音声雑音除去のための非線形ディジタルフィルタ - …...©2012 MEIJI UNIVERSITY. ALL RIGHTS RESERVED. 111 音声雑音除去のための非線形ディジタルフィルタ

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音声雑音除去のための非線形ディジタルフィルタ

明治大学理工学部情報科学科

教授荒川薫

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はじめに音声に混入した雑音を除去するには主に以下の方法がある。

A)複数のマイクロフォンと，複数の入力情報を用いることにより雑音を除去する。

B)単一のマイクロフォンを用い，音声と雑音の統計的性質の違いを利用して雑音を除去する。

単一マイクで雑音を除去する方式を提案

A)は性能は良いが，実装システムが大規模・複雑になる。


単一マイクロフォンによる従来の音声雑音除去

• 音声と雑音の統計的モデルの違いに基づいた信号分離。 – 非定常的な音声は統計的モデルで効果的に表わされにくい。

– 理論的に最適でも，聴覚上違和感が感じられる。 – 実際の音声と雑音の統計的モデルを得るのが困難

今回非線形ディジタルフィルタを新たに提案。


提案する非線形ディジタルフィルタの特徴

• 音声の非定常性に容易に対応。 • 回路規模が比較的小さく，計算量が比較的少ない。 • 音声と雑音のモデルを推定する必要が無い。 • 聴覚上，良好な音声出力が得られる。


提案する非線形ディジタルフィルタ（CSフィルタ）の原理

• CSフィルタ（成分分離フィルタ） – 二つのε‐フィルタ（HとE）から構成 – Hで，信号の構造成分を除去し，その残差成分をEで処理。 – 最後に両者を統合。

CSフィルタ構成図

H

Nonlinear

ε-Filter:E

x(n) s(n)

- + +

+

v(n)

y(n)

H

E

入力信号

出力信号


ε-フィルタとは • ε-フィルタの入出力関係式

x(n)：n時点における入力信号，y(n):n時点における出力信号，窓サイズ：2N+1，ai:低域フィルタ係数

∑−=

−++=N

Nii nxinxFanxny ))()(()()(

ε

ε

-ε

-ε ｐ

F(ｐ)

0

図１非線形関数Fの例

入力信号の突発的変化を維持しながら小振幅高周波雑音を除去

ε/2>

図２ ε-フィルタの処理特性


ε-フィルタの処理例

– 小振幅相加性雑音の除去 – 急峻な変化を伴う高周波成分の保存

-500

50100150

200250

0 50 100 150 200 -500

50100150

200250

0 50 100 150 200

-50

0

50100

150

200

250

0 50 100 150 200-500

50100

150200

250

0 50 100 150 200

(a) 原信号 (b) 原信号＋雑音

(c) 平均値フィルタ（タップ数9） (d) ε-filter （タップ数9）


ε-フィルタのハードウェア構成 ∑ −−+=k

k nxknxFanxny ))()(()()(

DFF

減算回路

PE PE PE PE

DFF DFF DFF

減算回路

減算回路

減算回路

加算回路

入力信号

出力信号

PE

F

F

F

F


ε-フィルタの問題点傾斜部での雑音の残留

エッジの強調

信号の尖端部の平坦化

>ε <ε

>ε


ε-フィルタの問題点を解決する成分分離型フィルタ（CSフィルタ）

CSフィルタ構成図

H

Nonlinear

ε-Filter:E

x(n) s(n)

- + +

+

v(n)

y(n)

H

E

入力信号

出力信号

• 入力信号中の大まかな構造成分を予めHにより差し引いておく。

• Hはεが十分大きなε-フィルタ。


音声雑音除去のための CSフィルタの平滑力適応操作

• 母音と摩擦音では，信号の統計的性質が大きく異なる。

各時点の高周波成分の比重rを求めて， CSフィルタの非線形関数を制御する。

入力信号において母音部（低周波成分が顕著な箇所）とそうでない箇所で，平滑力を変える。


音声雑音除去のための二段適応CSフィルタ

+

v1(n)

- +

s1(n)

+

H

E

x(n)

+

v2(n)

-

s2(n) H

E +

+ y(n)

一段目：小振幅高周波雑音除去

（入力）（出力）

二段目：小振幅低周波雑音除去


スペクトルサブトラクション（SS）法 - 雑音の周波数スペクトルを推定し，入力信号から減算する手法しかし，SS法では雑音スペクトルの引き残しが発生する。

そこで，SS法で処理を行った後に，CSフィルタ処理を行う

スペクトルサブトラクション法との組み合わせ

SS法 CSフィルタ (二段適応）

入力音声出力音声


実際の音声に対する処理結果

• 音声データ – サンプリング周波数22.05kHz，16ビット「これは音声実験用のデータです」

• 付加雑音 – 白色ガウス性雑音 SNR： 8，11，14dB の3通りについて実験 – 自然雑音屋外での交通騒音


白色雑音付加音声に対する処理結果

(a)原音声信号 (b)入力信号（(a)+雑音） (c)線形低域通過フィルタの処理結果

(d)二段適応CSフィルタ (e)SS法（１回）処理結果 (f)(e) を入力として二段適応 CSフィルタ処理

(g)SS法で二回処理後 (h)(g)を入力として二段適応 CSフィルタ処理

入力SNRが10.7dBの場合。 (f)(h)のCSフィルタパラメタは，１段目 H：窓サイズ７，ε=2.0 E：窓サイズ11，ε=0.07 ２段目 H：窓サイズ61，ε=0.04 E：窓サイズ21，ε=0.07


白色雑音付加音声に対する処理結果（拡大図）

(a)原音声信号 (b)入力信号（(a)+雑音） (c)線形低域通過フィルタの処理結果

(d)二段適応CSフィルタ (e)SS法で二回処理 (f)(e) を入力として二段適応 CSフィルタ処理


入力SNRに対する出力SNR


自然雑音に対して

(a) 入力音声信号 (b)提案方式による処理結果


まとめ • 音声に混入した雑音を低減することを目的とした，非線形ディジタルフィルタシステムを提案した。

• 本方式は，単一のマイク入力により，簡単な回路と少ない演算量で実現可能である。

• また，音声信号の統計的モデルなどの予備知識も必要としない。

• 実際に白色ガウス雑音及び自然雑音が付加された音声に対して，効果的に，背景雑音を低減できることを示した。


実用化に向けた課題

• 本フィルタシステムのパラメータはある程度入力のSNに依存する。

• このパラメータ設定をSNに応じて調整できる機能をさらに検討する必要がある。

• また，本システムは，コンピュータ上のシミュレーションで実現されているが，ハードウェア化なども今後の検討事項である。


企業への期待

• 未解決のハードウェア化については，ディジタル回路，信号処理の技術により克服できると考えている。

• ディジタル信号処理技術を持つ，企業との共同研究を希望。

• 音声のみでなく，筋電図，心電図などの生体信号や，各種計測信号の雑音除去にも適用できる。


本技術に関する知的財産権

• 発明の名称：雑音除去装置 • 特許番号：特許4694706号 • 出願人：学校法人明治大学 • 発明者：荒川薫，渡部宏明，荒川泰彦


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お問い合わせ先

明治大学

研究推進部生田研究知財事務室

コーディネーター下崎光明

ＴＥＬ：044-934-7606

ＦＡＸ：044-934-7917

e-mail：mb12007＠meiji.ac.jp

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