包囲型マイクロフォンアレ イを用いた音源位置推定に関する検討◎岡本 拓磨，西村 竜一，岩谷 幸雄
東北大学 大学院情報科学研究科 / 電気通信研究所

包囲型マイクロフォンアレ イを用いた音源位置推定に関する検討 – p.1/36

はじめに空間情報を含む音響技術の発達
よりリアルな音環境を体験できる

バーチャルヘッドある部屋に任意の仮想的な頭を想定し ，そこで聞こえる音を再現する

このシステムの実現を目指す

包囲型マイクロフォンアレ イを用いた音源位置推定に関する検討 – p.2/36

具体的なシステムの流れ

図 1 Virtual Head System

包囲型マイクロフォンアレ イを用いた音源位置推定に関する検討 – p.3/36

今回の目的
部屋の音をまるごと取りこむ包囲型マイクロフォンアレ イを使用

今回の目的



高精度な音源位置推定を行うためのマイクロフォン配置について検討

包囲型マイクロフォンアレ イを用いた音源位置推定に関する検討 – p.4/36

包囲型マイクロフォンアレ イ
32.5
21.5
10.5
076554433221100

図 2 包囲型マイクロフォンアレ イ

包囲型マイクロフォンアレ イを用いた音源位置推定に関する検討 – p.5/36

マイクロフォンアレ イの原理
wave
front

Microphone 1 x
1dθs
Microphone 2 x 2

ξ

図 3 空間的に配置されたマイクロフォンで受音される信号
時間差

 → ½ を  だけ遅延 → ½· ¾ →  方向の信号を強調できる↓

遅延和アレ イの原理

包囲型マイクロフォンアレ イを用いた音源位置推定に関する検討 – p.6/36

マイクロフォンアレ イによる音源位置推定¯

遅延和を利用したもの
信号の到来時間差  を推定し，到来方向を推定する

¯

最小分散法
注目している方向  以外から到来する音の影
響を最小にする¯

MUltiple SIgnal Clasification (MUSIC) 法
到来方向には極めて高い分解能

今回は MUSIC 法を用いて音源位置推定を行う

包囲型マイクロフォンアレ イを用いた音源位置推定に関する検討 – p.7/36

MUSIC 法 (1)
入力ベクトル(1)            

空間相関行列           
相関行列    のランクは D，   を固有値展開
(2)

(3)

    ½       ½

包囲型マイクロフォンアレ イを用いた音源位置推定に関する検討 – p.8/36

MUSIC 法 (2)     ，    ½ より， により   を対角化               ½   (4)(4) 式より(5)(6)

          ½                と   が直交

包囲型マイクロフォンアレ イを用いた音源位置推定に関する検討 – p.9/36

MUSIC 法 (3)  が張る信号部分空間 (signal subspace) に対して

  は基底ベクトル¯   は直交補空間の基底ベクトル¯MUSIC 法による空間スペクトル(7)       ¾  が真の音源ベクトルと一致   は大きな値をもつ包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.10/36

音源位置推定シミュレーション
虚像法を用いて反射波を模擬インパルス応答を生成信号と畳み込み入力信号を得る
入力ベクトル  より，空間相関行列    を求める  と式 (4) より  を求め， と   より  を計算
各周波数ごとに求めた    を平均して，それをその位置における  とする．

包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.11/36

シミュレーション条件

包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.12/36

大まかな音源位置推定
最初に部屋全体を大まかに走査して音源のだいたいの位置を推定
周辺を精密に走査して音源位置を推定する
部屋全体を大まかに走査するためのマイクロフォン配置について検討

包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.13/36

マイクロフォンモデル
700600500

Y [cm]

400300200

1000050100150200250
X [cm]

300350400450500

図 4 パターン 0-1 (5 × 5=計 25 個，0.5(m) 間隔)

包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.14/36

マイクロフォンモデル
700600500

Y [cm]

4003002001000050100150200250
X [cm]

300350400450500

図 5 パターン 0-2 (5 × 5=計 25 個，1(m) 間隔)

包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.15/36

推定結果 (パターン 0-1)
MUSIC Spectrum z=1.5(m)22Spectrum [dB]

20
18
16
14125443322y [m]

1x [m]

図 6 パターン 0-1 結果 (z=1.5)
MUSIC Spectrum z=2.0(m)22Spectrum [dB]

20
18
16
14
1254433y [m]221x [m]

図 7 パターン 0-1 結果 (z=2.0)

包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.16/36

推定結果 (パターン 0-2)
MUSIC Spectrum z=1.5(m)Spectrum [dB]

2220
1816
145443322y [m]

1x [m]

図 8 パターン 0-2 結果 (z=1.5)
MUSIC Spectrum z=2.0(m)Spectrum [dB]222018161454433y [m]221x [m]図 9 パターン 0-2 結果 (z=2.0)

包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.17/36

詳細な音源位置推定
大まかな走査により得られたピークの周辺を詳細に走査

3 つの配置パターンで，x,y,z それぞれ± 0.4(m)，5(cm) 間隔で計 729 点を走査包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.18/36

パターン 1700600500

Y [cm]

400

300

200

1000050100150200250
X [cm]

300350400450500

図 10 パターン 1
大まかに推定した x,y 座標がこのアレ イのできるだ
け中心にくるように天井に配置包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.19/36

パターン 2700300600250500200Z [cm]

Y [cm]

400150300100200501000050100150200250
X [cm]

30035040045050000100200300400500600700

Y [cm]

図 11 パターン 2
天井 (z=3) に 14 個，大まかに推定した x,y 座標のうち，もっとも近い壁に 13 個配置

包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.20/36

パターン 3700600500

Y [cm]

4003002001000050100150200250
X [cm]

300350400450500

図 12 パターン 3 (z 軸方向から見た場合)
天井，大まかに推定した x,y 座標それぞれに近い壁に，0.5(m) 間隔 3 × 3=9 個ずつ配置

包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.21/36

探査結果
音源 1(2.42, 2.44, 1.5) 探査結果 (パターン 1)
x 座標 y 座標 z 座標

2.40
2.45
1.45 244.9
2.40
2.45
1.50 234.1
2.40
2.45
1.40 219.7
2.45
2.45
1.45 210.5
2.45
2.45
1.45 200.5
正しいピークが得られていない
残響なしで計算
それでも正しいピークは得られない

包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.22/36

探査結果
音源 2(2.42, 2.44, 1.5) 探査結果 (パターン 2)x 座標 y 座標 z 座標

2.40
2.45
1.50 139.5
2.45
2.45
1.45 134.5
2.40
2.40
1.50 81.7
2.45
2.40
1.45 81.6
2.50
2.45
1.40 74.1
正しいピークが得られている

包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.23/36

探査結果
音源 3(2.42, 2.44, 1.5) 探査結果 (パターン 3)x 座標 y 座標 z 座標
2.45
2.45
1.45 101.6
2.40
2.45
1.50 84.6
2.45
2.45
1.50 84.0
2.40
2.40
1.50 82.2
2.40
2.50
1.45 72.2
正しいピークが得られていない
残響なしで計算
それでも正しいピークは得られない

包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.24/36

パターン 3 について
マイクロホン間隔を倍の 1(m) にして再度推定
音源 1 探査結果 (パターン 3) アレ イ間隔 1(m)x 座標 y 座標 z 座標 
2.40
2.45
1.50 65.9
2.40
2.40
1.50 59.8
2.45
2.45
1.50 59.2
2.45
2.45
1.45 53.32.40
2.40
1.55 48.1
正しいピークが得られている

包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.25/36

その他 2 条件
音源 2 についてはどれも正しい値を推定
以下の 2 つの条件についても推定¯

部屋の角に音源 1 を移動
音源 3(1.5, 1.5, 1.5)
パターン 3 が最も得意としそうな場所なため¯

音源が部屋の下側 (z 1.5) にある場合
音源 4(2.42, 2.44, 1.0)
z 軸だけは床 (z=0) にマイクロホンは設置できないため包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.26/36

音源 3 の推定結果
音源 3(1.5, 1.5, 1.5) 探査結果 (パターン 1)
x 座標 y 座標 z 座標

1.50
1.50
1.45 133.8
1.50
1.50
1.40 124.6
1.50
1.50
1.50 122.0
1.50
1.50
1.35 106.1
1.50
1.50
1.55 99.9

包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.27/36

音源 3 の推定結果
音源 3(1.5, 1.5, 1.5) 探査結果 (パターン 2)x 座標 y 座標 z 座標

1.50
1.50
1.50 154.3
1.55
1.50
1.45 102.4
1.45
1.50
1.55 87.3
1.50
1.55
1.50 83.2
1.55
1.55
1.45 73.2

包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.28/36

音源 3 の推定結果
音源 3(1.5, 1.5, 1.5) 探査結果 (パターン 3)x 座標 y 座標 z 座標
1.50
1.50
1.50 223.2
1.55
1.55
1.45 97.3
1.45
1.45
1.55 82.9
1.50
1.55
1.50 63.3
1.50
1.50
1.45 63.1

包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.29/36

音源 4 の推定結果
音源 4(2.42, 2.44, 1.0) 探査結果 (パターン 1)
x 座標 y 座標 z 座標
2,40
2.45
0.95 146.4
2.40
2.45
1.00 143.7
2.40
2.45
0.90 141.8
2.45
2.45
1.00 136.9
2.45
2.45
0.95 134.6

包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.30/36

音源 4 の推定結果
音源 4(2.42, 2.44, 1.0) 探査結果 (パターン 2)x 座標 y 座標 z 座標 2,40
2.45
1.00 96.5
2.45
2.45
0.95 90.3
2.40
2.40
1.00 69.5
2.35
2.45
1.05 69.3
2.45
2.40
0.95 69.0

包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.31/36

音源 4 の推定結果
音源 4(2.42, 2.44, 1.0) 探査結果 (パターン 3)
アレ イ間隔 1(m)x 座標 y 座標 z 座標 2,40
2.45
1.00 66.0
2.45
2.45
0.95 58.0
2.45
2.45
1.00 53.5
2.40
2.40
1.00 50.6
2.40
2.40
1.05 49.6

包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.32/36

結果と考察 (1)¯ パターン 1(天井 1 面)¯

天井にしかマイクロフォンがないため，x,y方向については精度よく推定できるが，z方向の推定能力は低い¯ 音源が天井に近い場合は精度よく推定可能¯ パターン 2(天井+壁 1 面)¯

2 面からの情報をクロスさせることにより，z 方向に関しても壁に配置されたアレ イにより正しく推定されている包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.33/36

結果と考察 (2)¯ パターン 3(天井+壁 2 面)¯

音源が壁から離れている場合はマイクロフォン間隔を大きくしなければならない¯ 音源が壁に近いときはパターン 2 と同等の精度¯ 音源が部屋の角にあるときはもっとも良い精度¯

床にはアレ イを設置できないことについて¯ パターン 2 とパターン 3 を用いれは音源が低い位置にあっても正しく推定できる

包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.34/36

まとめ
今回のシミュレーションにおいて，高精度な音源位置推定を行うためには，壁側にもマイクロフォンアレ イを設置することにより，天井だけに設置するよりも，特に部屋の高さ方向を高精度に推定できることが確認できた

包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.35/36

今後の予定¯

今回のシミュレーション結果を実環境における実験により検討する¯

低周波を含む狭帯域音源に関する推定法を検討する¯

音源位置推定についても検討する
理論解についても検討していく

包囲型マイクロフォンアレイを用いた音源位置推定に関する検討 – p.36/36