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JPWO2006132249A1 - Signal separation device - Google Patents

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JPWO2006132249A1
JPWO2006132249A1 JP2007520126A JP2007520126A JPWO2006132249A1 JP WO2006132249 A1 JPWO2006132249 A1 JP WO2006132249A1 JP 2007520126 A JP2007520126 A JP 2007520126A JP 2007520126 A JP2007520126 A JP 2007520126A JP WO2006132249 A1 JPWO2006132249 A1 JP WO2006132249A1
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signal
output
gradient
spatial
signals
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顕武 寺本
顕武 寺本
浩輔 鶴田
浩輔 鶴田
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NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION SAGA UNIVERSITY
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NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION SAGA UNIVERSITY
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Abstract

二次元平面又は三次元空間の異なる位置から出力される出力信号を簡易な処理工程及び装置構成で迅速かつ確実に分離できる信号分離装置を提供する。異なる位置の出力源201、202から出力される各出力信号が重畳された重畳信号を各出力信号に関する時間勾配の瞬時混合和として検出し、この時間勾配の瞬時混合和に基づいて前記各出力信号を分離するようにしているので、この検出された信号をスカラー量(音圧)ではなく、ベクトル量(音圧勾配)として検出できることとなり、各出力源の方向と共に、各出力信号の分離を簡易な処理工程及び装置構成で迅速且つ確実に分離できる。【選択図】 図1Provided is a signal separation device that can quickly and reliably separate output signals output from different positions in a two-dimensional plane or a three-dimensional space with a simple processing process and device configuration. A superimposed signal in which output signals output from output sources 201 and 202 at different positions are superimposed is detected as an instantaneous mixed sum of time gradients related to each output signal, and each output signal is based on the instantaneous mixed sum of time gradients. Since the detected signal can be detected not as a scalar quantity (sound pressure) but as a vector quantity (sound pressure gradient), it is easy to separate each output signal along with the direction of each output source. Can be quickly and reliably separated by simple processing steps and apparatus configuration. [Selection] Figure 1

Description

本発明は、二次元平面または三次元空間の異なる位置から出力される音声信号又は電波信号等の各出力信号が重畳された重畳信号から重畳前の各出力信号を分離する信号分離装置に関する。   The present invention relates to a signal separation device that separates output signals before superposition from superposed signals on which output signals such as audio signals or radio wave signals outputted from different positions in a two-dimensional plane or three-dimensional space are superposed.

人間は多くの人が話している中で、特定の人の声を選択して聞き取ることができる。この人間の聴覚的な能力をカクテルパーティ効果と呼ぶ。しかし多数の音源が混在する中、通常のマイクロホンを用いて録音を行ったとしても、音源までの距離、音源の到来方向、音の強弱などの影響によって必要な音だけを効率よく収音することは非常に困難である。   While many people are speaking, humans can select and listen to specific voices. This human auditory ability is called the cocktail party effect. However, with many sound sources mixed, even if recording is performed using a normal microphone, only the necessary sound is efficiently collected due to the influence of the distance to the sound source, the direction of arrival of the sound source, the strength of the sound, etc. Is very difficult.

複数の信号が重畳した信号から元の信号を復元する手法の一つにブラインド信号分離がある。ブラインド信号分離は、源信号が統計的に独立であり、観測信号が源信号によって線形的に混合されるという仮定に基づき、源信号を推定する手法である。   One technique for restoring the original signal from a signal in which a plurality of signals are superimposed is blind signal separation. Blind signal separation is a technique for estimating a source signal based on the assumption that the source signal is statistically independent and the observed signal is linearly mixed by the source signal.

ブラインド信号分離は様々な手法が提案されているが、特に実環境中での音声の観測を考慮したコンボリューション型のものが研究されてきた。近年その中でも信号を狭帯域信号に分割し、帯域ごとに瞬時混合型のブラインド信号分離を行う分離手法が盛んに研究されている。   Various methods have been proposed for blind signal separation, but convolution-type methods that take into account the observation of speech in a real environment have been studied. In recent years, research has been actively conducted on a separation method in which a signal is divided into narrowband signals and instantaneous mixed blind signal separation is performed for each band.

これらの分離手法に関する音源信号回路及びこれを用いたマイクロホン装置が特開2000−181499号公報に開示されている。   Japanese Patent Laid-Open No. 2000-181499 discloses a sound source signal circuit related to these separation methods and a microphone device using the same.

また、音源分離収音マイクロホン装置及びその方法が特開2003−98003号公報に開示されている。さらに音源分離方法、装置及び記録媒体が特開平10−313497号公報に開示されている。
特開2000−181499号公報 特開2003−98003号公報 特開平10−313497号公報
A sound source separation / sound collection microphone device and method thereof are disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2003-98003. Further, a sound source separation method, apparatus, and recording medium are disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-313497.
JP 2000-181499 A JP 2003-98003 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-313497

前記従来技術における特許文献1は、互いに線形独立な複数の音(音源信号)が線形加算された複数の混合信号x1(t)、x2(t)をフレーム分割し、フレーム毎に分割された複数の信号y1(t)、y2(t)相互間のラグタイムゼロの相関を最小にする混合行列の逆行列を乗算するようにして複数の音源から音(音源信号)を分離していることから、分離処理の前提として複数の混合信号をフレーム毎に分割しなければならず、処理工程及び回路構成が複雑化すると共に、分離処理時間を遅延させるという課題を有する。In Patent Document 1 in the prior art, a plurality of mixed signals x 1 (t) and x 2 (t) obtained by linearly adding a plurality of linearly independent sounds (sound source signals) are divided into frames and divided for each frame. The sound (sound source signal) is separated from the plurality of sound sources by multiplying the inverse matrix of the mixing matrix that minimizes the correlation with zero lag time between the plurality of signals y 1 (t) and y 2 (t). Therefore, it is necessary to divide a plurality of mixed signals for each frame as a premise of the separation processing, and there are problems that the processing steps and the circuit configuration are complicated and the separation processing time is delayed.

また、特許文献2にも前記特許文献1と同様に混合信号をフレーム毎に分割した後に音源信号ごとに分離していることから、同様の課題を有する。   Similarly to Patent Document 1, Patent Document 2 has a similar problem because the mixed signal is divided for each sound source signal after being divided for each frame.

さらに、特許文献3は、複数のマイクロホンからの各チャンネル信号を、主な成分が1つの音源信号の成分のみからなる程度に複数の帯域に分割し、これらから、各同一帯域について、レベル、到達時間を検出し、これらから、各帯域毎にいずれの音源信号かを判定分離することにより、各音源信号を分離するようにしていることから、1つの音源信号の成分のみからなる程度に複数の帯域に分割する前処理を経なければ分割処理が実行できず、処理工程及び回路構成が複雑化すると共に、分離処理時間を遅延させるという課題を有する。   Further, Patent Document 3 divides each channel signal from a plurality of microphones into a plurality of bands so that the main component is composed of only one sound source signal component. Since each sound source signal is separated by detecting time and determining and separating which sound source signal for each band from these, a plurality of sound source signals are composed of only one sound source signal. The division process cannot be executed unless the pre-processing for dividing into bands is performed, so that the processing steps and the circuit configuration are complicated, and the separation processing time is delayed.

本発明は、前記課題を解消するためになされたもので、二次元平面又は三次元空間の異なる位置から出力される出力信号を簡易な処理工程及び装置構成で迅速かつ確実に分離できる信号分離装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and is a signal separation device capable of quickly and reliably separating output signals output from different positions in a two-dimensional plane or three-dimensional space with simple processing steps and device configurations. The purpose is to provide.

本発明に係る信号分離装置は、二次元平面又は三次元空間の異なる位置の出力源から出力される各出力信号が重畳された重畳信号を分離する信号分離装置において、前記重畳信号を各出力信号に関する時間勾配の瞬時混合和として検出する空間勾配検出手段と、前記空間勾配検出手段が検出した信号を格納することなく直接取り込み、前記出力信号の時間勾配の瞬時混合和に基づいて前記各出力信号を分離する信号分離手段とを備えるものである。   The signal separation device according to the present invention is a signal separation device that separates superimposed signals on which output signals output from output sources at different positions in a two-dimensional plane or a three-dimensional space are superimposed. A spatial gradient detecting means for detecting an instantaneous mixture sum of time gradients with respect to each of the output signals, and directly capturing the signals detected by the spatial gradient detection means without storing them, and each of the output signals based on the instantaneous mixture sum of the time gradients of the output signals. And a signal separation means for separating the signal.

このように本発明によれば、異なる位置の出力源から出力させる各出力信号が重畳された重畳信号を各出力信号に関する時間勾配の瞬時混合和として検出し、この時間勾配の瞬時混合和に基づいて前記各出力信号を分離するようにしているので、この検出された信号をスカラー量(音圧)でなく、ベクトル(音圧勾配)として検出できることとなり、各出力源の方向と共に、各出力信号の分離を簡易な処理工程及び装置構成で迅速且つ確実に分離できる効果を奏する。   As described above, according to the present invention, a superimposed signal in which output signals to be output from output sources at different positions are superimposed is detected as an instantaneous mixed sum of time gradients related to each output signal, and based on the instantaneous mixed sum of time gradients. Since each output signal is separated, the detected signal can be detected not as a scalar quantity (sound pressure) but as a vector (sound pressure gradient), and together with the direction of each output source, each output signal can be detected. There is an effect that the separation can be performed quickly and reliably by a simple processing process and apparatus configuration.

また、本発明に係る信号分離装置は必要に応じて、前記信号分離手段は、前記勾配検出手段から出力される空間勾配信号を時間積分する積分器を備えるものである。   Further, in the signal separation device according to the present invention, the signal separation unit includes an integrator for time-integrating the spatial gradient signal output from the gradient detection unit, as necessary.

このように本発明によれば、信号分離手段が、前記勾配検出手段から出力される空間勾配信号を時間積分する積分器を備えるものであるので、空間勾配検出手段の後段における行列演算でのノイズによる悪影響を減少することができる効果を奏する。   As described above, according to the present invention, the signal separation unit includes an integrator that temporally integrates the spatial gradient signal output from the gradient detection unit, and therefore noise in matrix operation at the subsequent stage of the spatial gradient detection unit. The effect which can reduce the bad influence by is produced.

また、本発明に係る信号分離装置は必要に応じて、前記信号分離手段は、前記勾配検出手段から出力される空間勾配信号を時間積分する第1の積分器と、前記第1の積分器から出力される時間積分信号のうち、二つの信号の平均を演算する平均演算器と、前記第1の積分器から出力される時間積分信号を、空間微分による空間勾配の勾配を演算する空間微分器と、前記空間微分器から出力される空間勾配信号を時間積分する第2の積分器とを備えるものである。   In addition, the signal separation device according to the present invention includes a first integrator that temporally integrates a spatial gradient signal output from the gradient detection unit, and a first integrator as necessary. Of the output time integration signals, an average calculator that calculates the average of two signals, and a time differentiator that calculates the gradient of the spatial gradient by spatial differentiation of the time integration signal output from the first integrator. And a second integrator for time-integrating the spatial gradient signal output from the spatial differentiator.

本発明によれば、信号分離手段が、前記勾配検出手段から出力される空間勾配信号を時間積分する第1の積分器と、前記第1の積分器から出力される時間積分信号のうち、二つの信号の平均を演算する平均演算器と、前記第1の積分器から出力される時間積分信号を、空間微分による空間勾配の勾配を演算する空間微分器と、前記空間微分器から出力される空間勾配信号を時間積分する第2の積分器とを備えるものであるので、信号分離装置が二次元平面中にある最大で4つの音源に対応することが可能となる効果を奏する。   According to the present invention, the signal separation means includes a first integrator for time-integrating the spatial gradient signal output from the gradient detection means, and a time integration signal output from the first integrator. An average calculator that calculates the average of two signals, a time integrated signal output from the first integrator, a spatial differentiator that calculates the gradient of the spatial gradient by spatial differentiation, and the spatial differentiator. Since the second integrator for time-integrating the spatial gradient signal is provided, there is an effect that the signal separation device can cope with up to four sound sources in the two-dimensional plane.

また、本発明に係る信号分離装置は必要に応じて、前記空間勾配検出手段が、各出力信号を各音声信号として検出するマイクロホンアレイとして構成され、当該マイクロホンアレイが前記音声信号の音圧勾配として検出するものである。   The signal separation device according to the present invention is configured as a microphone array in which the spatial gradient detection unit detects each output signal as each audio signal, as necessary, and the microphone array serves as a sound pressure gradient of the audio signal. It is to detect.

本発明によれば、各出力信号に関する時間勾配の検出をマイクロアレイが各出力を各音声信号として検出し、このマイクロホンアレイが前記音声信号の音圧勾配として検出するようにしているので、各音源の方向と共に、各音声信号の分離を簡易な処理工程及び装置構成で迅速且つ確実に分離できる効果を有する。   According to the present invention, the detection of the time gradient for each output signal is detected by the microarray as each sound signal, and the microphone array detects the sound pressure gradient of the sound signal. Along with the direction, each audio signal can be separated quickly and reliably by a simple processing process and apparatus configuration.

また、本発明に係る信号分離装置は必要に応じて、マイクロホンアレイが検出する音圧勾配を粒子速度の時間微分により求めるものである。本発明によれば、マイクロホンアレイが検出する音圧勾配を粒子速度の時間微分により求めることから、各出力信号の時間微分でなく、各出力信号そのものを推定するようにしているので、微分、積分の各処理が不用となり、より簡易な処理工程及び装置構成で高速・確実な分離が可能となる効果を有する。   Further, the signal separation device according to the present invention obtains the sound pressure gradient detected by the microphone array by time differentiation of the particle velocity, if necessary. According to the present invention, since the sound pressure gradient detected by the microphone array is obtained by time differentiation of the particle velocity, each output signal itself is estimated instead of time differentiation of each output signal. Each of these processes is unnecessary, and it is possible to achieve high-speed and reliable separation with a simpler process and apparatus configuration.

また、本発明に係る信号分離装置は必要に応じて、前記マイクロホンアレイが、各音声信号が出力される異なる位置に対する観測点における少なくともx軸方向又はy軸方向の音圧差分を計測する双指向性のマイクロホンで構成されるものである。   In addition, the signal separation device according to the present invention is a bi-directional device in which the microphone array measures a sound pressure difference in at least the x-axis direction or the y-axis direction at an observation point with respect to different positions from which each audio signal is output, as necessary. It consists of a sex microphone.

本発明によれば、マイクロホンアレイが、各音声信号が出力される異なる位置に対する観測点における少なくともx軸方向又はy軸方向の音圧差分を計測する双指向性のマイクロホンで構成されるので、各音源の方向と共に、各音声信号の分離を簡易な処理工程及び装置構成で迅速且つ確実に分離できる効果を有する。   According to the present invention, since the microphone array is composed of a bidirectional microphone that measures a sound pressure difference at least in the x-axis direction or the y-axis direction at an observation point with respect to different positions from which each audio signal is output, Along with the direction of the sound source, each audio signal can be separated quickly and reliably with a simple processing process and apparatus configuration.

さらに、本発明に係る信号分離装置は必要に応じて、前記信号分離手段が、重畳信号を各出力信号に分離すると共に、当該各出力信号の各出力源における方向及び/又は標準偏差を出力するものである。   Furthermore, in the signal separation device according to the present invention, the signal separation means separates the superimposed signal into output signals and outputs the direction and / or standard deviation of each output signal at each output source as necessary. Is.

本発明によれば、信号分離手段が、重畳信号を各出力信号に分離すると共に、この各出力信号の各出力源における方向及び/又は標準偏差を出力するので、各音源の方向と共に、各音声信号の分離を簡易な処理工程及び装置構成で迅速且つ確実に分離できる効果を有する。   According to the present invention, the signal separation means separates the superimposed signal into output signals, and outputs the direction and / or standard deviation of each output signal at each output source. It has the effect of separating signals quickly and reliably with a simple processing process and apparatus configuration.

本発明の第1の実施形態に係る信号分離装置における全体回路構成図である。1 is an overall circuit configuration diagram of a signal separation device according to a first embodiment of the present invention. 図1に記載の双指向性マイクロホンの配置構成図である。FIG. 2 is an arrangement configuration diagram of the bidirectional microphone described in FIG. 1. 図1に記載の信号分離装置の動作フローチャートである。2 is an operation flowchart of the signal separation device described in FIG. 1. 本発明の第2の実施形態に係る信号分離装置における全体回路構成図である。It is a whole circuit block diagram in the signal separation apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 図1に記載の信号分離装置の動作フローチャートである。2 is an operation flowchart of the signal separation device described in FIG. 1. 本発明の第3の実施形態に係る信号分離装置における全体回路構成図である。It is a whole circuit block diagram in the signal separation apparatus which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 図6に記載する粒子速度マイクロホンの配置構成図である。FIG. 7 is an arrangement configuration diagram of particle velocity microphones described in FIG. 6. 図6に記載の信号分離装置の動作フローチャートである。It is an operation | movement flowchart of the signal separation apparatus of FIG. 本発明の各実施形態の演算論理を説明するための混同過程・分離過程のブロック図である。It is a block diagram of a confusion process / separation process for demonstrating the arithmetic logic of each embodiment of this invention. 本発明の各実施形態における数値実験・音響実験に使用する音声波形図である。It is an audio | voice waveform diagram used for the numerical experiment and acoustic experiment in each embodiment of this invention. 本発明の各実施形態の2つの源信号のパワースペクトルである。It is a power spectrum of two source signals of each embodiment of the present invention. 本発明の各実施形態の源信号の時間勾配特性図である。It is a time gradient characteristic view of the source signal of each embodiment of the present invention. 本発明の各実施形態における観測信号の空間勾配図である。It is a space gradient figure of the observation signal in each embodiment of the present invention. 本発明の各実施形態における分離信号の特性図である。It is a characteristic view of the separation signal in each embodiment of the present invention. 本発明の各実施形態における分離信号の特性図である。It is a characteristic view of the separation signal in each embodiment of the present invention. 本発明の各実施形態における分離信号の特性図である。It is a characteristic view of the separation signal in each embodiment of the present invention. 本発明の音響実験に用いる空間積分マイクロホンのブロック図である。It is a block diagram of the spatial integration microphone used for the acoustic experiment of this invention. 本発明の音響実験の実験概略図である。It is an experiment schematic diagram of an acoustic experiment of the present invention. 本発明の音響実験における観測信号の空間勾配特性図である。It is a spatial gradient characteristic view of the observation signal in the acoustic experiment of the present invention. 本発明の音響実験における観測信号の空間勾配特性図である。It is a spatial gradient characteristic view of the observation signal in the acoustic experiment of the present invention. 本発明の音響実験における分離信号の波形図である。It is a wave form diagram of a separated signal in an acoustic experiment of the present invention. 本発明の音響実験における到来方向の特性図である。It is a characteristic view of the arrival direction in the acoustic experiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る信号分離装置の全体回路構成図である。It is a whole circuit block diagram of the signal separation apparatus which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 図23に示す無指向性マイクロホンにおける無指向性マイクロホンユニットを説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the omnidirectional microphone unit in the omnidirectional microphone shown in FIG. 図23に示す信号分離装置のうち第1の空間微分器と第1の積分器によるx軸及びy軸方向の指向特性を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the directivity characteristics of the x-axis direction by the 1st space differentiator and 1st integrator among the signal separation apparatuses shown in FIG. 23, and a y-axis direction. 図23に記載する無指向性マイクロホンの配置構成図である。FIG. 24 is an arrangement configuration diagram of the omnidirectional microphone described in FIG. 23. 図23に記載の信号分離装置の動作フローチャートである。It is an operation | movement flowchart of the signal separation apparatus of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 双方向性マイクロホン
10 粒子速度マイクロホン
11 x軸方向双方向性マイクロホン
12 y軸方向双方向性マイクロホン
11a、12a、111a、111b 指向性
2 空間微分器
21 x軸方向空間微分器
22 y軸方向空間微分器
3、30、103 行列演算回路
4、104 分離行列要素算出回路
5、105 方向・標準偏差算出回路
6、7 積分器
61 x軸時間積分器
62 y軸時間積分器
100 観測点
101 無指向性マイクロホン
101a、101b、101c、101d 無指向性マイクロホンユニット
102、102a 第1の空間微分器
107、107a 第1の積分器
108 平均演算器
109 第2の空間微分器
110 第2の積分器 201、202、203、204 音源
1(t)、P2(t)、P3(t)、P4(t) 源信号
fx(t)、fy(t) 音圧勾配信号
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Bidirectional microphone 10 Particle velocity microphone 11 X-axis direction bidirectional microphone 12 Y-axis direction bidirectional microphone 11a, 12a, 111a, 111b Directivity 2 Spatial differentiator 21 x-axis direction spatial differentiator 22 y-axis direction space Differentiator 3, 30, 103 Matrix operation circuit 4, 104 Separation matrix element calculation circuit 5, 105 Direction / standard deviation calculation circuit 6, 7 Integrator 61 X-axis time integrator 62 Y-axis time integrator 100 Observation point 101 Non-directional Directional microphones 101a, 101b, 101c, 101d omnidirectional microphone units 102, 102a first spatial differentiator 107, 107a first integrator 108 average calculator 109 second spatial differentiator 110 second integrator 201, 202, 203 and 204 source P 1 (t), P 2 (t), P 3 (t), P 4 (t) source signal x (t), fy (t) sound pressure gradient delivery No.

(本発明の第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態に係る信号分離装置を、図1ないし図3に基づいて説明する。この図1は本実施形態に係る信号分離装置の全体回路構成図、図2は図1に記載する双指向性マイクロホンの配置構成図、図3は図1に記載する信号分離装置の動作フローチャートを示す。
(First embodiment of the present invention)
Hereinafter, a signal separation device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 is an overall circuit configuration diagram of the signal separation device according to the present embodiment, FIG. 2 is an arrangement configuration diagram of the bidirectional microphone described in FIG. 1, and FIG. 3 is an operation flowchart of the signal separation device described in FIG. Show.

前記各図において本実施形態に係る信号分離装置は、均質な三次元空間中の異なる位置に存在する音源201、202からの源信号P1(t)、P2(t)を収音する双方向性マイクロホン1と、この双方向性マイクロホン1で収音した源信号P1(t)、P2(t)に関する音圧の勾配を求める空間微分器2と、この求められた音圧勾配信号fx(t)、fy(t)のベクトル量(音圧勾配)に混合行列の逆行列を乗算する行列演算回路3と、この行列演算値をブラインド信号分離で分離行列要素a'ijを推定して推定分離信号Pti(t);i=1,2を推定算出する分離行列要素算出回路4と、前記分離行列要素a'ijに基づいて音源201、202の到来方向θ1、θ2(x軸正方向とのなす角度)及び音源201、202の時間勾配の標準偏差σti、σtjを算出する方向・標準偏差算出回路5と、前記推定分離信号Pti(t)を時間積分として分離信号P 1(t)、P2(t)を演算する積分器6とを備える構成である。In each of the drawings, the signal separation device according to the present embodiment collects both the source signals P 1 (t) and P 2 (t) from the sound sources 201 and 202 existing at different positions in a homogeneous three-dimensional space. Directional microphone 1, spatial differentiator 2 for obtaining a sound pressure gradient related to source signals P 1 (t) and P 2 (t) collected by bidirectional microphone 1, and the obtained sound pressure gradient signal A matrix operation circuit 3 that multiplies the vector amount (sound pressure gradient) of fx (t) and fy (t) by the inverse matrix of the mixing matrix, and the matrix operation value is estimated by the blind signal separation to estimate the separation matrix element a′ij. The separation matrix element calculation circuit 4 for estimating and calculating the estimated separation signal Pti (t); i = 1, 2 and the arrival directions θ 1 and θ 2 (x of the sound sources 201 and 202 based on the separation matrix element a′ij) Direction to calculate the standard deviations σti and σtj of the time gradient of the sound sources 201 and 202) Quasi deviation calculating circuit 5, the estimated separation signal Pti (t) separated signal P 1 as the time integral (t), it is configured to include an integrator 6 that calculates the P 2 (t).

前記双方向性マイクロホン1は、観測点100近傍からx軸方向の音圧差分を計測するx軸方向双方向性マイクロホン11と、観測点100近傍からy軸方向の音圧差分を計測するy軸方向双方向性マイクロホン12とを備える構成である。このx軸方向双方向性マイクロホン11は、図2(A)、(B)に示すように観測点100におけるx軸方向の空間微分に用いられる指向性11aを有する。また、前記y軸方向双方向性マイクロホン12はx軸方向双方向性マイクロホン11と同様にy軸方向の空間微分用に用いられる指向性12aを有する。前記空間微分器2は、x軸方向の空間勾配(fx1−fx2)/△xを求めるx軸方向空間微分器21と、y軸方向の空間勾配(fy1−fy2)/△xを求めるy軸方向空間微分器22とを備える構成である。The bidirectional microphone 1 includes an x-axis bidirectional microphone 11 that measures a sound pressure difference in the x-axis direction from the vicinity of the observation point 100, and a y-axis that measures a sound pressure difference in the y-axis direction from the vicinity of the observation point 100. The directional bidirectional microphone 12 is provided. The x-axis direction bidirectional microphone 11 has directivity 11a used for spatial differentiation in the x-axis direction at the observation point 100 as shown in FIGS. The y-axis direction bidirectional microphone 12 has a directivity 12 a used for spatial differentiation in the y-axis direction, like the x-axis direction bidirectional microphone 11. The spatial differentiator 2 includes an x-axis direction spatial differentiator 21 for obtaining a spatial gradient (f x1 −f x2 ) / Δx in the x-axis direction and a spatial gradient (f y1 −f y2 ) / Δx in the y-axis direction. The y-axis direction spatial differentiator 22 is obtained.

次に、前記構成に基づく本実施形態に係る信号分離装置の分離処理動作について説明する。まず、均質な三次元空間中に配設された音源201、202からの源信号P1(t)、P2(t)を観測点100近傍のx軸方向双方向性マイクロホン11及びy軸方向双方向性マイクロホン12で収音する(ステップ1)。この収音された源信号P1(t)、P2(t)をx軸方向空間微分器21、y軸方向空間微分器22によりx軸、y軸各方向の空間微分による空間勾配fx、fyを演算し、この空間勾配fx、fyに基づいて行列演算回路3が空間勾配信号fx(t)、fy(t)のベクトル量(音圧勾配)に混合行列の逆行列を乗算する(ステップ2)。Next, the separation processing operation of the signal separation device according to the present embodiment based on the above configuration will be described. First, the source signals P 1 (t) and P 2 (t) from the sound sources 201 and 202 arranged in the homogeneous three-dimensional space are converted into the x-axis direction bidirectional microphone 11 and the y-axis direction near the observation point 100. Sound is picked up by the bidirectional microphone 12 (step 1). The collected source signals P1 (t) and P2 (t) are converted into spatial gradients fx and fy by the spatial differentiation in the x-axis and y-axis directions by the x-axis direction spatial differentiator 21 and the y-axis direction spatial differentiator 22, respectively. Based on the spatial gradients fx and fy, the matrix calculation circuit 3 multiplies the vector amount (sound pressure gradient) of the spatial gradient signals fx (t) and fy (t) by the inverse matrix of the mixing matrix (step 2). .

前記行列演算回路3は、前段の入力機器である双方向性マイクロホン1、空間微分器2及び行列演算回路3から信号の入力が有るか否かを判断し(ステップ3)、この信号の入力が有ると判断した場合にはブラインド信号分離で分離行列要素a'ijを推定し(ステップ4)、この推定した推定分離信号Pt1(t)、Pt2(t)を算出する(ステップ5)。The matrix calculation circuit 3 determines whether or not there is a signal input from the bidirectional microphone 1, the spatial differentiator 2, and the matrix calculation circuit 3 which are input devices in the previous stage (step 3). If it is determined that there is a separation matrix element a′ij by blind signal separation (step 4), the estimated separation signals P t1 (t) and P t2 (t) are calculated (step 5).

この分離行列要素a'ijに基づく推定分離信号Pt1(t)、Pt2(t)をx軸時間積分器61及びy軸時間積分器62が各々時間積分し、分離信号P1(t)、P2(t)を演算し(ステップ6)、この演算された分離信号P1(t)、P2(t)を図示を省略する表示装置等へ出力する(ステップ7)。The estimated separation signals P t1 (t) and P t2 (t) based on the separation matrix element a′ij are time-integrated by the x-axis time integrator 61 and the y-axis time integrator 62, respectively, and the separation signal P 1 (t) , P 2 (t) is calculated (step 6), and the calculated separated signals P 1 (t) and P 2 (t) are output to a display device (not shown) (step 7).

他方、前記ステップ4で推定算出された分離行列要素a'ijに基づいて方向・標準偏差算出回路5が源信号P1(t)、P2(t)の到来方向θ1、θ2及び音源201、202の時間勾配における標準編着σti、σtjを推定算出する(ステップ8)。この方向・標準偏差算出回路5で推定算出された観測点100における源信号P1(t)、P2(t)の到来方向θ1、θ2及び音源201、202の標準偏差σ1、σ2を前記表示装置等へ出力する(ステップ9)。On the other hand, based on the separation matrix element a′ij estimated and calculated in step 4, the direction / standard deviation calculation circuit 5 determines the arrival directions θ 1 and θ 2 of the source signals P 1 (t) and P 2 (t) and the sound source. The standard stitching σti and σtj in the time gradients 201 and 202 are estimated and calculated (step 8). The arrival directions θ 1 and θ 2 of the source signals P 1 (t) and P 2 (t) at the observation point 100 estimated by the direction / standard deviation calculating circuit 5 and the standard deviations σ 1 and σ of the sound sources 201 and 202 are calculated. 2 is output to the display device or the like (step 9).

このようにして本実施形態に係る信号分離装置は、時空間勾配解析に基づき、均質な空間中では、任意の観測点100における空間勾配が、音源201、202における時間勾配の線形混合で表現されるという事実を利用する。即ち、本実施形態の特徴は次のように集約される。ただ一つの観測点100及びその近傍における空間勾配を計測することにより、源信号P1(t)、P2(t)の時間勾配の瞬時混合和を取得することができる。そのため最も簡単な瞬時混合型ブラインド信号分離問題に帰着することができる。さらに、観測量がスカラー量(音圧)ではなく、ベクトル量(音圧の空間勾配)なので音源の到来方向を含めた源信号P1(t)、P2(t)の分離が可能である。本時空間勾配解析手法を採用することにより、観測点100間に生じる信号の到達時間差を考慮する必要がなく、観測信号の空間勾配を瞬時線形混合信号とみなすことができるため、最も簡単な瞬時線形混合に対する処理で分離信号P1(t)、P2(t)を推定することが可能となる。As described above, the signal separation device according to the present embodiment is based on the spatiotemporal gradient analysis, and in a homogeneous space, the spatial gradient at an arbitrary observation point 100 is expressed by a linear mixture of temporal gradients at the sound sources 201 and 202. Take advantage of the fact that That is, the features of this embodiment are summarized as follows. By measuring the spatial gradient at only one observation point 100 and in the vicinity thereof, the instantaneous mixed sum of the time gradients of the source signals P 1 (t) and P 2 (t) can be acquired. Therefore, the problem can be reduced to the simplest instantaneous mixed blind signal separation problem. Furthermore, since the observed quantity is not a scalar quantity (sound pressure) but a vector quantity (spatial gradient of sound pressure), the source signals P 1 (t) and P 2 (t) including the arrival direction of the sound source can be separated. . By adopting this spatiotemporal gradient analysis method, it is not necessary to consider the difference in arrival time of signals generated between the observation points 100, and the spatial gradient of the observation signal can be regarded as an instantaneous linear mixed signal. The separation signals P 1 (t) and P 2 (t) can be estimated by processing for linear mixing.

(本発明の第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係る信号分離装置を、図4及び図5に基づいて説明する。この図4は本実施形態に係る信号分離装置の全体回路構成図、図5は図4に記載する信号分離装置の動作フローチャートを示す。
(Second embodiment of the present invention)
Hereinafter, a signal separation device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 is an overall circuit configuration diagram of the signal separation device according to the present embodiment, and FIG. 5 is an operation flowchart of the signal separation device described in FIG.

前記各図において本実施形態に係る信号分離装置は、前記第1の実施形態と同様に双方向性マイクロホン1、空間微分器2、行列演算回路3、分離行列要素算出回路4及び方向・標準偏差算出回路5を共通して備え、この空間微分器2から出力される音圧勾配信号fx(t)、fy(t)を時間積分し、積分された音圧勾配信号fx(t)、fy(t)を行列演算回路3へ出力する積分器7(第1の実施形態における積分器6に相当)を備える構成である。   In each of the drawings, the signal separation apparatus according to the present embodiment is similar to the first embodiment in that the bidirectional microphone 1, the spatial differentiator 2, the matrix operation circuit 3, the separation matrix element calculation circuit 4, and the direction / standard deviation The calculation circuit 5 is provided in common, and the sound pressure gradient signals fx (t) and fy (t) output from the spatial differentiator 2 are time-integrated, and the integrated sound pressure gradient signals fx (t) and fy ( The configuration includes an integrator 7 (corresponding to the integrator 6 in the first embodiment) that outputs t) to the matrix operation circuit 3.

ここで、通常、観測地点100における観測信号にはノイズが重畳されており、空間微分器2が単純に空間勾配を引き算によって取得した場合には、ノイズが強調され、後段の行列演算回路3による演算に大きな誤差をもたらしてしまう場合がある。このため、このノイズを除去するために、フィルタを作用させる手段も考えられるが、フィルタの種類によっては、本システムが良好に動作するために必要な線形瞬時混合の条件を壊してしまう場合がある。   Here, normally, noise is superimposed on the observation signal at the observation point 100, and when the spatial differentiator 2 simply obtains the spatial gradient by subtraction, the noise is emphasized, and the matrix calculation circuit 3 in the subsequent stage is used. In some cases, a large error may be caused in the calculation. For this reason, in order to remove this noise, a means for applying a filter may be considered. However, depending on the type of filter, the condition of the linear instantaneous mixing necessary for the operation of this system may be broken. .

したがって、この第2の実施形態に係る信号分離装置おいては、積分器7を行列演算回路3の前段に配置することで、前述した不適切な作用をもたらすことなく、空間微分器2の後段における行列演算でのノイズの悪影響を減少させることができる。   Therefore, in the signal separation device according to the second embodiment, by disposing the integrator 7 in the preceding stage of the matrix operation circuit 3, the latter stage of the spatial differentiator 2 can be achieved without causing the above-described inappropriate action. The adverse effect of noise in the matrix operation can be reduced.

次に、前記構成に基づく本実施形態に係る信号分離装置の分離処理動作は、前記第1の実施形態とほぼ同様に処理されるものであるが、x軸方向空間微分器21、y軸方向空間微分器22によりx軸、y軸各方向の空間微分による空間勾配fx、fyが演算(ステップ11)された後に、この空間勾配fx、fyを積分器7により時間積分する(ステップ12)。   Next, the separation processing operation of the signal separation device according to the present embodiment based on the above configuration is processed in substantially the same manner as in the first embodiment, but the x-axis direction spatial differentiator 21 and the y-axis direction are processed. After calculating the spatial gradients fx and fy by the spatial differentiation in the x-axis and y-axis directions by the spatial differentiator 22 (step 11), the spatial gradients fx and fy are time-integrated by the integrator 7 (step 12).

この時間積分された空間勾配fx、fyの各空間勾配信号fx(t)、fy(t)が行列演算回路3により混合行列の逆行列を乗算される。以下、前記第1の実施形態と同様ステップ13ないしステップ18により分離信号P1(t)、P2(t)を出力すると共に観測点100における源信号P1(t)、P2(t)の到来方向θ1、θ2及び音源201、202の標準偏差σ1、σ2を前記表示装置等へ出力するThe spatial gradient signals fx (t) and fy (t) of the time-integrated spatial gradients fx and fy are multiplied by the inverse matrix of the mixing matrix by the matrix operation circuit 3. Thereafter, separation signals P 1 (t) and P 2 (t) are output in steps 13 to 18 as in the first embodiment, and source signals P 1 (t) and P 2 (t) at the observation point 100 are output. and outputs the arrival direction theta 1 of the standard deviation sigma 1 of theta 2 and the sound source 201 and 202, the sigma 2 to the display device or the like

(本発明の第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態に係る信号分離装置を、図6ないし図8に基づいて説明する。この図6は本実施形態に係る信号分離装置の全体回路構成図、図7は図6に記載する粒子速度マイクロホンの配置構成図、図8は図6に記載する信号分離装置の動作フローチャートを示す。
(Third embodiment of the present invention)
A signal separation device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 is an overall circuit configuration diagram of the signal separation device according to the present embodiment, FIG. 7 is an arrangement configuration diagram of the particle velocity microphone described in FIG. 6, and FIG. 8 is an operation flowchart of the signal separation device described in FIG. .

前記各図において本実施形態に係る信号分離装置は、前記第1の実施形態と同様に行列演算回路30(第1の実施形態における行列演算回路3に相当)、分離行列要素算出回路4及び方向・標準偏差算出回路5を共通して備え、音源201、202からの源信号P1(t)、P2(t)を粒子速度Vx、Vyとして計測する粒子速度マイクロホン10を備え、この粒子速度マイクロホン10で計測された粒子速度信号Vx(t)、Vy(t)を前記行列演算回路30へ出力する構成である。In each of the drawings, the signal separation device according to the present embodiment is similar to the first embodiment in that the matrix operation circuit 30 (corresponding to the matrix operation circuit 3 in the first embodiment), the separation matrix element calculation circuit 4 and the direction A standard deviation calculation circuit 5 is provided in common, and a particle velocity microphone 10 that measures source signals P 1 (t) and P 2 (t) from the sound sources 201 and 202 as particle velocities Vx and Vy is provided. In this configuration, the particle velocity signals Vx (t) and Vy (t) measured by the microphone 10 are output to the matrix operation circuit 30.

次に、前記構成に基づく本実施形態に係る信号分離装置分離処理動作はまず、音源201、202からの源信号P1(t)、P2(t)が粒子速度マイクロホン10により粒子速度Vx、Vyとして計測される(ステップ20)。この粒子速度マイクロホン10からなる入力機器からの粒子速度Vx、Vyに基づく粒子速度信号Vx(t)、Vy(t)が出力されたか否かを判断する(ステップ21)。Next, in the signal separation device separation processing operation according to the present embodiment based on the above configuration, first, the source signals P 1 (t) and P 2 (t) from the sound sources 201 and 202 are converted into the particle velocity Vx, It is measured as Vy (step 20). It is determined whether or not particle velocity signals Vx (t) and Vy (t) based on the particle velocities Vx and Vy from the input device including the particle velocity microphone 10 are output (step 21).

このステップ21において粒子速度信号Vx(t)、Vy(t)が出力されていると判断された場合には、以降の粒子速度信号Vx(t)、Vy(t)が行列演算回路30により混合行列の逆行列を乗算される。以下、前記第2の実施形態と同様にステップ22ないしステップ26により分離信号P1(t)、P2(t)を出力すると共に、観測点100における源信号P1(t)、P2(t)の到来方向θ1、θ2及び音源201、202の標準偏差σ1、σ2を前記表示装置等へ出力する。If it is determined in step 21 that the particle velocity signals Vx (t) and Vy (t) are output, the subsequent particle velocity signals Vx (t) and Vy (t) are mixed by the matrix operation circuit 30. Multiply by matrix inverse. Thereafter, as in the second embodiment, the separation signals P 1 (t) and P 2 (t) are output in steps 22 through 26 and the source signals P 1 (t) and P 2 ( The arrival directions θ 1 and θ 2 of t) and the standard deviations σ 1 and σ 2 of the sound sources 201 and 202 are output to the display device or the like.

(本発明の各実施形態の演算論理)
以下、前記各実施形態の演算論理を図9に基づき前記第1の実施形態の図2を参照して説明する。
前記図2及び図9において本発明の各実施形態に係る信号分離装置は、波動方程式により、観測点100における空間勾配が源信号の時間勾配の線形結合で表現される。この波動場の時空間勾配法においては、音源201、音源202を含んでいない遠方場で、音圧は次の波動方程式を満たす。
(Operational logic of each embodiment of the present invention)
The arithmetic logic of each embodiment will be described below with reference to FIG. 2 of the first embodiment based on FIG.
2 and 9, in the signal separation device according to each embodiment of the present invention, the spatial gradient at the observation point 100 is expressed by a linear combination of the time gradients of the source signal by the wave equation. In the spatiotemporal gradient method of the wave field, the sound pressure satisfies the following wave equation in a far field that does not include the sound source 201 and the sound source 202.

Figure 2006132249
ここでcは位相速度ベクトルである。式(1)は逆向きに進行する2つの波面の存在を示している。ここでは片方の波面に着目し次の移流方程式に注目する。
Figure 2006132249
Here, c is a phase velocity vector. Equation (1) shows the existence of two wavefronts traveling in opposite directions. Here, we focus on one wavefront and focus on the following advection equation.

Figure 2006132249
この方程式は、観測点100における音圧の時間勾配と空間勾配の線形関係を示している。均質な空間を仮定すると、ある観測点での音圧の時間勾配は、各音源201、202における伝播遅延時間過去の音圧の時間勾配値の総和で表される。本発明は式(2)で示される移流型の方程式を満たす波動場において、時間勾配と空間勾配の線形関係を利用する時空間勾配法をブラインド信号分離問題に適用させる。
Figure 2006132249
This equation shows a linear relationship between the time gradient of sound pressure at the observation point 100 and the spatial gradient. Assuming a homogeneous space, the time gradient of the sound pressure at a certain observation point is represented by the sum of the time gradient values of the sound pressures past the propagation delay times in the sound sources 201 and 202. The present invention applies a spatiotemporal gradient method using a linear relationship between a temporal gradient and a spatial gradient to a blind signal separation problem in a wave field satisfying an advection type equation represented by equation (2).

次に、波面の重畳と瞬時混合については、簡単のため同一平面上を進行する2つの独立な平面波を仮定する。任意の点における音圧は次式で与えられる。   Next, for wavefront superposition and instantaneous mixing, for the sake of simplicity, two independent plane waves traveling on the same plane are assumed. The sound pressure at any point is given by:

Figure 2006132249
ここでcは音速、θ1、θ2は各波面の到来方向を示す。関数P1(t)、P2(t)は帯域幅ωの信号の音圧であり、次式で定義する。
Figure 2006132249
Here, c represents the speed of sound, and θ 1 and θ 2 represent the arrival directions of the wavefronts. The functions P 1 (t) and P 2 (t) are the sound pressures of the signal of the bandwidth ω and are defined by the following equations.

Figure 2006132249
任意の点で得られる情報は観測信号f(x,y,t)のみであり、元の信号や音源の到来方向は未知である。このような観測信号から源信号P1(t)、P2(t)を推定するために、時空間勾配法を適用し、観測信号の空間勾配を源信号P1(t)、P2(t)の時間勾配の線形混合信号として表現する。原点0(観測点100)における時間勾配は次式で得られる。
Figure 2006132249
Information obtained at an arbitrary point is only the observation signal f (x, y, t), and the arrival direction of the original signal and the sound source is unknown. In order to estimate the source signals P 1 (t) and P 2 (t) from such observed signals, the spatiotemporal gradient method is applied, and the spatial gradient of the observed signals is determined as the source signals P 1 (t) and P 2 ( Expressed as a linear mixed signal with a time gradient of t). The time gradient at the origin 0 (observation point 100) is obtained by the following equation.

Figure 2006132249
ここでPti(t)、Pi(t)の時間勾配である。
Figure 2006132249
Here, it is a time gradient of P ti (t) and P i (t).

Figure 2006132249
式(5)を用いると、f(x,y,t)の音圧勾配は次のように導出される。
Figure 2006132249
Using equation (5), the sound pressure gradient of f (x, y, t) is derived as follows.

Figure 2006132249
Figure 2006132249

Figure 2006132249
すなわちf(x,y,t)の空間勾配はPt1(t)、Pt2(t)を源信号とした場合の瞬時線形混合信号として表される。
Figure 2006132249
That is, the spatial gradient of f (x, y, t) is expressed as an instantaneous linear mixed signal when P t1 (t) and P t2 (t) are used as source signals.

Figure 2006132249
ここで行列Aを混合行列として、次式で定義する。
Figure 2006132249
Here, the matrix A is defined as a mixing matrix by the following equation.

Figure 2006132249
また、信号の分離と音源方向の推定については、瞬時線形混合型ブラインド信号分離問題の概略を図9(A)、(B)に示す。(A)は混合過程を示し、(B)は分離過程を示す。(B)に示されるように、分離過程は観測された2信号をWで無相関化する白色化過程とR(η)で独立した成分に分離する回転過程から構成される。白色化後、分離行列を求めるため、分離信号Pt1(t)、Pt2(t)と観測信号の音圧勾配は次の関係式を満たす。
Figure 2006132249
As for signal separation and sound source direction estimation, an outline of the instantaneous linear mixed blind signal separation problem is shown in FIGS. (A) shows the mixing process, and (B) shows the separation process. As shown in (B), the separation process is composed of a whitening process in which two observed signals are decorrelated with W and a rotation process in which R (η) is separated into independent components. In order to obtain a separation matrix after whitening, the separation signals P t1 (t) and P t2 (t) and the sound pressure gradient of the observation signal satisfy the following relational expression.

Figure 2006132249
ここで分離行列を
Figure 2006132249
Where the separation matrix

Figure 2006132249
とおく。R(η)とWは後述するブラインド信号分離のアルゴリズムによって決定されるが、混合行列の逆行列A-1を用いて次式でも表わすことができる。
Figure 2006132249
far. R (η) and W are determined by the blind signal separation algorithm described later, but can also be expressed by the following equation using the inverse matrix A −1 of the mixing matrix.

Figure 2006132249
ここでσt1とσt2はそれぞれ観測点Pt1(t)、Pt2(t)におけるの標準偏差である。式(13)においてA′の要素とA-1の各要素を比較することで、式(14)、(15)の推定式を得る。
Figure 2006132249
Here, σ t1 and σ t2 are standard deviations at the observation points P t1 (t) and P t2 (t), respectively. By comparing the element of A ′ and each element of A −1 in Expression (13), the estimation expressions of Expressions (14) and (15) are obtained.

Figure 2006132249
Figure 2006132249

Figure 2006132249
このとき分離信号と各パラメータPti(t)、θi、σti、i=1、2は次の2通りのどちらかで推定される。
Figure 2006132249
At this time, the separated signal and the parameters P ti (t), θ i , σ ti , i = 1, 2 are estimated in one of the following two ways.

Figure 2006132249
Figure 2006132249

Figure 2006132249
すなわち分離信号を推定するのと同時に、個々の音源の到来方向、標準偏差も推定することができる。
Figure 2006132249
That is, the arrival direction and standard deviation of each sound source can be estimated simultaneously with the estimation of the separated signal.

さらに、瞬時混合に対するブラインド信号分離については、観測信号の音圧勾配は行列Wによって白色化され、行列R(η)によって出力信号が互いに独立になるように回転変換させることにより、分離信号を推定する。白色化については、次式で求めることができる。   Furthermore, for blind signal separation for instantaneous mixing, the sound pressure gradient of the observed signal is whitened by the matrix W, and the separated signal is estimated by rotationally transforming the output signals so that they are independent of each other by the matrix R (η). To do. About whitening, it can obtain | require by following Formula.

Figure 2006132249
Figure 2006132249

Figure 2006132249
回転変換については、次式で求めることができる。
Figure 2006132249
About rotation conversion, it can obtain | require by following Formula.

Figure 2006132249
ここでηは分離パラメータであり、単位は度(°)である。最適なηを推定するために次式の評価関数を導入する。
Figure 2006132249
Here, η is a separation parameter, and the unit is degree (°). In order to estimate the optimum η, the following evaluation function is introduced.

Figure 2006132249
ここで関数H4(・)は4次のHermite多項式である。
Figure 2006132249
Here, the function H 4 (•) is a fourth-order Hermite polynomial.

Figure 2006132249
勾配法を適用したηを逐次的に推定する式は次式となる。
Figure 2006132249
An equation for sequentially estimating η to which the gradient method is applied is as follows.

Figure 2006132249
ここでμは適当な定数である。
Figure 2006132249
Here, μ is an appropriate constant.

(本発明における数値実験)
本発明における数値実験により、ブラインド信号分離を用いた音源方向の推定をする。図10に示す音声波形は数値実験、音響実験で使用する源信号である。源信号P1(t)、P2(t)として10秒間の異なる2人の女性の音声信号を用いる。表1には源信号の各規格を示す。これら2つの源信号のパワースペクトルを示した図11をみると、それぞれが同様の帯域(200〜350Hz付近)に主に成分を持っていることがわかる。本発明ではフーリエ級数展開に基づいて作成した源信号の時間勾配により構成される観測信号の空間勾配に対してブラインド信号分離を適用する。本発明で用いたブラインド信号分離では白色化過程で用いられるモーメントを安定させるため、分離行列の推定はモーメント算出開始から1秒後に開始する。また推定した分離信号を時間積分して源信号を求めるため、次式を採用する。
(Numerical experiment in the present invention)
Through the numerical experiment in the present invention, the direction of the sound source is estimated using blind signal separation. The speech waveform shown in FIG. 10 is a source signal used in numerical experiments and acoustic experiments. The audio signals of two different women for 10 seconds are used as the source signals P 1 (t) and P 2 (t). Table 1 shows the standards of the source signal. Looking at FIG. 11 showing the power spectra of these two source signals, it can be seen that each has a component mainly in the same band (around 200 to 350 Hz). In the present invention, blind signal separation is applied to the spatial gradient of the observation signal formed by the time gradient of the source signal created based on the Fourier series expansion. In the blind signal separation used in the present invention, in order to stabilize the moment used in the whitening process, the estimation of the separation matrix starts one second after the moment calculation starts. Further, in order to obtain the source signal by time-integrating the estimated separated signal, the following equation is adopted.

Figure 2006132249
Figure 2006132249

Figure 2006132249
表2に数値実験の設定値を示す。
Figure 2006132249
Table 2 shows the setting values for the numerical experiment.

Figure 2006132249
これは以降に示す音響実験と同様の設定にしている。源信号の時間勾配を図12に、観測信号の空間勾配fx(t)、fy(t)を図13に、分離信号Pt1(t)、Pt2(t)とそれらの時間積分、逐次的に推定したθ1、θ2を図14、図15、図16にそれぞれ示す。数値実験の初期値として分離パラメータの初期値数η(t0)=0°、t0=1sec、収束係数μ=0.001を与えている。図14より、推定開始直後は波形が乱れているが、t=2secには元の波形はほぼ復元されている。このとき推定した分離行列R(η)Wを次式に示す。
Figure 2006132249
This is the same setting as the acoustic experiment described below. FIG. 12 shows the time gradient of the source signal, FIG. 13 shows the spatial gradients fx (t) and fy (t) of the observed signal, separation signals P t1 (t) and P t2 (t) and their time integration, The estimated θ 1 and θ 2 are shown in FIGS. 14, 15, and 16, respectively. As initial values of the numerical experiment, an initial number of separation parameters η (t 0 ) = 0 °, t 0 = 1 sec, and a convergence coefficient μ = 0.001 are given. From FIG. 14, the waveform is disturbed immediately after the start of estimation, but the original waveform is almost restored at t = 2 sec. The separation matrix R (η) W estimated at this time is shown in the following equation.

Figure 2006132249
音源の到来方向を推定した図16(A)では、t=2secにはθ1、θ2は徐々に安定し始め、t=3sec以降は収束している。その後源信号Pt1、Pt2の振幅が同時に急激な変化をしているため、t=7sec付近に多少乱れが生じているが、再び真値付近に収束している。また最終的に推定された音源の到来方向はθ1=60.8°、θ2=120.1°であった。標準偏差はσ1=11535.9、σ2=11835.2であり、表1の真値とほぼ一致する。次に分離パラメータの初期値η(t0)=270°を与えた場合、分離行列R(η)Wは次式となった。
Figure 2006132249
In FIG. 16A in which the arrival direction of the sound source is estimated, θ 1 and θ 2 begin to stabilize gradually at t = 2 sec, and converge after t = 3 sec. After that, since the amplitudes of the source signals P t1 and P t2 change rapidly at the same time, some disturbance is generated in the vicinity of t = 7 sec, but it converges again in the vicinity of the true value. The finally estimated direction of arrival of the sound source was θ 1 = 60.8 ° and θ 2 = 120.1 °. The standard deviations are σ 1 = 11535.9 and σ 2 = 11835.2, which are almost the same as the true values in Table 1. Next, when the initial value η (t 0 ) = 270 ° of the separation parameter is given, the separation matrix R (η) W is expressed by the following equation.

Figure 2006132249
図16(B)には推定した音源の方向を示す。このとき最終的に推定された音源の方向はθ1=120.1°、θ2=60.8°標準偏差はσ1=11835.2、θ2=11535.9であった。初期値η(t0)=0°の場合、分離信号は式(16)のように推定されるが、初期値η(t0)=270°をとると、ブラインド信号分離で得られる分離行列の成分が変化し、全ての推定値が式(17)のように逆に推定された。このように本手法ではブラインド信号分離によって分離行列がどのように推定されたとしても、出力される分離信号と推定されたそれらの音源201、202の到来方向、標準偏差を適宜に推定できることが確認された。
Figure 2006132249
FIG. 16B shows the estimated direction of the sound source. At this time, the direction of the sound source finally estimated was θ 1 = 120.1 °, θ 2 = 60.8 °, and the standard deviation was σ 1 = 11835.2 and θ 2 = 11535.9. When the initial value η (t 0 ) = 0 °, the separation signal is estimated as shown in Equation (16), but when the initial value η (t 0 ) = 270 °, the separation matrix obtained by blind signal separation is obtained. The components of were changed, and all estimated values were estimated in reverse as shown in equation (17). As described above, in this method, it is confirmed that no matter how the separation matrix is estimated by the blind signal separation, it is possible to appropriately estimate the arrival directions and standard deviations of the sound sources 201 and 202 estimated as the separation signals to be output. It was done.

相互情報量については、混合前後または分離処理前後の信号間の統計的独立性を確かめるために、相互情報量   For mutual information, in order to confirm the statistical independence between signals before and after mixing or separation processing, mutual information

Figure 2006132249
を算出する。相互情報量は常に正であり,Z1とZ2が互いに独立のとき0になる。ここでp(Z1)、p(Z2)は周辺確率密度関数、p(Z1,Z2)は結合確率密度関数を表わす。各信号の振幅値を+側と−側それぞれ64諧調ずつと0を含む129諧調に量子化したものから確率密度関数を求め、相互情報量を算出した。相互情報量は分離信号が安定して得られているt=2〜10secの区間のものをそれぞれ求めている。各信号間の相互情報量を示した表3をみると、源信号間の相互情報量I(P1(t)、P2(t))は0.048bitであり、分離によってこの値を下回ることはない限界の値を意味する。表3より、相互情報量における観測信号の空間勾配からのそれぞれの距離の比:
Figure 2006132249
Is calculated. The mutual information amount is always positive and becomes 0 when Z 1 and Z 2 are independent of each other. Here, p (Z 1 ) and p (Z 2 ) represent a marginal probability density function, and p (Z 1 , Z 2 ) represents a joint probability density function. A probability density function was obtained from the quantized amplitude value of each signal in 129 gradations including 0 and 64 gradations in each of the + side and the − side, and a mutual information amount was calculated. The mutual information is obtained for each interval of t = 2 to 10 sec where the separated signal is stably obtained. Looking at Table 3 showing the mutual information amount between the signals, the mutual information amount I (P 1 (t), P 2 (t)) between the source signals is 0.048 bits, which is lower than this value due to separation. It means no limit value. From Table 3, the ratio of each distance from the spatial gradient of the observed signal in mutual information:

Figure 2006132249
を比較するとd〜−99.0%となり、得られた分離信号は分離処理によってほぼ統計的独立になったと考えられる。
Figure 2006132249
Are d to -99.0%, and it is considered that the obtained separated signal is almost statistically independent by the separation process.

Figure 2006132249
(本発明における音響実験)
本発明における音響実験において、本発明における空間微分マイクロホンを用いて観測信号の空間微分を実現するために、観測点100を中心としてx軸、y軸各方向に所定間隔離反させて2対を配設させて形成されるマイクロホンを導入する。空間微分マイクロホン本体中央の点(0,0)で得られる観測信号をf(0,0,t)とすると、その前後左右に位置するマイクロホンで得られるf1(x、y、t)〜f4(x、y、t)はそれぞれ次のように表わされる。
Figure 2006132249
(Acoustic experiment in the present invention)
In the acoustic experiment according to the present invention, in order to realize the spatial differentiation of the observation signal using the spatial differential microphone according to the present invention, two pairs are arranged with a predetermined separation in the x-axis and y-axis directions around the observation point 100. Introducing a microphone formed. If the observation signal obtained at the center point (0, 0) of the spatial differential microphone main body is f (0, 0, t), f 1 (x, y, t) to f obtained by microphones positioned on the front, back, left and right of the observation signal. 4 (x, y, t) is expressed as follows.

Figure 2006132249
Figure 2006132249

Figure 2006132249
Figure 2006132249

Figure 2006132249
Figure 2006132249

Figure 2006132249
これらの関係式より差分法を用いた観測信号のx,y方向の空間微分は、
Figure 2006132249
From these relational expressions, the spatial differentiation in the x and y directions of the observed signal using the difference method is

Figure 2006132249
Figure 2006132249

Figure 2006132249
で表される。ここで△はマイクロホン間の距離であり、対象の信号の波長はこの距離よりも十分に長いものとする。製作した図17のマイクロホンにおいて、△は18mmである。
Figure 2006132249
It is represented by Here, Δ is the distance between the microphones, and the wavelength of the signal of interest is sufficiently longer than this distance. In the manufactured microphone of FIG. 17, Δ is 18 mm.

時間積分によるノイズの低減については、実環境中で観測された信号は反射の影響により、精度の良い分離処理や音源の到来方向、標準偏差の推定を行うことができない。そこで分離信号に対して行っていた時間積分を観測信号の空間勾配に対して行う。すなわち次式の処理で分離信号を得る。   Regarding noise reduction by time integration, signals observed in a real environment cannot be subjected to accurate separation processing, sound source arrival direction, and standard deviation estimation due to the influence of reflection. Therefore, the time integration performed for the separated signal is performed for the spatial gradient of the observed signal. That is, a separated signal is obtained by the following processing.

Figure 2006132249
ここで忘却係数はα=e-t/γ〜−0.9991であり、時定数γは25msに設定している。このときの分離過程を図17に示す。
Figure 2006132249
Here, the forgetting factor is α = e Δt / γ˜−0.99991, and the time constant γ is set to 25 ms. The separation process at this time is shown in FIG.

実環境中での信号分離と音源方向の推定については、2つのスピーカーと空間微分マイクロホンを用いて信号分離の実験を行った。実験の概略図を図18に示す。右側のスピーカーから音声信号P1(t)、左側のスピーカーからはP2(t)を同時に再生し、空間微分マイクロホンを用いて録音を行った。ただし本システムでは4音声を同時録音できないので、マイクf1〜f4の位置でそれぞれ録音し、同時刻に記録された音声信号に対して分離処理を行っている。観測信号の音圧勾配fx(t)、fy(t)とそれらの時間積分値を図19、図20に、分離信号P1(t)、P2(t)を図21に推定したθ1、θ2を図22にそれぞれ示す。実験の初期値として分離パラメータの初期値η(t0)=270°、t0=1sec、収束係数μ=0.0001を与えている。このときブラインド信号分離で推定した分離行列を次式に示す。For signal separation and estimation of sound source direction in a real environment, we conducted signal separation experiments using two speakers and a spatial differential microphone. A schematic diagram of the experiment is shown in FIG. The audio signal P 1 (t) was simultaneously reproduced from the right speaker, and P 2 (t) was simultaneously reproduced from the left speaker, and recording was performed using a spatial differential microphone. However, since four voices cannot be recorded simultaneously in this system, recording is performed at the positions of the microphones f 1 to f 4 , and separation processing is performed on the voice signals recorded at the same time. The sound pressure gradients fx (t) and fy (t) of the observation signal and their time integration values are estimated in FIGS. 19 and 20, and the separated signals P 1 (t) and P 2 (t) are estimated in θ 1 in FIG. , Θ 2 are shown in FIG. As initial values of the experiment, initial values of separation parameters η (t 0 ) = 270 °, t 0 = 1 sec, and a convergence coefficient μ = 0.0001 are given. The separation matrix estimated by blind signal separation at this time is shown in the following equation.

Figure 2006132249
推定した音源の到来方向θ1、θ2はともにt=1.5secには安定し、t=3sec以降にはほぼ真値付近に収束しており、精度良く推定されている。このとき最終的に推定された音源の到来方向はθ1=63.4°、θ2=126.4°であった。標準偏差はσt1=3459.2、σt2=3483.3であり、σt1:σt2はほぼ1:1でとなるので、表1の真値の比と一致する。また分離信号を音声に変換して聞いてみると、多少相手側の音声が重畳しているが、所望の信号は強調されていた。表3,4より、この実験の相互情報量も式(28)を用いると、d〜−85.3%とすることができた。
Figure 2006132249
The estimated directions of arrival θ 1 and θ 2 of the sound source are both stable at t = 1.5 sec, converged to near the true value after t = 3 sec, and are estimated with high accuracy. At this time, the direction of arrival of the sound source finally estimated was θ 1 = 63.4 ° and θ 2 = 126.4 °. The standard deviations are σ t1 = 3459.2 and σ t2 = 3483.3, and σ t1 : σ t2 is almost 1: 1, which is consistent with the true value ratio in Table 1. Also, when the separated signal was converted into sound and heard, the other party's sound was somewhat superimposed, but the desired signal was emphasized. From Tables 3 and 4, the mutual information amount of this experiment was also d to −85.3% when the equation (28) was used.

Figure 2006132249
(本発明の第4の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態に係る信号分離装置を、図23ないし図27に基づいて説明する。この図23は本実施形態に係る信号分離装置の全体回路構成図、図24は図23に示す無指向性マイクロホンにおける無指向性マイクロホンユニットを説明するための説明図、図25は図23に示す信号分離装置のうち第1の空間微分器と第1の積分器によるx軸及びy軸方向の指向特性を説明するための説明図、図26は図23に記載する無指向性マイクロホンの配置構成図、図27は図23に記載する信号分離装置の動作フローチャートを示す。
Figure 2006132249
(Fourth embodiment of the present invention)
Hereinafter, a signal separation device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 23 is an overall circuit configuration diagram of the signal separation device according to the present embodiment, FIG. 24 is an explanatory diagram for explaining an omnidirectional microphone unit in the omnidirectional microphone shown in FIG. 23, and FIG. 25 is shown in FIG. FIG. 26 is an explanatory diagram for explaining the directivity characteristics in the x-axis and y-axis directions by the first spatial differentiator and the first integrator in the signal separator, and FIG. 26 is an arrangement configuration of the omnidirectional microphone shown in FIG. FIGS. 27A and 27B show an operation flowchart of the signal separation device shown in FIG.

前記各図において本実施形態に係る信号分離装置は、前記第2の実施形態と同様に、行列演算回路103(第2の実施形態における行列演算回路3に相当)、分離行列要素算出回路104(第2の実施形態における分離行列要素算出回路4に相当)及び方向・標準偏差算出回路105(第2の実施形態5における方向・標準偏差算出回路5に相当)を共通して備え、均質な二次元平面中の異なる位置に存在する音源201、202、203、204からの源信号P1(t)、P2(t)、P3(t)、P4(t)を収音する無指向性マイクロホン101と、この無指向性マイクロホン101で収音した源信号P1(t)、P2(t)、P3(t)、P4(t)に関する音圧の勾配を求める第1の空間微分器102と、この第1の空間微分器102から出力される音圧勾配信号fx1(t)、fx2(t)、fx3(t)、fx4(t)、fy1(t)、fy2(t)、fy3(t)、fy4(t)を時間積分し、得られた時間積分信号vx1(t)、vx2(t)、vx3(t)、vx4(t)、vy1(t)、vy2(t)、vy3(t)、vy4(t)のうち、vx1(t)、vx4(t)、vy1(t)、vy4(t)を平均演算器108に、vx1(t)、vx2(t)、vx3(t)、vx4(t)、vy1(t)、vy2(t)、vy3(t)、vy4(t)を第2の空間微分器109に、それぞれ出力する第1の積分器107と、第1の積分器107から出力される時間積分信号vx1(t)、vx4(t)、vy1(t)、
y4(t)のうち、vx1(t)とvx4(t)との平均をvx(t)と、vy1(t)とvy4(t)との平均をvy(t)として、前記行列演算回路103に出力する平均演算器108と、第1の積分器107から出力される時間積分信号vx1(t)、vx2(t)、vx3(t)、vx4(t)、vy1(t)、vy2(t)、vy3(t)、vy4(t)のうち、vx2(t)とvx3(t)、vx1(t)とvx4(t)、vy2(t)とvy3(t)、vy1(t)とvy4(t)をそれぞれ入力し、音圧の空間勾配の勾配を求める第2の空間微分器109と、第2の空間微分器109から出力される勾配信号を時間積分し、得られた時間積分信号uxx(t)、uyy(t)、uxy(t)、uyx(t)を前記行列演算回路103に出力する第2の積分器110とを備える構成である。
なお、図23においては、行列演算回路103と分離行列要素算出回路104とを1つのブロックとして示している。
In each of the drawings, the signal separation device according to the present embodiment is similar to the second embodiment in that the matrix operation circuit 103 (corresponding to the matrix operation circuit 3 in the second embodiment), the separation matrix element calculation circuit 104 ( 2) and a direction / standard deviation calculation circuit 105 (corresponding to the direction / standard deviation calculation circuit 5 in the second embodiment). Non-directional to pick up the source signals P 1 (t), P 2 (t), P 3 (t), P 4 (t) from the sound sources 201, 202, 203, 204 existing at different positions in the dimension plane Directional microphone 101 and a first sound pressure gradient relating to source signals P 1 (t), P 2 (t), P 3 (t), and P 4 (t) collected by this omnidirectional microphone 101 Spatial differentiator 102 and the sound pressure gradient signal f output from the first spatial differentiator 102 1 (t), fx 2 ( t), fx 3 (t), fx 4 (t), fy 1 (t), fy 2 (t), fy 3 (t), integrating fy 4 a (t) time The obtained time integration signals v x1 (t), v x2 (t), v x3 (t), v x4 (t), v y1 (t), v y2 (t), v y3 (t), v Of y4 (t), v x1 (t), v x4 (t), v y1 (t), and v y4 (t) are input to the average calculator 108, and v x1 (t), v x2 (t), v The first outputs x3 (t), vx4 (t), vy1 (t), vy2 (t), vy3 (t), and vy4 (t) to the second spatial differentiator 109, respectively. Integrator 107 and time integration signals v x1 (t), v x4 (t), v y1 (t) output from the first integrator 107,
v y4 of (t), v x1 (t) and v x4 the average of (t) and v x (t), v y1 (t) and v y4 (t) an average of the v y (t) And the time integration signals v x1 (t), v x2 (t), v x3 (t), v x4 (v x1 (t) output from the average calculator 108 output to the matrix calculation circuit 103 and the first integrator 107. t), v y1 (t), v y2 (t), v y3 (t), v y4 (t), v x2 (t) and v x3 (t), v x1 (t) and v x4 ( t), v y2 (t) and v y3 (t), v y1 (t) and v y4 (t), respectively, and a second spatial differentiator 109 for obtaining the spatial gradient of the sound pressure; The gradient signal output from the second spatial differentiator 109 is time-integrated, and the obtained time integration signals u xx (t), u yy (t), u xy (t), and u yx (t) are subjected to the matrix operation. The configuration includes a second integrator 110 that outputs to the circuit 103.
In FIG. 23, the matrix operation circuit 103 and the separation matrix element calculation circuit 104 are shown as one block.

また、平均演算器108は、f5(原点O)におけるx方向の音圧の勾配を求めるにあたり、対象性をよくするために、f2とf3との傾き((f3−f2)/Δx)及びf7とf8との傾き((f8−f7)/Δx)の平均をとっている。同様に、f5(原点O)におけるy方向の音圧の勾配を求めるにあたり、対象性をよくするために、f3とf8との傾き((f3−f8)/Δy)及びf2とf7との傾き((f2−f7)/Δy)の平均をとっている。Further, the average calculator 108 determines the gradient of f 2 and f 3 ((f 3 −f 2 ) in order to improve the objectivity when obtaining the gradient of the sound pressure in the x direction at f 5 (origin O). / Δx) and the slope of f 7 and f 8 ((f 8 −f 7 ) / Δx). Similarly, in obtaining the gradient of the sound pressure in the y direction at f 5 (origin O), in order to improve the objectivity, the gradient ((f 3 −f 8 ) / Δy) between f 3 and f 8 and f The average of the slopes of 2 and f 7 ((f 2 −f 7 ) / Δy) is taken.

また、第2の空間微分器109は、x方向の音圧の勾配((f5−f4)/Δx−(f6−f5)/Δx)のx方向の勾配(((f5−f4)/Δx−(f6−f5)/Δx)/Δx)、y方向の音圧の勾配((f1−f5)/Δy−(f5−f9)/Δy)のy方向の勾配(((f1−f5)/Δy−(f5−f9)/Δy)/Δy)、x方向の音圧の勾配((f3−f2)/Δx−(f8−f7)/Δx)のy方向の勾配(((f3−f2)/Δx−(f8−f7)/Δx)/Δy)、y方向の音圧の勾配((f3−f8)/Δy−(f2−f7)/Δy)のx方向の勾配(((f3−f8)/Δy−(f2−f7)/Δy)/Δx)をそれぞれ求めている。The second spatial differentiator 109, the gradient in the x direction of the sound pressure ((f 5 -f 4) / Δx- (f 6 -f 5) / Δx) of the x direction of the gradient (((f 5 - f 4 ) / Δx− (f 6 −f 5 ) / Δx) / Δx), y of the sound pressure gradient in the y direction ((f 1 −f 5 ) / Δy− (f 5 −f 9 ) / Δy) Direction gradient (((f 1 −f 5 ) / Δy− (f 5 −f 9 ) / Δy) / Δy), sound pressure gradient in the x direction ((f 3 −f 2 ) / Δx− (f 8 −f 7 ) / Δx) in the y direction (((f 3 −f 2 ) / Δx− (f 8 −f 7 ) / Δx) / Δy), the y direction sound pressure gradient ((f 3 − f 8 ) / Δy− (f 2 −f 7 ) / Δy) in the x-direction gradient (((f 3 −f 8 ) / Δy− (f 2 −f 7 ) / Δy) / Δx) Yes.

さらに、vx(t)はx方向の粒子速度、vy(t)はy方向の粒子速度をそれぞれ示しており、行列演算回路103に出力することで、信号分離装置が二次元平面中にある最大で2つの音源に対応できるようにするものである。また、uxx(t)はx方向の粒子変位のx方向の勾配、uxy(t)はx方向の粒子変位のy方向の勾配、uyy(t)はy方向の粒子変位のy方向の勾配、uyx(t)はy方向の粒子変位のx方向の勾配をそれぞれ示しており、行列演算回路103に出力し、vx(t)及びvy(t)と併用することで、信号分離装置が二次元平面中にある最大で4つの音源に対応できるようにするものである。Further, v x (t) represents the particle velocity in the x direction, and v y (t) represents the particle velocity in the y direction. By outputting to the matrix operation circuit 103, the signal separation device is placed in the two-dimensional plane. It is intended to be able to handle up to two sound sources. U xx (t) is the gradient in the x direction of the particle displacement in the x direction, u xy (t) is the gradient in the y direction of the particle displacement in the x direction, and u yy (t) is the y direction of the particle displacement in the y direction. , U yx (t) indicates the gradient in the x direction of the particle displacement in the y direction, which is output to the matrix operation circuit 103 and used together with v x (t) and v y (t), The signal separation device can cope with up to four sound sources in a two-dimensional plane.

図26に示すように、無指向性マイクロホン101は、9本の無指向性マイクロホン(f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7、f8、f9)からなり、互いに近接する4本の無指向性マイクロホンが1つの無指向性マイクロホンユニット(f1とf2とf3とf5との組、f3とf5とf6とf8との組、f5とf7とf8とf9との組、f2とf4とf5とf7との組)を構成している。As shown in FIG. 26, the omnidirectional microphone 101 includes nine omnidirectional microphones (f 1 , f 2 , f 3 , f 4 , f 5 , f 6 , f 7 , f 8 , f 9 ). Thus, four omnidirectional microphones close to each other constitute one omnidirectional microphone unit (a set of f 1 , f 2 , f 3 and f 5 , a set of f 3 , f 5 , f 6 and f 8. , F 5 , f 7 , f 8 and f 9, and f 2 , f 4 , f 5 and f 7 ).

なお、この第4の実施形態においては、図26に示すように、無指向性マイクロホンf5を原点O(観測点100)に配置し、x軸方向に対してΔxの距離、y軸方向に対してΔyの距離をもたせて、他の無指向性マイクロホンを配置している。In the fourth embodiment, as shown in FIG. 26, the omnidirectional microphone f 5 is arranged at the origin O (observation point 100), and is at a distance of Δx with respect to the x-axis direction and in the y-axis direction. On the other hand, another omnidirectional microphone is arranged with a distance of Δy.

図25に示すように、4本の無指向性マイクロホン(f1、f2、f3、f5)からなる無指向性マイクロホンユニット101aを例に挙げて説明すると、無指向性マイクロホンユニット101aが収音した音源からの源信号は、この無指向性マイクロホンユニット101aに接続された第1の空間微分器102a及び第1の積分器107aによって、x軸方向の指向性111aとy軸方向の指向性111bとをもつ時間積分信号として出力される。また、前記第1の空間微分器102aは、無指向性マイクロホンf2,f3が接続されx
軸方向の空間勾配(f3−f2)/Δxを求めるx軸方向空間微分器と、無指向性マイクロホンf1,f5が接続されy軸方向の空間勾配(f1−f5)/Δyを求めるy軸方向空間微分器とを備える構成である。
As shown in FIG. 25, an omnidirectional microphone unit 101a composed of four omnidirectional microphones (f 1 , f 2 , f 3 , f 5 ) will be described as an example. The source signal from the collected sound source is directed to the directivity 111a in the x-axis direction and the directivity in the y-axis direction by the first spatial differentiator 102a and the first integrator 107a connected to the omnidirectional microphone unit 101a. Is output as a time integration signal having the characteristics 111b. The first spatial differentiator 102a is connected to omnidirectional microphones f 2 and f 3 and x
An x-direction spatial differentiator for obtaining an axial spatial gradient (f 3 −f 2 ) / Δx and omnidirectional microphones f 1 and f 5 are connected, and a spatial gradient in the y-axis direction (f 1 −f 5 ) / It is a structure provided with the y-axis direction space differentiator which calculates | requires (DELTA) y.

なお、図25に示す1つの無指向性マイクロホンユニットを、図24に示すように、x方向に2つの無指向性マイクロホンユニット101b及び101d、y方向に2つの無指向性マイクホンユニット101a及び101cを近接して並列させることで、図23における無指向性マイクロホン101が構成される。また、隣り合う無指向性マイクロホンユニット間で互いに接する無指向性マイクロホン(f2、f3、f5、f7、f8)は隣り合う無指向性マイクロホンユニット間で共有させている。Note that one omnidirectional microphone unit shown in FIG. 25 is replaced with two omnidirectional microphone units 101b and 101d in the x direction and two omnidirectional microphone units 101a and 101c in the y direction, as shown in FIG. Are placed close to each other in parallel to form the omnidirectional microphone 101 in FIG. Further, omnidirectional microphones (f 2 , f 3 , f 5 , f 7 , f 8 ) that are in contact with each other between adjacent omnidirectional microphone units are shared between adjacent omnidirectional microphone units.

次に、前記構成に基づく本実施形態に係る信号分離装置の分離処理動作について説明する。
まず、均質な二次元平面中に配設された音源201、202、203、204からの源信号P1(t)、P2(t)、P3(t)、P4(t)を観測点100近傍の無指向性マイクロホン(f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7、f8、f9)で収音する(ステップ27)。
Next, the separation processing operation of the signal separation device according to the present embodiment based on the above configuration will be described.
First, source signals P 1 (t), P 2 (t), P 3 (t), and P 4 (t) from sound sources 201, 202, 203, and 204 arranged in a homogeneous two-dimensional plane are observed. Sound is collected by an omnidirectional microphone (f 1 , f 2 , f 3 , f 4 , f 5 , f 6 , f 7 , f 8 , f 9 ) near the point 100 (step 27).

この収音された源信号P1(t)、P2(t)、P3(t)、P4(t)を第1の空間微分器102によりx軸及びy軸の各方向の空間微分による空間勾配fx1(t)、fx2(t)、fx3(t)、fx4(t)、fy1(t)、fy2(t)、fy3(t)、fy4(t)を演算する(ステップ28)。The collected source signals P 1 (t), P 2 (t), P 3 (t), and P 4 (t) are spatially differentiated in the x-axis and y-axis directions by the first spatial differentiator 102. Spatial gradient fx 1 (t), fx 2 (t), fx 3 (t), fx 4 (t), fy 1 (t), fy 2 (t), fy 3 (t), fy 4 (t) Is calculated (step 28).

この空間勾配fx1(t)、fx2(t)、fx3(t)、fx4(t)、fy1(t)、fy2(t)、fy3(t)、fy4(t)を第1の積分器107により時間積分する(ステップ29)。This spatial gradient fx 1 (t), fx 2 (t), fx 3 (t), fx 4 (t), fy 1 (t), fy 2 (t), fy 3 (t), fy 4 (t) Is time-integrated by the first integrator 107 (step 29).

この時間積分された空間勾配fx1(t)、fx2(t)、fx3(t)、fx4(t)、fy1(t)、fy2(t)、fy3(t)、fy4(t)の時間積分信号vx1(t)、vx2(t)、vx3(t)、vx4(t)、vy1(t)、vy2(t)、vy3(t)、vy4(t)のうち、vx1(t)とvx4(t)との平均、及びvy1(t)とvy4(t)との平均を平均演算器108により演算する(ステップ30)。This time-integrated spatial gradient fx 1 (t), fx 2 (t), fx 3 (t), fx 4 (t), fy 1 (t), fy 2 (t), fy 3 (t), fy 4 (t) time integration signals v x1 (t), v x2 (t), v x3 (t), v x4 (t), v y1 (t), v y2 (t), v y3 (t), Of v y4 (t), the average of v x1 (t) and v x4 (t) and the average of v y1 (t) and v y4 (t) are calculated by the average calculator 108 (step 30). .

他方、前記ステップ29で時間積分された空間勾配fx1(t)、fx2(t)、fx3(t)、fx4(t)、fy1(t)、fy2(t)、fy3(t)、fy4(t)の時間積分信号vx1(t)、vx2(t)、vx3(t)、vx4(t)、vy1(t)、vy2(t)、vy3(t)、vy4(t)のうち、vx2(t)とvx3(t)、vx1(t)とvx4(t)、vy2(t)とvy3(t)、vy1(t)とvy4(t)を第2の空間微分器109によりx軸及びy軸の各方向の空間微分による空間勾配の勾配を演算する(ステップ31)。
第2の空間微分器109から出力される勾配信号を時間積分する(ステップ32)。
On the other hand, the spatial gradients fx 1 (t), fx 2 (t), fx 3 (t), fx 4 (t), fy 1 (t), fy 2 (t), fy 3 time-integrated in step 29 above. (t), fy 4 (t) time integration signals v x1 (t), v x2 (t), v x3 (t), v x4 (t), v y1 (t), v y2 (t), v Of y3 (t) and v y4 (t), v x2 (t) and v x3 (t), v x1 (t) and v x4 (t), v y2 (t) and v y3 (t), v The second spatial differentiator 109 calculates y1 (t) and vy4 (t), and the gradient of the spatial gradient based on the spatial differentiation in the x-axis and y-axis directions (step 31).
The gradient signal output from the second spatial differentiator 109 is time-integrated (step 32).

ステップ30で得られた平均時間積分信号vx(t)、vy(t)と、ステップ32で得られた時間積分信号uxx(t)、uyy(t)、uxy(t)、uyx(t)とが、行列演算回路103により混合行列の逆行列を乗算される。以下、前記第2の実施形態と同様ステップ33ないしステップ38により分離信号P1(t)、P2(t)、P3(t)、P4(t)を出力すると共に観測点100における源信号P1(t)、P2(t)、P3(t)、P4(t)の到来方向θ1、θ2、θ3、θ4及び音源201、202、203、204の標準偏差σ1、σ2、σ3、σ4を前記表示装置等へ出力する。The average time integration signals v x (t), v y (t) obtained in step 30 and the time integration signals u xx (t), u yy (t), u xy (t), obtained in step 32, u yx (t) is multiplied by the inverse matrix of the mixing matrix by the matrix operation circuit 103. Thereafter, the separation signals P 1 (t), P 2 (t), P 3 (t), and P 4 (t) are output and the source at the observation point 100 in the same manner as in the second embodiment. Standard directions of arrival directions θ 1 , θ 2 , θ 3 , θ 4 of signals P 1 (t), P 2 (t), P 3 (t), P 4 (t) and sound sources 201, 202, 203, 204 σ 1 , σ 2 , σ 3 , σ 4 are output to the display device or the like.

このようにして第4の実施形態に係る信号分離装置は、時空間勾配解析に基づき、 均質な空間中では、任意の観測点100における空間勾配が、音源201、202、203、204における時間勾配の線形混合で表現されるという事実を利用する。即ち、本実施形態の特徴は次のように集約される。ただ一つの観測点100及びその近傍における空間勾配を計測することにより、源信号P1(t)、P2(t)、P3(t)、P4(t)の時間勾配の瞬時混合和を取得することができる。そのため最も簡単な瞬時混合型ブラインド信号分離問題に帰着することができる。さらに、観測量がスカラー量(音圧)ではなく、ベクトル量(音圧の空間勾配)なので音源の到来方向を含めた源信号P1(t)、P2(t)、P3(t)、P4(t)の分離が可能である。本時空間勾配解析手法を採用することにより、観測点100間に生じる信号の到達時間差を考慮する必要がなく、観測信号の空間勾配を瞬時線形混合信号とみなすことができるため, 最も簡単な瞬時線形混合に対する処理で分離信号P1(t)、P2(t)、P3(t)、P4(t)を推定することが可能となる。In this way, the signal separation device according to the fourth embodiment is based on the spatiotemporal gradient analysis, and in a homogeneous space, the spatial gradient at any observation point 100 is the temporal gradient at the sound sources 201, 202, 203, and 204. The fact that it is expressed by a linear mixture of That is, the features of this embodiment are summarized as follows. By measuring the spatial gradient at only one observation point 100 and its vicinity, the instantaneous mixed sum of the time gradients of the source signals P 1 (t), P 2 (t), P 3 (t), and P 4 (t) Can be obtained. Therefore, the problem can be reduced to the simplest instantaneous mixed blind signal separation problem. Furthermore, since the observed quantity is not a scalar quantity (sound pressure) but a vector quantity (sound pressure spatial gradient), source signals P 1 (t), P 2 (t), P 3 (t) including the direction of arrival of the sound source are included. , P 4 (t) can be separated. By using this spatiotemporal gradient analysis method, it is not necessary to consider the difference in arrival time of signals generated between the observation points 100, and the spatial gradient of the observation signal can be regarded as an instantaneous linear mixed signal. The separation signals P 1 (t), P 2 (t), P 3 (t), and P 4 (t) can be estimated by processing for linear mixing.

特に、第1の実施形態、第2の実施形態及び第3の実施形態においては、信号分離装置が二次元平面中にある最大で2つの音源にしか対応することができなかったが、この第4の実施形態においては、9本の無指向性マイクロホンからなる無指向性マイクロホン101を用いて、第1の積分器107からの音圧勾配信号の時間積分信号を、平均演算器108によって、x方向の粒子速度vx(t)及びy方向の粒子速度vy(t)として、行列演算回路103に出力し、第2の空間微分器109及び第2の積分器110によって、x方向の粒子変位のx方向の勾配uxx(t)、x方向の粒子変位のy方向の勾配uxy(t)、y方向の粒子変位のy方向の勾配uyy(t)及びy方向の粒子変位のx方向の勾配uyx(t)として、行列演算回路103に出力することで、信号分離装置が二次元平面中にある最大で4つの音源に対応することが可能となる。In particular, in the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment, the signal separation device can only support a maximum of two sound sources in a two-dimensional plane. In the fourth embodiment, the time integration signal of the sound pressure gradient signal from the first integrator 107 is converted by the average calculator 108 using the omnidirectional microphone 101 including nine omnidirectional microphones. The particle velocity v x (t) in the direction and the particle velocity v y (t) in the y direction are output to the matrix operation circuit 103, and the particles in the x direction are output by the second spatial differentiator 109 and the second integrator 110. X-direction gradient of displacement u xx (t), x-direction particle displacement y-direction gradient u xy (t), y-direction particle displacement y-direction gradient u yy (t) and y-direction particle displacement By outputting to the matrix operation circuit 103 as the gradient u yx (t) in the x direction, The signal separation device can support up to four sound sources in a two-dimensional plane.

(本発明の各実施形態の演算論理)
以下、前記第4の実施形態の演算論理を説明する。
(Operational logic of each embodiment of the present invention)
The arithmetic logic of the fourth embodiment will be described below.

なお、この第4の実施形態の演算論理は、前記第1の実施形態、第2の実施形態及び第3の実施形態において説明した前記式(8)までの演算論理とほぼ同様の演算論理となるので、前記式(8)までの演算論理の説明は省略する。
f(x,y,t)の空間勾配はPt1(t)、Pt2(t) 、Pt3(t)、Pt4(t)を源信号とした場合の瞬時線形混合信号として表される。
The arithmetic logic of the fourth embodiment is substantially the same as the arithmetic logic up to the equation (8) described in the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment. Therefore, description of the arithmetic logic up to the equation (8) is omitted.
The spatial gradient of f (x, y, t) is expressed as an instantaneous linear mixed signal when P t1 (t), P t2 (t), P t3 (t), and P t4 (t) are used as source signals. .

Figure 2006132249
両辺を時間で積分すると、次式が得られる。
Figure 2006132249
Integrating both sides over time gives the following equation:

Figure 2006132249
ここで、∇f(x,y,t)は、粒子速度vの∂v/∂tに比例しており、式(38)に代入すると、次式が得られる。
Figure 2006132249
Here, ∇f (x, y, t) is proportional to ∂v / ∂t of the particle velocity v, and the following equation is obtained by substituting into equation (38).

Figure 2006132249
また、粒子速度vを式(40)とすると、式(41)が得られる。
Figure 2006132249
Further, when the particle velocity v is expressed by equation (40), equation (41) is obtained.

Figure 2006132249
Figure 2006132249

Figure 2006132249
したがって、行列B(6行4列)の擬似逆行列B-1を既存の方法で求めることで、源信号P1(t)、P2(t)、P3(t)、P4(t)を求めることができる。
Figure 2006132249
Therefore, the source signals P 1 (t), P 2 (t), P 3 (t), P 4 (t) are obtained by obtaining the pseudo inverse matrix B −1 of the matrix B (6 rows × 4 columns) by an existing method. ).

この場合に、行列Bの1行及び2行部分は、θ1、θ2、θ3、θ4に関するAの混合行列であり、Bの3行ないし6行部分は、σ1、σ2、σ3、σ4の新たな行列である。In this case, the 1st and 2nd row portions of the matrix B are a mixed matrix of A relating to θ 1 , θ 2 , θ 3 , and θ 4 , and the 3rd to 6th row portions of B are σ 1 , σ 2 , It is a new matrix of σ 3 and σ 4 .

Claims (7)

二次元平面又は三次元空間の異なる位置の出力源から出力される各出力信号が重畳された重畳信号を分離する信号分離装置において、
前記重畳信号を各出力信号に関する時間勾配の瞬時混合和として検出する空間勾配検出手段と、
前記空間勾配検出手段が検出した信号を格納することなく直接取り込み、前記出力信号の時間勾配の瞬時混合和に基づいて前記各出力信号を分離する信号分離手段とを備えることを
特徴とする信号分離装置。
In a signal separation device for separating superimposed signals on which output signals output from output sources at different positions in a two-dimensional plane or a three-dimensional space are superimposed,
Spatial gradient detection means for detecting the superimposed signal as an instantaneous mixed sum of time gradients for each output signal;
Signal separation means comprising signal separation means for directly capturing the signals detected by the spatial gradient detection means without storing them and separating the output signals based on the instantaneous mixed sum of the time gradients of the output signals. apparatus.
前記請求項1に記載の信号分離装置において、
前記信号分離手段は、前記勾配検出手段から出力される空間勾配信号を時間積分する積分器を備えることを
特徴とする信号分離装置。
The signal separation device according to claim 1,
The signal separation device includes an integrator that time-integrates a spatial gradient signal output from the gradient detection unit.
前記請求項2に記載の信号分離装置において、
前記信号分離手段は、
前記勾配検出手段から出力される空間勾配信号を時間積分する第1の積分器と、
前記第1の積分器から出力される時間積分信号のうち、二つの信号の平均を演算する平均演算器と、
前記第1の積分器から出力される時間積分信号を、空間微分による空間勾配の勾配を演算する空間微分器と、
前記空間微分器から出力される空間勾配信号を時間積分する第2の積分器と
を備えることを
特徴とする信号分離装置。
The signal separation device according to claim 2, wherein
The signal separating means includes
A first integrator for time-integrating a spatial gradient signal output from the gradient detection means;
Among the time integration signals output from the first integrator, an average calculator that calculates the average of two signals;
A spatial differentiator for calculating a gradient of a spatial gradient by spatial differentiation of the time integration signal output from the first integrator;
And a second integrator for time-integrating the spatial gradient signal output from the spatial differentiator.
前記請求項1ないし3のいずれかに記載の信号分離装置において、
前記空間勾配検出手段が、各出力信号を各音声信号として検出するマイクロホンアレイとして構成され、当該マイクロホンアレイが前記音声信号の音圧勾配として検出することを
特徴とする信号分離装置。
In the signal separation device according to any one of claims 1 to 3,
The signal separation device, wherein the spatial gradient detecting unit is configured as a microphone array that detects each output signal as each audio signal, and the microphone array detects the sound pressure gradient of the audio signal.
前記請求項4に記載の信号分離装置において、
前記マイクロホンアレイが検出する音圧勾配を粒子速度の時間微分により求めることを
特徴とする信号分離装置。
The signal separation device according to claim 4, wherein
A signal separation device, wherein a sound pressure gradient detected by the microphone array is obtained by time differentiation of particle velocity.
前記請求項4又は5に記載の信号分離装置において、
前記マイクロホンアレイが、各音声信号が出力される異なる位置に対する観測点における少なくともx軸方向又はy軸方向の音圧差分を計測する双指向性のマイクロホンで構成されることを
特徴とする信号分離装置。
In the signal separation device according to claim 4 or 5,
The signal separation device, wherein the microphone array is configured by a bidirectional microphone that measures a sound pressure difference at least in the x-axis direction or the y-axis direction at an observation point with respect to a different position from which each audio signal is output. .
前記請求項1ないし6のいずれかに記載の信号分離装置において、
前記信号分離手段が、重畳信号を各出力信号に分離すると共に、当該各出力信号の各出力源における方向及び/又は標準偏差を出力することをことを
特徴とする信号分離装置。
In the signal separation device according to any one of claims 1 to 6,
The signal separation means is characterized in that the signal separation means separates the superimposed signal into output signals and outputs the direction and / or standard deviation of each output signal at each output source.
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JPN6012057529; 鶴田浩輔他: '"時空間勾配法に基づくブラインド信号分離"' 電子情報通信学会技術研究報告 Vol.103,No.609(2004-01), pp.13-16 *

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