(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のマイクロホンを搭載して構成されるマイクロホンアレーの出力信号を利用してそれぞれが異なる方向の角度領域から到来する音を強調して収音する複数のビームフォーマー部と、
前記複数のビームフォーマー部が収音した角度領域信号のそれぞれを複数の帯域成分に分割した周波数領域信号に変換する周波数領域変換部と、
各周波数領域変換部が出力する周波数領域信号の中の所望方向の角度領域の角度領域信号に所属する特定方向周波数領域信号を選択する特定方向選択部と、
各角度領域に含まれる信号の総和をその角度領域の信号量とし、前記複数のビームフォーマー部の各角度領域に対する指向特性から求められるパラメータを要素とするゲイン行列の逆行列に対し、各周波数領域変換部が出力する周波数領域信号の信号量を乗じ、各角度領域の信号量を推定する信号量推定部と、
所望方向の角度領域における信号量と、全ての角度領域における信号量の総和との比により、周波数帯域毎の利得係数を算出する利得係数算出部と、
前記利得係数算出部が算出した利得係数を前記特定方向周波数領域信号の各対応する周波数帯域の信号量に乗算する乗算部と、
を備えることを特徴とする特定方向収音装置。
【請求項２】
複数のマイクロホンを搭載して構成されているマイクロホンアレーの出力信号を利用してそれぞれが異なる方向の角度領域から到来する音を強調して収音する複数のビームフォーマー部と、
前記複数のビームフォーマー部が収音した角度領域信号のそれぞれを複数の帯域成分に分割した周波数領域信号に変換する周波数領域変換部と、
前記周波数領域変換部が出力する周波数領域信号を周波数帯域成分に分割する帯域分割部と、
前記帯域分割部が出力する帯域成分を同一帯域成分毎に収集する同一帯域成分収集部と、
前記同一帯域成分収集部の出力側に設けられ、各同一帯域成分収集部から出力される帯域成分を合成する帯域合成部と、
を備え、
前記同一帯域成分収集部は、
前記ビームフォーマー部の何れかが収音する所望方向の角度領域信号に所属する特定方向帯域成分を選択する特定方向選択部と、
各角度領域に含まれる信号の総和をその角度領域の信号量とし、前記複数のビームフォーマー部の各角度領域及び周波数帯域に対する指向特性から求められるパラメータを要素とするゲイン行列の逆行列に対し、各帯域分割部が出力する周波数帯域成分の信号量を乗じ、各角度領域の信号量を推定する信号量推定部と、
所望方向の角度領域における信号量と、全ての角度領域における信号量の総和との比により、利得係数を算出する利得係数算出部と、
前記利得係数算出部が算出した利得係数を前記特定方向帯域成分に乗算する乗算部と、
を備えることを特徴とする特定方向収音装置。
【請求項３】
請求項１に記載の特定方向収音装置において、前記周波数領域信号の信号量は、信号のパワー値であることを特徴とする特定方向収音装置。
【請求項４】
請求項１に記載の特定方向収音装置において、前記周波数領域信号の信号量は、信号の絶対値であることを特徴とする特定方向収音装置。
【請求項５】
請求項２に記載の特定方向収音装置において、前記周波数帯域成分の信号量は、信号のパワー値であることを特徴とする特定方向収音装置。
【請求項６】
請求項２に記載の特定方向収音装置において、前記周波数帯域成分の信号量は、信号の絶対値であることを特徴とする特定方向収音装置。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れかに記載の特定方向収音装置において、前記利得係数算出部の利得係数算出特性は前記所望方向の角度領域における信号量に対して、その他の角度領域における信号量が無視できる程度に微少値である場合、前記利得係数の値は所定の最大値で与えられ、前記所望方向の角度領域における信号量がその他の角度領域における信号量に対して無視できる程度に微少値である場合は前記利得係数の値はほぼ０に近い値となる特性で算出することを特徴とする特定方向収音装置。
【請求項８】
請求項１乃至６の何れかに記載の特定方向収音装置において、前記利得係数算出部の利得係数算出特性は、前記所望方向の角度領域における信号量に対してその他の角度領域の信号量が小さい帯域では前記利得係数の値を最大値乃至は最大値に近い値に維持させ、前記所望方向の角度領域における信号量に対し、その他の角度領域の信号量が大きい領域では前記利得係数の値をほぼ０乃至０に近い値に維持させる特性で算出することを特徴とする特定方向収音装置。
【請求項９】
コンピュータが解読可能なプログラム言語によって記述され、コンピュータに請求項１乃至８の何れかに記載の特定方向収音装置として機能させる特定方向収音プログラム。
【請求項１０】
コンピュータが読み取り可能な記録媒体によって構成され、この記録媒体に請求項９記載の特定方向収音プログラムを記録した記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は音声通話や機器の操作などハンズフリー方式で音声を取得する収音装置に関するものであり、特に収音装置から見て特定の方向に存在する音源からの音だけを強調して収音したい場合に適用して好適な特定方向収音装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術では、図１８に示すようにｘ−ｙ平面状のＭ個の異なる位置（ｐ１，ｑ１）〜（ｐＭ，ｑＭ）に配置されたマイクロホンｍｉｃ．１〜ｍｉｃ．Ｍを用いて、任意の角度θＳの方向にある音源から発生される音を信号とし、それ以外の方向で発せられる音を雑音とした場合に、信号のみを強調して高いＳＮＲ（信号雑音比）で収音する。図１９は従来の強調収音法の構成を示すブロック図である。位置（ｘｍ，ｙｍ）に配置されたマイクロホンｍで受音した信号ｘｍ（ｎ）（ｍ＝１…Ｍ）に対し、式（１）のように遅延Ｄｍを付加することにより信号ｙｍ（ｎ）を得る。
【０００３】
ｙｍ（ｎ）＝ｘｍ（ｎ−Ｄｍ）                    （１）
このとき遅延量Ｄｍは、あらかじめ与えられた所望音源の方向θＳから、それぞれ式（２）により導出することができる。
Ｄｍ＝（ｄｍ／ｃ）ｓｉｎθＳ                      （２）
ここでｃは音速であり、ｄｍは図１８においてθＳ方向から到来した音波から見たときの、マイクｍと基準点ｏの間の距離で、式（３）により表される。
ｄｍ＝ｐｍｓｉｎθ＋ｑｍｃｏｓθ                （３）
次にいま得られたｙｍ（ｎ）を式（４）のように加算することで、所望位置から発せられる音を強調した信号ｚ（ｎ）が求められる。
【０００４】
【数１】
0004724054.tif 000002
以上が従来の強調収音法（非特許文献１）である。この従来技術で形成される指向特性には図２０に示すように、主ビームＢＭに近接して比較的大きい利得を持つサイドローブＳＢとよばれる領域が生じるため、雑音を十分に抑圧することができない。またこのサイドローブＳＢの利得を極力小さく抑えるためには、マイクロホン数を増やし、またマイクロホンアレーを大型にする必要がある（非特許文献１）。
【非特許文献１】大賀寿郎、山崎芳男、金田豊共著、音響システムとディジタル処理、電子情報通信学会  Ｐ．１８１〜Ｐ．１８６  ７．１．２．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術を用いて収音装置の指向特性をある特定の方向に向け、その方向で発せられる音を強調し、それ以外の方向で発せられる音を抑圧して収音する場合に、従来技術により形成される指向特性はサイドローブを持つことから、本来抑圧したい方向から発せられる音が十分に抑圧されずに収音されてしまう問題があった。
このため強調したい音源の方向以外に非常に大きな音を発する雑音源が存在する場合に、従来技術の収音装置は所望音源に対する十分な強調効果が得られなかった。
また従来技術において、サイドローブを低減するには、マイクロホン数を増やし、またマイクロホンアレーを大型にしなければならず、実用する際には設置、運搬が困難であった。さらに従来技術による収音装置の指向特性は周波数によって変化するため、所望音や雑音のもつ周波数構造によっては、十分な強調効果が得られない問題があった。
【０００６】
本発明は以上の課題を解決されるためになされたもので、マイクロホンアレーの規模を拡大することなく、従来技術よりも高いＳＮＲで所望音源からの音を強調して収音する装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では図３に示すように、収音する領域を複数の方向の角度領域Θ１〜ΘＱに分割し、マイクロホンアレーの指向性をそれぞれの方向の角度領域に向けるように制御して受音した信号を用いる。このときマイクロホンアレーによって処理された信号は、その処理前と比較して音源の存在する方向に応じてパワーが変化する。本発明ではこのパワーの変化量を利用して、それぞれの方向領域から到来する信号のパワーを推定する。そして推定されたパワーから、事前に与えられた方向の角度領域から到来する信号を強調するための利得係数を算出し、その利得係数を特定方向から到来した信号に乗算した信号を最終的な出力信号として得る。
【０００８】
本発明による特定方向収音装置の具体的な構成としては複数のマイクロホンを搭載して構成されるマイクロホンアレーの出力信号を利用してそれぞれが異なる方向の角度領域から到来する音を強調して収音する複数のビームフォーマー部と、複数のビームフォーマー部が収音した角度領域信号のそれぞれを複数の帯域成分に分割した周波数領域信号に変換する周波数領域変換部と、各周波数領域変換部が出力する周波数領域信号の中の所望方向の角度領域の角度領域信号に所属する特定方向周波数領域信号を選択する特定方向選択部と、各角度領域に含まれる信号の総和をその角度領域の信号量とし、複数のビームフォーマー部の各角度領域に対する指向特性から求められるパラメータを要素とするゲイン行列の逆行列に対し、各周波数領域変換部が出力する周波数領域信号の信号量を乗じ、各角度領域の信号量を推定する信号量推定部と、所望方向の角度領域における信号量と、全ての角度領域における信号量の総和との比により、周波数帯域毎の利得係数を算出する利得係数算出部と、利得係数算出部が算出した利得係数を特定方向周波数領域信号の各対応する周波数帯域の信号量に乗算する乗算部とを備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明による特定方向集音装置は更に複数のマイクロホンを搭載して構成されているマイクロホンアレーの出力信号を利用してそれぞれが異なる方向の角度領域から到来する音を強調して収音する複数のビームフォーマー部と、複数のビームフォーマー部が収音した角度領域信号のそれぞれを複数の帯域成分に分割した周波数領域信号に変換する周波数領域変換部と、周波数領域変換部が出力する周波数領域信号を周波数帯域成分に分割する帯域分割部と、帯域分割部が出力する帯域成分を同一帯域成分毎に収集する同一帯域成分収集部と、同一帯域成分収集部の出力側に設けられ、各同一帯域成分収集部から出力される帯域成分を合成する帯域合成部とを備え、同一帯域成分収集部は、ビームフォーマー部の何れかが収音する所望方向の角度領域信号に所属する特定方向帯域成分を選択する特定方向選択部と、各角度領域に含まれる信号の総和をその角度領域の信号量とし、複数のビームフォーマー部の各角度領域及び周波数帯域に対する指向特性から求められるパラメータを要素とするゲイン行列の逆行列に対し、各帯域分割部が出力する周波数帯域成分の信号量を乗じ、各角度領域の信号量を推定する信号量推定部と、所望方向の角度領域における信号量と、全ての角度領域における信号量の総和との比により、利得係数を算出する利得係数算出部と、利得係数算出部が算出した利得係数を前記特定方向帯域成分に乗算する乗算部とを備えることを特徴とする。
【００１０】
更に本発明による特定方向収音装置は前記した特定方向収音装置において、周波数領域信号の信号量は、信号のパワー値である、または、前記周波数帯域成分の信号量は、信号のパワー値であることを特徴とする。
更に、本発明による特定方向収音装置の特徴とする点は、前記した特定方向収音装置において、周波数領域信号の信号量は、信号の絶対値である、または、周波数帯域成分の信号量は、信号の絶対値であることを特徴とする。
更に、本発明による特定方向収音装置の特徴とする点は、前記した特定方向収音装置において、利得係数算出部の利得係数算出特性は所望方向の角度領域における信号量に対して、その他の角度領域における信号量が無視できる程度に微少値である場合、利得係数の値は所定の最大値で与えられ、所望方向の角度領域における信号量がその他の角度領域における信号量に対して、特定領域信号の量が無視できる程度に微少値である場合は利得係数の値はほぼ０に近い値となる特性で算出することを特徴とする。
【００１１】
更に、本発明による特定方向収音装置の特徴とする点は、前記した特定方向収音装置において、利得係数算出部の利得係数算出特性は、所望方向の角度領域における信号量に対してその他の角度領域の信号量が小さい帯域では利得係数の値を最大値乃至は最大値に近い値に維持させ、所望方向の角度領域における信号量に対し、その他の角度領域の信号量が大きい領域では利得係数の値をほぼ０乃至０に近い値に維持させる特性で算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明による特定方向収音装置によれば、所望方向の音源が発する音を強調して収音する際の強調効果を改善するために、マイクロホンアレーによって受音した信号を用いて複数のビームフォーマー部処理の結果から各音源が発する音信号のパワーを推定し、ＳＮ比に対応する利得係数を計算して所望音信号を強調する。このため従来技術で同様の効果を得るためにはマイクロホンの本数の増大やマイクロホンアレーの大型化を図る必要が有ったが、本発明によればこれらの必要が無く、実用において設置や運搬が容易な小規模システムのまま強調効果を改善する効果がある。
また本発明による特定方向収音装置では、マイクロホンアレーによって受音された信号のパワー値又は絶対値を周波数成分ごとに推定して強調処理を行うため、所望音や雑音の持つ周波数構造によらず高い強調効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明による特定方向収音装置を実施する場合、全てをハードウェアによって構成することも可能であるが、最も簡素に実施するにはコンピュータに、本発明による特定方向収音プログラムをインストールし、コンピュータに特定方向収音装置として機能させる実施形態が最良の形態である。
コンピュータに本発明による特定方向収音装置として機能させるには、コンピュータにインストールした特定方向収音プログラムによりコンピュータ内にマイクロホンアレーの出力信号を利用してそれぞれが異なる方向の角度領域から到来する音を強調して収音する複数のビームフォーマー部と、複数のビームフォーマー部が収音した角度領域信号のそれぞれを複数の帯域成分に分割した周波数領域信号に変換する周波数領域変換部と、各周波数領域変換部が出力する周波数領域信号の中の所望方向の角度領域の角度領域信号に所属する特定方向周波数領域信号を選択する特定方向選択部と、特定方向周波数領域信号の信号量と、他の方向の角度領域信号から周波数領域信号に変換された周波数領域信号の総和の量を推定する信号量推定部と、特定方向周波数領域信号の信号量と、他の方向の角度領域信号から周波数領域信号に変換された周波数領域信号の総和量を推定する信号量推定部と、特定方向周波数領域信号の信号量と、この特定方向周波数領域信号の信号量を含む他の周波数領域信号の総和量との比により周波数領域毎の利得係数を算出する利得係数算出部と、利得係数算出部が算出した利得係数を特定方向領域信号の各対応する周波数帯域の信号量に乗算する乗算部とを構築し、特定方向収音装置として機能させる。
【実施例１】
【００１４】
はじめに本発明の全体の概要を説明する。図１は本発明の特定方向収音装置の全体構成を示している。Ｍ（≧２）個のマイクロホンから構成されるマイクロホンアレー１１によって受音された信号ｘｍ（ｎ）（ｍ＝１，２，…，Ｍ）は、第１ビームフォーマー部１２−１から第Ｑビームフォーマー部１２−ＱまでのＱ個のビームフォーマー部１２−１〜１２−Ｑに入力される。ここでｎは離散時間信号のサンプル番号を表す。
ビームフォーマー部１２−１〜１２−Ｑでは、例えば図２に示すような指向性のビームＢＭを、図３であらかじめ与えられたＱ個の方向領域Θ１〜ΘＱのいずれかに向け、該当する方向領域で発せられる音を強調して収音する処理を行い、結果を出力する。各ビームフォーマー部１２−１〜１２−Ｑの出力信号ｙ１（ｎ）、ｙ２（ｎ）、…、ｙＱ（ｎ）はそれぞれ周波数領域変換部１３−１〜１３−Ｑに入力され、周波数領域変換部１３−１〜１３−Ｑの出力信号Ｙ１（ω，ｌ）、Ｙ２（ω，ｌ）、…ＹＱ（ω，ｌ）は信号量推定部１４と特定方向選択部１５にそれぞれ入力される。
【００１５】
信号量推定部１４は、入力されたビームフォーマー部１２−１〜１２−Ｑの出力信号パワーから各方向領域Θ１〜ΘＱにおける音源から発せられる音信号の総和のパワー成分を求め、これを１つのベクトルにまとめた信号パワーベクトルＸｅｓｔ※（ω，ｌ）（以下文中で※が付された英文字はベクトルを表わす。また数式中肉太文字はベクトルを表わす）を出力する。
特定方向選択部１５は、強調したい方向領域に指向性のビームを向けたビームフォーマー部の出力を選択しＹＳ（ω，ｌ）として出力する。
【００１６】
利得係数算出部１６は、入力された信号パワーベクトルＸｅｓｔ※（ω，ｌ）から利得係数Ｒ（ω，ｌ）を算出し、出力する。利得係数Ｒ（ω，ｌ）は乗算部１７に入力される。乗算部１７は入力された利得係数Ｒ（ω，ｌ）と特定方向選択部１５の出力ＹＳ（ω，ｌ）を同じ周波数の成分ごとに掛け算した結果を出力する。乗算部１７の出力信号ＹＳＲ（ω，ｌ）は逆周波数領域変換部１８に入力され、逆離散フーリエ変換を行って時間信号に復元された信号ｙ（ｎ）が出力される。この信号ｙ（ｎ）が本発明の装置によって所望音が強調されて収音された信号である。
ビームフォーマー部１２−１〜１２−Ｑ、信号量推定部１４，利得係数算出部１６，特定方向選択部１５の詳細は別の図を用いて以下に順に説明する。
【００１７】
（ビームフォーマー部）
図４はビームフォーマー部１２−１〜１２−Ｑの中の一つの例えばビームフォーマー部１２−ｑの構成を示している。同様の処理がすべてのビームフォーマー部において行われる。入力された信号ｘｍ（ｎ）（ｍ＝１，２，…，Ｍ）はフィルタ処理部ＦＣ１〜ＦＣＭに入力される。フィルタ処理部ＦＣ１〜ＦＣＭではあらかじめ与えられた（決定方法は後述する）フィルタ係数Ｗｑｍ（ｎ）を、式（５）に示す畳み込み演算に代入して得られる信号ｘ’ｑｍ（ｎ）を出力する。
【数２】
0004724054.tif 000003
各フィルタ処理部ＦＣ１〜ＦＣＭの出力信号は加算部ＡＤＤに入力される。加算部ＡＤＤでは入力信号を式（６）のように加算し、ビームフォーマー部の出力信号ｙｑ（ｎ）（ｑ＝１…Ｑ）を得る。
【数３】
0004724054.tif 000004
ここでフィルタ係数Ｗｑｍ（ｎ）は、それぞれのビームフォーマー部１２−１〜１２−Ｑの指向特性Ｄｑ（ω，θ）が、図３に示すあらかじめ与えられた第Ｑ方向領域ΘＱで発せられる音を強調して受音し、それ以外の方向で発せられる音を抑圧するように構成される。
【００１８】
（信号量推定部）
図５は信号量推定部１４の構成を示している。信号量推定部１４に入力される周波数成分Ｙ１（ω，ｌ）、Ｙ２（ω，ｌ）、…、ＹＱ（ω，ｌ）はそれぞれパワー演算部ＰＷ−１〜ＰＷ−Ｑに入力され、信号のパワー値｜Ｙ１（ω，ｌ）｜２、｜Ｙ２（ω，ｌ）｜２、…、｜ＹＱ（ω，ｌ）｜２が出力され、ベクトル化部１４Ａに入力される。ベクトル化部１４Ａでは、入力されたパワー値を式（７）のようにベクトル形式でまとめた、ビームフォーマー部出力パワーベクトルＹ※（ω，ｌ）を出力する。
【数４】
0004724054.tif 000005
ビームフォーマー部出力パワーベクトルＹ※（ω，ｌ）は乗算部１４Ｂに入力される。乗算部１４Ｂのもう一方の入力であるパワー推定行列Ｔ−１※は、逆行列演算部１４Ｃの出力信号である。逆行列演算部１４Ｃには式（８）により定義されるゲイン行列Ｔ※が入力され、その逆行列Ｔ−１※を出力する。
【００１９】
【数５】
0004724054.tif 000006
ゲイン行列Ｔ※の各要素は、図６に示すように各ビームフォーマー部１２−１〜１２−Ｑの各方向領域に対する指向特性から求められるパラメータであり、例えば式（９）に示すような指向特性の周波数および方向に関する平均値を用いる。なお指向特性は、例えば前述の非特許文献１に記載されている周知の技術を用いてフィルタ係数Ｗｍ（ｎ）より求めることができる。
【数６】
0004724054.tif 000007
αｐｑは第ｐビームフォーマー部の第ｑ方向領域に対する指向特性の平均値である。乗算部１４Ｂは式（１６）に示すように入力されたビームフォーマー部出力パワーベクトルとパワー推定行列の乗算を周波数成分ごとに行い、推定信号パワーベクトルＸｅｓｔ※（ω，ｌ）を出力する。
【数７】
0004724054.tif 000008
【００２０】
（特定方向選択部）
図７は特定方向選択部１５の構成を示している。特定方向選択部１５では各ビームフォーマー部１２−１〜１２−Ｑより周波数領域変換部１３−１〜１３−Ｑを経て入力された周波数成分Ｙ１（ω，ｌ）からＹＱ（ω，ｌ）のうち、強調したい第ｑｓ方向領域に対応するものを選択してＹＳ（ω，ｌ）として出力する。
ＹＳ（ω，ｌ）＝Ｙｑｓ（ω，ｌ）                （１１）
【００２１】
（利得係数算出部）
図８は利得係数算出部１６における処理の流れを示している。信号量推定部１４より入力された推定信号パワーベクトルＸｅｓｔ※（ω，ｌ）はベクトル要素抽出部１６Ａに入力される。ベクトル要素抽出部１６Ａでは式（１２）に示すように、入力された推定信号パワーベクトルの第１成分を第１方向領域信号推定パワー｜Ｓ１（ω，ｌ）｜２、第２成分を第２方向領域信号推定パワー、｜Ｓ２（ω，ｌ）｜２のように第ｑ成分を第ｑ方向領域からの信号推定パワーとしてそれぞれ出力し、それらはＳＮ比推定部１６Ｂに入力される。
【数８】
0004724054.tif 000009
ＳＮ比推定部１６Ｂでは式（１３）を用いて所望方向領域の信号を強調する利得係数Ｒ（ω，ｌ）を計算し出力する。
【数９】
0004724054.tif 000010
利得係数Ｒ（ω，ｌ）は図９に示すように、特定方向信号｜Ｓｑｓ（ω，ｌ）｜２と角度領域の信号の総和Σｑ｜Ｓｑ（ω，ｌ）｜２の関係が｜Ｓｑｓ（ω，ｌ）｜２≒Σｑ｜Ｓｑ（ω，ｌ）｜２であった場合は利得係数Ｒ（ω，ｌ）は最大値である例えば「１」が与えられ、｜Ｓｑｓ（ω，ｌ）｜２＜＜Σｑ｜Ｓｑ（ω，ｌ）｜２であった場合は利得係数Ｒ（ω，ｌ）は≒０を与える。
【００２２】
図９に示した利得係数の特性によれば特定方向信号成分Ｓｑｓ（ω，ｌ）が、他の角度領域の信号成分Ｓｑ（ω，ｌ）より大きい程利得係数Ｒ（ω，ｌ）は「１」に近づき、その周波数帯域の信号は減衰されることなく、そのまま出力される。特定方向信号成分Ｓｑｓ（ω，ｌ）が、他の角度領域信号成分Ｓｑ（ω，ｌ）より小さい程、利得係数Ｒ（ω，ｌ）は「０」に近い値となり、この場合は信号成分は利得係数Ｒ（ω，ｌ）の乗算によって減衰される。この結果、利得係数Ｒ（ω，ｌ）を特定方向選択部１５で取り出した特定方向信号に乗算することにより特定方向信号成分が強調されて出力される。
【００２３】
ここで本発明により所望音を選択強調した収音が可能になる原理について説明する。ビームフォーマー部出力パワーベクトルＹ※（ω，ｌ）の各要素である、各ビームフォーマー部の出力パワーは、式（１４）に示すように、マイクロホンアレーが受音した信号Ｘθ※（ω，ｌ）のパワーにその信号の音源方向および周波数に基づく指向特性が乗算された形で近似することができる。ただしここでは各音源の発する音は互いに無相関とし、すべてのマイクロホンにおいて音は同レベルで受音されると仮定している。
【００２４】
【数１０】
0004724054.tif 000011
いま信号ＸΘｑ※（ω，ｌ）は図３で示したいずれかの方向領域Θｑに含まれる信号の総和を表すとする。このときビームフォーマー部の指向特性は方向領域内で一様であると仮定すると、Ｙ※（ω，ｌ）は式（１５）により表される。本実施例では各領域に対する指向特性の代表値として式（９）により求めた指向特性の平均値を用いている。
【００２５】
【数１１】
0004724054.tif 000012
以上の関係より、あらかじめ与えられている行列Ｔ※の逆行列を左側からビームフォーマー部出力ベクトルＹ※（ω，ｌ）にかけることで、Ｘ＾※（ω，ｌ）の推定値である推定信号パワーベクトルＸｅｓｔ※（ω，ｌ）が求められる。
【数１２】
0004724054.tif 000013
【実施例２】
【００２６】
第２の実施例は、実施例１の利得係数算出部１６における手順に変更を加えたものである。図１０は第２の実施例において用いられる利得係数算出部１６の処理手順を示したものである。実施例１における利得係数算出部１６との相違点は非線形処理部１６Ｃが追加された点である。非線形処理部１６ＣではＳＮ比推定部１６Ｂから出力される図９に示した特性の元利得係数をＲ’（ω，ｌ）と表記することとし、この元利得係数Ｒ’（ω，ｌ）に０から１の間で変動する非線形関数を乗算した計算結果である利得係数Ｒ（ω，ｌ）を出力する。ここでは非線形関数はあらかじめ与えられているもので、元利得係数Ｒ’（ω，ｌ）が大きい領域つまりΣｑ｜Ｓｑ（ω，ｌ）｜２≒｜Ｓｑｓ（ω，ｌ）｜２の領域では１または１に近い値を維持し、元利得係数Ｒ’（ω，ｌ）が小さい領域つまりΣｑ｜Ｓｑ（ω，ｌ）｜２＞＞｜Ｓｑｓ（ω，ｌ）｜２の領域では０または０に近い値を維持する関数で、たとえば式（１７）に示すハイポブリックタンジェント（例えばＺ１：Ｒ（ω，ｌ）＝１／２＋１／２ｔａｎｈ（ρＲ’（ω，ｌ）−ν））や式（１８）に示す対数関数（例えばＺ２：Ｒ（ω，ｌ）＝１／２＋１／２ｔａｎｈ（ρ（１０ ｌｏｇ１０）Ｒ’（ω，ｌ）−ν））と組み合わせたものなどが用いられる。図１１に非線形関数の一例を示す。
【００２７】
【数１３】
0004724054.tif 000014
ここでρ、νは非線形関数の特定を変化させるパラメータで任意に設定される。これ以外の部分に関しては実施例１と同様であるので説明を省略する。図１１に示した非線形特性によれば、所望音声が優勢な周波数領域ではその周波数成分を強調し、背景雑音が優勢な周波数領域ではその周波数成分を抑圧することができ、本発明による特定方向強調量を向上させる効果がある。
【実施例３】
【００２８】
第３の実施例は、実施例１の信号量推定部１４と、利得係数算出部１６と、乗算部１７における処理手順に変更を加えたものである。図１２は第３の実施例における本発明の全体構成を示している。実施例１との相違点は周波数領域変換部１３−１〜１３−Ｑの各後段に帯域分割部１９−１〜１９−Ｑを設けた点と、この帯域分割部１９−１〜１９−Ｑで帯域分割した各帯域成分を同一周波数帯域毎に収集する同一帯域成分収集部２０−１〜２０−Ωとを設けた構成とした点である。
各同一帯域成分収集部２０−１〜２０−Ωにはそれぞれに信号量推定部１４と、特定方向選択部１５と、利得係数算出部１６と、乗算部１７とを設ける。従って、この実施例３での特徴は信号量推定部１４と、特定方向選択部１５と、利得係数算出部１６，乗算部１７の各処理がΩ個の異なる同一帯域成分収集部２０−１、２０−２、…２０−Ωにおいて別々に行われ、同一帯域成分収集部２０−１〜２０−Ωに設けた乗算部１７の出力が帯域合成部２１により合成されている点を特徴とする。
【００２９】
図１３と図１４はそれぞれ帯域分割部１９−１〜１９−Ｑと帯域合成部２１の処理手順を示している。帯域分割部１９−１〜１９−Ωでは入力された周波数成分Ｙ１（ω、ｌ）〜ＹＱ（ω、ｌ）がΩ１からΩΩまでの帯域に分割され、それぞれ出力される。一方帯域合成部２１では、入力されたΩ１からΩΩまでの帯域の周波数成分をまとめてひとつの信号Ｙ（ω、ｌ）として出力する。また本実施例においては、パワー推定部において用いられるゲイン行列Ｔ※の各要素は、例えば式（１９）および式（２０）に示すように与えられた帯域内での平均値を用いる。
【００３０】
【数１４】
0004724054.tif 000015
以上の部分以外については実施例１と同様であるので説明を省略する。一般にビームフォーマー部の指向特性は周波数に応じて変化するが、実施例１ではすべての周波数においてゲインは均一であると仮定し、ゲイン行列の要素を代入する値を決定していた。本実施例ではゲイン行列を周波数帯域ごとに用意して処理を行うことができるため、信号量推定部１４においてより正しい指向特性に近い処理を行うことができ、推定信号パワーベクトルの推定精度を向上させる効果がある。
【実施例４】
【００３１】
第４の実施例は、実施例１の信号量推定部１４と、利得係数算出部１６における手順に変更を加えたものである。第４の実施例に用いられる信号量推定部１４の構成を図１５に、利得係数算出部１６の構成を図１６に示す。信号量推定部１４に入力される周波数成分Ｙ１（ω，ｌ）〜ＹＱ（ω，ｌ）はそれぞれ絶対値演算部１４Ｄ−１〜１４Ｄ−Ｑに入力され、信号の絶対値｜Ｙ１（ω，ｌ）｜、｜Ｙ２（ω，ｌ）｜、｜Ｙ３（ω，ｌ）｜、…｜ＹＱ（ω，ｌ）｜を出力し、ベクトル化部１４Ａに入力される。ベクトル化部１４Ａでは入力された信号を式（２１）に示す絶対値ベクトルＹ※（ω，ｌ）を出力する。
【００３２】
【数１５】
0004724054.tif 000016
絶対値ベクトルは乗算部１４Ｂに入力される。乗算部１４Ｂのもう一方の入力である絶対値推定行列Ｔ−１※は、逆行列演算部１４Ｃの出力信号である。逆行列演算部１４Ｃは入力されたゲイン行列Ｔ※の逆行列Ｔ−１※を出力する。
ゲイン行列Ｔ※の各要素は式（８）と同様にビームフォーマー部の各方向領域に対する指向特性が求められるパラメータであり、フィルタ係数から計算される指向特性のゲイン量から式（２２）により定義され、事前に与えられる。
【００３３】
【数１６】
0004724054.tif 000017
乗算部１４Ｂに入力されたビームフォーマー部出力パワーベクトルとパワー推定行列の乗算を周波数成分ごとに行い、推定信号絶対値ベクトルＸｅｓｔ※（ω，ｌ）を出力する。
次に図１６に示す利得係数算出部１６ではベクトル要素抽出部１６Ａは式（２３）に示すように入力された推定信号絶対値ベクトルの第１成分を｜Ｓ１（ω，ｌ）｜、第２成分を｜Ｓ２（ω，ｌ）｜、第３成分を｜Ｓ３（ω，ｌ）｜、…としてそれぞれ出力し、それらはＳＮ比推定部１６Ｂに入力される。
【００３４】
【数１７】
0004724054.tif 000018
これら以外の部分に関しては第１の実施例と同じであるのでこれ以上の説明を省略する。この第４の実施例によれば実施例１に比べて２乗計算をする必要がないことから演算量を削減することができる。
なおこの実施例４は実施例２の信号量推定部１４と利得係数算出部１６に対しても適用することができる。図１７は実施例２に本実施例４の変更を加えた場合の利得係数算出部１６の構成を示す。
【００３５】
以上説明した本発明による収音装置は全てをハードウェアによって構成することも可能であるが、最も簡素に実現するには上述した各手順をコンピュータが解読可能なプログラム言語によって記述した本発明による収音プログラムを作成し、この収音プログラムをコンピュータにインストールし、コンピュータに収音プログラムを実行させ、コンピュータに収音装置として機能させる実施例が最良である。本発明による収音プログラムはコンピュータが読み取り可能な例えば磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等の記録媒体に記録され、これらの記録媒体から、或いは通信回線を通じてコンピュータにインストールされる。インストールされた収音プログラムはコンピュータに備えられたＣＰＵにより解読され、コンピュータを収音装置として機能させる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明による収音装置は例えば電話会議システム等のハンズフリー通話装置の分野で活用される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１の実施例を説明するためのブロック図。
【図２】本発明に用いるビームフォーマー部の指向特性を説明するための図。
【図３】本発明に用いるビームフォーマー部に設定する指向方向領域の分割例を説明するための図。
【図４】本発明に用いるビームフォーマー部の構成の一例を説明するためのブロック図。
【図５】本発明に用いる信号量推定部の構成の一例を説明するためのブロック図。
【図６】本発明に用いるビームフォーマー部の指向特性の一例を説明するための図。
【図７】本発明に用いる特定方向選択部の構成の一例を説明するためのブロック図。
【図８】本発明に用いる利得係数算出部の構成の一例を説明するためのブロック図。
【図９】本発明に用いる利得係数の特性の一例を説明するためのグラフ。
【図１０】本発明の第２の実施例を説明するためのブロック図。
【図１１】図１０に示した利得係数算出部が算出する利得係数の特性を説明するためのグラフ。
【図１２】本発明の第３の実施例を説明するためのブロック図。
【図１３】本発明の第３の実施例に用いた帯域分割部の構成の一例を説明するためのブロック図。
【図１４】本発明の第３の実施例に用いた帯域合成部の構成を説明するためのブロック図。
【図１５】本発明の第４の実施例を説明するためのブロック図。
【図１６】本発明の第４の実施例に用いる利得係数算出部の構成を説明するためのブロック図。
【図１７】本発明の第４の実施例に用いる利得係数算出部の他の構成を説明するためのブロック図。
【図１８】従来技術によるマイクロホンアレーの収音方法を説明するための図。
【図１９】従来の特定方向収音装置を説明するためのブロック図。
【図２０】従来の特定方向収音装置の収音特性を説明するための図。
【符号の説明】
【００３８】
１１    マイクロホンアレー              １６    利得係数算出部
１２−１〜１２−Ｑ    ビームフォーマー部              １７    乗算部
１３−１〜１３−Ｑ    周波数領域変換部                １８    逆周波数領域変換部
１４    信号量推定部      １９−１〜１９−Ｑ    帯域分割部
１５    特定方向選択部    ２０−１〜２０−Ω    同一帯域成分収集部
２１    帯域合成部
【図１】
0004724054.tif 000019
【図２】
0004724054.tif 000020
【図３】
0004724054.tif 000021
【図４】
0004724054.tif 000022
【図５】
0004724054.tif 000023
【図６】
0004724054.tif 000024
【図７】
0004724054.tif 000025
【図８】
0004724054.tif 000026
【図９】
0004724054.tif 000027
【図１０】
0004724054.tif 000028
【図１１】
0004724054.tif 000029
【図１２】
0004724054.tif 000030
【図１３】
0004724054.tif 000031
【図１４】
0004724054.tif 000032
【図１５】
0004724054.tif 000033
【図１６】
0004724054.tif 000034
【図１７】
0004724054.tif 000035
【図１８】
0004724054.tif 000036
【図１９】
0004724054.tif 000037
【図２０】
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