(57)【要約】【課題】本発明の課題は、妨害音源の個数、位置にかかわらず、対象とする音源からの音を強調して収録可能な集音システムを実現することである。【解決手段】少なくとも１つ以上のマイクロフォンを、回転軸の周りに回転させながら集音を行い、各時点でのマイクロフォンの位置情報に対応したフィルター処理を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つ以上のマイクロフォンを具備し、上記マイクロフォンは回転軸を中心に回転しながら音声を収集することを特徴とする集音システム。
【請求項２】
少なくとも１つ以上のマイクロフォンを具備し、上記マイクロフォンは回転軸を中心に振り子運動を行いながら音声を収集することを特徴とする集音システム。
【請求項３】
上記マイクロフォンの位置情報を取得するマイク位置情報取得部と、
上記取得したマイク位置情報に基づいてフィルター選択し、上記マイクロフォンで集音した音声信号にフィルター処理を行うフィルター処理部とを具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の集音システム。
【請求項４】
上記フィルター処理は、上記取得した音声信号をアップサンプリングし、遅延和をとる処理であることを特徴とする請求項３記載の集音システム。
【請求項５】
上記集音システムと音源との位置関係に応じたモード選択入力手段をさらに有することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の集音システム。
【請求項６】
前記回転軸を中心とした前記マイクロフォンの移動速度を指定する手段をさらに有することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の集音システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の音源から発生する音声を音源ごとに分離して録音するためのマイクロフォンシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
音声を集音し電気信号に変換するマイクロフォンには、大きく分けて単一指向性のものと無指向性のものがある。単一指向性のマイクロフォンは、無指向性のマイクロフォンに比較して、マイクロフォンが向けられた方向に存在する音源からの音を、他の方向に存在する音源（妨害音源）からの音よりも感度良く集音することができる。
【０００３】
しかし、１つのマイクロフォンだけでは指向性を高めることに限界があるため、より指向性を高めるために、複数のマイクロフォンを一列に配置したマイクロフォンアレイを利用することが考えられている（例えば、非特許文献１参照）。マイクロフォンアレイの代表的な方式である遅延和アレイは、各音源から到来する音声が各マイクロフォンに到達する時間が、各マイクロフォンの空間的な配置によって異なることを利用する。収録の対象となる音源から到来する音声の各マイクロフォンへの到達時間の差を補正した上で各マイクロフォンから得た音声信号の平均をとることで、収録の対象となる音源から到来する音声を強調し、それ以外の方向から到来する音声を排除する。
【０００４】
また、マイクロフォンアレイの別の方式である適応ビームフォーマ方式では、妨害音源の位置の感度を最小にするフィルターを自動的に学習することで、収録の対象となる音源からの音のみを選択的に収録しようとしている。
マイクロフォンを移動させながら集音を行うことで、音源の位置を推定する方式もある（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２９２２５２号公報
【０００６】
【非特許文献１】「音響システムとディジタル処理」電子情報通信学会、1995、大賀寿朗他著
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記遅延和アレイでは、ある周波数の音声を考えた場合、妨害音源から到来した音声が各マイクロフォンに到達する時間の差が、ちょうどその周波数の１周期にあたる時間と一致した場合、上で述べた平均処理では収録対象の音源からの音声と同様に強調することになり、音源分離の効果が得られないという問題がある。具体的には、マイクロフォンアレイの正面方向を対象として収録を行う場合、ある周波数の音声である方向から到来した収録対象でない音声が抑圧されずに収録されてしまうという問題が発生する。これは空間エイリアシングと呼ばれている。
【０００８】
一方の適応ビームフォーマにおいては、感度を最小に設定可能な位置の個数が、使用するマイクの個数から１を引いた数に限定されているため、多数の妨害音源が存在する環境では音源分離の性能が低くなる。又、フィルターの学習に一定の時間が必要なため、妨害音源が時々刻々と移動するような環境での音源分離の性能が低くなる問題がある。これも空間エイリアシングの一種である。
特許文献１記載のマイクをレール上に平行移動しながら集音する方法では、妨害音源の距離が離れている場合、平行移動による妨害音源方向の変化が少なくなり、依然として空間エイリアシングの問題が残る。
【０００９】
更に、マイクロフォンアレイの音源分離性能は、マイクロフォンの個数と配置によって決定される。高い音源分離性能を実現するためには、多数のマイクロフォンを使用する必要があり、価格が高くなる、設置スペースが取れないなどの問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明で開示する代表的な発明は以下の通りある。
少なくとも１つ以上のマイクロフォンを具備し、上記マイクロフォンが回転軸の周囲を回転しながら、もしくは回転軸を中心に振り子運動を行いながら音声を収集する集音システム。
【発明の効果】
【００１１】
マイクロフォンが回転軸を中心として回転することにより、音源分離特性の低い方向が時間的に変化するため、空間エイリアシングの影響を減少させることが可能となる。また、妨害音源の数や位置に関しての事前知識を必要としないため、妨害音源が多数ある場合や、妨害音源の位置が時々刻々と変化する場合でも、極端な音源分離性能の低下を生じさせず、安定した性能を得ることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図1は、第１、第３及び第４の発明に関する一実施例を表した図である。図１は、見取り図の形式になっており、下段が横から見た図、上段が上から見た図となっている。
【００１３】
この集音システムは、２つのマイクロフォン１０１と、支持棒１０２と、回転軸１０３と、台座１０４と、モーター１０５と、フィルター処理部１０６と、マイク位置情報取得部１０７で構成されている。２つのマイクロフォン１０１は、支持棒１０２に固定されている。設置面積を考慮すると、マイクロフォン１０１の固定位置は、支持棒１０２の両端とするのが有利である。支持棒１０２の中心は、回転軸１０３に固定されている。回転軸１０３は、台座１０４に通してありモーター１０５に固定されている。モーター１０５は、図示されていない電源から電力を供給されており、また図示されていない制御部からの指示によって、回転の開始と停止が制御される。フィルター処理部１０６は、支持棒１０２と回転軸１０３を通じて各マイクロフォン１０１と電気的に接続されている。また、フィルター処理部１０６は、マイク位置情報取得部１０７と電気的に接続されている。マイク位置情報取得部１０７は、モーター１０５と電気的に接続されている。
【００１４】
次に、図１の集音システムによって、対象とする音源からの音を選択的に集音するための、動作について説明する。
この集音システムが図１の下段のように見える方向、つまり集音システムの横に音源が存在する場合について説明する。対象とする音源が人間の発話であった場合は、この集音システムの前に人間が位置し、集音システムに向かって話しかけることとなる。
【００１５】
図５は動作のフローを示した図である。
集音を行うにあたって、図示されていない制御部がモーター１０５に回転の指示を出し、回転速度を一定に制御する（Ｓ５０２）。このときマイク位置情報取得部１０７は、モーター１０５の回転子の角度を常に計測しつづける。これによって、任意の時点でのマイクロフォン１０１の空間的な位置情報を取得することができる。
【００１６】
マイクロフォン１０１には、例えばダイナミックマイクロフォンを用いることができる。ダイナミックマイクロフォンでは、マイクロフォン１０１にかかる音圧によって、マイクロフォン１０１に内蔵された振動版が振動し、振動版に取り付けられた磁石がコイルの中を振動することで、電磁誘導により音を電気信号に変換することができる。集音した音に対応した電気信号は、支持棒１０２、回転軸１０３内に設置された信号線を通じて、フィルター処理部１０６に伝達される。マイクロフォン１０１には、コンデンサマイクロフォンなど他の構造を有するものを利用することも可能である。
【００１７】
マイクロフォン１０１によって集音された音は、対象とする音源からの音以外の音も含んだ形で集音される。フィルター処理部１０６の役割は、集音した音に対応する電気信号にフィルター処理を行うことで、対象とする音源からの音に対応する電気信号を強調し、他の音源からの音に対応する電気信号を抑圧する雑音分離を行うことである。上記の雑音分離を行うためのフィルターは、マイクロフォンの位置が固定された従来のマイクロフォンアレイでは、ただ1種類のフィルターを利用すればよいが、本発明では、時々刻々とマイクロフォン１０１の位置が変化するため、サンプリング時間ごとに音声信号を取得する際に（Ｓ５０３），マイクロフォン１０１の位置も取得し（Ｓ５０４）、マイクロフォン１０１の位置に応じた雑音分離を行うフィルター処理を選択し（Ｓ５０５）、フィルター処理を行う（Ｓ５０６）ことで、雑音分離を行うことが特徴である。音声信号の取得（Ｓ５０３）とマイク位置の取得（Ｓ５０４）の処理順序は逆でも良い。
【００１８】
マイクロフォン１０１の位置情報によるフィルターの選択処理とフィルター処理部１０６における具体的な処理について説明する。
例えば、遅延和アレイと同様の処理をマイク位置に応じて行う方法が利用できる。各マイクロフォン１０１で集音される音は、各マイクロフォン１０１のその時点での位置によって、音源との距離が変化するため、各マイクロフォン１０１が回転運動をしない場合に集音される音よりも時間的に進んだ音や遅れた音となる。マイクロフォン１０１が対象とする音源から最も遠くなる地点を基準とした場合は、実際に集音される音はすべて時間的に進んだ音が集音されると考えることができる。そこで、すべてのマイクロフォン１０１が基準の位置にあったと仮定した場合に、音源からの音を再現するためには、各マイクロフォン１０１から得られる電気信号をＡ／Ｄ変換した信号に適当な遅延を加えて平均をとればよい。
【００１９】
対象音源の位置と各マイクロフォン位置の距離を計算し、それらの距離を音速で除することで、音の到達時間が計算できる。各マイクロフォン位置での到達時間と、基準とする位置での到達時間の差が加えるべき遅延時間となる。この遅延時間は、各マイクロフォンの時間ごとの位置により変化するため、サンプリング周期ごとにマイク位置情報取得部１０７から位置情報を取得し、その位置情報によってあらかじめ求めておいた遅延時間を選択すればよい。サンプリング周期の整数倍の時間で、マイクロフォン１０１が１周するように回転速度を調整することで、マイクロフォン１０１の位置はマイクロフォンが何週してもサンプリング時点では限られた位置に位置することができる。この限られた位置に番号をつけ、番号に遅延時間を対応付けたテーブルをＲＯＭもしくはＲＡＭに記憶しておけばよい。
【００２０】
各時刻で各マイクロフォン１０１から音声信号を取得し（Ｓ５０３）、ＲＡＭに記憶し、その時刻でのマイク位置を取得する。（Ｓ５０４）それぞれのマイク位置に対応した遅延時間を上記テーブルから読み出して（Ｓ６０５）、ＲＡＭから各マイクロフォン毎に遅延時間前に取得した音声信号を読み出して平均を取る遅延和処理（Ｓ６０６）を行う。
【００２１】
上記であらかじめ求めた遅延時間は、対象とする音源から各マイクロフォン１０１までの距離に基づいて設定された遅延時間であって、他の音源から来る音に対しては適当でない。適当ではない遅延時間を加えて平均を取る遅延和処理（Ｓ６０６）を行うと、位相がずれるために打ち消しあうため、遅延和アレイと同様に、他の音源から来る音は抑圧することができる。これによって遅延和処理（Ｓ６０６）によって出力される音声信号は対象とする音源からの音を強調したものとなる。
【００２２】
上記の方法では遅延時間をサンプリング周期の定数倍として扱ったが、実際の遅延時間は必ずしもサンプリング周期の定数倍とはならず、ズレが存在する可能性がある。このズレの影響によって各マイクロフォン１０１からの音声信号同士に位相のズレがある程度生じ、対象の音の再現性が低下する可能性がある。これを防ぐために、例えば次の２つの方法を用いることができる。
【００２３】
１つの目の方法は、回転数もしくはサンプリング周期を調整することで、全てのサンプリング時点でのマイク位置での遅延時間がサンプリング周期の定数倍に近くなるようにする方法である。これにより処理が簡略化できる。
２つ目の方法は、得られた音声信号のデータ間を補間し、擬似的にサンプリング周期を小さくするアップサンプリング手法を用いる方法である。サンプリング周期が小さくなることで、実際の遅延時間と離散化された遅延時間とのズレが減少し、対象の音の再現性が向上する。
【００２４】
上記のフィルター処理は、FIR（Finite-duration Impulse Response）フィルター処理で実現することも可能である。
また、フィルター処理の内容が時々刻々変化するため、遅延和アレイのような空間エイリアシングの問題も発生することがない。さらには、フィルターの設計時に対象とする音源位置の情報以外を用いておらず、リアルタイムでのフィルター学習も行わないため、時々刻々と妨害音源が移動する場合にも迅速な処理ができる点で有利である。
【００２５】
ここでは、対象とする音源が図１の下段を正面から見た方向にあるものとして説明を行ったが、対象とする音源が図１の上段を正面から見た方向にある場合も考えることができる。この場合も、適当なフィルター処理をマイクロフォン１０１の位置ごとに決定しておけばよい。
【００２６】
一般的に言えば、対象となる音源の位置と本願の集音システムの位置関係によって、マイクロフォン１０１の位置ごとのフィルター処理は変化する。よって、本願の構成の一実施例としては、フィルター処理のパターンを限定しておき、利用者が簡単に選択できるようにしておく方法がある。具体的には、横置き、縦置きの２つの設定を切替スイッチで切り替えられるようにしておき、設定に合わせて本発明の集音システムを対象となる音源に向けて設置することができる。具体的には、ＲＯＭにＦＩＲフィルター係数をフィルター位置ごとに記録したセットを横置き用、縦置き用の２つ用意しておき、上記切替スイッチによるモード選択により読み出すセットを変更すればよい。
【００２７】
他の利用の形態としては、後の会議室の例で述べるように、複数の対象音源用に異なるフィルター処理を複数用意しておき、それぞれのフィルター処理が施された音声信号を複数出力することもできる。さらに他の利用形態としては、集音システムと対象音源との位置関係を入力する手段を備えさせ、入力された位置関係からフィルター処理を決定することもできる。位置関係の入力には、ＧＵＩによって位置関係を入力する方法や、集音システムの周辺に複数のスイッチを付けておき、利用者が最も近いスイッチを操作することで位置関係を入力する方法や、集音システムか利用者に音声発話の指示を出して、発話された音声の方向をＭＵＳＩＣ法などで推定し入力する方法などが利用できる。このようにフィルター処理が動的に変更される用途では、フィルター処理をソフトウェアによるＦＩＲフィルター処理で実現することが、フィルター設定の変更の容易さから有利である。
【００２８】
遅延和アレイ方式のマイクロフォンアレイでは、音源分離特性は、マイクの個数とその間隔で決定する。が、本発明の集音システムでは、マイクロフォン１０１の回転速度によっても、音源分離特性が変化する。従って、回転速度ごとの音源分離特性をあらかじめ測定しておき、利用時にユーザが求める音源分離特性を指定して、システム側で最適な回転速度を選択して用いるようにすることもできる。音源分離特性は、周波数ごと、方向ごとの利得として得ることができるため、妨害音源の周波数帯域が判明している場合は、この周波数帯域に対して音源分離性能の高い回転数を選択すれば良い。具体的には室内でエアコンの動作音を抑圧したい場合は、エアコンの動作音の周波数帯域に対して音源分離性能の高い回転数を指定し、掃除機の動作音を抑圧したい場合は、掃除機の動作音の周波数帯域に対して音源分離性能の高い回転数を指定することで、同じ集音システムで状況に応じて高い音源分離性能を実現できる。
【００２９】
上記の例など製品開発時に妨害音源の周波数帯域が予想できる場合は、利用者の便宜を図るために、エアコン用、掃除機用などのスイッチを備えておくことも効果的である。また、集音システムで妨害音源からの妨害音を収録し、収録された音を周波数分析することで、適切な回転数を決める方法をとっても良い。この方法によって、利用者は自分の利用環境に合った、音源分離特性を実現することができる。
【００３０】
図１の集音システムは、車のダッシュボード等に設置し、カーナビゲーションシステム等の車載機器のボイスコントロールに利用して認識制度を向上させたり、ハンズフリー通話時の雑音抑制に利用したりすることができる。また、リビングのテーブル上に設置し、ＴＶやビデオ、オーディオなどの機器のボイスコントロールに利用して認識制度を向上させることもできる。また、会議室のテーブルに設置し、会議の内容を録音するために利用する場合、集音の対象となるのはそれぞれの会議参加者の発言であるが、個々の発話をそれぞれ明瞭に録音したい場合は、1人の参加者を対象音源、他の参加者を妨害音源とみなすように設定されたフィルター処理部を、各参加者用に用意することで実現することができる。一列に並べるマイクロフォンアレイでは、アレイをどちらに向けて設置するかが問題となるが、本発明の集音システムでは設置の向きを気にすることなく、全ての参加者の発話に対して同等の分離能力があることが利点である。
【００３１】
このような効果は、マイクロフォン１０１が移動する円周上に、マイクロフォン１０１を多数並べることでも実現可能であるが、本発明では同様の効果を少ないマイクロフォン１０１で実現できるため、コストが削減できると言う利点がある。
【００３２】
図２は、本願発明についての第２及び第３の一実施例を表した図である。図２には、１つのマイクロフォン１０１と、支持棒１０２と、回転軸２０３と、台上に設置されている台座２０４が図示されている。この集音システムには、図示されていないモーターが台座２０４内部に設置されており、回転軸２０３に動力を伝えて、支持棒１０２及びマイクロフォン１０１を移動させる。
【００３３】
この実施例においては、マイクロフォン１０１は、回転軸の周りを1周するのではなく、振り子運動を行うことが特徴である。この形態は、装置の大きさの縦横比を変えることができる点が有利である。また、１つのマイクロフォン１０１しか用いていなくても、適当なＦＩＲフィルターをマイクロフォン１０１の位置ごとに決定しておくことで、対象とする音を強調することができる。
【００３４】
マイクロフォンを複数利用する場合の構成としては図３のように、支持棒３０２の先に、別の支持棒３０１に固定された複数のマイクロフォン１０１を固定することも考えられる。
マイクロフォン１０１が複数ある場合、振り子移動方式は平行移動方式と比較して、同じ移動距離をとった場合でも、マイクロフォン１０１の配置全体の向きが変わるため、空間エイリアシングを低減させる効果がある。
【００３５】
図４は、第２及び第３の発明をロボットに応用した場合の一実施例である。ロボットは、倒立振子型のロボットであり、タイヤ４０２を回転させることによって移動を行うとともに、筐体４０３のバランスを保つようになっている。倒立振子型のロボットが、タイヤ４０２を中心として筐体４０３を振子運動させることによって、ロボットの頭部に設置されたマイクロフォン４０１を振子運動させることができる。従って、すでに述べた方法によって、マイクロフォン４０１で集音した音から対象となる音を強調することができる。
【００３６】
また、マイクロフォン４０１の代わりに、図１のような集音システムをロボットの頭部に設置することも考えられる。この場合、フィルター処理は、図1の集音システム内のマイクロフォン位置と、筐体４０３の動きによる図1の集音システムの位置によって決定される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】回転機構を備えたマイクロフォンを用いた集音システムの一実施例。
【図２】振り子運動を行うマイクロフォンを用いた集音システムの一実施例。
【図３】振り子運動を行う複数のマイクロフォンを用いた集音システムの一実施例。
【図４】集音システムをロボットに応用した一実施例。
【図５】音源分離処理フローを一般化した一実施例。
【図６】遅延和方式の音源分離処理フローの一実施例。
【符号の説明】
【００３８】
１０１・・・マイクロフォン
１０２・・・支持棒
１０３・・・回転軸
１０４・・・台座
１０５・・・モーター
１０６・・・フィルター処理部
１０７・・・マイク位置情報取得部
２０３・・・回転軸
２０４・・・台座
３０１・・・支持棒
３０２・・・支持棒
４０１・・・マイクロフォン
４０２・・・タイヤ
４０３・・・筐体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2006060720.tif 000006
【図５】
2006060720.tif 000007
【図６】
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