(57)【要約】  車両の環境において対象音を検出するためのシステムは、音声センサと、コンピュータプロセッサと、変換パラメータに従って対象音のサンプルを変換することにより生成されるデジタル対象音テンプレートを格納するメモリと、を備える。コンピュータプロセッサは、音声センサからサンプル音信号を受信し、変換パラメータに従ってサンプル音信号をデジタルサンプルベクトルに変換し、ベクトルをテンプレートのそれぞれと比較して、テンプレートのいずれか１つに対するベクトルの類似度が所定の閾値を超過したか否かを判定し、閾値が超過された場合に、ユーザまたは車両制御システムに通知する。
2020509703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象音を検出するためのシステムであって、前記システムが、
サンプル音波に応じてサンプル音信号を生成するための少なくとも１つの音声センサと、
コンピュータプロセッサと、
前記コンピュータプロセッサに動作可能に接続された非一時的コンピュータ可読メモリであって、変換パラメータに従って前記対象音の複数のサンプルを変換することによって生成された複数のデジタル対象音テンプレートと、前記コンピュータプロセッサによって実行可能な一式の命令とを格納する、前記非一時的コンピュータ可読メモリとを備え、
前記一式の命令を実行することにより、以下のステップ：
（ａ）前記音声センサからの前記サンプル音信号を受信するステップと、
（ｂ）前記変換パラメータに従って前記サンプル音信号をデジタルサンプルベクトルに変換するステップと、
（ｃ）前記ベクトルを前記テンプレートのそれぞれと比較して、前記テンプレートのいずれか１つに対する前記ベクトルの類似度が所定の閾値を超過したか否かを判定する、ステップと、
（ｄ）前記閾値が超過された場合に出力信号を生成するステップと、
を含む方法を実行する、システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの音声センサが少なくとも３つの音声センサを含み、前記方法が、
（ａ）前記少なくとも３つの音声センサのそれぞれについて、請求項１に記載のステップ（ａ）から（ｃ）を実行し、前記閾値の超過に関する時間インデックスを判定する、ステップと、
（ｂ）前記判定された時間インデックスに基づいて、前記サンプル音波の方向角を判定するステップと、
を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記対象音が、周波数の下限と上限との間でスイープするサイレンであり、前記テンプレートが、
（ａ）前記周波数の下限および上限内の狭い周波数帯域、または
（ｂ）前記狭い周波数帯域内の少なくとも１つの特定の周波数
のいずれかに制限されたデータを表す、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記狭い周波数帯域が、約６００Ｈｚ〜約１４００Ｈｚである、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記少なくとも１つの特定の周波数が、複数の特定の周波数を含み、前記複数の特定の周波数のうちの少なくとも１つが素数である、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記複数の特定の周波数がすべて素数である、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記対象音が、低い周波数と高い周波数との間で交互に繰り返されるサイレンであり、前記テンプレートが、
（ａ）前記低い周波数を中心とした低い狭い周波数帯域、および前記高い周波数を中心とした高い狭い周波数帯域、または
（ｂ）前記低い狭い周波数帯域および前記高い狭い周波数帯域のそれぞれの中の少なくとも１つの特定の周波数
のいずれかに制限されたデータを表す、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記低い周波数帯域および前記高い周波数帯域が、それぞれ、前記低い周波数および前記高い周波数よりも約２０％下から約２０％上までの範囲を提供する、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記特定の周波数のうちの少なくとも１つ、いくつか、またはすべてが素数である、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ベクトルに変換される前に前記サンプル音信号を増幅するために、前記音声センサに動作可能に接続された対数増幅器をさらに備える、請求項１から９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１１】
前記対数増幅器が、前記対数増幅器の出力端子から入力端子にフィードバックループを備え、前記フィードバックループが、並列の第１および第２の回路経路を備え、前記第１の回路経路が第１のダイオードを備え、前記第２の回路経路が第２のダイオードを備え、前記第１のダイオードと前記第２のダイオードとが、前記対数増幅器が正の入力電圧および負の入力電圧に対して対称の出力電圧を供給するように、前記対数増幅器の前記入力端子および前記出力端子に対して異なる極性を有する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記変換パラメータが、前記音信号のｎビット符号化を含み、ｎは８以下である、請求項１から１１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１３】
ｎが１、１．５、または２である、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
ｎは１であり、前記変換パラメータが電圧レベル交差である、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記サンプルベクトルおよび前記対象音テンプレートのうちの一方または両方が、約１０，０００ビット長未満、または５０００ビット長未満、または１０００ビット長未満、または１００ビット長未満である、請求項１から１４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１６】
前記システムが２つ以上の音声センサを備え、各音声センサからの前記音信号がステップ（ａ）から（ｄ）を通じて別々に処理される、請求項１から１５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記システムが３つ以上の音声センサを備え、各音声センサからの前記音信号が時間インデックス成分で別々に処理され、時間インデックスの差が前記対象音の方向を判定するために使用される、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記対象音の前記方向が周期的に判定されて、前記対象音の動きを判定する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
音検出情報を人間のユーザまたは自動化システムに提供する通知サブシステムをさらに備え、前記情報が、前記対象音の識別情報、前記対象音の相対位置、または前記対象音の動きのうちの１つ以上を含むことができる、請求項１から１８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２０】
車両制御システムに動作可能に接続される、請求項１から１９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２１】
対象音を検出するための方法であって、前記方法が、
（ａ）変換パラメータに従って前記対象音の少なくとも１つのサンプルを変換することにより生成された少なくとも１つのデジタル対象音テンプレートを提供するステップと、
（ｂ）サンプル音波に応じて少なくとも１つの音声センサによって生成されたサンプル音信号を受信するステップと、
（ｃ）同じ前記変換パラメータに従って前記サンプル音信号をデジタルサンプルベクトルに変換するステップと、
（ｄ）前記サンプルベクトルを前記少なくとも１つのテンプレートと比較して、前記少なくとも１つのテンプレートに対する前記ベクトルの類似度が所定の閾値を超過したか否かを判定する、ステップと、
（ｅ）前記閾値が超過された場合に出力信号を生成するステップと、
を含む、方法。
【請求項２２】
前記少なくとも１つの音声センサが少なくとも２つの音声センサを含み、前記方法が、
（ａ）前記少なくとも２つの音声センサのそれぞれについて、請求項２０に記載のステップ（ｂ）から（ｄ）を実行し、前記閾値の超過に関する時間インデックスを判定する、ステップと、
（ｂ）前記判定された時間インデックス間の差に基づいて、前記対象音の方向を判定するステップと、
を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記対象音が、周波数の下限と上限との間でスイープするサイレンであり、前記テンプレートが、
（ａ）前記周波数の下限および上限内の狭い周波数帯域、または
（ｂ）前記狭い周波数帯域内の少なくとも１つの特定の周波数
のいずれかに制限されたデータを表す、請求項２１または２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記狭い周波数帯域が、約６００Ｈｚ〜約１４００Ｈｚである、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記少なくとも１つの特定の周波数が、複数の特定の周波数を含み、前記複数の特定の周波数のうちの少なくとも１つ、いくつか、またはそれぞれが素数である、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記対象音が、低い周波数と高い周波数との間で交互に繰り返されるサイレンであり、前記テンプレートが、
（ａ）前記低い周波数を中心とした低い狭い周波数帯域、および前記高い周波数を中心とした高い狭い周波数帯域、または
（ｂ）前記低い狭い周波数帯域および前記高い狭い周波数帯域のそれぞれの中の少なくとも１つの特定の周波数
のいずれかに制限されたデータを表す、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記低い周波数帯域および前記高い周波数帯域が、それぞれ、前記低い周波数および前記高い周波数よりも約２０％下から約２０％上までの範囲を提供する、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記サンプルベクトルに変換される前に前記サンプル音信号を対数的に増幅するステップをさらに含む、請求項２１から２７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
前記変換パラメータが、前記音信号のｎビット符号化を含み、ｎは８以下である、請求項２１から２８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
ｎが１、１．５、または２である、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
ｎは１であり、前記変換パラメータが電圧レベル交差である、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記サンプルベクトルおよび前記対象音テンプレートのうちの一方または両方が、約１０，０００ビット長未満、または５０００ビット長未満、または１０００ビット長未満、または１００ビット長未満である、請求項２１から３１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３３】
ステップ（ｂ）から（ｅ）が車両上でリアルタイムで実行され、前記対象音がサイレンによって生成される、請求項２１から３２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３４】
ステップ（ｃ）および（ｄ）が整数演算のみを含む、請求項２１から３３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３５】
対象音をリアルタイムで検出する連続的な方法であって、前記方法が、
（ａ）サンプル音波に応じて少なくとも１つの音声センサによって生成されたサンプル音信号を受信するステップと、
（ｂ）前記サンプル音信号を対数的に増幅し、変換パラメータに従って前記増幅されたサンプル音信号をデジタルサンプルベクトルに変換する、ステップと、
（ｃ）前記サンプルベクトルを、同じ前記変換パラメータを使用して前記サイレンから生成された少なくとも１つのテンプレートと比較して、前記少なくとも１つのテンプレートに対する前記ベクトルの類似度が所定の閾値を超過したか否かを判定する、ステップと、
（ｄ）前記閾値が超過された場合に出力信号を生成するステップと、
を含む、対象音をリアルタイムで検出する連続的な方法。
【請求項３６】
ステップ（ｃ）が整数演算のみを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
車両ユーザおよび／または車両制御システムに通知するさらなるステップを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
車両ユーザに通知する、前記ステップが、緊急車両の位置と、場合により移動の速さおよび方向をデジタル地図上に表示するステップを含む、請求項３７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年３月１日に出願された米国仮特許出願第６２／４６５，５４８号、２０１７年７月７日に出願された同第６２／５２９，６５７号、および２０１７年８月２１日に出願された同第６２／５４８，３３７号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、サイレンの音などの対象音を検出するための車両用途で使用され得るような、対象音を検出するための音声センサシステムおよび信号処理に関する。
【背景技術】
【０００３】
大抵の管轄区域の高速道路の交通法規において、車両は、緊急車両に道を譲るように義務付けられている。しかしながら、今日の自動車のキャビンは外部のノイズからしっかりと遮音されており、またサイレンの使用およびサイレンの音量は騒音公害を防ぐために制限されている場合がある。これらなどの要因により、運転者は、緊急車両の出すサイレン音に気付きにくくなることがある。また、半自動または完全自動運転の車両は、安全に、かつ法律の範囲内で動作するために、緊急車両を検出可能である必要がある。
【０００４】
自動車用途の検知システムでは、様々な種類のセンサを使用できるが、それぞれに欠点がある。画像を取り込むカメラ、または反射光を取り込む光学センサ（ライダー）を使用する光学システムは、「見通し線」によって制限され、比較的高価であり、大量のデータを処理するために強力なプロセッサが必要である。反射した電波を検出するレーダーシステムでは、データ集約度が低くなるが、提供される情報ははるかに少なくなる。反射した超音波を検出するシステムは、短距離でのみ有用であり、駐車支援センサなどの用途に限定される。
【０００５】
音声センサを使用するシステムには課題がある。第１に、このようなシステムは、近距離での大きなノイズに圧倒されることなく、遠距離でのかすかなノイズを検出および判別するのに十分な感度が必要である。第２に、検出可能な音は、環境および動作条件によって大きく異なる。例えば、北米の緊急車両のサイレンは、通常、約５００Ｈｚ〜約２０００Ｈｚの帯域内で周期的にピッチが変化するが、周波数範囲およびサイクル周期は、サイレンによって依然として大きく異なり、ヨーロッパのサイレンは、通常、２つの異なる周波数で交互に繰り返される。さらに、知覚されるサイレンのピッチは、緊急車両と検知側の自動車との間の相対運動によって引き起こされるドップラー効果の結果として、大幅に高くなったり低くなったりし得る。
【０００６】
当技術分野では、緊急車両のサイレンを検出するための効果的な自動車用音声検出システムが求められている。
【発明の概要】
【０００７】
一態様では、本発明は、対象音を検出するためのシステムであって、システムが、サンプル音波に応じてサンプル音信号を生成するための少なくとも１つの音声センサと、コンピュータプロセッサと、コンピュータプロセッサに動作可能に接続された非一時的コンピュータ可読メモリであって、変換パラメータに従って対象音の複数のサンプルを変換することによって生成された複数のデジタル対象音テンプレートと、コンピュータプロセッサによって実行可能な一式の命令とを格納する、非一時的コンピュータ可読メモリとを備え、
一式の命令を実行することにより、以下のステップ：
（ａ）音声センサからのサンプル音信号を受信するステップと、
（ｂ）変換パラメータに従ってサンプル音信号をデジタルサンプルベクトルに変換するステップと、
（ｃ）ベクトルをテンプレートのそれぞれと比較して、テンプレートのいずれか１つに対するベクトルの類似度が所定の閾値を超過したか否かを判定する、ステップと、
（ｄ）閾値が超過された場合に出力信号を生成するステップと、
を含む方法を実行する。
１つの実施形態では、システムが少なくとも３つの音声センサを備え、本方法が、少なくとも３つの音声センサのそれぞれについて、請求項１に記載のステップ（ａ）から（ｃ）を実行し、閾値の超過に関する時間インデックスを判定する、ステップと、判定された時間インデックスに基づいて、サンプル音波の方向角を判定するステップと、を含む。
【０００８】
１つの実施形態では、対象音が、周波数の下限と上限との間でスイープするサイレンであり、テンプレートが、周波数の下限および上限内の狭い周波数帯域、または狭い周波数帯域内の少なくとも１つの特定の周波数のいずれかに制限されたデータを表す。
【０００９】
別の実施形態では、対象音が、低い周波数と高い周波数との間で交互に繰り返されるサイレンであり、テンプレートが、低い周波数を中心とした低い狭い周波数帯域、および高い周波数を中心とした高い狭い周波数帯域、または低い狭い周波数帯域および高い狭い周波数帯域のそれぞれの中の少なくとも１つの特定の周波数のいずれかに制限されたデータを表す。
【００１０】
１つの実施形態では、システムが、ベクトルに変換される前にサンプル音信号を増幅するために、音声センサに動作可能に接続された対数増幅器をさらに備える。対数増幅器が、対数増幅器の出力端子から入力端子にフィードバックループを備えることができ、フィードバックループが、並列の第１および第２の回路経路を備え、第１の回路経路が第１のダイオードを備え、第２の回路経路が第２のダイオードを備え、第１のダイオードと第２のダイオードとが、対数増幅器が正の入力電圧および負の入力電圧に対して対称の出力電圧を供給するように、対数増幅器の入力端子および出力端子に対して異なる極性を有する。
【００１１】
１つの実施形態では、変換パラメータが、音信号のｎビット符号化を含み、ｎは８以下であり、好ましくは１、１．５、または２である。１つの例示的な実施形態では、ｎは１であり、変換パラメータが電圧レベル交差である。
【００１２】
１つの実施形態では、サンプルベクトルおよび対象音テンプレートのうちの一方または両方が、約１０，０００ビット長未満、または５０００ビット長未満、または１０００ビット長未満、または１００ビット長未満である。
【００１３】
１つの実施形態では、システムが２つ以上の音声センサを備え、各音声センサからの音信号がステップ（ａ）から（ｄ）を通じて別々に処理される。システムが３つ以上の音声センサが存在し、各音声センサからの音信号が時間インデックス成分で別々に処理される場合、時間インデックスの差が対象音の相対的な方向を判定するために使用される。対象音の方向は、対象音の相対的な動きを判定するために周期的に判定され得る。
【００１４】
１つの実施形態では、システムは、音検出情報を人間のユーザまたは自動化システムに提供する通知サブシステムを備えることができ、情報が、対象音の識別情報、対象音の相対位置、または対象音の相対的な動きのうちの１つ以上を含むことができる。
【００１５】
別の態様では、本発明は、対象音を検出するための方法であって、本方法が、
（ａ）変換パラメータに従って対象音の少なくとも１つのサンプルを変換することにより生成された少なくとも１つのデジタル対象音テンプレートを提供するステップと、
（ｂ）サンプル音波に応じて少なくとも１つの音声センサによって生成されたサンプル音信号を受信するステップと、
（ｃ）同じ変換パラメータに従ってサンプル音信号をデジタルサンプルベクトルに変換するステップと、
（ｄ）サンプルベクトルを少なくとも１つのテンプレートと比較して、少なくとも１つのテンプレートに対するベクトルの類似度が所定の閾値を超過したか否かを判定する、ステップと、
（ｅ）閾値が超過された場合に出力信号を生成するステップと、
を含む、方法を含み得る。
【００１６】
１つの実施形態では、少なくとも２つの音声センサによって少なくとも２つのサンプル音信号が生成され、本方法が、少なくとも２つの音声センサのそれぞれについて、ステップ（ｂ）から（ｄ）を実行し、閾値の超過に関する時間インデックスを判定する、ステップと、判定された時間インデックス間の差に基づいて、対象音の方向を判定するステップと、をさらに含む。
【００１７】
１つの実施形態では、本方法は、サンプルベクトルに変換される前にサンプル音信号を対数的に増幅するステップをさらに含むことができる。
【００１８】
１つの実施形態では、変換パラメータが、音信号のｎビット符号化を含むことができ、ｎは８以下であり、好ましくはｎは１、１．５、または２である。１つの実施形態では、ｎは１であり、変換パラメータが電圧レベル交差である。
【００１９】
１つの実施形態では、サンプルベクトルおよび対象音テンプレートのうちの一方または両方が、約１０，０００ビット長未満、または５０００ビット長未満、または１０００ビット長未満、または１００ビット長未満である。
【００２０】
１つの実施形態では、本方法のステップ（ｂ）から（ｅ）が車両上でリアルタイムで実行され、対象音がサイレンによって生成される。
【００２１】
１つの実施形態では、本方法のステップ（ｃ）および（ｄ）は整数演算のみを含む。
【００２２】
別の態様では、本発明は、対象音をリアルタイムで検出する連続的な方法であって、方法が、（ａ）サンプル音波に応じて少なくとも１つの音声センサによって生成されたサンプル音信号を受信するステップと、（ｂ）サンプル音信号を対数的に増幅し、変換パラメータに従って増幅されたサンプル音信号をデジタルサンプルベクトルに変換する、ステップと、（ｃ）サンプルベクトルを、同じ変換パラメータを使用してサイレンから生成された少なくとも１つのテンプレートと比較して、少なくとも１つのテンプレートに対するベクトルの類似度が所定の閾値を超過したか否かを判定する、ステップと、（ｄ）閾値が超された場合に出力信号を生成するステップと、を含む、対象音をリアルタイムで検出する連続的な方法を含み得る。好ましくは、ステップ（ｃ）が整数演算のみを含む。
【００２３】
本明細書に示す図面では、同様の要素には同様の参照番号が割り当てられ得る。図面は必ずしも縮尺通りではなく、むしろ本発明の原理が強調されている。加えて、描かれた実施形態のそれぞれは、本発明の基本概念を利用するいくつかの可能な構成のうちの１つにすぎない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】道路を走行中の、本発明のシステムの一実施形態を備えた車両と、サイレン音を発している緊急車両と、を示す図である。
【図２】本発明のシステムの一実施形態の概略図である。
【図３】本発明の方法の一実施形態の流れ図である。
【図４Ａ】ある範囲の入力電圧に対する非対数増幅器の出力電圧を示すグラフである。
【図４Ｂ】ある範囲の入力電圧に対する対数増幅器の出力電圧を示すグラフである。
【図５】本発明の対数増幅器の一実施形態の概略図である。
【図６】本発明によって処理されるアナログサンプル音信号の、時間に対する振幅変動のグラフである。
【図７】サイレンのスイープ、このサイレンのスイープが低い方および高い方へドップラー偏移した変形、ならびに３つの検出周波数の、時間に対する周波数変動の一例を示すグラフである。
【図８】異なる２つの周期性でのサイレンのスイープ、および３つの検出周波数の、時間に対する周波数変動の一例を示すグラフである。
【図９】相関スパイクを伴う、時間に対する、本発明の相関器の出力の一例を示すグラフである。
【図１０Ａ】周期的な相関ピークを伴う、時間に対する、本発明の相関器の出力の一例を示すグラフである。
【図１０Ｂ】図１０Ａのグラフに関して計算された相関包絡線の一例を示すグラフである。
【図１１】複数のマイクロホンによって生成されたサンプル音信号の並列処理、検出されたサイレン音の確認、および検出されたサイレン音の方向判定を含む、サイレン音を検出するための本発明の方法の一実施形態の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
定義．本明細書で明示的に定義されていない用語または表現は、当業者が理解する一般的に受け入れられている定義を有するものとする。本明細書で使用される場合、以下の用語は以下の意味を有する。
【００２６】
「音声センサ」は、音波を検出して電気信号に変換するデバイスをいう。一実施形態では、音声センサはマイクロホンであり得る。
【００２７】
「コンピュータプロセッサ」は、入力電子信号を処理して、出力電子信号を生成できる電子デバイスをいう。実施形態では、コンピュータプロセッサは、プログラマブルロジックコントローラ、プリント回路基板、集積回路などと一般に呼ばれる１つ以上のデバイスを含むことができる。「コンピューティングデバイス」は、少なくとも１つのコンピュータプロセッサを備える。
【００２８】
「非一時的コンピュータ可読メモリ」は、コンピュータプロセッサによって読み取り可能な形式でデータおよび／または命令を格納できる有形の媒体をいう。実施形態では、非一時的コンピュータ可読メモリは、磁気媒体、光学媒体、またはソリッドステート媒体を含み得る。
【００２９】
「対象音（ｔａｒｇｅｔ  ｓｏｕｎｄ）」は、検出される関心対象の特定の音をいう。対象音は、人間の可聴スペクトル内にあってもよいし、人間の可聴スペクトル外（例えば、２０ｋＨｚを超える超音波）にあってもよい。非限定的な例として、対象音は、緊急車両のサイレン、別の車両のクラクション、視覚障害のある歩行者のための横断歩道支援音、車両が正常に走行していないことを示すタイヤのスリップ、車両と別の車両もしくは物体との衝突、動物の出す音、または人間の声が生む音であり得る。
【００３０】
「車両（ｖｅｈｉｃｌｅ）」は、人や物を輸送するために使用されるデバイスをいう。非限定的な例として、車両は、自動車、オートバイ、トラック、またはバスであり得る。車両は、非自律的、半自律的、または完全に自律的であり得る。
【００３１】
「車両制御システム」は、車両の動力学のあらゆる側面を制御するシステム、または車両の動力学のあらゆる側面の制御に関連する情報を提供するシステムをいう。車両制御システムは、車両の運転者や乗員を楽しませるために使用される車両エンターテイメントシステムとは区別される。例えば、ＧＰＳナビゲーションシステムは、車両制御システムの一部と見なされ得るが、それは、ＧＰＳナビゲーションシステムが「インフォテインメント」システムと従来呼ばれているものに包括されることがあるとしても、車両の移動の方向に関する有用な情報を運転者に提供するためである。
【００３２】
概要．図１は、道路（１２）上の車両（１０）を示しており、車両（１０）には、緊急車両（１４）が、音波（１６）で示されるサイレン音を発しながら接近している。車両（１０）には、対象音としてのサイレン音を検出するための本発明のシステム（１００）の一実施形態が設けられており、この実施形態は、ゾーン（１８）で示される検出範囲を有する。この例では、車両（１０）には、ゾーン（２０）、（２２）、および（２４）で示される検出範囲をそれぞれ有する、光学検知システム、レーダー検知システム、および超音波検知システムも設けられている。システム（１００）は、最初に製造される際に、または改造作業中にアフターマーケットシステムとして、車両（１０）に設置されてもよい。複数のシステム（１００）が、車両に搭載されたコンピューティングデバイスによって同期されてもよいし、車両ネットワークによって、またはピアツーピア同期によって自己同期されてもよい。
【００３３】
図２は、本発明のシステム（１００）の一実施形態の概略図であり、図３は、本発明の方法の一実施形態の流れ図である。これらの実施形態では、少なくとも１つの音声センサ（１０２）は、検出されたサンプル音波に応じてサンプル音信号を生成する（ステップ３００）。場合により、フィルタ（１０４）は、周波数によって信号をフィルタリングする（ステップ３０２）。場合により、対数増幅器回路（「ログアンプ」）（１０６）が、以下で説明するように、フィルタリングされた信号を増幅する（ステップ３０４）。次いで、アナログ信号が分析モジュール（１１０）によって受信され、サンプル音信号が、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器として事実上機能する電圧レベル検出器（１０８）において、アナログ形式からデジタルサンプルベクトルに変換される（ステップ３０６）。
【００３４】
サンプルベクトルは、処理のためにバッファに格納される（ステップ３０８）。分析モジュール（１１０）は、サンプルベクトルを、格納されたデジタル対象音テンプレートと比較する比較器（１１２）を備える。相関器（１１４）は、ベクトルとテンプレートとの間の類似度の尺度を判定して、対象音を検出する（ステップ３１０から３１６）。場合により、分析モジュール（１１０）は、振幅の尺度を使用して、検出された対象音が車両（１０）に近接する対象音であるのに十分なエネルギーを有することを確認する、エネルギー検出器（１１６）を備える（ステップ３１８から３２０）。分析モジュール（１１０）が対象音を検出した場合、分析モジュール（１１０）は、車両制御システムに通知する出力信号を生成する（ステップ３２２）。実施形態では、分析モジュール（１１０）はまた、車両（１０）に対する距離、方向、および速度など、対象音の音源に関する情報を判定および出力することもできる。
【００３５】
実施形態では、システム（１００）は、信号を連続的かつリアルタイムで処理して、対象音の検出の通知を提供する。「連続的に」は、周期的な周波数で信号を処理することをいう。「リアルタイム」は、信号を生成した後、実質的な遅延なしに信号を処理することをいう。実施形態では、リアルタイム処理は、信号の生成から１分以内、好ましくは１秒未満内に行われる。実施形態では、処理は、少なくとも数秒ごとに車両（１０）上で実行され、出力は少なくとも数秒ごとに生成される。
【００３６】
システム（１００）の構成要素および方法のステップについて、以下により詳細に説明する。
【００３７】
音声センサ．少なくとも１つの音声センサ（１０２）が、車両（１０）の環境内の音波を検出し、それらをシステム（１００）で処理するための電気サンプル音信号に変換する（図３のステップ３００）。実施形態では、音声センサ（１０２）はマイクロホンである。好ましくは、マイクロホンは、車両（１０）が走行する道路の平面内で無指向性であるが、複数のマイクロホンが使用される場合、マイクロホンは個別に指向性であり得るが、組み合わされると全指向性であり得る。
【００３８】
図１に示す１つの例では、システム（１００）は、マイクロホンの形態で３つの音声センサ（１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ）を有する。１つのマイクロホンは、車両（１０）の各サイドミラーに取り付けられ、１つのマイクロホンは、車両（１０）の屋根に、多くの今日の車両の屋根に設けられた「シャークフィン」スタイルのアンテナの近くへ取り付けられる。
【００３９】
複数の空間的に分離された音声センサ（１０２）を使用することにより、例えば三角測量によって、対象音の音源の方向を判定（定位）できる。複数の音声センサ（１０２）はまた、音響環境における不要反射（ｃｌｕｔｔｅｒ）、マルチパス、および他の障害の影響を低減することにより、対象音の判別を強化し、より正確にすることができる。一般に、音声センサ（１０２）が離れているほど、三角測量は改善される。クリーンな環境では、何らかの定位情報を得るには少なくとも２つのセンサが必要であり、三角測量には３つの音声センサ（１０２）が必要である。しかしながら、障害および外部ノイズ源がある現実の世界では、音声センサ（１０２）が多いほどよりロバスト性の高いソリューションが提供され得る。例えば、１つの実施形態では、システムは、車両（１０）を中心として３６０°のカバレッジを提供するために、４つ以上の音声センサ（１０２）を有する。
【００４０】
実施形態では、音声センサ（１０２）は、様々な方法および場所で車両（１０）に取り付けられ得る。例えば、マイクロホンは、前照灯、霧灯もしくは走行灯、尾灯、車幅灯、または方向指示灯アセンブリなど、車両（１０）の周囲のライトアセンブリに好都合に取り付けることができる。別の例として、車両（１０）に取り付けられたハウジングにマイクロホンを配置することができる。ハウジングは、カメラ、レーダー、ライダー、および超音波センサなどの他の検知デバイス、またはサイドミラー、ルーフトップアンテナ、前照灯、尾灯、バンパー、もしく点滅灯などの車両（１０）の外部にある他のデバイスを備えることができる。マイクロホンは、ハウジング内の他のセンサと物理的に一体化できるが、異なる車両ネットワークを使用して異なるセンサからデータを送信できる。
【００４１】
フィルタ．フィルタ（１０４）は、音声センサ（１０２）が受信したサンプル音信号を所望の周波数帯域にフィルタリングする物理デバイスであってもよいし、音声センサが生成したサンプル音信号をフィルタリングする電子デバイスであってもよいし（図３のステップ３０２）、それらの両方であってもよい。フィルタリングにより、下流の計算要件が軽減され得る。ローパスとハイパスとの両方の帯域フィルタが設けられ得る。
【００４２】
例えば、多くの緊急サイレンは、繰り返しパターンで約５００Ｈｚ〜約２，０００Ｈｚの周波数範囲にわたってスイープする。そのような例では、フィルタ（１０４）を使用して、サンプル音信号を約５００Ｈｚ〜約１．５ｋＨｚの範囲の周波数にフィルタリングすることができる。非限定的な例として、フィルタ（１０４）は、２０１７年５月３日に出願され、同時係属中の同一出願人が所有する米国仮特許出願第６２／５００，９８７号に記載され、約５００Ｈｚ未満の音を減衰させるために使用される、ノイズキャンセル装置とすることができる。
【００４３】
ログアンプ回路．ログアンプ（１０６）は、比較的大きな振幅のバックグラウンドノイズが存在する場合に、到来する低振幅のサンプル音信号を対数的に増幅する一方で、高振幅のサンプル音信号を低振幅の音に相当する範囲に減衰させる（図３のステップ３０４）。システム（１００）は、はるかに低振幅（弱い）ノイズからの信号に対する感度を維持しながら、高振幅（大きな）ノイズを減衰させることにより、何桁も変化する、音声センサ（１０２）によって生成されたサンプル音信号を処理し得る。
【００４４】
入力信号の包絡線の対数を計算するログアンプが通信技術で知られている。ログアンプ（および対数増幅）は、出力電圧（Ｖｏｕｔ）と入力電圧（Ｖｉｎ）との間の関係によって、非対数増幅器（「非ログアンプ」）と区別され得る。図４Ａおよび図４Ｂは、それぞれ５０ｕＶから５００ｍＶの範囲の入力電圧に対する、非ログアンプ出力およびログアンプ出力の例をそれぞれ示している。非ログアンプは、入力電圧Ｖｉｎに比例して変化する大きさを有する出力電圧Ｖｏｕｔを生成する。従って、より小さな電圧は、システム（１００）によって識別できない可能性があり、一方、より大きな電圧は、システム容量を超える場合がある。対照的に、ログアンプ回路は、次式で表される、入力電圧Ｖｉｎと電圧単位での正規化定数Ｖｒｅｆとの比の自然対数にスケールファクタＫを乗じたものにより変化する、出力電圧Ｖｏｕｔを生成する。
【数１】
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【００４５】
図５は、本発明のログアンプ（１０６）の一実施形態の簡略化された概略図を示している。ログアンプ（１０６）のこの実施形態は、大きな信号変動を処理するために通常使用される、典型的な自動利得制御（ＡＧＣ）とは区別される。ＡＧＣタイプの方法は低速で、ゲインを調整するために多くの信号サイクルが必要とされる。対照的に、ログアンプ（１０６）の適切な実施形態は、信号に対して、影響のある遅延なしに、ほぼ瞬時に応答し、従って、信号の変化にほぼ瞬時に応答する。
【００４６】
図５に示す実施形態では、ダイオード（Ｄ２、Ｄ３）が、所与の入力電圧Ｖｉｎに対して対称の対数出力電圧Ｖｏｕｔを提供するために、演算増幅器のフィードバックループで使用される。マイクロホンからの電圧は正の方向および負の方向に偏位するため、対称的に増幅されることが望ましい。他の非線形要素を使用することもできるが、これは、線形入力に対して対数応答を生成するための１つの実施形態を示している。
【００４７】
演算増幅器のフィードバックループに単一のダイオードを備えたログアンプは、正の入力および負の入力に対して非対称の出力を生成するが、増幅器のフィードバックループでバックツーバックダイオードを使用すると、ゼロまたはバイアスポイント（Ｖｂ）に関して対称な、入力の双曲線関数が生成される。低信号レベルでは、ゲインは非常に高く、（ダイオードのインピーダンス（Ｄ２、Ｄ３）＋直列抵抗（ＲＦｘ））を入力抵抗Ｒｉｎで割った比に比例する。高入力レベルでは、ダイオードにより多くの電流が流れ、動的フィードバック抵抗が低下し、比例してゲインが低下する。これは、より高い信号レベルで対数応答に十分に近く、より低い信号レベルで線形であるが高いゲインを生成する。
【００４８】
Ａ／Ｄ変換器．音声センサ（１０２）から受信したサンプル音信号は、図６の例に示すようなアナログ形式である。Ａ／Ｄ変換器（１０８）は、アナログサンプル音信号を、事前定義されたサンプリングレートで、適切な長さのデジタルサンプルベクトルに変換し、削減する（図３のステップ３０６）。サンプルベクトルは、処理のためにバッファに格納され、更新される（図３のステップ３０８）。
【００４９】
一般に、デジタルサンプルベクトルが大きいほど、検出システムの精度は高くなり得るが、処理に時間および労力がかかる。１つの例では、ベクトルは、いくつか（Ｎ個）のビットを含む単一ビットのデータ文字列を含んでもよい。実施形態では、Ｎは、約１，０００ビット〜約１０，０００ビットで変化し得る。好ましくは、Ｎは、約５，０００ビット未満であるが、それでも一致比較および非一致比較を判別する能力を提供する。１つの例示的な実施形態では、Ｎは約４，０００ビットである。
【００５０】
サンプリングレートを大きくすると、検出システムの精度が向上し得るが、ここでも処理の時間および労力がかかる。実施形態では、サンプリングレートは、約１ｋＨｚから約２０ｋＨｚまで変化し得る。１つの例では、サンプリングレートは１０ｋＨｚであり得る。
【００５１】
１つの実施形態では、変換は、信号の少なくとも１つの態様のｎビット相関を含み、ｎ＜１２であり、好ましくはｎ＜８である。例えば、変換は、信号の位相偏移の１ビット（２値の符号化）または１．５ビット（３値の符号化）変換を含むことができる。１つの例では、Ａ／Ｄ変換器（１０８）は、電圧レベル検出器であり、信号が、ゼロを交差して正または負の領域に達したか否か、またはゼロではないかもしれないが特性サンプルベクトルを提供するレベルを超えたか否かを検出する。１ビットまたは１．５ビットの相関を使用することにより、抽出されたデジタル表現のサイズが小さくなり、比較ステップでの迅速な処理が可能になる。別の例では、最終的なファイルサイズが依然として管理可能な場合、多値符号化が使用され得る。この多値数の少ない符号化への変換は、特に、多値数のはるかに多い符号化（例えば、１６ビットまたは２４ビット）を必要とする既存の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）ベースの方法と比較した場合に、音声データの処理に必要な計算リソースおよび時間を削減する。従って、ここで提示する方法は、小型で低コストの構成要素を低消費電力で使用した、リアルタイムでの実施により適している。
【００５２】
よって、サンプルベクトルは、ビットストリングを含む、またはビットストリングから構成され、その数は、サンプリングレートおよび時間に依存する。例えば、１０ｋＨｚで取得された４０００ビットのサンプルベクトルは、４００ｍｓの音声サンプル長を表す。
【００５３】
デジタル対象音テンプレート．デジタル対象音テンプレートは、デジタルサンプルベクトルと同じベクトルサイズおよびサンプリングレートを含む、変換方法を使用して、既知の対象音（例えば、緊急車両のサイレン音またはシグネチャ）から先験的に生成され、非一時的コンピュータ可読メモリに格納される。
【００５４】
古典的な信号処理理論では、対象音の最大予想周波数の２倍でデータをサンプリングすれば、忠実度や情報を失うことなく情報の内容を完全に特徴付けるのに十分であることが示唆されている。典型的なシステムは、ある程度のロバスト性を実現するために、このレートよりも多くサンプリングする。例えば、サイレンの予想される最高音が２ｋＨｚの場合、サイレンの対象音のサンプルは、４ｋＨｚでサンプリングされ得る。サイレンの周期も重要である。例えば、４ｋＨｚのサンプリングで格納された２秒間続くサイレンパターンは、ビットレベルで全８ｋサンプルのテンプレートベクトル、またはテンプレートの１ｋＢのデータになる。これは、２４ビットで４４ｋＨｚでサンプリングした場合、約２．１メガビットまたは２６４ｋＢのファイルになる２秒のデジタル録音からの一般的な音ファイルに好都合に比肩する。
【００５５】
サイレンのシグネチャを完全に取り込むためにテンプレートがサンプルベクトルのサイズ（Ｎ）よりもはるかに長い場合は、テンプレートをいくつかのＮビット長のサンプルベクトルと並列に比較されるためのいくつかのＮビット長のテンプレートに分割することができる。例えば、Ｎ＝４０００の場合、上記の８０００ビットテンプレートは、比較のために、いくつかの連続した４０００個のビットテンプレートに分割され得る（すなわち、ビット１〜４０００、ビット１００１〜５０００、ビット２００１〜６０００など）。これにより、システム（１００）は、周期全体が終了するのを待つことなく、より長い周期の音を識別できる。
【００５６】
ビット単位のデータを処理する際の計算効率が優れているため、多数のテンプレートを並行して到来音と一致させることができ、これにより対象音のための多数の異なるテンプレートの格納および比較が可能になる。例えば、テンプレートは、対象音のドップラー偏移による変形および他の既知の変形を含むことができる。
【００５７】
使用するテンプレートが特定のタイプのサイレンなどの特定の対象音を表す場合、検出システムは、そのタイプのサイレン専用であり、ドップラー偏移した変形の検出には役立たない場合がある。周波数範囲および／または周期が異なる他のサイレンタイプ、または大きなドップラー偏移でさえも、サイレンとして認識されない。
【００５８】
異なる周波数範囲および／もしくは周期を持つ他のタイプのサイレンタイプを検出するため、ならびに／または大きなドップラー偏移の影響に対処するために、追加のテンプレートを使用できる。より多くのテンプレートを含めると、検出され得るサイレンのタイプの点でシステムがより汎用的になるが、システムが誤検出を起こし、検出することを意図していない他の音でトリガされやすくなる。
【００５９】
テンプレートの数を増やす代わりに、テンプレートが、サイレンのスイープ範囲をほぼ中央とする、いくつかの特定の周波数、またはより狭い周波数範囲に制限されてもよい。実施形態では、周波数範囲は、約９００Ｈｚ以下であり得る。テンプレートは狭い周波数帯域または限られた数の特定の周波数に制限されるため、テンプレートのサイズが大幅に縮小され得る。１つの実施形態では、テンプレートは、６４ビット（Ｎ＝６４）であって、計算要件および時間をさらに大幅に削減することができる。また、フィルタ（１０４）を使用して、音声センサ（１０２）によって検出された到来音を所望の周波数または周波数範囲にフィルタリングして、計算要件および時間をさらに削減することができる。
【００６０】
例えば、図７は、短い周期でその範囲をスイープするサイレンの周波数の変動、ならびに同じサイレンが高い方および低い方へドップラー偏移したものを示している。５００〜１５００Ｈｚで音を出すサイレンが聞き手に向かって相対的に２００ｋｍ／ｈで移動すると、約６００から約１８００Ｈｚの音波が発生し、周波数が２０％増加する。音源が聞き手から相対的に２００ｋｍ／ｈで離れる影響により、周波数が約４００Ｈｚから約１，２００Ｈｚにシフトする。別の例として、図８は、自身の範囲をスイープする異なる２つのサイレンの周波数の変動を示しており、２つのサイレンの周期が異なる周期性を有している。
【００６１】
１つの好ましい実施形態では、検出周波数は、図７および図８の真ん中の破線によって示されるように、１０４９Ｈｚである。より好ましくは、システムは、複数の特定の検出周波数、例えば３つ以上の特定の周波数を探し、その一部または全部が約６００Ｈｚ〜約１２００Ｈｚの中心範囲にある素数である。例えば、図７および図８に示すように、特に９９７Ｈｚ、１０４９Ｈｚ、および１０９７Ｈｚの周波数を探すようにシステムを調整できる。従って、図７のドップラー偏移の影響および図８の異なる周期性の影響は無視され得るが、それは、サイレンが、周波数範囲を上昇または下降する各スイープを通して、上下の各スイープを上下の破線で囲まれた検出周波数範囲を通過し、狭い周波数範囲は、交互に繰り返されるサイレンのドップラー偏移による変動をすべて含むためである。
【００６２】
この場合、特定の周波数に対するテンプレートの特異性は、システムのサンプリングレートとテンプレートの長さとに依存する。例えば、サンプリングレートが１０ｋＨｚで、６４ビットのサンプルテンプレートを使用すると、システム（１００）がテンプレートの特定の周波数を中心に約±５０Ｈｚの帯域幅の周波数を検出することがわかった。従って、システムが２つの周波数を交互に繰り返すサイレンを検出するように構成される１つの例では、一致する周波数を中心とする狭い周波数範囲内で、約５０Ｈｚ未満の間隔で間隔を空けた特定の周波数からテンプレートを取得できる。好ましくは、非サイレンノイズの倍音から生じる誤検出の可能性を減らすために、特定の周波数は素数である。
【００６３】
使用するテンプレートの数とそれらが表す周波数は、検出しようとする音の周波数範囲に最も適するように調整され得る。例えば、予想されるサイレンが所与の範囲をスイープすることがわかっている場合、選択されるテンプレートは、サイレンのドップラー偏移したものが依然として通過するように、その範囲の中心付近の周波数から構成されるべきである。長い周期のサイレンの場合、いくつかの周波数テンプレートをより広い範囲に広げることにより、それらのうちの１つが交差される回数が増え、方向をより頻繁に計算できるようになる。異なる周波数間で（スイープではなく）離散的に切り替わる交互に繰り返されるサイレンの場合、サイレンがドップラー偏移した場合でさえもテンプレートのうちの少なくとも２つの間の切り替えをシステムが常に検出するように、テンプレートが高低２つの音の近くに密に配置されるように選択され得る。
【００６４】
比較器．比較器（１１２）は、論理ゲート（図３のステップ３１２）を使用して、格納されたデジタルサンプルベクトルを、複数のデジタル対象音テンプレートのうちの少なくとも１つ、好ましくはほとんどまたはすべてと比較する（図３のステップ３１０）。一例として、論理ゲートは、排他的ＮＯＲ（ＸＮＯＲ）ゲートであり得る。サンプリングされた音とテンプレート音とのこの比較は、主要な認識方法である。
【００６５】
相関器．相関器（１１４）は、比較器（１１２）の論理ゲートの出力を加算して、到来サンプルデジタルサンプルベクトルがデジタル対象テンプレートとどの程度一致するかの尺度を判定する（図３のステップ３１４）。この和は、サンプルベクトルとテンプレートとの間の類似度を示す値である。閾値が選択されてもよく、閾値が超過された場合にはサンプルベクトルがテンプレートに一致したことを示すため、対象音が検出される。サンプルベクトルの最大の和が事前定義された閾値を超えた場合（図３のステップ３１６）、システム（１００）は、格納されたテンプレートに一致する対象音が検出されたという通知を提供する（以下で説明するように、任意の確認方針に従う）。（図３のステップ３２２）。
【００６６】
例えば、図９は、相関器（１１４）の出力の一例を示しており、この出力は、閾値を超える相関スパイクを含んでいる。好ましくは、これらの和は、サンプルの時間インデックスのためのカウンタとともに、事前定義されたサンプリングレートで経時的に各音声センサ（１０２）について計算され、連続的に判定される。例えば、１ビット変換で生成されたサンプルベクトルとテンプレートベクトルとを比較する場合、５０％の値はランダムノイズを表す。例えば、５１％以上、好ましくは５５％以上など、一致のある程度の信頼をもって示す類似度が使用されてもよく、例えば、一致を示してもよい。従って、４０００ビット長のベクトルを使用する例示的なシステムでは、閾値は、ベクトル内で２２００ビット一致であり得る。
【００６７】
図１０Ａは、相関器（１０４）の論理ゲートの出力の別の例を示している。相関関係がテンプレートと同相および非同相になると、論理ゲートの出力には、時間とともに振幅が上下するいくつかの密接に配置されたピークが表れる。ノイズを減らすために、オプションの包絡線検出ステップ（移動平均に類似）で、好ましくは２乗関数を使用して、図１０Ｂに示すように相関を単一のピークに変換する。可能な最大包絡線ピークは、テンプレートの長さと、サイレンがテンプレート周波数で費やす時間と、に依存する。例えば、６４ビット長のテンプレートを使用すると、テストされたほとんどのスイープするサイレンは、約４０，０００〜５０，０００までの相関和包絡線ピークを生成することがわかっている。図１０Ｂの点線で示すように、包絡線算出装置の出力が検出閾値を交差すると、テンプレート周波数はサンプルベクトルで検出される。検出閾値は、タイミングエラーを最小化するために、包絡線算出装置の出力がすばやく通過する値に設定すべきである。例えば、適切な検出閾値は、理論上の最大ピーク包絡線値の約５０％から約７０％に設定すべきであることが経験的にわかっている。
【００６８】
確認方針．システムは、対象音がサイレンなどの意図した音源以外の音源によって生成された周波数を持っている場合、対象音の誤検出を生じ得る。また、上記のように、システムは、サンプルベクトルのサイズが減少する、および／またはテンプレートの数が増加するにつれて、誤検出を起こしやすくなり得る。従って、利用可能な情報、すなわち２次パターンを使用する追加のアルゴリズムおよびデータ処理を使用して、関心対象の音を誤検出と区別し、検出された音の確認を提供することができる。そのような確認方針の様々な組み合わせが採用され得る。
【００６９】
１つの実施形態では、エネルギー検出器（１１６）は、検出された対象信号が、車両（１０）に近接する対象音として十分なエネルギーを有することを確認することにより対象音の正しい検出の確認を提供するために、音声信号のエネルギーレベル（振幅）を測定するために使用される。すなわち、サイレンなどの対象音は環境内の他の音よりも大きいことが予想され得るため、対象周波数での音波のエネルギーの尺度を使用することができる。１つの実施形態では、アナログログアンプ（１０６）出力は、音エネルギーに比例する。この対数変換は、音がデシベル（ｄＢ）で定義される生物学的聴覚システムに類似する。デシベルは、音圧または音エネルギーの対数尺度である。単純な比例スケーリングにより、ログアンプ（１０６）の読み取り値は、エネルギー検出器（１１６）で圧力ｄＢまたは音エネルギーｄＢにスケーリングできる。これは、単純な数学演算または適切なルックアップテーブルを使用して実現できる。ルックアップテーブルは、音がログアンプ（１０６）によってスケーリングされる場合、計算が簡単であり得る。Ａ／Ｄ変換器（１０８）からｄＢレベルまたはその双対関係にあるものを取得することにより、例えば、近くおよび遠くのサイレンの閾値レベルを判定するなどのさらなる処理が可能になる。これは、ログアンプ（１０６）の助けを借りて、浮動小数点演算または拡張数学計算を必要とせずに実行でき、なぜなら、ログアンプ（１０６）は、非常に感度が高く、しかもダイナミックレンジが大きい、生体システムに類似したレベルを生成するためである。
【００７０】
エネルギーまたは振幅の検出は、いくつかの様々な方式で使用され得る。例えば、複数のマイクロホンが車両の周囲に配置され、設計または配置によって指向性がある場合、エネルギーの違いにより、誤検出の確認または拒否が行われ得る。
【００７１】
サイレンが図７に示すような周波数範囲をスイープする別の実施形態では、いくつかの特定の周波数を特定の順序で、すなわち、低から高へ、次に高から低へ反転し、検出することができる。限られた時間内に順番に対象周波数を検出することは、サイレンが実際に検出されたことの確認として使用され得る。１つの例示的な実施形態では、各周波数レベルでより小さいサンプルベクトル（例えば、ｎ＝６４ビット）を使用する周波数スイープのパターン検出は、正しい検出を極めて正確に判別する。
【００７２】
別の実施形態では、システム（１００）は、２つ以上の音声センサ（１０２）からの確認のための一致を要求して、誤検出報告を減らすように構成されてもよい。
【００７３】
図１１に示すように、各マイクロホンには分析モジュールがパッケージ化されてもよく、分析モジュールは、信号ベクトルがテンプレートと一致した場合に正しい信号を出力する。各マイクロホンシステムの出力は、少なくとも１つ、好ましくは本明細書で説明する確認アルゴリズムの組み合わせを使用する中央プロセッサによって集約される。
【００７４】
対象音の方向の分析．図１１は、複数のマイクロホンを備えたシステムで音声サンプル音信号の並列処理を使用する、方向算出装置を備える、システムの概略図を示している。マイクロホンの間隔は制限されており、かつ既知であるため、本物のサイレンは、各マイクロホンのわずかに異なる時間インデックスで１次一致を生成する。対象音が検出された場合、システム（１００）は、最大和が検出された時間を表すインデックスを使用して、それぞれのマイクロホンにおける信号の到着時間の間の時間差を判定することができる。時間差を三角法による計算で使用して、マイクロホンに対する到来音の方向角を導出することができる。この計算には、基本情報を提供するために少なくとも２つのマイクロホンが必要であるが、上記のように、少なくとも３つ、好ましくは４つ以上のマイクロホンを使用することにより、システム（１００）の安全性、信頼性、およびロバスト性を改善できる。
【００７５】
１つの実施形態では、到来音の方向および速度に関する情報は、２つのマイクロホンから導出されてもよく、２つのマイクロホン間で時間差または振幅差が検出される。より基本的な実装形態では、少なくとも２つのマイクロホンが、単純な「左または右」または「前または後ろ」の情報など、基本的な定位情報を依然として提供できる。
【００７６】
従って、システム（１００）は、適切な数のサンプルベクトルが処理されるたびに、対象音が存在するか否か、および音の方向を報告する。サンプル数が多いほど、またサンプルベクトルのサイズが大きいほど、受信した音が対象音であるか否かを認識する際に、本方法がよりロバストかつ正確になり得るが、信号処理時間およびリソース、ならびにサイレン信号を認識する際のシステムの応答時間が犠牲になる。
【００７７】
しかしながら、本発明者らは、１ビット符号化などのビット単位の符号化を使用した小さなサンプルベクトルに起因する推定される精度の損失は、リアルタイムまたはほぼリアルタイムで、２次パターンを検出または認識することにより、多数のテンプレートに対して信号を処理する能力によって克服されることを見出した。これらの２次パターンは、信号エネルギーおよびエネルギーの経時変化、上記の到着時間差、周波数範囲の上昇または下降スイープ、またはそれらの組み合わせを含む。
【００７８】
対象音源の動きの分析．実施形態では、緊急車両（１４）の相対運動に関する情報が判定され得る。
【００７９】
１つの実施形態では、緊急車両（１４）の進行方向を示し得る、到来音の方向角が経時的に追跡され得る。加えて、相関度は、到来音からの距離に応じて増加し得る。さらに、テンプレートがドップラー偏移による変形を含む場合、ドップラー偏移による変形への特定の一致は、緊急車両（１４）の相対速さと移動方向とに関する情報も与える。例えば、既知のサイレンの高音への変形との一致は、音源の緊急車両（１４）が車両（１０）に向かって移動していることを示す。
【００８０】
別の実施形態では、音のデジタル変換が振幅由来のデータを含む場合、またはデジタル変換が使用される前のアナログ信号のための別個のエネルギー検出器が使用される場合、エネルギーまたは振幅の尺度は、到来音の方向および／または速度に相関があり得る。例えば、時間とともに大きくなる音は、マイクロホンに向かう方向への移動である可能性がある。
【００８１】
通知の出力．実施形態では、システム（１００）は、車両（１０）の制御を握ることができる車両制御システムに動作可能に接続されてもよいし、車両（１０）の動力学を制御する適切な行動を取るように運転者に指示してもよい。従って、システム（１００）は、車両操作の側面における人間の運転者の相互作用の必要性を低減または排除することができる。本発明は、任意のＳＡＥレベルの自動運転に使用され得る。
【００８２】
実施形態では、システム（１００）は、車両内または遠隔に位置するエンティティにおいて視覚的、可聴、または触覚的通知を生成する車両制御システムに動作可能に接続されてもよい。従って、システム（１００）は、人間の運転者に感覚的サポートを提供し得る。
【００８３】
例えば、システム（１００）は、車両のオーディオシステムをオーバーライドして通知を提供できる。追加的または代替的に、システム（１００）は、車両（１０）のダッシュボード上または計器ディスプレイ内に警告灯を提供し得る。通知は、車両に対する方向、到来音の速さおよび進行方向などの情報を含むことができる。追加的または代替的に、システム（１００）は、車両の周囲のデジタル地図を表示する車載ナビゲーションシステムに動作可能に接続されてもよい。緊急車両の位置、速さ、および移動方向が、対象車両の地図上に示されてもよい。１つの実施形態では、緊急車両の存在および／または特定の方向への緊急車両の移動は、クラウドソースの高精細マップを通じて他の車両と共有されてもよい。ナビゲーションシステムの緊急車両通知は、サイレンがオフになるか、気にならないほど遠くなると消える。
【００８４】
解釈．本発明の態様は、本発明の実施形態による方法、装置（システム）、およびコンピュータプログラム製品の流れ図および／またはブロック図を参照して説明され得る。流れ図および／またはブロック図の各ブロック、ならびに流れ図および／またはブロック図におけるブロックの組み合わせは、コンピュータプログラム命令によって実施され得ることが理解されよう。これらのコンピュータプログラム命令は、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、または他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサに提供されて、コンピュータまたは他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサを介して実行される命令が、流れ図および／またはブロック図の１つ以上のブロックで指定された機能／行為を実施する手段を作成するように、マシンを生成することができる。
【００８５】
図中の流れ図およびブロック図は、本発明の様々な実施形態によるシステム、方法、およびコンピュータプログラム製品の可能な実装形態のアーキテクチャ、機能、および動作を示している。これに関して、流れ図またはブロック図の各ブロックは、指定された論理機能（複数可）を実施するための１つ以上の実行可能な命令を含むモジュール、セグメント、またはコードの一部を表し得る。また、いくつかの代替的なの実装形態では、ブロックに記載されている機能は、図に記載されている順序とは異なる順序で行われ得ることに留意されたい。例えば、連続して示されている２つのブロックは、実際には、実質的に同時に実行されてもよく、または含まれる機能に応じて場合により逆の順序で実行されてもよい。ブロック図および／または流れ図の各ブロック、およびブロック図および／または流れ図のブロックの組み合わせは、指定された機能もしくは行為を実行する専用ハードウェアベースのシステムによって、または専用ハードウェアとコンピュータ命令との組み合わせによって、実装され得ることにも留意されたい。
【００８６】
本明細書に添付された特許請求の範囲におけるすべての手段またはステップに機能を加えた要素（ｍｅａｎｓ  ｏｒ  ｓｔｅｐｓ  ｐｌｕｓ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ）の対応する構造、材料、行為、および均等物は、具体的に請求される他の特許請求された要素と組み合わせて、この機能を実行するための任意の構造、材料、または行為を含むことが意図されている。
【００８７】
本明細書における「１つの実施形態」、「一実施形態」などへの言及は、記載された実施形態が特定の態様、特徴、構造、または特性を含むみ得ることを示すが、必ずしもすべての実施形態がその態様、特徴、構造、または特性を含むわけではない。さらに、そのような句は、必ずしもそうとは限らないが、本明細書の他の部分で言及される同じ実施形態を指し得る。さらに、特定の態様、特徴、構造、または特性が実施形態に関連して説明されている場合、そのようなモジュール、態様、特性、構造、または特性が他の実施形態に影響を与える、または接続することは、明示的に記述されているか否かに関わらず、当業者の知識の範囲内である。換言すれば、任意のモジュール、要素、または特徴は、明らかなもしくは固有の非互換性がない限り、または明確に除外されない限り、異なる実施形態における任意の要素または特徴と組み合わされ得る。
【００８８】
特許請求の範囲は、任意選択の要素を除外するように起草され得ることにさらに留意されたい。そのため、この記述は、特許請求の範囲に記載の要素の列挙または「否定的な」限定の使用に関連して、「唯一」、「のみ」などの排他的な用語の使用の前例としての役割を果たすことが意図されている。「好ましい（ｐｒｅｆｅｒａｂｌｙ）」、「好ましい（ｐｒｅｆｅｒｒｅｄ）」、「好ましい（ｐｒｅｆｅｒ）」、「場合により（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）」、「し得る（ｍａｙ）」という用語、および同様の用語は、言及されているアイテム、条件、またはステップが本発明のオプションの（必須ではない）特徴であることを示すために使用される。
【００８９】
単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈上明らかに別段の規定をしているのでない限り、複数の指示対象を含む。「および／または」という用語は、アイテムのうちのいずれか１つ、アイテムの任意の組み合わせ、またはこの用語が関連付けられているアイテムのすべてを意味する。「１つ以上（ｏｎｅ  ｏｒ  ｍｏｒｅ）」という句は、特にその使用の文脈で読まれる場合、当業者によって容易に理解される。
【００９０】
「約」という用語は、指定された値の±５％、±１０％、±２０％、または±２５％の変動をいう。例えば、「約５０」パーセントは、いくつかの実施形態では、４５から５５パーセントの変動を含み得る。整数範囲の場合、「約」という用語は、範囲の各端で列挙された整数よりも大きいおよび／または小さい１つまたは２つの整数を含むことができる。本明細書で別段の指示がない限り、「約」という用語は、組成物または実施形態の機能性に関して均等である列挙された範囲に近い値および範囲を含むことが意図されている。
【００９１】
当業者によって理解されるように、ありとあらゆる目的のために、特に書面による説明を提供することに関して、本明細書に列挙されるすべての範囲はまた、ありとあらゆる可能な下位範囲およびその下位範囲の組み合わせ、ならびに範囲を構成する個々の値、特に整数値を包含する。列挙された範囲は、範囲内の各特定の値、整数、小数、または単位元を含む。列挙された範囲は、同じ範囲を少なくとも半分、３分の１、４分の１、５分の１、または１０分の１に分割し、十分に説明し、有効にするものとして容易に認識され得る。非限定的な例として、本明細書で説明される各範囲は、下３分の１、中３分の１、上３分の１などに容易に分解することができる。
【００９２】
また、当業者には理解されるように、「最大で（ｕｐ  ｔｏ）」、「少なくとも（ａｔ  ｌｅａｓｔ）」、「よりも大きい（ｇｒｅａｔｅｒ  ｔｈａｎ）」、「よりも小さい（ｌｅｓｓ  ｔｈａｎ）」、「よりも大きい（ｍｏｒｅ  ｔｈａｎ）」、「以上（ｏｒ  ｍｏｒｅ）」などのすべての表現は、列挙された数を含み、そのような用語は、上記で議論されるように、その後サブ範囲に分割され得る範囲を指す。同様に、本明細書に列挙されるすべての比率は、より広い比率内にあるすべてのサブ比率も含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年6月18日(2018.6.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象音を検出するためのシステムであって、前記システムが、
サンプル音波に応じてサンプル音信号を生成するための少なくとも１つの音声センサと、
コンピュータプロセッサと、
前記コンピュータプロセッサに動作可能に接続された非一時的コンピュータ可読メモリであって、変換パラメータに従って前記対象音の複数のサンプルを変換することによって生成された複数のデジタル対象音テンプレートと、前記コンピュータプロセッサによって実行可能な一式の命令とを格納する、前記非一時的コンピュータ可読メモリとを備え、
前記一式の命令を実行することにより、以下のステップ：
（ａ）前記音声センサからの前記サンプル音信号を受信するステップと、
（ｂ）前記変換パラメータに従って前記サンプル音信号をデジタルサンプルベクトルに変換するステップと、
（ｃ）前記ベクトルを格納された前記テンプレートのそれぞれと比較して、格納された前記テンプレートのいずれか１つに対する前記ベクトルの類似度が所定の閾値を超過したか否かを判定する、ステップと、
（ｄ）前記閾値が超過された場合に出力信号を生成するステップと、
を含む方法を実行する、システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの音声センサが少なくとも３つの音声センサを含み、前記方法が、
（ａ）前記少なくとも３つの音声センサのそれぞれについて、請求項１に記載のステップ（ａ）から（ｃ）を実行し、前記閾値の超過に関する時間インデックスを判定する、ステップと、
（ｂ）前記判定された時間インデックスに基づいて、前記サンプル音波の方向角を判定するステップと、
を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記対象音が、周波数の下限と上限との間でスイープするサイレンであり、前記テンプレートが、
（ａ）前記周波数の下限および上限内の狭い周波数帯域、または
（ｂ）前記狭い周波数帯域内の少なくとも１つの特定の周波数
のいずれかに制限されたデータを表す、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記狭い周波数帯域が、約６００Ｈｚ〜約１４００Ｈｚである、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記少なくとも１つの特定の周波数が、複数の特定の周波数を含み、前記複数の特定の周波数のうちの少なくとも１つが素数である、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記複数の特定の周波数がすべて素数である、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記対象音が、低い周波数と高い周波数との間で交互に繰り返されるサイレンであり、前記テンプレートが、
（ａ）前記低い周波数を中心とした低い狭い周波数帯域、および前記高い周波数を中心とした高い狭い周波数帯域、または
（ｂ）前記低い狭い周波数帯域および前記高い狭い周波数帯域のそれぞれの中の少なくとも１つの特定の周波数
のいずれかに制限されたデータを表す、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記低い周波数帯域および前記高い周波数帯域が、それぞれ、前記低い周波数および前記高い周波数よりも約２０％下から約２０％上までの範囲を提供する、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記特定の周波数のうちの少なくとも１つ、いくつか、またはすべてが素数である、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
実行される前記方法が、パターン認識を行うステップをさらに含み、前記対象音を検出したことは、複数の特定の周波数のそれぞれについて特定の順番で前記閾値が超過されている結果により確認される、請求項３から７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ベクトルに変換される前に前記サンプル音信号を増幅するために、前記音声センサに動作可能に接続された対数増幅器をさらに備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１２】
前記対数増幅器が、前記対数増幅器の出力端子から入力端子にフィードバックループを備え、前記フィードバックループが、並列の第１および第２の回路経路を備え、前記第１の回路経路が第１のダイオードを備え、前記第２の回路経路が第２のダイオードを備え、前記第１のダイオードと前記第２のダイオードとが、前記対数増幅器が正の入力電圧および負の入力電圧に対して対称の出力電圧を供給するように、前記対数増幅器の前記入力端子および前記出力端子に対して異なる極性を有する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記変換パラメータが、前記音信号のｎビット符号化を含み、ｎは８以下である、請求項１から１２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１４】
ｎが１、１．５、または２である、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
ｎは１であり、前記変換パラメータが電圧レベル交差である、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記サンプルベクトルおよび前記対象音テンプレートのうちの一方または両方が、約１０，０００ビット長未満、または５０００ビット長未満、または１０００ビット長未満、または１００ビット長未満である、請求項１から１５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記システムが２つ以上の音声センサを備え、各音声センサからの前記音信号がステップ（ａ）から（ｄ）を通じて別々に処理される、請求項１から１６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１８】
前記システムが３つ以上の音声センサを備え、各音声センサからの前記音信号が時間インデックス成分で別々に処理され、時間インデックスの差が前記対象音の方向を判定するために使用される、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記対象音の前記方向が周期的に判定されて、前記対象音の動きを判定する、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
音検出情報を人間のユーザまたは自動化システムに提供する通知サブシステムをさらに備え、前記情報が、前記対象音の識別情報、前記対象音の相対位置、または前記対象音の動きのうちの１つ以上を含むことができる、請求項１から１９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２１】
車両制御システムに動作可能に接続される、請求項１から２０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２２】
対象音を検出するための方法であって、前記方法が、
（ａ）変換パラメータに従って前記対象音の少なくとも１つのサンプルを変換することにより生成された少なくとも１つのデジタル対象音テンプレートを提供するステップと、
（ｂ）サンプル音波に応じて少なくとも１つの音声センサによって生成されたサンプル音信号を受信するステップと、
（ｃ）同じ前記変換パラメータに従って前記サンプル音信号をデジタルサンプルベクトルに変換するステップと、
（ｄ）前記サンプルベクトルを前記少なくとも１つのテンプレートと比較して、前記少なくとも１つのテンプレートに対する前記ベクトルの類似度が所定の閾値を超過したか否かを判定する、ステップと、
（ｅ）前記閾値が超過された場合に出力信号を生成するステップと、
を含む、方法。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの音声センサが少なくとも２つの音声センサを含み、前記方法が、
（ａ）前記少なくとも２つの音声センサのそれぞれについて、請求項２０に記載のステップ（ｂ）から（ｄ）を実行し、前記閾値の超過に関する時間インデックスを判定する、ステップと、
（ｂ）前記判定された時間インデックス間の差に基づいて、前記対象音の方向を判定するステップと、
を含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記対象音が、周波数の下限と上限との間でスイープするサイレンであり、前記テンプレートが、
（ａ）前記周波数の下限および上限内の狭い周波数帯域、または
（ｂ）前記狭い周波数帯域内の少なくとも１つの特定の周波数
のいずれかに制限されたデータを表す、請求項２２または２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記狭い周波数帯域が、約６００Ｈｚ〜約１４００Ｈｚである、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記少なくとも１つの特定の周波数が、複数の特定の周波数を含み、前記複数の特定の周波数のうちの少なくとも１つ、いくつか、またはそれぞれが素数である、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記対象音が、低い周波数と高い周波数との間で交互に繰り返されるサイレンであり、前記テンプレートが、
（ａ）前記低い周波数を中心とした低い狭い周波数帯域、および前記高い周波数を中心とした高い狭い周波数帯域、または
（ｂ）前記低い狭い周波数帯域および前記高い狭い周波数帯域のそれぞれの中の少なくとも１つの特定の周波数
のいずれかに制限されたデータを表す、請求項２２に記載の方法。
【請求項２８】
前記低い周波数帯域および前記高い周波数帯域が、それぞれ、前記低い周波数および前記高い周波数よりも約２０％下から約２０％上までの範囲を提供する、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
パターン認識を行うステップをさらに含み、前記対象音を検出したことは、複数の特定の周波数のそれぞれについて特定の順番で前記閾値が超過されている結果により確認される、請求項２４から２８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
前記サンプルベクトルに変換される前に前記サンプル音信号を対数的に増幅するステップをさらに含む、請求項２２から２９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
前記変換パラメータが、前記音信号のｎビット符号化を含み、ｎは８以下である、請求項２２から２９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３２】
ｎが１、１．５、または２である、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
ｎは１であり、前記変換パラメータが電圧レベル交差である、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記サンプルベクトルおよび前記対象音テンプレートのうちの一方または両方が、約１０，０００ビット長未満、または５０００ビット長未満、または１０００ビット長未満、または１００ビット長未満である、請求項２２から３３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３５】
ステップ（ｂ）から（ｅ）が車両上でリアルタイムで実行され、前記対象音がサイレンによって生成される、請求項２２から３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３６】
ステップ（ｃ）および（ｄ）が整数演算のみを含む、請求項２２から３５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３７】
対象音をリアルタイムで検出する連続的な方法であって、前記方法が、
（ａ）サンプル音波に応じて少なくとも１つの音声センサによって生成されたサンプル音信号を受信するステップと、
（ｂ）前記サンプル音信号を対数的に増幅し、変換パラメータに従って前記増幅されたサンプル音信号をデジタルサンプルベクトルに変換する、ステップと、
（ｃ）前記サンプルベクトルを、同じ前記変換パラメータを使用して前記サイレンから生成された少なくとも１つのテンプレートと比較して、前記少なくとも１つのテンプレートに対する前記ベクトルの類似度が所定の閾値を超過したか否かを判定する、ステップと、
（ｄ）前記閾値が超過された場合に出力信号を生成するステップと、
を含む、対象音をリアルタイムで検出する連続的な方法。
【請求項３８】
ステップ（ｃ）が整数演算のみを含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
車両ユーザおよび／または車両制御システムに通知するさらなるステップを含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
車両ユーザに通知する、前記ステップが、緊急車両の位置と、場合により移動の速さおよび方向をデジタル地図上に表示するステップを含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
パターン認識を行うステップをさらに含み、前記対象音を検出したことは、複数の特定の周波数のそれぞれについて特定の順番で前記閾値が超過されている結果により確認される、請求項３７から４０のいずれか一項に記載の方法。
【国際調査報告】
2020509703.tif 000017
2020509703.tif 000018