JP2010504717A - 高次角度項による信号を抽出することでマルチチャンネルオーディオ再生システムの空間分解能を改善したサウンドフィールド - Google Patents

Abstract

空間分解能を改善したサウンドフィールドを表現するオーディオ信号を、高次の角度項を持つサウンドフィールドを表現する信号を導き出すことで取得する。これは、ゼロ次と１次の角度項を持つサウンドフィールドを表現する入力オーディオ信号を分析し、サウンドフィールドにおける音響エネルギーの１以上の角度方向の統計的特性を導き出すことにより実行する。処理された信号は、入力オーディオ信号がこの統計的特性に従って重み付けされる入力オーディオ信号の重み付けされた結合から導き出される。この入力オーディオ信号と処理された信号は、１次以上の次数の２いじょうの角度項を持つ角度方向の関数としてサウンドフィールドを表現する。

Description

本発明一般にオーディオに関し、さらに詳細には、マルチチャンネルオーディオ再生システムにより再生される低空間分解能のオーディオ信号の知覚できる空間分解能を改善するために用いることのできる装置及び技術に関する。

マルチチャンネルオーディオ再生システムは、リスナーを取り巻く複数のラウドスピーカの能力を活用することにより、音楽演奏やスポーツイベントのような音響イベントの聴覚を正確に再現する能力を提供する。この再生システムは、サウンドがくる見かけ上の方向の感覚のみならず、そのような音響事象に伴い発生することが予想される反響をも再現する多次元サウンドフィールドも生成する。

スポーツイベントにおいて、例えば、観客は一般に、競技場の選手達からの方向性を持ったサウンドはそのサウンドを包み込む他の観客からのサウンドを伴っていることを期待するであろう。イベントでのこのような聴覚的感覚を正確に再現するためにはこのようなサウンドを包み込むサウンドが不可欠である。同様に、室内のコンサートにおける聴覚的感覚は、コンサートホールの反響効果を再現することなしに再現することはできない。

再生システムで再現された聴覚的感覚の真実度は、再生された信号の空間分解能により影響される。一般に空間分解能が上がるにつれて、再生の精度が上がる。消費者及び商業的なオーディオ再生システムでは、しばしば多数のラウドスピーカを用いるが、残念ながら、それで再生するオーディオ信号は比較的低い空間分解能をもっていることがある。多くの放送された、或いは記憶されたオーディオ信号は、要求されるものより低い空間分解能を有する。その結果、再生システムにより達成することのできる真実度は、再生するオーディオ信号の空間分解能により制限されてしまうことがある。必要とされるのは、オーディオ信号の空間分解能を上げる方法である。

本願発明の目的は、多次元サウンドフィールドを表現するオーディオ信号の空間分解能を上げることである。

この目的は、本明細書に記載された発明により達成される。本発明の１つの特徴によれば、サウンドフィールド中の音響エネルギーの１以上の角度方向における統計的特性が、ゼロ次角度項及び１次角度項による角度方向の関数としての、サウンドフィールドを表現する３以上の入力オーディオ信号を分析することにより導き出される。２以上の処理された信号が３以上の入力信号の重み付けされた結合から導き出される。３以上のオーディオ信号は前記統計的特性に従い重み付けされて結合される。２以上の処理された信号は、１次以上の次数の２以上の角度項による角度方向の関数としての、サウンドフィールドを表現する。３以上の入力オーディオ信号及び２以上の処理された信号は、ゼロ次及び１次以上の次数の角度項による角度方向の関数としての、サウンドフィールドを表現する。

本願発明の種々の特徴及び好ましい実施の形態は、以下の説明及び類似の参照番号は類似する要素を表す以下の図面を参照することによりよく理解されるであろう。以下の説明及び図面の内容は、例示であって、本願発明の技術的範囲を限定するためのものではない。

マイクロフォンシステムにより捕捉され、続いて、再生システム再生される音響事象の概略図である。 リスナーとサウンドの見かけ方位角を示す。 方向に対する聴覚的感覚を生じさせるためにラウドスピーカに信号を配信する典型的な再生システム部分を示す。 仮想的な再生システムにおける２個の隣り合うらウドスピーカのチャンネルに対するゲインをグラフで示したものである。 １次の信号から結果的に得られた空間分解能における方向を示すゲイン関数をグラフで示したものである。 ３次の信号を含むゲイン関数をグラフで示したものである。 仮想的な典型的再生システムの概略図である。 仮想的な典型的再生システムの概略図である。 仮想的な典型的再生システムの概略図である。 仮想的な典型的再生システムの概略図である。 ３チャンネル（Ｗ，Ｘ，Ｙ）Ｂフォーマット信号から高次の項を導き出す方法の概略ブロック図である。 ３チャンネル（Ｗ，Ｘ，Ｙ）Ｂフォーマット信号から高次の項を導き出す方法の概略ブロック図である。 ３チャンネルＢフォーマット信号から統計的特性を導き出すために用いることができる回路の概略ブロック図である。 ３チャンネルＢフォーマット信号から統計的特性を導き出すために用いることができる回路の概略ブロック図である。 ３チャンネルＢフォーマット信号から統計的特性を導き出すために用いることができる回路の概略ブロック図である。 ３チャンネルＢフォーマット信号の統計的特性から２次及び３次信号を生成するために用いることのできる回路の概略ブロック図を示す。 本発明の種々の特徴を組み込んだマイクロフォンシステムの概略ブロック図である。 代替的な、マイクロフォンシステムにおける変換器の概略ブロック図である。 代替的な、マイクロフォンシステムにおける変換器の概略ブロック図である。 再生システムにおけるラウドスピーカチャンネルの仮想的なゲイン関数をグラフで示したものである。 本発明の種々の特徴を実施するために用いることのできる装置の概略ブロック図である。

Ａ．序
図１は、マイクロフォンシステム１５により捕捉された、本発明の特徴を組み込んだ音響事象１０とデコーダ１７を概念的に示すものである。デコーダ１７は、受け取った信号を処理し、機能強化した空間分解能をもつ処理済み信号を生成する。処理済み信号は、その音響事象を体験することのできる聴覚的感覚の正確に再現するために、１人以上のリスナーの近くに配置した、配列を形成するラウドスピーカシステムにより再生される。マイクロフォンシステム１５は、直接的なサウンド波形１３と、部屋又はコンサートホールのような音響環境における１以上の壁面から反射して来た、その後到達する間接的なサウンド波形１４との両方を捕捉する。

１つの実施の形態において、マイクロフォンシステム１５は、Ｂフォーマットとして知られるアンビソニック４チャンネル信号フォーマット（Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ）に適合するオーディオ信号を提供する。英国、Ｗａｋｅｆｉｅｌｄ、ＳｏｕｎｄＦｉｅｌｄ Ｌｔｄ．のＳＰＳ４２２Ｂマイクロフォンシステム及びＭＫＶマイクロフォンシステムがこれに用いることのできる２つの例である。ＳｏｕｎｄＦｉｅｌｄのマイクロフォンシステムを用いた実施の形態の詳細を以下に説明する。必要に応じて、本発明の範囲から逸脱することなく、他のマイクロフォンシステム及び信号フォーマットを用いることができる。

４チャンネル（Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ）Ｂフォーマット信号を、４つの同時的な音響変換器の配列により取得することができる。概念的には、１つの変換器は全方位となり、３個の変換器は、互いに直行する、指向性のある双極子パターンを有する。多くのＢフォーマットマイクロフォンシステムは４つの変換器の出力に応答して４チャンネルのＢフォーマット信号を生成する、四面体配置の４つの方向を持つ音響変換器と信号プロセッサとで構成される。Ｗチャンネル信号は全方位サウンド波形を表し、Ｘ，Ｙ，Ｚチャンネルは、一般に１次の角度項θを持つ角度方向の関数として表示される３つの互いに直行する方向のサウンド波形を表す。Ｘ軸は、リスナーに対して後ろから前に水平方向に配置され、Ｙ軸は、リスナーに対して右から左に水平方向に配置され、Ｚ軸は、リスナーに対して垂直に上向きに配置される。Ｘ軸とＹ軸は図２に示されている。図２には、ベクトル（ｘ，ｙ）で表すことのできる、サウンドの見かけの方向角も示されている。ベクトルに単位長を持たせることにより、以下のように表される。

４チャンネルＢフォーマット信号は、サウンドフィールドについての４次元情報に変換することができる。サウンドフィールドについて、２次元の情報のみを必要とするアプリケーションでは、Ｚチャンネルを除いた３チャンネル（Ｗ，Ｘ，Ｙ）Ｂフォーマット信号を用いることができる。本発明の種々の特徴は、２次元再生システム及び３次元再生システムに用いることができるが、以下の説明では特に、２次元のアプリケーションについてさらに説明する。

Ｂ．信号パンニング
図３は、リスナー１２の周りに８個のラウドスピーカを置いた典型的な再生システムの部分を示している。図は、見かけ上の方向がそれぞれＰ’とＱ’である２つのサウンドを表す２つの入力信号ＰとＱに応答して、システムがサウンドフィールドを生成している状態を示している。パンナー部分３３は、入力信号ＰとＱとを処理して、方向を持った聴覚的感覚を再現させるために、ラウドスピーカチャンネルに処理した信号を分配し或いはパンさせる。パンナー部分３３は、多数の処理に用いることができる。用いることができる１つの処理は、ニアレストスピーカアンプリチュードパン（Ｎｅａｒｅｓｔ Ｓｐｅａｋｅｒ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｐａｎ（ＮＳＡＰ））として知られる処理に用いることができる。

ＮＳＡＰ処理では、リスナー又はリスニング領域に対する見かけ上のサウンドの方向及びラウドスピーカの位置に応じて、各ラウドスピーカのチャンネルのゲインを適合させてラウドスピーカチャンネルに信号を分配する。２次元システムでは、例えば、信号Ｐのゲインは、この信号が表すサウンドの見かけ上の方向の方位角θＰと、見かけ上の方向θＰの両側に位置するそれぞれ２つのラウドスピーカＳＦ及びＳＥの方位角θＦ及びθＥと、の関数から得られる。１つの実施の形態において、これらの直近２個のラウドスピーカへのチャンネル以外のすべてのラウドスピーカチャンネルのゲインはゼロにセットされ、直近２個のラウドスピーカへのチャンネルのゲインは以下の式で計算される。

同様の計算が他の信号のゲインを取得するために用いられる。信号Ｑは、この信号により表現されるサウンドの見かけ上の方向θＱが１つのラウドスピーカＳＣにより位置決めされる特別な場合である。ラウドスピーカＳＢ又はＳＤのどちらかを、ラウドスピーカに２番目に近いものとして選択することができる。式（１ａ）及び式（１ｂ）からわかるように、ラウドスピーカＳＣのチャンネルのゲインは１に等しく、他のすべてのラウドスピーカチャンネルのゲインはゼロである。

ラウドスピーカチャンネルのゲインは、方位角の関数としてプロットすることができる。図４で示したグラフは、ラウドスピーカＳＥとＳＦがお互いに別々で、直近のスピーカと４５度の角度を隔てている図３で示したシステムにおけるラウドスピーカＳＥとＳＦのチャンネルのゲイン関数を示す。方位角は、図２に示した座標システムの形式で表している。信号Ｐで表されるようなサウンドの見かけ上の方角が１３５度と１８０度との間となるとき、ラウドスピーカＳＥとＳＦのゲインがゼロと１の間となり、システム中の他のすべてのラウドスピーカのゲインがゼロに設定される。

Ｃ．マイクロフォンのゲインパターン
これらのシステムでは、元の音響事象の聴覚的感覚を正確に再現することのできるサウンドフィールドを生成するための離散的な方向のサウンドを表現する信号に、このＮＳＡＰプロセスを適用することができる。残念ながら、マイクロフォンシステムは、離散的な方向で、サウンドを表現する信号を提供することはない。

音響事象１０がマイクロフォンシステム１５で捕捉されるとき、一般に、サウンド波１３，１４は、相異なる多数の方向からマイクロフォンシステムに到達する。上述のＳｏｕｎｄＦｉｅｌｄ社のマイクロフォンシステムは、Ｂフォーマットに準拠する信号を生成する。４チャンネル（Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ）Ｂフォーマット信号を、方向角の関数で表されるサウンドフィールドの３次元特性を伝達するために生成することができる。Ｚチャンネルの信号を無視することで、３チャンネル（Ｗ，Ｘ，Ｙ）Ｂフォーマット信号を、方向角の関数で表されるサウンドフィールドの２次元特性を表現するために取得することができる。必要なのは、離散的方向で表現したサウンドの信号に適用されるＮＳＡＰ処理により実行することのできるものに類似の空間精度で、聴覚的感覚を再現できるように、これらの信号を処理する方法である。これだけの空間精度を達成するための能力は、マイクロフォンシステム１５により提供される信号の空間分解能により妨げられる。

マイクロフォンシステムから得られる信号の空間分解能は、マイクロフォンシステムの方向に対する実際の感度が理想のパターンにどの程度準拠しているかによって決まる一方、理想のパターンは、マイクロフォンシステム内の音響変換器の方向に対する実際の感度のパターンによって決まる。音響変換器の方向に対する実際の感度のパターンは、理想のパターンからかけ離れていることがあるが、信号処理により理想のパターンからの乖離を埋め合わせることができる。また信号処理により、変換器のの出力信号を、Ｂフォーマットのような、要求されるフォーマットに変換することができる。変換器／プロセッサシステムの信号フォーマットを含む効率的な方向に対するパターンは、変換器の方向に対する感度と信号処理との結合結果である。上述したＳｏｕｎｄＦｉｅｌｄ Ｌｔｄ．のマイクロフォンシステムはこのような方法をおこなう例である。効率的な方向に対するパターンをどのように実現するかは重要ではないので、この実施の詳細は、本発明にとって本質的ではない。以下の説明において、「方向に対するパターン」及び「方向性」のようは用語は、サウンドフィールドを捕捉するのに用いる変換器又は変換器／プロセッサシステムの結合の効率的な方向に対する感度をいう。

変換器の感度の２次元的な方向に対するパターンは、方向角の関数であるゲインパターンとして記述することができ、以下の数式のどちらかで表現することのできる形を持つことができる。

ここで、
全方位ゲインパターンに対して、ａ＝０
カージオイド型ゲインパターンに対して、ａ＝０．５
８の字型ゲインパターンに対して、ａ＝１
となる。

これらのパターンは、１次の角度項θの方向角の関数として表され、ここで、１次のゲインパターンと称する。

一般的な実施の形態において、マイクロフォンシステム１５は、サウンドフィールドの２次元又は３次元の情報を伝達する、３チャンネル（Ｗ，Ｘ，Ｙ）Ｂフォーマット信号又は４チャンネル（Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ）Ｂフォーマット信号を提供するために、１次のゲインパターンをもつ３つ又は４つの変換器を用いる。式（４ａ）及び（４ｂ）を参照して、３つのＢフォーマット信号チャンネル（Ｗ，Ｘ，Ｙ）のそれぞれのゲインは以下のように表される。

ここで、Ｗチャンネルは、ａ＝０で示されるような全方位ゼロ次のゲインパターンをもち、Ｘチャンネル及びＹチャンネルは、ａ＝１で示されるような８の字型の１次のゲインパターンをもつ。

Ｄ．再生システム分解能
再生のための配列においてラウドスピーカの数と配置は、再現されたサウンドフィールドの知覚できる空間分解能に影響を与えることがある。ここでは８個の同じ間隔で配置したラウドスピーカを持つシステムについて説明・開示するが、この配置は単なる例示に過ぎない。リスナーを取り巻くサウンドフィールドを再現するために少なくとも３個のラウドスピーカが必要であるが一般には５以上のラウドスピーカがあることが好ましい。再生システムの好ましい実施の形態において、デコーダ１７は各ラウドスピーカに対して、他の出力信号とからできるだけデコリレートした出力信号を出力する。デコリレーションのレベルを高くすることにより、スイートスポットと一般に称される位置の外側にいるリスナーに生じる局在化の問題を避け、広いリスニング範囲で近くされるサウンドの方向が安定する。

本発明に係る再生システムの１つの実施の形態において、デコーダ１７は、１以上のラウドスピーカに伝達される高次の角度項を持つ方向の関数としてのサウンドフィールドを表す処理済みの信号を導き出すために、ゼロ次及び１次の角度項のみを持つ方向の関数としてのサウンドフィールドを表す３チャンネル（Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ）Ｂフォーマット信号を処理する。従来のシステムにおいて、デコーダ１７は、Ｂフォーマットチャンネルのそれぞれからの信号を、ラウドスピーカ位置に基づき選択されたゲイン係数を用いて各ラウドスピーカにそれぞれ処理済みの信号に混合する。残念ながら、このような混合処理は、上述したような一般的なＮＳＡＰ処理に用いるゲイン関数のような高い空間分解能を提供するものではない。例えば、図５に示したグラフは、１次のＢフォーマット信号の線形混合から得られたゲイン関数の空間分解能の劣化を示している。

この空間分解能の劣化の原因は、振幅ＲをもつサウンドＰの正確な方位角θ_Ｐがマイクロフォンシステム１５により測定されていないことで説明することができる。その代わり、マイクロフォンシステム１５は、ゼロ次及び１次の角度項の方向の関数としてサウンドフィールドを表すＷ＝Ｒ，Ｘ＝Ｒ・ｃｏｓθ_Ｐ及びＹ＝Ｒ・ｓｉｎθ_Ｐの３つの信号を記録する。例えばラウドスピーカＳＥのために生成された処理された信号は、Ｗチャンネル信号，Ｘチャンネル信号，及びＹチャンネル信号の線形結合により成り立っている。

混合処理のためのゲイン曲線は、望ましいＮＳＡＰゲイン関数の低次のフーリエ近似としてみることができる。例えば、図４に示したＳＥラウドスピーカチャンネルについてのＮＳＡＰゲイン関数は、フーリエ級数ゲインとして、

のように表すことができるが、標準的なデコーダでは、２次以上の項は省略し、以下のように表現できる。

デコーダ１７についての処理関数の空間分解能は、高次の項を持つ方向の関数としてサウンドフィールドを表現する信号を含めることにより増加させることができる。例えば、３次までの項まで含むＳＥラウドスピーカチャンネルについてのゲイン関数は、以下のように表現できる。

３次の項を含むゲイン関数は、図６に示すように望ましいＮＳＡＰゲイン曲線により近似させることができる。

２次及び３次の角度項は、２次及び３次のサウンドフィールド成分を捕捉するマイクロフォンシステムを用いることにより取得することができるが、これは、２次及び３次の方向に対する感度パターンをもつ音響変換器を必要とする。高次の方向に対する感度をもつ変換器は作ることが非常に難しい。加えて、この方法は、１次の方向に対する感度パターンをもつ変換器を用いて記録した信号を再生するのには何の解決にもならない。

図７Ａ〜図７Ｄに示す概略ブロック図は、異なった形式の入力信号に応答して多次元サウンドフィールを生成するために用いることのできる、相異なる仮想的な再生システムを示す。図７Ａに示した再生システムにより、８個の離散的な入力信号に応答して８個のラウドスピーカが動作する。図７Ｂ及び図７Ｃに示した再生システムにより、入力信号のフォーマットに適したデコーディング処理をおこなうデコーダ１７を用いて、それぞれ、１次及び３次のＢフォーマット入力信号に応答して８個のラウドスピーカが動作する。図７Ｄに示した再生システムには、２次及び３次のゲインパターンをもつ変換器を用いたマイクロフォンシステムから取得することができる信号に近似する処理信号を導き出すためにゼロ次と１次の３チャンネル（Ｗ，Ｘ，Ｙ）Ｂフォーマット信号をデコーダ１７が処理する、本発明の種々の特徴を組み込まれている。以下の説明では、これらの処理信号を導き出すために用いることのできるいろいろな方法を説明する。

Ｅ．高次の項の導出
高次の角度項を導き出すための２つの基本的な方法について以下に記載する。１番目の方法では、広帯域信号についての角度項を導き出す。２番目の方法は、周波数サブ帯域についての角度項を導き出す、１番目の方法を変形したものである。これらの技術は、高次の項の成分を持つ信号を生成するために用いることができる。加えて、これらの技術は、３次元のアプリケーションに対する４チャンネルＢフォーマット信号に適用することができる。

１．広帯域アプローチ
図８は、３チャンネル（Ｗ，Ｘ，Ｙ）Ｂフォーマット信号から高次の項を導き出すための広帯域アプローチの概略ブロック図である。ここで、

のように表される４個の統計的特性は、Ｂフォーマット信号を分析することにより取得されるものであり、これらの特性は、２次及び３次の項の推定値を生成するために用いられ、以下のように表される。

４個の統計的特性を取得する技術では、任意の時刻ｔにおいて、マイクロフォンシステム１５で生じた音響エネルギー事象は、単一の角度方向から到達すると仮定し、これにより、方向角をθ（ｔ）で表すことのできる時間の関数とみなす。その結果、Ｗチャンネル，Ｘチャンネル，及びＹチャンネルは、基本的に以下のような形になるとみなされる。

音響エネルギーの角度方向に対する４個の統計的特性の推定は、以下に示した式（９ａ）〜（９ｄ）から導き出すことができ、ここで、表記Ａν（ｘ）は、信号ｘの平均値を表す。この平均値は、信号特性が著しく変化する期間と比較して短い期間について計算してもよい。

以下に示すように、４つの統計的特性Ｓ_１，Ｃ_１，Ｓ_２，Ｃ_２の推定値を取得するために他の技法を用いることもできる。

上述の４つの信号Ｘ_２，Ｙ_２，Ｘ_３，Ｙ_３は、この４つの統計的特性を重み付けとして用い、以下の三角関数の恒等式を用いて、Ｗチャンネル信号，Ｘチャンネル信号，及びＹチャンネル信号の重み付け結合から生成することができる。

Ｘ_２信号は、以下の重み付け結合のいずれからでも得ることができる。

式（１０ｃ）で計算された値は、最初の２つの表現の平均である。Ｙ_２信号は、以下の重み付け結合のいずれからでも得ることができる。

式（１１ｃ）で計算された値は、最初の２つの表現の平均である。３次の信号は、以下の重み付け結合で得ることができる。

他の重み付け結合は、４つの信号Ｘ_２，Ｙ_２，Ｘ_３，Ｙ_３の計算に用いることができる。上述の式は、使うことのできる計算式の例を示しているだけである。

統計的特性を導き出すために他の技術を用いることができる。例えば、もし処理リゾースが十分あるのならば、以下の式からＣ１を取得することも現実的となる。

この式では、先のＫのサンプルについてＷチャンネル信号，Ｘチャンネル信号，及びＹチャンネル信号を分析することにより、サンプルｎにおけるＣ_１の値を計算する。

Ｃ_１を取得することのできる他の技術は、以下の式に示すように、式（１４ａ）の有限和の代わりに１次の再帰的なフィルターを用いて計算するものである。

平滑フィルターの時定数は係数αにより定まる。この計算では図１０に示したブロック図に示されるような処理がなされる。式（１４ｂ）の表現における分母がゼロになるときに起こるゼロでわり算することによるエラーは、式に示すように分母に小さな値εを加算することにより避けることができる。これにより式は以下のように少し変形される。

ゼロで割り算することによるエラーは、図１１に示したフィードバックループを用いることによっても避けることができる。この技術は先の推定値Ｃ_１（ｎ−１）を用いて以下のエラー関数を計算する。

エラー関数の値がゼロより大きい場合は、先の推定値Ｃ_１が小さすぎ、ｓｉｇｎｕｍ（Ｅｒｒ（ｎ）の値が１となり、調整値がα_１に等しくなることにより推定値が増加する。エラー関数の値がゼロより小さい場合は、先の推定値Ｃ_１が大きすぎ、ｓｉｇｎｕｍ（Ｅｒｒ（ｎ）の値が−１となり、調整値がα_１に等しくなることにより推定値が減少する。エラー関数の値がゼロの場合は、先の推定値Ｃ_１は適切であり、関数ｓｉｇｎｕｍ（Ｅｒｒ（ｎ）はゼロであり、推定値は変化しない。Ｃ_１の粗い推定値は、図１１に示したブロック図の左下部に示した記憶要素すなわち時間遅れ要素で生成され、平滑化したこの推定値は、このブロック図の右下部分のＣ_１で示した出力で生成される。平滑化フィルターの時定数はα_２により定まる。

４つの統計的特性Ｃ_１，Ｓ_１，Ｃ_２，Ｓ_２は、図１２のブロック図に相当する回路及び処理を用いることにより取得することができる。高次の項を持つ信号Ｘ_２，Ｙ_２，Ｘ_３，Ｙ_３は、図１３のブロック図に相当する回路及び処理を用いることにより式（１０ｃ）、（１１ｃ）、及び（１２）によって取得することができる。

Ｗチャンネル入力信号，Ｘチャンネル入力信号，及びＹチャンネル入力信号から４つの統計的特性を導き出すために用いられる処理は、この処理で時間平均技術を用いた場合いくらかの時間遅れを受ける。リアルタイムシステムでは、統計的に導き出すことによる時間遅れを補償するために、図９に示したように入力経路に時間遅れを付加することが好都合となることがある。多くの実施形態における統計的分析に対する一般的な時間遅れ値は１０ｍｓから５０ｍｓの間である。入力信号経路に挿入した時間遅れは、一般に統計的分析による時間遅れに等しいか又はそれより小さい。多くの実施の形態において、信号経路における時間遅れを省略しても、システムの全体的な性能を大きく損なうことはない。

２．マルチバンドアプローチ
上述した技法は、時間に対して変化するが周波数に対して変化しないスカラー値で表現することのできる広帯域統計的特性を導き出すものである。この導出技法は、多数の異なった周波数すなわち異なった周波数サブ帯域に相当する要素を持つベクトルとして表現することのできる周波数帯域に依存する統計的特性に拡張することができる。或いは、周波数帯域に依存する各統計的特性Ｃ_１，Ｓ_１，Ｃ_２，Ｓ_２は、インパルス応答として表現することもできる。

Ｃ_１，Ｓ_１，Ｃ_２，Ｓ_２ベクトルの各要素が周波数に依存するゲイン値として扱われる場合は、Ｘ_２，Ｙ_２，Ｘ_３，及びＹ_３の信号の重み付けした結合は、これらのベクトルにおけるゲイン値に基づく周波数応答を持つＷチャンネル信号，Ｘチャンネル信号，及びＹチャンネル信号に適切なフィルターを適用することにより生成することができる。先の式及び図に示した乗算は、畳込みのようなフィルター処理で置き換えられる。

Ｗチャンネル信号，Ｘチャンネル信号，及びＹチャンネル信号の統計的分析は、周波数又は時間領域において行うことができる。この分析が周波数領域で行われる場合は、周波数領域の係数を生成するためにブロックフーリエ変換等を用いて短時間周波数領域に入力信号を変換することができ、４つの統計的特性を、周波数サブ帯域を定める、各周波数領域の係数又は周波数領域の係数のグループに対して計算することができる。Ｘ_２，Ｙ_２，Ｘ_３，及びＹ_３の信号を生成するために用いられる処理は、係数毎を基準に或いは帯域毎を基準にこの処理に用いることができる。

Ｆ．マイクロフォンシステムにおける実施
上述の技術は、空間精度が改善された出力信号を出すことのできるマイクロフォンシステム１５を形成するための変換器／プロセッサ構成に組み込むことができる。図１４に概略的に示した１つの実施の形態において、マイクロフォンシステム１５は、各変換器が三角形の中心から外側に向かっている正三角形の頂点に配置されている、カージオイド形の方向パターンの感度を持つ同時的又はほぼ同時的な３つの音響変換器Ａ，Ｂ，Ｃにより構成されている。この変換器の方向ゲインパターンは以下のように表すことができる。

ここで変換器ＡはＸ軸に沿って向けられており、変換器ＢはＸ軸から１２０度だけ左後方に向けられており、変換器ＣはＸ軸から１２０度だけ右後方に向けられている。

変換器からの出力信号は、以下のように３チャンネル（Ｗ，Ｘ，Ｙ）１次Ｂフォーマット信号に変換される。

３チャンネルＢフォーマット信号を捕捉するために最小限３個の変換器が必要である。実際には、低価格の変換器を用いるときは、４個の変換器を用いることが望ましい。図１５Ａ及び図１５Ｂに示した概略図は、２つの代替的な構成を示している。３つの変換器配置は、６０度、−６０度、及び１８０度のような異なった方向に変換器が向けられて構成されている。４つの変換器配置は、０度、９０度、−９０度、及び１８０度の方向に変換器が向けられている、「ティー」構成と呼ばれる構成、又は、４５度、−４５度、１３５度、及び−１３５度の方向に変換器が向けられている、「クロス」構成と呼ばれる構成に配置することができる。クロス構成のゲインパターンは以下のようになる。

ここで、添え字ＬＦ，ＲＦ，ＬＢ，及びＲＢは、左前方、右前方、左後方、及び右後方に向けられた変換器のゲインを表す。

クロス構成の変換器からの出力信号は、以下のように、３チャンネル（Ｗ，Ｘ，Ｙ）１次Ｂフォーマット信号に変換される。

実際には、各変換器の方向的ゲインパターンは実際のカージオイドパターンとは異なる。上記変換式は、これらの差異を考慮に入れて調整する。加えて、変換器は低い周波数では方向的感度が鈍くなる。しかし、この性質は、一般にリスナーは低周波数で方向的感度が低いので、この性質は、多くのアプリケーションで容認できるものである。

Ｇ．混合方程式
７つの１次、２次及び３次の信号（Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｘ２，Ｙ２，Ｘ３，Ｙ３）のセットにより、必要な数のラウドスピーカを駆動するためのマトリックスにより混合又は結合することができる。以下の混合方程式により、左（Ｌ），右（Ｒ），中央（Ｃ）、左サラウンド（ＬＳ），及び右サラウンド（ＲＳ）チャンネルからなる一般的なサラウンドサウンド構成にある５つのラウドスピーカを駆動するために用いることのできる、７×５マトリックスが定まる。

この混合方程式により得られるラウドスピーカのゲイン関数は、図１６にグラフで示されている。これらのゲイン関数は、混合マトリックスは理想的な入力セットにより提供されることを前提とする。

Ｈ．実施の形態
本発明のさまざまな特徴を組み込んだ装置は、コンピュータ又は汎用コンピュータに見られる構成要素と同様な構成要素と結合したディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）回路のような専用化した構成要素を含む他の装置により実行させるソフトウェアを含むさまざまな方法で実施することができる。 図１７は本発明の特徴を実施するために用いることのできる装置の概略ブロック図である。プロセッサ７２は計算手段を提供する。ＲＡＭ７３は処理のためのプロセッサ７２により用いられるランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）のシステムである。ＲＯＭ７４は、装置を動作させるのに必要なプログラムを保存するための、及び、おそらく本発明のさまざまな特徴を実行することのできるリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）のような固定記憶の形態を示す。Ｉ／Ｏ制御７５は、通信チャンネル７６，７７を用いて信号を受信し送信するインターフェース回路を示す。図示の実施の形態では、すべての主要なシステム構成要素は、２以上の物理的または論理的バスを表すバス７１に接続されているが、バス構成は本発明を実施するために必ずしも必要ではない。

記憶装置７８の設置は任意的である。本発明のさまざまな特徴を実行するプログラムを、磁気テープ又はディスク或いは光学的記憶媒体のような記憶媒体を有する記憶装置７８に記憶することができる。この記憶媒体はオペレーティングシステムに対する指令プログラム、ユーティリティープログラム、及びアプリケーションプログラムを記憶するために使うことができる。

本発明のさまざまな特徴を実行するために必要な機能は、個別の論理要素、集積回路、１以上のＡＳＩＣｓ及び／又はプログラム制御されるプロセッサを含む広くさまざまな方法に用いられる構成要素により実行される。これらの構成要素を用いる方法は本発明にとって重要ではない。

本発明を実施するソフトウェアは、超音波から赤外周波数を含む範囲のスペクトルでのベースバンド通信経路又は変調通信経路のような機械的に読み出し可能なさまざまな媒体、又は、磁気テープ、磁気カード、磁気ディスク、光学カード又は光学ディスク、及び紙を含む媒体上の検出可能なマーキングを含んで、原則としてあらゆる記憶技術を含む、情報を伝達する記憶媒体により伝達することができる。

Claims (25)

1. サウンドフィールドを表すオーディオ信号の空間分解能を上げる方法であって、
   ゼロ次及び１次の角度項による角度方向の関数として表した３以上の入力オーディオ信号を受け取るステップと、
   前記サウンドフィールド中の音響エネルギーの１以上の角度方向の統計的特性を導き出すために前記３以上の入力オーディオ信号を分析するステップと、
   前記３以上の入力オーディオ信号の重み付けされた結合から２以上の処理された信号を導き出すステップであって、前記３以上の入力オーディオ信号は、前記統計的特性に従い重み付けされ、前記２以上の処理された信号は、１次以上の次数の２以上の角度項による角度方向の関数としてのサウンドフィールドを表現することを特徴とする、ステップと、
   ゼロ次及び１次以上の角度項による角度方向の関数として前記サウンドフィールドを表す５以上の出力オーディオ信号を出力するステップであって、該５以上の出力オーディオ信号は、前記３以上の入力オーディオ信号と前記２以上の処理された信号とからなることを特徴とするステップと、
   を具備することを特徴とする方法。
2. 前記３以上の入力オーディオ信号を、それぞれ１次以下の角度項による方向的感度を持つ複数の音響変換器から受け取ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. ２次の角度項による角度方向の関数としてサウンドフィールドを表す２以上の信号を前記統計的特性から導き出すことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. ２次及び３次の角度項による角度方向の関数としてサウンドフィールドを表す４以上の処理された信号を前記統計的特性から導き出すことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
5. １より大きい２以上の次数の角度項による角度方向の関数としてサウンドフィールドを表す４以上の処理された信号を前記統計的特性から導き出すことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
6. 前記統計的特性は、少なくとも一部は時間区間について計算した３以上の入力オーディオ信号の平均から導き出すことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記入力信号はそれぞれサンプルにより表現され、前記統計的特性は、少なくとも一部はそれぞれの入力オーディオ信号の複数のサンプルの合計から導き出すことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記統計的特性は、少なくとも一部は３以上の入力オーディオ信号から導き出された値に平滑フィルターを適用することにより導き出すことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記統計的特性は、角度方向の１次の項の正弦関数又は余弦関数として表現されたサウンドフィールドの特性を表すことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の方法。
10. ３以上の入力オーディオ信号の周波数に依存する統計的特性を導き出すことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の方法。
11. 周波数領域の係数を生成するために前記３以上の入力オーディオ信号にブロック変換を適用するステップと、
    個々の周波数領域の係数又は周波数領域の係数のグループから周波数に依存する統計的特性を導き出すステップと、
    前記周波数に依存する統計的特性に基づく周波数応答を有する３以上の入力オーディオ信号にフィルターを適用することにより２以上の処理された信号を導き出すステップと、 を具備することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記周波数に依存する統計的特性に基づくインパルス応答を有する３以上の入力オーディオ信号にフィルターを適用することにより２以上の処理された信号を導き出すステップを具備することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
13. サウンドフィールドを表すオーディオ信号の空間分解能を上げる装置であって、
    ゼロ次及び１次の角度項による角度方向の関数として表した３以上の入力オーディオ信号を受け取る手段と、
    前記サウンドフィールド中の音響エネルギーの１以上の角度方向の統計的特性を導き出すために前記３以上の入力オーディオ信号を分析する手段と、
    前記３以上の入力オーディオ信号の重み付けされた結合から２以上の処理された信号を導き出す手段であって、前記３以上の入力オーディオ信号は、前記統計的特性に従い重み付けされ、前記２以上の処理された信号は、１次以上の次数の２以上の角度項による角度方向の関数としてのサウンドフィールドを表現することを特徴とする、手段と、
    ゼロ次及び１次以上の角度項による角度方向の関数として前記サウンドフィールドを表す５以上の出力オーディオ信号を出力する手段であって、該５以上の出力オーディオ信号は、前記３以上の入力オーディオ信号と前記２以上の処理された信号とからなることを特徴とする手段と、
    を具備することを特徴とする方法。
14. 前記３以上の入力オーディオ信号を、それぞれ１次以下の角度項による方向的感度を持つ複数の音響変換器から受け取ることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. ２次の角度項による角度方向の関数としてサウンドフィールドを表す２以上の信号を前記統計的特性から導き出すことを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載の装置。
16. ２次及び３次の角度項による角度方向の関数としてサウンドフィールドを表す４以上の処理された信号を前記統計的特性から導き出すことを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載の装置。
17. １より大きい２以上の次数の角度項による角度方向の関数としてサウンドフィールドを表す４以上の処理された信号を前記統計的特性から導き出すことを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載の装置。
18. 前記統計的特性は、少なくとも一部は時間区間について計算した３以上の入力オーディオ信号の平均から導き出すことを特徴とする請求項１３乃至請求項１７のいずれか１項に記載の装置。
19. 前記入力信号はそれぞれサンプルにより表現され、前記統計的特性は、少なくとも一部はそれぞれの入力オーディオ信号の複数のサンプルの合計から導き出すことを特徴とする請求項１３乃至請求項１７のいずれか１項に記載の装置。
20. 前記統計的特性は、少なくとも一部は３以上の入力オーディオ信号から導き出された値に平滑フィルターを適用することにより導き出すことを特徴とする請求項１３乃至請求項１７のいずれか１項に記載の装置。
21. 前記統計的特性は、角度方向の１次の項の正弦関数又は余弦関数として表現されたサウンドフィールドの特性を表すことを特徴とする請求項１３乃至請求項２０のいずれか１項に記載の装置。
22. ３以上の入力オーディオ信号の周波数に依存する統計的特性を導き出すことを特徴とする請求項１３乃至請求項２１のいずれか１項に記載の装置。
23. 周波数領域の係数を生成するために前記３以上の入力オーディオ信号にブロック変換を適用する手段と、
    個々の周波数領域の係数又は周波数領域の係数のグループから周波数に依存する統計的特性を導き出す手段と、
    前記周波数に依存する統計的特性に基づく周波数応答を有する３以上の入力オーディオ信号にフィルターを適用することにより２以上の処理された信号を導き出す手段と、
    を具備することを特徴とする請求項２２に記載の装置。
24. 前記周波数に依存する統計的特性に基づくインパルス応答を有する３以上の入力オーディオ信号にフィルターを適用することにより２以上の処理された信号を導き出す手段を具備することを特徴とする請求項２２に記載の装置。
25. 装置に実行させることのできる命令プログラムを記憶させた記憶媒体であって、該命令プログラムを履行することにより請求項１乃至請求項１２に記載の方法を該装置が実行することを特徴とする記憶媒体。

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