JP2016220032A - 音場再現システム - Google Patents

Abstract

【課題】１あるいは複数の利用者のそれぞれに対応する制御領域において音場を高い精度で再現することができる音場再現システムを提供すること。【解決手段】音場制御装置５００は、複数のスピーカ５３０−１等と、複数のスピーカのそれぞれの重みに対応する利得が設定された複数の増幅器５１０−１等と、１あるいは複数の利用者による聴取位置を想定し、所定の波面を用いて１あるいは複数の制御領域を実現するために必要な複数のスピーカのそれぞれに対応する重みを、複数の聴取位置の中の少なくとも１つからなる任意の組み合わせ毎に格納するパラメータ格納部５２０と、利用者による実際の聴取形態に合わせて組み合わせの内容を決定する組み合わせ決定部５２２と、組み合わせ決定部５２２による決定内容に対応する複数のスピーカのそれぞれの重みをパラメータ格納部５２０から読み出して、複数の増幅器のそれぞれの利得を設定するパラメータ設定部５２６とを備える。【選択図】図７

Description

本発明は、車室内空間等に含まれる１あるいは複数の聴取位置における音場を制御する音場再現システムに関する。

近年、「超臨場感システム」が注目を浴びている。超臨場感システムとは、あたかもその場にいるような感覚をもたらすために「その場」の五感情報をできる限り物理的に忠実に取得し、伝送し、再生するシステムのことである。超臨場感システムは、映画や放送などのエンターテイメントだけでなく、医療、教育、芸術とさまざまな分野に応用できる可能性があり、その実現に期待されている。

臨場感の高い音響システムを実現するために、さまざまな音響システムが研究されており、その中に音場再生技術がある。音場再生技術とは、所望の音場を音の波動性を考慮して物理的に再現するもので、既存の音響システムに対してより高い臨場感が得られ、その発展が期待されている。音場再生技術の主要な技術として、波面合成法、境界音場制御、高次アンビソニックスが挙げられる。

波面合成法（ＷＦＳ）は、ホイヘンスの原理に基づいて平面上の音圧を再現することで、特定の方向から到来する音を提示する手法である。波面合成法は、他の音場再生技術と比較して、簡単に利用することができ、また、スピーカアレイで囲まれた領域内のすべての音場を再現することができる。しかし、波面合成法では、境界面を分割して制御するため、表現可能な音の方向が制限されてしまう。そのうえ、波面合成法で用いる音場を収音するためにはマイクロホンアレイが必要で、そのアレイの設置が簡単ではないという問題がある。

境界音場制御（ＢｏＳＣ）は、キルヒホッフ・ヘルムホルツ積分方程式と逆システム理論を適用した手法である。ある再現したい音場の領域の境界面上の音圧と音圧勾配を測定し、逆システムを用いて、他の空間にその音圧と音圧勾配を再現することで音場を再現することができる。境界音場制御は、波面合成法のように広い範囲の音場を再現することはできないが、より高精度に音場を再現することができる。しかし、逆システム理論を適応させているため、境界音場制御の収音システムと再生システムは一対一の関係にある。それゆえに、境界音場制御の収音再生システムで利用できる音場情報は、別の境界音場制御の収音再生システムに利用することが難しいという点がある。また、同様の理由から、既存のステレオ音源、５．１ｃｈサラウンド音源などに活用することができない。

高次アンビソニックス（ＨＯＡ）は、境界面の音場を球面調和関数を用いて表現し、キルヒホッフ・ヘルムホルツ積分方程式に基づき音場を再現する手法である（例えば、特許文献１参照。）。高次アンビソニックスでは、収音した音場情報を球面調和係数で表現するため、収音データはあらゆる再生システムに適応することができる。そのため、この収音データをステレオ再生や５．１ｃｈサラウンドなどの既存の再生システムに応用することが可能である。また、既存の音源データをアンビソニックスの再生システムに応用することも可能である。高次アンビソニックスはその適用できる範囲の広さから、今後、実用的な高臨場感システムとしての発展が予想される。

特開２０１４−１６１１２２号公報

ところで、従来の高次アンビソニックスは、音場を高い精度で再現できる領域（制御領域）を一つしか生成することができないという問題があった。例えば、車室内空間を考えた場合に、音楽等を聴取する利用者としては、運転者だけでなく、他の搭乗者も考慮する必要があるため、各利用者に対応する複数の制御領域が必要になるが、従来の高次アンビソニックスでは、一人の利用者にしか臨場感のある音場を提供できないことになる。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、１あるいは複数の利用者のそれぞれに対応する制御領域において音場を高い精度で再現することができる音場再現システムを提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の音場再現システムは、複数のスピーカと、複数のスピーカのそれぞれに対応しており、オーディオ信号に重み付けを行い、それぞれの重みに対応する利得が設定された複数の利得調整手段と、１あるいは複数の利用者による聴取位置を想定し、所定の波面を用いて１あるいは複数の制御領域を実現するために必要な複数のスピーカのそれぞれに対応する重みを、複数の聴取位置の中の少なくとも１つからなる任意の組み合わせ毎に格納するスピーカ重み格納手段と、利用者による実際の聴取形態に合わせて組み合わせの内容を決定する組み合わせ決定手段と、組み合わせ決定手段による決定内容に対応する複数のスピーカのそれぞれの重みをスピーカ重み格納手段から読み出して、複数の利得調整手段のそれぞれの利得を設定する利得設定手段とを備えている。また、上述した所定の波面は平面波であることが望ましい。

利用者による実際の聴取形態に合わせて必要最小限の聴取位置を設定することが可能になるため、１あるいは複数の利用者のそれぞれに対応する制御領域において音場を高い精度で再現することができる。また、聴取位置の組み合わせを変更する際に、必要なスピーカの重みを読み出して利得の設定を行うだけであるため、音場を再現する際の処理の簡略化が可能となる。

また、上述したスピーカ重み格納手段に格納されている重みは、複数のスピーカと１あるいは複数の制御領域との間の音場の伝達関数を用いて決定されることが望ましい。各スピーカと各制御領域の間の音場の伝達関数を用いて、例えば、音場を球面調和関数を用いて表現する高次アンビソニックスの手法を１あるいは複数の制御領域に対して適用して、各スピーカの重みを決定することにより、各制御領域において音場を高い精度で再現することが可能となる。

また、上述したスピーカ重み格納手段に格納される重みは、伝達関数測定手段によって測定された伝達関数を用いてスピーカ重み決定手段によって決定されることが望ましい。音場を球面調和関数を用いて表現する高次アンビソニックスの手法を１あるいは複数の制御領域に対して同時に適用して各スピーカの重みを決定する際に、伝達関数を実測することにより、音響空間内で生じる反射等の影響を加味した伝達関数を得ることができ、１あるいは複数の制御領域において音場をさらに高い精度で再現することが可能となる。

また、上述した伝達関数測定手段は、適応フィルタのタップ係数をＬＭＳアルゴリズムを用いて設定することにより、伝達関数の同定を行うことが望ましい。特に、上述した伝達関数測定手段は、測定信号を発生する測定信号源と、測定信号が入力される適応フィルタと、測定信号を複数の制御領域が含まれる音響空間に出力する複数のスピーカと、複数の制御領域に設置されており、複数のスピーカから出力される音を収音するマイクロホンと、マイクロホンの出力信号と適応フィルタの出力信号の差を計算して誤差信号を出力する演算部と、測定信号と誤差信号とが入力されており、ＬＭＳアルゴリズムを用いることにより、適応フィルタのタップ係数を設定するＬＭＳアルゴリズム処理部とを備え、適応フィルタの特性を伝達関数として同定を行うことが望ましい。これにより、正確に伝達関数を測定することが可能となる。

また、上述したスピーカ重み決定手段は、高次アンビソニックスの変換関数行列をＢ、スピーカの重み行列をＰ、伝達関数により各要素が設定される再変換関数行列をＣとしたときに、これらの各行列間の関係に基づいて複数のスピーカの重みを決定することが望ましい。また、上述した変換関数行列Ｂ、スピーカの重み行列Ｐ、再変換関数行列Ｃの間には、ＣＰ＝Ｂの関係式が成立し、スピーカ重み決定手段は、関係式に基づいて複数のスピーカの重みを決定することが望ましい。これにより、既知の値を有する変換関数行列Ｂおよび再変換関数行列Ｃを用いて複数のスピーカの重みを容易に決定することが可能となる。

また、利用者によって操作される操作手段をさらに備え、組み合わせ決定手段は、操作手段を用いた利用者の指示に応じて組み合わせの内容を決定することが望ましい。これにより、利用者による実際の聴取形態を、構成の複雑化を招くことなく容易に取得することが可能となる。

また、所定の検出範囲内に含まれる１あるいは複数の利用者の聴取位置を検出する聴取位置検出手段をさらに備え、組み合わせ決定手段は、聴取位置検出手段によって検出された聴取位置に基づいて組み合わせの内容を決定することが望ましい。これにより、利用者自身が何らかの操作を行うことなく、利用者による実際の聴取形態を容易に取得することが可能となる。

原点から見た平面波の音場に着目した場合の伝達関数Ｃの球面調和表現を示す説明図である。 各スピーカから原点以外に設定された制御領域までの伝達関数の説明図である。 各スピーカから原点以外に設定された制御領域までの伝達関数の説明図である。 再現した音場の制御領域の直径を示す図である。 音場再現装置の構成を示す図である。 図５に示した音場再現装置を用いてスピーカの重みＰを決定する動作手順を示す流れ図である。 本発明を適用した一実施形態の音場制御装置の構成を示す図である。 本実施形態で再現される複数の制御領域を実際の車室内空間に適用する場合の聴取位置の組み合わせの一例を示す説明図である。 実際の音響空間に合わせて、複数の聴取位置の中の少なくとも１つからなる任意の組み合わせＫ毎にスピーカの重みＰを決定する音場再現装置の構成を示す図である。 図９に示した伝達関数測定部の詳細構成を示す図である。 図９および図１０に示した音場再現装置を用いてスピーカの重みＰを決定する動作手順を示す流れ図である。 Ｃ特性（伝達特性）同定を行う説明図である。 変形例の音場制御装置の構成を示す図である。

以下、本発明を適用した一実施形態の音場再現システムについて、図面を参照しながら説明する。

（１）球面調和関数
原点から見た平面波の音場は、

となる。ここで、

は、着目位置を示す位置ベクトル、

は、平面波の波数ベクトル、Ｊｎ（ｋｒ）は第１種球ベッセル関数、

は球面調和関数である。また、

は、

となる。また、

から見た平面波の音場は、

となる。したがって、

となる。ここで、

は、

となる。

次に、

にあるスピーカの音場は、

となる。ここで、

は、

となる。

から見た

にあるスピーカの音場は、

となる。ここで、

は、以下のようになる。

図１は、原点から見た平面波の音場に着目した場合の伝達関数Ｃの球面調和表現を示す説明図である。図１では、原点の周囲の円周上にＭ個のスピーカＬ₁〜Ｌ_Mが配置されており、原点における高次アンビソニックス（ＨＯＡ）の変換関数である

が上述した（２）式で表される。また、各スピーカから原点までの伝達関数である

が上述した（９）式で表される。

（２）複数領域音場再現の基本的な考え方
任意の平面波の音場領域ｓ₁，ｓ₂，・・・，ｓ_Nを、複数のスピーカＬ₁，Ｌ₂，・・・，Ｌ_Mを使って再現する。平面波の波数ベクトル

を

とすると、平面波を再現するためには、以下のような、すべての領域（α）と球面調和関数（ｎ，ｍ）に対するスピーカの重みＰ_aを求める必要がある。

よって、

は通常の高次アンビソニックス（ＨＯＡ）の変換関数である。ここで、球面調和関数のｏｒｄｅｒ（ｎ）とｄｅｇｒｅｅ（ｍ）が与えられているものとすると、各再現領域の変換関数は以下のようになる。

上式をまとめると、

したがって、複数領域再現式は以下のようになる。

スピーカの重みをＰ、高次アンビソニックス（ＨＯＡ）変換行列をＢ、再変換行列をＣとし、行列で表現すると、

のようになる。ここで、各行列は以下のようになる。

したがって、音場を再現するためのスピーカの重みは以下のようになる。

この重みをスピーカで出力することにより、音場を再現することができる。

このような手法では、スピーカから制御領域への音場の伝達関数を球面調和展開で表現し、各制御領域の伝達関数を求め、その伝達関数から、各音場を再現するようなスピーカの重みを求めることで、複数の制御領域の音場を再現している。

図２および図３は、各スピーカから原点以外に設定された制御領域までの伝達関数の説明図である。このようにして、原点以外に設定された複数の制御領域のそれぞれまでの伝達関数を求めることにより、（２４）式で表される逆変換行列Ｃの各要素の値を決定することができる。これにより、（２５）式の右辺の各要素が既知となって、各スピーカの重みを決定することが可能となる。

図４は、再現した音場の制御領域の直径を示す図である。図４に示した例では、横軸で示されたＸ方向に沿って到来した平面波が生成され、その中にエラーが少ない箇所が４箇所存在することがわかる。具体的には、以下の位置に直径ｄの制御領域が再現されている。

ｘ＝−０．５ｍ、ｙ＝０．５ｍ ：ｄ＝２４ｃｍ
ｘ＝−０．５ｍ、ｙ＝−０．５ｍ ：ｄ＝２２ｃｍ
ｘ＝０．５ｍ、ｙ＝０．５ｍ ：ｄ＝２６ｃｍ
ｘ＝０．５ｍ、ｙ＝−０．５ｍ ：ｄ＝３２ｃｍ
この図４に示した例では、４箇所の制御領域を実現する場合を示しているが、これらの制御領域の直径ｄは、それぞれの制御領域の位置や個数によって変化する。特に、制御領域の数については、少ないほど直径ｄが大きくなり、多くなるに従って直径ｄが小さくなる傾向がある。したがって、利用者の数をＮとし、実際の音響空間において実現する複数の制御領域の数をＭとすると、上述した各制御領域の直径ｄをできるだけ大きく設定するためには、ＭをＮと等しくすることが望ましく、大きな直径ｄを確保する観点からは、利用者の人数を超えて多くの制御領域を設定することは避けるべきである。

（３）複数領域音場再現の具体的な構成
図５は、音場再現装置の構成の一例を示す図である。図５に示す音場再現装置１００は、上述した（２５）式に基づいてスピーカの重みＰを決定する処理を行っており、制御領域位置設定部１１０、操作部１１２、伝達関数設定部１２０、ＨＯＡ関数設定部１３０、スピーカ重み決定部１４０を備えている。

制御領域位置設定部１１０は、複数の制御領域の位置を設定する。操作部１１２は、利用者によって操作されるテンキーや各種つまみ、あるいはタッチパネル等を用いて構成されており、利用者によって入力される位置データ等の入力を受け付ける。上述した制御領域位置設定部１１０は、この操作部１１２を用いた利用者の指示（位置データ）に基づいて複数の制御領域の位置を設定する。

伝達関数設定部１２０は、複数のスピーカと複数の制御領域との間の音場の伝達関数を球面調和展開で表現し、制御領域位置設定部１１０によって設定された複数の制御領域の位置を用いて、上述した（１１）〜（１３）式で示された伝達関数を設定（算出）する。

ＨＯＡ関数設定部１３０は、高次アンビソニックス変換関数を設定する。具体的には、上述した（２３）式で示された高次アンビソニックス変換関数行列の各要素の値を保持する。

スピーカ重み決定部１４０は、伝達関数設定部１２０によって設定された伝達関数を用いて、平面波による複数の制御領域を再現するために必要な複数のスピーカの重みであって、複数のスピーカに入力するオーディオ信号に重み付けを行う重みを決定する。

具体的には、高次アンビソニックスの変換関数行列をＢ、スピーカの重み行列をＰ、伝達関数により各要素が設定される再変換関数行列をＣとしたときに、上述した（２１）式で示された関係式が成立する。スピーカ重み決定部１４０は、この（２１）式に基づいて、実際には上述した（２５）式を用いて、複数のスピーカの重み行列Ｐを決定する。

図６は、図５に示した音場再現装置１００を用いてスピーカの重みＰを決定する動作手順を示す流れ図である。

まず、制御領域位置設定部１１０は、複数の制御領域の位置を設定する（ステップ１００）。

次に、伝達関数設定部１２０は、制御領域位置設定部１１０によって設定された複数の制御領域の位置を用いて伝達関数を設定する（ステップ１０２）。

次に、スピーカ重み決定部１４０は、伝達関数設定部１２０によって設定された伝達関数を用いて、複数の制御領域を再現するために必要な複数のスピーカの重みであって、複数のスピーカに入力するオーディオ信号に重み付けを行う重みを決定する（ステップ１０４）。

ところで、本発明の音場再現システムは、利用者の聴取位置となり得る位置の組み合わせを予め想定し、それぞれの組み合わせに対応する１あるいは複数の制御領域の音場を再現するものである。図７は、本発明を適用した一実施形態の音場制御装置の構成を示す図である。

図７に示す音場制御装置５００は、オーディオ装置６００の出力側に接続されており、Ｍ個の増幅器５１０−１、５１０−２、・・・、５１０−Ｍ、パラメータ格納部５２０、パラメータ設定部５２６、組み合わせ決定部５２２、操作部５２４、Ｍ個のスピーカ５３０−１、５３０−２、・・・、５３０−Ｍ、を備えている。

増幅器５１０−１等のそれぞれは、利得が変更可能であって、オーディオ装置６００から入力されるオーディオ信号を所定の利得で増幅（あるいは減衰）して出力する。出力されたオーディオ信号は、１対１に対応するスピーカ５３０−１等に入力される。

パラメータ格納部５２０は、１あるいは複数の利用者による聴取位置を想定し、所定の波面を用いて、聴取位置に１対１に対応する１あるいは複数の制御領域を実現するために必要な複数のスピーカ５３０−１等のそれぞれに対応する重みを、複数の聴取位置の中の少なくとも１つからなる任意の組み合わせＫ毎に格納する。

組み合わせ決定部５２２は、利用者による実際の聴取形態に合わせて聴取位置の組み合わせＫを決定する。具体的には、本実施形態の音場制御装置５００には、利用者によって操作される操作部５２４が備わっており、組み合わせ決定部５２２は、操作部５２４を用いた利用者の指示に応じて聴取位置の組み合わせＫを決定する。

上述した増幅器５１０−１等が利得調整手段に、パラメータ格納部５２０がスピーカ重み格納手段に、組み合わせ決定部５２２が組み合わせ決定手段に、パラメータ設定部５２６が利得設定手段に、操作部５２４が操作手段にそれぞれ対応する。

図８は、本実施形態で再現される複数の制御領域を実際の車室内空間に適用する場合の聴取位置の組み合わせの一例を示す説明図である。図８に示す車室内空間Ｓ１には複数の座席Ｄ（例えば６席）が備わっており、最小で運転者１人の場合から最大で運転者が１人と他の搭乗者が５人で合計６人の場合までに対応した聴取位置の組み合わせが考えられる。

利用者は、図８に示す６つの座席Ｄの中で、１あるいは複数の聴取位置を選択する。この選択では、オーディオ音の聴取を実際に行う１あるいは複数の利用者の着座位置が指定される。例えば、図８に示した６つの座席Ｄが模式的に表された座席図が表示装置（図示せず）に表示された状態で、利用者によって操作部５２４が操作され、１あるいは複数の座席Ｄが選択される。なお、必ずしも模式的な座席図を用いる必要はなく、「前列・中列・後列」と「左・右」の組み合わせの内容を指定できればよい。組み合わせ決定部５２２は、操作部５２４の操作結果に応じて聴取位置の組み合わせＫを決定する。

パラメータ設定部５２６は、組み合わせ決定部５２４によって決定された組み合わせＫに対応する複数のスピーカ５３０−１等のそれぞれの重みをパラメータ格納部５２０から読み出して、増幅器５１０−１等のそれぞれの利得を設定する。具体的には、組み合わせＫに対応して、上述した（２５）式を用いて決定したスピーカの重み行列Ｐの各要素であるＰ₁，Ｐ₂，・・・，Ｐ_Mのそれぞれを、増幅器５１０−１、５１０−２、・・・、５１０−Ｍのそれぞれの利得として設定する。

このように、本実施形態の音場再現システムでは、音場を球面調和関数を用いて表現する高次アンビソニックスの手法を１あるいは複数の制御領域に対して同時に適用して、各スピーカの重みを決定することにより、１あるいは複数の制御領域において音場を高い精度で再現することが可能となる。

また、利用者が操作部５２４を操作して複数の制御領域の位置を指定しているため、利用者が指定した複数の位置における音場を高い精度で実現することができる。

また、上述した（２５）式を用いることにより、既知の値を有する変換関数行列Ｂおよび再変換関数行列Ｃを用いて複数のスピーカの重みを容易に決定することが可能となる。

図９は、実際の音響空間（例えば、図８に示す車室内空間）に合わせて、複数の聴取位置の中の少なくとも１つからなる任意の組み合わせＫ毎にスピーカの重みＰを決定する音場再現装置の構成を示す図である。図９に示す音場再現装置２００は、聴取位置の複数の組み合わせＫのそれぞれについて、上述した（２５）式に基づいてスピーカの重みＰを決定する処理を行っており、組み合わせ設定部２１０、伝達関数測定部２２０、ＨＯＡ関数設定部１３０、スピーカ重み決定部１４０を備えている。ＨＯＡ関数設定部１３０とスピーカ重み決定部１４０は、図５に示したものと基本的に同じであり、以下では組み合わせ設定部２１０と伝達関数測定部２２０について詳細に説明する。

組み合わせ設定部２１０は、聴取位置の複数の組み合わせＫの中から１つを指定し、この指定した組み合わせＫに対応する１あるいは複数の制御領域を設定する。

伝達関数測定部２２０は、複数のスピーカ５３０−１等と、組み合わせ設定部２１０によって設定した１あるいは複数の制御領域との間の音場の伝達関数を測定する。この伝達関数測定部２２０は、適応フィルタのタップ係数をＬＭＳアルゴリズムを用いて設定することにより、伝達関数の同定を行う。

上述した伝達関数測定部２２０が伝達関数測定手段に、スピーカ重み決定部１４０がスピーカ重み決定手段にそれぞれ対応する。

図１０は、図９に示した伝達関数測定部２２０の詳細構成を示す図である。図１０に示すように、伝達関数測定部２２０は、測定信号源２２１、スイッチ２２２、２２６、Ｃ特性同定部２２４、Ｎ個のマイクロホン２２５−１、２２５−２、・・・、Ｍ個のスピーカ５３０−１、５３０−２、・・・を備える。

測定信号源２２１は、伝達関数測定のための測定信号（例えば、白色ノイズ信号）を発生する。スイッチ２２２は、測定信号源２２１から出力される測定信号をＭ個のスピーカ５３０−１等のいずれかに選択的に入力する。Ｃ特性同定部２２４は、Ｍ個のスピーカ５３０−１等のそれぞれとＮ個のマイクロホン２２５−１等の中の１つあるいは複数（着目している組み合わせＫに含まれる聴取位置に１対１に対応するマイクロホン）との間の音響空間の伝達関数を同定する。伝達関数を同定する具体的な構成および動作については後述する。スイッチ２２６は、Ｎ個のマイクロホン２２５−１等の出力の中から、着目している組み合わせＫに含まれる聴取位置に１対１に対応する出力を選択してＣ特性同定部２２４に入力する。

ところで、この実施形態におけるＭ個のスピーカ５３０−１等とＮ個のマイクロホン２２５−１等の配置は、実際に音響空間を用いて行われる。例えば、図８に示した例では、車室内空間に設置された６つの座席Ｄに６人の利用者が着座する場合の各利用者の頭部位置に６個のマイクロホン２２５−１等が設置され、これらの座席を囲むように車室内空間を形成する壁面に沿ってＭ個のスピーカ５１０−１等が設置される。組み合わせ設定部２１０によって組み合わせＫが指定されると、この組み合わせＫ（あるいは、この組み合わせに対応する聴取位置を特定する情報）がスイッチ２２６に入力される。スイッチ２２６は、組み合わせＫに含まれる聴取位置に１対１に対応する座席に設置されたマイクロホン２２５−１等の出力のみをＣ特性同定部２２４に入力する選択動作を行う。

図１１は、図９および図１０に示した音場再現装置２００を用いてスピーカの重みＰを決定する動作手順を示す流れ図である。

まず、組み合わせ設定部２１０は、聴取位置の複数の組み合わせＫの中から１つを選択する（ステップ２００）。次に、組み合わせ設定部２１０（あるいは、他の制御部（図示せず、Ｃ特性同定部２２４が同じ動作を行うようにしてもよい））は、選択された組み合わせＫに含まれる１つの制御領域に対応する１つのマイクロホン２２５−１等を選択するとともに（ステップ２０２）、１つのスピーカ５３０−１等を選択する（ステップ２０４）。

次に、測定信号源２２１から測定信号を出力する（ステップ２０６）。この測定信号は、ステップ２０４で選択されたスピーカ５３０−１等から出力される。

次に、Ｃ特性同定部２２４は、ステップ２０２で選択されたマイクロホン２２５−１等によってこの測定信号を収音し（ステップ２０８）、選択されたスピーカとマイクロホン間のＣ特性（伝達関数）を同定する（ステップ２１０）。

次に、組み合わせ設定部２１０は、選択していない他のスピーカがあるか否かを判定する（ステップ２１２）。ある場合には肯定判断が行われ、ステップ２０４に戻って他のスピーカについて同様の同定動作が繰り返される。また、すべてのスピーカについての同定動作が終了するとステップ２１２の判定において否定判断が行われる。

次に、組み合わせ設定部２１０は、選択していない他の制御領域（他のマイクロホン）があるか否かを判定する（ステップ２１４）。ある場合には肯定判断が行われ、ステップ２０２に戻って他の制御領域について同様の同定動作が繰り返される。また、すべての制御領域についての同定動作が終了するとステップ２１４の判定において否定判断が行われる。

次に、スピーカ重み決定部１４０は、すべてのスピーカと組み合わせＫに対応する１あるいは複数のマイクロホンとの組み合わせについて測定した伝達関数を用いて、組み合わせＫに対応する１あるいは複数の制御領域を再現するために必要なＭ個のスピーカの重みであって、これらＭ個のスピーカに入力するオーディオ信号に重み付けを行う重みを決定する（ステップ２１６）。

次に、組み合わせ設定部２１０は、選択していない他の組み合わせＫがあるか否かを判定する（ステップ２１８）。未選択の組み合わせＫが存在する場合には肯定判断が行われ、ステップ２００に戻って他の組み合わせＫの選択動作以降の処理が繰り返される。また、全ての組み合わせＫについて選択が終了した場合にはステップ２１８の判定において否定判断が行われ、全ての組み合わせＫについてスピーカ重みの重みを決定する一連の処理が終了する。

次に、Ｃ特性（伝達特性）を同定する具体的な構成と動作について説明する。図１２は、Ｃ特性（伝達特性）同定を行う説明図である。図１２に示す説明図では、例えばスピーカ５３０−１とマイクロホン２２５−１との間のＣ特性を同定する場合が示されている。

図１２に示すように、Ｃ特性同定部２２４は、適応フィルタ２２４Ａ、演算部２２４Ｂ、ＬＭＳアルゴリズム処理部２２４Ｃを備えており、適応フィルタ２２４Ａの特性を伝達関数として同定を行う。

適応フィルタ２２４Ａは、測定信号源２２１から出力される測定信号が入力されるＦＩＲ型のフィルタである。演算部２２４Ｂは、マイクロホン５３０−１等の出力信号と適応フィルタ２２４Ａの出力信号の差分を計算して誤差信号εを出力する。

ＬＭＳアルゴリズム処理部２２４Ｃは、測定信号と誤差信号とが入力されており、適応アルゴリズムとしてＬＭＳアルゴリズムを用いることにより適応フィルタ２２４Ａのタップ係数Ｗ（ｎ）を設定する。

このように、本実施形態の音場再現装置２００では、音場を球面調和関数を用いて表現する高次アンビソニックスの手法を複数の制御領域に対して同時に適用して各スピーカの重みを決定する際に、伝達関数を実測することにより、音響空間内で生じる反射等の影響を加味した伝達関数を得ることができ、複数の制御領域において音場をさらに高い精度で再現することが可能となる。

このように、本実施形態の音場再現システムでは、利用者による実際の聴取形態に合わせて必要最小限の聴取位置を設定することが可能になるため、１あるいは複数の利用者のそれぞれに対応する制御領域において音場を高い精度で再現することができる。また、聴取位置の組み合わせＫを変更する際に、必要なスピーカの重みＰを読み出して利得の設定を行うだけであるため、音場を再現する際の処理の簡略化が可能となる。

また、パラメータ格納部５２０に格納されている重みＰは、伝達関数測定部２２０によって測定された伝達関数を用いてスピーカ重み決定部１４０によって決定される。音場を球面調和関数を用いて表現する高次アンビソニックスの手法を１あるいは複数の制御領域に対して同時に適用して各スピーカの重みＰを決定する際に、伝達関数を実測することにより、音響空間内で生じる反射等の影響を加味した伝達関数を得ることができ、１あるいは複数の制御領域において音場をさらに高い精度で再現することが可能となる。

また、伝達関数測定部２２０は、適応フィルタのタップ係数をＬＭＳアルゴリズムを用いて設定することにより、伝達関数の同定を行っている。特に、伝達関数測定部２２０は、測定信号を発生する測定信号源２２１と、測定信号が入力される適応フィルタ２２４Ａと、測定信号を複数の制御領域が含まれる音響空間に出力する複数のスピーカ５３０−１等と、複数の制御領域に設置されており、複数のスピーカ５３０−１等から出力される音を収音するマイクロホン２２５−１等と、マイクロホン２２５−１等の出力信号と適応フィルタ２２４Ａの出力信号の差を計算して誤差信号を出力する演算部２２４Ｂと、測定信号と誤差信号とが入力されており、ＬＭＳアルゴリズムを用いることにより、適応フィルタ２２４Ａのタップ係数を設定するＬＭＳアルゴリズム処理部２２４Ｃとを備え、適応フィルタ２２４Ａの特性を伝達関数として同定を行っている。これにより、正確に伝達関数を測定することが可能となる。

また、スピーカ重み決定部１４０は、高次アンビソニックスの変換関数行列をＢ、スピーカの重み行列をＰ、伝達関数により各要素が設定される再変換関数行列をＣとしたときに、これらの各行列間の関係に基づいて複数のスピーカの重みを決定している。また、上述した変換関数行列Ｂ、スピーカの重み行列Ｐ、再変換関数行列Ｃの間には、ＣＰ＝Ｂの関係式が成立し、スピーカ重み決定部１４０は、上述した関係式に基づいて複数のスピーカの重みＰを決定している。これにより、既知の値を有する変換関数行列Ｂおよび再変換関数行列Ｃを用いて複数のスピーカ５３０−１等の重みを容易に決定することが可能となる。

また、利用者によって操作される操作部５２４を備えており、組み合わせ決定部５２２は、操作部５２４を用いた利用者の指示に応じて組み合わせの内容を決定している。これにより、利用者による実際の聴取形態を、構成の複雑化を招くことなく容易に取得することが可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、利用者が操作部５２４を操作して聴取位置の組み合わせＫを指示するようにしたが、自動で検出するようにしてもよい。

図１３は、変形例の音場制御装置５００Ａの構成を示す図である。図１３に示す音場制御装置５００Ａは、図７に示した音場制御装置５００に対して、操作部５２４を聴取位置検出部５２４Ａに置き換えた点が異なっている。聴取位置検出部５２４Ａが聴取位置検出手段に対応する。この聴取位置検出部５２４Ａは、例えば、車室内空間を撮像するカメラと、撮像された画像に含まれる人の頭部位置を認識する画像処理部を含んで構成されている。この聴取位置検出部５２４Ａによって、どの座席に利用者が着座しているか、この利用者は大人か子供かを、利用者が特別な操作を行うことなく検出することができる。なお、パラメータ格納部５２０には各聴取位置に対応して予め測定された伝達関数を格納しておく必要があるため、検出した大人あるいは子供の頭部位置そのものを用いるのではなく、これらに近い代表値を予め用意しておいて、最も近い代表値を選択する必要がある。組み合わせ決定部５２２は、聴取位置検出部５２４Ａによって検出された聴取位置に基づいて組み合わせの内容を決定する。これにより、利用者自身が何らかの操作を行うことなく、利用者による実際の聴取形態を容易に取得することが可能となる。

また、上述した実施形態では、複数の制御領域が含まれる具体例として車室内空間を説明したが、本発明を適用する音響空間はこれら以外、例えば、ホームシアター用の室内などであってもよい。

また、上述した実施形態では、平面波によって複数の制御領域を再現する場合について説明したが、平面波以外の所定の波面を用いて複数の制御領域を再現する場合についても本発明を適用することができる。

上述したように、本発明によれば、利用者による実際の聴取形態に合わせて必要最小限の聴取位置を設定することが可能になるため、１あるいは複数の利用者のそれぞれに対応する制御領域において音場を高い精度で再現することができる。また、聴取位置の組み合わせを変更する際に、必要なスピーカの重みを読み出して利得の設定を行うだけであるため、音場を再現する際の処理の簡略化が可能となる。

１００、２００ 音場再現装置
１１０ 制御領域位置設定部
１１２ 操作部
１２０ 伝達関数設定部
１３０ ＨＯＡ関数設定部
１４０ スピーカ重み決定部
２１０ 組み合わせ設定部
２２０ 伝達関数測定部
２２１ 測定信号源
２２２ スイッチ
２２４ Ｃ特性同定部
２２５−１、２２５−２、・・・ マイクロホン
５００ 音場制御装置
５１０−１、５１０−２、・・・ 増幅器
５２０ パラメータ格納部
５２２ 組み合わせ決定部
５２４ 操作部
５２４Ａ 聴取位置検出部
５２６ パラメータ設定部
５３０−１、５３０−２、・・・ スピーカ
６００ オーディオ装置

Claims (10)

1. 複数のスピーカと、
   前記複数のスピーカのそれぞれに対応しており、オーディオ信号に重み付けを行い、それぞれの重みに対応する利得が設定された複数の利得調整手段と、
   １あるいは複数の利用者による聴取位置を想定し、所定の波面を用いて１あるいは複数の制御領域を実現するために必要な前記複数のスピーカのそれぞれに対応する前記重みを、複数の前記聴取位置の中の少なくとも１つからなる任意の組み合わせ毎に格納するスピーカ重み格納手段と、
   利用者による実際の聴取形態に合わせて前記組み合わせの内容を決定する組み合わせ決定手段と、
   前記組み合わせ決定手段による決定内容に対応する前記複数のスピーカのそれぞれの前記重みを前記スピーカ重み格納手段から読み出して、前記複数の利得調整手段のそれぞれの利得を設定する利得設定手段と、
   を備えることを特徴とする音場再現システム。
2. 請求項１において、
   前記所定の波面は平面波であることを特徴とする音場再現システム。
3. 請求項１または２において、
   前記スピーカ重み格納手段に格納されている前記重みは、前記複数のスピーカと前記１あるいは複数の制御領域との間の音場の伝達関数を用いて決定されることを特徴とする音場再現システム。
4. 請求項３において、
   前記スピーカ重み格納手段に格納される前記重みは、伝達関数測定手段によって測定された前記伝達関数を用いてスピーカ重み決定手段によって決定されることを特徴とする音場再現システム。
5. 請求項４において、
   前記伝達関数測定手段は、適応フィルタのタップ係数をＬＭＳアルゴリズムを用いて設定することにより、前記伝達関数の同定を行うことを特徴とする音場再現システム。
6. 請求項４または５において、
   前記伝達関数測定手段は、
   測定信号を発生する測定信号源と、
   前記測定信号が入力される適応フィルタと、
   前記測定信号を前記複数の制御領域が含まれる音響空間に出力する前記複数のスピーカと、
   前記複数の制御領域に設置されており、前記複数のスピーカから出力される音を収音するマイクロホンと、
   前記マイクロホンの出力信号と前記適応フィルタの出力信号の差を計算して誤差信号を出力する演算部と、
   前記測定信号と前記誤差信号とが入力されており、ＬＭＳアルゴリズムを用いることにより、前記適応フィルタのタップ係数を設定するＬＭＳアルゴリズム処理部と、
   を備え、前記適応フィルタの特性を前記伝達関数として同定を行うことを特徴とする音場再現システム。
7. 請求項４〜６のいずれか一項において、
   前記スピーカ重み決定手段は、高次アンビソニックスの変換関数行列をＢ、前記スピーカの重み行列をＰ、前記伝達関数により各要素が設定される再変換関数行列をＣとしたときに、これらの各行列間の関係に基づいて前記複数のスピーカの重みを決定することを特徴とする音場再現システム。
8. 請求項７において、
   前記変換関数行列Ｂ、前記スピーカの重み行列Ｐ、前記再変換関数行列Ｃの間には、ＣＰ＝Ｂの関係式が成立し、
   前記スピーカ重み決定手段は、前記関係式に基づいて前記複数のスピーカの重みを決定することを特徴とする音場再現システム。
9. 請求項１〜８のいずれか一項において、
   利用者によって操作される操作手段をさらに備え、
   前記組み合わせ決定手段は、前記操作手段を用いた利用者の指示に応じて前記組み合わせの内容を決定することを特徴とする音場再現システム。
10. 請求項１〜８のいずれか一項において、
    所定の検出範囲内に含まれる１あるいは複数の利用者の聴取位置を検出する聴取位置検出手段をさらに備え、
    前記組み合わせ決定手段は、前記聴取位置検出手段によって検出された聴取位置に基づいて前記組み合わせの内容を決定することを特徴とする音場再現システム。

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