JP2005223713A - 音響再生装置、音響再生方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 マイクロフォンアンプ部40において、ダミーヘッドマイクロフォン13から入力される左収音信号SL1と右収音信号SR1の高域周波数成分だけを遅延回路42により遅延させるようにしている。このように構成すると、スピーカ46,47からは、個人差の影響が小さい低域周波数成分の再生音を先行して出力することができるので、再生音場空間45の聴取者Uは、先に到来する低域周波数成分の再生音により音像定位感を知覚させることができる。この結果、標準的な頭部伝達特性を用いた場合でも、再生音場空間45の聴取者Uに目的とする音像定位感を知覚させることが可能になる。
【選択図】図6
Description
また、上記したような音響再生システムの他に、2つにスピーカで3次元の立体音場を再現する3次元再生システムなども提案されている。
2つのスピーカを用いて3次元の立体音場を再現する音響再生システムを利用して、コンサートホールの聞こえをリスニングルームで再現する場合には、コンサートホールにおいて、楽器などの音源から発せられ、ホールの響きなどを伴って聴衆の耳に到達する音響信号が必要になる。このような音響信号は、人間の頭部の形状をもとにしたダミーヘッドの両耳位置にマイクロフォンを取り付けたダミーヘッドマイクロフォンを用いて収音する、いわゆるバイノーラル収音により得られることが知られている。
バイノーラル収音は、例えばコンサートホールの客席にダミーヘッドマイクロフォンを設置して聴衆の耳に到達する音響信号を直接的に収音する方法と、測定またはシミュレーションで求めた音源位置から聴取者の耳までの伝達特性を楽器などの音源信号に電気的に畳み込むことにより収音する方法がある(特許文献1)。前者の直接的に収音する収音方法の場合は、音源からの音に対して音源位置から聴取者の耳までの伝達特性が音響的に畳み込まれることになる。
但し、これらの音響再生システムでは、リスニングルームに設置されたスピーカ位置から聴取者の位置までの伝達特性が不要になるので、このような伝達特性をキャンセルするフィルタを設ける必要がある。
しかしながら、このような頭部伝達特性は、頭部形状と耳介形状に依存するので聴取者ごとに異なるものとされる。特に、高域周波数帯域の特性は、個人差が大きいため、多くの人に当てはまるような頭部伝達特性を広帯域にわたって実現することができなかった。
また、バイノーラル収音により収音した音響信号を再生したときの再生音像の品質を向上させるには、理論的には聴取者ごとに収音装置を最適化する必要がある。つまり、聴取者ごとに頭部伝達特性を測定して最適化する必要があるため、一般向けに実用化した収音装置を構築することができなかった。
このため、聴取者ごとの頭部伝達特性のバラツキは、低域周波数成分では小さく、高域周波数成分では大きくなる。
このようなキャンセリングフィルタの特性も、一般化することが可能であるが、特に高域周波数帯域では誤差が大きくなるので、キャンセリング効果が小さくなり、音像方向の知覚が不安定になるという欠点があった。
本実施の形態としての音響装置を説明する前に、物理的な音響情報と、聴取者により主観的に知覚される音響現象の関係、及び人間の音像知覚に関する聴覚の性質について説明しておく。
例えば、図1(a)に示すような実音場の実音場空間1に実音源2が配置されている場合、聴取者U1により知覚される知覚音像3の位置と、実音源2の位置とが異なることがある。
したがって、もし何らかの手段を用いて、図1(a)に示すような実音場の聴取者U1と同じ音響を、図1(b)に示すような再生音場で再現できるならば、再生音場の聴取者U2は実音場と同じ音像を知覚できると考えられる。
このような考えのもとに、聴取者の両耳位置での音響を収音することを目的としてマイクロフォンとしてダミーヘッドマイクロフォンが知られている。
ダミーヘッドマイクロフォンは、例えば人間の頭部の形状大きさと耳介の形状大きさを模して作成したダミーヘッドの両耳位置にマイクロフォンを取り付けることによって構成される。
この図2に示すように、ダミーヘッドマイクロフォン13により収音を行う場合は、本来、実音場空間11内において聴取者が聴取すべき聴取位置にダミーヘッドマイクロフォン13を配置して、実音源12から直接到来する直接音と壁や床天井などで反射してくる反射音をダミーヘッドの両耳位置にそれぞれ取り付けたマイクロフォンで収音する。そして、それぞれのマイクロフォンで収音した音を左収音信号SLと右収音信号SRとして出力するように構成されている。
人間の聴覚は、同じ音源に由来する音の間では、聴取者の耳に速く到来した音の方向に音像が定位するという性質がある。
このような人間の聴覚の性質を図3により説明する。
先ず、図3(a)に示すような音響装置を考える。この場合、スピーカ23からは音源21からの音源信号をそのまま再生音として出力される。またスピーカ24からは音源21からの音源信号を遅延回路22により遅延させた信号が再生音として出力される。
すなわち、聴取者Uには、先ず、スピーカ23の再生音が到来する。そして、遅延回路22による遅延時間だけ遅れたタイミングでスピーカ24の再生音が到来することになる。この場合、図3(a)に示す聴取者Uの音像知覚位置は、先に再生音が到来することになるスピーカ23の位置になる。
なお、聴取者Uの左耳ELに到達するスピーカ23,24からの再生音より、聴取者Uの右耳ERに到達するスピーカ23,24の再生音のほうが僅かに遅れて到達している。これは、スピーカ23,24から聴取者Uの左耳ELまでの距離より、スピーカ23,24から聴取者Uの右耳ERまでの距離のほうが長いためである。
したがって、スピーカ23からは低域周波数成分通過フィルタ25を通過した音源21の音源信号だけを再生音として出力するようにしている。また、スピーカ24からは高域周波数成分通過フィルタ26を通過した音源21の高域周波数成分の音源信号を遅延回路22により遅延させた信号だけを再生音として出力するようにしている。
すなわち、この場合も、聴取者Uには、先ず、スピーカ23の再生音(低域周波数成分)が到来する。そして、遅延回路22による遅延時間だけ遅れたタイミングでスピーカ24の再生音(高域周波数成分)が到来することになる。したがって、図4(a)に示す聴取者Uは、先に到来するスピーカ23の再生音、すなわち、スピーカ23から再生される低域音により音像の知覚が得られることになる。そして、この場合は、スピーカ23から再生される低域音と同じ音源の音については、聴取者Uに対して音像を明確に知覚させることができるようになる。
このため、図2に示したダミーヘッドマイクロフォン13で収音した収音信号をインテンシティ方式のステレオ再生システムで再生する場合には、ダミーヘッドマイクロフォン13で収音した左収音信号SLに対応した左耳音と、右収音信号SRに対応した右耳音を、聴取者の左右それぞれの耳だけに到達させることはできない。
なお、図5においては、聴取者Uの前方左右にそれぞれスピーカが配置されている場合を例に挙げて説明する。
また、図5では、再生音場空間39における左スピーカ37から聴取者Uの左耳ELに至る経路の頭部回折伝達関数をHLS、右スピーカ38から聴取者Uの右耳ERに至る経路の頭部回折伝達関数をHRSとする。また左スピーカ37から聴取者Uの右耳ERに至る経路の頭部回折伝達関数をHLO、右スピーカ38から聴取者Uの左耳ELに至る経路の頭部回折伝達関数をHROとする。
左チャネル信号とされる左収音信号SLinは、加算器31とクロストークキャンセル部32とに入力される。また、右チャネル信号とされる右収音信号SRinは、加算器34とクロストークキャンセル部33とに入力される。
クロストークキャンセル部32,33は、それぞれ左スピーカ37から聴取者Uの右耳ERへのクロストークトーク成分と、右スピーカ38から聴取者Uの左耳ELへのクロストークトーク成分をキャンセルするためのフィルタとされる。
この場合、クロストークキャンセル部32の伝達特性CRは−HRO/HRSと示される。またクロストークキャンセル部33の伝達特性CLは−HLO/HLSと示される。
そして、このようなクロストークキャンセル部32を通過した左収音信号SLinがキャンセル信号として加算器34に入力される。またクロストークキャンセル部33を通過した右収音信号SRinがキャンセル信号が加算器31に入力される。
加算器34は、入力される右収音信号SRinとクロストークキャンセル部32からのキャンセル信号を加算して補正ブロック部36に供給するようにされる。
しかしながら、実際には標準的な特性を有するダミーヘッドマイクロフォンと頭部回折伝達関数とを用いて行われるので、十分な音像品質を提供することはできないものであった。
図6は、第1の実施の形態としての音響装置の構成を示した図である。
この図6に示す音響装置は、収音ブロックと、音響再生装置である再生ブロックとから構成される。
収音ブロックは、実音場空間11に配置したダミーヘッドマイクロフォン13により構成される。収音ブロックでは、ダミーヘッドマイクロフォン13で収音し、電気信号に変換した左収音信号SL1と右収音信号SR1を、再生ブロック側のマイクロフォンアンプ部40に出力するようにされる。
周波数帯域分離フィルタ41は、ダミーヘッドマイクロフォン13から入力される左収音信号SL1と右収音信号SR1を、例えば約3kHzを境にして、それぞれの低域周波数成分の信号(低域周波数信号)SLL,SRLと、高域周波数成分の信号(高域周波数信号)SLH,SRHに分離するようにされる。
これは、標準的なダミーヘッドマイクロフォン13と聴取者の頭部回折伝達特性の誤差が約1kHzから大きくなり始め、約3kHzを超えるとさらに大きくなること、及び、音声や楽器音などは基本周波数成分は、高くても3kHz以内に含まれていることから、本実施の形態では境界周波数を3kHzに設定している。
なお、周波数帯域分離フィルタ41の境界周波数は、必ずしも3kHzに設定する必要はなく、例えば1kHzから3kHzの間であれば任意の周波数に設定可能である。
この場合の遅延回路42における左高域周波数信号SLHと右高域周波数信号SRHの出力タイミングは、左低域周波数信号SLLと右低域周波数信号SRLの出力タイミングより数ミリ秒から数十ミリ秒だけ遅延させて出力するようにしている。但し、このような遅延時間は、最終的に遅れて再生されることになる高域音が、低域音の反響音(エコー音)として聴取者Uに対して聞こえることない時間内に設定すればよい。
3次元音響再生信号生成フィルタ30は、先に図5を用いて説明したように、再生音場空間45において、スピーカ46,47から聴取者Uの耳までの伝達特性をキャンセルできるフィルタとされ、マイクロフォンアンプ部40から入力される左収音信号SL2と右収音信号SR2を、左収音信号SL3と右収音信号SR3として対応するスピーカ46,47に入力するようにしている。
すなわち、本実施の形態の音響装置によれば、音像知覚に対する個人差の影響を小さく抑えることができるので、3次元音響再生信号生成フィルタ30を標準的な頭部伝達特性を用いて構成した場合でも、聴取者Uに目的とする音像定位感、例えば実音場空間11にいるような音像定位感を知覚させることができるようになる。
また、標準的な頭部伝達特性を有するダミーヘッドマイクロフォン13を用いて収音されたバイノーラル収音信号が入力された場合でも、聴取者Uに対して目的とする音像定位感を与えることができる。
なお、図6に示した音響装置と同一部位には同一番号を付して詳細な説明は省略する。 この図7に示す音響装置は収音ブロックに設けられているマイクロフォンアンプ部50の構成が上記図6に示した音響装置とは異なるものとされる。
低域周波数成分分離フィルタ(LPF)51では、例えば入力される左収音信号SL1と右収音信号SR1から3kHz以下の低域周波数成分だけを分離するようにされる。
なお、本実施の形態では、低域周波数成分分離フィルタ51で分離可能な周波数帯域を3kHz以下としているが、あくまでも一例であり、例えば1kHzから3kHzの間であれば、任意の周波数に設定可能であることは言うまでもない。
加算器44では、遅延回路42により遅延された右収音信号SR1と、低域周波数成分分離フィルタ51からの右低域周波数信号SRLとを加算して、その加算出力を右収音信号SR2として出力するようにしている。
つまり、上記図6に示した音響装置と同様に、標準的な頭部伝達特性を利用して3次元音響再生信号生成フィルタ30の3次元音響特性を設定した場合でも、聴取者Uに対して目的とする音像定位感を知覚させることができる。
また、標準的な頭部伝達特性を有するダミーヘッドマイクロフォン13を用いて収音を行った場合でも、聴取者Uに目的とする音像定位感を知覚させることができる。
図8は、本発明の第3の実施の形態としての音響装置の構成を示した図である。
なお、図6に示した音響装置と同一部位には同一番号を付して詳細な説明は省略する。
この図8に示す音響装置には、バイノーラル収音信号生成回路60が設けられている点が、上記図6に示した音響装置の構成とは異なるものとされる。
この場合、バイノーラル収音信号生成回路60では、例えば室内空間における音波の伝達経路ごとの伝達特性と、聴取位置への入射角度ごとの頭部伝達特性とを、音源信号に対して畳み込み演算することで、伝達経路の総和を聴取音とする信号を得るようにしている。
これにより、バイノーラル収音信号生成回路60において、音源信号からバイノーラル収音信号に相当する信号、すなわち、左収音信号SL1と右収音信号SR1に相当する信号を得るようにしている。
バイノーラル収音信号生成回路60において左収音信号SL1と右収音信号SR1を生成するには、先ず、コンサートホールなどの音響特性と音源の放射指向特性をもとに音源から放射される音がどのように室内空間に伝搬するかを算出する。
具体的には、先ず、コンサートなどの音響空間の形状と壁面・床・天井の反射吸音特性などの壁面音響特性と、音源位置及び音源の放射指向特性、聴取点位置、聴取マイクの指向特性のに基づいて音源から聴取位置までの音波の伝搬特性を算出する。
この図9(a)に示すようなコンサートホールなどの実音場空間11では、その壁面・床・天井等を反射して、様々な方向から聴取位置(この場合は聴取位置には破線で示すようなダミーヘッドマイクロフォン13が配置されている)に向かって音波が到来することになる。
このとき、音源方向と音源距離における頭部回折伝達関数データは、予め、音源方向と音源距離ごとに測定してメモリに格納しておいた頭部回折伝達関数データから、最も近い角度の頭部回折伝達関数データを引き出して、それを元に所望の角度(音源方向)の頭部回折伝達関数データを補間処理により得ることが考えられる。
したがって、図10(a)(b)から分かるように、聴取者Uから音源までの距離が違う場合は、音源方向θが同じであっても、聴取者Uの左右の耳に入射される入射角度が異なるものとなり、結果的には頭部回折伝達関数データが異なることになる。
なお、このような対応テーブルは、格納するメモリの記憶容量に制限がなければ、音源までの距離を細分化して、細分化した音源距離と音源方向をパラメータにした頭部回折伝達関数データの対応テーブルをメモリに格納するといったことも可能である。
この場合も、聴取位置のダミーヘッドマイクロフォン13には様々な方向から音波が到来することになる。
この場合も、音源12から聴取位置までの音波の伝搬をシミュレーションによって精密に算出するには、図12(b)に実線で示したように、聴取位置から見た音源方向と音源距離を算出し、その音源方向と音源距離における頭部回折伝達関数データに対して音源信号に畳み込み演算する。
このとき、音源方向と音源距離における頭部回折伝達関数データも、上記同様、予め、音源方向と音源距離ごとに測定してメモリに格納しておいた頭部回折伝達関数データから、最も近い角度の頭部回折伝達関数データを引き出して、それを元に所望の角度(音源方向)の頭部回折伝達関数データを補間処理により得ることが考えられる。
なお、このような対応テーブルも、格納するメモリの記憶容量に制限がなければ、音源までの距離を細分化して、音源距離と音源方向をパラメータにした頭部回折伝達関数データの対応テーブルをメモリに格納可能であることは言うまでもない。
図15〜図18は本実施の形態の音響装置の再生ブロックの他の構成例を示した図である。なお、図15〜図18には、2チャネルスピーカ再生ブロックのうち、1チャネル分のスピーカ再生系の構成だけが示されている。
この図15に示す再生ブロックは、低域周波数成分通過フィルタ(LPF)61、高域周波数成分通過フィルタ(HPF)62、遅延回路63、3次元音響再生信号生成フィルタ64,65、加算器66、スピーカ67によって構成される。
この図15に示すような再生ブロックでは、この図には示していない前段の収音ブロックからの入力信号のうち、低域周波数成分通過フィルタ(LPF)61を通過した低域周波数成分については、3次元音響再生信号生成フィルタ64で3次元音響再生信号を生成するためのフィルタ処理を行うようにされる。
一方、収音ブロックからの入力信号のうち、高域周波数成分通過フィルタ(HPF)62を通過した高域周波数成分については、遅延回路63で所定時間だけ遅延させた後、3次元音響再生信号生成フィルタ65で3次元音響再生信号を生成するためのフィルタ処理を行うようにされる。そして、3次元音響再生信号生成フィルタ64の出力と、3次元音響再生信号生成フィルタ65の出力を加算器66で加算してスピーカ67から出力するように構成されている。
先ず、AVシステムにおいて音源として用いられる記録メディアのデータ構造例について説明する。
図21は、その場合の記録メディアのデータ構造の一例を模式的に示した図である。
この図21(a)に示す記録メディアにおいては、例えば映像パケット、字幕パケット、及び複数の音声パケット1、音声パケット2・・・音声パケットnからなるパックが構成され、その先頭にはパックヘッダが付加されている。パックヘッダには、例えば同期再生時に基準となる付加情報が与えられている。
パケットヘッダには、例えば音声制御に用いる各種制御データが記録される。
例えばサンプリング周波数、多重化チャネル数、クロスオーバー周波数、データ符号化方式を表すデータ符号化方式コードが、及び、音声信号再生方式の仕様(フォーマット)を表す音声信号仕様コードなどが記録される。
図19は、上記したAVシステムの構成を示したブロック図である。
なお、この場合、記録メディアには、音声データと共に映像データと字幕データが多重化されて記録されているものとする。
またこの場合、記録メディアに記録される音声データとしては、上記したようなダミーヘッドマイクロフォンで収音した信号を低域周波数成分と高域周波数成分とに分離して高域周波数成分を遅延させて、それを多重化した音声データが記録されているものとする。
逆多重化回路72は、読み出された多重化データから、ヘッダと、映像データ、字幕データ及び複数チャネルの音声データの検出及び分離を行うようにされる。
このとき、音声データデコード回路73は、デコードした音声データのうち、超低域周波数データは超低域周波数バッファ回路81に出力し、低域周波数データは低域周波数バッファ回路84に出力するようにされる。また、高域周波数データは高域周波数バッファ回路88に出力するようにされる。
また低域周波数バッファ回路84は、入力される低域周波数データをアナログの低域周波数信号に変換し、高域周波数バッファ回路88は、入力される高域周波数データをアナログの高域周波数信号に変換して出力するようにされる。
遅延回路89は、高域周波数バッファ回路88からの高域周波数信号を所定時間だけ遅延して出力するようにされる。
映像再生回路77は、映像データデコード回路75でデコードされた映像データに所要の再生処理を施して映像信号として出力するようにされる。
映像表示装置部79は、字幕・スーパーインポーズ回路78から供給される映像信号に基づいて映像を表示するようにされる。
例えば、図20に示したパケットヘッダに付加されているサンプリング周波数や、データ符号化方式コードに基づいて、音声データデコード回路73の動作を切り替える切替制御を行うようにされる。
例えば、音声パケット1が本実施の形態の音響装置により収音したバイノーラル方式の音声パケット、音声パケット2がサラウンド再生方式の音声パケットであれば、音声パケット1を選択するようにされる。
なお、図19と同一ブロックには同一番号を付してその詳細な説明は省略する。
図20に示したAVシステム90においては、図示するように、音声データデコード回路73と、各バッファ回路81,84,88との間に、周波数帯域分離回路91が設けられている点が、上記図19に示したAVシステム70と異なるものとされる。
また、このようなAVシステムでは、超低域周波数を再生するサブウーファの再生系が設けられているが、このようなサブウーファの再生系は無くてもよい。
Claims (9)
- 2つのスピーカを用いて3次元音響を再生する音響再生装置において、
バイノーラル収音信号から低域周波数成分を分離する分離手段と、
少なくとも上記バイノーラル収音信号の高域周波数成分を遅延させる遅延手段と、
上記分離手段で分離した低域周波数成分と、上記遅延手段で遅延させた高域周波数成分とを合成する合成手段と、
上記2つのスピーカから聴取位置までの伝達関数に基づいて、上記合成手段から出力される信号に対して所要の信号処理を施して、3次元音響再生信号を生成する3次元音響信号生成手段と、
を備えていることを特徴とする音響再生装置。 - 上記バイノーラル収音信号は、ダミーヘッドマイクロフォンを用いて収音されることを特徴とする請求項1に記載の音響再生装置。
- 上記バイノーラル収音信号は、人体に装着したマイクを用いて収音されることを特徴とする請求項1に記載の音響再生装置。
- 上記バイノーラル収音信号は、音源信号に頭部伝達特性を合成して得られることを特徴とする請求項1に記載の音響再生装置。
- 上記分離手段は、上記バイノーラル収音信号の高域周波数成分を分離可能とされることを特徴とする請求項1に記載の音響再生装置。
- 2つのスピーカを用いて3次元音響を再生する音響再生装置において、
入力信号から低域周波数成分を分離する分離手段と、
少なくとも上記入力信号の高域周波数成分を遅延させる遅延手段と、
上記2つのスピーカから聴取位置までの伝達関数に基づいて、少なくとも、上記入力信号に含まれる低域周波数成分の信号に対して所要の信号処理を施して、3次元音響再生信号を生成する3次元音響信号生成手段と、
を備えることを特徴とする音響再生装置。 - 上記分離手段は、上記入力信号の高域周波数成分を分離可能とされることを特徴とする請求項5に記載の音響再生装置。
- 2つのスピーカを用いて3次元音響を再生する音響再生方法として、
バイノーラル収音信号から低域周波数成分を分離して、少なくとも上記バイノーラル収音信号の高域周波数成分を遅延させたうえで、分離した低域周波数成分と、遅延させた高域周波数成分とを合成し、上記2つのスピーカから聴取位置までの伝達関数に基づいて、合成した信号に対して、所要の信号処理を施して、上記聴取位置において3次元音響を再生するようにしたことを特徴とする音響再生方法。 - 2つのスピーカを用いて3次元音響を再生する音響再生方法として、
入力信号から低域周波数成分を分離して、少なくとも上記入力信号の高域周波数成分を遅延させたうえで、分離した低域周波数成分と、遅延させた高域周波数成分とを合成し、上記2つのスピーカから聴取位置までの伝達関数に基づいて、少なくとも上記入力信号に含まれる低域周波数成分の信号に対して、所要の信号処理を施して、上記聴取位置において3次元音響を再生するようにしたことを特徴とする音響再生方法。
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