JP7497040B2 - AUDIO SIGNAL PROCESSING APPARATUS, AUDIO SIGNAL PROCESSING METHOD, AND PROGRAM - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 令和2年3月2日、日本音響学会2020年春季研究発表会(於:埼玉大学)の講演論文集
本発明は、音響信号処理装置、音響信号処理方法及びプログラムに関する。 The present invention relates to an audio signal processing device, an audio signal processing method, and a program.
目的の音を録音した際の音を示す時系列から目的の音以外の音(すなわち雑音)の影響が軽減された音を示す時系列を生成する技術が様々に提案されている(非特許文献1及び2)。
Various techniques have been proposed to generate a time series showing a sound in which the influence of sounds other than the target sound (i.e., noise) has been reduced from a time series showing the sound when the target sound is recorded (Non-Patent
このような提案にはモノラル録音から非定常な雑音を除去する技術の提案がある。しかしながら、その技術は充分に雑音を除去しているとは言えないものである。このように、1個のマイクで録音(すなわちモノラル録音)された音の時系列から雑音の影響が軽減された音の時系列を生成することは難しい。 One such proposal is a technique for removing non-stationary noise from mono recordings. However, this technique cannot be said to remove noise sufficiently. As such, it is difficult to generate a time series of sound with reduced noise from a time series of sound recorded with a single microphone (i.e., mono recording).
上記事情に鑑み、本発明は、モノラル録音された音の時系列から雑音の影響がより軽減された音の時系列を生成する技術を提供することを目的としている。 In view of the above circumstances, the present invention aims to provide a technology for generating a time series of sound with reduced influence of noise from a time series of sound recorded in mono.
本発明の一態様は、モノラル録音された処理対象音を示す処理対象音時系列内の除去対象の除去対象音が開始される開始位置と予め録音済みの前記除去対象音を示す参照時系列の時間原点とが一致という原点一致条件と、前記処理対象音時系列のサンプリング周波数と前記参照時系列のサンプリング周波数とが一致というサンプリング周波数一致条件とを満たす前記処理対象音時系列の複素スペクトルの時系列である処理対象スペクトログラムと、前記原点一致条件及び前記サンプリング周波数一致条件を満たす前記参照時系列の複素スペクトルの時系列である参照スペクトログラムと、を取得する補償済みスペクトログラム取得部と、前記処理対象スペクトログラムと周波数伝達関数が乗算された前記参照スペクトログラムとの同時刻における複素スペクトルの差として得られる目的複素スペクトログラムにおける複素スペクトルである目的複素スペクトルの、予め定められた所定の確率分布に対する尤度を最大にする時系列を推定する目的複素スペクトログラム推定部と、前記目的複素スペクトログラム推定部により推定された前記目的複素スペクトログラムを有する音の時系列を生成する目的音時系列生成部と、を備える音響信号処理装置である。 One aspect of the present invention is a processing target spectrogram, which is a time series of complex spectra of the processing target sound time series that satisfies an origin coincidence condition that the start position of the processing target sound in the processing target sound time series that indicates the processing target sound recorded in mono coincides with the time origin of the reference time series that indicates the processing target sound that has been recorded in advance, and a sampling frequency coincidence condition that the sampling frequency of the processing target sound time series and the sampling frequency of the reference time series coincide, and a reference spectrogram, which is a time series of complex spectra of the reference time series that satisfies the origin coincidence condition and the sampling frequency coincidence condition. The acoustic signal processing device includes: a compensated spectrogram acquisition unit that acquires a spectrogram to be processed; a target complex spectrogram estimation unit that estimates a time series that maximizes the likelihood, for a predetermined probability distribution, of a target complex spectrum, which is a complex spectrum in a target complex spectrogram obtained as the difference between the complex spectrum at the same time of the processing target spectrogram and the reference spectrogram multiplied by a frequency transfer function; and a target sound time series generation unit that generates a time series of a sound having the target complex spectrogram estimated by the target complex spectrogram estimation unit.
本発明により、モノラル録音された音の時系列から雑音の影響がより軽減された音の時系列を生成することが可能となる。 The present invention makes it possible to generate a time series of sound with reduced noise effects from a time series of sound recorded in mono.
(実施形態)
図1は、実施形態の音響信号処理装置1の概要を説明する説明図である。音響信号処理装置1は、目的の音(以下「目的音」という。)がモノラル録音された際の録音された音(以下「処理対象音」という。)を示す時系列を用いて、雑音の影響が軽減された音の時系列を生成する。以下、処理対象音を示す時系列を処理対象音時系列という。モノラル録音とは1つのマイクで録音することを意味する。
(Embodiment)
1 is an explanatory diagram for explaining an overview of an audio
雑音とは、目的音以外の音である。雑音は、目的音以外の音であればどのような音であってもよい。雑音には、ランダムな音だけでなく、スピーカーから流れるクラシック曲の音であって目的音以外の音も含まれる。音の影響を軽減するとは、具体的には音の振幅を小さくすることを意味する。 Noise is any sound other than the target sound. Noise can be any sound other than the target sound. Noise includes not only random sounds, but also sounds other than the target sound, such as classical music playing from a speaker. Reducing the effect of sound specifically means reducing the amplitude of the sound.
音響信号処理装置1は、具体的には、参照時系列を用いて、処理対象音時系列から除去対象音の影響を抑制した音を示す時系列(以下「目的音時系列」という。)を生成する。除去対象音は、処理対象音に含まれる音のうち目的音以外の音であって、処理対象音から除去する対象の音である。参照時系列は、参照音を示す時系列である。参照音は、コンパクトディスク等の音の記録媒体に予め録音済みの除去対象音である。MP3(MPEG-1 Audio Layer-3)等の所定のフォーマットの音楽データは、予め録音済みの音を示すので、参照音は、音楽データの形で予め録音済みの除去対象音であってもよい。
Specifically, the audio
処理対象音は、例えばコンパクトディスクに記録されたクラシックの曲がスピーカーから流れる中でモノラル録音された2人の話者の会話である。このような場合、目的音は2人の話者の会話であり、除去対象音はスピーカーから流れるクラシックの曲の音であり、参照音はコンパクトディスクに録音された音である。 The sound to be processed is, for example, a mono recorded conversation between two speakers while a classical piece of music recorded on a compact disc is played from the speakers. In this case, the target sound is the conversation between the two speakers, the sound to be removed is the sound of the classical music played from the speakers, and the reference sound is the sound recorded on the compact disc.
処理対象音時系列は、処理対象音を表すアナログ信号が所定のサンプリング周波数で離散化された信号である。そのため、処理対象音時系列は、図1においてx(n)は、処理対象音時系列のn番目のサンプルが示す振幅xを表す。 The sound time series to be processed is a signal in which an analog signal representing the sound to be processed has been discretized at a predetermined sampling frequency. Therefore, in FIG. 1, x(n) represents the amplitude x of the nth sample in the sound time series to be processed.
参照時系列は、参照音を表すアナログ信号が所定のサンプリング周波数で離散化された信号である。そのため、参照時系列は、図1においてo(n)は、参照時系列のn番目のサンプルが示す振幅oを表す。 The reference time series is a signal in which an analog signal representing a reference sound is discretized at a predetermined sampling frequency. Therefore, in FIG. 1, o(n) represents the amplitude o of the nth sample of the reference time series.
処理対象音時系列と参照時系列とは、必ずしも同一のサンプリング周波数で離散化されたものとは限らない。むしろ一般に、処理対象音時系列と参照時系列とのサンプリング周波数は同一ではない。なぜなら、たとえ録音時の設定されたサンプリング周波数が同一であっても、振動子などの録音に用いるハードウェアの性能の環境に依る変化等によりサンプリング周波数が設定された値からずれるからである。このように、処理対象音時系列と参照時系列とは、必ずしもサンプリング周波数一致条件を満たさない。サンプリング周波数一致条件は、処理対象音時系列のサンプリング周波数と参照時系列のサンプリング周波数とが同一という条件である。 The sound time series to be processed and the reference time series are not necessarily discretized at the same sampling frequency. Rather, the sampling frequencies of the sound time series to be processed and the reference time series are generally not the same. This is because, even if the sampling frequency set during recording is the same, the sampling frequency deviates from the set value due to environmental changes in the performance of the hardware used for recording, such as transducers. In this way, the sound time series to be processed and the reference time series do not necessarily satisfy the sampling frequency matching condition. The sampling frequency matching condition is a condition in which the sampling frequency of the sound time series to be processed and the sampling frequency of the reference time series are the same.
また、除去対象音は必ずしも処理対象音の録音が開始されたタイミングから生じているわけではない。このため、処理対象音時系列内で除去対象音が開始される位置(以下「除去対象音開始位置」という。)は、必ずしも処理対象音時系列の時間原点(すなわちn=0)に一致するわけでは無い。そのため、処理対象音時系列と参照時系列とは、必ずしも原点一致条件を満たさない。原点一致条件は、除去対象音開始位置と参照時系列の時間原点とが一致しているという条件である。 In addition, the sound to be removed does not necessarily originate from the timing when recording of the sound to be processed started. For this reason, the position where the sound to be removed starts in the sound to be removed time series (hereinafter referred to as the "start position of the sound to be removed") does not necessarily coincide with the time origin of the sound to be processed time series (i.e. n = 0). Therefore, the sound to be processed time series and the reference time series do not necessarily satisfy the origin coincidence condition. The origin coincidence condition is a condition in which the start position of the sound to be removed and the time origin of the reference time series coincide with each other.
音響信号処理装置1が実行する処理のより詳細な流れを説明する。音響信号処理装置1は、補償済みスペクトログラム取得部110、目的複素スペクトログラム推定部120及び目的音時系列生成部130を備える。
A more detailed flow of the processing executed by the acoustic
補償済みスペクトログラム取得部110は、処理対象音時系列及び参照時系列を取得し、処理対象音時系列及び参照時系列に基づき処理対象スペクトログラム及び参照スペクトログラムを取得する。処理対象スペクトログラムは、サンプリング周波数一致条件及び原点一致条件を満たす処理対象音時系列の複素スペクトルの時系列である。参照スペクトログラムは、サンプリング周波数一致条件及び原点一致条件を満たす参照時系列の複素スペクトルの時系列である。
The compensated
補償済みスペクトログラム取得部110は、例えば時間原点補償処理、振幅周波数変換処理及びサンプリング周波数補償処理を実行することで、処理対象スペクトログラム及び参照スペクトログラムを取得する。
The compensated
時間原点補償処理は、除去対象音開始位置と参照時系列の時間原点とを一致させる処理である。時間原点補償処理では、例えば処理対象音時系列と参照時系列との間の相互相関を最大化するように参照時系列の時間原点の時刻を移動させることで参照時系列の時間原点を除去対象音開始位置に一致させる(参考文献1参照)。このような場合、処理対象音時系列は変化せず参照時系列が変化する。時間原点補償処理の実行により、原点一致条件が満たされる。 Time origin compensation processing is processing that matches the start position of the sound to be removed with the time origin of the reference time series. In time origin compensation processing, for example, the time of the time origin of the reference time series is shifted so as to maximize the cross-correlation between the sound time series to be processed and the reference time series, thereby matching the time origin of the reference time series with the start position of the sound to be removed (see Reference 1). In such a case, the sound time series to be processed does not change, but the reference time series changes. By executing the time origin compensation processing, the origin matching condition is satisfied.
参考文献1:特開2014-174393号公報 Reference 1: JP 2014-174393 A
振幅周波数変換処理は、第1副振幅周波数変換処理と第2副振幅周波数変換処理とを含む。第1副振幅周波数変換処理は、原点一致条件を満たす処理対象音時系列について、複数の第1区分期間の1つの第1区分期間ごとに複素スペクトルを取得する処理である。第1区分期間は、処理対象音時系列の全期間の連続する一部の期間である。1つの第1区分期間は、他の第1区分期間を包含せず全ての第1区分期間の和集合は処理対象音時系列の全期間に等しい。複数の第1区分期間の1つの第1区分期間ごとに複素スペクトルを取得する処理は、例えば短時間フーリエ変換である。第1副振幅周波数変換処理の実行により、原点一致条件を満たす処理対象音時系列が、原点一致条件を満たす処理対象音時系列の複素スペクトルの時系列(以下「第1スペクトログラム」という。)に変換される。 The amplitude frequency conversion process includes a first sub-amplitude frequency conversion process and a second sub-amplitude frequency conversion process. The first sub-amplitude frequency conversion process is a process for acquiring a complex spectrum for each first division period of a plurality of first division periods for a processing target sound time series that satisfies the origin coincidence condition. The first division period is a continuous part of the entire period of the processing target sound time series. One first division period does not include other first division periods, and the union of all the first division periods is equal to the entire period of the processing target sound time series. The process for acquiring a complex spectrum for each first division period of a plurality of first division periods is, for example, a short-time Fourier transform. By executing the first sub-amplitude frequency conversion process, the processing target sound time series that satisfies the origin coincidence condition is converted into a time series of complex spectra of the processing target sound time series that satisfies the origin coincidence condition (hereinafter referred to as the "first spectrogram").
第2副振幅周波数変換処理は、時間原点一致条件を満たす参照時系列について、複数の第2区分期間の1つの第2区分期間ごとに複素スペクトルを取得する処理である。第2区分期間は、参照時系列の全期間の連続する一部の期間である。1つの第2区分期間は、他の第2区分期間を包含せず全ての第2区分期間の和集合は参照時系列の全期間に等しい。複数の第2区分期間の1つの第2区分期間ごとに複素スペクトルを取得する処理は、例えば短時間フーリエ変換である。第2副振幅周波数変換処理の実行により、原点一致条件を満たす参照時系列が、原点一致条件を満たす参照時系列の複素スペクトルの時系列(以下「第2スペクトログラム」という。)に変換される。 The second sub-amplitude frequency conversion process is a process of acquiring a complex spectrum for each second segment period of a plurality of second segment periods for a reference time series that satisfies the time origin coincidence condition. The second segment period is a continuous portion of the entire period of the reference time series. One second segment period does not include other second segment periods, and the union of all the second segment periods is equal to the entire period of the reference time series. The process of acquiring a complex spectrum for each second segment period of a plurality of second segment periods is, for example, a short-time Fourier transform. By executing the second sub-amplitude frequency conversion process, the reference time series that satisfies the origin coincidence condition is converted into a time series of complex spectra of the reference time series that satisfies the origin coincidence condition (hereinafter referred to as the "second spectrogram").
サンプリング周波数補償処理は、第1スペクトログラム及び第2スペクトログラムに基づき、処理対象スペクトログラム及び参照スペクトログラムを取得する処理である。サンプリング周波数補償処理は、例えば第1スペクトログラム及び第2スペクトログラムに対するブラインド同期(参考文献1に記載のブラインド補償の音声信号処理方法)を適用する処理である。ブラインド同期では、参照時系列のサンプリング周波数が変化し、処理対象音時系列のサンプリング周波数は変化しない。 The sampling frequency compensation process is a process of obtaining a target spectrogram and a reference spectrogram based on a first spectrogram and a second spectrogram. The sampling frequency compensation process is, for example, a process of applying blind synchronization (a blind compensation audio signal processing method described in Reference 1) to the first spectrogram and the second spectrogram. In blind synchronization, the sampling frequency of the reference time series changes, while the sampling frequency of the target sound time series does not change.
このように、処理対象音時系列及び参照時系列の組に対して時間原点補償処理、振幅周波数変換処理及びサンプリング周波数補償処理をこの順番に実行することで、処理対象スペクトログラムと参照スペクトログラムとが得られる。 In this way, by performing the time origin compensation process, the amplitude frequency conversion process, and the sampling frequency compensation process in this order on the pair of the sound time series to be processed and the reference time series, the spectrogram to be processed and the reference spectrogram are obtained.
図1における以下の式(1)の記号は、処理対象スペクトログラムを表す。 The symbol in the following equation (1) in Figure 1 represents the spectrogram to be processed.
式(1)の記号は、処理対象スペクトログラムのm番目の時間フレームが表す複素スペクトル中の周波数ωの周波数成分の振幅及び位相を表す(mは1以上の整数)。 The symbols in equation (1) represent the amplitude and phase of the frequency component of frequency ω in the complex spectrum represented by the mth time frame of the spectrogram to be processed (m is an integer equal to or greater than 1).
図1における以下の式(2)の記号は、参照スペクトログラムを表す。 The symbol in the following equation (2) in Figure 1 represents the reference spectrogram.
式(2)の記号は、参照スペクトログラムのm番目の時間フレームが表す複素スペクトル中の周波数ωの周波数成分の振幅及び位相を表す。式(2)の記号ε0は、処理対象音時系列と参照時系列との間のサンプリング周波数の差を表す。 The symbols in equation (2) represent the amplitude and phase of the frequency component of frequency ω in the complex spectrum represented by the m-th time frame of the reference spectrogram. The symbol ε 0 in equation (2) represents the difference in sampling frequency between the sound time series to be processed and the reference time series.
目的複素スペクトログラム推定部120は、処理対象スペクトログラムと参照スペクトログラムとに基づいて、予め定められた所定の確率分布(以下「基準確率分布」という。)に対する尤度を最大にする目的複素スペクトルの時系列を推定する。目的複素スペクトルは、処理対象スペクトログラムと周波数伝達関数が乗算された参照スペクトログラムとの同時刻における複素スペクトルの差として得られる複素スペクトルである。以下、目的複素スペクトルの時系列を目的複素スペクトログラムという。
The target complex
目的複素スペクトログラムのm番目の時間フレームが表す目的複素スペクトルは、例えば以下の式(3)で表される。式(3)の左辺の記号が目的複素スペクトルを表す。 The target complex spectrum represented by the m-th time frame of the target complex spectrogram is expressed, for example, by the following formula (3). The symbol on the left side of formula (3) represents the target complex spectrum.
式(3)の右辺のH(ω)は、周波数伝達関数(すなわち参照音の再生録音環境の周波数応答を表す関数)を表す。 H(ω) on the right hand side of equation (3) represents the frequency transfer function (i.e., a function that represents the frequency response of the playback/recording environment of the reference sound).
基準確率分布は、例えば以下の式(4)で表される。式(4)は零平均一般化複素正規分布である。 The reference probability distribution is expressed, for example, by the following formula (4). Formula (4) is a zero-mean generalized complex normal distribution.
α及びβは、基準確率分布の形を決める助変数であり、予め定められた値である。特にαは、分散を表す。βは1以上の整数である。β=2のとき式(4)は正規分布を表し、β=1のとき式(4)はラプラス分布を表す。式(4)においてΓはガンマ関数を表す。 α and β are auxiliary variables that determine the shape of the reference probability distribution and are predetermined values. In particular, α represents the variance. β is an integer equal to or greater than 1. When β = 2, equation (4) represents a normal distribution, and when β = 1, equation (4) represents a Laplace distribution. In equation (4), Γ represents the Gamma function.
以下、目的複素スペクトログラムにおける目的複素スペクトルの出現確率の分布を、目的複素スペクトル出現確率分布という。予め定められた所定の確率分布に対する尤度を最大にすることは、例えば基準確率分布が式(4)で表される場合には例えば以下の式(5)で表される周波数伝達関数の対数尤度関数を最大化することである。 Hereinafter, the distribution of the occurrence probability of the target complex spectrum in the target complex spectrogram is referred to as the target complex spectrum occurrence probability distribution. Maximizing the likelihood for a predetermined probability distribution means maximizing the log-likelihood function of the frequency transfer function expressed by, for example, the following equation (5) when the reference probability distribution is expressed by, for example, equation (4).
式(5)の左辺は、周波数伝達関数の対数尤度関数である。式(5)の右辺第2項は、所定の定数を表す。式(5)において左辺を大きくすることは、右辺第1項の負号をとったものの大きさを小さくすることを意味する。式(5)の右辺第1項の負号をとったものが小さくなることは、S(ω、m)の絶対値のβ乗の平均が小さくなることを意味する。処理対象音から除去対象音が除かれるほどS(ω、m)は小さくなるので、式(5)の右辺第1項が小さいほど、除去対象音の影響が抑制された処理対象音の時系列が取得されることを意味する。そのため、式(5)で表される周波数伝達関数の対数尤度関数を最大化する目的複素スペクトルを取得することは、除去対象音の影響を最大限抑制した処理対象音の時系列を取得することを意味する。 The left side of equation (5) is the logarithmic likelihood function of the frequency transfer function. The second term on the right side of equation (5) represents a predetermined constant. Increasing the left side of equation (5) means decreasing the magnitude of the negative of the first term on the right side. Reducing the negative of the first term on the right side of equation (5) means decreasing the average of the β power of the absolute value of S(ω, m). Since S(ω, m) becomes smaller as the removal target sound is removed from the processing target sound, the smaller the first term on the right side of equation (5) is, the more the time series of the processing target sound in which the influence of the removal target sound is suppressed is obtained. Therefore, obtaining a target complex spectrum that maximizes the logarithmic likelihood function of the frequency transfer function represented by equation (5) means obtaining a time series of the processing target sound in which the influence of the removal target sound is suppressed to the greatest extent possible.
目的音時系列生成部130は、目的複素スペクトログラム推定部120が推定した目的複素スペクトログラムに基づき、目的複素スペクトログラム推定部120が推定した目的複素スペクトログラムを有する音の時系列を目的音時系列として生成する。
The target sound time
目的音時系列は、処理対象音時系列を用いて生成される時系列であって処理対象音時系列から参照時系列の成分が抑制された時系列である。参照音は予め録音済みの除去対象音であるため、目的音時系列は処理対象音から除去対象音の成分が抑制された音の時系列である。 The target sound time series is a time series generated using the processing target sound time series, and is a time series in which the components of the reference time series are suppressed from the processing target sound time series. Since the reference sound is a sound to be removed that has been recorded in advance, the target sound time series is a sound time series in which the components of the sound to be removed are suppressed from the processing target sound.
図2は、実施形態の音響信号処理装置1の機能構成の一例を示す図である。音響信号処理装置1は、バスで接続されたCPU(Central Processing Unit)等のプロセッサ91とメモリ92とを備える制御部10を備え、プログラムを実行する。音響信号処理装置1は、プログラムの実行によって制御部10、入力部11、通信部12、記憶部13及び出力部14を備える装置として機能する。より具体的には、プロセッサ91が記憶部13に記憶されているプログラムを読み出し、読み出したプログラムをメモリ92に記憶させる。プロセッサ91が、メモリ92に記憶させたプログラムを実行することによって、音響信号処理装置1は、制御部10、入力部11、通信部12、記憶部13及び出力部14を備える装置として機能する。
FIG. 2 is a diagram showing an example of the functional configuration of the acoustic
制御部10は、音響信号処理装置1が備える各種機能部の動作を制御する。制御部10は、例えば処理対象音時系列及び参照時系列を用いて目的音時系列を生成する。
The
入力部11は、マウスやキーボード、タッチパネル等の入力装置を含んで構成される。入力部11は、これらの入力装置を自装置に接続するインタフェースを含んで構成されてもよい。入力部11は、自装置に対する各種情報の入力を受け付ける。
The
通信部12は、自装置を外部装置に接続するための通信インタフェースを含んで構成される。通信部12は、有線又は無線を介して接続先の外部装置と通信する。通信部12は、例えば外部装置から参照時系列を取得する。通信部12は、例えば外部装置から処理対象音時系列を取得する。外部装置は例えば参照音の音楽データを再生するコンピュータであって音響信号処理装置1に再生中の時系列のデータを送信するコンピュータである。外部装置は例えば処理対象音時系列を送信するコンピュータである。外部装置は例えば処理対象音時系列をモノラル録音するマイクである。
The
記憶部13は、磁気ハードディスク装置や半導体記憶装置などの非一時的コンピュータ読み出し可能な記憶媒体装置を用いて構成される。記憶部13は音響信号処理装置1に関する各種情報を記憶する。記憶部13は、例えば予め基準確率分布を示す情報を記憶する。記憶部13は、例えば予め周波数伝達関数を記憶する。
The
出力部14は、各種情報を出力する。出力部14は、例えばCRT(Cathode Ray Tube)ディスプレイや液晶ディスプレイ、有機EL(Electro-Luminescence)ディスプレイ等の表示装置を含んで構成される。出力部14は、これらの表示装置を自装置に接続するインタフェースとして構成されてもよい。出力部14は、例えば入力部11に入力された情報を出力する。出力部14は、例えばスピーカー等の音の出力装置を含んで構成されてもよい。出力部14は、これらの音の出力装置を自装置に接続するインタフェースとして構成されてもよい。
The
図3は、実施形態における制御部10の機能構成の一例を示す図である。制御部10は、補償済みスペクトログラム取得部110、目的複素スペクトログラム推定部120、目的音時系列生成部130、処理対象音時系列取得部140、参照時系列取得部150、通信制御部160、出力制御部170及び記録部180を備える。
Figure 3 is a diagram showing an example of the functional configuration of the
処理対象音時系列取得部140は、通信部12に入力された処理対象音時系列を取得する。処理対象音時系列取得部140は、処理対象音時系列が予め記憶部13に記憶済みの場合には、記憶部13から処理対象音時系列を読み出すことで処理対象音時系列を取得してもよい。
The processing target sound time
参照時系列取得部150は、通信部12に入力された参照時系列を取得する。参照時系列取得部150は、参照時系列が予め記憶部13に記憶済みの場合には、記憶部13から参照時系列を読み出すことで参照時系列を取得してもよい。
The reference time
通信制御部160及は、通信部12の動作を制御する。出力制御部170は出力部14の動作を制御する。記録部180は、情報を記憶部13に記録する。
The
補償済みスペクトログラム取得部110は、時間原点補償部111、振幅周波数変換部112及びサンプリング周波数補償部113を備える。
The compensated
時間原点補償部111は、処理対象音時系列取得部140が取得した処理対象音時系列と参照時系列取得部150が取得した参照時系列とに対して時間原点補償処理を実行する。
The time
振幅周波数変換部112は、原点一致条件を満たす処理対象音時系列と原点一致条件を満たす参照時系列とに対して振幅周波数変換処理を実行する。振幅周波数変換処理の実行により、原点一致条件を満たす処理対象音時系列が第1スペクトログラムに変換され、原点一致条件を満たす参照時系列が第2スペクトログラムに変換される。
The amplitude
サンプリング周波数補償部113は、サンプリング周波数補償処理を実行する。サンプリング周波数補償処理の実行により、第1スペクトログラム及び第2スペクトログラムに基づき処理対象スペクトログラム及び参照スペクトログラムが生成される。
The sampling
図4は、実施形態の音響信号処理装置1が実行する処理の流れの一例を示すフローチャートである。通信部12に処理対象音時系列が入力され、入力された処理対象音時系列を処理対象音時系列取得部140が取得する(ステップS101)。次に通信部12に参照時系列が入力され、入力された参照時系列を参照時系列取得部150が取得する(ステップS102)。次に補償済みスペクトログラム取得部110が、処理対象音時系列及び参照時系列を取得し、処理対象音時系列及び参照時系列に基づき処理対象スペクトログラム及び参照スペクトログラムを取得する(ステップS103)。
Figure 4 is a flowchart showing an example of the flow of processing executed by the acoustic
ステップS103では、補償済みスペクトログラム取得部110は例えば以下の補償済みスペクトログラム取得処理の実行により処理対象音時系列及び参照時系列に基づき処理対象スペクトログラム及び参照スペクトログラムを取得する。補償済みスペクトログラム取得処理では、まず時間原点補償部111が処理対象音時系列及び参照時系列に対して時間原点補償処理を実行し、処理対象音時系列の開始位置と参照時系列の時間原点を一致させる。これにより、時間原点補償部111は、原点一致条件を満たす処理対象音時系列と原点一致条件を満たす参照時系列とを取得する。
In step S103, the compensated
補償済みスペクトログラム取得処理では、次に振幅周波数変換部112が、原点一致条件を満たす処理対象音時系列と原点一致条件を満たす参照時系列とに対して振幅周波数変換処理を実行する。振幅周波数変換処理の実行により、原点一致条件を満たす処理対象音時系列が第1スペクトログラムに変換され、原点一致条件を満たす参照時系列が第2スペクトログラムに変換される。
In the compensated spectrogram acquisition process, the amplitude
補償済みスペクトログラム取得処理では、次にサンプリング周波数補償部113がサンプリング周波数補償処理を実行する。サンプリング周波数補償処理の実行により、第1スペクトログラム及び第2スペクトログラムに基づき処理対象スペクトログラム及び参照スペクトログラムが生成される。
In the compensated spectrogram acquisition process, the sampling
ステップS103の次に目的複素スペクトログラム推定部120は、処理対象スペクトログラム及び参照スペクトログラムに基づき基準確率分布に対する尤度を最大にする目的複素スペクトログラムを推定する(ステップS104)。
After step S103, the target complex
次に目的音時系列生成部130が、目的複素スペクトログラム推定部120が推定した目的複素スペクトログラムに基づき、目的複素スペクトログラム推定部120が推定した目的複素スペクトログラムを有する音の時系列を目的音時系列として生成する(ステップS105)。
Next, the target sound time
次に出力制御部170が出力部14の動作を制御し、出力部14から目的音時系列が示す音を出力させる(ステップS106)。なお、ステップS105で生成された目的音時系列は、ステップS105以降に記録部180によって記憶部13に記録されてもよい。
Next, the
<実験結果>
実施形態の音響信号処理装置1を用いて雑音の影響が軽減された音の時系列を生成した実験(以下「評価実験」という。)結果の一例を示す。
<Experimental Results>
An example of the results of an experiment (hereinafter referred to as an "evaluation experiment") in which a time series of sound in which the influence of noise is reduced is generated using the acoustic
図5は、実施形態における評価実験の実験環境を説明する説明図である。評価実験のための処理対象音及び参照音は、4.1×3.8×2.8立方メートルの部屋であって2つのスピーカー901及び902とマイクロホン903が設置された部屋(以下「実験室」という。)でマイクロホン903によって録音された。実験室の吸音率は0.2であった。スピーカー901は目的音を出力する(鳴らす)音源であり、スピーカー902は参照音を出力する(鳴らす)音源であった。
Figure 5 is an explanatory diagram illustrating the experimental environment of the evaluation experiment in the embodiment. The target sound and the reference sound for the evaluation experiment were recorded by the
スピーカー902は、実験室の壁の1つ(以下「縦基準壁」という。)から100cmの位置に設置されており、スピーカー901は縦基準壁から140cmの位置に設置されていた。スピーカー901とスピーカー902との縦基準壁に垂直な方向の間隔は40cmであった。マイクロホン903は、縦基準壁から120cmの位置に設置されていた。
スピーカー901とスピーカー902の横基準壁からの距離は120cmであった。横基準壁は、実験室の壁の1つであって縦基準壁に直交する壁である。マイクロホン903の横基準壁からの距離は、290cmであった。すなわち、マイクロホン903は、実験室の壁のうち横基準壁に対抗する壁から120cmの位置に設置されていた。
The distance from the horizontal reference wall to
実験室では、スピーカー901だけを動作させ目的音だけを出力した状態でマイクロホン903が録音すること(以下「目的音録音」という。)が行われた。目的音録音時のマイクロホン903のサンプリング周波数の設定値は、16000Hzであった。また実験室では、目的音録音とは別のタイミングに、スピーカー902だけを動作させ参照音だけを出力した状態でマイクロホン903が録音すること(以下「参照音録音」という。)が行われた。参照音録音時のマイクロホン903のサンプリング周波数の設定値は、(16000+1)Hzであった。評価実験では、目的音録音時のサンプリング周波数と参照音録音時のサンプリング周波数とを1だけずらすことでサンプリング周波数ミスマッチが模擬された。
In the laboratory, recording was performed with
評価実験では、目的音録音で録音された音と参照音録音で録音された音とが、入力SNR(Signal to Noise Ratio)を-5、0、5、10デシベルになるように混合され評価実験において処理対象音として用いられた。なお、入力SNRを-5、0、5、10デシベルになるように混合され、とは、入力SNRを-5デシベル、0デシベル、5デシベル、10デシベルの4条件に変化させることを意味する。 In the evaluation experiment, the sound recorded by the target sound recording and the sound recorded by the reference sound recording were mixed so that the input SNR (Signal to Noise Ratio) was -5, 0, 5, and 10 decibels, and used as the sound to be processed in the evaluation experiment. Note that "mixed so that the input SNR is -5, 0, 5, and 10 decibels" means that the input SNR is changed to four conditions: -5 decibels, 0 decibels, 5 decibels, and 10 decibels.
評価実験では、振幅周波数変換処理として短時間フーリエ変換が用いられた。評価実験における短時間フーリエ変換は窓長が4096点であり、シフト長が窓長の1/2でありゼロ詰めするという条件の元8192点で行われた。短時間フーリエ変換の窓はハミング窓が用いられた。 In the evaluation experiment, the short-time Fourier transform was used for the amplitude-frequency conversion process. The short-time Fourier transform in the evaluation experiment had a window length of 4096 points, and was performed at 8192 points under the condition that the shift length was 1/2 the window length and zero-padded. The Hamming window was used as the window for the short-time Fourier transform.
評価実験では、スピーカー901及び902から出力した音をマイクロホン903で録音した音の時系列に代えて、入力SNR等も含め実験室と同様の環境をモデル化し有限要素法等の数値シミュレーションによって生成された時系列を用いて音響信号処理装置1を評価した。以下、評価実験のうちスピーカー901及び902から出力した音をマイクロホン903で録音した音の時系列を用いて音響信号処理装置1を評価する実験を実実験という。以下、評価実験のうち数値シミュレーションによって生成された時系列を用いて音響信号処理装置1を評価する実験をシミュレーション実験という。
In the evaluation experiments, instead of using a time series of sounds output from
図6は、実施形態における評価実験の結果の一例を示す図である。結果R1~R3はそれぞれ、シミュレーション実験の実験結果の一例を示す。結果R4~R6はそれぞれ、実実験の実験結果の一例を示す。結果R1~R6の横軸は入力SNRを表し、縦軸は出力SNRを表す。出力SNRの定義は、(10×log10(σq
2/σo
2))デシベルであった。σq
2は目的音時系列の分散であって除去対象音が存在した期間における目的音時系列の分散を表す。σo
2は、マイクロホン903によって録音された参照音の分散を表す。
FIG. 6 is a diagram showing an example of the results of an evaluation experiment in the embodiment. Results R1 to R3 each show an example of the experimental result of a simulation experiment. Results R4 to R6 each show an example of the experimental result of an actual experiment. The horizontal axis of results R1 to R6 represents the input SNR, and the vertical axis represents the output SNR. The output SNR was defined as (10×log 10 (σ q 2 /σ o 2 )) decibels. σ q 2 is the variance of the target sound time series and represents the variance of the target sound time series in the period in which the sound to be removed was present. σ o 2 represents the variance of the reference sound recorded by
結果R1~R6における棒グラフはそれぞれ各グラフにおいて、左からβ=0.2、0.4、・・・、2.0の場合の結果である。また、塗りつぶし部分(Sync.(off))はブラインド同期を行なっていない場合の結果であり、色抜きのもの(Sync.(on))はブラインド同期を行なった場合の結果を示す。 The bar graphs in results R1 to R6 show the results when β = 0.2, 0.4, ..., 2.0 (from left to right) in each graph. Also, the solid areas (Sync.(off)) show the results when blind synchronization was not performed, and the unshaded areas (Sync.(on)) show the results when blind synchronization was performed.
結果R1~R6は、サンプリング周波数のズレの補償を行うことで出力SNRが向上したことを示す。この理由の1つは、サンプリング周波数のズレが存在する場合は周波数応答(周波数伝達関数)が見かけ上時不変ではなくなってしまい、式(3)で表されるモデルが成り立たないということである。また、処理対象音の種類と入力SNRとに依存して出力SNRが最大となるβが異なる点も、理由の1つである。よって、音響信号処理装置1は、目的複素スペクトルの確率分布を正規分布やラプラス分布であると仮定するよりも柔軟なモデルであり、より高い出力SNRを得ることができる。
Results R1 to R6 show that the output SNR is improved by compensating for the deviation in the sampling frequency. One reason for this is that when there is a deviation in the sampling frequency, the frequency response (frequency transfer function) appears to be time-invariant, and the model expressed by equation (3) does not hold. Another reason is that β at which the output SNR is maximized varies depending on the type of sound to be processed and the input SNR. Thus, the acoustic
<式(5)を用いて目的複素スペクトログラムを取得する方法>
ここで式(5)を用いて目的複素スペクトログラムを推定する方法の一例を説明する。目的複素スペクトログラムは、式(5)をH(ω)で微分し極大値を与えるS(ω、m)を推定結果として取得することで推定される。しかしながら、絶対値の冪乗の微分の値は解析的に得ることができない。
<Method of obtaining a target complex spectrogram using equation (5)>
Here, an example of a method for estimating a target complex spectrogram using formula (5) will be described. The target complex spectrogram is estimated by differentiating formula (5) with respect to H(ω) and obtaining S(ω, m) that gives a maximum value as an estimation result. However, the value of the differential of the power of the absolute value cannot be analytically obtained.
もちろん、解析的な解を得ることができないだけなので、音響信号処理装置1は数値計算で式(5)をそのまま扱い近似値を取得するという地道な方法で目的複素スペクトログラムを推定してもよい。しかしながらこのような場合計算量が多いため丸め誤差等も発生しやすく、計算誤差が大きくなる可能性が高い。そこで、音響信号処理装置1は、式(5)そのままを数値計算することに代えて、式(5)を等価なより計算量の少ない式に変形して目的複素スペクトログラムを推定してもよい。
Of course, since it is simply not possible to obtain an analytical solution, the audio
音響信号処理装置1は、式(5)を等価なより計算量の少ない式に変形して目的複素スペクトログラムを推定する方法として、例えば以下の補助関数を適用して目的複素スペクトログラムを取得してもよい。補助関数法は、Majorization-Minimization Algorithm もしくはMM Algorithmとも呼称される(参考文献2及び3参照)。
The acoustic
参考文献2:David R Hunter & Kenneth Lange “A Tutorial on MM Algorithms”, The American Statistician, 58:1, 30-37.
参考文献3:小野、「補助関数法による最適化アルゴリズ厶とその音響信号処理への応用」、日本音響学会誌68 巻11号、pp.566~571、2012年
Reference 2: David R Hunter & Kenneth Lange “A Tutorial on MM Algorithms”, The American Statistician, 58:1, 30-37.
Reference 3: Ono, "Optimization algorithm using auxiliary function method and its application to acoustic signal processing," Journal of the Acoustical Society of Japan, Vol. 68, No. 11, pp. 566-571, 2012.
補助関数法では目的関数に対して適切な補助関数を見つける必要がある。ここで目的関数とは、最適化問題ごとに与えられる、最大化もしくは最小化したい関数である。補助関数法における適切な補助関数は、例えば参考文献4に記載の方法を用いることで見つけられる。 In the auxiliary function method, it is necessary to find an appropriate auxiliary function for the objective function. Here, the objective function is a function to be maximized or minimized, given for each optimization problem. An appropriate auxiliary function in the auxiliary function method can be found, for example, by using the method described in Reference 4.
参考文献4:Nobutaka Ono and Shigeki Miyabe, “Auxiliary-Function-Based Independent
Component Analysis for Super-Gaussian Sources”, V. Vigneron et al. (Eds.): LVA/ICA 2010, LNCS 6365, pp. 165-172, 2010, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010
Reference 4: Nobutaka Ono and Shigeki Miyabe, “Auxiliary-Function-Based Independent
Component Analysis for Super-Gaussian Sources”, V. Vigneron et al. (Eds.): LVA/ICA 2010, LNCS 6365, pp. 165-172, 2010, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010
ここで、振幅xで表現される連続で微分可能な関数であって振幅xの偶関数である関数G(x)の数学的な特性について考える。そこで、振幅xを負の値も有し得る変数xとして扱い、偶関数G(x)の数学的な特性を説明する。G(x)の変数xによる微分を変数xで割り算する関数が、定義域内で連続であり、x>0で正であり、なおかつ単調減少な関数であるならば、以下の式(6)が任意のxについて成り立つ。 Now, let us consider the mathematical properties of function G(x), which is a continuous, differentiable function expressed in terms of amplitude x and is an even function of amplitude x. Here, we will treat the amplitude x as a variable x that can have negative values and explain the mathematical properties of even function G(x). If a function that divides the derivative of G(x) with respect to variable x by variable x is continuous within the domain, positive for x>0, and monotonically decreasing, then the following equation (6) holds for any x.
式(6)の等号条件は、以下の式(7)で表される。 The equality condition in equation (6) is expressed as equation (7) below.
式(5)の第1項は、式(7)の条件を満たす。そこで、以下の式(8)で表される補助関数法における適切な補助関数Qは、以下の式(9)のように表される。 The first term of equation (5) satisfies the condition of equation (7). Therefore, an appropriate auxiliary function Q in the auxiliary function method expressed by the following equation (8) is expressed as the following equation (9).
H0(ω)は補助変数である。式(9)の右辺第2項は補助変数であるH0(ω)のみに依存する項である。そのため、H(ω)の最適化には無関係な項である。式(9)はH(ω)の2次関数である。補助関数QをH(ω)で微分した式を0とおき、H0(ω)=H(ω)(k)を代入して式変形することで、以下の更新式(11)が得られる。kは反復回数を表す。 H 0 (ω) is an auxiliary variable. The second term on the right side of formula (9) is a term that depends only on the auxiliary variable H 0 (ω). Therefore, it is a term that is not related to the optimization of H(ω). Formula (9) is a quadratic function of H(ω). The formula obtained by differentiating the auxiliary function Q with respect to H(ω) is set to 0, and the following update formula (11) is obtained by substituting H 0 (ω) = H(ω) (k) and transforming the formula. k represents the number of iterations.
式(11)においてアスタリスクの記号は複素共役であることを示す。式(11)で推定された周波数伝達関数を式(3)に代入することで、目的複素スペクトログラムが推定される。このような式811)及び式(3)を用いた推定を所定の終了条件が満たされるまで繰り返し実行することで目的複素スペクトログラムを推定する方法が補助関数適用法である。なお、終了条件は、例えば所定の回数繰り返された、という条件である。繰り返しの初期値は、式(11)の分母を0にしない条件であればどのような条件であってもよい。例えば、H(ω)の初期値は1という条件の元、式(11)の分母を0にしない条件であってもよい。 In equation (11), the asterisk symbol indicates a complex conjugate. The target complex spectrogram is estimated by substituting the frequency transfer function estimated in equation (11) into equation (3). The auxiliary function application method is a method of estimating the target complex spectrogram by repeatedly executing such estimation using equations (811) and (3) until a predetermined termination condition is satisfied. The termination condition is, for example, that the process has been repeated a predetermined number of times. The initial value of the repetitions may be any condition as long as the denominator of equation (11) is not set to 0. For example, the initial value of H(ω) may be 1, and the denominator of equation (11) may not be set to 0.
このように構成された実施形態の音響信号処理装置1は、処理対象スペクトログラムと参照スペクトログラムとに基づいて目的複素スペクトログラムにおける目的複素スペクトルの出現確率の分布と基準確率分布との違いを最小にする目的複素スペクトログラムを推定する。目的音時系列は、処理対象音時系列を用いて生成される時系列であって処理対象音時系列から参照時系列の成分が抑制された時系列である。そして、参照音は予め録音済みの除去対象音である。そのため、音響信号処理装置1は、目的音時系列は処理対象音から除去対象音の成分が抑制された音の時系列を生成することができる。すなわち、音響信号処理装置1は、モノラル録音された音の時系列から雑音の影響がより軽減された音の時系列を生成することができる。
The acoustic
(変形例)
なお、音響信号処理装置1は、ネットワークを介して通信可能に接続された複数台の情報処理装置を用いて実装されてもよい。この場合、音響信号処理装置1が備える各機能部は、複数の情報処理装置に分散して実装されてもよい。
(Modification)
The acoustic
なお、音響信号処理装置1の各機能の全て又は一部は、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)やPLD(Programmable Logic Device)やFPGA(Field Programmable Gate Array)等のハードウェアを用いて実現されてもよい。プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD-ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。
All or part of the functions of the audio
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。 The above describes an embodiment of the present invention in detail with reference to the drawings, but the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes designs that do not deviate from the gist of the present invention.
1…音響信号処理装置、 10…制御部、 11…入力部、 12…通信部、 13…記憶部、 14…出力部、 110…補償済みスペクトログラム取得部、 111…時間原点補償部、 112…振幅周波数変換部、 113…サンプリング周波数補償部、 120…目的複素スペクトログラム推定部、 130…目的音時系列生成部、 140…処理対象音時系列取得部、 150…参照時系列取得部、 160…通信制御部、 170…出力制御部、 180…記録部、 91…プロセッサ、 92…メモリ 1...acoustic signal processing device, 10...control unit, 11...input unit, 12...communication unit, 13...storage unit, 14...output unit, 110...compensated spectrogram acquisition unit, 111...time origin compensation unit, 112...amplitude frequency conversion unit, 113...sampling frequency compensation unit, 120...target complex spectrogram estimation unit, 130...target sound time series generation unit, 140...processing target sound time series acquisition unit, 150...reference time series acquisition unit, 160...communication control unit, 170...output control unit, 180...recording unit, 91...processor, 92...memory
Claims (5)
前記処理対象スペクトログラムと周波数伝達関数が乗算された前記参照スペクトログラムとの同時刻における複素スペクトルの差として得られる目的複素スペクトログラムにおける複素スペクトルである目的複素スペクトルの、予め定められた所定の確率分布に対する尤度を最大にする時系列を推定する目的複素スペクトログラム推定部と、
を備える音響信号処理装置。 a compensated spectrogram acquisition unit that acquires a processed spectrogram, which is a time series of complex spectra of the processing target sound time series that satisfies an origin coincidence condition that a start position of a processing target sound time series that indicates a processing target sound recorded in mono is coincident with a time origin of a reference time series that indicates the processing target sound that has been recorded in advance, and a sampling frequency coincidence condition that a sampling frequency of the processing target sound time series is coincident with a sampling frequency of the reference time series, and a reference spectrogram, which is a time series of complex spectra of the reference time series that satisfies the origin coincidence condition and the sampling frequency coincidence condition;
a target complex spectrogram estimating unit that estimates a time series that maximizes a likelihood of a predetermined probability distribution of a target complex spectrum, the target complex spectrum being a complex spectrum in a target complex spectrogram obtained as a difference between a complex spectrum at the same time between the processing target spectrogram and the reference spectrogram multiplied by a frequency transfer function;
An acoustic signal processing device comprising:
を備える請求項1に記載の音響信号処理装置。 a target sound time series generation unit that generates a time series of a sound having the target complex spectrogram estimated by the target complex spectrogram estimation unit;
The audio signal processing apparatus according to claim 1 ,
請求項1又は2に記載の音響信号処理装置。 the compensated spectrogram acquisition unit acquires a first spectrogram, which is a time series of complex spectra of the processing target sound time series that satisfies an origin coincidence condition, and a second spectrogram, which is a time series of complex spectra of the reference time series that satisfies an origin coincidence condition, after matching a start position of the processing target sound time series with a time origin of the reference time series, and acquires the processing target spectrogram and the reference spectrogram using the first spectrogram and the second spectrogram.
3. The audio signal processing device according to claim 1 or 2.
前記処理対象スペクトログラムと周波数伝達関数が乗算された前記参照スペクトログラムとの同時刻における複素スペクトルの差として得られる目的複素スペクトログラムにおける複素スペクトルである目的複素スペクトルの、予め定められた所定の確率分布に対する尤度を最大にする時系列を推定する目的複素スペクトログラム推定ステップと、
を有する音響信号処理方法。 a compensated spectrogram acquisition step of acquiring a processed spectrogram, which is a time series of complex spectra of the processing target sound time series that satisfies an origin coincidence condition that a start position of the processing target sound in a processing target sound time series that indicates a mono-recorded processing target sound coincides with a time origin of a reference time series that indicates the processing target sound that has been recorded in advance, and a sampling frequency coincidence condition that a sampling frequency of the processing target sound time series coincides with a sampling frequency of the reference time series, and a reference spectrogram, which is a time series of complex spectra of the reference time series that satisfies the origin coincidence condition and the sampling frequency coincidence condition;
a target complex spectrogram estimating step of estimating a time series that maximizes the likelihood of a target complex spectrum, which is a complex spectrum in a target complex spectrogram obtained as a difference between complex spectra at the same time between the processing target spectrogram and the reference spectrogram multiplied by a frequency transfer function, for a predetermined probability distribution;
An acoustic signal processing method comprising the steps of:
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| JP2022065565A (en) | 2022-04-27 |
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