人工知能第一研究室

 
マイクロホンアレイを用いた雑音抑圧における目的音の劣化量最適化の研究

マイクロホンアレイを用いた雑音抑圧における目的音の劣化量最適化の研究

研究背景

近年、テレビ会議など離れた場所で同時に会議をするツールが普及してきている。会議室の音声を収音する際、音声のほかに空調の音が混入してしまったりデータの送信時に電気ノイズが付加される場合がある。そういった雑音を抑圧し、より聞き取りやすい音声にすることで会議自体もスムーズに行われる。

研究目的

雑音抑圧の処理の中でも雑音抑圧マイクロホンアレイ(AMNOR)は小規模のマイクロホンアレイでより雑音の抑圧処理の効果を高めるために人の耳では気にならない程度の目的音声の劣化を許容して雑音抑圧の効果を高めている。
本研究では適応形雑音抑圧マイクロホンアレイ(AMNOR)をテレビ会議で用いる際の課題を挙げ、解決のための提案をする。

マイクロホンアレイとビームフォーマ

基本事項としてマイクロホンアレイとビームフォーマという信号処理について説明する。マイクロホンアレイとは複数のマイクロホンをアレイ状にしたものである。本研究では特に直線状アレイのことを指すこととする。マイクロホンアレイを用いて収音することで音の空間的特徴をとらえることが出来る。

ビームフォーマは信号処理の一つでマイクロホンアレイでの収音で得られた音の空間的特徴を用いて位相や振幅を制御する信号処理を実現する。ビームフォーマなど信号処理は雑音抑圧フィルタを作成し、収音した信号に畳みこむといった処理となる。

従来研究:適応形雑音抑圧マイクロホンアレイ(AMNOR)

適応形雑音抑圧マイクロホンアレイ(以降AMNORとする)は雑音抑圧処理の一つで、目的音信号の劣化を許容する代わりにより雑音を抑圧するという特徴がある。AMNORはマイクロホンアレイ、可変デジタルフィルタ、フィルタ制御部の三つで構成されている。フィルタ制御部で係数を増減させることでフィルタの特性を変化させ、許容劣化量を満たすフィルタを設計する。

劣化量と出力信号に残る雑音量

フィルタ内係数と劣化量の関係、また劣化量と出力信号に残る雑音量の関係について説明する。以下に示す図の青線は係数を10の-10乗から10の10乗まで変化させた時の劣化量の変化を表している。グラフから劣化量は係数に対して単調減少することが分かっている。また赤線はその時の出力信号に残る雑音量を示しており、劣化量と雑音量がトレード・オフの関係にあることが分かっている。

課題

AMNORのフィルタを作成するとき初めに許容できる劣化量を指定する必要がある。目的音声と雑音量のトレード・オフの関係から何度か劣化量を変えてフィルタを作成し、より良い信号を選択する。
テレビ会議でこの手法を用いる場合、こういった試行錯誤が出来ないため、多くの人に許容させる劣化量を自動で指定する必要があると考えられる。

提案

提案として、既得情報から劣化量を求める方法として入力信号のSN比を基準に劣化量を選択することを提案する。具体的にはSN比ごとの劣化量を主観的に測定し、測定結果の散布図から近似式を作成する。そして実際にフィルタ処理をする際はその近似式を用いて入力信号のSN比から劣化量を求めることが出来るようにする。

 

実験

主観実験をおこなった。入力信号のSN比が-20dBから20dBまでの5つの信号を用意し、それぞれ固定劣化量0, 0.1, 0.3と提案法による劣化量で処理した信号を聞いてもらい比較する。

実験方法はシェッフェーの一対比較法(浦の変法)を用いた。実験条件を以下に示す。

実験結果

以下に実験結果を示す。縦軸が平均評価値で負に大きい方が良いという評価を得て、正に大きい方が評価を得られなかった、つまり相対的に悪い評価となったことを示す。

横軸にデシベル別信号ごとの結果を表示している。提案法と劣化量を0.1に固定した音声に良い評価が集まっていることが分かる。提案法は劣化量を0と0.3に固定した信号に対して有意差がみられた。また有意差は見られなかったが入力信号のSN比が-10dBと20dBの信号を除いて0.1に固定した信号の法が良いという結果となった。

考察

雑音が多少残ってしまっても劣化量の少ない信号が良いという結果になった。近似式を作成する際に主観的測定のデータを増やすことでより多くの人に合う劣化量を求めることが出来ると考えられる。

まとめ

AMNORをテレビ会議で使用する際の劣化量を求める方法について提案した。主観実験の結果、提案法は劣化量を0, 0.3に固定したものに対して有意差がみられた。

今後の課題として、多くの評価者による主観的測定を行い、近似式を作成することが挙げられる。また今回はSN比が分かっていると仮定したのでSN比が推定される場合の検討をする必要がある。

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