JP4867121B2 - 音声信号処理方法および音声再生システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ヘッドホンなどによって音声を聴取し、かつリスナ頭外の任意の固定した位置に音像を定位させる場合や、スピーカやヘッドホンなどによって音声を聴取し、かつリスナ周辺の任意の変更した位置に音像を定位させる場合の、音声信号処理方法および音声再生システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヘッドホンによって音声を聴取する場合に、リスナがどの方向を向いても、リスナ頭外の任意の固定した位置に音像を定位させて、その位置にスピーカが配置されているかのように音声を聴取できるようにした音声再生システムが考えられている。
【０００３】
図１は、その原理を示し、同図（Ａ）に示すように、リスナ１はヘッドホン３を装着して、その左右の音響変換器３Ｌおよび３Ｒによって音声を聴取し、同図（Ｂ）または（Ｃ）に示すように、リスナ１が右方向または左方向に向いても、音源５で示すリスナ頭外の任意の固定した位置に音像を定位させるものである。
【０００４】
この場合、音源５からリスナ１の左耳１Ｌおよび右耳１Ｒに至る伝達関数をＨＬおよびＨＲとし、特にリスナ１が所定の方向、例えば音源５の方向を向いているときの、音源５からリスナ１の左耳１Ｌおよび右耳１Ｒに至る伝達関数をＨＬｃおよびＨＲｃとする。以下では、リスナ１の向きを、音源５の方向に対する回転角θで示す。
【０００５】
図１７は、この場合の従来の音声再生システムの一例を示し、ヘッドホン３には角速度センサ９が設けられ、この角速度センサ９の出力信号が積分されることによって、上記の回転角θが検出される。
【０００６】
この例では、図１の音源５の信号に相当する入力デジタル音声信号Ｄｉが、デジタルフィルタ３１および３２に供給される。デジタルフィルタ３１および３２は、デジタル音声信号Ｄｉから上記の伝達関数ＨＬｃおよびＨＲｃに相当するインパルス応答を畳み込むもので、例えば、ＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタによって構成される。
【０００７】
デジタルフィルタ３１および３２の出力の音声信号Ｌ１およびＲ１は、時間差設定回路３８に供給され、時間差設定回路３８の出力の音声信号Ｌ２およびＲ２は、レベル差設定回路３９に供給される。
【０００８】
図１（Ｂ）のようにリスナ１が右方向に向いたとき、θ＝０度〜＋９０度の範囲内では、回転角θが大きいほど、リスナ１の左耳１Ｌは音源５に近づき、右耳１Ｒは音源５から遠ざかるため、音源５の位置に音像を固定して定位させるには、伝達関数ＨＬについては、回転角θが大きいほど、時間遅れが小さくなり、かつ信号レベルが大きくなるように、伝達関数ＨＬｃに対して変化させ、伝達関数ＨＲについては、回転角θが大きいほど、時間遅れが大きくなり、かつ信号レベルが小さくなるように、伝達関数ＨＲｃに対して変化させる必要がある。
【０００９】
逆に、図１（Ｃ）のようにリスナ１が左方向に向いたとき、θ＝０度〜−９０度の範囲内では、回転角θが大きいほど、リスナ１の左耳１Ｌは音源５から遠ざかり、右耳１Ｒは音源５に近づくため、音源５の位置に音像を固定して定位させるには、伝達関数ＨＬについては、回転角θが大きいほど、時間遅れが大きくなり、かつ信号レベルが小さくなるように、伝達関数ＨＬｃに対して変化させ、伝達関数ＨＲについては、回転角θが大きいほど、時間遅れが小さくなり、かつ信号レベルが大きくなるように、伝達関数ＨＲｃに対して変化させる必要がある。
【００１０】
図１７の音声再生システムでは、このリスナの左耳で聴取される音声信号と右耳で聴取される音声信号との間の時間差が時間差設定回路３８で設定され、レベル差がレベル差設定回路３９で設定される。
【００１１】
具体的に、時間差設定回路３８は、時間遅れ設定回路５１および５２によって構成され、時間遅れ設定回路５１および５２では、デジタルフィルタ３１および３２の出力の音声信号Ｌ１およびＲ１が、それぞれのサンプリング周期τの遅延時間の、多段接続された遅延回路５３および５４によって順次遅延される。
【００１２】
音声信号Ｌ１，Ｒ１のサンプリング周波数ｆｓは、例えば、４４．１ｋＨｚであり、したがって、音声信号Ｌ１，Ｒ１のサンプリング周期τは、例えば、約２２．７μ秒であり、リスナ頭部の回転角では約３度に相当する。
【００１３】
時間遅れ設定回路５１および５２では、セレクタ５５および５６によって、上記のように検出された回転角θに最も近い回転角（向き）に対応する遅延回路の出力信号が、時間差設定回路３８の出力の音声信号Ｌ２およびＲ２として取り出される。
【００１４】
例えば、回転角θが０度のときには、セレクタ５５および５６からは、それぞれ中間の段の遅延回路の出力信号ＬｔおよびＲｔが取り出され、回転角θが＋α（右方向にαで、αはτに相当する約３度）のときには、セレクタ５５からは信号Ｌｔよりτだけ進んだ信号Ｌｓが、セレクタ５６からは信号Ｒｔよりτだけ遅れた信号Ｒｕが、それぞれ取り出され、回転角θが−α（左方向にα）のときには、セレクタ５５からは信号Ｌｔよりτだけ遅れた信号Ｌｕが、セレクタ５６からは信号Ｒｔよりτだけ進んだ信号Ｒｓが、それぞれ取り出される。
【００１５】
さらに、レベル差設定回路３９では、検出された回転角θに応じて、時間差設定回路３８の出力の音声信号Ｌ２およびＲ２のレベルが設定され、音声信号Ｌ２，Ｒ２間のレベル差が設定される。
【００１６】
そして、レベル差設定回路３９の出力のデジタル音声信号Ｌ３およびＲ３が、Ｄ／Ａ（Ｄｉｇｉｔａｌ ｔｏ Ａｎａｌｏｇ）コンバータ４１Ｌおよび４１Ｒでアナログ音声信号に変換され、その２系統のアナログ音声信号が、音声増幅回路４２Ｌおよび４２Ｒで増幅されて、ヘッドホン３の左右の音響変換器３Ｌおよび３Ｒに供給される。
【００１７】
図１８は、従来の音声再生システムの他の例を示す。この例では、それぞれ回転角θがθ０，θ１，θ２，‥‥θｎのときの、図１の音源５からリスナ１の左耳１Ｌに至る伝達関数ＨＬ（θ０），ＨＬ（θ１），ＨＬ（θ２），‥‥ＨＬ（θｎ）および音源５からリスナ１の右耳１Ｒに至る伝達関数ＨＲ（θ０），ＨＲ（θ１），ＨＲ（θ２），‥‥ＨＲ（θｎ）に相当するインパルス応答を畳み込むデジタルフィルタ８３−０，８３−１，８３−２，‥‥８３−ｎおよびデジタルフィルタ８４−０，８４−１，８４−２，‥‥８４−ｎが設けられる。θ０，θ１，θ２，‥‥θｎは、リスナの周囲方向に等角間隔で設定される。
【００１８】
そして、入力デジタル音声信号Ｄｉが、デジタルフィルタ８３−０，８３−１，８３−２，‥‥８３−ｎおよびデジタルフィルタ８４−０，８４−１，８４−２，‥‥８４−ｎに供給され、セレクタ５５によって、デジタルフィルタ８３−０，８３−１，８３−２，‥‥８３−ｎのうちの、検出された回転角θに最も近い回転角（向き）に対応するフィルタの出力信号が、ヘッドホン３の左側の音響変換器３Ｌに供給されるべき音声信号として取り出され、セレクタ５６によって、デジタルフィルタ８４−０，８４−１，８４−２，‥‥８４−ｎのうちの、検出された回転角θに最も近い回転角（向き）に対応するフィルタの出力信号が、ヘッドホン３の右側の音響変換器３Ｒに供給されるべき音声信号として取り出される。
【００１９】
セレクタ５５および５６の出力のデジタル音声信号は、Ｄ／Ａコンバータ４１Ｌおよび４１Ｒでアナログ音声信号に変換され、その２系統のアナログ音声信号が、音声増幅回路４２Ｌおよび４２Ｒで増幅されて、ヘッドホン３の左右の音響変換器３Ｌおよび３Ｒに供給される。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１７の従来の音声再生システムでは、図１の音源５からリスナ１の左耳１Ｌおよび右耳１Ｒに至る伝達関数ＨＬおよびＨＲにおける時間遅れの分解能が、時間遅れ設定回路５１および５２の遅延回路５３および５４の遅延時間、すなわちデジタルフィルタ３１および３２の出力の音声信号Ｌ１およびＲ１のサンプリング周期τによって決定され、音声信号Ｌ１，Ｒ１のサンプリング周波数ｆｓが４４．１ｋＨｚ、サンプリング周期τが約２２．７μ秒であるとき、リスナ頭部の回転角で約３度に相当するものとなる。
【００２１】
そのため、リスナの向きが、±１．５度、±４．５度、というような、デジタルフィルタ３１および３２の出力の音声信号Ｌ１およびＲ１のサンプリング周期τで決まる０度または±３度の整数倍という離散的な所定方向の間の方向であるときには、リスナの向きに正確に対応させて、図１の音源５で示す所定位置に音像を定位させることができない。
【００２２】
また、リスナが向きを変えたとき、単位角度ごとに時間差設定回路３８の出力の音声信号Ｌ２およびＲ２が瞬間的に切り替えられるため、音声信号Ｌ２およびＲ２の波形変化が急峻となり、伝達特性の変化が急激となって、シヨックノイズが発生する。
【００２３】
図１８の従来の音声再生システムでも、リスナの向きが、θ０とθ１の間、θ１とθ２の間、というような、離散的な所定方向の間の方向であるときには、リスナの向きに正確に対応させて、図１の音源５で示す所定位置に音像を定位させることができないとともに、リスナが向きを変えたとき、単位角度ごとにセレクタ５５および５６の出力の音声信号が瞬間的に切り替えられるため、出力の音声信号の波形変化が急峻となり、伝達特性の変化が急激となって、シヨックノイズが発生する。
【００２４】
そこで、この発明は、リスナ頭外の任意の固定した位置に音像を定位させる場合に、リスナの向きに正確に対応させて、常に所定位置に音像を定位させることができるとともに、リスナが向きを変えたときのショックノイズが低減し、音質の良い音声信号が得られるようにしたものである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
この発明の音声信号処理方法では、入力音声信号をそれぞれインパルス応答の畳み込み用にフィルタリングして第１の複数の音声信号と第２の複数の音声信号とを得、前記第１の複数の音声信号からリスナの向きに対応した信号を選択して第１の遅延音声信号対を出力し、前記第２の複数の音声信号から前記リスナの向きに対応した信号を選択して第２の遅延音声信号対を出力し、前記第１の遅延音声信号対及び前記第２の遅延音声信号対をそのときの前記リスナの向きに応じた比率でそれぞれ加算して出力音声信号を得る。
【００２６】
また、この発明の音声信号処理方法では、入力音声信号をそれぞれインパルス応答の畳み込み用にフィルタリングして第１の複数の音声信号と第２の複数の音声信号とを得て、前記第１の複数の音声信号から定位させる音像位置に対応した信号を選択して第１の遅延音声信号対を出力し、前記第２の複数の音声信号から定位させる音像位置に対応した信号を選択して第２の遅延音声信号対を出力し、前記第１の遅延音声信号対及び前記第２の遅延音声信号対を、そのときの定位させる音像位置に応じた比率でそれぞれ加算して出力音声信号を得る。
【００２７】
また、この発明の音声信号処理方法では、
入力音声信号を、インパルス応答の畳み込み用にフィルタリングし、フィルタリング後の音声信号のサンプリング周波数を逓倍した後、逓倍後の音声信号を遅延させて、出力音声信号を得る。
【００２８】
【発明の実施の形態】
〔第１の実施形態…図１〜図１２〕
図２は、図１のように１チャンネルの音声信号をヘッドホンによって聴取する場合の、この発明の音声再生システムの一実施形態を示す。
【００２９】
ヘッドホン３には、角速度センサ９を設ける。角速度センサ９の出力信号は、帯域制限フィルタ４５で帯域制限し、さらにＡ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ）コンバータ４６でデジタルデータに変換して、マイクロプロセッサ４７に取り込み、マイクロプロセッサ４７で積分して、ヘッドホン３を装着したリスナ頭部の回転角（向き）θを検出する。
【００３０】
端子１１に供給される、図１の音源５の信号に相当する入力アナログ音声信号Ａｉを、Ａ／Ｄコンバータ２１でデジタル音声信号Ｄｉに変換し、そのデジタル音声信号Ｄｉを、信号処理部３０に供給する。
【００３１】
信号処理部３０は、専用のＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などによってソフトウェア（処理プログラム）を含むものとして、またはハードウェア回路として、機能的に、デジタルフィルタ３１，３２、時間差設定回路３８およびレベル差設定回路３９によって構成し、Ａ／Ｄコンバータ２１からのデジタル音声信号Ｄｉを、デジタルフィルタ３１および３２に供給する。
【００３２】
デジタルフィルタ３１および３２は、リスナが所定の方向、例えば図１（Ａ）のように音源５の方向を向いているときの、音源５からリスナ１の左耳１Ｌおよび右耳１Ｒに至る伝達関数ＨＬｃおよびＨＲｃに相当する、図３に示すようなインパルス応答を畳み込むもので、例えば、図４に示すようなＦＩＲフィルタによって構成する。
【００３３】
すなわち、デジタルフィルタ３１および３２では、それぞれ、入力端子９１に供給された音声信号を、そのサンプリング周期τの遅延時間の、多段接続された遅延回路９２によって順次遅延し、各乗算回路９３において、入力端子９１に供給された音声信号および各遅延回路９２の出力信号にインパルス応答の係数を乗じ、各加算回路９４において、各乗算回路９３の出力信号を順次加算し、出力端子９５にフィルタリング後の音声信号を得る。
【００３４】
このデジタルフィルタ３１および３２の出力の音声信号Ｌ１およびＲ１は、時間差設定回路３８に供給し、時間差設定回路３８の出力の音声信号Ｌ２およびＲ２は、レベル差設定回路３９に供給する。
【００３５】
図１の音源５の位置に音像を固定して定位させるには、音源５からリスナ１の左耳１Ｌおよび右耳１Ｒに至る伝達関数ＨＬおよびＨＲにおける時間遅れを、上記のように検出された回転角θに対して、それぞれ図５の実線ＴｄＬおよび破線ＴｄＲで示すように変化させる必要があり、伝達関数ＨＬおよびＨＲにおける信号レベルを、検出された回転角θに対して、それぞれ図６の実線ＬｅＬおよび破線ＬｅＲで示すように変化させる必要がある。θ＝±１８０度というのは、リスナ１が音源５に対して真後ろに向いた場合である。
【００３６】
このリスナの左耳で聴取される音声信号と右耳で聴取される音声信号との間の時間差を時間差設定回路３８で設定し、レベル差をレベル差設定回路３９で設定する。
【００３７】
（時間差設定回路の一例…図７〜図１１）
図７は、図２の実施形態の音声再生システムの時間差設定回路３８の一例を示す。この例の時間差設定回路３８は、時間遅れ設定回路５１，５２、クロスフェード処理回路６１，６２および補正フィルタ７１，７２によって構成する。
【００３８】
時間遅れ設定回路５１および５２では、図２のデジタルフィルタ３１および３２の出力の音声信号Ｌ１およびＲ１を、それぞれのサンプリング周期τの遅延時間の、多段接続した遅延回路５３および５４によって順次遅延させる。
【００３９】
音声信号Ｌ１，Ｒ１のサンプリング周波数ｆｓは、例えば、４４．１ｋＨｚであり、したがって、音声信号Ｌ１，Ｒ１のサンプリング周期τは、例えば、約２２．７μ秒であり、リスナ頭部の回転角では約３度に相当する。
【００４０】
時間遅れ設定回路５１では、図２に示すようにマイクロプロセッサ４７から信号処理部３０に送出される、回転角θの検出結果に基づく音像定位制御信号Ｓｃの一部である選択信号Ｓｃ５およびＳｃ７によって、セレクタ５５および５７で、検出された回転角θに最も近い回転角（向き）およびそれに次いで近い回転角（向き）に対応した隣接する２段の遅延回路の出力信号を、時間遅れ設定回路５１の出力の音声信号Ｌ２ａおよびＬ２ｂとして取り出し、時間遅れ設定回路５２では、上記の音像定位制御信号Ｓｃの一部である選択信号Ｓｃ６およびＳｃ８によって、セレクタ５６および５８で、検出された回転角θに最も近い回転角（向き）およびそれに次いで近い回転角（向き）に対応した隣接する２段の遅延回路の出力信号を、時間遅れ設定回路５２の出力の音声信号Ｒ２ａおよびＲ２ｂとして取り出す。
【００４１】
例えば、回転角θが０度〜＋α（右方向にαで、αはτに相当する約３度）のときには、時間遅れ設定回路５１のセレクタ５５からは、中間の段の遅延回路の出力信号Ｌｔを音声信号Ｌ２ａとして取り出し、セレクタ５７からは、信号Ｌｔよりτだけ進んだ信号Ｌｓを音声信号Ｌ２ｂとして取り出すとともに、時間遅れ設定回路５２のセレクタ５６からは、中間の段の遅延回路の出力信号Ｒｔを音声信号Ｒ２ａとして取り出し、セレクタ５８からは、信号Ｒｔよりτだけ遅れた信号Ｒｕを音声信号Ｒ２ｂとして取り出す。
【００４２】
また、回転角θが０度〜−α（左方向にα）のときには、時間遅れ設定回路５１のセレクタ５５からは、中間の段の遅延回路の出力信号Ｌｔを音声信号Ｌ２ａとして取り出し、セレクタ５７からは、信号Ｌｔよりτだけ遅れた信号Ｌｕを音声信号Ｌ２ｂとして取り出すとともに、時間遅れ設定回路５２のセレクタ５６からは、中間の段の遅延回路の出力信号Ｒｔを音声信号Ｒ２ａとして取り出し、セレクタ５８からは、信号Ｒｔよりτだけ進んだ信号Ｒｓを音声信号Ｒ２ｂとして取り出す。
【００４３】
そして、時間遅れ設定回路５１の出力の音声信号Ｌ２ａおよびＬ２ｂを、クロスフェード処理回路６１に供給し、時間遅れ設定回路５２の出力の音声信号Ｒ２ａおよびＲ２ｂを、クロスフェード処理回路６２に供給する。
【００４４】
クロスフェード処理回路６１では、乗算回路６５で音声信号Ｌ２ａに係数ｋａを乗じ、乗算回路６７で音声信号Ｌ２ｂに係数ｋｂを乗じ、加算回路６３で乗算回路６５および６７の乗算結果を加算する。同様に、クロスフェード処理回路６２では、乗算回路６６で音声信号Ｒ２ａに係数ｋａを乗じ、乗算回路６８で音声信号Ｒ２ｂに係数ｋｂを乗じ、加算回路６４で乗算回路６６および６８の乗算結果を加算する。
【００４５】
すなわち、クロスフェード処理回路６１および６２の出力として、
Ｌ２ｃ＝ｋａ×Ｌ２ａ＋ｋｂ×Ｌ２ｂ …（１）
Ｒ２ｃ＝ｋａ×Ｒ２ａ＋ｋｂ×Ｒ２ｂ …（２）
で表される音声信号Ｌ２ｃおよびＲ２ｃを得る。
【００４６】
係数ｋａ，ｋｂは、検出された回転角θに応じて、例えば、図８に示すように、１０段階に設定し、リスナが向きを変えたときには、例えば、図９に示すように、τの時間ごとに変更する。
【００４７】
すなわち、リスナの向きが０度のときには、ｋａ＝１，ｋｂ＝０とし、向きが±α／１０のときには、ｋａ＝０．９，ｋｂ＝０．１とし、向きが±２α／１０のときには、ｋａ＝０．８，ｋｂ＝０．２とし、向きが±３α／１０のときには、ｋａ＝０．７，ｋｂ＝０．３とし、向きが±４α／１０のときには、ｋａ＝０．６，ｋｂ＝０．４とし、向きが±５α／１０のときには、ｋａ＝０．５，ｋｂ＝０．５とし、向きが±６α／１０のときには、ｋａ＝０．４，ｋｂ＝０．６とし、向きが±７α／１０のときには、ｋａ＝０．３，ｋｂ＝０．７とし、向きが±８α／１０のときには、ｋａ＝０．２，ｋｂ＝０．８とし、向きが±９α／１０のときには、ｋａ＝０．１，ｋｂ＝０．９とする。リスナの向きが、±αと±２αの間、±２αと±３αの間、などのときにも、同様である。
【００４８】
したがって、リスナが０度の方向を向いているときには、
Ｌ２ｃ＝Ｌ２ａ＝Ｌｔ …（３）
Ｒ２ｃ＝Ｒ２ａ＝Ｒｔ …（４）
となる。
【００４９】
また、このように０度の方向を向いている状態から、リスナが向きを変えて、−α／２の方向に向いたときには、
となる。
【００５０】
さらに、このように−α／２の方向を向いている状態から、リスナが向きを変えて、−αの方向に向いたときには、ｋａ＝１，ｋｂ＝０となるとともに、セレクタ５５からは信号Ｌｕが取り出され、セレクタ５７からは信号Ｌｕよりτだけ遅れた信号が取り出され、セレクタ５６からは信号Ｒｓが取り出され、セレクタ５８からは信号Ｒｓよりτだけ進んだ信号が取り出されるように、セレクタ５５，５７，５６，５８が切り替えられて、
Ｌ２ｃ＝Ｌ２ａ＝Ｌｕ …（７）
Ｒ２ｃ＝Ｒ２ａ＝Ｒｓ …（８）
となる。
【００５１】
したがって、この例では、図１の音源５からリスナ１の左耳１Ｌおよび右耳１Ｒに至る伝達関数ＨＬおよびＨＲにおける時間遅れの分解能が、時間遅れ設定回路５１および５２の遅延回路５３および５４の遅延時間、すなわちデジタルフィルタ３１および３２の出力の音声信号Ｌ１およびＲ１のサンプリング周期τの１／１０に相当するものとなり、音声信号Ｌ１，Ｒ１のサンプリング周波数ｆｓが４４．１ｋＨｚ、サンプリング周期τが約２２．７μ秒であるとき、リスナ頭部の回転角で約０．３度に相当するものとなる。
【００５２】
そのため、リスナの向きが、±１．５度、±４．５度、というような、デジタルフィルタ３１および３２の出力の音声信号Ｌ１およびＲ１のサンプリング周期τで決まる０度または±３度の整数倍という離散的な所定方向の間の方向であるときにも、リスナの向きに正確に対応させて、図１の音源５で示す所定位置に音像を定位させることができる。
【００５３】
しかも、上記のような補間によって、リスナが向きを変えたとき、音声信号Ｌ２ｃおよびＲ２ｃの波形変化が緩やかとなり、伝達特性の変化が緩やかとなるので、シヨックノイズが低減する。
【００５４】
ただし、この場合、時間遅れ設定回路５１とクロスフェード処理回路６１、および時間遅れ設定回路５２とクロスフェード処理回路６２は、それぞれ、一種のＦＩＲフィルタを構成するため、係数ｋａ，ｋｂの値に応じて周波数特性が変化し、図１０に示すように、ｋａ＝１，ｋｂ＝０のときには、平坦な周波数特性Ｆａとなるが、ｋａ＝０．７５，ｋｂ＝０．２５のときには、高域が低下する周波数特性Ｆｂとなり、ｋａ＝０．５，ｋｂ＝０．５のときには、さらに高域が低下する周波数特性Ｆｃとなる。
【００５５】
そのため、図７の例では、クロスフェード処理回路６１および６２の出力の音声信号Ｌ２ｃおよびＲ２ｃを、高域補償用の補正フィルタ７１および７２に供給する。
【００５６】
補正フィルタ７１，７２は、例えば、図１１に示すように、入力の音声信号Ｌ２ｃ，Ｒ２ｃを遅延回路７４でτだけ遅延させ、後述の出力の音声信号Ｌ２，Ｒ２を遅延回路７５でτだけ遅延させ、乗算回路７６，７７および７８で、それぞれ入力の音声信号Ｌ２ｃ，Ｒ２ｃ、遅延回路７４の出力信号および遅延回路７５の出力信号に係数を乗じ、加算回路７９で乗算回路７６，７７および７８の乗算結果を加算し、その加算結果を出力の音声信号Ｌ２，Ｒ２として取り出す構成とする。乗算回路７６〜７８の係数は、上記の音像定位制御信号Ｓｃの一部である係数設定信号Ｓｃｋによって、上記の係数ｋａ，ｋｂの値に応じて設定する。
【００５７】
これによって、補正フィルタ７１および７２の出力の音声信号Ｌ２およびＲ２として、高域が補償された音声信号が得られる。
【００５８】
図７の例の時間差設定回路３８では、この補正フィルタ７１および７２の出力の音声信号Ｌ２およびＲ２を、時間差設定回路３８の出力の音声信号として取り出して、図２に示すように、信号処理部３０のレベル差設定回路３９に供給する。
【００５９】
レベル差設定回路３９では、音像定位制御信号Ｓｃによって、検出された回転角θに応じて、図６に示した特性に従って、時間差設定回路３８の出力の音声信号Ｌ２およびＲ２のレベルを設定し、音声信号Ｌ２，Ｒ２間のレベル差を設定する。
【００６０】
そして、このレベル差設定回路３９の出力のデジタル音声信号Ｌ３およびＲ３を、Ｄ／Ａコンバータ４１Ｌおよび４１Ｒでアナログ音声信号に変換し、その２系統のアナログ音声信号を、音声増幅回路４２Ｌおよび４２Ｒで増幅して、ヘッドホン３の左右の音響変換器３Ｌおよび３Ｒに供給する。
【００６１】
（時間差設定回路の他の例…図１２）
図１２は、図２の実施形態の音声再生システムの時間差設定回路３８の他の例を示す。この例の時間差設定回路３８は、オーバーサンプリングフィルタ８１，８２および時間遅れ設定回路５１，５２によって構成する。
【００６２】
オーバーサンプリングフィルタ８１および８２では、図２のデジタルフィルタ３１および３２の出力信号を、サンプリング周波数がｆｓの音声信号Ｌ１およびＲ１から、サンプリング周波数がｎｆｓ（ｆｓのｎ倍）の音声信号ＬｎおよびＲｎに変換する。例えば、ｎ＝４として、デジタルフィルタ３１および３２の出力の音声信号のサンプリング周波数を、上記の４４．１ｋＨｚから１７６．４ｋＨｚに変換する。
【００６３】
時間遅れ設定回路５１および５２では、このオーバーサンプリングフィルタ８１および８２の出力の音声信号ＬｎおよびＲｎを、それぞれのサンプリング周期τ／ｎの遅延時間の、多段接続した遅延回路５３および５４によって順次遅延させる。
【００６４】
音声信号Ｌ１，Ｒ１のサンプリング周波数ｆｓが４４．１ｋＨｚで、ｎ＝４とする場合、音声信号Ｌｎ，Ｒｎのサンプリング周期τ／ｎは、約５．７μ秒であり、リスナ頭部の回転角では約０．７５度に相当する。
【００６５】
さらに、時間遅れ設定回路５１および５２では、上記の音像定位制御信号Ｓｃの一部である選択信号Ｓｃ５およびＳｃ６によって、セレクタ５５および５６で、検出された回転角θに最も近い回転角（向き）に対応する遅延回路の出力信号を、時間差設定回路３８の出力の音声信号Ｌ２およびＲ２として取り出す。
【００６６】
例えば、回転角θが０度のときには、セレクタ５５および５６からは、それぞれ中間の段の遅延回路の出力信号ＬｐおよびＲｐを取り出し、回転角θが＋α／ｎ（右方向にα／ｎで、α／ｎはτ／ｎに相当する約０．７５度）のときには、セレクタ５５からは信号Ｌｐよりτ／ｎだけ進んだ信号Ｌｏを、セレクタ５６からは信号Ｒｐよりτ／ｎだけ遅れた信号Ｒｑを、それぞれ取り出し、回転角θが−α／ｎ（左方向にα／ｎ）のときには、セレクタ５５からは信号Ｌｐよりτ／ｎだけ遅れた信号Ｌｑを、セレクタ５６からは信号Ｒｐよりτ／ｎだけ進んだ信号Ｒｏを、それぞれ取り出す。
【００６７】
したがって、この例では、図１の音源５からリスナ１の左耳１Ｌおよび右耳１Ｒに至る伝達関数ＨＬおよびＨＲにおける時間遅れの分解能が、デジタルフィルタ３１および３２の出力の音声信号Ｌ１およびＲ１のサンプリング周期τの１／ｎである、時間遅れ設定回路５１および５２の遅延回路５３および５４の遅延時間τ／ｎに相当するものとなり、音声信号Ｌ１，Ｒ１のサンプリング周波数ｆｓが４４．１ｋＨｚ、サンプリング周期τが約２２．７μ秒、ｎ＝４であるとき、リスナ頭部の回転角で約０．７５度に相当するものとなる。
【００６８】
そのため、リスナの向きが、±１．５度、±４．５度というような、デジタルフィルタ３１および３２の出力の音声信号Ｌ１およびＲ１のサンプリング周期τで決まる０度または±３度の整数倍という離散的な所定方向の間の方向であるときにも、リスナの向きに正確に対応させて、図１の音源５で示す所定位置に音像を定位させることができる。
【００６９】
しかも、リスナが向きを変えたとき、０．７５度という小さな角度ごとに音声信号Ｌ２およびＲ２が切り替えられるので、音声信号Ｌ２およびＲ２の波形変化が緩やかとなり、伝達特性の変化が緩やかとなって、シヨックノイズが低減する。
【００７０】
〔第２の実施形態…図１３および図１４〕
この発明は、ステレオ音声信号をヘッドホンによって聴取する場合にも、適用することができる。
【００７１】
図１３は、この場合の原理を示し、リスナ１はヘッドホン３を装着して、その左右の音響変換器３Ｌおよび３Ｒによって音声を聴取し、リスナ１が右方向または左方向に向いても、それぞれ音源５Ｌおよび５Ｒで示すリスナ頭外の任意の固定した左右位置に、左右の音声信号の音像を定位させるものである。
【００７２】
同図のようにリスナ１が所定の方向を向いているときの、音源５Ｌからリスナ１の左耳１Ｌおよび右耳１Ｒに至る伝達関数をＨＬＬおよびＨＬＲとし、音源５Ｒからリスナ１の左耳１Ｌおよび右耳１Ｒに至る伝達関数をＨＲＬおよびＨＲＲとする。
【００７３】
図１４は、この場合の、この発明の音声再生システムの一実施形態を示す。入力端子１３および１５に供給される、図１３の音源５Ｌおよび５Ｒの信号に相当する左右の入力アナログ音声信号ＡｌおよびＡｒを、Ａ／Ｄコンバータ２３および２５でデジタル音声信号ＤｌおよびＤｒに変換し、そのデジタル音声信号ＤｌおよびＤｒを、信号処理部３０に供給する。
【００７４】
信号処理部３０は、機能的に、それぞれ上記の伝達関数ＨＬＬ，ＨＬＲ，ＨＲＬ，ＨＲＲに相当するインパルス応答を畳み込むデジタルフィルタ３３，３４，３５，３６を有するものとして構成する。
【００７５】
そして、Ａ／Ｄコンバータ２３からのデジタル音声信号Ｄｌを、デジタルフィルタ３３および３４に供給し、Ａ／Ｄコンバータ２５からのデジタル音声信号Ｄｒを、デジタルフィルタ３５および３６に供給し、加算回路３７Ｌで、デジタルフィルタ３３および３５の出力の音声信号を加算し、加算回路３７Ｒで、デジタルフィルタ３４および３６の出力の音声信号を加算し、加算回路３７Ｌおよび３７Ｒの出力の音声信号Ｌ１およびＲ１を、時間差設定回路３８に供給する。
【００７６】
時間差設定回路３８以降の構成は、図２の実施形態と同じで、時間差設定回路３８は、図７または図１２の例のように構成する。
【００７７】
したがって、この実施形態でも、リスナの向きに正確に対応させて、常に所定位置に音像を定位させることができるとともに、リスナが向きを変えたときのショックノイズが低減し、音質の良い音声信号が得られる。
【００７８】
〔第３の実施形態…図１５〕
図１５は、この発明の音声再生システムの他の実施形態を示し、図１のように１チャンネルの音声信号をヘッドホンによって聴取する場合の別の実施形態である。
【００７９】
この実施形態では、それぞれ回転角θがθ０，θ１，θ２，‥‥θｎのときの、図１の音源５からリスナ１の左耳１Ｌに至る伝達関数ＨＬ（θ０），ＨＬ（θ１），ＨＬ（θ２），‥‥ＨＬ（θｎ）および音源５からリスナ１の右耳１Ｒに至る伝達関数ＨＲ（θ０），ＨＲ（θ１），ＨＲ（θ２），‥‥ＨＲ（θｎ）に相当するインパルス応答を畳み込むデジタルフィルタ８３−０，８３−１，８３−２，‥‥８３−ｎおよびデジタルフィルタ８４−０，８４−１，８４−２，‥‥８４−ｎを設け、Ａ／Ｄコンバータ２１からの入力デジタル音声信号Ｄｉを、デジタルフィルタ８３−０，８３−１，８３−２，‥‥８３−ｎおよびデジタルフィルタ８４−０，８４−１，８４−２，‥‥８４−ｎに供給する。θ０，θ１，θ２，‥‥θｎは、リスナの周囲方向に等角間隔で設定する。
【００８０】
図１５では省略したが、図２および図１４の実施形態と同様に、ヘッドホン３に設けた角速度センサ９の出力信号から、ヘッドホン３を装着したリスナ頭部の回転角（向き）θを検出する。
【００８１】
そして、セレクタ５５および５７によって、デジタルフィルタ８３−０，８３−１，８３−２，‥‥８３−ｎのうちの、検出された回転角θに最も近い回転角（向き）およびそれに次いで近い回転角（向き）に対応した隣接する２つのフィルタの出力信号を、音声信号Ｌ２ａおよびＬ２ｂとして取り出し、セレクタ５６および５８によって、デジタルフィルタ８４−０，８４−１，８４−２，‥‥８４−ｎのうちの、検出された回転角θに最も近い回転角（向き）およびそれに次いで近い回転角（向き）に対応した隣接する２つのフィルタの出力信号を、音声信号Ｒ２ａおよびＲ２ｂとして取り出す。
【００８２】
例えば、回転角θがθ０〜θ１のときには、セレクタ５５からは、デジタルフィルタ８３−０の出力信号を音声信号Ｌ２ａとして取り出し、セレクタ５７からは、デジタルフィルタ８３−１の出力信号を音声信号Ｌ２ｂとして取り出すとともに、セレクタ５６からは、デジタルフィルタ８４−０の出力信号を音声信号Ｒ２ａとして取り出し、セレクタ５８からは、デジタルフィルタ８４−１の出力信号を音声信号Ｒ２ｂとして取り出す。
【００８３】
そして、セレクタ５５および５７の出力の音声信号Ｌ２ａおよびＬ２ｂを、クロスフェード処理回路６１に供給し、セレクタ５６および５８の出力の音声信号Ｒ２ａおよびＲ２ｂを、クロスフェード処理回路６２に供給する。
【００８４】
クロスフェード処理回路６１および６２では、図２の実施形態の音声再生システムの図７の例の時間差設定回路３８のそれと同様に、上記の式（１）および（２）に示した補間演算を行う。
【００８５】
したがって、この実施形態でも、リスナの向きが、θ０とθ１の間、θ１とθ２の間、というような、離散的な所定方向の間の方向であるときにも、リスナの向きに正確に対応させて、図１の音源５で示す所定位置に音像を定位させることができるとともに、リスナが向きを変えたとき、音声信号Ｌ２ｃおよびＲ２ｃの波形変化が緩やかとなり、伝達特性の変化が緩やかとなって、シヨックノイズが低減する。
【００８６】
この実施形態でも、図７の例のサンプリング周波数回路３８と同様に、クロスフェード処理回路６１および６２の出力の音声信号Ｌ２ｃおよびＲ２ｃを、高域補償用の補正フィルタ７１および７２に供給して、クロスフェード処理回路６１および６２における高域の低下を補償する。
【００８７】
この実施形態では、デジタルフィルタ８３−０，８３−１，８３−２，‥‥８３−ｎおよびデジタルフィルタ８４−０，８４−１，８４−２，‥‥８４−ｎによるフィルタリング中に、リスナの左耳で聴取される音声信号と右耳で聴取される音声信号との間の時間差およびレベル差を考慮するので、補正フィルタ７１および７２の出力の音声信号Ｌ２およびＲ２を、そのまま、Ｄ／Ａコンバータ４１Ｌおよび４１Ｒでアナログ音声信号に変換し、その２系統のアナログ音声信号を、音声増幅回路４２Ｌおよび４２Ｒで増幅して、ヘッドホン３の左右の音響変換器３Ｌおよび３Ｒに供給する。
【００８８】
〔第４の実施形態…図１６〕
上述した各実施形態は、ヘッドホンによって音声を聴取し、かつリスナ頭外の任意の固定した位置に音像を定位させる場合であるが、この発明は、スピーカやヘッドホンによって音声を聴取し、かつリスナ周辺の任意の変更した位置に音像を定位させる場合にも適用することができる。
【００８９】
図１６は、この場合の、この発明の音声再生システムの一実施形態を示す。スピーカ６Ｌおよび６Ｒは、例えば、リスナ前方の正中面に対して対称な左右位置や、ゲーム機などの画像表示機器の左右位置に配置する。
【００９０】
端子１１に供給される入力アナログ音声信号Ａｉを、Ａ／Ｄコンバータ２１でデジタル音声信号Ｄｉに変換し、そのデジタル音声信号Ｄｉを、信号処理部３０に供給する。
【００９１】
信号処理部３０は、機能的に、デジタルフィルタ１０１，１０２、時間差設定回路３８、レベル差設定回路３９およびクロストークキャンセル回路１１１，１１２によって構成し、Ａ／Ｄコンバータ２１からのデジタル音声信号Ｄｉを、デジタルフィルタ１０１および１０２に供給する。
【００９２】
デジタルフィルタ１０１，１０２、時間差設定回路３８およびレベル差設定回路３９は、リスナが定位変更した音像位置からリスナの左耳および右耳に至る伝達関数を実現するものである。
【００９３】
すなわち、この実施形態では、ジョイスティックなどの音像定位操作部１２０で、リスナが音像位置を定位変更する操作を行うことによって、音像定位操作部１２０から信号処理部３０に、音像定位制御信号Ｓｃが送出される。
【００９４】
その音像定位制御信号Ｓｃによって、スピーカ６Ｌに供給される音声信号とスピーカ６Ｒに供給される音声信号との間の時間差およびレベル差が設定されることによって、リスナが定位変更した音像位置からリスナの左耳および右耳に至る伝達関数が実現される。
【００９５】
具体的に、時間差設定回路３８は、図２の実施形態と同様に、図７または図１２の例のように構成し、上記の音像定位制御信号Ｓｃによって、図７の例では、時間遅れ設定回路５１のセレクタ５５，５７、および時間遅れ設定回路５２のセレクタ５６，５８から、それぞれ、定位変更された音像位置に最も近い音像位置およびそれに次いで近い音像位置に対応した隣接する２段の遅延回路の出力信号を、時間遅れ設定回路５１の出力の音声信号Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ、および時間遅れ設定回路５２の出力の音声信号Ｒ２ａ，Ｒ２ｂとして取り出すとともに、定位変更された音像位置に応じて、クロスフェード処理回路６１および６２の係数ｋａ，ｋｂを設定し、図１２の例では、時間遅れ設定回路５１のセレクタ５５、および時間遅れ設定回路５２のセレクタ５６から、それぞれ、定位変更された音像位置に最も近い音像位置に対応する遅延回路の出力信号を、時間遅れ設定回路５１の出力の音声信号Ｌ２、および時間遅れ設定回路５２の出力の音声信号Ｒ２として取り出す。
【００９６】
これによって、リスナが定位変更した音像位置が、離散的な所定位置の間の位置であるときにも、その位置に音像を正確に定位させることができるとともに、リスナが音像位置を変更したとき、音声信号の波形変化が緩やかとなり、伝達特性の変化が緩やかとなって、シヨックノイズが低減する。
【００９７】
クロストークキャンセル回路１１１および１１２は、スピーカ６Ｌ，６Ｒ間のクロストークをキャンセルするものである。
【００９８】
信号処理部３０の出力の２系統のデジタル音声信号ＳＬおよびＳＲは、Ｄ／Ａコンバータ４１Ｌおよび４１Ｒでアナログ音声信号に変換し、その２系統のアナログ音声信号を、音声増幅回路４２Ｌおよび４２Ｒで増幅して、スピーカ６Ｌおよび６Ｒに供給する。
【００９９】
図１６の実施形態は、図２の実施形態と同様に時間差設定回路３８を設け、これを図７または図１２の例のように構成する場合であるが、図１５の実施形態のような信号処理構成とすることによって、リスナ周辺の任意の変更した位置に音像を定位させることもできる。
【０１００】
【発明の効果】
上述したように、この発明によれば、リスナ頭外の任意の固定した位置に音像を定位させる場合に、リスナの向きに正確に対応させて、常に所定位置に音像を定位させることができるとともに、リスナが向きを変えたときのショックノイズが低減し、音質の良い音声信号が得られる。
また、この発明によれば、リスナ周辺の任意の変更した位置に音像を定位させる場合に、任意の位置に音像を正確に定位させることができるとともに、音像位置を変更したときのショックノイズが低減し、音質の良い音声信号が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】リスナ頭外の固定位置に音像を定位させる場合の原理を示す図である。
【図２】この発明の音声再生システムの第１の実施形態を示す図である。
【図３】インパルス応答の一例を示す図である。
【図４】デジタルフィルタの一例を示す図である。
【図５】リスナの向きとリスナの両耳に至る時間遅れとの関係を示す図である。
【図６】リスナの向きとリスナの両耳に至る信号レベルとの関係を示す図である。
【図７】図２のシステム中の時間差設定回路の一例を示す図である。
【図８】図７の時間差設定回路の説明に供する図である。
【図９】図７の時間差設定回路の説明に供する図である。
【図１０】図７の時間差設定回路の説明に供する図である。
【図１１】図７の時間差設定回路中の補正フィルタの一例を示す図である。
【図１２】図２のシステム中の時間差設定回路の他の例を示す図である。
【図１３】リスナ頭外の固定位置に音像を定位させる場合の原理を示す図である。
【図１４】この発明の音声再生システムの第２の実施形態を示す図である。
【図１５】この発明の音声再生システムの第３の実施形態を示す図である。
【図１６】この発明の音声再生システムの第４の実施形態を示す図である。
【図１７】従来の音声再生システムの一例を示す図である。
【図１８】従来の音声再生システムの他の例を示す図である。
【符号の説明】
主要部については図中に全て記述したので、ここでは省略する。
【発明の属する技術分野】
この発明は、ヘッドホンなどによって音声を聴取し、かつリスナ頭外の任意の固定した位置に音像を定位させる場合や、スピーカやヘッドホンなどによって音声を聴取し、かつリスナ周辺の任意の変更した位置に音像を定位させる場合の、音声信号処理方法および音声再生システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヘッドホンによって音声を聴取する場合に、リスナがどの方向を向いても、リスナ頭外の任意の固定した位置に音像を定位させて、その位置にスピーカが配置されているかのように音声を聴取できるようにした音声再生システムが考えられている。
【０００３】
図１は、その原理を示し、同図（Ａ）に示すように、リスナ１はヘッドホン３を装着して、その左右の音響変換器３Ｌおよび３Ｒによって音声を聴取し、同図（Ｂ）または（Ｃ）に示すように、リスナ１が右方向または左方向に向いても、音源５で示すリスナ頭外の任意の固定した位置に音像を定位させるものである。
【０００４】
この場合、音源５からリスナ１の左耳１Ｌおよび右耳１Ｒに至る伝達関数をＨＬおよびＨＲとし、特にリスナ１が所定の方向、例えば音源５の方向を向いているときの、音源５からリスナ１の左耳１Ｌおよび右耳１Ｒに至る伝達関数をＨＬｃおよびＨＲｃとする。以下では、リスナ１の向きを、音源５の方向に対する回転角θで示す。
【０００５】
図１７は、この場合の従来の音声再生システムの一例を示し、ヘッドホン３には角速度センサ９が設けられ、この角速度センサ９の出力信号が積分されることによって、上記の回転角θが検出される。
【０００６】
この例では、図１の音源５の信号に相当する入力デジタル音声信号Ｄｉが、デジタルフィルタ３１および３２に供給される。デジタルフィルタ３１および３２は、デジタル音声信号Ｄｉから上記の伝達関数ＨＬｃおよびＨＲｃに相当するインパルス応答を畳み込むもので、例えば、ＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタによって構成される。
【０００７】
デジタルフィルタ３１および３２の出力の音声信号Ｌ１およびＲ１は、時間差設定回路３８に供給され、時間差設定回路３８の出力の音声信号Ｌ２およびＲ２は、レベル差設定回路３９に供給される。
【０００８】
図１（Ｂ）のようにリスナ１が右方向に向いたとき、θ＝０度〜＋９０度の範囲内では、回転角θが大きいほど、リスナ１の左耳１Ｌは音源５に近づき、右耳１Ｒは音源５から遠ざかるため、音源５の位置に音像を固定して定位させるには、伝達関数ＨＬについては、回転角θが大きいほど、時間遅れが小さくなり、かつ信号レベルが大きくなるように、伝達関数ＨＬｃに対して変化させ、伝達関数ＨＲについては、回転角θが大きいほど、時間遅れが大きくなり、かつ信号レベルが小さくなるように、伝達関数ＨＲｃに対して変化させる必要がある。
【０００９】
逆に、図１（Ｃ）のようにリスナ１が左方向に向いたとき、θ＝０度〜−９０度の範囲内では、回転角θが大きいほど、リスナ１の左耳１Ｌは音源５から遠ざかり、右耳１Ｒは音源５に近づくため、音源５の位置に音像を固定して定位させるには、伝達関数ＨＬについては、回転角θが大きいほど、時間遅れが大きくなり、かつ信号レベルが小さくなるように、伝達関数ＨＬｃに対して変化させ、伝達関数ＨＲについては、回転角θが大きいほど、時間遅れが小さくなり、かつ信号レベルが大きくなるように、伝達関数ＨＲｃに対して変化させる必要がある。
【００１０】
図１７の音声再生システムでは、このリスナの左耳で聴取される音声信号と右耳で聴取される音声信号との間の時間差が時間差設定回路３８で設定され、レベル差がレベル差設定回路３９で設定される。
【００１１】
具体的に、時間差設定回路３８は、時間遅れ設定回路５１および５２によって構成され、時間遅れ設定回路５１および５２では、デジタルフィルタ３１および３２の出力の音声信号Ｌ１およびＲ１が、それぞれのサンプリング周期τの遅延時間の、多段接続された遅延回路５３および５４によって順次遅延される。
【００１２】
音声信号Ｌ１，Ｒ１のサンプリング周波数ｆｓは、例えば、４４．１ｋＨｚであり、したがって、音声信号Ｌ１，Ｒ１のサンプリング周期τは、例えば、約２２．７μ秒であり、リスナ頭部の回転角では約３度に相当する。
【００１３】
時間遅れ設定回路５１および５２では、セレクタ５５および５６によって、上記のように検出された回転角θに最も近い回転角（向き）に対応する遅延回路の出力信号が、時間差設定回路３８の出力の音声信号Ｌ２およびＲ２として取り出される。
【００１４】
例えば、回転角θが０度のときには、セレクタ５５および５６からは、それぞれ中間の段の遅延回路の出力信号ＬｔおよびＲｔが取り出され、回転角θが＋α（右方向にαで、αはτに相当する約３度）のときには、セレクタ５５からは信号Ｌｔよりτだけ進んだ信号Ｌｓが、セレクタ５６からは信号Ｒｔよりτだけ遅れた信号Ｒｕが、それぞれ取り出され、回転角θが−α（左方向にα）のときには、セレクタ５５からは信号Ｌｔよりτだけ遅れた信号Ｌｕが、セレクタ５６からは信号Ｒｔよりτだけ進んだ信号Ｒｓが、それぞれ取り出される。
【００１５】
さらに、レベル差設定回路３９では、検出された回転角θに応じて、時間差設定回路３８の出力の音声信号Ｌ２およびＲ２のレベルが設定され、音声信号Ｌ２，Ｒ２間のレベル差が設定される。
【００１６】
そして、レベル差設定回路３９の出力のデジタル音声信号Ｌ３およびＲ３が、Ｄ／Ａ（Ｄｉｇｉｔａｌ ｔｏ Ａｎａｌｏｇ）コンバータ４１Ｌおよび４１Ｒでアナログ音声信号に変換され、その２系統のアナログ音声信号が、音声増幅回路４２Ｌおよび４２Ｒで増幅されて、ヘッドホン３の左右の音響変換器３Ｌおよび３Ｒに供給される。
【００１７】
図１８は、従来の音声再生システムの他の例を示す。この例では、それぞれ回転角θがθ０，θ１，θ２，‥‥θｎのときの、図１の音源５からリスナ１の左耳１Ｌに至る伝達関数ＨＬ（θ０），ＨＬ（θ１），ＨＬ（θ２），‥‥ＨＬ（θｎ）および音源５からリスナ１の右耳１Ｒに至る伝達関数ＨＲ（θ０），ＨＲ（θ１），ＨＲ（θ２），‥‥ＨＲ（θｎ）に相当するインパルス応答を畳み込むデジタルフィルタ８３−０，８３−１，８３−２，‥‥８３−ｎおよびデジタルフィルタ８４−０，８４−１，８４−２，‥‥８４−ｎが設けられる。θ０，θ１，θ２，‥‥θｎは、リスナの周囲方向に等角間隔で設定される。
【００１８】
そして、入力デジタル音声信号Ｄｉが、デジタルフィルタ８３−０，８３−１，８３−２，‥‥８３−ｎおよびデジタルフィルタ８４−０，８４−１，８４−２，‥‥８４−ｎに供給され、セレクタ５５によって、デジタルフィルタ８３−０，８３−１，８３−２，‥‥８３−ｎのうちの、検出された回転角θに最も近い回転角（向き）に対応するフィルタの出力信号が、ヘッドホン３の左側の音響変換器３Ｌに供給されるべき音声信号として取り出され、セレクタ５６によって、デジタルフィルタ８４−０，８４−１，８４−２，‥‥８４−ｎのうちの、検出された回転角θに最も近い回転角（向き）に対応するフィルタの出力信号が、ヘッドホン３の右側の音響変換器３Ｒに供給されるべき音声信号として取り出される。
【００１９】
セレクタ５５および５６の出力のデジタル音声信号は、Ｄ／Ａコンバータ４１Ｌおよび４１Ｒでアナログ音声信号に変換され、その２系統のアナログ音声信号が、音声増幅回路４２Ｌおよび４２Ｒで増幅されて、ヘッドホン３の左右の音響変換器３Ｌおよび３Ｒに供給される。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１７の従来の音声再生システムでは、図１の音源５からリスナ１の左耳１Ｌおよび右耳１Ｒに至る伝達関数ＨＬおよびＨＲにおける時間遅れの分解能が、時間遅れ設定回路５１および５２の遅延回路５３および５４の遅延時間、すなわちデジタルフィルタ３１および３２の出力の音声信号Ｌ１およびＲ１のサンプリング周期τによって決定され、音声信号Ｌ１，Ｒ１のサンプリング周波数ｆｓが４４．１ｋＨｚ、サンプリング周期τが約２２．７μ秒であるとき、リスナ頭部の回転角で約３度に相当するものとなる。
【００２１】
そのため、リスナの向きが、±１．５度、±４．５度、というような、デジタルフィルタ３１および３２の出力の音声信号Ｌ１およびＲ１のサンプリング周期τで決まる０度または±３度の整数倍という離散的な所定方向の間の方向であるときには、リスナの向きに正確に対応させて、図１の音源５で示す所定位置に音像を定位させることができない。
【００２２】
また、リスナが向きを変えたとき、単位角度ごとに時間差設定回路３８の出力の音声信号Ｌ２およびＲ２が瞬間的に切り替えられるため、音声信号Ｌ２およびＲ２の波形変化が急峻となり、伝達特性の変化が急激となって、シヨックノイズが発生する。
【００２３】
図１８の従来の音声再生システムでも、リスナの向きが、θ０とθ１の間、θ１とθ２の間、というような、離散的な所定方向の間の方向であるときには、リスナの向きに正確に対応させて、図１の音源５で示す所定位置に音像を定位させることができないとともに、リスナが向きを変えたとき、単位角度ごとにセレクタ５５および５６の出力の音声信号が瞬間的に切り替えられるため、出力の音声信号の波形変化が急峻となり、伝達特性の変化が急激となって、シヨックノイズが発生する。
【００２４】
そこで、この発明は、リスナ頭外の任意の固定した位置に音像を定位させる場合に、リスナの向きに正確に対応させて、常に所定位置に音像を定位させることができるとともに、リスナが向きを変えたときのショックノイズが低減し、音質の良い音声信号が得られるようにしたものである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
この発明の音声信号処理方法では、入力音声信号をそれぞれインパルス応答の畳み込み用にフィルタリングして第１の複数の音声信号と第２の複数の音声信号とを得、前記第１の複数の音声信号からリスナの向きに対応した信号を選択して第１の遅延音声信号対を出力し、前記第２の複数の音声信号から前記リスナの向きに対応した信号を選択して第２の遅延音声信号対を出力し、前記第１の遅延音声信号対及び前記第２の遅延音声信号対をそのときの前記リスナの向きに応じた比率でそれぞれ加算して出力音声信号を得る。
【００２６】
また、この発明の音声信号処理方法では、入力音声信号をそれぞれインパルス応答の畳み込み用にフィルタリングして第１の複数の音声信号と第２の複数の音声信号とを得て、前記第１の複数の音声信号から定位させる音像位置に対応した信号を選択して第１の遅延音声信号対を出力し、前記第２の複数の音声信号から定位させる音像位置に対応した信号を選択して第２の遅延音声信号対を出力し、前記第１の遅延音声信号対及び前記第２の遅延音声信号対を、そのときの定位させる音像位置に応じた比率でそれぞれ加算して出力音声信号を得る。
【００２７】
また、この発明の音声信号処理方法では、
入力音声信号を、インパルス応答の畳み込み用にフィルタリングし、フィルタリング後の音声信号のサンプリング周波数を逓倍した後、逓倍後の音声信号を遅延させて、出力音声信号を得る。
【００２８】
【発明の実施の形態】
〔第１の実施形態…図１〜図１２〕
図２は、図１のように１チャンネルの音声信号をヘッドホンによって聴取する場合の、この発明の音声再生システムの一実施形態を示す。
【００２９】
ヘッドホン３には、角速度センサ９を設ける。角速度センサ９の出力信号は、帯域制限フィルタ４５で帯域制限し、さらにＡ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ）コンバータ４６でデジタルデータに変換して、マイクロプロセッサ４７に取り込み、マイクロプロセッサ４７で積分して、ヘッドホン３を装着したリスナ頭部の回転角（向き）θを検出する。
【００３０】
端子１１に供給される、図１の音源５の信号に相当する入力アナログ音声信号Ａｉを、Ａ／Ｄコンバータ２１でデジタル音声信号Ｄｉに変換し、そのデジタル音声信号Ｄｉを、信号処理部３０に供給する。
【００３１】
信号処理部３０は、専用のＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などによってソフトウェア（処理プログラム）を含むものとして、またはハードウェア回路として、機能的に、デジタルフィルタ３１，３２、時間差設定回路３８およびレベル差設定回路３９によって構成し、Ａ／Ｄコンバータ２１からのデジタル音声信号Ｄｉを、デジタルフィルタ３１および３２に供給する。
【００３２】
デジタルフィルタ３１および３２は、リスナが所定の方向、例えば図１（Ａ）のように音源５の方向を向いているときの、音源５からリスナ１の左耳１Ｌおよび右耳１Ｒに至る伝達関数ＨＬｃおよびＨＲｃに相当する、図３に示すようなインパルス応答を畳み込むもので、例えば、図４に示すようなＦＩＲフィルタによって構成する。
【００３３】
すなわち、デジタルフィルタ３１および３２では、それぞれ、入力端子９１に供給された音声信号を、そのサンプリング周期τの遅延時間の、多段接続された遅延回路９２によって順次遅延し、各乗算回路９３において、入力端子９１に供給された音声信号および各遅延回路９２の出力信号にインパルス応答の係数を乗じ、各加算回路９４において、各乗算回路９３の出力信号を順次加算し、出力端子９５にフィルタリング後の音声信号を得る。
【００３４】
このデジタルフィルタ３１および３２の出力の音声信号Ｌ１およびＲ１は、時間差設定回路３８に供給し、時間差設定回路３８の出力の音声信号Ｌ２およびＲ２は、レベル差設定回路３９に供給する。
【００３５】
図１の音源５の位置に音像を固定して定位させるには、音源５からリスナ１の左耳１Ｌおよび右耳１Ｒに至る伝達関数ＨＬおよびＨＲにおける時間遅れを、上記のように検出された回転角θに対して、それぞれ図５の実線ＴｄＬおよび破線ＴｄＲで示すように変化させる必要があり、伝達関数ＨＬおよびＨＲにおける信号レベルを、検出された回転角θに対して、それぞれ図６の実線ＬｅＬおよび破線ＬｅＲで示すように変化させる必要がある。θ＝±１８０度というのは、リスナ１が音源５に対して真後ろに向いた場合である。
【００３６】
このリスナの左耳で聴取される音声信号と右耳で聴取される音声信号との間の時間差を時間差設定回路３８で設定し、レベル差をレベル差設定回路３９で設定する。
【００３７】
（時間差設定回路の一例…図７〜図１１）
図７は、図２の実施形態の音声再生システムの時間差設定回路３８の一例を示す。この例の時間差設定回路３８は、時間遅れ設定回路５１，５２、クロスフェード処理回路６１，６２および補正フィルタ７１，７２によって構成する。
【００３８】
時間遅れ設定回路５１および５２では、図２のデジタルフィルタ３１および３２の出力の音声信号Ｌ１およびＲ１を、それぞれのサンプリング周期τの遅延時間の、多段接続した遅延回路５３および５４によって順次遅延させる。
【００３９】
音声信号Ｌ１，Ｒ１のサンプリング周波数ｆｓは、例えば、４４．１ｋＨｚであり、したがって、音声信号Ｌ１，Ｒ１のサンプリング周期τは、例えば、約２２．７μ秒であり、リスナ頭部の回転角では約３度に相当する。
【００４０】
時間遅れ設定回路５１では、図２に示すようにマイクロプロセッサ４７から信号処理部３０に送出される、回転角θの検出結果に基づく音像定位制御信号Ｓｃの一部である選択信号Ｓｃ５およびＳｃ７によって、セレクタ５５および５７で、検出された回転角θに最も近い回転角（向き）およびそれに次いで近い回転角（向き）に対応した隣接する２段の遅延回路の出力信号を、時間遅れ設定回路５１の出力の音声信号Ｌ２ａおよびＬ２ｂとして取り出し、時間遅れ設定回路５２では、上記の音像定位制御信号Ｓｃの一部である選択信号Ｓｃ６およびＳｃ８によって、セレクタ５６および５８で、検出された回転角θに最も近い回転角（向き）およびそれに次いで近い回転角（向き）に対応した隣接する２段の遅延回路の出力信号を、時間遅れ設定回路５２の出力の音声信号Ｒ２ａおよびＲ２ｂとして取り出す。
【００４１】
例えば、回転角θが０度〜＋α（右方向にαで、αはτに相当する約３度）のときには、時間遅れ設定回路５１のセレクタ５５からは、中間の段の遅延回路の出力信号Ｌｔを音声信号Ｌ２ａとして取り出し、セレクタ５７からは、信号Ｌｔよりτだけ進んだ信号Ｌｓを音声信号Ｌ２ｂとして取り出すとともに、時間遅れ設定回路５２のセレクタ５６からは、中間の段の遅延回路の出力信号Ｒｔを音声信号Ｒ２ａとして取り出し、セレクタ５８からは、信号Ｒｔよりτだけ遅れた信号Ｒｕを音声信号Ｒ２ｂとして取り出す。
【００４２】
また、回転角θが０度〜−α（左方向にα）のときには、時間遅れ設定回路５１のセレクタ５５からは、中間の段の遅延回路の出力信号Ｌｔを音声信号Ｌ２ａとして取り出し、セレクタ５７からは、信号Ｌｔよりτだけ遅れた信号Ｌｕを音声信号Ｌ２ｂとして取り出すとともに、時間遅れ設定回路５２のセレクタ５６からは、中間の段の遅延回路の出力信号Ｒｔを音声信号Ｒ２ａとして取り出し、セレクタ５８からは、信号Ｒｔよりτだけ進んだ信号Ｒｓを音声信号Ｒ２ｂとして取り出す。
【００４３】
そして、時間遅れ設定回路５１の出力の音声信号Ｌ２ａおよびＬ２ｂを、クロスフェード処理回路６１に供給し、時間遅れ設定回路５２の出力の音声信号Ｒ２ａおよびＲ２ｂを、クロスフェード処理回路６２に供給する。
【００４４】
クロスフェード処理回路６１では、乗算回路６５で音声信号Ｌ２ａに係数ｋａを乗じ、乗算回路６７で音声信号Ｌ２ｂに係数ｋｂを乗じ、加算回路６３で乗算回路６５および６７の乗算結果を加算する。同様に、クロスフェード処理回路６２では、乗算回路６６で音声信号Ｒ２ａに係数ｋａを乗じ、乗算回路６８で音声信号Ｒ２ｂに係数ｋｂを乗じ、加算回路６４で乗算回路６６および６８の乗算結果を加算する。
【００４５】
すなわち、クロスフェード処理回路６１および６２の出力として、
Ｌ２ｃ＝ｋａ×Ｌ２ａ＋ｋｂ×Ｌ２ｂ …（１）
Ｒ２ｃ＝ｋａ×Ｒ２ａ＋ｋｂ×Ｒ２ｂ …（２）
で表される音声信号Ｌ２ｃおよびＲ２ｃを得る。
【００４６】
係数ｋａ，ｋｂは、検出された回転角θに応じて、例えば、図８に示すように、１０段階に設定し、リスナが向きを変えたときには、例えば、図９に示すように、τの時間ごとに変更する。
【００４７】
すなわち、リスナの向きが０度のときには、ｋａ＝１，ｋｂ＝０とし、向きが±α／１０のときには、ｋａ＝０．９，ｋｂ＝０．１とし、向きが±２α／１０のときには、ｋａ＝０．８，ｋｂ＝０．２とし、向きが±３α／１０のときには、ｋａ＝０．７，ｋｂ＝０．３とし、向きが±４α／１０のときには、ｋａ＝０．６，ｋｂ＝０．４とし、向きが±５α／１０のときには、ｋａ＝０．５，ｋｂ＝０．５とし、向きが±６α／１０のときには、ｋａ＝０．４，ｋｂ＝０．６とし、向きが±７α／１０のときには、ｋａ＝０．３，ｋｂ＝０．７とし、向きが±８α／１０のときには、ｋａ＝０．２，ｋｂ＝０．８とし、向きが±９α／１０のときには、ｋａ＝０．１，ｋｂ＝０．９とする。リスナの向きが、±αと±２αの間、±２αと±３αの間、などのときにも、同様である。
【００４８】
したがって、リスナが０度の方向を向いているときには、
Ｌ２ｃ＝Ｌ２ａ＝Ｌｔ …（３）
Ｒ２ｃ＝Ｒ２ａ＝Ｒｔ …（４）
となる。
【００４９】
また、このように０度の方向を向いている状態から、リスナが向きを変えて、−α／２の方向に向いたときには、
【００５０】
さらに、このように−α／２の方向を向いている状態から、リスナが向きを変えて、−αの方向に向いたときには、ｋａ＝１，ｋｂ＝０となるとともに、セレクタ５５からは信号Ｌｕが取り出され、セレクタ５７からは信号Ｌｕよりτだけ遅れた信号が取り出され、セレクタ５６からは信号Ｒｓが取り出され、セレクタ５８からは信号Ｒｓよりτだけ進んだ信号が取り出されるように、セレクタ５５，５７，５６，５８が切り替えられて、
Ｌ２ｃ＝Ｌ２ａ＝Ｌｕ …（７）
Ｒ２ｃ＝Ｒ２ａ＝Ｒｓ …（８）
となる。
【００５１】
したがって、この例では、図１の音源５からリスナ１の左耳１Ｌおよび右耳１Ｒに至る伝達関数ＨＬおよびＨＲにおける時間遅れの分解能が、時間遅れ設定回路５１および５２の遅延回路５３および５４の遅延時間、すなわちデジタルフィルタ３１および３２の出力の音声信号Ｌ１およびＲ１のサンプリング周期τの１／１０に相当するものとなり、音声信号Ｌ１，Ｒ１のサンプリング周波数ｆｓが４４．１ｋＨｚ、サンプリング周期τが約２２．７μ秒であるとき、リスナ頭部の回転角で約０．３度に相当するものとなる。
【００５２】
そのため、リスナの向きが、±１．５度、±４．５度、というような、デジタルフィルタ３１および３２の出力の音声信号Ｌ１およびＲ１のサンプリング周期τで決まる０度または±３度の整数倍という離散的な所定方向の間の方向であるときにも、リスナの向きに正確に対応させて、図１の音源５で示す所定位置に音像を定位させることができる。
【００５３】
しかも、上記のような補間によって、リスナが向きを変えたとき、音声信号Ｌ２ｃおよびＲ２ｃの波形変化が緩やかとなり、伝達特性の変化が緩やかとなるので、シヨックノイズが低減する。
【００５４】
ただし、この場合、時間遅れ設定回路５１とクロスフェード処理回路６１、および時間遅れ設定回路５２とクロスフェード処理回路６２は、それぞれ、一種のＦＩＲフィルタを構成するため、係数ｋａ，ｋｂの値に応じて周波数特性が変化し、図１０に示すように、ｋａ＝１，ｋｂ＝０のときには、平坦な周波数特性Ｆａとなるが、ｋａ＝０．７５，ｋｂ＝０．２５のときには、高域が低下する周波数特性Ｆｂとなり、ｋａ＝０．５，ｋｂ＝０．５のときには、さらに高域が低下する周波数特性Ｆｃとなる。
【００５５】
そのため、図７の例では、クロスフェード処理回路６１および６２の出力の音声信号Ｌ２ｃおよびＲ２ｃを、高域補償用の補正フィルタ７１および７２に供給する。
【００５６】
補正フィルタ７１，７２は、例えば、図１１に示すように、入力の音声信号Ｌ２ｃ，Ｒ２ｃを遅延回路７４でτだけ遅延させ、後述の出力の音声信号Ｌ２，Ｒ２を遅延回路７５でτだけ遅延させ、乗算回路７６，７７および７８で、それぞれ入力の音声信号Ｌ２ｃ，Ｒ２ｃ、遅延回路７４の出力信号および遅延回路７５の出力信号に係数を乗じ、加算回路７９で乗算回路７６，７７および７８の乗算結果を加算し、その加算結果を出力の音声信号Ｌ２，Ｒ２として取り出す構成とする。乗算回路７６〜７８の係数は、上記の音像定位制御信号Ｓｃの一部である係数設定信号Ｓｃｋによって、上記の係数ｋａ，ｋｂの値に応じて設定する。
【００５７】
これによって、補正フィルタ７１および７２の出力の音声信号Ｌ２およびＲ２として、高域が補償された音声信号が得られる。
【００５８】
図７の例の時間差設定回路３８では、この補正フィルタ７１および７２の出力の音声信号Ｌ２およびＲ２を、時間差設定回路３８の出力の音声信号として取り出して、図２に示すように、信号処理部３０のレベル差設定回路３９に供給する。
【００５９】
レベル差設定回路３９では、音像定位制御信号Ｓｃによって、検出された回転角θに応じて、図６に示した特性に従って、時間差設定回路３８の出力の音声信号Ｌ２およびＲ２のレベルを設定し、音声信号Ｌ２，Ｒ２間のレベル差を設定する。
【００６０】
そして、このレベル差設定回路３９の出力のデジタル音声信号Ｌ３およびＲ３を、Ｄ／Ａコンバータ４１Ｌおよび４１Ｒでアナログ音声信号に変換し、その２系統のアナログ音声信号を、音声増幅回路４２Ｌおよび４２Ｒで増幅して、ヘッドホン３の左右の音響変換器３Ｌおよび３Ｒに供給する。
【００６１】
（時間差設定回路の他の例…図１２）
図１２は、図２の実施形態の音声再生システムの時間差設定回路３８の他の例を示す。この例の時間差設定回路３８は、オーバーサンプリングフィルタ８１，８２および時間遅れ設定回路５１，５２によって構成する。
【００６２】
オーバーサンプリングフィルタ８１および８２では、図２のデジタルフィルタ３１および３２の出力信号を、サンプリング周波数がｆｓの音声信号Ｌ１およびＲ１から、サンプリング周波数がｎｆｓ（ｆｓのｎ倍）の音声信号ＬｎおよびＲｎに変換する。例えば、ｎ＝４として、デジタルフィルタ３１および３２の出力の音声信号のサンプリング周波数を、上記の４４．１ｋＨｚから１７６．４ｋＨｚに変換する。
【００６３】
時間遅れ設定回路５１および５２では、このオーバーサンプリングフィルタ８１および８２の出力の音声信号ＬｎおよびＲｎを、それぞれのサンプリング周期τ／ｎの遅延時間の、多段接続した遅延回路５３および５４によって順次遅延させる。
【００６４】
音声信号Ｌ１，Ｒ１のサンプリング周波数ｆｓが４４．１ｋＨｚで、ｎ＝４とする場合、音声信号Ｌｎ，Ｒｎのサンプリング周期τ／ｎは、約５．７μ秒であり、リスナ頭部の回転角では約０．７５度に相当する。
【００６５】
さらに、時間遅れ設定回路５１および５２では、上記の音像定位制御信号Ｓｃの一部である選択信号Ｓｃ５およびＳｃ６によって、セレクタ５５および５６で、検出された回転角θに最も近い回転角（向き）に対応する遅延回路の出力信号を、時間差設定回路３８の出力の音声信号Ｌ２およびＲ２として取り出す。
【００６６】
例えば、回転角θが０度のときには、セレクタ５５および５６からは、それぞれ中間の段の遅延回路の出力信号ＬｐおよびＲｐを取り出し、回転角θが＋α／ｎ（右方向にα／ｎで、α／ｎはτ／ｎに相当する約０．７５度）のときには、セレクタ５５からは信号Ｌｐよりτ／ｎだけ進んだ信号Ｌｏを、セレクタ５６からは信号Ｒｐよりτ／ｎだけ遅れた信号Ｒｑを、それぞれ取り出し、回転角θが−α／ｎ（左方向にα／ｎ）のときには、セレクタ５５からは信号Ｌｐよりτ／ｎだけ遅れた信号Ｌｑを、セレクタ５６からは信号Ｒｐよりτ／ｎだけ進んだ信号Ｒｏを、それぞれ取り出す。
【００６７】
したがって、この例では、図１の音源５からリスナ１の左耳１Ｌおよび右耳１Ｒに至る伝達関数ＨＬおよびＨＲにおける時間遅れの分解能が、デジタルフィルタ３１および３２の出力の音声信号Ｌ１およびＲ１のサンプリング周期τの１／ｎである、時間遅れ設定回路５１および５２の遅延回路５３および５４の遅延時間τ／ｎに相当するものとなり、音声信号Ｌ１，Ｒ１のサンプリング周波数ｆｓが４４．１ｋＨｚ、サンプリング周期τが約２２．７μ秒、ｎ＝４であるとき、リスナ頭部の回転角で約０．７５度に相当するものとなる。
【００６８】
そのため、リスナの向きが、±１．５度、±４．５度というような、デジタルフィルタ３１および３２の出力の音声信号Ｌ１およびＲ１のサンプリング周期τで決まる０度または±３度の整数倍という離散的な所定方向の間の方向であるときにも、リスナの向きに正確に対応させて、図１の音源５で示す所定位置に音像を定位させることができる。
【００６９】
しかも、リスナが向きを変えたとき、０．７５度という小さな角度ごとに音声信号Ｌ２およびＲ２が切り替えられるので、音声信号Ｌ２およびＲ２の波形変化が緩やかとなり、伝達特性の変化が緩やかとなって、シヨックノイズが低減する。
【００７０】
〔第２の実施形態…図１３および図１４〕
この発明は、ステレオ音声信号をヘッドホンによって聴取する場合にも、適用することができる。
【００７１】
図１３は、この場合の原理を示し、リスナ１はヘッドホン３を装着して、その左右の音響変換器３Ｌおよび３Ｒによって音声を聴取し、リスナ１が右方向または左方向に向いても、それぞれ音源５Ｌおよび５Ｒで示すリスナ頭外の任意の固定した左右位置に、左右の音声信号の音像を定位させるものである。
【００７２】
同図のようにリスナ１が所定の方向を向いているときの、音源５Ｌからリスナ１の左耳１Ｌおよび右耳１Ｒに至る伝達関数をＨＬＬおよびＨＬＲとし、音源５Ｒからリスナ１の左耳１Ｌおよび右耳１Ｒに至る伝達関数をＨＲＬおよびＨＲＲとする。
【００７３】
図１４は、この場合の、この発明の音声再生システムの一実施形態を示す。入力端子１３および１５に供給される、図１３の音源５Ｌおよび５Ｒの信号に相当する左右の入力アナログ音声信号ＡｌおよびＡｒを、Ａ／Ｄコンバータ２３および２５でデジタル音声信号ＤｌおよびＤｒに変換し、そのデジタル音声信号ＤｌおよびＤｒを、信号処理部３０に供給する。
【００７４】
信号処理部３０は、機能的に、それぞれ上記の伝達関数ＨＬＬ，ＨＬＲ，ＨＲＬ，ＨＲＲに相当するインパルス応答を畳み込むデジタルフィルタ３３，３４，３５，３６を有するものとして構成する。
【００７５】
そして、Ａ／Ｄコンバータ２３からのデジタル音声信号Ｄｌを、デジタルフィルタ３３および３４に供給し、Ａ／Ｄコンバータ２５からのデジタル音声信号Ｄｒを、デジタルフィルタ３５および３６に供給し、加算回路３７Ｌで、デジタルフィルタ３３および３５の出力の音声信号を加算し、加算回路３７Ｒで、デジタルフィルタ３４および３６の出力の音声信号を加算し、加算回路３７Ｌおよび３７Ｒの出力の音声信号Ｌ１およびＲ１を、時間差設定回路３８に供給する。
【００７６】
時間差設定回路３８以降の構成は、図２の実施形態と同じで、時間差設定回路３８は、図７または図１２の例のように構成する。
【００７７】
したがって、この実施形態でも、リスナの向きに正確に対応させて、常に所定位置に音像を定位させることができるとともに、リスナが向きを変えたときのショックノイズが低減し、音質の良い音声信号が得られる。
【００７８】
〔第３の実施形態…図１５〕
図１５は、この発明の音声再生システムの他の実施形態を示し、図１のように１チャンネルの音声信号をヘッドホンによって聴取する場合の別の実施形態である。
【００７９】
この実施形態では、それぞれ回転角θがθ０，θ１，θ２，‥‥θｎのときの、図１の音源５からリスナ１の左耳１Ｌに至る伝達関数ＨＬ（θ０），ＨＬ（θ１），ＨＬ（θ２），‥‥ＨＬ（θｎ）および音源５からリスナ１の右耳１Ｒに至る伝達関数ＨＲ（θ０），ＨＲ（θ１），ＨＲ（θ２），‥‥ＨＲ（θｎ）に相当するインパルス応答を畳み込むデジタルフィルタ８３−０，８３−１，８３−２，‥‥８３−ｎおよびデジタルフィルタ８４−０，８４−１，８４−２，‥‥８４−ｎを設け、Ａ／Ｄコンバータ２１からの入力デジタル音声信号Ｄｉを、デジタルフィルタ８３−０，８３−１，８３−２，‥‥８３−ｎおよびデジタルフィルタ８４−０，８４−１，８４−２，‥‥８４−ｎに供給する。θ０，θ１，θ２，‥‥θｎは、リスナの周囲方向に等角間隔で設定する。
【００８０】
図１５では省略したが、図２および図１４の実施形態と同様に、ヘッドホン３に設けた角速度センサ９の出力信号から、ヘッドホン３を装着したリスナ頭部の回転角（向き）θを検出する。
【００８１】
そして、セレクタ５５および５７によって、デジタルフィルタ８３−０，８３−１，８３−２，‥‥８３−ｎのうちの、検出された回転角θに最も近い回転角（向き）およびそれに次いで近い回転角（向き）に対応した隣接する２つのフィルタの出力信号を、音声信号Ｌ２ａおよびＬ２ｂとして取り出し、セレクタ５６および５８によって、デジタルフィルタ８４−０，８４−１，８４−２，‥‥８４−ｎのうちの、検出された回転角θに最も近い回転角（向き）およびそれに次いで近い回転角（向き）に対応した隣接する２つのフィルタの出力信号を、音声信号Ｒ２ａおよびＲ２ｂとして取り出す。
【００８２】
例えば、回転角θがθ０〜θ１のときには、セレクタ５５からは、デジタルフィルタ８３−０の出力信号を音声信号Ｌ２ａとして取り出し、セレクタ５７からは、デジタルフィルタ８３−１の出力信号を音声信号Ｌ２ｂとして取り出すとともに、セレクタ５６からは、デジタルフィルタ８４−０の出力信号を音声信号Ｒ２ａとして取り出し、セレクタ５８からは、デジタルフィルタ８４−１の出力信号を音声信号Ｒ２ｂとして取り出す。
【００８３】
そして、セレクタ５５および５７の出力の音声信号Ｌ２ａおよびＬ２ｂを、クロスフェード処理回路６１に供給し、セレクタ５６および５８の出力の音声信号Ｒ２ａおよびＲ２ｂを、クロスフェード処理回路６２に供給する。
【００８４】
クロスフェード処理回路６１および６２では、図２の実施形態の音声再生システムの図７の例の時間差設定回路３８のそれと同様に、上記の式（１）および（２）に示した補間演算を行う。
【００８５】
したがって、この実施形態でも、リスナの向きが、θ０とθ１の間、θ１とθ２の間、というような、離散的な所定方向の間の方向であるときにも、リスナの向きに正確に対応させて、図１の音源５で示す所定位置に音像を定位させることができるとともに、リスナが向きを変えたとき、音声信号Ｌ２ｃおよびＲ２ｃの波形変化が緩やかとなり、伝達特性の変化が緩やかとなって、シヨックノイズが低減する。
【００８６】
この実施形態でも、図７の例のサンプリング周波数回路３８と同様に、クロスフェード処理回路６１および６２の出力の音声信号Ｌ２ｃおよびＲ２ｃを、高域補償用の補正フィルタ７１および７２に供給して、クロスフェード処理回路６１および６２における高域の低下を補償する。
【００８７】
この実施形態では、デジタルフィルタ８３−０，８３−１，８３−２，‥‥８３−ｎおよびデジタルフィルタ８４−０，８４−１，８４−２，‥‥８４−ｎによるフィルタリング中に、リスナの左耳で聴取される音声信号と右耳で聴取される音声信号との間の時間差およびレベル差を考慮するので、補正フィルタ７１および７２の出力の音声信号Ｌ２およびＲ２を、そのまま、Ｄ／Ａコンバータ４１Ｌおよび４１Ｒでアナログ音声信号に変換し、その２系統のアナログ音声信号を、音声増幅回路４２Ｌおよび４２Ｒで増幅して、ヘッドホン３の左右の音響変換器３Ｌおよび３Ｒに供給する。
【００８８】
〔第４の実施形態…図１６〕
上述した各実施形態は、ヘッドホンによって音声を聴取し、かつリスナ頭外の任意の固定した位置に音像を定位させる場合であるが、この発明は、スピーカやヘッドホンによって音声を聴取し、かつリスナ周辺の任意の変更した位置に音像を定位させる場合にも適用することができる。
【００８９】
図１６は、この場合の、この発明の音声再生システムの一実施形態を示す。スピーカ６Ｌおよび６Ｒは、例えば、リスナ前方の正中面に対して対称な左右位置や、ゲーム機などの画像表示機器の左右位置に配置する。
【００９０】
端子１１に供給される入力アナログ音声信号Ａｉを、Ａ／Ｄコンバータ２１でデジタル音声信号Ｄｉに変換し、そのデジタル音声信号Ｄｉを、信号処理部３０に供給する。
【００９１】
信号処理部３０は、機能的に、デジタルフィルタ１０１，１０２、時間差設定回路３８、レベル差設定回路３９およびクロストークキャンセル回路１１１，１１２によって構成し、Ａ／Ｄコンバータ２１からのデジタル音声信号Ｄｉを、デジタルフィルタ１０１および１０２に供給する。
【００９２】
デジタルフィルタ１０１，１０２、時間差設定回路３８およびレベル差設定回路３９は、リスナが定位変更した音像位置からリスナの左耳および右耳に至る伝達関数を実現するものである。
【００９３】
すなわち、この実施形態では、ジョイスティックなどの音像定位操作部１２０で、リスナが音像位置を定位変更する操作を行うことによって、音像定位操作部１２０から信号処理部３０に、音像定位制御信号Ｓｃが送出される。
【００９４】
その音像定位制御信号Ｓｃによって、スピーカ６Ｌに供給される音声信号とスピーカ６Ｒに供給される音声信号との間の時間差およびレベル差が設定されることによって、リスナが定位変更した音像位置からリスナの左耳および右耳に至る伝達関数が実現される。
【００９５】
具体的に、時間差設定回路３８は、図２の実施形態と同様に、図７または図１２の例のように構成し、上記の音像定位制御信号Ｓｃによって、図７の例では、時間遅れ設定回路５１のセレクタ５５，５７、および時間遅れ設定回路５２のセレクタ５６，５８から、それぞれ、定位変更された音像位置に最も近い音像位置およびそれに次いで近い音像位置に対応した隣接する２段の遅延回路の出力信号を、時間遅れ設定回路５１の出力の音声信号Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ、および時間遅れ設定回路５２の出力の音声信号Ｒ２ａ，Ｒ２ｂとして取り出すとともに、定位変更された音像位置に応じて、クロスフェード処理回路６１および６２の係数ｋａ，ｋｂを設定し、図１２の例では、時間遅れ設定回路５１のセレクタ５５、および時間遅れ設定回路５２のセレクタ５６から、それぞれ、定位変更された音像位置に最も近い音像位置に対応する遅延回路の出力信号を、時間遅れ設定回路５１の出力の音声信号Ｌ２、および時間遅れ設定回路５２の出力の音声信号Ｒ２として取り出す。
【００９６】
これによって、リスナが定位変更した音像位置が、離散的な所定位置の間の位置であるときにも、その位置に音像を正確に定位させることができるとともに、リスナが音像位置を変更したとき、音声信号の波形変化が緩やかとなり、伝達特性の変化が緩やかとなって、シヨックノイズが低減する。
【００９７】
クロストークキャンセル回路１１１および１１２は、スピーカ６Ｌ，６Ｒ間のクロストークをキャンセルするものである。
【００９８】
信号処理部３０の出力の２系統のデジタル音声信号ＳＬおよびＳＲは、Ｄ／Ａコンバータ４１Ｌおよび４１Ｒでアナログ音声信号に変換し、その２系統のアナログ音声信号を、音声増幅回路４２Ｌおよび４２Ｒで増幅して、スピーカ６Ｌおよび６Ｒに供給する。
【００９９】
図１６の実施形態は、図２の実施形態と同様に時間差設定回路３８を設け、これを図７または図１２の例のように構成する場合であるが、図１５の実施形態のような信号処理構成とすることによって、リスナ周辺の任意の変更した位置に音像を定位させることもできる。
【０１００】
【発明の効果】
上述したように、この発明によれば、リスナ頭外の任意の固定した位置に音像を定位させる場合に、リスナの向きに正確に対応させて、常に所定位置に音像を定位させることができるとともに、リスナが向きを変えたときのショックノイズが低減し、音質の良い音声信号が得られる。
また、この発明によれば、リスナ周辺の任意の変更した位置に音像を定位させる場合に、任意の位置に音像を正確に定位させることができるとともに、音像位置を変更したときのショックノイズが低減し、音質の良い音声信号が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】リスナ頭外の固定位置に音像を定位させる場合の原理を示す図である。
【図２】この発明の音声再生システムの第１の実施形態を示す図である。
【図３】インパルス応答の一例を示す図である。
【図４】デジタルフィルタの一例を示す図である。
【図５】リスナの向きとリスナの両耳に至る時間遅れとの関係を示す図である。
【図６】リスナの向きとリスナの両耳に至る信号レベルとの関係を示す図である。
【図７】図２のシステム中の時間差設定回路の一例を示す図である。
【図８】図７の時間差設定回路の説明に供する図である。
【図９】図７の時間差設定回路の説明に供する図である。
【図１０】図７の時間差設定回路の説明に供する図である。
【図１１】図７の時間差設定回路中の補正フィルタの一例を示す図である。
【図１２】図２のシステム中の時間差設定回路の他の例を示す図である。
【図１３】リスナ頭外の固定位置に音像を定位させる場合の原理を示す図である。
【図１４】この発明の音声再生システムの第２の実施形態を示す図である。
【図１５】この発明の音声再生システムの第３の実施形態を示す図である。
【図１６】この発明の音声再生システムの第４の実施形態を示す図である。
【図１７】従来の音声再生システムの一例を示す図である。
【図１８】従来の音声再生システムの他の例を示す図である。
【符号の説明】
主要部については図中に全て記述したので、ここでは省略する。
Claims (8)
- 入力音声信号を、それぞれインパルス応答の畳み込み用にフィルタリングして、第１の複数の音声信号と第２の複数の音声信号とを得るフィルタリングステップと、
前記第１の複数の音声信号からリスナの向きに対応した信号を選択し、第１の遅延音声信号対を出力し、前記第２の複数の音声信号から前記リスナの向きに対応した信号を選択し、第２の遅延音声信号対を出力する選択ステップと、
前記第１の遅延音声信号対及び前記第２の遅延音声信号対を、そのときの前記リスナの向きに応じた比率でそれぞれ加算し、出力音声信号を得る演算ステップと
を含む音声信号処理方法。 - 入力音声信号を、それぞれインパルス応答の畳み込み用にフィルタリングして、第１の複数の音声信号と第２の複数の音声信号とを得るフィルタリングステップと、
前記第１の複数の音声信号から定位させる音像位置に対応した信号を選択し、第１の遅延音声信号対を出力し、前記第２の複数の音声信号から定位させる音像位置に対応した信号を選択し、第２の遅延音声信号対を出力する選択ステップと、
前記第１の遅延音声信号対及び前記第２の遅延音声信号対を、そのときの定位させる音像位置に応じた比率でそれぞれ加算し、出力音声信号を得る演算ステップと
を含む音声信号処理方法。 - 請求項１〜２のいずれかの音声信号処理方法において、前記出力音声信号の周波数特性を補正する音声信号処理方法。
- 入力音声信号を、インパルス応答の畳み込み用にフィルタリングし、フィルタリング後の音声信号のサンプリング周波数を逓倍した後、逓倍後の音声信号を遅延させて、出力音声信号を得る音声信号処理方法。
- 入力音声信号を、それぞれインパルス応答の畳み込み用にフィルタリングして、第１の複数の音声信号と第２の複数の音声信号とを得るフィルタリング手段と、
前記第１の複数の音声信号からリスナの向きに対応した信号を選択し、第１の遅延音声信号対を出力し、前記第２の複数の音声信号から前記リスナの向きに対応した信号を選択し、第２の遅延音声信号対を出力する選択手段と、
前記第１の遅延音声信号対及び前記第２の遅延音声信号対を、そのときの前記リスナの向きに応じた比率でそれぞれ加算し、出力音声信号を得る演算手段と
を備える音声再生システム。 - 入力音声信号を、それぞれインパルス応答の畳み込み用にフィルタリングして、第１の複数の音声信号と第２の複数の音声信号とを得るフィルタリング手段と、
前記第１の複数の音声信号から定位させる音像位置に対応した信号を選択し、第１の遅延音声信号対を出力し、前記第２の複数の音声信号から定位させる音像位置に対応した信号を選択し、第２の遅延音声信号対を出力する選択手段と、
前記第１の遅延音声信号対及び前記第２の遅延音声信号対を、そのときの定位させる音像位置に応じた比率でそれぞれ加算し、出力音声信号を得る演算手段と
を備える音声再生システム。 - 請求項５〜６のいずれかの音声再生システムにおいて、前記演算手段の出力音声信号の周波数特性を補正する手段を備える音声再生システム。
- 入力音声信号を、インパルス応答の畳み込み用にフィルタリングするフィルタリング手段と、このフィルタリング手段の出力音声信号のサンプリング周波数を逓倍するオーバーサンプリング手段と、このオーバーサンプリング手段の出力音声信号を遅延させる時間遅れ設定手段と
を備える音声再生システム。
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