早稲田大学大学院 先進理工学研究科
博 士 論 文 概 要
論 文 題 目
A study on single channel noise reduction 単一チャネル雑音抑制手法に関する研究
申 請 者
Tomomi ABE
阿部 友実
物理学及応用物理学専攻 計測・情報工学研究
2011 年 11 月
近 年 ロ ボ ッ ト 工 学 の 発 展 に と も な い 、 家 庭 や 施 設 な ど で の 一 般 使 用 を 目 的 と し た ロ ボ ッ ト の 開 発 が さ か ん に 行 わ れ て い る 。 そ の 中 で ， 直 感 的 に 操 作 可 能 な コ マ ン ド 入 力 の 手 段 と し て 音 声 認 識 が 注 目 さ れ て い る 。 現 在 の ロ ボ ッ ト の 音 声 認 識 技 術 に お い て は 、 周 囲 の 雑 音 を 高 精 度 に 抑 制 す る 必 要 が あ り 、 様 々 な 手 法 が 提 案 ・ 検 討 さ れ て い る 。 広 く 用 い ら れ て い る も の と し て マ イ ク ロ ホ ン ア レ イ な ど の ２ つ 以 上 の マ イ ク ロ ホ ン を 利 用 し た 手 法 が あ る が 、 こ れ ら は マ イ ク ロ ホ ン を 多 数 用 い る た め に シ ス テ ム の 小 型 化 が 困 難 で あ る と い う 問 題 点 を 有 し て い る 。 一 方 ， 単 一 の マ イ ク ロ ホ ン で 取 得 し た 音 源 に 対 す る 雑 音 抑 制 手 法 と し て は 、 ス ペ ク ト ル サ ブ ト ラ ク シ ョ ン 法 や カ ル マ ン フ ィ ル タ な ど が 広 く 知 ら れ て い る が 、 そ れ ぞ れ 非 定 常 性 を も つ 雑 音 へ の 適 用 が 不 可 能 で あ る 、 統 計 量 を 用 い て い る た め 計 算 量 が 莫 大 と な る 、 と い っ た 問 題 を 有 し て い る 。 こ の よ う に 、 現 段 階 で は 利 便 性 ・ 抑 制 性 能 の 両 面 を 考 え た 場 合 に 実 用 に 十 分 な 手 法 は 確 立 さ れ て い な い 状 況 で あ る 。
本 論 文 で は 、従 来 時 間 領 域 に お け る 雑 音 抑 制 手 法 と し て 有 用 で あ っ た ε-フ ィ ル タ を 時 間 － 周 波 数 領 域 の 処 理 に 拡 張 す る こ と に よ っ て 、ε-フ ィ ル タ が 持 っ て い た 原 理 的 な 問 題 を 解 決 し た 時 間 － 周 波 数 ε-フ ィ ル タ お よ び 、そ の 有 用 性 を 高 め る た め の 補 助 的 な 手 法 を 提 案 し 、 そ の 有 効 性 を 実 証 し た 。
本 論 文 の 第 １ 章 で は 、 本 研 究 の 背 景 と 目 的 を 述 べ 、 本 論 文 の 構 成 を 示 し た 。 本 研 究 の 目 的 は 、 単 一 の マ イ ク ロ ホ ン を 用 い た シ ス テ ム に お い て 非 定 常 か つ 大 振 幅 な 雑 音 の 抑 制 を 行 う こ と で あ る 。
そ の た め に 本 論 文 で は 、時 間 － 周 波 数 ε-フ ィ ル タ お よ び そ の 補 助 的 手 法 に つ い て 、 様 々 な 種 類 の 雑 音 抑 制 性 能 を 確 か め つ つ 、 従 来 の 単 一 マ イ ク ロ ホ ン を 用 い た シ ス テ ム と の 比 較 を 適 宜 行 い 、 そ の 有 効 性 を 確 か め た 。
第 ２ 章 で は 、 時 間 － 周 波 数 ε-フ ィ ル タ お よ び 時 間 － 周 波 数 ε-フ ィ ル タ に 音 声 の 性 質 に 基 づ き 改 良 を 加 え た 可 変 時 間 － 周 波 数 ε-フ ィ ル タ に つ い て 提 案 し 、理 論 的 な 考 察 お よ び 評 価 実 験 結 果 に つ い て 報 告 し た 。
本 章 で は 、ε-フ ィ ル タ を 時 間 － 周 波 数 領 域 で 時 間 軸 方 向 に 適 用 す る こ と に よ っ て 、 適 用 範 囲 が 広 が る こ と を 理 論 的 に 示 し た 。 ま た 、 評 価 実 験 に お い て 、 雑 音 の 種 類 、 入 力 信 号 に お け る 目 的 信 号 に 対 す る 雑 音 の 大 き さ （ 入 力 S N R） の 変 化 、 パ ラ メ ー タ 値 の 変 化 そ れ ぞ れ に 対 す る 頑 健 性 に つ い て 従 来 広 く 用 い ら れ て き た 手 法 と 比 較 し て 有 用 で あ る こ と を 示 し た 。 さ ら に 、 計 算 コ ス ト に つ い て も 従 来 手 法 と 比 較 し 、 よ り 低 く と な る こ と を 確 認 し た 。
第 ３ 章 は 、 時 間 － 周 波 数 ε-フ ィ ル タ の 欠 点 を 補 う た め に 改 良 を 加 え た C r o s s T Fε-フ ィ ル タ に つ い て 述 べ 、 評 価 実 験 に つ い て の 報 告 を 行 っ た 。
本 章 で は 、時 間 － 周 波 数 ε-フ ィ ル タ に お い て 時 間 － 周 波 数 領 域 で 時 間 軸 方 向 に の み 行 っ て い た フ ィ ル タ リ ン グ 処 理 を 周 波 数 軸 方 向 に も 行 う C r o s s T Fε-フ ィ ル タ を 提 案 し た 。 ま た 、C r o s s T Fε-フ ィ ル タ を 用 い る こ と に よ っ て 時 間 － 周 波 数 ε-フ ィ ル タ で は 抑 制 が 困 難 で あ っ た イ ン パ ル ス 性 の 雑 音 の よ う な 時 間 方 向 に 非 常 に 大 き な 変 動 を も つ 雑 音 の 抑 制 が 可 能 で あ る こ と を 示 し た 。 ま た 、 評 価 実 験 に
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お い て 、 雑 音 の 種 類 お よ び 入 力 S N R に 対 す る 頑 健 性 、 パ ラ メ ー タ の 変 化 に 対 す る フ ィ ル タ 性 能 の 変 化 、平 均 二 乗 誤 差 を 用 い た 評 価 お よ び 主 観 評 価 に つ い て 述 べ 、 有 用 性 を 示 し た 。
第 ４ 章 で は 、 時 間 － 周 波 数 ε-フ ィ ル タ や 、 そ の 元 と な る 手 法 で あ る ε-フ ィ ル タ が も つ 重 要 な パ ラ メ ー タ で あ る ε の 値 を 機 械 的 に 決 定 す る た め の 手 法 と し て 相 関 係 数 や 音 声 認 識 機 構 を 用 い た も の に つ い て 述 べ 、 評 価 実 験 結 果 に つ い て 記 述 し た 。
本 章 で は 、ま ず 第 １ 節 に お い て 、従 来 手 動 で 決 定 し て い た ε-フ ィ ル タ の パ ラ メ ー タ を 機 械 的 に 自 動 決 定 す る 手 法 と し て 、 音 声 信 号 と 雑 音 信 号 の 無 相 関 性 の 仮 定 の も と で 、 フ ィ ル タ の 入 出 力 の 相 関 係 数 を 評 価 指 標 と し て 用 い た ア ル ゴ リ ズ ム に つ い て 記 述 し た 。 ま た 、 評 価 実 験 に お い て 、 音 源 再 現 の 絶 対 指 標 で あ る 平 均 絶 対 誤 差 を 用 い た 場 合 と 相 関 係 数 を 用 い て 求 め た 場 合 の 比 較 や 、 相 関 係 数 を 用 い て 求 め る 場 合 の 値 の 収 束 ま で に 要 す る 時 間 、 主 観 評 価 に つ い て 述 べ た 。
続 い て 、 第 ２ 節 に お い て は 、 ε-フ ィ ル タ で は な く 時 間 － 周 波 数 ε-フ ィ ル タ の パ ラ メ ー タ で あ る ε の 値 を 評 価 指 標 と し て 相 関 係 数 を 用 い て 決 定 す る 手 法 に つ い て 述 べ た 。 ま た 、 評 価 実 験 に お い て 、 音 源 再 現 の 絶 対 指 標 で あ る 平 均 絶 対 誤 差 を 用 い た 場 合 と 相 関 係 数 を 用 い て 求 め た 場 合 の 比 較 に つ い て 記 述 し 、 相 関 係 数 を 用 い た パ ラ メ ー タ 決 定 の 実 現 可 能 性 を 示 し た 。
本 章 最 後 の 節 と な る 第 ３ 節 で は 、時 間 － 周 波 数 ε-フ ィ ル タ の パ ラ メ ー タ 決 定 の た め の 指 標 と し て 音 声 認 識 機 構 を 用 い る ア ル ゴ リ ズ ム に つ い て 述 べ た 。 評 価 実 験 に お い て は 、 第 ２ 節 と 同 様 に ε の 値 に 対 す る 平 均 絶 対 誤 差 と の 比 較 を 行 い 、 そ の 有 用 性 を 示 し た 。
第 ５ 章 で は 、時 間 － 周 波 数 ε-フ ィ ル タ を は じ め と す る 種 々 の 周 波 数 領 域 で の 処 理 の 後 処 理 と し て 利 用 可 能 な ミ ュ ー ジ カ ル ノ イ ズ 抑 制 手 法 で あ る 時 間 － 周 波 数 M 変 換 に つ い て 記 述 し た 。
本 章 で は 、 聴 覚 上 の 大 き な 問 題 と な る 残 留 雑 音 で あ る ミ ュ ー ジ カ ル ノ イ ズ が 時 間 － 周 波 数 領 域 で 孤 立 点 と な る こ と を 利 用 し 、 そ の 抑 制 を 行 う 手 法 に つ い て 述 べ た 。擬 似 直 交 変 換 で あ る M 変 換 は 時 間 領 域 信 号 に 適 用 し 、フ ィ ル タ リ ン グ を 行 う こ と に よ り イ ン パ ル ス 性 を も つ 雑 音 を 抑 制 す る こ と が 可 能 で あ る こ と が 知 ら れ て お り 、 時 間 － 周 波 数 領 域 信 号 に 適 用 し 、 フ ィ ル タ リ ン グ を 行 う こ と に よ り ミ ュ ー ジ カ ル ノ イ ズ を 抑 制 可 能 と な る 。本 研 究 で は M 変 換 を 時 間 － 周 波 数 領 域 で 適 用 し た 後 に ε-フ ィ ル タ を 適 用 す る こ と に よ っ て ミ ュ ー ジ カ ル ノ イ ズ の 抑 制 を 行 っ た 。 ま た 、 評 価 実 験 と し て 雑 音 の 種 類 や 話 者 の 種 類 、 入 力 S N R の 変 化 そ れ ぞ れ に 対 す る 頑 健 性 や 主 観 評 価 結 果 、 パ ラ メ ー タ 値 の 変 動 に よ る 性 能 変 化 に つ い て 述 べ 、 有 用 性 を 示 し た 。
第 ６ 章 で は 、 本 研 究 を 総 括 し 、 結 論 及 び 展 望 を 述 べ た 。
本 研 究 で 提 案 す る 時 間 － 周 波 数 ε-フ ィ ル タ は 音 声 信 号 の よ う な 急 峻 な 変 化 を も つ 信 号 を 保 持 し な が ら 大 振 幅 ・ 非 定 常 な 雑 音 の 抑 制 が 可 能 で あ る 。 統 計 量 を 用
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い た 手 法 な ど と 比 較 し て 計 算 量 も 少 な く 、 単 一 の マ イ ク ロ ホ ン を 用 い た 手 法 で あ る た め シ ス テ ム の 小 型 化 も 容 易 で あ る 。 ま た 、 信 号 対 雑 音 比 の み で な く 聴 覚 上 も 良 好 な 出 力 を 得 る こ と が で き る 。時 間 － 周 波 数 ε-フ ィ ル タ そ の も の は 手 動 で 決 定 す る 必 要 の あ る パ ラ メ ー タ を も つ こ と や 残 留 雑 音 で あ る ミ ュ ー ジ カ ル ノ イ ズ の 発 生 な ど の 問 題 を も っ て い る が 、 パ ラ メ ー タ 決 定 の 指 標 と し て 相 関 係 数 や 音 声 認 識 機 構 を 用 い た り 、 時 間 － 周 波 数 M 変 換 と 組 み 合 わ せ る こ と に よ っ て 解 決 で き る 。 ま た 、 音 声 と 同 様 に 時 間 方 向 に 大 き な 変 動 を も つ 雑 音 の 抑 制 が 難 し い と い う 原 理 上 の 問 題 も 有 し て い る が 、 こ れ も 改 良 手 法 で あ る C r o s s T Fε-フ ィ ル タ を 用 い る こ と に よ っ て 解 決 で き る 。 小 型 で あ り 、 音 声 認 識 機 構 を 用 い た チ ュ ー ニ ン グ が 可 能 で あ る と い う 点 か ら 、 本 研 究 は 小 型 ロ ボ ッ ト へ の 搭 載 な ど 広 い 範 囲 で の 適 用 が 考 え ら れ る 。
最 後 に 、 本 研 究 の 展 望 を 記 述 し た 。 本 研 究 で は 計 算 量 の 少 な さ は 実 証 さ れ て い る も の の 、 未 だ 実 用 面 で 重 要 と な る 実 時 間 で の 処 理 に は い た っ て い な い 。 ア ル ゴ リ ズ ム の 改 良 な ど を 行 い 、 実 時 間 処 理 を 可 能 に し た う え で 、 音 声 認 識 機 構 等 と の 組 み 合 わ せ を 生 か し た ロ ボ ッ ト へ の 応 用 に つ い て の 展 望 を 記 述 し た 。
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Ｎｏ.1
早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書
氏 名 阿部友実 印
（２０１１年 ９月 現在）
種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む）
○論文
○論文
○論文
○論文
学会発表
学会発表
学会発表
学会発表
学会発表
学会発表
Tomomi Abe, Mitsuharu Matsumoto, Shuji Hashimoto, "Noise reduction combining time-domain -filter and time-frequency -filter," Journal of the Acoustical Society of America, Vol.122, No.5, pp.2697-2705，2007.
Tomomi Abe, Mitsuharu Matsumoto, Shuji Hashimoto, "Noise reduction combining time-frequency -filter and M-transform," Journal of the Acoustical Society of America, Vol.124, No.2, pp.994-1005, 2008.
Tomomi Abe, Mitsuharu Matsumoto, Shuji Hashimoto, "Noise reduction utilizing cross time-frequency ‐filter," Journal of the Acoustical Society of America, Vol.125, No.5, pp.3079-3087, 2009.
Tomomi Abe, Mitsuharu Matsumoto, Shuji Hashimoto, "Automatic parameter optimization in epsilon-filter for acoustical signal processing utilizing correlation coefficient," Journal of the Acoustical Society of America, Vol.127, No.2, pp.896-901, 2010.
阿部友実，松本光春，橋本周司，"複素スペクトルの時間変化にε-フィルタを用いた音 声の雑音低減法"，日本音響学会 2007 年春季研究発表会講演論文集， CD-Proc.，
pp.513-514，2007.
Tomomi Abe, Mitsuharu Matsumoto, Shuji Hashimoto, "Speech enhancement based on time domain -filter and time-frequency -filter," 19th International Congress on Acoustics (ICA2007), Madrid, Spain, Sep. 2 - Sep. 7, 2007.
阿部友実，松本光春，橋本周司，"時間―周波数 M 変換によるミュージカルノイズ除去"，
日本音響学会 2008 年春季研究発表会講演論文集，CD-Proc.，pp.727-730，2008.
Tomomi Abe, Mitsuharu Matsumoto, Shuji Hashimoto, "Noise reduction based on cross TF -filter," International conference on signal processing and multimedia applications (SIGMAP2008), Porto, Portugal, Jul. 26 - Jul. 29, 2008.
Mitsuharu Matsumoto, Tomomi Abe, Shuji Hashimoto, "Noise reduction combining microphones and laser listening devices," 2008 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation (ICMA2008), Takamatsu, Japan, Aug.5- Aug.8, 2008.
Mitsuharu Matsumoto, Tomomi Abe, Shuji Hashimoto, "Performance evaluation of acoustical array by combining microphones and piezoelectric devices," 2008 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation (ICMA2008), Takamatsu, Japan, Aug.5- Aug.8, 2008.
Ｎｏ.2
早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書
種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む）
学会発表
学会発表
学会発表
○ 学 会 発 表
学会発表
学会発表
○ 学 会 発 表
○ 学 会 発 表
学会発表
Mitsuharu Matsumoto, Tomomi Abe, Shuji Hashimoto, "Internal noise reduction combining microphones and a piezoelectric device under blind condition," IEEE International Conference on Multisensor Fusion and Integration for Intelligent Systems (MFI2008), Seoul, Korea, Aug.20- Aug.22, 2008.
阿部友実，松本光春，橋本周司，"相関係数に基づく音響信号に対するε-フィルタのパ ラ メ ー タ 最 適 化 ", 日 本 音 響 学 会 2009 年 春 季 研 究 発 表 会 講 演 論 文 集 ， CD-Proc. ， pp.619-622，2009.
Tomomi Abe, Mitsuharu Matsumoto, Shuji Hashimoto, "Parameter optimization in -filter for acoustical signal based on correlation coefficient," 2009 IEEE International symposium on Circuits and Systems - ISCAS2009, pp.1417-1420,Taipei, Taiwan, May 24 - May 27, 2009.
Tomomi Abe, Mitsuharu Matsumoto, Shuji Hashimoto, "Parameter optimization in time-frequency -filter based on correlation coefficient," International conference on signal processing and multimedia applications (SIGMAP2009), pp.107-111, Milan, Italy, July 7 - July 10, 2009.
Tomomi Abe, Mitsuharu Matsumoto, Shuji Hashimoto, "Automatic parameter optimization of -filter for acoustical signal based on cross correlation," 6th International Symposium on Image and Signal Processing and Analysis (ISPA 2009), pp.47-52, Salzburg, Austria, Sep. 16 - Sep. 18, 2009.
阿部友実，松本光春，橋本周司，"時間-周波数ε-フィルタの統計的解析, "日本音響学 会 2010 年春季研究発表会講演論文集，CD-Proc., pp. 777-780, 2010.
Tomomi Abe, Mitsuharu Matsumoto, Shuji Hashimoto, "Parameter setting of noise reduction filter using speech recognition system," International Conference on Neural Computation (ICNC2010), pp.387-391, Valencia, Spain, Oct. 24 - Oct. 26, 2010.
Tomomi Abe, Mitsuharu Matsumoto, Shuji Hashimoto, "Application of cross TF -filter to impulse noise reduction," IASTED International Conference on Signal and Image Processing and Applications (SIPA2011) , pp.173-178, Crete, Greece, June 22 - June 24, 2011.
梅松旭美，阿部友実，松本光春，橋本周司，"周波数スペクトルのピーク追随によるモノ ラル音源分離の性能評価, "日本音響学会 2011 年秋季研究発表会講演論文集，CD-Proc., pp. 665-668, 2011.
