(57)【要約】  本発明は、通信システムにおける音源追跡システムを支援するために一定のマイクロフォン組立体を使用する装置を明らかにする。基本的な考えは、限界高周波領域における音響レベルを音響学的に強化し、これにより音響のピックアップ及び定位アルゴリズムの両者の有効信号対雑音比を大きくできることである。これは、マイクロフォンを通路又は小さい空洞（ヘルウホルツ共鳴器）内に囲み、これにより高周波応答のピーク（共鳴）をかなり広い帯域に導く。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビデオ会議システムに統合され又はこれに接続され、音響発生源の位置を決定するための音源追跡装置であって、幾つかのマイクロフォンによりそれぞれ獲得された音に由来する複数の音響信号の手段により位置を決定するように構成された少なくも一つの音響信号処理モジュールを備えた音源追跡装置において、
前記複数のマイクロフォンの少なくも１個をそれぞれカプセル封じし、少なくも１個のマイクロフォンが内部に置かれた空洞、マイクロフォンハウジングの表面の開口及び空洞から開口に伸びている通路を備えた１個又はそれ以上のマイクロフォンハウジング
を備え、
前記通路及び前記空洞が、音の周波数帯域に１個又はそれ以上の高周波ピークを有する周波数応答のある音響増幅器を形成するように寸法を定められることを特徴とする音源追跡装置。
【請求項２】
前記複数のマイクロフォンがＭＥＭＳマイクロフォンであることを特徴とする請求項１による音源追跡装置。
【請求項３】
前記複数のマイクロフォン及び１個又はそれ以上のマイクロフォンハウジングが、カメラカバーに統合されることを特徴とする請求項１又は２による音響追跡装置。
【請求項４】
位置が基準点を定め、これに関してカメラ及び／又はプロセッサーが、撮像され又は観察される画像を調整することを特徴とする請求項１〜３のいづれか１つによる音源追跡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音源の定位に関し、特に信号源の定位に使用すべき音響信号を獲得するように特別に構成されたマイクロフォン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
信号の定位は、種々のアプリケーションにおいて使用される。最も知られたアプリケーションは、恐らくはテレビプログラムの制作である。例えば、討論プログラムにおいては、映像カメラがそのときの話者を示していてかつ好ましくはズーミングすることが、視聴者の体験と理解にとって重要である。しかし、これは伝統的に制作者により手操作で行われてきた。カメラとマイクロフォンとが多くの人の映像と音声とを取り込むその他のアプリケーションにおいては、業務の遂行を管理するためにある特定の人を置くことは不可能であるか或いは望み得ないことかもしれない。
【０００３】
かかるアプリケーションの一例は、ビデオ会議システムにおけるカメラの自動的な指向である。ビデオ会議の呼出しの一端末における典型的な場面は、多数の参加者がテーブルを囲んで座って端末のディスプレー装置を見ており、一方ではそのディスプレー装置の近くに置かれたカメラが会議室の映像を撮っている状態の会議室である。会議室に多くの参加者がいる場合は、遠方の端末で会議室の映像を観ている者が話者を判定すること又は話者の論議に追随することが困難なことがある。このため、会議室において話し中の話者を定位し、カメラがその者を自動的に指向し及び／又はズーミングすることが望ましい。カメラの視界内のある位置への自動指向及びズーミングは、本技術においてよく知られ、そして詳細には説明されないであろう。問題は、容認し得る自動的なビデオ会議の演出を許すために、話し中の話者の、空間的及び時間的の両者において十分に正確な定位を提供することである。
【０００４】
公知の音源定位装置は、空間的に間隔を空けられた多数のマイクロフォンを使用し、そして受信機の出力における信号間の遅延差に基づくことが多い。マイクロフォンの位置並びに異なるマイクロフォンと音源との間の伝搬経路間の遅延差を知れば、音源の位置を決定することができる。
【０００５】
音源定位の一例が特許文献１に示される。この特許は、音源の方向又は位置を獲得するために空間的に間隔を空けられた１対のマイクロフォンを使用する方法及びシステムを教示する。同一音源の音響を表している複数マイクロフォンのそれぞれの信号の始点を検出することにより、音響信号間の遅延時間が決定され、そして音源までの距離及び方向を計算することができる。
【０００６】
マイクロフォンを３個使用すれば、２次元平面内の音源を決定することができる。一平面内に置かれない３個以上のマイクロフォンを使用すると、音源位置を３次元で決定することが可能である。普通の組立体は、カメラの下方に水平方向の１列のマイクロフォン及びカメラの上方に１個のマイクロフォンを配置する。これにより、水平方向及び垂直方向の両方で音源を定位することができる。カメラ上方に取り付けられたマイクロフォンは、非常に目立ちかつ危険に曝されそして特別な製造費を要するかもしれない。従って、マイクロフォンをカメラ自体の頂部内に統合する対策が好ましい。これは、マイクロフォンを、例えばカメラの上方のロッドに取り付けることなく音源の垂直方向の定位を可能とする。マイクロフォンは見えずかつうまく保護され、更に押し付けがましさの少ない、より見かけのよいデザインの可能性を提供する。上に示されるようなこの選択は、マイクロフォン間の距離が小さいことによる音源追跡の精度の低下という欠点がある。
【０００７】
加えて、正確な追跡のためには良好な音質も必要であるので音響追跡アプリケーションに対しては音質が重要な問題である。数個のマイクロフォンからの出力が組み合わせられるとき、振幅及び位相の両者並びに広帯域の正確かつ繰り返し可能な周波数応答が要求される。整合の必要条件は１ｄＢ以下及び数度の位相とすることができる。これは、普通の変換器の製品では見いだせず、高価なマイクロフォンでも見いだせない。従って製造者は、測定と分類とにより変換器を整合させねばならず、或いは制作デザイナーが個々のマイクロフォンに何らかの形の測定及び較正を組み込まねばならない。両者とも費用がかさむ。
【特許文献１】米国特許第５，７７８，０８２号  明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
最近現れた別の対策は新しいマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）を利用することである。シリコンウェーハ技術を使用してＭＥＭＳマイクロフォンが作られた。この方法により、通常のエレクトレットコンデンサーマイクロフォン（ＥＣＭ）より位相応答の変化がかなり小さいマイクロフォンが得られる。従って、これは、マイクロフォンの良好な位相の整合が求められるアプリケーションによく適している。
【０００９】
しかし、マイクロフォン、特に安価なＥＣＭによる自己ノイズが真の問題である。ＭＥＭＳマイクロフォンは、標準のＥＣＭより高い自己ノイズを有し、これが音響のピックアップ及び定位システムに対して、特に高周波において問題である。
【００１０】
室内の背景ノイズは、典型的に周波数の増加とともにそのパワーが減少する。一方、多くの安価なマイクロフォン形式では、自己ノイズのパワーは一定であるか又は周波数の増加とともに増加する。スピーチ信号は高周波においては非常に低パワーであるが、自然に聞こえるスピーチ記録のためには高周波成分はなお重要であり、音源定位アルゴリズムに対して非常に効果的なヒントを提供する。マイクロフォンの自己ノイズは、高周波においては、卓越してノイズに寄与し、これが、会議室においてスピーチを採取するときの信号対雑音比（ＳＮＲ）を限定する。これは、話をしている人の近くでマイクロフォンを使用できないときに特に真実であり、定位及び追跡のアルゴリズムの可能性を限定する。スピーチの高周波情報がマイクロフォンの自己ノイズにより遮蔽されるため、解析のアルゴリズムが妨害される。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、音響発生源の位置を決定するための音源追跡装置であって、幾つかのマイクロフォンによりそれぞれ獲得された音に由来する多数の音響信号の手段により音源位置を決定するように構成された音響信号処理モジュール、及び前記複数のマイクロフォンの少なくも１個をそれぞれカプセル封じし、少なくも１個のマイクロフォンが内部に置かれた空洞、カプセル封じされたデバイスの表面の開口及び空洞から開口に伸びている通路を備える１個又はそれ以上のマイクロフォンハウジングを備えた音源追跡装置を明らかにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下において、本発明は、実施例を説明することにより、及び付属図面を参照することにより説明されるであろう。しかし、本技術熟練者は、独立請求項において定められた本発明の範囲内でその他の別のアプリケーション及び変更例を具体化し得るであろう。
【００１３】
本発明は、通信システムにおける音源追跡システムを支援するためにある種のマイクロフォン組立体を利用する。これは、単独のマイクロフォンとアレイマイクロフォンとの双方に適用することができる。原理的な着想は、限界高周波域における音の音響レベルを強化し、これにより音の追跡及び定位アルゴリズムの両者についての有効信号対雑音比を増加させることである。
【００１４】
これは通路又は小さい空洞（ヘルムホルツ共鳴器）内にマイクロフォンを囲み、これにより高周波応答のピーク（共鳴）をかなり広い帯域に導くことによりなされる。
【００１５】
図１は、本発明のこの態様を例示する。観られるように、マイクロフォン素子は組立体本体に埋め込まれる。この図は、本体の断面を示す。この組立体は、直径がｄで長さがＬの音の入口通路、及びマイクロフォンを囲んでいる容積Ｖの空洞を備える。音の入口通路は、マイクロフォンを囲んでいる空洞部とともに音響共鳴器を形成する。これが、かなり広い周波数帯域の増幅された音響的応答を与え、この帯域におけるマイクロフォンの信号対雑音比を改善する。共鳴周波数は、音の入口通路の直径ｄと長さＬ、及び空洞の容積Ｖの間の相互作用から得られる。通路の長さＬが短くなり、かつ空洞の容積Ｖが小さくなると共鳴周波数が高くなる。通路の直径ｄが大きくなっても共鳴周波数が高くなる。ヘルムホルツの理論により、共鳴周波数（ｆｒ）は次式のように計算することができる。
【００１６】
【数１】
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【００１７】
図２−３は、本発明の実施例の更なる態様を示す。これは、小さいＰＣＢカード上の硬質プラスチック製ハウジングによりカプセル封じされた表面取付け形ＭＥＭＳマイクロフォンを含む。マイクロフォンとプラスチックハウジングとを有するこのＰＣＢカードは強固なプラスチック構造内に取り付けられる。これら部品は音の入口通路及び上述のようにマイクロフォンを囲んでいる空洞の音響共鳴器とともに音響共鳴器システムを形成する。この組立体は多くの機能を持つ。既に述べたように、通路の長さ及び容積は、希望の高周波範囲に共鳴のピークを与えるように適合される。組立体は、容易かつ確実な取り付けを確保するように構成される。この構成は、マイクロフォンを物理的な衝撃及び破損、並びに静電放電（ＥＳＤ）から保護するようにも作用する。
【００１８】
素子の機械的な保護は、ハウジングを硬質プラスチック製でしっかりとかつ丈夫に作ることにより確保することが好ましい。材料は音の吸収を最小にするために非多孔質とすべきである。ショアＡ８０の硬度を有するエラストマーキャストが作業用の妥協案である。これは、上方のシステムからの変動する応力に抵抗するため、及びマイクロフォンを囲んでいる空洞からの空気の漏洩が確実に無いように良好な音響的遮蔽を提供するために幾分かの弾性があるようにすべきである。
【００１９】
この組立体は、マイクロフォンハウジングを有するマイクロフォンカードが取り付けられた外側プラスチック部品が、マイクロフォンハウジングの頂部に小圧力を加えるように設計することにより音響的に遮蔽されるべきである。また、マイクロフォンハウジングへの音の入口穴は、周囲のプラスチック部品上のチューブに気密に適合される。このチューブは、音の入口穴を外のプラスチック部品の前面に延ばしている。
【００２０】
この実施例において、ＥＳＤ保護は、マイクロフォンの前面にＰＣＢカード上に露出した導電用パッドを持ち、この導電用パッドをマイクロフォン素子より音の入口通路の近くに置くことにより達成される。ＥＳＤパルスは常に可能な最短経路でアースするため音の入口通路を通るＥＳＤパルスは導電用パッドを打ち、マイクロフォンは打たないであろう。
【００２１】
一つの方向から入る音波を必要とするいかなるマイクロフォン素子も本発明において使用することができる。しかし、繰返し可能な位相応答のために望まれる実施例においては、典型的に全方向ＭＥＭＳマイクロフォンが選ばれる。素子の大きさは原理的に重要でないが、マイクロフォン自体の大きさ及びその音の入口は、マイクロフォンを囲んでいる空洞の最小寸法に大きな影響を持つ。
【００２２】
ハウジング内のマイクロフォンの全自由音場応答は、マイクロフォン応答、入口通路容積応答、及び組立体前面における圧力累積効果の重畳である。機械的な設計により大きさ及び形状の定められた高周波応答のピークが常に生ずるであろう。
【００２３】
ビデオ会議における自動カメラ制御に対しては、話者定位用マイクロフォンアレイが必要である。本発明の一実施例においては、少数のマイクロフォン、典型的には４個のマイクロフォンが、カメラに関連して取り付けられる。典型的に、３個のマイクロフォンがカメラの下方の水平方向アレイを形成し、そして１個は上方であるがカメラ下方のアレイの中央のマイクロフォンと垂直方向のマイクロフォンの対を形成して配置される。これにより水平方向及び垂直方向の両方で音の定位ができる。上方に取り付けられたマイクロフォンは非常に目立つ。この実施例により、マイクロフォンは見えず、かつうまく保護され、そしてより見かけのよいあまり威圧的でないデザインの可能性を提供する。
【００２４】
図４は、上述された方法で取り付けられたマイクロフォンの得られた振幅応答に対する剥き出しの同じマイクロフォンの応答のプロットを示す。見られるように、共鳴のピークが周波数約８ｋＨｚから１１ｋＨｚの周波数において３から７ｄＢの音響増幅を与える。共鳴の形状及び周波数範囲は、マイクロフォンを囲んでいる機械的なデザインを調整することにより変化させることができる。
【００２５】
周波数共鳴に対するこの影響は、近隣の物体からの反射及び回折の影響より卓越しており、従って音源からの角度変化に対する変動の少ない応答を提供でき、有利である。
【００２６】
音源追跡以外の別の多くの目的については、音の歪みを避けるために周波数応答が平坦であることが好ましい。この場合は、マイクロフォンにより獲得された音が人の耳に達することは考えられず、探知のために使用される。これは、システムがデジタル化された場合に、続くアナログデジタル変換器における明確度を最適にしかつ信号対雑音比を改善する。ノイズのため及びマイクロフォン素子間の比較的短い距離のため、ノイズフロア（ｎｏｉｓｅ  ｆｌｏｏｒ）と比較して強力な検知信号を有することが音源の探知に重要である。従って、この場合、高周波領域における周波数応答のピークが有利である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施例によるマイクロフォンハウジングの断面を示す。
【図２−３】マイクロフォンハウジング、ＰＣＢカード及びカメラの合成体を有する例示の組立体を示す。
【図４】本発明を使用したときに得られた周波数応答の一例を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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