JP4926704B2 - オーディオステレオ処理方法、装置およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、オーディオステレオ信号を処理する方法、装置およびシステムに関し、特に請求項１、３および５の公知部に記載した入力オーディオステレオ信号を処理するための方法、装置およびシステムに関する。

録音現場でリスナーが経験する音を忠実に再現するための方法およびシステムが多く存在する。リスナーが実際に録音現場に移動したような、即ちその録音される音場での種々の音源の実際の位置が判るような印象を与えるものとして最も近いシステムは、バイノーラル録音法およびバイノーラル再生法（ヘッドホン）である。この方法には録音段階および再生段階、そして最悪の場合、音の情報が判断されるリスナーの脳に到達する途中で２組の耳翼（外耳）によって音が判断されるという欠点がある。この欠点の解決策として頭部のレプリカの代わりにマイクロホン素子を両側に有する人間の頭の大きさの発泡ボールを含む簡単な録音方法を利用したものが挙げられる。この方法では、音質を得る上ではある程度の結果が得られるが、前後および上下の定位の識別性が失われてしまう。録音および再生のためのバイノーラル法以外の方法としては、架空の音像（sound image）を創出することである。これは、録音段階および再生段階の両方の場合に利用できる。

これら従来の公知の方法とは別に、再生段階の目的は、最小限の情報の損失または追加でリスナーの聴覚系に電気的差異（electrical differences）を伝達することだけである。ステレオ音像が創出される場所は、録音および／またはミキシング段階が行われる場所である。ステレオ音像は、現場でリスナーが経験する音の忠実であるが、それでも主観的な判断として、物理的に起こることの無い架空の事象の錯覚またはこれらが組み合わさったものとして製せられる場合がある。

今日の再生システムの殆どは、一組の広く間隔をおいて配されるラウドスピーカーに基づいており、リスナーの耳で知覚される音波の相対的強度とこれら音波の時間差の両方の観点からの忠実な電気ステレオ信号の再生は、ラウドスピーカーに対してよくても１つの位置でしか認識することができない。これらの方法では、ラウドスピーカーの優先性（preferences）およびこれらラウドスピーカーがどのようにしてリスナーに対して配置されているかによって電気ステレオ情報が誤って変換（translate）される。従って、ラウドスピーカーのセットアップおよび品質に関係なく、ステレオ音像を完全に再生するサウンド再生システムが必要とされている。

この問題を解決するシステムは、入力オーディオステレオ信号の処理および再生の方法を開示した本願出願人による下記特許文献１で詳述されている。サイドシグナルは、第１および第２中間信号に分割され、第１中間信号は、サイド信号に等しく、第２中間信号は、１８０度位相シフトされた第１中間信号に等しく、ミッド信号は、オーディオ再生段階で現れるミッド信号およびサイド信号間のバランスの不完全性を補足する減衰率（function）αによって減衰され、減衰されたミッド信号は、出力オーディオ信号を形成するために第１および第２中間信号の両方に加えられ、出力ステレオ信号は、互いに近接して配された一組のラウドスピーカーを含むオーディオステレオ信号再生システムに送られる。この特許文献で説明されているシステムは、システムの品質に関係なく知覚されたステレオ音像に高い整合性を有する高度な忠実度でオーディオステレオ信号を再生させる。
国際公開第ＷＯ０１／３９５４８号公報

ラウドスピーカーユニットが互いに接近して配されたこのようなシステムの問題点は、１乃至５ｋＨｚ超の高周波数では、知覚されたステレオ効果において忠実度が完全に低下または失われてしまうということである。

本発明の目的は、上述の問題点を解決するオーディオステレオ信号を処理する方法を提供することである。この目的は請求項１の特徴部に記載されている方法によって達成される。

また本発明は、上述の問題点を解決するオーディオステレオ信号を処理する装置を提供することを目的としている。この目的は請求項３の特徴部に記載されている装置によって達成される。

また本発明は、上述の問題点を解決するオーディオステレオ信号を処理するシステムを提供することを目的としている。この目的は請求項５の特徴部に記載されているシステムによって達成される。

本発明では一組のラウドスピーカーの左のスピーカーへ送信される左出力信号が製せられ、この信号は、ミッドインプット信号Ｍおよびサイドインプット信号Ｓとの合計である、または合計に相当し、サイド信号Ｓまたはミッド信号Ｍの少なくとも１部は、他の信号に対して約４５乃至１３５度位相シフトされ、ラウドスピーカーの右のスピーカーへ送信される右出力信号が製せられ、この信号は、ミッドインプット信号Ｍと１８０度位相シフトされたサイド信号Ｓとの合計である、または合計に相当し、サイド信号Ｓまたはミッド信号Ｍの少なくとも１部は、他の信号に対して約４５乃至１３５度位相シフトされている。

このことは、本発明がステレオ信号に導入する位相差が入力レベル差をステレオチャネル間の位相差に変換（translate）するという利点がある。この位相差は、ステレオ信号がラウドスピーカーを介して再生される際にレベル差に変換される。位相差とは対照的にレベル差は、短い波長の強い定位キュー（localization cue）であり、その結果、本発明で導入される位相シフトは、知覚されるステレオ効果の忠実度を大幅に改善することになる。

ミッド入力信号Ｍは、減衰率αによって減衰されてもよく、および／またはサイド入力信号Ｓは、左出力信号および右出力信号の発生時に増幅率βによって増幅されてもよい。これは、長い波長のレベル差と短い波長の位相差とによって構成されたステレオオーディオ信号が得られ、この信号は、低周波数の強い定位キューである低周波数の位相差として、そして上述したように高周波数の強い定位キューである高周波数のレベル差としてラウドスピーカーを介して再生されるという利点を有する。

本発明における入力信号は、左入力信号Ｌおよび右入力信号Ｒであってもよく、この場合ミッド入力信号Ｍは、左入力信号Ｌおよび右入力信号Ｒの合計として製せられ、サイド入力信号は左入力信号Ｌおよび右入力信号Ｒの差として製せられる。これは従来のステレオ信号を本発明では入力信号として使用できるという利点がある。

ラウドスピーカーは、近接して位置してもよく、特に一組の同一のラウドスピーカーで構成してもよく、これは音響的に互いに離れ、これらラウドスピーカーによって発せられる最も短い波長の１／４未満離れて位置するか、またはラウドスピーカーから発せられる最も短い波長が６８ｃｍ未満である場合、１７ｃｍ未満離れて位置する。これは、本発明が上記特許文献１に記載されている方法およびシステムにおいて使用するのに非常に適しているという利点がある。

位相シフトは、サイド入力信号Ｓまたはミッド入力信号Ｍが４５乃至１３５度、好ましくは９０度、位相シフトされるように行われる。これは、デジタル信号処理、例えば、ヒルバート変換（Hilbert transform）によって行われると有利である。これとは別に位相シフトは、アナログオールパスフィルター（analogue all-pass filter）などの周波数依存型フィルターによって行ってもよい。これは、コストが重要な用途および／または処理時間が重要な用途のために費用の掛からない解決策が得られるという利点を有する。このミッド入力信号Ｍは、位相シフト手段の遅れに対応する時間、遅れてもよい。これによってサイド入力信号Ｓとミッド入力信号Ｍとの所望の位相相関が容易に得られる。

図１は、オーディオステレオ信号を処理するための従来の装置の機能的原理を例示している。入力オーディオステレオ信号は、左入力ステレオ信号Ｌと右入力ステレオ信号Ｒとを含む。ＬおよびＲ信号は、左Ｌおよび右Ｒ入力ステレオ信号の合計およびこれら左Ｌおよび右Ｒ入力ステレオ信号の差にそれぞれ対応するミッド信号Ｍおよびサイド信号Ｓを得るために使用される。ラウドスピーカーのような左サウンド再生ユニットに送られる出力ステレオ信号Ｌ_ＯＵＴは、サイド信号Ｓと減衰率αによって乗じられたミッド信号Ｍとの合計であり、右サウンド再生ユニットに送られる出力ステレオ信号Ｒ_ＯＵＴは、反転（inverted）サイド信号Ｓと減衰率αによって乗じられたミッド信号Ｍとの合計である。

図１で説明したシステムではシステムの質に関係なく、電気オーディオステレオ信号が、知覚されたステレオ音像において高い整合性（consistency）の高い忠実度で再現される。しかしながら上述したように、図１のシステムには、知覚されたステレオ効果での忠実度が１乃至５ｋＨｚを超える周波数で、完全に低下または失われてしまうという問題がある。

これはＳ信号の加減によるＬ_ＯＵＴおよびＲ_ＯＵＴのレベル差がラウドスピーカーを介して再生される際に位相差に変換されることによる。この位相差は、低周波数の強い定位キューであり、これら低周波数の良好なステレオ分解能（resolution）となる。しかしながら、人間の耳の特性によって、左耳および右耳で受け取られる２つの信号間の位相差を検知する能力は、高周波数で失われてしまう。これは、約１０００Ｈｚ未満の周波数のサイクル毎のスパイク（spike）の１つのバースト（burst）によって刺激低周波数トーン（＜４乃至５ｋＨｚ）の特定の位相で発火（fire）しやすい知覚神経の位相固定によるものである。インタースパイクインターバルは、トーンの長さの整数倍で起こりやすい。内有毛細胞がそのキャパシタンスによって電圧が充分に速く変化するのが妨げられるので、高い周波数トーン（＞４乃至５ｋＨｚ）によって位相固定は、弱くなり、そして消える。４乃至５ｋＨｚ超の位相固定が無いと図１のシステムは、ステレオチャネル間のレベル差だけを有する短い周波数だけを含む音の弱い定位キューを伝送する。

本発明は、この問題点を図２に例示する装置で解決する。図２の装置は、図１の装置と類似しているが、別のユニット２０が加えられているという点で図１の装置とは異なる。図１の装置のようにミッド信号Ｍは、左Ｌおよび右Ｒ入力ステレオ信号を合計することによって得られ、サイド信号Ｓは、左入力ステレオ信号Ｌから右入力ステレオ信号Ｒを引いて得られる。サイド信号Ｓは、それから出力ステレオ信号Ｌ_ＯＵＴおよびＲ_ＯＵＴを発生させる前に−９０度位相シフトされる。それから出力ステレオ信号Ｌ_ＯＵＴは、位相シフトされたサイド信号Ｓと減衰率αによって乗じられたミッド信号Ｍとを合計することによって得られ、出力ステレオ信号Ｒ_ＯＵＴは、減衰率αによって乗じられたミッド信号Ｍから位相シフトされたサイド信号Ｓを引いて得られる。これは、反転位相シフトサイド信号Ｓと減衰率αによって乗じられたミッド信号Ｍとの合計に等しい。サイド信号を反転させることは、それをネゲートする、または１８０度位相シフトすることに等しい。

典型的な減衰率αは、−６ｄＢ乃至−１２ｄＢとなる。しかしながら通常の場合、減衰率αは、リスナーに知覚されるステレオ効果を最適化するように適合され、−３ｄＢ乃至−１５ｄＢの範囲まで許容される。

位相シフトは、デジタル信号処理、例えばヒルバート変換によって行ってもよい。デジタル信号処理は、全ての波長で本当の９０度位相シフトを行うことができ、周波数に亘って増幅の変化が殆どまたは全く無く得られるという利点がある（アナログ回路を使用すると５００乃至７００度の範囲の可聴スペクトラム（audible spectra）の位相ドリフトとなるが、ミッド信号Ｍとサイド信号Ｓとの間で９０度の相対位相差を有する）。この種の位相シフトは、デジタル信号処理手段がすでに存在しているシステムおよび時間が重要な用途に特に適している。

さらに位相シフト手段の処理時間に対応する時間でミッド入力信号Ｍを遅らせるために図２の符号２１で示すように装置に遅延（delay）回路を含むのが望ましい。これによってサイド入力信号Ｓとミッド入力信号Ｍ間で望ましい位相相関が容易に維持することができる。

図３は、本発明の第２の態様を例示している。本発明の第２の態様は、位相シフトが望ましいが、費用および時間が重要となる例えばプロのレコーディングスタジオなどでの用途に使用される。第２の態様では、図２のようにミッド信号Ｍとサイド信号Ｓが得られ、それからサイド信号Ｓは、中心波長が最も短い可聴周波数をだいぶ超えて設定された周波数依存型アナログオールパスフィルターを含むユニット３０によって変えられる。これは、位相シフトが例えば５００Ｈｚで２、３度だけシフトすることによって開始し、例えば１０ｋＨｚで＋９０度に到達することを意味する。従って、オールパスフィルターの位相応答性は、位相固定が高い周波数のために弱くなるので、出力ステレオ信号の位相差をレベル差に徐々に変換するように調整される。アナログフィルターの位相応答性は、殆ど負（negative）になり得ないので、ユニット３０は、−９０度の位相シフトの所望の結果を得るために信号を反転させる手段をさらに含む。位相シフトは負であることが好ましい、なぜなら負でないと元のＬおよびＲ信号が入れ替わってしまう場合があるからである。オールパスフィルターの位相シフトの例を図４に示す。図から判るように位相シフトは、低周波数で実質的に０度から始まり、高い周波数（例えば１０ｋＨｚ）で９０度に到達する。またデジタル信号処理を利用して周波数依存型位相シフトを生じさせてもよいが、余分な費用が掛かる。

図３の減衰率αは、例えばマルチウェイラウドスピーカー構造の異なるラウドスピーカーの別個のドライバーで異なるように周波数依存型にすることが可能である。

ミッド信号Ｍは、第１出力信号を形成するために位相シフトされたサイド信号Ｓに加えられ、位相シフトされたサイドシグナルＳは第２の出力信号を形成するためにミッド信号Ｍから引かれる。

通常、本願で説明した方法は、ＲおよびＬ信号またはＭおよびＳ信号の一次変形として説明されるあらゆる入力用語に同等に使用されるが、便宜上、本発明をＭおよびＳならびにＲおよびＬという符号を用いて例示した。従って本発明の方法は、Ｓ_ｐｓ＋αＭおよび−Ｓ_ｐｓ＋αＭ、ここでＳ_ｐｓは、９０度位相シフトされた信号Ｓである、と同等な出力を有する方法として解釈されるべきである。すでに述べたようにＭおよびＳ信号は、本発明の方法の中間工程で製してもよいが、得られる出力条件が満たされている場合は、この限りではない。

上記では位相シフトは、９０度として説明した。しかしながら、この位相シフトは、４５乃至１３５度の範囲でいかなる位相シフトであってもよい。さらに上記では位相シフトがサイド信号Ｓで行われると説明した。しかしながら、ミッド信号Ｍでも同じように行ってもよい。

さらに上記では、アナログオールパスフィルターはこれと同じフィルター機能を行うデジタルフィルターによって交換可能であると説明した。この場合、位相シフト手段の処理時間に対応する時間でミッド入力信号Ｍを遅らさせるために図２の符号２１で示したように装置に遅延回路を含むことが望ましい。

さらに入力ステレオ信号は、ＬおよびＲ信号から構成されると説明してきたが、入力信号はＭおよびＳ信号で構成することも可能であり、この場合最初の加減工程は、省略される。

さらにミッド信号Ｍは、減衰率αによって減衰されると説明したが、当然のことながら代わりに増幅率βでサイド信号Ｓを増幅することも可能である。

本発明の詳細な説明では位相シフトをサイド入力信号Ｓで行ったが、ミッド入力信号Ｍで行うことも可能である。

本発明は、種々の変形および変更が可能であり、またそれらのいくつかをここで述べたが、本明細書で説明し、また添付の図面に示した全ての内容は、例示を目的としたものであり、本発明を限定するものではない。

ステレオ信号を処理するための従来のシステムを例示したブロック図。 本発明の第１の態様を例示したブロック図。 本発明の第２の態様を例示したブロック図。 図３に示した態様のオールパスフィルターの周波数応答の例を示す。

Claims (6)

1. ａ）ミッド入力信号（Ｍ）およびサイド入力信号（Ｓ）を供する工程と、
   ｂ）一組のラウドスピーカーの左ラウドスピーカーに伝送するためにミッド入力信号（Ｍ）とサイド入力信号（Ｓ）との合計である、または合計に等しい左出力信号を製し、ミッド入力信号（Ｍ）は減衰率αによって減衰され、および／またはサイド入力信号（Ｓ）は増幅率βによって増幅され、減衰率αおよび／または増幅率βは−３ｄＢ乃至−１５ｄＢの範囲内の減衰率αに対応する工程と、
   ｃ）前記一組のラウドスピーカーの右ラウドスピーカーに伝送するためにミッド入力信号（Ｍ）と１８０度位相シフトされたサイド入力信号（Ｓ）との合計である、または合計に等しい右出力信号を製し、ミッド入力信号（Ｍ）は減衰率αによって減衰され、および／またはサイド入力信号（Ｓ）は増幅率βによって増幅され、減衰率αおよび／または増幅率βは−３ｄＢ乃至−１５ｄＢの範囲内の減衰率αに対応する工程とを含み、
   少なくとも一組のラウドスピーカーを有するオーディオステレオ再生システムで処理されたステレオ信号を再生するために２つの入力信号からなる入力オーディオステレオ信号を処理する方法において、
   この方法は、さらに４ｋＨｚ乃至９ｋＨｚの周波数域のサイド入力信号（Ｓ）またはミッド入力信号（Ｍ）の少なくとも１部が、工程ｂ）およびｃ）で左および右出力信号を製する前に、または製する際に他の信号に対して少なくとも４５度以上１３５度以下で位相シフトされ、
   前記一組のラウドスピーカーは、音響的に互いに離れた一組の同一のラウドスピーカーから構成され、これらラウドスピーカーによって発せられる最も短い波長の１／４未満離れて位置するか、またはラウドスピーカーによって発せられる最も短い波長が６８ｃｍ未満である場合、１７ｃｍ未満離れて位置することを特徴とする方法。
2. ６ｋＨｚ乃至９ｋＨｚの周波数域のサイド入力信号（Ｓ）またはミッド入力信号（Ｍ）の少なくとも１部が、他の信号に対して少なくとも４５度以上１３５度以下で位相シフトされることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. ａ）一組のラウドスピーカーの左ラウドスピーカーに伝送するためにミッド入力信号（Ｍ）とサイド入力信号（Ｓ）との合計である、または合計に等しい左出力信号を製する手段と、ミッド入力信号（Ｍ）を減衰率αによって減衰する手段と、および／またはサイド入力信号（Ｓ）を増幅率βによって増幅する手段とを含み、減衰率αおよび／または増幅率βは−３ｄＢ乃至−１５ｄＢの範囲内の減衰率αに対応し、
   ｂ）前記一組のラウドスピーカーの右ラウドスピーカーに伝送するためにミッド入力信号（Ｍ）と１８０度位相シフトされたサイド入力信号（Ｓ）との合計である、または合計に等しい右出力信号を製する手段と、ミッド入力信号（Ｍ）を減衰率αによって減衰する手段と、および／またはサイド入力信号（Ｓ）を増幅率βによって増幅する手段とを含み、減衰率αおよび／または増幅率βは−３ｄＢ乃至−１５ｄＢの範囲内の減衰率αに対応し、
   少なくとも一組のラウドスピーカーを有するオーディオステレオ再生システムで処理されたステレオ信号を再生するために２つの入力信号からなる入力オーディオステレオ信号を処理する装置において、この装置はさらに
   ｃ）４ｋＨｚ乃至９ｋＨｚの周波数域のサイド入力信号（Ｓ）またはミッド入力信号（Ｍ）の少なくとも１部を工程ａ）およびｂ）で左および右出力信号を製する前に、または製する際に他の信号に対して少なくとも４５度以上１３５度以下で位相シフトする手段を含み、
   前記一組のラウドスピーカーは、音響的に互いに離れた一組の同一のラウドスピーカーから構成され、これらラウドスピーカーによって発せられる最も短い波長の１／４未満離れて位置するか、またはラウドスピーカーによって発せられる最も短い波長が６８ｃｍ未満である場合、１７ｃｍ未満離れて位置することを特徴とする装置。
4. ６ｋＨｚ乃至９ｋＨｚの周波数域のサイド入力信号（Ｓ）またはミッド入力信号（Ｍ）の少なくとも１部を他の信号に対して少なくとも４５度以上１３５度以下で位相シフトする手段を含むことを特徴とする請求項３記載の装置。
5. 一組のラウドスピーカーを含み、さらに
   ａ）前記一組のラウドスピーカーの左ラウドスピーカーに伝送するためにミッド入力信号（Ｍ）とサイド入力信号（Ｓ）との合計である、または合計に等しい左出力信号を製する手段と、ミッド入力信号（Ｍ）を減衰率αによって減衰する手段と、および／またはサイド入力信号（Ｓ）を増幅率βによって増幅する手段とを含み、減衰率αおよび／または増幅率βは−３ｄＢ乃至−１５ｄＢの範囲内の減衰率αに対応し、
   ｂ）前記一組のラウドスピーカーの右ラウドスピーカーに伝送するためにミッド入力信号（Ｍ）と１８０度位相シフトされたサイド入力信号（Ｓ）との合計である、または合計に等しい右出力信号を製する手段と、ミッド入力信号（Ｍ）を減衰率αによって減衰する手段と、および／またはサイド入力信号（Ｓ）を増幅率βによって増幅する手段とを含み、減衰率αおよび／または増幅率βは−３ｄＢ乃至−１５ｄＢの範囲内の減衰率αに対応し、
   ミッド入力信号（Ｍ）とサイド入力信号（Ｓ）とからなる、またはミッド入力信号（Ｍ）とサイド入力信号（Ｓ）が得られる種類の信号からなる２つの入力信号を含む入力オーディオステレオ信号を再生するためのシステムにおいて、このシステムは、さらに
   ｃ）４ｋＨｚ乃至９ｋＨｚの周波数域のサイド入力信号（Ｓ）またはミッド入力信号（Ｍ）の少なくとも１部を工程ａ）およびｂ）で左および右出力信号を製する前に、または製する際に他の信号に対して少なくとも４５度以上１３５度以下で位相シフトする手段を含み、
   前記一組のラウドスピーカーは、音響的に互いに離れた一組の同一のラウドスピーカーから構成され、これらラウドスピーカーによって発せられる最も短い波長の１／４未満離れて位置するか、またはラウドスピーカーによって発せられる最も短い波長が６８ｃｍ未満である場合、１７ｃｍ未満離れて位置することを特徴とするシステム。
6. ６ｋＨｚ乃至９ｋＨｚの周波数域のサイド入力信号（Ｓ）またはミッド入力信号（Ｍ）の少なくとも１部を他の信号に対して少なくとも４５度以上１３５度以下で位相シフトする手段を含むことを特徴とする請求項５記載のシステム。

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