JP2006516373A - アレイ型音響システムのセットアップ方法 - Google Patents

Abstract

サラウンド・サウンドを含む種々の機能に音響プロジェクタが適するように、音響プロジェクタをセットアップする方法が開示されている。この方法によって、半自動または自動セットアップを実行することができ、それにより、音響プロジェクタが試験信号を発すると、１つ以上のマイクロフォンがこの試験信号を受け取って、部屋の中の主反射面の位置および角度を検出する。好適な実施形態では、指向性音響ビームを動かすことによって部屋をスキャンし、前述の音響ビームの最初の反射をマイクロフォンで検出して、音響プロジェクタからの反射面の間隔を判定し、全てのまたは殆どの可能性のある音響ビーム角を得る。

Description

本発明は、家庭娯楽または専門家の音響再生用途に適するレベルで音響入力信号を受信し、可聴音ビームを生成することができる音響変換素子のアレイを含む装置に関するものである。さらに特定すると、本発明は、かかる装置を配置（セットアップ）する方法およびシステムに関するものである。

所有者を同じくする国際特許出願第ＷＯ０１／２３１０４号および第ＷＯ０２／０７８３８８号には、変換素子のアレイと種々の効果を実現する使用法が記述されている。なお、この言及によって、これらの開示内容は、本願に含まれるものとする。これらの特許出願には、入力信号を取り入れて何度も再現し、さらに、その各再現音を修正した後にそれぞれの出力変換素子に送り、所望の音場を作成する方法および装置が記述されている。この音場は、とりわけ、方向づけられた操縦可能なビーム、収束されたビームまたは擬似原点を含むことができる。上記の用途およびその他の関連の用途の方法ならびに装置は、「音響プロジェクタ」技術として以下に参照されている。

従来のサラウンド・サウンドは、スピーカをリスナの位置の周囲の適切な位置（「スイート・スポット」としても知られる）に設置することによって生成される。通常の場合、サラウンド・サウンド・システムは、半空間前方に設置された左、中央および右スピーカならびに半空間後方の２つの後部スピーカを用いる。「前」「左」「中央」「右」および「後」という用語は、リスナの位置および向きに対して用いられる。また、サブウーファを備える場合もあり、サブウーファは、リスニング環境のどこでも設置可能であることが一般に明記されている。

サラウンド・サウンド・システムは、入力された音声情報を復号化し、複合化情報を用いて異なるチャネル間で信号を分配し、各チャネルは、通常、１つのスピーカまた２つのスピーカの組合せによって放出される。音声情報は、それ自体（ドルビ・サラウンド５．１におけるような）いくつかのチャネル毎の情報またはチャネルの一部だけの情報を含み、その他のチャネルは、（ドルビ・プロ論理システム）におけるように）シミュレートされる。

所有者を同じくする公開国際特許出願第ＷＯ０１／２３１０４および第ＷＯ０２／０７８３８８号では、音響プロジェクタは、音響ビームであって、それぞれが上記チャネルの１つを表わす音響ビームを発することによって、さらにかかるビームを天井および壁のような表面からリスナに反射し返すことによってサラウンド・サウンド環境を生成する。リスナは、あたかも、最後の反響が行われた地点にまたはその地点の後に設置された音源の音響鏡像から発せられたかのように、この音響ビームを感知する。これには、室内の単一ユニットだけを用いることによってサラウンド・サウンド・システムを作成することができるという利点がある。

訓練を積んだ設置者や、綿密な指導を受けたユーザは、音響ビームの反響を用いる音響プロジェクタ・システムを設置することはできるが、一方において訓練を受けていない人または平均的エンド・ユーザのためにセットアップ手順を簡単にしてほしいという要望は、依然として存在する。

音響プロジェクタのセットアップに関する課題は、部分的波動場または全波動場の再現を目的とした一部の既知の方法に関するものではない。全波動場再現の方法においては、リスナの位置で全波動場を記録することが試されている。再現するために、多数のスピーカを制御し、最も近くにあるものが所望の位置における所望の波動場に近づくようにする。これらの方法は、本来、部屋またはコンサート・ホールの中の種々の反射体からの反射を記録することであったにせよ、音響プロジェクタ用の制御パラメータをこれらの記録から推論することは試みられていない。本質において、波動場再現方法は、実際の部屋の形状に関しては「不案内」であり、そのため、本発明の基盤をなす制御問題には適用不能である。

音響プロジェクタをセットアップする１つの重要な態様は、出力音響チャネル（音響ビーム）毎に適切な、すなわち、最適なビームを方向づける角度を判定し、ゼロ、１つまたはそれ以上のバウンス（壁、天井または物体からの反射）の後、音響ビームは、殆どは所望の方向から（通常は、中央のチャネルに対しては前方から、左前および右前のチャネルに対しては前方の両側から、左後および右後のチャネルに対しては、リスナの後の両側から）、リスナに到達するようにすることである。第２の重要なセットアップ態様は、放出された音響ビームの各々の相対的遅延が時間的に同期してリスナに到達し、従って、この遅延を選択して、音響プロジェクタ・アレイとリスナとの間の種々の経路長を種々の経路を介して補償するように手段を整えることである。

試行錯誤とは異なる方法で、このセットアップを実行するために重要なことは、音響プロジェクタおよびリスナ周囲のリスニング環境、通常は、リスニング・ルームや家庭内の設定では、通常は、居間の形状に関する詳細な情報である。その他の重要な情報は、その環境の中のリスナや音響プロジェクタの位置および周囲の環境の反射面、例えば、壁材、天井材およびカバーの特質である。最後に、音響障害物と不用意に交差する音響ビームを回避することができるためには、環境内の音響反響物および／または音響障害物の場所について知っておく必要がある。

本発明は、以下の方法の１つまたは２つ以上の組合せを用いて、音響プロジェクタの設置を容易にする方法を提案する。

第１の手法は、ＣＤＲＯＭまたはＤＶＤのような電子媒体形式のセットアップ・ガイドまたは好ましくはビデオ・ディスプレイによって支援される印刷マニュアルを用いることである。ユーザは、次に挙げる詳細を含む一連の質問を発せられる。
−音響プロジェクタの取り付け位置、
−部屋の形状および大きさ、および／または
−音響プロジェクタからリスニング位置までの距離

これを実現するシステムは、請求項３３において特許請求されている。

これは、専門家のシステムにおけるように、一連の未決問題によって、または予想される答えの組合せの限られた選択範囲を理解し易くしてくれる図表と共に提供することによって行うことができる。

この情報から、チャネル毎のいくつかの可能性のあるビーム方向を事前に選択し、例えば、リストの形で格納することができる。次に、音響プロジェクタ・システムは、帯域の限られたノイズの短いバーストを発生させ、これらの可能性のある方向の各々を介して繰り返し循環させる。次に、ユーザは、方向毎に、例えば、ボタンを作動することによって、（主観的な）最良のビーム方向を選択するように要求される。このステップを何度も繰り返すことによって選択幅を改良することができる。

次に、ユーザは、マイクロフォンを使用せずに、各壁および天井の表面のタイプをメニューから選択するように求められる場合がある。この選択を先のステップにおいて確立された操縦角度と共に用いると、近似の等化曲線を導き出すことができる。遅延およびチャネル間のレベル照合は、類似の反復方法を用いることによって行うことができる。

第２の手法は、入力ソケットによって任意に音響プロジェクタに接続されたマイクロフォンを用いることである。これによってより自動化された手法を取ることが可能になる。部屋の中のある点、例えば、主要リスニング位置にまたは音響プロジェクタ自身の中に配置された無指向性マイクロフォンによって、多数のビーム角度に対するインパルス応答を自動的に測定することができ、かつ、はっきりした大音量の反射が存在する局部最適条件のセットを見つけ出すことができる。リスニング領域の他の部分に配置されたマイクロフォンでさらに自動化された測定を行うことによって、このリストを改良することが可能である。その後、各ビームが届くと思われる方向を指定するようにユーザに求めるか、または形状に関する質問を行うことによってビーム経路を推定するかのいずれかによって最善のビーム角を各チャネルに割り当てることが可能である。測定前にユーザにいくつかの予備質問をすることによって、検索領域と時間とを削減することが可能になる。

（更に自動化され、そのためより高速で、ユーザにより優しい）第３の手法は、パネル上の多数の単一変換素子と、リスニング位置にあるマイクロフォンとの間のインパルス応答を測定するステップを含む。測定されたインパルス応答を個々の反射に分解し、さらにファジイ・クラスタリングまたはその他の適切なアルゴリズムを用いることによって、天井および側壁を含む部屋の中の主要反射面の位置および方位を推定することができる。また、音響プロジェクタに対するマイクロフォンの位置（および従ってリスニング位置）も正確に且つ自動的に見つけることができる。

第４の手法は、音響ビームによって部屋を「スキャン」し、さらにマイクロフォンを用いて最初に到着する反射を検出することである。最初に到着する反射は、最も近い物体から届く。従って、マイクロフォンが音響プロジェクタに設置される場合、音響プロジェクタに最も近い物体は、ビーム角度毎に推定することができる。その後、部屋の形状は、この「最初の反射」データから推定することができる。

これらの方法は、請求項１から請求項３２において特許請求されており、これらに対応する装置は、請求項３４から請求項３９において特許請求されている。

本願で説明した方法は、何れも組み合わせて使用することができ、おそらくは１つの方法を用いることによって、先に用いた方法の結果を実証することができる。競合する場合には、どちらの結果がより高精度であるかを音響プロジェクタ自身が判定し、または、例えば、グラフィカル・ディスプレイによってユーザに質問をすることができる。

音響プロジェクタが感知した環境をグラフィカル表示するように、音響プロジェクタを構築することができ、これによって音響プロジェクタが主要反射面を正確に検出したことをユーザは確認できる。
本発明のこれらおよびその他の態様は、非限定的な例の以下の詳細な説明から、さらに添付の概略図面を参照することによって明らかになる。

本発明は、所有者を同じくする出願第ＷＯ０１／２３１０４および第ＷＯ０２／０７８３８８において記述したデジタル音響プロジェクタに関連して最もよく説明されている。ＷＯ０１／２３１０４の図２１は、可能な装置を示している。但し、勿論、図示されている反射体は、部屋の壁および／または天井によって提供することができる。ＷＯ０２／０７８３８８の図８は、かかる構成を示している。

添付図面の図１を参照すると、デジタル・スピーカ、すなわち音響プロジェクタ１０は、変換素子のアレイ、すなわちスピーカ１１を含む。これは、音声入力信号が音響ビーム１２−１、１２−２として発せられるように制御される。音響ビーム１２−１、１２−２をアレイの前方半空間内の任意の方向に限度内で方向づけることができる。入念に選択した反射路を用いることによって、リスナ１３は、アレイが発した音響ビームをそれがあたかもその最後の反射場所から、すなわち更に的確に言えば、鏡像とほぼ同じ壁によって反射されたアレイ像から発生しているかのように感知する。

図１では、２つの音響ビーム１２−１および１２−２が示されている。第１ビーム１２−１は、部屋の一部とすることができる側壁１１に仕向けられ、リスナ１３の方向に反射される。このビームは、反射スポット１７の後または前、従って右に配置されたアレイの像から発生しているものと、リスナは、感知する。破線によって指し示される第２ビーム１２−２は、２回の反射を経た後にリスナ１３に到達する。しかし、後の隅において最後の反射が行われる際、リスナは、リスナの後の音源から発せられたかのように、この音を感知する。この機構は、ＷＯ０２／０７８３８８の図８にも示されており、その実施形態の記述は、この言及によって本願において参照され、本願に含まれるものとする。

多くの音響プロジェクタ使用方法があるが、従来のサラウンド・サウンド・システムと置換することに特に利点がある。従来のサラウンド・サウンド・システムは、通常、リスナの位置の周囲の異なる場所に設置された数個の独立したスピーカを用いる。デジタル音響プロジェクタは、サラウンド・サウンドの音声信号のチャネル毎にビームを生成し、それらのビームを適切な方向に向けてやることによって、それ以上のスピーカまたはその他の配線なしにリスナの位置でサラウンド・サウンドを作成する。

音響プロジェクタの構成要素は、上記で参照した公開国際特許出願第ＷＯ０１／２３１０４号および第ＷＯ０２／０７８３８８号において説明されており、従って、これより、その使用について参照する。

以下では、図１の側壁１６１のような、音響プロジェクタのある部屋の反射面の自動識別を導くステップを説明する。

次の方法では、音響プロジェクタのフロント・パネルの中心は、座標システムの原点に中心をおき、更にｙｚ面にあるものとする。ｙｚ面では、正のｙ軸は、リスナの右の方を指し、正のｚ軸は、上方を指し、さらに正のｘ軸は、リスナの全般的な方向を指す。

以下では、音響プロジェクタを受信マイクロフォンと共に用いて、部屋／環境の形状と、関連の場所および表面の音響特性とを測定する方法を説明する。前述の受信マイクロフォンは、リスニング環境の中のどこかに、好ましくは、音響プロジェクタそれ自体の中に設置される。受信マイクロフォンは、さらに好ましくは音響プロジェクタに中心を置き、感性の最も高いその受信方向は外に向かい、且つ音響プロジェクタの前面に対して直角である。

この方法は、当初は、音響プロジェクタをソナー（ＳＯＮＡＲ）として用いるもとして考えられていたこともある。この方法を実行するには、副ローブ（例えば、４０ｍｍ間隔の変換素子の場合、約８ＫＨｚ）を大幅に発生させることなしにアレイ構造の最も高い動作周波数を用いて、正確に方向づけ可能な狭いビーム幅（例えば、理想的には１度から１０度の幅）の音響ビームを音響プロジェクタ送信アレイから形成し、さらに反射、屈折および分散したリターン・サウンドをマイクロフォンで検出しながら、音響パルスを選択した方向に放出することである。音響プロジェクタ・アレイ（以下、アレイ）のパルス放出から、マイクロフォン（以下、マイク）によるあらゆるリターン・パルスの受信までの時間Ｔｐによって、当該特定のリターン信号が後に続く経路長Ｌｐの正確な推定値が得られる。ここで、ＴＰ＝Ｌｐ／ｃ０（ｃ０は、環境内の空気音の速度であり、通常、３４０ｍ／ｓである）。

同様に、マイクが受け取ったパルスの大きさＭｐは、アレイからマイクまでの音の伝播経路に関するその他の情報を与える。

アレイからのパルスの放出方向領域を選択し、マイクで受信したパルスの大きさおよび伝播時間を判定することによって、音響プロジェクタを殆どの環境において自動的にセットアップすることを可能にする十分なリスニング環境に関する大量の情報を判定することができる。これについては後で説明する。

いくつかの実際の課題のため、いま説明したばかりの手順は、複雑なものとなる。第一の課題は、サイズ・スケールでは滑らかな表面が、音の波長よりも相当小さく、乱反射ではなく、正反射の発生が優勢である。従って、壁に当る音響ビームは、壁が音響ミラーであるかのように、この壁から反射することが多く、壁から反射したビームは、一般に、入射角が（両面において）ほぼ９０度でない限りビーム源に直接戻ることはない。従って、部屋の大部分は、説明したソナー・システムによって直接検出することはできそうになく、（部屋の中のいくつかの壁および／または床、および／または、天井および／またはその他の物体から）多様に反射したビームだけがマイクに戻り検出される。

第２の課題は、環境雑音レベルは、あらゆる実際環境においてゼロではなく、バックグラウンド音声ノイズがあり、これが、一般的に、アレイからの音響ビームの反射の検出を干渉することである。

第３の課題は、アレイからの音響ビームが減衰され、減衰されるほど、マイクによる受信前により遠くに移動することである。バックグラウンド・ノイズ・レベルを想定すると、これによって信号対雑音比（ＳＮＲ）が低下する。

最後に、アレイは、完全に一方向の音響ビームを発生させることはなく、周波数がより低い場合であっても多少の散乱および副ローブの放出があり、通常の反射のある典型的リスニング・ルーム環境では、これらの擬似（非主要ビーム）放出にはマイクに戻る多数の並行経路があり、これらも目標に向かうビームの検出を干渉する。

これより上記の課題に対するいくつかの解決策を説明する。これらは、単独でまたは組み合わせて使用することによって、これらの課題を軽減することができる。以下において「パルス」とは、通常、正弦波形状の典型的に数個ないし多数のサイクル長の短い音バーストのことである。

１つのパルスがアレイからを放出された後にマイクで受信された信号は、一般には、単なるこの発信信号を減衰かつ遅延した複製ではない。むしろ、受信マイク信号は、送信パルスのコピーを遅らせ、減衰し、かつ様々にスペクトル的に修正した多数の重ね合わせである。それは、部屋の環境の中の多くの表面から送信されたパルスのマルチパス反射のためである。一般に、マイクの位置と交差するこれらのマルチパス反射の内のそれぞれは、非常に多くの反射を伴う可能性のある特定の経路のために特有の遅延（アレイからの送信時間）を有し、マイクまでのその移動中に遭遇する種々の吸収材のために特有の振幅を有し、拡散ビームおよびその量のために、マイクは、当該（反射）経路を介したビームの中心から軸が外れ、さらに類似の理由のために特有のスペクトル・フィルタリングまたは成形を有する。従って、受信信号は、非常に複雑であり、一度に理解することは困難である。

従来のソナー（ＳＯＮＡＲ）システムでは、指向性送信アンテナを用いてパルスを放出し、指向性受信アンテナ（送信用と同じアンテナの場合もある）を用いて、受け取ったエネルギを主に送信ビームと同じ方向から集める。本発明では、受信アンテナは、名目上、全方位の簡単なマイクロフォン（対象の波長と比べて、それを物理的に小さくすることによって容易に実現される）とすることができる。

１つ（または２、３の）専用のマイクロフォンだけを受信機として用いてもよい。その専用のマイクロフォンは、アレイと物理的に同じ場所に設置するのが好ましいが、アレイの一部ではない。

本願で説明する方法は、完全に正反射の音響反射はなく、多少の乱反射も常にあるという意外な事実に基づいている。従って、音響ビームの方向を音源に対し直角ではなく平坦な表面とした場合、入射角度とは無関係に、音源に戻るように反射する音もある。しかし、反射面が僅かに「平坦」である場合、角度が通常の入射から遠ざかると、リターン信号は、急速に減少する。僅かに「平坦」の実際の意味は、その表面の平面性からのずれは、その表面に向けられた音の波長に比べて小さいということである。例えば、８ＫＨｚにおいては、空中の波長は、およそ４２ｍｍであり、通常の家庭の部屋の殆どの表面は僅かに「平坦」であるため、この周波数においては、木、壁土、彩色された表面、殆どの繊維およびガラスは、いずれも正反射が優勢な反射体である。かかる表面は、通常、１ｍｍ程の粗さがあるため、４２ｘ８ＫＨｚ〜３３０ＫＨｚもの高周波数までは、ほぼ正反射であるように見える。

その結果、部屋の殆どの表面からの直接リターン信号は、入射音エネルギの極わずかにすぎない。しかし、これらを検出することができれば、反射からの部屋形状の判定は、以下の理由により大いに簡略化される。正確に方向付けられた（例えば、数度のビーム幅の）ビームの場合、マイクに最も早く到達する反射は、一般に、送信ビームが部屋の表面と最初に接触する点からものである。このリターンの振幅は、小さくとも、また、しばらくすると、はるかに強力な（マルチパス）反射があるとしても、リターンがマイクに到達する時間は、送信ビーム方向の表面までの距離を正確に指し示すものであることは、かなり確実に想定することができる。従って、最初の反射を検出することによって、音響プロジェクタは、マルチパス反射の複雑な経路を無視することができ、さらに本質的に部屋周囲のビームをラスタ・スキャンして各角度位置での最初のリターンの時間を検出することによって、部屋は、各方向にどの程度広がるのかに関するマップを簡単に作成することができる。

添付図面の図２は、前中央位置にマイクロフォン１２０を有する音響プロジェクタ１００を示す。マイクロフォン１２０は、図２の中では突出しているように図示されるが、実際には、変換素子アレイと同じ面またはアレイの面の後でも、音響プロジェクタ１００の前面パネルとは同一平面である。音響プロジェクタは、ビーム１３０を（図２で見て）左に向け、次に壁１６０に方向付けるように図示されている。ビーム１３０は、収束して壁の前で焦点１７０を有するよう図示されている。すなわち、図２に示すように、ビーム１３０は、収束し、次に拡散する。ビームは、壁と相互に作用するので、反射角が入射角と等しい正反射１４０を発生させる。同時に、より弱い乱反射が発生され、１５０で図示されるこの乱反射された音の一部は、マイクロフォン１２０によって捕らえられる。

図３は、セットアップ手順において用いられる構成要素の一部の概略図である。パルス生成器１０００は、かなり高い周波数、例えば、８Ｋｈｚのパルス（短い波列）を生成する。この例では、パルスは、エンベロープを有するため、その振幅は、その継続時間の間、円滑に増加し次に減少する。このパルスは、入力としてデジタル音響プロジェクタに供給され、音響プロジェクタの変換素子によって方向付けられたビーム１３０の形で出力される。ビーム１３０は、壁１６０において乱反射し、その一部は、乱反射１５０となり、マイクロフォン１２０によって捕らえられる。図３は、乱反射の一部１５０が入射ビーム１３０とは異なる方向にあるように示しているが、これは、単にわかりやすくするためであることを注意される。実際、乱反射１５０の関連部分は、マイクロフォン１２０の方向にあり、図２に示すように、マイクロフォンがＤＳＰ１００のフロント・パネルの中に設置される場合、反射１５０は、送信ビーム１５０と同一（反対）方向である。マイクロフォン１２０からの信号は、マイクロフォン・プリアンプ１０１０に供給され、そのすぐ後に信号プロセッサ１０２０に供給される。また、信号プロセッサ１０２０は、パルス生成器１０００から原パルスを受け取る。この情報によって、信号プロセッサは、パルスを放出してからマイクロフォン１２０で最初の乱反射が受信されるまでの間に経過した時間を判定することができる。また、信号プロセッサ１０２０は、受け取った反射の振幅を判定して、これを送信パルスと比較することができる。ビーム１３０が壁１６０全体をスキャンする際、最初の反射を受け取る時間の変化および振幅の変化を用いることによって、壁１６０の形状を算定することが可能である。壁形状は、図３に示すルーム・データ出力ブロック１０３０において算定する。

図４は、マイクロフォンで受信した信号が異なる経路長のために、異なる距離を移動した多数のパルスからなる状況を示している。図４で図示されたパルス２００は、送信パルスである。パルス２０１、２０２、２０３、２０４は、アレイから様々な距離はなれた異なる物体／表面から反射した送信パルス２００の４つの（場合によっては、非常に多くの）別々の反射である。すなわち、パルス２０１から２０４は、異なる時間にマイクロフォンに到達する。また、パルスの振幅は、異なる。それは、入射角やこれらのパルスが反射した表面の表面特性が異なるためである。信号２０５は、マイクロフォンで受信された復号信号であり、マイクロフォンの場所において、反射２０１から２０４を加えたり引いたりした結果からなる。本発明が克服した課題の１つは、マイクロフォンで受信した信号２０５をいかに処理して、ルーム形状に関する有用な情報を獲得するかである。

当然のことながら、部屋の中には（家具のような）障害物および開口部（例えば、開け放たれたドアおよび窓）があり、これらは、通常、強いリターン（家具は、かなり「構造化され」、多くの反射方向の表面を有するためである）、および弱いまたはぼんやりしたリターンをそれぞれ与える。最初のリターン・データから部屋の形状を判定するには、部屋本来の部分ではないそうした「クラッタ」を識別するように対応する必要がある。表面を確実に識別し、このクラッタを本来の部屋の反射から区別するいくつかの方法を以下で説明する。

レンジ・ゲイティング
アレイからのパルス送信の完了後しばらく経つまで受信機を切り（「ゲート」を閉じる）、アレイからのハイレベルな放出による検出器の飽和および過負荷を回避する、
次に、その後の一定期間（検出器間）受信機の電源を入れ（「ゲート」を開く）、
次に、受信機を再度切り、その後のおそらくは、はるかに強いリターンを阻止する。

レンジ・ゲイティングによって、受信機は、オン期間を除いて、ブラインドをかけられるが、この時、受信機は、外部の擬似信号から遮蔽される。時間は、音速を介して距離と関連があるので、受信機は、選択されたアレイからの距離領域からの信号に対して本質的にオン状態であり、これによって長距離を移動するマルチパス反射は、除外される。

ビーム・焦点
アレイから特定の距離離して、音響ビームをアレイは、収束させることができる場合、弱い最初の反射からのＳＮＲは、ビーム焦点がビーム内の最初に検出された反射体の距離に合致するようにビーム焦点を調節することによって、かなり改善することができる。これによって反射体のエネルギ密度を高め、拡散した／散乱リターン・エネルギの振幅を増加させる。これとは異なり、主要ビームの外からのあらゆる干渉／擬似リターンは、一般的に、かかるビーム収束によって増加することはなく、システムの識別を正真正銘の最初のリターンに高める。従って、表面で収束されないビームを用いることによって、（図２に示されるような）表面を検出することが可能であり、次に収束されたビームを用いることによって検出を確認することができる。

位相同期検出
最初のリターン信号のＳＮＲが非常に低い場合、主として、所望の第１のリターン目標の特定の距離からの信号と同相のリターン・エネルギだけに敏感であるように調整した位相同期検出器は、送信されたアレイ信号と相関がないバックグラウンド・ノイズのかなりの部分を拒否する。本質的に、弱いリターンが距離Ｄｆ離れた目標の最初の反射に対応する時間Ｔｆに検出された場合、時間（Ｔｆ）だけ遅延すると、送信信号は、どんな位相を有するかを算定することが可能である。リターン信号に同様に位相のずれた送信信号バージョンを乗ずると、当該領域からのリターン信号を積極的に選択し、他の領域からの信号およびノイズを拒否する。

チャープ
セットアップ・モードにおいてアレイが操作可能なある最大の送信振幅がある。それは、専門的な能力（例えば、電力定格）か、それともセットアップ操作中の容認できるノイズ・レベルによって制限される。いずれの場合にも、送信信号レベルに対しては、ある特定の制限があり、これによりノイズが原因で弱い反射検出は、必然的に制約される。送信パルスの中の全送信エネルギは、パルス振幅の二乗とパルス長との積に比例する。振幅がひとたび最大化されると、エネルギを増加する唯一の方法は、パルスを延長することである。しかしながら、記述した技術のレンジ解明は、パルス長に反比例するため、任意のパルス延長（受け取ったＳＮＲを増加すること）は容認できない。アレイからのパルスを送信中に、一定の周波数トーンを放出する代わりにチャープ信号を用いると、パルス中に周波数は、通常、降下し、受信機で整合フィルタ（例えば、高い方の周波数をより長く引き延ばす分散性フィルタ）を用いると、受信機は、送信された長いパルスを時間的に圧縮し、信号のエネルギをより短いパルスに集中させるが、（相関がない）ノイズ・エネルギには何の影響も及ぼさない。従って、ＳＮＲを改善し、他方において送信パルス長ではなく圧縮されたパルス長に比例するレンジ解明を実現する。

音響プロジェクタが、上記の信号処理方法の内の１つ、数個または組合せを用いることによって、アレイからの送信ビームと周囲のルーム環境との最初の衝突から、信頼度の高い最初のリターンの乱反射信号を導き出すことができる。次に、リターン信号情報を用いることによって、ルーム環境の形状を導き出すことができる。これより、一連の反射条件およびデータ分析の方策を説明する。

滑らかなで平坦な連続表面
アレイからのビームが精査した平面または天井のような表面に影響を与えるビーム寸法よりもかなり大きいルーム環境の中の滑らかな連続表面は、特定の第１リターン信号の振幅を与え、それは、以下のものに依存する。
（滑らかであると想定される）表面の特質
表面の平面とビームの軸との間の最小角度
アレイの中心からのビーム・インパクト・ポイントの中心の距離
（そしてアレイからの外向きの経路およびマイクに向かうリターン経路の双方においてビームの一部を分散させすることができるが、マイクおよびアレイからの表面を覆うほどには大きくない、家具等の小さな障害物のような邪魔になるあらゆるクラッタ）

マイクがアレイのフロント・パネルに設置されると、アレイからのパルスの送信とマイクによるリターンの受信との間の遅延は、ターゲット距離に正比例する。

インパクト・アングルは、アレイの相対的方位、表面およびビームの方向づけ角度（方位角と高度角の合成であるビーム・アングル）の簡単な関数である。

従ってビームが、この表面上のそのような位置の全体に円滑に方向付けられると、リターンの振幅もまた円滑に変動し、遅延もまた円滑に変動する。従って、ビーム方向の大きく、滑らかで、連続する表面の特徴的性質は、リターンおよび遅延がビーム・アングルの小さな変化と共に円滑に変動することである。あらゆる所与のビーム・アングルａにおける表面までの距離は、Ｄａ＝ｃ×遅延によって直接求められる。但し、ｃは、音速、すなわち、正確な近似に対する既知の定数である。（高精度が求められる実際の履行においては、よく知られた式および内部寒暖計および／または大気圧センサーからの読取り値を用いて、使用されるｃの値を周囲圧力および／または周囲温度用に修正することができる）

好適な実際の方法では、ビームを適当な場所に方向付けて、かかる表面（例えば、アレイの前方でほぼ真っ直ぐ、アレイの両側に対し、ほぼ４５度、さらにアレイの水平軸のほぼ４５度上および下）をみつけることによって、環境の中の円滑な表面が設置される。かかる場所のそれぞれでリターンが求められ、見つかると、そこでの遅延に対応する距離においてビームを収束させ、先に説明したＳＮＲを改善する。従って、測定された遅延に対応するように、焦点距離を連続して調整しながら、かかる場所全体にわたってビームを円滑にスキャンし、遅延およびリターン変動をビーム・アングルと共に記録する。これらの変動が円滑であると、これらの場所には大きく滑らかな表面が存在する可能性が強い。

アレイの面に対するかかる大きく円滑な表面の角度Ｐｓは、以下のように推定することができる。表面の検出された領域内の２つの十分に分離された位置に対する距離Ｄ１、Ｄ２ならびに垂直面におけるビーム・アングルＡ１、Ａ２（すなわち、ビーム・アングルＡ１とＡ２の水平面の差は、ゼロである）は、アレイ設定およびリターン信号から直接に測定される。次に、形状は、Ｐｓの鉛直な構成要素角Ｐｖｓに対する値を次のように与える。
Ｐｖｓ＝ｔａｎ^−１（（Ｄ２ＳｉｎＡ２−Ｄ１ＳｉｎＡ１）／（Ｄ１ＣｏｓＡ１−Ｄ２ＣｏｓＡ２））

同じ鉛直ビーム角で、２つの場所Ａ３、Ａ４に向かうビームをスキャンすることによって、このプロセスを繰り返すと、Ｄ３、Ｄ４のリターン距離が得られ、次にＰｓの水平構成要素の角度Ｐｈｓは、次の式によって得られる。
Ｐｈｓ＝ｔａｎ^−１（（Ｄ４ＳｉｎＡ４−Ｄ３ＳｉｎＡ３）／（Ｄ３ＣｏｓＡ３−Ｄ４ＣｏｎＡ４））

実際には、かかる測定値は、いずれもノイズの影響を受けやすく、設置された表面毎に、適切に選択された非常に多くの場所の対を平均化することによって、結果（ＰｖｓおよびＰｈｓ）の信頼性を高めることができる。

上記のプロセスは、ｎ個の表面を検出するものと想定すると、表面角Ｐｓ_ｉ、ｉ＝１からｎ、および距離Ｄｓ_ｉ、ｉ＝１からｎ（Ｐｓ測定値から少しずつ集めた距離測定値の全ての平均から算出された）は、ｎ個の検出された表面毎に判定され、次に空間内のその場所および交点は、直ちに算出される。従来の直方体の家庭のリスニング・ルームでは、ｎ＝６（または、アレイが壁の１つに対向し、且つ並行に配置される場合、ｎ＝５）であり、壁の殆どは、ほぼ鉛直であり、床および天井は、ほぼ水平であるものと予想されるが、先の説明からも明らかなように、この方法は、表面の個数、表面の場所またはその相対的角度に関するあらゆる想定に基づくものでは決してない。

滑らかなであるが平坦ではない連続表面
ビームが対象とする表面が平坦ではなく（しかし、それでも滑らかであり、すなわち角と表面の接合部は、この見出しの下では除外され）、適度に湾曲している場合、この表面が滑らかであると特徴付けるには、平坦な表面に関して上述した手順で事足りよう。これを平坦な表面と区別するには、Ｄ（距離測度）の変化をビーム・アングルで検査するだけでよい。正の曲率を持つ表面（すなわち、曲率の中心が表面のアレイ対向面にある）の場合、対ビーム平均角度が類似である平面に対して予想される距離に比べて、基準位置のまわりの場所にある表面までの距離は、規則正しく増加する。先に記述した平坦な表面の角度を測定する方法（多数の距離および角度測定値ならびにそれらが暗示する（平坦な表面の）角度を平均化することにも関与した）は、湾曲表面の平均的表面角度、すなわちビームが精査した領域全体にわたって平均化した角度をむしろ与えることになる。しかしながら、距離測定値は、平均的距離の周囲の確率的誤差分布を有するのではなく、確率誤差分布に加えて、平均値周囲の系統的分布を有し、凸面および凹面に対する角度分離と共に、差は、それぞれ増大または減少する。また、この系統的格差は、計算可能であり、曲率の推定値は、これから導き出される。縦面および横面の双方における距離分布を分析することによって、２つの直交曲率推定値を導き出し、その表面の曲率の特徴を表わすことができる。

２つの滑らかな連続表面の接合部
２つの表面がある角度で接合および／または交差する場合（すなわち、例えば、部屋の隅の２つの壁の間において、あるいは床または天井と壁との接合部において生じるように）、ビーム・アングルと一緒に起こる距離およびリターンの滑らかな変動は、むしろ区分的に連続する。リターンの強さは、それら２つの表面とは異なる場合がある。それは、ビーム軸に対するその角度が異なるためであり、その軸に最も直交する表面のリターンがより強い表面を与え、他は全て同等である。

距離測定は、表面接合部全体にわたってほぼ切れ目なく続くが、一般的に、接合部の片側のビーム・アングルの場合、異なった傾斜を有する。接合部の片側の傾斜の特質によって、（直方体の部屋の中では最も一般的な）凹面接合部と（例えば、通路またはアルコ−ブがその部屋と接続する）凸面接合部との間の識別が可能になる。凹面および凸面と同様に、接合部の片側表面上の点までの距離は、凹面接合の方が長く、凸面接合の方が短い。

そうした接合部の特徴が検出された場合、片側は、不連続の滑らかな連続表面を近くで捜索できれば、表面接合部の検出の確実性が高まる。２つの接合面の表面角および接合部におけるその距離を測定することによって、接合部の空間における軌跡を算出することは、簡単明瞭になる。これは、次に、ビームによって追跡可能であり、ビームが接合部に沿ってゆっくりと移行する際の横方向の小さな広がりによって、接合部の軌跡計算に合致する比較的スムースな距離推定値と共に、接合部の一方との確定的なリターン強度差が得られるか、または得られない。得られない場合には、ＳＮＲが不十分であるために、接合部の検出が間違いであり、または以下で説明するように、更に複雑な接合部である場合に備えて、データを再分析する必要がある。

この方法は、図５に示されている。図５には、第１の壁１７０と第２の壁１６０との間の隅４００に向かってビームを送る音響プロジェクタ１００が示されている。隅をマイクロフォンに接続する線のアレイの面に対する角度は、α_０として規定される。ビームは、壁１７０に沿って、隅４００の方向にスキャンされ、その後、壁１６０に沿ってスキャンされ（すなわち、ビームαの角度は、水平方向に徐々に大きくなる）、最初に受け取った反射の時間および最初に受け取った反射方向の振幅は、変化する。ビームが第１の壁１７０に沿って、隅４００の方向にスキャンすると、最初の反射時間は、増加し、次にビームが壁１６０に沿ってスキャンすると、最初の反射時間は、減少することは認められる。音響プロジェクタは、反射時間を表面１７０、１６０のマイクロフォンからの距離と相関付けることができ、図６は、ビームが１つの壁から隅を横切って別の壁までスキャンすると、これらの距離Ｄ（α）が変化する状況を示す。理解されるように、算出された距離Ｄ（α）は、連続するが、α_０において不連続傾斜を有する。

また、壁１７０からの反射は、壁１６０からの反射よりもはるかに弱いことは理解できる。それは、ビームが壁１７０にぶつかる角度は、壁１６０にぶつかる角度よりも小さいためである。図７は、αに対する反射信号強度リターン（α）のグラフを示し、これは、α_０では不連続であるが、ビームが壁１７０のスキャンを停止し、壁１６０をスキャンし始めると信号強度の急上昇が生ずることができる。実際には、図６および図７に表示された際立った特徴は、ビームの有限の帯域幅によって幾分平準化される。

図６および図７のグラフの中の不連続および傾斜の変化は、音響プロジェクタのコントローラ・エレクトロニクスによって検出することができ、それによって隅が見える角度α_０を検出することができる。

接合部の場所を検出およびチェックするプロセスは、境界面が平面であろうと適度に湾曲していようと同等に作用する。

従来の立方体様のリスニング・ルームの中のアレイの位置から見える２つまたは３つの主要な縦の隅と、壁と天井との間の３つまたは４つの主要な水平の接合部とがこの方法によって検出されると、部屋の形状は、かなり正確に検出することができる。部屋が立方体でない場合は、それ以上の測定が必要となる場合もある。ユーザが既に部屋は立方体であることを入力している場合、それ以上のスキャンは必要ない。

３つ以上の滑らかな表面間の接合
上述したように１つの接合部は、検出されたが、接合部追跡プロセスが算定された軌跡と整合しない場合、これは、三面体の接合（例えば、２つの壁と１つの天井との間）または別の更に複雑な接合である可能性がある。これらは、想定される接合部の位置の周囲のビームを追跡することによって、さらに最初に発見された接合部とは同一直線上にないその他の接合部を探すことによって検出可能である。二面接合に関し上述したように、これらの個々の面接合部は、検出可能である。すなわち二面接合は、複雑な接合部の位置からは充分に離れていて、ビームは、二面だけを精査する。これら追加の二面接合部がひとたび発見されると、その共通の交差位置を算出し、確定的な証拠として検出された複雑な接合部の位置と比較することができる。

表面における不連続
反射表面が突然終了する場合（例えば、開かれたドアまたは窓におけるように）、リターン強度および遅延、すなわち距離推定値の双方において関連する不連続がある。ビームが表面から離れ、その端部を超えて精査する場合、リターンは、検出不能となることがある。その場合、遅延もまた測定できない。かかる不連続は、部屋の表面内の「ホール」の確実な特性である。しかし、ビームの中の音響エネルギを取り込む性質を特に多く有する部屋の中の物体もまた類似の特性を与える。いずれにしても、ルームのそのような領域は、サラウンド・サウンド用途においてビームのバウンスには適切ではなく、そのためいずれの場合も、そのように（すなわち、「音響ホール」として）分類し、後に設定プロセスにおいて用いるとよい。

上記の方法の組合せを、ルームを精査する簡単な検索方策の領域と一緒に用いることによって、リスニング・ルームのホール、隅、アルコーブ（本質的に凹状アルコーブ）および柱といった主要な面および形状の特徴を検出ならび測定することが可能になる。アレイの位置に対するこれらの境界の位置がひとたび導き出されると、例えば、光学において用いられる、光線追跡の標準的な方法によってアレイからのビームの軌跡を算出するができる。

ルームの形状がひとたびわかると、用いられるサラウンド・サウンド・チャネルに対する種々のビームの方向を検出することができる。これを行うには、ユーザは、（例えば、グラフィカル・ディスプレイおよびカーソルを用いて）最適のリスニング位置を指定し、さらにマイクロフォンをリスニング位置に設置することである。これにより、このマイクロフォンの位置は、検出される（例えば、ＷＯ０１／２３１０４に記載された方法を用いて）。次に、音響プロジェクタは、サラウンド・サウンド・チャネルが、的確な方向から最適なリスニング位置に確実に到達するようにするために必要なビームの方向を算出することができる。次に、この装置を使用中に、各変換素子への出力信号を適切な量遅らせて、ビームがアレイから選択した方向に出てゆくようにする。

本発明の変形例では、また、大型の位相配列受信アンテナとして、アレイをそのまま又はその一部を用いるため、受信時間に方向を選択することもできる。実質的に、（実際には同時にではないとしても、同じ機器において）ハイパワー駆動の音響送信変換素子のアレイを低ノイズの高感度受信機として用いることから生ずるコスト、複雑さおよび信号対ノイズの厄介な問題により、この選択は、コストや複雑さがあまり重要な問題ではない場合の極めて特別な目的に対してのみ有用となる。それにも関わらず、それを行うことができる。それには、そのプロセスの送信パルス位相の間に非常に低い抵抗のアナログ・スイッチを用いて変換素子を出力電力増幅器に接続し、受信位相の間に、これらのアナログ・スイッチを切り、さらに代わって受信位相において、低ノイズのアナログ・スイッチを備えた変換素子を高感度の受信前置増幅器に、およびそれからＡＤＣに接続して、デジタル受信信号を生成することである。このデジタル受信信号は、次に、従来の位相配列（受信）アンテナ・スタイルでビーム処理される。このことは、当技術分野では公知である。

音響プロジェクタをセットアップする別の方法を今から説明する。この方法は、マイクロフォンをリスニング位置に配置すること、および音響パルスがアレイ内の１つ以上の変換素子から放出される際に、マイクロフォンの出力を分析することである。本方法では、（単に、マイクロフォンが登録したパルスの第１反射ではなく）より多くの信号を分析し、部屋の中の反射面を推定する。クラスタ分析方法を用いるのが好ましい

（通常、リスニング・ポイントにおける）マイクロフォンを空間内の点によってモデル化し、無指向性であるものと想定する。反射表面は、平面であると想定して、システムを空間におけるマイクロフォン「像」のアレイと看做すことができ、各像は、変換素子アレイからマイクロフォンまでの異なる音の経路を表わしている。音の速度ｃは、既知であると想定される。すなわち、終始一定しており、距離と走行時間とは互換性がある。

マイクロフォンを（ｘｍｉｃ；ｙｍｉｃ；ｚｍｉｃ）に、変換素子を（０；ｙｉ；ｚｉ）に設置すると仮定すると、マイクロフォンまでの経路は、次のようになる。
[１]
ｄｉ＝（ｘｍｉｃ＾２＋（ｙｍｉｃ−ｙｉ）＾２＋（ｚｍｉｃ−ｚｉ）＾２）＾（１／２）
これは、（ｄｉ；ｙｉ；ｚｉ）空間における二様双曲面の式として次のように書き換えることが可能である。
［２］
ｄｉ＾２−（ｙｍｉｃ−ｙｉ）＾２−（ｚｍｉｃ−ｚｉ）＾２＝ｘｍｉｃ＾２
「＾」符号は、累乗の指数を示す。

インパルス応答を測定するには、単一変換素子を既知の信号、例えば、２＾１８−１ビットの最大長シーケンスの５反復で駆動する。このシーケンスは、４８ｋＨｚのサンプリング・レートで、５．４６秒継続する。

録音は、リスニング位置の無指向性マイクロフォンを用いて行う。次に録音は、時間反転された元のシーケンスにより、これを巻き込むことによって濾波され、シーケンスを繰り返すたびに巻き込まれた信号の絶対値を加算することによって相関性を算定し、信号対雑音比を改善する。

音響プロジェクタのアレイの中のいくつかの異なる変換素子に対し、上述のインパルス測定を行う。複数の十分に無相関のシーケンスを同時に用いることによって、これらの測定時間を短縮することができる。かかるシーケンスは、１つより多い変換素子からのインパルスを同時に測定することができる。

以下のアルゴリズムをテストするため、リスニング・ルームを実質的にＷＯ０２／０７８３８８に記述されたように、ＭＫ５ａＤＳＰによってセットアップし、無指向性マイクロフォンをコーヒー・テーブル上に約（４．０；０．０；０．６）で設置し、さらに２＾１８−１ビットの最大長シーケンス（ＭＬＳ）の６反復を画像表示から選択することによって、４８ｋＨｚで個々の変換素子に送った。アレイは、０から２５５まで付番され、前から見ると、左から右、上から下に移動し２５６の変換素子からなる１６×１６のグリッドから構成される。２５６の変換素子アレイの内の１３の変換素子を用いて、中央または端部のような「極限」位置にある変換素子も含むＤＳＰの表面全体において、ほぼ等間隔のグリッドを形成する。マイクロフォン応答を４８ｋＨｚＷＡＶフォーマット・ファイルとして記録して分析する。

次に今度は、時間反転した元のＭＬＳ（最大長シーケンス）を各変換素子からの応答で巻き込み、結果として生じたインパルス応答は（直接経路に対応する）第１の主要ピークを見つけ、このピークがｔ＝０であるように時間起源をずらし、次に最大パルスが１の高さを有するようにデータを調整することによって正規化する。この時間ずらしによって、信号を正確に同期させる必要性はなくなる。

（アレイの左上の隅の）変換素子０のインパルス応答の部分が図８に示されている。グラフは、到達時間から算定された反射信号の相対的強度対移動経路長を示す。（−２０ｄＢより上）のいくつかのピーク、例えば、０．４ｍ、１．２ｍ、３．０ｍ、３．７ｍ、４．４ｍのピークは、このグラフでは識別可能である。

これらのピークを部屋の中の反射体と関連付けようとする前に、完璧に反射する部屋から予想される信号のモデルが図９に示されている。

図９は、音響プロジェクタのどちらの側にも、壁２．５ｍ、その前に後の壁８ｍ、さらにその上に天井１．５ｍを備えた部屋の「完全」なインパルス応答で、（４；０；０）の点から聞くグラフである。軸ｔは、時間を表わし、軸ｚおよび軸ｙは、用いられる変換素子に関係する空間軸である。信号が反射面から反射されると、マイクロフォンは、経路あるいは式［１］または［２］からの遅延値に応じて、その面の反射像を測定する。天井からの直接経路や反射は、最初の２つの表面像３１１、３１２にそれぞれ対応し、次の４つの混ぜ合わさった到着３１３は、天井のある側壁および天井のない側壁からの反射にそれぞれ対応する。その他の到着３１４、３１５は、後の壁からの反射または複数の反射を表わす。

図９のモデルを用いると、図８の主要なピークの一部に関する満足の行く解釈が得られる。下記の表１は、これらの解釈を列記する。
表１
距離（ｍ） 予想されるソース
０ 変換素子からマイクロフォンまでの直接経路
０．４ コーヒー・テーブルからの反射
１．２ 天井からの反射
３．０、３．７、４．４ 天井のある／ない側壁からの反射

以下に詳述するアルゴリズムは、部屋の形状またはその内容に関する事前の知識無しに自動的にこの分析を行い、適切な反射面および音響プロジェクタに対する方位を識別することに関するものである。

アレイの全体に広がる異なる位置に配置された数個の変換素子からのインパルス応答を測定した後、または測定中に、リスニング・ルームの中の反射面の存在を示す到着データを検索する。

本例では、検索方法は、データ内のクラスタを識別するアルゴリズムを利用する。

クラスタ・アルゴリズムの性能を高めるには、プリクラスタ・ステップを実行して、データから大量のノイズを除去し、クラスタのない大きな空間を除去することが有用である。図８の場合、ｄＢ単位の最小レベルおよびメートル単位の最小および最大距離の次に示す領域の中で、プリクラスタを選択した。すなわち、プリクラスタ１（−１５、０、２）、プリクラスタ２（−１８、２．８、４．５）およびプリクラスタ３（−２３、９、１１）である。

データをノイズ・クラスタと、反射体からのインパルスを含んでいる可能性のある多数のクラスタとに大まかに分けると、例えば、Ｊａｍｅｓ Ｃ．Ｂｅｚｄｅｋの「ファジイ目的機能アルゴリズムによるパターン識別」Ｐｌｅｎｕｍ Ｐｒｅｓｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ １９８１に記述された、ファジイｃバライアティ（ＦＣＶ）アルゴリズムの修正版をデータに適用して強力な相関関係の面を探し出す。ＦＣＶアルゴリズムの「曖昧さ」は、次に示すファジイ・セットの観念から生ずる。すなわち、ｉ番目のデータ・ポイントは、帰属関係の度合いと呼ばれるｋ番目の幾分ファジイなクラスタのある数であり、Ｕ（ｉｋ）を意味する。マトリックスＵは、メンバーシップ・マトリックスとして知られている。

ＦＣＶアルゴリズムは、各クラスタの位置および形状の記述である、クラスタ「プロトタイプ」の概念に基づく。メンバーシップ・マトリックスをクラスタ内の各ポイントの重要性の尺度として用いるクラスタのプロトタイプを繰り返し設計し、次に各ポイントのクラスタ・プロトタイプからの距離の一部の尺度に基づいてメンバーシップ値を再割り当てすることによって、このアルゴリズムは、進行する。

各ポイントからの一定の距離にある「ノイズ」クラスタを含むことによって、アルゴリズムは、ノイズに対し堅牢であるように改良される。「本当の」クラスタに他の方法で割り当てられなかったポイントは、ノイズとして分類され、最後のクラスタに影響を与えることはない。この改良アルゴリズムは、「堅牢ＦＣＶ」またはＲＦＣＶと呼ばれる。

このアルゴリズムを実行すると、このアルゴリズムは、反射を表わすクラスタに対応しないという意味において、十分に最適ではない局部的に最適な条件に収束することは、一般的なことである。この問題を補正するには、収束レートが十分に下がり、それ以上大きな変化（通常、１０＾−３の繰り返し毎の変化）はなくなることが見込まれるまで待ち、クラスタの有効性を確認することである。それが無効と看做されると、次のステップでは、サーチ空間のその他の別の場所で任意に選択した点へ飛ぶ。

本来のＦＣＶアルゴリズムは、クラスタの数を固定した後に本アルゴリズムを実行することを基本とする。改良アルゴリズムの堅牢さの幸運な副次的な作用の１つは、選択されたクラスタが少なすぎても、必要な数のクラスタは、通常、発見できることである。従って、このアルゴリズムを用いるよい方法は、単一クラスタを探索し、次に第２のクラスタを探索し、さらに、これ以上クラスタは、発見できなくなるまでクラスタの数を増やし続け、各ステップでメンバーシップ・マトリックスを保存することである。

本アルゴリズムにおいて選択される別のパラメータは、１と無限との間の範囲の数である曖昧さ度ｍである。ｍ＝２という値は、ハード・クラスタリング（ｍ−＞１）とオーバーファジネス（ｍ−＞無限）との間のバランスとして一般に用いられ、本例では成功裏に用いられている。

クラスタｃの数は、当初、未知であるが、ＲＦＣＶアルゴリズムを実効する際は明記する必要がある。ｃの正確な値を発見する１つの方法は、ｃ＝１からはじめて、適度なｃｍａｘまで、ｃ毎にアルゴリズムを首尾よく試すことである。その強固ではない形式およびノイズのないデータでは、ｃクラスタがあると、アルゴリズムは、そのｃクラスタをうまく選び出す。ｃクラスタよりもより多くの又はより少ないクラスタがあると、アルゴリズムが見つけるクラスタの内の少なくとも１つは、どの値のｃが正しいかに関し、明らかに表示する有効性テストを通らない。

ｃクラスタよりも多いものが存在する場合、堅牢バージョンの成果がより優る。すなわち、堅牢バージョンは、ｃクラスタを発見し、その他は、何れもノイズとして分類する。このような性能面での改善は、どの値のｃが実際に正しいかの表示を少なくすることを犠牲にして得られる。この課題は、以下に示すような、インクリメンタル手法を用いることによって解決可能である。
１．最初のプロトタイプが任意に生成されるように、ｃ＝１で、かつアルゴリズムの最初のメンバーシップ・マトリックスＵ０を明記することなくアルゴリズムを実行する。
２．アルゴリズムがｃプロトタイプより少なくなるまで、次のステップを繰り返す。
２．１ ｃを増やし、Ｕ０が先のステップの最後のメンバーシップ・マトリックスとなるように設定し、さらにメンバーシップ値を「ノイズ」クラスタの中に含める。
２．２ アルゴリズムを戻す。

この方法には、たくさんの利点がある。第１に、ｃ−１クラスタよりも少ない場合、アルゴリズムは、決して実行しないので、異質のプロトタイプが削除されるのを待つ時間は、極小化される。第２に、各実行の開始ポイントは、任意に選択されたものよりも優れている。何故なら、クラスタのｃ−１が発見されると、残りのデータは、残りのプロトタイプに属するからである。

図１０は、ｃ＝１（図１０Ａ）およびｃ＝２、・・・５（それぞれ、図１０Ｂ、・・・１０Ｅ）を用いて、インクリメンタルＲＦＣＶアルゴリズムを第２のプリクラスタに適用した結果を示す。ｃ＝３（図１０Ｃ）の場合、本方法は、アーティファクトに収束する。クラスタの数が、ｃ＝４およびｃ＝５（図１０Ｄ、図１０Ｅ）までさらに増加すると、このクラスタは、消え、４つの正しく識別された反射体がデータにおいて識別される。それ以上のクラスタは、識別されない。クラスタは、データ空間の中に引き込まれた面４１３で表示され、これは、次に、放出されたシーケンスに対するマイクロフォンのインパルス応答を表わす黒いドット４００によって示される。

自動化されたセットアップ手順におけるように、マイクロフォンの位置は、未知である可能性があり、上記のステップによって識別されたあらゆるクラスタを用いると、マイクロフォンの位置ｘｍｉｃ、ｙｍｉｃ、ｚｍｉｃに対する標準の代数方法の式［２］で解決することができる。

マイクロフォンの位置や変換素子レイの像の距離および方位がわかると、種々の角度からビームをリスナに方向付けるための部屋の構成に関する情報が十分わかる。これを行うには、音響信号の経路を逆転し、各マイクロフォン像における音響ビームを検出することである。

しかしながら、どちらの方向からビームがリスナに到達しそうであるかを推論することは必要である。

この推論を行う１つの方法は、ビームがどの壁から反射してマイクロフォンに到達するかを判定することである。この判定が自動的に行われると、殆どの場合、その壁は、全て平坦であり、その表面全体にわたって反射することが想定される。これは、表面Ａおよび表面Ｂからの一次反射信号の後に、反射面ＡおよびＢの二次反射がマイクロフォンに到達することを暗黙のうちに意味している。これによって次のアルゴリズムが可能となる。
１．壁の空リストを初期化することによってスタートする。
２．各マイクロフォン像をＤＳＰからのその距離順に取得し、リスト内の全ての壁の組合せをくまなく探索し、それらの壁における反射のあらゆる構成が正しい場所にあるマイクロフォン像を発生させることができるか否かを理解する。
３．かかる組合せが存在しない場合、このマイクロフォン像は、まだ未発見の壁における一次反射によって形成される。この壁は、マイクロフォン像から実際のマイクロフォンまでの線分の垂直二等分線である。新たな壁をリストに追加する。

もっと堅牢な方法は、感知されたビーム方向を直接に測定および判定する間に、２つ以上の異なる場所に配置された複数のマイクロフォンまたは１つのマイクロフォンを用いることを含む。

三面体の仕組みの４つのマイクロフォンを備えた装置を用い、マイクロフォンのそれぞれの像の位置を個々に判定した後、それらを元の三面体の像に分類することができる。これらは、感知されたビームの方向は、完全に明示する。壁が平面である場合、現実の三面体をその像にマッピングする変換は、等長変換であり、その反転は、リスナ側から見た場合のその感知位置に音響プロジェクタを同等にマッピングする。

４つ未満のマイクロフォンを用いると、到着の方向の不確実性が増す。しかし、場合によっては、例えば、壁は、垂直である等のような適度な制約を用いることによって、この不確実性を低減することは可能である。

マイクロフォン像のスキャンに関する課題は、二次元サーチの問題である。それは、ビーム軌跡機能を用いて種々のビーム・パターンを生成することによって、２つの連続する一次元サーチの問題に変えることができる。例えば、ビーム形状を縦長で細い形状に変更して水平方向にスキャンし、さらに標準の点焦点型ビームを用いて縦方向にスキャンすることは、実行可能である。

通常の点焦点型ビームによって、インパルスの波面を球面形に設計し、焦点に集中するようにする。球体を縦方向に延びた長円体に置き換えると、ビームは、縦方向の焦点がぼけ、縦長の細い形状となる。

あるいは、空間の２点で互い合焦し、音響プロジェクタから等距離離れた２つのビームを用いることによって、縦長の細いビームを形成することができる。これは、副ローブ間の位相の突然の変化および副ローブに比べて主要ビームのサイズが大きいことによるものである。

上述の方法の全般的なステップは、図１１に要約される。

本発明は、室内、すなわち部屋の中で用いられるサラウンド・サウンド・システムに特に適用可能であることに注目される。しかし、本発明は、ビームの適切な反射を可能にするあらゆる有界区域に同等に適用可能である。従って、「部屋」という用語は、スタジオ、劇場、競技場、円形演技場および（室内外を問わず）本発明を実行させるあらゆる場所を含むものと広く解釈される。

図１は、本発明による音響プロジェクタ・システムの典型的セットアップの概略図である。 図２は、音響プロジェクタの前面にマイクロフォンが取り付けられた音響プロジェクタを示し、さらに壁からの乱反射および正反射を示し、乱反射がマイクロフォンに戻る状況を示している。 図３は、最初の乱反射時間を論理的に推定してリスニング・ルームの中の表面を検出するために必要な構成要素の一部を示すブロック図である。 図４は、重ね合わされるとマイクロフォンの出力を形成する送信パルスおよび種々の反射パルスを示すグラフである。 図５は、部屋の隅をスキャンする音響ビームを示す。 図６は、マイクロフォンによって検出された最初の反射の時間にもとづいて算出された図５の固定面の音響プロジェクタからの距離を示す。 図７は、図５に示す隅をビームがスキャンする際にマイクロフォンが受け取った信号の振幅を示す。 図８は、音響プロジェクタ・システムの変換素子が発した音響信号に対するマイクロフォンで登録された応答を示す。 図９は、理想的な部屋用にモデル化されたインパルス応答である。 図１０Ａは、音響プロジェクタ・システムの異なる変換素子から発せられた信号に対する記録された応答の上で行ったクラスタ分析の結果を示す。 図１０Ｂは、音響プロジェクタ・システムの異なる変換素子から発せられた信号に対する記録された応答の上で行ったクラスタ分析の結果を示す。 図１０Ｃは、音響プロジェクタ・システムの異なる変換素子から発せられた信号に対する記録された応答の上で行ったクラスタ分析の結果を示す。 図１０Ｄは、音響プロジェクタ・システムの異なる変換素子から発せられた信号に対する記録された応答の上で行ったクラスタ分析の結果を示す。 図１０Ｅは、音響プロジェクタ・システムの異なる変換素子から発せられた信号に対する記録された応答の上で行ったクラスタ分析の結果を示す。 図１１は、本発明による方法の全体のステップを要約する。

Claims (42)

1. 少なくとも１つの方向付けられたオーディオ・サウンドのビームを生成するスピーカ・システムのセットアップ方法あって、スピーカ・システムは、部屋の中にあり、部屋は、リスニング位置を備え、前記方法は、
   信号をスピーカ・システムから部屋の中に発するステップと、
   信号および／またはそれらの反射の少なくとも１つを部屋の中の１つ以上の場所において登録するステップと、
   登録信号を評価して今後のオーディオ・ビーム用に第１セットの方向づけパラメータを判定するステップと、
   を含むセットアップ方法。
2. 請求項１記載の方法であって、さらに
   方向づけパラメータを用いてオーディオ・サウンドのビームを所望の方向に方向づけるステップを含む前記方法。
3. 請求項１または２記載の方法において、スピーカ・システムは、電気音響変換素子のアレイを備える前記方法。
4. 請求項３記載の方法において、各信号は、アレイの中の単一の電気音響変換素子から発せられる前記方法。
5. 請求項２、３または４記載の方法において、信号が所望の方向に発せられるように、各信号は、アレイ内の複数の電気音響変換素子から発せられる前記方法。
6. 請求項３記載の方法において、異なる信号が異なる電気音響変換素子から同時に発せられる前記方法。
7. 請求項６記載の方法において、異なる電気音響変換素子は、変換素子アレイのエッジ位置および／または中央に設置される前記方法。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の方法において、登録ステップは、少なくとも１つのマイクロフォンを部屋の中に配置し、少なくとも１つのマイクロフォンを用いて信号および／またはそれらの反射の少なくとも１つを記録するステップを含む前記方法。
9. 請求項８記載の方法において、既知の幾何学形状、好ましくは四面体形状に配列された複数のマイクロフォンを含む前記方法。
10. 請求項８または９記載の方法において、マイクロフォンは、物理的にスピーカ・システムの中または上に配置される前記方法。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載の方法において、評価ステップは、スピーカ・システムの場所に対するリスニング位置を判定するステップを含む前記方法。
12. 請求項１から１１のいずれかに記載の方法において、評価ステップは、リスニング位置に向かう複数の音響経路を識別するステップを含む前記方法。
13. 請求項１２記載の方法において、評価ステップは、異なるオーディオ・チャネルを異なる経路に割り当てるステップをさらに含む前記方法。
14. 請求項１から１３のいずれか記載の方法において、評価ステップは、登録信号における反射クラスタを識別するステップを含む前記方法。
15. 請求項１から１４のいずれかに記載の方法であって、さらに、部屋の形状に関し予め知られているデータを用いてビーム方向を除外するステップを含む前記方法。
16. 請求項１５記載の方法において、予め知られたデータは、人間のオペレータによって提供され、データの入力を促すステップを含む前記方法。
17. 請求項１５記載の方法において、予め知られたデータは、セットアップ方法の以前の利用によって提供される前記方法。
18. 請求項１から１７のいずれかに記載の方法において、評価ステップは、信号放出から室内のある場所における第１反射の受け取りまでの間に経過した時間を記録するステップを含む前記方法。
19. 請求項３に従属する請求項１０記載の方法において、マイクロフォンは、電気音響変換素子のアレイの面の近傍に、好ましくはアレイの中心に配置される前記方法。
20. 請求項１から１９のいずれかに記載の方法において、評価ステップは、部屋の周囲の音響ビームをスキャンすることによってスピーカからの表面の距離を判定するステップを含む前記方法。
21. 請求項１から２０のいずれかに記載の方法において、受け取った信号の最初の所定の部分だけが評価ステップにおいて評価される前記方法。
22. 請求項１から２１のいずれかに記載の方法において、スピーカ・システムから放出された信号は、スピーカ・システムを用いて収束され、焦点は、推定した反射面の近傍にある前記方法。
23. 請求項２２記載の方法において、フィードバック・ループを用いてビームが移動する際、ビーム焦点は、推定反射面の位置を追跡することを定める前記方法。
24. 請求項１から２３のいずれかに記載の方法において、登録された信号の少なくとも１つをそれが対応する放出信号の位相ずれバージョンに乗じ、スピーカ・システムからの所定の距離にある表面によって反射された信号を識別する前記方法。
25. 請求項１から２４のいずれかに記載の方法において、スピーカ・システムによって放出された信号の少なくとも１つは、チャープ信号を含み、チャープ信号は、その持続期間中に周波数が減少することが好ましい前記方法。
26. 請求項２５記載の方法において、受信機において整合フィルタを用いて反射チャープ信号を復号化し、適切なレンジ解明を維持しながら信号対雑音比を改善する前記方法。
27. 請求項１から２６のいずれかに記載の方法において、評価ステップは、複数の受信信号であって、それぞれ、対応する送信信号の最初の反射を表わす複数の受信信号を受け取った時間を分析することによって、音響プロジェクタに対する反射面の角度を判定するステップを含む前記方法。
28. 請求項１から２７のいずれかに記載の方法において、評価ステップは、複数の受信信号であって、それぞれ、対応する送信信号の第１反射を表わす複数の受信信号の相対的振幅を分析することによって、音響プロジェクタに対する反射面の角度を判定するステップを含む前記方法。
29. 請求項１から２８のいずれかに記載の方法において、評価ステップは、受信した第１反射信号の振幅の変化を分析するステップと、第１反射の時間の変化を分析して反射面が連続しているか平坦であるか又は湾曲しているか判定するステップとを含む前記方法。
30. 請求項１から２９のいずれかに記載の方法において、スピーカ・システムから放出された信号の方向は、検出された室内の反射面間の不連続部分を追跡するように設定される前記方法。
31. 請求項３０記載の方法において、スピーカ・システムによって放出された信号の方向を推定された不連続部の一方の側に変えさせ、反射面に不連続が存在することを確認する前記方法。
32. 請求項１から３１のいずれかに記載の方法において、スピーカ・システムからの信号の放出に続く信号が登録されない場合、部屋の表面に特定方向の「ホール」があることと評価され、それ後、音響信号を「ホール」に向けて方向づけないことが判定される前記方法。
33. 請求項１から３２のいずれかに記載の方法において、スピーカ・システムは、サラウンド・サウンド・チャネル再生用のサラウンド・サウンド・システムである前記方法。
34. 請求項６記載の方法において、信号は、空間的に制約された音響ビームとして方向領域に放出され、空間的に制約された音響ビームは、横方向に制約されて細い垂直ビームを形成する前記方法。
35. 請求項３４記載の方法において、空間的に制約された音響ビームは、横方向および縦方向に制約され、細い点または長円形ビームを形成する前記方法。
36. セットアップ機能を有するサラウンド・サウンド・システムであって、前記システムは、
    部屋の形状および／または最適のリスニング・ポイント位置に関するデータを入力するようにユーザに促す手段と、
    ユーザが入力したデータを記録する手段と、
    ユーザの応答に応じてサラウンド・サウンド・チャネルの放出方向を判定する手段と、
    を含む前記システム。
37. 半自動式セットアップ機能を有するサラウンド・サウンド・システムであって、前記システムは、
    セットアップされた音響信号の指向性ビームを放出する手段と、
    前記信号および／またはその信号の反射の少なくとも１つをリスニング・ルーム内の１つ以上の場所で登録する手段と、
    登録信号を評価してサラウンド・サウンド・システムを構成する際に有用なデータを取得する手段と、
    を含む前記システム。
38. 請求項３７記載のシステムにおいて、信号を評価する手段は、送信信号の第１反射の時間および／または対応する送信信号に対する反射信号の振幅を出力する信号プロセッサを備える前記システム。
39. 請求項３７または３８記載のシステムにおいて、前記システムは、主要反射面が位置する部屋の中の主要反射面の位置をまず判定し、次にサラウンド・サウンド・チャネルが放出される方向を判定するように構成された前記システム。
40. 請求項３７から３９のいずれかに記載のシステムにおいて、前記システムは、指向性音響ビームを出力する電気音響出力変換素子のアレイを備える前記システム。
41. 請求項３７から４６のいずれかに記載のシステムにおいて、反射を登録する手段は、少なくとも１つのマイクロフォンを備える前記システム。
42. 請求項４６に従属する請求項４０記載のシステムにおいて、少なくとも１つのマイクロフォンは、出力変換素子アレイ近傍のサラウンド・サウンド・システムの中に配置される前記システム。

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