JP4866301B2 - 頭部伝達関数補間装置 - Google Patents
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本発明は、所定の位置で測定された頭部伝達関数を用いて補間対象となる位置の頭部伝達関数を補間する頭部伝達関数補間装置に関する。
従来のヘッドホン受聴時の音像定位技術としては、頭部伝達関数（ＨＲＴＦ：Head Related Transfer Function）を用いて設計された制御フィルタとヘッドホンの逆フィルタとを用いるものが一般的に知られている（例えば、特許文献１参照）。
ＨＲＴＦとは、人間の耳介や頭の周辺物によって生じる音の変化を伝達関数として表現したもので、自由音場に頭がないときの両耳の中心位置から、頭があるときの外耳道入口または鼓膜までの伝達関数であり、音源位置を十分遠方として、この音源位置から到来する平面波の入射角と周波数の関数として定義される。通常、人頭を模擬したダミーヘッドや上半身を模擬したＨＡＴＳ（Head And Torso Simulator）などの音響測定用のマネキンや被験者の両耳にマイクロホンを設置してこのＨＲＴＦを測定する。
図１は、ＨＲＴＦを測定するときの測定イメージ図である。頭部１０の中心を球の原点とした球面上にある所定の測定位置１１のうち各測定位置１１にスピーカ１２を移動させた状態で測定用の音響信号が再生され、両耳の外耳道入口または鼓膜前に設置されたマイクロホン１３は、再生された音響信号を収音する。
この収音された音響信号から、スピーカ１２やマイクロホン１３などの測定機材、及び測定に用いられた音響信号の特性を除去することでＨＲＴＦが測定される。全方位から測定することは物理的に困難であり、１つの測定位置１１で測定が終了したとき、次の測定位置１１にスピーカ１２を移動させた状態で測定することが繰り返される。通常は、予め決められた方位角、仰角から定まる測定位置１１で、図１示すように一定間隔毎にＨＲＴＦが算出される。
また、計算機の処理能力向上に伴い、境界要素法や有限要素法などの解析手法と頭部のモデリングを組み合わせた計算機によるシミュレーションができるようになり、このシミュレーションでＨＲＴＦを算出する手法も提案されている（例えば、非特許文献１参照）。しかし、このような算出手法は、モデルの精度が高くなる程に演算量が増大するため、通常は、予め決められた方位角、仰角それぞれに対応した位置で、一定間隔毎にＨＲＴＦが算出される。
図２は、ＨＲＴＦを用いた音像定位技術を使用した音像定位装置の典型的な例を示す図である。姿勢センサー２１は、ヘッドホン２２を着けた受聴者９の頭部姿勢を計測し、頭部姿勢を表す情報を相対頭部姿勢計算部２３に逐次出力する。相対頭部姿勢計算部２３は、姿勢センサー２１より出力された頭部姿勢を表す情報に対応する音像位置８に対する方位角と仰角、即ち相対姿勢を計算し、計算した結果を制御フィルタ決定部２４に出力する。
制御フィルタ決定部２４は、相対頭部姿勢計算部２３によって計算された相対姿勢に対応する適切なフィルタを左右それぞれの耳の分について決定する。通常、制御フィルタ決定部２４は、相対姿勢を表す方位角および仰角の組合せに対応した制御フィルタを適切なフィルタとして選択する。
制御フィルタバンク２５は、事前に測定されたＨＲＴＦより導出される制御フィルタ、若しくはＨＲＴＦそのものを制御フィルタとして方位角および仰角の組合せ毎に蓄積すると共に、制御フィルタ決定部２４によって決定された制御フィルタを左右のチャンネルについて制御フィルタ畳み込み部２７に提供する。
また、音像定位処理の対象となる音源信号は、ヘッドホン逆フィルタ畳み込み部２６によって、ヘッドホン２２の周波数特性の逆特性となるフィルタで左右のチャンネルについて畳み込まれ、制御フィルタ畳み込み部２７に出力される。ここで、制御フィルタ決定部２４で決定された、相対姿勢を表す方位角および仰角の組合せに対応した左右の制御フィルタが、制御フィルタバンク２５から制御フィルタ畳み込み部２７に提供される。
制御フィルタ畳み込み部２７は、提供された左右の制御フィルタとヘッドホン逆フィルタ畳み込み部２６の出力となるデジタル信号とを左右のチャンネルについて畳み込み、デジタルアナログ変換部２８に出力する。デジタルアナログ変換部２８は、制御フィルタ畳み込み部２７より出力されるデジタル信号をアナログ信号に変換し、左右それぞれのチャンネルのアナログ信号をヘッドホン２２に出力する。
前述のとおり、ＨＲＴＦは、全方向に対して連続的に測定を行うことができず、図１のように一定間隔離れた方位毎に離散的に測定されるため、上述した音像定位装置は、測定されていない方向に音像定位を正確に行うことはできない。
全方向に対する連続的な音像定位を実現するためには、予め決められた方位角および仰角に対応する方向の測定位置で測定されたＨＲＴＦを近似することが必要である。
例えば、同一仰角内で所望方位角に隣接する測定位置のＨＲＴＦに対して、内分比を重み係数として掛け、加算することにより所望のＨＲＴＦを導出している（例えば、特許文献２参照）。他では、球面上において測定位置によりメッシュを構成し、所望方位角、仰角を包含するメッシュを構成する４点の測定位置によって重心補間することにより、所望のＨＲＴＦを導出している（例えば、特許文献３参照）。
以上のように、指定された任意の方向に音像定位を行うには、指定された方向の付近で測定されたＨＲＴＦを用いて、指定された方向のＨＲＴＦを補間する手法が採用されている。
特開２００２−２０９３００号公報
特開平７−２４８２５５号公報
特開平１０−４２３９９号公報
角張勲、外２名、「高精度頭部３次元モデルを用いたＨＲＴＦ解析手法の検証」、日本音響学会講演論文集、日本音響学会、２００３年９月、p. 513―514
しかしながら、ＨＲＴＦが音源位置から両耳収音位置までの伝搬過程における皮膚や耳介、鼻など頭部全体での反射や回折によって定まる関数であるため、近接する測定点でのＨＲＴＦのみを用いた局所的な補間手法では誤差の拡大が考えられ、期待される音像定位が得られないことがあるという問題があった。
そこで、本発明は、ＨＲＴＦを局所的に独立した関数ではなく、相互に依存する関数として、統計的手法によりＨＲＴＦの補間を従来のものよりも正確に行うことができる頭部伝達関数補間装置を提供することを目的とする。
本発明の頭部伝達関数補間装置は、予め決められた複数の測定位置毎の頭部伝達関数を統計的に解析して得られた測定位置毎の合成用スペクトルを供給する合成用スペクトル供給手段と、前記測定位置のうち１つ以上の位置で頭部伝達関数が測定された場合、測定された頭部伝達関数および該頭部伝達関数が測定された位置の合成用スペクトルを用いて重み係数を計算する重み係数計算手段と、前記重み係数計算手段によって計算された重み係数および前記測定位置のうち頭部伝達関数が測定されなかった補間対象位置の合成用スペクトルを用いて該補間対象位置の頭部伝達関数を補間する頭部伝達関数補間手段と、を備えた構成を有している。
この構成により、頭部伝達関数を局所的に独立した関数ではなく、相互に依存する関数とし、複数の測定位置のうち１つ以上の位置で頭部伝達関数が測定された場合、測定されなかった補間対象位置の頭部伝達関数を統計的手法により補間するため、頭部伝達関数の補間を従来のものよりも正確に行うことができる。
この構成により、頭部伝達関数を局所的に独立した関数ではなく、相互に依存する関数とし、複数の測定位置のうち１つ以上の位置で頭部伝達関数が測定された場合、測定されなかった補間対象位置の頭部伝達関数を統計的手法により補間するため、頭部伝達関数の補間を従来のものよりも正確に行うことができる。
また、本発明の頭部伝達関数補間装置の前記合成用スペクトル供給手段は、前記複数の測定位置毎の頭部伝達関数を主成分分析して得られる主成分を合成用スペクトルとして算出する合成用スペクトル計算手段を備え、前記合成用スペクトル計算手段によって計算された合成用スペクトルを供給する構成を有している。
この構成により、頭部伝達関数を主成分分析して得られる主成分を合成用スペクトルとして算出するため、精度を高めて補間対象位置の頭部伝達関数を補間することができる。
この構成により、頭部伝達関数を主成分分析して得られる主成分を合成用スペクトルとして算出するため、精度を高めて補間対象位置の頭部伝達関数を補間することができる。
本発明のプログラムは、予め決められた複数の測定位置毎の頭部伝達関数を統計的に解析して得られた測定位置毎の合成用スペクトルを供給する合成用スペクトル供給手段と、前記測定位置のうち１つ以上の位置で頭部伝達関数が測定された場合、測定された頭部伝達関数および該頭部伝達関数が測定された位置の合成用スペクトルを用いて重み係数を計算する重み係数計算手段と、前記重み係数計算手段によって計算された重み係数および前記測定位置のうち頭部伝達関数が測定されなかった補間対象位置の合成用スペクトルを用いて該補間対象位置の頭部伝達関数を補間する頭部伝達関数補間手段、としてコンピュータを機能させる。
このプログラムにより、頭部伝達関数を局所的に独立した関数ではなく、相互に依存する関数とし、複数の測定位置のうち１つ以上の位置で頭部伝達関数が測定された場合、測定されなかった補間対象位置の頭部伝達関数を統計的手法により補間するため、頭部伝達関数の補間を従来のものよりも正確に行うことができる。
このプログラムにより、頭部伝達関数を局所的に独立した関数ではなく、相互に依存する関数とし、複数の測定位置のうち１つ以上の位置で頭部伝達関数が測定された場合、測定されなかった補間対象位置の頭部伝達関数を統計的手法により補間するため、頭部伝達関数の補間を従来のものよりも正確に行うことができる。
以上のように本発明は、頭部伝達関数を局所的に独立した関数ではなく、相互に依存する関数として、統計的手法により頭部伝達関数の補間を従来のものよりも正確に行うことができる頭部伝達関数補間装置を提供するものである。
以下、本発明の実施の形態に係る頭部伝達関数補間装置について、図面を用いて説明する。
図３は、本発明の実施の形態に係る頭部伝達関数補間装置のハードウエア構成を示すブロック図である。頭部伝達関数補間装置３０は、コンピュータの構成を有しており、プログラムを実行するＣＰＵなどの演算装置３１、演算装置３１によって処理されるデータを一時的に記憶するメモリ３２、ハードディスクなどの記憶装置３３によって構成されている。
図４は、本発明の実施の形態に係る頭部伝達関数補間装置の機能的なブロック図である。頭部伝達関数補間装置３０は、合成用スペクトル供給手段４１、重み係数計算手段４４、および頭部伝達関数補間手段４５によって構成されている。なお、合成用スペクトル供給手段４１、重み係数計算手段４４、および頭部伝達関数補間手段４５は、例えば、プログラムのモジュールであり、演算装置３１によって実行される。
合成用スペクトル供給手段４１は、予め決められた複数の測定位置毎に測定した頭部伝達関数を統計的に解析して得られた合成用スペクトルを供給するようになっている。例えば、図１に示したように複数の測定位置毎に頭部伝達関数が測定される。すなわち、測定位置は、頭部の中心を球の原点とした球面上にある予め決められた位置であり、各測定位置で再生された測定用の音響信号が、両耳の外耳道入口または鼓膜前に設置されたマイクロホンで収音され、この収音された音響信号に基づいて測定位置それぞれでの頭部伝達関数が測定される。
また、合成用スペクトル供給手段４１は、合成用スペクトル計算手段４２および合成用スペクトル記憶手段４３によって構成されている。
合成用スペクトル計算手段４２は、測定位置毎の頭部伝達関数を主成分分析して得られる主成分を合成用スペクトルとして算出するようになっている。また、合成用スペクトル記憶手段４３は、合成用スペクトル計算手段４２によって算出された合成用スペクトルをデータベースとなる記憶装置３３に記憶させる。なお、測定位置毎の頭部伝達関数は、複数の人の頭部から得られたものである。
重み係数計算手段４４は、測定位置のうち１つ以上の位置で頭部伝達関数が測定された場合、測定された頭部伝達関数、および、頭部伝達関数が測定された位置の合成用スペクトルを用いて重み係数を計算するようになっている。
頭部伝達関数補間手段４５は、重み係数計算手段４４によって計算された重み係数および合成用スペクトル供給手段４１から供給される補間対象位置の合成用スペクトルを用いて補間対象位置の頭部伝達関数を補間するようになっている。
頭部伝達関数の補間に関する具体例としては、予め決められた測定位置の数が８個あった場合、８個全ての測定位置で頭部伝達関数が測定されずに、例えば５つの測定位置で頭部伝達関数が測定され、残りの３つの位置の頭部伝達関数が補間されるものとする。
この具体例では、合成用スペクトル供給手段４１から５つの測定位置と同じ位置に対応する合成用スペクトルが重み係数計算手段４４に供給され、重み係数計算手段４４は、供給された合成用スペクトルと測定された５つの頭部伝達関数とで重み係数を計算する。頭部伝達関数補間手段４５は、重み係数計算手段４４によって計算された重み係数と測定されなかった残りの３つの位置の合成用スペクトルを用いて残りの３つの位置の頭部伝達関数を補間する。
以上のように構成された頭部伝達関数補間装置３０の動作の一例について図面を用いて以下に説明する。図５は、頭部伝達関数補間装置３０が合成用スペクトルを生成する動作の流れを示すフローチャートである。なお、測定位置毎に測定された頭部伝達関数が記憶装置３３に既に記憶されているものとする。
まず、頭部伝達関数補間装置３０の操作者の指示等なんらかの契機により、合成用スペクトル計算手段４２は、記憶装置３３に記憶されている頭部伝達関数を読み込み、メモリ３２に格納する（ステップＳ５１）。
合成用スペクトル計算手段４２は、メモリ３２に格納した各測定位置の頭部伝達関数の周波数成分の振幅応答毎に分散・共分散を計算し、計算した分散・共分散行列Ｓを形成する（ステップＳ５２）。なお、分散・共分散行列Ｓは、［数１］で表すものとする。
なお、［数１］において、分散・共分散行列の各要素S(n1-m1) (n2-m2)は、測定位置n1およびm1番目の周波数成分の振幅応答と、測定位置n2およびm2番目の周波数成分の振幅応答との共分散を表す。また、ｄ、ｆはそれぞれ測定位置の要素数、周波数成分の要素数を表す。即ち、測定位置と周波数成分の全ての組合せが変量として扱われる。
合成用スペクトル計算手段４２は、形成した分散・共分散行列を用いて公知の主成分分析を行い（ステップＳ５３）、主成分分析により得られた主成分を測定位置毎に分解する（ステップＳ５４）。例えば、第ｌ主成分Ｐｌを［数２］とおくと、測定位置ｄの主成分Ｐｌｄは、［数３］のようになる。
合成用スペクトル計算手段４２によって測定位置毎に分解された主成分のデータがメモリ３２に格納され、合成用スペクトル記憶手段４３は、メモリ３２に格納された測定位置毎の主成分のデータを記憶装置３３に記憶させる。
以上のように、合成用スペクトル供給手段４１は、記憶装置３３に記憶された測定位置毎の主成分を合成用スペクトルとして重み係数計算手段４４や頭部伝達関数補間手段４５に提供する。
図６は、頭部伝達関数が測定されたときの重み係数を計算する頭部伝達関数補間装置３０の動作の流れを示すフローチャートである。
まず、頭部伝達関数が測定位置のうちいくつかの位置で測定されたとき、測定された頭部伝達関数が頭部伝達関数補間装置３０のメモリ３２に格納される。ここで、重み係数計算手段４４は、測定された頭部伝達関数をメモリ３２から読み込む（ステップＳ６１）。
なお、頭部伝達関数が測定されたときの測定位置をｄ１〜ｄｎとすると、測定位置ｄｎで測定された頭部伝達関数は［数４］で表される。また、測定位置ｄ１〜ｄｎで測定された頭部伝達関数Ｈは、［数５］で表される。
重み係数計算手段４４は、合成用スペクトル供給手段４１から提供される測定位置ｄ１〜ｄｎ毎の合成用スペクトルを読み込んで、メモリ３２に格納する（ステップＳ６２）。
次に、重み係数計算手段４４は、ステップＳ６２で読み込んだ合成用スペクトルから計算用行列Ｐを形成する（ステップＳ６３）。なお、計算用行列Ｐは［数６］で表される。ｍは、測定位置での合成用スペクトル数である。
次に、重み係数計算手段４４は、ステップＳ６１で読み込まれた頭部伝達関数ＨとステップＳ６３で形成された計算用行列Ｐとから重み係数Ｗを計算する（ステップＳ６４）。なお、重み係数Ｗは［数７］で求まる。なお、"＼"は、左除算を表す。
図７は、重み係数が計算されたときに測定位置のうち補間対象位置の頭部伝達関数を補間する頭部伝達関数補間装置３０の動作の流れを示すフローチャートである。なお、補間対象位置は、例えばステップＳ６１で頭部伝達関数が測定されなかった位置である。
まず、頭部伝達関数補間手段４５は、補間対象位置の合成用スペクトルを合成用スペクトル供給手段４１から読み込んでメモリ３２に格納する（ステップＳ７１）。なお、補間対象位置をｄ´ １〜ｄ´ ｎとすると、補間対象位置ｄ´ ｎの頭部伝達関数を［数８］で表すものとする。また、補間対象位置ｄ´ １〜ｄ´ ｎに対応する補間頭部伝達関数Ｈ´を［数９］で表すものとする。
次に、頭部伝達関数補間手段４５は、ステップＳ７１で読み込んだ合成用スペクトルから計算用行列Ｐ´を形成する（ステップＳ７２）。なお、計算用行列Ｐ´は［数１０］で表される。
次に、頭部伝達関数補間手段４５は、ステップＳ６４で計算された重み係数ＷとステップＳ７２で形成された計算用行列Ｐ´とから補間頭部伝達関数Ｈ´を計算する（ステップＳ７３）。なお、補間頭部伝達関数Ｈ´は［数１１］で求まる。
以上の手続きにより、測定された頭部伝達関数から、補間対象位置の補間頭部伝達関数の振幅応答を得ることができる。記憶装置３３に記憶された頭部伝達関数は、例えば、図２で説明したような制御フィルタとして用いられる。
以上説明したように、頭部伝達関数補間装置３０は、頭部伝達関数を局所的に独立した関数ではなく相互に依存する関数とし、測定位置のうち１つ以上の位置で頭部伝達関数が測定された場合、測定されなかった補間対象位置の頭部伝達関数を統計的手法により補間するため、頭部伝達関数の補間を従来のものよりも正確に行うことができる。
以上のように、本発明は、統計的手法により頭部伝達関数の補間を従来のものよりも正確に行うことができるという効果を有し、バーチャルリアリティアミューズメント、ゲームの音響効果技術などに有用である。
８ 音像位置
９ 受聴者
１０ 頭部
１１ 測定位置
１２ スピーカ
１３ マイクロホン
２１ 姿勢センサー
２２ ヘッドホン
２３ 相対頭部姿勢計算部
２４ 制御フィルタ決定部
２５ 制御フィルタバンク
２６ ヘッドホン逆フィルタ畳み込み部
２７ 制御フィルタ畳み込み部
２８ デジタルアナログ変換部
３０ 頭部伝達関数補間装置
３１ 演算装置
３２ メモリ
３３ 記憶装置
４１ 合成用スペクトル供給手段
４２ 合成用スペクトル計算手段
４３ 合成用スペクトル記憶手段
４４ 重み係数計算手段
４５ 頭部伝達関数補間手段
９ 受聴者
１０ 頭部
１１ 測定位置
１２ スピーカ
１３ マイクロホン
２１ 姿勢センサー
２２ ヘッドホン
２３ 相対頭部姿勢計算部
２４ 制御フィルタ決定部
２５ 制御フィルタバンク
２６ ヘッドホン逆フィルタ畳み込み部
２７ 制御フィルタ畳み込み部
２８ デジタルアナログ変換部
３０ 頭部伝達関数補間装置
３１ 演算装置
３２ メモリ
３３ 記憶装置
４１ 合成用スペクトル供給手段
４２ 合成用スペクトル計算手段
４３ 合成用スペクトル記憶手段
４４ 重み係数計算手段
４５ 頭部伝達関数補間手段
Claims (3)
- 予め決められた複数の測定位置毎の頭部伝達関数を統計的に解析して得られた測定位置毎の合成用スペクトルを供給する合成用スペクトル供給手段と、
前記測定位置のうち１つ以上の位置で頭部伝達関数が測定された場合、測定された頭部伝達関数および該頭部伝達関数が測定された位置の合成用スペクトルを用いて重み係数を計算する重み係数計算手段と、
前記重み係数計算手段によって計算された重み係数および前記測定位置のうち頭部伝達関数が測定されなかった補間対象位置の合成用スペクトルを用いて該補間対象位置の頭部伝達関数を補間する頭部伝達関数補間手段と、を備えたことを特徴とする頭部伝達関数補間装置。 - 前記合成用スペクトル供給手段は、前記複数の測定位置毎の頭部伝達関数を主成分分析して得られる主成分を合成用スペクトルとして算出する合成用スペクトル計算手段を備え、前記合成用スペクトル計算手段によって計算された合成用スペクトルを供給することを特徴とする請求項１に記載の頭部伝達関数補間装置。
- 予め決められた複数の測定位置毎の頭部伝達関数を統計的に解析して得られた測定位置毎の合成用スペクトルを供給する合成用スペクトル供給手段と、
前記測定位置のうち１つ以上の位置で頭部伝達関数が測定された場合、測定された頭部伝達関数および該頭部伝達関数が測定された位置の合成用スペクトルを用いて重み係数を計算する重み係数計算手段と、
前記重み係数計算手段によって計算された重み係数および前記測定位置のうち頭部伝達関数が測定されなかった補間対象位置の合成用スペクトルを用いて該補間対象位置の頭部伝達関数を補間する頭部伝達関数補間手段、としてコンピュータを機能させることを特徴とするプログラム。
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| JPH10257597A (ja) * | 1997-03-14 | 1998-09-25 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 仮想音像定位用係数算出方法及び仮想音像定位用係数表作成方法 |
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