JP2021164109A

JP2021164109A - 音場補正方法、音場補正プログラムおよび音場補正システム

Info

Publication number: JP2021164109A
Application number: JP2020066627A
Authority: JP
Inventors: 卓菅井; Taku Sugai
Original assignee: Alps Alpine Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2020-04-02
Filing date: 2020-04-02
Publication date: 2021-10-11

Abstract

【課題】低コストで音場補正を行うことができる音場補正方法、音場補正プログラムおよび音場補正システムを提供する。【解決手段】本発明の音場補正方法は、スマートフォン３００を聴取点に配置し、オーディオ機能を備えた車載装置２００が出力する音声をスマートフォン３００のマイクロフォンから入力し、入力した音声信号に基づきインパルス応答を測定するステップと、スマートフォン３００において、インパルス応答の測定結果に基づき音場を補正するための補正フィルタを算出するステップと、スマートフォン３００において、補正フィルタに基づき逆フィルタリング補正を施した補正音声信号を生成するステップと、補正音声信号を車載装置２００に送信するステップと、車載装置２００において補正音声信号に基づき音声を出力するステップとを有する。【選択図】図６

Description

本発明は、ディジタル音声信号を再生する機能を備えたオーディオシステムに関し、特に音場の補正に関する。

オーディオ機器によって再生される音声の品質は、オーディオ機器やスピーカーの音響特性やオーディオ空間の音響特性によって左右される。聴取点における最適な音場環境を得るため、オーディオ機器には、イコライザやタイムコレクション等の補正機能が設けられている。例えば、特許文献１のオーディオ再生システムでは、聴取点にスマートフォンを配置し、スマートフォンのマクロフォンを用いてスピーカーから出力された音声を検出し、検出された信号に基づきフィルタの効率的な較正を行う技術が開示されている。

また、車室内にはスピーカーが左右に配置され、運転席から各スピーカーまでの距離が等しくないため、運転席の聴取点では、各スピーカーからの音の大きさや位相が異なる。このため、左右のスピーカーから運転席のマイクロフォンまでの到達時間差や周波数特性差を測定し、左右のスピーカーからの音の出力タイミングを調整したり、左右のスピーカーから出力される音の周波数特性の調整が行われる。例えば、特許文献２の車室内音場調整システムは、携帯電話機のマイクフォンに入力されたテスト音の測定データを受信し、受信した測定データに基づき音場を調整するパラメータを設定し、音場調整された音声をスピーカーから出力させるものである。特許文献３の音響特性測定装置は、スピーカーから測定音を出力し、携帯端末装置のマイクロフォンで集音した音の特性情報を携帯端末装置の姿勢を異ならせて取得することで、携帯端末装置の向きに起因する音響特性の測定精度の低下を抑制するものである。

特表２０１５−５１３８３２公報特開２００６−３４０２８５号公報特開２０１６−２１２３１２号公報

オーディオ機器には、音の補正機能としてイコライザやタイムコレクション等が搭載されるが、タイムコレクションでは、各スピーカーからの音の到達時間を合わせることは可能であるが、各周波数の位相を補正することができない。例えば、運転席の聴取点で、左右のスピーカーから出力される音声の位相が反転等していると、運転者にとっては心地良いものではない。

そこで、オーディオ機器の音場補正機能として、インパルス応答を測定し、インパルス応答を、例えばフーリエ変換を用いて畳み込み演算を行うことで、スピーカー等を含むオーディオ空間の周波数特性（振幅特性や位相特性を含む）を分析し、この分析結果から補正フィルタを計算し、再生する音声信号に逆フィルタリング補正(等価、イコライジング)を行うものがある。

図１は、従来のオーディオ機器の音場補正方法を説明する図である。図１（Ａ）に示すように、オーディオ機器１０は、例えば、測定用信号の音声をスピーカー１２から出力させる。このとき、聴取位置には、マイクロフォン２０が配置され、マイクロフォン２０は、スピーカー１２から出力された音声を入力し、入力した音声信号をオーディオ機器１０へ送信する。オーディオ機器１０は、受信した音声信号に基づき聴取位置におけるインパルス応答を測定する。

次に、図１（Ｂ）に示すように、オーディオ機器１０は、インパルス応答の測定結果に基づき、聴取位置における最適な音場を得るための補正フィルタ（各周波数の位相や振幅等の補正を含む）を計算する。

次に、図１（Ｃ）に示すように、オーディオ機器１０は、スマートフォン３０で再生された音声信号を受信し、受信した音声信号に補正フィルタの逆フィルタリング補正を行い、この補正された音声信号をスピーカー１２から出力させる。これにより、聴取位置では、振幅や位相等が補正された音声を聴くことができる。

しかしながら、上記のような逆フィルタリング補正による音場補正機能を実現するためには、オーディオ機器が、インパルス応答を測定するための測定機能、補正フィルタ計算や逆フィルタ補正計算の機能を搭載しなければならず、これらの機能は、主にＤＳＰ（Digital Signal Processor）等を用いた高度なディジタル計算処理を必要とし、そのためにオーディオ機器のコストが増加してしまうという課題がある。

本発明は、このような従来の課題を解決し、低コストで音場補正を行うことができる音場補正方法、音場補正プログラムおよび音場補正システムを提供することを目的とする。

本発明に係る音場補正方法は、音声を出力するオーディオ機能を備えた電子装置と当該電子装置に接続された携帯端末とを含むオーディオシステムにおけるものであって、携帯端末を聴取点に配置し、前記電子装置が出力する音声を前記携帯端末のマイクロフォンから入力し、入力した音声信号に基づきインパルス応答を測定するステップと、前記携帯端末において、インパルス応答の測定結果に基づき音場を補正するための補正フィルタを算出するステップと、前記携帯端末において、前記補正フィルタに基づき逆フィルタリング補正を施した補正音声信号を生成するステップと、前記携帯端末から前記電子装置に前記補正音声信号を送信するステップと、前記電子装置において前記補正音声信号の音声を出力するステップとを有する。

ある実施態様では、前記携帯端末は、前記電子装置に測定用信号を送信するステップを含み、前記測定するステップは、前記測定用信号のインパルス応答を測定する。ある実施態様では、前記携帯端末は、音声信号を再生する機能を備えた携帯型多機能電話機（スマートフォン）である。ある実施態様では、前記聴取点は、車内の座席のヘッドレストの近傍である。

本発明に係る音場補正プログラムは、音声を出力するオーディオ機能を備えた電子装置と通信可能な携帯端末が実行するものであって、携帯端末を聴取点に配置し、前記電子装置が出力する音声を前記携帯端末のマイクロフォンから入力し、入力した音声信号に基づきインパルス応答を測定するステップと、前記携帯端末において、インパルス応答の測定結果に基づき音場を補正するための補正フィルタを算出するステップと、前記携帯端末において、前記補正フィルタに基づき逆フィルタリング補正を施した補正音声信号を生成するステップと、前記携帯端末から前記電子装置に前記補正音声信号を送信するステップとを有し、前記電子装置に前記補正音声信号の音声を出力させる。

本発明に係る音場補正システムは、音声を出力するオーディオ機能を備えた電子装置と、当該電子装置と通信が可能な携帯端末とを含むものであって、前記携帯端末は、聴取点において前記電子装置が出力する音声を入力し、入力した音声信号に基づきインパルス応答を測定する測定手段と、インパルス応答の測定結果に基づき音場を補正するための補正フィルタを算出する算出手段と、前記補正フィルタに基づき逆フィルタリング補正を施した補正音声信号を生成する生成手段と、前記補正音声信号を前記電子装置に送信する送信手段とを有し、前記電子装置は、前記送信手段により送信された前記補正音声信号を受信する受信手段と、受信した前記補正音声信号に基づき音声を出力する出力手段とを有する。

本発明によれば、携帯端末側でインパルス応答を測定し、測定結果に基づき補正フィルタを算出し、音声信号の逆フィルタリング補正を行うようにしたので、音声を出力する機能を備えた電子装置のコストを低減することができる。

従来のオーディオ機器の音場補正方法を説明する図である。本発明の実施例に係るオーディオシステムの構成を示す図である。図２に示す車載装置の構成を示す図である。多機能型携帯電話機（スマートフォン）の構成を示す図である。本発明の実施例に係る音場補正プログラムの機能的な構成を示す図である。本発明の実施例に係るオーディオシステムにおける音場補正方法を説明する図である。

本発明に係る音声を出力する機能を備えた電子装置は、特に限定的に解釈されるものではなく、１つまたは複数のスピーカーから音声を出力する機能を備えた車載装置、オーディオ機器、コンピュータ装置等などを広く包含するものである。また、本発明に係る携帯端末は、多機能型携帯電話機（スマートフォン）、ディジタルオーディオプレイヤー、タブレット型情報端末などを含み、これらの携帯端末は、電子装置と通信する機能に加えて、音場補正機能を実行するために必要なマイクロフォンや高速演算可能な中央処理装置（ＣＰＵ）やＤＳＰ等を備える。携帯端末と接続された電子装置は、携帯端末が音場補正機能を実行することにより、ハードウエアを追加することなく携帯端末側の音場補正機能を利用することができる。

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図２は、本発明の実施例に係る音場補正機能を備えたオーディオシステムの構成を示す図である。オーディオシステム１００は、オーディオ再生機能を備えた車載装置２００と、車載装置２００と通信手段１１０を介して接続されたスマートフォン３００とを含む。ここでは、車内のオーディオ空間にいて音場を補正する例を説明する。

図３は、車載装置２００の内部構成を示すブロック図である。車載装置２００は、入力部２１０、ナビゲーション部２２０、マルチメディア再生部２３０、通信部２４０、表示部２５０、音声出力部２６、記憶部２７０および制御部２８０を含んで構成される。但し、ここに示す構成は一例である。

入力部２１０は、ユーザーからの入力を受け取るための入力キーデバイス、音声を入力するためのマイクロフォン、タッチパネルなどを含む。ナビゲーション部２２０は、ＧＰＳ測位等を利用して自車位置を検出し、検出した自車位置周辺の道路地図を表示したり、目的地までの経路を探索する。マルチメディア再生部２３０は、ハードディスクや半導体メモリ等の記録媒体に記録されたディジタル音声信号やディジタルビデオ信号を再生し、表示部２５０や音声出力部２６０から出力させる。

通信部２４０は、４Ｇ／５Ｇ等の公衆無線回線網、ＬＡＮやブルートゥース等の近距離無線通信などの通信機能を備え、外部機器や外部ネットワーク等との間で有線または無線によるデータ通信を可能にする。例えば、通信部２４０は、図２に示すように車載装置２００とスマートフォン３００との間の通信手段１１０を構成する。ある実施態様では、車載装置２００は、スマートフォン３００を接続したとき、スマートフォン３００で再生されたディジタル音声信号を受け取り、音声出力部２６０に受信したディジタル音声信号の音声を出力させることができる。

表示部２５０は、ナビゲーション部２２０で生成された道路地図等を表示したり、マルチメディア再生部２３０で再生されたビデオ信号を表示したりする。音声出力部２６０は、ナビゲーション部２２０で生成されたディジタル音声信号やマルチメディア再生部２３０で再生されたディジタル音声信号を受け取り、受信したディジタル音声信号をアナログ音声信号に変換し、変換されたアナログ音声信号はアンプにより増幅されてスピーカー２６２から音声として出力される。スピーカー２６２は、例えば、車内のフロント側やリア側の左右に配置される。

記憶部２７０は、車載装置２００に必要なデータ（例えば、ナビゲーション部１２０の道路地図データベース）を記憶したり、車載装置２００において実行可能な種々のアプリケーションソフトウエアやプログラム等を記憶する。

制御部２８０は、車載装置２００の各部の動作を制御するためのハードウエアやソフトウエアを含み、例えば、ＲＯＭ／ＲＡＭ等を備えたマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ等を含む。制御部２８０は、スマートフォン３００が通信手段１１０を介して接続されたとき、スマートフォン３００と連携した動作を制御することが可能である。

図４は、スマートフォン３００の内部構成を示すブロック図である。スマートフォン３００は、入力部３１０、通信部３２０、表示部３３０、音声出力部３４０、撮像カメラ３５０、記憶部３６０および制御部３７０を含んで構成される。

入力部３１０は、ユーザーからの入力を受け取るためのキーボード、タッチパネル、音声を入力するためのマイクロフォンなどを含む。通信部３２０は、４Ｇ／５Ｇ等の公衆無線回線網、ＬＡＮやブルートゥース等の近距離無線通信などの通信機能を備え、外部機器や外部ネットワーク等との間で有線または無線によるデータ通信を可能にする。例えば、通信部３２０は、図２に示すように車載装置２００とスマートフォン３００との間の通信手段１１０を構成する。

表示部３３０は、スマートフォン３００で実行されるアプリケーションによって生成されたディジタルビデオ信号や通信部３２０で受信したディジタルビデオ信号等をディスプレイに表示させる。音声出力部３４０は、スマートフォン３００で実行されるアプリケーションによって生成されたディジタル音声信号や通信部３２０で受信したディジタル音声信号等をスピーカーから音声出力させる。撮像カメラ３５０は、撮像素子と撮像レンズ等を含み、画像を撮像する。記憶部３６０は、スマートフォン３００に搭載された種々のアプリケーションソフトウエアや種々のデータ等を記憶する。

制御部３７０は、スマートフォン３００の全体を制御するためのソフトウエアおよび／またはハードウエアを含む。また、制御部３７０は、高速演算処理が可能なＣＰＵやＤＳＰ等を含み、これらのハードウエア資源を利用して音場補正機能を実行するための音場補正プログラムを実行する。音場補正プログラムは、スマートフォン３００が車載装置２００に接続されたとき、車内のオーディオ空間の聴取位置において音場を補正するものである。また、音場補正プログラムは、スマートフォン用のアプリケーションソフトウエアとしてサーバーからダウンロードし、実装するようにしてもよい。

図５に、音場補正プログラム４００の機能的な構成を示す。音場補正プログラム４００は、測定用信号送信部４１０、インパルス応答測定部４２０、補正フィルタ計算部４３０、逆フィルタリング補正部４４０および補正音声信号送信部４５０を含む。

測定用信号送信部４１０は、音場補正プログラム４００が実行されるとき、測定用信号を車載装置２００へ送信する。測定用信号は、インパルス応答を測定するための音源であり、ディジタル音声信号である。車載装置２００の制御部２８０は、通信部２４０を介して測定用信号を受信すると、音場補正プログラム４００が実行されたことを認識し、音声出力部２６０を介して測定用信号の音声をスピーカー２６２から出力させる。

インパルス応答測定部４２０による測定が行われるとき、スマートフォン３００は、車内の聴取位置に配置される。例えば、運転席で音声を聴取する場合には、スマートフォン３００が運転席のヘッドレストの左右の耳の位置の中央部付近に配置される。また、助手席で音声を聴取する場合には、スマートフォン３００が助手席のヘッドレストの中央部付近に配置される。聴取位置に配置されたスマートフォン３００は、車載装置２００が測定用信号の音声をスピーカー２６２から出力すると同時に、出力された音声を内蔵するマイクロフォンから入力する。インパルス応答測定部４２０は、マイクロフォンから入力された音声信号に基づきインパルス応答を測定し、測定結果を補正フィルタ計算部４３０へ提供する。なお、マイクロフォンは必ずしも内蔵に限らず、スマートフォンに外付けされるものであってもよい。

補正フィルタ計算部４３０は、インパルス応答の測定結果を、例えばフーリエ変換を用いて畳み込み演算を行うことで、車内のオーディオ空間の周波数特性（振幅特性や位相特性を含む）を分析し、この分析結果から聴取位置の音場を補正するための補正フィルタを計算する。補正フィルタは、例えば、測定用信号の音源と聴取位置での音声との間の伝達周波数特性を表す。計算された補正フィルタは、逆フィルタリング補正部４４０へ提供される。

逆フィルタリング補正部４４０は、スマートフォン３００で再生される音声信号に補正フィルタを反映させた音声信号を生成する。つまり、再生される音声信号の逆フィルタリング補正を行い、車載装置２００が逆フィルタリング補正された音声信号の音声を出力したとき、聴取位置において元の音声信号の音声が聴取できるようにする。

補正音声信号送信部４５０は、逆フィルタリング補正部４４０で逆フィルタリング補正により生成された補正音声信号を通信部３２０を介して車載装置２００へ送信する。車載装置２００は、通信部２４０を介して受信した補正音声信号を音声出力部２６０を介してスピーカー２６２から音声出力させる。

次に、本実施例のオーディオシステムの音場補正動作について図６を参照して説明する。先ず、図６（Ａ）に示すように、スマートフォン３００は、音場補正プログラムが動作されると、通信手段１１０を介して測定用信号を車載装置２００へ送信する。車載装置２００は、受信した測定用信号の音声をスピーカー２６２から出力する。このとき、聴取位置に配置されたスマートフォン３００は、スピーカー２６２から出力された音声をマイクロフォンから入力し、入力した音声信号に基づきインパルス応答を測定する。次に、図６（Ｂ）に示すように、スマートフォン３００は、インパルス応答の測定結果から補正フィルタを計算する。次に、スマートフォン３００は、再生する音声信号について補正フィルタに基づく逆フィルタリング補正を行い、この補正された音声信号を車載装置２００へ送信する。車載装置２００は、スマートフォン３００でストリーミング再生された音場が補正された音声信号を受け取り、この音声をスピーカー２６２から出力する。これにより、聴取位置では、位相や振幅等の音場が補正された音声を聴くことができる。

位相まで考慮した音場補正機能(いわゆるインパルス応答チューイング)に必要とされるものは、（１）インパルス応答測定のための装置、（２）補正フィルタ生成のための計算装置であるが、本実施例では、スマートフォン３００が搭載する高速演算可能なＣＰＵ等を利用してインパルス応答の測定および補正フィルタ生成のための計算を行うようにしたので、車載装置２００は、ハードウエアの追加コストなしに音場補正機能を事実上実現することができる。また、車載装置２００に追加する機能が一切無いので汎用性が高くどのような車載装置やオーディオ機器にも対応することが可能である。

上記実施例では、車内のオーディオ空間における音場補正を行う例を説明したが、これは一例であり、本発明は、他の施設や環境でのオーディオ空間における音場補正にも適用することが可能である。例えば、オーディオ機器を配置した家庭内のオーディオ空間において、所望の聴取位置にスマートフォンを配置させ、オーディオ機器のスピーカーから出力された音声をスマートフォンのマイクロフォンで入力し、聴取位置におけるインパルス応答を測定し、その測定結果からオーディオ空間の周波数音響特性を表す補正フィルタを計算し、スマートフォンで再生されるディジタル音声信号の逆フィルタリング補正を行い、この補正されたディジタル音声信号をオーディオ機器へ送信し、オーディオ機器が受信したディジタル音声信号の音声を出力することで、聴取位置での音場を補正するようにしてもよい。

さらに上記実施例では、１つの聴取位置における音場を補正する例を示したが、本発明は、２つの聴取位置における音場の補正にも適用することが可能である。例えば、運転席のヘッドレストの右の耳の位置にスマートフォンを配置し、そこでインパルス応答を測定し、かつその補正フィルタを生成し、次に、ヘッドレストの左の耳の位置にスマートフォンを配置し、そこでインパルス応答を測定し、かつその補正フィルタを生成し、これら２つの補正フィルタから合成した補正フィルタを生成し、合成した補正フィルタの逆フィルタリング補正を音声信号に施すようにしてもよい。また、２つの聴取位置は、運転席と助手席との関係であってもよく、運転席でインパルス応答を測定し、かつその補正フィルタを生成し、次に助手席でインパルス応答を測定し、かつその補正フィルタを生成することで、運転者と助手席の搭乗者の双方にとって音場補正された心地よい音声を聴かせることが可能になる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の要旨の範囲において、種々の変形、変更が可能である。

１００：オーディオシステム１１０：通信手段
２００：車載装置３００：スマートフォン
４００：音場補正プログラム４１０：測定用信号送信部
４２０：インパルス応答測定部４３０：補正フィルタ計算部
４４０：逆フィルタリング補正部４５０：補正音声信号送信部

Claims

音声を出力するオーディオ機能を備えた電子装置と当該電子装置に接続された携帯端末とを含むオーディオシステムにおける音場補正方法であって、
携帯端末を聴取点に配置し、前記電子装置が出力する音声を前記携帯端末のマイクロフォンから入力し、入力した音声信号に基づきインパルス応答を測定するステップと、
前記携帯端末において、インパルス応答の測定結果に基づき音場を補正するための補正フィルタを算出するステップと、
前記携帯端末において、前記補正フィルタに基づき逆フィルタリング補正を施した補正音声信号を生成するステップと、
前記携帯端末から前記電子装置に前記補正音声信号を送信するステップと、
前記電子装置において前記補正音声信号の音声を出力するステップと、
を有する音場補正方法。
前記携帯端末は、前記電子装置に測定用信号を送信するステップを含み、
前記測定するステップは、前記測定用信号のインパルス応答を測定する、請求項１に記載の音場補正方法。
前記携帯端末は、音声信号を再生する機能を備えた携帯型多機能電話機（スマートフォン）である、請求項１に記載の音場補正方法。
前記聴取点は、車内の座席のヘッドレストの近傍である、請求項１に記載の音場補正方法。
音声を出力するオーディオ機能を備えた電子装置と通信可能な携帯端末が実行する音場補正プログラムであって、
携帯端末を聴取点に配置し、前記電子装置が出力する音声を前記携帯端末のマイクロフォンから入力し、入力した音声信号に基づきインパルス応答を測定するステップと、
前記携帯端末において、インパルス応答の測定結果に基づき音場を補正するための補正フィルタを算出するステップと、
前記携帯端末において、前記補正フィルタに基づき逆フィルタリング補正を施した補正音声信号を生成するステップと、
前記携帯端末から前記電子装置に前記補正音声信号を送信するステップとを有し、
前記電子装置に前記補正音声信号の音声を出力させる、音場補正プログラム。
音声を出力するオーディオ機能を備えた電子装置と、当該電子装置と通信が可能な携帯端末とを含む音場補正システムであって、
前記携帯端末は、
聴取点において前記電子装置が出力する音声を入力し、入力した音声信号に基づきインパルス応答を測定する測定手段と、
インパルス応答の測定結果に基づき音場を補正するための補正フィルタを算出する算出手段と、
前記補正フィルタに基づき逆フィルタリング補正を施した補正音声信号を生成する生成手段と、
前記補正音声信号を前記電子装置に送信する送信手段とを有し、
前記電子装置は、
前記送信手段により送信された前記補正音声信号を受信する受信手段と、
受信した前記補正音声信号に基づき音声を出力する出力手段と、
を有する音場補正システム。