JP2012518313A - モバイル用途のための頭部追跡 - Google Patents

Abstract

本発明においては、ユーザ（１００）の動作に依存する基準方向（３１０）に対するユーザ（１００ｂ）の回転角度（３００）を決定する頭部追跡システム（４００）が提案される。ここで、ユーザの動作は、例えば、横たわったり又はくつろぎ用の椅子に座ったりすること等の姿勢や、位置や、場所の変化を含む動作又は移動の過程として理解されるべきである。頭部追跡システムは、頭の動きを表す指標（４０１）を提供するよう頭の動きを測定する検知装置（４１０）と、その指標から基準方向に対するユーザの頭の回転角度を導出する処理回路（４２０）とを有する。処理回路で使用される基準方向はユーザの動作に依存する。基準方向がユーザの動作に依存するようにする利点は、頭の回転角度を決定することが環境とは無関係であること、すなわち、環境に固定されないことである。従って、ユーザが例えば活動中であり、その身体部分が動作している場合に、基準方向はこの動作に適応される。

Description

本発明は、頭部追跡システムに関する。本発明は、また、頭部追跡方法に関する。更に、本発明は、音声再生システムに関する。

通常、音響のヘッドホン再生は、音響が頭の中で認識されるという経験を与える。様々な仮想化アルゴリズムが開発されており、特定の距離で特定の方向において配置されている音源の錯覚を作り出す。通常、そのようなアルゴリズムは、音源（例えば、ステレオ音声の場合には、ユーザの前にある２つのラウドスピーカ）の伝達関数を人間の耳に近似するという目標を有する。従って、仮想化は、バイノーラル音響再現とも呼ばれる。

しかし、単に固定的な仮想化を適用することは、実際的な頭外（out-of-head）の錯覚を作り出すには不十分である。人間の方向認知は、頭の動きに極めて敏感であるように見える。固定的な仮想化の場合に見られるように、仮想音源が頭の動きとともに動く場合、頭外の経験は著しく劣化する。認知される音場と頭の位置との間の関係が、固定音源配置に期待されるのとは異なる場合、音源位置付け錯覚／認知は著しく劣化する。

この問題に対する救済策は、例えば、P. Minnaar、S. K. Olesen、F. Christensen、H. Moller、「The importance of head movements for binaural room synthesis」、Proceeding of the 2001 International Conference on Auditory Display、エスポー、フィンランド、２００１年７月２９日〜８月１日（非特許文献１）で提案されるように、頭部追跡を適用することである。この方法では、頭の位置はセンサにより測定される。次いで、仮想化アルゴリズムは、仮想音源から耳への変化した伝達関数を考慮するように、頭の位置に従って適応される。

頭外錯覚に関し、P. Mackensen、「Auditive Localization, Head Movement, an additional cue in Localization」、Von der Fakultat I−Geisteswissenschaften der Technischen Universitat Berlin（非特許文献２）で示されるように、頭のミクロ単位の動きが最も重要であることが知られる。頭の振りは、亜ための縦揺れ及び横揺れに比べ、音源位置決めにとってはるかに重要である。しばしばアジマスとも呼ばれる振り（yaw）は、頭のニュートラル・ポジションに関して定義される位置付けであり、頭の回転に関連する。

今日、多くの頭部追跡システム（主に、消費者ヘッドホン又はゲーム用途）が利用可能であり、これらは、例えば、超音波技術（例えば、ベイヤダイナミックス社製ヘッドホンであるHeadZone PRO）、赤外線技術（例えば、NaturalPoint TrackIR plus TrackClip）、送信器／受信器、ジャイロスコープ（例えば、ソニー製のMDR-IF8000／MFR-DS8000）、又は複数のセンサ（例えば、ポヒマス社製のFASTRAC 6DOF）を用いる。一般に、このような頭部追跡システムは、環境に対して安定した（不変の）位置を有する固定基準を用いることによって（例えば、赤外線ビーコン、又は地磁界の使用）、あるいは、較正されると、リスニング・セッションの間のほとんどドリフトしないセンサ技術を用いることによって（例えば、高精度ジャイロスコープの使用）、環境に対して頭の位置を決定する。

しかし、従来の頭部追跡システムは、ユーザが動くモバイル用途に関しては容易に使用され得ない。そのような用途のために、位置及び向きの参照は、環境がたいていは先験的に未知であり且つユーザの制御の外にあるので、一般的に困難又は不可能である。

P. Minnaar、S. K. Olesen、F. Christensen、H. Moller、「The importance of head movements for binaural room synthesis」、Proceeding of the 2001 International Conference on Auditory Display、エスポー、フィンランド、２００１年７月２９日〜８月１日 P. Mackensen、「Auditive Localization, Head Movement, an additional cue in Localization」、Von der Fakultat I−Geisteswissenschaften der Technischen Universitat Berlin

本発明は、モバイルユーザのために使用可能である改良された頭部追跡システムを提供することを目的とする。

本発明は、独立請求項によって意義される。従属請求項は、有利な実施形態を定義する。

本発明において提案される頭部追跡システムは、ユーザの動作に依存する基準方向に対するユーザの回転角度を決定する。ここで、ユーザの動作は、例えば、横たわったり又はくつろぎ用の椅子に座ったりすること等の姿勢や、位置や、場所の変化を含む動作又は移動の過程として理解されるべきである。頭部追跡システムは、頭の動きを表す指標を提供するよう頭の動きを測定する検知装置と、該指標から基準方向に対するユーザの頭の回転角度を導出する処理回路とを有する。前記処理回路で使用される基準方向はユーザの動作に依存する。

基準方向がユーザの動作に依存するようにする利点は、頭の回転角度を決定することが環境とは無関係であること、すなわち、環境に固定されないことである。従って、ユーザが例えば活動中であり、その身体部分が動作している場合に、基準方向はこの動作に適応される。すなわち、基準方向は、ユーザの動作とともに動く。例えば、ユーザが歩き又は走りながら左又は右を束の間見る場合、基準方向は変化すべきでない。しかし、歩いている又は走っているユーザが曲がる場合は、ユーザの身体の位置は変化する（傾く）。この位置の変化は、特に、長く続いている場合は、基準方向の変化を引き起こすべきである。この特性は、頭部追跡装置が、頭外経験の印象を保ちながら現実的な経験を作り出すヘッドホンを有する音声再生装置とともに使用される場合に、特に重要である。本発明は、仮想音場の位置付けが外界に固定されずにユーザとともに動くことを可能にする。ユーザが、例えば、携帯型メディアプレーヤ又は携帯電話機等でバイノーラル再生を用いるところの様々なモバイルシナリオにおいて、ユーザの動作の間、これは非常に望ましい特性である。その場合、音場の仮想化は、仮想音源から耳への伝達関数における変化を考慮するように、頭の位置付けに従って適応される。モバイル用途に関し、絶対的な頭の位置付けは、ユーザがどのみち動かしているので、ほとんど関係がない。従って、地面に対して音源画像を固定することは望ましくない。

実施例において、前記処理回路は、更に、前記ユーザの動作の間の前記ユーザの頭の平均方向として前記基準方向を決定するよう構成される。ユーザが、例えば、真っ直ぐ前を見ながら、小さく頭を動かす場合、そのような頭の小さな動きは、真っ直ぐな方向である基準方向に対して正確に測定され得る。しかし、頭を例えば４５度だけ左に回転し、平均して頭をその位置に保つ場合には、この新しい位置に対して頭の小さな動きを測定することが重要である。従って、基準方向として頭の平均方向を用いることは、頭部追跡が長期にわたる頭の動き（例えば、ほんの数秒よりも長い一定期間の時間にわたって横を見ること）及び／又はユーザの移動の経路の変化（例えば、自転車に乗っているときに曲がること）に適応することを可能にする点で、有利である。長期間の時間にわたって測定される場合は、平均して頭の方向は通常ユーザの胴体の方向に対応することが期待される。モバイル用途における他の利点は、頭部追跡センサ、特に加速度計が、センサのノイズ及び非線形性に関連するドリフトを示すことである。これは、時間とともに蓄積されるエラーをもたらし、仮想音源の厄介な固定位置バイアスを引き起こす。しかし、この問題は、本発明を使用する場合に、提案される頭部追跡がそのような累積エラーに敏感でないので、解消される。

更なる実施例において、前記検知装置は、前記ユーザの頭の回転の角速度を該回転によって引き起こされる遠心力に基づいて導出する少なくとも１つの加速度計を有する。前記加速度計は頭の上に配置されてよく、あるいは、２つの加速度計が頭の相対する側部で使用される場合は、望ましくは耳の近くに配置されてよい。加速度計は、今日では、消費者用途における費用効率が高い物である。また、それらは、例えばジャイロスコープセンサ等の他の代替品と比べ、電力消費が少ない。

更なる実施例において、前記処理回路は、前記ユーザの頭の平均方向を前記ユーザの頭の前記角速度から導出するよう構成される。前記頭の平均方向は、前記角速度を時間に対して積分することによって求められる。このように、平均頭部方向は、ユーザの身体方向の推定として受け取られる。この実施例の利点は、更なるセンサが頭の角度方向の回転を決定するために必要とされないことである。

更なる実施例において、前記平均方向は、所定期間の時間にわたる前記回転角度の平均として導出される。例えば、平均方向は、スライディングタイム・ウィンドウにわたって求められてよい。このように、推定される身体方向を表す頭部の位置付けの平均は、ずっと以前の身体方向とは無関係となり、前記推定が、例えば移動中に曲がる場合に起こるユーザの身体の向きの変化に適応することを可能にする。

更なる実施例において、前記平均することは、適応的である。前記平均することは、所定期間に対して行われてよい。大きな所定期間に関し、小さく且つ速い頭の動きに対する良好な応答が得られることが観察されているが、それは、頭の向きの変化に対するゆっくりとした適応をもたらす。これは、（例えば、自転車で曲がる場合に）モバイル用途に次善の性能を与える。反対に、小さな値の所定期間に関し、頭部追跡は、不安定な音響イメージングをもたらすので、悪い応答を提供する。従って、小さな向きの変更に対してよりも、大きな向きの変更に対して、より高速な頭部追跡システムの適応を用いることが有利である。従って、頭部追跡システムは、仮想化経験のために使用される頭の小さな動きにゆっくりと適応し、運転又は有意且つ長期にわたる頭の動きにより生じる向きの変化には速く適応する。

更なる実施例において、前記処理回路は、更に、前記基準方向として前記ユーザの動作の間ユーザ胴体の方向を用いるよう構成される。通常、固定リスニング環境では、ラウドスピーカは、（物理的に中心にあるラウドスピーカによって表される）ラウドスピーカの配置の中央がユーザの身体の前にあるように、配置される。胴体をユーザ身体表現とすることによって、仮想音源は、バイノーラル再生モードにおいて、それらがユーザ身体の前に配置されているかのように、同様に位置付けられ得る。この実施例の利点は、仮想音源配置がユーザ方向にしか依存せず、環境には依存しないことである。これは、ユーザから分離した基準点を有する必要を除く。更に、本実施例は、環境が常に変化しているモバイル用途にとって非常に都合がよい。

更なる実施例において、前記ユーザ胴体の方向は、該胴体にある基準点の前方身体方向として決定される。例えば、前記基準点は、胸骨の中央又はみぞおちで選択されてよい。この実施例の利点は、基準点が、選択によって、胴体の位置付けに対して安定している方向を有する点にあり、従って、基準方向を較正する必要性を取り除くことである。

更なる実施例において、前記検知装置は、前記基準点に取り付けられた磁気トランスミッタと、該磁気トランスミッタによって発せられる磁界を受けるよう前記ユーザの頭に取り付けられた磁気センサとを有する。磁界を発して、受けた磁界強さを測定することによって、頭の位置付けが、更なる物理的又は機械的な手段を必要とすることなく、無線による目立たない方法で、有利に測定され得る。

更なる実施例において、前記磁気トランスミッタは、横断面において配置される２つの直交コイルを有し、該２つの直交コイルによって生成される磁界は、異なった変調周波数で変調される。望ましくは、第１のコイルは、左右方向において配置され、第２のコイルは、前後方向において配置される。このようにして、異なった向きを有する2つの磁界が作られ、前記磁気センサが、例えば、絶対的な磁界強さに応答するのに代えて、観測される磁界強さの間の比を用いて、前記２つのコイルに関して位置付けを識別することを可能にする。従って、方法は、例えば、前記トランスミッタまでの距離を変化させることで生じる絶対的な磁界強さの変化に対して、よりロバストとなる。

異なった変調周波数で変調される前記２つの直交コイルの磁界を有することは、例えばポスト、椅子、鉄道の客車構造等の手近な強磁性体材料、又は例えば磁気トランスミッタ又は磁気センサの上に身に着けられる装身具等の透過材料による磁気基準場の定常的な歪みを抑制するために、特に有利である。磁場は、比較的高い周波数で、望ましくは、２０〜３０ｋＨｚの周波数範囲において、変調され、それにより、この周波数帯域外の変動（例えば、前述の外部からの影響により生じるゆっくりとした変動）は抑制される。本実施例の更なる利点は、前記磁気トランスミッタの両方のコイルに異なった変調周波数を選択することによって、及び前記磁気センサで受けた磁界に対してこれらの周波数への選択的なフィルタリングを用いることによって、単一のコイルを有する磁気センサにより２次元において頭の方向を検知することが可能である。

更なる実施例において、前記磁気センサは、コイルを有し、該コイルは、前記ユーザの頭の所定方向において配置される。これは、前記回転角度の計算を簡単にするので、前記コイルの都合の良い位置付けである。

更なる実施例において、前記処理回路は、前記指標として前記磁気センサが受ける磁界からユーザの頭の回転角度を導出するよう構成される。

本発明の他の態様に従って、頭部追跡方法が提供される。上述される特徴、利点、コメント等が本発明の当該態様にも同様に適用可能であることは、明らかである。

本発明は、更に、本発明に従う頭部追跡システムを有する音声再生システムを提供する。

本発明のこれらの及び他の態様、特徴及び利点は、以下に記載される実施例から明らかであり、該実施例から明らかにされる。

頭の回転を表す。 基準方向に対するユーザの頭の回転角度を示す。 ユーザの動作に依存する基準方向に対するユーザの頭の回転角度を表す。 検知装置及び処理回路を有する本発明に従う頭部追跡システムの一例を概略的に示す。 回転によって引き起こされる遠心力に基づいて頭の回転の角速度を導出する少なくとも１つの加速度計を有する検知装置の例を示す。 単一のコイルを有する磁気トランスミッタと、磁気トランスミッタが発した磁界を受ける磁気センサとを有する検知装置の例を示す。 ２つのコイルを有する磁気トランスミッタと、磁気トランスミッタが発した磁界を受ける磁気センサとを有する検知装置の例を示す。 本発明に従う頭部追跡システムを有する音声再生システムの例となるアーキテクチャを示す。 本発明に従う頭部追跡システムを有する音声再生システムの例となるアーキテクチャの実際の実施を示す。

本発明は、現実的な頭外錯覚を作り出すようヘッドホン再生に適用するのに適した頭部追跡に関する。

図１は、頭の回転を示す。ユーザの身体１００は、胴体１００ａ及び頭１００ｂにより表されている。軸２１０は、頭の回転軸である。回転自体は、矢印２００によって表されている。

図２は、基準方向３１０に対するユーザの頭１００ｂの回転角度３００を示す。上からみたユーザ１００が表されている。方向３１０は、胴体１００ａの前方方向であると仮定され、この方向は、更に、頭１００ｂのニュートラル方向であると仮定される。次いで、前方身体方向は、ユーザの肩を基準として有し且つユーザの顔が向いている方向に面する方向と決定される。この前方身体方向は、ユーザの身体の位置が何であろうと、例えば、ユーザが横たわっていたり又はくつろぎ用の椅子に深く腰掛けていたりしていようとなかろうと、決定される。以下では、基準方向に関する前述の定義が用いられる。なお、ユーザの身体部分に関する基準方向の他の選択も使用されてよい。方向３１０は、回転角度３００を決定するための基準方向である。基準方向は、ユーザ１００の動作に依存する。

図３は、ユーザの動作３００に依存する基準方向３１０に対するユーザの頭１００ｂの回転角度を表す。ユーザの身体は、位置Ａから位置Ｂへの軌跡３３０に沿って動いている。ユーザ動作の間、ユーザの基準方向３１０は、基準方向３１０とは異なった新しい基準方向３１０ａへと変化している。位置Ａにおける回転角度は、基準方向３１０に対して決定される。位置Ｂにおける回転角度は、新しい基準方向３１０ａに対して決定される。基準方向３１０ａは、同じように胴体３１０ａの前方方向と決定されるが、絶対的な意味において方向３１０とは異なる。

図４は、検知装置４１０及び処理回路４１０を有する本発明に従う頭部追跡システム４００の例を概略的に示す。検知装置４１０は、頭の動きを測定し、該頭の動きを表す指標４１０を処理回路４２０に供給する。処理回路４２０は、基準方向３１０に対するユーザ１００の頭１００ｂの回転角度３００を、検知装置４１０から得られた指標４０１から導出する。処理回路４２０において使用される基準方向３１０は、ユーザ１００の動作に依存する。

検知装置４１０は、例えば加速度計、磁気センサ、又はジャイロスコープセンサ等の従来のセンサ素子を用いて実現されてよい。それらの様々なタイプのセンサ素子の夫々は、異なった物理量として表される、動き（特に、回転）の指標４０１を提供する。例えば、加速度計は、回転の角速度を提供し、一方、磁気センサは、回転の指標として、磁界の強さを提供する。かかる指標は、頭の回転角度３００を得るよう処理回路によって処理される。頭部追跡システムが内蔵型であることは当該システムの図から明らかであり、ユーザが現在いる環境に関連する更なる（ここでは、ユーザから分離されると理解される外部からの）参照情報は必要とされない。回転角度３００を決定するために必要とされる基準方向３１０は、指標４０１から導出されるか、あるいは、使用される検知装置４１０に固有である。これは、以下の実施例において、より詳細に説明される。

実施例において、処理回路４２０は、更に、ユーザの動作の間のユーザの頭の平均方向として基準方向を決定するよう構成される。音源仮想化目的の視点から、頭１００ｂの平均方向の周りで小さく動く場合（例えば、正面を見る等）、音源は環境に対して固定位置にとどまり、一方、音源仮想化は、ユーザの頭の移動を補償するよう、動きに対して逆方向において音源を動かす。しかし、頭１００ｂの平均方向を変更する場合（例えば、４５°左に頭１００ｂを回転し、所定の時定数よりも十分に長くその新しい方向に頭を保つこと等）、仮想音源は追随して、頭の新しい平均方向へと再調整する。前述の所定時定数は、依然として頭部追跡をより長期の頭の動き（例えば、数秒よりも長く横を向くこと）及び／又は移動の経路の変化（例えば、自転車運転中に曲がること）に適応させながら、人間の認知が平均的な音源の位置付けにロックオンすることを可能にする。

図５は、回転３００によって引き起こされる遠心力に基づいて頭の回転２００の角速度を導出する少なくとも１つの加速度計を有する検知装置４１０の例を示す。上からみた頭１００ｂが表されている。実際の頭の方向は３１０で表されている。加速度計は要素４１０ａ及び４１０ｂによって表されている。回転によって引き起こされる、外向きの加速度から導出される遠心力は、夫々、５１０ａ及び５１０ｂによって表されている。

どのようにして頭の回転の角速度が回転によって引き起こされる遠心力から導出されるのかの説明は、例えば、マーセル・クヌースのメディアエンジニアリングにおける学位論文「Development of a head-tracking solution based on accelerometers for MPEG Surround」、２００７年９月２４日、Philips Applied Technogies University of Applied Science Dusseldorf and Philips Research Department of Mediaで見受けられる。頭の回転の角速度は、指標４０１として処理手段４２０へ供給される。

図５に示される例は２つの加速度計を示すが、代替的に、ただ１つの加速度計、すなわち、加速度計４１０ａ又は４１０ｂのいずれか一方のみを使用してもよい。

更なる実施例において、処理回路は、ユーザの頭１００ｂの平均方向をユーザの頭１００ｂの角速度から導出するよう構成される。頭の回転の角度３００は、角速度を積分することによって求められる。検知装置４１０において利用可能な遠心力の大きさは、回転方向に依存しない。頭１００ｂが左から右又は右から左のどちら方向に回転しているのかを決定するために、一方又は両方のセンサの前後方向における加速度信号成分の符号が使用されてよい。そのような場合において、この付加的な符号情報は、検知装置４１０から処理回路４２０へ送られる必要がある。

その後にハイパスフィルタを頭の回転角度３００に適用すると、本願においてしばしば回転平均と呼ばれる回転の平均に対する頭の回転角度の変化が求められる。次いで、回転平均は、回転角度３００を決定するための基準方向３１０として考えられる。ハイパスフィルタのための典型的な時定数は数秒のオーダーである。

代替的に、回転平均に対する回転角度３００の変化は、ローパスフィルタリングを用いて求められてよい。そのような場合において、最初に、平均方向、すなわち、基準方向３１０は、実際の回転角度Ｏ（ｔ）_{ａｃｔｕａｌ}に適用されるローパスフィルタリングＬＰＦ（）を用いて計算され、次いで、実際の方向と平均方向との差が、回転角度３００に関連する相対方向を決定するために計算される：

O(t)_relative＝O(t)_actual−O(t)_mean

ここで、O(t)_mean＝LPF(O(t)_actual)。

１次ローパスフィルタを用いる場合、この２段階アプローチはハイパスフィルタリングと等価である。しかし、ローパスフィルタリングを用いることは、第１のステップにおける平均方向の非線形な決定（例えば、適応フィルタリング又はヒステリシスを用いる。）を可能にするという利点を有する。

更なる実施例において、平均方向、従って、基準方向３１０は、所定期間の時間に対する回転角度３００の平均として決定される。次いで、平均方向は、以下の式に従って過去Ｔ秒に対する方向の平均をとることによって、決定される：

前述の平均算出は、矩形ＦＩＲローパスフィルタとして固定され得ることに留意すべきである。様々な値がＴに対して使用されてよいが、望ましくは、１〜１０秒の範囲にある。大きい値のＴは、小さく且つ高速な動きに対する良好な応答を与えるが、それらは、方向の変化に対するゆっくりとした適応ももたらす。これは、（例えば、自転車で曲がる場合に）モバイル用途に次善の性能を与える。反対に、ヘッドホン再生と関連して、小さな値のＴは、頭のわずかの回転でさえ不安定なイメージングをもたらす。

更なる実施例において、平均算出は適応的である。方向の小さい変化に関してよりも速く、より大きい方向の変化（すなわち、大きな回転角度）に適応することが有利である。この利点は、平均時間Ｔ_ａを適応させることによって、実現される。これは、以下の式に従って行われてよい：

相対方向比Ｒは、範囲［０，１］の値をとる。相対方向比Ｒは、相対方向が所与の回転角度Ｏ_ｍａｘ以上である場合に、最大値をとる。この場合において、平均時間Ｔ_ａは値Ｔ_ｍｉｎをとる。これは、大きな瞬時の相対的な方向変化のための高速な適応をもたらす。反対に、時定数Ｔ_ｍａｘによるゆっくりとした適応は、小さな瞬時の相対的な方向変化で起こる。適応パラメータＴ_ｍｉｎ、Ｔ_ｍａｘ及びＯ_ｍａｘの設定例は、Ｔ_ｍｉｎ＝３秒、Ｔ_ｍａｘ＝１０秒、Ｏ_ｍａｘ＝６０°である。

これらのパラメータ値は、自動車又は自転車による（想像上の）移動に関しても、適応速度動作に関して適切に働く。あいにく、前述の適応平均は、頭の方向が過去に著しく変化し、最近においてはわずかにしか変化していない場合において、不安定になりうる。そのような場合において、平均時定数は、最小値Ｔ_ｍｉｎと最小値Ｔ_ｍａｘとの間で変化する。安定性の問題を解消するよう、ＦＩＲフィルタが適応ＩＩＲローパスフィルタよって置換されてよく、これにより、次のような適応が得られる：

ここで、カットオフ周波数ｆ_ｃ（平均化フィルタで見られるような時定数ではない。）は、相対方向比Ｒに従って、最小値ｆ_{ｃ，ｍｉｎ}と最大値ｆ_{ｃ，ｍａｘ}との間に線形に補間される。

適応パラメータｆ_{ｃ，ｍｉｎ}、ｆ_{ｃ，ｍａｘ}及びＯ_ｍａｘの設定例は、ｆ_{ｃ，ｍｉｎ}＝１／３０Ｈｚ、ｆ_{ｃ，ｍａｘ}＝１／８Ｈｚ、Ｏ_ｍａｘ＝９０°である。

上記のパラメータは固定値をとるが、これらのパラメータ値が、自動車／列車／自転車による移動、歩行、屋内における着席等の実生活の状況により良く合わせられるために、時間とともに変化することを可能にすることもできる。

更なる実施例において、処理回路４２０は、更に、ユーザ１００の動作の間のユーザ胴体１００ａの方向を基準方向３１０として用いるよう構成される。モバイル用途に関し、絶対的な頭の位置付けは、ユーザがどのみち動かしているので、ほとんど関係ないと見なされる。従って、胴体の前方ポジショニング方向を基準方向とすることが有利である。

更なる実施例において、ユーザ胴体１００ａの方向は、胴体に配置される基準点の前方身体方向として決定される。望ましくは、そのような基準点は、全体として胴体方向を表すべきである。これは、ユーザ１００が動く場合にほとんど又は全く横への又は上下の変動を示さない、例えば、胸骨又はみぞおちの位置であってよい。基準方向を提供すること自体は、例えば、胴体１００ａ上の既知の位置に装着されるべき、比較的安定している明示的な基準デバイスを用いることによって、実現されてよい。例えば、それは、ベルト上のクリップ式デバイスであってよい。

図６は、磁気トランスミッタ６００と、磁気トランスミッタ６００が発した磁界を受ける磁気センサ６３０とを有し、磁気トランスミッタが単一のコイル６１０を有する検知装置４１０の例を示す。基準方向は、胴体１００ａ上の基準点に位置付けられている磁気トランスミッタ６１０によって与えられる。磁気センサ６３０は、頭１００ｂに取り付けられる。頭１００ｂの回転に依存して、磁気センサ６３０が受ける磁界は然るべく変化する。磁気センサ６３０が受ける磁界は、処理回路４２０へ送られる指標４０１であり、処理回路４２０では、回転角度３００が指標４０１から導出される。

磁界強さから、回転角度３００は次のように決定されてよい。軸２１０で、送信器コイルと比較して比較的大きい距離において、磁力線はほぼ一様に分布しており、送信器コイルの向きと平行である。磁気センサ６３０に含まれる受信器コイルが所与の距離において送信器コイルと平行に配置される場合に、受け取られる磁界の強さは正味値Ｂ_０に等しい。角度αにわたって受信器コイルを回転する場合、受け取られる磁界の強さＢ（α）は、Ｂ（α）＝Ｂ_０ｓｉｎ（α）になる。

そして、頭の回転の角度は、α＝ａｒｃｓｉｎ（Ｂ（α）／Ｂ_０）として、受け取られる磁界の強さから導出され得る。

アークサイン関数は、磁界強さを角度［−９０°，９０°］にマッピングすることに留意すべきである。しかし、本来、頭の回転角度は１８０°（左端から右端）の範囲に制限されている。送信器コイルを左から右へ又は右から左へ配置することによって、頭の回転は、明らかに、１８０°の全範囲にわたって追跡され得る。

図７は、磁気トランスミッタ６００と、磁気トランスミッタ６００が発した磁界を受ける磁気センサ６３０とを有し、磁気トランスミッタが２つのコイル６１０及び６２０を有する検知装置の例を示す。それら２つのコイル６１０及び６２０は直交して配置され、第１のコイル６１０は左右方向において配置され、第２のコイル６２０は前後方向において配置される。２つの直交するコイルの夫々によって作られる磁界は、異なった変調周波数で変調される。これは、磁気センサにおけるそれらの周波数（通常、例えば、２０〜４０ｋＨｚ）に対する選択的なフィルタリングと組み合わされて、次のように、磁気センサにおけるただ１つのコイルにより２方向において位置付けを検知することを可能にする。受け取られる磁界は、２つの送信器コイル６１０及び６２０の夫々からの２つの成分の和から成る：
B(α,t)＝B_0,610(t)・sin(α)＋B_0,620(t)・cos(α)。

フィルタリングによって、２つの成分は分離され、それらのピーク値の比Ｒが決定される：
Ｒ＝B_0,610,peaksin(α)／B_0,620,peakcos(α)。

発せられる両方の磁界成分が送信器において同じ強さを有し、且つ、受信器において同じピーク強さ（B_0,610,peak＝B_0,620,peak）を有することを確かにすることによって、これは、Ｒ＝ｓｉｎ（α）／ｃｏｓ（α）＝ｔａｎ（α）へと簡単化され、頭の回転の角度は、α＝ａｒｃｔａｎ（Ｒ）として、受け取られる磁界ピークの比Ｒから導出され得る。

この実施例では、頭の回転の角度は、例えば、送信器コイルと受信器コイルとの間の距離の変化により生じる絶対的な磁界強さに依存する前述の単一送信器コイルの実施例と比較して、このような絶対的な磁界強さに依存しないことに留意すべきである。

指標４０１が、コイル６１０及び６２０から受け取られる磁界を有することは明らかである。代替的に、これら両方の磁界が同じ送信強度を有する場合は、比Ｒが処理回路４１０に供給されてよい。磁気センサ６３０が受け取る磁界又は比Ｒのいずれか一方からの回転角度の導出は、処理回路４２０において行われる。

磁気トランスミッタ及び磁気センサの代わりに、３次元（３Ｄ）加速度計が使用されてよい。１つの３Ｄ加速度計は基準点に位置付けられ、第２の加速度計はユーザの頭に取り付けられる。次いで、２つの加速度計の測定の差が、回転角度を計算するために使用されてよい。

図８は、本発明に従う頭部追跡システム４００を有する音声再生システム７００の例となるアーキテクチャを示す。頭の回転角度３００は、頭部追跡システム４００において求められ、レンダリングプロセッサ７２０に供給される。レンダリングプロセッサ７２０は、更に、ヘッドホン７１０で再生されるべき音声７０１を受け取る。

音声再生システム７００は、現実的な頭外錯覚を提供するヘッドホン７１０に対する音声シーン再現を実現する。レンダリングプロセッサ７２０は、音声７０１に関連する音声シーンが頭の回転角度と反対の角度だけ回転されるように、音声をレンダリングする。音声シーンは、音声７０１に含まれる音源の仮想位置と理解されるべきである。何等の更なる処理なしに、ヘッドホン７１０で再現される音声シーンは、頭１００ｂとともに動くヘッドホンと関連するので、頭１００ｂの動きとともに動く。音声シーン再現をより現実的なものとするよう、音源は、頭がヘッドホンとともに回転する場合に、不変の仮想位置にとどまるべきである。この効果は、頭１００ｂの回転角度と反対の角度だけ音声シーンを回転することによって、達成される。音声シーンの回転は、レンダリングプロセッサ７２０によって行われる。

回転角度は、本発明に従って、ユーザの動作に依存する基準方向に対して決定される。これは、基準方向がユーザの動作の間のユーザの頭の平均方向である場合において、音声シーンが主としてこの基準方向に関してレンダリングされることを意味する。基準方向がユーザの動作の間のユーザ胴体の方向である場合においては、音声シーンは、主として、この基準方向に関してレンダリングされ、従って、それは胴体位置に固定される。

マルチチャネル音声信号の従来のバイノーラル・レンダリングは、ＨＲＴＦインパルス応答によるマルチチャネル音声信号の畳み込みよって実施される：

ここで、ｈ_Ｌ，φ［ｋ］及びｈ_Ｒ，φ［ｋ］は、夫々、角度φに関する左右のＨＲＴＦインパルス応答を表し、ｘ_φ［ｎ］は、角度φに対するマルチチャネル音声信号成分を表し、Ｋは、インパルス応答の長さを表す。バイノーラル出力信号は、左右の信号Ｉ［ｎ］及びｒ［ｎ］の夫々によって記述される。典型的なマルチチャネル・セットアップに関し、角度φの設定は、左前、中央、右前、左周囲及び右仮想周囲スピーカに関し、夫々、時計回りの角度表現を用いて、φ∈［−３０，０，３０，−１１０，１１０］から成る。

頭部追跡を用いる場合において、更なる時間変化するオフセット角度が、次のように適用されてよい：

ここで、δ［ｎ］は、時計回りの角度表現を用いて本発明に従って頭部追跡システムによって決定される、回転角度Ｏ（ｔ）_{ｒｅｌａｔｉｖｅ}に対応する（頭部追跡）オフセット角度である。ここで、回転角度と反対の角度は、回転角度δ［ｎ］の前の符号“−”によって実現される。従って、変更された音源シーンから成る変更された音声７０２がヘッドホン７１０に与えられる。

図９は、本発明に従う頭部追跡システム４００を有する音声再生システム７００の例となるアーキテクチャの実施を示す。頭部追跡システムはヘッドホン７１０に取り付けられている。頭部追跡システム４００によって求められる回転角度３００は、レンダリングプロセッサ７２０へ送られ、レンダリングプロセッサ７２０は、回転角度３００に依存して音声シーンを回転させる。変更された音声シーン７０２がヘッドホン７１０に与えられる。

望ましくは、頭部追跡システムは、少なくとも部分的に、ヘッドホンと一体化される。例えば、加速度計は、ヘッドホンの耳当ての１つに組み込まれてよい。磁気センサも、耳当ての１つ又は耳当てどうしを結合するブリッジ部分において、ヘッドホン自体に組み込まれてよい。

レンダリングプロセッサは、ユーザが移動する場合に持っていく携帯型の音声再生装置に、又は無線ヘッドホン自体に組み込まれてよい。

本発明は幾つかの実施例に関して記載されてきたが、本発明はここに挙げられている特定の形態に限定されるべきではない。むしろ、本発明の適用範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。更に、特徴は特定の実施例に関して記載されているように見えうるが、記載される実施例の様々な特徴は本発明に従って組み合わされてよいことは、当業者には明らかである。特許請求の範囲において、語「有する（comprising）」は、他の要素又はステップの存在を除くわけではない。

更に、たとえ個々に挙げられているとしても、複数の回路、要素、又は方法は、例えば、単一ユニット又はプロセッサによって、実施されてよい。更に、たとえ個々の特徴が異なる請求項に含まれるとしても、それらは場合により有利に組み合わされてよく、異なる請求項における記載は、特徴の組合せが実現可能でなく及び／又は有利でないことを暗示しているわけではない。また、１つのカテゴリの請求項における特徴の記載は、このカテゴリに対する限定を暗示しているわけではなく、むしろ、特徴が必要に応じて他の請求項カテゴリに同様に適用可能であることを意味する。更に、単数参照は複数個を除くわけではない。従って、「１つ（a、an）」「第１」及び「第２」等の言及は、複数個を排除するものではない。特許請求の範囲における参照符号は、単に、明確な例として与えられており、如何なる場合においても特許請求の範囲の適用範囲を限定するものと解されるべきではない。本発明は、複数の個別素子を有するハードウェアの回路によって、及び適切にプログラミングされたコンピュータ又は他のプログラム可能な装置の回路によって、実施されてよい。

前記処理回路は、更に、前記ユーザの動作の間の前記ユーザの頭の平均方向として前記基準方向を決定するよう構成される。ユーザが、例えば、真っ直ぐ前を見ながら、小さく頭を動かす場合、そのような頭の小さな動きは、真っ直ぐな方向である基準方向に対して正確に測定され得る。しかし、頭を例えば４５度だけ左に回転し、平均して頭をその位置に保つ場合には、この新しい位置に対して頭の小さな動きを測定することが重要である。従って、基準方向として頭の平均方向を用いることは、頭部追跡が長期にわたる頭の動き（例えば、ほんの数秒よりも長い一定期間の時間にわたって横を見ること）及び／又はユーザの移動の経路の変化（例えば、自転車に乗っているときに曲がること）に適応することを可能にする点で、有利である。長期間の時間にわたって測定される場合は、平均して頭の方向は通常ユーザの胴体の方向に対応することが期待される。モバイル用途における他の利点は、頭部追跡センサ、特に加速度計が、センサのノイズ及び非線形性に関連するドリフトを示すことである。これは、時間とともに蓄積されるエラーをもたらし、仮想音源の厄介な固定位置バイアスを引き起こす。しかし、この問題は、本発明を使用する場合に、提案される頭部追跡がそのような累積エラーに敏感でないので、解消される。

前記平均することは、適応的である。前記平均することは、所定期間に対して行われてよい。大きな所定期間に関し、小さく且つ速い頭の動きに対する良好な応答が得られることが観察されているが、それは、頭の向きの変化に対するゆっくりとした適応をもたらす。これは、（例えば、自転車で曲がる場合に）モバイル用途に次善の性能を与える。反対に、小さな値の所定期間に関し、頭部追跡は、不安定な音響イメージングをもたらすので、悪い応答を提供する。従って、小さな向きの変更に対してよりも、大きな向きの変更に対して、より高速な頭部追跡システムの適応を用いることが有利である。従って、頭部追跡システムは、仮想化経験のために使用される頭の小さな動きにゆっくりと適応し、運転又は有意且つ長期にわたる頭の動きにより生じる向きの変化には速く適応する。

図５は、回転３００によって引き起こされる遠心力に基づいて頭の回転２００の角速度を導出する少なくとも１つの加速度計を有する検知装置の例を示す。上からみた頭１００ｂが表されている。実際の頭の方向は３１０で表されている。加速度計は要素４１０及び４２０によって表されている。回転によって引き起こされる、外向きの加速度から導出される遠心力は、夫々、５１０及び５２０によって表されている。

図５に示される例は２つの加速度計を示すが、代替的に、ただ１つの加速度計、すなわち、加速度計４１０又は４２０のいずれか一方のみを使用してもよい。

Claims (15)

1. 頭の動きを表す指標を提供するよう頭の動きを測定する検知装置，及び
   基準方向に対するユーザの頭の回転角度を前記指標から導出する処理回路
   を有し、
   前記処理回路において使用される前記基準方向は、ユーザの動作に依存する、
   頭部追跡システム。
2. 前記処理回路は、更に、前記ユーザの動作の間の前記ユーザの頭の平均方向として前記基準方向を決定するよう構成される、
   請求項１に記載の頭部追跡システム。
3. 前記検知装置は、前記ユーザの頭の回転の角速度を該回転によって引き起こされる遠心力に基づいて導出する少なくとも１つの加速度計を有する、
   請求項２に記載の頭部追跡システム。
4. 前記処理回路は、前記ユーザの頭の平均方向を前記ユーザの頭の前記角速度から導出するよう構成される、
   請求項３に記載の頭部追跡システム。
5. 前記平均方向は、所定期間の時間にわたる前記回転角度の平均として導出される、
   請求項４に記載の頭部追跡システム。
6. 前記平均することは、適応的である、
   請求項５に記載の頭部追跡システム。
7. 前記処理回路は、更に、前記基準方向として前記ユーザの動作の間ユーザ胴体の方向を用いるよう構成される、
   請求項１に記載の頭部追跡システム。
8. 前記ユーザ胴体の方向は、該胴体にある基準点の前方身体方向として決定される、
   請求項７に記載の頭部追跡システム。
9. 前記検知装置は、前記基準点に取り付けられた磁気トランスミッタと、該磁気トランスミッタによって発せられる磁界を受けるよう前記ユーザの頭に取り付けられた磁気センサとを有する、
   請求項８に記載の頭部追跡システム。
10. 前記磁気トランスミッタは、横断面において配置される２つの直交コイルを有し、該２つの直交コイルによって生成される磁界は、異なった変調周波数で変調される、
    請求項９に記載の頭部追跡システム。
11. 前記磁気センサは、コイルを有し、該コイルは、前記ユーザの頭の所定方向において配置される、
    請求項９に記載の頭部追跡システム。
12. 前記処理回路は、前記磁気センサが受ける磁界からユーザの頭の回転角度を導出するよう構成される、
    請求項９に記載の頭部追跡システム。
13. 頭の動きを表す指標を提供するよう頭の動きを測定するステップ，及び
    基準方向に対するユーザの頭の回転角度を前記指標から導出するステップ
    を有する頭部追跡方法であって：
    前記導出ステップにおいて使用される前記基準方向は、ユーザの動作に依存する、
    頭部追跡方法。
14. ヘッドホンによる音声シーン再現のための音声再生システムであって、音声シーンを再現するヘッドホンと、再現されるべき前記音声シーンをレンダリングするレンダリングプロセッサとを有する音声再生システムにおいて、
    ユーザの頭の回転角度を決定するよう請求項１乃至１２のうちいずれか一項に記載の頭部追跡システムを更に有し、
    前記レンダリングプロセッサは、前記回転角度と反対の角度だけ回転されるよう前記音声シーンをレンダリングする、
    音声再生システム。
15. 少なくとも部分的に前記ヘッドホンと一体化される、
    請求項１４に記載の音声再生システム。

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