔で配置され、単チャネル方向検出部１３は、マイクロフォンの組をシフトしながら方向検出する。このため、図１２に示す横軸は時間であると同時に、チャネルあるいは円周上の位置をも示すものと考えることができる。このため、例えば、方向検出により求められた角度が０°となるポイント（図１２において黒点で示すポイント）に該当するチャネル或いは円周上の位置から音源２０の方向を特定することができる。【００８０】
音源定位部１７は、求めた定位データＥ１７を外部に出力すると、定位処理（ステップＳ６０）が完了する。これにより、音源定位処理は完了する。【００８１】
なお、この発明は上記実施例に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。【００８２】
上記実施の形態では、マイクロフォンの数を１６個としたが、マイクロフォンの数は任意である。精度を上げるため、マイクロフォンの数を例えば２４個、３２個としてもよい。また、高速化、省電力化のため、マイクロフォンの数を例えば８個に減らしても良い。【００８３】
上記実施の形態では、マイクロフォンを等間隔で配置したが、マイクロフォンの配置は任意である。例えば、図１３に示すように、５個のマイクロフォンを１１Ａ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｉ、及び１１Ｌの位置に配置することとしてもよい。【００８４】
この場合、例えば、図１４に示すように、任意の基準方向Ｖｒを定める。そして、基準方向Ｖｒに対するチャネルの方向を交差角φで表す。図１４では、チャネルの方向が直線の矢印で示されている。基準方向Ｖｒは、例えばマイクロフォン１１Ａ，１１Ｃの組のチャネルの方向と同一とすることができる。マイクロフォン１１Ｃ，１１Ｄの組、マイクロフォン１１Ｄ，１１Ｉの組、マイクロフォン１１Ｉ，１１Ｌの組、及びマイクロフォン１１Ｃ，１１Ｄの組のチャネルの方向は、基準方向Ｖｒに対してそれぞれ交差角φ１、φ２、φ３、及びφ４の関係にある。【００８５】
図１４の構成の場合、図１５に示すように、縦軸を角度（チャネル毎の基準方向に対する音源２０の方向）、横軸を交差角φとしてデータをプロットする。そして、プロットされたデータから構成される波形に対して、図の横軸（交差角φ）を時間と見なしてＦＦＴ処理を行えばよい。【００８６】
また、マイクロフォンは、円周上に配置される必要はない。図１６に、４個のマイクロフォン１１Ｑ、１１Ｒ、１１Ｓ、及び１１Ｔが平行四辺形を形成して配置された例を示す。図１６の例では、基準方向Ｖｒを例えばマイクロフォン１１Ｔからマイクロフォン１１Ｑに向かう方向と定めている。この場合にも、図１４に示した例と同様に、基準方向Ｖｒに対する各チャネルの方向が交差角φ１、φ２、φ３、及びφ４として得られる。その後、図１５に示した例と同様に、データをプロットしＦＦＴ処理を行えばよい。【００８７】
上記実施の形態では、音源定位部１７は、方向検出により求められた角度が０°となるポイントから音源２０の方向を特定した。しかし、図１２に示すフィルタ済方向データＥ１６の波形のピークとなるポイントから音源２０の方向を特定しても良い。また、フィルタ済方向データＥ１６の各ポイントの値を、各チャネルの方向データとして扱い、全チャネルの方向データを総合的に判断して音源２０の方向を特定してもよい。【００８８】
また、上記実施の形態では、フィルタ部１５は、方向データ周波数成分Ｅ１４から偶数次高調波の周波数成分をカットするだけのフィルタ処理をしていた。しかし、フィルタ済方向データＥ１５が形成する波形をより三角波に近づけるためには、偶数次高調波の周波数成分をカットするだけでなく、奇数次高調波の強度を減衰させるフィルタ処理を行ってもよい。【００８９】
具体的には、偶数次高調波の周波数成分をカットした後に、例えば、奇数次高調波の強度を高調波の次数で除算したものを強度とする。つまり、位相が変化しないように振幅成分のみを変化させる。すなわち、奇数次高調波の実数部と虚数部の比率を保ったまま減衰させる。【００９０】
図１１（ｃ）は、奇数次高調波の強度を減衰させるフィルタ処理を行った後の方向データの周波数成分の一例を示したものである。図１１（ｃ）に示すように、フィルタ処理を行った後は、基本波と奇数次高調波の周波数成分が残されているが、奇数次高調波の強度は次数に応じて減衰している。ただし、この場合であっても、残された周波数成分の位相は変化していない。方向データ周波数成分Ｅ１４に、このようなフィルタ処理を行うことにより、ノイズや反射による影響分を除去し、フィルタ済方向データＥ１６をより三角波に近づけることができる。【００９１】
上述の実施例では、音源定位部１７は、１６チャネル分の方向データから音源の方向のみを求めていたが、従来の方法により音源までの距離を求めるようにしてもよい。例えば、１６チャネル分の方向データを重ね合わせることにより音源までの距離を求めることが可能である。【００９２】
なお、前記のハードウェア構成やフローチャートは一例であり、任意に変更及び修正が可能である。上記実施の形態においては、音源定位装置１０をディスクリート部品で構成するように記載したが、例えば、音源定位装置１０で実行される処理のほとんどをＣＰＵやＤＳＰ（Digital Signal Processor)等のプロセッサ回路に実行させることも可能である。このような構成とすれば、回路構成を簡略化することが可能である。【００９３】
上記実施の形態では、音源の定位装置及び定位方法にこの発明を適用した例を示したが、この発明は、任意のパラメータを基準としてプロットすることにより一定の周期関数となるデータ列からノイズを除去する場合に広く適用可能である。例えば、データ群をあるパラメータを基準としてプロットすることにより、このパラメータに基づいて周期波形が得られるものとする。この場合、パラメータを時間とみなしてＦＦＴを行う。これにより、波形の高調波成分を抑圧してノイズを除去する。その後、ＩＦＦＴを実行してノイズを除去し、得られた波形を用いて以後の処理を行うことができる。【００９４】
本出願は、２００７年５月１８日にされた、日本国特許出願特願２００７−１３３３２９に基づく。本明細書中に、その明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明は、例えば、ロボット、監視システム等、音源定位を利用するあらゆる技術分野に好適に利用することができる。
【図１】
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【図２】
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【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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