JP3596202B2

JP3596202B2 - 音像定位装置

Info

Publication number: JP3596202B2
Application number: JP33064096A
Authority: JP
Inventors: 祐弘向嶋
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1996-12-11
Filing date: 1996-12-11
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2016-12-11
Also published as: JPH10174198A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、仮想的な音場空間内に音像を定位させる音像定位装置に関し、特に簡単な構成でドップラー効果や反射音の付加並びに複数の音源の定位に適した音像定位装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、音響再生システム、電子楽器、ゲーム等において、音場空間内の任意の位置に仮想音源を定位させて立体音場を生成する音像定位装置が知られている。また、３次元バーチャルリアリティシステムでも、仮想体験における臨場感を向上させる手段として、この種の音像定位装置が使用されている。この種の音像定位装置は、モノラル音源からバイノーラル手法に基づいて、時間差、振幅差及び周波数特性差を持つ複数チャネルの信号を発生させることにより、聴感上、方向感及び距離感を与えるようにして立体音場を生成し、あたかも３次元仮想空間上の各部から音が発しているように音響信号を生成する。
【０００３】
図１０は、従来の音像定位装置の概略構成を示す図である。
音源から供給されたオーディオ信号Ｓｉは、遅延回路６１で時間差を付与されて左右のオーディオ信号ＳＬ，ＳＲとなる。遅延回路６１は、音源位置からの絶対的な遅延時間をシミュレートするのではなく、左右の耳に音が到達する相対的な時間差をシミュレートすることにより、最大遅延量を抑えて回路規模を小さくしている。左右のオーディオ信号ＳＬ，ＳＲは、音源位置に応じて左右の音の振幅値を調整するためのアンプ６２Ｌ，６２Ｒ及びアンプ６３Ｌ，６３Ｒを介して、ＦＩＲ（有限インパルス応答）フィルタ６４Ｌ，６４Ｒに供給される。ＦＩＲフィルタ６４Ｌ，６４Ｒは、仮想音場空間におけるリスナの前後左右からの伝達経路上の伝達関数を記憶し、音源位置に応じて前段のアンプ６３Ｌ，６３Ｒで振幅調整された左右のオーディオ信号に対しフィルタリングを施して音場特性を付与する。そして、各方向成分の信号が加算器６５Ｌ，６５Ｒで加算され、スピーカ６６Ｌ，６６Ｒを介して音像位置が制御されたステレオオーディオ出力を得ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、実際の音場空間に更に近い仮想音場空間をシミュレートしようとすると、音源とリスナとが相対的に移動していることにより生じるドップラー効果や各種の反射音、更には複数の音をシミュレートする多音化等、更に複雑なシミュレートが必要になってくる。
ドップラー効果を生じさせる従来例としては、原音に対して移動量に基づくピッチチェンジを行う方法が提案されている（特開平６−３２７１００号）。この方式では、音源の移動速度からピッチシフト量を計算する必要があることに加え、ピッチシフタが必要となる。
また、この方式で多音化を図ろうとすると、１つの音源毎に１つのピッチシフタが必要になり、回路規模が大きくなってしまう。
【０００５】
この発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、ドップラー効果や反射、更には多音化に適した音像定位装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題委を解決するための手段】
この発明は、仮想的な音場空間及びこの音場空間における予め指定された仮想的な音源位置によって決定される制御パラメータに基づいて、音源から供給されるオーディオ情報に対して音響処理を施すことにより前記音源位置に前記オーディオ情報の音像を定位させる音像定位装置において、前記音源位置によって決定される制御パラメータに基づいて前記オーディオ情報を音響処理する第１の音響処理手段と、前記音場空間によって決定される制御パラメータに基づいて前記オーディオ情報を音響処理する第２の音響処理手段と、前記第１の音響処理手段と前記第２の音響処理手段との間に設けられ前記第１の音響処理手段によって音響処理されたオーディオ情報を前記音源位置からリスナまでの距離に相当する量だけ遅延させる遅延手段と、前記音源位置と前記リスナとの間の相対位置の変化に対応して前記遅延量を変化させる遅延制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
この発明は、更に前記第１の音響処理手段が、複数の音源にそれぞれ対応するように複数設けられ、前記遅延手段が、前記各第１の音響処理手段から供給されるオーディオ情報をそれぞれの遅延量に応じた位置に重ねて記憶するものであることを特徴とする。
なお、より具体的には、前記遅延手段が、ランダムアクセスが可能なリングバッファであり、前記遅延制御手段が、前記リングバッファの書込アドレスと読出アドレスとが前記遅延量に相当する間隔を保つように歩進制御するものである。
【０００８】
この発明によれば、音源位置によって決定される制御パラメータに基づいて音響処理されたオーディオ信号を、遅延手段で音源位置からリスナの距離に相当する量だけ遅延させ、更に音源位置とリスナとの間の相対位置の変化に応じて遅延制御手段が前記遅延量を変化させるようにしているので、音源の位置が移動した場合でも、音源の位置からリスナまでの音の伝達状態、即ち周波数の変化を正確にシミュレートすることができる。そして、この場合、ピッチ量の算出やピッチシフタは不要となる。
【０００９】
また、この発明では、音源位置に関係する第１の音響処理手段を前段に、音源位置には関係しない第２の音響処理手段を後段に配置し、その間に前記遅延手段を配置しているので、多音化のために複数の音源とそれぞれ対応させて第１の音響処理手段を複数設けた場合でも、遅延手段は共用することができる。これは、遅延手段が各音源の絶対的な位置をシミュレートするからであり、複数の音源からのオーディオ情報を、遅延手段の各音源位置からの遅延量に相当する位置に重ねて書き込めばよいのである。従って、この場合には、多音化によっても遅延手段の共用によって回路規模が必要以上に大きくなるのを防止することができる。特に、壁や床からの反射音をシミュレートしようとすると、１つの音源に対して反射経路からの複数の音源を想定する必要があるが、この発明によれば、このようなシミュレートが容易になる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の好ましい実施の形態について説明する。
図１は、この発明の一実施例に係る音像定位装置のブロック図である。
この装置は、複数の音源に対応するように複数設けられた第１の音響処理手段である上下感・時間差付与回路１_１，１_２，…，１_ｎと、これら上下感・時間差付与回路１_１，１_２，…，１_ｎから供給されるステレオオーディオ信号をそれぞれの音源位置に応じて遅延させる多音遅延回路２と、この多音遅延回路２で遅延されたステレオオーディオ信号をフィルタリングして音場空間に応じた周波数特性を付与する第２の音響処理手段であるＦＩＲフィルタ３とにより構成されている。
【００１１】
各上下感・時間差付与回路１_１，１_２，…，１_ｎは、この例では音源からのオーディオ入力信号Ｓｉ（ｉ＝１，２，…，ｎ）及び音源位置情報ｒｉ，θｉ，φｉ（ｉ＝１，２，…，ｎ）をそれぞれ入力する。音源位置情報ｒ，θ，φは、例えば図２に示すように、リスナ４の頭が基準方向（正面方向）を向いているとした場合の仮想音源Ｓの位置までの距離、水平方向の角度（アジマス）及び垂直方向の角度（エレベーション）をそれぞれ意味している。
【００１２】
図３は、上下感・時間差付与回路１ｉ（ｉ＝１，２，…，ｎ）の具体的な構成を示すブロック図である。
音源からのモノラルのオーディオ信号Ｓｉは、アンプ１１を介してノッチフィルタ１２に供給される。ノッチフィルタ１２は、人間の聴感特性や人間の耳介形状に基づいてオーディオ信号Ｓｉの特定の周波数成分を減衰させてオーディオ信号Ｓｉに上下方向感を付与する。ノッチフィルタ１２の出力は、仮想音源位置から両耳への音の伝搬時間差Ｔを付与する遅延回路１３で遅延制御され、時間差を持つ２チャンネルの信号に変換される。これらの信号は、それぞれアンプ１４_１，１４_２によって仮想音源の方向に基づく左右の振幅バランスを調整される。振幅バランスを調整されたステレオオーディオ信号は、アンプ１５_１，１５_２，１５_３，１５_４及びアンプ１５_５，１５_６，１５_７，１５_８にそれぞれ供給される。これらのアンプ１５_１〜１５_８は、ステレオオーディオ信号をその音源位置に基づいてリスナの前後左右（この例では、左前、右前、左後、右後の４方向）からの信号成分として振幅調整するもので、後段のＦＩＲフィルタ３のフィルタ出力の合成比を決定するものである。
【００１３】
一方、パラメータ決定部１６は、音源位置情報ｒｉ，θｉ，φｉに基づいて、ノッチフィルタ１２の減衰周波数Ｎｔ、遅延回路１３の伝搬時間差Ｔ、左右の振幅バランスＶＲ，ＶＬ及び前後左右からの信号成分ＶＦＬ，ＶＦＲ，ＶＲＬ，ＶＲＲ等の制御パラメータを各部に供給する。また、パラメータ決定部１６は、音源位置からリスナまでの距離ｒｉの変化に基づいて多音遅延回路２に対するライトアドレスＷＡｉの歩進タイミング信号ｆｓｉ′も生成する。
【００１４】
図４は、多音遅延回路２とＦＩＲフィルタ３の具体的な構成を示すブロック図である。
ＦＩＲフィルタ３は、前後左右の各方向から音が到来する場合について、予めダミーヘッド等を用いてインパルス応答信号を測定し、この測定結果から求めたＦＩＲ係数を記憶したフィルタであり、左右のステレオオーディオ信号のそれぞれについて４方向からのフィルタリングを行うため、計８つのフィルタ３１_１，３１_２，３１_３，３１_４，３１_５，３１_６，３１_７，３１_８と、これらのフィルタ３１_１〜３１_８の出力を左右のステレオオーディオ信号についてそれぞれ加算合成する加算器３２_１，３２_２とにより構成されている。多音遅延回路２は、これらのフィルタ３１_１〜３１_８の前段にそれぞれ設けられる８つの遅延回路２１_１，２１_２，２１_３，２１_４，２１_５，２１_６，２１_７，２１_８と、これら遅延回路２１_１〜２１_８にデータを書き込むための書込回路２２_１，２２_２，２２_３，２２_４，２２_５，２２_６，２２_７，２２_８とから構成される。
【００１５】
各遅延回路２１_１〜２１_８は、具体的にはＲＡＭ等を用いたリングバッファとして構成することができる。
図５は、このリングバッファの機能を説明するための図である。
ここでは、２つの音源Ｓ１，Ｓ２のうち、音源Ｓ１が速度ｖ１でリスナ４の方向に移動している例を示している。音源Ｓ１，Ｓ２から発する音のデータがリングバッファ２３のライトアドレスＷＡ１，ＷＡ２にそれぞれ書き込まれ、リスナ４に到達した音のデータがリングバッファ２３のリードアドレスＲＡから読み出される。その間の遅延時間が各音源Ｓ１，Ｓ２とリスナ４との間の距離ｒ１，ｒ２に対応する遅延時間となる。各データの書込時には、後述する書込回路２２_１〜２２_８により、ライトアドレスＷＡ１，ＷＡ２に記憶されたデータを一旦読み出したのち、そのデータに新たなデータを加算して再度書き込む。これにより、複数の音源からのデータをリングバッファ２３上で合成することができる。
【００１６】
ライトアドレスＷＡ１，ＷＡ２の歩進速度は、各音源Ｓ１，Ｓ２の移動によって変化するが、リードアドレスＲＡの歩進速度は一定となる。音源Ｓ２とリスナ４との距離ｒ２は固定であるから、リングバッファ２３のライトアドレスＷＡ２とリードアドレスＲＡとは、同一の速度で歩進される。両アドレスの差は常に一定となり、これが音源Ｓ２からリスナ４までの距離ｒ２に相当する。一方、音源Ｓ１とリスナ４との間の距離ｒ１は、図５（ａ）〜（ｂ）に示すように、音源Ｓ１がリスナ４の頭上に位置するまでは徐々に短くなるので、ライトアドレスＷＡ１の歩進速度をリードアドレスＲＡよりも遅くする。これにより、音源Ｓ１からリスナ４までの遅延量が徐々に短くなるように変化するので、リードアドレスＲＡで読み出される音源Ｓ１のオーディオデータの周波数が高くなる。また、図５（ｂ）〜（ｃ）に示すように、音源Ｓ１がリスナ４の頭上を通過した後は、距離ｒ１は徐々に長くなるので、ライトアドレスＷＡ１の歩進速度をリードアドレスＲＡよりも速くする。これにより、音源Ｓ１からリスナ４までの遅延量が徐々に長くなるように変化するので、リードアドレスＲＡで読み出される音源Ｓ１のオーディオデータの周波数が低くなる。
【００１７】
図６は、遅延回路２１_１〜２１_８に書き込まれるデータを説明するための図である。即ち、音源からのオーディオデータＳｉは、図６（ａ）に示すように、一定のサンプリング周波数ｆｓで入力されるが、同図（ｂ）に示すように、音が近づいている場合には、ライトアドレスＷＡｉの歩進速度を遅くする必要があるため、オーディオデータのサンプリング周波数もｆｓｉ′に変更する必要がある。このため、サンプリング周波数ｆｓｉ′に基づくオーディオデータＳｉ′をもとのオーディオデータＳｉから補間によって求める。同図（ｃ）のように、音が遠ざかっている場合にも、同様に変更されたサンプリング周波数ｆｓｉ′に合わせて新たなオーディオデータＳｉ′を補間動作により求める。
【００１８】
このような処理を実行する書込回路２２_１〜２２_８の構成例を図７に示す。上下感・時間差付与回路１ｉから供給されたオーディオデータＳｉ_２と、これを遅延回路４１で１サンプリング時間遅延させたオーディオデータＳｉ_１とは演算回路４２に供給されている。カウンタ４３は、サンプリング信号ｆｓの入力からクロック信号ＣＫをカウントし、パラメータ決定部１６から供給されるタイミング信号ｆｓｉ′の入力タイミングまでの時間Δｔを測定して演算回路４２に供給する。演算回路４２は、データＳｉ_１，Ｓｉ_２、１／ｆｓ，Δｔを用いて直線補間演算を行い、データＳｉ′を算出する。このデータＳｉ′が読出データと加算器４４で加算されて書込データとして遅延回路２１ｉに書き込まれる。
【００１９】
このように、音源Ｓ１からのオーディオデータのライトアドレスＷＡ１とリードアドレスＲＡの相対的な歩進速度を変化させることにより、音源Ｓ１が移動している場合のドップラー効果を簡単に付加することができ、音源Ｓ１の移動感をリスナ４に与えることができる。また、各音源からのオーディオデータをリングバッファ２３へ加算書込することによって、容易に多音化を図ることができる。しかも、このように複数の音源についてリングバッファ２３を共用することで、処理する音源の数に拘わらず、遅延回路２１は８つしか必要としないので、回路規模を簡素化することができる。
【００２０】
なお、ライトアドレスＷＡ１，ＷＡ２は、リードアドレスＲＡを追い抜かないように、最大アドレス差（最大遅延量）となったときに、リードアドレスＲＡと同一速度で歩進されるように制御される必要がある。このため、図７に示すように、書込回路２２ｉに、ライトアドレスＷＡｉとリードアドレスＲＡとを比較して最大遅延量を検出する最大遅延量検出回路４５を設け、最大遅延量を検出した場合には、ライトアドレスカウンタ４６の歩進動作をリードアドレスカウンタ４７の歩進動作に合わせるようにアドレスを制御すればよい。いま、この最大遅延時間に相当する距離を例えば１００ｍと設定すると、音速を３４０ｍ／ｓ、サンプリング周波数をｆＨｚとして、ＲＡＭの容量は１００ｆ／３４０程度であればよい。
【００２１】
このように、多音化が容易な構成であることを利用して、反射音についても容易に移動変化を付けて定位させることができる。
図８は、反射音をシミュレートする場合の実施例を示す図である。
即ち、反射音をシミュレートする場合には、もとの音源Ｓｉの他に、空間情報に基づいて反射音Ｓｉ′を反射シミュレーション部５１で生成し、得られた反射音Ｓｉ′を追加音源として図１の回路に入力し、上記と同様の処理を行えばよい。
図９は、反射シミュレーション部５１でのシミュレーションを説明するための図である。音源Ｓからリスナ４に直接伝達される音と、音源Ｓから床面ＡＡ′を反射してリスナ４に伝達される反射音とが存在する場合、音源Ｓの床面ＡＡ′に対する線対称位置に反射音の音源Ｓ′が存在すると仮定すればよい。この場合、音源Ｓ′のリスナ４までの距離ｒ′とエレベーションφ′は、下記数１のように表すことができる。
【００２２】
【数１】

【００２３】
反射シミュレーション部５１は、入力された位置情報ｒｉ，θｉ，φｉから、上述した演算により、反射音源の位置情報ｒｉ′，θｉ′（＝θｉ），φｉ′を求め、もとの音源Ｓｉから反射による減衰も考慮して反射音源Ｓｉ′を求める。音源Ｓｉが移動する場合には、反射音源Ｓｉ′も同一速度で移動するようにして前述した処理を実現すればよい。
【００２４】
なお、以上の説明では、リングバッファのライトアドレスの歩進速度を可変、リードアドレスの歩進速度を一定としたが、より簡易な方法として、ライトアドレスの歩進速度を一定、リードアドレスの歩進速度を可変とすることもできる。この場合、図７に示した補間回路は必要とせず、固定音源の多音化及び単一音源の移動に簡単に対処することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、音源位置によって決定される制御パラメータに基づいて音響処理されたオーディオ信号を、遅延手段で音源位置からリスナの距離に相当する量だけ遅延させ、更に音源位置とリスナとの間の相対位置の変化に応じて遅延制御手段が前記遅延量を変化させるようにしているので、音源の位置が移動した場合のドップラー効果を付与することができ、より現実感ある音像定位が可能になる。
【００２６】
また、この発明では、音源位置に関係する第１の音響処理手段を前段に、音源位置には関係しない第２の音響処理手段を後段に配置し、その間に前記遅延手段を配置しているので、多音化のために複数の音源とそれぞれ対応させて第１の音響処理手段を複数設けた場合でも、遅延手段は共用することができ、回路の簡素化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例に係る音像定位装置のブロック図である。
【図２】同実施例における音源位置情報を説明するための図である。
【図３】同実施例における上下感・時間差付与回路の具体的な構成を示すブロック図である。
【図４】同実施例における多音遅延回路とＦＩＲフィルタの具体的な構成を示すブロック図である。
【図５】同実施例におけるリングバッファの機能を説明するための図である。
【図６】同実施例における遅延回路に書き込まれるデータを説明するための図である。
【図７】同実施例における書込回路の構成例を示すブロック図である。
【図８】反射音をシミュレートする場合の実施例を示す図である。
【図９】同実施例における反射シミュレーション部でのシミュレーションを説明するための図である。
【図１０】従来の音像定位装置のブロック図である。
【符号の説明】
１_１〜１_ｎ…上下感・時間差付与回路、２…多音遅延回路、３，６４Ｌ，６４Ｒ…ＦＩＲフィルタ、４…リスナ、１１，１４_１，１４_２，１５_１〜１５_８，６２Ｌ，６２Ｒ，６３Ｌ，６３Ｒ…アンプ、１６…パラメータ決定部、２１_１〜２１_８，４１，６１…遅延回路、２２_１〜２２_８…書込回路、２３…リングバッファ、３１_１〜３１_８…フィルタ、３２_１，３２_２，４４，６５Ｌ，６５Ｒ…加算器、４２…演算回路、４３…カウンタ、４５…最大遅延量検出回路、４６…ライトアドレスカウンタ、４７…リードアドレスカウンタ、５１…反射シミュレーション部、６６Ｌ，６６Ｒ…スピーカ。

Claims

仮想的な音場空間及びこの音場空間における予め指定された仮想的な音源位置によって決定される制御パラメータに基づいて、音源から供給されるオーディオ情報に対して音響処理を施すことにより前記音源位置に前記オーディオ情報の音像を定位させる音像定位装置において、
前記音源位置によって決定される制御パラメータに基づいて前記オーディオ情報を音響処理する第１の音響処理手段と、
前記音場空間によって決定される制御パラメータに基づいて前記オーディオ情報を音響処理する第２の音響処理手段と、
前記第１の音響処理手段と前記第２の音響処理手段との間に設けられ前記第１の音響処理手段によって音響処理されたオーディオ情報を前記音源位置からリスナまでの距離に相当する量だけ遅延させる遅延手段と、
前記音源位置と前記リスナとの間の相対位置の変化に対応して前記遅延量を変化させる遅延制御手段と
を備えたことを特徴とする音像定位装置。
前記第１の音響処理手段は、複数の音源にそれぞれ対応するように複数設けられ、
前記遅延手段は、前記各第１の音響処理手段から供給されるオーディオ情報をそれぞれの遅延量に応じた位置に重ねて記憶するものである
ことを特徴とする請求項１記載の音像定位装置。
前記遅延手段は、ランダムアクセスが可能なリングバッファであり、
前記遅延制御手段は、前記リングバッファの書込アドレスと読出アドレスとが前記遅延量に相当する間隔を保つように歩進制御するものである
ことを特徴とする請求項１又は２記載の音像定位装置。