(57)【要約】【課題】より効果的に、入力信号に含まれる雑音信号を抑圧して、目的信号を強調する。【解決手段】位相スペクトル推定部６が、雑音信号の振幅を抑圧した抑圧信号の位相スペクトルをフレーム間において最適化する。そして、合成部５が、入力信号の位相スペクトル∠Ｘ（ω，ｍ）に代えて、その最適化された位相スペクトル∠Ｓ（ω，ｍ）を用いて信号の合成を行う。フレーム間において最適化された位相スペクトル∠Ｓ（ω，ｍ）を用いて信号の合成を行うことにより、合成された信号の品質を向上させることができる。【選択図】図１
2011002507.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
目的信号と雑音信号とを含む入力信号を所定の時間長のフレームで前後のフレームが重なるように区切り、フレームごとに上記入力信号の振幅スペクトル、パワースペクトル及び位相スペクトルを計算する分析部と、
上記雑音信号の平均パワースペクトルを推定する雑音パワースペクトル推定部と、
上記入力信号のパワースペクトルと上記雑音信号の平均パワースペクトルとを用いて、上記入力信号のパワースペクトルの内の上記目的信号のパワースペクトルの割合である振幅ゲインを計算する振幅ゲイン計算部と、
上記入力信号の振幅スペクトルと上記振幅ゲインとを乗算して、上記入力信号から、上記雑音信号の振幅を抑制した抑圧信号の振幅スペクトルを計算する振幅ゲイン乗算部と、
上記雑音信号を抑圧しようとするフレームを含む連続する複数のフレームのそれぞれについての上記抑圧信号の振幅スペクトルを少なくともこれらのフレームが重なっている部分で足し合わせた値の絶対値を最大にする、上記雑音信号を抑圧しようとするフレームについての上記抑圧信号の位相スペクトルを計算する位相スペクトル推定部と、
上記抑圧信号の振幅スペクトルと上記抑圧信号の位相スペクトルとを用いて、上記抑圧信号を時間領域信号に変換する合成部と、
を含む信号強調装置。
【請求項２】
請求項１に記載の雑音信号抑圧装置において、
上記雑音信号を抑圧しようとするフレームについての上記抑圧信号の振幅スペクトルが所定の閾値よりも小さい場合には、上記入力信号の位相スペクトルを上記抑圧信号の位相スペクトルとする、
ことを特徴とする信号強調装置。
【請求項３】
目的信号と雑音信号とを含む入力信号を所定の時間長のフレームで前後のフレームが重なるように区切り、フレームごとに上記入力信号の振幅スペクトル、パワースペクトル及び位相スペクトルを計算する分析ステップと、
上記雑音信号の平均パワースペクトルを推定する雑音パワースペクトル推定ステップと、
上記入力信号のパワースペクトルと上記雑音信号の平均パワースペクトルとを用いて、上記入力信号のパワースペクトルの内の上記目的信号のパワースペクトルの割合である振幅ゲインを計算する振幅ゲイン計算ステップと、
上記入力信号の振幅スペクトルと上記振幅ゲインとを乗算して、上記入力信号から、上記雑音信号の振幅を抑制した抑圧信号の振幅スペクトルを計算する振幅ゲイン乗算ステップと、
上記雑音信号を抑圧しようとするフレームを含む連続する複数のフレームのそれぞれについての上記抑圧信号の振幅スペクトルを少なくともこれらのフレームが重なっている部分で足し合わせた値の絶対値を最大にする、上記雑音信号を抑圧しようとするフレームについての上記抑圧信号の位相スペクトルを計算する位相スペクトル推定ステップと、
上記抑圧信号の振幅スペクトルと上記抑圧信号の位相スペクトルとを用いて、上記抑圧信号を時間領域信号に変換する合成ステップと、
を含む信号強調方法。
【請求項４】
請求項１から３の何れかに記載された信号強調装置の各部としてコンピュータを機能させるための信号強調プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、入力信号に含まれる雑音信号を抑圧して目的信号を強調する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マルチメディア技術の進歩に伴い、マイクロホンとスピーカを用いた拡声通話形態によるテレビ会議等の通信会議が普及してきている。そこでは、音声品質を劣化させる雑音や残響等の雑音信号を抑圧し目的とする音声を強調する信号強調装置が求められている。
【０００３】
従来、雑音信号の平均パワースペクトルを推定し、目的信号と雑音信号とを含む入力信号から雑音信号のパワースペクトルを減算することにより、雑音信号を抑制して目的信号を強調するスペクトル減算法やウィナーフィルター等の技術が知られている。以下、図３を参照してこの従来技術を説明する（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
分析部１は、目的信号と雑音信号とを含む入力信号Ｘ（ｔ）をフレームに区切り周波数分析をする。
雑音パワースペクトル推定部２は、雑音信号の平均パワースペクトル｜Ｎ’（ω，ｍ）｜２を推定する。
振幅ゲイン計算部３は、入力信号のパワースペクトル｜Ｘ（ω，ｍ）｜２から推定された｜Ｎ’（ω，ｍ）｜２を減算することにより、雑音信号を抑制するための振幅ゲインＧ（ω，ｍ）を計算する。
振幅ゲイン乗算部４は、入力信号の振幅スペクトル｜Ｘ（ω，ｍ）｜と振幅ゲインＧ（ω，ｍ）とを乗算することにより、雑音信号を抑圧した抑圧信号の振幅スペクトル｜Ｓ（ω，ｍ）｜を計算する。
合成部５は、｜Ｓ（ω，ｍ）｜と入力信号の位相スペクトル∠｜Ｘ（ω，ｍ）｜とを組み合わせて、雑音信号が抑圧された信号ｓ（ｔ）を合成していた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Steven F. Boll, “Suppression of Acoustic Noise in Speech Using Spectral Subtraction”, IEEE Transactions on Acoustics Speech and Signal Processing, Vol.27, Issue 2, April 1979, p.113-120
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
合成部５が用いた位相スペクトル∠｜Ｘ（ω，ｍ）｜は、単一フレーム内では最適な推定値と考えられていた。しかし、この位相スペクトル∠｜Ｘ（ω，ｍ）｜は、雑音信号の位相成分が重なっており、フレーム間に渡る最適な推定値とはなっていない。したがって、たとえ振幅スペクトル｜Ｓ（ω，ｍ）｜が高精度に推定できたとしても、フレーム間における位相スペクトルのミスマッチングのため合成された信号の品質が劣化するという課題があった
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、雑音信号の振幅を抑圧した抑圧信号の位相スペクトルをフレーム間において最適化する。そして、入力信号の位相スペクトル∠Ｘ（ω，ｍ）に代えて、その最適化された位相スペクトル∠Ｓ（ω，ｍ）を用いて信号の合成を行う。
【発明の効果】
【０００８】
フレーム間において最適化された位相スペクトル∠Ｓ（ω，ｍ）を用いて信号の合成を行うことにより、合成された信号の品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】信号強調装置の例の機能ブロック図。
【図２】信号強調方法の例の流れ図。
【図３】従来技術による信号強調装置の例の機能ブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、この発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、信号強調装置の例の機能ブロック図である。図２は、第一実施形態による信号強調方法の例の流れ図である。
信号強調装置は、分析部１、雑音パワースペクトル推定部２、振幅ゲイン計算部３、振幅ゲイン乗算部４、合成部５及び位相スペクトル推定部６を例えば含む。
【００１１】
＜ステップＳ１＞
分析部１には、目的信号と雑音信号とを含む入力信号ｘ（ｔ）が入力される。目的信号は、この発明により強調の対象となる信号のことであり、例えば音声である。雑音信号は、目的信号以外の信号であり、この発明により抑圧の対象となる信号のことである。例えば、雑音や、残響が雑音信号である。
【００１２】
分析部１は、時間領域信号である入力信号ｘ（ｔ）を所定の時間長のフレームで前後のフレームが重なるようにして区切り、短時間フーリエ変換で周波数分析をする。
Ｘ（ω，ｍ）＝ＦＦＴ［ｘ（ｔ，ｍ）］
ここで、ωは周波数であり、ｍはフレームの番号である。フレームの時間長は数ミリ〜数十ミリ秒である。フレームは例えば１／２フレームでシフトされる。フレームで区切る際に、入力信号にハミング窓等の窓関数を適宜かけてもよい。
【００１３】
そして、分析部１は、フレームごとに上記入力信号ｘ（ｔ）の振幅スペクトル｜Ｘ（ω，ｍ）｜、パワースペクトル｜Ｘ（ω，ｍ）｜２及び位相スペクトル∠Ｘ（ω，ｍ）を計算する（ステップＳ１）。振幅スペクトル｜Ｘ（ω，ｍ）｜は振幅ゲイン乗算部４に送られ、パワースペクトル｜Ｘ（ω，ｍ）｜２は雑音パワースペクトル推定部２及び振幅ゲイン計算部３に送られ、位相スペクトル∠Ｘ（ω，ｍ）は位相スペクトル推定部６に送られる。
【００１４】
＜ステップＳ２＞
雑音パワースペクトル推定部２は、入力信号ｘ（ｔ）に含まれる雑音信号の平均パワースペクトル｜Ｎ’（ω，ｍ）｜２を推定する（ステップＳ２）。推定された平均パワースペクトル｜Ｎ’（ω，ｍ）｜２は、振幅ゲイン計算部３に送られる。
【００１５】
例えば、入力信号ｘ（ｔ）のパワー｜ｘ（ｔ）｜２が所定の閾値よりも小さくなるフレームを検出する。検出されたフレームは雑音信号のみが存在するフレームと考えられる。検出されたフレームにおけるパワースペクトル｜Ｘ（ω，ｍ）｜２の平均値を求めて、雑音信号の平均パワースペクトル｜Ｎ’（ω，ｍ）｜２とする。この所定の閾値は、求める性能、仕様に基づいて適宜決定される。例えば、実験を複数回繰り返すことにより、適切な閾値が定められる。
【００１６】
＜ステップＳ３＞
振幅ゲイン計算部３は、入力信号ｘ（ｔ）のパワースペクトル｜Ｘ（ω，ｍ）｜２と、雑音信号の平均パワースペクトル｜Ｎ’（ω，ｍ）｜２とを用いて、入力信号ｘ（ｔ）のパワースペクトル｜Ｘ（ω，ｍ）｜２の内の目的信号のパワースペクトルの割合である振幅ゲインＧ（ω，ｍ）を計算する（ステップＳ３）。
例えば、下式により振幅ゲインＧ（ω，ｍ）を計算することができる。
Ｇ（ω，ｍ）＝（｜Ｘ（ω，ｍ）｜２−｜Ｎ’（ω，ｍ）｜２）／｜Ｘ（ω，ｍ）｜２
【００１７】
＜ステップＳ４＞
振幅ゲイン乗算部４は、入力信号の振幅スペクトル｜Ｘ（ω，ｍ）｜と振幅ゲインＧ（ω，ｍ）とを乗算して、上記入力信号ｘ（ｔ）から、雑音信号の振幅を抑制した抑圧信号の振幅スペクトル｜Ｓ（ω，ｍ）｜を計算する（ステップＳ４）。計算された振幅スペクトル｜Ｓ（ω，ｍ）｜は、合成部５及び位相スペクトル推定部６に送られる。
｜Ｓ（ω，ｍ）｜＝Ｇ（ω，ｍ）｜Ｘ（ω，ｍ）｜
【００１８】
＜ステップＳ５＞
位相スペクトル推定部６は、連続する複数のフレームのそれぞれの抑圧信号の位相スペクトル∠Ｓ（ω，ｍ）が揃うように、抑圧信号の最適な位相スペクトル∠Ｓ（ω，ｍ）を推定する（ステップＳ５）。推定された位相スペクトル∠Ｓ（ω，ｍ）は、合成部５に送られる。
具体的には、２つの信号の位相が揃うのは２つの信号を足し合わせた信号のパワーが最大になるときであるという性質を用いて、抑圧信号の最適な位相スペクトル∠Ｓ（ω，ｍ）を推定する。
【００１９】
例えば、位相スペクトル∠Ｓ（ω，ｍ）と、前のフレームの位相スペクトル∠Ｓ（ω，ｍ−１）とを、フレームシフト分の位相を考慮して重ね合わせたときにパワーが最大となる位相スペクトルを、最適な位相スペクトル∠Ｓ（ω，ｍ）とする。すなわち、下記式により定義される∠Ｓ（ω，ｍ）を計算し、最適な位相スペクトル∠Ｓ（ω，ｍ）の推定値とする。下記式において、ｊは虚数、τはフレームの開始時刻の差であり、ｊωτはフレームシフト分の位相に相当する。
【００２０】
【数１】
2011002507.tif 000003
【００２１】
また、位相スペクトル∠Ｓ（ω，ｍ）と、前のフレームの位相スペクトル∠Ｓ（ω，ｍ−１）と、後のフレームの位相スペクトル∠Ｓ（ω，ｍ＋１）とを、フレームシフト分の位相を考慮して重ね合わせたときにパワーが最大となる位相スペクトルを、最適な位相スペクトル∠Ｓ（ω，ｍ）としてもよい。すなわち、下記式により定義される∠Ｓ（ω，ｍ）を計算し、最適な位相スペクトル∠Ｓ（ω，ｍ）の推定値としてもよい。
【００２２】
【数２】
2011002507.tif 000004
【００２３】
このようにして、位相スペクトル推定部６は、雑音信号を抑圧しようとするフレームを含む連続する複数のフレームのそれぞれについての抑圧信号の振幅スペクトルを少なくともこれらのフレームが重なっている部分で足し合わせた値の絶対値を最大にする、雑音信号を抑圧しようとするフレームについての抑圧信号の位相スペクトル∠Ｓ（ω，ｍ）を計算する。なお、初期値∠Ｓ（ω，０）＝∠Ｘ（ω，０）とする。
【００２４】
抑圧信号の振幅スペクトル｜Ｓ（ω，ｍ）｜が小さい場合には位相スペクトル∠Ｓ（ω，ｍ）の推定が困難である。したがって、振幅スペクトル｜Ｓ（ω，ｍ）｜が所定の閾値よりも小さい場合には、上記の抑圧信号の最適な位相スペクトル∠Ｓ（ω，ｍ）の推定をせずに、入力信号の位相スペクトル∠Ｘ（ω，ｍ）を抑圧信号の位相スペクトル∠Ｓ（ω，ｍ）としてもよい。例えば、０＜α＜１として、α｜Ｎ’（ω，ｍ）｜２を所定の閾値とする。
【００２５】
＜ステップＳ６＞
合成部５は、抑圧信号の振幅スペクトル｜Ｓ（ω，ｍ）｜と、抑圧信号の推定された位相スペクトル∠Ｓ（ω，ｍ）とを用いて、逆フーリエ変換により、抑圧信号を時間領域信号に変換する。下記式において、ｓ（ｔ，ｍ）は、ｍ番目のフレームの抑圧信号である。合成部５は、フレームごとに計算したｓ（ｔ，ｍ）を、フレームシフト分だけずらしながら重ねて足し合わせて行き、時間領域に変換した抑圧信号ｓ（ｔ）を得る。
ｓ（ｔ，ｍ）＝ＩＦＦＴ［｜Ｓ（ω，ｍ）｜ｅｘｐ（ｊ∠Ｓ（ω，ｍ））］
【００２６】
このようにして、フレーム間において最適化された位相スペクトル∠Ｓ（ω，ｍ）を用いて信号の合成を行うことにより、合成された信号の品質を向上させることができる。
信号強調装置は、コンピュータによって実現することができる。この場合、この装置が有すべき各機能の処理内容はプログラムによって記述される。そして、このプログラムをコンピュータで実行することにより、これ装置における各処理機能が、コンピュータ上で実現される。
【００２７】
この処理内容を記述したプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録しておくことができる。また、この形態では、コンピュータ上で所定のプログラムを実行させることにより、これらの装置を構成することとしたが、これらの処理内容の少なくとも一部をハードウェア的に実現することとしてもよい。
この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００２８】
１     分析部
２     雑音パワースペクトル推定部
３     振幅ゲイン計算部
４     振幅ゲイン乗算部
５     合成部
６     位相スペクトル推定部
【図１】
2011002507.tif 000005
【図２】
2011002507.tif 000006
【図３】
2011002507.tif 000007