(57)【要約】【課題】各装置パターンにおける伝達特性の相関性を評価する量を導入し、それに基づいて装置構成を決める。【解決手段】伝達特性計算部１は、複数のマイクロホンの設置位置、角度及び指向性のすべての組み合わせからなるマイクロホン配置候補について、マイクロホンと音源間の伝達特性を計算する。伝達特性相関計算部２は、所定の数のマイクロホンセットに関するマイクロホン配置候補について伝達特性間の相関を計算する。周波数平均部３は、伝達特性間の相関を周波数平均化し、伝達特性の相関性が低いマイクロホン配置候補に関するマイクロホンセットの配置を固定する。最適配置選択部４は、伝達特性間の相関に基づいて最も伝達特性の相関性が低いマイクロホン配置候補を最適なマイクロホン配置として出力する。【選択図】図２
2015082745.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のマイクロホンの設置位置、角度及び指向性のすべての組み合わせからなるマイクロホン配置候補について、上記マイクロホンと音源間の伝達特性を計算する伝達特性計算部と、
配置を固定されたマイクロホンセットがなければ上記複数のマイクロホンから選択した所定の数のマイクロホンセットに関する上記マイクロホン配置候補について上記伝達特性間の相関を計算し、配置を固定されたマイクロホンセットがあれば当該配置を固定されたマイクロホンセットに配置を固定されていない所定の数のマイクロホンを加えたマイクロホンセットに関する上記マイクロホン配置候補について上記伝達特性間の相関を計算する伝達特性相関計算部と、
上記伝達特性間の相関を周波数平均化し、伝達特性の相関性が低い上記マイクロホン配置候補に関する上記マイクロホンセットの配置を固定する周波数平均部と、
上記伝達特性間の相関に基づいて最も伝達特性の相関性が低い上記マイクロホン配置候補を最適なマイクロホン配置として出力する最適配置選択部と、
を含むマイクロホン配置決定装置。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロホン配置決定装置であって、
上記伝達特性相関計算部は、上記伝達特性から計算される空間相関行列の固有値分布の平滑度合いを表す行列式を上記伝達特性間の相関として計算するものである
マイクロホン配置決定装置。
【請求項３】
伝達特性計算部が、複数のマイクロホンの設置位置、角度及び指向性のすべての組み合わせからなるマイクロホン配置候補について、上記マイクロホンと音源間の伝達特性を計算する伝達特性計算ステップと、
伝達特性相関計算部が、上記複数のマイクロホンから選択した所定の数のマイクロホンセットに関する上記マイクロホン配置候補について上記伝達特性間の相関を計算する第一伝達特性相関計算ステップと、
周波数平均部が、上記伝達特性間の相関を周波数平均化し、伝達特性の相関性が低い上記マイクロホンセットの配置を固定する周波数平均ステップと、
上記伝達特性相関計算部が、配置を固定されたマイクロホンセットに配置を固定されていない所定の数のマイクロホンを加えたマイクロホンセットに関する上記マイクロホン配置候補について上記伝達特性間の相関を計算する第二伝達特性相関計算ステップと、
最適配置選択部が、上記伝達特性間の相関に基づいて最も伝達特性の相関性が低い上記マイクロホン配置候補を最適なマイクロホン配置として出力する最適配置選択ステップと、
を含むマイクロホン配置決定方法。
【請求項４】
請求項３に記載のマイクロホン配置決定方法であって、
上記第一伝達特性相関計算ステップを実行した後、上記配置を固定されたマイクロホンセットに含まれるマイクロホンの数が上記複数のマイクロホンの数以上となるまで、上記周波数平均ステップ及び上記第二伝達特性相関計算ステップを繰り返し実行する
マイクロホン配置決定方法。
【請求項５】
請求項１又は２に記載のマイクロホン配置決定装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のマイクロホンやスピーカで構成されたアレー装置を用いたビームフォーミング技術に関する。特に、マイクロホンと音源との間の伝達特性の最適な性質を明らかにした拡散センシングに基づくビームフォーミング技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１及び２が、マイクロホンアレーを用いた拡散センシングに基づく音声強調技術の従来技術として知られている。非特許文献１及び２では、反射構造体により擬似的な拡散音場を生成し、その中にマイクロホンアレーを設置して、拡散センシングを実現している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】K. Niwa, S. Sakauchi, K. Furuya, M. Okamoto, and Y. Haneda, "Diffused sensing for sharp directivity microphone array", ICASSP 2012, 2012, pp. 225 - 228
【非特許文献２】K. Niwa, Y. Hioka, K. Furuya, and Y. Haneda, "Telescopic microphone array using reflector for segregating target source from noises in same direction", ICASSP 2012, 2012, pp. 5457-5460
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来技術において、反射構造体をマイクロホンアレーの近傍に設置することで疑似的な拡散音場を生成するためには、装置規模が大きくなる傾向がある。何故ならば、反射構造体の容積と残響時間の相関性は高くて、残響時間が長くなるほど、拡散音場に近づくためである。例えば、非特許文献２では、直径1メートルの球に収まる程度の大きさの反射構造体を構築している。ところが、適用するアプリケーションによって、装置規模はあらかじめ限定されることが多い。容積が限定されてしまうと、伝達特性の相関性が高くなり、指向性能が劣化してしまうことが課題である。
【０００５】
装置の容積が限られた中で、伝達特性間の相関を低減させるためには、装置構成を工夫する必要がある。例えば、反射構造体の形状を工夫する、反射構造体の中に拡散を誘発するような機構を取り付ける、マイクロホンまたは反射構造体に可動部を取り付けて音場の状況に応じて動かす、指向性の異なるマイクロホンを組み合わせたアレーを用いるなどの手段で実現できると考えられている。ただし、上記の実装で考えられる装置は相当多くのパターン数があると考えられるので、どの装置パターンが適切であるかを判断することが難しい。
【０００６】
本発明の目的は、各装置パターンにおける伝達特性の相関性を評価する量を導入し、それに基づいてマイクロホン配置を決定する技術を提供することである。
【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、本発明の一態様によるマイクロホン配置決定装置は、伝達特性計算部、伝達特性相関計算部、周波数平均部及び最適配置選択部を含む。伝達特性計算部は、複数のマイクロホンの設置位置、角度及び指向性のすべての組み合わせからなるマイクロホン配置候補について、マイクロホンと音源間の伝達特性を計算する。伝達特性相関計算部は、配置を固定されたマイクロホンセットがなければ複数のマイクロホンから選択した所定の数のマイクロホンセットに関するマイクロホン配置候補について伝達特性間の相関を計算し、配置を固定されたマイクロホンセットがあれば配置を固定されたマイクロホンセットに配置を固定されていない所定の数のマイクロホンを加えたマイクロホンセットに関するマイクロホン配置候補について伝達特性間の相関を計算する。周波数平均部は、伝達特性間の相関を周波数平均化し、伝達特性の相関性が低いマイクロホン配置候補に関するマイクロホンセットの配置を固定する。最適配置選択部は、伝達特性間の相関に基づいて最も伝達特性の相関性が低いマイクロホン配置候補を最適なマイクロホン配置として出力する。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、解析的に伝達特性を算出することが可能なマイクロホン配置候補の中から、最も伝達特性間の相関を低減することができるマイクロホン配置を導出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、マイクロホンと音源との配置候補を説明する図である。
【図２】図２は、第一実施形態のマイクロホン配置決定装置の機能構成を例示する図である。
【図３】図３は、第一実施形態のマイクロホン配置決定方法の処理手順を例示する図である。
【図４】図４は、第二実施形態のマイクロホン配置決定装置の機能構成を例示する図である。
【図５】図５は、第二実施形態のマイクロホン配置決定方法の処理手順を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、同じ機能を持つ構成部や同じ処理を行うステップには同一の符号を記し、重複説明を省略する。以下の説明において、テキスト中で使用する記号「→（上付き添字の右矢印）」、「^（キャレット）」、「-（上付き添字のハイフン）」等は、本来直前の文字の真上に記載されるべきものであるが、テキスト記法の制限により、当該文字の直後に記載する。式中においてはこれらの記号は本来の位置に記述している。下付き添字中で使用する「_（アンダースコア）」は下付き添字を表す。例えば、xy_zはyzがxに対する下付き添字であることを表す。また、ベクトルや行列の各要素単位で行われる処理は、特に断りが無い限り、そのベクトルやその行列の全ての要素に対して適用されるものとする。
【００１１】
まず、非特許文献１で説明されているこれまでの拡散センシングに基づく音声強調技術について説明する。
【００１２】
［観測信号のモデル化］
M(≧2)本のマイクロホンを用いて一つのターゲット音とK(≧1)個の雑音を受音する状況を考える。多くの雑音が存在する中で任意の位置にあるターゲット音を強調する指向制御を目的にする。K個の雑音源を抑圧し、ターゲット音を強調することで、この目的を達成することができる。m（m=1,2,…,M）番目のマイクロホンとターゲット音、k（k=1,2,…,K）番目の雑音との間のインパルス応答をそれぞれam(i)、bk,m(i)とする。ただし、インパルス応答長をLとし、i=0,1,…,L-1とする。なお、インパルス応答長Lは、装置の規模や構造、設置された部屋の状況によって定まる残響時間により実験的に定めればよい。ターゲット音をs(t)とし、k番目の雑音の音源信号をnk(t)とするとき、m番目のマイクロホンで観測した観測信号xm(t)は、次式でモデル化される。
【００１３】
【数１】
2015082745.tif 000003
【００１４】
ここで、tは時間のインデックスを表わす。
【００１５】
観測信号xm(t)を短時間フーリエ変換することで、式(1)の畳み込み混合は、次式のような周波数領域における瞬時混合として近似される。
【００１６】
【数２】
2015082745.tif 000004
【００１７】
ここで、ωは周波数を表し、τはフレームのインデックスを表わす。例えば、48kHzでサンプリングを行い、タップ数を2048とする。また、Xm(ω,τ)は観測信号xm(t)の時間周波数表現を表わし、S(ω,τ)はターゲット音の音源信号s(t)の時間周波数表現を表わし、Nk(ω,τ)はk番目の雑音の音源信号nk(t)の時間周波数表現を表わす。am(ω)はターゲット音とm番目のマイクロホンとの間の周波数特性を表し、bk,m(ω)はk番目の雑音とm番目のマイクロホンとの間の周波数特性を表す。以後am(ω)、bk,m(ω)を伝達特性と呼ぶ。式(2)を行列形式で表記すると、次式のようになる。
【００１８】
【数３】
2015082745.tif 000005
【００１９】
であり、Tは転置を表わす。
【００２０】
［ビームフォーミング］
ビームフォーミング後の出力信号y(t)は、次式のように観測信号xm(t)と、ターゲット音を強調するように設計されたフィルタwm(t)とを畳み込むことで得られる。
【００２１】
【数４】
2015082745.tif 000006
【００２２】
ここで、Jはフィルタ長を表わし、インパルス応答長Lと同程度とすればよい。y(t)の時間周波数表現であるY(ω,τ)は、次式で近似的に求められる。
【００２３】
【数５】
2015082745.tif 000007
【００２４】
ここで、Hは共役転置を表し、W→m(ω)の複素共役がwm(j)の周波数応答に対応する。
【００２５】
【数６】
2015082745.tif 000008
【００２６】
出力信号Y(ω,τ)に含まれる雑音成分をYN(ω,τ)と書くとき、次式のパワーpN(ω)は雑音成分のパワーとして定義される。
【００２７】
【数７】
2015082745.tif 000009
【００２８】
ここで、ETは時間的な期待値演算を表わす。音源信号が互いに無相関であると仮定すると、パワーpN(ω)は伝達特性b→k(ω)とフィルタW→(ω)だけで次式に示すように計算できる。
【００２９】
【数８】
2015082745.tif 000010
【００３０】
アレー信号処理の分野では、パワーpN(ω)を最小化するために、様々なフィルタ設計法が説明されてきた。代表例として、遅延和法と最尤法を説明する(参考文献１参照)。
〔参考文献１〕浅野太、「音のアレイ信号処理 -音源の定位・追跡と分離-」、コロナ社、2011年
【００３１】
遅延和法において、フィルタW→DSは、次式により、ターゲット音の直接音を強調するように設計される。
【００３２】
【数９】
2015082745.tif 000011
【００３３】
は、ターゲット音の直接音のアレイ・マニフォールド・ベクトルを表わす。要素hm(ω)は、ターゲット音からm番目のマイクロホンまでの直接音の経路の伝達係数を表し、ターゲット音とm番目のマイクロホン間の距離をdm、音速をc、虚数単位をjとすると、例えば次式により計算できる。
【００３４】
【数１０】
2015082745.tif 000012
【００３５】
また、最尤法において、フィルタW→MLは、次式により、ターゲット音の直接音を強調し、パワーpN(ω)を最小化するように設計される。
【００３６】
【数１１】
2015082745.tif 000013
【００３７】
ここで、R(ω)は雑音の空間相関行列を表わす。例えば、音源信号間が無相関であると仮定すると、雑音の空間相関行列R(ω)は次式のように、伝達特性b→k(ω)のみを用いて計算される。
【００３８】
【数１２】
2015082745.tif 000014
【００３９】
参考文献１に記載されているような古典的なアレー信号処理において、マイクロホン間の間隔をどのようにアレンジするのかといったことが考えられてきた。しかし、特定の周波数を除いてマイクロホン間の相関が高くなることが多かった。代表的な問題として知られているのは以下の二つである。一つ目は波長の長い低周波帯域では、伝達特性間の相関が高くなりやすいので、狭指向制御しづらいことである。二つ目は波長の短い高周波帯域では、波長の半波長以下の間隔でマイクロホンを並べない限り、特定のターゲット音以外の音を強調してしまう空間エリアジングが生じることである。以上の二点から、広帯域に渡ってパワーpN(ω)を小さくすることは困難とされてきた。
【００４０】
［拡散センシング］
非特許文献１では、広帯域に渡ってパワーpN(ω)を小さくするために、伝達特性の性質がどういう性質であるべきかが検討され、拡散センシングという基礎理論が纏められている。
【００４１】
拡散センシングのコンセプトは、“伝達特性の物理的変調”により、次式のように広帯域に渡って伝達特性を無相関化させることにある。
【００４２】
【数１３】
2015082745.tif 000015
【００４３】
ここで、伝達特性の物理的変調とは、伝達特性の性質そのものを変えるためのあらゆる物理的手段のことを指し、例えば、(1)マイクロホンの近傍に反射構造体を設置する、(2)反射構造体の構造を複雑化する、(3)球（剛体）等の回折を誘発する物体を設置する、(4)マイクロホンの配置を変える、(5)マイクロホンそのものの指向性（無指向性、単一指向性、双指向性など）を混在させる、(6)指向性マイクの近傍に反射・回折を設置する、(7)収録する室の壁や床などの素材を変える、などの手段が挙げられる。非特許文献１で提案されている方式は、多数回反射を繰り返し、等方位的に反射音が到来する音場（拡散音場）を生成し、その中にマイクロホンアレーを設置する方式である。例えば、マイクロホンアレーを包囲するような形状の反射構造体を作り、一面だけ開けておけば、反射構造体内に到来した音が自ずと反射を繰り返し、疑似的な拡散音場を生成することになる。
【００４４】
拡散音場にマイクロホンアレーを設置すると伝達特性間が無相関化される理由を簡単に説明する。伝達特性間の相関をγ(ω)とすると、拡散音場における相関γ(ω)は次式により計算されることが知られている。
【００４５】
【数１４】
2015082745.tif 000016
【００４６】
ここで、ESは空間的な期待値演算を表し、p→はマイクロホン間の位置ベクトルを表わす。
【００４７】
マイクロホン間の距離||p→||が十分に広いとすると、拡散音場における伝達特性間の相関γ(ω)の期待値は0になる。
【００４８】
【数１５】
2015082745.tif 000017
【００４９】
この特性を利用するために、従来技術においては、反射構造体により疑似的な拡散音場を物理的に生成し、その中にマイクロホンアレーを設置してきた（非特許文献１、２参照）。
【００５０】
また、パワーpN(ω)を小さくするために、事前のシミュレーションや測定により用意した伝達特性を用いたフィルタ設計方式を検討してきた。簡単に言えば、ターゲット音のみを強調するようにしてきたが、拡散センシングに基づく制御では伝達特性そのものを強調するように設計される。
【００５１】
遅延和法をベースとする場合、次式のように、アレイ・マニフォールド・ベクトルh→(ω)をターゲット音の伝達特性a→(ω)に置き換えることで、フィルタW→DS1(ω)を設計できる。
【００５２】
【数１６】
2015082745.tif 000018
【００５３】
この場合、伝達特性a→(ω)をシミュレーションや実測により事前に用意する必要がある。
【００５４】
また、最尤法をベースとする場合、次式によりフィルタW→DS2(ω)を設計できる。
【００５５】
【数１７】
2015082745.tif 000019
【００５６】
この場合も同様に、伝達特性a→(ω)や空間相関行列R(ω)をシミュレーションや実測により事前に用意する必要がある。先に挙げたような物理的手段を用いて、疑似的な拡散音場を生成し音を収音する場合、伝達特性が自ずと無相関化されていることが期待されるので、パワーpN(ω)を広帯域に渡って小さくすることができた。
【００５７】
＜第一実施形態＞
本実施形態では、何らかの物理的手段により、伝達特性間の相関を低減させることを目的としている。従来技術では、反射構造物を用いて拡散させた音場にマイクロホンを配置することで、伝達特性間の相関を低減させることを実践してきた。しかし、伝達特性をシミュレーションや実測により、あらかじめ用意することが課題であった。
【００５８】
本実施形態では、事前に解析的に伝達特性のモデル化が可能なマイクロホン素子の(1)設置位置、(2)角度、(3)指向性といった要素を変数とし、各変数の組み合わせからなる多数の配置候補の中から、最も伝達特性間の相関を低減させる可能性のあるマイクロホン配置候補を探索し、最適なマイクロホン配置を実装したマイクロホンアレー装置を構成できるようにする。
【００５９】
具体的には、マイクロホンアレー装置を構成するマイクロホン数をM、各マイクロホンの設置位置の候補数をP1、各マイクロホンの角度（水平角、仰角の組み合わせを含む）をP2、各マイクロホンの指向性の種類をP3とすると、マイクロホンの配置方法としてK（=P1×P2×P3）パターンがあり得ることになる。Kパターンのマイクロホン配置候補に対してM本のマイクロホンを配置するL（=KCM）パターンのマイクロホン配置候補における伝達特性間の相関を評価して、最適なマイクロホン配置を決定する。
【００６０】
図１に、Kパターンのマイクロホン配置候補及びNパターンの音源位置候補の一例を示す。M個のマイクロホンはそれぞれ予め定められたP1個の設置位置候補のいずれかに配置される。各マイクロホンは予め定められたP2通りの角度のいずれかに向かって設置される。各マイクロホンは予め定められたP3種類の指向性のうちいずれかの指向性を持つ。音源は予め定められたN個の設置位置候補のいずれかに配置される。図１では、M=7、P1=10としてマイクロホン配置候補の一例を示しており、N=6として音源位置候補の一例を示している。
【００６１】
図２を参照して、第一実施形態に係るマイクロホン配置決定装置の機能構成の一例を説明する。マイクロホン配置決定装置は、伝達特性計算部１、伝達特性相関計算部２、周波数平均部３、最適配置選択部４、マイクロホン配置候補記憶部７及び音源位置候補記憶部８を含む。マイクロホン配置決定装置は、例えば、中央演算処理装置（Central Processing Unit、CPU）、主記憶装置（Random Access Memory、RAM）などを有する公知又は専用のコンピュータに特別なプログラムが読み込まれて構成された特別な装置である。マイクロホン配置決定装置は、例えば、中央演算処理装置の制御のもとで各処理を実行する。マイクロホン配置決定装置に入力されたデータや各処理で得られたデータは、例えば、主記憶装置に格納され、主記憶装置に格納されたデータは必要に応じて読み出されて他の処理に利用される。マイクロホン配置決定装置が備える各記憶部は、例えば、RAM（Random Access Memory）などの主記憶装置、ハードディスクや光ディスクもしくはフラッシュメモリ（Flash Memory）のような半導体メモリ素子により構成される補助記憶装置、またはリレーショナルデータベースやキーバリューストアなどのミドルウェアにより構成することができる。マイクロホン配置決定装置が備える各記憶部は、それぞれ論理的に分割されていればよく、一つの物理的な記憶装置に記憶されていてもよい。
【００６２】
マイクロホン配置候補記憶部７には、予め定めたP1個の設置位置候補、P2通りの角度及びP3種類の指向性の全てを組み合わせたK（=P1×P2×P3）パターンのマイクロホン配置候補が記憶されている。
【００６３】
音源位置候補記憶部８には、予め定めたN個の設置位置候補に対応するNパターンの音源位置候補が記憶されている。
【００６４】
図３を参照しながら、第一実施形態のマイクロホン配置決定装置が実行するマイクロホン配置決定方法の処理フローの一例を、実際に行われる手続きの順に従って説明する。
【００６５】
ステップＳ１において、伝達特性計算部１は、マイクロホン配置候補記憶部７に記憶されたKパターンのマイクロホン配置候補と音源位置候補記憶部８に記憶されたNパターンの音源位置候補とを入力とし、伝達特性A(ω)=[A1T(ω),…,AKT(ω)]Tを解析的に導出する。伝達特性A(ω)は伝達特性相関計算部２へ入力される。ここで、Ak(ω)=[Ak,1(ω),…,Ak,N(ω)]であり、Ak,n(ω)はk番目のマイクロホン配置候補とn番目の音源位置候補との間の伝達特性を表す。以下に解析的に伝達特性を算出する方法の一例を示す。
【００６６】
k番目のマイクロホン配置候補の位置を原点としたときのn番目の音源位置候補の相対位置ベクトルをqk,n=rk,n[sin(θk,n)cos(φk,n), sin(θk,n)sin(φk,n), cos(θk,n)]Tと表す。ここで、rk,nはk番目のマイクロホン配置候補とn番目の音源位置候補との間の距離を表し、θk,nはk番目のマイクロホン配置候補とn番目の音源位置候補との間の仰角を表し、φk,nはk番目のマイクロホン配置候補とn番目の音源位置候補との間の水平角を表す。また、θk,n(R)はk番目のマイクロホン配置候補における設置角度の仰角を表し、φk,n(R)はk番目のマイクロホン配置候補における設置角度の水平角を表す。また、k番目のマイクロホン配置候補の設置角度ベクトルをqk(R)=[sin(θk,n(R))cos(φk,n(R)), sin(θk,n(R))sin(φk,n(R)), cos(θk,n(R))]Tと表す。このとき、k番目のマイクロホン配置候補とn番目の音源位置候補との間の受音ゲインDk,nは、マイクロホンの指向性の種類に応じて、以下のように算出することができる。
【００６７】
(i)無指向性マイクロホン素子を用いた場合の受音ゲインDk,nは次式で表される。
【００６８】
【数１８】
2015082745.tif 000020
【００６９】
(ii)単一指向性マイクロホン素子を用いた場合の受音ゲインDk,nは次式で表される。
【００７０】
【数１９】
2015082745.tif 000021
【００７１】
(iii)超指向性マイクロホン素子を用いた場合の受音ゲインDk,nは次式で表される。
【００７２】
【数２０】
2015082745.tif 000022
【００７３】
自由音場での収録を前提とした場合の伝達特性は、上記のいずれかの方法で算出された受音ゲインDk,nを用いて次式により算出される。
【００７４】
【数２１】
2015082745.tif 000023
【００７５】
ここまでは、反射波の影響を含めた伝達特性のモデル化を行わなかったが、例えば、部屋や車内といった空間の固定された位置にマイクロホンアレーを設置する場合には、反射波を含めた伝達特性のモデル化を行ったほうがよい。反射波のモデル化には様々な方法があるが、例えば、鏡像法によるモデル化が挙げられる（参考文献２参照）。
〔参考文献２〕J. B. Allen and D. A. Berkley, “Image method for efficiently simulating small-room acoustics”, The Journal of the Acoustical Society of America, vol. 65, no. 4, pp. 943-950, 1979.
【００７６】
また、Nパターンの音源位置候補の位置に必ずしも音源がなければならないわけではなく、事前に音源が存在しそうな位置に対して高い重みを与えることで、音場で予測される観測信号の空間的特性をモデル化してもよい。
【００７７】
ステップＳ２において、伝達特性相関計算部２は、伝達特性A(ω)を入力として、L（=KCM）パターンのマイクロホン配置候補それぞれにおける伝達特性間の相関C(ω)=[C1(ω),…,CL(ω)]Tを計算する。i（i=1,…,L）番目のマイクロホン配置候補におけるマイクロホンのインデックスを{σ1(i),…,σM(i)}∈σ(i)と表す。ここで、σm(i)は1以上K以下の整数の中で該当する値を出力する関数である。
【００７８】
伝達特性間の相関の計算方法は様々あるが、(i)伝達特性の相関のパワー平均Ci(1)(ω)を用いる方法、(ii)通信路容量Ci(2)(ω)を用いる方法、(iii)条件数Ci(3)(ω)を用いる方法、(iv)行列式Ci(4)(ω)を用いる方法の四つを示す。
【００７９】
(i)まず、伝達特性の相関のパワー平均Ci(1)(ω)の計算方法を以下に示す。制御点の全ての組み合わせで伝達特性間の相関のパワーを次式により計算して平均化する。
【００８０】
【数２２】
2015082745.tif 000024
【００８１】
ここで、βnはn番目の音源位置に対する重みであり、音源が存在する可能性が高い位置ほど大きな値に設定する。音源の位置に関する事前情報がない場合には、βn=1とすればよい。伝達特性の相関が低いほどCi(1)(ω)の値は小さくなり、完全に伝達特性間が無相関である場合にCi(1)(ω)=0になる。
【００８２】
(ii)次に、通信路容量を用いる方法を示す。通信路容量とは、無線におけるMIMO（Multiple-Input and Multiple-Output）系ではよく用いられている尺度であり、音源とマイクロホン間を伝送路として見立てたときの伝送路で送れる最大の情報量である（参考文献３参照）。
〔参考文献３〕G. J. Foschini et al., “On limits of wireless communications in a fading environment when using multi-element antennas”, Wireless Personal Communications, 1998, vol. 6, no. 3, pp.311-335
【００８３】
通信路容量Ci(2)(ω)は次式で計算できる。
【００８４】
【数２３】
2015082745.tif 000025
【００８５】
ここで、PSNR(ω)は音源信号とセンサノイズの平均的なSN比である。また、Λi,m(ω)はi番目のM本のマイクロホンによるマイクロホン配置候補において期待される空間相関行列Ri(ω)のm番目の固有値であり、Λi,1(ω)≧…≧Λi,M(ω)≧0のように整列されている。音源信号が互いに無相関であると仮定すると、空間相関行列Ri(ω)は解析された伝達特性を用いて、次式により近似的に計算することができる。
【００８６】
【数２４】
2015082745.tif 000026
【００８７】
伝達特性の相関が低いほどCi(2)(ω)の値は大きくなる。完全に伝達特性間が無相関である場合、固有値がΛi,1(ω)≒…≒Λi,M(ω)のように平滑になるので、空間相関行列Ri(ω)のトレース一定の条件下で通信路容量Ci(2)(ω)は最大になる。
【００８８】
(iii)次に、条件数Ci(3)(ω)を用いる方法を示す。n番目のマイクロホンにおける条件数は、次式のように空間相関行列Ri(ω)の最大固有値と最小固有値の比で計算される。
【００８９】
【数２５】
2015082745.tif 000027
【００９０】
伝達特性の相関が低いほどCi(3)(ω)の値は小さくなる。完全に伝達特性間が無相関である場合、Ci(3)(ω)=1になる。
【００９１】
(iv)最後に、行列式Ci(4)(ω)を用いる方法を示す。行列式は、固有値分布の平滑度合を評価するために用いられる一つの評価関数である。
【００９２】
【数２６】
2015082745.tif 000028
【００９３】
伝達特性の相関が低いほどCi(4)(ω)の値は大きくなる。完全に伝達特性間が無相関である場合、Ci(4)(ω)=1になる。
【００９４】
ステップＳ３において、周波数平均部３は、上記で述べた四種のうちのいずれか一種の方式で計算された伝達特性間の相関C(ω)=[C1(ω),…,CL(ω)]Tを入力とし、次式により周波数平均化された伝達特性間の相関C-=[C-1,…,C-L]Tを出力する。
【００９５】
【数２７】
2015082745.tif 000029
【００９６】
ここで、Ωは平均化する周波数インデックスの集合であり、|Ω|はその総数を表わす。また、g(ω)は周波数毎の重みを表わす。音声が白色的であると仮定するのであれば、g(ω)=1としても問題ない。
【００９７】
ステップＳ４において、最適配置選択部４は、周波数平均化された伝達特性間の相関C-=[C-1,…,C-L]Tを入力とし、最も伝達特性の相関性が低くなるマイクロホンの組み合わせ方{σ1(iopt),…,σM(iopt)}∈σ(iopt)を出力する。
【００９８】
伝達特性間の相関として、例えば、パワー平均Cj(1)(ω)や条件数Cj(3)(ω)を用いた場合には、次式によりマイクロホンの組み合わせのインデックスioptを選択する。
【００９９】
【数２８】
2015082745.tif 000030
【０１００】
また、伝達特性間の相関として、例えば、通信路容量Cj(2)(ω)や行列式Cj(4)(ω)を用いた場合には、次式によりマイクロホンの組み合わせのインデックスioptを選択する。
【０１０１】
【数２９】
2015082745.tif 000031
【０１０２】
このように、第一実施形態のマイクロホン配置決定装置は、マイクロホン素子の(1)設置位置、(2)角度、(3)指向性といった要素を変数とし、各変数の組み合わせからなる多数の配置候補について、解析的に伝達特性の導出を行うため、シミュレーションや実測により事前に伝達特性を用意する必要がない。こうして導出した伝達特性に基づいて伝達特性間の相関を計算することで、最も伝達特性の相関性が低いマイクロホン配置を決定することができる。
【０１０３】
＜第二実施形態＞
第一実施形態では、解析的に算出した伝達特性に基づいて、伝達特性間の相関を低減するために最適なマイクロホン配置を決定する処理フローについて説明した。しかし、マイクロホンの本数や配置方法について多数の候補を用意すると、マイクロホン配置候補のパターン数が大きな値になってしまい、計算量が膨大になる場合がある。第二実施形態では、マイクロホンの最適配置計算における計算量を削減したマイクロホン配置決定装置について説明する。
【０１０４】
計算量削減のための基本的なアイデアは、伝達特性の相関性を低減することに貢献するマイクロホンを逐次的に選択しながら候補を絞ることである。これにより、伝達特性の相関性を計算するパターン数が減少し、全体の計算量を削減することができる。
【０１０５】
図４を参照して、第二実施形態に係るマイクロホン配置決定装置の機能構成の一例を説明する。第二実施形態に係るマイクロホン配置決定装置は、第一実施形態と同様に、伝達特性計算部１、最適配置選択部４、マイクロホン配置候補記憶部７及び音源位置候補記憶部８を含む。第二実施形態に係るマイクロホン配置決定装置は、さらに、伝達特性相関計算部５及び周波数平均部６を含む。
【０１０６】
図５を参照しながら、第二実施形態のマイクロホン配置決定装置が実行するマイクロホン配置決定方法の処理フローの一例を、実際に行われる手続きの順に従って説明する。
【０１０７】
ステップＳ１において、伝達特性計算部１は、第一実施形態と同様に、マイクロホン配置候補記憶部７に記憶されたKパターンのマイクロホン配置候補と音源位置候補記憶部８に記憶されたNパターンの音源位置候補とを入力とし、伝達特性A(ω)=[A1T(ω),…,AKT(ω)]Tを解析的に導出する。伝達特性の計算方法は、第一実施形態と同様であるので、ここでは詳細な説明は省略する。
【０１０８】
ステップＳ５ａにおいて、伝達特性相関計算部５は、Kパターンのマイクロホン配置候補の中から、伝達特性間の相関の低減に貢献するρ本のマイクロホンの組み合わせをP組選択する。すでに配置が固定されているマイクロホンが存在する場合には、まだ配置が固定されていないマイクロホンの中からρ本のマイクロホンの組み合わせをP組選択する。マイクロホンの組み合わせはマイクロホンセットと呼ぶこともある。ρは2以上の任意の整数である。配置候補選択部５の処理は繰り返し実行されるが、ρの値は実行する度に毎回異なる値であっても構わない。以降の説明では、ρ=2の場合を例として説明する。Pは2以上の任意の整数である。Pの値に制限はないが、小さい値であるほど計算量が削減することに対応するため、より小さい値とすることが望ましい。
【０１０９】
ステップＳ５ｂにおいて、伝達特性相関計算部５は、伝達特性A(ω)を入力として、L2（=KCP）パターンのマイクロホン配置候補それぞれにおける伝達特性間の相関C(ω)=[C1(ω),…,CL_2(ω)]Tを計算する。p（p=1,…,P）番目の選択されたマイクロホンのインデックスを{σ1(p),…,σρ(p)}∈σ(p)と表す。j（j=1,…,L2）番目のρ本のマイクロホンの組み合わせ候補とn番目の音源位置との間の伝達特性をαj,n(2)(ω)=[Aσ_1(j),n(ω),…,Aσ_ρ(j),n(ω)]Tとする。αj,n(2)(ω)は入力された伝達特性A(ω)から計算されるものである。
【０１１０】
伝達特性間の相関の計算方法は、第一実施形態と同様に、(i)伝達特性の相関のパワー平均Ci(1)(ω)を用いる方法、(ii)通信路容量Ci(2)(ω)を用いる方法、(iii)条件数Ci(3)(ω)を用いる方法、(iv)行列式Ci(4)(ω)を用いる方法の四種類の中から任意の尺度を用いて計算すればよい。
【０１１１】
(i)まず、伝達特性の相関のパワー平均Ci(1)(ω)の計算方法を以下に示す。
【０１１２】
【数３０】
2015082745.tif 000032
【０１１３】
伝達特性の相関が低いほどCi(1)(ω)の値は小さくなり、完全に伝達特性間が無相関である場合にCi(1)(ω)=0になる。
【０１１４】
(ii)次に、通信路容量Ci(2)(ω)の計算方法を以下に示す。
【０１１５】
【数３１】
2015082745.tif 000033
【０１１６】
ここで、PSNR(ω)は音源信号とセンサノイズの平均的なSN比である。また、Λj,m(2)(ω)はj番目のρ本のマイクロホンセットによるマイクロホン配置候補において期待される空間相関行列Rj(2)(ω)のm番目の固有値であり、Λj,1(2)(ω)≧…≧Λj,ρ(2)(ω)≧0のように整列されている。音源信号が互いに無相関であると仮定すると、空間相関行列Rj(2)(ω)は解析された伝達特性を用いて、次式により近似的に計算することができる。
【０１１７】
【数３２】
2015082745.tif 000034
【０１１８】
伝達特性の相関が低いほどCi(2)(ω)の値は大きくなる。完全に伝達特性間が無相関である場合、固有値がΛi,1(2)(ω)≒…≒Λi,ρ(2)(ω)のように平滑になるので、空間相関行列Ri(2)(ω)のトレース一定の条件下で通信路容量Ci(2)(ω)は最大になる。
【０１１９】
(iii)次に、条件数Ci(3)(ω)の計算方法を以下に示す。
【０１２０】
【数３３】
2015082745.tif 000035
【０１２１】
伝達特性の相関が低いほどCi(3)(ω)の値は小さくなる。完全に伝達特性間が無相関である場合、Ci(3)(ω)=1になる。
【０１２２】
(iv)最後に、行列式Ci(4)(ω)の計算方法を以下に示す。
【０１２３】
【数３４】
2015082745.tif 000036
【０１２４】
伝達特性の相関が低いほどCi(4)(ω)の値は大きくなる。完全に伝達特性間が無相関である場合、Ci(4)(ω)=1になる。
【０１２５】
ステップＳ６ａにおいて、周波数平均部６は、上記で述べた四種のうちのいずれか一種の方式で計算された伝達特性間の相関C(ω)=[C1(ω),…,CL_2(ω)]Tを入力とし、次式により周波数平均化された伝達特性間の相関C-=[C-1,…,C-L_2]Tを出力する。
【０１２６】
【数３５】
2015082745.tif 000037
【０１２７】
ステップＳ６ｂにおいて、周波数平均部６は、伝達特性間の相関C-に基づいて、伝達特性の相関性が低くなるP個のマイクロホン組み合わせ候補{σ1(p),…,σρ(p)}（p=1,…,P）を出力する。伝達特性間の相関として、例えば、パワー平均Cj(1)(ω)や条件数Cj(3)(ω)を用いた場合には、C-jの小さい順にP個のマイクロホン配置候補を選択する。伝達特性間の相関として、例えば、通信路容量Cj(2)(ω)や行列式Cj(4)(ω)を用いた場合には、C-jの大きい順にP個のマイクロホン配置候補を選択する。
【０１２８】
ステップＳ６ｃにおいて、周波数平均部６は、上述の処理で選択されたP個のマイクロホンの組み合わせσ1(p),…,σρ(p)を固定する。続いて、ステップＳ６ｄにおいて、周波数平均部６は、M本のマイクロホンの配置が決定しているかどうかを判定し、M本以上のマイクロホンの配置が決定している場合には、次のステップＳ４へ処理を進める。配置が決定しているマイクロホンの本数がM未満であれば、ステップＳ５ａへ処理を戻す。これにより、伝達特性相関計算部５及び周波数平均部６の処理は、M本のマイクロホンの組み合わせが決定されるまで繰り返し実行されることになる。以上の処理により、M本のマイクロホンの組み合わせにおいて、Pパターンのマイクロホン配置候補に対応する周波数平均化された伝達特性間の相関C-=[C-1,…,C-P]Tを算出することができる。
【０１２９】
ステップＳ４において、最適配置選択部４は、伝達特性間の相関C-=[C-1,…,C-P]Tを入力とし、最も伝達特性の相関性が低くなるマイクロホンの組み合わせ{σ1(popt),…,σM(popt)}∈σ(popt)を出力する。
【０１３０】
伝達特性間の相関として、例えば、パワー平均Cj(1)(ω)や条件数Cj(3)(ω)を用いた場合には、次式によりマイクロホンの組み合わせのインデックスpoptを選択する。
【０１３１】
【数３６】
2015082745.tif 000038
【０１３２】
また、伝達特性間の相関として、例えば、通信路容量Cj(2)(ω)や行列式Cj(4)(ω)を用いた場合には、次式によりマイクロホンの組み合わせのインデックスpoptを選択する。
【０１３３】
【数３７】
2015082745.tif 000039
【０１３４】
このように第二実施形態のマイクロホン配置決定装置は、伝達特性の相関性を低減することに貢献するマイクロホンを逐次的に選択しながら最適なマイクロホン配置を決定するため、伝達特性間の相関を計算するパターン数を減少することができ、全体の計算量を削減することができる。
【０１３５】
この発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。上記実施例において説明した各種の処理は、記載の順に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されてもよい。
【０１３６】
［プログラム、記録媒体］
上記実施形態で説明した各装置における各種の処理機能をコンピュータによって実現する場合、各装置が有すべき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、上記各装置における各種の処理機能がコンピュータ上で実現される。
【０１３７】
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。コンピュータで読み取り可能な記録媒体としては、例えば、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、半導体メモリ等どのようなものでもよい。
【０１３８】
また、このプログラムの流通は、例えば、そのプログラムを記録したＤＶＤ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬型記録媒体を販売、譲渡、貸与等することによって行う。さらに、このプログラムをサーバコンピュータの記憶装置に格納しておき、ネットワークを介して、サーバコンピュータから他のコンピュータにそのプログラムを転送することにより、このプログラムを流通させる構成としてもよい。
【０１３９】
このようなプログラムを実行するコンピュータは、例えば、まず、可搬型記録媒体に記録されたプログラムもしくはサーバコンピュータから転送されたプログラムを、一旦、自己の記憶装置に格納する。そして、処理の実行時、このコンピュータは、自己の記録媒体に格納されたプログラムを読み取り、読み取ったプログラムに従った処理を実行する。また、このプログラムの別の実行形態として、コンピュータが可搬型記録媒体から直接プログラムを読み取り、そのプログラムに従った処理を実行することとしてもよく、さらに、このコンピュータにサーバコンピュータからプログラムが転送されるたびに、逐次、受け取ったプログラムに従った処理を実行することとしてもよい。また、サーバコンピュータから、このコンピュータへのプログラムの転送は行わず、その実行指示と結果取得のみによって処理機能を実現する、いわゆるＡＳＰ（Application Service Provider）型のサービスによって、上述の処理を実行する構成としてもよい。なお、本形態におけるプログラムには、電子計算機による処理の用に供する情報であってプログラムに準ずるもの（コンピュータに対する直接の指令ではないがコンピュータの処理を規定する性質を有するデータ等）を含むものとする。
【０１４０】
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、本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。
【符号の説明】
【０１４１】
１  伝達特性計算部
２、５  伝達特性相関計算部
３、６  周波数平均部
４  最適配置選択部
７  マイクロホン配置候補記憶部
８  音源配置候補記憶部
【図１】
2015082745.tif 000040
【図２】
2015082745.tif 000041
【図３】
2015082745.tif 000042
【図４】
2015082745.tif 000043
【図５】
2015082745.tif 000044