(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の方向から到来する信号を複数のセンサで観測し、これら複数のセンサからの観測信号に基づき周波数領域でのブラインド信号分離方法を用いて目的信号を抽出する方法であって、
上記センサからの観測信号を周波数領域の信号に変換する手順と、
上記周波数領域の信号から、独立成分分析により各周波数での分離行列を算出する手順と、
上記分離行列と上記周波数領域の信号とを乗算し、その乗算結果を時間領域の信号に変換して目的信号を得る手順又は上記分離行列を時間領域の周波数応答に変換し、その周波数応答を上記観測信号に畳み込んで目的信号を得る手順を有し、
上記分離行列を算出する手順は、
目的信号源とセンサ間の周波数領域での周波数応答の事前知識を用いて、目的信号が歪み無く抽出される拘束条件を満す分離ベクトルを
【数５】
0003949074.tif 000006
より計算して分離ベクトルの初期値ｔ１（０）（ｆ）とする手順と、
ここで、ｆは周波数を表し、Ｒz(ｆ)はＺ（ｆ）の共分散行列Ｒz(ｆ)＝Ｅ［Ｚ（ｆ）ＺH(ｆ)］を表し、Ｚ（ｆ）は白色化された信号を表し、Ｅ[ ]は平均を表わし、ＺH(ｆ)はＺ（ｆ）のエルミート共役を表し、Ｖ（ｆ）は白色化行列を表し、Ｈ１（ｆ）は目的信号源とセンサ間の既知の周波数応答を表し、ＡTは行列Ａの転置行列を表し、
上記分離ベクトルの初期値ｔ１（０）（ｆ）を、独立成分分析により、出力信号の非ガウス性をより高めるように
【数６】
0003949074.tif 000007
より更新する手順と、
ここで、ｔ１（ｋ＋１）は更新後の分離ベクトルの初期値を表し、ｔ１（ｋ）は更新前の分離ベクトルの初期値を表し、ｇ（ｚ）は非線型関数Ｇ（ｚ）のｚに関する微分を表し、ｋは更新回数を表し、
上記更新したベクトルをそのノルムが上記拘束条件を満すように、変更後の分離ベクトルの初期値ｔ１（ｋ＋１）ｎｅｗを
【数７】
0003949074.tif 000008
より求めて上記分離行列の一成分とする手順とを有することを特徴とする目的信号抽出方法。
【請求項２】
上記事前知識は、上記目的信号源に対する与えられた方位に基づき、上記複数のセンサ間の観測信号到達遅延時間を求め、その遅延時間を用いて上記周波数応答を求めたものであることを特徴とする請求項１記載の目的信号抽出方法。
【請求項３】
上記事前知識は、上記目的信号源とセンサ間の周波数応答を予め測定したものであることを特徴とする請求項１記載の目的信号抽出方法。
【請求項４】
上記ノルムを変更したベクトルを分離行列の一成分とする前に、その変更したベクトルが十分収束したか判定し、収束が十分でなければ上記そのベクトルを上記初期値として、上記非ガウス性をより高める手順に戻り、収束が十分であれば、上記分離行列の一成分とする手順を含むことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の目的信号抽出方法。
【請求項５】
複数のセンサからの観測信号が入力され、これら観測信号を周波数領域の信号に変換する周波数領域変換部と、
上記信号が入力され、その信号から独立成分分析により各周波数での分離行列を算出する分離行列推定部と、
上記信号及び上記分離行列が入力され、これらを演算して周波数ごとに目的信号を分離した分離信号行列を計算する分離演算部及び上記分離信号行列を時間領域信号に変換して抽出した目的信号を得る時間領域変換部、又は上記分離行列が入力され、これを時間領域の分離フィルタ信号群に変換する時間領域変換部及び上記分離フィルタ信号群と上記観測信号が入力されてフィルタ処理により抽出した目的信号を出力する分離フィルタ部と、
を具備する装置であって、
上記分離行列推定部は、
目的信号源とセンサ間の周波数領域での周波数応答を事前知識として保持する事前知識保持部と、
上記事前知識、上記信号とから、目的信号が歪み無く抽出される拘束条件を満す分離ベクトルを
【数５】
0003949074.tif 000009
より計算して分離ベクトルの初期値ｔ１（０）（ｆ）とする初期値計算部と、
ここで、ｆは周波数を表し、Ｒz(ｆ)はＺ（ｆ）の共分散行列Ｒz(ｆ)＝Ｅ［Ｚ（ｆ）ＺH(ｆ)］を表し、Ｚ（ｆ）は白色化された信号を表し、Ｅ[ ]は平均を表わし、ＺH(ｆ)はＺ（ｆ）のエルミート共役を表し、Ｖ（ｆ）は白色化行列を表し、Ｈ１（ｆ）は目的信号源とセンサ間の既知の周波数応答を表し、ＡTは行列Ａの転置行列を表し、
上記初期値ｔ１（０）（ｆ）、上記信号から、これらを変数とする目的関数を最大化するように、上記初期値ｔ１（０）（ｆ）を
【数６】
0003949074.tif 000010
より更新したベクトルを求める独立成分分析処理部と、ここで、ｔ１（ｋ＋１）は更新後の分離ベクトルの初期値を表し、ｔ１（ｋ）は更新前の分離ベクトルの初期値を表し、ｇ（ｚ）は非線型関数Ｇ（ｚ）のｚに関する微分を表し、ｋは更新回数を表し、
上記変更されたベクトルのノルムを上記拘束条件を満すように、変更後の分離ベクトルの初期値ｔ１（ｋ＋１）ｎｅｗを
【数７】
0003949074.tif 000011
より求めて上記分離行列の一成分としての分離ベクトルを出力するノルム更新部とを備えることを特徴とする目的信号抽出装置。
【請求項６】
請求項１〜４の少なくとも何れか１つに記載した目的信号抽出方法の各手順をコンピュータに実行させるための目的信号抽出プログラム。
【請求項７】
請求項６に記載した目的信号抽出プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数方向からの信号が混合されて受信され、観測したい元の信号（目的信号）のみを直接観測することはできず、目的信号に他のノイズ（雑音）などが重畳されて観測されるという状況において、目的信号を推定する方法、その装置、目的信号抽出プログラム、その記録媒体に関し、例えばオーディオ分野において、音声認識装置の入力マイクロホンと話者とが離れているためそのマイクロホンが目的話者音声以外の音まで拾ってしまうような状況でも、目的音声を抽出することで認識率の高い音声認識系の構築を可能とするものである。
【０００２】
【従来の技術】
独立成分分析（ＩＣＡ）法
目的信号を分離抽出する手法の一つ目として独立成分分析（Independent Component Analysis：ＩＣＡ）による手法がある。これは、複数の線形混合された信号を、元の信号や混合過程についての知識を全く用いることなしに推定する手法であり、ブラインド音源分離（Blind Source Separation：ＢＳＳ）とよばれる。まず、ブラインド音源分離（ＢＳＳ）について説明する。
・実環境での混合信号（観測信号）モデル
ｓi を信号源１１i の信号、ｈjiを信号源１１i からセンサ１２j までのインパルス応答（周波数応答）、Ｐをインパルス応答の次数、信号源１１i の数をＮ個（Ｎ＞１）、センサ１２j の数をＭ（Ｍ≧Ｎ）個、ｎを離散的時刻とすると、センサ１２j で観測される信号ｘj は
ｘj(ｎ）＝Σi=1NΣp=1Pｈji(p)ｓi(ｎ−ｐ＋１）（ｊ＝１，…，Ｍ）（１）
と表現される。ここでＮ個の信号ｓi は統計的に互いに独立であると仮定する。観測信号ｘj(ｎ）は一定周期で標本化され、ディジタル信号系列とされている。
・分離信号のモデル
ブラインド音源分離では、式（１）の形で得られる観測信号と、長さがＱタップ、インパルス応答がｗijのＮ×Ｍ個の分離フィルタ群１３ijから成る分離系を用いて分離する。この分離フィルタ群１３ijを用いて、分離して得られる信号ｙi(ｎ）は、
ｙk(ｎ）＝Σj=1MΣq=1Qｗij(ｑ)ｘj(ｎ−ｑ＋１）（ｉ＝１，…，Ｎ）（２）
と表される。図６にＮ＝Ｍ＝２の場合について、信号源１１1 ，１１2 とセンサ１２1 ，１２2 間の混合過程と、センサ１２1 ，１２2 の出力信号ｘ1 ，ｘ2 から２×２個のフィルタ群１３ijを用いるＩＣＡ法により分離信号ｙ1(ｎ），ｙ2(ｎ）を出力端子１４1 ，１４2 に得る分離過程を示す。
【０００３】
分離フィルタ係数（周波数応答）ｗijの推定には、独立成分分析（ＩＣＡ）と呼ばれる技術が広く用いられる。これは、信号同士の統計的独立性に基づいた技術であり、分離フィルタ係数ｗijは出力信号ｙi(ｎ）が互いに独立となるよう逐次的学習により決定される。
混合過程が例えば実音場での集音などでは、信号にシステムのインパルス応答が畳み込まれて混合され、式（１）のように非常に複雑な信号が得られる。これを分離するためには、式（２）のような複雑な形で表される分離フィルタ係数ｗijを推定する必要がある。これまでに提案されている手法では、このような複雑な分離フィルタ係数ｗijの推定は推定精度が低く、推定にかかる時間的な費用（コスト）も大きいことが知られている。
このため、信号を周波数領域へ変換し、各周波数において分離行列を求める手法（周波数領域ＢＳＳ）が広く用いられている。
【０００４】
・周波数領域ＢＳＳ法
周波数領域ＢＳＳ法の機能構成を図７に示す。観測信号ｘ1(ｎ），ｘ2(ｎ）を周波数領域変換部２１で、例えば短時間離散フーリエ変換（ＤＦＴ）（窓関数を掛け例えば１／２フレームごとにずらしながら１フレームずつ離散フーリエ変換）して次式（３）で示すような関係の周波数領域の信号に変換する。
Ｘ（ｆ，ｍ）＝Ｈ（ｆ）Ｓ（ｆ，ｍ）              （３）
ここでＳ（ｆ，ｍ）＝［Ｓ1(ｆ，ｍ），Ｓ2(ｆ，ｍ），…，ＳN(ｆ，ｍ）］T ，Ｘ（ｆ，ｍ）＝［Ｘ1(ｆ，ｍ），Ｘ2(ｆ，ｍ），…，ＸN(ｆ，ｍ）］T であり、[ ]Tは転置を表わし、Ｈ（ｆ）はＨji（ｆ）を要素とする混合行列であり、ｆは周波数、ｍは観測信号を短時間ごとのフレームに分割した際のフレーム番号である。この式（３）により、式（１）に示した複雑な混合を、各周波数成分での瞬時混合として表現でき、分離問題を簡単化できる。
分離行列推定部２２において、各出力信号の周波数領域の信号Ｙi(ｆ，ｍ）が互いに独立となるように、次式（４）を満す分離行列Ｗ（ｆ）を推定する。
Ｙ（ｆ，ｍ）＝Ｗ（ｆ）Ｘ（ｆ，ｍ）            （４）
ここでＹ（ｆ，ｍ）＝［Ｙ1(ｆ，ｍ），Ｙ2(ｆ，ｍ），…，ＹN(ｆ，ｍ）］T ，Ｗ（ｆ）は要素Ｗji（ｆ）のＮ×Ｍの行列である。
このようにして各周波数成分においての分離が達成される。
時間領域変換部２４において周波数領域で出力される信号Ｙi(ｆ，ｍ）を例えば逆フーリエ変換により時間領域の信号に変換する。あるいは時間領域変換部２５で分離行列Ｗ（ｆ）の各要素Ｗij（ｆ）に例えば逆フーリエ変換を施して時間領域表現の分離フィルタ係数ｗij（ｑ）に変換し、分離フィルタ群２６でこの変換した伝達関数ｗij（ｑ）を用いて観測信号ｘj(ｎ）に対し式（２）を計算することで、分離された出力信号ｙi(ｎ）を得る。こうして得られる分離信号の中から、何らかの手法を用いて目的信号を選ぶことで、目的信号が分離抽出される。
【０００５】
分離行列推定部２２では一般に、事前白色化（Pre-whitening）処理、ＩＣＡによる直交行列推定処理、事後白色化（Post-whitening）処理の３段階の処理が行われる。つまり図８に示すように事前白色化（Pre-whitening）部３１で白色化行列Ｖ（ｆ）を、直交行列推定部３２で直交行列Ｔ（ｆ）をそれぞれ推定し、その後、事後白色化（Post-whitening）部３３でこれらの推定された二つの行列を用い、分離行列Ｗ（ｆ）＝ＴH(ｆ）Ｖ（ｆ）を求める。
つまり事前白色化部３１では各周波数における観測信号Ｘ（ｆ，ｍ）を、白色化行列Ｖ（ｆ）を用いてＺ（ｆ，ｍ）＝Ｖ（ｆ）Ｘ（ｆ，ｍ）のように事前に白色化（Pre-whitening）する。ここでＶ（ｆ）は、Ｘ（ｆ）の共分散行列Ｒxx（ｆ）＝Ｅ［ＸＸT ］の固有値を対角要素に並べた行列Λ（ｆ）と、固有ベクトルを並べた行列Ｏ（ｆ）を用いてＶ（ｆ）＝Λ-1/2（ｆ）Ｏ（ｆ）で得られる。
【０００６】
直交行列推定部３２では白色化した観測信号Ｚ（ｆ，ｍ）を分離するための行列をＴ（ｆ）と書くと、分離信号Ｙ（ｆ，ｍ）は
Ｙ（ｆ，ｍ）＝Ｔ（ｆ）Ｚ（ｆ，ｍ）              （５）
と表される。前段で白色化を行っているため、ここでは行列Ｔ（ｆ）を直交行列に限ることができる。すなわち、Ｔ（ｆ）のｋ行目をベクトルｔk(ｆ）と表すとき、ベクトルｔi （ｆ）とベクトルｔj（ｆ） が直交する性質を持つ行列に限ることができる。この分離のための直交行列Ｔ（ｆ）を求める際にＩＣＡを用いる（例えば非特許文献１および２参照）。
ここではＩＣＡの手法の一つである、出力信号の非ガウス性を高めることで個々の独立成分を取り出す手法を説明する。これは、その分布がガウシアンでは無い（非ガウスの）原信号が混合された信号は、中心極限定理によりガウシアンに近くなるという性質を利用し、ガウシアンに近い信号Ｚ（ｆ，ｍ）を、ベクトルｔk を用いてより非ガウス性の高い信号Ｙk(ｆ，ｍ）に変換することで原信号の周波数領域信号を抽出できる、という原理に基づいた手法である。
【０００７】
この手法では、出力信号Ｙk(ｆ）の分布が最もガウシアンから遠い分布となった際に最大値を取る目的関数Γ（ｆ）を最大化する直交行列Ｔ（ｆ）の成分ベクトルｔk(ｆ）を求め、独立成分Ｙk(ｆ，ｍ）を一つずつ取り出す。すなわちこの手法では分離のための直交行列Ｔ（ｆ）は一行ずつ求められる。尚、ｋ＞２の場合には、ｔk(ｆ）が以前に求めたものと同一にならぬよう、ｋより大きいｒ番目のベクトルｔr は必ずベクトルｔk と直交するｔk(ｆ）を求める。
このように取り出される独立成分Ｙ1(ｆ，ｍ），…，Ｙk(ｆ，ｍ），…，ＹN(ｆ，ｍ）は原信号の周波数領域信号Ｓ1(ｆ，ｍ），…，Ｓi(ｆ，ｍ），…，ＳN(ｆ，ｍ）のいずれかに対応するが、その大きさと順序には任意性がある。これは、ＩＣＡが、信号の独立成分を取り出すという規範にのみ基いてベクトルｔk(ｆ）を推定しているためであり、ベクトルｔk(ｆ）の長さや求まる順序については規定していないためである。
【０００８】
このベクトルの大きさの任意性を回避するためには、一般に、ベクトルｔk(ｆ）のノルムを１とする拘束条件を付加することが行われている。すなわち、従来のＩＣＡでは次式（６）で示すように‖ｔk(ｆ）‖＝１であるｔk(ｆ）中の目的関数Γ（ｆ）を最大とするものを求める。
arg maxｔk(ｆ）Γ（ｆ）  subject to  ‖ｔk(ｆ）‖＝１    （６）
周波数領域ＢＳＳでは、目的関数Γ（ｆ）としてＥ｛Ｇ（｜ｔkH(ｆ）Ｚ（ｆ）｜2）｝が用いられる。ここでＧはある非線型関数であり、Ｇ（ｚ）＝log(ａ＋ｚ）やＧ（ｚ）＝√（ａ＋ｚ）（ａは定数）などがよく用いられる。
しかし、従来のＩＣＡでは、拘束条件を用いてベクトルの大きさの任意性については回避しているが、ベクトルｔk(ｆ）の求まる順序には任意性が残ったままである。この順序の任意性が、従来法による周波数領域ＢＳＳの問題点であり置換（パーミュテーション：Permutation）の問題と呼ばれている。
このPermutationの問題を、ここではＮ＝Ｍ＝２の場合について具体的に説明する。
【０００９】
図９において多数の黒の小さい点は白色化された信号Ｚ1(ｆ，ｍ）を横軸に、Ｚ2(ｆ，ｍ）を縦軸にプロットしたものであり、太い実線で示した円４１は、拘束条件‖ｔk(ｆ）‖＝１を表している。細い実線４２は目的関数Γ（ｆ）＝Ｅ｛Ｇ（｜ｔkH(ｆ）Ｚ（ｆ）｜2）｝の等高線を表しており、外側ほど値が大きくなる。
式（６）では、拘束条件の円４１の上でΓ（ｆ）を最大にするベクトルｔk を求めるものであるから、図９中の円４１の中心を通り互いに直交する軸Ａと軸Ｂ上の、基点を円４１の中心とする２つの白いベクトルα，βのうちのどちらかが解として求まる。すなわち、ｔ1(ｆ）＝α，ｔ2(ｆ）＝βという解も、ｔ2(ｆ）＝α，ｔ1(ｆ）＝βという解も求まり得る。これは、どちらの場合でも出力Ｙ1(ｆ，ｍ）とＹ2(ｆ，ｍ）の独立性を保つことができるからである。
このことを式で説明する。式（５）を、Ｎ＝Ｍ＝２の場合について書き下すと次式（７）となる。
【数１】
0003949074.tif 000002
【００１０】
直交行列Ｔ（ｆ）の一行目から一つ目の出力Ｙ1(ｆ，ｍ）が、Ｔ（ｆ）の二行目から二つ目の出力Ｙ2(ｆ，ｍ）が得られ、この時Ｙ1(ｆ，ｍ）とＹ2(ｆ，ｍ）は独立である。しかし、直交行列Ｔ（ｆ）はその行が入れかわっても、出力Ｙ1(ｆ，ｍ）とＹ2(ｆ，ｍ）の独立性は保たれる。すなわち直交行列Ｔ（ｆ）の１行目と２行目を入れかえると、一つ目の出力にＹ2(ｆ，ｍ）が、二つ目の出力にＹ1(ｆ，ｍ）が得られるが、ここでもやはり二つの出力信号は独立である。即ち、ＩＣＡは出力信号同士を互いに独立にはするが、その出力順序は拘束しない。
これより、任意の二つの周波数ｆ1 とｆ2 を考えた時、例えば出力信号Ｙ1(ｆ1 ，ｍ）とＹ1(ｆ2 ，ｍ）とが、同じ信号ｓiに対する推定信号であるとは限らない。従って、周波数領域ＢＳＳでは、Ｙi(ｆ1 ，ｍ）とＹi(ｆ2 ，ｍ）が同じ信号源の信号ｓiの推定となるように、直交行列Ｔ（ｆ）の行を正しく並べ替える必要がある。これを置換（Permutation）の問題と呼ぶ。
【００１１】
このPermutationの問題を解決した後、その直交行列Ｔ（ｆ）と事前白色化部３１で用いた白色化行列Ｖ（ｆ）とを用いて事後白色化（Post-Whitening）部３３でＷ（ｆ）＝ＴH(ｆ）Ｖ（ｆ）を演算して分離行列Ｗ（ｆ）を求める。
なお、Permutationの問題を解決する方法としては、たとえば非特許文献３がある。
【００１２】
適応型ビームフォーマ法
目的信号を分離抽出する手法の二つ目としては、適応型ビームフォーマによる手法がある。この適応型ビームフォーマ法は図１０に示すように、センサアレイ５０で観測された入力信号を目的信号オフ時推定部５１に入力して、妨害信号のみが存在する時間区間を検出する。この検出した時間区間において入力信号をフィルタ群５２へ供給し、そのフィルタ群５２の出力信号の和を誤差信号ｅ（ｔ）とし、フィルタ制御部５３において誤差信号のパワーが最小となるようにフィルタ群５２のフィルタ係数（インパルス応答）ｗijを更新する。次に求まったフィルタ係数ｗijをフィルタ群５４にコピーし、このフィルタ群５４に入力信号を通すことで、妨害信号が抑圧され、目的信号が強調された出力信号ｙ（ｎ）が得られる。
ここでは、目的信号がｓ1(ｎ）であるとして説明を行う。また、適応型ビームフォーマ法は周波数領域で用いられることが多いのでここでも周波数領域で説明を行う。
フィルタ係数更新時、分離行列Ｗ1j（ｆ）が全て０となる意味の無い解（目的信号も出力されない）が得られることのないように、以下に述べるような拘束条件のもとで、誤差信号Ｅ（ｆ，ｍ）のパワーが最小となるよう、分離行列Ｗ1j（ｆ）を推定する。ここでＷ1j（ｆ）はフィルタ係数ｗi(ｋ）を、Ｅ（ｆ，ｍ）は誤差信号ｅ（ｔ）をそれぞれ例えば短時間フーリエ変換により周波数領域に変換したものである。
【００１３】
適応型ビームフォーマ法では、目的信号源からセンサｊまでの周波数応答Ｈj1（ｆ）が既知である必要がある。既知である周波数応答をＨ′j1（ｆ）＝exp(ｊ２πｆτj1）とする。もしくは目的信号源の方位θを既知として、目的信号源からセンサｊまでの周波数応答Ｈj1（ｆ）を、信号のセンサ間遅延時間τj1だけを用いてＨ′j1（ｆ）＝exp(ｊ２πτj1）と近似する。ここで図１１に示すようにτj1＝（ｄj ／ｃ）sin θ1 であり、ｄj はセンサ１２j の座標、ｃは音速、θ１ は音源１１１ の方向である。この近似は、目的信号源（スピーカ）１１1 からセンサ（マイクロホン）１２j に到達する信号は直接音だけであるという近似となっている。
このように、Ｈ′j1（ｆ）が既知の時、拘束条件として例えば次式（８）で与えられ、
Σj=1MＨ′j1Ｗ1j（ｆ）＝Ｗ1(ｆ）Ｈ1(ｆ）＝１        （８）
この式（８）の条件を満たしながら誤差信号Ｅ（ｆ，ｍ）のパワーを最小とする係数Ｗ′1j（ｆ）を求める。ここで、Ｈ1(ｆ）＝［Ｈ′11（ｆ），Ｈ′21（ｆ）］T，Ｗ1(ｆ）＝［Ｗ11（ｆ），Ｗ12（ｆ）］である。式（８）は、目的信号から出力までの周波数応答を全ての周波数で１にする、という拘束条件となっている。これは目的信号が歪み無く出力されるための条件である。
【００１４】
適応型ビームフォーマ法における拘束条件を与えるためには、上記のように目的信号源１１1 からセンサ１２j までの周波数応答Ｈj1（ｆ）が必要である。しかし、Ｈj1（ｆ）は信号源１１1 の移動や場の変化（温度変化、扉の開放などによる形状の変化など）などにより変動するため、観測時の周波数応答Ｈj1（ｆ）と、適応型ビームフォーマ駆動時の周波数応答Ｈ′j1（ｆ）とが等しいことは少ない。また、目的信号源１１1 の方位θ1 を用いてＨ′j1（ｆ）を近似する場合にも、目的信号源１１1 の方位の推定が誤っている場合や、実環境での録音などのように信号の直接音だけでなく反射音も存在する場合には、Ｈ′j1（ｆ）の近似精度は低くなる。
このように、適応型ビームフォーマ法で用いられる拘束条件は、多くの場合、実際に使用する環境に合わないという意味で不正確なものであり、これが適応型ビームフォーマ法の問題点となっている。このような不正確なＨ′j1（ｆ）を拘束条件とする場合、適応型ビームフォーマ法による妨害信号除去能力は著しく低下する。
【００１５】
図１２を用いてこれを説明する。この図においてグレー（灰色）で表される点は、白色化された信号Ｚ1(ｆ，ｍ）を横軸に、Ｚ2(ｆ，ｍ）を縦軸にプロットしたものである。また、目的信号に関する直交ベクトルｔ1 および拘束条件の式（８）についても、Ｚi(ｆ）と同じ平面に表示することができ、図において、破線４４は適応型ビームフォーマ法により推定されたベクトルｔ1 を、ｔ１を横軸、ｔ２を縦軸として表し、一点鎖線４５は拘束条件を表している。
正しい拘束条件を与えた場合、図１２（ａ）に示すように、まず拘束条件を示す線４５とプロットされたＺi(ｆ）の軸の一方（図では軸Ａ）とは平行であることが分かる。また、正しい拘束条件を与えた場合、適応型ビームフォーマ法によって推定された、目的信号に関する直交ベクトルｔ1 と軸Ａは垂直に交わる。
両者が垂直である時、妨害信号が最も良く抑圧される（例えば非特許文献２参照）。
これに対し、目的信号方向を間違えて拘束条件を与えた場合は、図１２（ｂ）に示すように推定された直交ベクトルｔ1 と軸Ａは垂直には交わらない。これは、妨害信号除去能力が低いことを示している。
【００１６】
【非特許文献１】
A.Hyvaerinen and J.Karhunen and E.Oja,“Independent Component
Analysis,”John Wiley & Sons,2001,ISBN 0-471-40540
【非特許文献２】
M.Knaak and D.Filbert,“Acoustical semi-blind source separation
for machine monitoring,”in 3rd. International Conference on Blind
Source Separation and Independent Component Analysis,2001,pp.361-366
【非特許文献３】
澤田  宏，向井  良，荒木  章子，牧野  昭二，“周波数領域ブラインド音源分離におけるpermutation問題の解法”，日本音響学会  秋季研究発表会，
pp.541-542,2002年９月
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の周波数領域でのＢＳＳは、分離問題を各周波数について解くため、各帯域での分離行列は、時間的コストも小さく分離精度も良く求まる。しかし、周波数領域ＢＳＳでは、直交行列Ｔ（ｆ）の大きさを直交行列Ｔ（ｆ）の各行ベクトルのノルムが１という拘束条件で規定するが、直交行列Ｔ（ｆ）の行の順番については拘束が無かった。このため、求めたＹ（ｆ，ｍ）について置換（Permutation）の問題を解く必要があった。
また、適応型ビームフォーマ法では、目的信号源からセンサまでの周波数応答や目的信号源の方向等が正しく入手できないので、誤った拘束条件のもとでフィルタ信号（逆混合行列）の最適化が行われ、妨害信号の除去能力が十分ではなかった。
【００１８】
この発明の目的は、ＩＣＡによる学習中にPermutationの問題が生じないアルゴリズムを提案し、Permutationを解く処理を必要なくすると同時に、与えられる拘束条件の信頼性が低い場合でも妨害信号を十分除去することができる目的信号抽出方法、その装置、目的信号抽出プログラム、その記録媒体を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この発明による装置の基本的な機能構成は図１に示すように、図７に示した従来の独立成分解析（ＩＣＡ）法による周波数領域でのブラインド信号分離（ＢＳＳ）の機能構成と同様であるが、この発明では分離行列推定部に特徴を持つ。事前知識保持部の目的信号源とセンサ間の周波数応答の事前知識Ｈ1 を用いて目的信号を歪みなく抽出する拘束条件を満す分離ベクトルｔ1 の初期値ｔ1(0)を計算し、分離行列推定部においては、この初期値ｔ1(0)を、ＩＣＡ法により出力信号の非ガウス性をより高めるように更新し、この更新したベクトルｔ1 が前記拘束条件を満たすようにベクトルｔ1 のノルムを更新する。必要に応じて上記２つの更新を繰り返し、ベクトルｔ1 が十分収束するまで行う。ここで例えばＨ1(ｆ）＝［Ｈ′11（ｆ），Ｈ′21（ｆ）］であり、事前知識としては例えば適応型ビームフォーマ法で利用される程度の精度を持った目的信号方向に関するものであれば良い。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１にこの発明装置の機能構成例を示し、図２にこの発明の方法の処理手順の例を示す。以下では観測信号がｘ1(ｎ），ｘ2(ｎ）、分離信号がｙ1(ｎ），ｙ2(ｎ）であり、分離した目的信号としてｙ1(ｎ）を抽出する場合を例とする。
センサからの観測信号を取り込んで記憶部（図１に示していない）に一時格納する（Ｓ１）。図７に示した従来の周波数領域ＢＳＳ法と同様にこれら観測信号を例えば短時間フーリエ変換により周波数領域信号行列Ｘ（ｆ，ｍ）に周波数領域変換部２１で変換する（Ｓ２）。この変換された信号行列Ｘ（ｆ，ｍ）を用いて分離行列推定部６１で推定した分離行列Ｗ（ｆ）を推定する（Ｓ３）。
この推定は図８に示した手法と同様に事前白色化部３１で白色化行列Ｖ（ｆ）を算出し（Ｓ３−１）、白色化行列Ｖ（ｆ）を用いて信号行列Ｘ（ｆ，ｍ）を白色化して白色化観測信号行列Ｚ（ｆ，ｍ）を求める（Ｓ３−２）。
目的信号方向に関する事前知識Ｈ1 を用いた分離行列推定について詳しく説明を行う。
【００２１】
この発明では直交行列推定部６３に特色がありこの実施形態では、直交行列推定部６３において、目的関数Γ（ｆ）を最大化するベクトルｔ1 を、式（１０）に示す拘束条件の下に求める。
arg maxｔ1 Γ（ｆ）                              （９）
Ｗ1H(f)Ｈ1(f)＝ｔ1H(f)Ｖ(f)Ｈ1(f)＝１     （10）
これは例えば以下のように実現される。
まず直交ベクトルｔ1(ｆ）の初期値ｔ1(0)(ｆ）を与える（Ｓ３−３０）。この初期値ｔ1(0)(ｆ）は式（１０）の拘束条件を満たす任意のベクトルを用いることができるが、従来技術の項で説明した適応型ビームフォーマ法で求めたベクトルを用いるとよい。つまり、まず事前知識保持部６２に保持されている事前知識としての事前周波数応答Ｈ1（ｆ）の読み出しを行う（Ｓ３−３１）。初期値計算部６３ａに事前周波数応答Ｈ1（ｆ）、信号行列Ｚ（ｆ，ｍ）、白色化行列Ｖ（ｆ）を入力し、式（８）を満たしながら図１０での誤差信号Ｅ（ｆ，ｍ）のパワーを最小にするＷ1（ｆ）を求める。
Ｗ1（ｆ）＝ｔ1（ｆ）Ｖ（ｆ）の関係よりｔ1（ｆ）を求め、これを初期値ベクトルｔ1(0)（ｆ）とする。（Ｓ３−３２）。
このベクトルｔ1(0)は、拘束条件が正しく与えられる場合には既に分離を達成する直交ベクトルｔ1（ｆ）となり、拘束条件の信頼性が低い場合には分離能力は低いが、その向きは正しいベクトル、つまり図１２に示した例では軸Ａに垂直なベクトルに近くなる。従って、このベクトルを初期値ｔ1(0)（ｆ）に用いることで良好かつ高速な収束が得られる。なお事前周波数応答情報Ｈ1(ｆ）としては、従来の適応型ビームフォーマ法で説明したように目的信号源の方位（目的信号到来方向）θを既知としてＨj1（ｆ）＝exp(ｊ２πｆτj1），τj1＝（ｄj ／ｃ）sin θ1を計算したもの、あるいは予め測定したものでよい。
【００２２】
ＩＣＡ処理部６３ｂに信号行列Ｚ（ｆ，ｍ）、初期値ｔ1(0)（ｆ）、白色化行列Ｖ（ｆ）を入力してＩＣＡ法を用いて出力信号の非ガウス性をより高めるようにベクトルｔ1 を更新する（Ｓ３−３３）。これにより、式（１０）の拘束条件に依らず、出力信号の分離が最も良く行われるベクトルｔ1 を推定することができる。
ノルム更新部６３ｃに更新されたベクトルｔ1(ｆ）、白色化行列Ｖ（ｆ）、事前情報Ｈ1(ｆ）を入力して、更新したベクトルｔ1 が拘束条件式（１０）を満たすように、ベクトルの長さ（ノルム）を変更する（Ｓ３−３４）。これは、ＩＣＡ処理部６３ｂで推定されたベクトルｔ1 の方向は変えず、長さだけを変えて、ベクトルｔ1 が式（１０）の拘束条件を満たすように変更する操作を行えばよい。式（１０）は、目的信号から出力信号までの間の周波数応答、つまり目的信号源からこの目的信号抽出装置の出力端までの周波数応答が全ての周波数で１であるという条件であり、目的信号が歪み無く出力されるための条件である。よって、式（１０）の拘束条件を満たすベクトルｔ1 により分離された全ての周波数成分は全て同一の目的信号の成分である。言いかえると、式（７）の直交行列Ｔ（ｆ）の一行目は全ての周波数で目的信号に対応する出力を生成することになり、Permutationの問題が生じない。
【００２３】
ノルム変更が行われた後、収束判定部６３ｄでそのベクトルｔ1(ｆ）の収束状態の判定を行う（Ｓ３−３５）。十分に収束している場合、目的信号を分離抽出する為に必要なベクトルｔ1 の収束結果を出力する。まだ収束していない場合、そのベクトルｔ1(ｆ）をスイッチ部６３ｅを通じてＩＣＡ処理部６３ｂに再び入力して、つまりステップＳ３−３３に戻り、ステップＳ３−３３〜Ｓ３−３５を繰り返す。
収束した直交ベクトルｔ1(ｆ）と白色化行列Ｖ（ｆ）を事後白色化部３３に入力して、事後白色化した分離ベクトルｗ1(ｆ）を計算する（Ｓ３−４）。
目的信号が複数の場合は同様にして各目的信号と対応する分離ベクトルｗi を求め、つまり分離行列Ｗ（ｆ）を求める。この分離行列Ｗ（ｆ）と信号行列Ｘ（ｆ，ｍ）を分離演算部２７に入力して式（４）を演算して分離された目的信号行列Ｙ（ｆ，ｍ）を演算し（Ｓ４）、この演算結果を時間領域変換部２４で例えば逆フーリエ変換により時間領域信号に変換して、各分離された目的信号ｙ1(ｎ），ｙ2(ｎ）を求める（Ｓ５）。
【００２４】
あるいは事後白色化して得られた分離行列Ｗ（ｆ）を時間領域変換部２５で例えば逆フーリエ変換によりフィルタ係数群ｗijに変換し（Ｓ６）、分離フィルタ群２６で観測信号ｘj(ｎ)に対し、対応するフィルタ係数を畳み込んで分離された目的信号ｙ1(ｎ)，ｙ2(ｎ)を得るようにしてもよい（Ｓ７）。
この実施形態によれば、この発明の課題を解決できる仕組を以下に説明する。
上述した処理によりこの発明の課題が解決される仕組について図４を用いて説明する。グレーで表される点は、白色化された信号Ｚ1(ｆ，ｍ)を横軸に、Ｚ2(ｆ，ｍ)を縦軸にプロットしたものであり、一点鎖線４６は拘束条件を表し破線４７は適応型ビームフォーマ法により推定された分離ベクトルを、この実施形態の初期値ｔ1(0)としたものを表わし、実線４８はこの実施形態により求まった直交ベクトルｔ1 を表わし、図１２（ａ）に示した場合と同様に軸Ａと実線ベクトルｔ1 とが垂直に交わる時、妨害信号が最も抑圧される。
【００２５】
（１）従来のＩＣＡによるＢＳＳでは直交行列Ｔ（ｆ）のノルムを１とする拘束条件（図４中の円４１）の下に最大化問題を解くので、図４中に示す互いに直角でその一方が軸Ａと垂直な２本のベクトルａ及びｂのうち、どちらがベクトルｔ1 として求まるかは不定である。この不確定性がPermutationの問題であった。
この実施形態では拘束条件として式（１０）を用いるが、これは目的信号から出力信号までの間の周波数応答が全ての周波数で１であるという条件、すなわち目的信号が歪み無く出力されるための条件である。よって、拘束条件を満たすベクトルｔ1 は、全ての周波数において目的信号を生成することを可能とする。
言いかえると、式（７）の直交行列Ｔ（ｆ）の一行目が全ての周波数で目的信号に対応することになり、Permutationの問題が生じない。
【００２６】
ベクトルｔ1 に対する上記繰り返し処理の各回において、ｔ1 の長さ（ノルム）はベクトルが式（１０）の拘束条件を満たすよう決定されるが、拘束条件が実際と多少ずれている場合でも図４に示した例のように拘束条件は線Ｂよりも軸Ａと平行に近くなるので、ほとんどの場合において軸Ａに垂直なベクトルが最終的な直交ベクトルｔ1 として求まる。すなわち発明方法により、拘束条件が実際と多少ずれている場合でも、Permutationの問題は生じない。
また、初期値ｔ1(0)に適応型ビームフォーマ法により求めたものを用いる場合は、拘束条件が実際と多少ずれていても軸Ａに垂直に近いベクトルから学習を始めることができることもPermutationの問題を解決することに寄与している。
【００２７】
（２）適応型ビームフォーマ法では、目的信号方向を間違えて拘束条件を与えた場合には妨害信号除去能力が低くなる。この時、図１２（ｂ）に示したように、推定された直交ベクトルｔ1 と軸Ａは垂直には交わらなかった。
ＩＣＡ処理部６３ｂで図２中のステップＳ３−３３におけるＩＣＡ法によるベクトルｔ1 の更新では、ベクトルｔ1 は図９に示したベクトルαかβのように軸Ａ又は軸Ｂに垂直な方向へ近づくよう更新される。ここでは、Permutationの問題が解決されているのでベクトルｔ1 は軸Ａと垂直な方向へ収束する。
この発明では、更新の各回においてＩＣＡ法でｔ1 を軸Ａと垂直な方向へ近づけた後で、拘束条件を満たすためにｔ1 の長さを変える操作を行うので、拘束条件の正確さに依らずにベクトルｔ1 は軸Ａと垂直な方向へ近づいていく。
その結果、拘束条件の信頼性が低い場合でも、軸Ａと垂直な方向のベクトルが最終的な分離ベクトルｔ1 として求まることになる。
【００２８】
実施例
ここでは、目的関数Γ（ｆ）＝Ｅ｛Ｇ（｜ｔ1HＺ｜2）｝の場合についての、この発明の実施例について述べる。ここでＧはある非線型関数であり、Ｇ（ｚ）＝log(ａ＋ｚ)やＧ（ｚ）＝√（ａ＋ｚ）（ａは定数）などがよく用いられる。
はじめに初期値計算部６３ａ（ステップＳ３−３２）において、直交ベクトルｔ1 (ｆ)の初期値ｔ1(0)(ｆ）を選ぶ。初期値ｔ1(0)(ｆ）は任意の値を用いることができるが、図１２で示した従来の適応型ビームフォーマ法で求まったベクトルは、分離能力は低いが解の近くにあるので、これを初期値に用いることで良好かつ高速な収束が得られる。この初期値ベクトルｔ1(0)(ｆ）は白色化行列Ｖ（ｆ）と目的信号源とセンサ間の既知の周波数応答Ｈ1(ｆ）と白色化された信号Ｚ（ｆ）とを用いて次式（１１）の計算により求めることができる。
【数２】
0003949074.tif 000003
ここでＲz(ｆ)はＺ（ｆ）の共分散行列Ｒz(ｆ)＝Ｅ［Ｚ（ｆ）ＺH(ｆ)］であり、Ｅ[ ]は平均を表わす。
このベクトルｔ1(0)(ｆ）は、従来の適応型ビームフォーマ法で用いた規範（妨害信号のみが存在する時間における誤差信号の最小化）で求まるものであり、拘束条件が正しく与えられる場合には既に分離を達成する直交ベクトルｔ1(ｆ）と同一のものとなり、拘束条件の信頼性が低い場合には分離能力は低いが解の近くにあるベクトルとなる。
【００２９】
次に、ＩＣＡ処理部６３ｂ（ステップＳ３−３３）においてベクトルｔ1 の更新を行う。目的関数Γ（ｆ）＝Ｅ｛Ｇ（｜ｔ1HＺ｜2）｝の最大化は次の更新式（１２）により行われる。
【数３】
0003949074.tif 000004
であり、ｇ（ｚ）は非線型関数Ｇ（ｚ）のｚに関する微分、下付きの（）内の値は更新回数をそれぞれ表す。
【００３０】
次に、ノルム更新部６３ｃ（ステップＳ３−３４）においてベクトルｔ1 の長さを変更してベクトルｔ1 が式（１０）の拘束条件を満たすようにする。これは以下の式（１３）により実現できる。
【数４】
0003949074.tif 000005
次に、判定部６３ｄ（ステップＳ３−３５）で収束判定を行う。まだ収束していない場合、ベクトルｔ1 の更新と長さの変更を繰り返す。十分に収束している場合、目的信号を分離抽出する為に必要なｔ1 の収束結果を出力する。
【００３１】
この発明による目的信号抽出装置は、ＣＰＵやメモリ等を有するコンピュータと、ユーザ端末と、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−ＲＯＭ、磁気ディスク装置、半導体メモリ等の読み取り可能な記録媒体とから構成することができる。記録媒体に記録された目的信号に関する事前情報Ｈ1(ｆ)と、記録媒体に記録された目的信号抽出プログラムもしくは回線を通して伝送された目的信号抽出プログラムは、コンピュータに読み取られ、コンピュータ上で前述した各処理を実現する。
この発明は目的音源信号の抽出のみならず、目的電波源の信号の抽出にも適用でき、この場合はセンサとしてはアンテナが用いられ、アンテナよりの観測信号は一般にベースバンドに変換され、サンプリングされたディジタル信号系列として処理される。
【００３２】
【発明の効果】
図４の実線４８は、目的信号方向を間違えて拘束条件を与えた場合に、発明法を用いて推定した直交ベクトルｔ1 を示している。軸Ａに垂直なベクトルが推定されている。このように、目的信号方向を間違えて拘束条件を与えた場合にも十分な抑圧性能が得られるベクトルが推定されており、この発明の有効性が分かる。
図５は、出力端子１４1 に得られる信号について、各周波数における目的信号対妨害信号比（ＳＩＲ）をｄＢで示しており、値が正ならば、目的信号が出力端子１４1 に正しく得られていることを示し、値が負ならば、Permutationの問題が生じて妨害信号が出力端子１４1 に得られていることを示す。
【００３３】
図５（ａ）は、従来のＩＣＡ法を用いた場合に出力端子１４1 に得られる信号の各周波数におけるＳＩＲである。目的信号に関する拘束を入れていないため、Permutationの問題が著しい。
図５（ｂ）（ｃ）はそれぞれ、この発明方法を用いた場合に出力端子１４1 に得られる信号の各周波数におけるＳＩＲである。図５（ｂ）は無残響で、目的信号の方向が正しい角度と２０度ずれて与えられている場合、図５（ｃ）は目的信号の方向が正しく与えられているが、残響がある場合の結果である。すなわち図５（ｂ）（ｃ）の双方とも、正確な拘束条件を与えることができない状況である。しかし、この発明方法によると、双方ともほとんどの周波数で正のＳＩＲ値が得られており、Permutationの問題はほとんど生じていないことから、発明方法が有効であることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明装置の機能構成例を示すブロック図。
【図２】この発明方法の実施形態の処理手順の例を示す流れ図。
【図３】図１中の分離行列推定部の具体的機能構成例を示すブロック図。
【図４】この発明方法が課題を解決する仕組を説明するための図。
【図５】発明の効果を示す図。
【図６】ＩＣＡ法によるブラインド音源分離（ＢＳＳ）のモデルを示す図。
【図７】従来のＩＣＡ法による周波数領域ＢＳＳの機能構成を示すブロック図。
【図８】図７中の従来の分離行列推定部２２の詳細な機能構成を示すブロック図。
【図９】置換（Permutation）の問題を説明するための図。
【図１０】従来の適応型ビームフォーマ法の機能構成を示すブロック図。
【図１１】適応型ビームフォーマ法で使うパラメータを説明するための信号源とセンサとの配置を示す図。
【図１２】適応型ビームフォーマ法で得られる解を示す図。
【図１】
0003949074.tif 000012
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【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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