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JP6726082B2 - 防犯に関わる音の判定方法及び情報処理装置 - Google Patents
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JP6726082B2 - 防犯に関わる音の判定方法及び情報処理装置 - Google Patents

防犯に関わる音の判定方法及び情報処理装置 Download PDF

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Description

本発明は、防犯に関わる音を検出する技術に関する。
従来から、悲鳴を検出するような技術は存在している。具体的には、母音の継続期間を測定することで検出する例や、音声のパワー情報と調波情報と基本周波数とに基づき検出処理を行う例や、2つの帯域における音声の音量により検出を行う例などが知られている。また、パターンマッチングにより、言葉以外の音声や破壊音等を検出するような技術もある。
しかしながら、これらの従来技術では、様々な環境音や会話音声が存在する空間において、悲鳴やその他防犯上識別すべき音の発生を精度良く検出できない。
特開平9−251583号公報 特開2001−312292号公報 特開2011−53557号公報 特開2012−48173号公報
従って、本発明の目的は、一側面によれば、精度良く、防犯上識別すべき音の発生を検出するための技術を提供することである。
本発明に係る判定方法は、(A)入力された音データに対して、音データに係る音のスペクトルの変動度合いを表す第1のパラメータ値と、音データに係る音の白色度合いを表す第2のパラメータ値と、音データに係る音における調波構造の度合いを表す第3のパラメータ値とを算出するステップと、(B)第1のパラメータ値と第2のパラメータ値と第3のパラメータ値とに基づき、音データに、防犯上識別すべき所定の音が含まれるか否かを判定するステップとを含む。
一側面によれば、精度良く、防犯上識別すべき音の発生を検出できるようになる。
図1は、実施の形態に係るシステムの概要を示す図である。 図2は、防犯上識別すべき音とパラメータ値との関係を表す図である。 図3は、実施の形態に係る処理フローを示す図である。 図4は、実施の形態に係る処理フローを示す図である。
本発明の一実施の形態に係るシステム構成例を図1に示す。
実施の形態に係る主要な処理を実行する情報処理装置100には、集音用のマイク1aが接続されている。ここでは、マイク1aから、周辺の音のアナログ信号をディジタル化することで得られた音データが情報処理装置100に入力されるものとする。但し、音のアナログ信号が情報処理装置100に入力されて、情報処理装置100においてディジタル化された音データが生成される場合もある。
また、場合によっては、マイク1bが、IoT(Internet of Things)ゲートウェイのような端末装置300に接続されており、当該端末装置300が、インターネット等のコンピュータネットワーク200を介して情報処理装置100に接続される場合もある。この場合、マイク1b又は端末装置300において、音のアナログ信号をディジタル化することで音データが得られて、当該音データは、コンピュータネットワーク200を介して、情報処理装置100に入力される。
マイク1a又は1bは、警備を行うべきエリアに配置される。情報処理装置100は、警備を行うべきエリアの近隣に設置されることもあれば、遠隔地に設置される場合もある。情報処理装置100は、クラウドなどに設けられる物理的なサーバである場合もあれば、仮想マシンとして実現される場合もある。
情報処理装置100は、音データ格納部102と、算出部103と、第2データ格納部104と、判定部105と、出力部106とを有する。
音データ格納部102は、マイク1a又は1bからの音データを格納する。算出部103は、本実施の形態において特徴的なパラメータ値を算出する。より具体的には、算出部103は、前処理部1031と、第1データ格納部1032と、第1パラメータ値算出部1033と、第2パラメータ値算出部1034と、第3パラメータ値算出部1035と、第4パラメータ値算出部1036とを有する。
前処理部1031は、第1乃至第4パラメータ値算出部1033乃至1036共通で用いるデータを生成するための処理を実行し、処理結果を第1データ格納部1032に格納する。なお、第4パラメータ値算出部1036を用いるか否かは任意である。
第1パラメータ値算出部1033は、音のスペクトルの変動度合いを表す第1パラメータ値を算出する。第2パラメータ値算出部1034は、音の白色度合いを表す第2パラメータ値を算出する。第3パラメータ値算出部1035は、音における調波構造の度合いを表す第3パラメータ値を算出する。第4パラメータ値算出部1036は、音の主要な周波数を表す第4パラメータ値を算出する。第1乃至第4パラメータ値については後に詳しく述べる。
第2データ格納部104は、算出部103によって算出されたパラメータ値を格納する。判定部105は、第2データ格納部104に格納されているパラメータ値に基づき、防犯上識別すべき所定の音が発生したか否かを判定する。出力部106は、判定部105によって防犯上識別すべき所定の音が発生したと判定された場合に、その旨又は検出した音の種類を表す通知を出力する。例えば、警告音又は警告音声メッセージを出力する。又は、情報処理装置100に接続される端末装置又はコンピュータネットワーク200などを介して接続される端末装置のモニターに、警告メッセージを表示する。このような端末装置から、警告音又は警告音声メッセージを出力するようにしても良い。警告音声メッセージ及び警告メッセージは、検出した音の種類についての情報を含む。
ここで、本実施の形態で用いられる第1乃至第4パラメータ値について説明しておく。第1パラメータ値は、音のスペクトルの変動度合いを表す指標値であり、例えば、スペクトル包絡の変動を表す値、又はスペクトルの変動を表す値である。具体的計算方法については、処理フローの説明において述べる。
第2パラメータ値は、音の白色度合いを表す指標値であり、例えば、音データに係る音のスペクトルを確率分布とみなして算出される情報エントロピー(本実施の形態では、スペクトルエントロピーとも呼ぶ)である。具体的計算方法については、処理フローの説明において述べる。
第3パラメータ値は、音データに係る音における調波構造の度合いを表す指標値であり、例えば、音データに係る音のケプストラムにおける所定範囲内の最大値(本実施の形態では、調波構造強度とも呼ぶ)である。具体的計算方法については、処理フローの説明において述べる。
第4パラメータ値は、音データに係る音の主要な周波数であり、例えば、音データに係る音のスペクトルの重心周波数(本実施の形態では、スペクトル重心とも呼ぶ)である。具体的計算方法については、処理フローの説明において述べる。
一方、本実施の形態において防犯上識別すべき音の種類は、悲鳴、踏みしめると特殊な音が発生する防犯砂利を踏みしめた時の音、ガラス破壊音又は爆発音である。
これらの音と、第1乃至第3パラメータ値との関係は、図2に示すような関係となるということが、今回分かった。
具体的には、悲鳴であれば、第1パラメータ値が「低」、第2パラメータ値が「高」、第3パラメータ値が「高」となる。すなわち、音色の変化が小さく、自然音らしく、調波構造の度合いが高い音の発生を、第1乃至第3パラメータ値で特定できる。
防犯砂利を踏みしめた時の音は、第1パラメータ値が「低」、第2パラメータ値が「高」、第3パラメータ値が「低」となる。すなわち、音色の変化が小さく、自然音らしく、調波構造の度合いが低い音の発生を、第1乃至第3パラメータ値で特定できる。
ガラス破壊音及び爆発音は、第1パラメータ値が「高」、第2パラメータ値が「高」、第3パラメータ値が「低」となる。すなわち、音色の変化が大きく、自然音らしく、調波構造の度合いが低い音の発生を、第1乃至第3パラメータ値で特定できる。
このように、悲鳴、防犯砂利を踏みしめた時の音、ガラス破壊音及び爆発音は、一例であり、上記のような性質の音であれば、検出可能となる。
なお、ガラス破壊音であれば、音データに係る音の主要な周波数を表す第4パラメータ値が「高」であり、爆発音であれば、第4パラメータ値が「低」である。従って、ガラス破壊音と爆発音とを区別するためには、第4パラメータ値を用いればよい。
従って、第1乃至第4パラメータ値の閾値(一般的には範囲を定める値)を、各種音サンプルによる実験などにより定めておけば、判定部105によって、防犯上識別すべき所定の音の発生を検出できるようになる。
次に、情報処理装置100において実行される具体的な処理について、図3及び図4を用いて説明する。
前処理部1031は、音データ格納部102に格納されている音データのうち、所定期間分の未処理の音データを読み出す(図3:ステップS1)。そして、前処理部1031は、所定の前処理を実行し、処理結果を第1データ格納部1032に格納する(ステップS2)。
ステップS2の前処理は、所定期間分の音データに対する窓処理を含む。この窓処理は、例えば、所定期間を複数のサブ期間に分けて、それぞれに対して窓関数を乗ずる処理である。例えば、窓関数にはハニング窓を用いる。窓処理及び窓関数については、例えば、<http://www.ni.com/white-paper/4844/ja/>を参照のこと。
さらに、前処理では、サブ期間毎に、窓処理後の音データに対してFFT(Fast Fourier Transform)を実行して、FFT処理結果の複素数の絶対値を算出する。そうすると、各周波数について、値a[i](iは周波数に対応するインデックス値)が得られる。
そして、第1パラメータ値算出部1033は、第1データ格納部1032に格納されているデータを用いて第1パラメータ値を算出し、第2データ格納部104に格納する(ステップS3)。
第1パラメータ値がスペクトルの変動を表す値であれば、第1パラメータ値算出部1033は、所定期間に含まれる全サブ期間について、i(すなわち周波数)毎にa[i]の分散を算出する。そして、周波数毎に算出された分散を合計することで、スペクトルの変動を表す値が得られる。なお、分散ではなく、標準偏差などのばらつきを表す他の統計量を用いても良い。
一方、第1パラメータ値がスペクトル包絡の変動を表す値であれば、第1パラメータ値算出部1033は、各サブ期間について、a[i]の二乗の対数(=log(a[i]2))を算出し、算出された値を信号とみなして逆FFT(Inverse FFT)を実行することでケプストラムを算出する。ケプストラムでは、低次にスペクトル包絡が現れることが知られている。なお、ケプストラムにおいて、周波数に相当するものをケフレンシと呼び、jをそのインデックスとすると、ケプストラムはb[j]と表される。そこで、第1パラメータ値算出部1033は、所定期間に含まれる全サブ期間について、低次の部分(例えば、サンプリング周波数16000Hzのとき8次まで(0次を除く)。)におけるj毎にb[j]の分散を算出する。そして、ケフレンシ毎に算出された分散を合計することで、スペクトル包絡の変動を表す値が得られる。なお、分散ではなく、標準偏差などのばらつきを表す他の統計量を用いても良い。
また、第2パラメータ値算出部1034は、第1データ格納部1032に格納されているデータを用いて第2パラメータ値を算出し、第2データ格納部104に格納する(ステップS5)。
例えば、第2パラメータ値算出部1034は、各サブ期間について、a[i]の総和asum(=a[0]+a[1]+・・・・+a[max])を算出し、a[0]/asum、a[1]/asum、a[2]/asum、...、a[max]/asumをさらに算出する。そして、これらを確率密度とみなした時の情報エントロピーHを算出する。具体的には、以下のように表される。
H=Σmax i=0a[i]/asum*log(a[i]/asum)
このようにすれば、サブ期間ごとのスペクトルエントロピーが得られる。そして、サブ期間のスペクトルエントロピーの平均値を算出することで、所定期間のスペクトルエントロピーを算出する。なお、平均値ではなく、中央値その他の統計量を用いるようにしても良い。
さらに、第3パラメータ値算出部1035は、第1データ格納部1032に格納されているデータを用いて第3パラメータ値を算出し、第2データ格納部104に格納する(ステップS7)。
例えば、第3パラメータ値算出部1035は、上で述べたように、サブ期間毎にケプストラムを算出する。ケプストラムでは、高次にスペクトル微細構造が現れることが知られている。従って、例えば悲鳴の基本周波数の範囲に対応するケフレンシの範囲におけるケプストラムの最大値を、サブ期間毎に特定する。なお、ケフレンシの範囲は、例えば周波数であれば70−600Hzに相当する次数の範囲であり、サンプリング周波数16000Hzのとき27次から229次である。このケプストラムの最大値が、各サブ期間の調波構造強度である。そして、サブ期間の調波構造強度の平均値を算出することで、所定期間の調波構造強度を算出する。なお、平均値ではなく、中央値その他の統計量を用いるようにしても良い。
また、第4パラメータ値算出部1036は、第1データ格納部1032に格納されているデータを用いて第4パラメータ値を算出し、第2データ格納部104に格納する(ステップS9)。
例えば、第4パラメータ値算出部1036は、以下の算式に従って、インデックスcogを算出する。
cog=(a[0]*0 + a[1]*1 + a[2]*2 + a[3]*3 + ・・・・+ a[max]*max)/asum
このインデックスcogが、サブ期間のスペクトル重心となる。よって、サブ期間のスペクトル重心の平均値を算出することで、所定期間のスペクトル重心を算出する。なお、平均値ではなく、中央値その他の統計量であっても良い。
以上第1乃至第4パラメータ値の算出を説明したが、これらの処理は並列に実行するようにしても良いし、その実行順番は問わない。なお、ケプストラムの計算についても、前処理部1031に実行させるようにしても良い。また、ケプストラムの計算を先に行ったパラメータ算出部が他のパラメータ算出部に処理結果を出力するようにしても良い。
そうすると、判定部105は、第2データ格納部104に格納されている第1乃至第3パラメータ値について予め定められたいずれかの条件に合致するか否かを判定する(ステップS11)。図2に示すような傾向があるので、第1乃至第3パラメータ値について設定された閾値に基づき、悲鳴、防犯砂利を踏みしめた時の音、爆発音又はガラス破壊音のいずれかの条件に合致するか否かを判定する。処理は端子Aを介して図4に移行する。
悲鳴の条件を満たしている場合、すなわち第1パラメータ値が「低」範囲に入り、第2パラメータ値が「高」範囲に入り、第3パラメータ値が「高」範囲に入っていれば(ステップS13:Yesルート)、判定部105は、出力部106に、悲鳴を表す通知を出力させる(ステップS15)。悲鳴を表す通知は、警告音でも音声メッセージでも表示メッセージでも他の装置への命令であってもよい。そして処理はステップS31に移行する。
一方、悲鳴の条件を満たしていない場合(ステップS13:Noルート)であって、爆発音又はガラス破壊音の条件を満たしている場合、すなわち、第1パラメータ値が「高」範囲に入り、第2パラメータ値が「高」範囲に入り、第3パラメータ値が「低」範囲に入っていれば(ステップS17:Yesルート)、判定部105は、第2データ格納部104に格納されている第4パラメータ値による判定を実行する(ステップS19)。上でも述べたように、爆発音とガラス破壊音を区別するための閾値(一般的には範囲を表す値)に基づき、いずれであるかを判定する。ガラス破壊音であれば(ステップS21:Yesルート)、判定部105は、出力部106に、ガラス破壊音を表す通知を出力させる(ステップS23)。通知はステップS15と同様な態様で行われる。そして処理はステップS31に移行する。
一方、ガラス破壊音でなければ(ステップS21:Noルート)、判定部105は、出力部106に、爆発音を表す通知を出力させる(ステップS25)。通知はステップS15と同様な態様で行われる。そして処理はステップS31に移行する。
また、爆発音又はガラス破壊音の条件を満たしていない場合(ステップS17:Noルート)であって、防犯砂利を踏みしめた時の音の条件を満たしている場合、すなわち、第1パラメータ値が「低」範囲に入り、第2パラメータ値が「高」範囲に入り、第3パラメータ値が「低」範囲に入る場合には(ステップS27:Yesルート)、判定部105は、出力部106に、防犯砂利を踏みしめた時の音を表す通知を出力させる(ステップS29)。通知はステップS15と同様な態様で行われる。そして処理はステップS31に移行する。
一方、防犯砂利を踏みしめた時の音の条件を満たさない場合には(ステップS27:Noルート)、防犯上識別すべき所定の音が検出されなかったことになるので、処理はステップS31に移行する。
ステップS31では、例えば管理者などによって処理終了を指示されていないと例えば前処理部1031が判断しなければ(ステップS31:Noルート)、処理は端子Bを介してステップS1に戻る。一方、処理終了が指示されたと判断されれば、処理は終了する。
以上のように処理を行えば、防犯上識別すべき所定の音の発生を精度良く検出することができる。
なお、図4の処理フローでは、悲鳴、爆発音又はガラス破壊音、防犯砂利を踏みしめた時の音の順番で判定を行ったが、この判定順番でなくても良い。また、これらの音を区別することを求められないのであれば、いずれかの条件を満たした時点で、防犯上識別すべき所定の音の検出を表す通知を出力するようにしても良い。
さらに、爆発音とガラス破壊音とを区別することを求められない場合には、第4パラメータ値の算出及びそれに基づく判定を行わなくても良い。
以上本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図1に示した機能ブロック構成は一例であって、プログラムモジュール構成とは一致しない場合もある。さらに、図3及び図4の処理フローも一例であり、処理結果が変わらない限り処理順番を入れ替えたり、並列実行するようにしてもよい。
また、各パラメータ値について閾値を決定する例を示したが、防犯上識別すべき音の種類毎に値域が決定される場合もある。但し、図2に示すような傾向は保持される。
また、上では閾値等を実験などにより定めて判定部105で判定することを述べたが、例えば、音の種類と上記の3種類又は4種類のパラメータ値との組み合わせを機械学習その他の手法によって学習させて判定部105を構成するようにしても良い。
なお、上で述べた情報処理装置100は、コンピュータ装置であって、メモリとCPU(Central Processing Unit)とハードディスク・ドライブ(HDD:Hard Disk Drive)と表示装置に接続される表示制御部とリムーバブル・ディスク用のドライブ装置と入力装置とネットワークに接続するための通信制御部とがバスで接続されている。オペレーティング・システム(OS:Operating System)及び本実施例における処理を実施するためのアプリケーション・プログラムは、HDDに格納されており、CPUにより実行される際にはHDDからメモリに読み出される。CPUは、アプリケーション・プログラムの処理内容に応じて表示制御部、通信制御部、ドライブ装置を制御して、所定の動作を行わせる。また、処理途中のデータについては、主としてメモリに格納されるが、HDDに格納されるようにしてもよい。本発明の実施例では、上で述べた処理を実施するためのアプリケーション・プログラムはコンピュータ読み取り可能なリムーバブル・ディスクに格納されて頒布され、ドライブ装置からHDDにインストールされる。インターネットなどのネットワーク及び通信制御部を経由して、HDDにインストールされる場合もある。このようなコンピュータ装置は、上で述べたCPU、メモリなどのハードウエアとOS及びアプリケーション・プログラムなどのプログラムとが有機的に協働することにより、上で述べたような各種機能を実現する。
以上述べた本実施の形態をまとめると以下のようになる。
本実施の形態に係る判定方法は、(A)入力された音データに対して、音データに係る音のスペクトルの変動度合いを表す第1のパラメータ値と、音データに係る音の白色度合いを表す第2のパラメータ値と、音データに係る音における調波構造の度合いを表す第3のパラメータ値とを算出する算出ステップと、(B)第1のパラメータ値と第2のパラメータ値と第3のパラメータ値とに基づき、音データに、防犯上識別すべき所定の音が含まれるか否かを判定する判定ステップとを含む。
このような3種類のパラメータ値を判定指標として用いることによって、防犯上識別すべき所定の音の検出精度が高くなる。
なお、上で述べた判定ステップにおいて、第1のパラメータ値と第2のパラメータ値と第3のパラメータ値とに基づき、上記音データが、少なくとも悲鳴、防犯砂利を踏みしめた時の音、及びガラスの破壊又は爆発音のいずれを含むか判定するようにしても良い。防犯上識別すべき音の種類を特定しても良いし、種類を特定しないようにしても良い。
また、上で述べた算出ステップが、音データに係る音の主要な周波数を表す第4のパラメータ値を算出するステップを含むようにしても良い。この場合、上で述べた判定ステップが、第4のパラメータ値に基づき、ガラスの破壊音と爆発音とのいずれであるかを判定するステップをさらに含むようにしても良い。
なお、上で述べた第1のパラメータ値が、例えば、音データに係る音のスペクトル包絡の変動を表す値と、音データに係る音のスペクトルの変動を表す値とのいずれかである場合もある。
さらに、上で述べた第2のパラメータ値が、例えば、音データに係る音のスペクトルを確率分布とみなして算出される情報エントロピーである場合もある。これは、スペクトルエントロピーとも呼ばれる。
さらに、上で述べた第3のパラメータ値が、例えば、音データに係る音のケプストラムにおける所定範囲内の最大値である場合もある。これは、調波構造強度とも呼ばれる。
さらに、上で述べた第4のパラメータ値が、例えば、音データに係る音のスペクトルの重心周波数である場合もある。これは、スペクトル重心とも呼ばれる。
なお、上記処理を実行するためのプログラムを作成することができ、当該プログラムは、例えばフレキシブルディスク、光ディスク(CD−ROM、DVD−ROMなど)、光磁気ディスク、半導体メモリ、ハードディスク等のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体又は記憶装置に格納される。尚、中間的な処理結果はメインメモリ等の記憶装置に一時保管される。
100 情報処理装置
102 音データ格納部
103 算出部
104 第2データ格納部
105 判定部
106 出力部
1031 前処理部
1032 第1データ格納部
1033 第1パラメータ値算出部
1034 第2パラメータ値算出部
1035 第3パラメータ値算出部
1036 第4パラメータ値算出部

Claims (9)

  1. 入力された音データに対して、前記音データに係る音のスペクトルの変動度合いを表す第1のパラメータ値と、前記音データに係る音の白色度合いを表す第2のパラメータ値と、前記音データに係る音における調波構造の度合いを表す第3のパラメータ値とを算出する算出ステップと、
    前記第1のパラメータ値と前記第2のパラメータ値と前記第3のパラメータ値とに基づき、前記音データに、防犯上識別すべき所定の音が含まれるか否かを判定する判定ステップと、
    を、コンピュータに実行させるためのプログラム。
  2. 前記判定ステップにおいて、
    前記第1のパラメータ値と前記第2のパラメータ値と前記第3のパラメータ値とに基づき、前記音データが、少なくとも悲鳴、防犯砂利を踏みしめた時の音、及びガラスの破壊又は爆発音のいずれを含むか判定する
    請求項1記載のプログラム。
  3. 前記算出ステップが、
    前記音データに係る音の主要な周波数を表す第4のパラメータ値を算出するステップ
    を含み、
    前記判定ステップが、
    前記第4のパラメータ値に基づき、前記ガラスの破壊音と前記爆発音とのいずれであるかを判定するステップ
    をさらに含む請求項2記載のプログラム。
  4. 前記第1のパラメータ値が、前記音データに係る音のスペクトル包絡の変動を表す値と、前記音データに係る音のスペクトルの変動を表す値とのいずれかである
    請求項1乃至3のいずれか1つ記載のプログラム。
  5. 前記第2のパラメータ値が、前記音データに係る音のスペクトルを確率分布とみなして算出される情報エントロピーである
    請求項1乃至4のいずれか1つ記載のプログラム。
  6. 前記第3のパラメータ値が、前記音データに係る音のケプストラムにおける所定範囲内の最大値である
    請求項1乃至5のいずれか1つ記載のプログラム。
  7. 前記第4のパラメータ値が、前記音データに係る音のスペクトルの重心周波数である
    請求項3記載のプログラム。
  8. 入力された音データに対して、前記音データに係る音のスペクトルの変動度合いを表す第1のパラメータ値と、前記音データに係る音の白色度合いを表す第2のパラメータ値と、前記音データに係る音における調波構造の度合いを表す第3のパラメータ値とを算出する算出ステップと、
    前記第1のパラメータ値と前記第2のパラメータ値と前記第3のパラメータ値とに基づき、前記音データに、防犯上識別すべき所定の音が含まれるか否かを判定する判定ステップと、
    を含み、コンピュータが実行する判定方法。
  9. 入力された音データに対して、前記音データに係る音のスペクトルの変動度合いを表す第1のパラメータ値と、前記音データに係る音の白色度合いを表す第2のパラメータ値と、前記音データに係る音における調波構造の度合いを表す第3のパラメータ値とを算出する算出部と、
    前記第1のパラメータ値と前記第2のパラメータ値と前記第3のパラメータ値とに基づき、前記音データに、防犯上識別すべき所定の音が含まれるか否かを判定する判定部と、
    を有する情報処理装置。
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