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JP7555543B2 - SOUND PROCESSING DEVICE, SOUND PROCESSING SYSTEM, SOUND PROCESSING METHOD, AND PROGRAM - Google Patents
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SOUND PROCESSING DEVICE, SOUND PROCESSING SYSTEM, SOUND PROCESSING METHOD, AND PROGRAM Download PDF

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Description

本発明は、音響処理装置、音響処理システム、音響処理方法およびプログラムに関する。 The present invention relates to an audio processing device, an audio processing system, an audio processing method, and a program.

音源定位は、マイクロホンアレイを用いて収音された複数チャネルの音響信号から音源方向を推定する手法である。従来から、音響信号処理の要素技術として種々の方式が提案されている。1個のマイクロホンアレイでは、音源方向を推定することができるが、音源位置までは推定することはできない。近年では、複数のマイクロホンアレイを用いて、音源位置を推定する手法も提案されている。 Sound source localization is a method for estimating the direction of a sound source from multiple channel acoustic signals collected using a microphone array. Various methods have been proposed as elemental technologies for acoustic signal processing. A single microphone array can estimate the direction of a sound source, but cannot estimate the position of the sound source. In recent years, methods have been proposed for estimating the position of a sound source using multiple microphone arrays.

しかしながら、個々のマイクロホンアレイは個体差を有する。複数のマイクロホンアレイを用いる場合には、それぞれの位置、向き、および時刻を複数のマイクロホンアレイ間で校正させておく必要がある。非特許文献1には、観測された音源方向から、マイクロホンアレイの位置、向き、ならびに音源の位置の相互間の関係を示す目的関数を用いて、未知のマイクロホンアレイの位置、向き、ならびに音源の位置を推定する手法について記載されている。 However, each microphone array has individual differences. When using multiple microphone arrays, it is necessary to calibrate the position, orientation, and time between the multiple microphone arrays. Non-Patent Document 1 describes a method for estimating the position, orientation, and sound source position of an unknown microphone array from the observed sound source direction, using an objective function that indicates the relationship between the position and orientation of the microphone array, and the position of the sound source.

S. Wozniak and K. Kowalczyk: “Passive Joint Localization and Synchronization of Distributed Microphone Arrays”, IEEE Signal Processing Letters, Volume 26, Issue 2, pp.292-296, February 2019S. Wozniak and K. Kowalczyk: “Passive Joint Localization and Synchronization of Distributed Microphone Arrays”, IEEE Signal Processing Letters, Volume 26, Issue 2, pp.292-296, February 2019

しかしながら、非特許文献1に記載の目的関数では、マイクロホンアレイの位置、向き、ならびに音源の位置を推定するのが困難なことがあった。例えば、当該目的関数では、マイクロホンアレイ位置や音源の位置について、その大きさの程度まで定めることができない。また、局所最適解に陥り、より適切な解が得られないことがあった。 However, with the objective function described in Non-Patent Document 1, it was sometimes difficult to estimate the position and orientation of the microphone array, as well as the position of the sound source. For example, with this objective function, it was not possible to determine the microphone array position or the position of the sound source to the extent of their magnitude. In addition, the objective function sometimes fell into a local optimum solution, making it difficult to obtain a more appropriate solution.

本実施形態は上記の点に鑑みてなされたものであり、マイクロホンアレイの位置、向き、および、音源位置をより正確に同時推定することができる音響処理装置、音響処理システム、音響処理方法およびプログラムを提供することを課題とする。 This embodiment has been made in consideration of the above points, and aims to provide an audio processing device, an audio processing system, an audio processing method, and a program that can simultaneously estimate the position and orientation of a microphone array, and the position of a sound source more accurately.

(1)本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の一態様は、N(Nは、2個以上の整数)個のマイクロホンアレイのそれぞれについて定めた音源方向である観測音源方向と、当該マイクロホンアレイからの音源の方向を当該マイクロホンアレイの方向で回転した方向との差分である方向差分の大きさを示す第1の目的関数の関数値と、N個のうち2個のマイクロホンアレイの対ごとに定めた前記音源からの音の到達時間差である観測到達時間差から、前記音源から個々のマイクロホンアレイへの音波の伝搬時間の時間差と、個々のマイクロホンアレイのオフセット時間の時間差との差分である時間差分の大きさを示す第2の目的関数の関数値との合計値、より小さくなるように、前記マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、前記音源の位置を定める推定部を備える音響処理装置である。 (1) The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and one aspect of the present invention is an acoustic processing device including an estimation unit that determines the position, direction, and offset time of the microphone array and the position of the sound source so that the sum of a function value of a first objective function indicating the magnitude of a directional difference, which is the difference between an observed sound source direction, which is the sound source direction determined for each of N (N is an integer of 2 or more), microphone arrays, and the direction of the sound source from the microphone array rotated around the direction of the microphone array, and a function value of a second objective function indicating the magnitude of a time difference, which is the difference between the time difference in propagation time of sound waves from the sound source to each microphone array and the time difference between the offset time of each microphone array, from an observed arrival time difference, which is the arrival time difference of sound from the sound source determined for each pair of two of the N microphone arrays, is smaller .

(2)本発明の他の態様は、N(Nは、2個以上の整数)個のマイクロホンアレイのそれぞれについて定めた音源方向である観測音源方向と、当該マイクロホンアレイからの音源の方向を当該マイクロホンアレイの方向で回転した方向との差分である方向差分の大きさを示す第1の目的関数の関数値と、N個のうち2個のマイクロホンアレイの対ごとに定めた前記音源からの音の到達時間差である観測到達時間差から、前記音源から個々のマイクロホンアレイへの音波の伝搬時間の時間差と、個々のマイクロホンアレイのオフセット時間の時間差との差分である時間差分の大きさを示す第2の目的関数の関数値が、それぞれより小さくなるように、前記マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、前記音源の位置を定める推定部を備え、前記推定部は、第1の位置から第2の位置の距離の前記マイクロホンアレイの対間の総和が、より小さくなるように、前記マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、前記音源の位置を定め、前記第1の位置は、前記マイクロホンアレイを基準とする前記音源の位置を当該マイクロホンアレイの方向に回転させた位置であり、前記第2の位置は、前記マイクロホンアレイの対の一方のマイクロホンアレイから前記観測音源方向に、当該マイクロホンアレイの対の他方のマイクロホンアレイから前記音源までの距離から、前記時間差分における音の伝搬距離の差分に相当する距離離れた位置であることを特徴とする音響処理装置である。 (2) Another aspect of the present invention is a method for determining the position, direction, offset time, and front time of the microphone arrays so that a function value of a first objective function indicating the magnitude of a directional difference, which is the difference between an observed sound source direction, which is a sound source direction determined for each of N (N is an integer of 2 or more), microphone arrays, and a direction obtained by rotating the direction of the sound source from the microphone array with respect to the direction of the microphone array, and a function value of a second objective function indicating the magnitude of a time difference, which is the difference between a time difference of a sound wave propagation time from the sound source to each microphone array and a time difference of an offset time of each microphone array, from an observed arrival time difference, which is the arrival time difference of a sound from the sound source determined for each pair of two microphone arrays out of the N, are smaller. The sound processing device is characterized in that it includes an estimation unit that determines the position of the sound source, and the estimation unit determines the position, direction, and offset time of the microphone array and the position of the sound source so that the sum of the distances from the first position to the second position between the pair of microphone arrays is smaller, the first position being a position obtained by rotating the position of the sound source relative to the microphone array in the direction of the microphone array, and the second position being a position away from one microphone array of the pair of microphone arrays in the direction of the observed sound source, a distance equivalent to the difference in sound propagation distance in the time difference from the distance from the other microphone array of the pair of microphone arrays to the sound source.

(3)本発明の他の態様は、N(Nは、2個以上の整数)個のマイクロホンアレイのそれぞれについて定めた音源方向である観測音源方向と、当該マイクロホンアレイからの音源の方向を当該マイクロホンアレイの方向で回転した方向との差分である方向差分の大きさを示す第1の目的関数の関数値と、N個のうち2個のマイクロホンアレイの対ごとに定めた前記音源からの音の到達時間差である観測到達時間差から、前記音源から個々のマイクロホンアレイへの音波の伝搬時間の時間差と、個々のマイクロホンアレイのオフセット時間の時間差との差分である時間差分の大きさを示す第2の目的関数の関数値が、それぞれより小さくなるように、前記マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、前記音源の位置を定める推定部を備え、前記推定部は、前記第1の目的関数の関数値がより小さくなるように、前記マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、前記音源の位置を更新するステップと、前記第2の目的関数の関数値がより小さくなるように、前記マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、前記音源の位置を更新するステップと、を交互に実行することを特徴とする音響処理装置である (3) Another aspect of the present invention is a function value of a first objective function indicating the magnitude of a directional difference, which is the difference between an observed sound source direction, which is a sound source direction determined for each of N (N is an integer of 2 or more) microphone arrays, and a direction obtained by rotating the direction of the sound source from the microphone array with respect to the direction of the microphone array; and a second objective function indicating the magnitude of a time difference, which is the difference between a time difference between a propagation time of a sound wave from the sound source to each microphone array and a time difference between an offset time of each microphone array, from an observed arrival time difference, which is the arrival time difference of a sound from the sound source determined for each pair of two microphone arrays out of the N. The sound processing device includes an estimation unit that determines the position, orientation, and offset time of the microphone array and the position of the sound source so that the function value of the first objective function becomes smaller, respectively, and the estimation unit alternately executes a step of updating the position, orientation, and offset time of the microphone array and the position of the sound source so that the function value of the first objective function becomes smaller, and a step of updating the position, orientation, and offset time of the microphone array and the position of the sound source so that the function value of the second objective function becomes smaller .

(4)本発明の他の態様は、(1)から(3)のいずれかの音響処理装置と、前記マイクロホンアレイと、前記マイクロホンアレイごとに収音される音響信号に基づいて前記観測音源方向を定める音源方向観測部と、前記対ごとに前記観測到達時間差を定める到達時間差観測部と、を備える音響処理システムであってもよい。 (4) Another aspect of the present invention may be an acoustic processing system including an acoustic processing device according to any one of (1) to (3) , a microphone array, a sound source direction observation unit that determines the observed sound source direction based on an acoustic signal picked up by each of the microphone arrays, and an arrival time difference observation unit that determines the observed arrival time difference for each pair.

(5)本発明の他の態様は、コンピュータに(1)から(3)のいずれかの音響処理装置として機能させるためのプログラムであってもよい。 (5) Another aspect of the present invention may be a program for causing a computer to function as any one of the sound processing devices (1) to (3) .

(6)本発明の他の態様は、N(Nは、2個以上の整数)個のマイクロホンアレイのそれぞれについて定めた音源方向である観測音源方向と、当該マイクロホンアレイからの音源の方向を当該マイクロホンアレイの方向で回転した方向との差分である方向差分の大きさを示す第1の目的関数の関数値と、N個のうち2個のマイクロホンアレイの対ごとに定めた、前記音源からの音の到達時間差である観測到達時間差から、前記音源から個々のマイクロホンアレイへの音波の伝搬時間の時間差と、個々のマイクロホンアレイのオフセット時間の時間差との差分である時間差分の大きさを示す第2の目的関数の関数値との合計値、より小さくなるように、前記マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、前記音源の位置を定めるステップを有する音響処理方法である。
(7)本発明の他の態様は、N(Nは、2個以上の整数)個のマイクロホンアレイのそれぞれについて定めた音源方向である観測音源方向と、当該マイクロホンアレイからの音源の方向を当該マイクロホンアレイの方向で回転した方向との差分である方向差分の大きさを示す第1の目的関数の関数値と、N個のうち2個のマイクロホンアレイの対ごとに定めた前記音源からの音の到達時間差である観測到達時間差から、前記音源から個々のマイクロホンアレイへの音波の伝搬時間の時間差と、個々のマイクロホンアレイのオフセット時間の時間差との差分である時間差分の大きさを示す第2の目的関数の関数値が、それぞれより小さくなるように、前記マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、前記音源の位置を定めるステップを有し、前記ステップは、第1の位置から第2の位置の距離の前記マイクロホンアレイの対間の総和が、より小さくなるように、前記マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、前記音源の位置を定め、前記第1の位置は、前記マイクロホンアレイを基準とする前記音源の位置を当該マイクロホンアレイの方向に回転させた位置であり、前記第2の位置は、前記マイクロホンアレイの対の一方のマイクロホンアレイから前記観測音源方向に、当該マイクロホンアレイの対の他方のマイクロホンアレイから前記音源までの距離から、前記時間差分における音の伝搬距離の差分に相当する距離離れた位置であることを特徴とする音響処理方法である。
(8)本発明の他の態様は、N(Nは、2個以上の整数)個のマイクロホンアレイのそれぞれについて定めた音源方向である観測音源方向と、当該マイクロホンアレイからの音源の方向を当該マイクロホンアレイの方向で回転した方向との差分である方向差分の大きさを示す第1の目的関数の関数値と、N個のうち2個のマイクロホンアレイの対ごとに定めた前記音源からの音の到達時間差である観測到達時間差から、前記音源から個々のマイクロホンアレイへの音波の伝搬時間の時間差と、個々のマイクロホンアレイのオフセット時間の時間差との差分である時間差分の大きさを示す第2の目的関数の関数値が、それぞれより小さくなるように、前記マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、前記音源の位置を定めるステップを有し、前記ステップは、前記第1の目的関数の関数値がより小さくなるように、前記マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、前記音源の位置を更新するステップと、前記第2の目的関数の関数値がより小さくなるように、前記マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、前記音源の位置を更新するステップと、を交互に実行することを特徴とする音響処理方法である。
(6) Another aspect of the present invention is an acoustic processing method comprising a step of determining a position, direction, and offset time of the microphone arrays, and a position of the sound source, so as to reduce the sum of a function value of a first objective function indicating the magnitude of a directional difference, which is the difference between an observed sound source direction, which is the sound source direction determined for each of N (N is an integer of 2 or more), microphone arrays, and a direction obtained by rotating the direction of the sound source from the microphone array around the direction of the microphone array, and a function value of a second objective function indicating the magnitude of a time difference, which is the difference between an observed arrival time difference, which is the arrival time difference of sound from the sound source, and a time difference between the propagation time of the sound wave from the sound source to each microphone array and the offset time of each microphone array, from the observed arrival time difference, which is the arrival time difference of sound from the sound source, and
(7) In another aspect of the present invention, the position, direction, and offset time of the microphone arrays are determined so that a function value of a first objective function indicating the magnitude of a directional difference, which is the difference between an observed sound source direction, which is a sound source direction determined for each of N (N is an integer of 2 or more), microphone arrays, and a direction obtained by rotating the direction of the sound source from the microphone array with respect to the direction of the microphone array, and a function value of a second objective function indicating the magnitude of a time difference, which is the difference between a time difference of a sound wave propagation time from the sound source to each microphone array and a time difference of an offset time of each microphone array, from an observed arrival time difference, which is the arrival time difference of a sound from the sound source determined for each pair of two microphone arrays out of the N, are smaller. and a step of determining a position of the sound source, the step determining the position, direction, and offset time of the microphone array, and the position of the sound source such that a sum of distances from a first position to a second position between the pair of microphone arrays is smaller, the first position being a position obtained by rotating the position of the sound source relative to the microphone array in the direction of the microphone array, and the second position being a position away from one microphone array of the pair of microphone arrays in the observed sound source direction, a distance equivalent to a difference in sound propagation distance in the time difference from a distance from the other microphone array of the pair of microphone arrays to the sound source.
(8) Another aspect of the present invention is a method for detecting a time difference between a sound source and an offset time of the sound wave from the sound source, the time difference being a difference between an observed sound source direction, which is a sound source direction determined for each of N (N is an integer of 2 or more), microphone arrays, and a direction difference being a difference between the direction of the sound source from the microphone array and a direction obtained by rotating the direction of the microphone array with respect to the direction of the microphone array; and a second objective function indicating a magnitude of a time difference between a time difference between a propagation time of a sound wave from the sound source to each microphone array and a time difference between an offset time of each microphone array, the time difference being a difference between an observed arrival time difference, which is a difference in arrival time of a sound from the sound source, determined for each pair of two microphone arrays among the N. The acoustic processing method includes a step of determining the position, orientation, and offset time of the microphone array and the position of the sound source so that the function values of the objective functions become smaller, respectively, and the step alternately includes a step of updating the position, orientation, and offset time of the microphone array and the position of the sound source so that the function value of the first objective function becomes smaller, and a step of updating the position, orientation, and offset time of the microphone array and the position of the sound source so that the function value of the second objective function becomes smaller.

上述した(1)-(8)の構成によれば、第1の目的関数と第2の目的関数に対して、それぞれ第2の目的関数と第1の目的関数が拘束条件となるため、第1の目的関数に基づいて推定されるマイクロホンアレイの位置と音源の位置に含まれうる解の不定性と、第2の目的関数に基づいて推定されるマイクロホンアレイから音源の方向に含まれうる解の不定性が解消される。そのため、第1の目的関数と第2の目的関数のそれぞれの関数値をより小さくすることで、局所最適解を回避して、より正確にマイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、音源の位置を定めることができる。 According to the above-mentioned configurations (1) to (8) , the second objective function and the first objective function are constraints on the first objective function and the second objective function, respectively, so that the uncertainty of the solution that may be included in the position of the microphone array and the position of the sound source estimated based on the first objective function and the uncertainty of the solution that may be included in the direction of the sound source from the microphone array estimated based on the second objective function are eliminated. Therefore, by making the function values of the first objective function and the second objective function smaller, it is possible to avoid a local optimum solution and more accurately determine the position, direction, and offset time of the microphone array and the position of the sound source.

上述した(1)、(6)の構成において、第1の目的関数の関数値と、第2の目的関数の関数値との合計値は、推定されたマイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、音源の位置の正確性を示す指標となる。また、当該合計値を用いて推定されるマイクロホンアレイの位置、音源の位置、および、マイクロホンアレイから音源の方向には不定性が含まれない。そのため、局所最適解を回避して、より正確にマイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、音源の位置を定めることができる。 In the above-mentioned configurations (1) and (6) , the sum of the function values of the first objective function and the second objective function is an index indicating the accuracy of the estimated microphone array position, direction, offset time, and sound source position. In addition, the microphone array position, sound source position, and direction from the microphone array to the sound source estimated using the sum do not include uncertainty. Therefore, it is possible to avoid a local optimum solution and more accurately determine the microphone array position, direction, offset time, and sound source position.

上述した(2)、(7)の構成において、第1の位置から第2の位置の距離のマイクロホンアレイの対間の総和も、推定されたマイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、音源の位置の正確性を示す指標となる。また、当該総和を用いて推定されるマイクロホンアレイの位置、音源の位置、および、マイクロホンアレイから音源の方向には不定性が含まれない。そのため、局所最適解を回避して、より正確にマイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、音源の位置を定めることができる。 In the above-mentioned configurations (2) and (7) , the sum of the distances between the first and second positions of the microphone array pairs also serves as an index of the accuracy of the estimated microphone array position, direction, and offset time, and the sound source position. In addition, the microphone array position, sound source position, and sound source direction from the microphone array estimated using the sum do not include uncertainty. Therefore, it is possible to avoid a local optimum solution and more accurately determine the microphone array position, direction, offset time, and sound source position.

上述した(3)、(8)の構成によれば、第1の目的関数の関数値をより小さくするステップと、第2の目的関数の関数値をより小さくするステップとが交互に実行されるので、いずれかのステップが継続して生じうる局所最適解と解の不定性を回避することができる。そのため、より正確にマイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、音源の位置を定めることができる。 According to the above-mentioned configurations (3) and (8) , the step of making the function value of the first objective function smaller and the step of making the function value of the second objective function smaller are alternately executed, so that it is possible to avoid a local optimum solution and an indefinite solution that may occur if any of the steps continues. Therefore, it is possible to more accurately determine the position, direction, and offset time of the microphone array, and the position of the sound source.

本実施形態に係る音響処理システムの一構成例を示すブロック図である。1 is a block diagram showing an example of the configuration of a sound processing system according to an embodiment of the present invention. 第1目的関数を説明するための説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram for explaining a first objective function. 第2目的関数を説明するための説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram for explaining a second objective function. 本実施形態に係る推定処理の第1例を示すフローチャートである。5 is a flowchart showing a first example of an estimation process according to the present embodiment. 本実施形態に係る推定処理の第2例を示すフローチャートである。13 is a flowchart showing a second example of the estimation process according to the embodiment. 本実施形態に係る推定処理の第3例を示すフローチャートである。13 is a flowchart showing a third example of the estimation process according to the embodiment. マイクロホンの一配置例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of microphone arrangement. マイクロホンの他の配置例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing another example of microphone arrangement. 本実施形態に係る音響処理システムの他の構成例を示すブロック図である。FIG. 11 is a block diagram showing another example of the configuration of the sound processing system according to the embodiment. 誤差平均の変化の一例を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a change in the average error. 計算時間の一例を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a calculation time. 誤差平均の変化の他の例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing another example of a change in the average error. 計算時間の他の例を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating another example of the calculation time.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態に係る音響処理システムS1の構成例を示すブロック図である。
音響処理システムS1は、音響処理装置10と、収音部20と、を備える。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of a sound processing system S1 according to this embodiment.
The sound processing system S1 includes a sound processing device 10 and a sound collection unit 20.

収音部20は、複数のマイクロホンアレイを有する。マイクロホンアレイの数Nは、2以上の整数である。個々のマイクロホンアレイは、それぞれ異なる位置において、異なる方向に向けて設置される。本願では、マイクロホンアレイの位置、方向を、それぞれ「アレイ位置」、「アレイ方向」と呼ぶことがある。また、個々のマイクロホンアレイを、それぞれ、A、A、などとインデックスを付して区別することがある。N個のマイクロホンアレイに共通の事項、その他、個々のマイクロホンアレイを区別しない場合には、単に「マイクロホンアレイ」または「マイクロホンアレイA」と呼ぶことがある。 The sound collection unit 20 has a plurality of microphone arrays. The number N of the microphone arrays is an integer equal to or greater than 2. Each microphone array is installed at a different position facing a different direction. In this application, the position and direction of the microphone array may be referred to as the "array position" and the "array direction", respectively. Also, each microphone array may be distinguished by being assigned an index such as A1 , A2 , etc. When there is no need to distinguish between the individual microphone arrays or matters common to the N microphone arrays, they may be simply referred to as the "microphone array" or "microphone array A".

個々のマイクロホンアレイAは、それぞれ複数個のマイクロホンを備える。個々のマイクロホンは、それぞれ異なる位置に配置され、それぞれ自部に到来する音波を収音する。個々のマイクロホンは、それぞれ到来した音波を音響信号に変換するアクチュエータを備え、変換した音響信号を音響処理装置10に出力する。本願では、マイクロホンごとに収音される音響信号の単位を「チャネル」と呼ぶ。図7に例示されるマイクロホンアレイAは、L個のマイクロホンmic1~micLが直線上に等間隔に配置されてなる。マイクロホンアレイAにおける複数のマイクロホンの空間的配置は、これには限られない。図8に例示されるように、マイクロホンアレイAを構成する複数のマイクロホンは円弧上に配置されてもよい。 Each microphone array A includes multiple microphones. Each microphone is arranged at a different position and picks up sound waves arriving at that microphone. Each microphone includes an actuator that converts the incoming sound waves into an acoustic signal, and outputs the converted acoustic signal to the sound processing device 10. In this application, the unit of the acoustic signal picked up by each microphone is called a "channel." The microphone array A illustrated in FIG. 7 includes L microphones mic1 to micL arranged at equal intervals on a straight line. The spatial arrangement of the multiple microphones in the microphone array A is not limited to this. As illustrated in FIG. 8, the multiple microphones that make up the microphone array A may be arranged on an arc.

マイクロホンアレイの方向は、当該マイクロホンアレイの音源方向の基準となる方向であればよい。マイクロホンアレイの方向は、マイクロホンが配置される方向であってもよいが、これには限られない。また、本願では、個々のマイクロホンアレイにより収音される音響信号の同期がとれていないことを前提とする。従って、マイクロホンアレイごとにオフセット時間を有する。オフセット時間とは、個々のマイクロホンアレイの時刻の音響処理システムS1全体としての基準時刻からの時間差に相当する。 The direction of the microphone array may be any direction that serves as a reference for the sound source direction of the microphone array. The direction of the microphone array may be, but is not limited to, the direction in which the microphones are arranged. Furthermore, this application is based on the premise that the acoustic signals picked up by each microphone array are not synchronized. Therefore, each microphone array has an offset time. The offset time corresponds to the time difference between the time of each microphone array and the reference time for the entire acoustic processing system S1.

音響処理装置10は、N個のマイクロホンアレイのそれぞれについて、取得される複数チャネルの音響信号を用いて音源の方向を観測音源方向として定める(音源定位(sound source localization))。本願では、音源の方向を「音源方向」と呼び、特に、複数チャネルの音響信号から定めた音源方向を「観測音源方向」と呼ぶことがある。また、音源の位置を「音源位置」と呼ぶことがある。
音響処理装置10は、N個のうち2個のマイクロホンアレイからなるマイクロホンアレイの対(ペア)ごとに、音源からマイクロホンアレイのそれぞれに音が到達する到達時刻の差を観測到達時間差として定める(到達時間差観測)。本願では、マイクロホンアレイの対を、「アレイ対」と呼ぶことがある。
The sound processing device 10 determines the direction of a sound source as an observed sound source direction using the multi-channel sound signals acquired from each of the N microphone arrays (sound source localization). In this application, the direction of a sound source is called a "sound source direction", and in particular, the sound source direction determined from the multi-channel sound signals may be called an "observed sound source direction". In addition, the position of a sound source may be called a "sound source position".
The sound processing device 10 determines the difference in the arrival time of sound from the sound source to each of the microphone arrays as the observed arrival time difference (arrival time difference observation) for each pair of microphone arrays consisting of two microphone arrays out of N. In this application, a pair of microphone arrays may be referred to as an "array pair."

音響処理装置10は、マイクロホンアレイごとの観測音源方向と、アレイ対ごとの観測到達時間差に基づいて第1目的関数の関数値と第2目的関数の関数値が、それぞれより小さくなるように、アレイ位置、アレイ方向、オフセット時間、および、音源の位置を未知情報として推定する。第1目的関数、第2目的関数については、後述する。
音響処理装置10は、推定したアレイ位置、アレイ方向、オフセット時間、および、音源の位置の一部または全部を示す出力情報を出力先機器30に出力する。
出力先機器30は、推定されたアレイ位置、アレイ方向、オフセット時間、および音源の位置の一部または全部の出力先となる機器である。出力先機器30は、PC(Personal Computer)、多機能携帯電話機、などの情報通信機器であってもよいし、計測器、監視装置、などであってもよい。
The sound processing device 10 estimates the array position, array direction, offset time, and sound source position as unknown information so that the function values of the first objective function and the second objective function are smaller, based on the observed sound source direction for each microphone array and the observed arrival time difference for each array pair. The first objective function and the second objective function will be described later.
The sound processing device 10 outputs output information indicating some or all of the estimated array position, array direction, offset time, and sound source position to the output destination device 30.
The output destination device 30 is a device to which some or all of the estimated array position, array direction, offset time, and sound source position are output. The output destination device 30 may be an information and communication device such as a PC (Personal Computer) or a multi-function mobile phone, or may be a measuring instrument, a monitoring device, or the like.

次に、本実施形態に係る音響処理装置10の機能構成例について説明する。
音響処理装置10は、入出力部110と、制御部120と、を含んで構成される。
入出力部110は、他の機器と各種のデータを入力および出力可能に無線または有線で接続する。入出力部110は、入力データとして、個々のマイクロホンアレイAから入力される複数チャネルの音響信号を制御部120に出力する。入出力部110は、出力データとして、制御部120から入力される推定情報を出力先機器に出力する。入出力部110は、例えば、入出力インタフェース、通信インタフェースなどのいずれか、または、それらの組み合わせであってもよい。
Next, an example of the functional configuration of the sound processing device 10 according to the present embodiment will be described.
The sound processing device 10 includes an input/output unit 110 and a control unit 120 .
The input/output unit 110 is connected wirelessly or wired to other devices so as to input and output various data. The input/output unit 110 outputs, as input data, acoustic signals of multiple channels input from each microphone array A to the control unit 120. The input/output unit 110 outputs, as output data, estimated information input from the control unit 120 to an output destination device. The input/output unit 110 may be, for example, any one of an input/output interface, a communication interface, and the like, or a combination thereof.

制御部120は、音響処理装置10の機能を実現するための処理、その機能を制御するための処理、などを実行する。制御部120は、専用の部材を用いて構成されてもよいが、CPU(Central Processing Unit)などのプロセッサと各種の記憶媒体を含んでコンピュータシステムとして構成されてもよい。プロセッサは、予め記憶媒体に記憶された所定のプログラムを読み出し、読み出したプログラムに記述された各種の命令で指示される処理を実行して制御部120の機能を実現する。
制御部120は、音源方向観測部122、到達時間差観測部124、推定部126、および出力処理部128を含んで構成される。
The control unit 120 executes processes for implementing the functions of the sound processing device 10, processes for controlling the functions, etc. The control unit 120 may be configured using a dedicated member, or may be configured as a computer system including a processor such as a CPU (Central Processing Unit) and various storage media. The processor reads out a predetermined program stored in advance in the storage medium, and executes processes instructed by various commands written in the read out program to implement the functions of the control unit 120.
The control unit 120 includes a sound source direction observation unit 122 , an arrival time difference observation unit 124 , an estimation unit 126 , and an output processing unit 128 .

音源方向観測部122は、個々のマイクロホンアレイAから入出力部110を用いて入力される複数チャネルの音響信号に基づいて、音源定位処理を行って個々の音源の音源方向の観測値である観測音源方向を定める。音源方向観測部122は、音源定位処理において、例えば、MUSIC(Multiple Signal Classification,多重信号分類)法、WDS-BF(Weighted Delay and Sum Beam Forming)法などの手法が利用可能である。音源方向観測部122は、マイクロホンアレイAごとに定めた観測音源方向を示す音源方向情報を推定部126に出力する。 The sound source direction observation unit 122 performs sound source localization processing based on the multi-channel acoustic signals input from each microphone array A using the input/output unit 110 to determine the observed sound source direction, which is the observed value of the sound source direction of each sound source. In the sound source localization processing, the sound source direction observation unit 122 can use methods such as the MUSIC (Multiple Signal Classification) method and the WDS-BF (Weighted Delay and Sum Beam Forming) method. The sound source direction observation unit 122 outputs sound source direction information indicating the observed sound source direction determined for each microphone array A to the estimation unit 126.

到達時間差観測部124は、個々のマイクロホンアレイAから入出力部110を経由して入力される複数チャネルの音響信号に基づいて、アレイ対ごとに、音源から個々のマイクロホンアレイAに音波が到達する到達時刻の差の観測値である観測到達時間差を定める。到達時間差観測部124は、アレイ対ごとに定めた観測到達時間差を示す到達時間差情報を推定部126に出力する。
到達時間差観測部124は、観測到達時間差を定める際、例えば、アレイ対をなす一方のマイクロホンアレイの1つのチャネルの音響信号と、他方のマイクロホンアレイの1つのチャネルの音響信号を遅延させた遅延信号との相互相関を遅延量ごとに、各チャネル対について算出する。チャネル対は、一方のマイクロホンアレイの1つのチャネルと他方のマイクロホンアレイの1つのチャネルの組に相当する。到達時間差観測部124は、相互相関が極大となる遅延量をチャネル対間で平均して得られる平均遅延量を観測到達時間差として定める。
The arrival time difference observation unit 124 determines, for each array pair, an observed arrival time difference that is an observed value of the difference in arrival time between when a sound wave arrives from a sound source to each microphone array A, based on the multi-channel acoustic signals input from each microphone array A via the input/output unit 110. The arrival time difference observation unit 124 outputs to the estimation unit 126 arrival time difference information indicating the observed arrival time difference determined for each array pair.
When determining the observed arrival time difference, the arrival time difference observation unit 124 calculates, for example, the cross-correlation between an acoustic signal of one channel of one microphone array forming an array pair and a delayed signal obtained by delaying an acoustic signal of one channel of the other microphone array for each delay amount for each channel pair. A channel pair corresponds to a set of one channel of one microphone array and one channel of the other microphone array. The arrival time difference observation unit 124 determines, as the observed arrival time difference, an average delay amount obtained by averaging the delay amounts at which the cross-correlation is maximized between the channel pairs.

なお、音響空間に所在する音源数は、1個に限らず、複数となりうる。そのため、到達時間差は、マイクロホンアレイごとに複数個定まりうる。異なるマイクロホンアレイ間で異なる音源からの音波の到達時刻差が誤って推定されるおそれが生ずる。但し、到達時間差観測部124は、所定の極大値の閾値以下となる相互相関を与える遅延量を棄却し、その閾値以上となる相互相関を与える遅延量を、到達時間差を定める際に採用してもよい。これにより、マイクロホンアレイ間で異なる音源からの到達時刻を用いて到達時間差を定めることが回避され、到達時間差観測部124は、マイクロホンアレイ間で共通の音源からの到達時刻を用いて到達時間差を定めることができる。 The number of sound sources in the acoustic space is not limited to one, but can be multiple. Therefore, multiple arrival time differences can be determined for each microphone array. There is a risk that the arrival time difference of sound waves from different sound sources between different microphone arrays may be erroneously estimated. However, the arrival time difference observation unit 124 may discard the delay amount that gives a cross-correlation that is equal to or less than a predetermined maximum value threshold, and adopt the delay amount that gives a cross-correlation that is equal to or greater than that threshold when determining the arrival time difference. This avoids determining the arrival time difference using the arrival times from different sound sources between microphone arrays, and the arrival time difference observation unit 124 can determine the arrival time difference using the arrival time from a sound source that is common between microphone arrays.

推定部126には、音源方向観測部122から音源方向情報が入力され、到達時間差観測部124から到達時間差情報が入力される。
推定部126は、音源方向情報が示すマイクロホンアレイごとの観測音源方向と到達時間差情報が示すアレイ対ごとの観測到達時間差に基づいて、第1目的関数の関数値と第2目的関数の関数値が、それぞれ最小化されるように、推定値であるアレイ位置、アレイ方向、オフセット時間、および、音源の位置を定める。「最小化」において、例えば、勾配法が適用可能である。本願では、「最小化」、「最適化」とは、それぞれ、できるだけ関数値が小さくなる、最適値に近似するように推定値を探索するとの意味を含み、関数値が絶対的に最小、最適となる推定値を定めることに限られない。従って、「最小化」、「最適化」の過程において、それぞれ一時的に関数値が大きくなること、最適値から乖離することもありうる。推定部126は、定めたアレイ位置、アレイ方向、オフセット時間、および、音源の位置を示す推定情報を出力処理部128に出力する。
The estimation unit 126 receives the sound source direction information from the sound source direction observation unit 122 and the arrival time difference information from the arrival time difference observation unit 124 .
The estimation unit 126 determines the array position, array direction, offset time, and sound source position, which are estimated values, so that the function value of the first objective function and the function value of the second objective function are minimized, based on the observed sound source direction for each microphone array indicated by the sound source direction information and the observed arrival time difference for each array pair indicated by the arrival time difference information. In the "minimization", for example, a gradient method can be applied. In this application, "minimization" and "optimization" each include the meaning of searching for an estimated value so that the function value is as small as possible and approximates an optimal value, and are not limited to determining an estimated value at which the function value is absolutely minimum or optimal. Therefore, in the process of "minimization" and "optimization", the function value may temporarily increase or deviate from the optimal value. The estimation unit 126 outputs estimation information indicating the determined array position, array direction, offset time, and sound source position to the output processing unit 128.

出力処理部128は、推定部126から入力される推定情報の一部または全部を出力情報として、入出力部110を経由して出力先機器30に出力する。
出力処理部128は、例えば、推定部126から推定情報が入力されるごとに、入力される推定情報のうち、所定の項目の情報(例えば、音源位置)を出力先機器30に出力する(プッシュ型送信)。出力処理部128は、出力先機器30から要求情報が入力されるとき、要求情報で指示される項目の情報を、その応答として出力先機器30に出力してもよい(プル型送信)。出力処理部128は、入力された推定情報の一部または全部を外部機器に出力せずに、自装置の記憶媒体に記憶してもよい。
The output processing unit 128 outputs a part or all of the estimated information input from the estimation unit 126 as output information to the output destination device 30 via the input/output unit 110 .
For example, each time estimated information is input from the estimation unit 126, the output processing unit 128 outputs information on a predetermined item (e.g., sound source position) from the input estimated information to the output destination device 30 (push-type transmission). When request information is input from the output destination device 30, the output processing unit 128 may output information on an item specified by the request information to the output destination device 30 as a response (pull-type transmission). The output processing unit 128 may store part or all of the input estimated information in a storage medium of its own device without outputting it to an external device.

(目的関数)
次に、本実施形態に係る目的関数について説明する。図2は、第1目的関数を説明するための説明図である。第1目的関数Lは、マイクロホンアレイAからの音源Sの観測音源方向θi,jを示す方向ベクトルdi,jが、式(1)に示すように、マイクロホンアレイAの位置aを基準とした音源Sの位置sへの方向ベクトルを、マイクロホンアレイAの方向θで回転させて得られる単位ベクトルに相当するという関係に基づく。但し、図2に示す例では、マイクロホンアレイAがx-y直交座標系の原点に配置され、その方向θがx軸方向に向けられている。
(Objective function)
Next, the objective function according to this embodiment will be described. FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the first objective function. The first objective function L 1 is based on the relationship that the direction vector d i,j indicating the observation sound source direction θ i,j of the sound source S i from the microphone array A j corresponds to a unit vector obtained by rotating the direction vector to the position s i of the sound source S i based on the position a j of the microphone array A j in the direction θ j of the microphone array A j , as shown in formula (1). However, in the example shown in FIG. 2, the microphone array A j is placed at the origin of the x-y Cartesian coordinate system, and the direction θ j is directed to the x-axis direction.

Figure 0007555543000001
Figure 0007555543000001

式(1)において、Rは、マイクロホンアレイAの方向θに係る回転行列を示す。二次元の回転行列は、式(2)に示される。…は、行列…またはベクトル…の転置を示す。s‐aは、マイクロホンアレイAの位置aを基準とする音源Siの位置sを示す位置ベクトルに相当する。||…||は、ベクトル…の、L2ノルム、つまり、各次元の要素値の平方和の平方根を示す。 In formula (1), Rj denotes a rotation matrix related to the direction θj of the microphone array Aj . A two-dimensional rotation matrix is shown in formula (2). ... T denotes the transpose of a matrix ... or a vector .... s i -a j corresponds to a position vector indicating the position s i of the sound source Si based on the position a j of the microphone array Aj . || ... || 2 denotes the L2 norm of the vector ..., that is, the square root of the sum of the squares of the element values of each dimension.

Figure 0007555543000002
Figure 0007555543000002

式(1)の両辺に||s‐s||を乗じ、さらに左辺を右辺に移項して、両辺を二乗して得られる関数Dのマイクロホンアレイ間の総和をとると第1目的関数Lが導かれる。但し、式(3)は、音源数Mが2以上の場合も含めて一般化されている。第1目的関数Lは、M個の音源間の総和をなしている。 Multiplying both sides of equation (1) by ||s i -s j || 2 , further transferring the left side to the right side, and squaring both sides to obtain a function D, the first objective function L 1 is derived by taking the sum of the microphone arrays. However, equation (3) is generalized to include the case where the number of sound sources M is 2 or more. The first objective function L 1 forms the sum of the M sound sources.

Figure 0007555543000003
Figure 0007555543000003

式(3)に示すように、第1目的関数Lは、マイクロホンアレイAごとに、当該マイクロホンアレイAを基準とする音源位置の座標値s‐aを当該マイクロホンアレイAのアレイ方向θに回転させた位置の座標値である回転座標値R (s‐a)と、原点から観測音源方向の方向ベクトルdi,jに当該マイクロホンアレイAから音源Sまでの距離||s‐a||に相当する距離だけ離れた位置の座標値である観測音源方向座標値di,j||s‐a||との差の大きさを示す関数値を与える関数である。つまり、第1目的関数Lは、マイクロホンアレイAからの音源Sの観測音源方向θi,jと、マイクロホンアレイAからの音源Sの位置sへの方向を、マイクロホンアレイAの方向θで回転した方向との差分の大きさを示す指標値を与える関数である。 As shown in equation (3), the first objective function L1 is a function that gives, for each microphone array Aj , a function value indicating the magnitude of the difference between the rotated coordinate value RjT ( si - aj) which is the coordinate value of the position obtained by rotating the coordinate value si - aj of the sound source position based on the microphone array Aj in the array direction θj of the microphone array Aj , and the observed sound source direction coordinate value d i, j || si - aj || 2 which is the coordinate value of the position away from the origin in the directional vector d i,j of the observed sound source direction by a distance equivalent to the distance ||si - aj || 2 from the microphone array Aj to the sound source S i . In other words, the first objective function L1 is a function that gives an index value indicating the magnitude of the difference between the observed sound source direction θ i,j of sound source S i from microphone array A j and the direction from microphone array A j to position s i of sound source S i rotated in the direction θ j of microphone array A j .

式(1)は、アレイ位置の座標値aから音源位置の座標値sの差分値を正規化して得られる単位ベクトルを、マイクロホンアレイAの方向θで回転させて方向ベクトルdi,jが得られることを示す。そのため、あるアレイ位置の座標値aと音源位置の座標値sに共通の倍率α(αは、0以外の実数)で、それぞれ拡大または縮小した値であっても、式(1)が成立する。即ち、式(3)に示す第1目的関数Lを最小化して推定されるアレイ位置の座標値aと音源位置の座標値sには、α倍の不定性が残される。倍率αは、座標スケールとも呼ばれる。倍率αを定めるためには、別個の拘束条件を用いる必要がある。例えば、別個の拘束条件としてマイクロホン間の音波の到達時間差とマイクロホン間距離など、が用いられうる。本実施形態では、次に説明する第2目的関数が別個の拘束条件の役割を担う。 Equation (1) shows that a unit vector obtained by normalizing the difference value of the coordinate value s i of the sound source position from the coordinate value a j of the array position is rotated in the direction θ j of the microphone array A j to obtain a directional vector d i,j . Therefore, even if the coordinate value a j of a certain array position and the coordinate value s i of the sound source position are enlarged or reduced by a common magnification α (α is a real number other than 0), equation (1) holds. That is, the coordinate value a j of the array position and the coordinate value s i of the sound source position estimated by minimizing the first objective function L 1 shown in equation (3) are left with an uncertainty of α times. The magnification α is also called a coordinate scale. In order to determine the magnification α, it is necessary to use a separate constraint condition. For example, the arrival time difference of sound waves between microphones and the distance between microphones can be used as separate constraint conditions. In this embodiment, the second objective function described next plays the role of a separate constraint condition.

図3は、第2目的関数を説明するための説明図である。第2目的関数は、音源SからマイクロホンアレイAへの音波の到達時刻と音源iからマイクロホンアレイAへの観測到達時間差τi,(j,k)が、式(4)に示すように音源SからマイクロホンアレイAへの音波の伝搬時間c―1||s―a||と音源SからマイクロホンアレイAへの音波の伝搬時間c―1||s―a||との時間差と、マイクロホンアレイAのオフセット時間δとマイクロホンアレイAのオフセット時間δの時間差に相当するという関係に基づく。式(4)において、cは、音速を示す。 3 is an explanatory diagram for explaining the second objective function. The second objective function is based on the relationship that the arrival time of the sound wave from the sound source S i to the microphone array A j and the observed arrival time difference τ i, (j, k) from the sound source i to the microphone array A k correspond to the time difference between the propagation time c -1 || s i - a j || 2 of the sound wave from the sound source S i to the microphone array A j and the propagation time c -1 || s i - a k || 2 of the sound wave from the sound source S i to the microphone array A k , and the time difference between the offset time δ j of the microphone array A j and the offset time δ k of the microphone array A k , as shown in formula (4). In formula (4), c indicates the speed of sound.

Figure 0007555543000004
Figure 0007555543000004

式(4)の両辺に音速cを乗じ、さらに左辺を右辺に移項して得られる関数Tのアレイ対間の総和をとると第2目的関数Lが導かれる。但し、式(5)は、音源数Mが2以上の場合も含めて一般化されている。 The second objective function L2 is derived by multiplying both sides of equation (4) by the sound speed c, and then taking the sum of the function T obtained by shifting the left side to the right side between the array pairs. However, equation (5) is generalized to include the case where the number of sound sources M is 2 or more.

Figure 0007555543000005
Figure 0007555543000005

式(5)に示すように、第2目的関数Lは、2個のマイクロホンアレイA、Aからなるアレイ対ごとに、当該アレイ対をなす一方のマイクロホンアレイAから音源Sへの第1の距離||s-a||から、他方のマイクロホンアレイAから音源Sへの第2の距離||s-a||の距離差と、一方のマイクロホンアレイAのオフセット時間δから他方のマイクロホンアレイAのオフセット時間δの時間差における音の進行距離c(δ-δ)から当該アレイ対の観測到達時間差τi,(j,k)における音の進行距離cの距離差cτi,(j,k)との和の大きさを示す関数値を与える関数である。即ち、第2目的関数Lは、音源Sからの音波に対するマイクロホンアレイA、A間の観測到達時間差τi,(j,k)から、音源iからマイクロホンアレイA、Aのそれぞれへの音波の伝搬時間c―1||s―a||の時間差と、マイクロホンアレイAのオフセット時間δからマイクロホンアレイAのオフセット時間δの時間差との差分の大きさを示す指標値を与える関数である。 As shown in equation (5), the second objective function L 2 is a function that gives, for each array pair consisting of two microphone arrays A j and A k , a function value indicating the magnitude of the sum of the distance difference from a first distance ||s i -a j || 2 from one microphone array A j to a sound source S i constituting the array pair to a second distance ||s i -a k || 2 from the other microphone array A k to the sound source S i , and the distance difference cτ i,(j, k ) of the sound traveling distance c at the observed arrival time difference τ i,(j,k) of the array pair from the sound traveling distance c(δ jk ) in the time difference from the offset time δ j of one microphone array A j to the offset time δ k of the other microphone array A k. That is, the second objective function L2 is a function that gives an index value indicating the magnitude of the difference between the time difference c -1 ||s i -a k || 2 of the sound wave from sound source i to each of the microphone arrays A j and A k, based on the observed arrival time difference τ i,(j,k) between the microphone arrays A j and A k for the sound wave from sound source S i , and the time difference from the offset time δ j of microphone array A j to the offset time δ k of microphone array A k.

ところで、式(4)は、音源iからマイクロホンアレイAへの距離||s―a||と音源iからマイクロホンアレイAへの距離||s―a||との距離差における音の到達時間差と、マイクロホンアレイAのオフセット時間δとマイクロホンアレイAのオフセット時間δの時間差(δ-δ)の和が観測到達時間差τi,(j,k)として得られることを示す。そのため、マイクロホンアレイAから音源Sの方向を示す方向ベクトルdi,jに、マイクロホンアレイ間で共通の回転行列γが乗じられた値であっても式(4)が成立する。即ち、式(5)に示す第2目的関数Lを最小化して推定される個々の方向ベクトルdi,jには回転に対する不定性が含まれる。回転行列γを定めるためには、別個の拘束条件を用いる必要がある。例えば、別個の拘束条件として個々の音源の位置が用いられうる。なお、未知数と第2目的関数Lから導出される方程式の数が一致するように、マイクロホンアレイ数N、音源数Mを定めておけば、解析的に推定情報が定まるはずである。しかしながら、観測到達時間差τi,(j,k)に含まれる誤差は、推定情報の精度を低下させる要因となる。このことは、観測音源方向θi,jに対しても当てはまる。 Incidentally , formula (4) shows that the sound arrival time difference in the distance difference between the distance ||s i -a j || 2 from the sound source i to the microphone array A j and the distance ||s i -a k || 2 from the sound source i to the microphone array A k , and the sum of the time difference (δ jk ) between the offset time δ j of the microphone array A j and the offset time δ k of the microphone array A k can be obtained as the observed arrival time difference τ i,(j,k) . Therefore, formula (4) is established even if the direction vector d i,j indicating the direction from the microphone array A j to the sound source S i is multiplied by a rotation matrix γ common between the microphone arrays. That is, the individual direction vectors d i,j estimated by minimizing the second objective function L 2 shown in formula (5) include uncertainty with respect to rotation. In order to determine the rotation matrix γ, it is necessary to use separate constraint conditions. For example, the position of each sound source can be used as a separate constraint condition. If the number of microphone arrays N and the number of sound sources M are determined so that the number of unknowns and the number of equations derived from the second objective function L2 match, the estimated information should be analytically determined. However, the error contained in the observed arrival time difference τ i,(j,k) is a factor that reduces the accuracy of the estimated information. This also applies to the observed sound source direction θ i,j .

第1目的関数L、第2目的関数Lに基づく方程式は、いずれも非線形方程式であり、複数の局所最適解が存在する。そのため、局所最適解への収束を回避することが望まれる。本実施形態では、解の不定性が異なる第1目的関数Lと第2目的関数Lの両者に基づいて推定情報を求めることができる。第1目的関数Lと第2目的関数Lの一方が他方に対する拘束条件として作用することで、局所最適解を回避することが期待される。 Both the equations based on the first objective function L1 and the second objective function L2 are nonlinear equations, and multiple local optimal solutions exist. Therefore, it is desirable to avoid convergence to a local optimal solution. In this embodiment, it is possible to obtain estimated information based on both the first objective function L1 and the second objective function L2, which have different solution uncertainties. It is expected that one of the first objective function L1 and the second objective function L2 acts as a constraint condition for the other, thereby avoiding a local optimal solution.

(推定処理)
次に、第1目的関数Lと第2目的関数Lの両者を用いて、推定情報を推定する手法について説明する。推定情報は、マイクロホンアレイごとの位置、方向、ならびに、オフセット時間、および音源位置となる。ここで、個々のマイクロホンアレイの位置、方向、オフセット時間は、基準とする所定のマイクロホンアレイ(例えば、マイクロホンアレイA)の位置、方向、オフセット時間との相対値であればよい。また、二次元空間では、2個の座標値で1個の位置が表現される。そのため、推定情報をなす未知数の個数は、音源の位置について2M個、マイクロホンアレイの位置として2(N-1)個、マイクロホンアレイの向きとしてN-1個、マイクロホンアレイのオフセット時間としてN-1個となる。推定情報の推定においては、連立する方程式の個数が未知数の個数2M+4(N-1)と等しいか、より多くする必要がある。連立する方程式は、計算に用いる目的関数をいずれかの未知数で偏微分して得られる導関数を0とする方程式である。例えば、N=3の場合、後述する手法1、手法2、手法3のそれぞれについて、必要とする音源数は、それぞれ3、3、6となる。
(Estimation process)
Next, a method of estimating the estimated information using both the first objective function L 1 and the second objective function L 2 will be described. The estimated information is the position, direction, offset time, and sound source position for each microphone array. Here, the position, direction, and offset time of each microphone array may be relative to the position, direction, and offset time of a predetermined microphone array (for example, microphone array A 1 ) that is used as a reference. In addition, in a two-dimensional space, one position is expressed by two coordinate values. Therefore, the number of unknowns that form the estimated information is 2M for the position of the sound source, 2(N-1) for the position of the microphone array, N-1 for the orientation of the microphone array, and N-1 for the offset time of the microphone array. In estimating the estimated information, the number of simultaneous equations needs to be equal to or greater than the number of unknowns, 2M+4(N-1). The simultaneous equations are equations in which the derivative obtained by partially differentiating the objective function used in the calculation with any of the unknowns is set to 0. For example, when N=3, the numbers of sound sources required for methods 1, 2, and 3 described below are 3, 3, and 6, respectively.

推定情報を推定する手法は、次の手法1ないし手法3のいずれであってもよい。
手法1は、第1目的関数Lと第2目的関数Lを連立して推定情報を推定する手法である。本願では、手法1を、単に「連立評価」(simultaneous evaluation)と呼ぶことがある。より具体的には、手法1は、式(6)に示す連立目的関数Sがより小さくなるように推定情報を推定する手法である。連立目的関数Hは、式(6)に示されるように、第1目的関数Lと第2目的関数Lの和に相当する目的関数である。第1目的関数Lと第2目的関数Lは、いずれも推定情報が正しく推定されるほど、0に近似する関数値を与える関数であるため、これらの和である連立目的関数Hも推定情報が正しく推定されるほど0に近似することが期待される。手法1によれば、1回の計算で用いられる方程式の数が多くなるので、推定に係る音源数が他の手法よりも少なくなる。連立目的関数Hの導関数を0とする方程式の数は、M(2N-1)本となる。
The method for estimating the estimated information may be any of the following methods 1 to 3.
Method 1 is a method of estimating the estimated information by simultaneously calculating the first objective function L 1 and the second objective function L 2. In the present application, method 1 may be simply referred to as "simultaneous evaluation". More specifically, method 1 is a method of estimating the estimated information so that the simultaneous objective function S shown in formula (6) is smaller. The simultaneous objective function H is an objective function equivalent to the sum of the first objective function L 1 and the second objective function L 2 as shown in formula (6). Since both the first objective function L 1 and the second objective function L 2 are functions that give function values that are closer to 0 as the estimated information is estimated more correctly, it is expected that the simultaneous objective function H, which is the sum of these, will also be closer to 0 as the estimated information is estimated more correctly. According to method 1, the number of equations used in one calculation is large, so the number of sound sources related to the estimation is smaller than other methods. The number of equations that set the derivative of the simultaneous objective function H to 0 is M (2N-1).

Figure 0007555543000006
Figure 0007555543000006

本実施形態に係る手法2は、第1目的関数Lと第2目的関数Lを統合して得られる統合目的関数Iの関数値がより小さくなるように推定情報を定める手法である。本願では、手法2を、「目的関数の統合」(integration of objective functions)と呼ぶことがある。統合目的関数Iは、式(7)に示される。統合目的関数Iは、第1目的関数Lと第2目的関数Lに共通する||s-a||に係る項を、第1目的関数Lから消去して得られる。第1目的関数Lと第2目的関数Lは、いずれも推定情報が正確に推定されるほど、0に近似する関数値を与える関数であるため、これらから導出される統合目的関数Iも推定情報が正しく推定されるほど0に近似する。手法2も、統合目的関数Iの導関数を0とする方程式の数は、M(2N-1)本となる。 The method 2 according to the present embodiment is a method of determining the estimated information so that the function value of the integrated objective function I obtained by integrating the first objective function L 1 and the second objective function L 2 becomes smaller. In the present application, the method 2 may be referred to as "integration of objective functions". The integrated objective function I is shown in formula (7). The integrated objective function I is obtained by eliminating the term related to ||s i -a j || 2 , which is common to the first objective function L 1 and the second objective function L 2, from the first objective function L 1. Since both the first objective function L 1 and the second objective function L 2 are functions that give function values that are closer to 0 as the estimated information is estimated more accurately, the integrated objective function I derived from these functions also approaches 0 as the estimated information is estimated more accurately. In the method 2, the number of equations that set the derivative of the integrated objective function I to 0 is M (2N-1).

Figure 0007555543000007
Figure 0007555543000007

式(7)に示す統合目的関数Iは、第1の位置R (s-a)から第2の位置di,j(||s-a||-cδ+cδ+cτi,(j,k))の距離の大きさのアレイ対間の総和に相当する。第1の位置R (s-a)は、マイクロホンアレイAを基準とする音源の位置aを当該マイクロホンアレイAの方向θに回転させた位置に相当する。第2の位置di,j(||s-a||-cδ+cδ+cτi,(j,k))は、アレイ対の一方のマイクロホンアレイAから方向ベクトルdi,jで示される観測音源方向に、当該アレイ対の他方のマイクロホンアレイAから音源Sまでの距離||s-a||から、一方のマイクロホンアレイAのオフセット時間δから他方のマイクロホンアレイAのオフセット時間δの時間差分δ-δにおける音の伝搬距離c(δ-δ)の差分に相当する距離||s-a||-cδ+cδ+cτi,(j,k)だけ離れた位置に相当する。 The integrated objective function I shown in equation (7) corresponds to the sum of the magnitude of the distance between the first position R j T (s i - a j ) and the second position d i,j (||s i - a k || 2 - c δ i + c δ k + c τ i,(j,k) ) between the array pairs. The first position R j T (s i - a j ) corresponds to the position obtained by rotating the position a j of the sound source based on the microphone array A j in the direction θ j of the microphone array A j . The second position d i,j (||s i -a k || 2 - cδ i + cδ k + cτ i,(j,k) ) corresponds to a position that is away from one microphone array A j of the array pair in the observed sound source direction indicated by the direction vector d i ,j by a distance ||s i -a k || 2 - cδ i + cδ k + cτ i ,(j,k) that corresponds to the difference in sound propagation distance c(δ j - δ k ) at the time difference δ j - δ k from the offset time δ j of one microphone array A j to the offset time δ k of the other microphone array A k .

本実施形態に係る手法3は、第1目的関数Lの関数値をより小さくするように推定情報を更新する処理3-1と、第2目的関数Lの関数値をより小さくするように推定情報を更新する処理3-2とを交互に繰り返す手法である。本願では、手法3を、「繰り返し推定」(iteration)と呼ぶことがある。処理3-1では、マイクロホンアレイの時間オフセットは推定されない。そのため、未知数の数は、2M+3N-3個となる。これに対し、第1目的関数Lの導関数を0とする方程式の数はMN本となる。処理3-2では、マイクロホンアレイの方向が推定されない。そのため、未知数の数は、M+3N-3個となる。これに対し、第2目的関数Lの導関数を0とする方程式の数は、M(N-1)本となる。なお、処理3-1と処理3-2の繰り返しにおいて、処理3-2を処理3-1よりも先行してもよい。第1目的関数Lの方が未知数の数に対する方程式の数が多いので、第2目的関数Lよりも安定的に解を求めるための条件が厳しいためである。 The method 3 according to the present embodiment is a method of alternately repeating a process 3-1 for updating the estimated information so as to make the function value of the first objective function L 1 smaller and a process 3-2 for updating the estimated information so as to make the function value of the second objective function L 2 smaller. In the present application, the method 3 may be referred to as "iterative estimation". In the process 3-1, the time offset of the microphone array is not estimated. Therefore, the number of unknowns is 2M+3N-3. In contrast, the number of equations in which the derivative of the first objective function L 1 is 0 is MN. In the process 3-2, the direction of the microphone array is not estimated. Therefore, the number of unknowns is M+3N-3. In contrast, the number of equations in which the derivative of the second objective function L 2 is 0 is M(N-1). In the repetition of the processes 3-1 and 3-2, the process 3-2 may precede the process 3-1. This is because the first objective function L1 has a larger number of equations relative to the number of unknowns, and therefore the conditions for stably finding a solution are stricter than those for the second objective function L2 .

次に、本実施形態に係る推定処理について説明する。図4は、本実施形態に係る推定処理の第1例を示すフローチャートである。図4に示す処理は、ステップS108において手法1を用いて推定情報を定める処理を含む。
(ステップS102)音源方向観測部122は、マイクロホンアレイAごとに複数チャネルの音響信号に基づいて観測音源方向を定める。
(ステップS104)到達時間差観測部124は、アレイ対ごとに音源から個々のマイクロホンアレイに音が到達する時刻の差である観測到達時間差を定める。
(ステップS106)推定部126は、未知数であるマイクロホンアレイの位置、方向ならびにオフセット時間、および音源位置の初期値を定める。
Next, the estimation process according to the present embodiment will be described. Fig. 4 is a flowchart showing a first example of the estimation process according to the present embodiment. The process shown in Fig. 4 includes a process of determining the estimation information using the method 1 in step S108.
(Step S102) The sound source direction observation unit 122 determines an observed sound source direction for each microphone array A based on acoustic signals of multiple channels.
(Step S104) The arrival time difference observing unit 124 determines an observed arrival time difference, which is the difference in time when sound arrives from the sound source to each microphone array, for each array pair.
(Step S106) The estimation unit 126 determines initial values of the unknowns, that is, the position, direction, and offset time of the microphone array, and the sound source position.

(ステップS108)推定部126は、第1目的関数L1と第2目的関数L2の合計値を与える連立目的関数Hがより小さくなるように、マイクロホンアレイの位置、方向ならびにオフセット時間、および音源位置を更新する。
(ステップS110)推定部126は、マイクロホンアレイの位置、方向ならびにオフセット時間、および音源位置が収束したか否かを判定する。推定部126は、例えば、更新前における目的関数と更新後における目的関数、または、いずれかの推定値の差分の大きさが、所定の差分の大きさの閾値以下となったか否かに基づいて、収束したか否かを判定することができる。収束していないと判定するとき(ステップS110 NO)、ステップS108の処理に戻る。収束したと判定するとき(ステップS110 YES)、ステップS112の処理に進む。
(ステップS112)出力処理部112は、推定値となるマイクロホンアレイの位置、方向ならびにオフセット時間、および音源位置の一部または全部を示す出力情報を出力先機器30に出力する。その後、図4に示す処理を終了する。
(Step S108) The estimation unit 126 updates the position, direction, and offset time of the microphone array, and the sound source position so that the simultaneous objective function H that gives the sum of the first objective function L1 and the second objective function L2 becomes smaller.
(Step S110) The estimation unit 126 determines whether the position, direction, and offset time of the microphone array, and the sound source position have converged. The estimation unit 126 can determine whether the convergence has occurred based on, for example, whether the magnitude of the difference between the objective function before the update and the objective function after the update, or between any of the estimated values, is equal to or less than a predetermined threshold value of the magnitude of the difference. When it is determined that the convergence has not occurred (NO in step S110), the process returns to step S108. When it is determined that the convergence has occurred (YES in step S110), the process proceeds to step S112.
(Step S112) The output processing unit 112 outputs output information indicating the position, direction, and offset time of the microphone array, which are estimated values, and some or all of the sound source position, to the output destination device 30. Then, the process shown in FIG. 4 ends.

図5は、本実施形態に係る推定処理の第2例を示すフローチャートである。図5に示す処理は、ステップS102、S104、S106、S110、S112、およびS108’の処理を有する。図4に示す処理は、ステップS108’において手法2を用いて推定情報を定める処理を含む。ステップS102、S104、S106、S110、およびS112については、図4の説明を援用する。図5に示す処理では、ステップS106の終了後、ステップS108’の処理に進む。 Figure 5 is a flowchart showing a second example of the estimation process according to this embodiment. The process shown in Figure 5 includes steps S102, S104, S106, S110, S112, and S108'. The process shown in Figure 4 includes step S108' in which estimated information is determined using method 2. The explanation of Figure 4 applies to steps S102, S104, S106, S110, and S112. In the process shown in Figure 5, after step S106 is completed, the process proceeds to step S108'.

(ステップS108’)推定部126は、第1目的関数Lと第2目的関数Lを統合して得られる統合目的関数Iの関数値がより小さくなるようにマイクロホンアレイの位置、方向ならびにオフセット時間、および音源位置を更新する。統合目的関数Iは、第1の位置から第2の位置の距離の大きさのアレイ対間の総和に相当する。第1の位置は、マイクロホンアレイを基準とする音源の位置を当該マイクロホンアレイの方向に回転させた位置に相当する。第2の位置は、アレイ対の一方のマイクロホンアレイから観測音源方向に、当該アレイ対の他方のマイクロホンアレイから音源までの距離から、一方のマイクロホンアレイのオフセット時間から他方のマイクロホンアレイのオフセット時間の時間差分における音の伝搬距離の差分に相当する距離だけ離れた位置に相当する。その後、ステップS110の処理に進む。 (Step S108') The estimation unit 126 updates the position, direction, offset time, and sound source position of the microphone array so that the function value of the integrated objective function I obtained by integrating the first objective function L1 and the second objective function L2 becomes smaller. The integrated objective function I corresponds to the sum of the magnitude of the distance from the first position to the second position between the array pair. The first position corresponds to a position obtained by rotating the position of the sound source based on the microphone array in the direction of the microphone array. The second position corresponds to a position away from one microphone array of the array pair in the observed sound source direction by a distance equivalent to the difference in the sound propagation distance in the time difference between the offset time of one microphone array and the offset time of the other microphone array from the distance from the other microphone array of the array pair to the sound source. Then, proceed to the processing of step S110.

図6は、本実施形態に係る推定処理の第3例を示すフローチャートである。図5に示す処理は、ステップS102、S104、S106、S110、S112、S108’’、およびS109の処理を有する。図6に示す処理は、ステップS108’’およびS109において手法3を用いて推定情報を定める処理を含む。ステップS102、S104、S106、S110、およびS112については、図4の説明を援用する。図6に示す処理では、ステップS106の終了後、ステップS108’’の処理に進む。 Figure 6 is a flowchart showing a third example of the estimation process according to this embodiment. The process shown in Figure 5 includes steps S102, S104, S106, S110, S112, S108", and S109. The process shown in Figure 6 includes steps S108" and S109 for determining estimated information using method 3. The explanation of Figure 4 is applied to steps S102, S104, S106, S110, and S112. In the process shown in Figure 6, after step S106 is completed, the process proceeds to step S108".

(ステップS108’’)推定部126は、第2目的関数Lの関数値をより小さくするようにマイクロホンアレイの位置、方向ならびにオフセット時間、および音源位置を更新する。
(ステップS109)推定部126は、第1目的関数Lの関数値をより小さくするようにマイクロホンアレイの位置、方向ならびにオフセット時間、および音源位置を更新する。その後、ステップS110の処理に進む。
(Step S108'') The estimation unit 126 updates the position, direction, and offset time of the microphone array, and the sound source position so as to reduce the function value of the second objective function L2 .
(Step S109) The estimation unit 126 updates the position, direction, and offset time of the microphone array, and the sound source position so as to reduce the function value of the first objective function L 1. Then, the process proceeds to step S110.

なお、図4-図6に示す処理において、ステップS110の処理が省略される代わりに、ステップS108の処理、ステップS108’の処理、または、ステップS108’’ならびにステップS109の処理が所定回数繰り返された後で、ステップS112の処理に進んでもよい。 In the process shown in Figures 4 to 6, instead of omitting step S110, the process may proceed to step S112 after repeating steps S108, S108', or S108'' and S109 a predetermined number of times.

(音源定位)
次に、音源定位の手法であるMUSIC法とWDS-BF法について説明する。
MUSIC法は、空間スペクトルのパワーPext(θ)が極大であって、所定のレベルよりも高い方向θを定位音源方向として定める手法である。音源方向観測部122には、予め所定の間隔(例えば、1°~3°)で分布した方向θごとの伝達関数を記憶させておく。
(Sound source localization)
Next, the MUSIC method and the WDS-BF method, which are methods for sound source localization, will be described.
The MUSIC method is a method for determining the direction θ where the spatial spectrum power P ext (θ) is maximum and higher than a predetermined level as the sound source direction. The sound source direction observation unit 122 stores transfer functions for each direction θ distributed at predetermined intervals (for example, 1° to 3°) in advance.

音源方向観測部122は、音源から各チャネルq(qは、1以上Q以下の整数)に対応するマイクロホンまでの伝達関数G[q](ω)を要素とする伝達関数ベクトル[G(θ)]を方向θごとに生成する。
音源方向観測部122は、各チャネルqの音響信号ξを所定の要素数からなるフレームごとに周波数領域に変換することによって変換係数ξ(ω)を算出する。音源方向観測部122は、算出した変換係数を要素として含む入力ベクトル[ξ(ω)]から式(8)に示す入力相関行列[Rξξ]を算出する。
The sound source direction observation unit 122 generates a transfer function vector [G(θ)] for each direction θ, whose elements are transfer functions G[q](ω) from the sound source to the microphone corresponding to each channel q (q is an integer greater than or equal to 1 and less than or equal to Q).
The sound source direction observation unit 122 calculates a transformation coefficient ξ q (ω) by transforming the acoustic signal ξ q of each channel q into the frequency domain for each frame consisting of a predetermined number of elements. The sound source direction observation unit 122 calculates an input correlation matrix [R ξξ ] shown in equation (8) from an input vector [ξ(ω)] including the calculated transformation coefficients as elements.

Figure 0007555543000008
Figure 0007555543000008

式(8)において、E[…]は、…の期待値を示す。[…]は、…が行列またはベクトルであることを示す。[…]は、行列またはベクトルの共役転置を示す。
音源方向観測部122は、入力相関行列[Rξξ]の固有値δおよび固有ベクトル[ε]を算出する。入力相関行列[Rξξ]、固有値δ、および固有ベクトル[ξ]は、式(9)に示す関係を有する。
In formula (8), E[...] denotes the expected value of.... [...] denotes that... is a matrix or a vector. [...] * denotes the conjugate transpose of a matrix or a vector.
The sound source direction observation unit 122 calculates the eigenvalue δ p and eigenvector [ε p ] of the input correlation matrix [R ξξ ]. The input correlation matrix [R ξξ ], the eigenvalue δ p , and the eigenvector [ξ p ] have the relationship shown in Equation (9).

Figure 0007555543000009
Figure 0007555543000009

式(9)において、pは、1以上Q以下の整数である。インデックスpの順序は、固有値δの降順である。
音源方向観測部122は、伝達関数ベクトル[G(θ)]と算出した固有ベクトル[εp]に基づいて、次式(10)に示す周波数別空間スペクトルのパワーPsp(θ)を算出する。
In formula (9), p is an integer between 1 and Q. The order of the index p is the descending order of the eigenvalue δ p .
The sound source direction observation unit 122 calculates the power P sp (θ) of the frequency-specific spatial spectrum shown in the following equation (10) based on the transfer function vector [G(θ)] and the calculated eigenvector [εp].

Figure 0007555543000010
Figure 0007555543000010

式(10)において、Dは、検出可能とする音源の最大個数(例えば、4)であって、Qよりも小さい予め定めた自然数である。
音源方向観測部122は、S/N比が予め定めた閾値(例えば、20dB)よりも大きい周波数帯域における空間スペクトルPsp(θ)の総和を全帯域の空間スペクトルのパワーPext(θ)として算出することができる。
In equation (10), Dm is the maximum number of detectable sound sources (for example, 4) and is a predetermined natural number smaller than Q.
The sound source direction observation unit 122 can calculate the sum of spatial spectra P sp (θ) in frequency bands where the S/N ratio is greater than a predetermined threshold (for example, 20 dB) as the power P ext (θ) of the spatial spectrum over all bands.

次に、WDS-BF法について説明する。WDS-BF法は、式(11)に示すように各チャネルqの全帯域の音響信号ξ(t)の遅延和の二乗値を空間スペクトルのパワーPext(θ)として算出し、空間スペクトルのパワーPext(θ)が極大となる音源方向θを探索する手法である。式(11)において[G(θ)]の各要素が示す伝達関数は、音源から各チャネルq(qは、1以上Q以下の整数)に対応するマイクロホンまでの位相の遅延による寄与を示す。[ξ(t)]は、時刻tの時点における各チャネルqの音響信号ξ(t)の信号値を要素とするベクトルである。 Next, the WDS-BF method will be described. The WDS-BF method is a method for calculating the squared value of the delay sum of the acoustic signal ξ q (t) of the entire band of each channel q as the spatial spectrum power P ext (θ) as shown in formula (11), and searching for the sound source direction θ where the spatial spectrum power P ext (θ) is maximized. In formula (11), the transfer function indicated by each element of [G(θ)] indicates the contribution of the phase delay from the sound source to the microphone corresponding to each channel q (q is an integer of 1 to Q). [ξ(t)] is a vector whose elements are the signal values of the acoustic signal ξ q (t) of each channel q at time t.

Figure 0007555543000011
Figure 0007555543000011

(シミュレーション)
次に、音響処理装置10の有効性を評価するために実施したシミュレーションについて説明する。シミュレーションでは、手法1-手法3に加え、従来手法のそれぞれについて推定情報を推定した。従来手法は、第1目的関数Lの関数値がより小さくなるように、マイクロホンアレイごとの位置ならびに方向、および音源位置を推定する手法である。この段階では、マイクロホンアレイの時間オフセットは推定対象とならない。従来手法では、推定されたマイクロホンアレイの位置ならびに方向、および音源位置から、マイクロホンアレイにおけるマイクロホン間の音波の到達時間差とマイクロホン間距離を拘束条件として用いて、マイクロホンアレイごとの時間オフセットを算出することができる。
(simulation)
Next, a simulation performed to evaluate the effectiveness of the sound processing device 10 will be described. In the simulation, in addition to methods 1 to 3, estimation information was estimated for each of the conventional methods. The conventional method is a method for estimating the position and direction of each microphone array and the sound source position so that the function value of the first objective function L 1 becomes smaller. At this stage, the time offset of the microphone array is not estimated. In the conventional method, the time offset for each microphone array can be calculated from the estimated position and direction of the microphone array and the sound source position using the arrival time difference of the sound waves between the microphones in the microphone array and the distance between the microphones as constraint conditions.

シミュレーションでは、特に断らない限り次の条件を仮定した。一辺の長さが120mである正方形の二次元空間において、各音源の位置と各マイクロホンの位置がランダムに分布し、各マイクロホンアレイの方向が-180°から+180°までの全周にわたりランダムに向けられている。各音源の位置、各マイクロホンの位置、および各マイクロホンアレイの方向の真値を、それぞれ一様乱数を用いて定めた。但し、マイクロホンアレイAの位置が原点(0,0)に、x軸方向(θ=0°)に向けられている。また、各マイクロホンアレイの時間オフセットの真値が平均0、標準偏差σとなる正規分布に従って分布している。さらに、観測音源方向に平均0、標準偏差σとなる正規分布に従う誤差が含まれ、観測到達時間差に平均0、標準偏差στとなる正規分布で従う誤差が含まれる。なお、音源数Mを4または7とし、マイクロホンアレイ数Nを3とし、音響信号のサンプリング周波数fを16000Hzとした。音源方向推定分解能ρを1°とし、音源方向推定の標準偏差σを2°とし、到達時間差の標準偏差στを1msとし、時間オフセットの標準偏差σδを10°とした。 In the simulation, the following conditions were assumed unless otherwise specified. In a two-dimensional space of a square with a side length of 120 m, the positions of each sound source and each microphone are randomly distributed, and the direction of each microphone array is randomly directed over the entire circumference from -180° to +180°. The true values of the positions of each sound source, each microphone, and each microphone array direction were determined using uniform random numbers. However, the position of the microphone array A 1 is directed to the origin (0,0) and in the x-axis direction (θ=0°). In addition, the true values of the time offset of each microphone array are distributed according to a normal distribution with an average of 0 and a standard deviation of σ b . Furthermore, the observed sound source direction includes an error following a normal distribution with an average of 0 and a standard deviation of σ d , and the observed arrival time difference includes an error following a normal distribution with an average of 0 and a standard deviation of σ τ . The number of sound sources M was set to 4 or 7, the number of microphone arrays N was set to 3, and the sampling frequency f s of the acoustic signal was set to 16000 Hz. The sound source direction estimation resolution ρ d was set to 1°, the sound source direction estimation standard deviation σ d was set to 2°, the arrival time difference standard deviation σ τ was set to 1 ms, and the time offset standard deviation σ δ was set to 10°.

シミュレーションでは、各手法の有効性を検証するため、推定値の更新ステップごとに推定したマイクロホンアレイと音源の位置の誤差と、位置が収束するまでに要した時間を計算時間として定めた。但し、マイクロホンアレイ、音源それぞれの二乗平均誤差を1回のシミュレーションごとに定め、100回にわたる平均値を誤差平均として算出した。図10は、手法ごとの誤差平均の変化を示す図である。図10は、手法2での誤差平均が最も小さく、手法1、手法3の順に誤差平均が大きくなることを示す。手法1から手法3のいずれも従来手法よりも誤差平均が小さくなった。従来手法では、計算が進行しても誤差平均が低下せずに、ほぼ一定値に収束する。このことは、局所最適解に陥っていることを示す。また、収束後の誤差平均は、手法1と手法2とで同等となる。このことは、第1目的関数Lと第2目的関数Lを連立または統合することで、高い精度でマイクロホンアレイと音源のそれぞれの位置を推定することを示す。図11は、手法ごとの平均計算時間を示す図である。図11は、手法2の計算時間が最も少なく、従来手法、手法1、手法3の順に計算時間が多くなることを示す。但し、手法2、従来手法、手法1の相互間では計算時間の差は比較的少ない。 In the simulation, in order to verify the effectiveness of each method, the error in the position of the microphone array and the sound source estimated at each update step of the estimated value and the time required for the position to converge were defined as the calculation time. However, the root mean square error of each of the microphone array and the sound source was determined for each simulation, and the average value over 100 times was calculated as the error average. FIG. 10 is a diagram showing the change in the error average for each method. FIG. 10 shows that the error average is the smallest in method 2, and the error average increases in the order of method 1 and method 3. The error average of each of methods 1 to 3 is smaller than that of the conventional method. In the conventional method, the error average does not decrease even if the calculation proceeds, and converges to an almost constant value. This indicates that the method falls into a local optimum solution. In addition, the error average after convergence is equivalent in method 1 and method 2. This indicates that the positions of the microphone array and the sound source are estimated with high accuracy by simultaneous or integrated first objective function L 1 and second objective function L 2. FIG. 11 is a diagram showing the average calculation time for each method. 11 shows that method 2 has the shortest calculation time, followed by the conventional method, method 1, and method 3. However, the difference in calculation time between method 2, the conventional method, and method 1 is relatively small.

また、三次元空間を仮定して手法1と手法2をそれぞれ用いて同様のシミュレーションを行った。一辺の長さが120mとなる立方体をなす三次元空間において、マイクロホンアレイと音源がランダムに分布し、全球面内にマイクロホンアレイの方向がランダムに向けられていることを仮定した。図12は、三次元空間におけるステップごとの誤差平均の変化を示す図である。図12は、手法1、手法2ともにシミュレーション当初において一時的に誤差平均が増加するが、その後、減少に転じ、ある一定値まで低下して収束する。三次元空間での誤差平均は、二次元空間と同等またはそれ以下となった。但し、図13に示すように、三次元空間ではシミュレーション開始から収束までに要する計算時間が二次元空間よりも増加する傾向がある。 Similar simulations were also performed using methods 1 and 2, assuming a three-dimensional space. It was assumed that the microphone array and sound source were randomly distributed in a three-dimensional space forming a cube with a side length of 120 m, and that the direction of the microphone array was randomly directed within the entire sphere. Figure 12 shows the change in the average error at each step in three-dimensional space. In Figure 12, the average error temporarily increases at the beginning of the simulation for both methods 1 and 2, but then begins to decrease and converges to a certain value. The average error in three-dimensional space was equal to or less than that in two-dimensional space. However, as shown in Figure 13, the calculation time required from the start of the simulation to convergence tends to be longer in three-dimensional space than in two-dimensional space.

(総括)
以上に説明したように、本実施形態に係る音響処理装置10は、第1の目的関数(例えば、第1目的関数L)の関数値と、第2の目的関数(例えば、第2目的関数L)の関数値が、それぞれより小さくなるように、N個のマイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、音源の位置を定める推定部126を備える。第1の目的関数は、N個のマイクロホンアレイのそれぞれについて定めた音源方向である観測音源方向と、当該マイクロホンアレイからの音源の方向を当該マイクロホンアレイの方向で回転した方向との差分である方向差分の大きさを示す。第2の目的関数の関数値は、N個のうち2個のマイクロホンアレイの対ごとに定めた音源からの音の到達時間差である観測到達時間差から、音源から個々のマイクロホンアレイへの音波の伝搬時間の時間差と、個々のマイクロホンアレイのオフセット時間の時間差との差分である時間差分の大きさを示す。
この構成によれば、第1の目的関数と第2の目的関数に対して、それぞれ第2の目的関数と第1の目的関数が拘束条件となるため、第1の目的関数に基づいて推定されるマイクロホンアレイの位置と音源の位置に含まれうる解の不定性と、第2の目的関数に基づいて推定されるマイクロホンアレイから音源の方向に含まれうる解の不定性が解消される。ここで、第1の目的関数に基づいて推定されるマイクロホンアレイの位置と音源の位置には、それぞれ大きさに対する不定性が含まれるが、マイクロホンアレイから音源の方向の回転に対する不定性は含まれない。第2の目的関数に基づいて推定されるマイクロホンアレイから音源の方向の回転に対する不定性が含まれるが、マイクロホンアレイの位置と音源の大きさに対する不定性は含まれない。そのため、第1の目的関数と第2の目的関数のそれぞれの関数値をより小さくすることで、局所最適解を回避して、より正確にマイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、音源の位置を定めることができる。
(Summary)
As described above, the sound processing device 10 according to the present embodiment includes an estimation unit 126 that determines the position, direction, and offset time of the N microphone arrays and the position of the sound source so that the function value of the first objective function (e.g., the first objective function L 1 ) and the function value of the second objective function (e.g., the second objective function L 2 ) are smaller. The first objective function indicates the magnitude of the directional difference, which is the difference between the observed sound source direction, which is the sound source direction determined for each of the N microphone arrays, and the direction of the sound source from the microphone array rotated with the direction of the microphone array. The function value of the second objective function indicates the magnitude of the time difference, which is the difference between the time difference of the propagation time of the sound wave from the sound source to each microphone array and the time difference of the offset time of each microphone array, from the observed arrival time difference, which is the arrival time difference of the sound from the sound source determined for each pair of two microphone arrays out of the N.
According to this configuration, since the second objective function and the first objective function are constraint conditions for the first objective function and the second objective function, respectively, the uncertainty of the solution that may be included in the position of the microphone array and the position of the sound source estimated based on the first objective function and the uncertainty of the solution that may be included in the direction of the sound source from the microphone array estimated based on the second objective function are eliminated. Here, the position of the microphone array and the position of the sound source estimated based on the first objective function each include uncertainty regarding the size, but do not include uncertainty regarding the rotation of the direction of the sound source from the microphone array. The position of the microphone array and the position of the sound source estimated based on the second objective function include uncertainty regarding the rotation of the direction of the sound source from the microphone array, but do not include uncertainty regarding the position of the microphone array and the size of the sound source. Therefore, by making the function values of the first objective function and the second objective function smaller, it is possible to avoid local optimal solutions and more accurately determine the position, direction, offset time, and position of the sound source of the microphone array.

推定部126は、第1の目的関数の関数値と、第2の目的関数の関数値との合計値が、より小さくなるように、マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、音源の位置を定めてもよい。
第1の目的関数の関数値と、第2の目的関数の関数値との合計値も、推定されたマイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、音源の位置の正確性を示す指標となる。また、推定されるマイクロホンアレイの位置、音源の位置、およびマイクロホンアレイから音源の方向には不定性が含まれない。そのため、局所最適解を回避して、より正確にマイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、音源の位置を定めることができる。
The estimation unit 126 may determine the position, direction, and offset time of the microphone array, and the position of the sound source, so that the sum of the function value of the first objective function and the function value of the second objective function is smaller.
The sum of the function value of the first objective function and the function value of the second objective function also serves as an index indicating the accuracy of the estimated microphone array position, direction, and offset time, and the sound source position. In addition, the estimated microphone array position, sound source position, and direction from the microphone array to the sound source do not include uncertainty. Therefore, it is possible to avoid a local optimum solution and more accurately determine the microphone array position, direction, offset time, and sound source position.

推定部126は、第1の位置から第2の位置の距離のマイクロホンアレイの対間の総和が、より小さくなるように、マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、音源の位置を定めてもよい。第1の位置は、マイクロホンアレイを基準とする音源の位置を当該マイクロホンアレイの方向に回転させた位置であり、第2の位置は、マイクロホンアレイの対の一方のマイクロホンアレイから観測音源方向に、当該対の他方のマイクロホンアレイから音源までの距離から、時間差分における音の伝搬距離の差分に相当する距離離れた位置である。
第1の位置から第2の位置の距離のマイクロホンアレイの対間の総和も、推定されたマイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、音源の位置の正確性を示す指標となる。また、推定されるマイクロホンアレイの位置、音源の位置、およびマイクロホンアレイから音源の方向には不定性が含まれない。そのため、局所最適解を回避して、より正確にマイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、音源の位置を定めることができる。
The estimation unit 126 may determine the position, direction, and offset time of the microphone array and the position of the sound source so that the sum of the distances between the pair of microphone arrays from the first position to the second position is smaller. The first position is a position obtained by rotating the position of the sound source relative to the microphone array in the direction of the microphone array, and the second position is a position away from one microphone array of the pair of microphone arrays in the observed sound source direction by a distance equivalent to the difference in sound propagation distance in time difference from the distance from the other microphone array of the pair to the sound source.
The sum of the distances between the first and second positions of the microphone array pairs is also an index of the accuracy of the estimated microphone array position, direction, and offset time, and the sound source position. In addition, the estimated microphone array position, sound source position, and sound source direction from the microphone array do not include uncertainty. Therefore, the microphone array position, direction, and offset time, and the sound source position can be determined more accurately by avoiding a local optimum solution.

推定部126は、第1の目的関数の関数値がより小さくなるように、マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、音源の位置を更新するステップと、
第2の目的関数の関数値がより小さくなるように、マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、音源の位置を更新するステップと、を交互に実行してもよい。
第1の目的関数の関数値をより小さくするステップと、第2の目的関数の関数値をより小さくするステップとが交互に実行されるので、いずれかのステップが継続して生じうる局所最適解と解の不定性を回避することができる。そのため、より正確にマイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、音源の位置を定めることができる。
The estimation unit 126 updates the position, direction, and offset time of the microphone array and the position of the sound source so that the function value of the first objective function becomes smaller;
and updating the position, orientation and offset time of the microphone array and the position of the sound source so as to reduce the function value of the second objective function.
Since the step of reducing the function value of the first objective function and the step of reducing the function value of the second objective function are alternately performed, it is possible to avoid a local optimum solution and indefiniteness of the solution that may occur continuously in either step, and therefore it is possible to more accurately determine the position, direction, and offset time of the microphone array, and the position of the sound source.

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。 One embodiment of the present invention has been described in detail above with reference to the drawings, but the specific configuration is not limited to the above, and various design changes can be made without departing from the spirit of the present invention.

例えば、音響処理装置10は、N個のうち、少なくとも1個のマイクロホンアレイと一体に構成されていてもよい。
上記の説明では、音響処理装置10が音源方向観測部122、到達時間差観測部124、および推定部126をいずれも備える場合を例にしたが、これには限られない。例えば、音響処理装置10において音源方向観測部122と到達時間差観測部124の一方または両方が省略されていてもよい。但し、音響処理システムS1において、その一方または両方が備わり、音響処理装置10と各種のデータを入出力可能とする。
For example, the sound processing device 10 may be configured integrally with at least one of the N microphone arrays.
In the above description, the sound processing device 10 includes all of the sound source direction observation unit 122, the arrival time difference observation unit 124, and the estimation unit 126. However, the present invention is not limited to this. For example, one or both of the sound source direction observation unit 122 and the arrival time difference observation unit 124 may be omitted in the sound processing device 10. However, the sound processing system S1 includes one or both of them, and is capable of inputting and outputting various data to and from the sound processing device 10.

図9に示す例では、個々のマイクロホンアレイA-Aにそれぞれ音源方向観測部122-1~122-Nが接続され、音響処理装置10において音源方向観測部122が省略されている。音源方向観測部122-1~122-Nは、それぞれマイクロホンアレイA~Aと一体化されてもよいし、別体であってもよい。
音源方向観測部122-1~122-Nは、それぞれ自部に接続されるマイクロホンアレイA~Aが取得した複数チャネルの音響信号に基づいて、音源定位処理を行って個々の音源の音源方向を定める。音源方向観測部122-1~122-Nは、それぞれ定めた音源方向を観測音源方向として示す音源方向情報を推定部126に出力する。
9, sound source direction observation units 122-1 to 122-N are connected to the individual microphone arrays A 1 to A N , respectively, and the sound source direction observation unit 122 is omitted in the sound processing device 10. The sound source direction observation units 122-1 to 122-N may be integrated with the microphone arrays A 1 to A N , respectively, or may be separate entities.
The sound source direction observation units 122-1 to 122-N perform sound source localization processing based on the acoustic signals of multiple channels acquired by the microphone arrays A 1 to A N connected to each unit, and determine the sound source direction of each sound source. The sound source direction observation units 122-1 to 122-N output sound source direction information indicating the determined sound source directions as observed sound source directions to the estimation unit 126.

なお、上述した実施形態における音響処理装置10の一部、例えば、音源方向観測部122、到達時間差観測部124、推定部126、および出力処理部128の一部または全部をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この制御機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムを、プロセッサを含むコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。
また、上述した実施形態及び変形例における音響処理装置10の一部、または全部を、LSI(Large Scale Integration)等の集積回路として実現してもよい。音響処理装置10の各機能ブロックは個別にプロセッサ化してもよいし、一部、または全部を集積してプロセッサ化してもよい。また、集積回路化の手法はLSIに限らず専用回路、または汎用プロセッサで実現してもよい。また、半導体技術の進歩によりLSIに代替する集積回路化の技術が出現した場合、当該技術による集積回路を用いてもよい。
Note that a part of the sound processing device 10 in the above-described embodiment, for example, a part or all of the sound source direction observation unit 122, the arrival time difference observation unit 124, the estimation unit 126, and the output processing unit 128, may be realized by a computer. In that case, the control functions may be realized by recording a program for realizing the control functions in a computer-readable recording medium, and reading and executing the program recorded in the recording medium into a computer system including a processor.
In addition, a part or the whole of the sound processing device 10 in the above-mentioned embodiment and modified examples may be realized as an integrated circuit such as an LSI (Large Scale Integration). Each functional block of the sound processing device 10 may be individually processed, or a part or the whole may be integrated and processed. The integrated circuit method is not limited to LSI, and may be realized by a dedicated circuit or a general-purpose processor. In addition, when an integrated circuit technology that replaces LSI appears due to the advancement of semiconductor technology, an integrated circuit based on that technology may be used.

S1…音響処理システム、10…音響処理装置、110…入出力部、120…制御部、122…音源方向観測部、124…到達時間差観測部、126…推定部、128…出力処理部 S1...sound processing system, 10...sound processing device, 110...input/output unit, 120...control unit, 122...sound source direction observation unit, 124...arrival time difference observation unit, 126...estimation unit, 128...output processing unit

Claims (8)

N(Nは、2個以上の整数)個のマイクロホンアレイのそれぞれについて定めた音源方向である観測音源方向と、当該マイクロホンアレイからの音源の方向を当該マイクロホンアレイの方向で回転した方向との差分である方向差分の大きさを示す第1の目的関数の関数値と、
N個のうち2個のマイクロホンアレイの対ごとに定めた前記音源からの音の到達時間差である観測到達時間差から、前記音源から個々のマイクロホンアレイへの音波の伝搬時間の時間差と、個々のマイクロホンアレイのオフセット時間の時間差との差分である時間差分の大きさを示す第2の目的関数の関数値との合計値、より小さくなるように、
前記マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、前記音源の位置を定める推定部を備える
音響処理装置。
a function value of a first objective function indicating a magnitude of a directional difference between an observed sound source direction, which is a sound source direction determined for each of N (N is an integer equal to or greater than 2) microphone arrays, and a direction obtained by rotating the direction of the sound source from the microphone array with respect to the direction of the microphone array;
The sum of the observed arrival time difference, which is the arrival time difference of the sound from the sound source determined for each pair of two microphone arrays among the N microphone arrays, and the function value of a second objective function indicating the magnitude of the time difference, which is the difference between the time difference of the propagation time of the sound wave from the sound source to each microphone array and the time difference of the offset time of each microphone array , is made smaller.
An audio processing device comprising an estimation unit for determining a position, an orientation, and an offset time of the microphone array, and a position of the sound source.
N(Nは、2個以上の整数)個のマイクロホンアレイのそれぞれについて定めた音源方向である観測音源方向と、当該マイクロホンアレイからの音源の方向を当該マイクロホンアレイの方向で回転した方向との差分である方向差分の大きさを示す第1の目的関数の関数値と、
N個のうち2個のマイクロホンアレイの対ごとに定めた前記音源からの音の到達時間差である観測到達時間差から、前記音源から個々のマイクロホンアレイへの音波の伝搬時間の時間差と、個々のマイクロホンアレイのオフセット時間の時間差との差分である時間差分の大きさを示す第2の目的関数の関数値が、それぞれより小さくなるように、
前記マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、前記音源の位置を定める推定部を備え、
前記推定部は、
第1の位置から第2の位置の距離の前記マイクロホンアレイの対間の総和が、より小さくなるように、前記マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、前記音源の位置を定め、
前記第1の位置は、前記マイクロホンアレイを基準とする前記音源の位置を当該マイクロホンアレイの方向に回転させた位置であり、
前記第2の位置は、前記マイクロホンアレイの対の一方のマイクロホンアレイから前記観測音源方向に、当該マイクロホンアレイの対の他方のマイクロホンアレイから前記音源までの距離から、前記時間差分における音の伝搬距離の差分に相当する距離離れた位置であることを特徴とする
音響処理装置。
a function value of a first objective function indicating a magnitude of a directional difference between an observed sound source direction, which is a sound source direction determined for each of N (N is an integer equal to or greater than 2) microphone arrays, and a direction obtained by rotating the direction of the sound source from the microphone array with respect to the direction of the microphone array;
The second objective function indicates the magnitude of a time difference, which is the difference between the time difference of the propagation time of the sound wave from the sound source to each microphone array and the time difference of the offset time of each microphone array, from the observed arrival time difference, which is the arrival time difference of the sound from the sound source determined for each pair of two microphone arrays out of N, so that the function value of the second objective function indicates the magnitude of a time difference, which is the difference between the time difference of the propagation time of the sound wave from the sound source to each microphone array and the time difference of the offset time of each microphone array, is smaller.
an estimator for determining a position, an orientation and a time offset of the microphone array and a position of the sound source ;
The estimation unit is
determining a position, a direction, and an offset time of the microphone array and a position of the sound source such that a sum of distances between pairs of the microphone arrays from a first position to a second position is smaller;
the first position is a position obtained by rotating a position of the sound source relative to the microphone array toward the microphone array;
The second position is a position away from one of the microphone arrays in the pair in a direction toward the observed sound source by a distance corresponding to a difference in sound propagation distance in the time difference from a distance from the other microphone array of the pair to the sound source.
Sound processing equipment.
N(Nは、2個以上の整数)個のマイクロホンアレイのそれぞれについて定めた音源方向である観測音源方向と、当該マイクロホンアレイからの音源の方向を当該マイクロホンアレイの方向で回転した方向との差分である方向差分の大きさを示す第1の目的関数の関数値と、
N個のうち2個のマイクロホンアレイの対ごとに定めた前記音源からの音の到達時間差である観測到達時間差から、前記音源から個々のマイクロホンアレイへの音波の伝搬時間の時間差と、個々のマイクロホンアレイのオフセット時間の時間差との差分である時間差分の大きさを示す第2の目的関数の関数値が、それぞれより小さくなるように、
前記マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、前記音源の位置を定める推定部を備え
前記推定部は、
前記第1の目的関数の関数値がより小さくなるように、前記マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、前記音源の位置を更新するステップと、
前記第2の目的関数の関数値がより小さくなるように、前記マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、前記音源の位置を更新するステップと、を交互に実行することを特徴とする
音響処理装置。
a function value of a first objective function indicating a magnitude of a directional difference between an observed sound source direction, which is a sound source direction determined for each of N (N is an integer equal to or greater than 2) microphone arrays, and a direction obtained by rotating the direction of the sound source from the microphone array with respect to the direction of the microphone array;
The second objective function indicates the magnitude of a time difference, which is the difference between the time difference of the propagation time of the sound wave from the sound source to each microphone array and the time difference of the offset time of each microphone array, from the observed arrival time difference, which is the arrival time difference of the sound from the sound source determined for each pair of two microphone arrays out of N, so that the function value of the second objective function indicates the magnitude of a time difference, which is the difference between the time difference of the propagation time of the sound wave from the sound source to each microphone array and the time difference of the offset time of each microphone array, is smaller.
an estimator for determining a position, an orientation and a time offset of the microphone array and a position of the sound source ;
The estimation unit is
updating the position, orientation, and offset time of the microphone array and the position of the sound source so that a function value of the first objective function becomes smaller;
and updating the position, orientation, and offset time of the microphone array and the position of the sound source so as to reduce the function value of the second objective function.
Sound processing equipment.
前記マイクロホンアレイと、
前記マイクロホンアレイごとに収音される音響信号に基づいて前記観測音源方向を定める音源方向観測部と、
前記対ごとに前記観測到達時間差を定める到達時間差観測部と、
請求項1から請求項のいずれか一項に記載の音響処理装置と、
を備える音響処理システム。
The microphone array;
a sound source direction observation unit that determines the observed sound source direction based on an acoustic signal collected by each of the microphone arrays;
an arrival time difference observer for determining the observed arrival time difference for each of the pairs;
The sound processing device according to any one of claims 1 to 3 ,
An audio processing system comprising:
コンピュータに請求項1から請求項のいずれか一項に記載の音響処理装置として機能させるためのプログラム。 A program for causing a computer to function as the sound processing device according to any one of claims 1 to 3 . N(Nは、2個以上の整数)個のマイクロホンアレイのそれぞれについて定めた音源方向である観測音源方向と、当該マイクロホンアレイからの音源の方向を当該マイクロホンアレイの方向で回転した方向との差分である方向差分の大きさを示す第1の目的関数の関数値と、
N個のうち2個のマイクロホンアレイの対ごとに定めた、前記音源からの音の到達時間差である観測到達時間差から、前記音源から個々のマイクロホンアレイへの音波の伝搬時間の時間差と、個々のマイクロホンアレイのオフセット時間の時間差との差分である時間差分の大きさを示す第2の目的関数の関数値との合計値、より小さくなるように、
前記マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、前記音源の位置を定めるステップを有する
音響処理方法。
a function value of a first objective function indicating a magnitude of a directional difference between an observed sound source direction, which is a sound source direction determined for each of N (N is an integer equal to or greater than 2) microphone arrays, and a direction obtained by rotating the direction of the sound source from the microphone array with respect to the direction of the microphone array;
The sum of the observed arrival time difference, which is the arrival time difference of the sound from the sound source, determined for each pair of two microphone arrays among the N microphone arrays, and the function value of a second objective function indicating the magnitude of the time difference, which is the difference between the time difference of the propagation time of the sound wave from the sound source to each microphone array and the time difference of the offset time of each microphone array , is made smaller.
determining a position, orientation and time offset of the microphone array and a location of the sound source.
N(Nは、2個以上の整数)個のマイクロホンアレイのそれぞれについて定めた音源方向である観測音源方向と、当該マイクロホンアレイからの音源の方向を当該マイクロホンアレイの方向で回転した方向との差分である方向差分の大きさを示す第1の目的関数の関数値と、
N個のうち2個のマイクロホンアレイの対ごとに定めた前記音源からの音の到達時間差である観測到達時間差から、前記音源から個々のマイクロホンアレイへの音波の伝搬時間の時間差と、個々のマイクロホンアレイのオフセット時間の時間差との差分である時間差分の大きさを示す第2の目的関数の関数値が、それぞれより小さくなるように、
前記マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、前記音源の位置を定めるステップを有し
前記ステップは、
第1の位置から第2の位置の距離の前記マイクロホンアレイの対間の総和が、より小さくなるように、前記マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、前記音源の位置を定め、
前記第1の位置は、前記マイクロホンアレイを基準とする前記音源の位置を当該マイクロホンアレイの方向に回転させた位置であり、
前記第2の位置は、前記マイクロホンアレイの対の一方のマイクロホンアレイから前記観測音源方向に、当該マイクロホンアレイの対の他方のマイクロホンアレイから前記音源までの距離から、前記時間差分における音の伝搬距離の差分に相当する距離離れた位置であることを特徴とする
音響処理方法。
a function value of a first objective function indicating a magnitude of a directional difference between an observed sound source direction, which is a sound source direction determined for each of N (N is an integer equal to or greater than 2) microphone arrays, and a direction obtained by rotating the direction of the sound source from the microphone array with respect to the direction of the microphone array;
The second objective function indicates the magnitude of a time difference, which is the difference between the time difference of the propagation time of the sound wave from the sound source to each microphone array and the time difference of the offset time of each microphone array, from the observed arrival time difference, which is the arrival time difference of the sound from the sound source determined for each pair of two microphone arrays out of N, so that the function value of the second objective function indicates the magnitude of a time difference, which is the difference between the time difference of the propagation time of the sound wave from the sound source to each microphone array and the time difference of the offset time of each microphone array, is smaller.
determining a position, orientation and offset time of the microphone array and a position of the sound source ;
The steps include:
determining a position, a direction, and an offset time of the microphone array and a position of the sound source such that a sum of distances between pairs of the microphone arrays from a first position to a second position is smaller;
the first position is a position obtained by rotating a position of the sound source relative to the microphone array toward the microphone array;
The second position is a position away from one of the microphone arrays in the pair in a direction toward the observed sound source by a distance corresponding to a difference in sound propagation distance in the time difference from a distance from the other microphone array of the pair to the sound source.
Acoustic processing methods.
N(Nは、2個以上の整数)個のマイクロホンアレイのそれぞれについて定めた音源方向である観測音源方向と、当該マイクロホンアレイからの音源の方向を当該マイクロホンアレイの方向で回転した方向との差分である方向差分の大きさを示す第1の目的関数の関数値と、
N個のうち2個のマイクロホンアレイの対ごとに定めた前記音源からの音の到達時間差である観測到達時間差から、前記音源から個々のマイクロホンアレイへの音波の伝搬時間の時間差と、個々のマイクロホンアレイのオフセット時間の時間差との差分である時間差分の大きさを示す第2の目的関数の関数値が、それぞれより小さくなるように、
前記マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、前記音源の位置を定めるステップを有し
前記ステップは、
前記第1の目的関数の関数値がより小さくなるように、前記マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、前記音源の位置を更新するステップと、
前記第2の目的関数の関数値がより小さくなるように、前記マイクロホンアレイの位置、方向、ならびにオフセット時間、および、前記音源の位置を更新するステップと、を交互に実行することを特徴とする
音響処理方法。
a function value of a first objective function indicating a magnitude of a directional difference between an observed sound source direction, which is a sound source direction determined for each of N (N is an integer equal to or greater than 2) microphone arrays, and a direction obtained by rotating the direction of the sound source from the microphone array with respect to the direction of the microphone array;
The second objective function indicates the magnitude of a time difference, which is the difference between the time difference of the propagation time of the sound wave from the sound source to each microphone array and the time difference of the offset time of each microphone array, from the observed arrival time difference, which is the arrival time difference of the sound from the sound source determined for each pair of two microphone arrays out of N, so that the function value of the second objective function indicates the magnitude of a time difference, which is the difference between the time difference of the propagation time of the sound wave from the sound source to each microphone array and the time difference of the offset time of each microphone array, is smaller.
determining a position, orientation and offset time of the microphone array and a position of the sound source ;
The steps include:
updating the position, orientation, and offset time of the microphone array and the position of the sound source so that a function value of the first objective function becomes smaller;
and updating the position, orientation, and offset time of the microphone array and the position of the sound source so as to reduce the function value of the second objective function.
Acoustic processing methods.
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S. Wozniak et. al,Passive Joint Localization and Synchronization of Distributed Microphone Arrays,IEEE Signal Processing Letters,Volume 26, Issue 2,2018年12月23日,pp.292-296

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