(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
音声信号ｓ（ｔ）を入力として、当該音声信号をｐサンプル間隔で分析を行い、上記ｐサンプルごとの基本周波数ｆ０（ｉ）と、非周期性指標Ａ（ｉ，ｆ）と、スペクトルパワーＰ（ｉ，ｆ）を出力する音声分析部と、
所定の周波数範囲ＦＬ〜ＦＨの非周期性指標の値Ａ（ｉ，ｆ）を、周波数の増加に対して小さくなる変換後非周期性指標Ａ′（ｉ，ｆ）と、当該所定の周波数ＦＨよりも大きな周波数では上記小さくなる変換後非周期性指標Ａ′（ｉ，ｆ）の最小の変換後非周期性指標Ａ′（ｉ，ｆ）とに変換して出力する非周期性指標変換部と、
上記基本周波数ｆ０（ｉ）と上記スペクトルパワーＰ（ｉ，ｆ）と上記変換後非周期性指標Ａ′（ｉ，ｆ）とを入力として音声合成音ｓ′（ｔ）を合成する音声合成部と、
を具備する音声強調装置。
【請求項２】
請求項１に記載した音声強調装置において、
上記非周期性指標変換部は、
所定の周波数範囲ＦＬ〜ＦＨの（Ｎ・ＦＬ/ｆｓ/２）以上、（Ｎ・ＦＨ/ｆｓ/２）(ｆ＝0，1，…，N-1、ｆｓはサンプリング周波数）未満の帯域番号ｆの周波数ｆ′の上記非周期性指標Ａ（ｉ，ｆ′）の値を、上記所定の周波数範囲ＦＬ〜ＦＨにおいて、減衰量γとしたときにＥ＝−γ{（ｆ′−ＦＬ）/（ＦＨ−ＦＬ）}の関係で小さくする変換関数Ｅ（ｆ）を定義する変換関数定義手段と、
上記音声分析部が出力する上記非周期性指標Ａ（ｉ，ｆ）に、上記変換関数Ｅ（ｆ）の値を加算する加算手段と、
を備えることを特徴とする音声強調装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の音声強調装置において、
上記所定の周波数範囲ＦＬ〜ＦＨは、ＦＬ＝１０００Ｈｚ以上、ＦＨ＝２０００Ｈｚ以下の範囲であることを特徴とする音声強調装置。
【請求項４】
音声信号ｓ（ｔ）を入力として、当該音声信号をｐサンプル間隔で分析を行い、上記ｐサンプルごとの基本周波数ｆ０（ｉ）と、非周期性指標Ａ（ｉ，ｆ）と、スペクトルパワーＰ（ｉ，ｆ）を出力する音声分析過程と、
所定の周波数範囲ＦＬ〜ＦＨの非周期性指標の値Ａ（ｉ，ｆ）を、周波数の増加に対して小さくなる変換後非周期性指標Ａ′（ｉ，ｆ）と、当該所定の周波数ＦＨよりも大きな周波数では上記小さくなる変換後非周期性指標Ａ′（ｉ，ｆ）の最小の変換後非周期性指標Ａ′（ｉ，ｆ）とに変換して出力する非周期性指標変換過程と、
上記基本周波数ｆ０（ｉ）と上記スペクトルパワーＰ（ｉ，ｆ）と上記変換後非周期性指標Ａ′（ｉ，ｆ）とを入力として音声合成音ｓ′（ｔ）を合成する音声合成過程と、
を備える音声強調方法。
【請求項５】
請求項４に記載した音声強調方法において、
上記非周期性指標変換過程は、
所定の周波数範囲ＦＬ〜ＦＨの（Ｎ・ＦＬ/ｆｓ/２）以上、（Ｎ・ＦＨ/ｆｓ/２）(ｆ＝0，1，…，N-1、ｆｓはサンプリング周波数）未満の帯域番号ｆの周波数ｆ′の上記非周期性指標Ａ（ｉ，ｆ）の値を、上記所定の周波数範囲ＦＬ〜ＦＨにおいて、減衰量γとしたときにＥ＝−γ{（ｆ′−ＦＬ）/（ＦＨ−ＦＬ）}の関係で小さくする変換関数Ｅ（ｆ）を定義する変換関数定義ステップと、
上記音声分析過程が出力する上記非周期性指標Ａ（ｉ，ｆ）に、上記変換関数Ｅ（ｆ）の値を加算する加算ステップと、
を含むことを特徴とする音声強調方法。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の音声強調方法において、
上記所定の周波数範囲ＦＬ〜ＦＨは、ＦＬ＝１０００Ｈｚ以上、ＦＨ＝２０００[Hz]以下の範囲であることを特徴とする音声強調方法。
【請求項７】
請求項１乃至３の何れかに記載した音声強調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】
この発明は、周囲に背景雑音がある環境において、音声を聞き取り易くする音声強調装置とその方法とプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、音声通信端末、音声合成技術などの開発・普及により、様々な場所で音声を聴取する機会が増えた。このような音声聴取は静かな場所だけではなく、空港や駅のホームのように周囲に雑音があるような騒がしい環境で聴取する場合が多い。このため、周囲の雑音によって音声が聞き取り難くなる問題がある。
【０００３】
雑音環境下での音声を聞き取り易くするために、最も簡単な方法は、雑音に応じて音量を大きくする方法である。しかし、音量を大きくし過ぎると、スピーカへの入力が過大となり、音声が歪んでしまい、かえって音質が劣化する場合がある。そこで、周波数スペクトルの特定の帯域のみを強調して音声を聞き易くする方法が従来より検討されている。
【０００４】
その方法の一つとして、音声の周波数スペクトルのピーク部分であるフォルマント（formant）を強調することで、音声の明瞭度を改善する考えが知られている（特許文献１）。図１２に、特許文献１に開示された考えを示す。図１２は、音声強調前後の音声のパワーと周波数との関係を示す図である。
【０００５】
音声の音韻性は、このフォルマントの位置によって特徴付けられることが分かっており、このフォルマント部分のみを強調することで、音量を過大に上げることなく、音声の明瞭度を改善することができる（図１２(b)の強調後の特性を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４２１９８９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
音声のスペクトルパワー（周波数スペクトルの密度分布）は聴覚的に話者を判別するための声質と密接な関係があることが知られている。しかし、従来の方法では、フォルマントが存在する帯域のみを強調することにより、スペクトルパワーが変化してしまい、声質が変化してしまう課題がある。
【０００８】
この発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、音量及び声質を変化させずに音声の明瞭度を向上させる音声強調装置と、その方法と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】
【０００９】
この発明の音声強調装置は、音声分析部と、非周期性指標変換部と、音声合成部と、を具備する。音声分析部は、音声信号ｓ（ｔ）を入力として、当該音声信号をｐサンプル間隔で分析を行い、ｐサンプルごとの基本周波数ｆ０（ｉ）と、非周期性指標Ａ（ｉ，ｆ）と、スペクトルパワーＰ（ｉ，ｆ）を出力する。非周期性指標変換部は、所定の周波数範囲ＦＬ〜ＦＨの非周期性指標の値Ａ（ｉ，ｆ）を、周波数の増加に対して小さくなる変換後非周期性指標Ａ′（ｉ，ｆ）と、当該所定の周波数ＦＨよりも大きな周波数では上記小さくなる変換後非周期性指標Ａ′（ｉ，ｆ）の最小の変換後非周期性指標Ａ′（ｉ，ｆ）とに変換して出力する。音声合成部は、基本周波数ｆ０（ｉ）とスペクトルパワーＰ（ｉ，ｆ）と変換後非周期性指標Ａ′（ｉ，ｆ）とを入力として音声合成音ｓ′（ｔ）を合成する。
【発明の効果】
【００１０】
この発明の音声強調装置は、音声信号の所定の周波数範囲の非周期性指標Ａ（ｉ，ｆ）の値を、周波数の増加に対して減少させた変換後非周期性指標Ａ′（ｉ，ｆ）を用いて音声合成し、スペクトルパワーＰ（ｉ，ｆ）は変化させないため、音量と声質を変化させることなく音声信号の音声の明瞭度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】非周期性指標Ａ（ｉ，ｆ）と音声の明瞭度スコアとの関係を示す図。
【図２】この発明の音声強調装置１００の機能構成例を示す図。
【図３】音声強調装置１００の動作フローを示す図。
【図４】音声波形ｓ（ｔ）の一例を示す図。
【図５】音声波形ｓ（ｔ）の基本周波数の一例を示す図。
【図６】図４に示す音声波形ｓ（ｔ）を分析して求めた基本周波数ｆ０（ｉ）を示す図。
【図７】変換関数Ｅ（ｆ）の一例を示す図。
【図８】変換関数定義手段２１の動作フローを示す図。
【図９】加算手段２２の動作フローを示す図。
【図１０】図４に示す音声波形ｓ（ｔ）を音声強調装置１００で音声強調した音声を、分析した変換後非周期性指標Ａ′（ｉ，ｆ）を示す図。
【図１１】図４に示す音声波形ｓ（ｔ）を分析した非周期性指標Ａ（ｉ，ｆ）を示す図。
【図１２】特許文献１に開示された音声強調の考えを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。複数の図面中同一のものには
同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。実施例の説明の前に、この発明の考えについて説明する。
【００１３】
〔この発明の考え方〕
人の声は、声帯の周期的な振動に基づく音と、声帯から口唇、及び鼻孔までの呼気の乱流による周期的な振動を伴わない音との混合音であることが知られている。この人の声を成す２つの音の混合比は、非周期性指標Ａ（ｉ，ｆ）で表すことができる（参考文献：河原英紀、“聴覚の情景分析が生んだ高品質ＶＯＣＯＤＥＲ：ＳＴＲＡＩＧＨＴ”日本音響学会誌、５４巻、７号、pp.521-526(1998.7)）。
【００１４】
非周期性指標Ａ（ｉ，ｆ）は、音声を周波数スペクトルの周期的成分（声帯の振動）と非周期的成分（呼気の乱流）の和と見なしたとき、帯域毎の非周期成分の割合を表す特徴量である。音声の明瞭度を向上させる目的で、この非周期性指標Ａ（ｉ，ｆ）に着目して雑音下における音声の聞き易さを評価する実験を行った。雑音環境としては、白色雑音、人ごみの騒音、電車の通過音を、それぞれ別々に用いて評価を行い、それぞれの結果を平均して音声の聞き易さを求めた。
【００１５】
図１に、非周期性指標と音声の明瞭度スコアとの関係を示す。横軸は、主観評価で得られた音声の聞こえ易さを５段階のスコアで表す。１は全く聞き取れない。５は全てはっきりと聞き取れる。である。縦軸は、非周期性指標Ａ（ｉ，ｆ）を[dB]で表す。
【００１６】
０〜１ＫＨｚの範囲の非周期性指標と明瞭度スコアとの相関を示す◆は、両者の間にほとんど相関が無いことを示している。１ｋＨｚ以上の周波数における非周期性指標と明瞭度スコアとの相関を示す■，▲，×，＊は、高い負の相関があることを示している。表１に相関係数を示す。
【００１７】
【表１】
0005667963.tif 000002
【００１８】
１〜８ｋＨｚの帯域で相関係数が大きい。つまり、周波数帯域が１ｋＨｚ以上の範囲において、非周期性指標Ａ（ｉ，ｆ）を減少させることで、音声が聞き易くなることが分かる。
【００１９】
この発明は、この新しい知見に基づいて音声の明瞭度を向上させる音声強調方法とその装置を実現するものである。
【実施例１】
【００２０】
図２に、この発明の音声強調装置１００の機能構成例を示す。図３にその動作フローを示す。音声強調装置１００は、音声分析部１０と、非周期性指標変換部２０と、音声合成部３０と、を具備する。音声強調装置１００の各部の機能は、例えばＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ等で構成されるコンピュータに所定のプログラムが読み込まれて、ＣＰＵがそのプログラムを実行することで実現されるものである。
【００２１】
音声分析部１０は、音声信号ｓ（ｔ）を入力として、当該音声信号ｓ（ｔ）をｐサンプル間隔で分析を行い、ｐサンプルごとの基本周波数ｆ０（ｉ）と、非周期性指標Ａ（ｉ，ｆ）と、スペクトルパワーＰ（ｉ，ｆ）を出力する（ステップＳ１０）。音声分析部１０は、基本周波数分析手段１１と、非周期性指標分析手段１２と、スペクトルパワー分析手段１３と、で構成される。図４に、サンプリング周波数１６[kHz]でサンプリングした音声信号ｓ（ｔ）の一例を示す。図４の横軸はサンプル時刻ｔ、縦軸は振幅ｓ（ｔ）である。
【００２２】
ｉ（i=0,1,…,[(T-1)/p]、Tはサンプル数）は、ｐサンプル間隔で分析した場合の分析番号（フレーム番号）であり、ｔ＝ｉｐである。また、ｆは（f=0,1,…,N-1）は、０からナイキスト周波数までの周波数帯域をＮ分割したうちの、（ｆ/Ｎ）・（ｆｓ/２）[Hz]以上、（（ｆ＋１）/Ｎ）・（ｆｓ/２）[Hz]未満の周波数帯域を表す番号（帯域番号）である。例えば、サンプリング周波数ｆｓを１６[kHz]としたときのナイキスト周波数８[kHz]を、Ｎ＝５１２個の帯域に分割する場合、帯域番号０番の周波数範囲は０〜１５.６２５[Hz]、帯域番号１番は１５.６２６〜３１.２５[Hz]、帯域番号５１２番の周波数範囲は７９８４.３７５〜８０００[Hz]である。
【００２３】
基本周波数ｆ０（ｉ）は、声の高さを表す特徴量であり、音声波形の周期をτ０[秒]としたときに、その逆数１/τ０[Hz]が基本周波数となる。図５に、図４に示した音声波形ｓ（ｔ）を時間方向に拡大して見た基本周波数ｆ０（ｉ）の一例を示す。図５の横軸は時間[ms]、縦軸は音声振幅である。図６に、図４に示した音声信号ｓ（ｔ）を分析して求めた基本周波数ｆ０（ｉ）を示す。図６の横軸はフレーム番号ｉ、縦軸は基本周波数ｆ０（ｉ）[Hz]であり、フレーム毎の声の高さを表す。図６に示す基本周波数ｆ０（ｉ）は、１２８[Hz]〜２３０[Hz]程度に分布している。
【００２４】
非周期性指標Ａ（ｉ，ｆ）は、周波数スペクトルを周期成分と非周期成分の和と見なしたとき、帯域毎の非周期成分の割合を表す。スペクトルパワーＰ（ｉ，ｆ）は、それぞれの帯域の周波数スペクトルの強さを表す。なお、音声分析部１０は公知技術で構成できる。
【００２５】
非周期性指標変換部２０は、所定の周波数範囲ＦＬ〜ＦＨの非周期性指標の値Ａ（ｉ，ｆ）と、その所定の周波数ＦＨよりも大きな周波数では小さくなる変換後非周期性指標Ａ′（ｉ，ｆ）の最小の変換後非周期性指標Ａ′（ｉ，ｆ）と、を出力する（ステップＳ２０）。ここで最小の変換後非周期性指標Ａ′（ｉ，ｆ）とは、例えば周波数範囲ＦＬ〜ＦＨにおいて周波数の増加に対して一定の傾きで小さくなる変換後非周期性指標Ａ′（ｉ，ｆ）の最小値のことであり、周波数ＦＨの変換後非周期性指標Ａ′（ｉ，ｆ）の値である。
【００２６】
非周期性指標変換部２０は、変換係数定義手段２１と、加算手段２２と、を備える。
【００２７】
変換係数定義手段２１は、所定の周波数範囲ＦＬ〜ＦＨの（Ｎ・ＦＬ/ｆｓ/２）以上、（Ｎ・ＦＨ/ｆｓ/２）未満の帯域番号ｆの周波数ｆ′の上記非周期性指標Ａ（ｉ，ｆ）の値を、所定の周波数ｆ＜ＦＬにおいてＥ（ｆ）＝０、所定の周波数範囲ＦＬ≦ｆ≦ＦＨにおいてＥ（ｆ）＝−γ{（ｆ′−ＦＬ）/（ＦＨ−ＦＬ）}、所定の周波数範囲ＦＨ＜ｆにおいてＥ（ｆ）＝−γという関係で小さくする変換関数Ｅ（ｆ）を定義する。ここでγは減衰量（γ＞０）、ｆ′は帯域番号ｆで表される実際の周波数である（式（１））。
【００２８】
【数１】
0005667963.tif 000003
【００２９】
ｆｓはサンプリング周波数、Ｎは周波数帯域の分割数である。変換関数Ｅ（ｆ）は、例えば、ＦＬ＝１０００[Hz]、ＦＨ＝２０００[Hz]として、ｆ′＜１０００[Hz]のときＥ（ｆ）＝０、１０００[Hz]≦ｆ′≦２０００ [Hz]のときＥ（ｆ）＝−γ{（ｆ′−１０００）/１０００}、ｆ′＞２０００[Hz]のときはＥ（ｆ）＝−γとする。
【００３０】
図７に、変換関数Ｅ（ｆ）の一例を示す。図７の横軸は、縦軸は変換関数Ｅ（ｆ）[dB]である。
【００３１】
図７に示す例は、小さくする変換係数Ｅ（ｆ）を、例えばＦＬ＝１０００[Hz]、ＦＨ＝２０００[Hz]で定義したものである。変換関数Ｅ（ｆ）を、例えば式（２）で定義する。
【００３２】
【数２】
0005667963.tif 000004
【００３３】
変換関数Ｅ（ｆ）は、周波数が高くなるとマイナス方向に絶対値が大きくなる関数である。この変換関数Ｅ（ｆ）の値を、非周期性指標Ａ（ｉ，ｆ）に加算することで、非周期性指標Ａ（ｉ，ｆ）を周波数の増加に対して減少させることができる。
【００３４】
変換関数定義手段２１の動作を、図８に示す動作フローを参照して更に詳しく説明する。変換関数定義手段２１は、帯域番号ｆの示す実際の周波数ｆ′ごとに変換関数Ｅ（ｆ）の値を計算する処理を全ての帯域番号ｆについて行う。帯域番号ｆの示す実際の周波数ｆ′は式（１）で計算する（ステップＳ２１１）。周波数ｆ′がＦＬ[Hz]未満の場合（ステップＳ２１２のYes）、変換関数Ｅ（ｆ）の値はＥ（ｆ）＝０とする（ステップＳ２１７）。
【００３５】
周波数ｆ′がＦＬ[Hz]以上、ＦＨ[Hz]以下の場合（ステップＳ２１３）は、式（２）で変換関数Ｅ（ｆ）の値を求める（ステップＳ２１５）。周波数ｆ′がＦＨ[Hz]より大きい場合は、変換関数Ｅ（ｆ）の値はＥ（ｆ）＝−γとする（ステップＳ２１６）。ステップＳ２１１〜Ｓ２１６の処理は、全ての帯域番号ｆについて行われる（ステップＳ２１０〜Ｓ２１７のループ）。以上の動作によって、図７に示した変換関数Ｅ（ｆ）の値が計算される。減衰量γは、図１に示した相関関係から５[dB]〜１５[dB]の値にすると良い。
【００３６】
加算手段２２は、音声分析部１０が出力する非周期性指標Ａ（ｉ，ｆ）に、変換関数定義手段２１で計算された変換関数Ｅ（ｆ）の値を加算する(ステップＳ２２)。図９に、加算手段２２の動作フローを示す。加算手段２２は、全てのフレーム番号ｉにおいて、変換関数定義手段２１で計算された変換関数Ｅ（ｆ）の値を、音声分析部１０が出力する非周期性指標Ａ（ｉ，ｆ）に加算する（ステップＳ２２２）。この加算処理は、全てのフレーム番号ｉ（ｉのループ）の全ての帯域番号ｆ（ｆのループ）について行われる。
【００３７】
図１０に、非周期性指標変換部２０で処理した変換後非周期性指標Ａ′（ｉ，ｆ）を示す。図１０の横軸はフレーム番号ｉ、縦軸は帯域周波数の帯域番号ｆである。図１０は、本来はスペクトルの大きさをグレースケールで表すものであるが、作図の都合上、約−３０[dB]以下を黒で表現している。図１０は、所定の周波数範囲ＦＬ〜ＦＨをＦＬ＝１０００[Hz]、ＦＨ＝２０００[Hz]、減衰量γ＝１５[dB]とした例である。周波数１[kHz]に対応する帯域番号ｆ＝６４以上の範囲の変換後非周期性指標Ａ′（ｉ，ｆ）が、小さくなっていることが分かる。
【００３８】
図１１に、非周期性指標変換部２０で処理する前の非周期性指標Ａ（ｉ，ｆ）を示す。横軸と縦軸の関係は図１０と同じである。図１１から明らかなように、非周期性指標変換部２０で処理する前の帯域番号ｆ＝６４以上は大きな値を示している。
【００３９】
音声合成部３０は、変換後非周期性指標Ａ′（ｉ，ｆ）と、音声分析部１０が出力する基本周波数ｆ０（ｉ）とスペクトルパワーＰ（ｉ，ｆ）とを用いて音声合成音を合成する。周波数帯域が１[kHz]以上の所定の範囲において、非周期性指標Ａ（ｉ，ｆ）を、周波数の増加に対して減少させることで、音声が聞き易くなることは、上記した図１に示す新たな知見によって明らかである。よって、この発明の音声強調装置１００で強調した音声は、騒音下でも聞き取り易い音声となる。また、スペクトルパワーを変化させないため、話者の声質も変化しない。
【００４０】
なお、所定の周波数範囲ＦＬ〜ＦＨを１０００[Hz]〜２０００[Hz]として説明したが、この周波数範囲はその前後の凡その周波数範囲でも良い。また、その周波数範囲の変換後非周期性指標Ａ′（ｉ，ｆ）を、式（２）に示すように一定の割合で減少させる例で説明を行ったが、この発明はこの実施例に限定されない。例えば、変換後非周期性指標Ａ′（ｉ，ｆ）の値を、周波数範囲ＦＬ〜ＦＨの間の飛び飛びの周波数ごとに階段状に減少させても良い。また、変換後非周期性指標Ａ′（ｉ，ｆ）の値を、周波数の増加に対して反比例する関係で設定しても同様の効果を奏する。
【００４１】
音声強調装置１００は、例えばＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ等で構成されるコンピュータに所定のプログラムが読み込まれて、ＣＰＵがそのプログラムを実行することで実現されるように構成してもよい。
【００４２】
その場合、そ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任意の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、半導体メモリがある。より具体的には、例えば、磁気記録装置として、ハードディスク装置、フレキシブルディスク、磁気テープ等を、光ディスクとして、DVD（Digital Versatile Disc）、DVD-RAM（Random Access Memory）、CD-ROM（Compact Disc Read Only Memory）、CD-R（Recordable）/RW（ReWritable）等を、光磁気記録媒体として、MO（Magneto Optical disc）等を、半導体メモリとしてEEP-ROM（Electronically Erasable and Programmable-Read Only Memory）等を用いることができる。
【００４３】
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録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。
【００４４】
また、各手段は、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構成することにしてもよいし、これらの処理内容の少なくとも一部をハードウェアとして実現することとしてもよい。
【図１】
0005667963.tif 000005
【図２】
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【図３】
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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１１】
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【図１２】
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【図４】
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