JP2004128854A - 音響再生装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】イヤホンを装着しているにもかかわらず外耳道が開いた状態の受聴状態を実現し、３次元音場再生についての制御精度を向上させ、より自然な状態の頭外音像定位を実現する音響再生装置を提供すること。
【解決手段】ＨＲＴＦ測定処理部１１０が出力した信号を外部スピーカ５００で再生し、この信号と受聴者が装着した挿耳型イヤホン２００のマイクユニット２１０で収音した音とに基づいてＨＲＴＦ測定処理部１１０が受聴者の頭部伝達関数を再現するＨＲＴＦフィルタ係数を算出しメモリ１３０に保存しておく。音源ソースの再生時には、ＨＲＴＦ再生処理部１２０が音源ソース信号に測定したＨＲＴＦフィルタ係数と挿耳型イヤホンを使ったときに外耳道が開いた状態になるように外耳道伝達関数を補正するフィルタ係数を畳み込み、挿耳型イヤホン２００のスピーカユニット２２０で出力する。
【選択図】 図１
【解決手段】ＨＲＴＦ測定処理部１１０が出力した信号を外部スピーカ５００で再生し、この信号と受聴者が装着した挿耳型イヤホン２００のマイクユニット２１０で収音した音とに基づいてＨＲＴＦ測定処理部１１０が受聴者の頭部伝達関数を再現するＨＲＴＦフィルタ係数を算出しメモリ１３０に保存しておく。音源ソースの再生時には、ＨＲＴＦ再生処理部１２０が音源ソース信号に測定したＨＲＴＦフィルタ係数と挿耳型イヤホンを使ったときに外耳道が開いた状態になるように外耳道伝達関数を補正するフィルタ係数を畳み込み、挿耳型イヤホン２００のスピーカユニット２２０で出力する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は３次元の音場再生を行なう音響再生装置に関するもので、特に、挿耳型イヤホンにより３次元の音場再生を行なう音響再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、イヤホンやヘッドホンを用いた３次元の音場再生を行なう音響再生装置は、バイノーラル録音技術を応用したものだった。
【０００３】
この種の音響再生装置は、実音場においてダミーヘッドによる録音を行なうことで、音源からダミーヘッドの鼓膜までの音響的な伝達を再現するものであった（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
最近では、ダミーヘッドの頭部伝達関数（ＨＲＴＦ：Ｈｅａｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）をデジタル信号処理によって再現する応用手法が用いられている（例えば、特許文献１または２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−３００５９８号公報
【特許文献２】
特開平１１−１２７５００号公報
【非特許文献１】
イェンス ブラウエルト・森本政之・後藤敏幸編著「空間音響」鹿島出版会、昭和６１年７月１０日、ｐ．１９３−２０３
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、実際のＨＲＴＦには個人差があり、ダミーヘッドはひとつの平均的なＨＲＴＦを提供するに過ぎず、３次元の音場再生を行う場合、受聴者本人のものでないＨＲＴＦを使用すると本人のＨＲＴＦを使用するのに比べて、その制御効果が大きく低下するときがある。
【０００７】
このため、全ての人に充分な効果を得ることは困難であった。制御効果が低下した場合によく生じる問題としては、音像の前後誤判定や音像の頭内定位などがある。
【０００８】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、イヤホンを装着しているにもかかわらず外耳道が開いた状態の受聴状態を実現し、３次元音場再生についての制御精度を向上させ、より自然な状態の頭外音像定位を実現する音響再生装置を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の音響再生装置は、受聴者の外耳道の入口での音を収音するマイクユニットと音の再生を行なうためのスピーカユニットとを有する左耳用および右耳用挿耳型イヤホンと、インパルス応答測定用の信号を外部スピーカに出力し、前記マイクユニットで収音した前記外部スピーカから出力した音と前記インパルス応答測定用の信号とに基づいて前記受聴者の頭部伝達関数を再現する左耳用および右耳用フィルタ係数を算出する測定処理部と、予め設定されたダミーヘッドにおける前記挿耳型イヤホンを使ったときに外耳道が開いた状態になるように外耳道伝達関数を補正するフィルタ係数と前記受聴者の頭部伝達関数を再現する左耳用フィルタ係数とを入力される音源ソース信号に畳み込み左耳用再生信号を生成するとともに、予め設定されたダミーヘッドにおける前記挿耳型イヤホンを使ったときに外耳道が開いた状態に外耳道伝達関数を補正するフィルタ係数と前記受聴者の頭部伝達関数を再現する右耳用フィルタ係数とを入力される音源ソース信号に畳み込み右耳用再生信号を生成し、前記左耳用および右耳用再生信号をそれぞれ対応する前記左耳用または右耳用挿耳型イヤホンのスピーカユニットに出力する再生処理部とを備える構成を有している。
【００１０】
この構成により、受聴者自身の頭部伝達関数を再現するフィルタ係数が測定され、このフィルタ係数と挿耳型イヤホンを使ったときの外耳道を開いた状態に補正するフィルタ係数とが音源ソース信号に畳み込まれて挿耳型イヤホンで再生され、挿耳型イヤホンを装着しているのにもかかわらず外耳道が開いた状態の受聴状態が実現されるとともに、精度の高い３次元音場再生が実現されることとなる。
【００１１】
ここで、前記再生処理部は、音源ソース信号再生時に前記左耳用および右耳用挿耳型イヤホンのマイクユニットにより収音した音に前記外耳道伝達関数を補正するフィルタ係数を畳み込み、前記左耳用および右耳用再生信号の対応する再生信号に加算し、加算された前記左耳用および右耳用再生信号をそれぞれ対応する前記左耳用または右耳用挿耳型イヤホンのスピーカユニットに出力する構成とした。
【００１２】
この構成により、挿耳型イヤホンのマイクユニットで収音した音に挿耳型イヤホンを使ったときの外耳道を開いた状態に補正するフィルタ係数が畳み込まれ、再生信号に加算されて挿耳型イヤホンで再生され、音源ソースに受聴者のいる実音場の音がミックスされて再生されることとなる。
【００１３】
また、前記再生処理部は、マルチチャンネルの音源ソース信号をチャンネル毎に入力可能に構成され、前記チャンネル毎の音源ソース信号それぞれに前記外耳道伝達関数を補正するフィルタ係数と前記受聴者の頭部伝達関数を再現する左耳用フィルタ係数とを畳み込み、畳み込まれた前記チャンネル毎の音源信号を加算して前記左耳用再生信号を生成するとともに、前記チャンネル毎の音源ソース信号それぞれに前記外耳道伝達関数を補正するフィルタ係数と前記受聴者の頭部伝達関数を再現する右耳用フィルタ係数とを畳み込み、畳み込まれた前記チャンネル毎の音源信号を加算して前記右耳用再生信号を生成する構成とした。
【００１４】
この構成により、マルチチャンネルの音源ソース信号のそれぞれのチャンネルの信号に受聴者自身の頭部伝達関数を再現するフィルタ係数と挿耳型イヤホンを使ったときの外耳道を開いた状態に補正するフィルタ係数とが畳み込まれ、加算されて挿耳型イヤホンで再生され、挿耳型イヤホンを装着しているのにもかかわらず外耳道が開いた状態の受聴状態が実現されるとともに、精度の高い３次元音場再生が実現されることとなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は本発明の一実施の形態の音響再生装置を示すブロック図である。
図１に示すように、本実施の形態の音響再生装置は、受聴者の外耳道の入口での音を収音するマイクユニット２１０と音の再生を行なうためのスピーカユニット２２０とを有する挿耳型イヤホン２００と、ＨＲＴＦの測定処理を行なうＨＲＴＦ測定処理部１１０と再生時のＨＲＴＦに関する畳み込み処理を行なうＨＲＴＦ再生処理部１２０とＨＲＴＦの測定データの保存を行なうメモリ１３０とを有する３次元音場再生装置１００とを備えている。
【００１７】
このような音響再生装置の原理について説明する。Ｈｅｎｒｉｋ Ｍｕｌｌｅｒ ”Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｂｉｎａｕｒａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ” Ａｐｐｌｉｅｄ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ ３６ （１９９２） ｐｐ．１７１−２１８ によると、人が音像定位を行なうとき、外耳道の入口から鼓膜までの間は１次元問題として考えられることが明らかになっている。
【００１８】
これは、音源の方向に関わらず、外耳道入口から鼓膜までの音響的な伝達関数が一定であることを意味する。このため、３次元音場再生処理に関して次式が成り立つ。
ＳＯＵＲＣＥ’＝ＳＯＵＲＣＥ＊ＥＥＣ＿ｍａｎ＊ＥＥＣ＿ｄｍ−１＊ＥＤ＿ｄｍ＊（ＳＩＰ＊ＥＣ＿ｃｌｏｓｅ＿ｄｍ）−１
【００１９】
ここで、ＳＯＵＲＣＥ’はイヤホンから再生すべき音響信号、ＳＯＵＲＣＥは使用する音源ソース信号、ＥＥＣ＿ｍａｎは図２に示すように実際の音源（外部スピーカ５００など）から受聴者の閉じた外耳道入口までの伝達関数、ＥＥＣ＿ｄｍは図３に示すように実際の音源（外部スピーカ５００など）からダミーヘッドの閉じた外耳道入口までの伝達関数、ＥＤ＿ｄｍは図４に示すように実際の音源（外部スピーカ５００など）からダミーヘッドの鼓膜位置までの伝達関数、ＳＩＰはイヤホンユニットのもつ再生周波数特性、ＥＣ＿ｃｌｏｓｅ＿ｄｍは図５に示すようにダミーヘッドの外耳道が閉じた状態での挿耳型イヤホン２００のスピーカユニット２２０の位置（内側）から鼓膜位置までの伝達関数である。
【００２０】
本実施の形態においては、両耳受聴によって３次元音場再生処理を実現するため、ＥＥＣ＿ｍａｎについては右耳と左耳について２種類の伝達関数を用意する必要がある。更に精度の高い制御をおこなうためには受聴者個人の鼓膜位置までの伝達関数を測定する必要があるが、実現が非常に困難である。そのため、本実施の形態では「外耳道の入口までの音響伝達特性は受聴者個人のものを使い、外耳道入口から鼓膜位置までの伝達特性については、便宜上ダミーヘッドのものを用いる」という近似を行なっている。
【００２１】
次に、上式のＥＥＣ＿ｄｍ−１ ＊ＥＤ＿ｄｍの項に注目すると、この項は、閉じた状態の外耳道入口（外側）から鼓膜位置までの伝達関数になっている。即ち、この項では外耳道が閉じた状態を開いた状態に補正する制御が行なわれている。
【００２２】
また、上式は ＳＯＵＲＣＥ，ＥＥＣ＿ｍａｎ，それ以降の項の３部に分けて考えることができる。ＥＥＣ＿ｍａｎは受聴者の耳介の形状等に関係する項であり、ＥＥＣ＿ｄｍ−１以降の項はイヤホンとダミーヘッドに関係する項、つまり受聴者が代わっても変化の無い項である。よって、ＥＥＣ＿ｄｍ−１以降の項のことを、以下では外耳道補正関数（Ｈｃ）と表記する。更に、ＥＥＣ＿ｍａｎのことを単純にＨＲＴＦと表記することにすれば、上式は、
ＳＯＵＲＣＥ’＿Ｌ，Ｒ＝ＳＯＵＲＣＥ＊ＨＲＴＦ＿Ｌ，Ｒ＊Ｈｃ
と表すことができる。ただしＨＲＴＦの添え字は受聴者の耳の左右（Ｌ，Ｒ）を表し、ＳＯＵＲＣＥ’の添え字は再生に使用するイヤホンの左右を表す。
【００２３】
上式において、受聴者が変わる場合、ＨＲＴＦ＿Ｌ，Ｒについて新たにフィルタ係数などのデータを用意する必要がある。本実施の形態の挿耳型イヤホン２００は、外耳道の入口での音を測定するマイクユニット２１０を備えることにより、受聴者のＨＲＴＦ計測を簡便に行なうことが可能である。また、再生用のイヤホンを別の種類のものに代える場合はＨｃについてのみ新たにフィルタ係数などのデータを用意するだけでよい。
【００２４】
次に、ＨＲＴＦの計測を行う場合の動作について図６を用いて説明する。ＨＲＴＦを計測するときには、３次元音場再生装置１００のＨＲＴＦ測定処理部１１０が出力する信号を外部スピーカ５００に出力し、受聴者の耳に挿耳型イヤホン２００を装着し、挿耳型イヤホン２００のマイクユニット２１０で収音した信号によりＨＲＴＦの計測を行なう。
【００２５】
ＨＲＴＦ測定処理部１１０は、インパルス応答測定用の信号を発生する波形発生部１１１と、波形発生器が発生した信号と挿耳型イヤホン２００のマイクユニット２１０で収音した信号に基づいて系のインパルス応答を計算する計算部１１２とを備えている。
【００２６】
まず、波形発生部１１１によりＭ系列ノイズやＴＳＰ（Ｔｉｍｅ Ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ Ｐｕｌｓｅ）信号などのインパルス応答測定用の信号が発生され、外部スピーカ５００に出力される。
【００２７】
このインパルス応答測定用の信号は外部スピーカ５００により音として出力され、受聴者が装着した挿耳型イヤホン２００のマイクユニット２１０により収音される。
【００２８】
マイクユニット２１０で収音された音は、電気信号に変換されＨＲＴＦ測定処理部１１０に入力される。
【００２９】
ＨＲＴＦ測定処理部１１０の計算部１１２は、波形発生部１１１が発生した信号とマイクユニット２１０で収音された信号が入力され、この２つの信号に基づいて系のインパルス応答を計算する。このインパルス応答は、外部スピーカ５００からマイクユニット２１０までの経路の伝達関数を意味する（大賀寿郎、山崎芳男、金田豊 共著「音響システムとディジタル処理」社団法人電子情報通信学会編、１５８−１６５頁）。
【００３０】
このようにして得られたインパルス応答は受聴者の頭部伝達関数を再現するＨＲＴＦフィルタ係数としてメモリ１３０に保存される。
【００３１】
このＨＲＴＦの計測は左右両方の耳についてそれぞれ行なわれ、左右両方の耳それぞれのＨＲＴＦフィルタ係数が計算される。
【００３２】
このように本実施の形態においては、ＨＲＴＦ測定処理部１１０が出力する信号を外部スピーカ５００に出力し、受聴者が挿耳型イヤホン２００を装着するだけで、容易にＨＲＴＦフィルタ係数を計測することができ、受聴者個人に特化したＨＲＴＦフィルタ係数を計測できるので、メモリ１３０に大量のＨＲＴＦフィルタ係数を保存し、その中から効果の高いものを選択するような場合に比べ、メモリ容量を削減することができるとともに、大量のＨＲＴＦフィルタ係数から効果の高いものを選択しなくても効果の高いＨＲＴＦフィルタ係数を得ることができる。
【００３３】
また、受聴者が自分でＨＲＴＦフィルタ係数を計測するので、受聴者の好みの位置（上方を含む３次元）に音源を配置した状態のＨＲＴＦフィルタ係数を得ることができる。
【００３４】
本実施の形態の音響再生装置を携帯電話に組み込む場合、ＨＲＴＦフィルタ係数測定用の外部スピーカ５００として携帯電話のスピーカを使用してもよい。
【００３５】
次に、３次元音場再生音を再生する場合の動作について図７を用いて説明する。３次元音場再生音を再生するときには、３次元音場再生装置１００のＨＲＴＦ再生処理部１２０にマルチチャンネルの音源ソースを入力し、ＨＲＴＦ再生処理部１２０で音源ソースにフィルタ係数を畳み込み、挿耳型イヤホン２００に出力する。
【００３６】
ＨＲＴＦ再生処理部１２０は、音源ソースの各チャネル毎に左耳用と右耳用のＨＲＴＦ及びＨｃのフィルタ係数を別々に音源ソースの信号に畳み込み各チャネル毎に左耳用と右耳用の信号を出力する畳込み部１２１と、畳込み部１２１の出力する各チャネル毎の左耳用と右耳用の信号を左耳用と右耳用別々に加算し左耳用と右耳用の信号を出力する加算部１２２とを備えている。
【００３７】
ＨＲＴＦ再生処理部１２０に入力された音源ソースは、チャンネル毎に左耳用、右耳用に設けられた畳込み部１２１Ｌ、１２１Ｒにそれぞれ入力される。
【００３８】
畳込み部１２１Ｌ、１２１Ｒにはメモリ１３０からＨＲＴＦ測定処理部１１０により保存された左耳用と右耳用それぞれのＨＲＴＦフィルタ係数及び予めメモリ１３０内に保存されている挿耳型イヤホン２００を使ったときの外耳道が閉じた状態を開いた状態に補正するためのＨｃフィルタ係数が入力され、畳込み部１２１Ｌ、１２１Ｒは、入力された音源ソースに入力されたＨＲＴＦフィルタ係数及びＨｃフィルタ係数を畳み込み、対応する左耳用、右耳用の加算部１２２Ｌ、１２２Ｒそれぞれに出力する。
【００３９】
加算部１２２Ｌ、１２２Ｒは、入力されるマルチチャンネルの各チャンネルの音源ソースにフィルタ係数が畳み込まれた信号を加算し、挿耳型イヤホン２００の対応する左右それぞれのスピーカユニット２２０に出力する。
【００４０】
このように本実施の形態においては、音源ソースにＨＲＴＦ測定処理部１１０で測定した受聴者個人のＨＲＴＦフィルタ係数を畳み込んでいるので、３次元音場再生の制御効果を高めることができる。
【００４１】
また、挿耳型イヤホン２００を使ったときの外耳道が閉じた状態を開いた状態に補正するためのＨｃフィルタ係数を畳み込んで外耳道伝達関数の補正を行っているので、イヤホンを装着しているにもかかわらず外耳道が開いた状態の受聴状態を実現することができる。これにより、３次元音場再生時の制御精度を向上させることができ、より自然な状態の頭外音像定位を実現することができる。
【００４２】
また、自然な頭外音像定位感は、音像の頭内定位に起因する耳の疲れを軽減する効果をもたらす。
【００４３】
次に、３次元音場再生音を再生しながら実音場の音も同時に出力する場合の動作について図８を用いて説明する。３次元音場再生音と同時に実音場の音も出力するときには、挿耳型イヤホン２００のマイクユニット２１０で収音した音にＨＲＴＦ再生処理部１２０でＨｃフィルタ係数を畳み込み、３次元音場再生音と加算して挿耳型イヤホン２００に出力する。
【００４４】
ＨＲＴＦ再生処理部１２０は、上述の畳込み部１２１、加算部１２２に加え、挿耳型イヤホン２００のマイクユニット２１０で収音されＨＲＴＦ測定処理部１１０を経由して入力されるミックス用外部音信号にＨｃフィルタ係数を畳み込むＨｃ畳込み部１２３を備えており、このＨｃ畳込み部１２３の左右それぞれの出力は加算部１２２により畳込み部１２１が出力する３次元音場再生音に加算される。
【００４５】
受聴者が装着している挿耳型イヤホン２００のマイクユニット２１０は、受聴者の外耳道の入口での音を収音し、収音したアナログ信号をＨＲＴＦ測定処理部１１０に入力する。
【００４６】
ＨＲＴＦ測定処理部１１０は、入力されたアナログ信号をＡＤ変換してステレオ２チャンネルのミックス用外部音信号としてＨＲＴＦ再生処理部１２０に入力する。
【００４７】
ＨＲＴＦ再生処理部１２０に入力されたミックス用外部音信号は、Ｈｃ畳込み部１２３でＨＲＴＦ測定処理部１１０により予めメモリ１３０に保存された挿耳型イヤホン２００を使ったときの外耳道が閉じた状態を開いた状態に補正するためのＨｃフィルタ係数を畳み込まれる。
【００４８】
ＨＲＴＦ再生処理部１２０に入力されたマルチチャンネルの音源ソース（図ではｎチャンネル）は、上述と同様に、畳込み部１２１によりチャンネル毎に左右それぞれのＨＲＴＦフィルタ係数及びＨｃフィルタ係数を畳み込まれ、加算部１２２で左右それぞれに各チャンネルの信号が加算される。
【００４９】
このとき、Ｈｃ畳込み部１２３でＨｃフィルタ係数を畳み込まれたミックス用外部音信号も加算部１２２で各チャンネルの信号に加算される。
【００５０】
加算部１２２Ｌ、１２２Ｒで加算された信号は、ＤＡ変換によりアナログ信号に変換され、挿耳型イヤホン２００の左右それぞれのスピーカユニット２２０に出力される。
【００５１】
このように本実施の形態においては、受聴者の装着している挿耳型イヤホン２００のマイクユニット２１０で収音した音にＨｃフィルタ係数を畳み込んで音源ソースの再生音に加算しているので、音源ソースの再生時に受聴者のいる実音場の音をミックスして再生することができる。この実音場の音は、受聴者本人のＨＲＴＦ情報を含んだ状態で収音されるため、挿耳型イヤホン２００のスピーカユニット２２０から再生される音は受聴者にとって自然な音場を形成する音となる。このため、受聴者は、音源ソースの音とともに外部の音を自然な音場で聴くことができ、受聴者にオープンエア型のモニタ環境を提供することができる。
【００５２】
オープンエア型のモニタ環境は、例えば、放送局のスタジオモニタなどでカメラマンが実音を聞きながら指示の音声を聞いたり、美術館や動物園などの展示物案内の音声を回りの音を聞きつつ自然に聞いたり、会議システムにおいて参加者が音場を共有したりすることへ応用することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、測定処理部で受聴者本人の頭部伝達関数を再現するためのフィルタ係数を測定し、測定したフィルタ係数と挿耳型イヤホンを使ったときに外耳道が開いた状態になるように外耳道伝達関数を補正するフィルタ係数を音源ソース信号に畳み込むことにより、イヤホンを装着しているにもかかわらず外耳道が開いた状態の受聴状態を実現し、３次元音場再生についての制御精度を向上させ、より自然な状態の頭外音像定位を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の音響再生装置を示すブロック図
【図２】本発明の一実施の形態の音響再生装置の伝達関数ＥＥＣ＿ｍａｎを説明する図
【図３】本発明の一実施の形態の音響再生装置の伝達関数ＥＥＣ＿ｄｍを説明する図
【図４】本発明の一実施の形態の音響再生装置の伝達関数ＥＤ＿ｄｍを説明する図
【図５】本発明の一実施の形態の音響再生装置の伝達関数ＥＣ＿ｃｌｏｓｅ＿ｄｍを説明する図
【図６】本発明の一実施の形態の音響再生装置のＨＲＴＦ測定を説明するブロック図
【図７】本発明の一実施の形態の音響再生装置の３次元音場再生音の再生を説明するブロック図
【図８】本発明の一実施の形態の音響再生装置の３次元音場再生音と実音場の音の同時再生を説明するブロック図
【符号の説明】
１００ ３次元音場再生装置
１１０ ＨＲＴＦ測定処理部
１１１ 波形発生部
１１２ 計算部
１２０ ＨＲＴＦ再生処理部
１２１ 畳込み部
１２２ 加算部
１２３ Ｈｃ畳込み部
１３０ メモリ
２００ 挿耳型イヤホン
２１０ マイクユニット
２２０ スピーカユニット
５００ 外部スピーカ
【発明の属する技術分野】
本発明は３次元の音場再生を行なう音響再生装置に関するもので、特に、挿耳型イヤホンにより３次元の音場再生を行なう音響再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、イヤホンやヘッドホンを用いた３次元の音場再生を行なう音響再生装置は、バイノーラル録音技術を応用したものだった。
【０００３】
この種の音響再生装置は、実音場においてダミーヘッドによる録音を行なうことで、音源からダミーヘッドの鼓膜までの音響的な伝達を再現するものであった（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
最近では、ダミーヘッドの頭部伝達関数（ＨＲＴＦ：Ｈｅａｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）をデジタル信号処理によって再現する応用手法が用いられている（例えば、特許文献１または２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−３００５９８号公報
【特許文献２】
特開平１１−１２７５００号公報
【非特許文献１】
イェンス ブラウエルト・森本政之・後藤敏幸編著「空間音響」鹿島出版会、昭和６１年７月１０日、ｐ．１９３−２０３
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、実際のＨＲＴＦには個人差があり、ダミーヘッドはひとつの平均的なＨＲＴＦを提供するに過ぎず、３次元の音場再生を行う場合、受聴者本人のものでないＨＲＴＦを使用すると本人のＨＲＴＦを使用するのに比べて、その制御効果が大きく低下するときがある。
【０００７】
このため、全ての人に充分な効果を得ることは困難であった。制御効果が低下した場合によく生じる問題としては、音像の前後誤判定や音像の頭内定位などがある。
【０００８】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、イヤホンを装着しているにもかかわらず外耳道が開いた状態の受聴状態を実現し、３次元音場再生についての制御精度を向上させ、より自然な状態の頭外音像定位を実現する音響再生装置を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の音響再生装置は、受聴者の外耳道の入口での音を収音するマイクユニットと音の再生を行なうためのスピーカユニットとを有する左耳用および右耳用挿耳型イヤホンと、インパルス応答測定用の信号を外部スピーカに出力し、前記マイクユニットで収音した前記外部スピーカから出力した音と前記インパルス応答測定用の信号とに基づいて前記受聴者の頭部伝達関数を再現する左耳用および右耳用フィルタ係数を算出する測定処理部と、予め設定されたダミーヘッドにおける前記挿耳型イヤホンを使ったときに外耳道が開いた状態になるように外耳道伝達関数を補正するフィルタ係数と前記受聴者の頭部伝達関数を再現する左耳用フィルタ係数とを入力される音源ソース信号に畳み込み左耳用再生信号を生成するとともに、予め設定されたダミーヘッドにおける前記挿耳型イヤホンを使ったときに外耳道が開いた状態に外耳道伝達関数を補正するフィルタ係数と前記受聴者の頭部伝達関数を再現する右耳用フィルタ係数とを入力される音源ソース信号に畳み込み右耳用再生信号を生成し、前記左耳用および右耳用再生信号をそれぞれ対応する前記左耳用または右耳用挿耳型イヤホンのスピーカユニットに出力する再生処理部とを備える構成を有している。
【００１０】
この構成により、受聴者自身の頭部伝達関数を再現するフィルタ係数が測定され、このフィルタ係数と挿耳型イヤホンを使ったときの外耳道を開いた状態に補正するフィルタ係数とが音源ソース信号に畳み込まれて挿耳型イヤホンで再生され、挿耳型イヤホンを装着しているのにもかかわらず外耳道が開いた状態の受聴状態が実現されるとともに、精度の高い３次元音場再生が実現されることとなる。
【００１１】
ここで、前記再生処理部は、音源ソース信号再生時に前記左耳用および右耳用挿耳型イヤホンのマイクユニットにより収音した音に前記外耳道伝達関数を補正するフィルタ係数を畳み込み、前記左耳用および右耳用再生信号の対応する再生信号に加算し、加算された前記左耳用および右耳用再生信号をそれぞれ対応する前記左耳用または右耳用挿耳型イヤホンのスピーカユニットに出力する構成とした。
【００１２】
この構成により、挿耳型イヤホンのマイクユニットで収音した音に挿耳型イヤホンを使ったときの外耳道を開いた状態に補正するフィルタ係数が畳み込まれ、再生信号に加算されて挿耳型イヤホンで再生され、音源ソースに受聴者のいる実音場の音がミックスされて再生されることとなる。
【００１３】
また、前記再生処理部は、マルチチャンネルの音源ソース信号をチャンネル毎に入力可能に構成され、前記チャンネル毎の音源ソース信号それぞれに前記外耳道伝達関数を補正するフィルタ係数と前記受聴者の頭部伝達関数を再現する左耳用フィルタ係数とを畳み込み、畳み込まれた前記チャンネル毎の音源信号を加算して前記左耳用再生信号を生成するとともに、前記チャンネル毎の音源ソース信号それぞれに前記外耳道伝達関数を補正するフィルタ係数と前記受聴者の頭部伝達関数を再現する右耳用フィルタ係数とを畳み込み、畳み込まれた前記チャンネル毎の音源信号を加算して前記右耳用再生信号を生成する構成とした。
【００１４】
この構成により、マルチチャンネルの音源ソース信号のそれぞれのチャンネルの信号に受聴者自身の頭部伝達関数を再現するフィルタ係数と挿耳型イヤホンを使ったときの外耳道を開いた状態に補正するフィルタ係数とが畳み込まれ、加算されて挿耳型イヤホンで再生され、挿耳型イヤホンを装着しているのにもかかわらず外耳道が開いた状態の受聴状態が実現されるとともに、精度の高い３次元音場再生が実現されることとなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は本発明の一実施の形態の音響再生装置を示すブロック図である。
図１に示すように、本実施の形態の音響再生装置は、受聴者の外耳道の入口での音を収音するマイクユニット２１０と音の再生を行なうためのスピーカユニット２２０とを有する挿耳型イヤホン２００と、ＨＲＴＦの測定処理を行なうＨＲＴＦ測定処理部１１０と再生時のＨＲＴＦに関する畳み込み処理を行なうＨＲＴＦ再生処理部１２０とＨＲＴＦの測定データの保存を行なうメモリ１３０とを有する３次元音場再生装置１００とを備えている。
【００１７】
このような音響再生装置の原理について説明する。Ｈｅｎｒｉｋ Ｍｕｌｌｅｒ ”Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｂｉｎａｕｒａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ” Ａｐｐｌｉｅｄ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ ３６ （１９９２） ｐｐ．１７１−２１８ によると、人が音像定位を行なうとき、外耳道の入口から鼓膜までの間は１次元問題として考えられることが明らかになっている。
【００１８】
これは、音源の方向に関わらず、外耳道入口から鼓膜までの音響的な伝達関数が一定であることを意味する。このため、３次元音場再生処理に関して次式が成り立つ。
ＳＯＵＲＣＥ’＝ＳＯＵＲＣＥ＊ＥＥＣ＿ｍａｎ＊ＥＥＣ＿ｄｍ−１＊ＥＤ＿ｄｍ＊（ＳＩＰ＊ＥＣ＿ｃｌｏｓｅ＿ｄｍ）−１
【００１９】
ここで、ＳＯＵＲＣＥ’はイヤホンから再生すべき音響信号、ＳＯＵＲＣＥは使用する音源ソース信号、ＥＥＣ＿ｍａｎは図２に示すように実際の音源（外部スピーカ５００など）から受聴者の閉じた外耳道入口までの伝達関数、ＥＥＣ＿ｄｍは図３に示すように実際の音源（外部スピーカ５００など）からダミーヘッドの閉じた外耳道入口までの伝達関数、ＥＤ＿ｄｍは図４に示すように実際の音源（外部スピーカ５００など）からダミーヘッドの鼓膜位置までの伝達関数、ＳＩＰはイヤホンユニットのもつ再生周波数特性、ＥＣ＿ｃｌｏｓｅ＿ｄｍは図５に示すようにダミーヘッドの外耳道が閉じた状態での挿耳型イヤホン２００のスピーカユニット２２０の位置（内側）から鼓膜位置までの伝達関数である。
【００２０】
本実施の形態においては、両耳受聴によって３次元音場再生処理を実現するため、ＥＥＣ＿ｍａｎについては右耳と左耳について２種類の伝達関数を用意する必要がある。更に精度の高い制御をおこなうためには受聴者個人の鼓膜位置までの伝達関数を測定する必要があるが、実現が非常に困難である。そのため、本実施の形態では「外耳道の入口までの音響伝達特性は受聴者個人のものを使い、外耳道入口から鼓膜位置までの伝達特性については、便宜上ダミーヘッドのものを用いる」という近似を行なっている。
【００２１】
次に、上式のＥＥＣ＿ｄｍ−１ ＊ＥＤ＿ｄｍの項に注目すると、この項は、閉じた状態の外耳道入口（外側）から鼓膜位置までの伝達関数になっている。即ち、この項では外耳道が閉じた状態を開いた状態に補正する制御が行なわれている。
【００２２】
また、上式は ＳＯＵＲＣＥ，ＥＥＣ＿ｍａｎ，それ以降の項の３部に分けて考えることができる。ＥＥＣ＿ｍａｎは受聴者の耳介の形状等に関係する項であり、ＥＥＣ＿ｄｍ−１以降の項はイヤホンとダミーヘッドに関係する項、つまり受聴者が代わっても変化の無い項である。よって、ＥＥＣ＿ｄｍ−１以降の項のことを、以下では外耳道補正関数（Ｈｃ）と表記する。更に、ＥＥＣ＿ｍａｎのことを単純にＨＲＴＦと表記することにすれば、上式は、
ＳＯＵＲＣＥ’＿Ｌ，Ｒ＝ＳＯＵＲＣＥ＊ＨＲＴＦ＿Ｌ，Ｒ＊Ｈｃ
と表すことができる。ただしＨＲＴＦの添え字は受聴者の耳の左右（Ｌ，Ｒ）を表し、ＳＯＵＲＣＥ’の添え字は再生に使用するイヤホンの左右を表す。
【００２３】
上式において、受聴者が変わる場合、ＨＲＴＦ＿Ｌ，Ｒについて新たにフィルタ係数などのデータを用意する必要がある。本実施の形態の挿耳型イヤホン２００は、外耳道の入口での音を測定するマイクユニット２１０を備えることにより、受聴者のＨＲＴＦ計測を簡便に行なうことが可能である。また、再生用のイヤホンを別の種類のものに代える場合はＨｃについてのみ新たにフィルタ係数などのデータを用意するだけでよい。
【００２４】
次に、ＨＲＴＦの計測を行う場合の動作について図６を用いて説明する。ＨＲＴＦを計測するときには、３次元音場再生装置１００のＨＲＴＦ測定処理部１１０が出力する信号を外部スピーカ５００に出力し、受聴者の耳に挿耳型イヤホン２００を装着し、挿耳型イヤホン２００のマイクユニット２１０で収音した信号によりＨＲＴＦの計測を行なう。
【００２５】
ＨＲＴＦ測定処理部１１０は、インパルス応答測定用の信号を発生する波形発生部１１１と、波形発生器が発生した信号と挿耳型イヤホン２００のマイクユニット２１０で収音した信号に基づいて系のインパルス応答を計算する計算部１１２とを備えている。
【００２６】
まず、波形発生部１１１によりＭ系列ノイズやＴＳＰ（Ｔｉｍｅ Ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ Ｐｕｌｓｅ）信号などのインパルス応答測定用の信号が発生され、外部スピーカ５００に出力される。
【００２７】
このインパルス応答測定用の信号は外部スピーカ５００により音として出力され、受聴者が装着した挿耳型イヤホン２００のマイクユニット２１０により収音される。
【００２８】
マイクユニット２１０で収音された音は、電気信号に変換されＨＲＴＦ測定処理部１１０に入力される。
【００２９】
ＨＲＴＦ測定処理部１１０の計算部１１２は、波形発生部１１１が発生した信号とマイクユニット２１０で収音された信号が入力され、この２つの信号に基づいて系のインパルス応答を計算する。このインパルス応答は、外部スピーカ５００からマイクユニット２１０までの経路の伝達関数を意味する（大賀寿郎、山崎芳男、金田豊 共著「音響システムとディジタル処理」社団法人電子情報通信学会編、１５８−１６５頁）。
【００３０】
このようにして得られたインパルス応答は受聴者の頭部伝達関数を再現するＨＲＴＦフィルタ係数としてメモリ１３０に保存される。
【００３１】
このＨＲＴＦの計測は左右両方の耳についてそれぞれ行なわれ、左右両方の耳それぞれのＨＲＴＦフィルタ係数が計算される。
【００３２】
このように本実施の形態においては、ＨＲＴＦ測定処理部１１０が出力する信号を外部スピーカ５００に出力し、受聴者が挿耳型イヤホン２００を装着するだけで、容易にＨＲＴＦフィルタ係数を計測することができ、受聴者個人に特化したＨＲＴＦフィルタ係数を計測できるので、メモリ１３０に大量のＨＲＴＦフィルタ係数を保存し、その中から効果の高いものを選択するような場合に比べ、メモリ容量を削減することができるとともに、大量のＨＲＴＦフィルタ係数から効果の高いものを選択しなくても効果の高いＨＲＴＦフィルタ係数を得ることができる。
【００３３】
また、受聴者が自分でＨＲＴＦフィルタ係数を計測するので、受聴者の好みの位置（上方を含む３次元）に音源を配置した状態のＨＲＴＦフィルタ係数を得ることができる。
【００３４】
本実施の形態の音響再生装置を携帯電話に組み込む場合、ＨＲＴＦフィルタ係数測定用の外部スピーカ５００として携帯電話のスピーカを使用してもよい。
【００３５】
次に、３次元音場再生音を再生する場合の動作について図７を用いて説明する。３次元音場再生音を再生するときには、３次元音場再生装置１００のＨＲＴＦ再生処理部１２０にマルチチャンネルの音源ソースを入力し、ＨＲＴＦ再生処理部１２０で音源ソースにフィルタ係数を畳み込み、挿耳型イヤホン２００に出力する。
【００３６】
ＨＲＴＦ再生処理部１２０は、音源ソースの各チャネル毎に左耳用と右耳用のＨＲＴＦ及びＨｃのフィルタ係数を別々に音源ソースの信号に畳み込み各チャネル毎に左耳用と右耳用の信号を出力する畳込み部１２１と、畳込み部１２１の出力する各チャネル毎の左耳用と右耳用の信号を左耳用と右耳用別々に加算し左耳用と右耳用の信号を出力する加算部１２２とを備えている。
【００３７】
ＨＲＴＦ再生処理部１２０に入力された音源ソースは、チャンネル毎に左耳用、右耳用に設けられた畳込み部１２１Ｌ、１２１Ｒにそれぞれ入力される。
【００３８】
畳込み部１２１Ｌ、１２１Ｒにはメモリ１３０からＨＲＴＦ測定処理部１１０により保存された左耳用と右耳用それぞれのＨＲＴＦフィルタ係数及び予めメモリ１３０内に保存されている挿耳型イヤホン２００を使ったときの外耳道が閉じた状態を開いた状態に補正するためのＨｃフィルタ係数が入力され、畳込み部１２１Ｌ、１２１Ｒは、入力された音源ソースに入力されたＨＲＴＦフィルタ係数及びＨｃフィルタ係数を畳み込み、対応する左耳用、右耳用の加算部１２２Ｌ、１２２Ｒそれぞれに出力する。
【００３９】
加算部１２２Ｌ、１２２Ｒは、入力されるマルチチャンネルの各チャンネルの音源ソースにフィルタ係数が畳み込まれた信号を加算し、挿耳型イヤホン２００の対応する左右それぞれのスピーカユニット２２０に出力する。
【００４０】
このように本実施の形態においては、音源ソースにＨＲＴＦ測定処理部１１０で測定した受聴者個人のＨＲＴＦフィルタ係数を畳み込んでいるので、３次元音場再生の制御効果を高めることができる。
【００４１】
また、挿耳型イヤホン２００を使ったときの外耳道が閉じた状態を開いた状態に補正するためのＨｃフィルタ係数を畳み込んで外耳道伝達関数の補正を行っているので、イヤホンを装着しているにもかかわらず外耳道が開いた状態の受聴状態を実現することができる。これにより、３次元音場再生時の制御精度を向上させることができ、より自然な状態の頭外音像定位を実現することができる。
【００４２】
また、自然な頭外音像定位感は、音像の頭内定位に起因する耳の疲れを軽減する効果をもたらす。
【００４３】
次に、３次元音場再生音を再生しながら実音場の音も同時に出力する場合の動作について図８を用いて説明する。３次元音場再生音と同時に実音場の音も出力するときには、挿耳型イヤホン２００のマイクユニット２１０で収音した音にＨＲＴＦ再生処理部１２０でＨｃフィルタ係数を畳み込み、３次元音場再生音と加算して挿耳型イヤホン２００に出力する。
【００４４】
ＨＲＴＦ再生処理部１２０は、上述の畳込み部１２１、加算部１２２に加え、挿耳型イヤホン２００のマイクユニット２１０で収音されＨＲＴＦ測定処理部１１０を経由して入力されるミックス用外部音信号にＨｃフィルタ係数を畳み込むＨｃ畳込み部１２３を備えており、このＨｃ畳込み部１２３の左右それぞれの出力は加算部１２２により畳込み部１２１が出力する３次元音場再生音に加算される。
【００４５】
受聴者が装着している挿耳型イヤホン２００のマイクユニット２１０は、受聴者の外耳道の入口での音を収音し、収音したアナログ信号をＨＲＴＦ測定処理部１１０に入力する。
【００４６】
ＨＲＴＦ測定処理部１１０は、入力されたアナログ信号をＡＤ変換してステレオ２チャンネルのミックス用外部音信号としてＨＲＴＦ再生処理部１２０に入力する。
【００４７】
ＨＲＴＦ再生処理部１２０に入力されたミックス用外部音信号は、Ｈｃ畳込み部１２３でＨＲＴＦ測定処理部１１０により予めメモリ１３０に保存された挿耳型イヤホン２００を使ったときの外耳道が閉じた状態を開いた状態に補正するためのＨｃフィルタ係数を畳み込まれる。
【００４８】
ＨＲＴＦ再生処理部１２０に入力されたマルチチャンネルの音源ソース（図ではｎチャンネル）は、上述と同様に、畳込み部１２１によりチャンネル毎に左右それぞれのＨＲＴＦフィルタ係数及びＨｃフィルタ係数を畳み込まれ、加算部１２２で左右それぞれに各チャンネルの信号が加算される。
【００４９】
このとき、Ｈｃ畳込み部１２３でＨｃフィルタ係数を畳み込まれたミックス用外部音信号も加算部１２２で各チャンネルの信号に加算される。
【００５０】
加算部１２２Ｌ、１２２Ｒで加算された信号は、ＤＡ変換によりアナログ信号に変換され、挿耳型イヤホン２００の左右それぞれのスピーカユニット２２０に出力される。
【００５１】
このように本実施の形態においては、受聴者の装着している挿耳型イヤホン２００のマイクユニット２１０で収音した音にＨｃフィルタ係数を畳み込んで音源ソースの再生音に加算しているので、音源ソースの再生時に受聴者のいる実音場の音をミックスして再生することができる。この実音場の音は、受聴者本人のＨＲＴＦ情報を含んだ状態で収音されるため、挿耳型イヤホン２００のスピーカユニット２２０から再生される音は受聴者にとって自然な音場を形成する音となる。このため、受聴者は、音源ソースの音とともに外部の音を自然な音場で聴くことができ、受聴者にオープンエア型のモニタ環境を提供することができる。
【００５２】
オープンエア型のモニタ環境は、例えば、放送局のスタジオモニタなどでカメラマンが実音を聞きながら指示の音声を聞いたり、美術館や動物園などの展示物案内の音声を回りの音を聞きつつ自然に聞いたり、会議システムにおいて参加者が音場を共有したりすることへ応用することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、測定処理部で受聴者本人の頭部伝達関数を再現するためのフィルタ係数を測定し、測定したフィルタ係数と挿耳型イヤホンを使ったときに外耳道が開いた状態になるように外耳道伝達関数を補正するフィルタ係数を音源ソース信号に畳み込むことにより、イヤホンを装着しているにもかかわらず外耳道が開いた状態の受聴状態を実現し、３次元音場再生についての制御精度を向上させ、より自然な状態の頭外音像定位を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の音響再生装置を示すブロック図
【図２】本発明の一実施の形態の音響再生装置の伝達関数ＥＥＣ＿ｍａｎを説明する図
【図３】本発明の一実施の形態の音響再生装置の伝達関数ＥＥＣ＿ｄｍを説明する図
【図４】本発明の一実施の形態の音響再生装置の伝達関数ＥＤ＿ｄｍを説明する図
【図５】本発明の一実施の形態の音響再生装置の伝達関数ＥＣ＿ｃｌｏｓｅ＿ｄｍを説明する図
【図６】本発明の一実施の形態の音響再生装置のＨＲＴＦ測定を説明するブロック図
【図７】本発明の一実施の形態の音響再生装置の３次元音場再生音の再生を説明するブロック図
【図８】本発明の一実施の形態の音響再生装置の３次元音場再生音と実音場の音の同時再生を説明するブロック図
【符号の説明】
１００ ３次元音場再生装置
１１０ ＨＲＴＦ測定処理部
１１１ 波形発生部
１１２ 計算部
１２０ ＨＲＴＦ再生処理部
１２１ 畳込み部
１２２ 加算部
１２３ Ｈｃ畳込み部
１３０ メモリ
２００ 挿耳型イヤホン
２１０ マイクユニット
２２０ スピーカユニット
５００ 外部スピーカ
Claims (3)
- 受聴者の外耳道の入口での音を収音するマイクユニットと音の再生を行なうためのスピーカユニットとを有する左耳用および右耳用挿耳型イヤホンと、インパルス応答測定用の信号を外部スピーカに出力し、前記マイクユニットで収音した前記外部スピーカから出力した音と前記インパルス応答測定用の信号とに基づいて前記受聴者の頭部伝達関数を再現する左耳用および右耳用フィルタ係数を算出する測定処理部と、入力される音源ソース信号に予め設定されたダミーヘッドにおける前記挿耳型イヤホンを使ったときに外耳道が開いた状態になるように外耳道伝達関数を補正するフィルタ係数と前記受聴者の頭部伝達関数を再現する左耳用フィルタ係数とを畳み込んで左耳用再生信号を生成するとともに、入力される音源ソース信号に予め設定されたダミーヘッドにおける前記挿耳型イヤホンを使ったときに外耳道が開いた状態に外耳道伝達関数を補正するフィルタ係数と前記受聴者の頭部伝達関数を再現する右耳用フィルタ係数とを畳み込んで右耳用再生信号を生成し、前記左耳用および右耳用再生信号をそれぞれ対応する前記左耳用または右耳用挿耳型イヤホンのスピーカユニットに出力する再生処理部とを備えることを特徴とする音響再生装置。
- 前記再生処理部は、音源ソース信号再生時に前記左耳用および右耳用挿耳型イヤホンのマイクユニットにより収音した音に前記外耳道伝達関数を補正するフィルタ係数を畳み込み、前記左耳用および右耳用再生信号の対応する再生信号に加算し、加算された前記左耳用および右耳用再生信号をそれぞれ対応する前記左耳用または右耳用挿耳型イヤホンのスピーカユニットに出力することを特徴とする請求項１に記載の音響再生装置。
- 前記再生処理部は、マルチチャンネルの音源ソース信号をチャンネル毎に入力可能に構成され、前記チャンネル毎の音源ソース信号それぞれに前記外耳道伝達関数を補正するフィルタ係数と前記受聴者の頭部伝達関数を再現する左耳用フィルタ係数とを畳み込み、畳み込まれた前記チャンネル毎の音源信号を加算して前記左耳用再生信号を生成するとともに、前記チャンネル毎の音源ソース信号それぞれに前記外耳道伝達関数を補正するフィルタ係数と前記受聴者の頭部伝達関数を再現する右耳用フィルタ係数とを畳み込み、畳み込まれた前記チャンネル毎の音源信号を加算して前記右耳用再生信号を生成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の音響再生装置。
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