雑音抑圧用係数設定装置および雑音抑圧装置
【課題】ミュージカルノイズの発生を有効に抑制可能な雑音抑圧を実現する。
【解決手段】特性値算定部４２は、音響信号ｘ(t)の強度分布の形状に応じた形状母数α0を算定する。第１係数設定部４４は、音響信号ｘ(t)の強度分布の尖度Ｋが雑音抑圧処理の前後で変化しない場合における当該音響信号ｘ(t)の形状母数α0と雑音抑圧処理のフロアリング処理に適用されるフロアリング係数ηとの関係を規定する関係式を満たすように、特性値算定部４２が算定した形状母数α0に応じてフロアリング係数ηを可変に設定する。雑音抑圧部３６は、第１係数設定部４４が設定したフロアリング係数ηを適用したフロアリング処理を含む雑音抑圧処理を音響信号ｘ(t)に対して実行する。
【解決手段】特性値算定部４２は、音響信号ｘ(t)の強度分布の形状に応じた形状母数α0を算定する。第１係数設定部４４は、音響信号ｘ(t)の強度分布の尖度Ｋが雑音抑圧処理の前後で変化しない場合における当該音響信号ｘ(t)の形状母数α0と雑音抑圧処理のフロアリング処理に適用されるフロアリング係数ηとの関係を規定する関係式を満たすように、特性値算定部４２が算定した形状母数α0に応じてフロアリング係数ηを可変に設定する。雑音抑圧部３６は、第１係数設定部４４が設定したフロアリング係数ηを適用したフロアリング処理を含む雑音抑圧処理を音響信号ｘ(t)に対して実行する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響信号から雑音成分を抑圧する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
周波数領域で音響信号から雑音成分を抑圧する雑音抑圧技術では、雑音抑圧処理に起因して発生する耳障りなミュージカルノイズの発生が問題となる。特許文献１には、音響信号の強度分布の尖度に応じた雑音指標値をミュージカルノイズの発生度合の指標として算定し、雑音抑圧処理に適用される抑圧係数やフロアリング係数を雑音指標値に応じて可変に設定する技術が開示されている。また、非特許文献１には、雑音抑圧処理の前後にわたる音響信号の強度分布の尖度比や雑音抑圧処理による雑音抑圧率を定式化し得ることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−０２００１２号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】T. Inoue, et al., "Theoretical analysis of iterative weak spectral subtraction via higher-order statistics", Proc. MLSP2010, p.220-225, 2010
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１や非特許文献１の技術のもとでも、実際にはミュージカルノイズの発生を有効に抑制し得る最適な係数を選定することは必ずしも容易ではなかった。以上の事情を考慮して、本発明は、ミュージカルノイズの発生を有効に抑制し得る雑音抑圧の実現を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の雑音抑圧用係数設定装置は、入力音響信号（例えば音響信号ｘ(t)）の強度分布の形状に応じた雑音特性値を算定する特性値算定手段と、音響信号の強度分布の尖度が雑音抑圧処理の前後で変化しない場合における当該音響信号の雑音特性値（例えば形状母数α0）と雑音抑圧処理のフロアリング処理に適用されるフロアリング係数（例えばフロアリング係数η）との関係を規定する関係式（例えば数式(24)）を満たすように、特性値算定手段が算定した雑音特性値に応じてフロアリング係数を可変に設定する第１係数設定手段とを具備する。
【０００７】
以上の構成では、雑音抑圧処理の前後で強度分布の尖度が変化しないという条件（第１条件）を満たすようにフロアリング係数が雑音特性値に応じて可変に設定される。したがって、ミュージカルノイズの発生を有効に抑制（理想的には完全に防止）しながら雑音成分を抑圧することが可能である。
【０００８】
本発明の好適な態様において、第１係数設定手段は、雑音抑圧処理による雑音抑圧率が正数となるようにフロアリング係数を設定する。以上の態様では、雑音抑圧率が正数であるという条件（第２条件）を満たすようにフロアリング係数が設定される。例えば、雑音特性値とフロアリング係数との関係式を満たす複数のフロアリング係数から雑音抑圧率が正数となるフロアリング係数が選択される。したがって、雑音抑圧を有効に実現し得る有意なフロアリング係数を雑音抑圧処理に適用することが可能である。
【０００９】
本発明の好適な態様の雑音抑圧用係数設定装置は、雑音抑圧強度を制御するための抑圧係数（例えば抑圧係数β）を、特性値算定手段が算定した雑音特性値に応じて可変に設定する第２係数設定手段を具備する。例えば、雑音抑圧処理による雑音抑圧率が最大となる抑圧係数や雑音抑圧率が目標値を上回る抑圧係数が設定される。以上の態様では、雑音抑圧処理（減算処理）に適用されて雑音抑圧強度を制御する抑圧係数が、入力音響信号の雑音特性値に応じて可変に設定されるから、抑圧係数を所定値に固定した構成と比較して適切な雑音抑圧が実現される。なお、以上の態様の具体例は例えば第２実施形態として後述される。
【００１０】
本発明の好適な態様の雑音抑圧用係数設定装置は、各雑音抑圧処理による雑音抑圧率の累算値が目標値を上回るように、特性値算定手段が算定した雑音特性値と第１係数設定手段が設定したフロアリング係数とに応じて雑音抑圧処理の反復回数（例えば反復回数Ｑ）を可変に設定する反復回数設定手段を具備する。以上の態様では、雑音抑圧率の累算値が目標値を上回るように雑音抑圧処理の反復回数が可変に設定されるから、反復回数を所定値に固定した構成と比較して雑音抑圧処理の過不足を抑制することが可能である。なお、以上の態様の具体例は例えば第３実施形態として後述される。また、雑音抑圧処理は入力音響信号に対して累積的に反復される。雑音抑圧処理の累積的な反復とは、音響信号の一の区間に対して雑音抑圧処理を反復する（すなわち、各雑音抑圧処理の実行後の音響信号を次回の雑音抑圧処理の対象とする）ことを意味する。
【００１１】
本発明は、以上の各態様に係る雑音抑圧用係数設定装置を具備する雑音抑圧装置としても実現される。本発明の第１態様に係る雑音抑圧装置は、以上の各態様に係る雑音抑圧用係数設定装置と、雑音抑圧用係数設定装置が設定した係数を適用した雑音抑圧処理を入力音響信号に対して実行する雑音抑圧手段とを具備する。雑音抑圧手段は、例えば、第１係数設定手段が設定したフロアリング係数を適用したフロアリング処理を含む雑音抑圧処理を入力音響信号に対して実行する要素や、第１係数設定手段が設定したフロアリング係数と第２係数設定手段が設定した抑圧係数とを適用した雑音抑圧処理を入力音響信号に対して実行する要素や、反復回数設定手段が設定した反復回数にわたり雑音抑圧処理を入力音響信号に対して累積的に反復する要素である。以上の雑音抑圧装置によれば、本発明の雑音抑圧用係数設定装置について前述した作用および効果が実現される。
【００１２】
本発明の第２態様に係る雑音抑圧装置は、相互に離間して配置された収音機器が生成するＤ（Ｄは２以上の自然数）チャネルの音響信号を順次に処理するＱ段の単位処理手段と、
Ｑ段のうち最終段の単位処理手段による処理後のＤチャネルの音響信号の遅延加算で特定の音源方向の目的音成分を強調する出力処理手段とを具備し、Ｑ段の単位処理手段の各々は、当該単位処理手段に供給されるＤチャネルの音響信号に対する独立成分分析で推定雑音成分を生成する雑音推定手段と、推定雑音成分の雑音特性値に応じたフロアリング係数をチャネル毎に可変に設定する前述の各態様の雑音抑圧用係数設定装置と、雑音抑圧用係数設定装置がチャネル毎に設定したフロアリング係数を適用した雑音抑圧処理を当該チャネルの音響信号に実行して出力する雑音抑圧手段とを含む。第２態様においても第１態様の雑音抑圧装置と同様の効果が実現される。また、雑音成分の特性が経時的に変動する場合でも高精度な雑音抑圧を実現できるという利点もある。なお、第２態様の雑音抑圧装置は、例えば第４実施形態として後述される。
【００１３】
以上の各態様に係る雑音抑圧用係数設定装置は、雑音成分の抑圧に専用されるＤＳＰ（Digital Signal Processor）などのハードウェア（電子回路）によって実現されるほか、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの汎用の演算処理装置とプログラム（ソフトウェア）との協働によっても実現される。本発明のプログラムは、入力音響信号の強度分布の形状に応じた雑音特性値を算定する特性値算定処理と、音響信号の強度分布の尖度が雑音抑圧処理の前後で変化しない場合における当該音響信号の雑音特性値と雑音抑圧処理のフロアリング処理に適用されるフロアリング係数との関係を規定する関係式を満たすように、特性値算定処理で算定した雑音特性値に応じてフロアリング係数を可変に設定する第１係数設定処理とをコンピュータに実行させる。以上のプログラムによれば、本発明の雑音抑圧用係数設定装置と同様の作用および効果が実現される。本発明のプログラムは、コンピュータが読取可能な記録媒体に格納された形態で提供されてコンピュータにインストールされるほか、通信網を介した配信の形態で提供されてコンピュータにインストールされる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態に係る雑音抑圧装置のブロック図である。
【図２】雑音抑圧率と尖度比との関係を示すグラフである。
【図３】実施形態の効果を示すグラフである。
【図４】実施形態の効果を示すグラフである。
【図５】第２実施形態に係る雑音抑圧装置のブロック図である。
【図６】係数テーブルの模式図である。
【図７】第３実施形態に係る雑音抑圧装置のブロック図である。
【図８】第４実施形態に係る雑音抑圧装置のブロック図である。
【図９】単位処理部のブロック図である。
【図１０】第４実施形態の効果を示すグラフである。
【図１１】第４実施形態の効果を示すグラフである。
【図１２】第４実施形態の効果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る雑音抑圧装置１００Aのブロック図である。雑音抑圧装置１００Aには、信号供給装置１２と放音装置１４とが接続される。信号供給装置１２は、音響信号ｘ(t)を雑音抑圧装置１００Aに供給する。音響信号ｘ(t)は、目的音成分（例えば音声や楽音等の音響）と雑音成分（空調設備の動作音や雑踏音等の環境音）との混合音の波形を表す時間領域の信号である（ｔ：時間）。周囲の音響を収音して音響信号ｘ(t)を生成する収音機器や、可搬型または内蔵型の記録媒体から音響信号ｘ(t)を取得して雑音抑圧装置１００Aに供給する再生装置や、通信網から音響信号ｘ(t)を受信して雑音抑圧装置１００Aに供給する通信装置が信号供給装置１２として採用され得る。
【００１６】
雑音抑圧装置１００Aは、信号供給装置１２が供給する音響信号ｘ(t)から音響信号ｙ(t)を生成する音響処理装置である。音響信号ｙ(t)は、音響信号ｘ(t)から雑音成分を抑圧した音響（目的音成分を強調した音響）の波形を表す時間領域の信号である。放音装置１４（例えばスピーカやヘッドホン）は、雑音抑圧装置１００Aが生成した音響信号ｙ(t)に応じた音波を再生する。なお、音響信号ｙ(t)をデジタルからアナログに変換するＤ/Ａ変換器の図示は便宜的に省略されている。
【００１７】
図１に示すように、雑音抑圧装置１００Aは、演算処理装置２２と記憶装置２４とを具備するコンピュータシステムで実現される。記憶装置２４は、演算処理装置２２が実行するプログラムＰGMや演算処理装置２２が使用する各種のデータを記憶する。半導体記録媒体や磁気記録媒体などの公知の記録媒体や複数種の記録媒体の組合せが記憶装置２４として任意に採用され得る。音響信号ｘ(t)を記憶装置２４に記憶した構成（したがって信号供給装置１２は省略される）も好適である。
【００１８】
演算処理装置２２は、記憶装置２４に格納されたプログラムＰGMを実行することで、音響信号ｘ(t)から音響信号ｙ(t)を生成するための複数の機能（周波数分析部３２，雑音推定部３４，雑音抑圧部３６，波形合成部３８，特性値算定部４２，第１係数設定部４４）を実現する。なお、演算処理装置２２の各機能を複数の集積回路に分散した構成や、専用の電子回路（DSP）が各機能を実現する構成も採用され得る。
【００１９】
周波数分析部３２は、音響信号ｘ(t)のスペクトル（複素スペクトル）Ｘ(f,τ)を時間軸上のフレーム毎に順次に生成する。スペクトルＸ(f,τ)の生成には、短時間フーリエ変換等の公知の周波数分析が任意に採用され得る。記号τはフレームを指定する変数であり、記号ｆは周波数を指定する変数である。なお、通過帯域が相違する複数の帯域通過フィルタで構成されるフィルタバンクも周波数分析部３２として採用され得る。
【００２０】
雑音推定部３４は、音響信号ｘ(t)に含まれると推定される雑音成分（以下「推定雑音成分」という）ｎ(t)のスペクトル（複素スペクトル）Ｎ(f,τ)を生成する。推定雑音成分ｎ(t)のスペクトルＮ(f,τ)の生成には公知の技術が任意に採用され得る。例えば、雑音推定部３４は、目的音成分が存在する目的音区間と目的音成分が存在しない雑音区間とに音響信号ｘ(t)を時間軸上で区分し、雑音区間内の各フレームのスペクトルＸ(f,τ)を推定雑音成分ｎ(t)のスペクトルＮ(f,τ)として特定する。目的音区間と雑音区間との区分には公知の音声検出技術（VAD：Voice Activity Detection）が任意に採用される。
【００２１】
雑音抑圧部３６は、目的音区間および雑音区間の各フレームの音響信号ｘ(t)のスペクトルＸ(f,τ)に対する反復型の雑音抑圧で音響信号ｙ(t)のスペクトル（複素スペクトル）Ｙ(f,τ)をフレーム毎に順次に生成する。反復型の雑音抑圧は、音響信号ｘ(t)のスペクトルＸ(f,τ)に対する雑音抑圧処理を所定の反復回数Ｑ（Ｑは自然数）にわたり累積的に反復する信号処理である。雑音抑圧部３６が生成するスペクトルＹ(f,τ)は、以下の数式(1)で表現される。
【数１】
数式(1)の記号ｊは虚数単位を意味し、記号θx(f,τ)は音響信号ｘ(t)の位相スペクトルを意味する。また、数式(1)の記号|ＹQ(f,τ)|は、音響信号ｘ(t)のスペクトルＸ(f,τ)に対して反復回数Ｑの雑音抑圧処理を実行した時点の振幅スペクトルである。各回の雑音抑圧処理では、数式(2A)で表現される減算処理と数式(2B)で表現されるフロアリング処理とが周波数ｆ毎に択一的に実行される。
【数２】
【００２２】
数式(2A)および数式(2B)の振幅スペクトル|Ｙi(f,τ)|は、第ｉ回目の雑音抑圧処理が完了した時点での振幅スペクトルを意味する。音響信号ｘ(t)の振幅スペクトル|Ｘ(f,τ)|が振幅スペクトル|Ｙi(f,τ)|の初期値|Ｙ0(f,τ)|として第１回目の雑音抑圧処理（振幅スペクトル|Ｙ1(f,τ)|の生成）に適用される。数式(2A)の記号Ｅτ[|Ｎi-1(f,τ)|2]は、複数のフレームにわたる推定雑音成分ｎ(t)のパワー|Ｎi-1(f,τ)|2の時間平均を意味する。なお、振幅スペクトル|Ｙi(f,τ)|の算定（数式(2A)）には、雑音区間について第(i-1)回目の雑音抑圧処理で算定された振幅スペクトル|Ｙi-1(f,τ)|が推定雑音成分ｎ(t)の振幅スペクトル|Ｎi-1(f,τ)|として適用される。すなわち、推定雑音成分ｎ(t)は雑音抑圧処理毎に更新される。
【００２３】
数式(2A)から理解されるように、減算処理は、推定雑音成分ｎ(t)のパワースペクトル|Ｎi-1(f,τ)|2の時間平均（すなわち推定雑音）と抑圧係数βとの乗算値を、直前（第(i-1)回目）の雑音抑圧処理後のパワースペクトル|Ｙi-1(f,τ)|2から減算して振幅スペクトル|Ｙi(f,τ)|を算定する処理である。したがって、抑圧係数（減算係数）βは、雑音成分の抑圧強度を制御するための変数として機能する。第１実施形態では、抑圧係数βは所定値（例えば２または４）に固定される。
【００２４】
他方、数式(2A)の減算後の数値が負数となる場合に実行される数式(2B)のフロアリング処理は、直前（第(i-1)回目）の雑音抑圧処理後の振幅スペクトル|Ｙi-1(f,τ)|とフロアリング係数ηとを乗算することで振幅スペクトル|Ｙi(f,τ)|を算定する処理である。すなわち、フロアリング係数ηは、振幅スペクトル|Ｙi(f,τ)|の下限値を規定する変数として機能する。数式(1)で説明したように、第Ｑ回目の雑音抑圧処理の完了後の振幅スペクトル|ＹQ(f,τ)|に音響信号ｘ(t)の位相スペクトルθx(f,τ)を付加したスペクトルＹ[f,t]がフレーム毎に波形合成部３８に供給される。
【００２５】
図１の波形合成部３８は、雑音抑圧部３６がフレーム毎に生成するスペクトルＹ(f,τ)から時間領域の音響信号ｙ(t)を生成する。具体的には、波形合成部３８は、各フレームのスペクトルＹ(f,τ)を逆フーリエ変換で時間領域の信号に変換するとともに前後のフレームを相互に連結することで音響信号ｙ(t)を生成する。波形合成部３８が生成した音響信号ｙ(t)が放音装置１４に供給されて音波として再生される。
【００２６】
図１の特性値算定部４２は、音響信号ｘ(t)内の雑音成分（推定雑音成分ｎ(t)）の特性に応じた形状母数（shape parameter）α0を音響信号ｘ(t)から算定する。形状母数α0は、雑音区間内の複数のフレームにわたる音響信号ｘ(t)のパワー|Ｘ(f,τ)|2（すなわち推定雑音成分ｎ(t)のパワー|Ｎ(f,τ)|2）の度数分布（以下「強度分布」という）の形状に応じて変化する変数である。第１実施形態の特性値算定部４２は、音響信号ｘ(t)の強度分布を近似する確率分布の形状母数α0を算定する。確率分布の典型例はガウス分布である。音響信号ｘ(t)のパワーｘ（ｘ＝|Ｘ(f,τ)|2）を確率変数として音響信号ｘ(t)の強度分布を近似するガンマ分布の確率密度関数Ｐ(x)は以下の数式(3)で表現される。
【数３】
【００２７】
数式(3)の形状母数αは以下の数式(4A)および数式(4B)で定義され、数式(3)の尺度母数（scaling parameter）θは以下の数式(5)で定義される。また、数式(3)の記号Γ(α)は、以下の数式(6)で定義されるガンマ関数を意味する。なお、記号Ｅ[ ]は平均値（期待値）を意味する。図１の特性値算定部４２は、雑音区間内の音響信号ｘ(t)のパワー|Ｘ(f,τ)|2を数式(4B)の確率変数ｘに適用して数式(4A)で算定される形状母数αを、最初の雑音抑圧処理の実行前の音響信号ｘ(t)の形状母数α0として算定する。
【数４】
【数５】
【数６】
【００２８】
図１の第１係数設定部４４は、雑音抑圧部３６が数式(2B)のフロアリング処理に適用するフロアリング係数ηを、特性値算定部４２が算定した形状母数α0に応じて可変に設定する。具体的には、雑音抑圧処理に起因した音響信号ｙ(t)のミュージカルノイズが最小化され、かつ、雑音抑圧処理により雑音成分が確かに抑圧されるように、フロアリング係数ηは算定される。
【００２９】
フロアリング係数ηが満たすべき条件を特定するために、１回の雑音抑圧処理に便宜的に着目して、ミュージカルノイズの発生の度合と雑音成分の抑圧の度合との関係を検討する。まず、雑音抑圧処理に起因したミュージカルノイズが非ガウス性の雑音であることを考慮し、強度分布（確率密度関数）のガウス性の指標となる尖度（kurtosis）を、雑音抑圧処理に起因したミュージカルノイズの発生量の定量的な指標として利用する。具体的には、雑音抑圧処理の前後にわたる尖度の変化が大きいほどミュージカルノイズが顕在化するという傾向を考慮して、雑音抑圧処理の実行前の尖度ＫAに対する実行後の尖度ＫBの相対比（以下「尖度比」という）κをミュージカルノイズの発生量の指標として利用する（κ＝ＫB／ＫA）。尖度比κが大きいほどミュージカルノイズが多く、尖度比κが１である場合（雑音抑圧処理の実行の前後で尖度が変化しない場合）にはミュージカルノイズは発生していないと評価できる。なお、尖度（尖度比κ）とミュージカルノイズとの相関については特許文献１にも詳述されている。
【００３０】
確率密度関数Ｐ(x)の尖度Ｋは以下の数式(7)で表現される。
【数７】
数式(7)の記号μm（μ2，μ4）は、確率密度関数Ｐ(x)の原点回りのｍ次モーメントを意味し、以下の数式(8)で定義される。
【数８】
【００３１】
非特許文献１の記載から理解されるように、雑音抑圧処理後のｍ次モーメントμmは以下の数式(9)で表現される。数式(9)の関数Ｍ(α,β,η,m)は、数式(10)で定義される。
【数９】
【数１０】
【００３２】
数式(10)の記号Γ(b,a)は、以下の数式(11)で定義される第１種不完全ガンマ関数であり、数式(10)の記号γ(b,a)は、以下の数式(12)で定義される第２種不完全ガンマ関数である。
【数１１】
【数１２】
【００３３】
数式(7)および数式(9)から、雑音抑圧処理の実行後の尖度Ｋを示す以下の数式(13)が導出される。また、雑音抑圧処理の実行前の尖度Ｋは、数式(13)において抑圧係数βおよびフロアリング係数ηを０とした以下の数式(14)で表現される。
【数１３】
【数１４】
したがって、雑音抑圧処理の前後にわたる尖度比κは、以下の数式(15)で表現される。
【数１５】
【００３４】
他方、雑音抑圧処理による雑音成分の抑圧度合の指標値として雑音抑圧率（Noise Reduction Rate）Ｒを導入する。非特許文献１から理解されるように、雑音抑圧率Ｒは、音響信号ｘ(t)の強度分布の形状母数αと数式(10)の関数Ｍ(α,β,η,m)とを含む以下の数式(16)で表現される。数式(16)の雑音抑圧率Ｒは、雑音抑圧処理の実行後のＳＮ（Signal to Noise）比と雑音抑圧処理の実行前のＳＮ比との差分（デシベル値）を意味し、１回の雑音抑圧処理における雑音成分の抑圧量の指標として機能する。
【数１６】
【００３５】
図２は、数式(15)の尖度比κ（縦軸）と数式(16)の雑音抑圧率Ｒ（横軸）との関係を示すグラフである。図２では、雑音成分の形状母数αが１.０（白色ガウス雑音）である場合を想定し、フロアリング係数ηを０.０に設定した場合（破線）と１.０に設定した場合（実線）との各々について抑圧係数βを変化させたときの尖度比κと雑音抑圧率Ｒとの相関が図示されている。図２の矢印は、抑圧係数βが増加する方向を意味する。
【００３６】
フロアリング係数ηを０.０に設定した場合、抑圧係数βの増加とともに尖度比κおよび雑音抑圧率Ｒの双方が単調に増加する。したがって、雑音抑圧の効果が増加する一方でミュージカルノイズが増大する。他方、フロアリング係数ηを１.０に設定した場合、尖度比κと雑音抑圧率Ｒとの関係は、抑圧係数βの変化に対してヒステリシスループを描き、雑音抑圧率Ｒが０となる地点（雑音成分が抑圧されない場合）以外で尖度比κが１となる特定点ｐが存在する。尖度比κが１に維持される（すなわち雑音抑圧処理の前後で尖度Ｋが変化しない）ということは、雑音抑圧処理の前後で論理的にはミュージカルノイズが発生しないことを意味する。すなわち、ミュージカルノイズを発生させることなく雑音成分を有効に抑制できる抑圧係数βとフロアリング係数ηとの組合せが存在するという事実が図２から確認できる。抑圧係数βを所定値に固定した場合を想定すると、フロアリング係数ηを適切な数値に設定することで、ミュージカルノイズを発生させることなく雑音成分を抑圧することが可能である。
【００３７】
以上の知見を踏まえて、ミュージカルノイズを発生させないための第１条件と、雑音成分を抑圧するための第２条件との双方を成立させることを検討する。第１条件は、雑音抑圧処理の前後で尖度Ｋが変化しないという条件であり、第２条件は、雑音抑圧処理による雑音抑圧率Ｒが正数であるという条件である。第１条件および第２条件の各々について以下に詳述する。
【００３８】
［第１条件］
第ｉ回目（ｉ＝０,１,２,……）の雑音抑圧処理の実行後の尖度Ｋ(αi,β,η)の強度分布の形状母数αを第(i+1)回目の雑音抑圧処理の対象となる強度分布の形状母数αi+1とする場合、尖度Ｋ(αi,β,η)と形状母数αi+1との間には以下の数式(17)が成立する。数式(17)の導出については非特許文献１に詳述されている。
【数１７】
【００３９】
最初（ｉ＝０）の雑音抑圧処理の実行前の強度分布（すなわち音響信号ｘ(t)の強度分布）の尖度Ｋ（α0,０,０）は、以下の数式(18)で表現される。
【数１８】
【００４０】
第１条件が成立する場合、以下の数式(19)で表現されるように、任意の時点の尖度Ｋ(αi,β,η)が雑音抑圧処理前の尖度Ｋ(α0,０,０)と同等となる。
【数１９】
【００４１】
数式(10)の関数Ｍ(α,β,η,ｍ)を、以下の数式(20)に示すように、フロアリング係数ηを含まない関数Ｓ(α,β,ｍ)および関数Ｆ(α,β,ｍ)で便宜的に簡略化すると、最初の雑音抑圧処理の直後の尖度Ｋ(α0,β,η)は数式(21)で表現される。
【数２０】
【数２１】
【００４２】
数式(19)と数式(21)とから、第１条件を表現する以下の数式(22)が導出される。
【数２２】
フロアリング係数ηの４乗を変数Ｈで置換すると、数式(22)は以下の数式(23)に変形される。
【数２３】
【００４３】
数式(23)を変数Ｈについて整理することで、第１条件を満たすフロアリング係数η（η＝Ｈ1/4）を規定する以下の数式(24)が導出される。
【数２４】
第１実施形態では抑圧係数βは所定値に固定される。したがって、数式(24)は、音響信号ｘ(t)の強度分布の尖度が雑音抑圧処理（１回の雑音抑圧処理およびＱ回にわたる雑音抑圧処理の反復）の前後で変化しない場合における形状母数αとフロアリング係数ηとの関係を規定する関係式として利用可能である。
【００４４】
［第２条件］
第２条件は、１回の雑音抑圧処理での雑音成分の抑圧量を意味する数式(16)の雑音抑圧率Ｒが正数であるという条件である。したがって、前述の関数Ｓ(α,β,ｍ)および関数Ｆ(α,β,ｍ)を利用することで、第２条件を表現する数式(25)が導出される。
【数２５】
【００４５】
フロアリング係数ηが正数であることを加味すると、第２条件を満たすフロアリング係数ηの範囲を規定する以下の数式(26)が導出される。
【数２６】
【００４６】
図１の第１係数設定部４４は、数式(24)および数式(26)を満たすように、特性値算定部４２が算定した形状母数α0に応じたフロアリング係数ηを算定する。具体的には、第１係数設定部４４は、形状母数α0について数式(24)の演算を実行することで変数Ｈを算定するとともに変数Ｈの４乗根をフロアリング係数η（η＝Ｈ1/4）として算定する。数式(24)からは複数のフロアリング係数ηが算定される。第１係数設定部４４は、複数のフロアリング係数ηのうち数式(26)を満たす１個のフロアリング係数ηを選択する。第１係数設定部４４が設定したフロアリング係数ηが雑音抑圧部３６による雑音抑圧処理（数式(2B)のフロアリング処理）に適用される。
【００４７】
以上に説明したように第１実施形態では、雑音抑圧処理の前後で尖度Ｋが変化しないという第１条件（数式(24)）を満たすようにフロアリング係数ηが推定雑音成分ｎ(t)の形状母数α0に応じて可変に設定される。したがって、以下に詳述するように、ミュージカルノイズの発生を有効に抑制（理想的には完全に防止）しながら音響信号ｘ(t)の雑音成分を抑圧することが可能である。
【００４８】
図３は、雑音抑圧処理の前後の尖度比κを示すグラフであり、図４は、雑音抑圧処理の実行後の音響信号ｙ(t)のケプストラム歪ｄを示すグラフである。ケプストラム歪ｄは、目的音成分のケプストラムと雑音抑圧処理後の音響信号ｙ(t)のケプストラムとの誤差を示す指標値である。すなわち、ケプストラム歪ｄが小さいほど雑音抑圧性能が高い（すなわち目的音成分のスペクトル包絡が忠実に再現される）と評価できる。
【００４９】
図３および図４では、フロアリング係数ηを所定値に固定して１回だけ雑音抑圧処理を実行した場合（対比例１／One-Shot SS）と、ウィーナフィルタを適用した雑音抑圧処理を実行した場合（対比例２／Wiener filtering）と、MMSE-STSA（Minimum Mean-Square Error - Short-Time Spectral Amplitude）を利用した雑音抑圧処理を実行した場合（対比例３／MMSE-STSA）と、第１実施形態とが対比的に併記されている。図３および図４では、白色ガウス雑音（α0＝０.９７）を音響信号ｘ(t)の雑音成分とした場合（White Gaussian Noise）と会話音（α0＝０.２１）を音響信号ｘ(t)の雑音成分とした場合とが想定されている。
【００５０】
図４から理解されるように、第１実施形態によれば、雑音成分が会話音である場合には対比例１から対比例３を上回る雑音抑圧性能が実現される。また、雑音成分が白色ガウス雑音である場合には、対比例１および対比例２を上回るとともに対比例３に匹敵する雑音抑圧性能が実現される。そして、図３から理解されるように、第１実施形態によれば、雑音成分が白色ガウス雑音および会話音の何れの場合でも、対比例１から対比例３と比較して、雑音抑圧の前後にわたる尖度比κは１に近い数値に低減される。すなわち、対比例１から対比例３の何れと比較した場合でも、第１実施形態によればミュージカルノイズを有効に低減できることが理解される。以上に説明したように、第１実施形態によれば、ミュージカルノイズを有効に低減しながら高度な雑音抑圧を実現することが可能である。
【００５１】
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態を以下に説明する。なお、以下に例示する各形態において作用や機能が第１実施形態と同等である要素については、第１実施形態の説明で参照した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。
【００５２】
図５は、第２実施形態に係る雑音抑圧装置１００Bのブロック図である。図５に示すように、第２実施形態の雑音抑圧装置１００Bは、第１実施形態の雑音抑圧装置１００Aに第２係数設定部４６を追加した構成である。第２係数設定部４６は、特性値算定部４２が算定した形状母数α0と第１係数設定部４４が設定したフロアリング係数ηとに応じて、各雑音抑圧処理の減算処理（数式(2A)）に適用される抑圧係数βを可変に設定する。抑圧係数βの設定には、記憶装置２４に事前に記憶された図６の係数テーブルＴBLが使用される。
【００５３】
図６の係数テーブルＴBLは、形状母数α0の各数値（α0_1，α0_2，……）とフロアリング係数ηの各数値（η_1，η_2，……）との組合せに対して抑圧係数βの数値（β11，β12，……）を対応させたデータテーブルである。形状母数α0およびフロアリング係数ηの組合せに対応する抑圧係数βの数値は、その形状母数α0およびフロアリング係数ηのもとで高い雑音抑圧性能が実現されるように事前に選定される。
【００５４】
数式(16)の雑音抑圧率Ｒは、雑音抑圧処理の前後のパワー比の対数値であるから、雑音抑圧処理毎に累算（加算）される。したがって、第(i+1)回目の雑音抑圧処理を実行した時点の雑音抑圧率Ｒ(αi+1,β,η)は以下の数式(27)で表現される。
【数２７】
係数テーブルＴBLのうち各形状母数α0とフロアリング係数ηとの組合せに対応する抑圧係数βは、その形状母数α0およびフロアリング係数ηのもとで反復回数Ｑにわたる雑音抑圧処理を実行した場合の数式(27)の雑音抑圧率Ｒ(αQ,β,η)に応じて設定される。具体的には、抑圧係数βは、雑音抑圧率Ｒ(αQ,β,η)が最大となる数値や雑音抑圧率Ｒ(αQ,β,η)が所定の目標値Ｒtarを上回る数値に設定される。目標値Ｒtarは、例えば入力装置（図示略）に対する利用者からの指示に応じて可変に設定される。
【００５５】
第２係数設定部４６は、特性値算定部４２が算定した形状母数α0と第１係数設定部４４が設定したフロアリング係数ηとの組合せに対応する抑圧係数βを係数テーブルＴBLから検索および取得して雑音抑圧部３６に指示する。雑音抑圧部３６は、第１係数設定部４４から指示されるフロアリング係数ηと第２係数設定部４６から指示される抑圧係数βとを適用した雑音抑圧処理を所定の反復回数Ｑにわたり反復することでスペクトルＹ(f,τ)を生成する。
【００５６】
第２実施形態においても第１実施形態と同様の効果が実現される。また、第２実施形態では、特性値算定部４２が算定した形状母数α0と第１係数設定部４４が設定したフロアリング係数ηとに応じて抑圧係数βが可変に設定されるから、抑圧係数βを所定値に固定した構成と比較して雑音抑圧性能（雑音抑圧率Ｒ）を向上することが可能である。
【００５７】
なお、以上の説明では係数テーブルＴBLから抑圧係数βを取得したが、抑圧係数βを設定する方法は適宜に変更される。例えば、第２係数設定部４６が、抑圧係数βの複数の候補値ｂの各々を形状母数α0およびフロアリング係数ηとともに数式(27)に適用して候補値ｂ毎に雑音抑圧率Ｒ(αQ,β,η)を算定し、雑音抑圧率Ｒ(αQ,β,η)が最大となる候補値ｂを抑圧係数βとして選択することも可能である。また、係数テーブルＴBLと数式(27)の演算とを併用する構成も採用され得る。例えば第２係数設定部４６は、形状母数α0およびフロアリング係数ηの組合せに対応する抑圧係数βを係数テーブルＴBLから取得し、その抑圧係数βを含む所定の範囲内の複数の候補値ｂの各々について数式(27)の演算で雑音抑圧率Ｒ(αQ,β,η)を算定する。そして、雑音抑圧率Ｒ(αQ,β,η)が最大となる候補値ｂを抑圧係数βとして選択する。
【００５８】
＜第３実施形態＞
図７は、第３実施形態に係る雑音抑圧装置１００Cのブロック図である。図７に示すように、第３実施形態の雑音抑圧装置１００Cは、第１実施形態の雑音抑圧装置１００Aに反復回数設定部４８を追加した構成である。反復回数設定部４８は、特性値算定部４２が算定した形状母数α0と第１係数設定部４４が設定したフロアリング係数ηとに応じて雑音抑圧部３６による雑音抑圧処理の反復回数Ｑを可変に設定する。
【００５９】
具体的には、反復回数設定部４８は、反復回数Ｑの複数の候補値ｑの各々について、特性値算定部４２が算定した形状母数α0と第１係数設定部４４が設定したフロアリング係数ηと所定の抑圧係数βとのもとでその候補値ｑの回数だけ雑音抑圧処理を反復した場合の雑音抑圧率Ｒ(αq,β,η)を数式(27)の演算で算定し、雑音抑圧率Ｒ(αq,β,η)が目標値Ｒtarを上回る最小の候補値ｑを反復回数Ｑとして確定する。目標値Ｒtarは、例えば入力装置（図示略）に対する利用者からの指示に応じて可変に設定される。雑音抑圧部３６は、反復回数設定部４８が設定した反復回数Ｑにわたり雑音抑圧処理を反復する。
【００６０】
第３実施形態においても第１実施形態と同様の効果が実現される。また、第３実施形態では、特性値算定部４２が算定した形状母数α0と第１係数設定部４４が設定したフロアリング係数ηとに応じて雑音抑圧処理の反復回数Ｑが可変に設定されるから、雑音抑圧処理の過不足を防止することが可能である。具体的には、雑音抑圧処理の不足を防止して目標値Ｒtarを確実に達成するとともに雑音抑圧処理の過剰を防止して演算処理装置２２の演算量を削減できるという利点がある。
【００６１】
なお、以上の説明では数式(27)の演算で反復回数Ｑを設定したが、事前に用意されたテーブルを利用して反復回数Ｑを設定することも可能である。例えば、形状母数α0の各数値とフロアリング係数ηの各数値との組合せ毎に目標値Ｒtarを達成し得る反復回数Ｑを設定したテーブルを記憶装置２４に事前に格納し、特性値算定部４２が算定した形状母数α0と第１係数設定部４４が設定したフロアリング係数ηとに対応する反復回数Ｑを反復回数設定部４８がテーブルから検索して雑音抑圧部３６に指示する。
【００６２】
＜第４実施形態＞
図８は、第４実施形態に係る雑音抑圧装置１００Dのブロック図である。図８に示すように、第４実施形態の雑音抑圧装置１００Dは、収音部５０と周波数分析部５２と信号処理部５４と出力処理部５６と波形合成部５８とを具備する。収音部５０は、相互に離間して配置されたＤ個（Ｄは２以上の自然数）の収音機器５１で構成されるマイクロホンアレイであり、各収音機器５１が生成したＤチャネルの音響信号ｘ1(t)〜ｘD(t)を周波数分析部５２に供給する。各音響信号ｘd(t)（ｄ＝１〜Ｄ）は、目的音成分と雑音成分との混合音の波形を示す時間領域信号である。目的音成分は、特定の音源方向から到来する音響成分である。雑音抑圧装置１００Dは、音響信号ｘ1(t)〜ｘD(t)から雑音成分を抑圧した音響信号ｙ(t)を生成する。
【００６３】
周波数分析部５２は、Ｄチャネルの音響信号ｘ1(t)〜ｘD(t)の各々のスペクトルＸd[0](f,τ)（Ｘ1[0](f,τ)〜ＸD[0](f,τ)）をフレーム毎に順次に生成する。図８に示すように、スペクトルＸ1[0](f,τ)〜ＸD[0](f,τ)を要素とするＤ次元のベクトル（以下「観測ベクトル」という）Ｖ[0](f,τ)が周波数分析部５２から出力される（Ｖ[0](f,τ)＝[Ｘ1[0](f,τ)，Ｘ2[0](f,τ)，……，ＸD[0](f,τ)]T）。記号Ｔは行列の転置を意味する。
【００６４】
信号処理部５４は、周波数分析部５２が生成したＤチャネルのスペクトルＸ1[0](f,τ)〜ＸD[0](f,τ)（観測ベクトルＶ[0](f,τ)）からＤチャネルのスペクトルＹ1(f,τ)〜ＹD(f,τ)を生成する。スペクトルＹd(f,τ)は、スペクトルＸd[0](f,τ)から雑音成分を抑圧したスペクトルである。図８に示すように、信号処理部５４は、相互に縦続に接続されてＤチャネルの音響信号ｘ1(t)〜ｘD(t)（Ｘ1[0](f,τ)〜ＸD[0](f,τ)）を順次に処理するＱ段の単位処理部Ｕ[1]〜Ｕ[Q]を含んで構成される。
【００６５】
図９は、信号処理部５４の第ｑ段目（ｑ＝１〜Ｑ）の単位処理部Ｕ[q]のブロック図である。各単位処理部Ｕ[q]は、前段（第(q-1)段）から供給される観測ベクトルＶ[q-1](f,τ)に対する雑音抑圧処理で観測ベクトルＶ[q](f,τ)を生成する。第１段目の単位処理部Ｕ[1]には周波数分析部５２が生成した観測ベクトルＶ[0](f,τ)が供給される。第Ｑ段目（最終段）の単位処理部Ｕ[Q]が生成した観測ベクトルＶ[Q](f,τ)がＤチャネルのスペクトルＹ1(f,τ)〜ＹD(f,τ)に相当する（Ｖ[Q](f,τ)＝［Ｙ1(f,τ)，Ｙ2(f,τ)，……，ＹD(f,τ)]T）。
【００６６】
図９に示すように、各単位処理部Ｕ[q]は、雑音推定部６２と雑音抑圧用係数設定部６４と雑音抑圧部６６とを具備する。雑音推定部６２は、観測ベクトルＶ[q-1](f,τ)に対する独立成分分析で推定雑音成分の推定雑音ベクトルＺ[q](f,τ)を生成する。第４実施形態の雑音推定部６２は、独立成分分析部６２２と逆射影部６２４とを含んで構成される。
【００６７】
独立成分分析部６２２は、周波数領域での独立成分分析（FD-ICA：Frequency Domain-Independent Component Analysis）を利用した音源分離を観測ベクトルＶ[q-1](f,τ)に対して実行することで分離ベクトルＧ[q](f,τ)を生成する。分離ベクトルＧ[q](f,τ)は、Ｄ個の要素ｇ1[q](f,τ)〜ｇD[q](f,τ)で構成され、以下の数式(28)で表現される。
【数２８】
数式(28)の記号Ｗ[q](f)は分離行列を意味し、公知の更新式の演算を累積的に反復することで算定される。
【００６８】
独立成分分析部６２２が生成した分離ベクトルＧ[q](f,τ)のうち目的音成分に相当する要素（ｇs[q](f,τ)）をゼロに置換した分離ベクトルＧ(noise)[q](f,τ)が逆射影部６２４に供給される。すなわち、分離ベクトルＧ(noise)[q](f,τ)は、以下の数式(29)で表現される。要素ｇs[q](f,τ)は、独立成分分析で推定された目的音成分である。
【数２９】
【００６９】
逆射影部６２４は、独立成分分析のスケーリング問題を解決するための逆射影（projection back）を分離ベクトルＧ(noise)[q](f,τ)に適用することで推定雑音ベクトルＺ[q](f,τ)を生成する。具体的には、推定雑音ベクトルＺ[q](f,τ)は以下の数式(30)の演算で生成される。
【数３０】
推定雑音ベクトルＺ[q](f,τ)は、各チャネルに対応するＤ個の推定雑音成分ｚ1[q](f,τ)〜ｚD[q](f,τ)を要素とするベクトルである（Ｚ[q](f,τ)＝［ｚ1[q](f,τ)，ｚ2[q](f,τ)，……，ｚD[q](f,τ)］T）。
【００７０】
図９の雑音抑圧用係数設定部６４は、各チャネルのフロアリング係数η[1]〜η[D]を設定する要素であり、特性値算定部６４２と第１係数設定部６４４とを含んで構成される。特性値算定部６４２は、推定雑音ベクトルＺ[q](f,τ)から各チャネルの形状母数α0[1]〜α0[D]を算定する。形状母数α0[d]は、推定雑音ベクトルＺ[q](f,τ)の推定雑音成分ｚd[q](f,τ)の強度分布に応じた変数である。特性値算定部６４２が推定雑音成分ｚd[q](f,τ)から形状母数α0[d]を算定する方法は、第１実施形態の特性値算定部４２が推定雑音成分ｎ(t)から形状母数α0を算定する方法と同様である。
【００７１】
第１係数設定部６４４は、特性値算定部６４２が算定した形状母数α0[1]〜α0[D]からチャネル毎のフロアリング係数η[1]〜η[D]を算定する。具体的には、第１係数設定部６４４は、第１実施形態の第１係数設定部４４と同様に、第１条件を表現する数式(24)と第２条件を表現する数式(26)とを満たすように、形状母数α0[d]に応じたフロアリング係数η[d]を算定する。
【００７２】
図９の雑音抑圧部６６は、第１係数設定部６４４が算定したフロアリング係数η[1]〜η[D]を適用した雑音抑圧処理を観測ベクトルＶ[q-1](f,τ)に対して実行することで観測ベクトルＶ[q](f,τ)を生成する。雑音抑圧処理はチャネル毎に個別に実行される。すなわち、雑音抑圧部６６は、フロアリング係数η[d]を適用した雑音抑圧処理を音響信号ｘd(t)のスペクトルＸd[q-1](f,τ)に対して実行することでスペクトルＸd[q](f,τ)を生成する。具体的には、雑音抑圧部６６は、以下の数式(31A)で表現される減算処理と数式(31B)で表現されるフロアリング処理とを周波数ｆ毎に択一的に実行する。すなわち、第４実施形態の信号処理部５４では、周波数分析部５２が生成したスペクトルＸd[0](f,τ)に対してＱ回の雑音抑圧処理が累積的に反復される。
【数３１】
【００７３】
図８の出力処理部５６は、信号処理部５４（第Ｑ段目の単位処理部Ｕ[Q]）が生成したＤチャネルのスペクトルＹ1(f,τ)〜ＹD(f,τ)から音響信号ｙ(t)のスペクトルＹ(f,τ)をフレーム毎に生成する。具体的には、出力処理部５６は、目的音成分の方向に収音のビーム（感度が高い領域）を形成する遅延加算型ビームフォーマであり、遅延部５６２と加算部５６２とを含んで構成される。
【００７４】
遅延部５６２は、スペクトルＹ1(f,τ)〜ＹD(f,τ)の各々を目的音成分の音源方向φに応じた遅延量だけ遅延させる。音源方向φは、信号処理部５４のＱ個の単位処理部Ｕ[1]〜Ｕ[Q]から選択された１個の単位処理部Ｕ[q]（例えば最終段の単位処理部Ｕ[Q]）における独立成分分析部６２２が推定した分離行列Ｗ[q](f)から特定される。
【００７５】
加算部５６４は、遅延部５６２による遅延後のＤチャネルのスペクトルＹ1(f,τ)〜ＹD(f,τ)を加算することで音響信号ｙ(t)のスペクトルＹ(f,τ)を生成する。以上の説明から理解されるように、出力処理部５６が生成するスペクトルＹ(f,τ)は、音源方向φの目的音成分を強調した信号となる。
【００７６】
図８の波形合成部５８は、第１実施形態の波形合成部３８と同様に、出力処理部５６がフレーム毎に生成するスペクトルＹ(f,τ)から時間領域の音響信号ｙ(t)を生成する。音響信号ｙ(t)は、例えば放音装置（図示略）に供給されて音波として再生される。
【００７７】
以上に説明した第４実施形態においても第１実施形態と同様の効果が実現される。また、第４実施形態では、雑音抑圧処理毎（単位処理部Ｕ[q]毎）に独立成分分析で推定雑音成分ｚd[q](f,τ)が推定されるから、音響信号ｘd(t)の途中の時点で雑音成分の特性が変動した場合でも高精度な雑音抑圧を実現できるという利点がある。また、ＤチャネルのスペクトルＹ1(f,τ)〜ＹD(f,τ)が出力処理部５６にて加算されるから、各スペクトルＹd(f,τ)にミュージカルノイズが仮に発生した場合でも音響信号ｙ(t)では知覚され難くすることが可能である。
【００７８】
図１０から図１２は雑音抑圧の評価結果を示すグラフである。第４実施形態での雑音抑圧の評価結果と公知のBSSA（Blind Spacial Subtraction Array）を利用した雑音抑圧（以下「対比例４」という）の評価結果とが対比的に図示されている。図１０は、雑音抑圧の前後の尖度比κを示すグラフであり、図１１は、雑音抑圧後の音響信号ｙ(t)のケプストラム歪ｄを示すグラフである。図１０および図１１では、所定の音声にインパルス応答を畳込んだ音響を目的音成分とし、駅構内で収録された雑音成分（駅雑音）および人混みで収録された雑音成分（人混音）を目的音成分に付加した各場合について尖度比κおよびケプストラム歪ｄが図示されている。また、図１２は、雑音抑圧後の音響信号ｙ(t)の音質の主観評価の結果である。具体的には、第４実施形態による雑音抑圧の結果が高音質であると評価した被験者と対比例４の結果が高音質であると評価した被験者との比率が図１２では図示されている。
【００７９】
図１０に示すように、第４実施形態では、雑音抑圧の前後にわたる尖度比κが対比例４と比較して１に近い数値に低減されるから、ミュージカルノイズを有効に抑制できることが理解される。他方、第４実施形態の処理後の音響信号ｙ(t)のスペクトル歪ｄは対比例４と比較して大きいという傾向が図１１から把握される。しかし、図１２の主観評価によれば、第４実施形態による処理後の音響信号ｙ(t)のほうが対比例４と比較して高音質であると９０％程度の被験者が評価している。すなわち、第４実施形態によれば、受聴者が知覚する音質を高い水準に維持しながら雑音抑圧を実現できるという効果が実現される。
【００８０】
＜変形例＞
以上の各形態は多様に変形される。具体的な変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された２以上の態様は適宜に併合され得る。
【００８１】
（１）前述の各形態の減算処理では、第(i-1)回目の雑音抑圧後のパワースペクトル|Ｙi-1(f,τ)|2から推定雑音成分ｎ(t)のパワースペクトル|Ｎi-1(f,τ)|2を減算したが、以下の数式(2A')に示すように、減算処理における振幅スペクトル|Ｙi-1(f,τ)|および振幅スペクトル|Ｎi-1(f,τ)|の冪指数は任意の正数Ｋとして一般化され得る。減算処理における冪指数Ｋの一般化については、例えば井上等，“一般化スペクトル減算法におけるミュージカルノイズ発生量の数理解析，日本音響学会講演論文集，3-5-4，ｐ.759−762，2010年３月（以下「非特許文献２」という）にも詳述されている。
【数３２】
【００８２】
非特許文献２によれば、冪指数Ｋを小さい数値に設定したほうが聴感的に自然な音響信号ｙ(t)を生成できる。したがって、理想的には、演算処理装置２２の演算処理の範囲内（例えば、演算処理装置２２が演算可能な浮動小数点数のもとでアンダーフローを回避して有意な数値が得られる限度内）で最小の数値に冪指数Ｋは設定される。具体的には、冪指数Ｋを１以下の数値（更に好適には０.５を下回る数値）に設定することが可能である。
【００８３】
（２）雑音抑圧処理の具体的な内容は前述の数式(2A)（または数式(2A')）および数式(2B)に限定されない。例えば、以下の数式(32A)および数式(32B)で表現されるウィーナフィルタを１回の雑音抑圧処理にて周波数ｆ毎に択一的に実行することも可能である。
【数３３】
【００８４】
数式(32A)および数式(32B)の雑音抑圧処理の実行後のｍ次モーメントμmは、例えばT. Inoue, et al., "Theoretical analysis of musical noise in Wiener filtering family via higher-order statistics", Proc. ICASSP2011, p.5076-5079, 2011に開示される通り、以下の数式(33)で表現される。数式(33)の関数ＭWF(α,β,η,m)は、数式(34)で定義される。
【数３４】
したがって、前述の数式(24)および数式(26)と同様に、第１条件および第２条件の双方を満たす（すなわち理論的にはミュージカルノイズを発生させない）フロアリング係数ηを算定することが可能である。
【００８５】
（３）第４実施形態では、各単位処理部Ｕ[q]の雑音推定部６２がチャネル毎に推定雑音成分ｚ1[q](f,τ)〜ｚD[q](f,τ)を生成したが、Ｄチャネルについて共通の推定雑音成分を雑音推定部６２が独立成分分析で生成することも可能である。雑音抑圧部６６は、Ｄチャネルの各々のスペクトルＸ1[q-1](f,τ)〜ＸD[q-1](f,τ)（観測ベクトルＶ[q-1](f,τ)）から共通の推定雑音成分を抑圧する雑音抑圧処理を実行する。
【００８６】
（４）前述の各形態では、第１係数設定部４４が数式(24)の演算でフロアリング係数ηを算定したが、形状母数α0や抑圧係数βの各数値にフロアリング係数ηを対応付けた係数テーブルを参照することで第１係数設定部４４がフロアリング係数ηを設定する構成も採用され得る。フロアリング係数ηの設定用の係数テーブルでは、数式(24)の関係（第１条件）が成立するように、形状母数α0および抑圧係数βの組合せとフロアリング係数ηとが対応付けられる。以上の説明から理解されるように、第１係数設定部４４は、第１条件を規定する関係式を満たすように形状母数α0に応じてフロアリング係数ηを可変に設定する要素として包括され、フロアリング係数ηを実際の演算で算定するか係数テーブルから取得するかは不問である。
【００８７】
（５）前述の各形態では雑音抑圧部３６が反復型の雑音抑圧を実行したが、音響信号ｘ(t)の各フレームについて雑音抑圧部３６が雑音抑圧処理を１回だけ実行する構成にも本発明は適用される。すなわち、雑音抑圧処理の反復は本発明において必須ではない。雑音抑圧処理を各フレームにつき１回だけ実行する構成でも、第１条件および第２条件を満たすようにフロアリング係数ηを設定することで、フロアリング係数ηを所定値に固定した構成と比較すれば、ミュージカルノイズの発生を抑制しながら音響信号ｘ(t)の雑音成分を抑圧できるという所期の効果は実現される。
【００８８】
（６）第２実施形態の第２係数設定部４６と第３実施形態の反復回数設定部４８との双方を具備する構成も採用され得る。反復回数設定部４８は、反復回数Ｑの複数の候補値ｑの各々について、第１係数設定部４４が設定したフロアリング係数ηと第２係数設定部４６が設定した抑圧係数βとを適用した雑音抑圧処理をその回数ｑだけ反復した場合の雑音抑圧率Ｒ(αq,β,η)を数式(27)の演算で算定し、雑音抑圧率Ｒ(αq,β,η)が目標値Ｒtarを上回る最小の候補値ｑを反復回数Ｑとして確定する。
【００８９】
（７）第２実施形態では、形状母数α0およびフロアリング係数ηの双方に応じて抑圧係数βを設定したが、抑圧係数βを制御する方法は以上の例示に限定されない。例えば、形状母数α0に応じて抑圧係数β（フロアリング係数ηには依存しない数値）を設定することも可能である。
【００９０】
（８）前述の各形態では、音響信号ｘ(t)の強度分布を近似する確率密度関数Ｐ(x)の形状母数α0を推定雑音成分ｎ(t)の特性の指標（雑音特性値）として例示したが、雑音特性値は形状母数α0に限定されない。例えば、音響信号ｘ(t)の強度分布から直接に算定される統計量（例えば尖度等の高次統計量）や、音響信号ｘ(t)の振幅|Ｘ(f,τ)|の度数分布に応じた統計量（例えば振幅|Ｘ(f,τ)|の度数分布を近似する確率密度関数の形状母数）を雑音特性値として利用することも可能である。すなわち、雑音特性値は、音響信号ｘ(t)の特性（特に推定雑音成分ｎ(t)の特性）に応じて変化する数値（典型的には強度分布の形状に応じた数値）として包括される。
【００９１】
（９）前述の各形態では、雑音抑圧部３６を具備する雑音抑圧装置１００（１００A，１００B，１００C）を例示したが、雑音抑圧に適用される変数（例えばフロアリング係数η，抑圧係数β，反復回数Ｑ）を可変に設定する装置（以下「雑音抑圧用係数設定装置」という）としても本発明は実現され得る。雑音抑圧用係数設定装置に雑音抑圧部３６や雑音推定部３４を追加することで雑音抑圧装置１００が実現される。例えば第１実施形態に対応する雑音抑圧用係数設定装置は、前述の各形態における特性値算定部４２および第１係数設定部４４を含んで構成される。また、第４実施形態の雑音抑圧用係数設定部６４は、本発明の各態様に係る雑音抑圧用係数設定装置に相当する。雑音抑圧用係数設定装置には、第２実施形態の第２係数設定部４６や第３実施形態の反復回数設定部４８が適宜に追加され得る。
【符号の説明】
【００９２】
１００A，１００B，１００C、１００D……雑音抑圧装置、１２……信号供給装置、１４……放音装置、２２……演算処理装置、２４……記憶装置、３２，５２……周波数分析部、３４，６２……雑音推定部、３６，６６……雑音抑圧部、３８，５８……波形合成部、４２……特性値算定部、４４……第１係数設定部、４６……第２係数設定部、４８……反復回数設定部、５０……収音部、５１……収音機器、５４……信号処理部、Ｕ[q]（Ｕ[1]〜Ｕ[Q]）……単位処理部、５６……出力処理部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響信号から雑音成分を抑圧する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
周波数領域で音響信号から雑音成分を抑圧する雑音抑圧技術では、雑音抑圧処理に起因して発生する耳障りなミュージカルノイズの発生が問題となる。特許文献１には、音響信号の強度分布の尖度に応じた雑音指標値をミュージカルノイズの発生度合の指標として算定し、雑音抑圧処理に適用される抑圧係数やフロアリング係数を雑音指標値に応じて可変に設定する技術が開示されている。また、非特許文献１には、雑音抑圧処理の前後にわたる音響信号の強度分布の尖度比や雑音抑圧処理による雑音抑圧率を定式化し得ることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−０２００１２号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】T. Inoue, et al., "Theoretical analysis of iterative weak spectral subtraction via higher-order statistics", Proc. MLSP2010, p.220-225, 2010
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１や非特許文献１の技術のもとでも、実際にはミュージカルノイズの発生を有効に抑制し得る最適な係数を選定することは必ずしも容易ではなかった。以上の事情を考慮して、本発明は、ミュージカルノイズの発生を有効に抑制し得る雑音抑圧の実現を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の雑音抑圧用係数設定装置は、入力音響信号（例えば音響信号ｘ(t)）の強度分布の形状に応じた雑音特性値を算定する特性値算定手段と、音響信号の強度分布の尖度が雑音抑圧処理の前後で変化しない場合における当該音響信号の雑音特性値（例えば形状母数α0）と雑音抑圧処理のフロアリング処理に適用されるフロアリング係数（例えばフロアリング係数η）との関係を規定する関係式（例えば数式(24)）を満たすように、特性値算定手段が算定した雑音特性値に応じてフロアリング係数を可変に設定する第１係数設定手段とを具備する。
【０００７】
以上の構成では、雑音抑圧処理の前後で強度分布の尖度が変化しないという条件（第１条件）を満たすようにフロアリング係数が雑音特性値に応じて可変に設定される。したがって、ミュージカルノイズの発生を有効に抑制（理想的には完全に防止）しながら雑音成分を抑圧することが可能である。
【０００８】
本発明の好適な態様において、第１係数設定手段は、雑音抑圧処理による雑音抑圧率が正数となるようにフロアリング係数を設定する。以上の態様では、雑音抑圧率が正数であるという条件（第２条件）を満たすようにフロアリング係数が設定される。例えば、雑音特性値とフロアリング係数との関係式を満たす複数のフロアリング係数から雑音抑圧率が正数となるフロアリング係数が選択される。したがって、雑音抑圧を有効に実現し得る有意なフロアリング係数を雑音抑圧処理に適用することが可能である。
【０００９】
本発明の好適な態様の雑音抑圧用係数設定装置は、雑音抑圧強度を制御するための抑圧係数（例えば抑圧係数β）を、特性値算定手段が算定した雑音特性値に応じて可変に設定する第２係数設定手段を具備する。例えば、雑音抑圧処理による雑音抑圧率が最大となる抑圧係数や雑音抑圧率が目標値を上回る抑圧係数が設定される。以上の態様では、雑音抑圧処理（減算処理）に適用されて雑音抑圧強度を制御する抑圧係数が、入力音響信号の雑音特性値に応じて可変に設定されるから、抑圧係数を所定値に固定した構成と比較して適切な雑音抑圧が実現される。なお、以上の態様の具体例は例えば第２実施形態として後述される。
【００１０】
本発明の好適な態様の雑音抑圧用係数設定装置は、各雑音抑圧処理による雑音抑圧率の累算値が目標値を上回るように、特性値算定手段が算定した雑音特性値と第１係数設定手段が設定したフロアリング係数とに応じて雑音抑圧処理の反復回数（例えば反復回数Ｑ）を可変に設定する反復回数設定手段を具備する。以上の態様では、雑音抑圧率の累算値が目標値を上回るように雑音抑圧処理の反復回数が可変に設定されるから、反復回数を所定値に固定した構成と比較して雑音抑圧処理の過不足を抑制することが可能である。なお、以上の態様の具体例は例えば第３実施形態として後述される。また、雑音抑圧処理は入力音響信号に対して累積的に反復される。雑音抑圧処理の累積的な反復とは、音響信号の一の区間に対して雑音抑圧処理を反復する（すなわち、各雑音抑圧処理の実行後の音響信号を次回の雑音抑圧処理の対象とする）ことを意味する。
【００１１】
本発明は、以上の各態様に係る雑音抑圧用係数設定装置を具備する雑音抑圧装置としても実現される。本発明の第１態様に係る雑音抑圧装置は、以上の各態様に係る雑音抑圧用係数設定装置と、雑音抑圧用係数設定装置が設定した係数を適用した雑音抑圧処理を入力音響信号に対して実行する雑音抑圧手段とを具備する。雑音抑圧手段は、例えば、第１係数設定手段が設定したフロアリング係数を適用したフロアリング処理を含む雑音抑圧処理を入力音響信号に対して実行する要素や、第１係数設定手段が設定したフロアリング係数と第２係数設定手段が設定した抑圧係数とを適用した雑音抑圧処理を入力音響信号に対して実行する要素や、反復回数設定手段が設定した反復回数にわたり雑音抑圧処理を入力音響信号に対して累積的に反復する要素である。以上の雑音抑圧装置によれば、本発明の雑音抑圧用係数設定装置について前述した作用および効果が実現される。
【００１２】
本発明の第２態様に係る雑音抑圧装置は、相互に離間して配置された収音機器が生成するＤ（Ｄは２以上の自然数）チャネルの音響信号を順次に処理するＱ段の単位処理手段と、
Ｑ段のうち最終段の単位処理手段による処理後のＤチャネルの音響信号の遅延加算で特定の音源方向の目的音成分を強調する出力処理手段とを具備し、Ｑ段の単位処理手段の各々は、当該単位処理手段に供給されるＤチャネルの音響信号に対する独立成分分析で推定雑音成分を生成する雑音推定手段と、推定雑音成分の雑音特性値に応じたフロアリング係数をチャネル毎に可変に設定する前述の各態様の雑音抑圧用係数設定装置と、雑音抑圧用係数設定装置がチャネル毎に設定したフロアリング係数を適用した雑音抑圧処理を当該チャネルの音響信号に実行して出力する雑音抑圧手段とを含む。第２態様においても第１態様の雑音抑圧装置と同様の効果が実現される。また、雑音成分の特性が経時的に変動する場合でも高精度な雑音抑圧を実現できるという利点もある。なお、第２態様の雑音抑圧装置は、例えば第４実施形態として後述される。
【００１３】
以上の各態様に係る雑音抑圧用係数設定装置は、雑音成分の抑圧に専用されるＤＳＰ（Digital Signal Processor）などのハードウェア（電子回路）によって実現されるほか、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの汎用の演算処理装置とプログラム（ソフトウェア）との協働によっても実現される。本発明のプログラムは、入力音響信号の強度分布の形状に応じた雑音特性値を算定する特性値算定処理と、音響信号の強度分布の尖度が雑音抑圧処理の前後で変化しない場合における当該音響信号の雑音特性値と雑音抑圧処理のフロアリング処理に適用されるフロアリング係数との関係を規定する関係式を満たすように、特性値算定処理で算定した雑音特性値に応じてフロアリング係数を可変に設定する第１係数設定処理とをコンピュータに実行させる。以上のプログラムによれば、本発明の雑音抑圧用係数設定装置と同様の作用および効果が実現される。本発明のプログラムは、コンピュータが読取可能な記録媒体に格納された形態で提供されてコンピュータにインストールされるほか、通信網を介した配信の形態で提供されてコンピュータにインストールされる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態に係る雑音抑圧装置のブロック図である。
【図２】雑音抑圧率と尖度比との関係を示すグラフである。
【図３】実施形態の効果を示すグラフである。
【図４】実施形態の効果を示すグラフである。
【図５】第２実施形態に係る雑音抑圧装置のブロック図である。
【図６】係数テーブルの模式図である。
【図７】第３実施形態に係る雑音抑圧装置のブロック図である。
【図８】第４実施形態に係る雑音抑圧装置のブロック図である。
【図９】単位処理部のブロック図である。
【図１０】第４実施形態の効果を示すグラフである。
【図１１】第４実施形態の効果を示すグラフである。
【図１２】第４実施形態の効果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る雑音抑圧装置１００Aのブロック図である。雑音抑圧装置１００Aには、信号供給装置１２と放音装置１４とが接続される。信号供給装置１２は、音響信号ｘ(t)を雑音抑圧装置１００Aに供給する。音響信号ｘ(t)は、目的音成分（例えば音声や楽音等の音響）と雑音成分（空調設備の動作音や雑踏音等の環境音）との混合音の波形を表す時間領域の信号である（ｔ：時間）。周囲の音響を収音して音響信号ｘ(t)を生成する収音機器や、可搬型または内蔵型の記録媒体から音響信号ｘ(t)を取得して雑音抑圧装置１００Aに供給する再生装置や、通信網から音響信号ｘ(t)を受信して雑音抑圧装置１００Aに供給する通信装置が信号供給装置１２として採用され得る。
【００１６】
雑音抑圧装置１００Aは、信号供給装置１２が供給する音響信号ｘ(t)から音響信号ｙ(t)を生成する音響処理装置である。音響信号ｙ(t)は、音響信号ｘ(t)から雑音成分を抑圧した音響（目的音成分を強調した音響）の波形を表す時間領域の信号である。放音装置１４（例えばスピーカやヘッドホン）は、雑音抑圧装置１００Aが生成した音響信号ｙ(t)に応じた音波を再生する。なお、音響信号ｙ(t)をデジタルからアナログに変換するＤ/Ａ変換器の図示は便宜的に省略されている。
【００１７】
図１に示すように、雑音抑圧装置１００Aは、演算処理装置２２と記憶装置２４とを具備するコンピュータシステムで実現される。記憶装置２４は、演算処理装置２２が実行するプログラムＰGMや演算処理装置２２が使用する各種のデータを記憶する。半導体記録媒体や磁気記録媒体などの公知の記録媒体や複数種の記録媒体の組合せが記憶装置２４として任意に採用され得る。音響信号ｘ(t)を記憶装置２４に記憶した構成（したがって信号供給装置１２は省略される）も好適である。
【００１８】
演算処理装置２２は、記憶装置２４に格納されたプログラムＰGMを実行することで、音響信号ｘ(t)から音響信号ｙ(t)を生成するための複数の機能（周波数分析部３２，雑音推定部３４，雑音抑圧部３６，波形合成部３８，特性値算定部４２，第１係数設定部４４）を実現する。なお、演算処理装置２２の各機能を複数の集積回路に分散した構成や、専用の電子回路（DSP）が各機能を実現する構成も採用され得る。
【００１９】
周波数分析部３２は、音響信号ｘ(t)のスペクトル（複素スペクトル）Ｘ(f,τ)を時間軸上のフレーム毎に順次に生成する。スペクトルＸ(f,τ)の生成には、短時間フーリエ変換等の公知の周波数分析が任意に採用され得る。記号τはフレームを指定する変数であり、記号ｆは周波数を指定する変数である。なお、通過帯域が相違する複数の帯域通過フィルタで構成されるフィルタバンクも周波数分析部３２として採用され得る。
【００２０】
雑音推定部３４は、音響信号ｘ(t)に含まれると推定される雑音成分（以下「推定雑音成分」という）ｎ(t)のスペクトル（複素スペクトル）Ｎ(f,τ)を生成する。推定雑音成分ｎ(t)のスペクトルＮ(f,τ)の生成には公知の技術が任意に採用され得る。例えば、雑音推定部３４は、目的音成分が存在する目的音区間と目的音成分が存在しない雑音区間とに音響信号ｘ(t)を時間軸上で区分し、雑音区間内の各フレームのスペクトルＸ(f,τ)を推定雑音成分ｎ(t)のスペクトルＮ(f,τ)として特定する。目的音区間と雑音区間との区分には公知の音声検出技術（VAD：Voice Activity Detection）が任意に採用される。
【００２１】
雑音抑圧部３６は、目的音区間および雑音区間の各フレームの音響信号ｘ(t)のスペクトルＸ(f,τ)に対する反復型の雑音抑圧で音響信号ｙ(t)のスペクトル（複素スペクトル）Ｙ(f,τ)をフレーム毎に順次に生成する。反復型の雑音抑圧は、音響信号ｘ(t)のスペクトルＸ(f,τ)に対する雑音抑圧処理を所定の反復回数Ｑ（Ｑは自然数）にわたり累積的に反復する信号処理である。雑音抑圧部３６が生成するスペクトルＹ(f,τ)は、以下の数式(1)で表現される。
【数１】
数式(1)の記号ｊは虚数単位を意味し、記号θx(f,τ)は音響信号ｘ(t)の位相スペクトルを意味する。また、数式(1)の記号|ＹQ(f,τ)|は、音響信号ｘ(t)のスペクトルＸ(f,τ)に対して反復回数Ｑの雑音抑圧処理を実行した時点の振幅スペクトルである。各回の雑音抑圧処理では、数式(2A)で表現される減算処理と数式(2B)で表現されるフロアリング処理とが周波数ｆ毎に択一的に実行される。
【数２】
【００２２】
数式(2A)および数式(2B)の振幅スペクトル|Ｙi(f,τ)|は、第ｉ回目の雑音抑圧処理が完了した時点での振幅スペクトルを意味する。音響信号ｘ(t)の振幅スペクトル|Ｘ(f,τ)|が振幅スペクトル|Ｙi(f,τ)|の初期値|Ｙ0(f,τ)|として第１回目の雑音抑圧処理（振幅スペクトル|Ｙ1(f,τ)|の生成）に適用される。数式(2A)の記号Ｅτ[|Ｎi-1(f,τ)|2]は、複数のフレームにわたる推定雑音成分ｎ(t)のパワー|Ｎi-1(f,τ)|2の時間平均を意味する。なお、振幅スペクトル|Ｙi(f,τ)|の算定（数式(2A)）には、雑音区間について第(i-1)回目の雑音抑圧処理で算定された振幅スペクトル|Ｙi-1(f,τ)|が推定雑音成分ｎ(t)の振幅スペクトル|Ｎi-1(f,τ)|として適用される。すなわち、推定雑音成分ｎ(t)は雑音抑圧処理毎に更新される。
【００２３】
数式(2A)から理解されるように、減算処理は、推定雑音成分ｎ(t)のパワースペクトル|Ｎi-1(f,τ)|2の時間平均（すなわち推定雑音）と抑圧係数βとの乗算値を、直前（第(i-1)回目）の雑音抑圧処理後のパワースペクトル|Ｙi-1(f,τ)|2から減算して振幅スペクトル|Ｙi(f,τ)|を算定する処理である。したがって、抑圧係数（減算係数）βは、雑音成分の抑圧強度を制御するための変数として機能する。第１実施形態では、抑圧係数βは所定値（例えば２または４）に固定される。
【００２４】
他方、数式(2A)の減算後の数値が負数となる場合に実行される数式(2B)のフロアリング処理は、直前（第(i-1)回目）の雑音抑圧処理後の振幅スペクトル|Ｙi-1(f,τ)|とフロアリング係数ηとを乗算することで振幅スペクトル|Ｙi(f,τ)|を算定する処理である。すなわち、フロアリング係数ηは、振幅スペクトル|Ｙi(f,τ)|の下限値を規定する変数として機能する。数式(1)で説明したように、第Ｑ回目の雑音抑圧処理の完了後の振幅スペクトル|ＹQ(f,τ)|に音響信号ｘ(t)の位相スペクトルθx(f,τ)を付加したスペクトルＹ[f,t]がフレーム毎に波形合成部３８に供給される。
【００２５】
図１の波形合成部３８は、雑音抑圧部３６がフレーム毎に生成するスペクトルＹ(f,τ)から時間領域の音響信号ｙ(t)を生成する。具体的には、波形合成部３８は、各フレームのスペクトルＹ(f,τ)を逆フーリエ変換で時間領域の信号に変換するとともに前後のフレームを相互に連結することで音響信号ｙ(t)を生成する。波形合成部３８が生成した音響信号ｙ(t)が放音装置１４に供給されて音波として再生される。
【００２６】
図１の特性値算定部４２は、音響信号ｘ(t)内の雑音成分（推定雑音成分ｎ(t)）の特性に応じた形状母数（shape parameter）α0を音響信号ｘ(t)から算定する。形状母数α0は、雑音区間内の複数のフレームにわたる音響信号ｘ(t)のパワー|Ｘ(f,τ)|2（すなわち推定雑音成分ｎ(t)のパワー|Ｎ(f,τ)|2）の度数分布（以下「強度分布」という）の形状に応じて変化する変数である。第１実施形態の特性値算定部４２は、音響信号ｘ(t)の強度分布を近似する確率分布の形状母数α0を算定する。確率分布の典型例はガウス分布である。音響信号ｘ(t)のパワーｘ（ｘ＝|Ｘ(f,τ)|2）を確率変数として音響信号ｘ(t)の強度分布を近似するガンマ分布の確率密度関数Ｐ(x)は以下の数式(3)で表現される。
【数３】
【００２７】
数式(3)の形状母数αは以下の数式(4A)および数式(4B)で定義され、数式(3)の尺度母数（scaling parameter）θは以下の数式(5)で定義される。また、数式(3)の記号Γ(α)は、以下の数式(6)で定義されるガンマ関数を意味する。なお、記号Ｅ[ ]は平均値（期待値）を意味する。図１の特性値算定部４２は、雑音区間内の音響信号ｘ(t)のパワー|Ｘ(f,τ)|2を数式(4B)の確率変数ｘに適用して数式(4A)で算定される形状母数αを、最初の雑音抑圧処理の実行前の音響信号ｘ(t)の形状母数α0として算定する。
【数４】
【数５】
【数６】
【００２８】
図１の第１係数設定部４４は、雑音抑圧部３６が数式(2B)のフロアリング処理に適用するフロアリング係数ηを、特性値算定部４２が算定した形状母数α0に応じて可変に設定する。具体的には、雑音抑圧処理に起因した音響信号ｙ(t)のミュージカルノイズが最小化され、かつ、雑音抑圧処理により雑音成分が確かに抑圧されるように、フロアリング係数ηは算定される。
【００２９】
フロアリング係数ηが満たすべき条件を特定するために、１回の雑音抑圧処理に便宜的に着目して、ミュージカルノイズの発生の度合と雑音成分の抑圧の度合との関係を検討する。まず、雑音抑圧処理に起因したミュージカルノイズが非ガウス性の雑音であることを考慮し、強度分布（確率密度関数）のガウス性の指標となる尖度（kurtosis）を、雑音抑圧処理に起因したミュージカルノイズの発生量の定量的な指標として利用する。具体的には、雑音抑圧処理の前後にわたる尖度の変化が大きいほどミュージカルノイズが顕在化するという傾向を考慮して、雑音抑圧処理の実行前の尖度ＫAに対する実行後の尖度ＫBの相対比（以下「尖度比」という）κをミュージカルノイズの発生量の指標として利用する（κ＝ＫB／ＫA）。尖度比κが大きいほどミュージカルノイズが多く、尖度比κが１である場合（雑音抑圧処理の実行の前後で尖度が変化しない場合）にはミュージカルノイズは発生していないと評価できる。なお、尖度（尖度比κ）とミュージカルノイズとの相関については特許文献１にも詳述されている。
【００３０】
確率密度関数Ｐ(x)の尖度Ｋは以下の数式(7)で表現される。
【数７】
数式(7)の記号μm（μ2，μ4）は、確率密度関数Ｐ(x)の原点回りのｍ次モーメントを意味し、以下の数式(8)で定義される。
【数８】
【００３１】
非特許文献１の記載から理解されるように、雑音抑圧処理後のｍ次モーメントμmは以下の数式(9)で表現される。数式(9)の関数Ｍ(α,β,η,m)は、数式(10)で定義される。
【数９】
【数１０】
【００３２】
数式(10)の記号Γ(b,a)は、以下の数式(11)で定義される第１種不完全ガンマ関数であり、数式(10)の記号γ(b,a)は、以下の数式(12)で定義される第２種不完全ガンマ関数である。
【数１１】
【数１２】
【００３３】
数式(7)および数式(9)から、雑音抑圧処理の実行後の尖度Ｋを示す以下の数式(13)が導出される。また、雑音抑圧処理の実行前の尖度Ｋは、数式(13)において抑圧係数βおよびフロアリング係数ηを０とした以下の数式(14)で表現される。
【数１３】
【数１４】
したがって、雑音抑圧処理の前後にわたる尖度比κは、以下の数式(15)で表現される。
【数１５】
【００３４】
他方、雑音抑圧処理による雑音成分の抑圧度合の指標値として雑音抑圧率（Noise Reduction Rate）Ｒを導入する。非特許文献１から理解されるように、雑音抑圧率Ｒは、音響信号ｘ(t)の強度分布の形状母数αと数式(10)の関数Ｍ(α,β,η,m)とを含む以下の数式(16)で表現される。数式(16)の雑音抑圧率Ｒは、雑音抑圧処理の実行後のＳＮ（Signal to Noise）比と雑音抑圧処理の実行前のＳＮ比との差分（デシベル値）を意味し、１回の雑音抑圧処理における雑音成分の抑圧量の指標として機能する。
【数１６】
【００３５】
図２は、数式(15)の尖度比κ（縦軸）と数式(16)の雑音抑圧率Ｒ（横軸）との関係を示すグラフである。図２では、雑音成分の形状母数αが１.０（白色ガウス雑音）である場合を想定し、フロアリング係数ηを０.０に設定した場合（破線）と１.０に設定した場合（実線）との各々について抑圧係数βを変化させたときの尖度比κと雑音抑圧率Ｒとの相関が図示されている。図２の矢印は、抑圧係数βが増加する方向を意味する。
【００３６】
フロアリング係数ηを０.０に設定した場合、抑圧係数βの増加とともに尖度比κおよび雑音抑圧率Ｒの双方が単調に増加する。したがって、雑音抑圧の効果が増加する一方でミュージカルノイズが増大する。他方、フロアリング係数ηを１.０に設定した場合、尖度比κと雑音抑圧率Ｒとの関係は、抑圧係数βの変化に対してヒステリシスループを描き、雑音抑圧率Ｒが０となる地点（雑音成分が抑圧されない場合）以外で尖度比κが１となる特定点ｐが存在する。尖度比κが１に維持される（すなわち雑音抑圧処理の前後で尖度Ｋが変化しない）ということは、雑音抑圧処理の前後で論理的にはミュージカルノイズが発生しないことを意味する。すなわち、ミュージカルノイズを発生させることなく雑音成分を有効に抑制できる抑圧係数βとフロアリング係数ηとの組合せが存在するという事実が図２から確認できる。抑圧係数βを所定値に固定した場合を想定すると、フロアリング係数ηを適切な数値に設定することで、ミュージカルノイズを発生させることなく雑音成分を抑圧することが可能である。
【００３７】
以上の知見を踏まえて、ミュージカルノイズを発生させないための第１条件と、雑音成分を抑圧するための第２条件との双方を成立させることを検討する。第１条件は、雑音抑圧処理の前後で尖度Ｋが変化しないという条件であり、第２条件は、雑音抑圧処理による雑音抑圧率Ｒが正数であるという条件である。第１条件および第２条件の各々について以下に詳述する。
【００３８】
［第１条件］
第ｉ回目（ｉ＝０,１,２,……）の雑音抑圧処理の実行後の尖度Ｋ(αi,β,η)の強度分布の形状母数αを第(i+1)回目の雑音抑圧処理の対象となる強度分布の形状母数αi+1とする場合、尖度Ｋ(αi,β,η)と形状母数αi+1との間には以下の数式(17)が成立する。数式(17)の導出については非特許文献１に詳述されている。
【数１７】
【００３９】
最初（ｉ＝０）の雑音抑圧処理の実行前の強度分布（すなわち音響信号ｘ(t)の強度分布）の尖度Ｋ（α0,０,０）は、以下の数式(18)で表現される。
【数１８】
【００４０】
第１条件が成立する場合、以下の数式(19)で表現されるように、任意の時点の尖度Ｋ(αi,β,η)が雑音抑圧処理前の尖度Ｋ(α0,０,０)と同等となる。
【数１９】
【００４１】
数式(10)の関数Ｍ(α,β,η,ｍ)を、以下の数式(20)に示すように、フロアリング係数ηを含まない関数Ｓ(α,β,ｍ)および関数Ｆ(α,β,ｍ)で便宜的に簡略化すると、最初の雑音抑圧処理の直後の尖度Ｋ(α0,β,η)は数式(21)で表現される。
【数２０】
【数２１】
【００４２】
数式(19)と数式(21)とから、第１条件を表現する以下の数式(22)が導出される。
【数２２】
フロアリング係数ηの４乗を変数Ｈで置換すると、数式(22)は以下の数式(23)に変形される。
【数２３】
【００４３】
数式(23)を変数Ｈについて整理することで、第１条件を満たすフロアリング係数η（η＝Ｈ1/4）を規定する以下の数式(24)が導出される。
【数２４】
第１実施形態では抑圧係数βは所定値に固定される。したがって、数式(24)は、音響信号ｘ(t)の強度分布の尖度が雑音抑圧処理（１回の雑音抑圧処理およびＱ回にわたる雑音抑圧処理の反復）の前後で変化しない場合における形状母数αとフロアリング係数ηとの関係を規定する関係式として利用可能である。
【００４４】
［第２条件］
第２条件は、１回の雑音抑圧処理での雑音成分の抑圧量を意味する数式(16)の雑音抑圧率Ｒが正数であるという条件である。したがって、前述の関数Ｓ(α,β,ｍ)および関数Ｆ(α,β,ｍ)を利用することで、第２条件を表現する数式(25)が導出される。
【数２５】
【００４５】
フロアリング係数ηが正数であることを加味すると、第２条件を満たすフロアリング係数ηの範囲を規定する以下の数式(26)が導出される。
【数２６】
【００４６】
図１の第１係数設定部４４は、数式(24)および数式(26)を満たすように、特性値算定部４２が算定した形状母数α0に応じたフロアリング係数ηを算定する。具体的には、第１係数設定部４４は、形状母数α0について数式(24)の演算を実行することで変数Ｈを算定するとともに変数Ｈの４乗根をフロアリング係数η（η＝Ｈ1/4）として算定する。数式(24)からは複数のフロアリング係数ηが算定される。第１係数設定部４４は、複数のフロアリング係数ηのうち数式(26)を満たす１個のフロアリング係数ηを選択する。第１係数設定部４４が設定したフロアリング係数ηが雑音抑圧部３６による雑音抑圧処理（数式(2B)のフロアリング処理）に適用される。
【００４７】
以上に説明したように第１実施形態では、雑音抑圧処理の前後で尖度Ｋが変化しないという第１条件（数式(24)）を満たすようにフロアリング係数ηが推定雑音成分ｎ(t)の形状母数α0に応じて可変に設定される。したがって、以下に詳述するように、ミュージカルノイズの発生を有効に抑制（理想的には完全に防止）しながら音響信号ｘ(t)の雑音成分を抑圧することが可能である。
【００４８】
図３は、雑音抑圧処理の前後の尖度比κを示すグラフであり、図４は、雑音抑圧処理の実行後の音響信号ｙ(t)のケプストラム歪ｄを示すグラフである。ケプストラム歪ｄは、目的音成分のケプストラムと雑音抑圧処理後の音響信号ｙ(t)のケプストラムとの誤差を示す指標値である。すなわち、ケプストラム歪ｄが小さいほど雑音抑圧性能が高い（すなわち目的音成分のスペクトル包絡が忠実に再現される）と評価できる。
【００４９】
図３および図４では、フロアリング係数ηを所定値に固定して１回だけ雑音抑圧処理を実行した場合（対比例１／One-Shot SS）と、ウィーナフィルタを適用した雑音抑圧処理を実行した場合（対比例２／Wiener filtering）と、MMSE-STSA（Minimum Mean-Square Error - Short-Time Spectral Amplitude）を利用した雑音抑圧処理を実行した場合（対比例３／MMSE-STSA）と、第１実施形態とが対比的に併記されている。図３および図４では、白色ガウス雑音（α0＝０.９７）を音響信号ｘ(t)の雑音成分とした場合（White Gaussian Noise）と会話音（α0＝０.２１）を音響信号ｘ(t)の雑音成分とした場合とが想定されている。
【００５０】
図４から理解されるように、第１実施形態によれば、雑音成分が会話音である場合には対比例１から対比例３を上回る雑音抑圧性能が実現される。また、雑音成分が白色ガウス雑音である場合には、対比例１および対比例２を上回るとともに対比例３に匹敵する雑音抑圧性能が実現される。そして、図３から理解されるように、第１実施形態によれば、雑音成分が白色ガウス雑音および会話音の何れの場合でも、対比例１から対比例３と比較して、雑音抑圧の前後にわたる尖度比κは１に近い数値に低減される。すなわち、対比例１から対比例３の何れと比較した場合でも、第１実施形態によればミュージカルノイズを有効に低減できることが理解される。以上に説明したように、第１実施形態によれば、ミュージカルノイズを有効に低減しながら高度な雑音抑圧を実現することが可能である。
【００５１】
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態を以下に説明する。なお、以下に例示する各形態において作用や機能が第１実施形態と同等である要素については、第１実施形態の説明で参照した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。
【００５２】
図５は、第２実施形態に係る雑音抑圧装置１００Bのブロック図である。図５に示すように、第２実施形態の雑音抑圧装置１００Bは、第１実施形態の雑音抑圧装置１００Aに第２係数設定部４６を追加した構成である。第２係数設定部４６は、特性値算定部４２が算定した形状母数α0と第１係数設定部４４が設定したフロアリング係数ηとに応じて、各雑音抑圧処理の減算処理（数式(2A)）に適用される抑圧係数βを可変に設定する。抑圧係数βの設定には、記憶装置２４に事前に記憶された図６の係数テーブルＴBLが使用される。
【００５３】
図６の係数テーブルＴBLは、形状母数α0の各数値（α0_1，α0_2，……）とフロアリング係数ηの各数値（η_1，η_2，……）との組合せに対して抑圧係数βの数値（β11，β12，……）を対応させたデータテーブルである。形状母数α0およびフロアリング係数ηの組合せに対応する抑圧係数βの数値は、その形状母数α0およびフロアリング係数ηのもとで高い雑音抑圧性能が実現されるように事前に選定される。
【００５４】
数式(16)の雑音抑圧率Ｒは、雑音抑圧処理の前後のパワー比の対数値であるから、雑音抑圧処理毎に累算（加算）される。したがって、第(i+1)回目の雑音抑圧処理を実行した時点の雑音抑圧率Ｒ(αi+1,β,η)は以下の数式(27)で表現される。
【数２７】
係数テーブルＴBLのうち各形状母数α0とフロアリング係数ηとの組合せに対応する抑圧係数βは、その形状母数α0およびフロアリング係数ηのもとで反復回数Ｑにわたる雑音抑圧処理を実行した場合の数式(27)の雑音抑圧率Ｒ(αQ,β,η)に応じて設定される。具体的には、抑圧係数βは、雑音抑圧率Ｒ(αQ,β,η)が最大となる数値や雑音抑圧率Ｒ(αQ,β,η)が所定の目標値Ｒtarを上回る数値に設定される。目標値Ｒtarは、例えば入力装置（図示略）に対する利用者からの指示に応じて可変に設定される。
【００５５】
第２係数設定部４６は、特性値算定部４２が算定した形状母数α0と第１係数設定部４４が設定したフロアリング係数ηとの組合せに対応する抑圧係数βを係数テーブルＴBLから検索および取得して雑音抑圧部３６に指示する。雑音抑圧部３６は、第１係数設定部４４から指示されるフロアリング係数ηと第２係数設定部４６から指示される抑圧係数βとを適用した雑音抑圧処理を所定の反復回数Ｑにわたり反復することでスペクトルＹ(f,τ)を生成する。
【００５６】
第２実施形態においても第１実施形態と同様の効果が実現される。また、第２実施形態では、特性値算定部４２が算定した形状母数α0と第１係数設定部４４が設定したフロアリング係数ηとに応じて抑圧係数βが可変に設定されるから、抑圧係数βを所定値に固定した構成と比較して雑音抑圧性能（雑音抑圧率Ｒ）を向上することが可能である。
【００５７】
なお、以上の説明では係数テーブルＴBLから抑圧係数βを取得したが、抑圧係数βを設定する方法は適宜に変更される。例えば、第２係数設定部４６が、抑圧係数βの複数の候補値ｂの各々を形状母数α0およびフロアリング係数ηとともに数式(27)に適用して候補値ｂ毎に雑音抑圧率Ｒ(αQ,β,η)を算定し、雑音抑圧率Ｒ(αQ,β,η)が最大となる候補値ｂを抑圧係数βとして選択することも可能である。また、係数テーブルＴBLと数式(27)の演算とを併用する構成も採用され得る。例えば第２係数設定部４６は、形状母数α0およびフロアリング係数ηの組合せに対応する抑圧係数βを係数テーブルＴBLから取得し、その抑圧係数βを含む所定の範囲内の複数の候補値ｂの各々について数式(27)の演算で雑音抑圧率Ｒ(αQ,β,η)を算定する。そして、雑音抑圧率Ｒ(αQ,β,η)が最大となる候補値ｂを抑圧係数βとして選択する。
【００５８】
＜第３実施形態＞
図７は、第３実施形態に係る雑音抑圧装置１００Cのブロック図である。図７に示すように、第３実施形態の雑音抑圧装置１００Cは、第１実施形態の雑音抑圧装置１００Aに反復回数設定部４８を追加した構成である。反復回数設定部４８は、特性値算定部４２が算定した形状母数α0と第１係数設定部４４が設定したフロアリング係数ηとに応じて雑音抑圧部３６による雑音抑圧処理の反復回数Ｑを可変に設定する。
【００５９】
具体的には、反復回数設定部４８は、反復回数Ｑの複数の候補値ｑの各々について、特性値算定部４２が算定した形状母数α0と第１係数設定部４４が設定したフロアリング係数ηと所定の抑圧係数βとのもとでその候補値ｑの回数だけ雑音抑圧処理を反復した場合の雑音抑圧率Ｒ(αq,β,η)を数式(27)の演算で算定し、雑音抑圧率Ｒ(αq,β,η)が目標値Ｒtarを上回る最小の候補値ｑを反復回数Ｑとして確定する。目標値Ｒtarは、例えば入力装置（図示略）に対する利用者からの指示に応じて可変に設定される。雑音抑圧部３６は、反復回数設定部４８が設定した反復回数Ｑにわたり雑音抑圧処理を反復する。
【００６０】
第３実施形態においても第１実施形態と同様の効果が実現される。また、第３実施形態では、特性値算定部４２が算定した形状母数α0と第１係数設定部４４が設定したフロアリング係数ηとに応じて雑音抑圧処理の反復回数Ｑが可変に設定されるから、雑音抑圧処理の過不足を防止することが可能である。具体的には、雑音抑圧処理の不足を防止して目標値Ｒtarを確実に達成するとともに雑音抑圧処理の過剰を防止して演算処理装置２２の演算量を削減できるという利点がある。
【００６１】
なお、以上の説明では数式(27)の演算で反復回数Ｑを設定したが、事前に用意されたテーブルを利用して反復回数Ｑを設定することも可能である。例えば、形状母数α0の各数値とフロアリング係数ηの各数値との組合せ毎に目標値Ｒtarを達成し得る反復回数Ｑを設定したテーブルを記憶装置２４に事前に格納し、特性値算定部４２が算定した形状母数α0と第１係数設定部４４が設定したフロアリング係数ηとに対応する反復回数Ｑを反復回数設定部４８がテーブルから検索して雑音抑圧部３６に指示する。
【００６２】
＜第４実施形態＞
図８は、第４実施形態に係る雑音抑圧装置１００Dのブロック図である。図８に示すように、第４実施形態の雑音抑圧装置１００Dは、収音部５０と周波数分析部５２と信号処理部５４と出力処理部５６と波形合成部５８とを具備する。収音部５０は、相互に離間して配置されたＤ個（Ｄは２以上の自然数）の収音機器５１で構成されるマイクロホンアレイであり、各収音機器５１が生成したＤチャネルの音響信号ｘ1(t)〜ｘD(t)を周波数分析部５２に供給する。各音響信号ｘd(t)（ｄ＝１〜Ｄ）は、目的音成分と雑音成分との混合音の波形を示す時間領域信号である。目的音成分は、特定の音源方向から到来する音響成分である。雑音抑圧装置１００Dは、音響信号ｘ1(t)〜ｘD(t)から雑音成分を抑圧した音響信号ｙ(t)を生成する。
【００６３】
周波数分析部５２は、Ｄチャネルの音響信号ｘ1(t)〜ｘD(t)の各々のスペクトルＸd[0](f,τ)（Ｘ1[0](f,τ)〜ＸD[0](f,τ)）をフレーム毎に順次に生成する。図８に示すように、スペクトルＸ1[0](f,τ)〜ＸD[0](f,τ)を要素とするＤ次元のベクトル（以下「観測ベクトル」という）Ｖ[0](f,τ)が周波数分析部５２から出力される（Ｖ[0](f,τ)＝[Ｘ1[0](f,τ)，Ｘ2[0](f,τ)，……，ＸD[0](f,τ)]T）。記号Ｔは行列の転置を意味する。
【００６４】
信号処理部５４は、周波数分析部５２が生成したＤチャネルのスペクトルＸ1[0](f,τ)〜ＸD[0](f,τ)（観測ベクトルＶ[0](f,τ)）からＤチャネルのスペクトルＹ1(f,τ)〜ＹD(f,τ)を生成する。スペクトルＹd(f,τ)は、スペクトルＸd[0](f,τ)から雑音成分を抑圧したスペクトルである。図８に示すように、信号処理部５４は、相互に縦続に接続されてＤチャネルの音響信号ｘ1(t)〜ｘD(t)（Ｘ1[0](f,τ)〜ＸD[0](f,τ)）を順次に処理するＱ段の単位処理部Ｕ[1]〜Ｕ[Q]を含んで構成される。
【００６５】
図９は、信号処理部５４の第ｑ段目（ｑ＝１〜Ｑ）の単位処理部Ｕ[q]のブロック図である。各単位処理部Ｕ[q]は、前段（第(q-1)段）から供給される観測ベクトルＶ[q-1](f,τ)に対する雑音抑圧処理で観測ベクトルＶ[q](f,τ)を生成する。第１段目の単位処理部Ｕ[1]には周波数分析部５２が生成した観測ベクトルＶ[0](f,τ)が供給される。第Ｑ段目（最終段）の単位処理部Ｕ[Q]が生成した観測ベクトルＶ[Q](f,τ)がＤチャネルのスペクトルＹ1(f,τ)〜ＹD(f,τ)に相当する（Ｖ[Q](f,τ)＝［Ｙ1(f,τ)，Ｙ2(f,τ)，……，ＹD(f,τ)]T）。
【００６６】
図９に示すように、各単位処理部Ｕ[q]は、雑音推定部６２と雑音抑圧用係数設定部６４と雑音抑圧部６６とを具備する。雑音推定部６２は、観測ベクトルＶ[q-1](f,τ)に対する独立成分分析で推定雑音成分の推定雑音ベクトルＺ[q](f,τ)を生成する。第４実施形態の雑音推定部６２は、独立成分分析部６２２と逆射影部６２４とを含んで構成される。
【００６７】
独立成分分析部６２２は、周波数領域での独立成分分析（FD-ICA：Frequency Domain-Independent Component Analysis）を利用した音源分離を観測ベクトルＶ[q-1](f,τ)に対して実行することで分離ベクトルＧ[q](f,τ)を生成する。分離ベクトルＧ[q](f,τ)は、Ｄ個の要素ｇ1[q](f,τ)〜ｇD[q](f,τ)で構成され、以下の数式(28)で表現される。
【数２８】
数式(28)の記号Ｗ[q](f)は分離行列を意味し、公知の更新式の演算を累積的に反復することで算定される。
【００６８】
独立成分分析部６２２が生成した分離ベクトルＧ[q](f,τ)のうち目的音成分に相当する要素（ｇs[q](f,τ)）をゼロに置換した分離ベクトルＧ(noise)[q](f,τ)が逆射影部６２４に供給される。すなわち、分離ベクトルＧ(noise)[q](f,τ)は、以下の数式(29)で表現される。要素ｇs[q](f,τ)は、独立成分分析で推定された目的音成分である。
【数２９】
【００６９】
逆射影部６２４は、独立成分分析のスケーリング問題を解決するための逆射影（projection back）を分離ベクトルＧ(noise)[q](f,τ)に適用することで推定雑音ベクトルＺ[q](f,τ)を生成する。具体的には、推定雑音ベクトルＺ[q](f,τ)は以下の数式(30)の演算で生成される。
【数３０】
推定雑音ベクトルＺ[q](f,τ)は、各チャネルに対応するＤ個の推定雑音成分ｚ1[q](f,τ)〜ｚD[q](f,τ)を要素とするベクトルである（Ｚ[q](f,τ)＝［ｚ1[q](f,τ)，ｚ2[q](f,τ)，……，ｚD[q](f,τ)］T）。
【００７０】
図９の雑音抑圧用係数設定部６４は、各チャネルのフロアリング係数η[1]〜η[D]を設定する要素であり、特性値算定部６４２と第１係数設定部６４４とを含んで構成される。特性値算定部６４２は、推定雑音ベクトルＺ[q](f,τ)から各チャネルの形状母数α0[1]〜α0[D]を算定する。形状母数α0[d]は、推定雑音ベクトルＺ[q](f,τ)の推定雑音成分ｚd[q](f,τ)の強度分布に応じた変数である。特性値算定部６４２が推定雑音成分ｚd[q](f,τ)から形状母数α0[d]を算定する方法は、第１実施形態の特性値算定部４２が推定雑音成分ｎ(t)から形状母数α0を算定する方法と同様である。
【００７１】
第１係数設定部６４４は、特性値算定部６４２が算定した形状母数α0[1]〜α0[D]からチャネル毎のフロアリング係数η[1]〜η[D]を算定する。具体的には、第１係数設定部６４４は、第１実施形態の第１係数設定部４４と同様に、第１条件を表現する数式(24)と第２条件を表現する数式(26)とを満たすように、形状母数α0[d]に応じたフロアリング係数η[d]を算定する。
【００７２】
図９の雑音抑圧部６６は、第１係数設定部６４４が算定したフロアリング係数η[1]〜η[D]を適用した雑音抑圧処理を観測ベクトルＶ[q-1](f,τ)に対して実行することで観測ベクトルＶ[q](f,τ)を生成する。雑音抑圧処理はチャネル毎に個別に実行される。すなわち、雑音抑圧部６６は、フロアリング係数η[d]を適用した雑音抑圧処理を音響信号ｘd(t)のスペクトルＸd[q-1](f,τ)に対して実行することでスペクトルＸd[q](f,τ)を生成する。具体的には、雑音抑圧部６６は、以下の数式(31A)で表現される減算処理と数式(31B)で表現されるフロアリング処理とを周波数ｆ毎に択一的に実行する。すなわち、第４実施形態の信号処理部５４では、周波数分析部５２が生成したスペクトルＸd[0](f,τ)に対してＱ回の雑音抑圧処理が累積的に反復される。
【数３１】
【００７３】
図８の出力処理部５６は、信号処理部５４（第Ｑ段目の単位処理部Ｕ[Q]）が生成したＤチャネルのスペクトルＹ1(f,τ)〜ＹD(f,τ)から音響信号ｙ(t)のスペクトルＹ(f,τ)をフレーム毎に生成する。具体的には、出力処理部５６は、目的音成分の方向に収音のビーム（感度が高い領域）を形成する遅延加算型ビームフォーマであり、遅延部５６２と加算部５６２とを含んで構成される。
【００７４】
遅延部５６２は、スペクトルＹ1(f,τ)〜ＹD(f,τ)の各々を目的音成分の音源方向φに応じた遅延量だけ遅延させる。音源方向φは、信号処理部５４のＱ個の単位処理部Ｕ[1]〜Ｕ[Q]から選択された１個の単位処理部Ｕ[q]（例えば最終段の単位処理部Ｕ[Q]）における独立成分分析部６２２が推定した分離行列Ｗ[q](f)から特定される。
【００７５】
加算部５６４は、遅延部５６２による遅延後のＤチャネルのスペクトルＹ1(f,τ)〜ＹD(f,τ)を加算することで音響信号ｙ(t)のスペクトルＹ(f,τ)を生成する。以上の説明から理解されるように、出力処理部５６が生成するスペクトルＹ(f,τ)は、音源方向φの目的音成分を強調した信号となる。
【００７６】
図８の波形合成部５８は、第１実施形態の波形合成部３８と同様に、出力処理部５６がフレーム毎に生成するスペクトルＹ(f,τ)から時間領域の音響信号ｙ(t)を生成する。音響信号ｙ(t)は、例えば放音装置（図示略）に供給されて音波として再生される。
【００７７】
以上に説明した第４実施形態においても第１実施形態と同様の効果が実現される。また、第４実施形態では、雑音抑圧処理毎（単位処理部Ｕ[q]毎）に独立成分分析で推定雑音成分ｚd[q](f,τ)が推定されるから、音響信号ｘd(t)の途中の時点で雑音成分の特性が変動した場合でも高精度な雑音抑圧を実現できるという利点がある。また、ＤチャネルのスペクトルＹ1(f,τ)〜ＹD(f,τ)が出力処理部５６にて加算されるから、各スペクトルＹd(f,τ)にミュージカルノイズが仮に発生した場合でも音響信号ｙ(t)では知覚され難くすることが可能である。
【００７８】
図１０から図１２は雑音抑圧の評価結果を示すグラフである。第４実施形態での雑音抑圧の評価結果と公知のBSSA（Blind Spacial Subtraction Array）を利用した雑音抑圧（以下「対比例４」という）の評価結果とが対比的に図示されている。図１０は、雑音抑圧の前後の尖度比κを示すグラフであり、図１１は、雑音抑圧後の音響信号ｙ(t)のケプストラム歪ｄを示すグラフである。図１０および図１１では、所定の音声にインパルス応答を畳込んだ音響を目的音成分とし、駅構内で収録された雑音成分（駅雑音）および人混みで収録された雑音成分（人混音）を目的音成分に付加した各場合について尖度比κおよびケプストラム歪ｄが図示されている。また、図１２は、雑音抑圧後の音響信号ｙ(t)の音質の主観評価の結果である。具体的には、第４実施形態による雑音抑圧の結果が高音質であると評価した被験者と対比例４の結果が高音質であると評価した被験者との比率が図１２では図示されている。
【００７９】
図１０に示すように、第４実施形態では、雑音抑圧の前後にわたる尖度比κが対比例４と比較して１に近い数値に低減されるから、ミュージカルノイズを有効に抑制できることが理解される。他方、第４実施形態の処理後の音響信号ｙ(t)のスペクトル歪ｄは対比例４と比較して大きいという傾向が図１１から把握される。しかし、図１２の主観評価によれば、第４実施形態による処理後の音響信号ｙ(t)のほうが対比例４と比較して高音質であると９０％程度の被験者が評価している。すなわち、第４実施形態によれば、受聴者が知覚する音質を高い水準に維持しながら雑音抑圧を実現できるという効果が実現される。
【００８０】
＜変形例＞
以上の各形態は多様に変形される。具体的な変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された２以上の態様は適宜に併合され得る。
【００８１】
（１）前述の各形態の減算処理では、第(i-1)回目の雑音抑圧後のパワースペクトル|Ｙi-1(f,τ)|2から推定雑音成分ｎ(t)のパワースペクトル|Ｎi-1(f,τ)|2を減算したが、以下の数式(2A')に示すように、減算処理における振幅スペクトル|Ｙi-1(f,τ)|および振幅スペクトル|Ｎi-1(f,τ)|の冪指数は任意の正数Ｋとして一般化され得る。減算処理における冪指数Ｋの一般化については、例えば井上等，“一般化スペクトル減算法におけるミュージカルノイズ発生量の数理解析，日本音響学会講演論文集，3-5-4，ｐ.759−762，2010年３月（以下「非特許文献２」という）にも詳述されている。
【数３２】
【００８２】
非特許文献２によれば、冪指数Ｋを小さい数値に設定したほうが聴感的に自然な音響信号ｙ(t)を生成できる。したがって、理想的には、演算処理装置２２の演算処理の範囲内（例えば、演算処理装置２２が演算可能な浮動小数点数のもとでアンダーフローを回避して有意な数値が得られる限度内）で最小の数値に冪指数Ｋは設定される。具体的には、冪指数Ｋを１以下の数値（更に好適には０.５を下回る数値）に設定することが可能である。
【００８３】
（２）雑音抑圧処理の具体的な内容は前述の数式(2A)（または数式(2A')）および数式(2B)に限定されない。例えば、以下の数式(32A)および数式(32B)で表現されるウィーナフィルタを１回の雑音抑圧処理にて周波数ｆ毎に択一的に実行することも可能である。
【数３３】
【００８４】
数式(32A)および数式(32B)の雑音抑圧処理の実行後のｍ次モーメントμmは、例えばT. Inoue, et al., "Theoretical analysis of musical noise in Wiener filtering family via higher-order statistics", Proc. ICASSP2011, p.5076-5079, 2011に開示される通り、以下の数式(33)で表現される。数式(33)の関数ＭWF(α,β,η,m)は、数式(34)で定義される。
【数３４】
したがって、前述の数式(24)および数式(26)と同様に、第１条件および第２条件の双方を満たす（すなわち理論的にはミュージカルノイズを発生させない）フロアリング係数ηを算定することが可能である。
【００８５】
（３）第４実施形態では、各単位処理部Ｕ[q]の雑音推定部６２がチャネル毎に推定雑音成分ｚ1[q](f,τ)〜ｚD[q](f,τ)を生成したが、Ｄチャネルについて共通の推定雑音成分を雑音推定部６２が独立成分分析で生成することも可能である。雑音抑圧部６６は、Ｄチャネルの各々のスペクトルＸ1[q-1](f,τ)〜ＸD[q-1](f,τ)（観測ベクトルＶ[q-1](f,τ)）から共通の推定雑音成分を抑圧する雑音抑圧処理を実行する。
【００８６】
（４）前述の各形態では、第１係数設定部４４が数式(24)の演算でフロアリング係数ηを算定したが、形状母数α0や抑圧係数βの各数値にフロアリング係数ηを対応付けた係数テーブルを参照することで第１係数設定部４４がフロアリング係数ηを設定する構成も採用され得る。フロアリング係数ηの設定用の係数テーブルでは、数式(24)の関係（第１条件）が成立するように、形状母数α0および抑圧係数βの組合せとフロアリング係数ηとが対応付けられる。以上の説明から理解されるように、第１係数設定部４４は、第１条件を規定する関係式を満たすように形状母数α0に応じてフロアリング係数ηを可変に設定する要素として包括され、フロアリング係数ηを実際の演算で算定するか係数テーブルから取得するかは不問である。
【００８７】
（５）前述の各形態では雑音抑圧部３６が反復型の雑音抑圧を実行したが、音響信号ｘ(t)の各フレームについて雑音抑圧部３６が雑音抑圧処理を１回だけ実行する構成にも本発明は適用される。すなわち、雑音抑圧処理の反復は本発明において必須ではない。雑音抑圧処理を各フレームにつき１回だけ実行する構成でも、第１条件および第２条件を満たすようにフロアリング係数ηを設定することで、フロアリング係数ηを所定値に固定した構成と比較すれば、ミュージカルノイズの発生を抑制しながら音響信号ｘ(t)の雑音成分を抑圧できるという所期の効果は実現される。
【００８８】
（６）第２実施形態の第２係数設定部４６と第３実施形態の反復回数設定部４８との双方を具備する構成も採用され得る。反復回数設定部４８は、反復回数Ｑの複数の候補値ｑの各々について、第１係数設定部４４が設定したフロアリング係数ηと第２係数設定部４６が設定した抑圧係数βとを適用した雑音抑圧処理をその回数ｑだけ反復した場合の雑音抑圧率Ｒ(αq,β,η)を数式(27)の演算で算定し、雑音抑圧率Ｒ(αq,β,η)が目標値Ｒtarを上回る最小の候補値ｑを反復回数Ｑとして確定する。
【００８９】
（７）第２実施形態では、形状母数α0およびフロアリング係数ηの双方に応じて抑圧係数βを設定したが、抑圧係数βを制御する方法は以上の例示に限定されない。例えば、形状母数α0に応じて抑圧係数β（フロアリング係数ηには依存しない数値）を設定することも可能である。
【００９０】
（８）前述の各形態では、音響信号ｘ(t)の強度分布を近似する確率密度関数Ｐ(x)の形状母数α0を推定雑音成分ｎ(t)の特性の指標（雑音特性値）として例示したが、雑音特性値は形状母数α0に限定されない。例えば、音響信号ｘ(t)の強度分布から直接に算定される統計量（例えば尖度等の高次統計量）や、音響信号ｘ(t)の振幅|Ｘ(f,τ)|の度数分布に応じた統計量（例えば振幅|Ｘ(f,τ)|の度数分布を近似する確率密度関数の形状母数）を雑音特性値として利用することも可能である。すなわち、雑音特性値は、音響信号ｘ(t)の特性（特に推定雑音成分ｎ(t)の特性）に応じて変化する数値（典型的には強度分布の形状に応じた数値）として包括される。
【００９１】
（９）前述の各形態では、雑音抑圧部３６を具備する雑音抑圧装置１００（１００A，１００B，１００C）を例示したが、雑音抑圧に適用される変数（例えばフロアリング係数η，抑圧係数β，反復回数Ｑ）を可変に設定する装置（以下「雑音抑圧用係数設定装置」という）としても本発明は実現され得る。雑音抑圧用係数設定装置に雑音抑圧部３６や雑音推定部３４を追加することで雑音抑圧装置１００が実現される。例えば第１実施形態に対応する雑音抑圧用係数設定装置は、前述の各形態における特性値算定部４２および第１係数設定部４４を含んで構成される。また、第４実施形態の雑音抑圧用係数設定部６４は、本発明の各態様に係る雑音抑圧用係数設定装置に相当する。雑音抑圧用係数設定装置には、第２実施形態の第２係数設定部４６や第３実施形態の反復回数設定部４８が適宜に追加され得る。
【符号の説明】
【００９２】
１００A，１００B，１００C、１００D……雑音抑圧装置、１２……信号供給装置、１４……放音装置、２２……演算処理装置、２４……記憶装置、３２，５２……周波数分析部、３４，６２……雑音推定部、３６，６６……雑音抑圧部、３８，５８……波形合成部、４２……特性値算定部、４４……第１係数設定部、４６……第２係数設定部、４８……反復回数設定部、５０……収音部、５１……収音機器、５４……信号処理部、Ｕ[q]（Ｕ[1]〜Ｕ[Q]）……単位処理部、５６……出力処理部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力音響信号の強度分布の形状に応じた雑音特性値を算定する特性値算定手段と、
音響信号の強度分布の尖度が雑音抑圧処理の前後で変化しない場合における当該音響信号の雑音特性値と雑音抑圧処理のフロアリング処理に適用されるフロアリング係数との関係を規定する関係式を満たすように、前記特性値算定手段が算定した雑音特性値に応じてフロアリング係数を可変に設定する第１係数設定手段と
を具備する雑音抑圧用係数設定装置。
【請求項２】
前記第１係数設定手段は、前記雑音抑圧処理による雑音抑圧率が正数となるように前記フロアリング係数を設定する
請求項１の雑音抑圧用係数設定装置。
【請求項３】
雑音抑圧強度を制御するための抑圧係数を、前記特性値算定手段が算定した雑音特性値に応じて可変に設定する第２係数設定手段
を具備する請求項１または請求項２の雑音抑圧用係数設定装置。
【請求項４】
各雑音抑圧処理による雑音抑圧率の累算値が目標値を上回るように、前記特性値算定手段が算定した雑音特性値と前記第１係数設定手段が設定したフロアリング係数とに応じて前記雑音抑圧処理の反復回数を可変に設定する反復回数設定手段
を具備する請求項１から請求項３の何れかの雑音抑圧用係数設定装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れかの雑音抑圧用係数設定装置と、
前記雑音抑圧用係数設定装置が設定した係数を適用した雑音抑圧処理を入力音響信号に対して実行する雑音抑圧手段と
を具備する雑音抑圧装置。
【請求項６】
相互に離間して配置された収音機器が生成するＤ（Ｄは２以上の自然数）チャネルの音響信号を順次に処理するＱ段の単位処理手段と、
前記Ｑ段のうち最終段の単位処理手段による処理後のＤチャネルの音響信号の遅延加算で特定の音源方向の目的音成分を強調する出力処理手段とを具備し、
前記Ｑ段の単位処理手段の各々は、
当該単位処理手段に供給されるＤチャネルの音響信号に対する独立成分分析で推定雑音成分を生成する雑音推定手段と、
前記推定雑音成分の雑音特性値に応じたフロアリング係数をチャネル毎に可変に設定する請求項１から請求項４の何れかの雑音抑圧用係数設定装置と、
前記雑音抑圧用係数設定装置がチャネル毎に設定したフロアリング係数を適用した雑音抑圧処理を当該チャネルの音響信号に実行して出力する雑音抑圧手段とを含む
雑音抑圧装置。
【請求項１】
入力音響信号の強度分布の形状に応じた雑音特性値を算定する特性値算定手段と、
音響信号の強度分布の尖度が雑音抑圧処理の前後で変化しない場合における当該音響信号の雑音特性値と雑音抑圧処理のフロアリング処理に適用されるフロアリング係数との関係を規定する関係式を満たすように、前記特性値算定手段が算定した雑音特性値に応じてフロアリング係数を可変に設定する第１係数設定手段と
を具備する雑音抑圧用係数設定装置。
【請求項２】
前記第１係数設定手段は、前記雑音抑圧処理による雑音抑圧率が正数となるように前記フロアリング係数を設定する
請求項１の雑音抑圧用係数設定装置。
【請求項３】
雑音抑圧強度を制御するための抑圧係数を、前記特性値算定手段が算定した雑音特性値に応じて可変に設定する第２係数設定手段
を具備する請求項１または請求項２の雑音抑圧用係数設定装置。
【請求項４】
各雑音抑圧処理による雑音抑圧率の累算値が目標値を上回るように、前記特性値算定手段が算定した雑音特性値と前記第１係数設定手段が設定したフロアリング係数とに応じて前記雑音抑圧処理の反復回数を可変に設定する反復回数設定手段
を具備する請求項１から請求項３の何れかの雑音抑圧用係数設定装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れかの雑音抑圧用係数設定装置と、
前記雑音抑圧用係数設定装置が設定した係数を適用した雑音抑圧処理を入力音響信号に対して実行する雑音抑圧手段と
を具備する雑音抑圧装置。
【請求項６】
相互に離間して配置された収音機器が生成するＤ（Ｄは２以上の自然数）チャネルの音響信号を順次に処理するＱ段の単位処理手段と、
前記Ｑ段のうち最終段の単位処理手段による処理後のＤチャネルの音響信号の遅延加算で特定の音源方向の目的音成分を強調する出力処理手段とを具備し、
前記Ｑ段の単位処理手段の各々は、
当該単位処理手段に供給されるＤチャネルの音響信号に対する独立成分分析で推定雑音成分を生成する雑音推定手段と、
前記推定雑音成分の雑音特性値に応じたフロアリング係数をチャネル毎に可変に設定する請求項１から請求項４の何れかの雑音抑圧用係数設定装置と、
前記雑音抑圧用係数設定装置がチャネル毎に設定したフロアリング係数を適用した雑音抑圧処理を当該チャネルの音響信号に実行して出力する雑音抑圧手段とを含む
雑音抑圧装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−６８９１９（Ｐ２０１３−６８９１９Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４５２０６（Ｐ２０１１−２４５２０６）
【出願日】平成２３年１１月９日（２０１１．１１．９）
【出願人】（５０４１４３４４１）国立大学法人 奈良先端科学技術大学院大学 (226)
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月９日（２０１１．１１．９）
【出願人】（５０４１４３４４１）国立大学法人 奈良先端科学技術大学院大学 (226)
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
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