(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノイズリダクション手法を用いて音声信号の障害を低減するための方法において、
音声信号に対してノイズリダクション手法を適用し、
音響心理学的スペクトルマスキングを考慮し、
ノイズリダクション手法の入力信号に対して第１のスペクトルマスク曲線を算出し、
ノイズリダクション手法の出力信号に対して第２のスペクトルマスク曲線を算出し、
第２のスペクトルマスク曲線を上回る出力信号の信号成分と第１のスペクトルマスク曲線を上回る入力信号の信号成分の比較によって出力信号の新たな可聴成分を識別し、
識別された出力信号の新たな可聴成分を選択的に減衰するようにしたことを特徴とする、音声信号の障害を低減するための方法。
【請求項２】
スペクトルサブトラクション手法が、ノイズリダクション手法である、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記新たな可聴成分がそのスペクトルサブトラクションの基本値まで低減される、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記新たな可聴成分が、スペクトルマスク曲線のその値まで低減される、請求項１又は２記載の方法。
【請求項５】
所定の時間間隔に亘って出力信号の定常的な新たな可聴成分が付加的な選択的減衰によって除かれる、請求項１〜４いずれか１項記載の方法。
【請求項６】
第２のマスク曲線がノイズリダクション手法の出力信号から算出される、請求項１〜５いずれか１項記載の方法。
【請求項７】
第２のマスク曲線が第１のマスク曲線から導出される、請求項１〜５いずれか１項記載の方法。
【請求項８】
第１のマスク曲線がノイズリダクション手法の入力信号から算出される、請求項１〜７いずれか１項記載の方法。
【請求項９】
第１のマスク曲線が音声休止中のノイズ信号から算出される、請求項１〜７いずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、音声信号障害を低減するための方法に関する。
この種の方法は有利には、音声通信、例えば自動車や音声認識システムなどにおける音声信号障害防止のために利用される。
障害のある音声信号における雑音成分の低減に頻繁に用いられる方法は、いわゆるスペクトルサブトラクションである。この方法は、比較的簡単でコストのかからない実現が可能であり、著しい雑音低減が可能になる利点を有している。
スペクトルサブトラクションを用いた音声低減に伴う不快な付随現象は、短時間の可聴ノイズの発生である。この現象はその可聴的な印象から雑音または音声ノイズとも称される。
スペクトルサブトラクションのもとでの雑音抑圧のための手段では、障害レベルの過大評価、つまり音声歪みの高まる欠点を伴った障害過大補償や雑音低減が僅かでしかない欠点を伴った比較的高い雑音ベースの許容が余儀なくされている（例えば公知文献“Enhancement of Speech Corrupted by Acoustic Noise;Berouti M.;Schwarz, R.;Makhoul,J.; in proceedings on ICASSP,pp.208-211,1979”参照）。線形的または非線形的平滑化とそれに伴う雑音抑圧のための方法は、例えば公知文献“Suppression of Acoustic Noise in Speech Using Spectral Subtraction;von S.F.Boll in IEEE Vol.Assp-27,Nr.2,pp.113-120”に記載されている。またメディアフィルタリングによる効果的な非線形的平滑化方法は、ドイツ連邦共和国特許出願DE 44 05 723 A1に開示されている。
スペクトルサブトラクションに対して付加的に音響心理学的知覚機能を考慮する方法も公知である（例えば公知文献“T.Petersen und S.Boll, Acoustic Noise Suppression in a Peceptual Model,in Proc.on ICASSP,pp.1086-1088,1981”参照）。これらの信号は、聴覚的に好都合な処理を行うために、音響心理学的に考慮される音量範囲において変換されている。
公知文献“Speech Enhancement Using Psychoacoustic Criteria,Proc.on ICASSP,pp.II359-II362,1993;D.Tsoukalas,P.Paraskevas und M.Mourjopoulos”及び“Speech Enhancement Based on Msking Properties of the Auditory System,；Proc.on ICASSP,pp.796-799,1995”から公知の手法では、算出されたマスキングカーブが次のことに利用されている。すなわち有効信号のマスキングの必要なスペクトルラインと減衰の必要のないスペクトルラインを検出することに利用されている。これにより音声信号の品質が改善される。しかしながらこの場合障害的な音声は、低減されない。
本発明の課題は、音声信号の障害の低減のための改善された方法を提供することである。
前記課題は請求項１の特徴部分に記載の本発明によって解決される。本発明の別の有利な実施例は従属請求項に記載される。
本発明は実質的に次のことに基づいている。すなわち、ノイズ低減によって最初に個別に現れる可聴の信号成分を障害として識別し、後から選択的減衰によって低減するか取り除くことに基づいている。この場合可聴の基準としては、それ自体公知のマスキングカーブの上回りが利用されている。
このマスキングカーブの算出は、冒頭に述べた従来技術の部分から一般的な形態で公知である（例えば公知文献“Sound Engineering, kap.2.,Psychoakustik und Geraeuschbeurteilung（S.10-33）,Expert Verlag 1994”など）。マスキングカーブの算出は、実際の音声信号や音声中断中の雑音信号に基づいて実施可能である。この場合は種々の音響心理学的作用効果が考慮されてもよい。このマスキングカーブ（これは種々の専門文献においてカバーカーブ、可聴閾値、マスキング閾値などとも称される）は、狭帯域音声の知覚可能性に対する周波数に依存したレベル閾値と見なされてもよい。
この主のマスキングカーブは、障害からの解放のために用いられるほかに、オーディオ信号のコード化の際のデータ整理にも用いられる。マスキングカーブの算出のための手法の例は、前述したような公知文献の他にも次の公知文献、“Transform Coding of Audio Signals Using Perceptual Noise Criteria; von J.Johnston in IEEE Journal on Select Areas Commun.,Vol.6,pp.314-323,Feb.1988”に開示されている。障害性のある音声信号の短期間スペクトルからマスキングカーブを検出するための典型的な方法の実質的なステップは以下の通りである。
−クリティカルな帯域分析ステップ（この分析のもとでは、信号のスペクトルがいわゆるクリティカル帯域に分割され、出力スペクトルｐ（i）からクリティカル帯域内の総和によってクリティカル帯域スペクトルＢ（n）が得られる、この帯域スペクトルは帯域インデックスｎを伴ったバークスペクトルでもある）
−マスキング効果を多数のクリティカル帯域に亘って考慮するための、拡張機能を伴うバークスペクトルの畳込みステップ（修正バークスペクトル）
−信号構成部分から算出されたオフセット係数による、種々のマスキング特性の雑音成分の付加的考慮
−そのつどのエネルギーに応じたクリティカル帯域への再標準化と場合によっては低レベル値の静止可聴閾値の値への引き上げに従った、バークに関するマスキングカーブＴ（n）と、周波数に関するマスキングカーブＶ（i）（そのつどのクリティカル帯域ｎ内のすべての周波数ｉに対しＶ（i）＝Ｔ（n））の生成
所定のマスキングカーブＶ（i）を用いることにより、信号のスペクトル成分は、出力スペクトルＰ（i）のマスキングカーブＶ（i）との比較によって、可聴成分（Ｐ（i）＞Ｖ（i））とマスキング成分（Ｐ（i）＜Ｖ（i））に区別される。
実施例
次に本発明の実施例を図面に基づいて以下に詳細に説明する。この場合図１は、スペクトルサブトラクションのための標準的な方法を示した図であり、図２は本発明による方法を示した図であり、図３は、本発明による信号処理方法の種々のステップにおける音声信号を示した図である。
スペクトラルサブトラクションのための方法は、障害のある入力信号の短時間のスペクトル処理に関している。音声休止中は、障害出力スペクトルが評価され、引き続き同相で障害入力信号が減じられる。この減算は、通常はフィルタリングとして実施される。このフィルタリングにより、実係数による障害スペクトル成分の重み付けが、評価された各スペクトル帯域のＳＮ比に応じて行われる。ノイズリダクションは、その障害成分に関する有効信号の障害を受けたスペクトル領域の減衰によって行われる。図１の簡単なブロック回路図には、スペクトルサブトラクション実現に対する１つの典型例が示されている。分析ステップにおいては、障害のある音声信号の分析が例えば一連の短時間スペクトルＹ（ｉ）への離散フーリエ変換（ＤＦＴ）によって行われる。フーリエ係数からは、ユニットＫＭが短時間平均値を形成する。これは、障害のある入力信号の離散周波数インデックスｉを伴った平均出力Ｙ2（i）に対する評価値を表す。ユニットＫＭでは音声休止検出器ＳＰの制御を介して音声信号なしの区分における平均障害出力スペクトルＮ2（ｉ）の評価が行われる。入力信号の各スペクトルラインＹ（i）は、引き続き実フィルタリング係数Ｈ（i）で乗算される。これは、短時間平均値Ｙ2（i）と障害出力平均値Ｎ2（i）からユニットＦＫにおいて算出される。ノイズリダクションの方法ステップは、乗算ステップＧＲとも称される。逆離散フーリエ変換（ＩＤＦＴ）によって合成段の出力側からはノイズ低減された音声信号が得られる。
フィルタリング係数Ｈ（i）の計算は、種々の公知の重み付け規定に従って行われる。典型的には以下の式に従って行われる。
0004187795.tif 000002
前記ｆｌは所定の基本値（スペクトルフロア）である。この基本値はフィルタ係数に対する下方の限界を表し、通常は0.1＜ｆｌ＜0.25の範囲にある。この基本値は、スペクトラルサブトラクションの出力信号中に残った残留ノイズ成分を定め、これは課長閾値の低減を制限し、スペクトルサブトラクションのノイズ低減された出力信号中の狭帯域成分が部分的にマスクされる。基本値ｆｌを守ることは、主観的な聴覚印象を改善する。
音声形態の全ての残留障害成分のマスクに対しては、約０．５の基本値が選択されなければならない。これにより最大限達成可能なノイズリダクションが約６ｄＢまで絞られる。
本発明による手法のもとで使用される音声の特徴は、それが人間の耳に対してノイズリダクション手法の出力信号中に最初に障害的に聞こえるように現れることである。この可聴現象はこの出力信号に対する第２のマスク曲線によって定量的に検出可能である。同様に、第２のマスク曲線のレベル閾値を超える、出力信号中の音声有効成分に対しては（これは既に入力信号中で第１のマスク曲線のレベル超過として知覚されている）、音声は、ノイズリダクションの出力信号と入力信号中の可聴信号成分との比較によって新たな可聴成分として区別でき、後続の処理ステップにて選択的に減衰され得る。
次に図２に基づいて、例えば音声状の狭帯域障害成分の検出と抑圧のための本発明による手法を説明する。ここでは図１に示した標準的、スペクトルサブトラクション手法の改善が示されている。この場合図１と図２の間では一致する箇所には同じ符号が付されている。ノイズリダクションＧＲの入力信号Ｙ（i）からは、ユニットＶＥにおいて第１のマスク曲線Ｖ１（i）が算出される。ノイズリダクションの出力信号Ｙ′（i）からはユニットＶＡにおいて第２のマスク曲線Ｖ２（i）が算出される。
それに対して選択的に、第１のマスク曲線Ｖｌ（i）は、音声休止中のノイズリダクション入力側における平均障害出力スペクトルからも算出可能である。第２のマスク曲線は、第１のマスク曲線からも導出可能である（例えば基本値ｆｌとの乗算により→Ｖ２（i）＝ｆｌ・Ｖ１（i））。
ノイズリダクションの目下の入出力信号からのマスク曲線の検出の利点は、特に非定常的なノイズ成分と、マスクすべき音声成分の作用とを考慮することができることである。それに対して第１のマスク曲線は、平均障害出力スペクトルから求められ、第２のマスク曲線は近似的に以下の式
Ｖ２（i）＝ｆｌ・Ｖ１（i）
に従って算出される。それにより計算コストの著しい低減が得られる。この計算コストは、さらに次のことによっても低減可能である。すなわちマスク曲線を著しく少ない頻度で実際化させることである。なぜなら平均障害出力スペクトルは、通常は緩慢にのみ時間変化するからである。但し品質的に良好に合成された音声信号は、実際の信号Ｙ（i）、Ｙ′（i）からのマスク曲線の算出によって得られる。
本発明の別の有利な実施例によれば、定常的な信号成分の検出によってさらなる改善がみられる。この信号成分は選択的な減衰によって取り除かれる（それが出力信号Ｙ′（i）中においてのみ可聴である基準を充たす場合でも）。これに対して図２中に定常性検出器ＳＴＡＴが示されている。
この検出器は種々の方式、例えば個々のスペクトルラインの時間的追従やフィルタリング係数方式によって実現可能である。簡単な実施形態は、例えば時間的に順次連続する複数のフィルタイリング係数がそのつど所定の閾値ｔｈｒstatを上回らなければならない、という要求によって実現される。
Ｈk-n（i）,…,Ｈk-1（i）,Ｈk（i）＞ｔｈｒstat
例えばｎ＝２、ｔｈｒstat＝０．３５
決定回路ＥＮＴは、まず第２のマスク曲線Ｖ2（i）を用いてノイズリダクションシステムの出力信号中の可聴音声成分を求める。この場合定常的な成分でなかった場合には、スペクトル成分が既にフィルタリング（ノイズリダクション）前に可聴であったかどうかが問い合わせされる。このことは第１のマスク曲線Ｖ1（i）を用いて行われる。入力信号Ｙ（i）中の周波数成分がマスクにより検出された場合には、出力信号中のスペクトル成分が音声として受け入れられ、後続処理段ＮＶにて減衰される。その他の場合では、すなわち入力信号中の非マスキングの際には、音声に対する決定を下し、付加的な減衰は行われない。
後続処理段での付加的な減衰は、種々の形式で行われる。そのため例えば障害として識別された新たな可聴スペクトル成分に対してレベル値が第２のマスク曲線の値に設定される。有利には検出された障害スペクトル成分のレベル値が補正値にセットされる。この補正値は、フィルタリング係数としての基本値ｆｌによる相応の入力信号成分のフィルタリングから得られる。
図３には、本発明の手法による、障害音声信号の種々の信号処理段階が示されている。
図３Ａには、障害のある信号のノイズリダクション入力側における出力スペクトルＰ（i）と、そこから算出される第１のマスク曲線Ｖ１（i）がマスク曲線を上回る信号成分Ｓと共に示されている。スペクトルサブトラクションの実施の後では、ノイズの低減された出力スペクトルＰ′（i）＝Ｙ′２（i）が、そこから算出される第２のマスク曲線Ｖ２（i）と共に得られる。ここでは図３Ａでのマスク曲線Ｖ１（i）を越えた信号成分Ｓの他に、さらなる信号成分ｍが第２のマスク閾値を越えたものとして出現している。この成分はマスクされず、そのため新たな可聴信号成分が音声形態で現れる。この新たな可聴信号成分は、検出可能であり、選択的な減衰によって音声成分Ｓを損ねることなく抑圧可能である。この選択的な減衰のもとで生じる出力スペクトルＰ″（i）は図３Ｃに示されている。音声信号として評価された信号成分Ｓのみがマスク曲線を上回る。この場合この信号は、図３Ａの有効なマスク曲線Ｖ１（i）を越えた入力信号中の相応の成分よりも大幅にマスク曲線Ｖ２（i）を上回っている。それにより明らかに可聴である。図３Ｂの音声ｍは、マスク曲線Ｖ２（i）の下方のレベルで抑圧され、それによってもはや個々の音として知覚されない。
本発明は、ノイズリダクションのためのスペクトルサブトラクション手法にのみ限定されるものではない。この、入出力側におけるマスク曲線が求められ、出力側における新たな可聴成分に基づいて障害が検出され抑圧される方法は、その他の信号処理システム、例えば信号符号化システムに対しても適用可能である。
【図１】
0004187795.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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