(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１、第２の２つのマイクロホンと、第１のマイクロホンから出力される信号を入力されて目標信号を出力する目標信号出力部と、第２のマイクロホンから出力される信号を参照信号として入力されて適応信号処理を行う適応信号処理部と、適応信号処理部を構成する適応フィルタの出力信号と前記目標信号との差を出力する誤差信号発生部とを備えた車載のマイクロホンシステムにおいて、
前記第１、第２のマイクロホンを接近して配置すると共に、第１のマイクロホンを話者の顔の真上車室天井に配置し、前記第２のマイクロホンを該第１のマイクロホンの位置より１〜５cm程度後頭部側の車室天井に離して配置することにより、第１のマイクロホンは第２のマイクロホンに比べて話者音声が大きく、かつ該話者音声に対する自動車内の話者音声以外の雑音が少なくなるようにし、第２のマイクロホンは第１のマイクロホンに比べて話者音声が小さく、かつ該話者音声に対する自動車内の話者音声以外の雑音が大きくなるようにし、
前記適応信号処理部は、前記第１、第２のマイクロホンにノイズのみが入力する非音声認識時、適応信号処理により前記誤差信号発生部から出力する誤差信号のパワーが最小となるように前記適応フィルタの係数を決定し、前記第１、第２のマイクロホンにノイズと音声信号が入力する音声認識時、該適応フィルタの係数を更新せず、前記誤差信号を音声信号として出力する、
ことを特徴とするマイクロホンシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロホンシステムに係わり、特に、２つマイクロホンの出力信号を用いて適応信号処理を行いSN比を改善した話者音声信号を出力するマイクロホンシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の音声認識システムは、15dB以上のSN比（S：音声／N：ノイズ）が確保されている場合、約95％の認識率を実現できるくらいの技術レベルにまで達している。しかし、周囲に存在するノイズによりSN比が低下すると、それに伴って認識率が急激に低下する性質も有している。図８はSN比と認識性能との関係をいくつかの種類のマイクロホン（無指向性、単一指向性、狭指向性、AMNOR(Adaptive  Microphone-array for Noise Reduction))について評価したもので、SN比と認識率がおおむねＳ字特性100を示す帯の中に包含されている。この図８から明らかなように、認識率はSN比の低下により急激に低下し、SN比が0dBの環境下において約50％にまで低下してしまう。
【０００３】
そのため、自動車が発生するノイズ（エンジン音・ロードノイズ・パターンノイズ・風切り音など）が存在する自動車車室内において、上記のような認識性能の劣化は避けられず、音声認識システムを車載化する上で大きな問題の一つとなっている。
前記したような事情から、周囲に存在するノイズの影響を少なくし、高いSN比で音声を受音するための方式が種々提案されており、複数のマイクロホンとディジタル信号処理を用いた高SN比受音システムはその一例である。かかる高SN比受音システムの中で最も簡単な構成のものは図９に示すように２つのマイクロホンを使用するシステムであるが、他にも、Griffith-Jim型アレイやAMNORといった、より高度なシステムが提案されている。
【０００４】
図９において、１，２は第１、第２のマイクロホン、３は適応信号処理部であり、誤差信号ｅが入力されると共にマイクロホン２の出力信号ｘ2が参照信号として入力され、誤差信号ｅのパワーが最小となるようにLMS(Least Mean Square)アルゴリズムに基づいて適応信号処理を行う。適応信号処理部３において、３ａはLMS演算部、３ｂは例えばFIR型デジタルフィルタ構成の適応フィルタである。LMS演算部３ａは適応信号処理により誤差信号ｅのパワーが最小となるように適応フィルタ３ｂの係数を決定する。
【０００５】
４はマイクロホン１から出力されるノイズ信号を目標信号として入力される目標応答設定部であり、音響系の逆特性を精度よく近似するためのものである。適応フィルタ３ｂのタップ長の半分の信号遅延時間をｄとするとき、目標応答設定部４は該時間ｄの遅延特性を有し、オーディオ周波数帯域でフラットな特性（ゲイン１の特性）を有する。すなわち、目標応答設定部４は、図１０（ａ）に示すようにゲイン１のフラットな周波数特性を備え、図１０（ｂ）に示すように遅延時間ｄを有するインパルス応答特性を有している。この目標応答設定部４は、FIR型デジタルフィルタの遅延時間ｄに対応する係数を１にし、他の係数を０にすることにより実現できる。
５は減算部であり、目標応答設定部４から出力する目標応答より適応フィルタ３ｂの出力信号を減算して誤差信号ｅを出力する。
【０００６】
非音声認識時、マイクロホン１、２にはノイズのみが入力し、適応信号処理部３は適応信号処理により誤差信号ｅ、すなわち、ノイズ出力のパワーが最小となるようにフィルタ係数Wを決定する。一方、音声認識時には、適応信号処理部３はフィルタ係数の更新をせず、前記非音声認識時に決定したフィルタ係数Wを適応フィルタ３ｂに設定して音声信号を出力する。
図９に示すシステムに本来求められている理想的な性能は、音声認識時に出力信号として音声信号Xs(z)のみ(ノイズ出力は0)を出力することである。すなわち、ノイズ出力En(z)に関して、
En(z)＝Xn1(z)z-d−Xn2(z)W(z)          (1)
{En(z)}2の平均が最小値をとるように調整可能なパラメータ(適応フィルタ３ｂの係数)Wを決定することである。ただし、Xn1(z)，Xn2(z)はマイクロホン１、２の出力信号に含まれるノイズ信号である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
自動車には騒音源が多数存在するため、マイクロホン１，２が拾う自動車車室内ノイズのコヒーレンスは、マイクロホン１，２を遠ざけるにしたがって低下する傾向を有している。このため、２つのマイクロホン１，２を遠ざける程、(1)式の条件が満たされにくくなってしまう問題が生じ、マイクロホン１，２はできるだけ近い位置に配置する必要がある。
ところが、２つのマイクロホン１，２をできるだけ近い位置に配置すると、２つのマイクロホンにほぼ同様の音声とノイズがそれぞれ入射する可能性が高くなり、(1)式を満たすように適応フィルタ係数Wを決定してノイズを消去すると、音声までもが消去されてしまう。一方、音声が歪まないように適応フィルタ係数Wを決定すると、ノイズがほとんど消えず、SN比もほとんど改善されなくなってしまうという問題が発生する。
【０００８】
かかる問題は、図９に示したシステム特有のものではなく、Griffith-Jim型アレイやAMNORといった、より高度な高SN比受音システムを採用した場合でも、ほぼ同様に発生する。
以上から本発明の目的は、マイクロホンを２つ使用する図９のマイクロホンシステムにおいて、音声信号のSN比を改善できるようにすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題は本発明によれば、第１、第２の２つのマイクロホンと、第１のマイクロホンから出力される信号を入力されて目標信号を出力する目標信号出力部と、第２のマイクロホンから出力される信号を参照信号として入力されて適応信号処理を行う適応信号処理部と、適応信号処理部を構成する適応フィルタの出力信号と前記目標信号との差を出力する誤差信号発生部とを備えた車載のマイクロホンシステムにおいて、前記第１、第２のマイクロホンを接近して配置すると共に、第１のマイクロホンを話者の顔の真上車室天井に配置し、前記第２のマイクロホンを該第１のマイクロホンの位置より１〜５cm程度後頭部側の車室天井に離して配置することにより、第１のマイクロホンは第２のマイクロホンに比べて話者音声が大きく、かつ該話者音声に対する自動車内の話者音声以外の雑音が少なくなるようにし、第２のマイクロホンは第１のマイクロホンに比べて話者音声が小さく、かつ該話者音声に対する自動車内の話者音声以外の雑音が大きくなるようにし、前記適応信号処理部は、前記第１、第２のマイクロホンにノイズのみが入力する非音声認識時、適応信号処理により前記誤差信号発生部から出力する誤差信号のパワーが最小となるように前記適応フィルタの係数を決定し、前記第１、第２のマイクロホンにノイズと音声信号が入力する音声認識時、該適応フィルタの係数を更新せず、前記誤差信号を音声信号として出力することにより達成される。
このようにすれば、２つのマイクロホンの出力信号に含まれるノイズXn1(z)，Xn2(z)を略等しくでき、一方、２つのマイクロホンの出力信号に含まれる音声信号Xs1(z)，Xs2(z)を異ならせることができる。従って、ノイズ信号入力時のEn(z)の２乗平均値が最小となるように適応フィルタ係数Wを決定しても、(2)式の音声出力Es(z)は零とならず、音声信号のSN比を改善することができる。
【００１０】
マイクロホンの具体的な配置例としては、一方のマイクロホンを話者の顔の真上に配置し、他方のマイクロホンを該一方のマイクロホンの位置より１〜５cm程度後頭部側に離して配置する。このようにすれば、人間の音声放射特性により、マイクロホンが比較的近距離に配置されているにも拘らず、1つのマイクロホンはできるだけ高いSN比で音声を拾い、もう一方のマイクロホンでは、できるだけ低いSN比で音声を拾うようにできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（ａ）マイクロホンシステムの構成
図１は本発明のマイクロホンシステムの構成図であり、図９のシステムと同一部分には同一符号を付している。図中、１０は話者であり、例えば自動車の運転手、１１，１２は第１、第２のマイクロホンである。第１のマイクロホン１１は話者の顔の真上天井に配置し、第２のマイクロホン１２は第１のマイクロホン位置より１〜５cm程度後頭部側の天井に配置する。
３は適応信号処理部で、誤差信号ｅが入力されると共にマイクロホン２の出力信号ｘ2が参照信号として入力され、誤差信号ｅのパワーが最小となるようにLMSアルゴリズムに基づいて適応信号処理を行う。適応信号処理部３において、３ａはLMS演算部、３ｂはFIR型デジタルフィルタ構成の適応フィルタである。LMS演算部３ａは適応信号処理により誤差信号ｅのパワーが最小となるように適応フィルタ３ｂの係数を決定する。適応信号処理部３は、非音声認識時においてのみ適応信号処理により適応フィルタ３ｂのフィルタ係数Wを決定し、音声認識時にはフィルタ係数の更新をせず、前記非音声認識時に決定したフィルタ係数Wを適応フィルタ３ｂに設定する。
４はマイクロホン１１から出力する信号を目標信号として入力される目標応答設定部で、時間ｄの遅延特性を有し、かつ、オーディオ周波数帯域でフラットな特性（ゲイン１の特性）を有している。５は減算部で、目標応答設定部４から出力する目標応答より適応フィルタ３ｂの出力信号を減算して誤差信号ｅを出力する。
【００１２】
（ｂ）人間の音声放射特性
図２は人間の音声放射特性であり、（ａ）は話者１０の口元を含む水平面において口元から所定距離の位置における音声レベルを周波数毎に示す放射特性図、（ｂ）は話者１０の口元を含む垂直面において口元から所定距離の位置における音声レベルを周波数毎に示す放射特性図である。図中、Ａは125Hz〜250Hz、Bは500Hz〜700Hz、Ｃは1400Hz〜2000Hz、Ｄは4000Hz〜5600Hzの特性である。この放射特性図より明らかなように、人間が発生する音声は、話者正面方向に最も強く放射され、上方や下方、及び左右方向に放射される音声のパワーは、話者正面方向に比べて小さい。
それゆえ、図１のように第１のマイクロホン１１を話者の顔の真上天井に配置し、第２のマイクロホン１２を第１のマイクロホン位置より１〜５cm程度後頭部側の天井に配置すれば、▲１▼２つのマイクロホン１１，１２で受音するノイズのパワーをほぼ同一にできる一方、▲２▼２つのマイクロホン１１，１２で受音する音声パワーを異ならせることができる。すなわち、２つのマイクロホン１１，１２の出力信号に含まれるノイズXn1(z)，Xn2(z)を略等しくできると共に、２つのマイクロホン１１，１２の出力信号に含まれる音声信号Xs1(z)，Xs2(z)を異ならせることができ、［Xn1(z)/Xn2(z)］≠[Xs1(z)/Xs2(z)]とすることが可能である。
【００１３】
（ｃ）動作
マイクロホン１１、１２にノイズのみが入力する非音声認識時において、適応信号処理部３は適応信号処理により次式
En(z)＝Xn1(z)z-d−Xn2(z)W(z)          (1)
において、{En(z)}2の平均値が最小となるように適応フィルタ３ｂのフィルタ係数Wを決定する。
一方、音声認識時、適応信号処理部３はフィルタ係数の更新をせず、前記非音声認識時に決定したフィルタ係数Wを適応フィルタ３ｂに設定して音声信号を出力する。この場合、マイクロホン１１，１２の出力に含まれる音声信号Xs1(z)，
Xs2(z)は異なり、［Xn1(z)/Xn2(z)］≠[Xs1(z)/Xs2(z)]となるため、次式
Es(z)＝Xs1(z)z-d−Xs2(z)W(z)            (2)
により求まる音声出力Es(z)は最小値には(ノイズと異なり、あまり小さくは)ならない。
以上より、(1)式のノイズ出力En(z)のパワーが0となるように適応フィルタ係数Wを決定しても、(2)式の音声出力Es(z)はノイズと同様に小さくはならず、音声信号のSN比を改善することができる。
【００１４】
以上要約すれば、図１に示すように、マイクロホン１１，１２を比較的近距離に配置することで２つのマイクロホンが出力するノイズ間のコヒーレンスの低下を少なくし、更に、図２に示すような人間の音声放射特性を考慮することで、マイクロホン１１，１２が比較的近距離に配置されているにも拘らず、１つのマイクロホン１１はできるだけ高いSN比で音声を拾い、もう一方のマイクロホン１２では、できるだけ低いSN比で音声を拾う。この結果、ノイズ出力が零となるように適応フィルタ係数Wを決定しても、音声出力はノイズと同様に小さくはならず、音声信号のSN比を改善することができる。
【００１５】
（ｄ）マイクロホン位置とSN比改善量の検討
図２の放射特性より人間が発声し空間に放射した音声は、後頭部側で特に大きく減衰し、正面に放射される音声に比べてレベルが小さくなることがわかる。それゆえ、本発明のマイクロホンシステムは、図１に示したように人間の頭部真上付近から後頭部側にかけて設置するのが基本であり、このように第１、第２のマイクロホン１１、１２を設置することによりSN比をより大きく改善することができる。
図３はペアマイクロホン位置の説明図、図４は図３の各ペアマイクロホン位置におけるSN比改善量を示す図である。図３に示すように、３cm間隔のペアマイクロホン１１，１２を複数の位置▲１▼，▲２▼，▲３▼に設置し、それぞれのSN比の改善量(どの程度SN比が向上するか)を、1500ccの乗用車(セダン)で調べてみると、図４に示す結果が得られた。この図４より、ペアマイクロホン１１，１２を▲１▼の位置に設置したとき、すなわち、「1つのマイクロホンを話者１０の顔のほぼ真上に設置し、もう1つのマイクロホンを少し離して後頭部側に配置したとき」にSN比の改善量が最も高くなることがわかる。
【００１６】
図５はペアマイクロホン間隔の説明図、図６は図５の各ペアマイクロホン間隔におけるSN比改善量を示す図である。図５に示すように、第１のマイクロホン１１を話者１０の顔のほぼ真上に固定し、第２のマイクロホン１２を後頭部側にそれぞれ３cm，６cm，９cm，１２cm離して配置し、最適なマイクロホンの間隔について調べてみると、図６に示す結果が得られた。この図６より、２つのマイクロホン１１，１２の間隔が狭いほど、SN比の改善量は高いと考えられる。しかし、図１に示したシステムでは、間隔を０cmとするとノイズを完全に消去できるが、音声もまた完全に消去してしまう。このため、音声受音システムとして機能しないことになる。また、小型マイクロホンといえどもそれ自体の大きさがあるため、マイクロホンどうしを完全にくっつけても、マイクロホンの中心間間隔は1cm程度より小さくはならない。それゆえ、マイクロホンの間隔は、車種の違いとマイクロホンの大きさにより若干の幅があるものの、せいぜい１〜５cm程度にするのがよい。
【００１７】
図７は発声者別のSN比改善量説明図である。この図７より明らかなように、本発明のマイクロホンシステムでは、人の違いによる性能(SN比改善量)のばらつきは1dB程度であり、話者の違いによる影響は少ない。
以上２つのマイクロホンを話者の頭上に配置した場合について説明したが、２つのマイクロホンを比較的近距離に配置し、1つのマイクロホンにより、できるだけ高いSN比で音声を拾い、もう一方のマイクロホンにより、できるだけ低いSN比で音声を拾うようにできれば、配置位置は頭上に限らない。
以上、本発明を実施例により説明したが、本発明は請求の範囲に記載した本発明の主旨に従い種々の変形が可能であり、本発明はこれらを排除するものではない。
【００１８】
【発明の効果】
以上本発明によれば、各マイクロホンを接近して配置すると共に、一方のマイクロホンから出力する信号のSN比を高くし、他方のマイクロホンから出力する信号のSN比を低くするようにしたから、ノイズ出力が最小となるように適応フィルタ係数を決定しても、音声出力は零とならず、音声信号のSN比を改善することができる。すなわち、少ないマイクロホン数であるにも拘らず、高いSN比で音声を受音出力することができる。
又、本発明によれば、一方のマイクロホンを話者の顔の真上天井に配置し、他方のマイクロホンを該一方のマイクロホンの位置より１〜５cm程度後頭部側に離して配置することにより、マイクロホンが比較的近距離に配置されているにも拘らず、1つのマイクロホンはできるだけ高いSN比で音声を拾い、もう一方のマイクロホンでは、できるだけ低いSN比で音声を拾うようにできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマイクロホンシステムの構成図である。
【図２】人間の音声放射特性図である。
【図３】ペアマイクロホンの位置説明図である。
【図４】ペアマイクロホン位置とSN比改善量の関係図である。
【図５】ペアマイクロホンの間隔説明図である。
【図６】ペアマイクロホンの間隔とSN比改善量の関係図である。
【図７】発声者別SN比改善量説明図である。
【図８】  SN比と認識率の関係図である。
【図９】従来のマイクロホンを２つ使用した場合の高SN比受音システムである。
【図１０】目標応答設定部の特性図である。
【符号の説明】
１１，１２・・第１、第２のマイクロホン
３・・適応信号処理部
３ａ・・LMS演算部
３ｂ・・適応フィルタ
４・・目標応答設定部
５・・減算部
【図１】
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【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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