JP2006067310A - 立体音響再生装置及び再生プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 サンプリング間隔にて焦点位置を変更しても不快な音を再生することなく、しかもサンプリング間隔以内の遅延のように多くの演算量や処理を不要とした。
【解決手段】 音響信号を再生する複数個のスピーカ４を有し、各スピーカ４の前段に備えられて、前記音響信号をサンプリング間隔にて遅延させる遅延部２とこのサンプリング間隔以内の時間にて遅延させるオールパスフィルタ６との直列体を有すること。オールパスフィルタ６の特性Ｈ（ｚ）は、α＋Ｚ^−１／１＋αＺ^−１であること。オールパスフィルタ６の係数α_ｉは、α_ｉ（ｘ）＝１−（Δｔ_ｉ（ｘ）−ｄ_ｉ（ｘ））によって与えられること。
【選択図】 図１

Description

本発明は、オーディオ信号を再生する音響機器、通信機器にあって、特に複数のスピーカが配列された面（スピーカ面）より前方に音を定位させる立体音響再生装置及び再生プログラムに関する。

オーディオ信号を複数のスピーカにて再生するに当たり、音像を立体的に再生する技術としては、二つのスピーカを用いるステレオ再生方式、また、最近では、五つのスピーカと一つのサブウーハーを用いる５．１ｃｈシステムなどが知られている。しかしながら、これらの方式においては、受聴者が知覚する音像の位置を、スピーカよりも前方に定位させることは困難であった。
これを解決する方法として、複数のスピーカとそれぞれに設けられた遅延器により、空間上の焦点に音を集める（音の位相をそろえる）ことで、虚音像を作り出し、これによってスピーカ面より前方に音像を定位をさせる技術（非特許文献１）が知られている。この技術の簡単な構成を図３に示す。図３の構成は、入力信号端１からの音響信号が、遅延器２、音量調節部３を介して、スピーカ４にて再生され、焦点５に虚音像を結ぶという構成である。各遅延器２には、スピーカ面からの焦点位置ｘにおいて音の焦点が集まるように遅延量が付与される。図３においては、スピーカ再生するための駆動アンプ、ディジタル処理のためのＡ／Ｄ、Ｄ／Ａ変換器は省略している。

通常、遅延器２はディジタル信号処理装置あるいはディジタル回路として実現されるため、この遅延器２に挿入できる遅延量は、遅延器２のサンプリング周期に合わせて離散的になってしまう。例えば、焦点位置をｘ、焦点位置ｘとｉ番目のスピーカ（iは１からＮ、Ｎはスピーカの数）との距離をｒ_ｉ（ｘ）、焦点５から一番遠い位置にあるスピーカ４までの距離をｒ_１（ｘ）、ｉ番目のスピーカに与えたい理想遅延量Δｔ_ｉ（ｘ）を

としたとき、この理想遅延量は整数とは限らないので、サンプリング周期に合わせるために整数値とすべく各遅延器２に与える遅延量ｄ_ｉ（ｘ）は、
ｄ_ｉ（ｘ）＝ｉｎｔ[Δｔ_ｉ（ｘ）]
で与えられる。ここで、ｉｎｔ［］は、整数値化する関数である。

こうして遅延量は、サンプリング周期に合わせて離散的になる。なおこの場合、例えば、遅延器２あるいはシステムのサンプリング周波数ｆｓが１６ＫＨｚサンプリングであった場合、音響信号が１サンプリング周期だけ遅延ずれが生じたとしても、音の波長が４倍以下の４ＫＨｚ程度の音までは位相が概ね揃うため、スピーカ４からの音は焦点位置に焦点を結ぶことができる。したがって、ディジタル処理を用いることによる切捨て誤差の影響が立体音響再生に与える影響は少ない。

上述のケースでは、焦点位置ｘを決め各遅延器２の遅延量を決めることになり、ここでは焦点位置ｘは固定している状況を前提とする。
しかしながら、一方で音響効果上焦点位置を移動させることも考えられ、この焦点位置を移動するためには、この移動に対応して遅延量を変化させる必要がある。焦点位置と遅延量の簡単な関係を図４に示すに、図４にて４１は縦軸にスピーカの配置、横軸は右側に焦点位置、左側に各スピーカ４に与える遅延量を示している。この図によれば、焦点位置をスピーカ前面より、より遠くに移動する湯合、中央付近のスピーカに与える遅延は減少させる必要があることが判明する。
S. Komiyama，et al, J. Acoust Soc．Jpn.(E), vol.13,pp.171-180, March 1992.

このように焦点位置を移動させて遅延量を加減する場合、遅延をサンプリング周期の1時刻だけ増加させるということは、今まで再生してきた音に対して波形上１時刻空きを作って再生し、更に続けてまた再生することに対応する。図５は、この様子を示すもので、元の信号５１に対して遅延挿入位置５３にて一時刻の遅延を挿入し、その結果下の信号５２を得ることを示している。この図５による一時刻の遅延挿入により、元の波形に０レベルが挿入され、不連続信号となってしまう。そして、この信号を音響信号として再生した場合、不快な音として再生される。

次に、１時刻だけ遅延を早めることを考えた場合を図６に示す．図６において、既にある時刻だけ遅延された元の信号６１に対して遅延削除位置６３にて一時刻遅延を削除し、その結果下の信号６２を得ることを示している。この図６による一時刻の遅延削除により、元の波形の一部が再生されなくなり、不連続信号となる。そして、この信号を音響信号として再生した湯合、やはり不快な音として再生される。
こうして離散的なサンプル間隔を用いる遅延器２を利用して焦点位置ｘを移動させようとすると、遅延器２の実現手段であるディジタル処理の影響により信号に不連続が生じ、不快な音が再生されてしまうという課題があった。

一方、離散的なサンプリング間隔に対し、サンプリング周期以内の遅延をディジタル信号処理にて実現する方法も一般的には考えられる。例えば、離散的なサンプリング間隔によって遅延量ｄ_ｉに遅延させた信号について，図７に示すＦＩＲフィルタにて次のｓｉｎｃ関数を用いることにより更にサンプリング間隔以内での遅延の方法が知られる。

なお、このｓｉｎｃ関数にあって，ｈ_ｉ（ｎ）はｓｉｎｃ関数の特性を実現するＦＩＲフィルタ係数、Δｄ_ｉはΔｄ_ｉ＝Δｔ_ｉ（ｘ）−ｄ_ｉ（ｘ）による理想遅延量と離散遅延量との間のサンプリング間隔以内の遅延量、ｎは負から正の左右対称な量であって選択された適宜な数Ｌである。このことは、図３の例によれば、遅延器２の後段に図７に示すＦＩＲフィルタを挿入しＬ段の演算器にて信号を畳み込み遅延を得ることになる。具体例としてＦＩＲフィルタを挿入し、例えば、ｓｉｎｃ関数として長さ２Ｌ＋１＝４ｌ（Ｌ＝２０）とし、サンプリング間隔の半分の遅延を表現するとした場合、すなわちΔｄ_ｉ＝０．３とΔｄ_ｉ＝０．５の場合のＦＩＲフィルタ係数を求めると、図８に示す特性７１及び７２のようになり、横軸に時間に対するサンプリング数（演算器の段数に相当）、縦軸に正規化された振幅からなる特性が得られる。つまり、サンプル間隔以内での遅延を表現するためには、多くのフィルタ係数を必要とすることになる。
この様子を時間領域にて示す信号ｓ（ｋ）に関する式で表すと次式となる。

ここで、ｙ（ｋ）は、遅延後の出力信号である。以上のことから判明することは、スピーカ面を形成する各スピーカについてＦＩＲフィルタを挿入することにより、そしてｓｉｎｃ関数によって遅延位置を変化させるためには、信号とＦＩＲフィルタを畳み込まなければならないため、多くの演算量が必要となることである。更に、遅延量を連続的に変化させるためには、理想遅延量Δｔ_ｉに応じてΔｄ_ｉが変化するため、これに伴い変化するｓｉｎｃ関数のＦＩＲフィルタ係数ｈ（ｎ）（ｎ＝−Ｌ〜Ｌ）を全て入れ替えなければならないため、多くの処理が必要となることである。

この結果、例えばＦＩＲフィルタを用いてサンプリング周期以内の遅延をディジタル信号処理にて実現するにつけては、単位スピーカ当たり多くの演算処理を必要とし、更に遅延量の連続変化のためにはフィルタ係数の入れ替えを要する。
以上述べたように従来技術では、サンプリング周期の遅延器のみを用いて焦点位置を移動させようとすると、遅延器の実現手段であるディジタル処理の影響により信号に不連続が生じ、不快な音が再生されてしまうという問題がある。また、この不快音の発生を避けるために、ｓｉｎｃ関数を用いてサンプル間隔内の遅延を表現しようとすると、演算量が多く必要となり、また多くの係数を１サンプル時間に即座に入れ替えるための処理が必要となる、という問題があった。

本発明は、上述の間穎に鑑みて発明されたもので、サンプリング間隔にて焦点位置を変更しても不快な音を再生することなく、しかもサンプリング間隔以内の遅延のように多くの演算量や処理を不要とした立体音響再生装置及びその再生処理を実現する再生プログラムの提供を目的とする。

本発明は、音響信号を再生する複数個のスピーカを有し、各スピーカの前段に備えられて、前記音響信号をサンプリング間隔にて遅延させる遅延部とこのサンプリング間隔以内の時間にて遅延させるオールパスフィルタとの直列体を有する。

本発明によれば、サンプリング間隔以内の遅延を行うオールパスフィルタにより、焦点位置を変更しても不快な音が生ずることなく、また係数の数が少ないオールパスフィルタの特性上演算量を減少することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態につき説明する。
〔第１実施形態〕
ここで、第１実施形態について説明する。図１は立体音響再生装置の一例であり、図３と同一部分には同符号を付す。すなわち図１において、入力信号端１からの音響信号が、音量調節部３、遅延器２を介して、スピーカ４にて再生され、焦点５に虚音像を結ぶという構成である。各遅延器２には、スピーカが配列されたスピーカ面からの焦点位置ｘにおいて音の焦点が集まるように遅延量が付与される。図１においては、スピーカ再生するための駆動アンプ、ディジタル処理のためのＡ／Ｄ、Ｄ／Ａ変換器は省略している。

本実施形態では、各スピーカ４の前段の音量調整部３、遅延部２からなる直列体には、更に直列にオールパスフィルタ６が挿入されている。このオールパスフィルタ６は、オールパスフィルタ６の特性（伝達関数）を示す次式に基づき図９に示す構成を有する。

この式でαはオールパスフィルタの係数である。この式を実現する図９（ａ）では二つの掛け算器６０１と二つの加算器６０２とにより構成され、また図９（ｂ）では一つの掛け算器６０１と二つの加算器６０２とにより構成される。ここで、係数αは、後述の遅延パラメータ設定部により焦点位置に応じて理想遅延量と整数値化された遅延量とから得られる値である。このオールパスフィルタ６は、図９に示すように従来の図７に示すＦＩＲフィルタに対して演算器の数は格段に少なくなっている。なお、図１に示す直列体を構成するオールパスフィルタ６、音量調整部３、遅延部２の配置の順序は入れ替わることも可能である。

次に、このオールパスフィルタ６、音量調整部３、遅延部２の制御入力について述べる。制御入力生成のために本実施形態では、焦点位置設定部７、遅延パラメータ設定部８及び音量設定部９が配置される。ここで、焦点位置設定部７は、音像の焦点位置ｘが入力され、遅延パラメータ設定部８及び音量設定部９それぞれに焦点位置ｘとｉ番目のスピーカとの間の距離ｒ_ｉ（ｘ）等が出力される。遅延パラメータ設定部８は、焦点位置設定部７の設定値を受けオールパスフィルタ６にその係数αを出力し、遅延部２に整数値化された遅延量ｄ_ｉ（ｘ）を出力するものである。また、音量設定部９は、焦点位置設定部７の設定値を受け設定値ｒ_ｏ／ｒ_ｉ（この値は後述する）を出力するものである。

図１０は、制御入力生成のための焦点位置設定部７及び遅延パラメータ設定部８をより詳細に示しており、焦点位置設定部７は入力部７０１より焦点位置ｘが入力され、サンプリング周波数ｆｓ及び音速ｃが設定されている。この場合、音速ｃは事前に測定しても良く、あるいは事前に定数として与えても良い。
また、焦点位置設定部７は焦点位置ｘによりこのｘとｉ番目のスピーカ（iは1からN）との距離をｒ_ｉ（ｘ）を演算する。
遅延パラメータ設定部８では、最初に理想遅延量Δｔ_ｉ（ｘ）を求める。この理想遅延量Δｔ_ｉ（ｘ）は、整数値化された遅延量でなく小数点以下の値をも含めた本来必要な遅延量である。計算としては、焦点位置をｘ、焦点位置ｘとｉ番目のスピーカ（iは1からN）との距離をｒ_ｉ（ｘ）、焦点から一番遠い位置にあるスピーカまでの距離をｒ_１（ｘ）、とした湯合には、まず、ｉ番目のスピーカに与えたい理想遅延量Δｔ_ｉ（ｘ）を次式にて計算する。

次いで、理想遅延量Δｔ_ｉ（ｘ）に基づきｉ番目のスピーカに対応する遅延部２に与える遅延量は整数値化関数を用いて、ｄ_ｉ（ｘ）＝ｉｎｔ[Δｔ_ｉ（ｘ）]
により決定する。こうして、遅延部２に出力される遅延量ｄ_ｉ（ｘ）が得られる。
更に、理想遅延量Δｔ_ｉ（ｘ）と遅延量ｄ_ｉ（ｘ）とを減算して更に１から引くことにより次のようにオールパスフィルタ６の係数α_ｉ（ｘ）を得る。

α_ｉ（ｘ）＝１−（Δｔ_ｉ（ｘ）−ｄ_ｉ（ｘ））
ここで、係数α_ｉ（ｘ）の算出に当たり１から引く計算が行われるが、これは前述のオールパスフィルタの特性式Ｈ（ｚ）の値を得るに当たり、α値の要素となる理想遅延量Δｔ_ｉ（ｘ）と遅延量ｄ_ｉ（ｘ）との減算値に相応させるためである。こうして、遅延部２へのサンプリング周期での遅延量ｄ_ｉ（ｘ）の他にオールパスフィルタ６への係数α_ｉ（ｘ）によってサンプリング周期以内の遅延量を得ることができる。

音量設定部９においては、焦点位置設定部７において設定された焦点位置ｘとスピーカ位置との関係に基づき、焦点位置ｘに最も近い位置のスピーカの音量を基準（例えば音量１）に設定し、他のスピーカ音量は、距離差に応じて小さく設定する。例えば、もっとも近い距離をｒ_ｏとした場合、i番目のスピーカと焦点までの距離がｒ_ｉである場合、スピーカ音量は、ｒ_ｏ／ｒ_ｉとして設定する。これは、焦点位置ｘに近いスピーカほど、焦点位置ｘでの直接音と間接音の比が大きく、遠いほど直接音と間接音の比が小さいので、できるだけ焦点位置ｘで全てのスピーカからの信号を加算した時に、直接音と間接音の比が大きくなるようにするためである。そしてこのことは、直接音と間接音の比が大きければ大きいほど、前方定位がしやすくなるという事実に基づいている。また、直接音と間接音の比率を最大にするためには、焦点位置ｘからスピーカまでの距離をｒ_ｉとしたとき、それぞれの音量を１／ｒ_ｉに比例させる。このことはマイクロホンアレーにおける目的音と雑音との関係において既に知られているが、本実施形態では、目的音を直接音、雑音を間接音と見なすことで、導き出すことができる。尤も、上述にとらわれることなく、各スピーカに与える音量は中心が大きく、端に行くほど小さく設定されていれば良い。

〔第２実施形態〕
図２は、本発明の第２実施形態を例示するものである。図２において、図１との違いは、焦点位置設定部７への入力部として事前遅延量測定部１０を設け、しかも事前に決定した直線状の焦点位置にＭ個のマイクロホンを備えたことであり、他の部分は図１と同様である。なおここでは、簡単のため、事前測定した焦点位置は1本の直線上にあり、さらに設定できる焦点位置もその直線上にあると仮定したものであるが、事前測定する焦点位置と設定できる焦点位置の関係は、間が補間できる幾何学的関係にあればなんら制限されるものではない。

図２の事前遅延測定部１０では、スピーカ面から事前に決定したＭ個（Ｍは２以上）の焦点位置ｘ_ｍ（ｍは１からＭ）にマイクロホンを設置し、個々のスピーカと複数の焦点位置との間の音の伝播遅延Ｐ_ｉ（ｘ_ｍ）（iはスピーカ番号、ｍは焦点位置番号）を測定する。測定にあたっては、図１１（ａ）に示すようにスピーカ面を形成する各スピーカ４と音源１１０との間に接続切り替えスイッチ１１１を設け、一方Ｍ個の直線な並べられたマイクロホン１１２の接続切り替えスイッチ１１３を設け、マイクロホン１１２の接続切り替えスイッチ１１３による接続切り替えごとに全スピーカ４を音源１１０につなぐように接続切り替えスイッチ１１１を一通り切り替える切り替え器１１４を設け、最後のスピーカ４を音源１１０につないだのちマイクロホン１１２の接続切り替えスイッチ１１３を次に切り替える切り替え器１１５を設ける。この結果、各焦点位置ｘ_ｍの各マイクロホンごとに全スピーカ４からの距離に応じた伝播遅延Ｐ_ｉ（ｘ_ｍ）が例えば図１１（ｂ）に示すように得られることになる。

図１２は、事前遅延測定部１０による伝播遅延Ｐ_ｉ（ｘ_ｍ）の測定後、焦点位置設定部７での処理を示す。図１２にてステップ１２１では、焦点位置ｘ_ｍごとに伝播遅延Ｐ_ｉ（ｘ_ｍ）の中でもっとも大きな伝播遅延Ｐ_MAX（ｘ_ｍ）を求める。次いで、ステップ１２２にて焦点位置ｘ_ｍごとにこのもっとも大きな伝播遅延Ｐ_MAX（ｘ_ｍ）からそれぞれの伝播遅延Ｐ_ｉ（ｘ_ｍ）を差し引き、焦点位置ｘ_ｍごとに各スピーカに与えるべき遅延量ｄ_ｉ（ｘ_ｍ）（iはスピーカ番号、mは焦点位置番号）が決定される。ステップ１２３では、この遅延量ｄ_ｉ（ｘ_ｍ）を記憶し、次いで、ステップ１２４にて図１０の入力部７０１にて入力され設定された焦点位置ｘを選択する。この後、ステップ１２５では、予め設定したＭ個の焦点位置ｘ_ｍ（m＝１〜Ｍ）の中から、設定した焦点位置ｘが間に入る2つの焦点位置ｘ_ｍおよびｘ_ｍ＋１を選択する。次に、ステップ１２６では、理想遅延量Δｔ_ｉ（ｘ）を、各スピーカから焦点位置ｘまでの間の実測に基づく遅延量ｄ_ｉ（ｘ_ｍ）に応じて、次式によって補間で求める。

ここで、Lは焦点位置ｘ_ｍ＋１と焦点位置ｘ_ｍとの間の距離であり、Dは焦点位置ｘ_ｍと焦点位置ｘとの間の距離である。この理想遅延量Δｔ_ｉ（ｘ）は、図１０に示す遅延パラメータ設定部８での処理Δｔ_ｉ（ｘ）に相当する。
また、ステップ１２４による焦点位置ｘの選択後、第１実施形態で述べた焦点位置ｘとｉ番目のスピーカとの距離をｒ_ｉ（ｘ）を計算し（ステップ１２７）、ステップ１２８にて第１実施形態にて述べたスピーカ音量ｒ_ｏ／ｒ_ｉとして設定される。このｒ_ｏ／ｒ_ｉは、図１０の音量設定部９に相当する。

このようにして、演算器の少ないオールパスフィルタ６の係数を焦点位置から容易に求めることができ、この結果サンプリング周期以内の遅延量を少ない演算にて得ることができる。
これまでの説明は、焦点位置ｘをスピーカ面に対して１本の直線上に設定した例につき述べてきたが、音像の焦点位置は３次元空間内の任意の点にて選択可能であり、スピーカ面を形成する複数のスピーカのアレイ配置あるいは面配置と相俟って、スピーカ面に対する多数本の直線を想定することにより、３次元空間内の任意の点での焦点位置を設定することができる。
またこれまで説明した上述の構成の各機能は、コンピュータにて実現可能なプログラムにて記載することができる。

本発明の第１実施形態のブロック図である。 本発明の第２実施形態のブロック図である。 従来例のブロック図である。 遅延量と焦点位置との関係を示す線図である。 １時刻追加時の時間波形図である。 １時刻削除時の時間波形図である。 ＦＩＲフィルタの構成図である。 ＦＩＲフィルタ係数の特性線図である。 本発明のオールパスフィルタの二つの例の構成図である。 図１、図２の部分的拡大図である。 第２実施形態の伝播遅延の測定図である。 第２実施形態の処理フロー図である。

Claims (9)

1. 音響信号を再生する複数個のスピーカを有し、各スピーカの前段に備えられて、前記音響信号をサンプリング間隔にて遅延させる遅延部とこのサンプリング間隔以内の時間にて遅延させるオールパスフィルタとの直列体を有することを特徴とする立体音響再生装置。
2. 上記遅延部はサンプリング間隔毎の遅延量を変化させ、上記オールパスフィルタはサンプリング間隔以内の時間を制御する係数を変化させることを特徴とする請求項１に記載の立体音響再生装置。
3. 上記オールパスフィルタの伝達関数Ｈ（ｚ）は、
   

   

   であることを特徴とする請求項２に記載の立体音響再生装置。ここで、αは、０から１までの値を採る係数である。
4. 複数のスピーカ配列によるスピーカ面からの焦点位置をｘ、この焦点位置ｘとｉ番目のスピーカ（ｉは１からＮ）との距離をｒ_ｉ（ｘ）、焦点位置ｘから一番遠い位置にあるスピーカまでの距離をｒ_１（ｘ）、ｉ番目のスピーカに与えたい理想遅延量Δｔ_ｉ（ｘ）を
   

   

   とし、各遅延部に与える遅延量ｄ_ｉ（ｘ）をｄ_ｉ（ｘ）＝ｉｎｔ[Δｔ_ｉ（ｘ）]とした場合、上記オールパスフィルタの係数αｉを理想遅延量Δｔ_ｉ（ｘ）と遅延量ｄ_ｉ（ｘ）とにより決定し、この決定したオールパスフィルタの係数αｉと遅延量ｄ_ｉ（ｘ）を上記オールパスフィルタ及び遅延器に入力する遅延パラメータ設定部を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の立体音響再生装置。ここで、ｆｓは装置のサンプリング周波数、ｃは当該空間での音速であり、ｉｎｔ［］は、整数値化する関数である。
5. 各オールパスフィルタの係数α_ｉは、α_ｉ（ｘ）＝１−（Δｔ_ｉ（ｘ）−ｄ_ｉ（ｘ））によって与えられることを特徴とする請求項４に記載の立体音響再生装置。
6. 予め各スピーカから焦点位置までの間で実測した伝播遅延時間に応じて決定した理想遅延量に基づき、各遅延部に与える遅延量と各オールパスフィルタ係数を計算する遅延パラメータ設定部を有することを特徴とする請求項２に記載の立体音響再生装置。
7. 上記遅延パラメータ設定部は、
   理想遅延量Δｔ_ｉ（ｘ）を、予めＭ個（Ｍは2以上の自然数）の焦点位置ｘ_ｍ（ｍは１からＭ）に対して、各スピーカから焦点位置までの間で実測した遅度量ｄ_ｉ（ｘ_ｍ）に応じて、
   

   

   によって補間で求め、これに基づいて、各遅延部に与える遅延畳を
   ｄ_ｉ（ｘ）＝ｉｎｔ[Δｔ_ｉ（ｘ）]
   とし、さらに各オールパスフィルタ係数を
   α_ｉ（ｘ）＝１−（Δｔ_ｉ（ｘ）−ｄ_ｉ（ｘ））
   とすることを特徴とする請求項６に記載の立体音響再生装置。
   ただし、Ｌは焦点位置ｘ_m＋1と焦点位置ｘ_ｍとの間の距離であり、Ｄは焦点位置ｘ_ｍと焦点位置ｘとの間の距離である。
8. 各スピーカの音量を焦点から遠い位置にあるスピーカ程小さくする音量設定部を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の立体音響再生装置。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の装置が有する機能をコンピュータにて実現させるための再生プログラム。

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