音声伝達指数

音声伝送指数 (STI) は、音声伝送品質の尺度です。音声明瞭度の絶対測定は複雑な科学です。STI は、伝送チャネル (部屋、電気音響機器、電話回線など) のいくつかの物理的特性を測定し、音声信号の特性を伝えるチャネルの能力を表します。STI は、伝送チャネルの特性が音声明瞭度にどのように影響するかを予測する確立された客観的な測定指標です。

伝送チャネルが音声明瞭度に与える 影響^{[1]は、以下の要素に依存します。}

• スピーチレベル
• チャネルの周波数応答
• 非線形歪み
• 背景騒音レベル
• 音響再生機器の品質
• エコー（遅延が100msを超える反射）
• 残響時間
• 心理音響効果（マスキング効果）

STIは1971年にタモ・ハウトガストとハーマン・ステーネケンによって導入され、^[2] 1980年にアメリカ音響学会に承認されました。 ^[3]ステーネケンとステーネケンが音声伝達指数を開発することに決めたのは、オランダ軍のために非常に長くて面倒な音声明瞭度測定を行うという任務を負っていたからです。代わりに、彼らははるかに迅速な客観的な方法（実際にはSTIの前身）の開発に時間を費やしました。^[4]

Houtgast 氏と Steeneken 氏は、オランダ応用科学研究機構 TNO で勤務中に音声伝達指数を開発しました。TNO のチームは、2010 年まで STI のサポートと開発を続け、モデルの改良や STI 測定用のハードウェアとソフトウェアの開発を行いました。その年、STI を担当していた TNO 研究グループは TNO から独立し、Embedded Acoustics という名の民間企業として業務を続けました。Embedded Acoustics は現在も STI の開発をサポートしており、Herman Steeneken 氏 (現在は正式に TNO を退職) は引き続き上級コンサルタントを務めています。

初期の頃 (1985 年頃まで)、STI の使用は、比較的小規模な国際的な音声研究者のコミュニティに限られていました。RASTI (「Room A coustics STI」) の導入により、特にBruel & Kjaer が RASTI 測定装置 (TNO の Steeneken と Houtgast が開発した以前の RASTI システムに基づく) を導入して以来、STI 法はより多くのエンジニアやコンサルタントに利用できるようになりました。RASTI は、元の (「フル」) STI よりもはるかに高速になるように設計されており、測定ポイントごとに 15 分ではなく 30 秒未満で測定できます。ただし、RASTI は (名前が示すように) 純粋な室内音響のみを対象としており、電気音響は対象としていません。電気音響コンポーネント (スピーカーやマイクなど) を備えた伝送チェーンに RASTI を適用することがかなり一般的になり、結果が不正確であるという苦情が寄せられるようになりました。 RASTI の使用は、当時それが唯一実行可能な方法であったという理由だけで、電気音響を特徴とするアプリケーション用のいくつかのアプリケーション標準 (航空機キャビン PA システム用の CAA 仕様 15 など) によっても指定されていました。RASTI の不十分さは、より良い代替手段がないために単純に受け入れられることもありました。TNO は、完全な STI とその他のさまざまな STI 派生製品を測定するための機器を製造および販売していましたが、これらのデバイスは比較的高価で、大きくて重いものでした。

2000 年頃、RASTI に代わる、PA (公共放送) システムにも安全に適用できる方法の必要性が明らかになりました。TNO では、Jan Verhave と Herman Steeneken が新しい STI 方法の開発に着手しました。この方法は後にSTIPA (公共放送システム用のSTI ) として知られるようになりました。STIPA 測定機能を搭載した最初のデバイスは、Gold-Line 社によって製造され、一般向けに販売されました。現在、STIPA 測定機器はさまざまなメーカーから販売されています。

RASTI は 1988 年に IEC-60268-16 として国際的に標準化されました。それ以来、IEC-60268-16 は 3 回改訂され、最新の改訂版 (rev.4) は 2011 年に公開されました。各改訂版には、隣接するオクターブ バンド間の冗長性の組み込み (rev.2)、レベル依存の聴覚マスキング (rev.3)、および非ネイティブや聴覚障害者などの特定の集団に STI を適用するためのさまざまな方法 (rev.4) など、時間の経過とともに STI 研究コミュニティで受け入れられてきた STI 方法論の更新が含まれています。現在、IEC メンテナンス チームが rev. 5 に取り組んでいます。

RASTI は、IEC-602682-16 の改訂版 4 の登場により、2011 年 6 月にIECによって廃止と宣言されました。この時点では、この簡略化された STI 派生規格は、依然として一部の業界で標準方式として規定されていました。現在では、ほぼすべてのアプリケーションにおいて、STIPA が RASTI の後継として見られています。

STIは通信チャネルの特性を数値的に表した尺度であり、その値は0 = 悪いから1 = 優れているまで変化します。^[5] この尺度では、ほとんどのアプリケーションでは少なくとも0.5のSTIが望ましいとされています。

Barnett（1995、^[6] 1999 ^[7] ）は、STIとの数学的関係（CIS = 1 + log（STI））に基づいた基準尺度である共通明瞭度尺度（CIS ）の使用を提案した。

STI は、音節、単語、文が理解される可能性を予測します。たとえば、ネイティブ スピーカーの場合、この可能性は次のように表されます。

非ネイティブスピーカー、言語障害のある人、難聴の人が関与している場合は、他の確率が適用されます。

STI 予測が話されている言語に依存しないのは興味深いことですが、驚くべきことではありません。物理的な発話のパターンを転送するチャネルの能力が測定されるため、驚くべきことではありません。

話者と聞き手のグループを対象に音声知覚テストで評価した音声の明瞭度と高い相関関係にある物理的な尺度を計算するための別の方法が定義されています。この尺度は音声明瞭度指数（ SII ）と呼ばれます。^[8]

IEC 60268-16 ed4 2011規格では、さまざまなアプリケーションに柔軟に対応できるように、資格スケールを定義しています。このアルファスケールの値は「U」から「A+」までです。^[9]

STIは、音声明瞭度に対するチャネルの影響を定量化する指標として国際的に認められています。国際電気標準会議（IEC）の音声伝達指数による音声明瞭度の客観的評価^[9]は、 TC100技術委員会によって策定され、国際標準を定義しています。

さらに、以下の規格では、満たすべき要件の一部として、STI のテストと最小音声伝送指数の実現が統合されています。

• 火災検知および火災警報システムにおける音響システムスピーカーの国際標準化機構（ISO）規格^[10]
• 全米防火協会警報コード^[11]
• 英国規格協会建物用火災検知警報システム^[12]
• ドイツ標準化機構緊急用音響システム^[13]

STIPA ( S peech T transmission I ndex for Public Address Systems ) は、簡略化された方法とテスト信号を使用する STI のバージョンです。STIPA 信号内では、各オクターブ バンドが 2 つの変調周波数で同時に変調されます。変調周波数はオクターブ バンド間でバランスよく分散されるため、まばらにサンプリングされた変調伝達関数マトリックスに基づいて信頼性の高い STI 測定を行うことができます。STIPA は当初、拡声システム (および音声避難システムや大量通知システムなどの同様の設備) 向けに設計されましたが、その他のさまざまなアプリケーションにも使用できます。現在、RASTI が完全な STI より劣ると考えられる唯一の状況は、強いエコーが存在する場合です。

1 回の STIPA 測定には通常 15 ～ 25 秒かかり、RASTI の速度と、完全な STI の (ほぼ) 広範な適用範囲および信頼性を兼ね備えています。

STIPA が広く利用可能になり、RASTI にはいくつかの欠点があり、STIPA に比べて利点がないという事実を考慮すると、RASTI は現在では時代遅れであると見なされています。

「STIPAテスト信号」

NTi Audioの STIPA テスト信号のサンプル(2011)

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STIPA テスト信号は人間の耳には音声に似ていませんが、周波数内容と強度変動の点では音声のような特性を持つ信号です。

音声は、低周波信号によって強度変調されたノイズとして説明できます。STIPA 信号には、7 オクターブ バンドにまたがる 14 の異なる変調周波数での強度変調が含まれています。通信システムの受信側では、受信信号の変調の深さが測定され、複数の周波数バンドのそれぞれでテスト信号の変調の深さと比較されます。変調の深さが減少すると、明瞭度が低下します。

代替のインパルス応答法は「間接法」とも呼ばれ、チャネルが線形であると想定し、音源と測定機器のより厳密な同期を必要とします。間接法が直接法 (変調テスト信号に基づく) よりも優れている主な点は、すべてのオクターブ バンドのすべての関連変調周波数を網羅する完全な MTF マトリックスが測定されることです。エコーが発生する可能性が高い非常に大きな空間 (大聖堂など) では、間接法が直接法 (変調 STIPA 信号の使用など) よりも一般的に好まれます。一般に、伝送パス内に電気音響コンポーネントが存在しない「純粋な室内音響」に基づいて音声明瞭度を調査する場合、間接法が最適な選択肢となることがよくあります。

ただし、チャネルが線形でなければならないという要件は、間接法が多くの実際のアプリケーションで確実に使用できないことを意味します。伝送チェーンに非線形動作を示す可能性のあるコンポーネント (スピーカーなど) が含まれている場合は常に、間接測定で誤った結果が生じる可能性があります。また、使用するインパルス応答測定の種類によっては、測定中に存在する背景ノイズの影響が適切に処理されない可能性があります。つまり、間接法は、拡声システムや音声避難システムを測定する場合にのみ、細心の注意を払って使用する必要があります。IEC-60268-16 rev. 4 では、このようなアプリケーションで間接法を禁止していませんが、次のような警告を出しています。「したがって、インパルス応答がどのように取得され、伝送システムの非線形性によって潜在的に影響を受けるかについて、厳密な分析が必要です。特に、実際には、システム コンポーネントがパフォーマンス範囲の限界で動作する可能性があります。」実際には、線形性仮定の妥当性の検証は日常的に使用するには複雑すぎることが多く、スピーカーが関係する場合は常に (直接的な) STIPA 法が推奨される方法になります。

間接法に基づく多くの測定ツールは STIPA と「フル STI」オプションを提供していますが、STIPA に固有のスパース変調伝達関数マトリックスは間接法を使用する場合に利点を提供しません。インパルス応答に基づく STIPA 測定は、直接 STIPA 測定と混同しないでください。結果の有効性は、チャネルが線形であるかどうかによって決まるためです。

STI 測定器は、さまざまなメーカーによって製造されています (製造されています)。以下は、STI 測定器が販売されているブランドの一覧です (アルファベット順)。

• Audio Precision [2] APx500シリーズオーディオアナライザで使用するためのSTIプラグインオプションを提供します。
• Audiomatica [3]は、最新バージョンの規格（IEC-60268-16 rev. 4）に準拠したSTI（STIPAを含む）ツールをCLIO 11システムに提供しています。CLIO 12システムは、間接STI/STIPAと直接STIPAの両方の測定が可能です。
• Bedrock Audio [4]。これは、Embedded AcousticsがSM50などのSTIPAハードウェアを販売しているブランドです。
• ブリュエル＆ケアー[5]。ハンドヘルドおよびソフトウェアベースのソリューションを提供します。
• ゴールドライン[6]。STIPA測定ソリューション（DSP2およびDSP30）を最初に提供したが、現在のところ最新の規格（IEC-60268-16 rev. 4）に準拠したツールは提供していない。
• HEAD音響[7]。Artemis Suite[8]とACQUA[9]の両方のテストシステムにSTIオプション（STIPA、STITEL、RASTIを含む）を提供します。
• Ivie [10] IE-45などのSTIPA対応音響測定ツールを提供しています。
• Norsonic [11]。NorsonicはSTIPAをいち早く採用し、自社の計測器（Nor-140）にSTIPAモジュールを提供しました。メリーランド州コロンビアのScantek社が販売しています。
• NTi Audio [12]。AL1およびXL2シリーズの音響測定機器、トークボックス、その他の周辺機器とともにSTIPAモジュールを提供しています。現時点では（2013年）、明らかに市場をリードしています。
• Quest [13]。現在は3Mの傘下にあり、Quest Verifierなどのツールを製造している。
• Svantek[14]は、より高度な騒音計を備えたSTI（STIPAを含む）測定ソリューションを提供しています。
• TNO。現在は製品を販売していませんが、以前はSTIDASシリーズの計測機器などを販売していました。

STI測定ソリューションの市場はまだ発展途上であるため、上記のリストはメーカーの市場参入や市場撤退に応じて変更される可能性があります。このリストには、STI対応の音響測定およびシミュレーションソフトウェアを製造しているソフトウェアメーカーは含まれていません。STIPA測定用のモバイルアプリ（Studio Six Digital [15]やEmbedded Acoustics [16]が販売しているものなど）もリストから除外されています。

• 平均オピニオンスコア

• 明瞭度の変換: %ALcons = 子音の明瞭度損失 (%) から STI = 音声伝達指数 (逆も同様)
• STI に関する背景情報と STI リソースへのリンク
• 音声明瞭度論文 IV