JP2008219881A - マルチチャンネルスピーカシステムのマルチチャンネル信号の再生方法及び装置 - Google Patents

マルチチャンネルスピーカシステムのマルチチャンネル信号の再生方法及び装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 マルチチャンネルスピーカシステムのマルチチャンネル信号の再生方法及び装置を提供する。
【解決手段】 聴取者、センターチャンネルスピーカ及び他のチャンネルスピーカの位置によって、センターチャンネル信号のディレー値を算出するステップと、算出されたディレー値によって、センターチャンネル信号の時間遅延を調節するステップと、時間遅延の調節されたセンターチャンネル信号を他のチャンネル信号にミキシングするステップとを含むマルチチャンネル信号の再生方法である。
【選択図】 図4

Description

本発明は、マルチチャンネルスピーカシステムに係り、特にホームシアターシステムで、センターチャンネルの信号を左右チャンネルにミキシングするマルチチャンネル信号の再生方法及び装置に関する。
最近には、ホームシアターシステムが開発されて市場に販売されている。ホームシアターシステムは、DVD、HDD、テープのような多様な種類の記録媒体に記録されたビデオとオーディオとを読み取って再生すると共に、記録媒体から再生されるビデオを大画面のテレビジョンなどに出力する。
また、ホームシアターシステムは、記録媒体から再生されるオーディオ、例えばDVDから読み取って再生される5.1チャンネルのマルチチャンネルオーディオを、異なる位置に分散して設置された6個のスピーカを通じて各チャンネル別に分離して出力する。
また、ホームシアターシステムは、左右チャンネルのオーディオ信号を単純にミキシングして、センターチャンネルのオーディオ信号として出力する。
しかし、ホームシアターシステムは、センターチャンネルの音量、スピーカの位置、スピーカユニット間の差などにより、台詞が聴取者に明確に伝達されない場合が発生する。
図1は、通常的なセンター音のミキシング方式で、聴取者の位置によって表れる時間遅延信号の効果を説明した概念図である。
一般的なステレオシステムで、二つのスピーカで周波数と音圧とが同じ音を同時に再生すれば、人間の耳には二つの音が中央から出るように感じられる。このように、音像がスピーカの中央に正確に位置することを‘音像が定位された’と表現するが、音像の定位は、左右スピーカから聴取者までのレベル差、位相差、時間差により決定される。同じ音が時間間隔をおいて異なる方向で耳に入る場合、遅く入った音は、耳に先に到着した音によりマスクされる。したがって、聴取者は、耳に先に到着した音源方向で音源を聞く。かかる現象は、“優先効果”、“ハース効果”、“第1波面の法則”などと呼ばれる。
図1に示すように、二つのスピーカS、Sを左右両側に配置し、その二つのスピーカの前面中央に聴取者を位置させる。そして、左側スピーカSには、音響信号を直接入力させ、右側スピーカSには、時間的にτほど遅延させた音響を入力させる。遅延時間差τ=0msであるとき、すなわち左右側信号が聴取者の耳に同時に達するとき、音像が二つのスピーカS、Sの中央Aに位置する。遅延時間差τが次第に長くなるにつれて、左側信号が右側信号より聴取者の耳に先に達し、音像は次第に左側に移動する。この音像の移動程度は、音源の種類や聴取者の位置によって少しずつ変化するが、一般的に1msの時間差までは、音像がセンターからスピーカ側に遅延時間差τに比例して移動し、1ないし30msの時間差範囲では、音源がスピーカ一つにのみ出力されるように聞かれる。
したがって、既存のセンター音のミキシング方式は、聴取者の位置が一つのスピーカ方向に近いとき、ミキシングしたセンター音が聴取者に近く位置したスピーカでのみ聞かれるという問題が発生する。
本発明が解決しようとする課題は、ホームシアターシステムで、センターチャンネル信号に対して各チャンネルのスピーカ位置による時間遅延を反映して、左右チャンネルにミキシングするマルチチャンネル信号の再生方法及び装置を提供するところにある。
本発明が解決しようとする他の課題は、マルチチャンネル信号の再生方法及び装置が適用されたマルチチャンネルスピーカシステムを提供するところにある。
前記課題を解決するために、本発明は、マルチチャンネルのオーディオ信号の再生方法において、聴取者、センターチャンネルスピーカ及び他のチャンネルスピーカの位置によって、センターチャンネル信号のディレー値を算出するステップと、前記算出されたディレー値によって、センターチャンネル信号の時間遅延を調節するステップと、前記時間遅延の調節されたセンターチャンネル信号を他のチャンネル信号にミキシングするステップとを含むことを特徴とする。
前記他の課題を解決するために、本発明は、マルチチャンネル信号再生装置において、前記聴取者、センターチャンネルスピーカ及び他のチャンネルスピーカ間の位置によって算出されたセンターチャンネル信号のディレー値によって、前記センターチャンネル信号を時間遅延するディレー部と、前記ディレー部で時間遅延されたセンターチャンネル信号に所定のゲイン値を付与して、センターチャンネル信号のゲインを調節するミキシングゲイン部と、前記時間遅延及びゲイン調節されたセンターチャンネル信号を他のチャンネル信号にミキシングするミキシング部とを備えることを特徴とする。
本発明による新たなセンターチャンネルのミキシング方法を使用すれば、マルチチャンネルの効果を半減させずにも、センタースピーカの劣悪な位置やスピーカ間のユニット差による音色異質感を解消し、台詞の明瞭度を向上させる。また、本発明は、一般的な住居環境でボリュームを無制限に高められない場合にさらに効果的である。そして、本発明を適用して再生される音量は、聴取者の耳に先に達した音と遅延された音とをエネルギー的に加算したものと同じである。
以下、添付された図面を参照して、本発明の望ましい実施形態を説明する。
図2は、本発明によるマルチチャンネル信号の再生方法の概念図である。図2に示すように、5チャンネルのオーディオ信号が入力されると仮定すれば、聴取者を中心に左チャンネルL、右チャンネルR、センターチャンネルC、左サラウンドチャンネルSL、右サラウンドチャンネルSRの5個のスピーカが位置する。
このとき、センターチャンネルCのオーディオ信号は、左チャンネルL及び右チャンネルRのオーディオ信号とミキシングされ、また、左サラウンドチャンネルSL及び右サラウンドチャンネルSRのオーディオ信号とミキシングされる。
図3は、本発明によるマルチチャンネルスピーカシステムのブロック図である。図3のマルチチャンネルスピーカシステムは、デコーダ310、制御部320及びミキシング処理部330から構成される。
デコーダ310は、信号再生器から入力されるN個のチャンネルオーディオビットストリームをN個のチャンネル、例えば左チャンネルL、右チャンネルR、センターチャンネルC、左サラウンドチャンネルSL及び右サラウンドチャンネルSRのオーディオ信号に分離する。
制御部320は、聴取者の位置及び各チャンネルのスピーカの位置を認識し、聴取者、センターチャンネルスピーカ及び他のチャンネルスピーカ間の位置によって、センターチャンネル信号のディレー値を算出する。位置認識方法は、周知の技術を使用可能であるので、本発明では特定な方法に限定しない。一例として、カメラや超音波センサーを使用して聴取者または各チャンネルのスピーカ位置を認識できる。そして、ディレー値の算出処理は、センターチャンネルスピーカと他のチャンネルスピーカとの間の信号遅延及び信号音圧レベル差を計算し、センターチャンネルの音像が二つのスピーカの中心から移動した距離を計算し、計算された音像移動距離による二つのチャンネルスピーカ間の音圧レベル差を臨界値に設定し、臨界値内で聴取者と二つのスピーカとの距離をディレー値に変換する。このとき、ディレー値は、聴取者の聴取位置変更に関係なくセンターチャンネルの信号をセンタースピーカの位置に定位可能なパラメータである。
ミキシング処理部330は、制御部320で算出されたディレー値によって、デコーダ310で分離されたセンターチャンネル信号の時間遅延を調整し、その時間遅延の調整されたセンターチャンネルの信号に既定のミキシングゲイン値を付与して、デコーダ310で分離された他のチャンネル信号とミキシングする。
図4は、図3のミキシング処理部330の一実施形態を示す図である。図4に示すように、第1、第2、第3、第4及び第5ゲイン部411,412,413,414,415は、左チャンネル、右チャンネル、センターチャンネル、左サラウンドチャンネル、右サラウンドチャンネル信号のゲインを調節する。すなわち、左チャンネルL信号のゲインは、第1ゲイン部411のゲイン値Gを通じて変化する。センターチャンネルC信号のゲインは、第2ゲイン部412のゲイン値Gを通じて変化する。右チャンネルR信号のゲインは、第3ゲイン部413のゲイン値Gを通じて変化する。左サラウンドチャンネルSL信号のゲインは、第4ゲイン部414のゲイン値GSLを通じて変化する。右サラウンドチャンネルSR信号のゲインは、第5ゲイン部415のゲイン値GSRを通じて変化する。
第1ディレー部421は、センターチャンネル信号に対してスピーカの位置によるディレー値D1を反映して、所定周期の時間遅延させる。
第1ミキシングゲイン部441は、センターチャンネル信号と左右チャンネル信号とのミキシングのために、第1ディレー部421でディレーされたセンターチャンネル信号に所定のゲイン値C1を付与する。
第2ディレー部431は、第1ディレー部421でディレーされたセンターチャンネル信号に対してスピーカの位置によるディレー値D2を反映して、所定周期の時間遅延させる。
第2ミキシングゲイン部442は、センターチャンネル信号と左右サラウンドチャンネル信号とのミキシングのために、第2ディレー部431でディレーされたセンターチャンネル信号に所定のゲイン値C2を付与する。
第1ミキシング部462は、第1ゲイン部411で出力される左チャンネル信号と、第1ミキシングゲイン部441で出力されるセンターチャンネル信号とをミキシングする。
第2ミキシング部464は、第3ゲイン部413で出力される右チャンネル信号と、第1ミキシングゲイン部441で出力されるセンターチャンネル信号とをミキシングする。
第3ミキシング部466は、第4ゲイン部414で出力される左サラウンドチャンネル信号と、第2ミキシングゲイン部442で出力されるセンターチャンネル信号とをミキシングする。
第4ミキシング部468は、第5ゲイン部415で出力される右サラウンドチャンネル信号と、第2ミキシングゲイン部442で出力されるセンターチャンネル信号とをミキシングする。
図5は、通常的なハース効果を数式で表したグラフである。図5に示すように、x軸は、タイムディレーであり、y軸は、ボリュームレベル差である。したがって、図5のグラフは、タイムディレーとボリュームレベル差との関係を表しており、また、タイムディレーとボリュームレベル差との関係を時間遅延60ms以内で数式的にモデリングできる。したがって、モデリングにより算出される音圧レベル差Pは、式(1)のように表す。
=15.1(1−e−0.182τd) (1)
例えば、図5のグラフを見れば、タイムディレーが5msであれば、ボリュームレベル差は7.5dBに維持されねばならない。
図6A及び図6Bは、右スピーカ及びセンタースピーカを使用するとき、聴取者の位置による音像移動及び音像定位を計算するための配置図である。
図6A及び図6Bを参照して、図4のディレー値及びゲイン値を設定するステップを説明する。
まず、聴取者が前面中央(センタースピーカの位置)から右側に移動した場合、センタースピーカのサウンドイメージは、図6Aのように次第に移動する。聴取者と右側スピーカとの距離d及び聴取者とセンタースピーカとの距離dは、それぞれ式(2)及び式(3)で表す。ここで、dlistnerは、聴取者の移動距離であり、Hは、聴取者とスピーカとの距離であり、Dは、スピーカ間の距離である。
Figure 2008219881

このとき、距離差ddiffは、d及びdを利用して式(4)で表す。
diff=d−d(4)
また、距離差ddiffを時間差tdiffに変換すれば、式(5)のように表す。ここで、vは、音波の伝播速度であって、約340m/sである。
diff=ddiff/v(5)
遅延時間とボリュームレベルとの関係を時間差60ms以内で数式的にモデリングすれば、式(1)で与えられ、聴取者と左右スピーカとの距離比による音圧レベル差Pは、式(6)のように与えられる。
=20 log(d/d) (6)
したがって、左右スピーカ間の全体音圧レベル差Pは、式(7)のように表す。このとき、Pは、信号のレベル比による音圧レベル差である。
=P+P (7)
一方、線形スケールを利用して左右スピーカの音圧レベル差kを求めれば、式(8)で表す。
k=10Pt/20 (8)
図6Bに示すように、聴取位置で聴取者の両側耳の音圧レベルが同じである場合、聴取点から見た二つのスピーカ間の角度の中央に音像が存在する。
音像が存在する二つのスピーカ間の角度θ´は、式(9)のように表す。
Figure 2008219881
また、図6Bにおいて、二つの左右スピーカの中心から音像が移動した距離dを求めるために必要な角θ,θ,θは、式(10)、式(11)、式(12)で表す。
Figure 2008219881
θ=180−(180−θ)−θ´ (12)
したがって、二つのスピーカの中心から音像が移動した距離dは、式(13)のように求められる。
Figure 2008219881
音像が存在する二つのスピーカ間の角度θ´から左右スピーカの音圧レベル差kを考慮した聴取位置での音像方向θ´は、式(14)で表す。
Figure 2008219881
聴取位置での音像方向θ´により音像が距離dを基準として距離dに移動すれば、聴取者の位置によるセンター音像が二つのスピーカの中心から移動した距離dは、式(15)で表す。
=d+d (15)
もし、他のチャンネル信号にミキシングされるセンターチャンネル信号レベルがセンタースピーカで再生される信号レベルより低いか、または同じであれば、センタースピーカの音像移動を防止するために式(4)で表した距離差ddiff値が十分な音の値を有するようにする。
一般的なホームシアターシステムの聴取環境を考慮して、二つのスピーカ間の距離差が5m以内にあると仮定し、ミキシングされるセンターチャンネル信号のレベルがセンタースピーカで再生される信号のレベルより低ければ、センター音の音像移動は、図5のようなハース効果に基づいて6ms以上の時間差により防止できる。ここで、音像移動距離は、式(5)を利用して時間差tdiffで表す。したがって、センター音の音像移動を防止するために、図4に示した第1ディレー部421のディレー値D1は、6ms以上に設定できる。
また、サラウンドチャンネル、センターチャンネル及びフロントチャンネル間のミキシングによる音像定位を同じ方法で解析すれば、サラウンドチャンネルもフロントチャンネルと約5msの時間差が必要である。したがって、図4に示した第2ディレー部431のディレー値D2は、ディレー値D1+約5msで決定されればよい。効果的なハース効果のために、ディレー値D1は、5ms−15msの間で決定されねばならない。
ミキシングゲインC,Cは、センターチャンネル信号のゲインと他のチャンネル信号のゲインとが大きい差がないように決定される。
式(16)及び式(17)は、ミキシングゲインを決定するための二つの実施形態である。ここで、αは、1以下の定数として決定され、約0.7であるとき、ミキシングされたセンターチャンネルの信号と元来のセンターチャンネルの信号との音量が類似する。また、式(17)は、ミキシングゲインCをゼロとしたとき、ミキシングゲインを決定する一実施形態である。βは、1以下の定数として決定される。
out=[1−α]C
out=[1−α]SL+αC
out=[1−α]SR+αC (16)
SLout=[1−α]SL+αC
SRout=[1−α]SR+αC

out=[1−β]C
out=[1−β]SL+βC
out=[1−β]SR+βC (17)
SLout=[1−β]SL
SRout=[1−β]SR
本発明は、前述した実施形態に限定されず、本発明の思想内で当業者による変形が可能であることはいうまでもない。
また、本発明は、コンピュータで読み取り可能な記録媒体にコンピュータで読み取り可能なコードとして具現することが可能である。コンピュータで読み取り可能な記録媒体は、コンピュータシステムにより読み取られるデータが保存されるあらゆる種類の記録装置を含む。コンピュータで読み取り可能な記録媒体の例としては、ROM(リードオンリメモリ)、RAM(ランダムアクセスメモリ)、CD−ROM、磁気テープ、ハードディスク、フロッピー(登録商標)ディスク、フラッシュメモリ、光データ保存装置などがあり、またキャリアウェーブ(例えば、インターネットを通じた伝送)の形態で具現されるものも含む。また、コンピュータで読み取り可能な記録媒体は、ネットワークに連結されたコンピュータシステムに分散され、分散方式でコンピュータで読み取り可能なコードが保存されて実行されうる。
本発明は、ホームシアターシステム関連の技術分野に適用可能である。
通常的なセンター音のミキシング方式で聴取者の位置によって表れる時間遅延信号の効果を説明した概念図である。 本発明によるマルチチャンネル信号の再生方法の概念図である。 本発明によるマルチチャンネルスピーカシステムのブロック図である。 図3のミキシング処理部の一実施形態を示す図である。 通常的なハース効果を数式で表したグラフである。 左右スピーカ及びセンタースピーカを使用するとき、聴取者の位置による音像移動及び音像正位を計算するための配置図である。 左右スピーカ及びセンタースピーカを使用するとき、聴取者の位置による音像移動及び音像正位を計算するための配置図である。
符号の説明
310 デコーダ
320 制御部
330 ミキシング処理部

Claims (14)

  1. マルチチャンネルの信号の再生方法において、
    聴取者、センターチャンネルスピーカ及び他のチャンネルスピーカの位置によって、センターチャンネル信号のディレー値を算出するステップと、
    前記算出されたディレー値によって、センターチャンネル信号の時間遅延を調節するステップと、
    前記時間遅延の調節されたセンターチャンネル信号を他のチャンネル信号にミキシングするステップと、を含むことを特徴とするマルチチャンネル信号の再生方法。
  2. 前記信号ディレー値の算出ステップは、
    前記センターチャンネルスピーカと他のチャンネルスピーカとの間の信号遅延及び信号音圧レベル差と、センターチャンネルの音像が二つのスピーカの中心から移動した距離とを計算し、
    前記計算された音像移動距離による二つのチャンネルスピーカ間の音圧レベル差を臨界値に設定し、
    前記臨界値内で聴取者と前記二つのスピーカとの距離差を信号ディレー値に変換することを特徴とする請求項1に記載のマルチチャンネル信号の再生方法。
  3. 前記聴取者と前記二つのチャンネルスピーカとの距離差は、聴取者とセンターチャンネルスピーカとの距離から、聴取者と他のチャンネルスピーカとの距離を差減する値であることを特徴とする請求項2に記載のマルチチャンネル信号の再生方法。
  4. 前記時間遅延の調節されたセンターチャンネルの信号に所定のゲイン値を付与するステップをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のマルチチャンネル信号の再生方法。
  5. 前記チャンネルのミキシングステップは、
    前記センターチャンネル信号を所定のディレー値により時間遅延し、
    時間遅延されたセンターチャンネル信号を左右チャンネル信号にミキシングすることを特徴とする請求項1に記載のマルチチャンネル信号の再生方法。
  6. 少なくともセンターチャンネルを備えたマルチチャンネル信号の再生方法において、
    前記センターチャンネルスピーカと他のチャンネルスピーカとの間の信号遅延及び音圧レベル差と、センターチャンネルの音像が前記センターチャンネルスピーカと他のチャンネルスピーカとの中心から移動した距離差とによって、前記センターチャンネル信号のディレー値を設定するステップと、
    前記センターチャンネルの信号に、前記ディレー値によって時間遅延し、所定のゲイン値を付与して左右フロントチャンネルとミキシングするステップと、
    前記ステップで時間遅延されたセンターチャンネルの信号に、所定のディレー値によって時間遅延し、所定のゲイン値を付与して左右サラウンドチャンネルとミキシングするステップと、を含むことを特徴とするマルチチャンネル信号の再生方法。
  7. マルチチャンネル信号再生装置において、
    前記聴取者、センターチャンネルスピーカ及び他のチャンネルスピーカ間の位置によって算出されたセンターチャンネル信号のディレー値によって、前記センターチャンネル信号を時間遅延するディレー部と、
    前記ディレー部で時間遅延されたセンターチャンネル信号に所定のゲイン値を付与して、センターチャンネル信号のゲインを調節するミキシングゲイン部と、
    前記時間遅延及びゲイン調節されたセンターチャンネル信号を他のチャンネル信号にミキシングするミキシング部と、を備えることを特徴とするマルチチャンネル信号再生装置。
  8. 前記ディレー部のディレー値は、聴取者とセンターチャンネルスピーカとの距離から、聴取者と他のチャンネルスピーカとの距離を差減する値を時間差に変換した値であることを特徴とする請求項7に記載のマルチチャンネル信号再生装置。
  9. マルチチャンネルスピーカシステムにおいて、
    複数個のチャンネルオーディオビットストリームを複数個のチャンネルのオーディオ信号に分離するデコーダと、
    聴取者の位置及び各チャンネルのスピーカの位置を認識し、聴取者、センターチャンネルスピーカ及び他のチャンネルスピーカ間の位置によって、センターチャンネル信号のディレー値を算出する制御部と、
    前記制御部で算出されたディレー値によって、センターチャンネル信号の時間遅延を調整し、その時間遅延の調整されたセンターチャンネル信号に所定のミキシングゲイン値を付与して、前記デコーダで分離された他のチャンネル信号とミキシングするミキシング処理部と、を備えることを特徴とするマルチチャンネルスピーカシステム。
  10. 前記ミキシング処理部は
    前記ディレー値によって、前記センターチャンネの信号を時間遅延するディレー部と、
    前記ディレー部で時間遅延されたセンターチャンネル信号に所定のゲイン値を付与して、センターチャンネル信号のゲインを調節するミキシングゲイン部と、
    前記時間遅延及びゲイン調節されたセンターチャンネル信号を他のチャンネル信号にミキシングするミキシング部と、を備えることを特徴とする請求項9に記載のマルチチャンネルスピーカシステム。
  11. 前記ディレー部は、
    前記スピーカの位置による第1ディレー値を反映して、所定周期の時間の間にセンターチャンネル信号をディレーする第1ディレー部と、
    前記スピーカの位置による第2ディレー値を反映して、前記第1ディレー部で遅延されるセンターチャンネル信号をディレーする第2ディレー部と、を備えることを特徴とする請求項10に記載のマルチチャンネルスピーカシステム。
  12. 前記ミキシングゲイン部は、
    前記第1ディレー部でディレーされたセンターチャンネル信号に所定のゲイン値を提供して、左右チャンネル信号とセンターチャンネル信号との間にミキシングを行う第1ミキシングゲイン部と、
    前記第2ディレー部でディレーされたセンターチャンネル信号に所定のゲイン値を提供して、左右サラウンドチャンネル信号とセンターチャンネル信号との間にミキシングを行う第2ミキシングゲイン部と、を備えることを特徴とする請求項11に記載のマルチチャンネルスピーカシステム。
  13. 前記左チャンネル信号、右チャンネル信号、センターチャンネル信号、左サラウンドチャンネル信号及び右サラウンドチャンネル信号のゲインをそれぞれ調整する第1、第2、第3、第4、第5ゲイン部をさらに備えることを特徴とする請求項12に記載のマルチチャンネルスピーカシステム。
  14. 前記ミキシング部は、
    前記第1ミキシングゲイン部により出力されたセンターチャンネル信号と、前記第1ゲイン部により出力された左チャンネル信号とをミキシングする第1ミキシング部と、
    前記第1ミキシングゲイン部により出力されたセンターチャンネル信号と、前記第3ゲイン部により出力された左チャンネル信号とをミキシングする第2ミキシング部と、
    前記第2ミキシングゲイン部により出力されたセンターチャンネル信号と、前記第4ゲイン部により出力された左サラウンドセンターチャンネル信号とをミキシングする第3ミキシング部と、
    前記第2ミキシングゲイン部により出力されたセンターチャンネル信号と、前記第5ゲイン部により出力された右サラウンドセンターチャンネル信号とをミキシングする第4ミキシング部と、を備えることを特徴とする請求項13に記載のマルチチャンネルスピーカシステム。
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