(57)【要約】【課題】マイクロフォンから入力された複数音声等のハーモニーを判定する。【解決手段】基本周波数抽出部４１で、マイクロフォン２から同時に入力された二人の入力音声の基本周波数をそれぞれ抽出する。基本周波数はフーリエ変換された各周波数成分に対して複素スペクトル内挿法などの補間手法を加えて高精度に抽出される。音程検出部４３では、二つの基本周波数で代表される音の音程に近い所定の音程の音程名を検出する。音程名は表示装置５に表示される。音程名とともに音程の正確さや譜面化された音高も表示することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロフォンから入力された音を各周波数成分に分解する周波数分析手段と、
前記周波数分析手段によって得られた周波数スペクトルに現れたピークのうちからレベルの高い順に予定数のピークを検出し、該予定数のピークの周波数を入力音の基本周波数として決定する基本周波数抽出手段と、
決定された前記基本周波数のうち周波数が隣接するもの同士の比の値によって音程を算出する音程算出手段と、
前記音程算出手段で算出された音程に近い所定の音程に対応する音程名を表示する音程名表示手段とを具備したことを特徴とする音程判定装置。
【請求項２】
マイクロフォンから入力された音を各周波数成分に分解する周波数分析手段と、
前記周波数分析手段によって得られた周波数スペクトルに現れたピークのうちからレベルの高い順に予定数のピークを検出し、該予定数のピークの周波数を入力音の基本周波数として決定する基本周波数抽出手段と、
前記基本周波数を有する音声と比較される比較音を指定する手段と、
前記指定に応じて比較音を発生する比較音発生手段と、
決定された前記基本周波数と指定された比較音の周波数との比の値によって音程を算出する音程算出手段と、
前記音程算出手段で算出された音程に近い所定の音程に対応する音程名を表示する音程名表示手段とを具備したことを特徴とする音程判定装置。
【請求項３】
前記音程算出手段で算出された音程と該音程に近い所定の音程との違いを音程の正確さとして表示する正確さ表示手段を具備したことを特徴とする請求項１または２記載の音程判定装置。
【請求項４】
前記予定数の基本周波数に対応する音高を譜面として表示する音高表示手段を具備したことを特徴とする請求項１または２記載の音程判定装置。
【請求項５】
前記基本周波数抽出手段で基本周波数の抽出対象となる周波数範囲を設定する手段と、
前記周波数分析手段から出力される各周波数成分を前記周波数範囲に制限する手段とを具備したことを特徴とする請求項１または２記載の音程判定装置。
【請求項６】
前記基本周波数抽出手段が、検出された前記予定数のピークの周波数を仮の基本周波数とし、該仮の基本周波数と該基本周波数にそれぞれ隣接する周波数成分の周波数との補間により真の基本周波数を決定するように構成されたことを特徴とする請求項１または２記載の音程判定装置。
【請求項７】
前記マイクロフォンから入力される音が、歌唱音であることを特徴とする請求項１または２記載の音程判定装置。
【請求項８】
前記マイクロフォンから入力される音が、楽器演奏音であることを特徴とする請求項１または２記載の音程判定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音程判定装置に関し、特に、正確なハーモニーつまり和声を発生させるように歌唱もしくは楽器演奏するための練習に適した音程判定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自分で唱った歌の正確さを自分で判断しつつ歌唱練習できるようにするため、歌の正確さを表示装置に表示することができる歌唱自習器が知られる（特公昭６０−３８７８号公報）。この自習器では、手本となる歌信号とマイクロフォンから入力された練習者の歌信号とに関して歌のメロディや音量などの特徴を抽出し、両歌信号の前記特徴を表示装置に同時に表示させる。歌唱者はこの表示によって自分の歌と手本の歌とのずれを視覚的に認識できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記歌唱自習器は、手本となる歌信号に対して練習者の歌信号を一致させるようにする練習では効果が期待できる。しかし、この歌唱自習器の表示では、複数の歌唱者の歌声がきれいな和声になっているか、つまり正確なハーモニーを生じているかを判断することはできない。合唱など、多数の人が歌唱するような楽曲においては、一人一人の歌唱者が和音の一音を分担して正確に歌唱しなければならない。そこで、単に手本となる音との一致を判断できるような表示にとどまらず、複数の歌声の和声的音程の正確さを判断できる表示を伴う練習装置が望まれる。
【０００４】
本発明は、上記課題に鑑み、複数の歌唱音もしくは演奏音が正確な和声を生じているかどうかを表示することができる音程練習装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決し、目的を達成するための本発明は、マイクロフォンからの入力音の周波数スペクトルに現れたピークのうちからレベルの高い順に、予定数のピークの周波数を基本周波数として決定する基本周波数抽出手段と、決定された前記基本周波数のうち周波数が隣接するもの同士の比の値によって音程を算出する音程算出手段と、算出音程に近い所定の音程に対応する音程名を表示する音程名表示手段とを具備した点に第１の特徴がある。
【０００６】
第１の特徴によれば、例えば、マイクロフォンから同時に二つの音源で発生された音が入力されたときに、その合成音の周波数スペクトルから二つの基本周波数が抽出される。そして、複数の基本周波数の音程に近い音程名が選ばれて表示される。この表示された音程名をみて、正確な和声の音が入力されたか否かを判断することができる。
【０００７】
また、本発明は、マイクロフォンから入力された音の基本周波数と予め指定して発生された比較音の周波数との音程を算出する音程算出手段と、算出音程に近い所定の音程に対応する音程名を表示する音程名表示手段とを具備した点に第２の特徴がある。
【０００８】
第２の特徴によれば、マイクロフォンから入力された音と比較音との音程が正確な音程になっているかどうかを表示することができる。
【０００９】
また、本発明は、前記音程算出手段で算出された音程と該音程に近い所定の音程との違いを音程の正確さとして表示する正確さ表示手段を具備した点に第３の特徴がある。第３の特徴によれば、表示により所定の音程との違いを詳細に判断することができる。
【００１０】
また、本発明は、前記予定数の基本周波数に対応する音高を譜面として表示する音高表示手段を具備した点に第４の特徴がある。第４の特徴によれば、入力された音の音高を譜面上で確認できる。
【００１１】
また、本発明は、前記基本周波数抽出手段で基本周波数の抽出対象となる周波数範囲を設定し、周波数分析手段で分解された入力音の各周波数成分を前記周波数範囲に制限するようにした点に第５の特徴がある。
【００１２】
さらに、本発明は、前記基本周波数抽出手段が、検出された前記予定数のピークの周波数を仮の基本周波数とし、該仮の基本周波数と該基本周波数にそれぞれ隣接する周波数成分の周波数との補間により真の基本周波数を決定するように構成された点に第６の特徴がある。
【００１３】
第６の特徴によれば、周波数分析の周波数分解能より小さい音程を正確に検出することができる。
【００１４】
また、本発明は、前記マイクロフォンから入力された音が歌唱音または楽器演奏音である点に第７の特徴がある。第７の特徴によれば、例えば、複数の歌唱者による音声や複数人による楽器演奏音が同時に入力された場合に各歌唱者等が発生した音の音程が表示されるので、歌唱者等はその音程名の表示をみて、正確な和声で発声もしくは演奏できたか否かを判断することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る歌唱練習装置のシステム構成を示すブロック図である。同図において、歌唱練習装置１は、マイクロフォン２、Ａ／Ｄ変換器３、音声信号処理装置４、および表示装置５からなる。音声信号処理装置４は、フーリエ変換部４０、基本周波数抽出部４１、周波数比算出部４２、音程検出部４３、および表示情報生成部４４を含む。音声信号処理装置４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、およびマイクロフォン２から入力される音声信号を受け入れるインタフェース等を備えるパーソナルコンピュータによって実現でき、表示装置５としては液晶ディスプレイやブラウン管等、周知の表示装置を使用することができる。なお、パーソナルコンピュータは、後述する発音のための音源装置およびサウンドシステムをさらに備えるのが望ましい。
【００１６】
Ａ／Ｄ変換器３は、マイクロフォン２から入力されたアナログ音声信号をデジタル音声信号に変換する。ここでは、マイクロフォン２に複数の音声信号が同時入力される場合を想定するので、Ａ／Ｄ変換器３には、複数の音声信号が合成されて入力される。
【００１７】
フーリエ変換部４０は、高速フーリエ変換機能を備え、Ａ／Ｄ変換器３から入力された合成音声信号を基本周波と高調波とに分解する。基本周波数抽出部４１は、高速フーリエ変換によって分解された各周波数ごとの音声信号レベルを比較して、レベルすなわちパワーが最も大きい二つのピークを検出する。ここでは、二つの音声信号（例えば、二人の歌唱者がハーモニーを生じさせるために同時に発音したときの音声信号）に対応して二つのピークを検出する。したがって、さらに多くの歌唱者による練習では、その歌唱者の人数分もしくはパート分のピークが検出される。本明細書では、ここで検出されたピークのそれぞれの周波数を音声信号の「仮の基本周波数」と呼ぶ。
【００１８】
基本周波数抽出部４１は、さらに、二つの仮の基本周波数に隣接する周波数をそれぞれ検出し、仮の基本周波数と該隣接する周波数とを補間する。一般に、高速フーリエ変換において周波数方向の分解能は分析時間窓の長さつまりポイント数によって決まる。例えば、サンプリング周波数が４８ＫＨｚのときポイント数２０４８で高速フーリエ変換すると周波数分解能は２３Ｈｚになる。この分解能では半音間の周波数差、例えば、Ｃ３とＣ３＃の周波数差１５．５Ｈｚを判別することができない。そこで、二つの周波数を補間することによってフーリエ変換の低い周波数分解能を補い、正確な基本周波数（仮の基本周波数に対して「真の基本周波数」と呼ぶ）を抽出する。補間手法として例えば、複素スペクトル内挿法を用いることができる。複素スペクトル内挿法はさらに後述する。
【００１９】
周波数比算出部４２は、マイクロフォン２から同時に入力される複数の音声信号の真の基本周波数の比率を算出する。音程検出部４３は、和音の音程に対応する所定の周波数比と周波数比算出部４２で算出された周波数比とを比較して音程名を検出する。すなわち、算出された周波数比と最も近い所定の周波数比の音程名を検出音程名として決定する。また、この検出音程名の周波数比に対する算出された周波数比のずれの大きさによって音程の正確さも検出される。音程の正確さは予め設定されたずれ量と対応して決定される。
【００２０】
表示情報生成部４４は、前記音程検出部４３で検出された音程名と正確さとを、予め設定された表示画面上に合成できる表示情報に変換する。
【００２１】
図２は、フーリエ変換部４０から出力される音声信号の周波数スペクトルの例を示す図であり、横軸が周波数（対数表示）、縦軸がレベル（デシベル）である。この例では、二人が同時に音声を入力しているので、仮の基本周波数は二つ検出される。周波数ｆ１，ｆ２が仮の基本周波数である。そして、仮の基本周波数ｆ１，ｆ２ならびにこれらにそれぞれ隣接する、次に高い周波数ｆ１ａおよびｆ２ａが抽出されて補間に使用される。
【００２２】
補間手法の一例として、複素スペクトル内挿法について説明する。図３は、仮の基本周波数およびその近傍の周波数成分の一例をベクトル表示した図である。このように周波数成分は虚軸、実軸、および周波数軸上に三次元表示される。この例では、各周波数成分のベクトル方向は仮の基本周波数（周波数成分がＺｍの周波数）以下の周波数と、仮の基本周波数より高い周波数とで異なる（前者はφ、後者はφ＋π、つまり反転している）。この各周波数成分の逆数表示を図４に示す。同図において、横軸は周波数、縦軸は（１／Ｚｍ・Ｚｍ／│Ｚｍ│）である。この図のように周波数成分は直線上に乗る。したがって、真の基本周波数（ピーク周波数）ｆは、この直線のゼロ交点を算出することにより求められる。
【００２３】
つまり、真の基本周波数ｆは、次式で算出される。ｆ＝ｍ＋（ｕ，Ｚｍ＋１）／（（ｕ，Ｚｍ＋１）−（ｕ，Ｚｍ））。この式において、ｕはｍ番目およびｍ＋１番目の成分ＺｍとＺｍ＋１との差のベクトルの方向を持つ単位ベクトルであり、（・，・）は、内積を表す。
【００２４】
なお、ここでは真の基本周波数が仮の基本周波数より高周波数側にある例を示したが、真の基本周波数が仮の基本周波数より低周波数側にあることもある。その場合は、周波数ｍと周波数ｍ−１とで補間する。なお、図３のベクトル表示例および図４の逆数表示例ならびに複素スペクトル内挿法に関しては、共立出版株式会社発行のｂｉｔ（ビット）別冊（昭和６２年９月９日発行）の第３２頁〜４１頁、および原、井口：複素スペクトルを用いた周波数同定、計測自動制御学会論文集、Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．９（１９８３）に詳述されている。
【００２５】
図５は、表示装置５の表示例を示す図であり、表示情報生成部４４で生成された表示情報に基づく表示例である。同図において、表示事項には、入力音声に基づいて決定された音程名、入力音声の正確さ、および譜面形式による入力音声の音高が含まれる。音程名は「長３度」等、具体的な名称で表示される。また、正確さを示すインジケータ５０は、入力音声の音程と上記決定された音程（この例では長３度）との差を示す。つまり、決定された音程より入力音声の音程が大きい場合は、インジケータ５０は右寄りに表示され、入力音声の音程が小さい場合はインジケータ５０は左寄りに表示される。表示例では、決定された音程と入力音声の音程とがほぼ一致している。
【００２６】
図５の表示例では、上記音程名などの表示に加えて、各種制御のための指示部の表示を含む。レベル操作子５１は録音レベルつまりマイクロフォン２から入力される音声のゲインを調整するためのものである。表示例下部のレベルメータ５２によってマイクロフォン２による入力音声のレベルが表示されるので、歌唱者はこのレベルを認識して、レベル操作子５１を操作することにより、録音レベルを適正にできる。
【００２７】
また、表示例の右側に表示される音域操作子５３は、前記基本周波数抽出部４１で音域を制限するために使用される。図２のスペクトル表示例では、明らかなピークが二つだけであり、仮の基本周波数を正しく判別できる。しかし、常にこのように所望のピークが顕著に現れるとは限らない。例えば、倍音構成が似た１オクターブ外れた音のスペクトルが強く現れることがあるので、このような場合、正確な仮の基本周波数が検出されず、誤った音程名が決定される。その場合、歌唱者は入力音声表示から異常に気づくことができるので、周波数制限手段としての音域操作子５３を操作して、音域を狭めることができる。音域はライン５４と５５とによって上下を規定された領域で表示される。ライン５４および５５は、音域操作子５３を操作すると個々に上下される。フーリエ変換部４０から出力される周波数成分のうち、音域操作子５３で指示された周波数範囲で設定される音域以外の周波数成分は、前記基本周波数抽出部４１では処理対象外にして、精度の高い判断をできるようにする。なお、操作子５１，５３は、パーソナルコンピュータのマウス等、周知の指示手段によって操作できる。
【００２８】
さらに、図５の表示例では、独習のための音声を選択するためのスイッチ（発音選択スイッチ）５６が設けられる。上記実施形態では、マイクロフォン２から複数人が同時に音声を入力した例を説明した。しかし、一人で合唱の練習する場合にも本発明は使用できる。そのような独習に使用される音声または楽音（例えば管楽器音のように安定して持続する楽音や合成音）を比較音として発生するため発音選択スイッチ５６が使用される。発音選択スイッチ５６を操作すると、鍵盤５７が表示される。そして、この鍵盤５７の各鍵を指示することにより、指示された鍵に対応する音高の音が比較音として発生される。発音選択スイッチ５６と鍵盤５７が比較音の指定手段である。鍵盤５７の鍵を指示することによる比較音の発音機能は、指示された音高に応じて音声や楽音を合成する音声合成装置、またはＰＣＭ音源装置、ならびにアンプやスピーカ等のサウンドシステムによって実現できる。
【００２９】
鍵盤５７の鍵を指示した場合、前記基本周波数抽出部４１では、マイクロフォン２から入力された音声の基本周波数を検出するとともに、該基本周波数と比較音の基本周波数との比を算出する。つまり、鍵盤５７の鍵を指示することによる比較音と入力音声との音程を検出してハーモニーの正確さを判定する。なお、この判定において、比較音を入力音声と同様にマイクロフォン２で拾って周波数比算出部４２で入力音声と比較してもよいし、前記音声合成装置で生成される基本周波数やＰＣＭ音源装置で発生される音の基本周波数をマイクロフォン２の入力音声と比較しても良い。
【００３０】
なお、比較音の指定手段は発音選択スイッチ５６と鍵盤５７とに限らず、任意のスイッチ手段で代替できる。例えば、パーソナルコンピュータのキーボードの入力キーに予め音高を割り当てておき、このキーを使って比較音の指定をしてもよい。
【００３１】
上述の実施形態では仮の基本周波数を補間して精度を抽出上げているが、簡易的には、補間を省略して仮の基本周波数同士の周波数比で音程名を決定しても良い。
【００３２】
上述のように、本実施形態によれば、複数の練習者の音声のハーモニーの判定や、練習者の音声と比較音との音声のハーモニーの判定・表示を行うことができる。なお、基本周波数の抽出のために、複素スペクトル内挿法を用いる例を示したが、位相差計測法など、他の公知手法を用いることができる。また、音程名は、平均律音程に限らず、純正調律音程等による音程名で表示するようにしてもよい。
【００３３】
また、３人の歌唱者が同時に音声を入力するときには、検出された三つの基本周波数の隣接するもの同士の比の値により音程名を決定して表示するようにする。この場合、音程は二つ検出されるので、音程名および正確さは２種類表示する。
【００３４】
さらに、前記サウンドシステムの出力をヘッドフォンに接続する手段を備えるのが望ましい。練習者がヘッドフォンから比較音を聴きながら、この比較音に自分の音声を重ねるように発声できるからである。
【００３５】
また、さらに、本発明は、歌唱練習だけでなく、楽器の合奏練習としてマイクロフォンから楽器音を入力して、この入力音と他の楽器音もしくは比較音との音程を判定し、音程名等を表示する場合にも適用できる。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１〜８の発明によれば、複数の入力音同士の音程または入力音と比較音との音程を判断してその音程に近い所定の音程の音程名を表示することができる。したがって、歌唱練習や楽器練習において、複数の練習者同士の演奏音や音声または練習者と練習装置が発生する音同士の音程を視覚で認識することができるので、ハーモニー発生の練習効果が上がる。
【００３７】
特に、請求項３の発明によれば、音程の正確さを視覚で判断でき、請求項４の発明によれば、発音の音高を視覚で判断できる。
【００３８】
また、請求項５の発明によれば、基本周波数抽出手段に入力される周波数成分の周波数範囲が制限され、例えば倍音構成が同様である１オクターブ上の音の基本周波数として誤って抽出される等の不具合を防止できる。
【００３９】
さらに、請求項６の発明によれば、周波数分析手段の分解能よりも高い分解能で基本周波数を抽出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る歌唱練習装置の要部機能を示すブロック図である。
【図２】フーリエ変換部から出力される音声信号の周波数スペクトルの例を示す図である。
【図３】仮の基本周波数およびその近傍の周波数成分をベクトル表示した図である。
【図４】周波数分析された各周波数成分を逆数表示した図である。
【図５】表示装置による音声等の表示例を示す図である。
【符号の説明】
１…歌唱練習装置、  ２…マイクロフォン、  ４…音声信号処理装置、  ５…表示装置、  ４０…フーリエ変換部、  ４１…基本周波数抽出部、  ４２…周波数比算出部、  ４３…音程検出部
【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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