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JP5235724B2 - Utterance front / side direction estimation apparatus, method and program - Google Patents
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JP5235724B2 - Utterance front / side direction estimation apparatus, method and program - Google Patents

Utterance front / side direction estimation apparatus, method and program Download PDF

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JP5235724B2 JP2009048936A JP2009048936A JP5235724B2 JP 5235724 B2 JP5235724 B2 JP 5235724B2 JP 2009048936 A JP2009048936 A JP 2009048936A JP 2009048936 A JP2009048936 A JP 2009048936A JP 5235724 B2 JP5235724 B2 JP 5235724B2
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Description

本発明は、マイクロホンに入力された音声信号から発話者の発話向きを推定する技術に関する。   The present invention relates to a technique for estimating the utterance direction of a speaker from an audio signal input to a microphone.

電話や音声会議端末等の音声情報をやりとりするシステムを一般に音声通信システムと呼ぶ。TV会議システムでは音声情報に映像を付加して提示するため場の状況が伝わりやすいが、音声通信システムでは相手側の状況を把握するのは難しい。相手側の状況に関する情報のひとつに発話向き情報があり、相手側からこの情報を受け取ることで発話者がどの方向に向かって発話しているかを把握でき、コミュニケーションの円滑化を図ることができる。   A system for exchanging voice information such as a telephone or a voice conference terminal is generally called a voice communication system. In the video conference system, the video is added to the audio information and presented, so that the situation of the place is easily transmitted, but in the audio communication system, it is difficult to grasp the situation of the other party. One of the information on the other party's situation is utterance direction information. By receiving this information from the other party, it is possible to grasp the direction in which the speaker is speaking and to facilitate communication.

このような発話向き情報を推定する従来技術が非特許文献1、2等で開示されており、構成例を図21に示す。この構成例における発話向き推定装置10は、以下のように発話向き情報を推定する。
(i) 発話者1からの発話音声をM本(Mは2以上の整数)のマイクロホン11−1、・・・、11−Mを用いて収音する。収音されたアナログ信号をAD変換部12にて、ディジタル信号vx(t)=[x1(t),・・・, xM(t)]Tへ変換する。ここで、tは離散時間のインデックスを表す。
Conventional techniques for estimating such speech direction information are disclosed in Non-Patent Documents 1 and 2 and the like, and a configuration example is shown in FIG. The speech direction estimation apparatus 10 in this configuration example estimates speech direction information as follows.
(i) The voice from the speaker 1 is picked up using M (M is an integer of 2 or more) microphones 11-1,. The collected analog signal is converted into a digital signal vx (t) = [x 1 (t),..., X M (t)] T by the AD converter 12. Here, t represents an index of discrete time.

(ii) 周波数領域変換部13では、複数サンプルからなる上記ディジタル信号の組(フレーム)を入力とし、高速フーリエ変換等により周波数領域の信号VX(ω,n)=[X1(ω,n),・・・, XM(ω,n)]Tへ変換する。ここで、ωは周波数のインデックスを表し、周波数のインデックスの総数をΩとする。また、nはフレームのインデックスを表す。
(iii) 固定ビームフォーマ設計部14では、各発話者位置・発話向き毎に固定ビームフォーマVG(ω,r,θ)=[G1(ω,r,θ),・・・,GM(ω,r,θ)]Tを設計する。G(ω,r,θ)は発話者位置r、発話向きθの音源を強調・抑制するためにi番目のマイクロホンの周波数成分xi(ω,n)に掛ける係数である。
(ii) The frequency domain transform unit 13 receives a set (frame) of the digital signals composed of a plurality of samples as an input, and performs frequency domain signal VX (ω, n) = [X 1 (ω, n) by fast Fourier transform or the like. , ···, X M (ω, n)] to convert to T. Here, ω represents a frequency index, and the total number of frequency indexes is Ω. N represents the index of the frame.
(iii) The fixed beamformer design unit 14 sets the fixed beamformer VG (ω, r, θ) = [G 1 (ω, r, θ),..., G M (for each speaker position and direction. ω, r, θ)] T is designed. G i (ω, r, θ) is a coefficient to be multiplied by the frequency component x i (ω, n) of the i-th microphone in order to emphasize / suppress the sound source at the speaker position r and the speech direction θ.

設計に際しては、あらかじめ設定された発話者位置・発話向き毎に音源とマイクロホン間の音響伝搬特性VH(ω,r,θ)=[H1(ω,r,θ),・・・,HM(ω,r,θ)]Tをシミュレーション値や実測値を用いて求めておく。ここでHi(ω,r,θ)は発話者位置r、発話向きθの音源と、i番目のマイクロホンとの間の音響伝搬特性を表す。
固定ビームフォーマVG(ω,r,θ)は、音響伝搬特性との関係を表す式(1)、(2)を満たす値として設計される。
VH(ω,rTT)H・VG(ω,rTT)=1 (1)
VH(ω,rUU)H・VG(ω,rTT)=0 (2)
式(1)、(2)は、発話者位置rT、発話向きθTの出力パワーを強調し、それ以外の発話者位置rU、発話向きθUの出力パワーを抑えるように固定ビームフォーマVG(ω,r,θ)を設計することを示している。
In designing, acoustic propagation characteristics between a sound source and a microphone VH (ω, r, θ) = [H 1 (ω, r, θ),..., H M for each predetermined speaker position and direction. (ω, r, θ)] T is obtained using simulation values or actual measurement values. Here, H i (ω, r, θ) represents an acoustic propagation characteristic between the sound source at the speaker position r and the speech direction θ and the i-th microphone.
The fixed beamformer VG (ω, r, θ) is designed as a value that satisfies the expressions (1) and (2) representing the relationship with the acoustic propagation characteristics.
VH (ω, r T , θ T ) H · VG (ω, r T , θ T ) = 1 (1)
VH (ω, r U , θ U ) H · VG (ω, r T , θ T ) = 0 (2)
Expressions (1) and (2) emphasize the output power of the speaker position r T and the speech direction θ T and suppress the output power of the other speaker positions r U and the speech direction θ U. It shows that VG (ω, r, θ) is designed.

(iv) 積和計算部15では、周波数領域の信号VX(ω,n)=[X1(ω,n),・・・, XM(ω,n)]Tと固定ビームフォーマVG(ω,r,θ)=[G1(ω,r,θ),・・・,GM(ω,r,θ)]Tを入力とし、各周波数ω、発話者位置r、発話向きθ毎に各マイクロホンに対応する周波数成分Xi(ω,n)と固定ビームフォーマの係数Gi(ω,r,θ)とを掛け、得られたM個の成分を足し合わせることで出力Y(ω,n,r,θ)を計算する。この計算は、Y(ω,n,r,θ)=VG(ω,r,θ)H・VX(ω,n)を計算することと同義である。
(v) パワー計算部16では、積和計算部15からの出力Y(ω,n,r,θ)からパワー|Y(ω,n,r,θ)|2を計算して出力する。
(iv) In the product-sum calculation unit 15, the frequency domain signal VX (ω, n) = [X 1 (ω, n),..., X M (ω, n)] T and the fixed beamformer VG (ω , r, θ) = [G 1 (ω, r, θ),..., G M (ω, r, θ)] T as an input, for each frequency ω, speaker position r, and speech direction θ. Multiplying the frequency component X i (ω, n) corresponding to each microphone by the coefficient G i (ω, r, θ) of the fixed beamformer, and adding the obtained M components, the output Y (ω, n, r, θ) is calculated. This calculation is synonymous with calculating Y (ω, n, r, θ) = VG (ω, r, θ) H · VX (ω, n).
(v) The power calculator 16 calculates and outputs power | Y (ω, n, r, θ) | 2 from the output Y (ω, n, r, θ) from the product-sum calculator 15.

(vi) 周波数平均化処理部17では、パワー計算部16から出力されたパワー|Y(ω,n,r,θ)|2を周波数で平均化処理し、AY(n,r,θ)を得る。この計算は、Fを平均化処理で用いる周波数のインデックス、|F|を周波数のインデックスの総数と定義すると、 (vi) The frequency averaging processing unit 17 averages the power | Y (ω, n, r, θ) | 2 output from the power calculation unit 16 by frequency, and calculates AY (n, r, θ). obtain. In this calculation, if F 0 is defined as the frequency index used in the averaging process, and | F 0 | is defined as the total number of frequency indexes,

Figure 0005235724
Figure 0005235724

を計算することと同義である。なお、FはΩ≧|F|を満たす。
(vii) 音源向き選択部18では、各フレーム毎に周波数で平均化処理されたパワーAY(n,r,θ)が最大となる発話者位置r、発話向きθを探査し、パワーAY(n,r,θ)が最大となる発話向きθを、推定された発話向きθout(n)として求める。
Is equivalent to calculating Note that F 0 satisfies Ω ≧ | F 0 |.
(vii) The sound source direction selection unit 18 searches for the speaker position r and the speech direction θ where the power AY (n, r, θ) averaged by frequency for each frame is maximum, and the power AY (n , r, θ) is determined as the estimated speech direction θ out (n).

中島弘史、「音源の方向を推定可能な拡張ビームフォーミング」、日本音響学会講演論文集、2005年9月、p.619-620Hiroshi Nakajima, “Extended Beamforming for Estimating Sound Source Direction”, Proceedings of the Acoustical Society of Japan, September 2005, p.619-620 中島弘史、外8名、「拡張ビームフォーミングを用いた音源指向特性推定」、日本音響学会講演論文集、2005年9月、p.621-622Hiroshi Nakajima and 8 others, “Sound source directivity estimation using extended beamforming”, Acoustical Society of Japan Proceedings, September 2005, p.621-622

従来技術の課題として次の2点が挙げられる。
(i) 任意の位置での発話に対応し、高精度な発話向きの推定を行うには、多数のマイクロホンを必要とし、かつマイクロホンの設置位置にも工夫が必要
従来技術においては、各発話者位置・発話向き毎に設計された固定ビームフォーマの出力のパワー|Y(ω,n,r,θ)|2に差があるほど、高精度に発話向きを推定することができる。しかし、発話者の口から放射される音波のように口の前方に強い指向性を持つ音源を想定すると、図22に示すように多数のマイクロホンで発話者を囲い込むように収音しないと、発話者位置・発話向きによっては固定ビームフォーマの出力のパワーに差が出ず、発話向きの推定誤差が増大する(例えば、非特許文献2の実験ではマイクロホンを64本使用)。そのため、誤差を小さくするには多数のマイクロホンが必要となり装置が大型化し、電話や音声会議端末のような可搬性がある装置に取り付けて利用することが難しい。
The following two points can be cited as problems of the prior art.
(i) To deal with utterances at any position and to estimate the direction of utterance with high accuracy, a large number of microphones are required and the position of the microphones must be devised. As the output power | Y (ω, n, r, θ) | 2 of the fixed beamformer designed for each position and speech direction is different, the speech direction can be estimated with higher accuracy. However, assuming a sound source with strong directivity in front of the mouth, such as a sound wave emitted from the mouth of the speaker, as shown in FIG. Depending on the speaker position / speech direction, there is no difference in the output power of the fixed beamformer, and the speech direction estimation error increases (for example, in the experiment of Non-Patent Document 2, 64 microphones are used). Therefore, in order to reduce the error, a large number of microphones are required, the apparatus becomes large, and it is difficult to use it by attaching it to a portable apparatus such as a telephone or an audio conference terminal.

(ii) 残響時間(直接波到来後、直接波の収音パワーから60dB減衰するまでの時間)が250msec以上の残響環境下では高い発話方向推定性能が得られない
残響時間が250msec以上の残響環境下においては、強い反射波が多く混合するため音響伝搬特性VH(ω,r,θ)を精度よく設計することが難しい。そのため、固定ビームフォーマの出力に曖昧性が生じ、推定精度が劣化する。例えば、低残響加工されていない実環境の部屋においては、一般に残響時間が250〜500msec程度となるため精度の良い推定が困難である。
(ii) High reverberation direction estimation performance cannot be obtained in a reverberant environment where the reverberation time (the time from the direct wave arrival time to the 60 dB attenuation from the direct wave pickup power) is 250 msec or more. Below, since many strong reflected waves are mixed, it is difficult to design the acoustic propagation characteristics VH (ω, r, θ) with high accuracy. Therefore, ambiguity occurs in the output of the fixed beamformer, and the estimation accuracy deteriorates. For example, in an actual environment room that is not subjected to low reverberation processing, reverberation time is generally about 250 to 500 msec, so that accurate estimation is difficult.

本発明の目的は、多数のマイクロホンを発話者を囲い込むように配置する必要が無く、かつ残響時間が250msec以上の残響環境下においても適切に発話向きを推定することが可能な、発話正面・横向き推定装置、方法及びプログラムを提供することにある。   An object of the present invention is to make it possible to appropriately estimate a speech direction even in a reverberant environment where it is not necessary to arrange a large number of microphones so as to surround a speaker and a reverberation time is 250 msec or more. It is to provide a lateral direction estimation apparatus, method, and program.

本発明の発話正面・横向き推定装置は、複数のマイクロホンから構成されたマイクロホンアレイの周囲で発話者が発話した音声信号を当該複数のマイクロホンで収音し、各マイクロホンで収音した音声信号間の相関を表す相関行列を生成して、この相関行列を固有値行列と固有ベクトル行列とに分解することにより得られた固有値から、発話者が上記マイクロホンアレイに対しどのような向きで発話したかを推定する。   The utterance front / side direction estimation apparatus of the present invention collects voice signals uttered by a speaker around a microphone array composed of a plurality of microphones by the plurality of microphones, and between the voice signals collected by each microphone. Generate a correlation matrix that represents the correlation, and estimate the direction of the speaker speaking to the microphone array from the eigenvalues obtained by decomposing the correlation matrix into an eigenvalue matrix and an eigenvector matrix .

本発明の発話正面・横向き推定装置によれば、多数のマイクロホンを発話者を囲い込むように配置する必要が無く、かつ残響時間が250msec以上の残響環境下においても適切に発話向きを推定することが可能となる。   According to the utterance front / side direction estimation apparatus of the present invention, it is not necessary to arrange a large number of microphones so as to surround a speaker, and the utterance direction can be appropriately estimated even in a reverberation environment where the reverberation time is 250 msec or more. Is possible.

第1実施形態の発話正面・横向き推定装置の機能構成例を示す図。The figure which shows the function structural example of the utterance front and side direction estimation apparatus of 1st Embodiment. 第1実施形態の発話正面・横向き推定装置の処理フロー例を示す図。The figure which shows the example of a processing flow of the utterance front and side direction estimation apparatus of 1st Embodiment. マイクロホンと発話者・発話向きとの位置関係を示すイメージ図。The image figure which shows the positional relationship of a microphone, a speaker, and a speech direction. 正面向き・横向きを判定する方法についてのイメージ図。The image figure about the method of judging front direction and sideways. 音声信号の伝搬特性を時間領域で示す図。The figure which shows the propagation characteristic of an audio | voice signal in a time domain. 発話向きと基底ベクトルと固有値・固有ベクトルとの相関関係を示すイメージ図。The image figure which shows the correlation with an utterance direction, a base vector, and an eigenvalue / eigenvector. 発話向きと固有値との関係を示すイメージ図。The image figure which shows the relationship between an utterance direction and an eigenvalue. 第2実施形態の発話正面・横向き推定装置の機能構成例を示す図。The figure which shows the function structural example of the utterance front and side direction estimation apparatus of 2nd Embodiment. 第2実施形態の発話正面・横向き推定装置の処理フロー例を示す図。The figure which shows the example of a processing flow of the utterance front and side direction estimation apparatus of 2nd Embodiment. 左右向きを判定する方法についてのイメージ図。The image figure about the method of determining left-right orientation. 空間相関行列を構成する音響伝播ベクトル群と、空間相関行列の固有空間を概念的に示す図。The figure which shows notionally the acoustic propagation vector group which comprises a spatial correlation matrix, and the eigenspace of a spatial correlation matrix. 正面・横向き判定部125の機能構成例を示す図。The figure which shows the function structural example of the front and side direction determination part 125. FIG. 正面・横向き判定部125の処理フローを示す図。The figure which shows the processing flow of the front and side direction determination part 125. FIG. 正面・横向き判定部145の機能構成例を示す図。The figure which shows the function structural example of the front and side direction determination part 145. FIG. 正面・横向き判定部145の処理フローを示す図。The figure which shows the processing flow of the front and side direction determination part 145. 正面・横向き判定部165の機能構成例を示す図。The figure which shows the function structural example of the front and side direction determination part 165. FIG. 効果の検証環境及び条件を示す図。The figure which shows the verification environment and conditions of an effect. 発話向きと固有値との関係についての検証結果を示す図。The figure which shows the verification result about the relationship between an utterance direction and an eigenvalue. 左右向き推定の検証結果を示す図。The figure which shows the verification result of left-right direction estimation. 音声会議端末に本発明を組み込んだサービス構成例を示す図。The figure which shows the service structural example which incorporated this invention in the audio conference terminal. 従来技術による発話向き推定装置の機能構成例を示す図。The figure which shows the function structural example of the speech direction estimation apparatus by a prior art. 従来技術によるマイクロホンと発話者との関係を示すイメージ図。The image figure which shows the relationship between the microphone and speaker by a prior art.

〔第1実施形態〕
図1に本発明の発話正面・横向き推定装置100の機能構成例を、図2にその処理フロー例を示す。
発話正面・横向き推定装置100は、M本(Mは2以上の整数)のマイクロホン101−1〜101−Mからなるマイクロホンアレイ101と、AD変換部12と、周波数領域変換部13と、相関行列計算部102と、固有値分解部103と、周波数平均化処理部104と、正面・横向き判定部105とを備える。このうち、AD変換部12と周波数変換部13は背景技術で説明した発話向き推定装置10で用いたものと同じである。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a functional configuration example of the utterance front / side orientation estimation apparatus 100 of the present invention, and FIG. 2 shows a processing flow example thereof.
The utterance front / sideways estimation apparatus 100 includes a microphone array 101 composed of M (M is an integer of 2 or more) microphones 101-1 to 101 -M, an AD converter 12, a frequency domain converter 13, and a correlation matrix. A calculation unit 102, an eigenvalue decomposition unit 103, a frequency averaging processing unit 104, and a front / side orientation determination unit 105 are provided. Among them, the AD conversion unit 12 and the frequency conversion unit 13 are the same as those used in the speech direction estimation apparatus 10 described in the background art.

従来技術においては、図16に示すように発話者を囲い込むように多数のマイクロホンを配置する必要があったが、本発明においては、M本のマイクロホン101−1〜101−Mを可能な程度に密集して配置すればよい。このようなマイクロホンアレイ101を構成するマイクロホンの本数は多いことに越したことはないが、以下に説明する本発明の構成によれば2本以上あれば発話向きの推定が可能である。また、配置は平面的でも立体的でも構わない。このように少ない本数のマイクロホンを密集して配置する形態をとることで、電話や音声会議端末のような可搬性がある装置に取り付けて、その周囲の発話者による発話向きを推定することが可能となる。発話者はこのマイクロホンアレイ101の周囲で発話する。図3は7本のマイクロホンからなるマイクロホンアレイ101の周りで話している発話者を上から見たイメージを示したものであり、矢印方向が発話向きである。なお、図3(a)は発話者が各位置で正面向きに発話している様子を、図3(b)は横向きに発話している様子を表している。   In the prior art, as shown in FIG. 16, it was necessary to arrange a large number of microphones so as to surround the speaker. However, in the present invention, M microphones 101-1 to 101-M can be provided. It is sufficient to arrange them closely. Although the number of microphones constituting such a microphone array 101 is not too large, according to the configuration of the present invention described below, it is possible to estimate the utterance direction with two or more microphones. The arrangement may be two-dimensional or three-dimensional. By adopting a configuration in which a small number of microphones are arranged densely in this way, it can be attached to a portable device such as a telephone or an audio conference terminal, and the direction of speech by surrounding speakers can be estimated It becomes. The speaker speaks around the microphone array 101. FIG. 3 shows an image of a speaker talking around a microphone array 101 composed of seven microphones as viewed from above, and the direction of the arrow is the direction of speech. FIG. 3 (a) shows a state where a speaker is speaking in a front direction at each position, and FIG. 3 (b) shows a state where a speaker is speaking in a horizontal direction.

AD変換部12は、M本のマイクロホン101−1〜101−Mで収音した発話者1が発話したアナログ音声信号を、それぞれディジタル音声信号x1(t) 、・・・、xM(t)に変換する(S1)。ここで、tは離散時間のインデックスを表す。 The AD conversion unit 12 converts the analog voice signals uttered by the speaker 1 collected by the M microphones 101-1 to 101 -M into digital voice signals x 1 (t),..., X M (t (S1). Here, t represents an index of discrete time.

周波数領域変換部13は、複数の離散時間サンプルからなる上記ディジタル音声信号の組(フレーム)を入力とし、高速フーリエ変換等により周波数領域のディジタル音声信号X1(ω,n)、・・・、XM(ω,n)に変換して出力する(S2)。ここで、nはフレームのインデックスを表し、ωは周波数のインデックスを表す。なお、周波数のインデックスの総数はΩとする。 The frequency domain transform unit 13 receives as input a set (frame) of the above digital speech signals composed of a plurality of discrete time samples, and performs frequency domain digital speech signals X 1 (ω, n),. It is converted into X M (ω, n) and output (S2). Here, n represents a frame index, and ω represents a frequency index. The total number of frequency indexes is Ω.

相関行列計算部102は、周波数領域のディジタル音声信号X1(ω,n) 、・・・、XM(ω,n)を入力とし、各信号間の相関を表すM×Mの相関行列R(ω,k)を、各周波数ω毎に式(3)により順次生成し出力する(S3)。
R(ω,k)=E[VX(ω,n)・VXH(ω,n)] (3)
ここで、VX(ω,n)=[X1(ω,n)、・・・、XM(ω,n)]T
なお、Hは共役転置を表し、Eは、VX(ω,n)・VX(ω,n)Hを各フレームについて計算した上で、平均化処理等によりLフレーム毎の期待値を演算をする演算子である。つまり、相関行列はLフレームに1回の割合で順次出力され、kはこの相関行列の出力のインデックスを表す。また、LはM以上の整数とすることが望ましい。
The correlation matrix calculation unit 102 receives the digital audio signals X 1 (ω, n),..., X M (ω, n) in the frequency domain as inputs, and an M × M correlation matrix R representing the correlation between the signals. (ω, k) is sequentially generated and output for each frequency ω by equation (3) (S3).
R (ω, k) = E [VX (ω, n) ・ VX H (ω, n)] (3)
Here, VX (ω, n) = [X 1 (ω, n),..., X M (ω, n)] T
Note that H represents conjugate transposition, and E calculates VX (ω, n) · VX (ω, n) H for each frame, and then calculates an expected value for each L frame by averaging processing or the like. It is an operator. That is, the correlation matrix is sequentially output at a rate of once per L frame, and k represents an output index of the correlation matrix. L is preferably an integer greater than or equal to M.

固有値分解部103は、相関行列R(ω,k)を入力とし、まず、式(4)を満たすようにM個の固有値λ1(ω,k)、・・・、λM(ω,k)それぞれの二乗を対角要素とする対角行列である固有値行列Λ(ω,k)と、M個の固有ベクトルvv1(ω,n)、・・・、vvM(ω,k)を要素とする固有ベクトル行列V(ω,k)とに固有値分解法によって分解する。
R(ω,k)=V(ω,k)・Λ(ω,k)・VH(ω,k) (4)
ここで、Λ(ω,k)=diag[λ1 2(ω,k)、・・・、λM 2(ω,k)]
λ1(ω,k)≧λ2(ω,k)≧・・・≧λM(ω,k)
V(ω,k)=[vv1(ω,k)、・・・、vvM(ω,k)]T
vvi(ω,k)=[vi,1(ω,k)、・・・、vi,M(ω,k)]
なお、diag[・]は[・]内の成分を対角行列の要素とする演算子である。
そして、最大の固有値である第1固有値λ1(ω,k)を、式(5)により正規化して、第1正規化固有値nλ1(ω,k)を出力する(S4)。
The eigenvalue decomposition unit 103 receives the correlation matrix R (ω, k) as input, and first, M eigenvalues λ 1 (ω, k),..., Λ M (ω, k) so as to satisfy Equation (4). ) Eigenvalue matrix Λ (ω, k), which is a diagonal matrix with each square as a diagonal element, and M eigenvectors vv 1 (ω, n),..., Vv M (ω, k) Is decomposed into eigenvector matrix V (ω, k) by the eigenvalue decomposition method.
R (ω, k) = V (ω, k) · Λ (ω, k) · V H (ω, k) (4)
Where Λ (ω, k) = diag [λ 1 2 (ω, k),..., Λ M 2 (ω, k)]
λ 1 (ω, k) ≧ λ 2 (ω, k) ≧ ・ ・ ・ ≧ λ M (ω, k)
V (ω, k) = [vv 1 (ω, k),..., Vv M (ω, k)] T
vv i (ω, k) = [v i, 1 (ω, k),..., v i, M (ω, k)]
Note that diag [•] is an operator having the components in [•] as elements of a diagonal matrix.
Then, the first eigenvalue λ 1 (ω, k), which is the maximum eigenvalue, is normalized by Expression (5), and the first normalized eigenvalue nλ 1 (ω, k) is output (S4).

Figure 0005235724
Figure 0005235724

周波数平均化処理部104は、各周波数ω毎に得られた第1正規化固有値nλ1(ω,k)について、式(6)により平均値を計算して、第1平均化固有値aλ1(k)を出力する(S5)。 The frequency averaging processing unit 104 calculates an average value for the first normalized eigenvalue nλ 1 (ω, k) obtained for each frequency ω by the equation (6), and obtains the first averaged eigenvalue aλ 1 ( k) is output (S5).

Figure 0005235724
Figure 0005235724

なお、F1は平均化に用いる周波数のインデックス、|F1|は周波数のインデックスの総数であり、F1はΩ≧|F1|を満たすように適宜設定する。 F 1 is an index of frequencies used for averaging, | F 1 | is a total number of frequency indexes, and F 1 is appropriately set so as to satisfy Ω ≧ | F 1 |.

正面・横向き判定部105は、第1平均化固有値aλ1(k)を所定のしきい値thr1と比較することにより、aλ1(k)<thr1であれば発話者が上記マイクロホンアレイに対し横向きに発話したと判定し、そうでなければ正面向きに発話したと判定して、判定結果を出力する(S6)。判定イメージを図4に例示する。ここで、thr1は環境や話者の位置によって任意に設定してよい。なお、第1平均化固有値aλ1(k)はフレームグループk毎に得られることから、判定結果もフレームグループk毎に出力される。 The front / side orientation determination unit 105 compares the first averaged eigenvalue aλ 1 (k) with a predetermined threshold value thr1, and if aλ 1 (k) <thr1, the speaker is oriented sideways with respect to the microphone array. If not, it is determined that the user has spoken in the front direction, and the determination result is output (S6). The determination image is illustrated in FIG. Here, thr1 may be arbitrarily set depending on the environment and the position of the speaker. Since the first averaged eigenvalue aλ 1 (k) is obtained for each frame group k, the determination result is also output for each frame group k.

このような構成で発話向きを判定することができる理論的背景を説明する。図5は音声信号の伝搬特性を時間領域で示したものである。伝搬特性は、直接波、初期残響、後部残響の3つに大きく分けられるが、直接波、初期残響が観測される時間帯においては、複数本のマイクロホンで構成されたマイクロホンアレイに対して方向性を持った波が混入することが知られている。特に、初期残響時間帯(直接波到来後、直接波の収音パワーから10dB減衰するまでの時間)においては方向性を持った強い反射波が混在するが、この反射波のパワーは発話向きにより変化する。具体的には、発話向きが正面方向であるほど直接波のパワーが大きくなるため、反射波のパワーは小さくなり、また、横方向であるほど直接波のパワーが小さくなるため、その分反射波のパワーが大きくなる。本発明はこのような性質を利用して発話向きを推定する。   The theoretical background that can determine the speech direction with such a configuration will be described. FIG. 5 shows the propagation characteristics of the audio signal in the time domain. Propagation characteristics can be broadly divided into three types: direct wave, initial reverberation, and rear reverberation. In the time zone in which direct wave and initial reverberation are observed, the directivity with respect to the microphone array composed of a plurality of microphones. It is known that waves with In particular, in the initial reverberation time zone (after the arrival of the direct wave, the time from the direct wave pickup power to the attenuation of 10 dB), a strong reflected wave with directionality is mixed, but the power of this reflected wave depends on the direction of speech. Change. Specifically, since the direct wave power increases as the utterance direction is the front direction, the reflected wave power decreases, and the direct wave power decreases as it is in the horizontal direction. The power of will increase. The present invention uses such a property to estimate the speech direction.

これについて以下、本発明の構成に則して説明する。図6は、正面向き、横向きの発話状態がどのように相関行列R(ω,k)の各固有値λi(ω,k)に影響するかを示したものである。ここでは3本のマイクロホンでマイクロホンアレイを構成した場合を例示する。正面向きの場合、マイクロホンアレイには直接波が多く到達し、反射波の到達割合は相対的に低いため、図6(a)に示すように、直接波を表現する基底ベクトルが、反射波を表現する基底ベクトル群に比べて大きなパワーを持つ。この時、第1固有値λ1(ω,k)は第2固有値λ2(ω,k)、第3固有値λ3(ω,k)と比べ顕著に大きな値を示す。一方、横向きの場合、マイクロホンアレイに到達する直接波は減少するため、その分反射波が多く到達する。そのため、図6(b)に示すように、直接波を表現する基底ベクトルのパワーが減少し、反射波を表現する基底ベクトル群のパワーが増加する。そして、この時には第1固有値λ1(ω,k)は正面向きの場合より小さくなり、逆に第2固有値λ2(ω,k)、第3固有値λ3(ω,k)は正面向きの場合より大きくなる。正面向きの場合と横向きの場合とで各固有値に生じる差異のイメージを図7に示す。 This will be described below in accordance with the configuration of the present invention. FIG. 6 shows how the utterance state in front and side affects each eigenvalue λ i (ω, k) of the correlation matrix R (ω, k). Here, a case where a microphone array is configured by three microphones is illustrated. When facing the front, many direct waves reach the microphone array, and the arrival rate of the reflected waves is relatively low. Therefore, as shown in FIG. Compared to the basis vector group to be expressed, it has a large power. At this time, the first eigenvalue λ 1 (ω, k) is significantly larger than the second eigenvalue λ 2 (ω, k) and the third eigenvalue λ 3 (ω, k). On the other hand, in the case of the horizontal orientation, the direct waves that reach the microphone array are reduced, so that more reflected waves arrive accordingly. For this reason, as shown in FIG. 6B, the power of the basis vectors expressing the direct wave decreases, and the power of the basis vector group expressing the reflected wave increases. At this time, the first eigenvalue λ 1 (ω, k) is smaller than that in the front direction, and conversely, the second eigenvalue λ 2 (ω, k) and the third eigenvalue λ 3 (ω, k) are in the front direction. Larger than the case. FIG. 7 shows an image of the difference that occurs in each eigenvalue between the case of facing forward and the case of facing sideways.

以上のことから、発話向きの変化は固有値に反映されることがわかる。そして、直接波の強弱が顕著に反映される第1固有値を判定パラメータとして用いることで、第1固有値があるしきい値より大きければ正面向き、小さければ横向きであると適切に判定することができる。   From the above, it can be seen that the change in speech direction is reflected in the eigenvalue. Then, by using the first eigenvalue that significantly reflects the strength of the direct wave as a determination parameter, it is possible to appropriately determine that the first eigenvalue is front-facing if it is greater than a certain threshold value, and that it is lateral if it is smaller. .

このように、第1実施形態の発話正面・横向き推定装置によれば、少数のマイクロホンを密集して配置すればよいため、多数のマイクロホンで発話者を囲い込むことなくコンパクトに構成することが可能となる。また、残響を積極的に利用する構成であるため、残響時間が250msec以上の残響環境下においても適切に発話向きを推定することが可能となる。また、本発明において処理の核となる固有値分解処理は演算量が少ないため、携帯端末のようなCPUスペックの低い機材に組み込む場合にも有利である。   As described above, according to the utterance front / sideways estimation apparatus of the first embodiment, since a small number of microphones need only be arranged densely, a compact configuration can be achieved without enclosing the speaker with a large number of microphones. It becomes. In addition, since the reverberation is actively used, it is possible to appropriately estimate the utterance direction even in a reverberation environment where the reverberation time is 250 msec or more. In addition, since the eigenvalue decomposition process, which is the core of the process in the present invention, has a small amount of calculation, it is advantageous when it is incorporated in a device having a low CPU specification such as a portable terminal.

〔第2実施形態〕
第1実施形態は、発話向きを正面向きであるか横向きであるかのみを判定するものであるが、第2実施形態は横向きについて、更に左向きか右向きかを判定することを可能とするものである。
図8に本発明の発話正面・横向き推定装置200の機能構成例を、図9にその処理フロー例を示す。
[Second Embodiment]
The first embodiment determines only whether the utterance direction is the front direction or the horizontal direction. However, the second embodiment can further determine whether the utterance direction is the left direction or the right direction. is there.
FIG. 8 shows an example of the functional configuration of the utterance front / sideways estimation apparatus 200 of the present invention, and FIG.

発話正面・横向き推定装置200は、M本(Mは2以上の整数)のマイクロホン101−1〜101−Mからなるマイクロホンアレイ101と、AD変換部12と、周波数領域変換部13と、相関行列計算部102と、固有値分解部201と、周波数平均化処理部104と、正面・横向き判定部105と、第1固有ベクトルパワー計算部202と、第2周波数平均化処理部203と、左右向き判定部204とを備える。このうち、固有値分解部201と、第1固有ベクトルパワー計算部202と、第2周波数平均化処理部203と、左右向き判定部204以外は、第1実施形態にて説明した同じ名称・符号を付した構成要素と同じものであるため、機能・処理の説明は省略する。   The utterance front / sideways estimation apparatus 200 includes a microphone array 101 composed of M microphones 101-1 to 101-M (M is an integer of 2 or more), an AD converter 12, a frequency domain converter 13, and a correlation matrix. Calculation unit 102, eigenvalue decomposition unit 201, frequency averaging processing unit 104, front / lateral orientation determination unit 105, first eigenvector power calculation unit 202, second frequency averaging processing unit 203, and left / right direction determination unit 204. Among these, the same names and symbols as described in the first embodiment are attached except for the eigenvalue decomposition unit 201, the first eigenvector power calculation unit 202, the second frequency averaging processing unit 203, and the left / right direction determination unit 204. Since these are the same components as those described above, descriptions of functions and processes are omitted.

固有値分解部201は、第1実施形態の固有値分解部103と同様な処理を行い、更に第1固有値λ1(ω,k)に対応する第1固有ベクトルvv1(ω,k)を出力する(S7)。
第1固有ベクトルパワー計算部202は、第1固有ベクトルvv1(ω,k)を入力とし、第1固有ベクトルvv1(ω,k)を構成するv1,1(ω,k)、・・・、v1,M(ω,k)のM個の要素について、それぞれ式(7)によりパワーを計算してM個のパワー要素pv1,1(ω,k)、・・・、pv1,M(ω,k)を出力する(S8)。
pv1,i(ω,k)=|v1,i(ω,k)| (7)
The eigenvalue decomposition unit 201 performs the same processing as the eigenvalue decomposition unit 103 of the first embodiment, and further outputs a first eigenvector vv 1 (ω, k) corresponding to the first eigenvalue λ 1 (ω, k) ( S7).
The first eigenvector power calculation unit 202 receives the first eigenvector vv 1 (ω, k) as input, and v 1,1 (ω, k),... Constituting the first eigenvector vv 1 (ω, k),. For M elements of v 1, M (ω, k), the power is calculated by the equation (7), respectively, and M power elements pv 1,1 (ω, k),..., pv 1, M (ω, k) is output (S8).
pv 1, i (ω, k) = | v 1, i (ω, k) | (7)

第2周波数平均化処理部203は、各周波数ω毎に生成されたM個のパワー要素pv1,1(ω,k)、・・・、pv1,M(ω,k)について、それぞれ式(8)により平均値を計算してM個の平均化パワー要素apv1,1(k)、・・・、apv1,M(k)を出力する(S9)。 The second frequency averaging processing unit 203 formulas M power elements pv 1,1 (ω, k),..., Pv 1, M (ω, k) generated for each frequency ω, respectively. The average value is calculated according to (8), and M averaged power elements apv 1,1 (k),..., Apv 1, M (k) are output (S9).

Figure 0005235724
Figure 0005235724

ここで、F2は平均化に用いる周波数のインデックス、|F2|は周波数のインデックスの総数であり、F2はΩ≧|F2|を満たすように適宜設定する。
なお、上記のS8、S9の処理は、S5、S6の処理と並行して実施しても構わない。
Here, F 2 is an index of frequencies used for averaging, | F 2 | is the total number of frequency indexes, and F 2 is appropriately set so as to satisfy Ω ≧ | F 2 |.
In addition, you may implement the process of said S8 and S9 in parallel with the process of S5 and S6.

左右向き判定部204は、正面・横向き判定部105での判定結果とM個の平均化パワー要素apv1,1(k)、・・・、apv1,M(k)とを入力とし、正面・横向き判定部105での判定結果が正面向きであった場合は、それをそのまま判定結果として出力し、横向きであった場合は、更に左向きに発話したか右向きに発話したかを判定して結果を出力する(S10)。左右向きの判定は、マイクロホンアレイ101を構成するM本のマイクロホンのうち、ある2本のマイクロホン101−α、101−βに対応する2個の平均化パワー要素apv1,α(k)、apv1,β(k)の比をとり、それを所定のしきい値thr2と比較することにより行う。左右向きの判定イメージを図10に例示する。この例では、図10(a)に示すマイクロホンαとマイクロホンβとの中間点に向いて発話された場合をapv1,α(k)/apv1,β(k)=thr2とし、この向きを基準とした左右方向の発話向きをapv1,α(k)/apv1,β(k)とthr2との大小関係により判定する。具体的には、左向きになればなるほどapv1,β(k)がapv1,α(k)に比べて減衰する割合が大きくなるため、apv1,α(k)/apv1,β(k)>thr2の時には左向きであると判定することができ(図10(b))、右向きになればなるほどapv1,α(k)がapv1,β(k)に比べて減衰する割合が大きくなるため、apv1,α(k)/apv1,β(k)<thr2の時には右向きであると判定することができる(図10(c))。なお、2本のマイクロホンは、平均化パワー要素apv1,α(k)、apv1,β(k)の値に差が生じやすいよう、発話者の位置に対して最も左右間隔の広い2本を選ぶのが望ましい。 The left / right direction determination unit 204 receives the determination result of the front / side direction determination unit 105 and M averaged power elements apv 1,1 (k),..., Apv 1, M (k) as inputs. -If the determination result in the landscape orientation determination unit 105 is front-facing, it is output as it is as a determination result, and if it is landscape orientation, the result is determined by further deciding whether to speak leftward or rightward Is output (S10). The left-right orientation determination is performed by using two averaged power elements apv 1, α (k), apv corresponding to two microphones 101-α and 101-β among the M microphones constituting the microphone array 101. This is done by taking a ratio of 1, β (k) and comparing it to a predetermined threshold thr2. FIG. 10 illustrates an example of the determination image in the horizontal direction. In this example, a case where the speech is directed toward the midpoint between the microphone α and the microphone β shown in FIG. 10A is set as apv 1, α (k) / apv 1, β (k) = thr2, and this direction is set as follows. The reference speech direction in the left-right direction is determined based on the magnitude relationship between apv 1, α (k) / apv 1, β (k) and thr2. Specifically, since the rate of attenuation of apv 1, β (k) is larger than apv 1, α (k) as it goes to the left, apv 1, α (k) / apv 1, β (k )> Thr2 can be determined to be leftward (FIG. 10 (b)), and the more rightward is, the greater the rate at which apv 1, α (k) attenuates than apv 1, β (k). Therefore, when apv 1, α (k) / apv 1, β (k) <thr2, it can be determined to be rightward (FIG. 10 (c)). Note that the two microphones have the widest left-right spacing with respect to the speaker's position so that the average power elements apv 1, α (k) and apv 1, β (k) tend to differ. It is desirable to choose.

このような構成で左右向きを判定することができる理論的背景を説明する。第1実施形態で説明したように、直接波を表現する基底ベクトルのパワーは第1固有値に顕著に反映される。そのため、第1固有値に対応する第1固有ベクトルの、M本のマイクロホンに対応する各パワー要素の値は、直接波がM本のマイクロホンのそれぞれにどの程度の強さで届いているかの尺度となると考えることができる。そして、直接波が各マイクロホンに届くパワーは発話向きによって変化する。そこで上記のように、基準とする発話向きにおける任意の2本のマイクロホンのパワー要素の比をしきい値(thr2)とし、そのしきい値とある発話向きの時の2本のマイクロホンのパワー要素の値の比とを比較することで、その大小関係から、基準とする発話向きに対して左向きに発話したか右向きに発話したかを判定することができる。   The theoretical background that can determine the left-right orientation with such a configuration will be described. As described in the first embodiment, the power of the basis vector representing the direct wave is significantly reflected in the first eigenvalue. Therefore, the value of each power element corresponding to the M microphones of the first eigenvector corresponding to the first eigenvalue is a measure of how strong the direct wave reaches each of the M microphones. Can think. The power at which direct waves reach each microphone varies depending on the direction of speech. Therefore, as described above, the ratio of the power elements of any two microphones in the reference utterance direction is set as a threshold (thr2), and the threshold and the power elements of the two microphones in a certain utterance direction It is possible to determine whether the utterance is uttered in the left direction or the utterance in the right direction with respect to the reference utterance direction from the magnitude relationship.

このように、第2実施形態の発話正面・横向き推定装置によれば、第1実施形態の構成における効果に加え、横向きについて更に左右のいずれの向きであるかも判定できるため、ネットワークを介した相手方とのコミュニケーションをより円滑に行うことが可能となる。   As described above, according to the utterance front / sideways estimation apparatus of the second embodiment, in addition to the effects of the configuration of the first embodiment, it is possible to determine which side is the left or right direction with respect to the sideways direction. It is possible to communicate more smoothly.

〔正面・横向き判定部〕
発話者が正面向き、或いは横向きであるかを判定する方法として、第1平均化固有値の大きさを用いる方法を、第1実施形態で説明した。この発話者の発話方向が正面向きか横向きかを判定する方法について、更に詳しく説明する。
図11に、発話者が正面向きの場合、左向きの場合、右向きの場合のそれぞれについて、空間相関行列を構成する音響伝播ベクトル群と、空間相関行列の固有空間を概念的に示す。空間相関行列を構成する音響伝播ベクトル群は、直接波と初期反射波と後部残響とが合わさったものと考えられる。これらの固有ベクトルが形成する固有空間の形状は、点線で示すような形状で表せると仮定する。
[Front / Horizontal Judgment Section]
As a method for determining whether the speaker is facing frontward or sideways, the method using the magnitude of the first averaged eigenvalue has been described in the first embodiment. A method for determining whether the utterance direction of the speaker is the front direction or the side direction will be described in more detail.
FIG. 11 conceptually shows the acoustic propagation vector group constituting the spatial correlation matrix and the eigenspace of the spatial correlation matrix for each of the case where the speaker is front-facing, left-facing, and right-facing. The acoustic propagation vector group constituting the spatial correlation matrix is considered to be a combination of the direct wave, the initial reflected wave, and the rear reverberation. It is assumed that the shape of the eigenspace formed by these eigenvectors can be represented by the shape shown by the dotted line.

この形状は、正面向きの場合、初期反射波が左右向きの場合に比べて小さく混入するので、直接波の基底となる音響伝播波の大きさに依存したものとなる。つまり正面向きの場合、辺長に大きな偏りがある形状となる。また、左右の横向きの場合には初期反射波が大きく混入するので、直接波の基底となる音響伝播に依存しながらも初期反射波の影響を大きく受けた形状となる。つまり横向きの場合の空間相関行列の固有空間の形状は、正面向きの場合に比べると、辺長の偏りが小さな形状となる。   This shape depends on the magnitude of the acoustic propagation wave that is the base of the direct wave because the initial reflected wave is mixed smaller in the front direction than in the case of the left and right direction. That is, in the case of facing the front, the shape has a large deviation in the side length. In addition, since the initial reflected wave is mixed greatly in the case of the horizontal orientation on the left and right, the shape is greatly affected by the initial reflected wave while depending on the acoustic propagation that is the base of the direct wave. That is, the shape of the eigenspace of the spatial correlation matrix in the horizontal direction is a shape in which the side length deviation is smaller than that in the front direction.

この固有空間の形状を評価することでも、発話者が正面向きか横向きかの判定を行うことが可能である。図12に固有空間形状を評価する方式の正面・横向き判定部125の機能構成例と、固有値分解部123と、周波数平均化処理部124とを示す。正面・横向き判定部125の処理フローを図13に示す。正面・横向き判定部125は、固有空間形状評価部125aと、判定部125bを備える。   It is also possible to determine whether the speaker is facing front or side by evaluating the shape of this eigenspace. FIG. 12 shows a functional configuration example of the front / side orientation determination unit 125 of the method for evaluating the eigenspace shape, the eigenvalue decomposition unit 123, and the frequency averaging processing unit 124. FIG. 13 shows a processing flow of the front / side orientation determination unit 125. The front / side orientation determination unit 125 includes an eigenspace shape evaluation unit 125a and a determination unit 125b.

固有値分解部123は、上記した固有値分解部103と基本的に同じものであるが、固有値λ1,…,λを式(9)により正規化して第1正規化固有値列nΛ(ω,k)=[nλ(ω,k),…,nλM(ω,k)]を出力するものである。 The eigenvalue decomposition unit 123 is basically the same as the eigenvalue decomposition unit 103 described above. However, the eigenvalues λ 1 ,..., Λ M are normalized by the equation (9), and the first normalized eigenvalue sequence nΛ (ω, k ) = [Nλ 1 (ω, k),..., Nλ M (ω, k)].

Figure 0005235724
Figure 0005235724

ここで、nλ(ω,k)の添え字mは1〜Mまでを代入して、それぞれを計算することで、第1正規化固有値列nΛ(ω,k)を構成する要素を計算する。
周波数平均化処理部124は、各周波数ω毎に得られた第1正規化固有値列nΛ(ω,k)について、式(10)により平均値を計算して第1平均化固有値列aΛ(k)=[aλ1(k),…,aλ(k)]を出力するものである。
Here, subscript m of nλ m (ω, k) is substituted for 1 to M, and by calculating each, the elements constituting the first normalized eigenvalue sequence nΛ (ω, k) are calculated. .
The frequency averaging processing unit 124 calculates an average value for the first normalized eigenvalue sequence nΛ (ω, k) obtained for each frequency ω by the equation (10), and calculates the first averaged eigenvalue sequence aΛ (k ) = [Aλ 1 (k),..., Aλ M (k)].

Figure 0005235724
Figure 0005235724

固有空間形状評価部125aは、マイクロホンの数M個に対応する数の第1平均化固有値から成る第1平均化固有値列aΛ(k)=[aλ1(k),…,aλ(k)]を入力として、式(11)に示す固有空間形状評価値Sλを出力する(S125a)。 The eigenspace shape evaluation unit 125a includes a first averaged eigenvalue sequence aΛ (k) = [aλ 1 (k),..., Aλ M (k) composed of a number of first averaged eigenvalues corresponding to the number M of microphones. ] Is input, and the eigenspace shape evaluation value Sλ shown in Expression (11) is output (S125a).

Figure 0005235724
Figure 0005235724

ここでKは、1≦K<Mを満たす整数であり、固有空間形状評価部125aに予め設定されている定数である。Kは外部から与えてもよい。このK個の第1平均化固有値aλ(k)を累計したSλによって、図11に示した固有空間形状を模擬することができる。 Here, K 1 is an integer that satisfies 1 ≦ K 1 <M, and is a constant set in advance in the eigenspace shape evaluation unit 125a. K 1 may be given from the outside. The eigenspace shape shown in FIG. 11 can be simulated by Sλ obtained by accumulating the K first averaged eigenvalues aλ m (k).

判定部125bは、固有空間形状評価値Sλを閾値thr1で判定して発話者の発話の方向が正面向きか否を判定する(S125b)。閾値thr1は、例えば、発話者向きが異なるデータから経験的に得た固有空間形状評価値Sλで発話者向きを判別するための所定値に設定される。固有空間形状評価値Sλが閾値thr1よりも大であれば、辺長の偏りが比較的大きい正面向きと判定して正面フラグS=1にセットする(S125c)。つまり、発話者がマイクロホンの正面方向から発話していると判定する。 The determination unit 125b determines the eigenspace shape evaluation value Sλ with the threshold value thr1, and determines whether or not the direction of the utterance of the speaker is the front direction (S125b). The threshold value thr1 is set to, for example, a predetermined value for determining the speaker direction based on the eigenspace shape evaluation value Sλ obtained empirically from data with different speaker directions. If the eigenspace shape evaluation value Sλ is larger than the threshold value thr1, it is determined that the front direction has a relatively large side length deviation, and the front flag S F = 1 is set (S125c). That is, it is determined that the speaker is speaking from the front of the microphone.

また、固有空間形状評価値Sλが閾値thr1よりも小であれば、固有空間形状評価値Sλを、辺長の偏りが比較的小さな横向きと判定して正面フラグS=0にリセットする(S125d)。つまり、発話者がマイクロホンの横方向から発話していると判定する。
図14に、他の方法で固有空間の形状を求める正面・横向き判定部145の機能構成例を示す。正面・横向き判定部145は、固有空間形状評価値Sλを式(12)で求める点で、正面・横向き判定部125と異なる。
On the other hand, if the eigenspace shape evaluation value Sλ is smaller than the threshold value thr1, the eigenspace shape evaluation value Sλ is determined to be a lateral direction with a relatively small side length deviation and is reset to the front flag S F = 0 (S125d). ). That is, it is determined that the speaker is speaking from the side of the microphone.
FIG. 14 shows a functional configuration example of the front / side orientation determination unit 145 that obtains the shape of the eigenspace by another method. The front / side orientation determination unit 145 is different from the front / side orientation determination unit 125 in that the eigenspace shape evaluation value Sλ is obtained by Expression (12).

Figure 0005235724
Figure 0005235724

定数K及び閾値thr2の考えは、正面・横向き判定部125と同じである。正面・横向き判定部145の処理フローを図15に示す。その処理フローは、正面・横向き判定部125と基本的に同じであるので説明は省略する。このように、所定数の第1平均化固有値列を積和して求めた固有空間形状評価値Sλを用いてもよい。 Considered constant K 2 and threshold thr2 is the same as the front-lateral determination unit 125. A processing flow of the front / side orientation determination unit 145 is shown in FIG. Since the processing flow is basically the same as that of the front / side orientation determination unit 125, a description thereof will be omitted. In this way, the eigenspace shape evaluation value Sλ obtained by multiplying and summing a predetermined number of first averaged eigenvalue sequences may be used.

なお、第1平均化固有値列を累計或いは積和する数(K,K)を他にも用いることで、発話正面・横向き推定装置の全体の計算量を削減することが可能である。つまり、固有空間形状を判定するのに必要な数以上の、第1平均化固有値列を求めても無駄である。よって、K,Kを固有値分解部123に与えて必要な数の第1正規化固有値を計算させるようにしてもよい。そうすることで、固有値分解部123と周波数平均化処理部124における計算量を削減することができる。 In addition, it is possible to reduce the total amount of calculation of the utterance front / sideways estimation device by using other numbers (K 1 , K 2 ) that accumulate or sum the first averaged eigenvalue sequence. That is, it is useless to obtain the first averaged eigenvalue sequence more than necessary to determine the eigenspace shape. Therefore, K 1 and K 2 may be given to the eigenvalue decomposition unit 123 to calculate a necessary number of first normalized eigenvalues. By doing so, the calculation amount in the eigenvalue decomposition unit 123 and the frequency averaging processing unit 124 can be reduced.

また、図16に示す正面・横向き判定部165も考えられる。正面・横向き判定部165は、ノルム評価部165aと、判定部165bを備える。ノルム評価部165aは、式(13)で第1平均化固有値列を評価してノルムCθ〜(k)を出力する。 Further, a front / side orientation determination unit 165 shown in FIG. 16 is also conceivable. The front / side orientation determination unit 165 includes a norm evaluation unit 165a and a determination unit 165b. The norm evaluation unit 165a evaluates the first averaged eigenvalue sequence using Expression (13), and outputs the norm Cθ˜ (k).

Figure 0005235724
Figure 0005235724

ここでmΛθ〜は、発話者向きの候補θ毎に用意されたモデル固有値列mΛθ〜=[mλ1 θ〜,…,mλ θ〜]である。このモデル固有値mΛθ〜は、例えば予め発話者向きの候補θ毎に測定したデータから算出された値である。
このノムル値Cθ〜(k)が最も小さい発話者向きの候補θから、正面か横向きかを判定部165bで判定する。例えば、左向きの場合にノルム値が最小となれば横向きと判定する。その判定の考えは、上記した正面・横向き判定部125,145と同じである。
Here θ~, the model eigenvalues column was prepared for each - a candidate for speaker orientation θ mΛ θ~ = [mλ 1 θ~ , ..., mλ M θ~] is. This model eigenvalue m [lambda Shita~ is, for example, a value calculated in advance from speaker facing candidate θ data measured every ~.
The Nomuru value C Shita~ from candidates theta ~ smallest speaker orientation is (k), it determines whether front or sideways determining unit 165b. For example, if the norm value is minimum when facing left, it is determined that the side is facing horizontally. The idea of the determination is the same as that of the front / side determination units 125 and 145 described above.

上記の各実施形態の発話正面・横向き推定装置の構成をコンピュータによって実現する場合、各装置が有すべき機能の処理内容はプログラムによって記述される。そして、このプログラムをコンピュータで実行することにより、上記処理機能がコンピュータ上で実現される。この場合、処理内容の少なくとも一部をハードウェア的に実現することとしてもよい。
また、上述の各種処理は、記載に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されてもよい。その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
When the configuration of the utterance front / side orientation estimation device of each of the above embodiments is realized by a computer, the processing contents of the functions that each device should have are described by a program. The processing functions are realized on the computer by executing the program on the computer. In this case, at least a part of the processing content may be realized by hardware.
Further, the various processes described above are not only executed in time series according to the description, but may be executed in parallel or individually as required by the processing capability of the apparatus that executes the processes. In addition, it can change suitably in the range which does not deviate from the meaning of this invention.

〔効果の検証〕
図17(a)に示す収音環境において、図17(b)に示す条件の下で、本発明の効果の検証を行った。なお、発話向きの定義は図17(c)に示すとおりである。
図18に各発話向きと第1〜第7平均化固有値aλi(k)との関係を示す。ここで、第2〜第7平均化固有値は第1平均化固有値と同様な方法で求めたものである。また、図18(a)は残響時間が250msecの場合、図18(b)は残響時間が400msecの場合である。いずれの残響時間の場合も、第1平均化固有値は発話向きによって大きく異なるが、第2〜第7平均化固有値は発話向きによる差が小さい。また、第1固有値は0°(正面向き)の時が最も大きく、±90°(横向き)の時が最も小さい。この検証結果より、第1実施形態に示した第1平均化固有値により正面・横向きを判定する本発明の構成が妥当かつ有効であることがわかる。
[Verification of effects]
In the sound collection environment shown in FIG. 17 (a), the effect of the present invention was verified under the conditions shown in FIG. 17 (b). The definition of the utterance direction is as shown in FIG.
FIG. 18 shows the relationship between each utterance direction and the first to seventh averaged eigenvalues aλ i (k). Here, the second to seventh averaged eigenvalues are obtained by the same method as the first averaged eigenvalue. FIG. 18A shows the case where the reverberation time is 250 msec, and FIG. 18B shows the case where the reverberation time is 400 msec. In any reverberation time, the first averaged eigenvalue varies greatly depending on the speech direction, but the second to seventh averaged eigenvalues have a small difference depending on the speech direction. The first eigenvalue is the largest when it is 0 ° (frontward) and the smallest when it is ± 90 ° (laterally). From this verification result, it can be seen that the configuration of the present invention for determining the front / sideways orientation based on the first averaged eigenvalue shown in the first embodiment is valid and effective.

また、図19に第2実施形態の構成により推定した左右方向の発話向きと実際の発話向きとの比較を示す。図19(a)は残響時間が250msecの場合、図19(b)は残響時間が400msecの場合である。いずれの残響時間の場合も、75%以上の正解率が得られた。この検証結果より、第2実施形態に示した第1固有ベクトルの2つのパワー要素から左右向きを判定する本発明の構成が妥当かつ有効であることがわかる。   FIG. 19 shows a comparison between the utterance direction in the left-right direction estimated by the configuration of the second embodiment and the actual utterance direction. FIG. 19A shows the case where the reverberation time is 250 msec, and FIG. 19B shows the case where the reverberation time is 400 msec. In any reverberation time, a correct answer rate of 75% or more was obtained. From this verification result, it can be seen that the configuration of the present invention for determining the left-right orientation from the two power elements of the first eigenvector shown in the second embodiment is valid and effective.

〔サービス適用例〕
図20は音声会議端末に本発明を組み込んだサービスの構成例である。会議場Aと会議場Bとをネットワークを通じて音声端末で繋がれている状況を想定する。音声会議端末に取り付けられたマイクロホンで収音した音声信号から発話向き情報を抽出し、音声情報と共に相手側へ伝送する。相手側にて、発話向き情報を視覚情報として提示することで、音声情報だけでは伝わりにくかった場の状況を伝達することができる。
[Service application example]
FIG. 20 is a structural example of a service in which the present invention is incorporated in an audio conference terminal. Assume that the conference hall A and the conference hall B are connected by a voice terminal through a network. Speech direction information is extracted from a voice signal picked up by a microphone attached to the voice conference terminal, and transmitted to the other party along with the voice information. By presenting the utterance direction information as visual information on the other party side, it is possible to convey the situation of the place that is difficult to convey only with the voice information.

また、会議でのやりとりの様子を映像や音声を用いて記録する議事録システムにも発話者向き推定技術を応用できる。発話者向き推定技術によって、収録した音声や映像に誰が誰に向かって話したのかというタグを付けることができるので、議事録の整理作業に役立つ。また、画像で顔向きを検出して行うサービス、例えば、監視カメラやインターフォン等で用いられる監視・防犯目的のサービスや、ディジタルサイネージ(電子看板)で広告に注目しているか否かを判定するサービス等も、音声信号出力に置き換えることが可能である。   Also, the speaker orientation estimation technology can be applied to a minutes system that records the state of communication in a meeting using video and audio. The speaker orientation estimation technology can tag the recorded voice and video as to who spoke to whom, which is useful for organizing the minutes. In addition, services performed by detecting face orientation in images, for example, surveillance / crime prevention services used with surveillance cameras and intercoms, and services that determine whether or not attention is paid to advertisements using digital signage (electronic signage) Etc. can also be replaced with an audio signal output.

Claims (9)

イクロホンアレイを構成する複数のマイクロホンそれぞれで収音した音声信号間の相関を表す相関行列を生成して、この相関行列の少なくとも最大の固有値から、発話者が上記マイクロホンアレイに対し正面向きに発話したか横向きに発話したかを推定する発話正面・横向き推定装置。 Generates a correlation matrix representing a correlation between the audio signal picked up by the plurality of microphones constituting the Ma Ikurohon'arei, from at least the largest eigenvalue of the correlation matrix, speaker is frontally with respect to the microphone array An utterance front / side direction estimation device that estimates whether a utterance or a sideways utterance. マイクロホンアレイを構成するM本(Mは2以上の整数)のマイクロホンで収音したディジタル音声信号を、複数サンプルからなるフレーム単位で時間領域から周波数領域に変換する周波数領域変換部と、
各周波数毎に、周波数領域に変換されたそれぞれの上記ディジタル音声信号間の相関を表すM×Mの相関行列をる相関行列計算部と、
上記相関行列の少なくとも最大の固有値に基づく評価値を所定のしきい値と比較することにより、発話者が上記マイクロホンアレイに対し正面向きに発話したか横向きに発話したかを判定して結果を出力する正面・横向き判定部と、
を備えることを特徴とする発話正面・横向き推定装置。
De Ijitaru audio signal picked up by the microphone of the M constituting the microphone array (M is an integer of 2 or more), and the frequency domain conversion unit for converting the frequency domain from the time domain in units of frames consisting of a plurality of samples,
For each frequency, a correlation matrix calculator Ru obtain the correlation matrix of M × M representing the correlation between each of said digital audio signal converted into the frequency domain,
By comparing the evaluation value based on at least the maximum eigenvalue of the correlation matrix with a predetermined threshold value , it is determined whether the speaker speaks in front or side with respect to the microphone array and outputs the result. A front / side orientation determination unit,
An utterance front / side orientation estimation device characterized by comprising:
マイクロホンアレイを構成するM本(Mは2以上の整数)のマイクロホンで収音したディジタル音声信号を、複数サンプルからなるフレーム単位で時間領域から周波数領域に変換する周波数領域変換部と、  A frequency domain conversion unit for converting a digital audio signal collected by M microphones (M is an integer of 2 or more) constituting a microphone array from a time domain to a frequency domain in units of frames composed of a plurality of samples;
各周波数毎に、周波数領域に変換されたそれぞれの上記ディジタル音声信号間の相関を表すM×Mの相関行列を得る相関行列計算部と、  A correlation matrix calculator that obtains an M × M correlation matrix representing the correlation between the digital audio signals converted into the frequency domain for each frequency;
上記相関行列の最大の固有値を正規化して得られる第1正規化固有値を得る固有値分解部と、  An eigenvalue decomposition unit for obtaining a first normalized eigenvalue obtained by normalizing the maximum eigenvalue of the correlation matrix;
上記第1正規化固有値、または、上記第1正規化固有値の周波数平均である第1平均化固有値と所定のしきい値とを比較することにより、発話者が上記マイクロホンアレイに対し正面向きに発話したか横向きに発話したかを判定して結果を出力する正面・横向き判定部と、  By comparing the first normalized eigenvalue or the first averaged eigenvalue that is the frequency average of the first normalized eigenvalue with a predetermined threshold value, the speaker speaks in front of the microphone array. A front / side determination unit that determines whether the user has spoken in a horizontal direction and outputs the result,
を備えることを特徴とする発話正面・横向き推定装置。An utterance front / side orientation estimation device characterized by comprising:
マイクロホンアレイを構成するM本(Mは2以上の整数)のマイクロホンで収音したディジタル音声信号を、複数サンプルからなるフレーム単位で時間領域から周波数領域に変換する周波数領域変換部と、  A frequency domain conversion unit for converting a digital audio signal collected by M microphones (M is an integer of 2 or more) constituting a microphone array from a time domain to a frequency domain in units of frames composed of a plurality of samples;
各周波数毎に、周波数領域に変換されたそれぞれの上記ディジタル音声信号間の相関を表すM×Mの相関行列を得る相関行列計算部と、  A correlation matrix calculator that obtains an M × M correlation matrix representing the correlation between the digital audio signals converted into the frequency domain for each frequency;
上記相関行列の固有値を正規化して得られる第1正規化固有値を得る固有値分解部と、  An eigenvalue decomposition unit for obtaining a first normalized eigenvalue obtained by normalizing the eigenvalue of the correlation matrix;
少なくとも最大の固有値に対応する第1正規化固有値を含み、最小の固有値に対応する第1正規化固有値を含まない複数個の第1正規化固有値の和または積、または上記第1正規化固有値の周波数平均である第1平均化固有値のうち、少なくとも最大の固有値に対応する第1平均化固有値を含み、最小の固有値に対応する第1平均化固有値を含まない複数個の第1平均化固有値の和または積と所定のしきい値とを比較することにより、発話者が上記マイクロホンアレイに対し正面向きに発話したか横向きに発話したかを判定して結果を出力する正面・横向き判定部と、  A sum or product of a plurality of first normalized eigenvalues including at least a first normalized eigenvalue corresponding to the largest eigenvalue and not including a first normalized eigenvalue corresponding to the smallest eigenvalue, or of the first normalized eigenvalue Among the first averaged eigenvalues that are frequency averages, a plurality of first averaged eigenvalues that include at least the first averaged eigenvalue corresponding to the largest eigenvalue and do not include the first averaged eigenvalue corresponding to the smallest eigenvalue. By comparing the sum or product with a predetermined threshold value, it is determined whether the speaker speaks in front or side to the microphone array, and outputs a result.
を備えることを特徴とする発話正面・横向き推定装置。An utterance front / side orientation estimation device characterized by comprising:
イクロホンアレイを構成する複数のマイクロホンそれぞれで収音した音声信号間の相関を表す相関行列を生成して、この相関行列の少なくとも最大の固有値から、発話者が上記マイクロホンアレイに対し正面向きに発話したか横向きに発話したかを推定する発話正面・横向き推定方法。 Generates a correlation matrix representing a correlation between the sound signal picked up by the plurality of microphones constituting the Ma Ikurohon'arei, from at least the largest eigenvalue of the correlation matrix, speaker is frontally relative to said microphone array An utterance front / side direction estimation method that estimates whether a utterance or a sideways utterance. マイクロホンアレイを構成するM本(Mは2以上の整数)のマイクロホンで収音したディジタル音声信号を、複数サンプルからなるフレーム単位で時間領域から周波数領域に変換する周波数領域変換ステップと、
各周波数毎に、周波数領域に変換されたそれぞれの上記ディジタル音声信号間の相関を表すM×Mの相関行列をる相関行列計算ステップと、
上記相関行列の少なくとも最大の固有値に基づく評価値を所定のしきい値と比較することにより、発話者が上記マイクロホンアレイに対し正面向きに発話したか横向きに発話したかを判定して結果を出力する正面・横向き判定ステップと、
を備えることを特徴とする発話正面・横向き推定方法。
De Ijitaru audio signal picked up by the microphone of the M constituting the microphone array (M is an integer of 2 or more), and the frequency domain conversion step of converting the frequency domain from the time domain in units of frames consisting of a plurality of samples,
For each frequency, a correlation matrix calculating step Ru obtain a correlation matrix of M × M representing the correlation between each of said digital audio signal converted into the frequency domain,
By comparing the evaluation value based on at least the maximum eigenvalue of the correlation matrix with a predetermined threshold value , it is determined whether the speaker speaks in front or side with respect to the microphone array and outputs the result. Front / side orientation determination step,
An utterance front / side direction estimation method comprising:
マイクロホンアレイを構成するM本(Mは2以上の整数)のマイクロホンで収音したディジタル音声信号を、複数サンプルからなるフレーム単位で時間領域から周波数領域に変換する周波数領域変換ステップと、  A frequency domain conversion step of converting a digital audio signal collected by M microphones (M is an integer of 2 or more) constituting a microphone array from a time domain to a frequency domain in units of frames composed of a plurality of samples;
各周波数毎に、周波数領域に変換されたそれぞれの上記ディジタル音声信号間の相関を表すM×Mの相関行列を得る相関行列計算ステップと、  A correlation matrix calculating step for obtaining an M × M correlation matrix representing the correlation between the digital audio signals converted into the frequency domain for each frequency;
上記相関行列の最大の固有値を正規化して得られる第1正規化固有値を得る固有値分解ステップと、  An eigenvalue decomposition step of obtaining a first normalized eigenvalue obtained by normalizing the maximum eigenvalue of the correlation matrix;
上記第1正規化固有値、または、上記第1正規化固有値の周波数平均である第1平均化固有値と所定のしきい値とを比較することにより、発話者が上記マイクロホンアレイに対し正面向きに発話したか横向きに発話したかを判定して結果を出力する正面・横向き判定ステップと、  By comparing the first normalized eigenvalue or the first averaged eigenvalue that is the frequency average of the first normalized eigenvalue with a predetermined threshold value, the speaker speaks in front of the microphone array. A front / landscape determination step that determines whether the user has spoken in a horizontal direction and outputs the result,
を備えることを特徴とする発話正面・横向き推定方法。An utterance front / side direction estimation method comprising:
マイクロホンアレイを構成するM本(Mは2以上の整数)のマイクロホンで収音したディジタル音声信号を、複数サンプルからなるフレーム単位で時間領域から周波数領域に変換する周波数領域変換ステップと、  A frequency domain conversion step of converting a digital audio signal collected by M microphones (M is an integer of 2 or more) constituting a microphone array from a time domain to a frequency domain in units of frames composed of a plurality of samples;
各周波数毎に、周波数領域に変換されたそれぞれの上記ディジタル音声信号間の相関を表すM×Mの相関行列を得る相関行列計算ステップと、  A correlation matrix calculating step for obtaining an M × M correlation matrix representing the correlation between the digital audio signals converted into the frequency domain for each frequency;
上記相関行列の固有値を正規化して得られる第1正規化固有値を得る固有値分解ステップと、  An eigenvalue decomposition step of obtaining a first normalized eigenvalue obtained by normalizing the eigenvalue of the correlation matrix;
少なくとも最大の固有値に対応する第1正規化固有値を含み、最小の固有値に対応する第1正規化固有値を含まない複数個の第1正規化固有値の和または積、または上記第1正規化固有値の周波数平均である第1平均化固有値のうち、少なくとも最大の固有値に対応する第1平均化固有値を含み、最小の固有値に対応する第1平均化固有値を含まない複数個の第1平均化固有値の和または積と所定のしきい値とを比較することにより、発話者が上記マイクロホンアレイに対し正面向きに発話したか横向きに発話したかを判定して結果を出力する正面・横向き判定ステップと、  A sum or product of a plurality of first normalized eigenvalues including at least a first normalized eigenvalue corresponding to the largest eigenvalue and not including a first normalized eigenvalue corresponding to the smallest eigenvalue, or of the first normalized eigenvalue Among the first averaged eigenvalues that are frequency averages, a plurality of first averaged eigenvalues that include at least the first averaged eigenvalue corresponding to the largest eigenvalue and do not include the first averaged eigenvalue corresponding to the smallest eigenvalue. A front-side / right-side determination step for determining whether the speaker has spoken in front or side to the microphone array by comparing the sum or product with a predetermined threshold, and outputting the result; and
を備えることを特徴とする発話正面・横向き推定方法。An utterance front / side direction estimation method comprising:
請求項1から請求項4のいずれかに記載した装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム。 The program for functioning a computer as an apparatus as described in any one of Claims 1-4 .
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