メンフクロウの音源定位機構のハードウェアモデル

平成 21 年度電子情報通信学会東京支部学生会研究発表会
講演番号：3
メンフクロウの音源定位機構のハードウェアモデル
A Study on a Hardware Model of Sound Source Localization Mechanism in Barn Owl
櫻井 翼*1
Tsubasa SAKURAI*1
渡邊 美希*2
関根 好文*1
*2
Miki WATANABE
Yoshifumi SEKINE*1
*1
*1
日本大学理工学部
College of Science & Technology, Nihon University
*2
*2
日本大学大学院理工学研究科
Graduate School of Science & Technology, Nihon University
1. まえがき
メンフクロウは音源の場所を特定する音源定位能
力が非常に優れており，左右方向，上下方向で音源
定位を行うことができる[1]．音源定位を行う際に，
メンフクロウの脳内では，両耳到達時間差 (Interaural Time Difference 以下，ITD)と両耳到達音圧差
(Inter-aural Level Difference 以下，ILD)が別々の経路
で処理され，ITD は左右方向を，ILD は上下方向の
位置を定位することができる[2]．
我々はメンフクロウの音源定位機構を工学的に応
用することを目的に検討を行っている．工学的な応
用例としては，ヒューマノイドロボットが周囲の環
境を把握するための装置，及び聴覚障害者のための
補助装置が挙げられる．
本稿では，先に提案されているパルス形ハードウ
ェアニューロンモデル(Pulse-type Hardware Neuron
Model 以下，P-HNM)[3]を用いて，左右方向の位置
を定位できる ITD のハードウェアモデルについて
検討を行ったので報告する．
2. 本論
メンフクロウの音源定位機構 ITD を検出する経
路は，大細胞核を通り，層状核へと伝えられる．大
細胞核は遅延線として働き，層状核は位相同期した
神経発火のみに反応する性質があることから一致検
出器として働いており，時間差に応じた場所でパル
スを発生する．
図 1 に，今回検討を行った ITD モデルの概略図
を示す．図中，Left input，Right input は，入力端子
を示し，パルス変換した音声信号を入力させる．ま
た，○は P-HNM で構成した一致検出細胞体モデル
Ci を示しており，添え字 i は，左側から順に配置し
た N 個の一致検出細胞体モデルの i 番目を示す．□
は遅延線として働く P-HNM の軸索モデル AL，Ri を
示し，添え字 L，R は，Left input 側，Right input 側
を示す．更に，軸索モデルの各出力から一致検出細
胞体モデルへは，矢印で示す P-HNM のシナプスモ
デルにより接続する構成とした。同図は，Left input，
Right input からパルスが入力されると，それぞれの
軸索モデルを遅延しながら順次伝搬し，一致検出細
胞体モデルに逐次入力する．また，N 個配置した一
致検出細胞体モデルは，1 つのパルス入力では発火
せず，2 つのパルスが同時に入力した場合のみ発火
する．本モデルは，一致検出細胞体モデルの発火し
た位置により，到達時間差を検出することができる．
図 2 に，図 1 の Left input 側の入力時間を固定し，
Right input 側の入力時間を遅らせた場合の Ci の発火
位置特性を示す．図中，縦軸は一致検出細胞体モデ
ル Ci の番号を示し，横軸は Left input と Right input
の入力時間差を示す．今回一例として，一致検出細
-3-
胞体モデル数 N=15 の場合を示す．また，中心位置
は 8 番目の Ci であり，軸索モデル AL，R それぞれの
最大遅延時間は約 3.3[us]とした．同図は，時間差
を長くした場合，図 1 の ITD モデルの検出位置が
中心位置から右側に推移していることを示している．
したがって，発火した Ci で時間差の検出ができる
ことを示している．
AL1
AL2
ALi
ALN
Left input
C1
C2
Ci
CN
Right input
ARN
ARN-1
図1
ARN+1-i
AR1
ITD モデルの概略図
15
14
13
Number of C i
Ａ－1
12
11
10
9
8
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6
Time difference [us]
図 2 発火位置特性
3. まとめ
今回，P-HNM を用いてメンフクロウの音源定位
機構 ITD のハードウェア化を行い，入力時間差を
与えた場合の発火位置特性について検討を行った．
その結果，入力時間差に応じて，一致検出細胞体モ
デルの位置が推移しており，発火した位置で時間差
の検出ができることを明らかにした．
今後，検出した位置による音源位置の精度に対す
る検討を行うと共に，上下方向の位置を定位する
ILD モデルの構築を行う予定である．
参考文献
[1] 小西正一，“メンフクロウの両耳による聴覚情報処理”，
日経サイエンス，Vol.23,No.6 pp.90-99(1993)．
[2] 小黒亮平，関根好文，“メンフクロウの音源定位機構の
ハードウェアによるモデル化”，電気学会電子回路研
究会資料，ECT-06 pp.25-30(2006)．
[3] 関根好文，隅山正巳，佐伯勝敏，合原一幸，“エンハ
ンスメント型 MOSFET によるΛ形ニューロンモデル”，
Vol. J84-C, No. 10, pp988-994(2001).
Copyright © 2010 IEICE