JPH07146366A - 物体移動情報検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 死角にある移動物体の位置、移動方向、移動
速度などを測定可能とする。 【構成】 音源信号でスピーカ２１を駆動して、通路２
５に音波を放射し、通路２５内の音波をマイクロホン２
２で受音し、その受音出力ｙ（ｋ）とｘ（ｋ）とを音響
エコーキャンセラ２３に入力して、インパルス応答を推
定し、残留エコーの発生時間から、マイクロホン２２か
ら移動物体１３までの最短経路の音波伝搬時間を求め、
この時間から物体１３の位置を知る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は例えば部屋への侵入者
の監視に適用され、移動物体の位置、移動方向、移動速
度、存在方向などの移動情報を検出する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、物体の移動、部屋への侵入者の有
無の監視には、ビデオカメラ、光センサ、超音波センサ
などが用いられてきた。これらは、対象となる物体で反
射した光や超音波を検出することで物体の移動情報を検
出する方法である。例えば図４に示すように部屋１１の
上部の一隅にビデオカメラ、光センサ、超音波センサな
どの監視装置１２が設けられ、その監視装置１２の視野
内に物体１３が入ると、その物体１３が検出され、物体
１３の各種移動情報も知ることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の装置において
は、監視装置１２と物体１３との間に障害物１４が存在
し、監視装置１２の死角、つまり、監視装置１２から直
接見通しがきかない場所にある物体１３の移動情報は全
く検出できない。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この発明によれば音波に
関する２点間以上のインパルス応答がインパルス応答測
定手段により継続して測定され、移動情報検出手段によ
り、その測定したインパルス応答の相違を基に、移動物
体からインパルス応答測定手段までの最短経路で伝搬す
る時間を求め、その伝搬時間、又は複数のインパルス応
答に関する伝搬時間差に基づいて移動物の位置、移動方
向、移動速度、存在方向などの移動情報が推定される。

【０００５】つまりこの発明では、音波の回折、散乱、
反射現象を利用することと、２点以上の間のインパルス
応答の変動、又はこれと等価なものを利用することによ
り、上記従来技術の問題点を克服してビデオカメラ等の
死角にある物体の移動の方向、位置、速度などの移動情
報の検知を可能とする。なお、従来技術の超音波センサ
は光センサの原理と同様に超音波の直進性を利用したも
のである。しかしこの発明で言うところの「音波」とは
回折、散乱、反射現象が十分に利用できる可聴周波数程
度の音波を意味する。具体的には超音波とは数１０ｋＨ
ｚ以上の周波数の音波を意味し、この発明の「音波」と
は十数ｋＨｚ以下の可聴音波を意味する。

【０００６】

【実施例】図１を参照してこの発明の原理を説明する。
図１Ａにおいて図４と対応する部分に同一符号を付けて
ある。この発明では監視されるべき空間、この例では部
屋１１内の音波に関する２点間のインパルス応答を測定
するインパルス応答測定手段２０が設けられる。つまり
音源信号ｘ（ｋ）で部屋１１の一側部に設けられたスピ
ーカ２１が駆動され、スピーカ２１から音波が部屋１１
へ放射され、部屋１１からの音波がスピーカ２１と同一
側に設けられたマイクロホン２２で収音され、その出力
ｙ（ｋ）と音源信号ｘ（ｋ）とがインパルス応答演算部
２３へ供給される。

【０００７】スピーカ２１から放射された音波は、回折
効果などにより障害物１４の向こう側（図の左側）にも
伝搬する。この時、物体１３に達した音波は、物体１３
による散乱や反射などの影響を受ける。その後、音波は
障害物１４に対しスピーカ２１と反対側（図の左側）の
壁面などで反射されて再度部屋１１の右側、つまりスピ
ーカ２１、マイクロホン２２側に伝搬し、マイクロホン
２２で受音される。ここで重要なことは、物体１３の位
置によって、物体１３により音波に与える影響が異な
る。従って、図の左側から戻って来る音波を継続的に観
測すると、物体１３が移動した場合には音波の戻り方が
異なる。このことを利用して、物体の移動情報を検出す
ることが可能である。しかし、実際には左側から戻って
くる音波のみを選別して観測することはできない。そこ
で、インパルス応答演算部２３において、スピーカ２１
からマイクロホン２２までの音響的なインパルス応答を
測定する。インパルス応答の具体的測定手段は、例え
ば、中溝：“信号解析とシステム同定”コロナ社（１９
８８）などに記載されている。

【０００８】インパルス応答は部屋１１内全体の音響伝
達特性を表しているので、物体１３が移動した場合に
は、その物体１３がスピーカ２１、マイクロホン２２に
対し障害物１４の向こう側にあったとしても、インパル
ス応答が変化することが予測される。インパルス応答の
変化は、物体が移動した結果、それまで物体のあった場
所では音波が物体の影響を受けなくなり、また新たに物
体が移動した場所では音波が物体の影響を受けるように
なることで生じる。つまり、物体が移動したことによる
インパルス応答の変化はスピーカ２１から移動物体１３
に達した後にマイクロホン２２に到達する。従って、物
体１３が移動したことによるインパルス応答の変化は、
スピーカ２１から移動物体１３まで、そして、移動物体
１３からマイクロホン２２までの距離を音波が最短経路
で伝搬する時間に相当する時間遅れの後に大きな振幅を
持つ。この遅れ時間のことをこの明細書では「最短到達
時間」と呼ぶことにする。図１Ｂは物体１３の移動によ
るインパルス応答の変化（異なる２つの時刻で測定した
インパルス応答の差分）の模式図であるが、この波形の
なかで大きな変化がある最も早い時刻が最短到達時間で
ある。

【０００９】図１Ｃにこの最短到達時間から移動物体１
３の位置を推定する簡単な例を示す。Ｌ字状に曲った通
路２５の一端部にスピーカ２１、マイクロホン２２が設
けられ、移動物体１３がスピーカ２１に対し通路２５の
曲った先に位置している。スピーカ２１から出て、移動
物体１３で折り返してマイクロホン２２に至る矢印の付
いた破線は音波の伝搬経路を示している。この図に示す
ように、スピーカ２１とマイクロホン２２との間隔より
移動物体１３が十分大きければ、スピーカ２１、マイク
ロホン２２から移動物体１３までの距離は、最短到達時
間に音速を乗じた距離の約半分と推定される。図１Ｃで
はスピーカ２１、マイクロホン２２が通路２５の片方の
端に配置されているので、１つの最短到達時間から移動
物体の位置が特定可能となる。

【００１０】スピーカ２１、マイクロホン２２、移動物
体１３が３次元に任意に配置されている場合は複数のマ
イクロホンを用いることで物体の位置または方向が推定
可能である。最短到達時間はマイクロホンごとに異な
り、例えば、移動物体に近いマイクロホンは、移動物体
から遠いマイクロホンに比べて最短到達時間が短い。こ
のような最短到達時間の差からソナー、レーダー等の分
野で知られている方法により移動物体の位置、方向の推
定が可能である。また、時間間隔をおいて移動物体の位
置を検出して、位置の変化を測定することで、移動物体
の移動速度や移動方向を検出することができる。

【００１１】なお、音波を物体に当て、その反射波から
物体の位置を推定するというソナーの原理をそのまま室
内のような反射音の多い環境で用いても、室内の他の多
数の反射音に物体からの反射音が埋もれてしまい、物体
の位置の推定は困難である。例えば、図１Ｃにおけるイ
ンパルス応答では移動物体からの反射音が、通路、壁面
からの多数の反射音に埋もれている。しかし、この発明
では、壁面等の反射音は時間的に変化しないことに着目
し、インパルス応答の時間変化を利用することで移動物
体の方向または位置の推定が可能となった。

【００１２】以上説明したように、この発明に基づけ
ば、従来の方法では不可能であった監視装置の死角の位
置にある物体の移動情報も検出可能である。図２Ａにイ
ンパルス測定手段２０として音響エコーキャンセラ５１
を用いた例を示す。よく知られているように、音響エコ
ーキャンセラ５１は、スピーカ２１から送出された音が
マイクロホン２２で受音されてハウリングなどの問題が
発生することを防止する装置である。音響エコーキャン
セラ５１の動作は、スピーカ２１とマイクロホン２２の
間のインパルス応答をインパルス応答推定部５３で推定
し、推定されたインパルス応答を持つフィルタとスピー
カ２１の音源信号ｘ（ｋ）とを、畳み込み部５２で畳み
込み演算して疑似エコーｙ（ｋ）を合成し、これをマイ
クロホン２２の出力ｙ（ｋ）から引算することで、スピ
ーカ２１から出てマイクロホン２２で受音された信号
（音響エコー）を消去するものである。音響エコーキャ
ンセラ５１におけるインパルス応答の推定は適応アルゴ
リズムを用いるのが通例である。適応アルゴリズムと
は、ディジタル化された音源信号ｘ（ｋ）と残留エコー
ｅを利用して、各サンプル時刻毎に逐次的にインパルス
応答を推定するアルゴリズムであって、学習同定法、Ｌ
ＭＳ法などが代表例として知られている。音響エコーキ
ャンセラ５１の詳細については、特願平４−４４６４９
「反響消去装置」などに詳しい。

【００１３】さて、図２Ａのような構成において、音源
信号ｘ（ｋ）を入力し、音響エコーキャンセラ５１を動
作させる。音源信号ｘ（ｋ）としては、周波数帯域の広
い定常信号（例えば白色雑音や疑似音声）が望ましい
が、楽音や音声信号などの信号であってもよい。音響エ
コーキャンセラ５１の動作開始後、適応アルゴリズムが
収束するのに要する時間（通常は数秒程度）が経過した
後には、インパルス応答推定部５３にはインパルス応答
が良好に推定されていると考えられる。そして、サンプ
ル時間毎に、インパルス応答の推定値は更新される。言
い換えると、継続的なインパルス応答の測定（推定）が
行われる。そして推定されたインパルス応答は、物体移
動情報検出部２４に転送される。物体移動情報検出部２
４では、時刻ｋに推定されたインパルス応答ｈ（ｋ）＝
｛ｈ（ｋ）０，ｈ（ｋ）１，ｈ（ｋ）２，…｝と、ｍサ
ンプル分の時間過去に推定されたインパルス応答ｈ（ｋ
−ｍ）との差分波形Δｈ（ｋ，ｍ）を計算する。

【００１４】 Δｈ（ｋ，ｍ）＝ｈ（ｋ）−ｈ（ｋ−ｍ） （１） 次に、Δｈ（ｋ，ｍ）の包絡線、又は短時間パワー波形
を求める。例えば、図１Ｂに示す波形をΔｈ（ｋ，ｍ）
とすると、その短時間パワーは図２Ｂに示す波形にな
る。包絡線、又は時間パワー波形が予め定められたしき
い値ＴΔを最初に越えた時刻ｔ０を求める。そして、こ
のｔ０に音速ｃを乗ずることで、音源（スピーカ２１）
−移動物体１３−マイクロホン２２の音響伝搬経路長が
求められ、前述した原理で図１Ｃに示しているような移
動物体１３の位置が検出される。

【００１５】一方、インパルス応答の変動量の検出に
は、音響エコーキャンセラ５１で得られる残留エコーｅ
（ｋ）を利用することも可能である。スピーカ２１とマ
イクロホン２２の間のインパルス応答は、通常、物体１
３の移動に伴って急激に変化する。しかし、音響エコー
キャンセラ５１で推定されるインパルス応答は、急激な
変化に追従できず、推定の遅れを生じる。言い換える
と、実際のインパルス応答がｈａからｈｂに変化した直
後には、音響エコーキャンセラ５１のインパルス応答推
定値は変化前のｈａの値に留まっている。従って、疑似
エコーｙ′（ｋ）、音響エコーｙ（ｋ）は、それぞれ入
力信号ｘ（ｋ）との畳み込みとして、 ｙ′（ｋ）＝ｘ（ｋ）＊ｈａ （２） ｙ（ｋ）＝ｘ（ｋ）＊ｈｂ （３） と表される。ただし、＊は畳み込み演算を表す。これよ
り、残留エコーｅ（ｋ）は ｅ（ｋ）＝ｙ（ｋ）−ｙ′（ｋ）＝ｘ（ｋ）＊（ｈｂ−ｈａ） （４） と表される。（４）式より、残留エコーｅ（ｋ）は、イ
ンパルス応答の変化量（ｈｂ−ｈａ）を反映した量であ
ることがわかる。

【００１６】図３Ａはこの発明の第２の実施例を示す１
個のスピーカ２１に対し、２個のマイクロホン２２ａ，
２２ｂが通路２５に沿って配列して設けられ、スピーカ
２１の音源信号ｘ（ｋ）と、マイクロホン２２ａ，２２
ｂの各出力ｙ１（ｋ），ｙ２（ｋ）とがそれぞれ音響エ
コーキャンセラ５１ａ，５１ｂへ供給される。スピーカ
２１、マイクロホン２２ａ，２２ｂの配された通路に対
し、曲って延長された部分に移動物体１３が位置してい
る。音響エコーキャンセラ５１ａ，５１ｂよりの残留エ
コーｅ１（ｋ），ｅ２（ｋ）が物体移動情報検出部２４
に入力される。この実施例では残留エコーを利用して移
動物体１３がどちらの方向に存在するかを推定する手順
を示す。残留エコーｅ１（ｋ），ｅ２（ｋ）は次式のよ
うに、式（４）と同様にインパルス応答の変化量と音源
信号ｘ（ｋ）とを畳み込んだ信号として表すことができ
る。

【００１７】 ｅ１（ｋ）＝ｘ（ｋ）＊Δｈ１ （５） ｅ２（ｋ）＝ｘ（ｋ）＊Δｈ２ （６） ここで、Δｈ１とΔｈ２はそれぞれスピーカ２１とマイ
クロホン２２ａ，２２ｂとの各間のインパルス応答の変
化量を意味する。図３Ｂに示すようにインパルス応答の
変化量Δｈ１とΔｈ２の波形における値の大きいピーク
の時刻ｋ１，ｋ２はそれぞれのマイクロホン２２ａ，２
２ｂでの最短到達時間であり、その差は移動物体１３か
らマイクロホン２２ａ，２２ｂまでの両距離の差に対応
している。残留エコーｅ１（ｋ），ｅ２（ｋ）は音源信
号ｘ（ｋ）が畳み込まれているので、直接前記距離の差
は知ることはできないが、例えば、音源信号ｘ（ｋ）が
白色雑音なら、次式のようにｅ１（ｋ）とｅ２（ｋ）の
自己相関関数φ（ｉ）を計算することで推定可能であ
る。

【００１８】 φ（ｉ）＝Σ_m ｅ１（ｍ）ｅ２（ｍ＋ｉ） （７） φ（ｉ）から時間差、つまり距離差が推定できる理由を
以下に簡単に示す。φ（ｉ）は次のように変形できる。 φ（−ｉ）＝Σ_m ｅ１（ｍ）ｅ２（−（ｉ−ｍ）） ＝ｅ１（ｉ）＊ｅ２（−ｉ） ＝ｘ（ｉ）＊Δｈ１（ｉ）＊ｘ（−ｉ）＊Δｈ２（−ｉ） ＝ｘ（ｉ）＊ｘ（−ｉ）＊Δｈ１（ｉ）＊Δｈ２（−ｉ） ＝σｘ′２δ（ｉ） ＝σｘ′２Δｈ１（ｉ）＊Δｈ２（−ｉ） （８） ここで、σｘ′２はｘの分散を、δはクロネッカのδで
あり、 δ（ｉ）＝１ （ｉ＝０） ０ （ｉ≠０） （９） である。つまり音源信号ｘ（ｋ）が白色雑音であるから
その自己相関はｉ＝０で１となり、ｉ≠０で０となるか
らである。簡単のため、Δｈ１（ｉ），Δｈ２（ｉ）を
単一の反射音で Δｈ１（ｉ）＝δ（ｉ−ｋ１） （１０） Δｈ２（ｉ）＝δ（ｉ−ｋ２） （１１） と近似すると、 φ（ｉ）＝σｘ′２δ（ｉ−（ｋ２−ｋ１）） （１２） となり、φ（ｉ）≠０となる場合はｉ＝ｋ２−ｋ１であ
り、かつこのｋ２−ｋ１が図３の場合は正である。従っ
て、ｅ１（ｋ）がｅ２（ｋ）に比べて進んでいるので、
移動物体１３はマイクロホン２２ｂよりもマイクロホン
２２ａに近く、図で左側にあると推定される。

【００１９】マイクロホンごとに最短到達時間を求める
方法は（１）式の演算を、物体移動情報検出部２４にお
いて行う必要があるのに対して、この残留エコーｅ
（ｋ）は、音響エコーキャンセラにおいてインパルス応
答推定を行う場合には必ず計算される量であるので、残
留エコーを利用する方法は、大幅な演算量の削減とな
る。前述したように１個のスピーカとマイクロホンとの
間の１つのインパルス応答の変化から、移動物体までの
最短到達時間を求め、この最短到達時間から移動物体の
位置を知ることができ、その位置の時間変化から移動物
体１３が近づいているか遠ざかっているか、つまり移動
方向及び移動速度を求めることができる。

【００２０】１個のスピーカと複数のマイクロホンとの
間の複数のインパルス応答又は同一駆動信号が供給され
る複数のスピーカと１個のマイクロホンとの間の複数の
インパルス応答の各時間軸上での変化から、それぞれ複
数の最短到達時間を求め、これらからそれぞれ移動物体
までの各距離を半径とする円の交点から移動物体の位置
をより正しく求めることができ、同様にその位置の変化
から移動方向、移動速度を知ることができる。以上の何
れの場合もインパルス応答の変化の検出は、残留エコー
を用いてもよい。

【００２１】更に前述のように複数のインパルス応答を
測定する場合は、これらに関する伝搬時間差、つまり前
記（１２）式から移動物体の存在方向を知ることがで
き、これを複数組について測定し、これら方向の交点か
ら移動物体の位置を知ることができ、またその位置の変
化から移動方向、移動速度を知ることができる。

【００２２】

【発明の効果】移動物体の検出において、ビデオカメラ
では視野からはずれた場所にある物体の移動情報検出は
不可能であったが、この発明は音の波動性を利用するこ
とで、スピーカ、マイクロホンから直接見通しのきかな
い場所の移動物体の位置、移動方向、移動速度物体等の
移動情報の検出が可能となる。

【００２３】また、インパルス応答の変化から移動を検
出するため、物体の移動への感度が高いという特徴もあ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａはこの発明の原理を説明するためのインパル
ス応答測定手段と、移動物体と、障害物との関係例を示
す図、Ｂはそのインパルス応答の変化例を示す図、Ｃは
この発明の実施例を示す図である。

【図２】Ａはインパルス応答測定手段に音響エコーキャ
ンセラを用いたこの発明の実施例を示すブロック図、Ｂ
はインパルス応答の変化量の短時間パワーの例を示す図
である。

【図３】Ａは二つのインパルス応答測定を行う場合のこ
の発明の実施例を示すブロック図、Ｂはその二つのイン
パルス応答の変化量の例を示す図である。

【図４】従来の移動物体の監視の場合は障害物によりで
きない状態を示す図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 羽田 陽一 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 音波に関する２点間以上のインパルス応
   答を継続して測定するインパルス応答測定手段と、 上記測定したインパルス応答の相違を基に移動物体から
   上記インパルス応答測定手段までの最短経路で伝搬する
   時間を求め、その伝搬時間又は複数のインパルス応答に
   関する伝搬時間差に基づいて上記移動物体の位置、移動
   方向、移動速度、存在方向などの移動情報を推定する移
   動情報検出手段と、 を具備することを特徴とする物体移動情報検出装置。
2. 【請求項２】 上記インパルス応答手段は音響エコーキ
   ャンセラであることを特徴とする請求項１記載の物体移
   動情報検出装置。
3. 【請求項３】 上記インパルス応答の相違として上記音
   響エコーキャンセラの残留エコーを用いることを特徴と
   する請求項２記載の物体移動情報検出装置。