JP2009038641A - 音場制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】異なる高さに配置された複数のスピーカを用いて仮想音源を三次元に立体的に音像定位させることができる音像定位装置を提供する。
【解決手段】８個のスピーカの頂点とする直方体類似の立体を想定し、その内部に受音点Ｕを設定する。仮想音源の位置情報が入力されると、受音点から見た仮想音源の方向が前記直方体類似の立体のどの面を通過するかを選択し、この選択された面をの頂点に配置されているスピーカをこの仮想音源の音声信号を出力するスピーカとして選択する。そして、各頂点の受音点から見た仮想音源からの角度の比に基づいて、前記各頂点に配置されている各スピーカに供給する音声信号のレベル比を決定する
【選択図】図３

Description

この発明は、仮想音源の定位を三次元で立体的に制御できる音場制御装置に関する。
複数のスピーカをリスニングルームの四方に配置し、マルチチャンネルで臨場感のある音場を再生するマルチチャンネルオーディオシステムが提案されている（たとえば特許文献１）。従来のこの種のマルチチャンネルオーディオシステムでは、複数のスピーカ（一般的には４つ（ＦＬ，ＦＲ，ＲＬ，ＲＲ）のスピーカ）が平面的に配置されているため、オーディオソースの仮想音源位置が三次元であっても、これを平面的な分布に変換して、この信号を２つのスピーカに振り分けて音像（仮想音源）を定位させていた。
特開平１１−４６４０００号公報
しかしながら、上記従来のオーディオシステムで再生される音場は、平面的な印象になり、現実の音場とは異なったものになる。すなわち、仮想音源の定位を高さ方向に制御できないため、音場の高さ方向の印象が、スピーカの高さ方向の配置によってほぼ決められてしまうという問題点があった。
一方、近年実用化されているサラウンドオーディオシステムでは、上記４チャンネルのスピーカに加えてサラウンド用のスピーカを高い位置に設置するものも実用化されているが、このサラウンド用のスピーカは、環境音、背景音的に音場形成を補助する音声を出力するためのものであり、個別の仮想音源の定位に寄与するものではなかった。
この発明は、異なる高さに配置された複数のスピーカを用いて仮想音源を三次元に立体的に音像定位させることができる音像定位装置を提供することを目的とする。
請求項１の発明は、三次元空間に配置された複数のスピーカの位置情報および前記複数のスピーカから放音される音声の受音点の位置情報を記憶する記憶部と、音声信号と、この音声信号が定位されるべき位置である仮想音源の位置情報と、を入力する入力部と、前記音声信号を前記仮想音源の位置に定位させる定位制御部と、を備えた音場制御装置であって、
前記音場制御装置は、前記複数のスピーカの位置を頂点とする仮想的な略多面体状の立体を設定し、前記受音点から前記仮想音源へ向けた方向線が通過する前記略多面体状の立体の面を選択し、この選択された面の頂点に配置されているスピーカを前記音声信号を出力するスピーカとして選択し、前記方向線と、前記受音点から前記選択された面の各頂点へ向かう各直線との各角度の比に基づいて、前記各頂点に配置されている各スピーカに供給される前記音声信号のレベル比を決定することを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記記憶部は、前記スピーカの位置情報として、略直方体形状の立体の各頂点に配置された８個のスピーカの位置情報を記憶し、
前記定位制御部は、前記選択された面である四角形Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の１辺Ｓ１−Ｓ２と受音点で決定される第１の平面と、前記１辺の対辺Ｓ３−Ｓ４と受音点で決定される第２の平面とを想定するとともに、この第１，第２の平面の交線と前記仮想音源位置で決定される第３の平面を想定し、これら第１の平面と第３の平面との角度を前記頂点Ｓ１，Ｓ２に対する前記方向線の第１の分解角度とし、また、前記第２の平面と第３の平面との角度を前記頂点Ｓ３，Ｓ４に対する前記方向線の第１の分解角度とし、
さらに、前記四角形Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の１辺Ｓ２−Ｓ３と受音点で決定される第４の平面と、前記１辺の対辺Ｓ４−Ｓ１と受音点で決定される第５の平面とを想定するとともに、この第４，第５の平面の交線と前記仮想音源位置で決定される第６の平面を想定し、
これら第４の平面と第６の平面との角度を前記頂点Ｓ２，Ｓ３に対する前記方向線の第２の分解角度とし、また、前記第５の平面と第６の平面との角度を前記頂点Ｓ４，Ｓ１に対する前記方向線の第２の分解角度とし、各頂点Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４についての、前記第１の分解角度のＣＯＳ値と前記第２の分解角度のＣＯＳ値とを乗算した値を、前記受音点と各頂点とを結んだ直線と前記方向線との角度比とすることを特徴とする。
なお、上記略直方体形状は、六面体であって、その各面がそれぞれ略四角形で構成されている立体であればよく、六面体の各面が略長方形であることまで要求するものではない。
請求項３の発明は、受音点の前方上部左右に設置されたスピーカＦＬｈ，ＦＲｈ、受音点の前方下部左右に設置されたスピーカＦＬｌ，ＦＲｌ、受音点の後方上部左右に設置されたスピーカＢＬｈ，ＢＲｈ、受音点の後方下部左右に設置されたスピーカＢＬｌ，ＢＲｌのそれぞれの位置情報、および、前記受音点の位置情報を記憶する記憶部と、音声信号およびこの音声信号が定位されるべき位置である仮想音源の位置情報が入力される入力部と、前記音声信号を前記仮想音源の位置に定位させる定位制御部と、を備えた音場制御装置であって、
前記音場制御装置は、前記受音点と前記スピーカＦＬｈ，ＦＲｈで決定される平面ｐ１、前記受音点と前記スピーカＦＲｈ，ＢＲｈで決定される平面ｐ２、前記受音点と前記スピーカＢＲｈ，ＢＬｈで決定される平面ｐ３、および、前記受音点と前記スピーカＢＬｈ，ＦＬｈで決定される平面ｐ４で囲まれる方向領域「上」、前記受音点と前記スピーカＦＬｌ，ＦＲｌで決定される平面ｐ５、前記受音点と前記スピーカＦＲｌ，ＢＲｌで決定される平面ｐ６、前記受音点と前記スピーカＢＲｌ，ＢＬｌで決定される平面ｐ７、および、前記受音点と前記スピーカＢＬｌ，ＦＬｌで決定される平面ｐ８で囲まれる方向領域「下」、前記受音点と前記スピーカＦＬｈ，ＦＬｌで決定される平面ｐ９、前記平面ｐ１、前記受音点と前記スピーカＦＲｈ，ＦＲｌで決定される平面ｐ１０、および、前記平面ｐ５で囲まれる方向領域「前」、前記受音点と前記スピーカＢＲｈ，ＢＲｌで決定される平面ｐ１１、前記平面ｐ７、前記受音点と前記スピーカＢＬｈ，ＢＬｌで決定される平面ｐ１２、および、前記平面ｐ３で囲まれる方向領域「後」、前記平面ｐ４、前記平面ｐ９、前記平面ｐ８、および、前記平面ｐ１２で囲まれる方向領域「左」、前記平面ｐ２、前記平面ｐ１０、前記平面ｐ６、および、前記平面ｐ１１で囲まれる方向領域「右」、を仮想的に設定し、
前記受音点から前記仮想音源へ向けた方向線が通過する前記方向領域を選択し、この選択された方向領域を囲む複数の平面の頂点になっているスピーカを前記音声信号を出力するスピーカとして選択し、前記受音点と前記選択された各スピーカとを結んだ直線と前記方向線との角度の比に基づいて、前記各スピーカに供給される前記音声信号のレベル比を決定することを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記定位制御部は、前記選択された方向領域を囲む複数の平面の頂点になっている４つのスピーカ（以下、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４と呼ぶ）のうち２つのスピーカＳ１，Ｓ２と前記受音点で決定される第１の平面と、他の２つのスピーカＳ３，Ｓ４と前記受音点で決定される第２の平面とを想定するとともに、この第１，第２の平面の交線と前記仮想音源位置で決定される第３の平面を想定し、
これら第１の平面と第３の平面との角度を前記頂点Ｓ１，Ｓ２に対する前記方向線の第１の分解角度とし、また、前記第２の平面と第３の平面との角度を前記頂点Ｓ３，Ｓ４に対する前記方向線の第１の分解角度とし、
さらに、前記４つのスピーカのうち２つのスピーカＳ２，Ｓ３と前記受音点で決定される第４の平面と、他の２つのスピーカＳ４，Ｓ１と前記受音点で決定される第５の平面とを想定するとともに、この第４，第５の平面の交線と前記仮想音源位置で決定される第６の平面を想定し、
これら第４の平面と第６の平面との角度を前記頂点Ｓ２，Ｓ３に対する前記方向線の第２の分解角度とし、また、前記第５の平面と第６の平面との角度を前記頂点Ｓ４，Ｓ１に対する前記方向線の第２の分解角度とし、各頂点Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４についての、前記第１の分解角度のＣＯＳ値と前記第２の分解角度のＣＯＳ値とを乗算した値を、前記受音点と各頂点とを結んだ直線と前記方向線との角度比とすることを特徴とする。
この発明によれば、仮想音源の高さ方向の定位を制御できるため、より臨場感のある音場再生が可能になる。複数の仮想音源を再生する場合、各仮想音源をそれぞれ高さの異なる位置に定位させることができるため、聴取者が音場の高さ方向の広がりをより感じやすくなり、現実の音場に近い聴感効果が期待することができる。
これにより、実測に基づく音場再生でより現実に近い音場設定が可能になり、シミュレーションなどに基づく音場デザインにおいて、より自由度の高い音場デザインを行うことが可能になる。
図面を参照してこの発明の実施形態であるオーディオシステムについて説明する。このオーディオシステムは、高低差を持たせて立体的に配置された８本のスピーカとこれら８本のスピーカにオーディオ信号を供給するオーディオ装置で構成されている。受音点すなわち聴取者の耳の位置は、８本のスピーカで形成される略直方体形状の空間に内包される。入力されたオーディオ信号の定位位置すなわち仮想音源位置に基づいて４本（または３本）のスピーカを選択し、この選択されたスピーカから適切なレベル比でオーディオ信号を出力することにより、このオーディオ信号（仮想音源）を三次元の一点に立体的に定位させる。
≪スピーカ配置≫
図１は、同オーディオシステムのスピーカ配置の例を示す図である。リスニングルームの前方上部左右にスピーカＦＬｈ，ＦＲｈが設定され、前方下部左右にスピーカＦＬｌ，ＦＲｌが設置され、後方上部左右にスピーカＢＬｈ，ＢＲｈが設置され、さらに、後方下部左右にスピーカＢＬｌ，ＢＲｌが設置されている。各スピーカの設置位置を結んで形成される立体が直方体（立方体）となる配置が理想的であるが、実際にはリスニングルームの形状等の制約等により、各スピーカの設置位置を結んで形成される立体は、図３に示すように歪んだものとなる場合が多い。
８本のスピーカのうち、前方下部左右に設置されているスピーカＦＬｌ，ＦＲｌおよび後方下部左右に設置されているスピーカＢＬｌ，ＢＲｌの４本は受音点Ｕすなわち聴取者の耳の高さより低い位置または同じ高さに設置され、前方上部左右に設置されているスピーカＦＬｈ，ＦＲｈおよび後方上部左右に設置されているスピーカＢＬｈ，ＢＲｈは受音点Ｕよりも高い位置に設置されている。この配置により、受音点Ｕは、８本のスピーカを結んで形成される上記立体（空間）に内包される。
≪オーディオ装置≫
図２は、図１に示した８本のスピーカ群にオーディオ信号を供給するオーディオ装置の概略ブロック図である。オーディオソース入力部１１は、それぞれ異なる位置に定位される複数のオーディオ信号（仮想音源）を定位演算部１２に入力する。さらに、オーディオソース入力部１１は、各オーディオ信号（仮想音源）を定位させるべき位置の情報である仮想音源位置情報を定位演算部１２に入力する。仮想音源位置情報は三次元の位置情報である。
定位演算部１２は、オーディオソース入力部１１から入力されたオーディオ信号の定位情報に基づいて、８個のスピーカから４個のスピーカを選択し、この選択したスピーカにこのオーディオ信号をレベルを分割して出力する。４個のスピーカをどのように選択するか、および、選択されたスピーカに対して信号レベルをどのように分割するか後で詳細に説明する。
定位演算部１２には、このスピーカの選択および信号レベルの分割のために、記憶部１３から前記８個のスピーカのそれぞれの位置情報および受音点Ｕの位置情報が入力される。これらスピーカの位置情報および受音点Ｕの位置情報は、個々のスピーカから順次テスト音声を出力し、この音声を受音点付近に設置された１または複数のマイクで受音することによって測定される。ここでは、予めその測定が行われ、求められた位置情報が記憶部１３に記憶されているものとする。
なお、各スピーカの位置情報は、必ずしも上記テスト音声を用いて自動測定する必要はなく、何らかの手順で現在のスピーカの設置位置を表す情報が記憶部１３に記憶されていればよい。たとえば、ユーザがメジャーで測定して手入力してもよい。また、オーディオ装置が自律的にスピーカの設置位置を記憶部１３に書き込んでユーザに指定し、ユーザがその指定された位置にスピーカを設置するようにしてもよい。
また、記憶部１３に記憶される位置情報と各スピーカの実際の設置位置とが正確に対応していなくても近似していれば一定の定位効果を得ることができる。このため、ユーザが設置したスピーカ位置を頂点とした六面体が直方体でなくなも、これに近似した直方体の各頂点にスピーカが配置されているような位置情報を記憶部１３に記憶することにより、演算を容易化するようにしてもよい。
定位演算部１２には、前記８個のスピーカに対応する８系統の遅延部１６およびアンプ１７が接続されている。定位演算部１２は、選択したスピーカの系統の遅延部１６にオーディオ信号を出力する。遅延部１６は、仮想音源の定位位置、スピーカの設置位置、および受音点Ｕの位置に基づき、受音点Ｕに仮想音源からの距離だけ音が遅れて到達するように遅延をかける。また、遅延部１６の後段のアンプ１７は、この距離による信号の減衰を実現するためにオーディオ信号を減衰させる。
各遅延部１６の遅延時間、および、各アンプ１７のゲインは、パラメータ演算部１５が算出する。パラメータ演算部１５には、定位演算部１２から、仮想音源の定位位置、選択したスピーカとその設置位置、受音点の位置等の情報が入力され、パラメータ演算部１５は、これらの情報に基づいて前記遅延時間、ゲインを算出する。
定位演算部１２で振り分けられ、各系統の遅延部１６で遅延され、かつ、アンプ１７で増幅（減衰）されたオーディオ信号は、各スピーカに向けて出力される。なお、スピーカを駆動するパワーアンプはオーディオ装置に含まれていてもスピーカに内蔵されていてもよい。
上述したように、オーディオソース入力部１１が定位演算部１２に入力するオーディオソースは、複数のオーディオ信号（仮想音源）を含んでいるが、以下は、１つのオーディオ信号（仮想音源）の処理について説明する。複数のオーディオ信号に対しては、以下の処理を並列に（時分割に）処理すればよい。
≪定位制御≫
定位演算部１２が実行するスピーカ選択および信号を振り分けるレベル比算出動作について詳細に説明する。各オーディオ信号（仮想音源）は、音像をどこに定位させるかの三次元の情報である仮想音源位置情報を伴っている。定位演算部１２は、この仮想音源位置情報と各スピーカ、受音点の配置情報に基づいて、このオーディオ信号を８個のスピーカのうちどのスピーカに割り当て、割り当てられたスピーカのそれぞれに対してこの信号をどのようなレベル比で入力するかを算出する。算出方法は、以下に説明する２種類があり、定位演算部１２には、そのどちらかの方法を実行させればよい。
≪方法１≫
図３は、図１に示したスピーカの配置を線図で表したものである。隣接するスピーカ位置を直線でつなぐと、８個のスピーカを頂点とする六面体に類似した形状の立体となる。ここで、六面体（多面体）は各面が平面で構成される立体を言うが、図３の８個のスピーカを直線で結んだ立体の各面は平面であるとは限らないため、六面体類似の立体となる。この立体の内部に受音点Ｕが設定されている。
この空間において、図３の六面体類似の立体の一辺の両端の２つのスピーカと受音点Ｕとを含み、これらを直線で結んだ三角形を境界とする平面を想定する。六面体類似の立体には辺が１２あるため、１２の平面が想定される。
なお、この２つのスピーカの選択は、そのスピーカに付されている記号のうち２文字が共通のものを抽出すればよい。すなわち、スピーカには、たとえばＦＬｈのように３つの文字からなる記号が付されているが、１文字目が前後（Ｆ／Ｂ）を表し、２文字目が左右（Ｌ／Ｒ）を表し、３文字目が上下（ｈ／ｌ）を表している。
このうち２文字が共通な２つを選択すると１２の組み合わせが得られ、以下の１２の平面が想定される。
平面ｐ１： ＦＬｈ，ＦＲｈ，Ｕ（受音点）
平面ｐ２： ＦＲｈ，ＢＲｈ，Ｕ
平面ｐ３： ＢＲｈ，ＢＬｈ，Ｕ
平面ｐ４： ＢＬｈ，ＦＬｈ，Ｕ
平面ｐ５： ＦＬｌ，ＦＲｌ，Ｕ
平面ｐ６： ＦＲｌ，ＢＲｌ，Ｕ
平面ｐ７： ＢＲｌ，ＢＬｌ，Ｕ
平面ｐ８： ＢＬｌ，ＦＬｌ，Ｕ
平面ｐ９： ＦＬｈ，ＦＬｌ，Ｕ
平面ｐ１０： ＦＲｈ，ＦＲｌ，Ｕ
平面ｐ１１： ＢＲｈ，ＢＲｌ，Ｕ
平面ｐ１２： ＢＬｈ，ＢＬｌ，Ｕ
そして、これら１２の平面で区切られた６つの方向領域を設定する。
平面ｐ１、平面ｐ２、平面ｐ３および平面ｐ４で囲まれる方向領域「上」
平面ｐ５、平面ｐ６、平面ｐ７および平面ｐ８で囲まれる方向領域「下」
平面ｐ９、平面ｐ１、平面ｐ１０および平面ｐ５で囲まれる方向領域「前」
平面ｐ１１、平面ｐ７、平面ｐ１２および平面ｐ３で囲まれる方向領域「後」
平面ｐ４、平面ｐ９、平面ｐ８および平面ｐ１２で囲まれる方向領域「左」
平面ｐ２、平面ｐ１０、平面ｐ６および平面ｐ１１で囲まれる方向領域「右」
仮想音源Ｙのオーディオ信号を出力するとき、受音点Ｕから見た仮想音源Ｙの方向、すなわち、受音点Ｕから仮想音源Ｙに向けた方向線ｙが、これら方向領域「前，後，右，左，上，下」のうちどの領域を通過するかによって、この仮想音源Ｙのオーディオ信号を出力するためのスピーカを選択する。すなわち、各方向領域はそれぞれ４つのスピーカで区切られており、前記方向線ｙが含まれる方向領域を区切る４つのスピーカを、その仮想音源のオーディオ信号を振り分けるスピーカとして選択する。図３の例では、方向線ｙは方向領域「右」を通過しているため、スピーカＦＲｈ，ＦＲｌ，ＢＲｈ，ＢＲｌがオーディオ信号を出力するスピーカとして選択される。
なお、上記方向領域「前，後，右，左，上，下」は、８個のスピーカで形成される略六面体形状の立体のそれぞれの面で区切られた領域とも言えるものであり、ある方向領域を通過する方向線は、対応する面に向かう線とも言える。たとえば、方向領域「前」を通過する方向線は、ＦＬｈ，ＦＲｈ，ＦＲｌ，ＦＬｌを頂点とする面に向かう方向線とも言えるものである。
オーディオ信号を振り分ける４つのスピーカが決定されると、受音点Ｕから見た各スピーカと仮想音源Ｙとの角度比に基づき、各スピーカに割り当てる信号レベルを決定する。これにより、受音点Ｕにおいて、仮想音源位置情報に従った位置に仮想音源の音像を定位させる。
以下、図４（Ａ）、（Ｂ）を参照して、このレベル比の決定方式すなわち信号パワーの配分方式について詳細に説明する。ここでは、前記方向線ｙを含む方向領域を区切る４つの平面をそれぞれ以下のように呼ぶ。
Ｐｆ : 受音点Ｕから仮想音源Ｙを見て、領域の上方(前方)を区切る平面
Ｐｂ : 受音点Ｕから仮想音源Ｙを見て、領域の下方(後方)を区切る平面
Ｐｌ : 受音点Ｕから仮想音源Ｙを見て、領域の左方を区切る平面
Ｐｒ : 受音点Ｕから仮想音源Ｙを見て、領域の右方を区切る平面
図３の例では、平面ｐ２を三角形の境界を越えて拡張したものがＰｆであり、平面６を拡張したものがＰｂであり、平面１０を拡張したものＰｌであり、平面１１を拡張したものがＰｒである。
また、この領域を区切る４つのスピーカ、すなわち、オーディオ信号を出力するべく選択された４つのスピーカを図４に示すようにＳ１〜Ｓ４と呼ぶ。図３の例では、スピーカＦＲｈがＳ１、スピーカＢＲｈがＳ２、スピーカＦＲｌがＳ３、スピーカＢＲｌがＳ４となる。
図４（Ａ）は、受音点Ｕから仮想音源Ｙを見て領域の上方を区切る平面Ｐｆと、受音点Ｕから仮想音源Ｙを見て領域の下方を区切る平面Ｐｂとを示す図である。この図において、ＰｆとＰｂとの交線と仮想音源Ｙとを含む平面Ｐｖを想定し、
av1 : ＰｆとＰｖの間の角度
av2 : ＰｂとＰｖの間の角度
を求める。
図４（Ｂ）は、受音点Ｕから仮想音源Ｙを見て領域の左方を区切る平面Ｐｌと、受音点Ｕから仮想音源Ｙを見て領域の右方を区切る平面Ｐｒとを示す図である。この図において、ＰｌとＰｒとの交線と仮想音源Ｙとを含む平面Ｐｈを想定し、
ah1 : ＰｌとＰｈの間の角度
ah2 : ＰｒとＰｈの間の角度
を求める。
このレベル比算出処理において、av1 は受音点Ｕから見た仮想音源Ｙの方向とスピーカＳ１，Ｓ２の方向との縦方向の角度成分とされる。av2 は受音点Ｕから見た仮想音源Ｙの方向とスピーカＳ３，Ｓ４の方向との縦方向の角度成分とされる。ah1 は受音点Ｕから見た仮想音源Ｙの方向とスピーカＳ１，Ｓ３の方向との横方向の角度成分とされる。ah2 は受音点Ｕから見た仮想音源Ｙの方向とスピーカＳ２，Ｓ４の方向との横方向の角度成分とされる。このようにして求めた角度成分に基づいて各スピーカＳ１〜Ｓ４に分配する信号のレベル比であるレベル係数SS1〜SS4を求める。
SS1 = cos( (av1 / (av1 + av2)) * 90 ) * cos( (ah1 / (ah1 + ah2)) * 90 )
SS2 = cos( (av1 / (av1 + av2)) * 90 ) * cos( (ah2 / (ah1 + ah2)) * 90 )
SS3 = cos( (av2 / (av1 + av2)) * 90 ) * cos( (ah1 / (ah1 + ah2)) * 90 )
SS4 = cos( (av2 / (av1 + av2)) * 90 ) * cos( (ah2 / (ah1 + ah2)) * 90 )
入力されたオーディオ信号にこれらのレベル係数SS1〜SS4を乗じたものを各スピーカＳ１〜Ｓ４に供給することにより、仮想音源定位情報で指示される方向に仮想音源を定位させることができる。仮想音源の受音点Ｕからの距離感は、後段の遅延部１６やアンプ１７によって制御される。
ここで、レベル係数SS1〜SS4を全て２乗して加算した値は常に１であるため、入力されたオーディオ信号のパワーが保存され、仮想音源の定位方向によって音量が大きくなったり小さくなったりすることがない。
ここで、これらの算出式は、ａｖ１＋ａｖ２およびａｈ１＋ａｈ２をともに９０度に正規化して、信号レベルを分配する式である。すなわち、「ａｖ１／（ａｖ１＋ａｖ２）＊９０」の演算により、ａｖ１とａｖ２の角度比を保存しつつａｖ１＋ａｖ２が９０度であった場合のｃｏｓ値を求めている。これは、ａｖ１＋ａｖ２、ａｈ１＋ａｈ２が９０度以外であった場合にオーディオ信号の全体パワーを保存しつつ分配する演算が複雑であるため、若干の誤差を生じるが、９０度に正規化して計算を容易にしている。
≪方法２≫
この方法は、上側のスピーカＦＬｈ，ＦＲｈ，ＢＬｈ，ＢＲｈが同一平面にあり、下側のスピーカＦＬｌ，ＦＲｌ，ＢＬｌ，ＢＲｌが同一平面にあり、かつ、これら２つの平面が平行な場合に適用可能なレベル比算出方法である。なお、８個のスピーカの配置が正確にこれらの条件を満たしていなくても近い配置である場合には、各スピーカの配置を上の条件を満たすように近似してこの方法を適用することができる。
この方法では、受音点Ｕから仮想音源Ｙを結ぶ方向線ｙの向きによって算出手順が異なる。このため、第１の方式と同様に２つのスピーカと受音点を含み、それぞれのスピーカと受音点を結んだ直線を境界線とする以下の８個の平面を想定する。
平面ｐ１： ＦＬｈ，ＦＲｈ，Ｕ（受音点）
平面ｐ２： ＦＲｈ，ＢＲｈ，Ｕ
平面ｐ３： ＢＲｈ，ＢＬｈ，Ｕ
平面ｐ４： ＢＬｈ，ＦＬｈ，Ｕ
平面ｐ５： ＦＬｌ，ＦＲｌ，Ｕ
平面ｐ６： ＦＲｌ，ＢＲｌ，Ｕ
平面ｐ７： ＢＲｌ，ＢＬｌ，Ｕ
平面ｐ８： ＢＬｌ，ＦＬｌ，Ｕ
そして、これら８個平面で区切られる上向きと下向きの方向領域を設定する。
平面ｐ１、平面ｐ２、平面ｐ３および平面ｐ４で囲まれる方向領域「上」
平面ｐ５、平面ｐ６、平面ｐ７および平面ｐ８で囲まれる方向領域「下」
受音点Ｕから仮想音源Ｙを結ぶ方向線ｙが以下のどの条件に該当するかに応じて、レベル比（レベル係数）を選択する。
条件１：方向線ｙが方向領域「上」に含まれる場合
条件２：方向線ｙが方向領域「下」に含まれる場合
条件２：方向線ｙが条件１、２で指定される領域に含まれない場合
≪条件１に該当する場合≫
図５（Ａ）は条件１に該当する場合のレベル比算出の方法を説明する図である。選択されたスピーカを下図のようにＳ１〜Ｓ４と呼ぶ。すなわち、方向領域「上」が選択された場合には、スピーカＦＲｈがＳ１、スピーカＦＬｈがＳ２、スピーカＢＲｈがＳ３、スピーカＢＬｈがＳ４となる。
前記方向線ｙを含み平面ｐｕ（ＦＬｈ−ＦＲｈ−ＢＬｈ−ＢＲｈ）に垂直な面を想定し、この垂直平面と平面ｐｕの辺ＦＬｈ−ＦＲｈ−ＢＬｈ−ＢＲｈとの交点Ｑ１，Ｑ２を求める。すなわち、
Ｑ１：受音点Ｕから見て仮想音源Ｙ側の交点
Ｑ２：受音点Ｕから見て仮想音源Ｙと反対側の交点
以上のようにして求めた交点Ｑ１，Ｑ２、およびスピーカＳ１〜Ｓ４、受音点Ｕ、仮想音源Ｙ、および、受音点Ｕと仮想音源Ｙを結ぶ方向線ｙに基づき、図６に図示するような以下の角度を求める。
av1 : Ｓ２，Ｓ４，Ｕを含む平面と方向線ｙを含む垂直面の交線と、方向線ｙとの角度
av2 : Ｓ１，Ｓ３，Ｕを含む平面と方向線ｙを含む垂直面の交線と、方向線ｙとの角度
ah1 : Ｓ４とＵとを結んだ直線と、Ｑ１とＵとを結んだ直線との角度
ah2 : Ｓ２とＵとを結んだ直線と、Ｑ１とＵとを結んだ直線との角度
ai1 : Ｓ１とＵとを結んだ直線と、Ｑ２とＵとを結んだ直線との角度
ai2 : Ｓ３とＵとを結んだ直線と、Ｑ２とＵとを結んだ直線との角度
これらの角度を受音Ｕから見た仮想音源Ｙと各スピーカとの角度成分として、以下の算出式でレベル係数SS1〜SS4を求める。
SS1 = cos( (av2 / (av1 + av2)) * 90 ) * cos( (ai1 / (ai1 + ai2)) * 90 )
SS2 = cos( (av1 / (av1 + av2)) * 90 ) * cos( (ah2 / (ah1 + ah2)) * 90 )
SS3 = cos( (av2 / (av1 + av2)) * 90 ) * cos( (ai2 / (ai1 + ai2)) * 90 )
SS4 = cos( (av1 / (av1 + av2)) * 90 ) * cos( (ah1 / (ah1 + ah2)) * 90 )
入力されたオーディオ信号にこれらのレベル係数SS1〜SS4を乗じたものを各スピーカＳ１〜Ｓ４に供給することにより、仮想音源定位情報で指示される方向に仮想音源を定位させることができる。仮想音源の受音点Ｕからの距離感は、後段の遅延部１６やアンプ１７によって制御される。
また、方法１の場合と同様に、レベル係数SS1〜SS4を全て２乗して加算した値は常に１であるため、入力されたオーディオ信号のパワーが保存され、仮想音源の定位方向によって音量が大きくなったり小さくなったりすることがない。
なお、これらの算出式は、ａｖ１＋ａｖ２およびａｈ１＋ａｈ２をともに９０度に正規化して、信号レベルを分配する式である。すなわち、「ａｖ１／（ａｖ１＋ａｖ２）＊９０」の演算により、ａｖ１とａｖ２の角度比を保存しつつａｖ１＋ａｖ２が９０度であった場合のｃｏｓ値を求めている。これは、ａｖ１＋ａｖ２、ａｈ１＋ａｈ２が９０度以外であった場合にオーディオ信号の全体パワーを保存しつつ分配する演算が複雑であるため、若干の誤差を生じるが、９０度に正規化して計算を容易にしている。
≪例外処理≫
通常は、上の算出方式でレベル比を求めることができるが、図５（Ｂ）に示すように、Ｓ１〜Ｓ４を結んだ四角形がゆがんでいる場合や受音点Ｕが四角形の中心部にない場合に、Ｑ１，Ｑ２が対辺に現れず、隣り合った辺に現れる場合が生じる。このような場合には、選択した４つのスピーカのうち、１つ（同図ではＳ１）を放棄し、Ｓ２〜Ｓ４の３つのスピーカを用いてオーディオ信号を出力する。
この場合のＳ２〜Ｓ４のレベル係数は以下のように算出する。
av1 : Ｓ２，Ｓ４，Ｕを含む平面と方向線ｙを含む垂直面の交線と、方向線ｙとの角度
av2 : Ｓ４，Ｓ３，Ｕを含む平面と方向線ｙを含む垂直面の交線と、方向線ｙとの角度
ah1 : Ｓ４とＵとを結んだ直線と、Ｑ１とＵとを結んだ直線との角度
ah2 : Ｓ２とＵとを結んだ直線と、Ｑ１とＵとを結んだ直線との角度
ai1 : Ｓ３とＵとを結んだ直線と、Ｑ２とＵとを結んだ直線との角度
ai2 : Ｓ４とＵとを結んだ直線と、Ｑ２とＵとを結んだ直線との角度
これらの角度を受音Ｕから見た仮想音源Ｙと各スピーカとの角度成分として、以下の算出式でレベル係数SS1〜SS4を求める。
SS1 = 0
SS2 = cos( (av1 / (av1 + av2)) * 90 ) * cos( (ah2 / (ah1 + ah2)) * 90 )
SS3 = cos( (av2 / (av1 + av2)) * 90 ) * cos( (ai1 / (ai1 + ai2)) * 90 )
SS4b = cos( (av2 / (av1 + av2)) * 90 ) * cos( (ai2 / (ai1 + ai2)) * 90 )
SS4a = cos( (av1 / (av1 + av2)) * 90 ) * cos( (ah1 / (ah1 + ah2)) * 90 )
SS4 = √( S4a * S4a + S4b * S4b )
入力されたオーディオ信号にこれらのレベル係数SS1〜SS4を乗じたものを各スピーカＳ１〜Ｓ４に供給することにより、仮想音源定位情報で指示される方向に仮想音源を定位させることができる。仮想音源の受音点Ｕからの距離感は、後段の遅延部１６やアンプ１７によって制御される。
また、方法１の場合と同様に、レベル係数SS1〜SS4を全て２乗して加算した値は常に１であるため、入力されたオーディオ信号のパワーが保存され、仮想音源の定位方向によって音量が大きくなったり小さくなったりすることがない。
≪条件２に該当する場合≫
条件に該当する場合は、方向領域「下」について条件１と同様の処理を行えばよい。すなわち、スピーカＦＬｌ，ＦＲｌ，ＢＬｌ，ＢＲｌをＳ１〜Ｓ４として条件１の場合と同様の処理を行う。
≪条件３に該当する場合≫
方向線ｙが属する方向領域が「上」または「下」以外の方向であった場合には、以下の方式でレベル比を決定する。
図７を参照してこの方式について説明する。
まず、仮想音源Ｙと受音点Ｕを含み、上下の平面ｐｕ，ｐｄに垂直な面Ｐｖを想定する。そして、上で想定した平面ｐ１〜ｐ４のうち、この平面Ｐｖと交わるものを検索する。検索された平面をＰｆとする。また、上で想定した平面ｐ５〜ｐ８のうち、平面Ｐｖと交わるものを検索する。検索された平面をＰｂとする。
そして、Ｓ１とＳ２を結んだ直線と平面Ｐｖとの交点をＱ１とし、Ｓ３とＳ４を結んだ直線と平面Ｐｖとの交点をＱ２とする。
このようにして求められた各点に基づき、以下のような角度を求める。
av1 : Ｑ１と受音点Ｕを結んだ直線と、仮想音源Ｙと受音点Ｕを結んだ直線の角度
av2 : Ｑ２と受音点Ｕを結んだ直線と、仮想音源Ｙと受音点Ｕを結んだ直線の角度
ah1 : Ｓ１と受音点Ｕを結んだ直線と、Ｑ１と受音点Ｕを結んだ直線の角度
ah2 : Ｓ２と受音点Ｕを結んだ直線と、Ｑ１と受音点Ｕを結んだ直線の角度
al1 : Ｓ３と受音点Ｕを結んだ直線と、Ｑ２と受音点Ｕを結んだ直線の角度
al2 : Ｓ４と受音点Ｕを結んだ直線と、Ｑ２と受音点Ｕを結んだ直線の角度
これらの角度を受音Ｕから見た仮想音源Ｙと各スピーカとの角度成分として、以下の算出式でレベル係数SS1〜SS4を求める。
SS1 = cos( (av1 / (av1 + av2)) * 90 ) * cos( (ah1 / (ah1 + ah2)) * 90 )
SS2 = cos( (av1 / (av1 + av2)) * 90 ) * cos( (ah2 / (ah1 + ah2)) * 90 )
SS3 = cos( (av2 / (av1 + av2)) * 90 ) * cos( (al1 / (al1 + al2)) * 90 )
SS4 = cos( (av2 / (av1 + av2)) * 90 ) * cos( (al2 / (al1 + al2)) * 90 )
入力されたオーディオ信号にこれらのレベル係数SS1〜SS4を乗じたものを各スピーカＳ１〜Ｓ４に供給することにより、仮想音源定位情報で指示される方向に仮想音源を定位させることができる。仮想音源の受音点Ｕからの距離感は、後段の遅延部１６やアンプ１７によって制御される。
また、方法１の場合と同様に、レベル係数SS1〜SS4を全て２乗して加算した値は常に１であるため、入力されたオーディオ信号のパワーが保存され、仮想音源の定位方向によって音量が大きくなったり小さくなったりすることがない。
なお、これらの算出式は、ａｖ１＋ａｖ２およびａｈ１＋ａｈ２をともに９０度に正規化して、信号レベルを分配する式である。すなわち、「ａｖ１／（ａｖ１＋ａｖ２）＊９０」の演算により、ａｖ１とａｖ２の角度比を保存しつつａｖ１＋ａｖ２が９０度であった場合のｃｏｓ値を求めている。これは、ａｖ１＋ａｖ２、ａｈ１＋ａｈ２が９０度以外であった場合にオーディオ信号の全体パワーを保存しつつ分配する演算が複雑であるため、若干の誤差を生じるが、９０度に正規化して計算を容易にしている。
≪その他≫
上記方法２は、上に設置された４つのスピーカと下に設置された４つのスピーカが同一平面上にある場合について説明したが、これ以外の方向にあるスピーカが同一平面上にある場合でも方法２を適用することができる。たとえば、前に設置された４つのスピーカと後に設置された４つのスピーカがそれぞれ同一平面上にある場合、左に設置された４つのスピーカと右に設置された４つのスピーカがそれぞれ同一平面上にある場合である。
上の説明では、１つの仮想音源に対するレベル係数の算出処理を説明したが、図２に示したオーディオ装置は、オーディオソース入力部１１が複数の仮想音源からなるオーディオソースを定位制御部１２に入力し、定位制御部１１および以下の処理部は、並列にこれらの仮想音源の定位処理を実行する。すなわち、上で説明した方法１または２を用いて、音場を構成する全ての仮想音源の定位を制御してを再生処理を行う。
ここで、方法１は音像定位のための計算がどの方向でも共通になるが、振り分け先のスピーカを決定する処理、平面Ｐｖ，Ｐｈを決定するための演算等がやや複雑となる。方法２は振り分け先のスピーカの決定を含む演算処理が比較的簡単であるが、仮想音源の向きによって計算が場合分けされ、また、スピーカ配置に制約がある。これらの特徴を踏まえて、方法１、方法２を適宜使い分ければよい。
なお、上記実施形態では、スピーカを８本設置した場合について説明したが、本発明の方式はスピーカを６本設置した場合にも適用可能である。６本のスピーカでオーディオシステムを構成する場合、図１に示した８本のスピーカの配置例からいずれかのＬ，Ｒペアを削除した構成とする。一般的なオーディオシステム（ＡＶシステム）の場合、フロントには上下４本のスピーカがあったほうがよいため、図８（Ａ）に示すような、ＢＬｈ，ＢＲｈを取り除いた構成、または、同図（Ｂ）に示すような、ＢＬｌ，ＢＲｌを取り除いた構成が考えられる。
このように配置されたスピーカで仮想音源を定位させるためのレベル比を求めた場合、４つのスピーカのためのレベル係数が算出されたが、スピーカが３つしか存在しない場合が出てくる。このような場合には、２つのレベル係数を１つのスピーカに重複して適用し、このスピーカに対しては、この２つのレベル係数を二乗平均したレベルのオーディオ信号を出力するようにすればよい。
方法１では、スピーカＢＲｈ，ＢＲｌの設置位置およびスピーカＢＬｈ，ＢＬｌの設置位置を、実際にスピーカが設置されている方の同一座標とし、平面ｐ１１は平面ｐ１０との交線が辺ＦＲｈ−ＦＲｌと並行、平面ｐ１２は平面ｐ９との交線が辺ＦＬｈ−ＦＬｌと並行になるように想定すればよい。
方法２では、スピーカＢＲｈ，ＢＲｌが同一垂直面上に配置され、スピーカＢＬｈ，ＢＬｌが同一垂直面上に配置されると想定すればよい。
なお、この場合、仮想音源は仮想音源位置情報どおりに正確に定位されず、近似的な位置に定位される。
この発明の実施形態であるオーディオシステムのスピーカのレイアウトの例を示す図 この発明の実施形態であるオーディオシステムのオーディオ装置の概略ブロック図 前記スピーカのレイアウトを線図化して方向領域を説明する図 レベル比算出方法１で各スピーカのレベル比を算出するための各種の角度を示す図 レベル比算出方法２を説明する図 レベル比算出方法２でレベル比を算出するための各種の角度を示す図 レベル比算出方法２でレベル比を算出するための各種の角度を示す図 ６個のスピーカのレイアウト例を示す図
符号の説明
Ｕ 受音点
Ｙ 仮想音源
Ｓ１〜Ｓ４ 選択されたスピーカ
ｙ 受音点から仮想音源へ向かう方向線
１１ オーディオソース入力部
１２ 定位演算部
１３ 記憶部
１５ パラメータ演算部
１６ 遅延部
１７ アンプ

Claims (4)

  1. 三次元空間に配置された複数のスピーカの位置情報および前記複数のスピーカから放音される音声の受音点の位置情報を記憶する記憶部と、
    音声信号と、この音声信号が定位されるべき位置である仮想音源の位置情報と、を入力する入力部と、
    前記音声信号を前記仮想音源の位置に定位させる定位制御部と、
    を備えた音場制御装置であって、
    前記音場制御装置は、
    前記複数のスピーカの位置を頂点とする仮想的な略多面体状の立体を設定し、
    前記受音点から前記仮想音源へ向けた方向線が通過する前記略多面体状の立体の面を選択し、
    この選択された面の頂点に配置されているスピーカを前記音声信号を出力するスピーカとして選択し、
    前記方向線と、前記受音点から前記選択された面の各頂点へ向かう各直線との各角度の比に基づいて、前記各頂点に配置されている各スピーカに供給される前記音声信号のレベル比を決定する
    音場制御装置。
  2. 前記記憶部は、前記スピーカの位置情報として、略直方体形状の立体の各頂点に配置された８個のスピーカの位置情報を記憶し、
    前記定位制御部は、
    前記選択された面である四角形Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の１辺Ｓ１−Ｓ２と受音点で決定される第１の平面と、前記１辺の対辺Ｓ３−Ｓ４と受音点で決定される第２の平面とを想定するとともに、
    この第１，第２の平面の交線と前記仮想音源位置で決定される第３の平面を想定し、
    これら第１の平面と第３の平面との角度を前記頂点Ｓ１，Ｓ２に対する前記方向線の第１の分解角度とし、また、前記第２の平面と第３の平面との角度を前記頂点Ｓ３，Ｓ４に対する前記方向線の第１の分解角度とし、
    さらに、
    前記四角形Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の１辺Ｓ２−Ｓ３と受音点で決定される第４の平面と、前記１辺の対辺Ｓ４−Ｓ１と受音点で決定される第５の平面とを想定するとともに、
    この第４，第５の平面の交線と前記仮想音源位置で決定される第６の平面を想定し、
    これら第４の平面と第６の平面との角度を前記頂点Ｓ２，Ｓ３に対する前記方向線の第２の分解角度とし、また、前記第５の平面と第６の平面との角度を前記頂点Ｓ４，Ｓ１に対する前記方向線の第２の分解角度とし、
    各頂点Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４についての、前記第１の分解角度のＣＯＳ値と前記第２の分解角度のＣＯＳ値とを乗算した値を、前記受音点と各頂点とを結んだ直線と前記方向線との角度比とする
    請求項１に記載の音場制御装置。
  3. 受音点の前方上部左右に設置されたスピーカＦＬｈ，ＦＲｈ、受音点の前方下部左右に設置されたスピーカＦＬｌ，ＦＲｌ、受音点の後方上部左右に設置されたスピーカＢＬｈ，ＢＲｈ、受音点の後方下部左右に設置されたスピーカＢＬｌ，ＢＲｌのそれぞれの位置情報、および、前記受音点の位置情報を記憶する記憶部と、
    音声信号およびこの音声信号が定位されるべき位置である仮想音源の位置情報が入力される入力部と、
    前記音声信号を前記仮想音源の位置に定位させる定位制御部と、
    を備えた音場制御装置であって、
    前記音場制御装置は、
    前記受音点と前記スピーカＦＬｈ，ＦＲｈで決定される平面ｐ１、前記受音点と前記スピーカＦＲｈ，ＢＲｈで決定される平面ｐ２、前記受音点と前記スピーカＢＲｈ，ＢＬｈで決定される平面ｐ３、および、前記受音点と前記スピーカＢＬｈ，ＦＬｈで決定される平面ｐ４で囲まれる方向領域「上」、
    前記受音点と前記スピーカＦＬｌ，ＦＲｌで決定される平面ｐ５、前記受音点と前記スピーカＦＲｌ，ＢＲｌで決定される平面ｐ６、前記受音点と前記スピーカＢＲｌ，ＢＬｌで決定される平面ｐ７、および、前記受音点と前記スピーカＢＬｌ，ＦＬｌで決定される平面ｐ８で囲まれる方向領域「下」、
    前記受音点と前記スピーカＦＬｈ，ＦＬｌで決定される平面ｐ９、前記平面ｐ１、前記受音点と前記スピーカＦＲｈ，ＦＲｌで決定される平面ｐ１０、および、前記平面ｐ５で囲まれる方向領域「前」、
    前記受音点と前記スピーカＢＲｈ，ＢＲｌで決定される平面ｐ１１、前記平面ｐ７、前記受音点と前記スピーカＢＬｈ，ＢＬｌで決定される平面ｐ１２、および、前記平面ｐ３で囲まれる方向領域 「後」、
    前記平面ｐ４、前記平面ｐ９、前記平面ｐ８、および、前記平面ｐ１２で囲まれる方向領域「左」、
    前記平面ｐ２、前記平面ｐ１０、前記平面ｐ６、および、前記平面ｐ１１で囲まれる方向領域「右」、
    を仮想的に設定し、
    前記受音点から前記仮想音源へ向けた方向線が通過する前記方向領域を選択し、
    この選択された方向領域を囲む複数の平面の頂点になっているスピーカを前記音声信号を出力するスピーカとして選択し、
    前記受音点と前記選択された各スピーカとを結んだ直線と前記方向線との角度の比に基づいて、前記各スピーカに供給される前記音声信号のレベル比を決定する
    音場制御装置。
  4. 前記定位制御部は、
    前記選択された方向領域を囲む複数の平面の頂点になっている４つのスピーカ（以下、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４と呼ぶ）のうち２つのスピーカＳ１，Ｓ２と前記受音点で決定される第１の平面と、他の２つのスピーカＳ３，Ｓ４と前記受音点で決定される第２の平面とを想定するとともに、
    この第１，第２の平面の交線と前記仮想音源位置で決定される第３の平面を想定し、
    これら第１の平面と第３の平面との角度を前記頂点Ｓ１，Ｓ２に対する前記方向線の第１の分解角度とし、また、前記第２の平面と第３の平面との角度を前記頂点Ｓ３，Ｓ４に対する前記方向線の第１の分解角度とし、
    さらに、
    前記４つのスピーカのうち２つのスピーカＳ２，Ｓ３と前記受音点で決定される第４の平面と、他の２つのスピーカＳ４，Ｓ１と前記受音点で決定される第５の平面とを想定するとともに、
    この第４，第５の平面の交線と前記仮想音源位置で決定される第６の平面を想定し、
    これら第４の平面と第６の平面との角度を前記頂点Ｓ２，Ｓ３に対する前記方向線の第２の分解角度とし、また、前記第５の平面と第６の平面との角度を前記頂点Ｓ４，Ｓ１に対する前記方向線の第２の分解角度とし、
    各頂点Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４についての、前記第１の分解角度のＣＯＳ値と前記第２の分解角度のＣＯＳ値とを乗算した値を、前記受音点と各頂点とを結んだ直線と前記方向線との角度比とする
    請求項３に記載の音場制御装置。
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