JP3624805B2 - 音像定位装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電子楽器やオーディオ機器が出力する楽音の音像を所定の位置に定位する音像定位装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子楽器やオーディオ機器は出力する楽音の臨場感を増すため、楽音が空間のある点から発音しているように聴取者がイメージできるように、複数（左右）のスピーカの音量や出力タイミングなどを制御している。この空間の「ある点」を仮想発音位置といい、楽音が発音されているようにイメージされる仮想的な空間領域（仮想的な楽器の所在場所）を音像という。
【０００３】
現在一般的なステレオヘッドホンは左右スピーカに予め決められたバランスの音量で楽音を供給することにより、その楽音の音像を定位するようにしている。
【０００４】
ヘッドホンは聴取者の頭に装着されるため、聴取者が頭を動かしたときヘッドホンのスピーカもこれに追従して動き、上記制御のみでは音像も一緒に動いてしまう。これに対応するため、聴取者が頭を動かしたことを検出して、左右スピーカに出力する楽音特性を制御することにより、頭を動かしても音像の位置が変化しないヘッドホンシステムが提案されている（特開平４−４４５００号など）。
【０００５】
また、ＦＩＲフィルタを用いた音像定位装置も提案されている（特開平１０−２３６００号）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記ヘッドホンシステムでは、左耳用，右耳用のフィルタをそれぞれ設け、ヘッドホンの向きに応じてその向きに対応した応答特性のパラメータを読み出して上記フィルタに設定するという制御を行っているため、パラメータメモリに多くの仮想発音位置に対応するパラメータを記憶しておく必要があった。このため、大きなパラメータメモリを備えなければ正確に音像を定位することができず、また、聴取者が頭を動かす毎にパラメータの読み出しをし直さなければならないという欠点があった。
【０００７】
また、上記音像定位装置においては、不特定の受聴者に最適な定位を得ることが困難であり、ヘッドホンの種類や特性による効果の差が大きかった。さらに、音像定位と残響を体系的に制御することは出来なかった。
【０００８】
本発明は、楽器配置、受聴空間に応じた効果を選択調整することが出来る音像定位装置を提供することを目的とする。
【０００９】
さらに、本発明は、受聴者、ヘッドホンの種類毎に定位感の調整をすることが出来る音像定位装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、音像定位装置は、楽音信号を入力する楽音信号入力手段と、前記楽音信号の仮想発音位置を入力する仮想発音位置入力手段と、前記楽音信号の仮想発音位置に基づく係数と、前記仮想発音位置と聴取者位置に対して点対称位置である初期反射音位置に基づく係数とを発生する係数発生手段と、前記仮想発音位置に基づく係数により前記楽音信号をディレイさせた先行音信号と、前記初期反射音位置に基づく係数により前記先行音信号に対して別の音と認識されない値で前記楽音信号をディレイさせた後行音信号とを生成する生成手段と、前記先行音信号に対し前記仮想発音位置に基づく係数によるゲイン調整を行い、複数の方向から両耳への楽音伝達特性と該ゲイン調整された先行音信号とを畳み込み演算して出力する先行音処理手段と、前記後行音信号に対し前記初期反射音位置に基づく係数によるゲイン調整を行い、前記楽音伝達特性と該ゲイン調整された後行音信号とを畳み込み演算して出力する後行音処理手段と、前記先行音処理手段から出力される信号と前記後行音処理手段から出力される信号とを加算して出力する加算手段とを有する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施例であるヘッドホンシステムの構成を示す図である。このヘッドホンシステムは、音源である電子楽器１が発生した楽音信号を音像定位部２を介してステレオのヘッドホン３に供給する。ヘッドホン３の頂部には方位センサ４が設けられており、この方位センサ４によりヘッドホン３すなわちこのヘッドホンを装用する聴取者がどの方向を向いているかを検出することができる。この方位センサ４の検出内容は係数発生部５に入力される。また、この係数発生部５にはジョイスティック等の入力装置６及び設定ボタン７が接続されている。入力装置６は電子楽器１が発生する楽音の仮想発音位置を指定するために用いられる。この仮想発音位置は、聴取者に装用されて移動するヘッドホン３に対する相対的なものではなく、その空間内における絶対的な位置として設定される。また、設定ボタン７は、ヘッドホン３を装着した聴取者が後述する仮想的壁面８に対して正面を向いたとき、その方位（北を０度とする角度）を設定するためのボタンである。なお、これら操作子に対応して、係数発生部５には正面方位レジスタ５ａ，仮想発音位置レジスタ５ｂが設定されている。
【００１２】
図２は第１の実施例のヘッドホンシステムの音像定位方式を説明する図である。図３は第１の実施例による前記音像定位部２の構成を示す図である。図３において、音像定位部２は８チャンネルのＦＩＲフィルタ１５（１５Ｌ，１５Ｒ）を並列に備えている。
【００１３】
この８個のチャンネルＣｈ１〜Ｃｈ８はそれぞれ図２（Ａ）の▲１▼〜▲８▼の方向に対応している。すなわち、Ｃｈ１のＦＩＲフィルタ１５Ｌ，１５Ｒは、それぞれ図２（Ａ）の▲１▼の方向（位置）から左耳，右耳までの楽音の伝達特性（頭部音響伝達関数：ＨＲＴＦ）で楽音信号を畳み込み演算するＦＩＲフィルタである。
【００１４】
同様に、Ｃｈ２〜Ｃｈ８のＦＩＲフィルタも図２（Ａ）の▲２▼〜▲８▼の方向から左右両耳までの楽音伝達特性で楽音信号を畳み込み演算するＦＩＲフィルタである。このように図２（Ａ）の▲１▼〜▲８▼は聴取者の正面すなわちヘッドホン３に対する方向を示し、聴取者が頭の向きを変えるとそれに合わせてこの▲１▼〜▲８▼の向きも変わる。
【００１５】
一方、前記入力装置６は、上述したように電子楽器１が発生する楽音の仮想発音位置を設定するための操作子である。図２（Ｂ）では仮想発音位置はヘッドホン３からｚ０の距離にある仮想的壁面８上の１点に定位されるようになっており、該平面８上の座標がヘッドホン３からの垂線の交点を原点とするｘ，ｙ座標で表される。
【００１６】
前記入力装置６を右向きに操作すると前記仮想発音位置のｘ座標が増加し、左向きに操作すると前記仮想発音位置のｘ座標が減少する。また、入力装置６を上向きに操作すると前記仮想発音位置のｙ座標が増加し、下向きに操作すると前記仮想発音位置のｙ座標が減少する。
【００１７】
図２（Ａ）において、楽音の仮想発音位置が仮想的な壁面８上の点９に設定され、ヘッドホン３が図示の向きであるとすると、仮想発音位置の方向は前記基本の方向▲１▼〜▲８▼のうち▲１▼、▲２▼、▲５▼、▲６▼に対してα１，α２，α５，α６の角度となる。したがって、図３のＣｈ１，Ｃｈ２，Ｃｈ５，Ｃｈ６のゲイン乗算器１２，１３のそれぞれにこの角度α１，α２，α５，α６に対応して主として直接音（先行音）を取り込むようなゲインを与え、他のチャンネルには上記角度に対応して主として壁面等からの初期反射音（後行音）を取り込むようなゲインを与えることにより、ヘッドホン３において音像を点９に定位させることができる。
【００１８】
ヘッドホン３の向きが変わると、点９とヘッドホン３の角度も変化するが、このとき新たに基本方向との角度が算出され、これに対応するゲインが割り出されるため、ヘッドホン装用者がどの方向を向いても楽音の音像は常に空間内における絶対的位置である仮想発音位置９に定位され続けることになる。
【００１９】
なお、図２（Ａ）において、入力装置６を操作して仮想発音位置９を移動させた場合には、これに合わせて新たな角度α１，α２，α５，α６が算出され、定位が移動する。
【００２０】
この説明では、仮想発音位置がヘッドホン３の正面付近にある場合についてのみ説明したが、仮想的発音位置がヘッドホン３の左側にある場合にはＣｈ１，Ｃｈ４，Ｃｈ５，Ｃｈ８に対する角度α１，α４，α５，α８を算出して対応するゲインが割り出され、仮想的発音位置がヘッドホン３の右側にある場合にはＣｈ２，Ｃｈ３，Ｃｈ６，Ｃｈ７に対する角度α２，α３，α６，α７を算出して対応するゲインが割り出される。
【００２１】
また、仮想的発音位置がヘッドホン３の後側にある場合にはＣｈ３，Ｃｈ４，Ｃｈ７，Ｃｈ８に対する角度α３，α４，α７，α８を算出して対応するゲインが割り出され、仮想的発音位置がヘッドホン３の上側にある場合にはＣｈ５，Ｃｈ６，Ｃｈ７，Ｃｈ８に対する角度α５，α６，α７，α８を算出して対応するゲインが割り出され、仮想的発音位置がヘッドホン３の下側にある場合にはＣｈ１，Ｃｈ２，Ｃｈ３，Ｃｈ４に対する角度α１，α２，α３，α４を算出して対応するゲインが割り出される。
【００２２】
なお、この実施形態では仮想発音位置９を仮想的壁面８上のみに設定可能にしているが、空間内の任意の点に設定できるようにしてもよい。この場合には、入力装置６を３次元の座標を設定できるようにする。
【００２３】
また、仮想発音位置９の入力装置６はジョイスティックに限定されるものではなく、ジョイスティックに類似した座標値を相対的に増減する操作子のほか、テンキーなど座標値を直接入力する操作子、ロータリーエンコーダ、スライダ等を用いることができ、また、モニタ上に表示される壁面や空間の画像内で仮想発音位置をグラフィックに設定できるようにしてもよい。また、仮想的壁面８に向かう方向をセットする設定スイッチ７も同様にグラフィックに設定できるようにしてもよい。
【００２４】
図３を参照して音像定位部２の構成を説明する。音像定位部２は、Ａ／Ｄコンバータ１０、ディレイライン１１、バンドパスフィルター（ＢＰＦ）４０、ゲイン乗算器１２、ゲイン乗算器１３、加算器１４、ＦＩＲフィルタ１５、ＩＩＲフィルタ４１、加算器１６、Ｄ／Ａコンバータ１７、アンプ１８を有する。
【００２５】
電子楽器１から入力された楽音信号はＡ／Ｄコンバータ１０によってデジタル信号に変換される。電子楽器１がデジタル楽器であり、楽音をデジタル信号のまま出力するものであれば、このＡ／Ｄコンバータ１０をスキップして直接ディレイライン１１に信号を入力するようにしてもよい。
【００２６】
ディレイライン１１は多段のシフトレジスタで構成されており、入力されたデジタル楽音信号を順次シフトしてゆく。このディレイライン１１の任意の位置（レジスタ）に２つのタップが設けられ、この２つのタップ（先行音タップ，後行音タップ）からディレイされた信号（先行音，後行音）が取り出される。
【００２７】
タップ位置は、係数発生部５から入力されるタップ位置係数によって決定される。２つのタップのうちディレイライン１１の入力端に近いタップから取り出される信号を先行音といい、入力端に遠いタップから取り出される信号を後行音という。先行音は直接音に対応しており、後行音は初期反射音に対応している。
【００２８】
先行音はＣｈ１〜Ｃｈ８のゲイン乗算器１２に入力され、後行音はＢＰＦ４０に入力された後、Ｃｈ１〜Ｃｈ８のゲイン乗算器１３に入力される。ディレイライン１１の２つのタップ及びゲイン乗算器１２，１３のゲインを適当に設定することにより、音像の距離感や前後感を出すことができる。
【００２９】
ＢＰＦ４０は、初期反射音である後行音に対して、反射による減衰を模するために設けられている。
【００３０】
例えば、タップの間隔を短くして先行音と後行音のずれを小さくすると距離感が小さくなり音像を近くに定位することができ、逆に先行音と後行音のずれを大きくすると距離感が大きくなり音像を遠くに定位することができる。ただし、先行音と後行音のずれは２０ｍｓを超えないようにする。ずれが２０ｍｓを超えると聴取者に別の音として認識されてしまうからである。
【００３１】
また、先行音と後行音のレベル差（ゲイン乗算器１２のゲインとゲイン乗算器１３のゲインの差）を大きくすると、音像が前方に定位しやすくなり、先行音と後行音のレベル差を小さくすると音像が後方に定位しやすくなる。
【００３２】
Ｃｈ１〜Ｃｈ８のゲイン乗算器１２，１３のゲインは係数発生部５から入力される。このゲインが乗算された先行音信号及び後行音信号は加算器１４によって加算され、ＦＩＲフィルタ１５に入力される。１つの楽音信号を遅延して先行音信号，後行音信号の２つの信号を取り出すのは同一の楽音信号が微小な時間差でずれて聞こえ、かつ、そのレベル差により距離感や前後間を出すためである。
【００３３】
ＦＩＲフィルタ１５は左耳用フィルタ１５Ｌ，右耳用フィルタ１５Ｒの２系統が並列に設けられている。Ｃｈ１のＦＩＲフィルタ１５Ｌは、楽音が図２（Ａ）の▲１▼の方向から左耳に聞こえてくる場合の響きを頭部音響伝達関数によりシミュレートし、Ｃｈ１のＦＩＲフィルタ１５Ｒは、楽音が図２（Ａ）の▲１▼の方向から右耳に聞こえてくる場合の響きを頭部音響伝達関数によりシミュレートする。同様にＣｈ２〜Ｃｈ８のＦＩＲフィルタ１５Ｌ，ＦＩＲフィルタ１５Ｒはそれぞれ▲２▼〜▲８▼の方向から左右両耳への楽音の伝達を頭部音響伝達関数によりシミュレートする。
【００３４】
そして、仮想発音位置の方向がこれら基本方向▲１▼〜▲８▼の中間の方向であった場合、係数発生部５は、図２（Ａ）に示したように、▲１▼〜▲８▼の方向のうちその仮想発音位置の方向を囲む４方向となす角度を算出し、その角度に対応するゲイン及びディレイライン１１のタップを決定する係数を各チャンネルのゲイン乗算器１２，１３及びディレイライン１１に与える。なお、ヘッドホン３における音像定位位置が変化しても音量を変化させない場合には、上記全てのゲイン乗算器１２，１３に与えられるゲインの対数的な合計値は１であるが、音像定位位置によってゲインの合計を変化させることによって特殊な効果を出してもよい。
【００３５】
各チャンネルのＦＩＲフィルタ１５Ｌから出力された信号は加算器１６Ｌで加算合成される。また、各チャンネルのＦＩＲフィルタ１５Ｒから出力された信号は加算器１６Ｒで加算合成される。これら加算合成されたデジタルの楽音信号はそれぞれＩＩＲフィルタ４１Ｌ及びＩＩＬフィルタ４１Ｒに入力される。
【００３６】
ＩＩＲフィルタ４１は、加算合成されたデジタルの楽音信号の特性を補正するためのフィルタである。前段に設けられたＦＩＲフィルタは、応答長が非常に短く、周波数分解能が粗い為、とりわけ低域の特性が所望のものとは異なる傾向にあるが、ＩＩＲフィルタ４１は、その周波数特性を補正することが出来る。
【００３７】
また、ＨＲＴＦには個人差があるが、ＩＩＲフィルタ４１を用いることにより、各聴取者の嗜好や、定位特性の差異（特に上下方向定位感）を補正することが出来る。
【００３８】
図１２は、ＩＩＲフィルタ４１を用いた場合の周波数特性の変化を表す図である。図中点線で示す加算合成されたデジタルの楽音信号を、ＩＩＲフィルタ４１に通すと、図中上向きの矢印が示すように高域及び低域の周波数帯域の楽音信号をブーストすると共に、下向きの矢印で示すように、例えば８ＫＨｚの部分をディッピングさせることができる。高域及び低域の周波数帯域の楽音信号をブースとすることにより、ヘッドホンの周波数特性補償や各聴取者に対する嗜好合わせをすることが出来る。また８ｋＨｚの部分をディッピングさせることで、定位特性（特に上下方向定位感）を調整する事ができる。８ｋＨｚ周波のディッピングは、人の頭部構造に基づく雑音成分を低減するので、定位特性を改善することが出来る。
【００３９】
図１２の例では、高域及び低域の周波数をブーストしたが、ＩＩＲフィルタ４１は、それらを逆にカットすることも出来る。また、ディッピングする周波数は、８ＫＨｚに限らず、これを微調整することで、ＨＲＴＦの個人差を補正することが出来る。
【００４０】
ＩＩＲフィルタ４１によって補正された楽音信号はＤ／Ａコンバータ１７でアナログ信号に変換され、アンプ１８で増幅されたのちヘッドホン３に出力される。
【００４１】
図４は前記ヘッドホン３の外観図である。図５はヘッドホン３の頂部に取り付けられている方位センサ４の構成図である。ヘッドホン３の両方の耳あて部には小型スピーカが内蔵されており、それぞれ前記アンプ１８から出力された左右のアナログ楽音信号が入力される。そしてアーチの頂部には方位センサ４が設けられている。方位センサ４は円筒形のケース２８に収納されており、図５（Ｂ）に示すようにコンパス２０及びフォトセンサ２５，２６，２７で構成されている。
【００４２】
図５（Ａ）に示すようにコンパス２０は、球状の透明アクリルケース２２内に球状磁石体２１を収納し、この球状磁石体２１と透明アクリルケース２２の内壁面との隙間に液体２３を充填したものである。この液体２３は無色透明のものである。
【００４３】
球状磁石体２１は液体２３内で重力に対して常に上下関係を維持すると共に南北の方位を指すようにするため、中央部に板状磁石２１ａを収納し、上部に空間２１ｃ，下部に重り２１ｂを有している。
【００４４】
図６に示すように、このコンパス２０すなわちヘッドホン３がどの向きになってもどのように傾いてもこの球状磁石体２１ａは必ず特定の部位が地磁気により北を指し、重り２１ｂが重力方向を向くように透明アクリルケース２０内で回転揺動する。
【００４５】
なお、透明アクリルケース２２内で球状磁石体２１は液体２３で浮揚しており、摩擦なく透明アクリルケース２２内で回転揺動できる。
【００４６】
図７に示すように球状磁石体２１の表面は、青と赤のグラデーションで彩色されている。青のグラデーションは同図（Ａ），（Ｂ）に示すようにその濃度が方位を表すように経線状に彩色されており、北→東→南→西→北と回転するにしたがって青の濃度が薄くなるようにされている。
【００４７】
すなわち、青色の濃度（薄さ）が方位角（北を０度とする時計回りの角度）を表すことになる。赤のグラデーションは同図（Ｃ），（Ｄ）に示すようにその濃度が傾斜角を示すように緯線状に彩色されており、透明アクリルケース２０が下向きに傾斜するほど赤の濃度の高い部分が現れるようになっている。
【００４８】
実際には、この赤グラデーションと青グラデーションが同じ球面にされており、両色が混ざり合っている。
【００４９】
図５（Ｂ）に示すように、このコンパス２０の側面に向けてフォトセンサ２５〜２７が設けられている。フォトセンサ２５は青色の濃度を検出するセンサであり、フォトセンサ２６，２７は赤色の濃度を検出するセンサである。フォトセンサ２５はヘッドホン３の前側からコンパス２０の側面に向けられており、フォトセンサ２６はヘッドホン３の右側からコンパス２０の側面に向けられており、フォトセンサ２７はヘッドホン３の後側からコンパス２０の側面に向けられている。
【００５０】
図８は、各フォトセンサ２５，２６，２７の構成を示す。ＬＥＤ３０及びフォトダイオード３２がコンパス２０に向けて設けられ、これらＬＥＤ３０，フォトダイオード３２の前面に所定色のみを通過させる光学フィルタが設けられている。ＬＥＤ３０は電池３１によって連続点灯され、コンパス２０の球状磁石体２１の表面を照射している。また、フォトダイオード３２は、上記ＬＥＤ３０が照射した光の球状磁石体２１表面の反射光を受光することによって抵抗値が変化する。
【００５１】
このフォトダイオード３２はアンプ３３に接続されている。アンプ３３はフォトダイオード３２の検出値を増幅してＬＰＦ３４に入力する。ＬＰＦ３４は、検出値のうち微小な振動成分を除去して動作としての頭の動きのみを抽出し、係数発生部５に出力する。
【００５２】
フォトセンサ２５が前側からコンパス２０の球状磁石体２１の青色濃度を検出することにより、図９（Ａ）に示す濃度検出値と方位角の関係に基づいて、このヘッドホン３がどの方位を向いているかを検出することができる。
【００５３】
また、フォトセンサ２６は右側面から球状磁石体２１の赤色を検出することにより、図９（Ｂ）に示す濃度検出値と傾斜角（仰角）の関係に基づいて、ヘッドホン３が右にどの程度傾いているかを検出することができる。
【００５４】
さらに、フォトセンサ２７は後側から球状磁石体２１の赤色を検出することにより、図９（Ｂ）に示す濃度検出値と仰角の関係に基づいて、ヘッドホン３がどの程度上を向いているかを検出することができる。
【００５５】
これらの検出内容を係数発生部５に入力することにより、係数発生部５は、入力装置６によって設定された仮想発音位置がヘッドホン３からみてどの方向・距離にあるかを計算することができ、この方向・距離を信号処理的に実現するためのディレイライン１１のタップ位置及びＣｈ１〜Ｃｈ８のゲイン乗算器１２，１３のゲインを算出して音像定位部２に出力する。
【００５６】
なお、このように方位センサとして地磁気センサを用いたことにより、他のセンサ例えばジャイロセンサなどに比べて以下のような利点がある。首を傾けて回してもズレや誤差が生じないため、上体を動かして演奏する電子ピアノのヘッドホンに用いても安定した音像定位を実現することができる。地磁気が常時安定しているため、電子楽器やＡＶ機器など音源となる装置とのキャリブレーション（位置関係の設定）を１回とれば、以後使用開始時や使用途中に取り直す必要がなく、以後装置を移動させるまでキャリブレーションをとることが不要となる。また、ジャイロなど他の方位センサに比べて安価である。
【００５７】
なお、方位磁石を浮かせている液体の粘度を調節することで、頭の回転に対する応答性を調節することができる。また、この検出内容の係数発生部５への伝送は、有線でも無線でもよい。無線で行う場合には、電源として電池を用いるが、その電池は充電式電池でもよい。例えば、ヘッドホンを掛けておくホルダに充電機能を設け、そのホルダに載せている間に充電されるようにしてもよい。また、有線で行う場合には、ヘッドホンのオーディオケーブルを介して信号及び電源の送受をするようにすることもできる。
【００５８】
図１０，図１１は上記係数発生部５の動作を示すフローチャートである。図１０において、この装置の動作がスタートすると、まず、各種レジスタをイニシャライズする。正面方位レジスタ５ａには０度のデータが入力される。すなわち、ヘッドホン３の正面（仮想的壁面８）は真北に向いているとされる。そして、仮想発音位置レジスタ５ｂにはｘ，ｙ座標として０，０がセットされる。すなわち、ヘッドホン３の正面に仮想発音位置があるように設定される。こののち設定ボタン７のオン（ｓ２）又は入力装置６の操作（ｓ３）があるまで待機する。設定ボタン７がオンされると（ｓ２）、そのときの方位センサ４の方位（フォトセンサ２５の検出値）を読み取り（ｓ４）、その方位を正面方位レジスタ５ａに記憶する（ｓ５）。一方、入力装置６が操作されると、その操作に応じて仮想発音位置レジスタ５ｂのｘ，ｙ座標を書き換える（ｓ６）。すなわち、入力装置６が左右に操作されるとその操作に応じてｘ座標の値を増減し、入力装置６が上下に操作されるとその操作に応じてｙ座標の値を増減する。
【００５９】
図１１はタイマインタラプト動作である。この動作は数十ミリ秒に１回の頻度で行われる定位位置制御動作である。まず、方位センサ４に内蔵されている３つのフォトセンサ２５，２６，２７の検出値を読み取る（ｓ１１）。そして、この検出値に基づいてヘッドホン３の向き（方位）及び傾きを検出する（ｓ１２，ｓ１３）。このデータと正面方位データ，仮想音源のｚ０ 及びｘ，ｙ座標に基づいて仮想発音位置に対する方向・距離を算出する（ｓ１４）。この方向・距離に基づいて各チャンネルに与えるゲイン及びディレイライン１１のタップ位置を決定し（ｓ１５）、これらを音像定位部２に送出する（ｓ１６）。
【００６０】
なお、ゲインやタップ位置などの割出しは、算出された方向・距離に基づき所定の演算式を用いて算出するようにしてもよく、種々の方向・距離に対応する係数をテーブルとして記憶しておき、その中の適当なものを読み出すようにしてもよい。この係数テーブルは複数の距離・方向に対応するＦＩＲフィルタの伝達特性パラメータを記憶したテーブルに比べてデータ量が極めて小さいためこのようにしてもメモリ容量は少なくてすむ。
【００６１】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。上述の第１の実施例では、センサ付のヘッドホンを利用し、仮想音像位置を８箇所に設定したが、このような構成では、安価なシステムを構成することは難しい。そこで、第２の実施例では、通常のヘッドホンを利用して、仮想音像位置（仮想スピーカ位置）を４箇所に設定する場合を説明する。聴取者は正面を向き、ヘッドホンの向きはほぼ一定の場合を想定する。
【００６２】
図１３は、第２の実施例の音像定位装置における仮想スピーカ位置と音源位置ＶＰを表す概念図である。本実施例では、左右前方、左右後方の４箇所に、仮想スピーカＳＰ１からＳＰ４を配置する。音源位置ＶＰの方向は、図に示すように頭部周囲の仮想スピーカＳＰ１からＳＰ４間のレベル重み付けによって決定される。また、音源位置ＶＰと聴取者位置に対して点対称位置ＶＰ’から原音と数〜１０数ｍｓ遅らせた音を発生させて定位感を強調する。この点対称位置ＶＰ’からの音は、壁面からの反射音を想定しており後述のＢＰＦを介することにより、反射による減衰がシミュレートされる。
【００６３】
音源位置ＶＰの距離は、直接音（ｘ）、初期反射音（ｙ）、残響音（ｚ）のレベル差、到着時間の遅れの大きさによって制御される。例えば、レベル差の制御は、後述の乗算部に供給されるＤＳＰパラメータのゲイン係数によって制御され、初期反射音用のゲイン係数をａとし、残響音用のゲイン係数をｂとすると、音源位置ＶＰの距離を近くに設定する場合は、直接音のレベルが初期反射音と残響音のレベルの和よりも大きくなるようにｘ＞ａｙ＋ｂｚの関係が成り立つように制御し、音源位置ＶＰの距離を遠くに設定する場合は、直接音のレベルが初期反射音と残響音のレベルの和よりも小さくなるようにｘ＜ａｙ＋ｂｚの関係が成り立つように制御する。
【００６４】
図１４は、第２の実施例による音像定位装置の基本構成を表すブロック図である。
【００６５】
バス５１には、検出回路５２、表示回路５３、ＲＡＭ５４、ＲＯＭ５５、ＣＰＵ５６、外部記憶装置５７、通信インターフェイス５８、音源回路５９、タイマ６０が接続される。
【００６６】
ユーザは、検出回路５２に接続される操作子（入力手段）６２を用いて、後述の物理パラメータ、プリセットの入力及び選択等をすることができる。操作子６２は、例えば、ロータリーエンコーダ、スライダ、マウス、キーボード、鍵盤、ジョイスティック、スイッチ等、ユーザの入力に応じた信号を出力できるものならどのようなものでもよい。また、複数の入力手段が接続されていてもよい。
【００６７】
表示回路５３は、ディスプレイ６３に接続され、後述の物理パラメータ、プリセット番号等の各種情報をディスプレイ６３に表示することができる。ディスプレイ６３は、液晶表示装置（ＬＣＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）等で構成されるが、各種情報を表示できるものならばどのようなものでもよい。
【００６８】
外部記憶装置５７は、外部記憶装置用のインターフェイスを含み、そのインターフェイスを介してバス５１に接続される。外部記憶装置５７は、例えば、フラッシュメモリなどの半導体メモリ、フロッピディスクドライブ（ＦＤＤ）、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、光磁気ディスク（ＭＯ）ドライブ、ＣＤ−ＲＯＭ（コンパクトディスク−リードオンリィメモリ）ドライブ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）ドライブ等である。外部記憶装置５７には、ユーザが設定するプリセット等を保存することができる。
【００６９】
ＲＡＭ５４は、フラグ、レジスタ又はバッファ、各種データ等を記憶するＣＰＵ５６用のワーキングエリアを有する。
【００７０】
ＲＯＭ５５には、プリセットデータ、関数テーブル、各種パラメータ及び制御プログラム等を記憶することができる。この場合、プログラム等を重ねて、外部記憶装置５７に記憶する必要は無い。ＣＰＵ５６は、ＲＯＭ５５又は、外部記憶装置５７に記憶されている制御プログラム等に従い、演算又は制御を行う。
【００７１】
タイマ６０は、ＣＰＵ５６及バス５１に接続されており、基本クロック信号、割り込み処理タイミング等をＣＰＵ５６に指示する。
【００７２】
音源回路５９は、供給されるＭＩＤＩ信号等に応じて楽音信号を生成し、外部に出力する。本実施例では、音源回路５９は、波形ＲＯＭ６４、波形読出装置６５、ＤＳＰ（ＤＩＧＩＴＡＬ ＳＯＵＮＤＦＩＥＬＤ ＰＲＯＣＥＳＳＯＲ）６６及びＤ／Ａコンバータ（ＤＡＣ）６７で構成される。
【００７３】
波形読出し装置６５は、ＣＰＵ５６の制御により波形ＲＯＭ６４に記憶される音源の各種音色波形を読み出す。ＤＳＰ６６は、波形読出し装置６５が読み出す波形に残響や定位等の効果を与える。ＤＡＣ６７はＤＳＰ６６によって各種効果が付与された波形をデジタル形式からアナログ形式に変化して外部に出力する。なお、ＤＳＰ６６の機能については後述する。
【００７４】
なお、音源回路５９は、本実施例の波形メモリ方式に限らず、ＦＭ方式、物理モデル方式、高調波合成方式、フォルマント合成方式、ＶＣＯ（ＶｏｌｔａｇｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）＋ＶＣＦ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｆｉｌｔｅｒ）＋ＶＣＡ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）のアナログシンセサイザ方式等、どのような方式を用いたものであってもよい。
【００７５】
また、音源回路５９は、専用のハードウェアを用いて構成するものに限らず、ＤＳＰ（Ｄｅｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）＋マイクロプログラムを用いて構成してもよいし、ＣＰＵ＋ソフトウェアのプログラムで構成するようにしてもよいし、サウンドカードのようなものでもよい。
【００７６】
さらに、１つの音源回路を時分割で使用することにより複数の発音チャンネルを形成するようにしてもよいし、複数の音源回路を用い、１つの発音チャンネルにつき１つの音源回路で複数の発音チャンネルを構成するようにしてもよい。
【００７７】
通信インターフェイス５８は、他の楽器、音響機器、コンピュータ等に接続できるものであり、少なくとも電子楽器と接続できるものである。この場合、通信インターフェイス５８は、ＭＩＤＩインターフェイス、ＲＳ−２３２Ｃ、ＵＳＢ（ユニバーサル・シリアル・バス）、ＩＥＥＥ１３９４（アイトリプルイー１３９４）等の汎用のインターフェイスを用いて構成する。
【００７８】
図１５は、第２の実施例におけるデータフローを示す概念的ブロック図である。
【００７９】
パラメータ入力部７１は、例えば、図１４の入力手段６２及び外部記憶装置５７又はＲＯＭ５５によって構成され、パラメータ変換部７２に各種の物理パラメータを入力する。
【００８０】
パラメータ入力部７１では、仮想空間情報及び再生条件が入力される。これらの情報の入力は、入力手段６２を介してユーザが行うか又はこれらの情報を予め含むプリセットの中からユーザが選択することにより行われる。
【００８１】
仮想空間情報には、ホール、スタジオ等の空間の種類及び形状、受聴者から見た仮想音源の距離、及び方向が含まれる。再生条件には、受聴者の個人差、使用するヘッドホンの特性等が含まれる。
【００８２】
入力された仮想空間情報及び再生条件は、物理パラメータとして、パラメータ変換部７２に送られる。
【００８３】
パラメータ変換部７２は、例えば図１４のＣＰＵ５６で構成され、入力される物理パラメータをＤＳＰパラメータに変換する。物理パラメータからＤＳＰパラメータへの変換はパラメータ変換テーブル７３を参照することにより行われる。パラメータ変換テーブル７３は、図１４の外部記憶装置５７、又はＲＯＭ５５に保存されている。
【００８４】
ＤＳＰパラメータは、後述の図１６の定位制御部８５で、ＦＩＲフィルタ１５及びＩＩＲフィルタ４１等を制御するためのフィルタ係数、各種乗算部を制御するためのゲイン係数、ディレイ１１ｂの遅延時間等を含み、また、残響付加部８６を制御するための各種パラメータを含む。
【００８５】
変換されたＤＳＰパラメータは、音源ユニット（音源回路）５９に送られる。音源ユニット５９では、入力されるＤＳＰパラメータに基づき各種効果を波形データに付与して楽音信号として出力する。
【００８６】
なお、ＤＳＰパラメータは、物理パラメータから変換されるだけでなく、定位パターンや、残響パターン、又はそれらの組合せのパターンごとに、予めプリセットとして記憶されていてもよい。
【００８７】
図１６は、図１４のＤＳＰ６６の機能を示すブロック図である。ＤＳＰ６６は、乗算部８４、定位制御部８５、残響付加部８６、乗算部８７、加算部８８、加算部９０、マスターイコライザ８９を有する。
【００８８】
図１４の波形読出し装置６５に読み出された複数チャンネル（ｘＮｃｈ）の波形データはＤＳＰ６６に入力されると、それぞれ、直接音、初期反射音、残響音用の波形データとして３系統に分けられる。複数チャンネル（ｘＮｃｈ）の直接音用の波形データはそのままＤｒｙＩｎとして、定位制御部８５に入力される。
【００８９】
複数チャンネル（ｘＮｃｈ）の初期反射音用の波形データは、乗算部８４ａで受聴者と仮想発音位置の設定距離により定められるゲイン係数に従い乗算された後、ＥＲＩｎとして、定位制御部８５に入力される。複数チャンネル（ｘＮｃｈ）の残響音用の波形データは、乗算部８４ｂで受聴者と仮想発音位置の設定距離により定められるゲイン係数に従い乗算された後、加算部９０で加算されてＲｅｖＩｎとして、残響付加部８６に入力される。
【００９０】
定位制御部８５は、後に図１７を用いて詳述するように、仮想発音位置を制御する。
【００９１】
残響付加部８６は、入力される波形データに、残響を付加して、仮想音源の距離感を創出すると共に、仮想空間をシミュレートし、残響音として出力する。残響音のパターンは、空間タイプによって残響時間、直接音及び初期反射音のレベル差、周波数帯域毎の減衰量が異なる。これら、残響時間、直接音及び初期反射音とのレベル差、周波数帯域毎の減衰量は、ＤＳＰパラメータとして入力される。これらＤＳＰパラメータは、ユーザが入力する物理パラメータを変換して生成するが、空間タイプ（ホール、スタジオなど）ごとにプリセットとして記憶しておいてもよい。
【００９２】
定位制御部８５及び残響付加部８６から出力される波形データは、それぞれ乗算部８７ａ、８７ｂで乗算され、加算部８８で加算合成されて１つの波形データとして、マスターイコライザ８９に入力される。マスターイコライザ８９では、入力される波形データの周波数特性を補正して、図１４のＤＡＣ６７に出力する。
【００９３】
図１７は、図１６の定位制御部（ＬＯＣ）８５の機能を示すブロック図である。定位制御部８５は、複数チャンネル（ｘＮｃｈ）のそれぞれに対応する複数の前段部８５ａと、１つの後段部８５ｂで構成される。複数の入力を有する事、チャンネル数が少ない事等を除き基本的な構成は図３に示す第１の実施例とほぼ同様のものであり、同様の機能を持つ構成には同様の参照番号を附す。
【００９４】
前段部８５ａは、直接音用の波形データの入力ＤｒｙＩｎと初期反射音用の波形データの入力ＥＲＩｎを有している。ＤｒｙＩｎから入力された波形データは、左右前方及び左右後方の４ｃｈに分けられた後、それぞれ乗算部１２で乗算され加算部１４に入力される。乗算部１２のゲイン係数は、ＤＳＰパラメータとして入力される。
【００９５】
ＥＲＩｎから入力された波形データは、ディレイ１１ｂで、ＤＳＰパラメータ中の遅延時間に基づき直接音から数〜１０数ｍｓ遅れて初期反射音としてＢＰＦ４０に出力される。ＢＰＦ４０は、初期反射音に対して、反射による減衰を模するために設けられている。その後初期反射音は、左右前方及び左右後方の４ｃｈに分けられた後、それぞれ乗算部１３で乗算され加算部１４に入力される。乗算部１３のゲイン係数は、ＤＳＰパラメータとして入力される。
【００９６】
加算部１４では、直接音及び初期反射音を加算合成して後段部８５ｂの加算部１９に送る。
【００９７】
ＦＩＲフィルタ１５は左耳用フィルタ１５Ｌ，右耳用フィルタ１５Ｒの２系統を有している。Ｃｈ１のＦＩＲフィルタ１５Ｌは、楽音が図１３の左前方から左耳に聞こえてくる場合の響きを頭部音響伝達関数によりシミュレートし、Ｃｈ１のＦＩＲフィルタ１５Ｒは、楽音が図１３の左前方から右耳に聞こえてくる場合の響きを頭部音響伝達関数によりシミュレートする。同様にＣｈ２〜Ｃｈ４のＦＩＲフィルタ１５Ｌ，ＦＩＲフィルタ１５Ｒはそれぞれ右前方、左右後方から左右両耳への楽音の伝達を頭部音響伝達関数によりシミュレートする。
【００９８】
仮想発音位置の方向がこれら基本方向の中間の方向であった場合、基本方向のうちその仮想発音位置の方向を囲む２方向となす角度を算出し、その角度に対応するディレイ１１ｂの遅延時間及びゲイン係数をディレイ１１ｂ及び各チャンネルのゲイン乗算器１２，１３に与える。
【００９９】
各チャンネルのＦＩＲフィルタ１５Ｌ、Ｒから出力された波形データはそれぞれ加算部１６で加算合成される。これら加算合成されたデジタルの楽音信号（波形データ）はそれぞれ左右２チャンネルを有するＩＩＲフィルタ４１に入力される。
【０１００】
ＩＩＲフィルタ４１は、加算合成されたデジタルの楽音信号の特性を補正するためのフィルタであり、図３の第１の実施例のものと同様のものである。ＩＩＲフィルタ４１によって補正された波形データは、図１６の乗算部８７ａに出力される。
【０１０１】
以上、本発明の第２の実施例によれば、ＨＲＴＦ再現をインパルス応答畳み込み用ＦＩＲフィルタとその後段に配置される周波数特性補正用ＩＩＲフィルタによって実現するので、受聴者の嗜好や定位特性の差異に応じてデジタルの楽音信号を補正することができる。
【０１０２】
また、上記受聴者の嗜好や定位特性の差異に応じたＨＲＴＦをプリセットすることが出来るので、ＨＲＴＦ再現の設定を容易に行うことが出来る。
【０１０３】
さらに、残響音を含めた定位タイプをプリセットパターンとして記憶することが出来、ユーザはそれを選択することが出来る。
【０１０４】
また、以上のような構成をとることにより、ＦＩＲフィルタ及びＩＩＲフィルタを各発音定位位置に関係なく係数固定にすることが出来、図１７に示すように前段部８５ａを入力ライン数分備えることにより小規模な構成で多数の個別音源の定位を実現することが出来る。
【０１０５】
なお、本発明の実施例は、ヘッドホンを用いて受聴する場合を説明したが、図３または図１７のＩＩＲフィルタ４１の後段にクロストークキャンセラを配置することにより、スピーカでの受聴にも適用できる。
【０１０６】
さらになお、本発明の実施例は、実施例に対応するコンピュータプログラム等をインストールした市販のコンピュータ等によって、実施させるようにしてもよい。
【０１０７】
その場合には、本実施例に対応するコンピュータプログラム等を、ＣＤ−ＲＯＭやフロッピーディスク等の、コンピュータが読み込むことが出来る記憶媒体に記憶させた状態で、ユーザに提供してもよい。
【０１０８】
その汎用コンピュータ又はコンピュータ等が、ＬＡＮ、インターネット、電話回線等の通信ネットワークに接続されている場合には、通信ネットワークを介して、コンピュータプログラムや各種データ等を汎用コンピュータ又はコンピュータ等に提供してもよい。
【０１０９】
さらに、実施例は、１つの装置で実施するだけに限らず、さまざまな装置をＭＩＤＩや各種ネットワーク等の通信手段を用いて接続したものであってもよい。また、音源装置や自動演奏装置等を内蔵した電子楽器などで実施例を実施することもできる。ここでいう電子楽器とは、鍵盤楽器タイプ、弦楽器タイプ、管楽器タイプ、打楽器タイプ等の電子楽器である。
【０１１０】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組合せ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【０１１１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ヘッドホンによる受聴において十分な臨場感を得ることが出来る。
【０１１２】
また、楽器配置、受聴空間に応じた効果を選択調整することが出来る。またそれを記憶することも出来る。
【０１１３】
さらに、受聴者、ヘッドホンの種類毎に定位感の調整をすることが出来る。またそれを記憶することも出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施例による音像定位装置のブロック図である。
【図２】同音像定位装置の音像定位方式を説明する図である。
【図３】同音像定位装置の音像定位部のブロック図である。
【図４】同音像定位装置のヘッドホンの外観図である。
【図５】同ヘッドホンに設けられる方位センサの構成図である。
【図６】同方位センサが傾斜したときの状態を示す図である。
【図７】同方位センサの球状磁石体の塗装を説明する図である。
【図８】同方位センサに設けられるフォトセンサの構成図である。
【図９】同方位センサのフォトセンサの濃度検出値と方位角、傾斜（仰角）との関係を示す図である。
【図１０】同音像定位装置の係数発生部の動作を示すフローチャートである。
【図１１】同音像定位装置の係数発生部の動作を示すフローチャートである。
【図１２】ＩＩＲフィルタを用いた場合の周波数特性の変化を表すグラフである。
【図１３】第２の実施例の音像定位装置における仮想スピーカ位置と音源位置ＶＰを表す概念図である。
【図１４】第２の実施例による音像定位装置の基本構成を表すブロック図である。
【図１５】第２の実施例におけるデータフローを示す概念的ブロック図である。
【図１６】図１４のＤＳＰ６６の機能を表すブロック図である。
【図１７】図１６の定位制御部（ＬＯＣ）８５の構成を表すブロック図である。
【符号の説明】
２…音像定位部、３…ヘッドホン、４…方位センサ、５…係数発生部、５ａ…正面方位レジスタ、５ｂ…仮想発音位置レジスタ、６…入力装置、７…設定ボタン、１１…ディレイライン、１２，１３…ゲイン乗算器、１５Ｌ，１５Ｒ…ＦＩＲフィルタ、１６Ｌ，１６Ｒ…加算器、２０…コンパス、２１…球状磁石体、２１ａ…板状磁石、２１ｂ…重り、２１ｃ…空間、２３…液体、２５，２６，２７…フォトセンサ、２８…ケース、３０…ＬＥＤ、３２…フォトダイオード、３５…フィルタ 、４０…ＢＰＦ、４１…ＩＩＲフィルタ、５１…バス、５２…検出回路、５３…表示回路、５４…ＲＡＭ、５５…ＲＯＭ、５６…ＣＰＵ、５７…外部記憶装置、５８…通信インターフェイス、５９…音源回路、６０…タイマ、６２…入力手段、６３…ディスプレイ、６４…波形ＲＯＭ、６５…波形読出装置、６６…ＤＳＰ、６７…ＤＡＣ、７１…パラメータ入力部、７２…パラメータ変換部、７３…パラメータテーブル、８４、８７…乗算部、８５…定位制御部、８６…残響付加部、８８…加算部、８９…マスターイコライザ
【発明の属する技術分野】
この発明は、電子楽器やオーディオ機器が出力する楽音の音像を所定の位置に定位する音像定位装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子楽器やオーディオ機器は出力する楽音の臨場感を増すため、楽音が空間のある点から発音しているように聴取者がイメージできるように、複数（左右）のスピーカの音量や出力タイミングなどを制御している。この空間の「ある点」を仮想発音位置といい、楽音が発音されているようにイメージされる仮想的な空間領域（仮想的な楽器の所在場所）を音像という。
【０００３】
現在一般的なステレオヘッドホンは左右スピーカに予め決められたバランスの音量で楽音を供給することにより、その楽音の音像を定位するようにしている。
【０００４】
ヘッドホンは聴取者の頭に装着されるため、聴取者が頭を動かしたときヘッドホンのスピーカもこれに追従して動き、上記制御のみでは音像も一緒に動いてしまう。これに対応するため、聴取者が頭を動かしたことを検出して、左右スピーカに出力する楽音特性を制御することにより、頭を動かしても音像の位置が変化しないヘッドホンシステムが提案されている（特開平４−４４５００号など）。
【０００５】
また、ＦＩＲフィルタを用いた音像定位装置も提案されている（特開平１０−２３６００号）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記ヘッドホンシステムでは、左耳用，右耳用のフィルタをそれぞれ設け、ヘッドホンの向きに応じてその向きに対応した応答特性のパラメータを読み出して上記フィルタに設定するという制御を行っているため、パラメータメモリに多くの仮想発音位置に対応するパラメータを記憶しておく必要があった。このため、大きなパラメータメモリを備えなければ正確に音像を定位することができず、また、聴取者が頭を動かす毎にパラメータの読み出しをし直さなければならないという欠点があった。
【０００７】
また、上記音像定位装置においては、不特定の受聴者に最適な定位を得ることが困難であり、ヘッドホンの種類や特性による効果の差が大きかった。さらに、音像定位と残響を体系的に制御することは出来なかった。
【０００８】
本発明は、楽器配置、受聴空間に応じた効果を選択調整することが出来る音像定位装置を提供することを目的とする。
【０００９】
さらに、本発明は、受聴者、ヘッドホンの種類毎に定位感の調整をすることが出来る音像定位装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、音像定位装置は、楽音信号を入力する楽音信号入力手段と、前記楽音信号の仮想発音位置を入力する仮想発音位置入力手段と、前記楽音信号の仮想発音位置に基づく係数と、前記仮想発音位置と聴取者位置に対して点対称位置である初期反射音位置に基づく係数とを発生する係数発生手段と、前記仮想発音位置に基づく係数により前記楽音信号をディレイさせた先行音信号と、前記初期反射音位置に基づく係数により前記先行音信号に対して別の音と認識されない値で前記楽音信号をディレイさせた後行音信号とを生成する生成手段と、前記先行音信号に対し前記仮想発音位置に基づく係数によるゲイン調整を行い、複数の方向から両耳への楽音伝達特性と該ゲイン調整された先行音信号とを畳み込み演算して出力する先行音処理手段と、前記後行音信号に対し前記初期反射音位置に基づく係数によるゲイン調整を行い、前記楽音伝達特性と該ゲイン調整された後行音信号とを畳み込み演算して出力する後行音処理手段と、前記先行音処理手段から出力される信号と前記後行音処理手段から出力される信号とを加算して出力する加算手段とを有する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施例であるヘッドホンシステムの構成を示す図である。このヘッドホンシステムは、音源である電子楽器１が発生した楽音信号を音像定位部２を介してステレオのヘッドホン３に供給する。ヘッドホン３の頂部には方位センサ４が設けられており、この方位センサ４によりヘッドホン３すなわちこのヘッドホンを装用する聴取者がどの方向を向いているかを検出することができる。この方位センサ４の検出内容は係数発生部５に入力される。また、この係数発生部５にはジョイスティック等の入力装置６及び設定ボタン７が接続されている。入力装置６は電子楽器１が発生する楽音の仮想発音位置を指定するために用いられる。この仮想発音位置は、聴取者に装用されて移動するヘッドホン３に対する相対的なものではなく、その空間内における絶対的な位置として設定される。また、設定ボタン７は、ヘッドホン３を装着した聴取者が後述する仮想的壁面８に対して正面を向いたとき、その方位（北を０度とする角度）を設定するためのボタンである。なお、これら操作子に対応して、係数発生部５には正面方位レジスタ５ａ，仮想発音位置レジスタ５ｂが設定されている。
【００１２】
図２は第１の実施例のヘッドホンシステムの音像定位方式を説明する図である。図３は第１の実施例による前記音像定位部２の構成を示す図である。図３において、音像定位部２は８チャンネルのＦＩＲフィルタ１５（１５Ｌ，１５Ｒ）を並列に備えている。
【００１３】
この８個のチャンネルＣｈ１〜Ｃｈ８はそれぞれ図２（Ａ）の▲１▼〜▲８▼の方向に対応している。すなわち、Ｃｈ１のＦＩＲフィルタ１５Ｌ，１５Ｒは、それぞれ図２（Ａ）の▲１▼の方向（位置）から左耳，右耳までの楽音の伝達特性（頭部音響伝達関数：ＨＲＴＦ）で楽音信号を畳み込み演算するＦＩＲフィルタである。
【００１４】
同様に、Ｃｈ２〜Ｃｈ８のＦＩＲフィルタも図２（Ａ）の▲２▼〜▲８▼の方向から左右両耳までの楽音伝達特性で楽音信号を畳み込み演算するＦＩＲフィルタである。このように図２（Ａ）の▲１▼〜▲８▼は聴取者の正面すなわちヘッドホン３に対する方向を示し、聴取者が頭の向きを変えるとそれに合わせてこの▲１▼〜▲８▼の向きも変わる。
【００１５】
一方、前記入力装置６は、上述したように電子楽器１が発生する楽音の仮想発音位置を設定するための操作子である。図２（Ｂ）では仮想発音位置はヘッドホン３からｚ０の距離にある仮想的壁面８上の１点に定位されるようになっており、該平面８上の座標がヘッドホン３からの垂線の交点を原点とするｘ，ｙ座標で表される。
【００１６】
前記入力装置６を右向きに操作すると前記仮想発音位置のｘ座標が増加し、左向きに操作すると前記仮想発音位置のｘ座標が減少する。また、入力装置６を上向きに操作すると前記仮想発音位置のｙ座標が増加し、下向きに操作すると前記仮想発音位置のｙ座標が減少する。
【００１７】
図２（Ａ）において、楽音の仮想発音位置が仮想的な壁面８上の点９に設定され、ヘッドホン３が図示の向きであるとすると、仮想発音位置の方向は前記基本の方向▲１▼〜▲８▼のうち▲１▼、▲２▼、▲５▼、▲６▼に対してα１，α２，α５，α６の角度となる。したがって、図３のＣｈ１，Ｃｈ２，Ｃｈ５，Ｃｈ６のゲイン乗算器１２，１３のそれぞれにこの角度α１，α２，α５，α６に対応して主として直接音（先行音）を取り込むようなゲインを与え、他のチャンネルには上記角度に対応して主として壁面等からの初期反射音（後行音）を取り込むようなゲインを与えることにより、ヘッドホン３において音像を点９に定位させることができる。
【００１８】
ヘッドホン３の向きが変わると、点９とヘッドホン３の角度も変化するが、このとき新たに基本方向との角度が算出され、これに対応するゲインが割り出されるため、ヘッドホン装用者がどの方向を向いても楽音の音像は常に空間内における絶対的位置である仮想発音位置９に定位され続けることになる。
【００１９】
なお、図２（Ａ）において、入力装置６を操作して仮想発音位置９を移動させた場合には、これに合わせて新たな角度α１，α２，α５，α６が算出され、定位が移動する。
【００２０】
この説明では、仮想発音位置がヘッドホン３の正面付近にある場合についてのみ説明したが、仮想的発音位置がヘッドホン３の左側にある場合にはＣｈ１，Ｃｈ４，Ｃｈ５，Ｃｈ８に対する角度α１，α４，α５，α８を算出して対応するゲインが割り出され、仮想的発音位置がヘッドホン３の右側にある場合にはＣｈ２，Ｃｈ３，Ｃｈ６，Ｃｈ７に対する角度α２，α３，α６，α７を算出して対応するゲインが割り出される。
【００２１】
また、仮想的発音位置がヘッドホン３の後側にある場合にはＣｈ３，Ｃｈ４，Ｃｈ７，Ｃｈ８に対する角度α３，α４，α７，α８を算出して対応するゲインが割り出され、仮想的発音位置がヘッドホン３の上側にある場合にはＣｈ５，Ｃｈ６，Ｃｈ７，Ｃｈ８に対する角度α５，α６，α７，α８を算出して対応するゲインが割り出され、仮想的発音位置がヘッドホン３の下側にある場合にはＣｈ１，Ｃｈ２，Ｃｈ３，Ｃｈ４に対する角度α１，α２，α３，α４を算出して対応するゲインが割り出される。
【００２２】
なお、この実施形態では仮想発音位置９を仮想的壁面８上のみに設定可能にしているが、空間内の任意の点に設定できるようにしてもよい。この場合には、入力装置６を３次元の座標を設定できるようにする。
【００２３】
また、仮想発音位置９の入力装置６はジョイスティックに限定されるものではなく、ジョイスティックに類似した座標値を相対的に増減する操作子のほか、テンキーなど座標値を直接入力する操作子、ロータリーエンコーダ、スライダ等を用いることができ、また、モニタ上に表示される壁面や空間の画像内で仮想発音位置をグラフィックに設定できるようにしてもよい。また、仮想的壁面８に向かう方向をセットする設定スイッチ７も同様にグラフィックに設定できるようにしてもよい。
【００２４】
図３を参照して音像定位部２の構成を説明する。音像定位部２は、Ａ／Ｄコンバータ１０、ディレイライン１１、バンドパスフィルター（ＢＰＦ）４０、ゲイン乗算器１２、ゲイン乗算器１３、加算器１４、ＦＩＲフィルタ１５、ＩＩＲフィルタ４１、加算器１６、Ｄ／Ａコンバータ１７、アンプ１８を有する。
【００２５】
電子楽器１から入力された楽音信号はＡ／Ｄコンバータ１０によってデジタル信号に変換される。電子楽器１がデジタル楽器であり、楽音をデジタル信号のまま出力するものであれば、このＡ／Ｄコンバータ１０をスキップして直接ディレイライン１１に信号を入力するようにしてもよい。
【００２６】
ディレイライン１１は多段のシフトレジスタで構成されており、入力されたデジタル楽音信号を順次シフトしてゆく。このディレイライン１１の任意の位置（レジスタ）に２つのタップが設けられ、この２つのタップ（先行音タップ，後行音タップ）からディレイされた信号（先行音，後行音）が取り出される。
【００２７】
タップ位置は、係数発生部５から入力されるタップ位置係数によって決定される。２つのタップのうちディレイライン１１の入力端に近いタップから取り出される信号を先行音といい、入力端に遠いタップから取り出される信号を後行音という。先行音は直接音に対応しており、後行音は初期反射音に対応している。
【００２８】
先行音はＣｈ１〜Ｃｈ８のゲイン乗算器１２に入力され、後行音はＢＰＦ４０に入力された後、Ｃｈ１〜Ｃｈ８のゲイン乗算器１３に入力される。ディレイライン１１の２つのタップ及びゲイン乗算器１２，１３のゲインを適当に設定することにより、音像の距離感や前後感を出すことができる。
【００２９】
ＢＰＦ４０は、初期反射音である後行音に対して、反射による減衰を模するために設けられている。
【００３０】
例えば、タップの間隔を短くして先行音と後行音のずれを小さくすると距離感が小さくなり音像を近くに定位することができ、逆に先行音と後行音のずれを大きくすると距離感が大きくなり音像を遠くに定位することができる。ただし、先行音と後行音のずれは２０ｍｓを超えないようにする。ずれが２０ｍｓを超えると聴取者に別の音として認識されてしまうからである。
【００３１】
また、先行音と後行音のレベル差（ゲイン乗算器１２のゲインとゲイン乗算器１３のゲインの差）を大きくすると、音像が前方に定位しやすくなり、先行音と後行音のレベル差を小さくすると音像が後方に定位しやすくなる。
【００３２】
Ｃｈ１〜Ｃｈ８のゲイン乗算器１２，１３のゲインは係数発生部５から入力される。このゲインが乗算された先行音信号及び後行音信号は加算器１４によって加算され、ＦＩＲフィルタ１５に入力される。１つの楽音信号を遅延して先行音信号，後行音信号の２つの信号を取り出すのは同一の楽音信号が微小な時間差でずれて聞こえ、かつ、そのレベル差により距離感や前後間を出すためである。
【００３３】
ＦＩＲフィルタ１５は左耳用フィルタ１５Ｌ，右耳用フィルタ１５Ｒの２系統が並列に設けられている。Ｃｈ１のＦＩＲフィルタ１５Ｌは、楽音が図２（Ａ）の▲１▼の方向から左耳に聞こえてくる場合の響きを頭部音響伝達関数によりシミュレートし、Ｃｈ１のＦＩＲフィルタ１５Ｒは、楽音が図２（Ａ）の▲１▼の方向から右耳に聞こえてくる場合の響きを頭部音響伝達関数によりシミュレートする。同様にＣｈ２〜Ｃｈ８のＦＩＲフィルタ１５Ｌ，ＦＩＲフィルタ１５Ｒはそれぞれ▲２▼〜▲８▼の方向から左右両耳への楽音の伝達を頭部音響伝達関数によりシミュレートする。
【００３４】
そして、仮想発音位置の方向がこれら基本方向▲１▼〜▲８▼の中間の方向であった場合、係数発生部５は、図２（Ａ）に示したように、▲１▼〜▲８▼の方向のうちその仮想発音位置の方向を囲む４方向となす角度を算出し、その角度に対応するゲイン及びディレイライン１１のタップを決定する係数を各チャンネルのゲイン乗算器１２，１３及びディレイライン１１に与える。なお、ヘッドホン３における音像定位位置が変化しても音量を変化させない場合には、上記全てのゲイン乗算器１２，１３に与えられるゲインの対数的な合計値は１であるが、音像定位位置によってゲインの合計を変化させることによって特殊な効果を出してもよい。
【００３５】
各チャンネルのＦＩＲフィルタ１５Ｌから出力された信号は加算器１６Ｌで加算合成される。また、各チャンネルのＦＩＲフィルタ１５Ｒから出力された信号は加算器１６Ｒで加算合成される。これら加算合成されたデジタルの楽音信号はそれぞれＩＩＲフィルタ４１Ｌ及びＩＩＬフィルタ４１Ｒに入力される。
【００３６】
ＩＩＲフィルタ４１は、加算合成されたデジタルの楽音信号の特性を補正するためのフィルタである。前段に設けられたＦＩＲフィルタは、応答長が非常に短く、周波数分解能が粗い為、とりわけ低域の特性が所望のものとは異なる傾向にあるが、ＩＩＲフィルタ４１は、その周波数特性を補正することが出来る。
【００３７】
また、ＨＲＴＦには個人差があるが、ＩＩＲフィルタ４１を用いることにより、各聴取者の嗜好や、定位特性の差異（特に上下方向定位感）を補正することが出来る。
【００３８】
図１２は、ＩＩＲフィルタ４１を用いた場合の周波数特性の変化を表す図である。図中点線で示す加算合成されたデジタルの楽音信号を、ＩＩＲフィルタ４１に通すと、図中上向きの矢印が示すように高域及び低域の周波数帯域の楽音信号をブーストすると共に、下向きの矢印で示すように、例えば８ＫＨｚの部分をディッピングさせることができる。高域及び低域の周波数帯域の楽音信号をブースとすることにより、ヘッドホンの周波数特性補償や各聴取者に対する嗜好合わせをすることが出来る。また８ｋＨｚの部分をディッピングさせることで、定位特性（特に上下方向定位感）を調整する事ができる。８ｋＨｚ周波のディッピングは、人の頭部構造に基づく雑音成分を低減するので、定位特性を改善することが出来る。
【００３９】
図１２の例では、高域及び低域の周波数をブーストしたが、ＩＩＲフィルタ４１は、それらを逆にカットすることも出来る。また、ディッピングする周波数は、８ＫＨｚに限らず、これを微調整することで、ＨＲＴＦの個人差を補正することが出来る。
【００４０】
ＩＩＲフィルタ４１によって補正された楽音信号はＤ／Ａコンバータ１７でアナログ信号に変換され、アンプ１８で増幅されたのちヘッドホン３に出力される。
【００４１】
図４は前記ヘッドホン３の外観図である。図５はヘッドホン３の頂部に取り付けられている方位センサ４の構成図である。ヘッドホン３の両方の耳あて部には小型スピーカが内蔵されており、それぞれ前記アンプ１８から出力された左右のアナログ楽音信号が入力される。そしてアーチの頂部には方位センサ４が設けられている。方位センサ４は円筒形のケース２８に収納されており、図５（Ｂ）に示すようにコンパス２０及びフォトセンサ２５，２６，２７で構成されている。
【００４２】
図５（Ａ）に示すようにコンパス２０は、球状の透明アクリルケース２２内に球状磁石体２１を収納し、この球状磁石体２１と透明アクリルケース２２の内壁面との隙間に液体２３を充填したものである。この液体２３は無色透明のものである。
【００４３】
球状磁石体２１は液体２３内で重力に対して常に上下関係を維持すると共に南北の方位を指すようにするため、中央部に板状磁石２１ａを収納し、上部に空間２１ｃ，下部に重り２１ｂを有している。
【００４４】
図６に示すように、このコンパス２０すなわちヘッドホン３がどの向きになってもどのように傾いてもこの球状磁石体２１ａは必ず特定の部位が地磁気により北を指し、重り２１ｂが重力方向を向くように透明アクリルケース２０内で回転揺動する。
【００４５】
なお、透明アクリルケース２２内で球状磁石体２１は液体２３で浮揚しており、摩擦なく透明アクリルケース２２内で回転揺動できる。
【００４６】
図７に示すように球状磁石体２１の表面は、青と赤のグラデーションで彩色されている。青のグラデーションは同図（Ａ），（Ｂ）に示すようにその濃度が方位を表すように経線状に彩色されており、北→東→南→西→北と回転するにしたがって青の濃度が薄くなるようにされている。
【００４７】
すなわち、青色の濃度（薄さ）が方位角（北を０度とする時計回りの角度）を表すことになる。赤のグラデーションは同図（Ｃ），（Ｄ）に示すようにその濃度が傾斜角を示すように緯線状に彩色されており、透明アクリルケース２０が下向きに傾斜するほど赤の濃度の高い部分が現れるようになっている。
【００４８】
実際には、この赤グラデーションと青グラデーションが同じ球面にされており、両色が混ざり合っている。
【００４９】
図５（Ｂ）に示すように、このコンパス２０の側面に向けてフォトセンサ２５〜２７が設けられている。フォトセンサ２５は青色の濃度を検出するセンサであり、フォトセンサ２６，２７は赤色の濃度を検出するセンサである。フォトセンサ２５はヘッドホン３の前側からコンパス２０の側面に向けられており、フォトセンサ２６はヘッドホン３の右側からコンパス２０の側面に向けられており、フォトセンサ２７はヘッドホン３の後側からコンパス２０の側面に向けられている。
【００５０】
図８は、各フォトセンサ２５，２６，２７の構成を示す。ＬＥＤ３０及びフォトダイオード３２がコンパス２０に向けて設けられ、これらＬＥＤ３０，フォトダイオード３２の前面に所定色のみを通過させる光学フィルタが設けられている。ＬＥＤ３０は電池３１によって連続点灯され、コンパス２０の球状磁石体２１の表面を照射している。また、フォトダイオード３２は、上記ＬＥＤ３０が照射した光の球状磁石体２１表面の反射光を受光することによって抵抗値が変化する。
【００５１】
このフォトダイオード３２はアンプ３３に接続されている。アンプ３３はフォトダイオード３２の検出値を増幅してＬＰＦ３４に入力する。ＬＰＦ３４は、検出値のうち微小な振動成分を除去して動作としての頭の動きのみを抽出し、係数発生部５に出力する。
【００５２】
フォトセンサ２５が前側からコンパス２０の球状磁石体２１の青色濃度を検出することにより、図９（Ａ）に示す濃度検出値と方位角の関係に基づいて、このヘッドホン３がどの方位を向いているかを検出することができる。
【００５３】
また、フォトセンサ２６は右側面から球状磁石体２１の赤色を検出することにより、図９（Ｂ）に示す濃度検出値と傾斜角（仰角）の関係に基づいて、ヘッドホン３が右にどの程度傾いているかを検出することができる。
【００５４】
さらに、フォトセンサ２７は後側から球状磁石体２１の赤色を検出することにより、図９（Ｂ）に示す濃度検出値と仰角の関係に基づいて、ヘッドホン３がどの程度上を向いているかを検出することができる。
【００５５】
これらの検出内容を係数発生部５に入力することにより、係数発生部５は、入力装置６によって設定された仮想発音位置がヘッドホン３からみてどの方向・距離にあるかを計算することができ、この方向・距離を信号処理的に実現するためのディレイライン１１のタップ位置及びＣｈ１〜Ｃｈ８のゲイン乗算器１２，１３のゲインを算出して音像定位部２に出力する。
【００５６】
なお、このように方位センサとして地磁気センサを用いたことにより、他のセンサ例えばジャイロセンサなどに比べて以下のような利点がある。首を傾けて回してもズレや誤差が生じないため、上体を動かして演奏する電子ピアノのヘッドホンに用いても安定した音像定位を実現することができる。地磁気が常時安定しているため、電子楽器やＡＶ機器など音源となる装置とのキャリブレーション（位置関係の設定）を１回とれば、以後使用開始時や使用途中に取り直す必要がなく、以後装置を移動させるまでキャリブレーションをとることが不要となる。また、ジャイロなど他の方位センサに比べて安価である。
【００５７】
なお、方位磁石を浮かせている液体の粘度を調節することで、頭の回転に対する応答性を調節することができる。また、この検出内容の係数発生部５への伝送は、有線でも無線でもよい。無線で行う場合には、電源として電池を用いるが、その電池は充電式電池でもよい。例えば、ヘッドホンを掛けておくホルダに充電機能を設け、そのホルダに載せている間に充電されるようにしてもよい。また、有線で行う場合には、ヘッドホンのオーディオケーブルを介して信号及び電源の送受をするようにすることもできる。
【００５８】
図１０，図１１は上記係数発生部５の動作を示すフローチャートである。図１０において、この装置の動作がスタートすると、まず、各種レジスタをイニシャライズする。正面方位レジスタ５ａには０度のデータが入力される。すなわち、ヘッドホン３の正面（仮想的壁面８）は真北に向いているとされる。そして、仮想発音位置レジスタ５ｂにはｘ，ｙ座標として０，０がセットされる。すなわち、ヘッドホン３の正面に仮想発音位置があるように設定される。こののち設定ボタン７のオン（ｓ２）又は入力装置６の操作（ｓ３）があるまで待機する。設定ボタン７がオンされると（ｓ２）、そのときの方位センサ４の方位（フォトセンサ２５の検出値）を読み取り（ｓ４）、その方位を正面方位レジスタ５ａに記憶する（ｓ５）。一方、入力装置６が操作されると、その操作に応じて仮想発音位置レジスタ５ｂのｘ，ｙ座標を書き換える（ｓ６）。すなわち、入力装置６が左右に操作されるとその操作に応じてｘ座標の値を増減し、入力装置６が上下に操作されるとその操作に応じてｙ座標の値を増減する。
【００５９】
図１１はタイマインタラプト動作である。この動作は数十ミリ秒に１回の頻度で行われる定位位置制御動作である。まず、方位センサ４に内蔵されている３つのフォトセンサ２５，２６，２７の検出値を読み取る（ｓ１１）。そして、この検出値に基づいてヘッドホン３の向き（方位）及び傾きを検出する（ｓ１２，ｓ１３）。このデータと正面方位データ，仮想音源のｚ０ 及びｘ，ｙ座標に基づいて仮想発音位置に対する方向・距離を算出する（ｓ１４）。この方向・距離に基づいて各チャンネルに与えるゲイン及びディレイライン１１のタップ位置を決定し（ｓ１５）、これらを音像定位部２に送出する（ｓ１６）。
【００６０】
なお、ゲインやタップ位置などの割出しは、算出された方向・距離に基づき所定の演算式を用いて算出するようにしてもよく、種々の方向・距離に対応する係数をテーブルとして記憶しておき、その中の適当なものを読み出すようにしてもよい。この係数テーブルは複数の距離・方向に対応するＦＩＲフィルタの伝達特性パラメータを記憶したテーブルに比べてデータ量が極めて小さいためこのようにしてもメモリ容量は少なくてすむ。
【００６１】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。上述の第１の実施例では、センサ付のヘッドホンを利用し、仮想音像位置を８箇所に設定したが、このような構成では、安価なシステムを構成することは難しい。そこで、第２の実施例では、通常のヘッドホンを利用して、仮想音像位置（仮想スピーカ位置）を４箇所に設定する場合を説明する。聴取者は正面を向き、ヘッドホンの向きはほぼ一定の場合を想定する。
【００６２】
図１３は、第２の実施例の音像定位装置における仮想スピーカ位置と音源位置ＶＰを表す概念図である。本実施例では、左右前方、左右後方の４箇所に、仮想スピーカＳＰ１からＳＰ４を配置する。音源位置ＶＰの方向は、図に示すように頭部周囲の仮想スピーカＳＰ１からＳＰ４間のレベル重み付けによって決定される。また、音源位置ＶＰと聴取者位置に対して点対称位置ＶＰ’から原音と数〜１０数ｍｓ遅らせた音を発生させて定位感を強調する。この点対称位置ＶＰ’からの音は、壁面からの反射音を想定しており後述のＢＰＦを介することにより、反射による減衰がシミュレートされる。
【００６３】
音源位置ＶＰの距離は、直接音（ｘ）、初期反射音（ｙ）、残響音（ｚ）のレベル差、到着時間の遅れの大きさによって制御される。例えば、レベル差の制御は、後述の乗算部に供給されるＤＳＰパラメータのゲイン係数によって制御され、初期反射音用のゲイン係数をａとし、残響音用のゲイン係数をｂとすると、音源位置ＶＰの距離を近くに設定する場合は、直接音のレベルが初期反射音と残響音のレベルの和よりも大きくなるようにｘ＞ａｙ＋ｂｚの関係が成り立つように制御し、音源位置ＶＰの距離を遠くに設定する場合は、直接音のレベルが初期反射音と残響音のレベルの和よりも小さくなるようにｘ＜ａｙ＋ｂｚの関係が成り立つように制御する。
【００６４】
図１４は、第２の実施例による音像定位装置の基本構成を表すブロック図である。
【００６５】
バス５１には、検出回路５２、表示回路５３、ＲＡＭ５４、ＲＯＭ５５、ＣＰＵ５６、外部記憶装置５７、通信インターフェイス５８、音源回路５９、タイマ６０が接続される。
【００６６】
ユーザは、検出回路５２に接続される操作子（入力手段）６２を用いて、後述の物理パラメータ、プリセットの入力及び選択等をすることができる。操作子６２は、例えば、ロータリーエンコーダ、スライダ、マウス、キーボード、鍵盤、ジョイスティック、スイッチ等、ユーザの入力に応じた信号を出力できるものならどのようなものでもよい。また、複数の入力手段が接続されていてもよい。
【００６７】
表示回路５３は、ディスプレイ６３に接続され、後述の物理パラメータ、プリセット番号等の各種情報をディスプレイ６３に表示することができる。ディスプレイ６３は、液晶表示装置（ＬＣＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）等で構成されるが、各種情報を表示できるものならばどのようなものでもよい。
【００６８】
外部記憶装置５７は、外部記憶装置用のインターフェイスを含み、そのインターフェイスを介してバス５１に接続される。外部記憶装置５７は、例えば、フラッシュメモリなどの半導体メモリ、フロッピディスクドライブ（ＦＤＤ）、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、光磁気ディスク（ＭＯ）ドライブ、ＣＤ−ＲＯＭ（コンパクトディスク−リードオンリィメモリ）ドライブ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）ドライブ等である。外部記憶装置５７には、ユーザが設定するプリセット等を保存することができる。
【００６９】
ＲＡＭ５４は、フラグ、レジスタ又はバッファ、各種データ等を記憶するＣＰＵ５６用のワーキングエリアを有する。
【００７０】
ＲＯＭ５５には、プリセットデータ、関数テーブル、各種パラメータ及び制御プログラム等を記憶することができる。この場合、プログラム等を重ねて、外部記憶装置５７に記憶する必要は無い。ＣＰＵ５６は、ＲＯＭ５５又は、外部記憶装置５７に記憶されている制御プログラム等に従い、演算又は制御を行う。
【００７１】
タイマ６０は、ＣＰＵ５６及バス５１に接続されており、基本クロック信号、割り込み処理タイミング等をＣＰＵ５６に指示する。
【００７２】
音源回路５９は、供給されるＭＩＤＩ信号等に応じて楽音信号を生成し、外部に出力する。本実施例では、音源回路５９は、波形ＲＯＭ６４、波形読出装置６５、ＤＳＰ（ＤＩＧＩＴＡＬ ＳＯＵＮＤＦＩＥＬＤ ＰＲＯＣＥＳＳＯＲ）６６及びＤ／Ａコンバータ（ＤＡＣ）６７で構成される。
【００７３】
波形読出し装置６５は、ＣＰＵ５６の制御により波形ＲＯＭ６４に記憶される音源の各種音色波形を読み出す。ＤＳＰ６６は、波形読出し装置６５が読み出す波形に残響や定位等の効果を与える。ＤＡＣ６７はＤＳＰ６６によって各種効果が付与された波形をデジタル形式からアナログ形式に変化して外部に出力する。なお、ＤＳＰ６６の機能については後述する。
【００７４】
なお、音源回路５９は、本実施例の波形メモリ方式に限らず、ＦＭ方式、物理モデル方式、高調波合成方式、フォルマント合成方式、ＶＣＯ（ＶｏｌｔａｇｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）＋ＶＣＦ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｆｉｌｔｅｒ）＋ＶＣＡ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）のアナログシンセサイザ方式等、どのような方式を用いたものであってもよい。
【００７５】
また、音源回路５９は、専用のハードウェアを用いて構成するものに限らず、ＤＳＰ（Ｄｅｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）＋マイクロプログラムを用いて構成してもよいし、ＣＰＵ＋ソフトウェアのプログラムで構成するようにしてもよいし、サウンドカードのようなものでもよい。
【００７６】
さらに、１つの音源回路を時分割で使用することにより複数の発音チャンネルを形成するようにしてもよいし、複数の音源回路を用い、１つの発音チャンネルにつき１つの音源回路で複数の発音チャンネルを構成するようにしてもよい。
【００７７】
通信インターフェイス５８は、他の楽器、音響機器、コンピュータ等に接続できるものであり、少なくとも電子楽器と接続できるものである。この場合、通信インターフェイス５８は、ＭＩＤＩインターフェイス、ＲＳ−２３２Ｃ、ＵＳＢ（ユニバーサル・シリアル・バス）、ＩＥＥＥ１３９４（アイトリプルイー１３９４）等の汎用のインターフェイスを用いて構成する。
【００７８】
図１５は、第２の実施例におけるデータフローを示す概念的ブロック図である。
【００７９】
パラメータ入力部７１は、例えば、図１４の入力手段６２及び外部記憶装置５７又はＲＯＭ５５によって構成され、パラメータ変換部７２に各種の物理パラメータを入力する。
【００８０】
パラメータ入力部７１では、仮想空間情報及び再生条件が入力される。これらの情報の入力は、入力手段６２を介してユーザが行うか又はこれらの情報を予め含むプリセットの中からユーザが選択することにより行われる。
【００８１】
仮想空間情報には、ホール、スタジオ等の空間の種類及び形状、受聴者から見た仮想音源の距離、及び方向が含まれる。再生条件には、受聴者の個人差、使用するヘッドホンの特性等が含まれる。
【００８２】
入力された仮想空間情報及び再生条件は、物理パラメータとして、パラメータ変換部７２に送られる。
【００８３】
パラメータ変換部７２は、例えば図１４のＣＰＵ５６で構成され、入力される物理パラメータをＤＳＰパラメータに変換する。物理パラメータからＤＳＰパラメータへの変換はパラメータ変換テーブル７３を参照することにより行われる。パラメータ変換テーブル７３は、図１４の外部記憶装置５７、又はＲＯＭ５５に保存されている。
【００８４】
ＤＳＰパラメータは、後述の図１６の定位制御部８５で、ＦＩＲフィルタ１５及びＩＩＲフィルタ４１等を制御するためのフィルタ係数、各種乗算部を制御するためのゲイン係数、ディレイ１１ｂの遅延時間等を含み、また、残響付加部８６を制御するための各種パラメータを含む。
【００８５】
変換されたＤＳＰパラメータは、音源ユニット（音源回路）５９に送られる。音源ユニット５９では、入力されるＤＳＰパラメータに基づき各種効果を波形データに付与して楽音信号として出力する。
【００８６】
なお、ＤＳＰパラメータは、物理パラメータから変換されるだけでなく、定位パターンや、残響パターン、又はそれらの組合せのパターンごとに、予めプリセットとして記憶されていてもよい。
【００８７】
図１６は、図１４のＤＳＰ６６の機能を示すブロック図である。ＤＳＰ６６は、乗算部８４、定位制御部８５、残響付加部８６、乗算部８７、加算部８８、加算部９０、マスターイコライザ８９を有する。
【００８８】
図１４の波形読出し装置６５に読み出された複数チャンネル（ｘＮｃｈ）の波形データはＤＳＰ６６に入力されると、それぞれ、直接音、初期反射音、残響音用の波形データとして３系統に分けられる。複数チャンネル（ｘＮｃｈ）の直接音用の波形データはそのままＤｒｙＩｎとして、定位制御部８５に入力される。
【００８９】
複数チャンネル（ｘＮｃｈ）の初期反射音用の波形データは、乗算部８４ａで受聴者と仮想発音位置の設定距離により定められるゲイン係数に従い乗算された後、ＥＲＩｎとして、定位制御部８５に入力される。複数チャンネル（ｘＮｃｈ）の残響音用の波形データは、乗算部８４ｂで受聴者と仮想発音位置の設定距離により定められるゲイン係数に従い乗算された後、加算部９０で加算されてＲｅｖＩｎとして、残響付加部８６に入力される。
【００９０】
定位制御部８５は、後に図１７を用いて詳述するように、仮想発音位置を制御する。
【００９１】
残響付加部８６は、入力される波形データに、残響を付加して、仮想音源の距離感を創出すると共に、仮想空間をシミュレートし、残響音として出力する。残響音のパターンは、空間タイプによって残響時間、直接音及び初期反射音のレベル差、周波数帯域毎の減衰量が異なる。これら、残響時間、直接音及び初期反射音とのレベル差、周波数帯域毎の減衰量は、ＤＳＰパラメータとして入力される。これらＤＳＰパラメータは、ユーザが入力する物理パラメータを変換して生成するが、空間タイプ（ホール、スタジオなど）ごとにプリセットとして記憶しておいてもよい。
【００９２】
定位制御部８５及び残響付加部８６から出力される波形データは、それぞれ乗算部８７ａ、８７ｂで乗算され、加算部８８で加算合成されて１つの波形データとして、マスターイコライザ８９に入力される。マスターイコライザ８９では、入力される波形データの周波数特性を補正して、図１４のＤＡＣ６７に出力する。
【００９３】
図１７は、図１６の定位制御部（ＬＯＣ）８５の機能を示すブロック図である。定位制御部８５は、複数チャンネル（ｘＮｃｈ）のそれぞれに対応する複数の前段部８５ａと、１つの後段部８５ｂで構成される。複数の入力を有する事、チャンネル数が少ない事等を除き基本的な構成は図３に示す第１の実施例とほぼ同様のものであり、同様の機能を持つ構成には同様の参照番号を附す。
【００９４】
前段部８５ａは、直接音用の波形データの入力ＤｒｙＩｎと初期反射音用の波形データの入力ＥＲＩｎを有している。ＤｒｙＩｎから入力された波形データは、左右前方及び左右後方の４ｃｈに分けられた後、それぞれ乗算部１２で乗算され加算部１４に入力される。乗算部１２のゲイン係数は、ＤＳＰパラメータとして入力される。
【００９５】
ＥＲＩｎから入力された波形データは、ディレイ１１ｂで、ＤＳＰパラメータ中の遅延時間に基づき直接音から数〜１０数ｍｓ遅れて初期反射音としてＢＰＦ４０に出力される。ＢＰＦ４０は、初期反射音に対して、反射による減衰を模するために設けられている。その後初期反射音は、左右前方及び左右後方の４ｃｈに分けられた後、それぞれ乗算部１３で乗算され加算部１４に入力される。乗算部１３のゲイン係数は、ＤＳＰパラメータとして入力される。
【００９６】
加算部１４では、直接音及び初期反射音を加算合成して後段部８５ｂの加算部１９に送る。
【００９７】
ＦＩＲフィルタ１５は左耳用フィルタ１５Ｌ，右耳用フィルタ１５Ｒの２系統を有している。Ｃｈ１のＦＩＲフィルタ１５Ｌは、楽音が図１３の左前方から左耳に聞こえてくる場合の響きを頭部音響伝達関数によりシミュレートし、Ｃｈ１のＦＩＲフィルタ１５Ｒは、楽音が図１３の左前方から右耳に聞こえてくる場合の響きを頭部音響伝達関数によりシミュレートする。同様にＣｈ２〜Ｃｈ４のＦＩＲフィルタ１５Ｌ，ＦＩＲフィルタ１５Ｒはそれぞれ右前方、左右後方から左右両耳への楽音の伝達を頭部音響伝達関数によりシミュレートする。
【００９８】
仮想発音位置の方向がこれら基本方向の中間の方向であった場合、基本方向のうちその仮想発音位置の方向を囲む２方向となす角度を算出し、その角度に対応するディレイ１１ｂの遅延時間及びゲイン係数をディレイ１１ｂ及び各チャンネルのゲイン乗算器１２，１３に与える。
【００９９】
各チャンネルのＦＩＲフィルタ１５Ｌ、Ｒから出力された波形データはそれぞれ加算部１６で加算合成される。これら加算合成されたデジタルの楽音信号（波形データ）はそれぞれ左右２チャンネルを有するＩＩＲフィルタ４１に入力される。
【０１００】
ＩＩＲフィルタ４１は、加算合成されたデジタルの楽音信号の特性を補正するためのフィルタであり、図３の第１の実施例のものと同様のものである。ＩＩＲフィルタ４１によって補正された波形データは、図１６の乗算部８７ａに出力される。
【０１０１】
以上、本発明の第２の実施例によれば、ＨＲＴＦ再現をインパルス応答畳み込み用ＦＩＲフィルタとその後段に配置される周波数特性補正用ＩＩＲフィルタによって実現するので、受聴者の嗜好や定位特性の差異に応じてデジタルの楽音信号を補正することができる。
【０１０２】
また、上記受聴者の嗜好や定位特性の差異に応じたＨＲＴＦをプリセットすることが出来るので、ＨＲＴＦ再現の設定を容易に行うことが出来る。
【０１０３】
さらに、残響音を含めた定位タイプをプリセットパターンとして記憶することが出来、ユーザはそれを選択することが出来る。
【０１０４】
また、以上のような構成をとることにより、ＦＩＲフィルタ及びＩＩＲフィルタを各発音定位位置に関係なく係数固定にすることが出来、図１７に示すように前段部８５ａを入力ライン数分備えることにより小規模な構成で多数の個別音源の定位を実現することが出来る。
【０１０５】
なお、本発明の実施例は、ヘッドホンを用いて受聴する場合を説明したが、図３または図１７のＩＩＲフィルタ４１の後段にクロストークキャンセラを配置することにより、スピーカでの受聴にも適用できる。
【０１０６】
さらになお、本発明の実施例は、実施例に対応するコンピュータプログラム等をインストールした市販のコンピュータ等によって、実施させるようにしてもよい。
【０１０７】
その場合には、本実施例に対応するコンピュータプログラム等を、ＣＤ−ＲＯＭやフロッピーディスク等の、コンピュータが読み込むことが出来る記憶媒体に記憶させた状態で、ユーザに提供してもよい。
【０１０８】
その汎用コンピュータ又はコンピュータ等が、ＬＡＮ、インターネット、電話回線等の通信ネットワークに接続されている場合には、通信ネットワークを介して、コンピュータプログラムや各種データ等を汎用コンピュータ又はコンピュータ等に提供してもよい。
【０１０９】
さらに、実施例は、１つの装置で実施するだけに限らず、さまざまな装置をＭＩＤＩや各種ネットワーク等の通信手段を用いて接続したものであってもよい。また、音源装置や自動演奏装置等を内蔵した電子楽器などで実施例を実施することもできる。ここでいう電子楽器とは、鍵盤楽器タイプ、弦楽器タイプ、管楽器タイプ、打楽器タイプ等の電子楽器である。
【０１１０】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組合せ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【０１１１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ヘッドホンによる受聴において十分な臨場感を得ることが出来る。
【０１１２】
また、楽器配置、受聴空間に応じた効果を選択調整することが出来る。またそれを記憶することも出来る。
【０１１３】
さらに、受聴者、ヘッドホンの種類毎に定位感の調整をすることが出来る。またそれを記憶することも出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施例による音像定位装置のブロック図である。
【図２】同音像定位装置の音像定位方式を説明する図である。
【図３】同音像定位装置の音像定位部のブロック図である。
【図４】同音像定位装置のヘッドホンの外観図である。
【図５】同ヘッドホンに設けられる方位センサの構成図である。
【図６】同方位センサが傾斜したときの状態を示す図である。
【図７】同方位センサの球状磁石体の塗装を説明する図である。
【図８】同方位センサに設けられるフォトセンサの構成図である。
【図９】同方位センサのフォトセンサの濃度検出値と方位角、傾斜（仰角）との関係を示す図である。
【図１０】同音像定位装置の係数発生部の動作を示すフローチャートである。
【図１１】同音像定位装置の係数発生部の動作を示すフローチャートである。
【図１２】ＩＩＲフィルタを用いた場合の周波数特性の変化を表すグラフである。
【図１３】第２の実施例の音像定位装置における仮想スピーカ位置と音源位置ＶＰを表す概念図である。
【図１４】第２の実施例による音像定位装置の基本構成を表すブロック図である。
【図１５】第２の実施例におけるデータフローを示す概念的ブロック図である。
【図１６】図１４のＤＳＰ６６の機能を表すブロック図である。
【図１７】図１６の定位制御部（ＬＯＣ）８５の構成を表すブロック図である。
【符号の説明】
２…音像定位部、３…ヘッドホン、４…方位センサ、５…係数発生部、５ａ…正面方位レジスタ、５ｂ…仮想発音位置レジスタ、６…入力装置、７…設定ボタン、１１…ディレイライン、１２，１３…ゲイン乗算器、１５Ｌ，１５Ｒ…ＦＩＲフィルタ、１６Ｌ，１６Ｒ…加算器、２０…コンパス、２１…球状磁石体、２１ａ…板状磁石、２１ｂ…重り、２１ｃ…空間、２３…液体、２５，２６，２７…フォトセンサ、２８…ケース、３０…ＬＥＤ、３２…フォトダイオード、３５…フィルタ 、４０…ＢＰＦ、４１…ＩＩＲフィルタ、５１…バス、５２…検出回路、５３…表示回路、５４…ＲＡＭ、５５…ＲＯＭ、５６…ＣＰＵ、５７…外部記憶装置、５８…通信インターフェイス、５９…音源回路、６０…タイマ、６２…入力手段、６３…ディスプレイ、６４…波形ＲＯＭ、６５…波形読出装置、６６…ＤＳＰ、６７…ＤＡＣ、７１…パラメータ入力部、７２…パラメータ変換部、７３…パラメータテーブル、８４、８７…乗算部、８５…定位制御部、８６…残響付加部、８８…加算部、８９…マスターイコライザ
Claims (5)
- 楽音信号を入力する楽音信号入力手段と、
前記楽音信号の仮想発音位置を入力する仮想発音位置入力手段と、
前記楽音信号の仮想発音位置に基づく係数と、前記仮想発音位置と聴取者位置に対して点対称位置である初期反射音位置に基づく係数とを発生する係数発生手段と、
前記仮想発音位置に基づく係数により前記楽音信号をディレイさせた先行音信号と、前記初期反射音位置に基づく係数により前記先行音信号に対して別の音と認識されない値で前記楽音信号をディレイさせた後行音信号とを生成する生成手段と、
前記先行音信号に対し前記仮想発音位置に基づく係数によるゲイン調整を行い、複数の方向から両耳への楽音伝達特性と該ゲイン調整された先行音信号とを畳み込み演算して出力する先行音処理手段と、
前記後行音信号に対し前記初期反射音位置に基づく係数によるゲイン調整を行い、前記楽音伝達特性と該ゲイン調整された後行音信号とを畳み込み演算して出力する後行音処理手段と、
前記先行音処理手段から出力される信号と前記後行音処理手段から出力される信号とを加算して出力する加算手段と
を有する音像定位装置。 - さらに、前記後行音を減衰させるためのフィルタ手段を有する請求項１記載の音像定位装置。
- さらに、前記楽音信号に残響音を付加する残響音付加手段を有する請求項１又は２記載の音像定位装置。
- 楽音信号を入力する楽音信号入力工程と、
前記楽音信号の仮想発音位置を入力する仮想発音位置入力工程と、
前記楽音信号の仮想発音位置に基づく係数と、前記仮想発音位置と聴取者位置に対して点対称位置である初期反射音位置に基づく係数とを発生する係数発生工程と、
前記仮想発音位置に基づく係数により前記楽音信号をディレイさせた先行音信号と、前記初期反射音位置に基づく係数により前記先行音信号に対して別の音と認識されない値で前記楽音信号をディレイさせた後行音信号とを生成する生成工程と、
前記先行音信号に対し前記仮想発音位置に基づく係数によるゲイン調整を行い、複数の方向から両耳への楽音伝達特性と該ゲイン調整された先行音信号とを畳み込み演算して出力する先行音処理工程と、
前記後行音信号に対し前記初期反射音位置に基づく係数によるゲイン調整を行い、前記楽音伝達特性と該ゲイン調整された後行音信号とを畳み込み演算して出力する後行音処理工程と、
前記先行音処理工程で出力される信号と前記後行音処理工程で出力される信号とを加算して出力する加算工程と
を有する音像定位方法。 - 楽音信号を入力する楽音信号入力手順と、
前記楽音信号の仮想発音位置を入力する仮想発音位置入力手順と、
前記楽音信号の仮想発音位置に基づく係数と、前記仮想発音位置と聴取者位置に対して点対称位置である初期反射音位置に基づく係数とを発生する係数発生手順と、
前記仮想発音位置に基づく係数により前記楽音信号をディレイさせた先行音信号と、前記初期反射音位置に基づく係数により前記先行音信号に対して別の音と認識されない値で前記楽音信号をディレイさせた後行音信号とを生成する生成手順と、
前記先行音信号に対し前記仮想発音位置に基づく係数によるゲイン調整を行い、複数の方向から両耳への楽音伝達特性と該ゲイン調整された先行音信号とを畳み込み演算して出力する先行音処理手順と、
前記後行音信号に対し前記初期反射音位置に基づく係数によるゲイン調整を行い、前記楽音伝達特性と該ゲイン調整された後行音信号とを畳み込み演算して出力する後行音処理手順と、
前記先行音処理手順で出力される信号と前記後行音処理手順で出力される信号とを加算して出力する加算手順と
を有する音像定位手順をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録した媒体。
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