JP4501800B2 - 音響信号処理装置及びプログラム - Google Patents
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Description
このようなエフェクタにおいて、ボイス信号は、ディレイを用いて入力信号を遅延させて生成したり、入力信号のピッチを単に一定量ずらすピッチシフトを行ったりして生成したりすることが行われていた。さらに、ピッチシフトにおけるシフト量を連続的に変化させることにより、ボイス信号にピッチのゆらぎを与えることも行われていた。
また、出力信号は、入力信号とボイス信号を重ねたり、これらの各信号をパンで左右に定位させたりしたものである。
また、無秩序にボイス信号のピッチを変化させると、変化に富んだ出力は得られるかもしれないが、出力信号が人工的な音に聞こえてしまうという問題があった。
この発明は、このような問題を解決し、変化に富み、かつ自然な聴感の出力信号を得られるエフェクトを実現することを目的とする。
あるいは、上記検出手段に、上記入力信号のピッチを検出し、そのピッチの検出が適切に行えない状態が所定時間以上継続した場合にフレーズの切れ目になったと認識する手段を設けるとよい。
あるいは、上記ピッチシフト量を不連続に変化させる点を、上記ピッチシフト量の時間当たりの変化量の絶対値を所定の閾値以上とする点とするとよい。
また、この発明のプログラムによれば、コンピュータを音響信号処理装置として機能させ、同様な効果を得ることができる。
〔第1の実施形態:図1乃至図15〕
まず、図1を用いて、この発明の音響信号処理装置の第1の実施形態である電子楽器の構成について説明する。図1はその電子楽器の構成を示すブロック図である。
図1に示すように、この電子楽器10は、CPU11,ROM12,RAM13,検出回路14,表示回路15,オーディオ信号インタフェース(I/F)16,通信I/F17,音源部18,信号処理部19を備え、これらがシステムバス20によって接続されている。そして、検出回路14には操作子21が、表示回路15には表示器22が、信号処理部19にはサウンドシステム23が接続されている。
RAM13は、CPU11のワークメモリとして使用したり、一時的に使用するパラメータの値等を記憶したりする記憶手段である。
また、通信I/F17として、他の電子楽器、音源装置等、MIDIデータを取り扱う外部装置との間でMIDIデータの送受信を行うためのインタフェースを設けてもよい。このようなインタフェースは、例えばUSB規格や、IEEE1394(Institute of Electrical and Electronic Engineers 1394)規格、あるいはRS232C(Recommended Standard 232 version C)規格等に準拠したインタフェースによって構成することができる。MIDIデータとそれ以外のデータを、共通のインタフェースを介して送受信できるようにすることも考えられる。
これらの音源部18や信号処理部19は、ソフトウェアによって実現してもハードウェアによって実現してもよい。
しかしここでは、上記の「加工」として、入力信号のピッチシフト量を不連続的に変化させるピッチ変換処理を行うようにしている。またこのとき、ピッチシフト量を不連続に変化させる点が、入力信号のフレーズの切れ目に位置するようにしている。この点が、この実施形態の特徴である。なおここでは、ピッチ変換に加え、入力信号と、加工後の加工信号であるボイス信号とに対して、それぞれパンニング処理も行うようにしている。
図2に示すように、ダブリングエフェクタ30は、ボイス信号生成部40,遅延処理部50,ミックス部60を備えている。
このうち、ボイス信号生成部40は、上記のピッチ変換処理を行ってボイス信号を生成する加工信号生成手段であり、その構成は図3に示すものである。
そして、図3に示すように、ボイス信号生成部40は、ピッチ検出部41,ピッチ加工部42,ピッチ変換部43,フレーズ切れ目検出部44を備えている。
ピッチ加工部42は、入力信号に対するピッチシフト量を求め、これをピッチ検出部41が取得した入力信号のピッチに加算して、ボイス信号のピッチを示すピッチ情報を生成する機能を有する。このとき、ピッチシフト量は、連続な関数に必要な値を代入して求めるようにするとよい。そして、この関数は、少なくとも時間の関数とするとよいし、入力信号のピッチの関数としてもよい。また、定数関数であっても、乱数部分を含む関数であってもよい。
例えば、ある点で関数の左極限と右極限の値が異なる場合に、その関数はその点で数学的には「不連続」であるが、左右の極限値が近い場合には、求まるピッチシフト量が連続関数により求めたものと実質的に変わらない場合もありうるため、上記のような定義としたものである。
なお、ゲイン調整やパン調整は必須ではなく、単に入力信号とボイス信号とを加算して出力するようにしてもよい。
ピッチシフト量は、図4に示す例では不連続に変化させる点以外では定数とし、図5に示す例では不連続に変化させる点以外では時間に応じて変化するようにしている。そして、どちらの場合も、ピッチシフト量が不連続に変化する点はフレーズの切れ目に位置し、それ以外の点では、ピッチシフト量を連続的に変化させるようにしている。また、不連続に変化させる場合でも、その変化量を変化点毎に独立に定めてよい。ここでは、フレーズの切れ目で、ピッチシフト量を求めるために用いる関数に乱数(負の値も含む)を加算し、以後新たな関数に従ってピッチシフト量を求めるようにしている。
また、信号処理部19が複数のチャンネルで信号処理を行う場合に、エフェクタを各チャンネル毎に設けてそれぞれ独立に動作させられるようにしてよいことは、もちろんである。
ピッチ検出部41においては、ピッチの検出は、基本的には、入力信号波形101と、その入力信号波形101の+側及び−側のエンベロープに所定値(又は所定の関数値)を乗算して得た+側エンベロープ102及び−側エンベロープ103とが交差する(サンプル値の大小関係が入れ替わる)タイミングを検出することにより行っている。
このようにエンベロープを利用するのは、高調波成分を多く含み、1周期内で何度もゼロクロスを繰り返すような信号や、波形の形が崩れていくつものピークを持つような信号等についてのピッチ検出間違いを防ぐためで、ゼロクロスのみの検出に比べるとはるかに正確なピッチが得られる。
また、図6に示した例では、+側及び−側のエンベロープ102,103は、時間の経過に応じて減衰するようなものとし、前者はIRQフラグの立ち上がり、後者は立ち下がりをトリガに減衰をリセットするようなものとしている。
また、入力信号波形101がゼロレベルと交差するゼロクロスの回数をカウントし、時間当たりのゼロクロス回数が所定値以上あった場合に、ピッチ検出を行わないようにするとよい。この閾値をここでは6ms当たり30回以上としている。このようになる部分は、入力信号は、人の声のうち子音に該当するものであり、このような部分ではボイス信号の加算を行わない方が好ましい出力音が得られることが、経験的にわかっているので、ピッチ検出をやめ、それに連動させてボイス信号の生成も停止させるためである。
(a)PCNT1+PCNT0(IRQフラグの立ち上がりから次の立ち上がりまで)
(b)PCNT0+PCNT1(IRQフラグの立ち下がりから次の立ち下がりまで)
(c)2周期分のPCNT1+PCNT0
(a)は図6に示したピッチの検出値そのものである。
さらに、上記の(a)〜(d)で誤差が所定範囲内でなかった場合に、検出ミスとしてその回数をカウントし、これが所定回数以上となった場合に検出を中止して初めからやり直すようにしてもよい。
例えば、ミスが3回以下の場合には単にバッファへの記録を行わずにピッチ検出を続行し、ミスが4回から7回の場合には検出した値をバッファに記録し、比較対象の値を更新してピッチ検出を続行し、ミスが8回以上の場合にはそれまでバッファに記録したデータを全て破棄して初めから検出をやり直す等である。
ピッチ変換部43においては、ピッチ変換処理として、入力信号111を窓関数を用いて切り出し、これを要素として並べ、その並べる周期によって変換後の波形のピッチを決定する処理を行うようにしている。なおここでは、図7及び図8に示すように、入力信号111の切り出しは、OUT0とOUT1の2系統でタイミングをずらして行い、これらを加算したものをピッチ変換後のボイス信号として出力するようにしている。そして、このような処理によれば、入力信号111のフォルマント情報を保持したままピッチ変換を行うことができる。
この手法は、Lent法と呼ばれ、以下の論文に記載された方法を応用したものである。
Keith Lent (1989) “An efficient method for pitch shifting digitally sampled sounds.” Computer Music Journal Vol. 13 No.4. pp.65-71
また、これらの図において、PIは、ピッチ検出部41が検出結果として出力する入力信号111のピッチの値、PVは、ピッチ加工部42が出力するボイス信号のピッチの値である。また、SB及びRBは、それぞれ基準区間及び出力区間の長さを示すが、これらの符号は区間自体を表わす符号としても用いる。また、上記の各値は、信号の内容によって変化するものであるので、異なる時点の値には「′」や「″」をつけて区別している。
基準区間の長さは、ピッチPIが変われば当然変わるが、上述のようにピッチ検出部41はピッチ情報の出力を6ms毎に行うようにしているので、次の出力が行われるまでは、ピッチPIの値は変化しないことになる。
なお、上記のバッファは、遅延処理部50のバッファと共通化してもよい。
そして、出力区間RBが終了すると、その時点でのボイス信号のピッチPV″に従って新たな出力区間RB″を設定し、その開始時点の最新の基準区間SB′の入力信号の読み出しを行い、以後この処理を繰り返す。
そして、上述のように、OUT0系統とOUT1系統の出力を加算して、ボイス信号として出力する。このような処理により、入力信号111と同様なフォルマントを有するピッチPvのボイス信号を出力することができる。
OUT1系統の信号生成について開始時点をPvだけずらす点も、図7の場合と同様である。
なお、もしボイス信号のピッチを入力信号を等しくするのであれば、どちらの処理も適用可能である。
さらに、ピッチがサンプル数の整数倍にならない場合等、サンプルとサンプルの間のタイミングにおける信号値が必要になった場合には、適宜補間処理を行うようにするとよい。
この処理においては、まず、ダブリング処理対象の入力信号を1サンプル分入力信号バッファ及び出力信号バッファへ記録する(S11)。ここで、入力信号バッファは、ピッチ変換部43におけるボイス信号の生成に用いるバッファであり、100ms分程度のデータを記憶する容量を有するリングバッファとすればよい。また、出力信号バッファは、遅延処理部50による遅延処理に用いるバッファであり、1秒分程度のデータを記憶する容量を有するリングバッファとすればよい。
そして、その後その入力信号について図10に示すフレーズ切れ目検出処理(S12)と図11に示すピッチ検出処理(S13)とを順次実行し、入力信号の次のサンプルタイミングまで待機して(S14)ステップS11に戻り、処理を繰り返す。
この処理においては、まず、入力信号のサンプル値が所定値以下か否か判断する(S21)。そして、所定値以下であった場合、無音区間カウンタがカウント中でなければ(S22)、そのカウントを開始して(S26)元の処理に戻る。無音区間カウンタは、入力信号の音量レベルが所定値以下の状態が継続している長さをカウントするためのカウンタである。
また、ステップS21でNOであった場合には、無音区間カウンタがカウント中であればカウンタをリセットしてカウントを停止し、カウント中でなければそのまま、元の処理に戻る(S27,S28)。
なお、ステップS21において、入力信号のサンプル値ではなく、音量エンベロープを求め、これが示す音量が所定値以下か否か判断するようにしてもよい。この場合において、検出の正確を期すため、入力信号を何らかのフィルタに通してから音量エンベロープを求めるようにしてもよい。
また、ステップS24で使用する閾値は、通常の人が耳で聞いてフレーズの切れ目であると認識できる程度の時間を示す値とするとよい。
この処理においては、まず、入力信号のゼロクロスをカウントする(S31)と共に、サンプルカウンタをカウントアップする(S32)。
そしてその後、ピッチ検出中であれば(S33)、入力信号が周期の開始位置か否かの判定を行う(S34)。ピッチ検出中か否かは、次の図12に示す処理で設定するピッチフラグの内容により判断することができる。また、ステップS34の判定は、図6を用いて説明したように、入力信号とエンベロープとの交差の検出に応じてIRQフラグを変化させ、その立ち上がりの有無を検出することにより行うことができる。
一方、ステップS35で周期の開始位置でなければ、そのまま元の処理に戻る。
この処理においては、まず、図11のステップS31でカウントしているゼロクロスの数が所定値(ここでは上述のように30回)以下である場合(S41)、ピッチフラグを「1」に設定し、ピッチ検出実行を示す(S42)。その後、ゼロクロス数をリセットし(S45)、ステップS41の処理から所定時間(ここでは上述のように6ms)経過するまで待機し(S46)、その後ステップS41に戻って処理を繰り返す。
また、ステップS41でゼロクロス数が所定値以上である場合には、ピッチフラグを「0」に設定し、ピッチ検出停止を示す(S43)と共に、ピッチバッファに記録しているピッチデータをクリアして(S44)、ステップS45以降の処理に進む。
以上の図11及び図12に示した処理により、ピッチ検出部41におけるピッチの検出とその制御を行うことができる。ただし、最終的にピッチ検出部41から検出結果として出力されるピッチの値は、次の図13の処理により求めた値である。
この処理においては、まず、ピッチバッファに記録されているピッチデータのうち所定個(例えば16個)のデータの平均値を求めて入力信号のピッチPIの値とする(S51)。ここでは、この値がピッチ検出部41から検出結果として出力されるピッチの値となる。
そしてこの場合、ステップS53ではそれまでと別の関数に従ってピッチシフト量を算出することになる。このとき、ピッチシフト量が必ず不連続に変化するか、連続的に変化する場合もあるかは、ステップS56での新たな関数の定め方に応じて異なり、どちらになってもよい。
また、図13のステップS52乃至S54及びS56,S57の処理が、ピッチ加工部42の機能と対応する処理である。
この処理においては、まず、基準位置に基準区間が設定されていないか又は基準位置が基準区間の最後尾に達したかのいずれかが満たされたか否か判断する(S61)。
そして、満たされていない場合には、入力信号バッファに記録されている入力信号について、基準位置を1サンプル分進めて(S64)、次のサンプルタイミングまで待機し(S65)、その後ステップS61に戻って処理を繰り返す。
以上の図14に示した処理により、ピッチ変換部43における処理対象の入力信号に対し、図7及び図8を用いて説明したような基準区間を設定することができる。なお、「基準位置」は、単に基準区間の終了を検出するために利用するものであるので、処理の進行度合いを測れるようなパラメータであれば、どのようなものを用いてもよい。
この処理においては、まず、出力区間が設定されていないか又は、読出位置を現在の出力区間においてその出力区間が終了するだけ進めたかのいずれかが満たされたか否か判断する(S71)。
そして、満たされていない場合には、読出位置が基準区間の最後尾を越えたか否か判断し(S75)、超えていない場合には、入力信号バッファから読出位置の1サンプルのデータを読み出し、読出位置に応じた窓関数の値を乗じて出力する(S76)。超えていた場合には、0を出力する(S77)。そして、どちらの場合も、読出位置を1サンプル分進める(S78)。なお、上記の窓関数については、図7及び図8を用いて説明した通りである。
次に、この発明の音響信号処理装置の第2の実施形態である電子楽器について説明する。ただし、この電子楽器は、ボイス信号生成部の構成が若干異なる点以外は、第1の実施形態の電子楽器と同様なものであるので、この点以外の説明は省略する。また、第1の実施形態と対応する構成については、同じ符号を用いる。
この図に示すとおり、この実施形態におけるボイス信号生成部40も、第1の実施形態の場合と同様なピッチ検出部41,ピッチ加工部42,ピッチ変換部43を有するが、フレーズ切れ目検出部44′の構成が異なる。
すなわち、この電子楽器においては、フレーズ切れ目検出部44′は、ピッチ検出部41におけるピッチ検出が適切に行えない状態が所定時間以上継続した場合に、入力信号がフレーズの切れ目になったと認識するようにしている。そしてこのため、ピッチ検出部41から、入力信号のピッチの検出結果をフレーズ切れ目検出部44′に入力するようにしている。なお、フレーズの切れ目を検出すると、その旨をピッチ加工部42に伝達し、ピッチシフト量を不連続に変化させる動作を行わせる点は、第1の実施形態の場合と同様である。
この電子楽器においては、これらの処理は、概ね第1の実施形態の場合と同様であるが、図9に示した入力信号記録処理に代えて、ピッチ及びフレーズ切れ目検出処理をCPU11に実行させるようにしている。
この処理においては、まず、図9のステップS11の場合と同様に入力信号をバッファに記録する(S91)と共に、図11のステップS31乃至S35の場合と同様に、入力信号のピッチ検出に係る処理を行う(S92〜S96)。
そして、ステップS96でYESの場合に、サンプルカウンタの現在値が次のピッチデータとして妥当な値か否かを判断し(S97)、妥当な値であった場合に、図11のステップS36及びS37の場合と同様に、ピッチデータの記録とサンプルカウンタのリセットを行う(S98,S103)。またこのとき、検出失敗カウンタのリセットも行う(S99)。そしてその後、入力信号の次のサンプルタイミングまで待機して(S104)ステップS91に戻り、処理を繰り返す。
ここで、検出失敗カウンタは、入力信号のピッチ検出が適切に行えない状態が継続している長さをカウントするためのカウンタである。
また、ステップS102で使用する閾値は、通常の人が耳で聞いてフレーズの切れ目であると認識できる程度の時間を示す値とするとよい。
以上のような電子楽器であっても、ボイス信号生成部40′を有するダブリングエフェクタ30を設けたことにより、第1の実施形態の場合と同様に、変化に富み、かつ自然な聴感の出力信号を得ることができる。
例えば、入力信号がフレーズの切れ目になったと判断する条件を、第1の実施形態で採用した条件と第2の実施形態で採用した条件の両方を満たす場合としてもよいし、いずれか一方を満たす場合とすることも考えられる。
また、上述した実施形態においては、ピッチ変換処理にLent法を採用したが、これ以外の方法でピッチ変換を行うようにしてもよい。さらに、処理対象をアナログの音響信号とし、ピッチ検出処理、ピッチ加工処理、ピッチ変換処理、ミックス処理等を、アナログ回路によって行うようにしてもよい。
従って、この発明によれば、斬新な音を生成可能な音響信号処理装置を提供することができる。
Claims (6)
- 入力信号にピッチ変換処理を施して加工信号を生成する加工信号生成手段と、
前記入力信号と前記加工信号とを混合して出力する混合手段と、
前記入力信号のフレーズの切れ目を検出する検出手段とを備え、
前記加工信号生成手段が、前記ピッチ変換処理においてピッチシフト量を不連続に変化させる手段を有し、かつ該不連続に変化させる点が前記フレーズの切れ目に位置するように前記ピッチ変換処理を行う手段であることを特徴とする音響信号処理装置。 - 請求項1記載の音響信号処理装置であって、
前記検出手段が、前記入力信号の音量レベルを検出し、その音量レベルが所定値以下の状態が所定時間以上継続した場合にフレーズの切れ目になったと認識する手段を有することを特徴とする音響信号処理装置。 - 請求項1記載の音響信号処理装置であって、
前記検出手段が、前記入力信号のピッチを検出し、そのピッチの検出が適切に行えない状態が所定時間以上継続した場合にフレーズの切れ目になったと認識する手段を有することを特徴とする音響信号処理装置。 - 請求項1乃至3のいずれか一項記載の音響信号処理装置であって、
前記加工信号生成手段に、前記ピッチシフト量を時間の関数として規定する手段を設け、
前記ピッチシフト量を不連続に変化させる点が、前記ピッチシフト量を求めるために使用する関数を変更する点であることを特徴とする音響信号処理装置。 - 請求項1乃至3のいずれか一項記載の音響信号処理装置であって、
前記ピッチシフト量を不連続に変化させる点が、前記ピッチシフト量の時間当たりの変化量の絶対値を所定の閾値以上とする点であることを特徴とする音響信号処理装置。 - コンピュータを、
入力信号にピッチ変換処理を施して加工信号を生成する加工信号生成手段と、
前記入力信号と前記加工信号とを混合して出力する混合手段と、
前記入力信号のフレーズの切れ目を検出する検出手段として機能させるためのプログラムであって、
前記加工信号生成手段が、前記ピッチ変換処理においてピッチシフト量を不連続に変化させる機能を有し、かつ該不連続に変化させる点が前記フレーズの切れ目に位置するように前記ピッチ変換処理を行う手段であることを特徴とするプログラム。
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