JP4166695B2 - 音響再生システム - Google Patents
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Description
本発明は、特に、しかしながらこれに限らず、記録空間内の例えばある概念的な頭の耳の位置で記録された信号が、複数のスピーカ・チャンネルを介して再生されることにより聴取空間内に再現されるという音の立体音響再生に関係するものであり、本システムは、聴取空間内の複数の位置において、記録空間内の対応する位置で得られる聴覚的効果を合成することを目的として構成されている。
1 はじめに
1.1 発明の背景
‘ステレオ・ダイポール'[1](及び特許明細書WO97/30566)及び‘オプティマル・ソース・ディストリビューション’[2](及び特許出願No.PCT/GB01/02759、2001年6月22日出願)の仮想音像システムの開発は、制御変換器の方位角位置に関するものであった。従来、スピーカによるバイノーラル再生のための変換器の仰角位置は、方位角位置よりもさらに注目されていなかった。過去のほとんどの研究では、変換器が、通常、聴取者の頭を含む水平面上に置かれている。この慣行はおそらく、仮想音像が変換器と同じ仰角に認識されるステレオ方式からきたものである。ほとんどの物体が地面上にあるという事実により、日常生活における音源のほとんどは水平面上にあるため、変換器を水平面上に置くのは自然な選択であった。ときには物理的な制約から、変換器を水平面よりやや上方あるいは下方に置かなくてはならないこともあった。しかしながら、バイノーラル技術は、基本的にどの方向から到来する音波の合成も可能とするため、変換器の位置を水平面上に制限する理由はない。
1.2 発明の概要
本発明の一つの見方によると、音響再生システムは、電気音響変換器手段と、複数チャンネルの録音に応じて電気音響変換器手段を駆動するための変換器駆動手段とを含み、電気音響変換器手段は、使用時に間隔をおいて配置される音響放射器を含み、変換器駆動手段は、音響放射器の特性及び聴取者の耳に対する予定された位置を考慮し、かつ聴取者の頭部伝達関数を考慮して、録音空間内の聴取者の耳の位置に存在するであろう局所的な音場に近似した音場を聴取者位置に再生する目的で設計及び構成されたフィルタ手段を含み、電気音響変換器手段は、聴取者位置にいる聴取者の両耳間軸から離れて位置しており、また前記両耳間軸を含む平面であって、同様に前記両耳間軸を含む基準水平面に対して傾斜している平面内に実質上位置している少なくとも1対の音響放射器を含んでおり、前記水平面に対する前記傾斜している平面の傾斜角度は、60°乃至120°の範囲内にある。
従って、水平面に対して60°乃至120°の傾斜角度を有する平面内に、変換器対を置く。
傾斜角は75°乃至105°の範囲内にあることが望ましい。
電気音響変換器手段は2対以上の変換器で構成されていてもよい。複数の変換器対は、実質上共通の傾斜平面内に置かれることが望ましいが、異なる傾斜平面内に置かれてもよく、その場合それぞれの平面は、前記水平面に対して60°乃至120°の範囲内の角度にあることが望ましい。
複数の変換器対がある場合、相対的に高い周波数帯域の駆動出力信号は、前記音響放射器対のうち聴取者の頭の位置において相対的に小さな方位角をなす第一の変換器対を励振するようにしたほうが好ましく、相対的に低い周波数帯域の駆動出力信号は、前記音響放射器対のうち聴取者の頭の位置において相対的に大きな方位角をなす第二の変換器対を励振するようにしたほうが好ましい。
変換器対の上方あるいは下方の位置を十分に考慮した上で、上述のWO97/30566及び特許出願PCT/GB01/02759の明細書で論じられているフィルタ設計法を利用することが望ましい。
1.3 図面の簡単な説明
添付の図面を参照し、単なる一例として本発明がさらに説明される。
2. 音響伝播系の逆変換
音響伝播系の逆変換を行う際には、所望の信号スペクトルの合成を行うため、音響伝播系の伝達関数のピークやディップが逆フィルタによって抑制されたり埋められたりする。従って、このプロセス、すなわち音響伝播系応答の補正を通して、ある程度のダイナミック・レンジが失われる。この点において、著しいピーク及びディップを有する音響伝播系応答よりも平坦な音響伝播系応答が好ましい。さらにまた、個々の音響伝播系HRTFsと設計音響伝播系HRTFsとの不一致が、しばしば誤ったスペクトルの合成をもたらすことが明らかになっている[3]。ノッチはその位置が個々に大きく異なりうるため、正しく除去される可能性が低く、ノッチがある場所にこの不一致が生じる可能性が最も高い。音響伝播系の逆変換が他の方向より容易な仰角方向がある可能性もある。従って、この可能性を検討するために、‘オプティマル・ソース・ディストリビューション’と‘ステレオ・ダイポール’の両システムに関する音響伝播系応答が測定された。
2.1 音響伝播系応答の測定
図2に例示した3ウェイOSDシステムを用いた。20kHzまでの周波数帯域をカバーするために6.2°の範囲にわたる高周波数ユニット対が選ばれ、できるだけ低い周波数帯域をカバーするために180°の範囲にわたる低周波数ユニット対が選ばれた。中間周波数ユニット対の範囲は32°である。‘ステレオ・ダイポール(SD)’システムは、その変換器が方位角方向において10°の範囲にわたる1ウェイのシステムとして定義された。
2.2 音響伝播系の解析
図4は、様々な仰角に対するOSDシステムの音響伝播系HRTFsの周波数応答を示す。5kHzを超える帯域でいくつかの顕著なディップが見られる。ディップがある周波数は、前半球では制御変換器の仰角が大きくなる(上方向に)につれて高くなり、引き続き後半球で仰角が大きくなる(下方向に)につれて再び低くなる。これらのディップを伴う周波数は、前頭面に関してほぼ対称であり、従って前後方向の逆転の原因である可能性が高い。一方、ディップを伴う周波数は、上下方向には著しく異なっている。従って、スペクトル形状の類似性の観点からすれば、上下方向の逆転は前後方向の逆転と比べてはるかに生じにくいと考えられる。
3. 動的手がかり
音が前から来るのか後から来るのかの判断がスペクトル手がかりではあいまいな場合、聴取者は頭の動きによる手がかりの動的変化を利用することがあることも知られている。図8は、前後方向の識別に使われていると思われる、頭の水平回転運動に関連した両耳間時間差(ITD)を示している。加えて、頭の水平回転運動は、視覚を含む全ての感覚による物体の定位過程において最も生じやすい動作である。ITDは文献[4]に記述されているのと同じ方法で計算されている。音源は、正中面上の仰角0°から90°まで10°間隔に設定されている。上半球の音源によるITDの変化を例示するため、−180°から180°まで頭が水平回転したときのITDが座標で示されている。下半球にある音源によるITDの変化は同様な傾向を示すが、ここでは例示されていない。ITD曲線の傾きは、その仰角に応じたITDの動的変化を示す。前の音源方向はほとんどの場合負の変化を生じ、後ろの音源方向では正の変化を示す。
4. 他の配慮
聴取者が音源の高さをはっきり判断できない場合、現実の音環境において最も可能性が高いために、人がデフォルトとして水平面内の方向を取る傾向にあるということは周知の現象である。よって、上下方向への偏った認識が生じる懸念は、ある程度緩和される。
5. 被験者実験
上記の分析は、仰角90°(上半球の前頭面内)が数々の利点を持っており、通常の仰角0°(前方の水平面内)の位置に対する有力な代替位置となりうるということを強く示唆している。この所見を実証するために1組の被験者評価が行われた。仰角0°と90°の両方向に対してOSDシステムによる定位実験が実施された。さらに、頭の回転運動により生じる誤った動的情報がある場合の定位実験も実施された。
5.1 実験方法
逆フィルタは、ディジタル信号処理器を用いて実現された。文献[2]に記載された数多くの方法のうち、単一の2行2列の音響伝播系行列をもとに逆フィルタHが設計された。正常な聴力を持ち聴覚疾患歴のない3人の若い大人が、有償の被験者として参加した。評価は無響室内で行われた。
5.2 頭上の制御変換器による定位性能
認識された仮想音源方向が図13に示されている。黒丸は認識された方向を示し、その大きさはその認識の頻度を示す。提示された方向は白丸で示されている。制御変換器が仰角0°の位置にあるときの結果を図13aに示す。反応は水平面(仰角0°及び±180°)方向に向かって集まっている。頭の真上や真下の領域にはほとんど認識されていない。制御変換器が仰角90°の位置にあるときの結果を図13bに示す。反応は様々な仰角に渡ってより均等に分布している。しかしながら、仰角80°近辺(制御変換器の仰角付近)と仰角−140°近辺(後下四半球)の集まりが見受けられる。前下四半球での認識が比較的少ない。仰角90°にある制御変換器により示される特徴は、視覚情報と同時に仮想音響環境を提示する場合に特に都合がよいと思われる。それは視覚用システムによって提示される映像が、聴覚認識を前方に移動させる可能性が高く、従って誤差を小さくするからである。
5.3 誤った動的手がかりの影響
聴取者の頭の水平回転による誤った動的情報を伴う場合の、別の一連の定位実験が行われた。±3°の頭の水平回転運動が被験者自身によって継続的に行われた最初の実験では、定位性能にほとんど差がなかった。この観察結果は、動的手がかりに対するスペクトル手がかりの優位性を裏付けている。しかしながら、2つの異なる制御変換器の仰角における差異を調査するために、頭の水平回転運動が±5°に増大された。
6 結論
制御変換器の様々な仰角位置の特徴を確定するために、スペクトル手がかりと動的手がかりの解析が、一連の被験者実験と併せて行われた。音響伝播系の周波数応答は、有望な制御変換器の位置が、聴取者の頭上の前頭面内にあることを裏付けている。音響伝播系行列の条件は、後半球内の位置が不利であることを示している。不必要な頭の水平回転により生じる動的手がかりの解析は、前頭面上の変換器位置を強く支持している。聴取者の前方の水平面上と聴取者の頭上の前頭面上という、2つの代表的な制御変換器位置の間で比較を行うために、被験者実験が行われた。誤った動的手がかりがない場合の結果は、それぞれ別の利点や欠点を持ちながらも、両方とも同じように良い性能が得られることを示している。しかし、頭上の制御変換器位置は、誤った動的情報を除外するという利点を示している。
参考文献
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[2]T.タケウチ及びP.A.ネルソン、‘仮想音環境創生のためのオプティマル・ソース・ディストリビューション、’ISVRテクニカル・レポートNo.288,サウサンプトン大学(2000)。
[3]T.タケウチ、P.A.ネルソン、O.カークビー及びH.ハマダ、“仮想音環境創生システムに対する頭部伝達関数の個人差の影響”、104th AES コンヴェンション プレプリント 4700 (P4−3)、(1998)。
[4]T.タケウチ、及びP.A.ネルソン、‘頭の位置のずれに対する「ステレオ・ダイポール」の能力のロバスト性’、ISVRテクニカル・レポートNo.285、サウサンプトン大学(1999)。
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Claims (10)
- 電気音響変換器手段と、複数チャンネルの録音に応じて電気音響変換器手段を駆動するための変換器駆動手段とを備えた音響再生システムであって、前記電気音響変換器手段は、使用時に間隔をおいて配置される複数の音響放射器を含み、前記変換器駆動手段は、フィルタ手段を含み、該フィルタ手段が逆フィルタを含み、該フィルタ手段が、前記音響放射器の特性及び聴取者の耳に対する予定された位置を考慮し、かつ聴取者の頭部伝達関数を考慮して、録音空間内の聴取者の耳の位置に存在するであろう局所的な音場に近似した音場を聴取者位置に再生する目的で設計及び構成されており、前記電気音響変換器手段が、聴取者位置にいる聴取者の両耳間軸から離れて位置しており、また前記両耳間軸を含む平面であって、同様に前記両耳間軸を含む基準水平面に対して傾斜している平面内に実質上位置している少なくとも1対の音響放射器を含んでおり、前記水平面に対する前記傾斜している平面の傾斜角度が60°乃至120°の範囲内にあることを特徴とする音響再生システム。
- 前記1対の変換器が頭より高い位置に置かれていることを特徴とする、請求項1に記載の音響再生システム。
- 前記傾斜角度が75°乃至105°の範囲にあることを特徴とする、請求項1あるいは請求項2に記載の音響再生システム。
- 前記1対の変換器が前半球に置かれていることを特徴とする、請求項1ないし3のいずれかに記載の音響再生システム。
- 前記電気音響変換手段が複数の変換器対を含んでいることを特徴とする、請求項1ないし4のいずれかに記載の音響再生システム。
- 前記複数の変換器対が実質上共通の傾斜平面内に置かれていることを特徴とする、請求項5に記載の音響再生システム。
- 前記電気音響変換器手段が、実質上両耳間軸上において頭の位置の両側に置かれた1対の変換器を含むことを特徴とする、請求項5に記載の音響再生システム。
- 相対的に高い周波数帯域の駆動出力信号が、前記音響放射器対のうち聴取者の頭の位置において相対的に小さな方位角をなす第一の音響放射器対を励振するように設定され、相対的に低い周波数帯域の駆動出力信号が、前記音響放射器対のうち聴取者の頭の位置において相対的に大きな方位角をなす第二の音響放射器対を励振するように設定されていることを特徴とする、請求項5に記載の音響再生システム。
- 請求項1ないし8のいずれかに記載の音響再生システムの変換器駆動手段のフィルタ手段として適用するように設計及び構成されたフィルタ手段。
- 請求項9のフィルタ手段のフィルタ係数を表すコードが保存されており、効力のあるフィルタ手段を生成する際に使用するのに適している、コンピュータ読み取り可能な媒体。
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