(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
音源を分離する方法であって、
バンドパス・フィルタ・バンクを使用して、入力信号を複数の周波数帯域へバンドパス・フィルタ処理するステップと、
fFが所定の基本周波数を表し、［ｘ］がｘの整数部を表すとして、帯域幅Δfiを持つ中心周波数fiの周波数帯域が、
[(fi+Δfi/2)/fF]+[-(fi-Δfi/2)/fF] ≧ 1
を満たす場合に該周波数帯域を、所与の基本周波数の２個の調波を含むに十分な広さを有する周波数帯域として選択し、帯域幅Δfiを持つ中心周波数fiの周波数帯域が、上記の式を満たさない場合に該周波数帯域を、分解された調波を含む周波数帯域とするステップと、
選択された周波数帯域の各周波数帯域の変調包絡線を得るように該周波数帯域を復調するステップと、
新しい周波数帯域を得るように該変調包絡線へバンドパス・フィルタ・バンクを適用するステップと、
全ての周波数帯域が分解された調波を含むようになった場合に、各周波数帯域に含まれる調波が前記所与の基本周波数の音源から発生したと判断するステップと、を含む音源分離方法。
【請求項２】
コンピュータ処理装置に請求項１の音源分離方法を実行させるためのコンピュータ・プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基礎をなす基本周波数に基づいてモノラル録音の音源を分離する方法に関し、特に、同一のアルゴリズムを用いた解決調波（resolved harmonic）および未解決調波（unresolved harmonic）の処理およびその結果の結合を可能にする手法に関する。
【背景技術】
【０００２】
録音の際、多数の音源が同時に混在することが多い。それらは、音声信号（speech signal）や（例えば送風機の）ノイズなどの種々の信号である。信号の更なる分析のためには、そのような相互に干渉する信号をまず分離する必要がある。一般的アプリケーションは、音声認識または音響場面分析である。人間聴覚システムにおいて調波信号（harmonic signal）をその基本周波数に基づいて分離することができることはよく知られている(非特許文献１を参照)。音声信号が、多くの有声セグメント、つまり調波セグメントを含んでいることは注目すべき点である。
【０００３】
一般的手法によれば、入力信号がバンドパス・フィルタによって種々の周波数帯域に分割され、後段において、帯域ごとに、時点ごとに、当該帯域が所定の基本周波数から発生しているか否かを示す０と１の範囲の証拠値(evidence value)が計算される(単純な一元的判断は２進法の証拠値を使用するものと解釈することができる)。これによって、基本周波数、周波数帯域および時間という３つの軸を持つ信号の３次元表現が得られる。このようなタイプの表現もまた人間聴覚システムにおいて観察される(非特許文献２を参照)。
【０００４】
これらのあらかじめ計算された証拠値に基づいて、共通の基本周波数を有する複数の帯域グループが形成される。このようにして、各グループにおいては、１つの基本周波数から発生し、１つの音源に属する調波信号のみが存在することとなる。このような手段によって、音源の分離を達成することができる。
【０００５】
検証中の調波の周波数がサンプリング周波数に比較して高い場合、調波が所定の基本周波数から発生しているという証拠値を計算することは特に困難である。信号を分析するために使用されるバンドパス・フィルタの帯域幅が、高周波に関して２つまたはそれ以上の調波が１つの帯域に含まれるように選択されるとすれば、このフィルタ帯域は調波の基礎をなす基本周波数の半分の振幅変調を示す。このような効果は未解決調波（unresolved harmonics）として知られている（非特許文献３を参照)。復調（demodulation）の後、変調包絡線（modulation envelope）を評価することによって、高周波に関する前述の証拠値の計算が容易となる。
【０００６】
低周波に関しては、少なくとも２つの調波を含むことができるほど十分に広いフィルタの帯域幅を設計するのは、その結果中心周波数に比較して帯域が広くなるので、あまり実践的ではない。従って、低周波に関しては、高周波の場合と異なる手順が選択されなければならない。異なる手順を適用した場合、そのような２つの手順の結果をどのように結合するかが更に問題となる。
【０００７】
図１は、このような問題を解決する既知の手法を示す。しきい値周波数fTを考慮に入れることによって、低周波手順および高周波手順が複数帯域に適用される。実際には、この方法は、所定の周波数fTより低いすべての帯域に関して手順４から得られる結果を選択し、残りのすべての帯域について別の手順５から得られる結果を選択する(非特許文献４を参照)。
【非特許文献１】A. Bregman, “Auditory Scene Analysis”, MIT Press, 1990
【非特許文献２】G. Langner, H. Schulze, M. Sans, and P. Heil, “The topographic representation of periodicity pitch in the auditory cortex”, Proc. of the NATO Adv. Study Inst. on Comp. Hearing, pages 91--97, 1998
【非特許文献３】H. Helmholtz. “Die Lehre von den Tonerapifindungen”, Vieweg, Braunschweig, 1863
【非特許文献４】G. Ru and D. Wang. “Monaural speech segregation based on pitch tracking and amplitude”, IEEE Trans. On Neural Networks, 2004
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の観点から、本発明は、入力信号における音声などの信号源を分離する一層効果的な方法を提供することを目的とする。本発明は、また、解決／未解決両方の調波に同一の証拠値計算手順を適用することを更なる目的とする。この証拠値は、調波が所定の基本周波数から発生しているという事実を反映するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
変調包絡線の調波に関する情報を取得するため変調包絡線にバンドパス・フィルタ・バンクを適用することが本発明の基本理念である。
【００１０】
本発明の１つの側面によれば、１つのフィルタ帯域における２つの調波の相互干渉の結果から得られる変調包絡線を事後処理する方法が提供される。該方法は、バンドパス・フィルタ・バンクによる該変調包絡線のフィルタリングに基づいている。該変調包絡線に対する復調とバンドパス・フィルタ適用との組み合わせが解決調波および未解決調波に対する同一アルゴリズムの適用を可能にする。
【００１１】
本発明の別の側面によれば、所定の周波数帯域が振幅変調を示すか否かを評価する方法が提供される。該方法は、該所定の周波数帯域が所定の基本周波数の２つの調波を含むことができる十分な広さを持つか否かを算定するステップを含む。
【００１２】
本発明の更なる側面によれば、特定の基本周波数から発生している複数周波数帯域の証拠値を結合する方法が提供される。分解の間の評価の結果に従って、所定の基本周波数、所定の周波数帯域および所定の瞬間に関する証拠値が、それぞれ解決調波または未解決調波である低周波または高周波に対して適用されるいずれかの手順から取得される。
【００１３】
本発明の更に別の側面によれば、コンピュータ装置で実行する時、上記のいずれかの方法を実施するコンピュータ・プログラムが提供される。
【００１４】
また、本発明の更なる側面によれば、上記のいずれかの方法が、基礎をなす基本周波数に基づいてモノラル記録された音源の分離のために使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
第１の実施形態に従って、本発明は、変調包絡線にバンドパス・フィルタ・バンクを適用することによって、調波信号に関する既知の分離方法を拡張する。これによって、包絡線に存在するひずみやノイズを顕著に減少させることができる。
【００１６】
非コヒーレントな振幅変調を使用する時、変調包絡線は、元々の入力信号の基本周波数と等しい１つの基本周波数および多数の調波から構成される(非コヒーレント変調の結果、包絡線の周波数は倍増する)。
【００１７】
図２は、調波信号を分離し、その後音源を分離するため、フィルタ処理された変調包絡線を利用して入力音信号を処理する本発明の方法を示す。
【００１８】
入力信号１は、ステップ２において、バンドパス・フィルタ・バンクを用いてｎ個の複数周波数帯域f1,...fnに分割される。ステップ３において、これら複数の周波数帯域は、低周波帯域１２および高周波帯域１１という２つのカテゴリに分けられる。低周波帯域１２は解決調波（分解された調波）を含み、高周波帯域１１は未解決調波（未分解の調波）を含む。
【００１９】
低周波帯域１２は、低周波帯域に適用される特定の証拠値計算手順、例えば、自己相関法、クロスチャネル相関法あるいは調波法などの既知の手法によって処理される。
【００２０】
高周波帯域の証拠値計算に関して、本発明は、未解決調波のフィルタ応答が振幅変調されているという事実および応答包絡線が考察対象の音源の基本周波数において変動するという事実を利用する。
【００２１】
従って、ステップ６において、各高周波帯域１１は復調されて、周波数帯域１１の変調包絡線７が取得される。変調包絡線７は、バンドパス・フィルタ・バンク８に渡され、周波数帯域f'1からf'mが出力される。変調包絡線７にバンドパス・フィルタ・バンク８を適用した後、取得された周波数帯域f'1からf'mに低周波１２の場合と同一の証拠値計算手順１０(例えば自己相関法)を適用することができる。
【００２２】
別の実施形態においては、入力信号１の元々の分解に使用されたバンドパス・フィルタ・バンク２と包絡線７のフィルタリングに使用されたバンドパス・フィルタ・バンク８は同じものである。
【００２３】
本発明による上記の方法は、特に変調包絡線７の調波に含まれる情報を考慮に入れることによって手順の強固性を増大させる。
【００２４】
図３は、解決および未解決調波をそれそれぞれ含む低周波および高周波の２つのグループに周波数帯域f1からfnを分離する方法を示す。
【００２５】
第１の分析フィルタ・バンク２のバンド幅を既知としている基本周波数仮説の各々に関して、考察中の基本周波数の少なくとも２つの調波を含む周波数帯域が計算される。これにより、どの周波数帯域が振幅変調を示すかが決定され、分解の間に、そのような周波数帯域の証拠値だけが、高周波に対して機能する手順６、８、１０から取り出され、残りの証拠値は、低周波数に対して機能する手順４から決定される。
【００２６】
基本周波数fFおよび帯域幅Δfiを持つ周波数fiを考慮する場合、次の式(１)が確認されるとすれば、該帯域幅は基本周波数の少なくとも２つの調波を含む。
【００２７】
n-m ≧ 1    (１)
ただし、nおよびmは、次の式(２)および(３)によって定義される整数である。
【００２８】
m-1 < (fi-Δfi/2)/fF ≦ m        (２)
n ≦ (fi+Δfi/2)/fF < n+1        (３)
上記のパラメータは、図３の例１５に記述されている。図３に示されている周波数帯域は第２および第３の調波を実際に含んでいる。
【００２９】
xを実数とすれば、実数xの整数部[ｘ]は、次のように定義される。
【００３０】
[x] ≦ x < [x]+1        （４）
従って、ｎは実数値(fi+Δfi/2)/fFの整数部である。
【００３１】
式(２)および(４)から、整数mは、実数-(fi-Δfi/2)/fFの整数部の反数であると帰結することができる。
【００３２】
従って、基本周波数fFに関して、次式（５）が真であれば、周波数帯域fiは基本周波数fFの少なくとも２つの調波を含む。
【００３３】
[(fi+Δfi/2)/fF]+[-(fi-Δfi/2)/fF] ≧ 1      （５）
周波数帯域の各々について、式(５)の有効性を検証することによって、所与の基本周波数の少なくとも２つの調波を含む帯域が選択される(ステップ１４)。
【００３４】
このようにして、式(５)を満たさないすべての帯域は、解決調波を示し、低周波数のための手順で処理される(ステップ４)。一方、式(５)を満たす帯域は、包絡線７を復調するステップ７、該包絡線を周波数帯域f'1からf'mへバンドパス・フィルタするステップ８および周波数帯域f'1からf'mに低周波用の手順を適用するステップ１０を含む本発明の手順によって、処理される。
【００３５】
図４は、モノラル録音における音源を分離するために使用される本発明に従った装置のブロック図である。
【００３６】
音の信号がマイクロホン２１によって記録され、プリアンプ２２に渡される。次に、バンドパス・フィルタ・バンク２３がｎ個の異なる連続的周波数帯域f1-fnを生成する。分離ユニット２４は、解決調波１２と未解決調波１１を２つの独立したグループに分離する役割を持つ。
【００３７】
解決調波の第１のグループ１２、すなわち、各低周波帯域の各々は、自己相関器１２によって処理され、当該周波数帯域が所定の基本周波数から発生していることを示す証拠値が計算される。自己相関器２５は低周波数を取り扱うことができる他のどのようなユニットと入れ替えてもよい。自己相関器２５の結果は周波数結合ユニット３１に送られる。
【００３８】
未解決調波の第２のグループ１１、すなわち高周波帯域の各々は、まず整流ユニット２６によって処理され、次にローパス・フィルタ２７によって処理され、当該周波数帯域１１の変調包絡線７が生成される。包絡線７はバンドパス・フィルタ・バンク２８によってフィルタされる。バンドパス・フィルタ・バンク２８はバンドパス・フィルタ・バンク２３と同等のものでよい。その結果、包絡線７は、周波数帯域f'1-f'mに分割され、帯域f'1-f'mの各々は自己相関器２９に供給される。次に、ｍ個の自己相関器２９の結果が最大値検出器３０に入力され、その結果が周波数結合ユニット３１に渡される。
【００３９】
装置２０の最後のユニットである周波数結合ユニット３１はｎ個の入力部および１つの出力部を持つ。各入力部には、低周波帯域１２を処理する解決調波ブロックの出力および高周波帯域１１を処理する未解決調波ブロック２６−３０の出力が供給される。代替的に、周波数結合ユニット３１の出力部の数を２とすることもできる。この場合、第１の入力部にはすべての低周波帯域の処理結果が順次供給され、第２の入力部にはすべての高周波帯域の処理結果が順次供給される。装置２０の出力、すなわち、周波数結合ユニット３１の出力は、効率的信号源分離の機能を持つ装置に渡される。
【００４０】
図２および図３は、証拠値の計算の役割を持つ手順４、１０およびユニット２５、２９が、本発明に従えば、解決調波と未解決調波とに関して同一のものであるという事実を示している。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】低周波帯域および高周波帯域に異なった証拠値計算手順を適用する既知の方法を示すブロック図である。
【図２】本発明の１つの実施形態に従った、低周波帯域および高周波帯域に同一の証拠値計算手順を適用する方法を示すブロック図である。
【図３】振幅変調を示す周波数帯域が選択される本発明の別の実施形態を示すブロック図である。
【図４】本発明に従った、モノラル録音における音源を分離する装置のブロック図である。
【符号の説明】
【００４２】
６  バンドパス・フィルタ・バンク
７  変調包絡線
【図１】
0004790319.tif 000002
【図２】
0004790319.tif 000003
【図３】
0004790319.tif 000004
【図４】
0004790319.tif 000005