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著者 鈴木 大和, 中山 謙二, 平野 晃宏

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(1)

スペクトルサプレッション法によるノイズキャンセ ラの音質改善(音響信号処理/一般)

著者 鈴木 大和, 中山 謙二, 平野 晃宏

雑誌名 電子情報通信学会技術研究報告. EA, 応用音響 =

Technical report of IEICE. EA (姫路)

巻 105

号 53

ページ 1‑6

発行年 2005‑05‑01

URL http://hdl.handle.net/2297/18407

(2)

スペクトルサプレッション法によるノイズキャンセラの音質改善

鈴木 大和

Þ

中山 謙二

Ý

平野 晃宏

Ý

Ý金沢大学大学院 自然科学研究科 電子情報科学専攻

! "#" $

Þ金沢大学大学院 自然科学研究科 電子情報工学専攻

あらまし

本論文ではスペクトルサプレッション法を用いた単一 マイクノイズキャンセラの音声品質の改善について検 討する.スペクトルサプレッション法を用いて,単一マ イク方式のノイズキャンセラを実現する際には,雑音抑 圧における音質の劣化と雑音抑圧によって新たに発生 するミュージカルノイズを如何に抑えるかがポイント となる.ミュージカルノイズを抑えるために,その周波 数成分が主として高域にあることを利用して,高域抑圧 を行なった.次に,雑音を過剰に抑圧するために音声に 歪みが発生し音質が劣化する.この劣化を防ぐために,

原音%観測信号&音声'雑音(をある割合だけ付加する 方法を検討した.従来方法に比べて,ミュージカルノイ ズの抑制と音質の改善が得られた.

)

*

+ +

,

*

*

+

* -

*

まえがき

現在,携帯電話などの移動通信が広く普及し,ほとん どの人が携帯電話を持つようになっている.そのため,

街頭や車内など背景雑音が大きい場所において携帯電話 が使用される機会が増えている.このような雑音が利用 者の会話中にマイクに拾われると,相手側では会話が聞 きづらくなり快適な使用の妨げとなる.そこで,雑音を 除去するためにノイズキャンセラが必要である.その方 式には,単一マイクを用いる方式,つまり,音声+雑音 を集音するマイクのみを用いる方式と,複数のマイクを 用いる方式,つまり,音声+雑音を集音するマイク以外 に主に雑音のみを集音するマイクを用いる方式がある.

携帯電話など,小型・低電力が要求される場合には単一 マイク方式のノイズキャンセラが望ましい.

現在,様々なノイズキャンセラの方式が提案されてい るが,)が定める.//における携帯電話用雑音抑 圧技術の標準化においては,ノイズキャンセラの方式は 推奨されておらず,その性能に関する要求条件とその評 価方法のみが定められている.0.1021

本稿では,携帯電話への応用を考えて,単一マイク方 式のノイズキャンセラを対象とし,ノイズキャンセラと しては,スペクトルサプレッション法を採用する.スペ クトルサプレッション法を用いて,単一マイク方式のノ イズキャンセラを実現する際には,雑音抑圧における音 声の劣化と雑音抑圧によって新たに発生するミュージカ ルノイズが問題となり,これらを抑えるかがスペクトル

(3)

サプレッション法のポイントとなる.本稿では,スペク トルサプレッション法における音質の改善とミュージカ ルノイズの抑制について検討を行う.

スペクトルサプレッション法

スペクトルサプレッション法の構成

図 3にスペクトルサプレッション法のブロック図を 示す.

Speech estimation

SNR

estimation IFFT

FFT y(n)

Y(k)

ξ,γ G(k)

X(k) x(n)

^

^

図3! スペクトルサプレッション法のブロック図 音声と雑音ともにスペクトル成分において統計的独 立で平均4であるとする.時間領域でのクリアな音声 を %(雑音を%(,雑音混入音声を%(とおくと,

%(& %('%( %3(

音声信号は一般に非定常であり,その音響的特徴は変 動している.そのために音声のスペクトル分析では,十 分に短い時間の区間において音声は定常状態であると いう仮定の基で,少しずつ,時間区間をシフトさせなが ら窓関数を用いて切り出したフレームの波形のデータ に対して順次,,演算を実行して,スペクトルの時系 列を得ている.よって,雑音混入音声は,サンプル のフレームに分けられて,5サンプルの窓関数を用い て,64%オーバーラップさせることにより,番目の フレームにおける切り出された雑音混入音声7 %(は,

7 %(&

%(

 ½

%( 3

%( %( 5

%5(

と表せる.

この信号の周波数領域での表示を次のように表す.

%(&%(' %( %.(

%(&

%

( %2(

%(&

%

( %6(

雑音の分散を%(とすると,事前8%クリーン音声 対雑音比(,事後8%雑音混入音声対雑音比(はそれぞ れ次の式で表せる.

%(&

¾

%(

%9(

%(&

¾

%(

%:(

実際に利用可能なものは,雑音混入音声のみで,事前

8事後8は推定しなくてはいけない.事前8 %(

は,次式で推定できる031

7

%(&

 ½

%(

¾

 ½

%('%3(0 %(31 %;(

ただし,

0 1&

% 4(

4 %(

%<(

また,雑音の分散は,文献051によって提案された重み 付き雑音推定によって求める.重み付き雑音推定では,

信号対雑音比%8(の推定値に応じて重み付けした雑 音混入音声を用いて,継続的に雑音推定値を更新する.

このため,過大推定を防ぎつつ,非定常雑音に対して 高い追従性を達成する.推定された雑音を基に,事後

8 %(の推定値を求める.このようにして推定され た事前8事後8によりスペクトルゲイン %(

を求めそれを雑音混入音声に掛けることにより雑音を 抑える.

法

==>法は雑音を含む音声から明確な音声の スペクトル振幅を抽出し,その二乗誤差を最小にする方 式である031.統計モデルとして,音声と雑音ともにス ペクトル成分において統計的独立で平均4のガウス分 布であると仮定する.スペクトルゲインは

%(&

%3' %((

¼

%(

5

' %(

½

%(

5

? %(

3'? %(

%(

5 %(

@

%(

5

%34(

で求められる.式中の各関数は

%(&

%(

3' %(

7

%( %33(

? %(&

3!

!

@% %((

3' %(

%35(

%(&

7

%(

3!

%3.(

で求められる.¼

½はそれぞれ4次と3次のA 関 数,!は雑音混入音声中に音声成分が存在しない確率を 表している.

(4)

法

==>法は,統計モデルとして,音声と雑音 ともにスペクトル成分において統計的独立で平均4のガ ウス分布であると仮定してスペクトルゲインを求めた.

しかし,音声のスペクトル成分は,スーパーガウス分布 であることが知られている.統計モデルとしてガウス 分布とした場合は,その振幅はレーリー分布をとる061. スーパーガウス分布の確率密度関数%/ ,(は音声の分 散をとして式%32(で表せる.

%(&

"

·½

B%#'3(

·½

@"

%32(

ただし,式中のは音声の振幅を表していて,#と"は 変数であり,%(の形状を決定する.# &4$43,"&3$6 のとき最も音声をモデル化するのに適している061.

C=>/法では,雑音混入音声がという条件での 音声の振幅と偏角における条件付き確率%%( を最大にする振幅と偏角を雑音混入音声中のクリ ア音声の推定振幅,偏角の値7,7とする061.スペクト ルゲインは,

&&'

&

¾

'

#

5

%36(

&&

3

5

"

2

%39(

で求められる.

ミュージカルノイズの抑制と音質 改善

ミュージカルノイズの抑制

高域抑制

スペクトルサプレッション法を用いてノイズキャンセ ラを行なった場合,雑音抑圧後にミュージカルノイズが 発生する.そこで,ミュージカルノイズを抑えるために ミュージカルノイズの周波数帯域が高域であることか ら,図5のような重み%'(をスペクトルゲインに掛け ることによる高域抑制を行なう.

%'(&4$6%5 '

'

('4$6 %3:(

ただし,'はサンプリング周波数である.

音質改善

原音付加

雑音抑圧の時に,抑圧のしすぎにより音声に歪みが発 生し音質が劣化してしまう.そこで,雑音抑圧後音声に,

事後8%雑音混入音声対雑音比( %(に基づいて,原

−5000 0 −4000 −3000 −2000 −1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 0.1

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

frequency w(f)

図5! 重み%'(%高域抑制(

音%観測信号&音声'雑音(をある割合だけ付加するこ とにより雑音抑圧によって生じた音声の歪みを補う.

7

%(&

7

%('

½

%( %5( %((

7

%('

¾

%(%( %3( %( 5(

7

%( %(

%3;(

Speech estimation

SNR estimation y(n)

Y(k)

ξ,γ G(k)

X(k) x(n)

^ ^

Weighting

FFT IFFT

図.! 原音付加

シミュレーション

文献 051が提案している重み付き雑音推定に基づく

==>法によるノイズサプレッションを従来法 とし,従来法に提案法を用いた場合についてシミュレー ションを行なった.表3にシミュレーション条件を示す.

また,雑音抑圧後の評価として,客観評価として,信 号対雑音比%8(評価を行ない,主観評価として,実 際に音声を聞いてみて,ノイズサプレッション前とノイ ズサプレッション後の音質を比較した.

信号対雑音比%8(評価として,ノイズサプレッショ ン前の信号対雑音比評価として,雑音の無い音声 %(

(5)

の二乗平均と雑音%(の二乗平均の比を83とする.

ノイズサプレッション後の信号対雑音比評価として,雑 音の無い音声 %(の二乗平均と雑音のない音声 %(

とノイズサプレッション後の音声7%(との誤差%(の 二乗平均の比を85とする.それぞれ次式で表せる.

)* 3&34

½¼ %(

¾

%(

¾

%3<(

%(& %(7%( %54(

)* 5&34

½¼ %(

¾

%(

¾

%53(

分析フレーム長 サンプルの 窓 オーバーラップ長 サンプル

評価方法 ,主観評価

入力音声 サンプリング周波数の男性の音声 雑音 白色雑音約,バブル雑音約

表3! シミュレーション条件

法によるノイズサプレッ ション

従来法

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 10 4

−5 0 5 10

Speech

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 10 4

−10

−5 0 5 10

Noisy Speech

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 10 4

−5 0 5 10

output

図 2! 従来法.白色雑音.上から順に雑音の無い音声D 雑音混入音声Dノイズサプレッション後音声.8改善 量%)* 5)* 3(.$33.;0A1

図2に示す波形は,文献051が提案している重み付き雑 音推定に基づく==>法によるノイズサプレッ ションを行なった場合の,白色雑音の時の音声波形で,

上から雑音の無い音声波形,雑音混入音声波形,ノイズ サプレッション後の音声波形を表している.同様に,図

6は,バブル雑音の時の音声波形を表している.どちら の場合も実際に雑音抑圧後音声を聞いてみたところ雑音 はかなり消えているが音質が劣化してしまった.特に,

バブル雑音のときの音質の劣化が大きかった.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 10 4

−5 0 5 10

Speech

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 10 4

−5 0 5 10

Noisy Speech

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 10 4

−5 0 5 10

output

図6! 従来法バブル雑音.上から順に雑音の無い音声D 雑音混入音声Dノイズサプレッション後音声.8改善 量%)* 5)* 3(!4$24<50A1

改善法 原音付加,高域抑制

従来法に音質改善%½ &4$.¾ &4$36(を行なった 場合の白色雑音の時の音声波形を図9,バブル雑音の時 の音声波形を図:に示す.どちらの場合も雑音抑圧後音 声を聞いてみたところ音質が従来法よりも改善した.し かし,従来法よりも雑音が少し残る.また,バブル雑音 のとき,雑音抑圧後の音声はこもったように聞こえる.

法によるノイズサプレッシ ョン

重み付き雑音推定に基づく 法 文献051が提案している重み付き雑音推定を用い,C

=>/法061によるノイズサプレッションを行なった場 合の,白色雑音の時の音声波形を図;に,バブル雑音 の時の音声波形を図<に示す.どちらの場合も==

>法よりもノイズを抑えることができ音質も==

>法と比べるとそれほど劣化しない.しかし,音質 はこもった感じに聞こえる.

法によるノイズサプレッシ ョンの音質改善

C=>/法において式%3;(のように閾値を設定し て原音付加を行ない,雑音抑圧音声を聞いてみたところ あまり音質の改善がなかった.図;図<より,音声が雑 音より弱いところでは雑音抑圧後に音声がほぼ完全に 抑えられてしまう.そこで,式%55(のように,閾値を 設定せず原音を付加する割合を固定してシミュレーショ ンを行なった.

(6)

7

%(&

7

%('4$36%( %55(

原音を付加する割合を固定したところ,雑音は残る が白色雑音,バブル雑音両方の場合で音質が今回シミュ レーションを行なった中で最も改善した.特に,バブ

ル雑音の場合音質が大きく改善した.しかし,白色雑 音の場合雑音がやや大きくなってしまう.

白色雑音とバブル雑音の双方に適用できる方式とし て,雑音スペクトルの形や時間的な変化により雑音の特 性を推定し,原音付加方式のパラメータを制御する方式 が望ましい.

まとめ

本稿では,スペクトルサプレッション法による単一マ イクノイズキャンセラにおいて,ミュージカルノイズを 抑制する方法と音質を改善する方法について検討を行っ た.まず,ミュージカルノイズを抑えるために,その周 波数成分が高域にあることを利用して,高域抑制を行な う方法を検討した.次に,雑音抑圧後の音声に原音%観 測信号&音声'雑音(をある割合で付加することにより 雑音抑圧によって生じた音声の歪みを補う方法について 検討した.

さらに,従来法051と本稿で改良を加えた方法につい てシミュレーションを行ない,従来法では雑音をかなり 抑えることができるが音質が劣化すること,特に,音声 とスペクトルや非定常性が似ているバブル雑音の場合 劣化が大きいことを確認した.また 本稿で改良を加え た方法を用いると,雑音は少し残るが,従来法より音質 がかなり改善されることを確認した.しかし,白色雑音 のときは雑音がやや大きくなってしまった.

今後の課題として,雑音の有色性や非定常性を評価 し,音源付加を制御する閾値を可変にする必要がある.

また,本稿では,白色雑音とバブル雑音のみで検討を行 なったので,他の種々の雑音を用いて有効性について検 証する必要がある.

参考文献

! !"#$%&# &'(

# ) * + , -

, *. ,

/

0 1'2 33%3'4#%%#

" 加藤正徳,芹沢昌宏,杉山昭彦携帯電話用雑音抑圧技 術の標準化,第3回!シンポジウム, 2,-1.

#%%#

( 加藤正徳,芹沢昌宏,杉山昭彦長谷川厚志,水越明哉

重み付き雑音推定に基づくノイズサプレッサの!実 現と"5!!評価,第3回!シンポジウム, 2",

-1.#%%#

2 6 !7 *-89*4 :

! !

; 5

!< =!/>%(?7 @((3

$% #%%( 金沢大学 工学部 電気・情報工学科 卒 業論文,0.#%%#動作解析,金沢大学 工学部 電気・

情報工学科 卒業論文,0.#%%(

(7)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x 10 4

−5 0 5 10

Speech

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 10 4

−5 0 5 10

Noisy Speech

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 10 4

−5 0 5 10

output

図9! 音質改善を行なった==>法.白色雑音.

上から順に雑音の無い音声D雑音混入音声Dノイズサプ レッション後音声.8改善量!26;490A1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 10 4

−5 0 5 10

Speech

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 10 4

−5 0 5 10

Noisy Speech

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 10 4

−5 0 5 10

output

図 :! 音質改善を行なった==>法.バブル雑 音.上から順に雑音の無い音声D雑音混入音声Dノイズ サプレッション後音声.8改善量!4$24<50A1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 10 4

−5 0 5 10

Speech

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 10 4

−10

−5 0 5 10

Noisy Speech

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 10 4

−5 0 5 10

output

図 ;! 重み付き雑音推定に基づくC=>/法.白色 雑音. 上から順に雑音の無い音声D雑音混入音声Dノイ ズサプレッション後音声.8改善量!59;5.0A1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 10 4

−5 0 5 10

Speech

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 10 4

−5 0 5 10

Noisy Speech

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 10 4

−5 0 5 10

output

図 <! 重み付き雑音推定に基づくC=>/法.バブ ル雑音. 上から順に雑音の無い音声D雑音混入音声Dノ イズサプレッション後音声.8改善量!3$243<0A1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 10 4

−5 0 5 10

Speech

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 10 4

−10

−5 0 5 10

Noisy Speech

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 10 4

−5 0 5 10

output

図 34! 原音付加%固定(を行なったC=>/法.白 色雑音. 上から順に雑音の無い音声D雑音混入音声Dノ イズサプレッション後音声.8改善量!.6;9.0A1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 10 4

−5 0 5 10

Speech

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 10 4

−5 0 5 10

Noisy Speech

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 10 4

−5 0 5 10

output

図33! 原音付加%固定(を行なったC=>/法.バブ ル雑音. 上から順に雑音の無い音声D雑音混入音声Dノ イズサプレッション後音声.8改善量!4$29350A1

参照

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