研究計画提案書（修士）

平成 7 年 4 月 14 日

氏名鵜木祐史学籍番号 410023

主テーマ指導教員赤木正人印副テーマ指導教員下平博印
主指導教員飯島泰三（講座教授）印副指導教員赤木正人（講座助教授）印

＜研究テーマ＞

位相とスペクトルに着目した聴覚の計算理論の構築に関する基礎的研究

＜研究の目的＞

近年、聴覚は能動的な環境把握システムの一環として考えられるようになり、 Marr による視覚の計算理論のような聴覚の計算理論の構築が試みられている。しかし、聴覚の生理学的・心理学的知見は視覚のそれと比較して少ないため、構築の方向性が定まっていなかった。これに対し、 Bregman は Auditory Scene Analysis の考え方を提唱し、計算理論の構築への一方向性を示している。 Marr 流の聴覚の計算理論を構築できれば、聴覚系がどのような処理過程で音を分凝するのか明らかにできる。更に、雑音中の特定の音を効きとるという点でカクテルパーティー効果のモデル化も可能となる。

本研究では、この第一歩として、 Marr が示した３段階の情報表現中の情報抽出のみに限定し、単耳に到来した音響信号の表現に関する計算理論の構築を目的とする。特に、ここでは物理量を位相とスペクトルに限定し、基底膜上の内有毛細胞による情報抽出の計算理論を構築することで、２波形分離の問題解決を目指す。

＜研究の背景・特色＞

聴覚の計算理論に関しては、 Bregman が提唱する聴覚の情景解析 (Auditory Scene Analysis) で示された４つの発見的規則を用いることで、計算理論の構築が試みられている。この聴覚の情景解析に基づく研究では、生理学的知見と心理学的知見に重点がおかれている。代表的な研究として、 Sheffield 大学のグループによる音の調波関係に着目した分凝モデル、井川らの位相の変化に着目した２波形分離法、 MIT の Ellis や NTT の中谷らによる分凝の実装例がある。しかし、生理学的知見や心理学的知見から単に工学的モデルを構築するだけでは、「聴覚は何をしているのか、何故それをするのか」という本質的な説明に欠けている。これに対し、東大の柏野は２つの周波数成分の分離知覚に関して、複数の特徴と分離知覚の生じる割合との定量的関係をモデル化することで計算理論の構築への第一歩を踏み出している。しかし、ここでも何故スペクトログラムを利用するのか、また実際の音が受ける歪や位相変化といった物理的制約条件を考慮していない。

本研究では、単耳に到来した音響信号の表現に関する計算理論を構築し、その後、音の分凝に必要な情報抽出に関する計算理論を構築することを最終的な目的とする。特に、従来のスペクトログラムの代わりに、物理的制約条件を考慮した強度と位相の情報抽出に着目し、何故これらが必要なのか、またどうやって物理的手がかりを抽出するのかという点から計算理論を構築することで、２波形分離の問題に取り組む。

北陸先端科学技術大学院大学情報科学研究科研究計画提案書フォーム（修士）第 1 頁

＜研究計画・方法＞

1. 視覚と聴覚の計算理論の対応関係、および構築構想視覚の計算理論における３段階の情報表現に対応させて、音の分凝に関する計算理論との関係をみれば、 (a) 第１段階で、音響信号を基底膜上に展開し、 (b) 第２段階で、分凝に必要な物理的手がかりを抽出し、 (c) 第３段階で、分凝と音源分離を行っているものと考えられる。ここで分凝とは、「分離されたものがそれぞれまとまること」を意味する。本研究では、これらの情報表現中の情報抽出のみに限定し、「聴覚は外界環境を把握するために必要な物理量を抽出する」とう意味で、音響信号の表現に関する計算理論を構築する。

2. 音響物理学的立場から見た物理的制約条件の調査 (4,5 月)

実際の音が物理的にどういう制約を受けているかという点から、第１段階の情報表現で必要になる物理的制約条件を調査する。

3. 生理学的立場から見た制約条件の調査 (4,5 月)

内耳における音響信号の処理がウェーブレット変換と類似しているという河原の指摘を参考に、基底膜上で音響信号がどのように表現されるのか、またその時の制約条件は何かを調査する。そこで、上記の物理的制約条件も絡めて、第１段階での計算理論のアルゴリズムがウェーブレット変換をすることであると仮定すれば、何故ウェーブレット変換をするのか、そのときの基底関数は聴覚フィルタの近似であるべきなのかなどを検討する。

4. 聴覚の情景解析 (Auditory Scene Analysis) による知見の整理 (5,6 月) Bregman によって、４つの発見的規則と絡めた沢山の事例が報告されている。これは、音の分凝に関する計算理論のアルゴリズムに対応する。ここでは、主に音の分凝に関する知見をできるだけ整理し、その時に必要な物理的手がかりを明らかにする。

5. 聴覚の情報抽出に関する計算理論の構築と実装 (7–10 月)

第１段階の情報表現に関しては、物理的制約条件を考慮したスペクトルと位相の情報抽出に着目し、単耳に到来した音響信号の表現に関する計算理論を構築する。次に、第２段階の情報表現に関しては、基本周波数、周波数変化、立ち上がりのずれに着目し、４つの発見的規則を制約条件とした情報抽出に関する計算理論を構築する。特に、これらの計算理論の構築については意味づけに重点をおき、その評価はどうするかを考察する。計算理論を構成できたら、実際に計算機に実装するためのアルゴリズムを構築する。

6. 聴覚の計算理論の評価と考察 (11,12 月)

純音と雑音から成る２波形を考え、情報抽出に関する計算理論よりこれら２波形分離が可能であることを検証する。また、実際に雑音が混在している音声から音声と雑音を分凝できることと、音声同志が混ざりあった状態からでも分凝できることを確認する。

＜現在までに単位修得した専門教科＞教科数： 7、分野数： 5

{I213 線形システム (イ)、 I216 離散数学 (ア)、 I219 ソフト設計 (オ)、 I220 ＯＳ (エ)、 I411 認識処理 \atop (イ)、 I421 パターン認識 (イ)、 I621 確率過程論 (ウ)、}

北陸先端科学技術大学院大学情報科学研究科研究計画提案書フォーム（修士）第 2 頁