JP5106936B2 - Sound field reproduction filter calculation device and sound field reproduction system - Google Patents

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Description

本発明は、音場再現フィルタ算出装置および音場再現システムに関し、より詳細には、原音場において測定された音響特性と再現音場において測定された音響特性とに基づいて、再現音場において原音場の音場環境を再現するための音場再現フィルタを算出する音場再現フィルタ算出装置およびその装置を備えた音場再現システムに関する。   The present invention relates to a sound field reproduction filter calculating apparatus and a sound field reproduction system, and more specifically, based on the acoustic characteristics measured in the original sound field and the acoustic characteristics measured in the reproduced sound field, the original sound in the reproduced sound field. The present invention relates to a sound field reproduction filter calculation device that calculates a sound field reproduction filter for reproducing a sound field environment of a field, and a sound field reproduction system including the device.

従来より、ある空間(原音場)の音場特性を収録(測定)した後、その空間とは異なる空間(再現音場)において、測定した原音場の音場環境を仮想的に再現する音場再現方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, after recording (measuring) the sound field characteristics of a certain space (original sound field), a sound field that virtually reproduces the sound field environment of the measured original sound field in a different space (reproduced sound field). A reproduction method has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

上述した音場再現方法では、まず、原音場の音響特性と再現音場の音響特性とに基づいて音場再現を行うための音場再現フィルタを算出する。次に、算出された音場再現フィルタを用いて、再現音場において出力される音響信号に対して音響処理(例えば、FIR(Finite Impulse Response)フィルタを用いた畳み込み演算処理)を行うことによって、再現音場へ出力される出力音に再現音場の音響処理を施す。このようにして音響処理が施された音響信号を再現音場で出力することによって、聴取者はあたかも原音場で聴取しているかのような感覚を再現音場で得ることが可能となる。   In the sound field reproduction method described above, first, a sound field reproduction filter for performing sound field reproduction is calculated based on the acoustic characteristics of the original sound field and the acoustic characteristics of the reproduced sound field. Next, by performing acoustic processing (for example, convolution calculation processing using a FIR (Finite Impulse Response) filter) on the acoustic signal output in the reproduced sound field using the calculated sound field reproduction filter, The sound processing of the reproduced sound field is performed on the output sound output to the reproduced sound field. By outputting the acoustic signal subjected to the acoustic processing in the reproduced sound field in this way, the listener can obtain a feeling as if listening in the original sound field in the reproduced sound field.

ところで、上述したように、再現音場において原音場の音響特性を再現するためには、再現音場における音響特性を打ち消して原音場の音響特性を再現音場において効果的に適用させる必要がある。つまり、音場再現フィルタは、再現音場の音響特性を打ち消して原音場における音響特性を顕在化させる役割を有している。   By the way, as described above, in order to reproduce the acoustic characteristics of the original sound field in the reproduced sound field, it is necessary to cancel the acoustic characteristics in the reproduced sound field and to effectively apply the acoustic characteristics of the original sound field in the reproduced sound field. . That is, the sound field reproduction filter has a role of canceling the acoustic characteristics of the reproduced sound field and making the acoustic characteristics in the original sound field obvious.

図7は、上述した音場再現フィルタと、原音場の音響特性と、再現音場の音響特性との関係を図に示したものである。原音場の音響特性をD(Z)、再現音場の音響特性をA(Z)、音場再現フィルタをQ(Z)とすると、再現音場において原音場の音響特性を再現するためには、
D(Z)=A(Z)Q(Z)・・・式1
の関係を満たす音場再現フィルタQ(Z)を求める必要が生じる。
FIG. 7 shows the relationship between the above-described sound field reproduction filter, the acoustic characteristics of the original sound field, and the acoustic characteristics of the reproduced sound field. To reproduce the acoustic characteristics of the original sound field in the reproduced sound field, where D (Z) is the acoustic characteristic of the original sound field, A (Z) is the acoustic characteristic of the reproduced sound field, and Q (Z) is the sound field reproduction filter. ,
D (Z) = A (Z) Q (Z) Formula 1
It is necessary to obtain a sound field reproduction filter Q (Z) that satisfies the above relationship.

例えば、図8(a)に示すように、原音場の対象となる空間A1のスピーカ(音源)cの数をC、制御ポイントm(空間A1において音源より出力された出力音の収音を行うポイント)の総数をMとすると、空間A1において、各スピーカc(c=1,2,・・,C)から、各制御ポイントm(m=1,2,・・,M)までのそれぞれの伝達関数は、Z変換の形式において、

Figure 0005106936
と表現することができる。 For example, as shown in FIG. 8A, the number of speakers (sound sources) c in the space A1 that is the target of the original sound field is C, and the control point m (output sound output from the sound source in the space A1 is collected. When the total number of points) is M, in the space A1, each speaker from each speaker c (c = 1, 2,..., C) to each control point m (m = 1, 2,..., M). The transfer function is in the form of Z-transform
Figure 0005106936
It can be expressed as

また、図8(b)に示すように、再現音場の対象となる空間A2のスピーカsの数をSとし、制御ポイントmの総数をMとすると、空間A2のスピーカs(s=1,2,・・,S)から制御ポイントm(m=1,2,・・,M)までのそれぞれの伝達関数は、Z変換の形式において、

Figure 0005106936
と表現することができる。 Further, as shown in FIG. 8 (b), when the number of speakers s in the space A2 to be reproduced sound field is S and the total number of control points m is M, the speakers s (s = 1, 1) in the space A2. 2,..., S) to the control point m (m = 1, 2,..., M)
Figure 0005106936
It can be expressed as

なお、上述した再現音場の伝達関数および原音場の伝達関数は、因果律を満たす(t<0において0)ものとする。   Note that the transfer function of the reproduced sound field and the transfer function of the original sound field described above satisfy the causality (0 when t <0).

再現音場で原音場の音響環境を再現することが可能なシステムを音場再現システムとし、この音場再現システムにおいて再現音場で原音場の音響特性を再現する場合には、音場再現フィルタとして、例えばFIRフィルタを用いたフィルタ処理(音響処理)を行う必要がある。このフィルタ処理に用いられる音場再現システムは、時間応答の有限の時間範囲として、0≦t≦ND−1を音場再現の時間範囲の対象とする。さらに、再現音場の再生環境は、不要な反射が少なく残響時間の短い環境を用いることが望ましいことから、空間A2の時間応答を残響時間Nで打ち切って扱えるものとする。 If the sound field reproduction system is a system that can reproduce the acoustic environment of the original sound field in the reproduced sound field, and the sound field reproduction system reproduces the acoustic characteristics of the original sound field in the reproduced sound field, the sound field reproduction filter For example, it is necessary to perform filter processing (acoustic processing) using an FIR filter. The sound field reproduction system used for this filtering process sets 0 ≦ t ≦ N D −1 as the target of the time range of sound field reproduction as a finite time range of time response. Furthermore, since it is desirable to use an environment with few unnecessary reflections and a short reverberation time as a reproduction environment of the reproduced sound field, the time response of the space A2 can be handled with the reverberation time N cut off.

このような条件において原音場の伝達関数は、

Figure 0005106936
と表すことができ、
また、再現音場の伝達関数は
Figure 0005106936
と表すことができる。 Under these conditions, the transfer function of the original sound field is
Figure 0005106936
Can be expressed as
The transfer function of the reproduced sound field is
Figure 0005106936
It can be expressed as.

求める音場再現フィルタをQz(Z)とすると、Dz(Z)とAz(Z)とQz(Z)との関係は、
z(Z)=Az(Z)Qz(Z) ・・・式6
と畳み込み演算の式で表すことができ、この式6を満たすような有限の段数Lの音場再現フィルタ(FIRフィルタ)Qz(Z)は、

Figure 0005106936
で表すことができる。 When the sound reproduction filter to obtain a Q z (Z), the relationship between D z (Z) and A z (Z) and Q z (Z),
D z (Z) = A z (Z) Q z (Z) Expression 6
A sound field reproduction filter (FIR filter) Q z (Z) having a finite number of stages L satisfying this equation 6 can be expressed by:
Figure 0005106936
Can be expressed as

ここで、qz(Z)は、

Figure 0005106936
である。 Where q z (Z) is
Figure 0005106936
It is.

なお、段数Lは設計パラメータとして与えられる定数であり、再現しようとする伝達関数の長さや音場再現システムの演算処理能力などを考慮して適切な値が設定される。この段数Lの値に応じて音場再現フィルタが適用された音響信号の残響時間等が決定される。   The stage number L is a constant given as a design parameter, and an appropriate value is set in consideration of the length of the transfer function to be reproduced, the arithmetic processing capability of the sound field reproduction system, and the like. The reverberation time of the acoustic signal to which the sound field reproduction filter is applied is determined according to the value of the stage number L.

上述した音場再現フィルタQz(Z)を、図7に示すように、スピーカsの入力段階において、音場再現フィルタを用いた音響処理を音響信号に施すことによって、原音場の伝達関数を再現音場で再現することが可能となる。
Z変換で表現された上述の式6
z(Z)=Az(Z)Qz(Z) ・・・式6
は、等価な線形代数方程式である
D=AQ ・・・式9
で表すことが可能である。
As shown in FIG. 7, the sound field reproduction filter Q z (Z) described above is subjected to acoustic processing using the sound field reproduction filter at the input stage of the speaker s to the acoustic signal, so that the transfer function of the original sound field is obtained. It is possible to reproduce in the reproduction sound field.
The above equation 6 expressed by Z conversion
D z (Z) = A z (Z) Q z (Z) Expression 6
Is an equivalent linear algebraic equation D = AQ Equation 9
Can be expressed as

ここでDは、

Figure 0005106936
である。 Where D is
Figure 0005106936
It is.

i,jは、音源jから制御ポイントiまでの伝達関数dzi,j(Z)の時間応答の時刻tにおけるサンプル値dti,j(t)を、N+L−1個並べた列ベクトルであり、

Figure 0005106936
と表される。
ここで、0≦t≦ND−1の範囲外の時刻において、dti,j(t)の値を0とする。 d i, j is a column vector in which N + L−1 sample values d t i, j (t) at the time t of the time response of the transfer function dz i, j (Z) from the sound source j to the control point i are arranged. Yes,
Figure 0005106936
It is expressed.
Here, the value of dt i, j (t) is set to 0 at a time outside the range of 0 ≦ t ≦ N D −1.

Qについても同様に、

Figure 0005106936
と表すことができる。 Similarly for Q,
Figure 0005106936
It can be expressed as.

ここで、qi,jは、それぞれL段のFIRフィルタ係数を表すベクトルであり、

Figure 0005106936
で示される。 Here, q i, j are vectors representing L-stage FIR filter coefficients, respectively.
Figure 0005106936
Indicated by

また、Aについては、次式のように表すことができる。

Figure 0005106936
A can be expressed as the following equation.
Figure 0005106936

ここで、Aの部分行列であるAi,jは、下記の式15に示すN+L−1行L列の畳み込み行列であり、斜め方向の要素が同じ値を持つ規則的なパターンによって構成される

Figure 0005106936
と表すことができ、この畳み込み行列を使用することによって、畳み込み演算処理を行列の積として表現することが可能となる。 Here, A i, j which is a submatrix of A is a convolution matrix of N + L−1 rows and L columns shown in the following Expression 15, and is configured by a regular pattern in which elements in the diagonal direction have the same value.
Figure 0005106936
By using this convolution matrix, the convolution operation processing can be expressed as a matrix product.

上述したように行列D、行列A、行列Qを用いることによってQはD=AQの最小二乗解として求められる。最小二乗解は、   As described above, by using the matrix D, the matrix A, and the matrix Q, Q is obtained as a least squares solution of D = AQ. The least squares solution is

Q=(AtA+lELS×LS-1tD ・・・式16
を解くことで求めることができる。
ここで、AtはAの転置行列を表しており、ELS×LSはLS行LS列の単位行列を示している。
Q = (A t A + lE LS × LS) -1 A t D ··· formula 16
Can be obtained by solving
Here, A t represents the transposed matrix of A, E LS × LS indicates a unit matrix of the LS line LS column.

この式16で得られたQは、フィルタ段数がLの条件で最適な解となる。
特開2007−41164号公報
Q obtained by Equation 16 is an optimal solution under the condition that the number of filter stages is L.
JP 2007-411164 A

ところで、上述した式16を時間領域で解くことによって音場再現フィルタQを算出する場合、音場再現システムの規模が大きくなって(スピーカ数が多い場合や、マイク数が多い場合)音場再現フィルタ(FIRフィルタ)の段数Lが大きくなればなるほど、演算の計算量(計算規模)が大きくなってしまうという問題があった。そのため、時間領域において音場再現フィルタを算出する方法は、計算量等の負担から現実的な方法でないとされていた。   By the way, when the sound field reproduction filter Q is calculated by solving the above equation 16 in the time domain, the sound field reproduction system becomes large (when the number of speakers or the number of microphones is large). As the number of stages L of the filter (FIR filter) increases, there is a problem that the calculation amount (calculation scale) of the calculation increases. For this reason, the method of calculating the sound field reproduction filter in the time domain has not been a realistic method because of the burden of calculation amount and the like.

例えば、上述した式16
Q=(AtA+lELS×LS-1t
を具体的に数値計算で求める場合には、
R=(AtA+lELS×LS
P=At
と置いた連立一次方程式P=RQを解く問題、つまり、Q=R-1Pを求める問題に帰着させることができる。
For example, Equation 16 above
Q = (A t A + lE LS × LS) -1 A t D
Is calculated by numerical calculation,
R = (A t A + lE LS × LS )
P = A t D
Can be reduced to the problem of solving the simultaneous linear equation P = RQ, that is, the problem of obtaining Q = R −1 P.

この連立一次方程式を、コンピュータ等を用いて直接解法によって解く場合を考える。直接解法で解く方法として、例えば、ガウスの消去法等がその一例に該当する。直接解法を用いて求める未知数の数をnとすると、上述した方程式を解く計算過程で必要とされるメモリの容量はn2のオーダーとなり、演算を行う回数はn3のオーダーとなる。 Consider the case where the simultaneous linear equations are solved by a direct solution using a computer or the like. As an example of the method of solving by the direct solution method, for example, Gaussian elimination method or the like corresponds to the example. When n is the number of unknowns obtained using the direct solution method, the memory capacity required in the calculation process for solving the above equation is on the order of n 2 , and the number of operations is on the order of n 3 .

音場再現フィルタを求める場合には、n=L×Sの規模の問題を解く必要があるため、例えば、フィルタ段数Lが4096(L=4096)、音場再現システムのスピーカsの数Sが64(S=64)、フィルタ計算のデータ精度が単精度実数(4バイト)であるとすると、α×256Gバイト程度のメモリ容量を備えるコンピュータが必要となり、一般的なコンピュータでは演算処理を円滑に行うことが困難であるという問題があった。   When obtaining a sound field reproduction filter, it is necessary to solve the problem of n = L × S. For example, the filter stage number L is 4096 (L = 4096), and the number S of speakers s in the sound field reproduction system is 64 (S = 64), and the data accuracy of the filter calculation is a single precision real number (4 bytes), a computer having a memory capacity of about α × 256 Gbytes is required. There was a problem that it was difficult to do.

一方で、音場再現フィルタの算出を効率的に行う方法として、
z(Z)=Az(Z)Qz(Z) ・・・式6
の両辺をフーリエ変換して周波数領域で解を求めた後に、逆変換により時間領域のフィルタ係数を算出する方法が一般的に用いられている。この方法では、畳み込み演算処理の問題を周波数成分毎の掛け算の問題に置き換えることができ、行列規模がS×Sの小さな数式を周波数成分の数だけ繰り返して演算することによりフィルタ係数を計算することができる。このため、再現音場システムの規模が大きくなった場合であっても、音場再現フィルタの算出演算が容易になるという利点がある。
On the other hand, as a method for efficiently calculating the sound field reproduction filter,
D z (Z) = A z (Z) Q z (Z) Expression 6
In general, a method is used in which a time domain filter coefficient is calculated by inverse transformation after Fourier transform of both sides is obtained in the frequency domain. In this method, the problem of convolution calculation processing can be replaced with the problem of multiplication for each frequency component, and the filter coefficient is calculated by repeatedly calculating a small matrix having a matrix size of S × S by the number of frequency components. Can do. For this reason, even when the scale of the reproduction sound field system becomes large, there is an advantage that calculation calculation of the sound field reproduction filter becomes easy.

具体的に、式6をフーリエ変換することによって
ω(ω)=Aω(ω)Qω(ω) ・・・式17
と表すことが可能である。
Specifically, D ω (ω) = A ω (ω) Q ω (ω) Expression 17 by Fourier transform of Expression 6
Can be expressed as

ここでDω(ω)は、

Figure 0005106936
を示しており、Aω(ω)は
Figure 0005106936
を示している。 Where D ω (ω) is
Figure 0005106936
A ω (ω) is
Figure 0005106936
Is shown.

このDω(ω)、Aω(ω)を用いてQω(ω)を求める式は、
ω(ω)=(Aω (ω)Aω(ω)+lES×S-1(Aω (ω)Dω(ω))
・・・式20
となる。
Using this D ω (ω) and A ω (ω), the formula for obtaining Q ω (ω) is:
Q ω (ω) = (A ω * (ω) A ω (ω) + l E S × S ) −1 (A ω * (ω) D ω (ω))
... Formula 20
It becomes.

ここでAω (ω)はAω(ω)の複素共役転置行列を示すものであり、

Figure 0005106936
で示される。なおconj(x)は、複素数xの複素共役を表す。 Where A ω * (ω) represents the complex conjugate transpose matrix of A ω (ω),
Figure 0005106936
Indicated by Note that conj (x) represents a complex conjugate of the complex number x.

しかしながら、このように周波数領域において算出される音場再現フィルタは、時間領域において求められる最適解と値が一致せず、時間応答の正確さが不十分になってしまう傾向があった。このため、周波数領域で求められた音場再現フィルタを適用することによって、原音場の音響特性を再現音場で再現した場合には、十分な再現精度を得ることができないおそれがあった。   However, the sound field reproduction filter calculated in the frequency domain does not agree with the optimal solution obtained in the time domain, and the accuracy of the time response tends to be insufficient. For this reason, there is a possibility that sufficient reproduction accuracy cannot be obtained when the acoustic characteristics of the original sound field are reproduced in the reproduced sound field by applying the sound field reproduction filter obtained in the frequency domain.

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、時間領域において音場再現フィルタを求めることによって、周波数領域で求めた音場再現フィルタのような算出誤差の発生を回避すると共に、時間領域における音場再現フィルタの演算負担の軽減を図ることが可能な音場再現フィルタ算出装置および音場再現システムを提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and by obtaining a sound field reproduction filter in the time domain, it is possible to avoid occurrence of a calculation error like the sound field reproduction filter obtained in the frequency domain, and in the time domain. It is an object of the present invention to provide a sound field reproduction filter calculation device and a sound field reproduction system that can reduce the calculation burden of the sound field reproduction filter.

上記課題を解決するために、本発明に係る音場再現フィルタ算出装置は、原音場において測定された音響特性と再現音場において測定された音響特性とに基づいて、再現音場において原音場の音場環境を再現するための音場再現フィルタを算出する音場再現フィルタ算出装置に関し、該音場再現フィルタ算出装置は、時間領域において反復解法を適用することにより、音場再現フィルタの算出処理を実行し、前記反復解法の適用に生じる相関演算処理および畳み込み演算処理のみ、周波数領域への変換処理によって演算処理を行った後に前記時間領域に演算結果を逆変換させる演算方法を用いることを特徴とする。   In order to solve the above problems, the sound field reproduction filter calculation device according to the present invention is based on the acoustic characteristics measured in the original sound field and the acoustic characteristics measured in the reproduction sound field, and The present invention relates to a sound field reproduction filter calculation device that calculates a sound field reproduction filter for reproducing a sound field environment, and the sound field reproduction filter calculation device calculates a sound field reproduction filter by applying an iterative method in the time domain. And performing only the correlation calculation process and the convolution calculation process that occur in the application of the iterative solution method by performing the calculation process by the conversion process to the frequency domain, and then using the calculation method that reversely converts the calculation result to the time domain. And

本発明に係る音場再現フィルタ算出装置では、時間領域において反復解法を適用することにより音場再現フィルタの算出処理を実行する。このため、周波数領域に変換して演算処理を行った後に演算結果を時間領域へ逆変換することにより算出された音場再現フィルタのように、算出された値に誤差を含んでしまうことが無く、精度の高い音場再現フィルタを算出することが可能となる。   In the sound field reproduction filter calculation device according to the present invention, the calculation process of the sound field reproduction filter is executed by applying an iterative solution in the time domain. For this reason, the calculated value does not contain an error as in the sound field reproduction filter calculated by converting the calculation result to the time domain after performing the calculation process after converting to the frequency domain. Therefore, it is possible to calculate a highly accurate sound field reproduction filter.

また、反復解法を用いて音場再現フィルタを算出する場合において、相関演算処理と畳み込み演算処理とを行う場合にのみ、周波数領域における演算結果を利用して時間領域における解を求めるので、演算処理の負担軽減と演算処理に利用されるメモリ容量の低減を図ることが可能となる。このため、処理全体の迅速化と演算処理に利用される演算資産の効率化を図ることが可能となる。   In addition, when calculating the sound field reproduction filter using the iterative solution method, the solution in the time domain is obtained using the calculation result in the frequency domain only when the correlation calculation process and the convolution calculation process are performed. It is possible to reduce the memory load and the memory capacity used for arithmetic processing. For this reason, it becomes possible to aim at the speeding up of the whole process, and the efficiency of the calculation assets utilized for calculation processing.

さらに、上述した音場再現フィルタ算出装置において、前記音場再現フィルタ算出装置が、周波数領域への変換処理によって演算処理を行った後に前記時間領域に演算結果を逆変換させて求められた前記相関演算処理または前記畳み込み演算処理の演算結果のうち、前記時間領域のみで前記相関演算処理または前記畳み込み演算処理を行った場合に得られる演算結果との誤差が生じ得ない範囲のデータのみを用いて、前記時間領域における前記音場フィルタの算出処理を実行するものであることが好ましい。   Furthermore, in the sound field reproduction filter calculation device described above, the correlation obtained by the sound field reproduction filter calculation device performing an arithmetic process by a conversion process to the frequency domain and then inversely converting the calculation result to the time domain. Of the calculation results of the calculation processing or the convolution calculation processing, only data in a range in which an error from the calculation result obtained when the correlation calculation processing or the convolution calculation processing is performed only in the time domain cannot be used. It is preferable that the calculation process of the sound field filter in the time domain is executed.

このように、周波数領域から時間領域に逆変換させた相関演算処理または前記畳み込み演算処理の演算結果のうち、時間領域のみで演算処理を行った場合に得られる演算結果との誤差が生じ得ない範囲のデータのみを用いて、音場フィルタの算出処理を実行するので、最終的に算出される音場再現フィルタの値に誤差等が含まれてしまうことを効果的に防止することが可能となる。   In this way, there can be no error from the calculation result obtained when the calculation process is performed only in the time domain among the calculation results of the correlation calculation process or the convolution calculation process obtained by inversely transforming from the frequency domain to the time domain. Since the sound field filter calculation process is executed using only the range data, it is possible to effectively prevent errors and the like from being included in the finally calculated sound field reproduction filter value. Become.

また、前記誤差が生じない範囲は、前記音場再現フィルタが適用される出力音の残響時間等に応じて予め設定される前記音場再現フィルタの段数に伴って決定されるものであってもよい。   Further, the range in which the error does not occur may be determined according to the number of stages of the sound field reproduction filter set in advance according to the reverberation time of the output sound to which the sound field reproduction filter is applied. Good.

このように、誤差が生じない範囲が、残響時間等に応じて予め設定される前記音場再現フィルタの段数に伴って決定される場合には、算出された音場再現フィルタの性能を十分に確保しつつ、最終的に算出される音場再現フィルタの値に誤差等が含まれてしまうことを抑制することが可能となる。   Thus, when the range in which no error occurs is determined according to the number of stages of the sound field reproduction filter set in advance according to the reverberation time or the like, the performance of the calculated sound field reproduction filter is sufficiently high. While ensuring, it becomes possible to suppress an error etc. being included in the value of the sound field reproduction filter finally calculated.

また、本発明に係る音場再現システムは、再現音場に設置されるスピーカと、該スピーカより出力させるための音響信号を再生する音響再生装置と、上述した音場再現フィルタ算出装置と、前記音響再生装置により算出された音響信号に対して、前記音場再現フィルタ算出装置によって算出された前記音場再現フィルタを用いて音響処理を施す音響処理装置と、該音響処理装置により音響処理された音響信号を前記スピーカより出力させる音響出力装置とを備えることを特徴とする。   The sound field reproduction system according to the present invention includes a speaker installed in the reproduction sound field, a sound reproduction device that reproduces an acoustic signal to be output from the speaker, the above-described sound field reproduction filter calculation device, A sound processing device that performs sound processing on the sound signal calculated by the sound reproduction device using the sound field reproduction filter calculated by the sound field reproduction filter calculation device, and the sound processing device performs sound processing. And an acoustic output device for outputting an acoustic signal from the speaker.

このように、音場再現システムが、上述した音場再現フィルタ算出装置を備えることによって、周波数領域に変換して演算処理を行った後に演算結果を時間領域に逆変換して算出される音場再現フィルタのように、算出された値に誤差を含んでしまうことが無くなるので、精度の高い音場再現フィルタを用いて原音場の音響環境を再現音場において忠実に再現することが可能となる。   As described above, the sound field reproduction system includes the above-described sound field reproduction filter calculation device, so that the sound field calculated by performing the calculation process after converting to the frequency domain and inversely converting the calculation result to the time domain. Since the calculated value does not contain an error like the reproduction filter, it is possible to faithfully reproduce the acoustic environment of the original sound field in the reproduction sound field using a highly accurate sound field reproduction filter. .

本発明に係る音場再現フィルタ算出装置および音場再現システムによれば、精度の高い音場再現フィルタを算出することが可能となり、さらに、音場再現フィルタの算出処理の迅速化と算出処理に利用される演算資産の効率化を図ることが可能となる。   According to the sound field reproduction filter calculation device and the sound field reproduction system according to the present invention, it is possible to calculate a sound field reproduction filter with high accuracy, and further, to speed up and calculate the sound field reproduction filter. It is possible to improve the efficiency of the computing assets used.

以下、本発明に係る音場再現フィルタ算出装置および音場再現システムについて、図面を用いて詳細に説明を行う。なお、本実施の形態では、音場再現方法として境界音場制御方法を用いるものとする。境界音場制御方法とは、再現音場で出力音の聴取を行う際に、聴取者の頭部周辺位置または耳介(耳たぶ)近傍位置に複数の制御ポイントを設置し、この制御ポイントにおいて原音場の特性が再現されるように再現音場を制御して、聴感的に原音場を知覚させる方法である。   Hereinafter, a sound field reproduction filter calculation device and a sound field reproduction system according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In this embodiment, a boundary sound field control method is used as the sound field reproduction method. The boundary sound field control method is that when listening to the output sound in the reproduced sound field, a plurality of control points are installed around the listener's head or in the vicinity of the auricle (earlobe). This is a method of perceiving the original sound field audibly by controlling the reproduced sound field so that the field characteristics are reproduced.

まず、原音場の音響特性を、原音場音響システムによって測定する方法について説明する。   First, a method for measuring the acoustic characteristics of the original sound field by the original sound field acoustic system will be described.

[原音場における音響特性の測定]
図1に示すように、原音場音響システム2は、再現を望む音響空間(原音場)6に設置されるスピーカ部3と、スピーカ部3に対して音声出力を行う音声出力装置4と、音声出力装置4に対して評価音を出力するコンピュータ5と、原音場6に設置されるマイクアレイ7と、マイクアレイ7により収音された収録音の入力を行う音声入力装置8とによって概略構成されている。
[Measurement of acoustic characteristics in the original sound field]
As shown in FIG. 1, an original sound field acoustic system 2 includes a speaker unit 3 installed in an acoustic space (original sound field) 6 desired to be reproduced, a sound output device 4 that outputs sound to the speaker unit 3, and a sound A computer 5 that outputs an evaluation sound to the output device 4, a microphone array 7 installed in the original sound field 6, and a voice input device 8 that inputs the recorded sound collected by the microphone array 7. ing.

スピーカ部3は、図1に示すように、原音場6の空間B1の四隅に均等に設置される4個のスピーカを備えており、各スピーカは、空間B1の左前位置に設置されるスピーカFLと、右前位置に設置されるスピーカFRと、左後位置に設置されるスピーカRLと、右後位置に設置されるスピーカRRとによって構成されている。   As shown in FIG. 1, the speaker unit 3 includes four speakers that are equally installed at the four corners of the space B1 of the original sound field 6, and each speaker is a speaker FL that is installed at the left front position of the space B1. And a speaker FR installed at the front right position, a speaker RL installed at the rear left position, and a speaker RR installed at the rear right position.

音声出力装置4は、コンピュータ5より出力された評価音を、スピーカ部3の各スピーカFR,FL,RR,RLに出力する役割を有している。なお音声出力装置4は、評価音の出力先をコンピュータ5の制御命令に従ってスピーカFR,FL,RR,RLへと個別に出力することが可能となっている。   The audio output device 4 has a role of outputting the evaluation sound output from the computer 5 to each speaker FR, FL, RR, RL of the speaker unit 3. Note that the audio output device 4 can individually output the output destination of the evaluation sound to the speakers FR, FL, RR, RL according to the control command of the computer 5.

ここで評価音とは、マイクアレイ7および音声入力装置8を介して収音された収録音に基づいて原音場6の音響特性を算出するために用いられる出力音であり、具体的には、収音された収録音をインパルス応答として測定することに適した音(インパルス入力音)が該当する。   Here, the evaluation sound is an output sound used for calculating the acoustic characteristics of the original sound field 6 based on the recorded sound collected via the microphone array 7 and the sound input device 8, and specifically, A sound suitable for measuring the collected recorded sound as an impulse response (impulse input sound) is applicable.

マイクアレイ7は、複数(例えばM個)のマイク12が円形に配設されたマイクの一群により構成されている。マイクアレイ7は、各スピーカFR,FL,RR,RLから等距離となる空間B1の中心位置に設置されている   The microphone array 7 is composed of a group of microphones in which a plurality of (for example, M) microphones 12 are arranged in a circle. The microphone array 7 is installed at the center position of the space B1 that is equidistant from each speaker FR, FL, RR, RL.

音声入力装置8は、マイクアレイ7によって測定されたスピーカ部3の出力音をコンピュータ5に出力する役割を有している。ここで、マイクアレイ7には複数のマイク12が設置されているため、音声入力装置8において入力されるマイクアレイ7の音響信号を測定することによって各スピーカFR,FL,RR,RLと各マイク12との間の音響特性を測定することが可能となる。   The voice input device 8 has a role of outputting the output sound of the speaker unit 3 measured by the microphone array 7 to the computer 5. Here, since a plurality of microphones 12 are installed in the microphone array 7, each speaker FR, FL, RR, RL and each microphone are measured by measuring an acoustic signal of the microphone array 7 input in the voice input device 8. It is possible to measure the acoustic characteristics between 12.

コンピュータ5は、空間B1の音響特性を測定するために、上述した評価音を生成すると共に、マイクアレイ7により収音された収録音に基づいて原音場6の音響特性を算出する機能を有している。   The computer 5 has a function of generating the above-described evaluation sound and calculating the acoustic characteristic of the original sound field 6 based on the recorded sound collected by the microphone array 7 in order to measure the acoustic characteristic of the space B1. ing.

コンピュータ5は、評価音生成部15と、インパルス応答演算部16と、インパルス応答記録部17と、制御部18とによって概略構成されている。評価音生成部15は、上述したインパルス応答を収音するための評価音を生成する機能を有している。評価音生成部15は、制御部18の制御命令に応じて評価音を生成し、制御部18を介して音声出力装置4に評価音を出力する。   The computer 5 is roughly configured by an evaluation sound generation unit 15, an impulse response calculation unit 16, an impulse response recording unit 17, and a control unit 18. The evaluation sound generator 15 has a function of generating an evaluation sound for collecting the impulse response described above. The evaluation sound generation unit 15 generates an evaluation sound in accordance with a control command from the control unit 18, and outputs the evaluation sound to the audio output device 4 via the control unit 18.

インパルス応答演算部16は、マイクアレイ7および音声入力装置8を介して収音された収録音に基づいて評価音に対するインパルス応答を算出する。   The impulse response calculation unit 16 calculates an impulse response to the evaluation sound based on the recorded sound collected via the microphone array 7 and the voice input device 8.

インパルス応答記録部17では、算出されたインパルス応答を音響特性として記録する。なお、インパルス応答記録部17は、一般的なハードディスク等であってもよく、またRAM(Random Access Memory)やフラッシュメモリ等で構成されているものであってもよい。   The impulse response recording unit 17 records the calculated impulse response as acoustic characteristics. The impulse response recording unit 17 may be a general hard disk or the like, or may be composed of a RAM (Random Access Memory), a flash memory, or the like.

制御部18は、原音場6における音響特性を求めるために必要な処理を行う役割を有しており、演算制御処理を主として行うCPU(Central Processing Unit)、原音場6における音響特性を測定するためのプログラム等が記録されるROM(Read Only Memory)、ワークエリア等に使用されるRAM(Random Access Memory)等の一般的な演算処理器によって構成されている。   The control unit 18 has a role of performing processing necessary for obtaining the acoustic characteristics in the original sound field 6. A CPU (Central Processing Unit) that mainly performs arithmetic control processing, and measures the acoustic characteristics in the original sound field 6. These are configured by a general arithmetic processor such as a ROM (Read Only Memory) in which the above program is recorded, a RAM (Random Access Memory) used in a work area, and the like.

制御部18は、上述したように評価音生成部15に対して評価音を生成させると共に、生成された評価音を音声出力装置4に出力する役割を有している。また、制御部18は、音声入力装置8より入力される収録音に基づいてインパルス応答演算部16においてインパルス応答を算出させると共に、算出されたインパルス応答を原音場6における音響特性として、インパルス応答記録部17に記録させる役割を有している。   As described above, the control unit 18 causes the evaluation sound generation unit 15 to generate an evaluation sound and has a role of outputting the generated evaluation sound to the sound output device 4. In addition, the control unit 18 causes the impulse response calculation unit 16 to calculate an impulse response based on the recorded sound input from the voice input device 8 and records the calculated impulse response as an acoustic characteristic in the original sound field 6 as an impulse response recording. The unit 17 has a role of recording.

上述したように構成される原音場音響システム2において、制御部18は、評価音生成部15に対して評価音を生成させて、音声出力装置4を介して、生成させた評価音をスピーカ部3の各スピーカFR,RL,RR,RLより出力させる。音声出力装置4は、評価音をスピーカから出力させる場合、制御部18の制御命令に応じてスピーカ毎に個別に評価音を出力させる。   In the original sound field acoustic system 2 configured as described above, the control unit 18 causes the evaluation sound generation unit 15 to generate an evaluation sound, and the generated evaluation sound is output via the audio output device 4 to the speaker unit. 3 from each speaker FR, RL, RR, RL. When outputting the evaluation sound from the speaker, the audio output device 4 outputs the evaluation sound individually for each speaker in accordance with the control command of the control unit 18.

マイクアレイ7では、いずれかのスピーカより出力された出力音を複数(M個)のマイク12で収音し、音声入力装置8を介して制御部18へと出力する。制御部18では、音声入力装置8より取得した収録音に基づいて、インパルス応答演算部16にインパルス応答の演算処理を行わせ、演算処理されたインパルス応答をインパルス応答記録部17に記録させる。制御部18は、このインパルス応答の演算処理をそれぞれのスピーカに対して実行し、各スピーカに対応する音響特性をインパルス応答記録部17に記録させて、原音場6における音響特性測定処理を終了する。   In the microphone array 7, output sounds output from any of the speakers are picked up by a plurality (M) of microphones 12 and output to the control unit 18 via the voice input device 8. The control unit 18 causes the impulse response calculation unit 16 to perform impulse response calculation processing based on the recorded sound acquired from the voice input device 8, and causes the impulse response recording unit 17 to record the calculated impulse response. The control unit 18 performs the impulse response calculation process for each speaker, causes the impulse response recording unit 17 to record the acoustic characteristics corresponding to each speaker, and ends the acoustic characteristic measurement process in the original sound field 6. .

なお、原音場音響システム2において測定される音響特性は、スピーカ部3の4個の各スピーカFR,RL,RR,RLとマイクアレイ7のM個のマイク12との間における多数のインパルス応答に基づいて求められており、この全てのインパルス応答に基づいて求められる音響特性がインパルス応答記録部17に記録される。   The acoustic characteristics measured in the original sound field acoustic system 2 are a number of impulse responses between the four speakers FR, RL, RR, RL of the speaker unit 3 and the M microphones 12 of the microphone array 7. The acoustic characteristics obtained based on all the impulse responses are recorded in the impulse response recording unit 17.

[再現音場における音響特性の測定]
次に、再現音場における音響特性を測定するための再現音場音響システムについて説明する。本実施の形態では、実験室の空間B2を再現音場の一例として用いている。このように実験室を再現音場として用いることによって、上述した原音場6の音響環境を実験室内で忠実に再現することができる。
[Measurement of acoustic characteristics in reproduced sound field]
Next, a reproduced sound field acoustic system for measuring acoustic characteristics in a reproduced sound field will be described. In the present embodiment, the laboratory space B2 is used as an example of a reproduced sound field. By using the laboratory as a reproduction sound field in this way, the acoustic environment of the original sound field 6 described above can be faithfully reproduced in the laboratory.

図2に示すように、再現音場音響システム20は、再現音場21である実験室の空間B2に設置されるスピーカ部22と、スピーカ部22に対して音声出力を行う音声出力装置4と、音声出力装置4に対して評価音を出力するコンピュータ5と、原音場6に設置されるマイクアレイ7と、マイクアレイ7により収音された収録音の入力を行う音声入力装置8とによって概略構成されている。   As shown in FIG. 2, the reproduced sound field acoustic system 20 includes a speaker unit 22 installed in a laboratory space B <b> 2 that is a reproduced sound field 21, and an audio output device 4 that outputs sound to the speaker unit 22. The computer 5 that outputs the evaluation sound to the sound output device 4, the microphone array 7 installed in the original sound field 6, and the sound input device 8 that inputs the recorded sound collected by the microphone array 7. It is configured.

ここで、再現音場音響システム20に用いられる音声出力装置4と、コンピュータ5と、マイクアレイ7と、音声入力装置8とは、上述した原音場音響システム2において用いられる音声出力装置4と、コンピュータ5と、マイクアレイ7と、音声入力装置8と同一の構成であって同一の機能を備えるものであるため、その詳細な説明は省略する。   Here, the audio output device 4, the computer 5, the microphone array 7, and the audio input device 8 used in the reproduced sound field acoustic system 20 are the audio output device 4 used in the original sound field acoustic system 2 described above, Since the computer 5, the microphone array 7, and the voice input device 8 have the same configuration and the same functions, detailed descriptions thereof are omitted.

また、コンピュータ5を概略構成する評価音生成部15と、インパルス応答演算部16と、インパルス応答記録部17と、制御部18とは、上述した原音場音響システム2のコンピュータ5を概略構成する評価音生成部15と、インパルス応答演算部16と、インパルス応答記録部17と、制御部18と同一の構成であって同一の機能を備えるものであるため、その詳細な説明は省略する。   The evaluation sound generator 15, the impulse response calculator 16, the impulse response recording unit 17, and the controller 18 that roughly configure the computer 5 are evaluated in accordance with the computer 5 of the original sound field acoustic system 2 described above. Since the sound generating unit 15, the impulse response calculating unit 16, the impulse response recording unit 17, and the control unit 18 have the same configuration and the same functions, detailed description thereof is omitted.

スピーカ部22は、図2に示すように、マイクアレイ7を中心として等距離を保つようにして円形に配設された複数(例えばM個)のスピーカ23によって構成されている。このスピーカ23は、音声出力装置4より出力された評価音を出力することが可能となっている。   As shown in FIG. 2, the speaker unit 22 includes a plurality of (for example, M) speakers 23 arranged in a circle so as to maintain an equal distance from the microphone array 7. The speaker 23 can output the evaluation sound output from the audio output device 4.

一方で、音声出力装置4は、評価音の出力先をコンピュータ5の制御命令に従って各スピーカ23へと個別に出力することが可能となっている。   On the other hand, the audio output device 4 can individually output the output destination of the evaluation sound to each speaker 23 according to the control command of the computer 5.

上述したように構成される再現音場音響システム20において、制御部18が再現音場21の音響特性測定処理を行う場合、制御部18は、評価音生成部15に評価音を生成させて、音声出力装置4を介して、生成させた評価音をスピーカ部22の各スピーカ23より出力させる。音声出力装置4は、評価音をスピーカ23から出力させる場合、制御部18の制御命令に応じてスピーカ23毎に個別に評価音を出力させる。   In the reproduced sound field acoustic system 20 configured as described above, when the control unit 18 performs the acoustic characteristic measurement process of the reproduced sound field 21, the control unit 18 causes the evaluation sound generation unit 15 to generate an evaluation sound, The generated evaluation sound is output from each speaker 23 of the speaker unit 22 via the audio output device 4. When outputting the evaluation sound from the speaker 23, the audio output device 4 outputs the evaluation sound individually for each speaker 23 according to the control command of the control unit 18.

マイクアレイ7では、いずれかのスピーカ23より出力された出力音を複数(M個)のマイク12で収音し、音声入力装置8を介して制御部18へと出力する。制御部18では、音声入力装置8より取得した収録音に基づいて、インパルス応答演算部16にインパルス応答の演算処理を行わせ、演算処理されたインパルス応答を、インパルス応答記録部17に記録させる。制御部18は、このインパルス応答の演算処理をそれぞれのスピーカ23に対して実行し、各スピーカ23に対応する音響特性をインパルス応答記録部17に記録させて、再現音場6における音響特性測定処理を終了する。   In the microphone array 7, output sounds output from any of the speakers 23 are collected by a plurality (M) of microphones 12 and output to the control unit 18 via the audio input device 8. The control unit 18 causes the impulse response calculation unit 16 to perform impulse response calculation processing based on the recorded sound acquired from the voice input device 8 and causes the impulse response recording unit 17 to record the calculated impulse response. The control unit 18 executes the impulse response calculation process for each speaker 23, records the acoustic characteristics corresponding to each speaker 23 in the impulse response recording unit 17, and performs the acoustic characteristic measurement process in the reproduced sound field 6 Exit.

なお、再現音場音響システム20において測定される音響特性は、スピーカ部22のM個の各スピーカ23とマイクアレイ7のM個のマイク12との間における多数のインパルス応答に基づいて求められており、この全てのインパルス応答に基づいて求められる音響特性が、インパルス応答記録部17に記録される。   The acoustic characteristics measured in the reproduced sound field acoustic system 20 are obtained based on a number of impulse responses between the M speakers 23 of the speaker unit 22 and the M microphones 12 of the microphone array 7. The acoustic characteristics obtained based on all the impulse responses are recorded in the impulse response recording unit 17.

[音場再現フィルタの算出]
次に、原音場音響システム2において算出された音響特性と、再現音場音響システム20において算出された音響特性とに基づいて、再現音場21において原音場6の音響環境を実現するための音場再現フィルタを算出する処理について説明する。
[Calculation of sound field reproduction filter]
Next, the sound for realizing the acoustic environment of the original sound field 6 in the reproduced sound field 21 based on the acoustic characteristics calculated in the original sound field acoustic system 2 and the acoustic characteristics calculated in the reproduced sound field acoustic system 20. Processing for calculating the field reproduction filter will be described.

図3は、音場再現フィルタを算出するための音場再現フィルタ算出装置(音場再現フィルタ算出装置)30を示したブロック図である。   FIG. 3 is a block diagram showing a sound field reproduction filter calculation device (sound field reproduction filter calculation device) 30 for calculating a sound field reproduction filter.

音場再現フィルタ算出装置30は、フィルタ算出処理部31と、原音場特性記録部32と、再現音場特性記録部33と、フィルタ情報記録部34とにより概略構成されている。   The sound field reproduction filter calculation device 30 is roughly configured by a filter calculation processing unit 31, an original sound field characteristic recording unit 32, a reproduction sound field characteristic recording unit 33, and a filter information recording unit 34.

原音場特性記録部32には、原音場6において測定された音響特性が記録されており、インパルス応答記録部17と同様に、ハードディスクや、RAM(Random Access Memory)や、フラッシュメモリ等の一般的な記録装置によって構成されている。また、同様に、再現音場特性記録部33には、再現音場21において測定された音響特性が記録されており、ハードディスク等の一般的な記録装置によって構成されている。   In the original sound field characteristic recording unit 32, acoustic characteristics measured in the original sound field 6 are recorded. Like the impulse response recording unit 17, a general hard disk, RAM (Random Access Memory), flash memory, or the like is used. It is constituted by a simple recording device. Similarly, the reproduced sound field characteristic recording unit 33 records acoustic characteristics measured in the reproduced sound field 21, and is configured by a general recording device such as a hard disk.

フィルタ情報記録部34は、フィルタ算出処理部31によって算出された音場再現フィルタが記録される記録媒体である。フィルタ情報記録部34も、原音場特性記録部32や再現音場特性記録部33と同様に、一般的な記録装置によって構成されている。   The filter information recording unit 34 is a recording medium on which the sound field reproduction filter calculated by the filter calculation processing unit 31 is recorded. Similarly to the original sound field characteristic recording unit 32 and the reproduced sound field characteristic recording unit 33, the filter information recording unit 34 is also configured by a general recording device.

フィルタ算出処理部31は、原音場特性記録部32に記録される音響特性と、再現音場特性記録部33に記録される音響特性とに基づいて、音場再現フィルタを算出する処理を行う。なお、フィルタ算出処理部31は、音場再現フィルタの算出処理を主として行うCPU(Central Processing Unit)、音場再現フィルタを算出するためのプログラム等が記録されるROM(Read Only Memory)、ワークエリア等に使用されるRAM(Random Access Memory)等の一般的な演算処理器によって構成されている。   The filter calculation processing unit 31 performs a process of calculating a sound field reproduction filter based on the acoustic characteristics recorded in the original sound field characteristic recording unit 32 and the acoustic characteristics recorded in the reproduction sound field characteristic recording unit 33. The filter calculation processing unit 31 includes a CPU (Central Processing Unit) mainly performing calculation processing of the sound field reproduction filter, a ROM (Read Only Memory) in which a program for calculating the sound field reproduction filter is recorded, a work area, and the like. It is constituted by a general arithmetic processor such as a RAM (Random Access Memory) used for the above.

フィルタ算出処理部31は、上述したように、
Q=(AtA+lELS×LS-1tD ・・・式16
に基づいて
R=(AtA+lELS×LS
P=At
と置いた場合における連立一次方程式P=RQを解くことにより、時間領域における音場再現フィルタQ(Q=R-1P)を求める。
As described above, the filter calculation processing unit 31
Q = (A t A + lE LS × LS) -1 A t D ··· formula 16
R = (A t A + lE LS × LS )
P = A t D
By solving the simultaneous linear equation P = RQ, the sound field reproduction filter Q (Q = R −1 P) in the time domain is obtained.

以下、フィルタ算出処理部31が、時間領域において音場再現フィルタを求める処理を説明する。フィルタ算出処理部31は、時間領域において式16の最適解を求めるために、反復解法を用いるものし、特に本実施の形態では反復解法の解法例として共役勾配法を用いて演算を行うものとする。   Hereinafter, a process in which the filter calculation processing unit 31 obtains a sound field reproduction filter in the time domain will be described. The filter calculation processing unit 31 uses an iterative solution to obtain an optimal solution of Equation 16 in the time domain. In particular, in this embodiment, the filter calculation processing unit 31 performs an operation using a conjugate gradient method as a solution example of the iterative solution. To do.

反復解法は、解の収束に必要な処理の反復回数が直接解法よりも少なく、1回の反復当たりに必要な計算リソース(メモリ使用量と演算量)が少なくなるという特徴を有している。未知数の数がnの場合であって、算出を行うための方程式の行列が疎行列(要素のほとんどの成分が0となる行列)となる場合に反復解法で解を求めると、一般的に、係数行列に必要なメモリ使用量と一回の反復に必要な演算回数とがnのオーダーとなり演算効率が高くなる。一方で、方程式の行列が密行列の場合は、演算回数のオーダーがn2のオーダーとなってしまい、nが大きい場合には計算が困難になるという特徴を有している。本実施の形態に示すように、反復解法で音場再現フィルタを求める場合には、係数行列として疎行列ではなく大規模密行列を扱う必要が生じる。 The iterative solution method has a feature that the number of iterations of processing necessary for solution convergence is smaller than that of the direct solution method, and calculation resources (memory use amount and calculation amount) necessary for each iteration are reduced. When the number of unknowns is n and the matrix of equations for calculation is a sparse matrix (a matrix in which most components of the elements are 0), the solution is generally obtained by an iterative method. The memory usage required for the coefficient matrix and the number of calculations required for one iteration are on the order of n, and the calculation efficiency is increased. On the other hand, when the matrix of equations is a dense matrix, the order of the number of operations is on the order of n 2 , and when n is large, the calculation is difficult. As shown in the present embodiment, when a sound field reproduction filter is obtained by an iterative solution, it is necessary to handle a large-scale dense matrix instead of a sparse matrix as a coefficient matrix.

音場再現フィルタQを算出するためには、上述したように式16
Q=(AtA+lELS×LS-1tD ・・・式16
を解く必要がある。ここで、反復解法を用いて音場再現フィルタQを算出する場合、反復計算において必要とされる行列形式は、規則的な畳み込み行列になるという特徴がある。このため、本発明に係る音場再現フィルタ算出装置30では、この畳み込み行列を利用した特徴的な演算処理を行うことによって、計算過程に必要なメモリ量をフィルタ段数Lに比例するオーダーまで削減することが可能となる。
In order to calculate the sound field reproduction filter Q, as described above, the equation 16
Q = (A t A + lE LS × LS) -1 A t D ··· formula 16
Need to be solved. Here, when the sound field reproduction filter Q is calculated using an iterative solution method, the matrix form required in the iterative calculation is characterized by a regular convolution matrix. For this reason, in the sound field reproduction filter calculation device 30 according to the present invention, the memory amount necessary for the calculation process is reduced to an order proportional to the filter stage number L by performing a characteristic calculation process using this convolution matrix. It becomes possible.

具体的には、方程式の組み立て処理と反復計算の処理とに用いられる主要な行列演算を、高速フーリエ変換(FFT)を利用した相関演算処理と畳み込み演算処理とで演算することによって、計算量を大幅に削減(具体的には、高速フーリエ変換による計算オーダーに比例したレベル(LlogLに比例した計算オーダー)まで削減)することができる。このため、音場再現システムの規模が大きくなっても、一般的なコンピュータを用いて演算処理を行うことが可能となる。   Specifically, the main matrix operation used in the process of assembling the equation and the process of the iterative calculation is calculated by a correlation operation process using fast Fourier transform (FFT) and a convolution operation process, thereby reducing the amount of calculation. It can be greatly reduced (specifically, it can be reduced to a level proportional to the calculation order by the fast Fourier transform (calculation order proportional to LlogL)). For this reason, even if the scale of the sound field reproduction system is increased, it is possible to perform arithmetic processing using a general computer.

本発明に係る演算処理を用いることによって、具体的には、フィルタ段数Lが4096(L=4096)、音場再現システムのスピーカsの数Sが64(S=64)である場合の音場再現フィルタの演算を、1Gバイト程度のメモリを搭載したコンピュータで実行することが可能となる。   By using the arithmetic processing according to the present invention, specifically, the sound field when the number of filter stages L is 4096 (L = 4096) and the number S of speakers s in the sound field reproduction system is 64 (S = 64). The calculation of the reproduction filter can be executed by a computer having a memory of about 1 Gbyte.

図4は、共役勾配法を使用して音場再現フィルタを算出する処理を示したフローチャートである。フローチャートに従って時間領域で演算処理を行った場合には、次述する(1)〜(4)の演算処理において処理負担が増大するという問題があった。
(1)行列R:R=(AtA+lELS×LS)の演算処理
(2)行列P:P=AtDの演算処理
(3)初期値計算におけるRとベクトルとの積Rq0との演算処理
(4)反復計算におけるRとベクトルとの積Rσμとの演算処理
また、行列Rの演算に要する記憶容量も増大するという問題があった。
FIG. 4 is a flowchart showing a process for calculating the sound field reproduction filter using the conjugate gradient method. When the calculation process is performed in the time domain according to the flowchart, there is a problem that the processing load increases in the calculation processes (1) to (4) described below.
(1) Matrix R: R = (A t A + L E LS × LS ) arithmetic processing (2) Matrix P: P = A t D arithmetic processing (3) Rq 0 product of R and vector in initial value calculation Arithmetic processing (4) Arithmetic processing of the product Rσ μ of R and vector in the iterative calculation In addition, there is a problem that the storage capacity required for the calculation of the matrix R increases.

本実施の形態に係るフィルタ算出処理部31では、上述したように、(1)〜(4)の演算を行う場合に、高速フーリエ変換(FFT)を用いて周波数領域における演算処理を行い、演算処理された演算結果を逆高速フーリエ変換(IFFT)によって時間領域の演算結果に逆変換する(時間領域の演算結果に戻す)ことによって、演算処理負担の軽減を図っている。   As described above, the filter calculation processing unit 31 according to the present embodiment performs arithmetic processing in the frequency domain using fast Fourier transform (FFT) when performing the calculations (1) to (4). The processed calculation result is inversely converted into a time domain calculation result by inverse fast Fourier transform (IFFT) (returned to the time domain calculation result), thereby reducing the calculation processing load.

まず、初期演算として、行列Rと行列Pとの計算について説明する。
行列Rは、上述したように

Figure 0005106936
で示される。 First, calculation of the matrix R and the matrix P will be described as an initial calculation.
The matrix R is
Figure 0005106936
Indicated by

ここで行列Rの各要素は、

Figure 0005106936
で示される。 Here, each element of the matrix R is
Figure 0005106936
Indicated by

また行列Ri,jの各要素は、

Figure 0005106936
で示される。 Each element of the matrix R i, j is
Figure 0005106936
Indicated by

但し、

Figure 0005106936
である。 However,
Figure 0005106936
It is.

Rの部分行列Ri,jは、相関行列であって規則正しいパターンを持ち、斜め方向の要素の値が同一の値になるという特徴を有している。上述した部分行列Ri,jでは、2L−1個の異なる値を備えている。このため、係数行列Rの演算を行う場合には、重複する値をメモリ等の記憶領域に記憶せず、異なる値のみをベクトルとして記憶することによって、フィルタ算出処理部31の演算処理で使用されるメモリ使用量をLのオーダーで削減することが可能となる。 The sub-matrix R i, j of R is a correlation matrix, has a regular pattern, and has the characteristic that the values of the elements in the diagonal direction are the same value. The partial matrix R i, j described above has 2L−1 different values. For this reason, when calculating the coefficient matrix R, the overlapping values are not stored in a storage area such as a memory, but only different values are stored as vectors, so that they are used in the calculation processing of the filter calculation processing unit 31. The amount of memory used can be reduced on the order of L.

また、それぞれの要素の値を示す式24

Figure 0005106936
において{}内は伝達関数同士の相関演算の形となっている。 Further, Expression 24 indicating the value of each element
Figure 0005106936
In {}, the inside of {} is the form of correlation calculation between transfer functions.

このため、相関演算処理を行う場合、高速フーリエ変換(FFT)を用いてrti,j(τ)の値を周波数領域の値に変換して解を求めた後に、求められた解を逆フーリエ変換(IFFT)により逆変換して、時間領域におけるrti,j(τ)の相関演算処理の解を求める。このように周波数領域において演算処理を行うことによって、処理負担を軽減させることができる。 For this reason, when performing the correlation calculation process, the fast Fourier transform (FFT) is used to convert the value of rt i, j (τ) to the frequency domain value to obtain a solution. The inverse transform is performed by the transformation (IFFT), and the solution of the correlation calculation processing of rt i, j (τ) in the time domain is obtained. By performing the arithmetic processing in the frequency domain in this way, the processing load can be reduced.

しかしながら、高速フーリエ変換を用いて相関演算処理を行う場合には以下の点で注意が必要である。
相関演算処理を行う一般式を

Figure 0005106936
で表すと、両辺をフーリエ変換することによって、
ω(ω)=conj(gω(ω))hω(ω) ・・・・式26
となる。ここでconj(x)はxの複素共役を示している。 However, when performing correlation calculation processing using fast Fourier transform, caution is required in the following points.
A general expression for performing correlation calculation processing
Figure 0005106936
In terms of the Fourier transform of both sides,
S ω (ω) = conj (g ω (ω)) h ω (ω)...
It becomes. Here, conj (x) represents a complex conjugate of x.

上述したように、フーリエ変換されたSω(ω)の値を周波数成分の掛け算を用いて求めた後に、求めた解を逆フーリエ変換して時間領域の時系列データに変換することによって、時間領域において演算を行う場合に比べて迅速かつ容易に解を求めることができる。 As described above, the value of S ω (ω) subjected to Fourier transform is obtained using frequency component multiplication, and then the obtained solution is subjected to inverse Fourier transform to convert it to time-series data in the time domain. A solution can be obtained quickly and easily as compared with the case where computation is performed in a region.

但し、高速フーリエ変換を利用して相関演算処理を行う場合、周波数領域の掛け算を用いてSω(ω)の解を求めた後に逆フーリエ変換によって時間領域に戻した演算結果S’(τ)は

Figure 0005106936
となる。ここで、NFFTは、高速フーリエ変換を実施するときのデータ長であり、mod(t+τ,NFFT)は、t+τをNFFTで割ったときの余りを示している。 However, when performing the correlation calculation process using the fast Fourier transform, the calculation result S ′ t (τ) obtained by obtaining the solution of S ω (ω) using frequency domain multiplication and then returning it to the time domain by inverse Fourier transform. )
Figure 0005106936
It becomes. Here, N FFT is a data length when the fast Fourier transform is performed, and mod (t + τ, N FFT ) indicates a remainder when t + τ is divided by N FFT .

このように、逆フーリエ変換によりS’t(τ)を求めた場合には、全てのτについて
S’t(τ)=St(τ) ・・・式28
になるとは限らず、式28を満たさない解を、図4に示す共役勾配法の演算処理にそのまま用いると、求められた音場再現フィルタに誤差が生じてしまうという問題がある。
Thus, when S ′ t (τ) is obtained by inverse Fourier transform, S ′ t (τ) = S t (τ) for all τ: Equation 28
However, if a solution that does not satisfy Expression 28 is used as it is in the calculation process of the conjugate gradient method shown in FIG. 4, there is a problem that an error occurs in the obtained sound field reproduction filter.

このような問題を回避して、式28の関係式を満たす解を求めるために、本実施の形態に係るフィルタ算出処理部31では、g、hに適当な数の0データを追加し、高速フーリエ変換のデータ長さNFFTを増やすことによって、求めたいτの範囲におけるS’t(τ)の値が
S’t(τ)=St(τ) ・・・式28
となるように調整を行う。
In order to avoid such a problem and obtain a solution satisfying the relational expression of Expression 28, the filter calculation processing unit 31 according to the present embodiment adds an appropriate number of 0 data to g and h, thereby increasing the speed. by increasing the data length N FFT Fourier transform, S in the range of tau to be obtained 'value of t (tau) is S' t (τ) = S t (τ) ··· equation 28
Make adjustments so that

従って、上述したrti,j(τ)を求める場合にも、逆フーリエ変換によって求められた解が正確な値となるように(時間領域のみの演算により求められる解とに誤差が生じないように)、−L+1≦t≦L−1の範囲のデータのみを用いて演算を行う。つまり、誤差の生じない範囲は、音場再現フィルタが適用される出力音の残響時間等に応じて予め設定される音場再現フィルタの段数Lに応じて決定される。 Therefore, even when rt i, j (τ) described above is obtained, an error is not generated in the solution obtained by the calculation in the time domain so that the solution obtained by the inverse Fourier transform becomes an accurate value. ), The calculation is performed using only the data in the range of −L + 1 ≦ t ≦ L−1. That is, the range in which no error occurs is determined according to the number L of stages of the sound field reproduction filter set in advance according to the reverberation time of the output sound to which the sound field reproduction filter is applied.

また、行列Pの各要素も同様に、相関演算処理の結果として計算することが可能である。行列Pは

Figure 0005106936
で示される。 Similarly, each element of the matrix P can be calculated as a result of the correlation calculation process. The matrix P is
Figure 0005106936
Indicated by

ここで行列Pの各要素は、

Figure 0005106936
で示される。 Here, each element of the matrix P is
Figure 0005106936
Indicated by

また行列Pi,jの各要素は、

Figure 0005106936
で示される。 Each element of the matrix P i, j is
Figure 0005106936
Indicated by

このpti,j(τ)の{}内は伝達関数同士の相関演算の形となっているため、行列Rと同様に、pti,j(τ)に対して高速フーリエ変換を適用し、pti,j(τ)の値を周波数領域の値に変換して解を求め、求められた解を逆フーリエ変換して時間領域の解に逆変換することにより値を求めることができる。このように周波数領域の解を時間領域の解に逆変換する処理を用いることにより、演算処理の負担を軽減させることができる。 Since the inside of {} of this pt i, j (τ) is a form of correlation calculation between transfer functions, the fast Fourier transform is applied to pt i, j (τ) , similarly to the matrix R, A value can be obtained by converting a value of pt i, j (τ) to a frequency domain value to obtain a solution, and inverse Fourier transforming the obtained solution to inversely transform to a time domain solution. Thus, by using the process of inversely transforming the frequency domain solution into the time domain solution, it is possible to reduce the burden of the arithmetic processing.

pti,j(τ)の演算を行う場合にも、逆フーリエ変換により求められる値が正確な値となるように、0≦t≦L−1の範囲のデータのみを用いて解を求める。 Also when calculating pt i, j (τ), the solution is obtained using only data in the range of 0 ≦ t ≦ L−1 so that the value obtained by the inverse Fourier transform becomes an accurate value.

このようにして予め行列Rおよび行列Pの演算結果を求めてメモリ等に記憶しておくか、または、図4に示すフローチャートの演算処理過程において行列R,Pを用いた演算を行う必要が生じた際にその都度R,Pの演算を行うことによって、音場再現フィルタの算出処理を実行する。   In this way, it is necessary to obtain the calculation results of the matrix R and the matrix P in advance and store them in a memory or the like, or to perform the calculation using the matrices R and P in the calculation process of the flowchart shown in FIG. The calculation process of the sound field reproduction filter is executed by calculating R and P each time.

次に、図4に示すフローチャートに基づいて、フィルタ算出処理部31の具体的な処理について説明する。   Next, specific processing of the filter calculation processing unit 31 will be described based on the flowchart shown in FIG.

フィルタ算出処理部31は、図4に示すように、初期値としてjに1を代入し、μに0を代入するする(ステップS.1)、ここでjは、原音場6におけるスピーカの数を示している。またμは、音場再現フィルタQのj列目の値を算出するために実行された演算回数(反復回数)を示すパラメータであり、具体的には、ステップS.3〜ステップS.5の処理を繰り返し実行した回数を示している。   As shown in FIG. 4, the filter calculation processing unit 31 assigns 1 to j as an initial value and 0 to μ (step S.1), where j is the number of speakers in the original sound field 6 Is shown. Μ is a parameter indicating the number of operations (number of iterations) executed to calculate the value of the j-th column of the sound field reproduction filter Q. 3-step S.E. 5 shows the number of times the process of 5 has been repeatedly executed.

次にフィルタ算出部31は、初期設定を行う(ステップS.2)。初期設定では、P,Qのj列目の値をp,qとおき、適当な初期値q0を用いてεμ

Figure 0005106936
の初期値であるε0の値
ε0=p−Rq0 ・・・式33
を求める。なお、εμは、反復回数μでの暫定的な解をqμとしたときの、誤差ベクトルを示したものである。 Next, the filter calculation unit 31 performs initial setting (step S.2). In the initial setting, the values in the jth column of P and Q are set as p and q, and ε μ is set using an appropriate initial value q 0.
Figure 0005106936
The value of ε 0 , which is the initial value of ε 0 = p−Rq 0, Equation 33
Ask for. Note that ε μ represents an error vector when a provisional solution at the number of iterations μ is q μ .

ここで。ε0の算出に用いられる行列Rとベクトルとの演算処理(Rq0の演算)について説明する。
係数行列Rは

Figure 0005106936
で示される。 here. A calculation process (calculation of Rq 0 ) between the matrix R and the vector used for calculating ε 0 will be described.
The coefficient matrix R is
Figure 0005106936
Indicated by

ここに任意のベクトルxを

Figure 0005106936
Here arbitrary vector x
Figure 0005106936

(但し、xの各要素はxi,1は、

Figure 0005106936
とする。)
とし、行列Rと任意のベクトルxとの積yを
Figure 0005106936
(However, each element of x is x i, 1 is
Figure 0005106936
And )
And the product y of the matrix R and an arbitrary vector x is
Figure 0005106936

(但し、yの各要素はyi,1は、

Figure 0005106936
とする。)とすると、 (However, each element of y is y i, 1 is
Figure 0005106936
And )

yは、

Figure 0005106936
となり、 y is
Figure 0005106936
And

yの部分行列であるyi,1は、

Figure 0005106936
となり、
Figure 0005106936
として計算される。 y i, 1 which is a submatrix of y is
Figure 0005106936
And
Figure 0005106936
Is calculated as

ここでyti,1(τ)の{}の内は畳み込み演算を示している。畳み込み演算処理を行う場合には、相関演算処理を行う場合と同様に、高速フーリエ変換を用いてyti,1(τ)の値を周波数領域の値に変換することによって周波数領域で解を求めた後に、逆フーリエ変換(IFFT)を行うことによって時間領域での値を求めることができる。このように周波数領域において求められた解を時間領域の解に逆変換することによって、演算処理の負担を軽減させることができる。 Here, {} in yt i, 1 (τ) indicates a convolution operation. When performing convolution calculation processing, a solution is obtained in the frequency domain by converting the value of yt i, 1 (τ) into a frequency domain value using fast Fourier transform, as in the case of performing correlation calculation processing. Then, a value in the time domain can be obtained by performing an inverse Fourier transform (IFFT). Thus, by inversely transforming the solution obtained in the frequency domain into a time domain solution, it is possible to reduce the burden of arithmetic processing.

しかしながら、高速フーリエ変換を用いて畳み込み演算処理を行う場合にも以下の点で注意が必要である。
相関演算処理を行う一般式を

Figure 0005106936
で表すと、両辺をフーリエ変換することによって、
ω(ω)=gω(ω)hω(ω) ・・式43
となる。 However, when performing the convolution calculation process using the fast Fourier transform, attention should be paid to the following points.
A general expression for performing correlation calculation processing
Figure 0005106936
In terms of the Fourier transform of both sides,
S ω (ω) = g ω (ω) h ω (ω)... 43
It becomes.

上述したように、フーリエ変換されたSω(ω)の値を周波数成分の掛け算を用いて求めた後に、求めた解を逆フーリエ変換して時間領域の時系列データに変換することによって、時間領域において演算を行う場合に比べて迅速かつ容易に解を求めることができる。 As described above, the value of S ω (ω) subjected to Fourier transform is obtained using frequency component multiplication, and then the obtained solution is subjected to inverse Fourier transform to convert it to time-series data in the time domain. A solution can be obtained quickly and easily as compared with the case where computation is performed in a region.

但し、高速フーリエ変換を利用して畳み込み演算処理を行う場合にも、周波数領域の掛け算を用いてSω(ω)の解を求めた後に、逆フーリエ変換によって時間領域に戻した結果S’t(τ)が

Figure 0005106936
となり、相関演算処理と同様に、求められたS’t(τ)の全てのτについて
S’t(τ)=St(τ) ・・・式45
になるとは限らないという問題がある。ここで、NFFTは、高速フーリエ変換を実施するときのデータ長であり、mod(τ−t,NFFT)は、τ−tをNFFTで割ったときの余りを示している。 However, also in the case of performing the convolution operation processing using the fast Fourier transform, the result S ′ t obtained by obtaining the solution of S ω (ω) using frequency domain multiplication and then returning to the time domain by inverse Fourier transform. (Τ) is
Figure 0005106936
Next, similar to the correlation operation, 'for all tau of t (τ) S' obtained S t (τ) = S t (τ) ··· Equation 45
There is a problem that it does not always become. Here, N FFT is a data length when the fast Fourier transform is performed, and mod (τ−t, N FFT ) indicates a remainder when τ−t is divided by N FFT .

上述したような問題を回避して、式45の関係式を満たす解を求めるために、本実施の形態に係るフィルタ算出処理部31では、g、hに適当な数の0データを追加し、高速フーリエ変換のデータ長さNFFTを増やすことによって、求めたいτの範囲におけるS’t(τ)の値が
S’t(τ)=St(τ) ・・・式45
となるように調整を行う。
In order to avoid the above-described problem and obtain a solution satisfying the relational expression of Expression 45, the filter calculation processing unit 31 according to the present embodiment adds an appropriate number of 0 data to g and h, by increasing the data length N FFT fast Fourier transform, 'value S of t (tau)' t S in the range of tau to be obtained (τ) = S t (τ ) ··· equation 45
Make adjustments so that

従って、上述したRq0を求める場合にも、逆フーリエ変換によって求められた解が正確な値となるように(時間領域のみの演算により求められる解とに誤差が生じないように)、0≦t≦L−1の範囲のデータのみを用いてεμの計算を行う。 Accordingly, when Rq 0 is obtained, 0 ≦≦ so that the solution obtained by the inverse Fourier transform becomes an accurate value (so that an error does not occur in the solution obtained by the calculation in the time domain only). ε μ is calculated using only data in the range of t ≦ L−1.

また、フィルタ算出処理部31は、σμ

Figure 0005106936
の初期値であるσ0の値
Figure 0005106936
の値を算出する。ここで、σμは、後述するステップS.4におけるRσμの計算に用いられる。 In addition, the filter calculation processing unit 31 uses σ μ
Figure 0005106936
The initial value of σ 0
Figure 0005106936
Is calculated. Here, σ μ is step S. described later. Used to calculate Arushiguma mu in 4.

また、フィルタ算出処理部31は、共役勾配法の収束判定に用いられるパラメータをηとして設定する。ηは収束を判断するための閾値パラメータとしての定数であって、このパラメータに基づいて誤差が収束判定条件を満たす値となった場合(次式48を満たす場合)、フィルタ算出処理部31は、解が収束したと判断して反復計算を終了する。   Further, the filter calculation processing unit 31 sets a parameter used for the convergence determination of the conjugate gradient method as η. η is a constant as a threshold parameter for determining convergence, and when the error becomes a value satisfying the convergence determination condition based on this parameter (when the following equation 48 is satisfied), the filter calculation processing unit 31 It is determined that the solution has converged, and the iterative calculation is terminated.

そして、フィルタ算出処理部31は、収束条件の判断処理(ステップS.3)を行う。収束条件の判断式は、

Figure 0005106936
で表される。フィルタ算出処理部31は、この判断式に基づいて解の収束を判断する。 Then, the filter calculation processing unit 31 performs a convergence condition determination process (step S.3). The judgment formula for the convergence condition is
Figure 0005106936
It is represented by The filter calculation processing unit 31 determines the convergence of the solution based on this determination formula.

収束条件を満たさなかった場合(ステップS.3においてNoの場合)、フィルタ算出処理部31は、Rσμの計算を行う(ステップS.4) When the convergence condition is not satisfied (No in step S.3), the filter calculation processing unit 31 calculates Rσ μ (step S.4).

Rσμの計算を行う場合にも、上述した行列Rとベクトルとの積を求める計算に該当するため畳み込み演算処理によって計算を行うことが可能である。このため、フィルタ算出処理部31は、高速フーリエ変換によって周波数領域でRσμの解を求めた後に、逆フーリエ変換を行うことによって時間領域の値を求める。この場合においても、時間領域において解に誤差が生じないように、0≦t≦L−1の範囲のデータのみを用いて解を求める。 Even when the calculation of Rσ μ, it is possible to perform calculation by the convolution arithmetic processing falls into the calculation for determining the product of the above-mentioned matrix R and vector. Therefore, the filter calculation processing unit 31 obtains a solution of Rσ μ in the frequency domain by fast Fourier transform, and then obtains a time domain value by performing inverse Fourier transform. Even in this case, the solution is obtained using only data in the range of 0 ≦ t ≦ L−1 so that no error occurs in the solution in the time domain.

そして、フィルタ算出処理部31は、求められたRσμの値と、εμ、σμとを用いて、

Figure 0005106936
Figure 0005106936
Figure 0005106936
を算出し、さらに、μに1を加える(μ=μ+1)処理を行う(ステップS.5)。 Then, the filter calculation processing unit 31 uses the calculated value of Rσ μ and ε μ and σ μ ,
Figure 0005106936
Figure 0005106936
Figure 0005106936
Further, the process of adding 1 to μ (μ = μ + 1) is performed (step S.5).

そして、フィルタ算出処理部31は、ステップS.5において算出されたεμとPとを用いて、収束条件の判断処理(ステップS.3)を繰り返し実行する。 Then, the filter calculation processing unit 31 performs step S.1. Using the ε μ and P calculated in step 5, the convergence condition determination process (step S.3) is repeatedly executed.

収束条件を満たす場合(ステップS.3においてYesの場合)、フィルタ算出処理部31は、ステップS.5において算出されたqμの値を、音場再現フィルタQにおけるj列目の解とする(ステップS.6)。 When the convergence condition is satisfied (Yes in step S.3), the filter calculation processing unit 31 performs step S.3. The value of q μ calculated in step 5 is taken as the solution of the j-th column in the sound field reproduction filter Q (step S.6).

その後、フィルタ算出処理部31は、j=Cであるかどうか、つまり、音場再現フィルタにおける全ての列(1〜C列)の解を求めたか否かを判断し(ステップS.7)、jがCでない場合(ステップS.7においてNoの場合)には、jに1を加え、μに0を代入した後に(ステップS.8)、処理をステップS.2に移行して上述した処理を繰り返し実行する。   Thereafter, the filter calculation processing unit 31 determines whether or not j = C, that is, whether or not the solution of all the columns (1 to C columns) in the sound field reproduction filter has been obtained (step S.7). If j is not C (No in step S.7), 1 is added to j and 0 is substituted for μ (step S.8), and then the process is performed in step S.7. The process proceeds to 2 and the above-described processing is repeatedly executed.

jがC(j=C)である場合(ステップS.7においてYesの場合)、フィルタ算出処理部31は、全ての列の音場再現フィルタの値を求めたものと判断して、音場再現フィルタの算出処理を終了する。算出された音場再現フィルタは、フィルタ算出処理部31によってフィルタ情報記録部34に記録される。   When j is C (j = C) (Yes in step S.7), the filter calculation processing unit 31 determines that the values of the sound field reproduction filters of all the columns have been obtained, and the sound field The reproduction filter calculation process is terminated. The calculated sound field reproduction filter is recorded in the filter information recording unit 34 by the filter calculation processing unit 31.

[再現音場における原音場の音響環境再現処理]
次に、再現音場21である実験室の空間B2において原音場6である実験室の音響環境を再現する処理について説明する。再現音場21における原音場6の音響環境の再現は、音場再現システムによって実現される。
[Sound environment reproduction processing of original sound field in reproduced sound field]
Next, a process for reproducing the acoustic environment of the laboratory that is the original sound field 6 in the laboratory space B2 that is the reproduced sound field 21 will be described. The reproduction of the acoustic environment of the original sound field 6 in the reproduced sound field 21 is realized by a sound field reproduction system.

図5は、音場再現システム1の概略構成を示したブロック図である。音場再現システム1は、図5に示すように、再現音場21である実験室の空間B2内に設置されスピーカ部(スピーカ)22と、スピーカ部22に対して音声出力を行う音声出力装置(音響出力装置)4と、音声出力装置4に対して評価音を出力するコンピュータ(音響処理装置)40と、音響信号を出力することが可能なオーディオ機器(音響再生装置)41と、オーディオ機器41によって再生される音響信号をコンピュータ40に出力する音声入力装置8とによって概略構成されている。   FIG. 5 is a block diagram showing a schematic configuration of the sound field reproduction system 1. As shown in FIG. 5, the sound field reproduction system 1 is installed in a laboratory space B <b> 2 that is a reproduction sound field 21, and a sound output device that outputs sound to the speaker unit 22. (Sound output device) 4, a computer (sound processing device) 40 that outputs an evaluation sound to the sound output device 4, an audio device (sound reproduction device) 41 that can output an acoustic signal, and an audio device And an audio input device 8 that outputs an acoustic signal reproduced by the computer 41 to the computer 40.

ここで、音場再現システム1に用いられる音声出力装置4と、音声入力装置8と、スピーカ部22とは、再現音場音響システム20において用いられる音声出力装置4と、音声入力装置8と、スピーカ部22と同一の構成であって同一の機能を備えるものであるため、その詳細な説明は省略する。   Here, the audio output device 4 used in the sound field reproduction system 1, the audio input device 8, and the speaker unit 22 are the audio output device 4 used in the reproduction sound field acoustic system 20, the audio input device 8, Since it is the same structure as the speaker part 22 and is provided with the same function, the detailed description is abbreviate | omitted.

オーディオ機器41は、CD、DVD、MD等の記録媒体に記録される音楽情報を読み出して音響信号として出力する装置である。オーディオ機器41において再生された音響信号は、音声入力装置8を介してコンピュータ40に入力される。   The audio device 41 is a device that reads out music information recorded on a recording medium such as a CD, a DVD, and an MD and outputs it as an acoustic signal. The acoustic signal reproduced in the audio device 41 is input to the computer 40 via the audio input device 8.

コンピュータ40は、オーディオ機器41によって再生される音響信号を、音声入力装置8を介して取得し、取得した音響信号に音響処理を施すことによって、再現音場21で出力される音響信号により、原音場6の音響環境を再現させる役割を有している。   The computer 40 acquires an acoustic signal reproduced by the audio device 41 via the audio input device 8, and performs an acoustic process on the acquired acoustic signal, thereby generating an original sound from the acoustic signal output from the reproduction sound field 21. It has a role to reproduce the acoustic environment of the field 6.

コンピュータ40は、制御部42と、畳み込み演算処理部43と、音場再現フィルタ記録部44とによって概略構成されている。音場再現フィルタ記録部44には、上述した音場再現フィルタ算出装置30によって算出された音場再現フィルタが記録されている。音場再現フィルタ記録部44は、一般的な記録装置によって構成されている。   The computer 40 is roughly configured by a control unit 42, a convolution operation processing unit 43, and a sound field reproduction filter recording unit 44. The sound field reproduction filter recording unit 44 records the sound field reproduction filter calculated by the sound field reproduction filter calculation device 30 described above. The sound field reproduction filter recording unit 44 is configured by a general recording device.

畳み込み演算処理部43は、制御部42の制御に応じて、音声入力装置8によって入力された音響信号に対して音響処理を施す。より詳細には、音場再現フィルタ記録部44に記録される音場再現フィルタを用いて、音響信号に畳み込み演算処理を行うことにより、スピーカ部22のスピーカ23から出力される音響信号に音響処理を施す。   The convolution operation processing unit 43 performs acoustic processing on the acoustic signal input by the voice input device 8 under the control of the control unit 42. More specifically, acoustic processing is performed on the acoustic signal output from the speaker 23 of the speaker unit 22 by performing convolution calculation processing on the acoustic signal using the sound field reproduction filter recorded in the sound field reproduction filter recording unit 44. Apply.

畳み込み演算処理部43によって、音場再現フィルタによる音響処理が施された音響信号には、再現音場21における音響特性を打ち消すと共に、原音場6の音響特性を再現音場21において効果的に適用させるための音響効果が付加されている。従って、音場再現システム1において、音場再現フィルタを適用した音響信号をスピーカ22より出力させることによって、再現音場21で原音場6の音響特性を再現することが可能となり、聴取者はあたかも原音場6で聴取しているかのような感覚を再現音場21で得ることが可能となる。   For acoustic signals that have been subjected to acoustic processing by the sound field reproduction filter by the convolution operation processing unit 43, the acoustic characteristics in the reproduced sound field 21 are canceled and the acoustic characteristics of the original sound field 6 are effectively applied in the reproduced sound field 21. The sound effect for making it add is added. Therefore, in the sound field reproduction system 1, by outputting an acoustic signal to which the sound field reproduction filter is applied from the speaker 22, it is possible to reproduce the acoustic characteristics of the original sound field 6 in the reproduced sound field 21. A feeling as if listening in the original sound field 6 can be obtained in the reproduced sound field 21.

以上説明したように、実施の形態に係るフィルタ算出処理部31では、原音場6の音響特性と再現音場21の音響特性とにより求められる音場再現フィルタの算出処理を、すべての演算過程で周波数領域における演算結果を時間領域に逆変換する演算手法を用いて行うのではなく、時間領域において反復解法を用いて音場再現フィルタを求める演算方法を原則として採用するので、誤差を含まない精度の高い音場再現フィルタを算出することが可能となる。   As described above, in the filter calculation processing unit 31 according to the embodiment, the calculation process of the sound field reproduction filter obtained from the acoustic characteristics of the original sound field 6 and the acoustic characteristics of the reproduced sound field 21 is performed in all calculation processes. Rather than using a calculation method that reversely converts the calculation result in the frequency domain to the time domain, the calculation method that uses the iterative solution method to find the sound field reproduction filter in the time domain is adopted in principle, so accuracy without errors It is possible to calculate a high sound field reproduction filter.

さらに、反復解法を用いて音場再現フィルタを算出する場合において、相関演算処理と畳み込み演算処理とを行う場合にのみ、周波数領域における演算結果を利用して時間領域における解を求めるので、演算処理の負担軽減と演算処理に利用されるメモリ容量の低減を図ることが可能となる。このため、処理全体の迅速化と演算処理に利用される演算資産の効率化を図ることが可能となる。   Furthermore, when calculating the sound field reproduction filter using the iterative solution method, the solution in the time domain is obtained using the calculation result in the frequency domain only when the correlation calculation process and the convolution calculation process are performed. It is possible to reduce the memory load and the memory capacity used for arithmetic processing. For this reason, it becomes possible to aim at the speeding up of the whole process, and the efficiency of the calculation assets utilized for calculation processing.

特に、周波数領域において計算された相関演算処理の結果と畳み込み演算処理の結果とを時間領域において利用する場合には、周波数領域に変換させることによって求められる解と時間領域のみで演算を行って求められる解とに誤差が生じることを防ぐため、時間領域へと逆フーリエ変換された解のうち、解の値が不一致とならない所定範囲のデータのみを用いて音場再現フィルタの算出処理を行う。このため、最終的に算出される音場再現フィルタの値に誤差等が含まれてしまうことを効果的に防止することが可能となる。   In particular, when using the result of the correlation calculation process and the result of the convolution calculation process calculated in the frequency domain in the time domain, the calculation is performed using only the solution obtained by converting to the frequency domain and the time domain. In order to prevent an error from occurring in the solution, the sound field reproduction filter calculation process is performed using only data in a predetermined range in which the solution values do not become mismatched among the solutions subjected to inverse Fourier transform into the time domain. For this reason, it is possible to effectively prevent an error or the like from being included in the finally calculated value of the sound field reproduction filter.

以上、本発明に係る音場再現フィルタ算出装置および音場再現システムについて図面を用いて詳細に説明を行ったが、本発明に係る音場再現フィルタ算出装置および音場再現システムは上述した実施の形態に限定されるものではない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   The sound field reproduction filter calculation device and the sound field reproduction system according to the present invention have been described in detail with reference to the drawings, but the sound field reproduction filter calculation device and the sound field reproduction system according to the present invention have been described above. The form is not limited. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Understood.

例えば、上述した実施の形態では、音場再現フィルタ算出装置30で音場再現フィルタを算出した後に、算出した音場再現フィルタを音場再現システム1の音場再現フィルタ記録部44に記録させて音響信号に音響処理を施す構成であったが、音場再現フィルタの算出を音場再現システム1において行う構成であってもよい。   For example, in the above-described embodiment, after the sound field reproduction filter is calculated by the sound field reproduction filter calculation device 30, the calculated sound field reproduction filter is recorded in the sound field reproduction filter recording unit 44 of the sound field reproduction system 1. Although the sound signal is subjected to sound processing, the sound field reproduction filter may be calculated in the sound field reproduction system 1.

図6は、音場再現フィルタ算出装置30におけるフィルタ算出処理部31の機能を、コンピュータ55の制御部56で処理させることにより、音場再現フィルタの算出処理を行うことが可能な音場再現システム57を示したブロック図である。   FIG. 6 shows a sound field reproduction system capable of performing a sound field reproduction filter calculation process by causing the control unit 56 of the computer 55 to process the function of the filter calculation processing unit 31 in the sound field reproduction filter calculation device 30. 5 is a block diagram showing 57. FIG.

図6に示す音場再現システム57では、実施の形態において説明した音場再現システム1(図5参照)に比べて、コンピュータ55内に、原音場特性記録部32と、再現音場特性記録部33とが設けられている点で相違する。   In the sound field reproduction system 57 shown in FIG. 6, compared to the sound field reproduction system 1 (see FIG. 5) described in the embodiment, an original sound field characteristic recording unit 32 and a reproduction sound field characteristic recording unit are included in the computer 55. 33 in that it is provided.

音場再現システム57では、制御部56が、原音場特性記録部32に記録される音響特性と、再現音場特性記録部33に記録される音響特性とに基づいて、音場再現フィルタを算出する処理を行い、算出された音場再現フィルタを音場再現フィルタ記録部44に記録する。そして、制御部56は、畳み込み演算処理部43に対して、音場再現フィルタ記録部44に記録される音場再現フィルタを用いて、入力された音響信号に対する畳み込み演算処理を行う。   In the sound field reproduction system 57, the control unit 56 calculates a sound field reproduction filter based on the acoustic characteristics recorded in the original sound field characteristic recording unit 32 and the acoustic characteristics recorded in the reproduced sound field characteristic recording unit 33. The calculated sound field reproduction filter is recorded in the sound field reproduction filter recording unit 44. And the control part 56 performs the convolution calculation process with respect to the input acoustic signal with respect to the convolution calculation process part 43 using the sound field reproduction filter recorded on the sound field reproduction filter recording part 44. FIG.

このように、音場再現システム57において、音場再現フィルタの算出処理を行わせることによって、音場再現フィルタ算出装置30を別途設ける必要が無くなるので、システム構成の簡略化を図ることが可能となる。また、音場再現システム57において音場再現フィルタの算出処理を行わせることによって、処理の円滑化と迅速化を図ることが可能となる。   As described above, in the sound field reproduction system 57, by performing the calculation process of the sound field reproduction filter, it is not necessary to separately provide the sound field reproduction filter calculation device 30, so that the system configuration can be simplified. Become. In addition, by causing the sound field reproduction system 57 to perform the calculation process of the sound field reproduction filter, it is possible to facilitate and speed up the process.

実施の形態に係る原音場音響システムの概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the original sound field acoustic system which concerns on embodiment. 実施の形態に係る再現音場音響システムの概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the reproduction sound field acoustic system which concerns on embodiment. 実施の形態に係る音場再現フィルタ算出装置の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the sound field reproduction filter calculation apparatus which concerns on embodiment. 実施の形態に係るフィルタ算出処理部による音場再現フィルタの算出処理を示したフローチャートである。It is the flowchart which showed the calculation process of the sound field reproduction filter by the filter calculation process part which concerns on embodiment. 実施の形態に係る音場再現システムの概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the sound field reproduction system which concerns on embodiment. 実施の形態に係る音場再現システムの他の概略構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the other schematic structural example of the sound field reproduction system which concerns on embodiment. 一般的な音場再現システムにおける音場再現フィルタと原音場の音響特性と再現音場の音響特性との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the sound field reproduction filter in the general sound field reproduction system, the acoustic characteristic of an original sound field, and the acoustic characteristic of a reproduction sound field. (a)一般的な原音場の構成を示した図であり、(b)は一般的な再現音場の構成を示した図である。(A) It is the figure which showed the structure of the general original sound field, (b) is the figure which showed the structure of the general reproduction sound field.

符号の説明Explanation of symbols

1、57 …音場再現システム
2 …原音場音響システム
3 …(原音場音響システムの)スピーカ部
4 …音声出力装置(音響出力装置)
5 …(原音場音響システムの)コンピュータ
6 …原音場
7 …マイクアレイ
8 …音声入力装置
12 …(マイクアレイの)マイク
15 …評価音生成部
16 …インパルス応答演算部
17 …インパルス応答記録部
18、42、56 …制御部
20 …再現音場音響システム
21 …再現音場
22 …(再現音場の)スピーカ部
23 …(スピーカの)スピーカ
30 …音場再現フィルタ算出装置
31 …フィルタ算出処理部
32 …原音場特性記録部
33 …再現音場特性記録部
34 …フィルタ情報記録部
40、55 …コンピュータ(音響処理装置)
41 …オーディオ機器(音響再生装置)
43 …畳み込み演算処理部
44 …音場再現フィルタ記録部
A1 …(従来の原音場の)空間
A2 …(従来の再現音場の)空間
B1 …(本実施の形態に係る原音場の)空間
B2 …(本実施の形態に係る再現音場の)空間
c、s …(従来の原音場および再現音場に設置される)スピーカ
FL、FR、RL、RR …(本実施の形態に係る原音場に設置される)スピーカ
m …制御ポイント
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 57 ... Sound field reproduction system 2 ... Original sound field sound system 3 ... Speaker part 4 (original sound field sound system) ... Sound output device (sound output device)
5 ... computer 6 (of the original sound field acoustic system) ... original sound field 7 ... microphone array 8 ... voice input device 12 ... microphone 15 (of microphone array) ... evaluation sound generating unit 16 ... impulse response calculating unit 17 ... impulse response recording unit 18 , 42, 56 ... control unit 20 ... reproduced sound field acoustic system 21 ... reproduced sound field 22 ... (reproduced sound field) speaker unit 23 ... (speaker) speaker 30 ... sound field reproduction filter calculation device 31 ... filter calculation processing unit 32 ... Original sound field characteristic recording unit 33 ... Reproduced sound field characteristic recording unit 34 ... Filter information recording units 40 and 55 ... Computer (acoustic processing device)
41. Audio equipment (sound reproduction device)
43 ... Convolution calculation processing unit 44 ... Sound field reproduction filter recording unit A1 ... Space A2 (conventional original sound field) ... Space B1 (conventional reproduction sound field) ... Space B2 (of the original sound field according to this embodiment) ... space c, s (of the reproduced sound field according to this embodiment) ... speakers FL, FR, RL, RR (installed in the conventional original sound field and reproduced sound field) ... (original sound field according to this embodiment) Loudspeaker m ... control point

Claims (2)

原音場において測定された音響特性と再現音場において測定された音響特性とに基づいて、再現音場において原音場の音場環境を再現するための音場再現フィルタを算出する音場再現フィルタ算出装置に関し、
該音場再現フィルタ算出装置は、
時間領域において反復解法を適用することにより、音場再現フィルタの算出処理を実行し、
前記反復解法の適用に生じる相関演算処理および畳み込み演算処理のみ、周波数領域への変換処理によって演算処理を行った後に前記時間領域に演算結果を逆変換させる演算方法を用い、
当該演算方法では、前記相関演算処理または前記畳み込み演算処理の演算結果のうち、前記時間領域のみで前記相関演算処理または前記畳み込み演算処理を行った場合に得られる演算結果との誤差が生じ得ない範囲のデータのみを用いて、前記時間領域における前記音場フィルタの算出処理を実行し、
当該誤差が生じない範囲は、前記音場再現フィルタが適用される出力音の残響時間等に応じて予め設定される前記音場再現フィルタの段数に伴って決定されること
を特徴とする音場再現フィルタ算出装置。
Sound field reproduction filter calculation that calculates the sound field reproduction filter to reproduce the sound field environment of the original sound field in the reproduction sound field based on the sound characteristic measured in the original sound field and the sound characteristic measured in the reproduction sound field Regarding the device,
The sound field reproduction filter calculation device includes:
By applying the iterative method in the time domain, the sound field reproduction filter calculation process is executed,
Only the correlation calculation process and the convolution calculation process that occur in the application of the iterative solution method, using the calculation method that reversely converts the calculation result to the time domain after performing the calculation process by the conversion process to the frequency domain,
In the calculation method, an error may not occur between the calculation result of the correlation calculation process or the convolution calculation process and the calculation result obtained when the correlation calculation process or the convolution calculation process is performed only in the time domain. Using only the data of the range, execute the calculation process of the sound field filter in the time domain,
The range in which the error does not occur is determined according to the number of stages of the sound field reproduction filter set in advance according to the reverberation time of the output sound to which the sound field reproduction filter is applied. Reproduction filter calculation device.
再現音場に設置されるスピーカと、
該スピーカより出力させるための音響信号を再生する音響再生装置と、
請求項1に記載の前記音場再現フィルタ算出装置と、
前記音響再生装置により再生された音響信号に対して、前記音場再現フィルタ算出装置によって算出された前記音場再現フィルタを用いて音響処理を施す音響処理装置と、
該音響処理装置により音響処理された音響信号を前記スピーカより出力させる音響出力装置と
を備えることを特徴とする音場再現システム
A speaker installed in the reproduction sound field;
An acoustic reproduction device for reproducing an acoustic signal to be output from the speaker;
The sound field reproduction filter calculation device according to claim 1,
An acoustic processing device that performs acoustic processing on the acoustic signal reproduced by the acoustic reproduction device using the sound field reproduction filter calculated by the sound field reproduction filter calculation device;
A sound field reproduction system comprising: an acoustic output device that outputs an acoustic signal acoustically processed by the acoustic processing device from the speaker .
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