ペナルティ付加PSOによる複数音源追尾

平成 25 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： 46
ペナルティ付加 PSO による複数音源追尾
A-4 Multiple Sound Source Tracking by Penalty–Added PSO
平川真里
Masato Hirakawa
陶山健仁
Kenji Suyama
東京電機大学 工学部 電気電子工学科
School of Engineering, Tokyo Denki University
1
まえがき
本研究では，2 マイクロホンによる複数音源追尾につ
いて検討する．提案手法では，音声のスパース性を利用
した MUSIC (MUltiple SIgnal Classification) [1] スペク
トルのピークサーチに PSO (Particle Swarm Optimization)[2] を用いる．PSO の評価関数にペナルティを付加
し，同一ピークへの収束および空間エイリアシングによ
る偽りのピークへの収束を回避する．実環境実験より提
案手法の有効性を示す．
2
問題設定
時刻 n で方向 θi (n)，i = 1，2 の音源信号 s1 (n)，s2 (n)
を，間隔 d で並べた 2 個のマイクロホンで受音する．マ
イクロホン間には到達時間差 τi (n) = d sin θi (n)/c が生
じる．ここで c は音速である．複数移動音源追尾問題は，
受音信号から θi (n) を推定する問題である．
4
実環境実験
提案手法の有効性を示すために実環境実験を行った．
実験は 9.0[m]×26.0[m]×2.5[m]，残響時間 0.51[s]，騒音
レベル 38.4[dB] の部屋で行った．サンプリング周波数は
8[kHz]，DFT サイズは 512，オーバーラップ長は 50%，使
用周波数は 0.6[kHz]∼ 4[kHz] とした．事前実験より，ペ
ナルティ関数に用いたピークサーチ間隔は 5[◦ ]，MUSIC
の忘却係数を 0.90，PSO の w = 0.6，c1 = 1.0，c2 = 1.3
とした．実験には，8 つの信号パターンについて試行し
た．追尾精度の検証には正解率を用いた．正解率の基準
には誤差の絶対値が 10[◦ ] 以下であれば正解とみなした．
また，演算時間の検証として 1[s] 当りの演算時間 (RTF)
を用いた．表 1 に実験結果を示す．
表 1 The results of Correct–Ratio(CR) and RTFs
moving speech
CR[%]
pattern pattern
1
89.6
2
92.4
1
3
90.9
4
93.8
1
82.0
2
81.6
2
3
83.6
4
78.8
3
提案手法
提案手法は MUSIC に基づく手法である．MUSIC で
は MUSIC スペクトル PM U (θ, t, k) のピーク点より音源
方向を推定する．ただし t は時間フレーム番号，k は周
波数帯域番号である．PM U (θ, t, k) は次式となる．
PM U (θ, t, k) =
aH
k (θ)ak (θ)
H
ak (θ)QN (t, k)QH
N (t, k)ak (θ)
(1)
一般に MUSIC で方向推定可能な音源数はマイクロホン
数未満である．提案手法では音声のスパース性を仮定
し，複数の音源方向にピークをもつ MUSIC スペクトル
PM U (θ, t) = k PM U (θ, t, k) を得る．
しかし，PM U (θ, t) は雑音や，複数音源信号が含まれる
周波数帯域の影響により，音源方向以外にも多数のピー
クをもつ．さらに高周波数帯域では空間エイリアシング
の影響による偽りのピークが生じるため，音源方向に対
応するピークの探索は困難である．
そこで，ピーク探索に PSO を用いる．PSO では式
(1) にペナルティを与えれば探索空間の設定が可能であ
る．提案手法では，ペナルティ関数を設定するのため
に次のような 3 段階の処理を行う．まず，低周波数帯
域の PM U (θ, t, k) の分母項をおおまかに走査し，すべ
てのピーク点 Plow を得る．次に，すべての k に対する
PM U (θ, t, k) の分母項を加算し，Plow 付近のピーク点
Pall を算出する．最後に Pall から大きいピーク P1 ，P2
を算出し，P1 ，P2 を平均値とするガウス関数 Fg1 ，Fg2
を PSO のペナルティ関数として用いる．
RTF
0.0995
0.0995
0.0990
0.0995
0.0995
0.0995
0.0995
0.0995
これより，提案手法が実時間で音源追尾に成功してい
ることが確認できた．
5
まとめ
本研究では 2 マイクロホンによる複数音源追尾を提案
した．スパース性を仮定し複数音源に対応する MUSIC
スペクトルを用いた．PSO により MUSIC スペクトル
のピーク探索を行い，ペナルティ関数に MUSIC スペク
トルの分母項を利用した．実環境実験より，提案手法が
実時間で複数音源追尾可能であることを示した．
参考文献
[1] R.O. Schmidt, “Multiple emitter location and
signal parameter estimation,” IEEE Trans. AP.,
Vol.34, No.3, pp.276–280, 1986.
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[2] J. Kennedy and R.C. Eberhart, “Particle Swarm
Optimization,” Proc. of Int. Conf. Neural Networks, pp.1942–1948, 1995.
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