(57)【要約】二次元平面又は三次元空間の異なる位置から出力される出力信号を簡易な処理工程及び装置構成で迅速かつ確実に分離できる信号分離装置を提供する。異なる位置の出力源２０１、２０２から出力される各出力信号が重畳された重畳信号を各出力信号に関する時間勾配の瞬時混合和として検出し、この時間勾配の瞬時混合和に基づいて前記各出力信号を分離するようにしているので、この検出された信号をスカラー量（音圧）ではなく、ベクトル量（音圧勾配）として検出できることとなり、各出力源の方向と共に、各出力信号の分離を簡易な処理工程及び装置構成で迅速且つ確実に分離できる。【選択図】  図１【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元平面又は三次元空間の異なる位置の出力源から出力される各出力信号が重畳された重畳信号を分離する信号分離装置において、
前記重畳信号を各出力信号に関する時間勾配の瞬時混合和として検出する空間勾配検出手段と、
前記空間勾配検出手段が検出した信号を格納することなく直接取り込み、前記出力信号の時間勾配の瞬時混合和に基づいて前記各出力信号を分離する信号分離手段とを備えることを
特徴とする信号分離装置。
【請求項２】
前記請求項１に記載の信号分離装置において、
前記信号分離手段は、前記勾配検出手段から出力される空間勾配信号を時間積分する積分器を備えることを
特徴とする信号分離装置。
【請求項３】
前記請求項２に記載の信号分離装置において、
前記信号分離手段は、
前記勾配検出手段から出力される空間勾配信号を時間積分する第１の積分器と、
前記第１の積分器から出力される時間積分信号のうち、二つの信号の平均を演算する平均演算器と、
前記第１の積分器から出力される時間積分信号を、空間微分による空間勾配の勾配を演算する空間微分器と、
前記空間微分器から出力される空間勾配信号を時間積分する第２の積分器と
を備えることを
特徴とする信号分離装置。
【請求項４】
前記請求項１ないし３のいずれかに記載の信号分離装置において、
前記空間勾配検出手段が、各出力信号を各音声信号として検出するマイクロホンアレイとして構成され、当該マイクロホンアレイが前記音声信号の音圧勾配として検出することを
特徴とする信号分離装置。
【請求項５】
前記請求項４に記載の信号分離装置において、
前記マイクロホンアレイが検出する音圧勾配を粒子速度の時間微分により求めることを
特徴とする信号分離装置。
【請求項６】
前記請求項４又は５に記載の信号分離装置において、
前記マイクロホンアレイが、各音声信号が出力される異なる位置に対する観測点における少なくともｘ軸方向又はｙ軸方向の音圧差分を計測する双指向性のマイクロホンで構成されることを
特徴とする信号分離装置。
【請求項７】
前記請求項１ないし６のいずれかに記載の信号分離装置において、
前記信号分離手段が、重畳信号を各出力信号に分離すると共に、当該各出力信号の各出力源における方向及び／又は標準偏差を出力することをことを
特徴とする信号分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次元平面または三次元空間の異なる位置から出力される音声信号又は電波信号等の各出力信号が重畳された重畳信号から重畳前の各出力信号を分離する信号分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
人間は多くの人が話している中で、特定の人の声を選択して聞き取ることができる。この人間の聴覚的な能力をカクテルパーティ効果と呼ぶ。しかし多数の音源が混在する中、通常のマイクロホンを用いて録音を行ったとしても、音源までの距離、音源の到来方向、音の強弱などの影響によって必要な音だけを効率よく収音することは非常に困難である。【０００３】
複数の信号が重畳した信号から元の信号を復元する手法の一つにブラインド信号分離がある。ブラインド信号分離は、源信号が統計的に独立であり、観測信号が源信号によって線形的に混合されるという仮定に基づき、源信号を推定する手法である。【０００４】
ブラインド信号分離は様々な手法が提案されているが、特に実環境中での音声の観測を考慮したコンボリューション型のものが研究されてきた。近年その中でも信号を狭帯域信号に分割し、帯域ごとに瞬時混合型のブラインド信号分離を行う分離手法が盛んに研究されている。【０００５】
これらの分離手法に関する音源信号回路及びこれを用いたマイクロホン装置が特開２０００−１８１４９９号公報に開示されている。【０００６】
また、音源分離収音マイクロホン装置及びその方法が特開２００３−９８００３号公報に開示されている。さらに音源分離方法、装置及び記録媒体が特開平１０−３１３４９７号公報に開示されている。
【特許文献１】特開２０００−１８１４９９号公報
【特許文献２】特開２００３−９８００３号公報
【特許文献３】特開平１０−３１３４９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記従来技術における特許文献１は、互いに線形独立な複数の音（音源信号）が線形加算された複数の混合信号ｘ1（ｔ）、ｘ2（ｔ）をフレーム分割し、フレーム毎に分割された複数の信号ｙ1（ｔ）、ｙ2（ｔ）相互間のラグタイムゼロの相関を最小にする混合行列の逆行列を乗算するようにして複数の音源から音（音源信号）を分離していることから、分離処理の前提として複数の混合信号をフレーム毎に分割しなければならず、処理工程及び回路構成が複雑化すると共に、分離処理時間を遅延させるという課題を有する。【０００８】
また、特許文献２にも前記特許文献１と同様に混合信号をフレーム毎に分割した後に音源信号ごとに分離していることから、同様の課題を有する。【０００９】
さらに、特許文献３は、複数のマイクロホンからの各チャンネル信号を、主な成分が１つの音源信号の成分のみからなる程度に複数の帯域に分割し、これらから、各同一帯域について、レベル、到達時間を検出し、これらから、各帯域毎にいずれの音源信号かを判定分離することにより、各音源信号を分離するようにしていることから、１つの音源信号の成分のみからなる程度に複数の帯域に分割する前処理を経なければ分割処理が実行できず、処理工程及び回路構成が複雑化すると共に、分離処理時間を遅延させるという課題を有する。【００１０】
本発明は、前記課題を解消するためになされたもので、二次元平面又は三次元空間の異なる位置から出力される出力信号を簡易な処理工程及び装置構成で迅速かつ確実に分離できる信号分離装置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】
【００１１】
本発明に係る信号分離装置は、二次元平面又は三次元空間の異なる位置の出力源から出力される各出力信号が重畳された重畳信号を分離する信号分離装置において、前記重畳信号を各出力信号に関する時間勾配の瞬時混合和として検出する空間勾配検出手段と、前記空間勾配検出手段が検出した信号を格納することなく直接取り込み、前記出力信号の時間勾配の瞬時混合和に基づいて前記各出力信号を分離する信号分離手段とを備えるものである。【００１２】
このように本発明によれば、異なる位置の出力源から出力させる各出力信号が重畳された重畳信号を各出力信号に関する時間勾配の瞬時混合和として検出し、この時間勾配の瞬時混合和に基づいて前記各出力信号を分離するようにしているので、この検出された信号をスカラー量（音圧）でなく、ベクトル（音圧勾配）として検出できることとなり、各出力源の方向と共に、各出力信号の分離を簡易な処理工程及び装置構成で迅速且つ確実に分離できる効果を奏する。【００１３】
また、本発明に係る信号分離装置は必要に応じて、前記信号分離手段は、前記勾配検出手段から出力される空間勾配信号を時間積分する積分器を備えるものである。【００１４】
このように本発明によれば、信号分離手段が、前記勾配検出手段から出力される空間勾配信号を時間積分する積分器を備えるものであるので、空間勾配検出手段の後段における行列演算でのノイズによる悪影響を減少することができる効果を奏する。【００１５】
また、本発明に係る信号分離装置は必要に応じて、前記信号分離手段は、前記勾配検出手段から出力される空間勾配信号を時間積分する第１の積分器と、前記第１の積分器から出力される時間積分信号のうち、二つの信号の平均を演算する平均演算器と、前記第１の積分器から出力される時間積分信号を、空間微分による空間勾配の勾配を演算する空間微分器と、前記空間微分器から出力される空間勾配信号を時間積分する第２の積分器とを備えるものである。【００１６】
本発明によれば、信号分離手段が、前記勾配検出手段から出力される空間勾配信号を時間積分する第１の積分器と、前記第１の積分器から出力される時間積分信号のうち、二つの信号の平均を演算する平均演算器と、前記第１の積分器から出力される時間積分信号を、空間微分による空間勾配の勾配を演算する空間微分器と、前記空間微分器から出力される空間勾配信号を時間積分する第２の積分器とを備えるものであるので、信号分離装置が二次元平面中にある最大で４つの音源に対応することが可能となる効果を奏する。【００１７】
また、本発明に係る信号分離装置は必要に応じて、前記空間勾配検出手段が、各出力信号を各音声信号として検出するマイクロホンアレイとして構成され、当該マイクロホンアレイが前記音声信号の音圧勾配として検出するものである。【００１８】
本発明によれば、各出力信号に関する時間勾配の検出をマイクロアレイが各出力を各音声信号として検出し、このマイクロホンアレイが前記音声信号の音圧勾配として検出するようにしているので、各音源の方向と共に、各音声信号の分離を簡易な処理工程及び装置構成で迅速且つ確実に分離できる効果を有する。【００１９】
また、本発明に係る信号分離装置は必要に応じて、マイクロホンアレイが検出する音圧勾配を粒子速度の時間微分により求めるものである。本発明によれば、マイクロホンアレイが検出する音圧勾配を粒子速度の時間微分により求めることから、各出力信号の時間微分でなく、各出力信号そのものを推定するようにしているので、微分、積分の各処理が不用となり、より簡易な処理工程及び装置構成で高速・確実な分離が可能となる効果を有する。【００２０】
また、本発明に係る信号分離装置は必要に応じて、前記マイクロホンアレイが、各音声信号が出力される異なる位置に対する観測点における少なくともｘ軸方向又はｙ軸方向の音圧差分を計測する双指向性のマイクロホンで構成されるものである。【００２１】
本発明によれば、マイクロホンアレイが、各音声信号が出力される異なる位置に対する観測点における少なくともｘ軸方向又はｙ軸方向の音圧差分を計測する双指向性のマイクロホンで構成されるので、各音源の方向と共に、各音声信号の分離を簡易な処理工程及び装置構成で迅速且つ確実に分離できる効果を有する。【００２２】
さらに、本発明に係る信号分離装置は必要に応じて、前記信号分離手段が、重畳信号を各出力信号に分離すると共に、当該各出力信号の各出力源における方向及び／又は標準偏差を出力するものである。【００２３】
本発明によれば、信号分離手段が、重畳信号を各出力信号に分離すると共に、この各出力信号の各出力源における方向及び／又は標準偏差を出力するので、各音源の方向と共に、各音声信号の分離を簡易な処理工程及び装置構成で迅速且つ確実に分離できる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る信号分離装置における全体回路構成図である。
【図２】図１に記載の双指向性マイクロホンの配置構成図である。
【図３】図１に記載の信号分離装置の動作フローチャートである。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る信号分離装置における全体回路構成図である。
【図５】図１に記載の信号分離装置の動作フローチャートである。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る信号分離装置における全体回路構成図である。
【図７】図６に記載する粒子速度マイクロホンの配置構成図である。
【図８】図６に記載の信号分離装置の動作フローチャートである。
【図９】本発明の各実施形態の演算論理を説明するための混同過程・分離過程のブロック図である。
【図１０】本発明の各実施形態における数値実験・音響実験に使用する音声波形図である。
【図１１】本発明の各実施形態の２つの源信号のパワースペクトルである。
【図１２】本発明の各実施形態の源信号の時間勾配特性図である。
【図１３】本発明の各実施形態における観測信号の空間勾配図である。
【図１４】本発明の各実施形態における分離信号の特性図である。
【図１５】本発明の各実施形態における分離信号の特性図である。
【図１６】本発明の各実施形態における分離信号の特性図である。
【図１７】本発明の音響実験に用いる空間積分マイクロホンのブロック図である。
【図１８】本発明の音響実験の実験概略図である。
【図１９】本発明の音響実験における観測信号の空間勾配特性図である。
【図２０】本発明の音響実験における観測信号の空間勾配特性図である。
【図２１】本発明の音響実験における分離信号の波形図である。
【図２２】本発明の音響実験における到来方向の特性図である。
【図２３】本発明の第４の実施形態に係る信号分離装置の全体回路構成図である。
【図２４】図２３に示す無指向性マイクロホンにおける無指向性マイクロホンユニットを説明するための説明図である。
【図２５】図２３に示す信号分離装置のうち第１の空間微分器と第１の積分器によるｘ軸及びｙ軸方向の指向特性を説明するための説明図である。
【図２６】図２３に記載する無指向性マイクロホンの配置構成図である。
【図２７】図２３に記載の信号分離装置の動作フローチャートである。
【符号の説明】
【００２５】
１    双方向性マイクロホン
１０  粒子速度マイクロホン
１１  ｘ軸方向双方向性マイクロホン
１２  ｙ軸方向双方向性マイクロホン
１１ａ、１２ａ、１１１ａ、１１１ｂ  指向性
２    空間微分器
２１  ｘ軸方向空間微分器
２２  ｙ軸方向空間微分器
３、３０、１０３  行列演算回路
４、１０４  分離行列要素算出回路
５、１０５  方向・標準偏差算出回路
６、７  積分器
６１  ｘ軸時間積分器
６２  ｙ軸時間積分器
１００  観測点
１０１  無指向性マイクロホン
１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ  無指向性マイクロホンユニット
１０２、１０２ａ  第１の空間微分器
１０７、１０７ａ  第１の積分器
１０８  平均演算器
１０９  第２の空間微分器
１１０  第２の積分器  ２０１、２０２、２０３、２０４  音源
Ｐ1(t)、Ｐ2(t)、Ｐ3(t)、Ｐ4(t) 源信号
ｆｘ(t)、ｆｙ(t) 音圧勾配信号
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
（本発明の第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る信号分離装置を、図１ないし図３に基づいて説明する。この図１は本実施形態に係る信号分離装置の全体回路構成図、図２は図１に記載する双指向性マイクロホンの配置構成図、図３は図１に記載する信号分離装置の動作フローチャートを示す。【００２７】
前記各図において本実施形態に係る信号分離装置は、均質な三次元空間中の異なる位置に存在する音源２０１、２０２からの源信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)を収音する双方向性マイクロホン１と、この双方向性マイクロホン１で収音した源信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)に関する音圧の勾配を求める空間微分器２と、この求められた音圧勾配信号ｆｘ(t)、ｆｙ(t)のベクトル量（音圧勾配）に混合行列の逆行列を乗算する行列演算回路３と、この行列演算値をブラインド信号分離で分離行列要素a'ijを推定して推定分離信号Ｐｔｉ(t)；ｉ＝１，２を推定算出する分離行列要素算出回路４と、前記分離行列要素a'ijに基づいて音源２０１、２０２の到来方向θ1、θ2（ｘ軸正方向とのなす角度）及び音源２０１、２０２の時間勾配の標準偏差σti、σtjを算出する方向・標準偏差算出回路５と、前記推定分離信号Ｐｔｉ(t)を時間積分として分離信号Ｐ 1(t)、Ｐ2(t)を演算する積分器６とを備える構成である。【００２８】
前記双方向性マイクロホン１は、観測点１００近傍からｘ軸方向の音圧差分を計測するｘ軸方向双方向性マイクロホン１１と、観測点１００近傍からｙ軸方向の音圧差分を計測するｙ軸方向双方向性マイクロホン１２とを備える構成である。このｘ軸方向双方向性マイクロホン１１は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように観測点１００におけるｘ軸方向の空間微分に用いられる指向性１１ａを有する。また、前記ｙ軸方向双方向性マイクロホン１２はｘ軸方向双方向性マイクロホン１１と同様にｙ軸方向の空間微分用に用いられる指向性１２ａを有する。前記空間微分器２は、ｘ軸方向の空間勾配（ｆx1−ｆx2）／△ｘを求めるｘ軸方向空間微分器２１と、ｙ軸方向の空間勾配（ｆy1−ｆy2）／△ｘを求めるｙ軸方向空間微分器２２とを備える構成である。【００２９】
次に、前記構成に基づく本実施形態に係る信号分離装置の分離処理動作について説明する。まず、均質な三次元空間中に配設された音源２０１、２０２からの源信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)を観測点１００近傍のｘ軸方向双方向性マイクロホン１１及びｙ軸方向双方向性マイクロホン１２で収音する（ステップ１）。この収音された源信号Ｐ１(t)、Ｐ２(t)をｘ軸方向空間微分器２１、ｙ軸方向空間微分器２２によりｘ軸、ｙ軸各方向の空間微分による空間勾配ｆｘ、ｆｙを演算し、この空間勾配ｆｘ、ｆｙに基づいて行列演算回路３が空間勾配信号ｆｘ(t)、ｆｙ(t)のベクトル量（音圧勾配）に混合行列の逆行列を乗算する（ステップ２）。【００３０】
前記行列演算回路３は、前段の入力機器である双方向性マイクロホン１、空間微分器２及び行列演算回路３から信号の入力が有るか否かを判断し（ステップ３）、この信号の入力が有ると判断した場合にはブラインド信号分離で分離行列要素a'ijを推定し（ステップ４）、この推定した推定分離信号Ｐt1(t)、Ｐt2(t)を算出する（ステップ５）。【００３１】
この分離行列要素a'ijに基づく推定分離信号Ｐt1(t)、Ｐt2(t)をｘ軸時間積分器６１及びｙ軸時間積分器６２が各々時間積分し、分離信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)を演算し（ステップ６）、この演算された分離信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)を図示を省略する表示装置等へ出力する（ステップ７）。【００３２】
他方、前記ステップ４で推定算出された分離行列要素a'ijに基づいて方向・標準偏差算出回路５が源信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)の到来方向θ1、θ2及び音源２０１、２０２の時間勾配における標準編着σti、σtjを推定算出する（ステップ８）。この方向・標準偏差算出回路５で推定算出された観測点１００における源信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)の到来方向θ1、θ2及び音源２０１、２０２の標準偏差σ1、σ2を前記表示装置等へ出力する（ステップ９）。【００３３】
このようにして本実施形態に係る信号分離装置は、時空間勾配解析に基づき、均質な空間中では、任意の観測点１００における空間勾配が、音源２０１、２０２における時間勾配の線形混合で表現されるという事実を利用する。即ち、本実施形態の特徴は次のように集約される。ただ一つの観測点１００及びその近傍における空間勾配を計測することにより、源信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)の時間勾配の瞬時混合和を取得することができる。そのため最も簡単な瞬時混合型ブラインド信号分離問題に帰着することができる。さらに、観測量がスカラー量(音圧)ではなく、ベクトル量(音圧の空間勾配)なので音源の到来方向を含めた源信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)の分離が可能である。本時空間勾配解析手法を採用することにより、観測点１００間に生じる信号の到達時間差を考慮する必要がなく、観測信号の空間勾配を瞬時線形混合信号とみなすことができるため、最も簡単な瞬時線形混合に対する処理で分離信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)を推定することが可能となる。【００３４】
（本発明の第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る信号分離装置を、図４及び図５に基づいて説明する。この図４は本実施形態に係る信号分離装置の全体回路構成図、図５は図４に記載する信号分離装置の動作フローチャートを示す。【００３５】
前記各図において本実施形態に係る信号分離装置は、前記第１の実施形態と同様に双方向性マイクロホン１、空間微分器２、行列演算回路３、分離行列要素算出回路４及び方向・標準偏差算出回路５を共通して備え、この空間微分器２から出力される音圧勾配信号ｆｘ(t)、ｆｙ(t)を時間積分し、積分された音圧勾配信号ｆｘ(t)、ｆｙ(t)を行列演算回路３へ出力する積分器７（第１の実施形態における積分器６に相当）を備える構成である。【００３６】
ここで、通常、観測地点１００における観測信号にはノイズが重畳されており、空間微分器２が単純に空間勾配を引き算によって取得した場合には、ノイズが強調され、後段の行列演算回路３による演算に大きな誤差をもたらしてしまう場合がある。このため、このノイズを除去するために、フィルタを作用させる手段も考えられるが、フィルタの種類によっては、本システムが良好に動作するために必要な線形瞬時混合の条件を壊してしまう場合がある。【００３７】
したがって、この第２の実施形態に係る信号分離装置おいては、積分器７を行列演算回路３の前段に配置することで、前述した不適切な作用をもたらすことなく、空間微分器２の後段における行列演算でのノイズの悪影響を減少させることができる。【００３８】
次に、前記構成に基づく本実施形態に係る信号分離装置の分離処理動作は、前記第１の実施形態とほぼ同様に処理されるものであるが、ｘ軸方向空間微分器２１、ｙ軸方向空間微分器２２によりｘ軸、ｙ軸各方向の空間微分による空間勾配ｆｘ、ｆｙが演算（ステップ１１）された後に、この空間勾配ｆｘ、ｆｙを積分器７により時間積分する（ステップ１２）。【００３９】
この時間積分された空間勾配ｆｘ、ｆｙの各空間勾配信号ｆｘ(t)、ｆｙ(t)が行列演算回路３により混合行列の逆行列を乗算される。以下、前記第１の実施形態と同様ステップ１３ないしステップ１８により分離信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)を出力すると共に観測点１００における源信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)の到来方向θ1、θ2及び音源２０１、２０２の標準偏差σ1、σ2を前記表示装置等へ出力する【００４０】
（本発明の第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る信号分離装置を、図６ないし図８に基づいて説明する。この図６は本実施形態に係る信号分離装置の全体回路構成図、図７は図６に記載する粒子速度マイクロホンの配置構成図、図８は図６に記載する信号分離装置の動作フローチャートを示す。【００４１】
前記各図において本実施形態に係る信号分離装置は、前記第１の実施形態と同様に行列演算回路３０（第１の実施形態における行列演算回路３に相当）、分離行列要素算出回路４及び方向・標準偏差算出回路５を共通して備え、音源２０１、２０２からの源信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)を粒子速度Ｖｘ、Ｖｙとして計測する粒子速度マイクロホン１０を備え、この粒子速度マイクロホン１０で計測された粒子速度信号Ｖｘ(t)、Ｖｙ(t)を前記行列演算回路３０へ出力する構成である。【００４２】
次に、前記構成に基づく本実施形態に係る信号分離装置分離処理動作はまず、音源２０１、２０２からの源信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)が粒子速度マイクロホン１０により粒子速度Ｖｘ、Ｖｙとして計測される（ステップ２０）。この粒子速度マイクロホン１０からなる入力機器からの粒子速度Ｖｘ、Ｖｙに基づく粒子速度信号Ｖｘ(t)、Ｖｙ(t)が出力されたか否かを判断する（ステップ２１）。【００４３】
このステップ２１において粒子速度信号Ｖｘ(t)、Ｖｙ(t)が出力されていると判断された場合には、以降の粒子速度信号Ｖｘ(t)、Ｖｙ(t)が行列演算回路３０により混合行列の逆行列を乗算される。以下、前記第２の実施形態と同様にステップ２２ないしステップ２６により分離信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)を出力すると共に、観測点１００における源信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)の到来方向θ1、θ2及び音源２０１、２０２の標準偏差σ1、σ2を前記表示装置等へ出力する。【００４４】
（本発明の各実施形態の演算論理）
以下、前記各実施形態の演算論理を図９に基づき前記第１の実施形態の図２を参照して説明する。
前記図２及び図９において本発明の各実施形態に係る信号分離装置は、波動方程式により、観測点１００における空間勾配が源信号の時間勾配の線形結合で表現される。この波動場の時空間勾配法においては、音源２０１、音源２０２を含んでいない遠方場で、音圧は次の波動方程式を満たす。【００４５】
【数１】
2006132249.tif 000002
ここでｃは位相速度ベクトルである。式(1)は逆向きに進行する２つの波面の存在を示している。ここでは片方の波面に着目し次の移流方程式に注目する。【００４６】
【数２】
2006132249.tif 000003
この方程式は、観測点１００における音圧の時間勾配と空間勾配の線形関係を示している。均質な空間を仮定すると、ある観測点での音圧の時間勾配は、各音源２０１、２０２における伝播遅延時間過去の音圧の時間勾配値の総和で表される。本発明は式(2)で示される移流型の方程式を満たす波動場において、時間勾配と空間勾配の線形関係を利用する時空間勾配法をブラインド信号分離問題に適用させる。【００４７】
次に、波面の重畳と瞬時混合については、簡単のため同一平面上を進行する２つの独立な平面波を仮定する。任意の点における音圧は次式で与えられる。【００４８】
【数３】
2006132249.tif 000004
ここでｃは音速、θ1、θ2は各波面の到来方向を示す。関数Ｐ1(t)、Ｐ2(t)は帯域幅ωの信号の音圧であり、次式で定義する。【００４９】
【数４】
2006132249.tif 000005
任意の点で得られる情報は観測信号ｆ（ｘ，ｙ，ｔ）のみであり、元の信号や音源の到来方向は未知である。このような観測信号から源信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)を推定するために、時空間勾配法を適用し、観測信号の空間勾配を源信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)の時間勾配の線形混合信号として表現する。原点０（観測点１００）における時間勾配は次式で得られる。【００５０】
【数５】
2006132249.tif 000006
ここでＰti(t)、Ｐi(t)の時間勾配である。【００５１】
【数６】
2006132249.tif 000007
式（５）を用いると、ｆ（ｘ，ｙ，ｔ）の音圧勾配は次のように導出される。  【００５２】
【数７】
2006132249.tif 000008
【００５３】
【数８】
2006132249.tif 000009
すなわちｆ（ｘ，ｙ，ｔ）の空間勾配はＰt1(t)、Ｐt2(t)を源信号とした場合の瞬時線形混合信号として表される。【００５４】
【数９】
2006132249.tif 000010
ここで行列Ａを混合行列として、次式で定義する。【００５５】
【数１０】
2006132249.tif 000011
また、信号の分離と音源方向の推定については、瞬時線形混合型ブラインド信号分離問題の概略を図９（Ａ）、（Ｂ）に示す。（Ａ）は混合過程を示し、（Ｂ）は分離過程を示す。（Ｂ）に示されるように、分離過程は観測された２信号をＷで無相関化する白色化過程とＲ（η）で独立した成分に分離する回転過程から構成される。白色化後、分離行列を求めるため、分離信号Ｐt1(t)、Ｐt2(t)と観測信号の音圧勾配は次の関係式を満たす。【００５６】
【数１１】
2006132249.tif 000012
ここで分離行列を【００５７】
【数１２】
2006132249.tif 000013
とおく。Ｒ（η）とＷは後述するブラインド信号分離のアルゴリズムによって決定されるが、混合行列の逆行列Ａ-1を用いて次式でも表わすことができる。【００５８】
【数１３】
2006132249.tif 000014
ここでσt1とσt2はそれぞれ観測点Ｐt1(t)、Ｐt2(t)におけるの標準偏差である。式（１３)においてＡ′の要素とＡ-1の各要素を比較することで、式（１４）、（１５）の推定式を得る。【００５９】
【数１４】
2006132249.tif 000015
【００６０】
【数１５】
2006132249.tif 000016
このとき分離信号と各パラメータＰti(t)、θi、σti、ｉ＝１、２は次の２通りのどちらかで推定される。【００６１】
【数１６】
2006132249.tif 000017
【００６２】
【数１７】
2006132249.tif 000018
すなわち分離信号を推定するのと同時に、個々の音源の到来方向、標準偏差も推定することができる。【００６３】
さらに、瞬時混合に対するブラインド信号分離については、観測信号の音圧勾配は行列Ｗによって白色化され、行列Ｒ（η）によって出力信号が互いに独立になるように回転変換させることにより、分離信号を推定する。白色化については、次式で求めることができる。【００６４】
【数１８】
2006132249.tif 000019
【００６５】
【数１９】
2006132249.tif 000020
回転変換については、次式で求めることができる。【００６６】
【数２０】
2006132249.tif 000021
ここでηは分離パラメータであり、単位は度(°)である。最適なηを推定するために次式の評価関数を導入する。【００６７】
【数２１】
2006132249.tif 000022
ここで関数Ｈ4(・)は４次のHermite多項式である。【００６８】
【数２２】
2006132249.tif 000023
勾配法を適用したηを逐次的に推定する式は次式となる。【００６９】
【数２３】
2006132249.tif 000024
ここでμは適当な定数である。【００７０】
（本発明における数値実験）
本発明における数値実験により、ブラインド信号分離を用いた音源方向の推定をする。図１０に示す音声波形は数値実験、音響実験で使用する源信号である。源信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)として１０秒間の異なる２人の女性の音声信号を用いる。表1には源信号の各規格を示す。これら２つの源信号のパワースペクトルを示した図１１をみると、それぞれが同様の帯域(200〜350Hz付近)に主に成分を持っていることがわかる。本発明ではフーリエ級数展開に基づいて作成した源信号の時間勾配により構成される観測信号の空間勾配に対してブラインド信号分離を適用する。本発明で用いたブラインド信号分離では白色化過程で用いられるモーメントを安定させるため、分離行列の推定はモーメント算出開始から1秒後に開始する。また推定した分離信号を時間積分して源信号を求めるため、次式を採用する。【００７１】
【数２４】
2006132249.tif 000025
【００７２】
【表１】
2006132249.tif 000026
表２に数値実験の設定値を示す。【００７３】
【表２】
2006132249.tif 000027
これは以降に示す音響実験と同様の設定にしている。源信号の時間勾配を図１２に、観測信号の空間勾配ｆｘ(t)、ｆｙ(t)を図１３に、分離信号Ｐt1(t)、Ｐt2(t)とそれらの時間積分、逐次的に推定したθ1、θ2を図１４、図１５、図１６にそれぞれ示す。数値実験の初期値として分離パラメータの初期値数η（t0）＝０°、ｔ0＝１sec、収束係数μ＝0.001を与えている。図１４より、推定開始直後は波形が乱れているが、ｔ＝２secには元の波形はほぼ復元されている。このとき推定した分離行列Ｒ（η）Ｗを次式に示す。【００７４】
【数２５】
2006132249.tif 000028
音源の到来方向を推定した図１６（Ａ）では、ｔ＝２secにはθ1、θ2は徐々に安定し始め、ｔ＝３sec以降は収束している。その後源信号Ｐt1、Ｐt2の振幅が同時に急激な変化をしているため、ｔ＝７sec付近に多少乱れが生じているが、再び真値付近に収束している。また最終的に推定された音源の到来方向はθ1＝６０．８°、θ2＝１２０．１°であった。標準偏差はσ1＝１１５３５．９、σ2＝１１８３５．２であり、表1の真値とほぼ一致する。次に分離パラメータの初期値η（t0）＝２７０°を与えた場合、分離行列Ｒ（η）Ｗは次式となった。【００７５】
【数２６】
2006132249.tif 000029
図１６（Ｂ）には推定した音源の方向を示す。このとき最終的に推定された音源の方向はθ1＝１２０．１°、θ2＝６０．８°標準偏差はσ1＝１１８３５．２、θ2＝１１５３５．９であった。初期値η（t0）＝０°の場合、分離信号は式（１６）のように推定されるが、初期値η（t0）＝２７０°をとると、ブラインド信号分離で得られる分離行列の成分が変化し、全ての推定値が式(１７)のように逆に推定された。このように本手法ではブラインド信号分離によって分離行列がどのように推定されたとしても、出力される分離信号と推定されたそれらの音源２０１、２０２の到来方向、標準偏差を適宜に推定できることが確認された。【００７６】
相互情報量については、混合前後または分離処理前後の信号間の統計的独立性を確かめるために、相互情報量【００７７】
【数２７】
2006132249.tif 000030
を算出する。相互情報量は常に正であり，Ｚ1とＺ2が互いに独立のとき０になる。ここでｐ（Ｚ1）、ｐ（Ｚ2）は周辺確率密度関数、ｐ（Ｚ1，Ｚ2）は結合確率密度関数を表わす。各信号の振幅値を＋側と−側それぞれ６４諧調ずつと０を含む１２９諧調に量子化したものから確率密度関数を求め、相互情報量を算出した。相互情報量は分離信号が安定して得られているｔ＝２〜１０secの区間のものをそれぞれ求めている。各信号間の相互情報量を示した表３をみると、源信号間の相互情報量Ｉ（Ｐ1(t)、Ｐ2(t)）は０．０４８ｂｉｔであり、分離によってこの値を下回ることはない限界の値を意味する。表３より、相互情報量における観測信号の空間勾配からのそれぞれの距離の比:【００７８】
【数２８】
2006132249.tif 000031
を比較するとｄ〜−９９．０％となり、得られた分離信号は分離処理によってほぼ統計的独立になったと考えられる。【００７９】
【表３】
2006132249.tif 000032
（本発明における音響実験）
本発明における音響実験において、本発明における空間微分マイクロホンを用いて観測信号の空間微分を実現するために、観測点１００を中心としてｘ軸、ｙ軸各方向に所定間隔離反させて２対を配設させて形成されるマイクロホンを導入する。空間微分マイクロホン本体中央の点（０，０）で得られる観測信号をｆ（０，０，ｔ）とすると、その前後左右に位置するマイクロホンで得られるｆ1（ｘ、ｙ、ｔ）〜ｆ4（ｘ、ｙ、ｔ）はそれぞれ次のように表わされる。【００８０】
【数２９】
2006132249.tif 000033
【００８１】
【数３０】
2006132249.tif 000034
【００８２】
【数３１】
2006132249.tif 000035
【００８３】
【数３２】
2006132249.tif 000036
これらの関係式より差分法を用いた観測信号のｘ，ｙ方向の空間微分は、【００８４】
【数３３】
2006132249.tif 000037
【００８５】
【数３４】
2006132249.tif 000038
で表される。ここで△はマイクロホン間の距離であり、対象の信号の波長はこの距離よりも十分に長いものとする。製作した図１７のマイクロホンにおいて、△は１８ｍｍである。【００８６】
時間積分によるノイズの低減については、実環境中で観測された信号は反射の影響により、精度の良い分離処理や音源の到来方向、標準偏差の推定を行うことができない。そこで分離信号に対して行っていた時間積分を観測信号の空間勾配に対して行う。すなわち次式の処理で分離信号を得る。【００８７】
【数３５】
2006132249.tif 000039
ここで忘却係数はα＝ｅ-△t/γ〜−０．９９９１であり、時定数γは２５ｍｓに設定している。このときの分離過程を図１７に示す。【００８８】
実環境中での信号分離と音源方向の推定については、２つのスピーカーと空間微分マイクロホンを用いて信号分離の実験を行った。実験の概略図を図１８に示す。右側のスピーカーから音声信号Ｐ1(t)、左側のスピーカーからはＰ2(t)を同時に再生し、空間微分マイクロホンを用いて録音を行った。ただし本システムでは４音声を同時録音できないので、マイクｆ1〜ｆ4の位置でそれぞれ録音し、同時刻に記録された音声信号に対して分離処理を行っている。観測信号の音圧勾配ｆｘ(t)、ｆｙ(t)とそれらの時間積分値を図１９、図２０に、分離信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)を図２１に推定したθ1、θ2を図２２にそれぞれ示す。実験の初期値として分離パラメータの初期値η（t0）＝２７０°、t0＝１sec、収束係数μ＝０．０００１を与えている。このときブラインド信号分離で推定した分離行列を次式に示す。【００８９】
【数３６】
2006132249.tif 000040
推定した音源の到来方向θ1、θ2はともにｔ＝１．５secには安定し、ｔ＝３sec以降にはほぼ真値付近に収束しており、精度良く推定されている。このとき最終的に推定された音源の到来方向はθ1＝６３．４°、θ2＝１２６．４°であった。標準偏差はσt1＝３４５９．２、σt2＝３４８３．３であり、σt1：σt2はほぼ１：１でとなるので、表1の真値の比と一致する。また分離信号を音声に変換して聞いてみると、多少相手側の音声が重畳しているが、所望の信号は強調されていた。表３，４より、この実験の相互情報量も式(２８)を用いると、ｄ〜−８５．３％とすることができた。【００９０】
【表４】
2006132249.tif 000041
（本発明の第４の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る信号分離装置を、図２３ないし図２７に基づいて説明する。この図２３は本実施形態に係る信号分離装置の全体回路構成図、図２４は図２３に示す無指向性マイクロホンにおける無指向性マイクロホンユニットを説明するための説明図、図２５は図２３に示す信号分離装置のうち第１の空間微分器と第１の積分器によるｘ軸及びｙ軸方向の指向特性を説明するための説明図、図２６は図２３に記載する無指向性マイクロホンの配置構成図、図２７は図２３に記載する信号分離装置の動作フローチャートを示す。【００９１】
前記各図において本実施形態に係る信号分離装置は、前記第２の実施形態と同様に、行列演算回路１０３（第２の実施形態における行列演算回路３に相当）、分離行列要素算出回路１０４（第２の実施形態における分離行列要素算出回路４に相当）及び方向・標準偏差算出回路１０５（第２の実施形態５における方向・標準偏差算出回路５に相当）を共通して備え、均質な二次元平面中の異なる位置に存在する音源２０１、２０２、２０３、２０４からの源信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)、Ｐ3(t)、Ｐ4(t)を収音する無指向性マイクロホン１０１と、この無指向性マイクロホン１０１で収音した源信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)、Ｐ3(t)、Ｐ4(t)に関する音圧の勾配を求める第１の空間微分器１０２と、この第１の空間微分器１０２から出力される音圧勾配信号ｆｘ1(t)、ｆｘ2(t)、ｆｘ3(t)、ｆｘ4(t)、ｆｙ1(t)、ｆｙ2(t)、ｆｙ3(t)、ｆｙ4(t)を時間積分し、得られた時間積分信号ｖx1(t)、ｖx2(t)、ｖx3(t)、ｖx4(t)、ｖy1(t)、ｖy2(t)、ｖy3(t)、ｖy4(t)のうち、ｖx1(t)、ｖx4(t)、ｖy1(t)、ｖy4(t)を平均演算器１０８に、ｖx1(t)、ｖx2(t)、ｖx3(t)、ｖx4(t)、ｖy1(t)、ｖy2(t)、ｖy3(t)、ｖy4(t)を第２の空間微分器１０９に、それぞれ出力する第１の積分器１０７と、第１の積分器１０７から出力される時間積分信号ｖx1(t)、ｖx4(t)、ｖy1(t)、
ｖy4(t)のうち、ｖx1(t)とｖx4(t)との平均をｖx(t)と、ｖy1(t)とｖy4(t)との平均をｖy(t)として、前記行列演算回路１０３に出力する平均演算器１０８と、第１の積分器１０７から出力される時間積分信号ｖx1(t)、ｖx2(t)、ｖx3(t)、ｖx4(t)、ｖy1(t)、ｖy2(t)、ｖy3(t)、ｖy4(t)のうち、ｖx2(t)とｖx3(t)、ｖx1(t)とｖx4(t)、ｖy2(t)とｖy3(t)、ｖy1(t)とｖy4(t)をそれぞれ入力し、音圧の空間勾配の勾配を求める第２の空間微分器１０９と、第２の空間微分器１０９から出力される勾配信号を時間積分し、得られた時間積分信号ｕxx(t)、ｕyy(t)、ｕxy(t)、ｕyx(t)を前記行列演算回路１０３に出力する第２の積分器１１０とを備える構成である。
なお、図２３においては、行列演算回路１０３と分離行列要素算出回路１０４とを１つのブロックとして示している。【００９２】
また、平均演算器１０８は、ｆ5（原点Ｏ）におけるｘ方向の音圧の勾配を求めるにあたり、対象性をよくするために、ｆ2とｆ3との傾き（（ｆ3−ｆ2）／Δｘ）及びｆ7とｆ8との傾き（（ｆ8−ｆ7）／Δｘ）の平均をとっている。同様に、ｆ5（原点Ｏ）におけるｙ方向の音圧の勾配を求めるにあたり、対象性をよくするために、ｆ3とｆ8との傾き（（ｆ3−ｆ8）／Δｙ）及びｆ2とｆ7との傾き（（ｆ2−ｆ7）／Δｙ）の平均をとっている。【００９３】
また、第２の空間微分器１０９は、ｘ方向の音圧の勾配（（ｆ5−ｆ4）／Δｘ−（ｆ6−ｆ5）／Δｘ）のｘ方向の勾配（（（ｆ5−ｆ4）／Δｘ−（ｆ6−ｆ5）／Δｘ）／Δｘ）、ｙ方向の音圧の勾配（（ｆ1−ｆ5）／Δｙ−（ｆ5−ｆ9）／Δｙ）のｙ方向の勾配（（（ｆ1−ｆ5）／Δｙ−（ｆ5−ｆ9）／Δｙ）／Δｙ）、ｘ方向の音圧の勾配（（ｆ3−ｆ2）／Δｘ−（ｆ8−ｆ7）／Δｘ）のｙ方向の勾配（（（ｆ3−ｆ2）／Δｘ−（ｆ8−ｆ7）／Δｘ）／Δｙ）、ｙ方向の音圧の勾配（（ｆ3−ｆ8）／Δｙ−（ｆ2−ｆ7）／Δｙ）のｘ方向の勾配（（（ｆ3−ｆ8）／Δｙ−（ｆ2−ｆ7）／Δｙ）／Δｘ）をそれぞれ求めている。【００９４】
さらに、ｖx(t)はｘ方向の粒子速度、ｖy(t)はｙ方向の粒子速度をそれぞれ示しており、行列演算回路１０３に出力することで、信号分離装置が二次元平面中にある最大で２つの音源に対応できるようにするものである。また、ｕxx(t)はｘ方向の粒子変位のｘ方向の勾配、ｕxy(t)はｘ方向の粒子変位のｙ方向の勾配、ｕyy(t)はｙ方向の粒子変位のｙ方向の勾配、ｕyx(t)はｙ方向の粒子変位のｘ方向の勾配をそれぞれ示しており、行列演算回路１０３に出力し、ｖx(t)及びｖy(t)と併用することで、信号分離装置が二次元平面中にある最大で４つの音源に対応できるようにするものである。【００９５】
図２６に示すように、無指向性マイクロホン１０１は、９本の無指向性マイクロホン（ｆ1、ｆ2、ｆ3、ｆ4、ｆ5、ｆ6、ｆ7、ｆ8、ｆ9）からなり、互いに近接する４本の無指向性マイクロホンが１つの無指向性マイクロホンユニット（ｆ1とｆ2とｆ3とｆ5との組、ｆ3とｆ5とｆ6とｆ8との組、ｆ5とｆ7とｆ8とｆ9との組、ｆ2とｆ4とｆ5とｆ7との組）を構成している。【００９６】
なお、この第４の実施形態においては、図２６に示すように、無指向性マイクロホンｆ5を原点Ｏ（観測点１００）に配置し、ｘ軸方向に対してΔｘの距離、ｙ軸方向に対してΔｙの距離をもたせて、他の無指向性マイクロホンを配置している。【００９７】
図２５に示すように、４本の無指向性マイクロホン（ｆ1、ｆ2、ｆ3、ｆ5）からなる無指向性マイクロホンユニット１０１ａを例に挙げて説明すると、無指向性マイクロホンユニット１０１ａが収音した音源からの源信号は、この無指向性マイクロホンユニット１０１ａに接続された第１の空間微分器１０２ａ及び第１の積分器１０７ａによって、ｘ軸方向の指向性１１１ａとｙ軸方向の指向性１１１ｂとをもつ時間積分信号として出力される。また、前記第１の空間微分器１０２ａは、無指向性マイクロホンｆ2，ｆ3が接続されｘ
軸方向の空間勾配（ｆ3−ｆ2）／Δｘを求めるｘ軸方向空間微分器と、無指向性マイクロホンｆ1，ｆ5が接続されｙ軸方向の空間勾配（ｆ1−ｆ5）／Δｙを求めるｙ軸方向空間微分器とを備える構成である。【００９８】
なお、図２５に示す１つの無指向性マイクロホンユニットを、図２４に示すように、ｘ方向に２つの無指向性マイクロホンユニット１０１ｂ及び１０１ｄ、ｙ方向に２つの無指向性マイクホンユニット１０１ａ及び１０１ｃを近接して並列させることで、図２３における無指向性マイクロホン１０１が構成される。また、隣り合う無指向性マイクロホンユニット間で互いに接する無指向性マイクロホン（ｆ2、ｆ3、ｆ5、ｆ7、ｆ8）は隣り合う無指向性マイクロホンユニット間で共有させている。【００９９】
次に、前記構成に基づく本実施形態に係る信号分離装置の分離処理動作について説明する。
まず、均質な二次元平面中に配設された音源２０１、２０２、２０３、２０４からの源信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)、Ｐ3(t)、Ｐ4(t)を観測点１００近傍の無指向性マイクロホン（ｆ1、ｆ2、ｆ3、ｆ4、ｆ5、ｆ6、ｆ7、ｆ8、ｆ9）で収音する（ステップ２７）。【０１００】
この収音された源信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)、Ｐ3(t)、Ｐ4(t)を第１の空間微分器１０２によりｘ軸及びｙ軸の各方向の空間微分による空間勾配ｆｘ1(t)、ｆｘ2(t)、ｆｘ3(t)、ｆｘ4(t)、ｆｙ1(t)、ｆｙ2(t)、ｆｙ3(t)、ｆｙ4(t)を演算する（ステップ２８）。【０１０１】
この空間勾配ｆｘ1(t)、ｆｘ2(t)、ｆｘ3(t)、ｆｘ4(t)、ｆｙ1(t)、ｆｙ2(t)、ｆｙ3(t)、ｆｙ4(t)を第１の積分器１０７により時間積分する（ステップ２９）。【０１０２】
この時間積分された空間勾配ｆｘ1(t)、ｆｘ2(t)、ｆｘ3(t)、ｆｘ4(t)、ｆｙ1(t)、ｆｙ2(t)、ｆｙ3(t)、ｆｙ4(t)の時間積分信号ｖx1(t)、ｖx2(t)、ｖx3(t)、ｖx4(t)、ｖy1(t)、ｖy2(t)、ｖy3(t)、ｖy4(t)のうち、ｖx1(t)とｖx4(t)との平均、及びｖy1(t)とｖy4(t)との平均を平均演算器１０８により演算する（ステップ３０）。【０１０３】
他方、前記ステップ２９で時間積分された空間勾配ｆｘ1(t)、ｆｘ2(t)、ｆｘ3(t)、ｆｘ4(t)、ｆｙ1(t)、ｆｙ2(t)、ｆｙ3(t)、ｆｙ4(t)の時間積分信号ｖx1(t)、ｖx2(t)、ｖx3(t)、ｖx4(t)、ｖy1(t)、ｖy2(t)、ｖy3(t)、ｖy4(t)のうち、ｖx2(t)とｖx3(t)、ｖx1(t)とｖx4(t)、ｖy2(t)とｖy3(t)、ｖy1(t)とｖy4(t)を第２の空間微分器１０９によりｘ軸及びｙ軸の各方向の空間微分による空間勾配の勾配を演算する（ステップ３１）。
第２の空間微分器１０９から出力される勾配信号を時間積分する(ステップ３２)。【０１０４】
ステップ３０で得られた平均時間積分信号ｖx(t)、ｖy(t)と、ステップ３２で得られた時間積分信号ｕxx(t)、ｕyy(t)、ｕxy(t)、ｕyx(t)とが、行列演算回路１０３により混合行列の逆行列を乗算される。以下、前記第２の実施形態と同様ステップ３３ないしステップ３８により分離信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)、Ｐ3(t)、Ｐ4(t)を出力すると共に観測点１００における源信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)、Ｐ3(t)、Ｐ4(t)の到来方向θ1、θ2、θ3、θ4及び音源２０１、２０２、２０３、２０４の標準偏差σ1、σ2、σ3、σ4を前記表示装置等へ出力する。【０１０５】
このようにして第４の実施形態に係る信号分離装置は、時空間勾配解析に基づき、 均質な空間中では、任意の観測点１００における空間勾配が、音源２０１、２０２、２０３、２０４における時間勾配の線形混合で表現されるという事実を利用する。即ち、本実施形態の特徴は次のように集約される。ただ一つの観測点１００及びその近傍における空間勾配を計測することにより、源信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)、Ｐ3(t)、Ｐ4(t)の時間勾配の瞬時混合和を取得することができる。そのため最も簡単な瞬時混合型ブラインド信号分離問題に帰着することができる。さらに、観測量がスカラー量(音圧)ではなく、ベクトル量(音圧の空間勾配)なので音源の到来方向を含めた源信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)、Ｐ3(t)、Ｐ4(t)の分離が可能である。本時空間勾配解析手法を採用することにより、観測点１００間に生じる信号の到達時間差を考慮する必要がなく、観測信号の空間勾配を瞬時線形混合信号とみなすことができるため， 最も簡単な瞬時線形混合に対する処理で分離信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)、Ｐ3(t)、Ｐ4(t)を推定することが可能となる。【０１０６】
特に、第１の実施形態、第２の実施形態及び第３の実施形態においては、信号分離装置が二次元平面中にある最大で２つの音源にしか対応することができなかったが、この第４の実施形態においては、９本の無指向性マイクロホンからなる無指向性マイクロホン１０１を用いて、第１の積分器１０７からの音圧勾配信号の時間積分信号を、平均演算器１０８によって、ｘ方向の粒子速度ｖx(t)及びｙ方向の粒子速度ｖy(t)として、行列演算回路１０３に出力し、第２の空間微分器１０９及び第２の積分器１１０によって、ｘ方向の粒子変位のｘ方向の勾配ｕxx(t)、ｘ方向の粒子変位のｙ方向の勾配ｕxy(t)、ｙ方向の粒子変位のｙ方向の勾配ｕyy(t)及びｙ方向の粒子変位のｘ方向の勾配ｕyx(t)として、行列演算回路１０３に出力することで、信号分離装置が二次元平面中にある最大で４つの音源に対応することが可能となる。【０１０７】
（本発明の各実施形態の演算論理）
以下、前記第４の実施形態の演算論理を説明する。【０１０８】
なお、この第４の実施形態の演算論理は、前記第１の実施形態、第２の実施形態及び第３の実施形態において説明した前記式（８）までの演算論理とほぼ同様の演算論理となるので、前記式（８）までの演算論理の説明は省略する。
ｆ（ｘ，ｙ，ｔ）の空間勾配はＰt1(t)、Ｐt2(t) 、Ｐt3(t)、Ｐt4(t)を源信号とした場合の瞬時線形混合信号として表される。【０１０９】
【数３７】
2006132249.tif 000042
両辺を時間で積分すると、次式が得られる。【０１１０】
【数３８】
2006132249.tif 000043
ここで、∇ｆ（ｘ，ｙ，ｔ）は、粒子速度ｖの∂ｖ／∂ｔに比例しており、式（３８）に代入すると、次式が得られる。【０１１１】
【数３９】
2006132249.tif 000044
また、粒子速度ｖを式（４０）とすると、式（４１）が得られる。【０１１２】
【数４０】
2006132249.tif 000045
【０１１３】
【数４１】
2006132249.tif 000046
したがって、行列Ｂ（６行４列）の擬似逆行列Ｂ-1を既存の方法で求めることで、源信号Ｐ1(t)、Ｐ2(t)、Ｐ3(t)、Ｐ4(t)を求めることができる。【０１１４】
この場合に、行列Ｂの１行及び２行部分は、θ1、θ2、θ3、θ4に関するＡの混合行列であり、Ｂの３行ないし６行部分は、σ1、σ2、σ3、σ4の新たな行列である。
【図１】
2006132249.tif 000047
【図２】
2006132249.tif 000048
【図３】
2006132249.tif 000049
【図４】
2006132249.tif 000050
【図５】
2006132249.tif 000051
【図６】
2006132249.tif 000052
【図７】
2006132249.tif 000053
【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１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【国際調査報告】
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