JP5219927B2

JP5219927B2 - 音像定位装置

Info

Publication number: JP5219927B2
Application number: JP2009134076A
Authority: JP
Inventors: 厚堀田; 勝木村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-06-03
Filing date: 2009-06-03
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2029-06-03
Also published as: JP2010283507A

Description

本発明は、受聴者から見て上方向及び下方向に配置した音源から個別再生する音響信号の音像を、受聴者と同じ高さに配置した音源で再現する音像定位装置に関するものである。

ＤＶＤ（ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃ）、ＢＤ（Ｂｌｕ−ｒａｙＤｉｓｃ、登録商標）等のパッケージメディア、又はデジタル放送では、５．１チャンネル音声を代表に、複数チャンネルの音響信号を使って臨場感を再現するサラウンド技術が実用化されている。このサラウンド技術では、受聴者を中心とし、その水平面上の周囲に配置された複数の音源から音響信号を再生することで臨場感を作り出している。

将来的には、より立体的な音の空間音場を再現するために、水平面に加え、受聴者から見て上方向及び下方向にもそれぞれ音源を配置して、音を立体的に表現することも考えられる。この場合、広いスペースを持つ映画館、コンサートホール等、音源を任意に配置できるスペースがあればよいが、家庭環境では音源を任意に配置するスペースを確保することが困難であることから、少ない音源数にて立体的な空間音場を再現する技術が重要となる。

３次元的な定位を再現できる音像定位装置として、例えば特許文献１に、ダウンミックス前チャンネル数の音響信号から、ダウンミックス前チャンネル数より少ないダウンミックス後チャンネル数の音響信号を生成するダウンミックス処理装置が提案されている。このダウンミックス処理装置では、先ず、ダウンミックス前音源の位置情報と受音点の位置情報とに基づいてダウンミックス前伝達関数を求め、これとダウンミックス前音響信号との積をダウンミックス前音響物理量ベクトルとする。次に、ダウンミックス後音源の位置情報と受音点の位置情報とに基づいてダウンミックス後伝達関数の逆関数である逆ダウンミックス後伝達関数を求め、逆ダウンミックス後伝達関数とダウンミックス前音響物理量ベクトルとの積をダウンミックス後音響信号とする。

また、音場を制御して臨場感を再現できる音場制御装置として、例えば特許文献２に提案の装置がある。この音場制御装置では、音響信号源からの基本音の音響信号を基に初期反射音や残響音等の効果音を作成し、更に８ｋＨｚ付近の成分を強調して基本音の音響信号に付加することで、受聴者に、効果音が頭上を含む全周から到来しているものと知覚させる。

特開２００７−５３６２４号公報実開平５−４３７００号公報

しかしながら、特許文献１に記載のダウンミックス処理装置は、ダウンミックス前音源、ダウンミックス後音源及び受音点の各位置情報が必要となる他、これらの各位置を変更する毎に伝達関数を求め直す必要が生じることから、汎用性に欠けるという課題がある。

一般的に、ダウンミックス前伝達関数及び逆ダウンミックス後伝達関数の導出には、多くの演算量を必要とする。また、導出した伝達関数をダウンミックス前音響信号に畳み込む処理も多くの演算量を必要とする。そのため、ダウンミックス処理装置の演算回路規模が大きくなってしまい、コストが増大するという課題がある。

他方、自然界で聞く音は常に基本波と、それぞれの音に特有な高調波成分から成り立っており、高調波は音色を決める情報を含んでいる。特許文献２に記載の音場制御装置は、８ｋＨｚ付近の周波数帯域を強調することで効果音の音像を受聴者の上方に定位させる構成であるため、高調波成分を多く含む８ｋＨｚ付近の信号成分のみを強調することによって音色が変化し、結果として音質が劣化してしまう恐れがある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ダウンミックス前音源、ダウンミックス後音源及び受聴者の各位置情報を必要とせず、また、受聴者から見て上方向及び下方向に配置した音源から個別再生する音響信号の音像を、少ない演算量にて、受聴者と同じ高さに配置した音源のみで再現可能な音像定位装置を提供することを目的とする。

この発明に係る音像定位装置は、音響信号をフィルタ処理して、音像を上方向に定位させる上方向定位用補正フィルタと、前記音響信号とは別の音響信号をフィルタ処理して、音像を下方向に定位させる下方向定位用補正フィルタと、上方向定位用補正フィルタ及び下方向定位用補正フィルタでフィルタ処理した各音響信号の利得調整を行う利得調整部と、利得調整部で利得調整した各音響信号を加算して、受聴者と略同一高さ位置に配置される音源から再生するためのダウンミックス音響信号を生成する加算処理部とを備えるようにしたものである。

この発明によれば、複数の音響信号をそれぞれ上下方向に定位させて、受聴者と略同一高さ位置に配置される音源から再生するためのダウンミックス音響信号を生成するようにしたので、受聴者から見て上方向及び下方向に配置した音源から個別再生する音響信号の音像を、少ない演算量にて、受聴者と同じ高さに配置した音源のみで再現可能な音像定位装置を提供することができる。

この発明の実施の形態１に係る音像定位装置の構成を示すブロック図である。図１に示す音像定位装置が入力に用いる上方向及び下方向音響信号を再生するための、本来の音源配置例を示す説明図である。図１に示す音像定位装置が生成したダウンミックス音響信号を再生するための音源配置を示す説明図である。図１に示す上方向定位用補正フィルタの設計手順を示すフローチャートである。図１に示す上方向定位用補正フィルタの周波数特性例を示すグラフである。図１に示す下方向定位用補正フィルタの設計手順を示すフローチャートである。図１に示す下方向定位用補正フィルタの周波数特性例を示すグラフである。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る音像定位装置１０の構成を示すブロック図である。また、図２は、実施の形態１に係る音像定位装置１０が入力に用いる上方向及び下方向音響信号を再生するための、本来の音源配置例を示す説明図である。他方、図３は、実施の形態１に係る音像定位装置１０が生成したダウンミックス音響信号を再生するための音源配置を示す説明図である。以降の説明では、受聴者１００をｘｙｚ座標原点とし、ｘ軸方向を受聴者１００の左右方向、ｙ軸方向を受聴者１００の前後方向、ｚ軸方向を受聴者１００の上下方向とする。

図２において、スピーカ等からなる上方向音源１は、受聴者１００から見て前方上方向に配置され、上方向音響信号を再生する。また、スピーカ等からなる下方向音源２は、受聴者１００から見て前方下方向に配置され、下方向音響信号を再生する。上方向音源１と下方向音源２の中間点Ａは受聴者１００と同じ高さになるものとし、受聴者１００から中間点Ａまでの距離は任意とする。

図３において、音像定位装置１０が生成したダウンミックス音響信号を再生する音源３は、中間点Ａの位置に配置する。この音源３も上方向音源１及び下方向音源２と同様にスピーカ等で構成される。なお、図３に破線で示す上方向音源１及び下方向音源２は、受聴者１００と音源３との位置関係を明確にするために表記したものであり、音像定位装置１０構成上は不要である。本実施の形態１による音像定位装置１０は、上方向音源１で再生するための上方向音響信号と、下方向音源２で再生するための下方向音響信号とをダウンミックス処理して、中間点Ａに配置した１個の音源３のみで再生するためのダウンミックス音響信号を生成するためのものである。この音像定位装置１０は、図１に示すように、上方向音響信号を入力として用い、音像を上方向に定位させる上方向定位用補正フィルタ１１と、下方向音響信号を入力として用い、音像を下方向に定位させる下方向定位用補正フィルタ１２と、上方向定位用補正フィルタ１１及び下方向定位用補正フィルタ１２でフィルタ処理された各音響信号の利得を調整する利得調整部１３，１４と、利得調整部１３，１４で利得調整された音響信号を加算してダウンミックス音響信号を出力する加算処理部１５とを備える。

次に、ダウンミックス音響信号を生成する方法を説明する。
音像定位装置１０において、上方向音響信号は、上方向定位用補正フィルタ１１に入力されて音像を上方向に定位させるフィルタ処理がされ、更に利得調整部１３において１／√２倍に利得調整がされ、加算処理部１５へ入力される。
下方向音響信号は、下方向定位用補正フィルタ１２に入力されて音像を下方向に定位させるフィルタ処理がされ、更に利得調整部１４において１／√２倍に利得調整がされ、加算処理部１５へ入力される。

加算処理部１５では、利得調整部１３及び利得調整部１４にて利得調整された２個の音響信号の加算処理を行い、この信号をダウンミックス音響信号として音源３へ出力する。
なお、上述の説明においては、利得調整部１３，１４における利得調整値を１／√２倍としたが、この値に限定するものではなく、上方向定位用補正フィルタ１１及び下方向定位用補正フィルタ１２のフィルタ特性に応じて値を変更してもよいことを付け加えておく。

次に、上方向定位用補正フィルタ１１及び下方向定位用補正フィルタ１２のフィルタ設計手順を説明する。本実施の形態１に係る上方向定位用補正フィルタ１１及び下方向定位用補正フィルタ１２は、３種類の周波数を強調又は抑圧することで、音響信号の音像を上方向又は下方向に定位させる。なお、以下に説明するフィルタ設計処理は、フィルタ設計部（図１では図示を省略）が行うものとし、このフィルタ設計部は音像定位装置１０外部に備えるように構成してもよいし、音像定位装置１０内部に備えるように構成してもよい。

先ず、上方向定位用補正フィルタ１１のフィルタ設計手順を説明する。図４は、上方向定位用補正フィルタ１１の設計手順を示すフローチャートである。フィルタ設計部は、ステップＳＴ１において、４〜７ｋＨｚの周波数範囲から強調する周波数を決め、これを周波数Ｎとする。この４〜７ｋＨｚの周波数は、音響信号の音像を上方向又は下方向に定位させるのに最も効果のある帯域にあたり、上方向定位用補正フィルタ１１がこの周波数成分を強調することで音像の上方移動を可能とする。

ステップＳＴ２以降は、レベルの補正に関する処理となる。フィルタ設計部は、ステップＳＴ２において周波数ＮのレベルをＸｄＢ上げ、ステップＳＴ３において周波数Ｎの半分の周波数、即ち周波数Ｎ／２のレベルをＸ／２ｄＢ上げ、ステップＳＴ４において周波数Ｎの２倍の周波数、即ち周波数２ＮのレベルをＸ／２ｄＢ上げる。

ステップＳＴ３において、周波数Ｎ／２のレベルを上げる構成とした理由は、高調波成分を含む周波数帯域において、ある１点の周波数（ここでは周波数Ｎを指す）のみを強調した場合に生じる音質劣化を避けるためである。また、その補正量については、聴感上のバランスを考えた場合、周波数Ｎの補正量の半分以下の補正量とするのがよい。

また、ステップＳＴ４において、周波数２Ｎのレベルを上げる構成とした理由は、高調波成分を含む周波数帯域の補正により縮退する恐れのある明瞭度を改善するためである。また、その補正量については、聴感上のバランスを考えた場合、周波数Ｎの補正量の半分以下の補正量とするのがよい。

図４に示すフィルタ設計手順に従って作成した、上方向定位用補正フィルタ１１の周波数特性例を図５に示す。図５は、上方向定位用補正フィルタ１１として使用する、音像を上方向に定位させるフィルタの周波数特性の一例を示したグラフであり、横軸は対数スケールの周波数（Ｈｚ）、縦軸はレベル（ｄＢ）である。グラフでは、周波数Ｎを４ｋＨｚ、その補正レベルを３．０ｄＢとした場合のフィルタ周波数特性を例示しており、この場合は、２ｋＨｚを１．５ｄＢ、４ｋＨｚを３．０ｄＢ、８ｋＨｚを１．５ｄＢ強調する特性となる。

上方向定位用補正フィルタ１１は、フィルタ設計部が設計した周波数特性を、直列に接続した３個のイコライザ１１ａ，１１ｂ，１１ｃにより実現する（図１）。イコライザは、特定の周波数を強調又は抑圧するために用いる装置であり、演算量の少ない２次のＩＩＲ（ＩｎｆｉｎｉｔｅＩｍｐｕｌｓｅＲｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタを用いて容易に実現できる。図５に示す特性の上方向定位用補正フィルタ１１を実現するために、フィルタ設計部が、第１イコライザ１１ａのフィルタは２ｋＨｚを１．５ｄＢ上げる特性にし、第２イコライザ１１ｂのフィルタは４ｋＨｚを３．０ｄＢ上げる特性にし、第３イコライザ１１ｃのフィルタは８ｋＨｚを１．５ｄＢ上げる特性にすればよい。

続いて、下方向定位用補正フィルタ１２のフィルタ設計手順を説明する。図６は、下方向定位用補正フィルタ１２の設計手順を示すフローチャートである。フィルタ設計部は、ステップＳＴ１１において、上方向定位用補正フィルタ１１のフィルタ設計の際に決定した周波数Ｎを、抑圧する周波数Ｍとする。これにより、音響信号の音像を上下方向に定位させるのに最も効果のある周波数帯域の補正が、上方向定位用補正フィルタ１１では強調補正、下方向定位用補正フィルタ１２では抑圧補正となり、上下方向の音像定位がはっきりする。

ステップＳＴ１２以降は、レベルの補正に関する処理となる。フィルタ設計部は、ステップＳＴ１２において、周波数Ｍ（即ち周波数Ｎ）のレベルをＸｄＢ下げる。なお、補正量Ｘの絶対量は、上方向定位用補正フィルタ１１との対称性を加味して、周波数Ｎの補正量と同一にする。フィルタ設計部は、ステップＳＴ１３において周波数Ｍの半分の周波数、即ち周波数Ｍ／２のレベルをＸ／２ｄＢ下げ、ステップＳＴ１４において周波数Ｍの２倍の周波数、即ち周波数２ＭのレベルをＸ／２ｄＢ上げる。

ステップＳＴ１３において、周波数Ｍ／２のレベルを下げる構成とした理由は、高調波成分を含む周波数帯域において、ある１点の周波数（ここでは周波数Ｍを指す）のみを抑圧した場合に生じる音質劣化を避けるためである。また、その補正量については、聴感上のバランスを考えた場合、周波数Ｍの補正量の半分以下の補正量とするのがよい。

また、ステップＳＴ１４において、周波数２Ｍのレベルを上げる構成とした理由は、高調波成分を含む周波数帯域の補正により縮退する恐れのある明瞭度を改善するためである。また、その補正量については、聴感上のバランスを考えた場合、周波数Ｍの補正量の半分以下の補正量とするのがよい。

図６に示すフィルタ設計手順に従って作成した、下方向定位用補正フィルタ１２の周波数特性例を図７に示す。図７は、下方向定位用補正フィルタ１２として使用する、音像を下方向に定位させるフィルタの周波数特性の一例を示したグラフであり、横軸は対数スケールの周波数（Ｈｚ）、縦軸はレベル（ｄＢ）である。グラフでは、周波数Ｍを４ｋＨｚ、その補正レベルを−３．０ｄＢとした場合のフィルタ周波数特性を例示しており、この場合は、２ｋＨｚを−１．５ｄＢ、４ｋＨｚを−３．０ｄＢ抑圧し、８ｋＨｚを１．５ｄＢ強調する特性となる。

下方向定位用補正フィルタ１２は、フィルタ設計部が設計した周波数特性を、直列に接続した３個のイコライザ１２ａ，１２ｂ，１２ｃにより実現する（図１）。上方向定位用補正フィルタ１１と同様に、各イコライザは２次のＩＩＲフィルタを用いて実現すればよい。図７に示す特性の下方向定位用補正フィルタ１２を実現するために、フィルタ設計部が、第４イコライザ１２ａのフィルタは２ｋＨｚを１．５ｄＢ下げる特性にし、第５イコライザ１２ｂのフィルタは４ｋＨｚを３．０ｄＢ下げる特性にし、第６イコライザ１２ｃのフィルタは８ｋＨｚを１．５ｄＢ上げる特性にすればよい。

音像定位装置１０が生成したダウンミックス音響信号を、図３の音源３の位置で再生すれば、上方向音響信号相当の音像が上方向に定位され、下方向音響信号相当の音像が下方向に定位されるので、１つの音源３によって上方向音源１及び下方向音源２の音像を再現することができる。

以上のように、この実施の形態１によれば、音像定位装置１０を、受聴者１００より上方向に配置される上方向音源１から再生するための上方向音響信号をフィルタ処理して、音像を上方向に定位させる上方向定位用補正フィルタ１１と、受聴者１００より下方向に配置される下方向音源２から再生するための下方向音響信号をフィルタ処理して、音像を下方向に定位させる下方向定位用補正フィルタ１２と、フィルタ処理した上方向音響信号及び下方向音響信号の利得調整を行う利得調整部１３，１４と、利得調整した上方向音響信号及び下方向音響信号を加算して、受聴者１００と略同一高さ位置に配置される音源３から再生するためのダウンミックス音響信号を生成する加算処理部１５とを備えるように構成した。このため、受聴者より上方向に配置された音源から再生される音響信号の音増は上方向に定位させ、受聴者より下方向に配置された音源から再生される音響信号の音像は下方向に定位させることが可能な音像定位装置を実現することができる。

また、上方向及び下方向音響信号の音像を上下方向に定位させるのに最も効果のある周波数帯域について、上方向定位用補正フィルタ１１では強調、下方向定位用補正フィルタ１２では抑圧するように構成したので、上下方向への音像定位をはっきりさせることができる。
更に、上方向及び下方向音響信号の音像を上下方向に定位させるのに最も効果のある周波数帯域の半分の周波数について、上方向定位用補正フィルタ１１では強調、下方向定位用補正フィルタ１２では抑圧すると共に、２倍の周波数について、上方向定位用補正フィルタ１１及び下方向定位用補正フィルタ１２とも強調するように構成した。そのため、音像定位のためのフィルタ処理による音質劣化を防止することができる。

また、上方向定位用補正フィルタ１１及び下方向定位用補正フィルタ１２とも、２次のＩＩＲフィルタ３個で実現する構成にしたので、少ない演算量にて上下方向への音像定位が可能となる。

なお、上記実施の形態１では、受聴者正面の上下方向の音源を集約する構成にしたが、これに限定されるものではなく、正面以外の上下方向、具体的には、受聴者から見て左斜め前方・右斜め前方、左側面・右側面、左斜め後方・右斜め後方、後方上下方向に配置される音源を集約する構成にしても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

１上方向音源、２下方向音源、３音源、１０音像定位装置、１１上方向定位用補正フィルタ、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ第１，第２，第３イコライザ、１２下方向定位用補正フィルタ、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ第４，第５，第６イコライザ、１３，１４利得調整部、１５加算処理部、１００受聴者、Ａ中間点。

Claims

複数の音響信号に対して音像の定位を制御する音像定位装置において、
音響信号をフィルタ処理して、音像を上方向に定位させる上方向定位用補正フィルタと、
前記音響信号とは別の音響信号をフィルタ処理して、音像を下方向に定位させる下方向定位用補正フィルタと、
前記上方向定位用補正フィルタ及び前記下方向定位用補正フィルタでフィルタ処理した各音響信号の利得調整を行う利得調整部と、
前記利得調整部で利得調整した各音響信号を加算して、受聴者と略同一高さ位置に配置される音源から再生するためのダウンミックス音響信号を生成する加算処理部とを備える音像定位装置。
受聴者より上方向に配置される上方向音源から再生するための音響信号を上方向定位用補正フィルタの入力とし、
前記受聴者より下方向に配置される下方向音源から再生するための音響信号を下方向定位用補正フィルタの入力とすることを特徴とする請求項１記載の音像定位装置。
上方向定位用補正フィルタは、周波数Ｎを強調して音像を上方向に定位させると共に、周波数Ｎ／２及び周波数２Ｎを強調することを特徴とする請求項１または請求項２記載の音像定位装置。
下方向定位用補正フィルタは、周波数Ｎを抑圧して音像を下方向に定位させると共に、周波数Ｎ／２を抑圧し、かつ、周波数２Ｎを強調することを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の音像定位装置。
上方向定位用補正フィルタ又は下方向定位用補正フィルタは、３個の２次のＩＩＲフィルタで構成されることを特徴とする請求項３または請求項４記載の音像定位装置。