JP5157572B2 - 音処理装置およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、複数のマイクロホンからの入力信号を処理する技術に関する。

複数のマイクロホンからの入力信号に基づいてステレオの複数の出力信号を生成する技術が従来から提案されている。例えば特許文献１には、無指向性の４個のマイクロホンを利用して右チャネルおよび左チャネルの２系統の出力信号を生成する技術が開示されている。また、特許文献２には、単一指向性のＭマイクロホンと双指向性のＳマイクロホンとを利用したＭＳ方式で２系統の出力信号を生成する技術が開示されている。
特開平７−７５１９５号公報 特開平７−２９８３８７号公報

しかし、特許文献１の技術においては４個ものマイクロホンが必要であるから、装置の大型化やコストの増大が問題となる。また、特許文献２の技術においては指向性（単一指向性および双指向性）のマイクロホンが必須であるという制約がある。以上の事情を背景として、本発明は、少数の無指向性のマイクロホンを使用してステレオの出力信号を生成するという課題の解決をひとつの目的としている。

以上の課題を解決するために、本発明のひとつの形態に係る音処理装置は、無指向性の第１マイクロホンが生成した第１入力信号（例えば図１の入力信号Ａ0）と第１マイクロホンから離間した無指向性の第２マイクロホンが生成した第２入力信号（例えば図２の入力信号Ｂ0）とからステレオの第１出力信号（例えば図１の出力信号Ａ2）と第２出力信号（例えば図１の出力信号Ｂ2）とを生成する音処理装置であって、第１入力信号と第２入力信号とを加算することで第１中間信号（例えば図１の中間信号Ａ1）を生成する第１処理手段と、第１入力信号から第２入力信号を減算することで第２中間信号（例えば図１の中間信号Ｂ1）を生成する第２処理手段と、第１中間信号と第２中間信号とを加算することで第１出力信号を生成する加算手段と、第１中間信号から第２中間信号を減算することで第２出力信号を生成する減算手段とを具備する。

以上の構成によれば、第１入力信号と第２入力信号との加算に基づいて生成された第１中間信号と、第１入力信号と第２入力信号との差分に基づいて生成された第２中間信号とに基づいてステレオの第１出力信号および第２出力信号とが生成される。したがって、第１出力信号および第２出力信号の生成に原理的に必要なマイクロホンの個数が特許文献１と比較して削減されるとともに、特許文献２の技術で必要となる指向性のマイクロホンが原理的に不要であるという利点がある。

なお、本発明における「無指向性」とは、指向性が完全に排除された性質に限定されない。すなわち、音波が到来する方向に応じて受音の感度に若干の相違がある場合でも、実質的に無指向と同視できる性質は本発明における「無指向性」の概念に包含される。また、以上の構成においては第１マイクロホンおよび第２マイクロホンのみが明示的に規定されているが、第１マイクロホンおよび第２マイクロホン以外のマイクロホンからの入力信号を第１出力信号や第２出力信号の生成に利用する構成を本発明の範囲から除外する趣旨ではない。

本発明の好適な態様において、第１処理手段は、第１入力信号と第２入力信号とを加算した信号のレベルを低減する第１補正手段を含む。本態様によれば、第１入力信号と第２入力信号とを加算した信号のレベルが低減されるから、左右の方向感に富んだ音声を生成することが可能となる。もっとも、第１補正手段の有無は本発明において任意である。

本発明の好適な態様において、第２処理手段は、第１入力信号から第２入力信号を減算した信号のうち高周波側の成分のレベルを低周波側の成分のレベルに対して相対的に低減する（換言すると、低周波側の成分のレベルを高周波側の成分のレベルに対して相対的に増加する）第２補正手段を含む。本態様においては、第１入力信号と第２入力信号との差分の信号のうち高周波側の成分のレベルが低周波側の成分のレベルに対して相対的に低減されるから、広帯域にわたってレベルが均等な音声（特に低音域の音量が充分に確保された音声）を生成することができる。もっとも、第２補正手段の有無は本発明において任意である。

なお、第１出力信号および第２出力信号に応じた再生音の聴感上のバランスを確保するために、第１補正手段および第２補正手段の一方による補正を制限する構成も好適である。例えば、所定の補正値を信号に乗算する手段を第１補正手段や第２補正手段として使用した構成においては補正値が所定の範囲内に制限（修正）される。

また、第１中間信号と第２中間信号との位相差を補正する（例えば同相または逆相とする）ために、第１入力信号と第２入力信号とを加算した信号の位相を調整する第１位相調整手段（例えば図４の位相調整部１８）を第１処理手段に設置した構成や、第１入力信号から第２入力信号を減算した信号の位相を調整する第２位相調整手段（例えば図４の位相調整部２８）を第２処理手段に設置した構成、または第１位相調整手段および第２位相調整手段の双方を設置した構成も好適である。

本発明に係る音処理装置は、各処理に専用されるＤＳＰ（Digital Signal Processor）などのハードウェア（電子回路）によって実現されるほか、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの汎用の演算処理装置とプログラムとの協働によっても実現される。本発明に係るプログラムは、無指向性の第１マイクロホンが生成した第１入力信号と第１マイクロホンから離間した無指向性の第２マイクロホンが生成した第２入力信号とからステレオの第１出力信号と第２出力信号とを生成するために、コンピュータに、第１入力信号と第２入力信号とを加算することで第１中間信号を生成する第１処理と、第１入力信号から第２入力信号を減算することで第２中間信号を生成する第２処理と、第１中間信号と第２中間信号とを加算することで第１出力信号を生成する加算処理と、第１中間信号から第２中間信号を減算することで第２出力信号を生成する減算処理とを実行させる。以上に例示したプログラムによっても、本発明の音処理装置と同様の作用および効果が奏される。なお、本発明のプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭなど可搬型の記録媒体に格納された形態で利用者に提供されてコンピュータにインストールされるほか、通信網を介した配信の形態で提供されてコンピュータにインストールされる。

また、無指向性の第１マイクロホンが生成した第１入力信号と第１マイクロホンから離間した無指向性の第２マイクロホンが生成した第２入力信号とからステレオの第１出力信号と第２出力信号とを生成する方法としても本発明は特定される。本発明のひとつの態様に係る音処理方法は、第１入力信号と第２入力信号とを加算することで第１中間信号を生成する工程と、第１入力信号から第２入力信号を減算することで第２中間信号を生成する工程と、第１中間信号と第２中間信号とを加算することで第１出力信号を生成する工程と、第１中間信号から第２中間信号を減算することで第２出力信号を生成する工程とを含む。以上の方法によっても、本発明に係る音処理装置と同様の作用および効果が奏される。

＜Ａ：音処理装置＞
図１は、本発明のひとつの形態に係る音処理装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、音処理装置１００には２個のマイクロホン５１および５２が接続される。マイクロホン５１と５２とは、所定の方向（左右の方向）Ｄ1に沿って相互に間隔ｄをあけて配置される。

マイクロホン５１および５２の各々は、受音の感度が全方向にわたって略均等な無指向性のマイクロホンである。マイクロホン５１は周囲の音響に応じた入力信号Ａ0を生成し、マイクロホン５２は周囲の音響に応じた入力信号Ｂ0を生成する。なお、入力信号Ａ0およびＢ0は、実際にはデジタル信号に変換されたうえで音処理装置１００に入力されるが、図１では便宜的にＡ/Ｄ変換器の図示が省略されている。

音処理装置１００は、入力信号Ａ0およびＢ0からステレオの出力信号Ａ2（右チャネル）およびＢ2（左チャネル）を生成する装置である。図１に示すように、音処理装置１００は、第１処理部１０と第２処理部２０と加算部３２と減算部３４とを具備する。音処理装置１００の各要素は、例えばＣＰＵなどの演算処理装置がプログラムを実行することで実現される。ただし、音声処理に専用されるＤＳＰなどの電子回路によっても音処理装置１００は実現される。また、以上の各要素が部分的に別個の電子回路に搭載された構成も採用される。

第１処理部１０は、入力信号Ａ0とＢ0との加算に基づいて中間信号Ａ1を生成する手段である。図１に示すように、第１処理部１０は、加算部１２と補正部１４と増幅部１６とを含む。加算部１２は、入力信号Ａ0とＢ0とを加算した信号ａ1を生成および出力する。

方向Ｄ1に垂直な方向（正面の方向）Ｄ0に進行する音波は同位相でマイクロホン５１および５２に到達するから、方向Ｄ0から音波が到来したときに加算部１２から出力される信号ａ1（ａ1＝Ａ0＋Ｂ0）のレベルは、入力信号Ａ0（またはＢ0）の約２倍のレベルとなる。一方、方向Ｄ1から到来する音波は間隔ｄに応じた位相差（時間差）をもってマイクロホン５１および５２に到達するから、方向Ｄ1から音波が到来した場合に加算部１２から出力される信号ａ1のレベルは信号ａ1の方向Ｄ0におけるレベルと比較して低い。換言すると、人間の聴取する主要な音波が方向Ｄ1から到来したときに信号ａ1のレベルが低減されるように間隔ｄが選定される。

したがって、各方向から所定の強度の音波が到来したときの信号ａ1のレベルの分布は、図２に図示されたパターンとなる。図２における半径の方向が信号ａ1のレベルである。図２に示すように、信号ａ1のレベルの分布は、方向Ｄ0に並ぶ２個の円形を連結したパターンとなる。図２から理解されるように、マイクロホン５１および５２と加算部１２とは、方向Ｄ0に指向する指向性のマイクロホン（ＭＳ方式におけるＭマイクロホン）と同等に作用する。なお、図２においては、入力信号Ａ0およびＢ0の各々のレベルと音波の到来の方向との関係が破線で図示されている。

図２に示すように、方向Ｄ0から音波が到来したときの信号ａ1のレベルは入力信号Ａ0の約２倍となる。図１の補正部１４は、信号ａ1のレベルを低減することで信号ａ2を生成する手段である。さらに詳述すると、補正部１４は、方向Ｄ0から音波が到来したときの信号ａ1のレベルが入力信号Ａ0（またはＢ0）と同等のレベルとなるように信号ａ1を補正することで信号ａ2を生成する。信号ａ1に係数「1/2」を乗算する乗算器（増幅器）が補正部１４として好適に採用される。増幅部１６は、補正部１４が出力する信号ａ2を増幅することで中間信号Ａ1を生成する。

図１の第２処理部２０は、入力信号Ａ0とＢ0との差分に基づいて中間信号Ｂ1を生成する手段である。第２処理部２０は、減算部２２と補正部２４と増幅部２６とを含む。減算部２２は、入力信号Ａ0から入力信号Ｂ0を減算した信号ｂ1を生成および出力する。

方向Ｄ0から到来する音波は同位相でマイクロホン５１および５２に到達するから、方向Ｄ0から音波が到来したときに減算部２２から出力される信号ｂ1（ｂ1＝Ａ0−Ｂ0）のレベルはゼロとなる。一方、方向Ｄ1から到来する音波は間隔ｄに応じた位相差をもってマイクロホン５１および５２に到達するから、方向Ｄ1から音波が到来した場合に減算部２２から出力される信号ｂ1のレベルは、音波の波長と間隔ｄとの関係に応じたレベルとなる。したがって、各方向から所定の強度の音波が到来したときの信号ｂ1のレベルの分布は、図３に図示されたパターンとなる。図３から理解されるように、マイクロホン５１および５２と減算部２２とは、方向Ｄ0を死角として方向Ｄ1に指向する双指向性のマイクロホン（ＭＳ方式におけるＳマイクロホン）と同等に作用する。

ところで、マイクロホン５１および５２の間隔ｄの２倍に相当する波長λ0（λ0＝２ｄ）の音波が方向Ｄ1から到来した場合に入力信号Ａ0とＢ0とは逆位相となる。したがって、入力信号Ａ0とＢ0との差分である信号ｂ1は、波長λ0に対応した周波数ｆ0（ｆ0＝ｖ／λ0（ｖ：音速））の成分の強度が最大となり、周波数ｆ0と比較して周波数が低い成分ほど低強度となる。

図１の補正部２４は、以上のような信号ｂ1の周波数特性（高周波側ほど高強度となる不均衡）を修正することで信号ｂ2を生成する。さらに詳述すると、補正部２４は、信号ｂ1のうち高周波側の成分のレベルを低周波側の成分のレベルに対して相対的に低減する（低周波側のレベルを高周波側のレベルに対して増加させる）ことで信号ｂ2を生成する。ローパスフィルタなど各種のフィルタが補正部２４として好適に採用される。増幅部２６は、補正部２４が出力する信号ｂ2を増幅することで中間信号Ｂ1を生成する。増幅部１６および２６のゲインは、例えば利用者が操作子に付与した操作の内容に応じて制御される。

以上に説明したように、中間信号Ａ1は、方向Ｄ0を指向軸とする指向性のマイクロホンの出力信号と同視される。さらに詳述すると、中間信号Ａ1は、ＭＳ方式におけるＭマイクロホンとは指向性のパターンが相違するけれども、指向性の概略的な傾向は類似するからＭマイクロホンの出力信号として代用できる。また、中間信号Ｂ1は、方向Ｄ1を指向軸とする双指向性のマイクロホンの出力信号と同視される。すなわち、中間信号Ｂ1は、ＭＳ方式におけるＳマイクロホンの出力信号として代用できる。そこで、本形態の音処理装置１００は、以下に説明するように、ＭＳ方式におけるＭマイクロホンの出力に相当する信号として中間信号Ａ1を利用するとともにＳマイクロホンの出力に相当する信号として中間信号Ｂ1を利用することで、ステレオの２系統の出力信号Ａ2およびＢ2を生成する。

加算部３２は、第１処理部１０が生成した中間信号Ａ1と第２処理部２０が生成した中間信号Ｂ1とを加算することで出力信号Ａ2を生成する。出力信号Ａ2は、方向Ｄ0の右斜め方向を指向軸とする指向性のマイクロホンの出力信号に相当する右チャネル（Ｒch）の音響信号である。また、減算部３４は、中間信号Ａ1から中間信号Ｂ1を減算することで出力信号Ｂ2を生成する。出力信号Ｂ2は、方向Ｄ0の左斜め方向を指向軸とする指向性のマイクロホンの出力信号に相当する左チャネル（Ｌch）の音響信号である。出力信号Ａ2およびＢ2は、スピーカやヘッドホンなどの出力機器に供給されることでステレオの音波として再生される。なお、出力信号Ａ2およびＢ2が各種の記録装置に格納される構成も採用される。

以上に説明したように、本形態においては、無指向性の２個のマイクロホン５１および５２を利用してステレオの出力信号Ａ2およびＢ2を生成することができる。したがって、４個のマイクロホンが必要な特許文献１の技術と比較して装置の小型化やコストの削減が実現される。また、マイクロホン５１および５２は無指向性であるから、指向性のマイクロホンが必要な特許文献２の技術と比較して各マイクロホンの位置や方向の制約が少なくて利便性が高いという利点もある。

なお、信号ａ1においては方向Ｄ0から到来した音波が特に強調されるから、補正部１４が省略された構成においては、正面からの音波の影響が過大となる結果として左右の方向感（ステレオ感）に乏しい音声が生成される可能性がある。本形態においては補正部１４が信号ａ1のレベルを低減するから、補正部１４を省略した構成と比較して、左右の方向感に富んだ自然な音声を生成することができる。もっとも、再生音における方向感の不足が特段の問題とならないのであれば、補正部１４を省略した構成も採用される。

また、信号ｂ1の周波数特性は低周波側のレベルが高周波側と比較して低減された特性となるから、補正部２４が省略された構成においては、再生音の低音域の音量が不足する可能性がある。本形態においては、広帯域にわたってレベルが均等となるように補正部２４が信号ｂ1を補正するから、低音域の音量が充分な再生音を生成することが可能である。なお、低音域の音量の不足が特段の問題とならないのであれば、補正部２４を省略した構成も採用される。

さらに、本形態においては増幅部１６および２６のゲインが可変に制御されるから、再生音の指向性や方向感を適宜に調整することが可能である。例えば、増幅部２６のゲインを増加させる（または増幅部１４のゲインを低下させる）ことで再生音における左右の方向感を増大させることができる。

＜Ｂ：変形例＞
以上の各形態には様々な変形を加えることができる。具体的な変形の態様を例示すれば以下の通りである。なお、以下に例示する各態様を任意に組み合わせてもよい。

（１）変形例１
以上の形態においては、マイクロホン５１からの入力信号Ａ0とマイクロホン５２からの入力信号Ｂ0とを加算することで中間信号Ａ1が生成される構成を例示したが、マイクロホン５１からの入力信号Ａ0またはマイクロホン５２からの入力信号Ｂ0を中間信号Ａ1として利用してもよい。また、マイクロホン５１および５２以外の無指向性のマイクロホンから供給される信号を中間信号Ａ1として利用した構成も採用される。もっとも、図１の構成によれば、図２に例示したように中間信号Ａ1に指向性が付与されるから、本変形例のように無指向性の中間信号Ａ1を利用する構成と比較して再生音の方向感を充分に確保できるという利点がある。

（２）変形例２
入力信号Ａ0とＢ0とでレベルが顕著に相違する場合には音像の定位の精度が低下する場合がある。そこで、入力信号Ａ0およびＢ0のレベルを合致させるキャリブレーション機構をマイクロホン５１および５２の出力側に設置した構成が好適に採用される。入力信号Ａ0およびＢ0の一方のレベルを他方のレベルに合致させる場合には、マイクロホン５１および５２の一方の出力側のみにキャリブレーション機構が設置される。

（３）変形例３
補正部２４での処理が補正部１４での処理と比較して長時間を要する場合、中間信号Ｂ1（信号ｂ2）が中間信号Ａ1（信号ａ2）に対して遅延する。両者の時間差を抑制するために、補正部２４での遅延に応じた時間だけ中間信号Ａ1を遅延させる手段を第１処理部１０に設置してもよい。例えば、信号ａ1を遅延させる機能を補正部１４に持たせた構成が採用される。また、以上とは逆に補正部１４での処理が補正部２４での処理と比較して長時間である場合、中間信号Ｂ1を遅延させる手段が第２処理部２０に設置される。

（４）変形例４
補正部１４および２４や増幅部１６および２６の位置や個数は適宜に変更される。例えば、増幅部１６が加算部１２と補正部１４との間に設置された構成や、増幅部２６が減算部２２と補正部２４との間に設置された構成も採用される。また、増幅部１６および２６を省略してもよい。さらに、マイクロホン５１または５２と第１処理部１０または第２処理部２０との間に増幅器を設置した構成や、第１処理部１０または第２処理部２０と加算部３２または減算部３４との間に増幅器を設置した構成も採用される。

（５）変形例５
以上の形態において、入力信号Ａ0とＢ0との位相差（すなわちマイクロホン５１および５２の各々に音波が到達する時間差）に起因して、加算部１２が生成する信号ａ1と減算部２２が生成する信号ｂ1との間には、音波の到来の方向に応じて±９０度の位相差が発生する。そこで、第１処理部１０および第２処理部２０の少なくとも一方において信号の位相を調整することで、中間信号Ａ1とＢ1との位相角を０度（同相）または１８０度（逆相）に展開する構成が好適に採用される。例えば、図４に示すように、補正部２４による補正後の信号ｂ2の位相を調整する位相調整部２８が第２処理部２０に設置される。

マイクロホン５１および５２に対して右方向から音波が到来する場合には信号ａ1が信号ｂ1に対して９０度だけ遅れる。ステレオの２系統の出力信号Ａ2およびＢ2は中間信号Ａ1およびＢ1の加算および減算で生成されるから、再生音のステレオ感を強調するためには中間信号Ａ1とＢ1とが同相であることが望ましい。したがって、位相調整部２８は、補正部２４による補正後の信号ｂ2を９０度だけ遅延させる。一方、マイクロホン５１および５２に対して左方向から音波が到来する場合には信号ａ1が信号ｂ1に対して９０度だけ進む。再生音のステレオ感を強調するためには中間信号Ａ1とＢ1とが逆相であることが望ましいから、位相調整部２８は、信号ｂ2を９０度だけ遅延させる。

第２処理部２０の位相調整部２８に代えて、図４に破線で図示した位相調整部１８を第１処理部１０に設置した構成も好適である。位相調整部１８が信号ａ2の位相を信号ｂ2に対して９０度だけ進ませることで、中間信号Ａ1とＢ1との位相角は０度（同相）または１８０度（逆相）に補正される。また、位相調整部１８および２８の双方を配置した構成も採用される。

なお、信号の位相を調整する位置（位相調整部１８および２８の位置）は任意である。例えば、補正部１４または２４の前段に位相調整部１８または２８を配置した構成や増幅部１６または２６の後段に位相調整部１８または２８を配置した構成も採用される。本変形例の構成によれば、中間信号Ａ1とＢ1との位相差が０度（同相）または１８０度（逆相）に補正されるから、聴感上においてステレオ感に富んだ出力信号Ａ2およびＢ2を生成することが可能となる。なお、位相調整部１８および２８による調整量を可変に制御してもよい。例えば、ステレオ感が過度に強調される場合には位相調整部１８および２８における位相の調整量が低減される。また、例えば、利用者からの指示に応じて位相調整部１８や２８における調整量（信号の遅延量）を制御する構成によれば、再生音のステレオ感を利用者が任意に調整できるという利点がある。

本発明のひとつの形態に係る音処理装置の構成を示すブロック図である。 信号ａ1の特性を説明するための概念図である。 信号ｂ1の特性を説明するための概念図である。 変形例に係る音処理装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１００……音処理装置、１０……第１処理部、２０……第２処理部、１２，３２……加算部、１４，２４……補正部、１６，２６……増幅部、１８，２８……位相調整部、２２，３４……減算部、５１，５２……マイクロホン。

Claims (6)

1. 無指向性の第１マイクロホンが生成した第１入力信号と前記第１マイクロホンから離間した無指向性の第２マイクロホンが生成した第２入力信号とからステレオの第１出力信号と第２出力信号とを生成する音処理装置であって、
   前記第１入力信号と前記第２入力信号とを加算することで第１中間信号を生成する第１処理手段と、
   前記第１入力信号から前記第２入力信号を減算することで第２中間信号を生成する第２処理手段と、
   前記第１中間信号と前記第２中間信号とを加算することで前記第１出力信号を生成する加算手段と、
   前記第１中間信号から前記第２中間信号を減算することで前記第２出力信号を生成する減算手段と
   を具備する音処理装置。
2. 前記第１処理手段は、前記第１入力信号と前記第２入力信号とを加算した信号のレベルを低減する第１補正手段を含む
   請求項１の音処理装置。
3. 前記第１処理手段は、前記第１入力信号と前記第２入力信号とを加算した信号の位相を調整する第１位相調整手段を含む
   請求項１または請求項２の音処理装置。
4. 前記第２処理手段は、前記第１入力信号から前記第２入力信号を減算した信号のうち高周波側の成分のレベルを低周波側の成分のレベルに対して相対的に低減する第２補正手段を含む
   請求項１から請求項３の何れかの音処理装置。
5. 前記第２処理手段は、前記第１入力信号から前記第２入力信号を減算した信号の位相を調整する第２位相調整手段を含む
   請求項１から請求項４の何れかの音処理装置。
6. 無指向性の第１マイクロホンが生成した第１入力信号と前記第１マイクロホンから離間した無指向性の第２マイクロホンが生成した第２入力信号とからステレオの第１出力信号と第２出力信号とを生成するために、コンピュータに、
   前記第１入力信号と前記第２入力信号とを加算することで第１中間信号を生成する第１処理と、
   前記第１入力信号から前記第２入力信号を減算することで第２中間信号を生成する第２処理と、
   前記第１中間信号と前記第２中間信号とを加算することで前記第１出力信号を生成する加算処理と、
   前記第１中間信号から前記第２中間信号を減算することで前記第２出力信号を生成する減算処理と
   を実行させるプログラム。
   

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