JP5409377B2 - 高域補間装置および高域補間方法 - Google Patents

Description

本発明は、高域補間装置および高域補間方法に関し、より詳細には、オーディオ信号の周波数帯域に応じて適切な高域補間信号を生成することが可能な高域補間装置および高域補間方法に関する。

今日では、ＣＤやＤＶＤ等の記録媒体に記録された音楽情報を、ＣＤプレーヤやＤＶＤプレーヤなどの再生装置を用いて出力するデジタルオーディオ機器が一般的に普及している。これらのデジタルオーディオ機器では、音楽情報がデジタル情報としてＣＤ等の記録媒体に記録されているため、音楽の再生・録音に伴う劣化等を防止することができ、高音質の音楽を楽しむことが可能となっている。しかしながら、このような記録媒体に記録される一般的なデジタル情報（音楽情報）は、一般的に人間の耳で聴取可能とされる周波数領域内の情報に制限されており、一定周波数以上となる高域の音楽情報は削除されている。

例えば、一般的な人間が聴取可能な周波数は、２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚといわれている。一方で、音楽ＣＤで使用されるサンプリング周波数は４４．１ｋＨｚとなっており、このＣＤにおいて再生可能な周波数は２０ｋＨｚ以下となっている。このようにＣＤ等の記録媒体では、人間の聴取可能な周波数（２０ｋＨｚ）以上の音楽情報を制限している。

しかしながら、人間の耳では、この２０ｋＨｚ以上の高周波成分も、音色の違いとして感知することが可能となっている。このため、高周波成分がカットしてしまったデジタルオーディオ機器の出力音声には、従来のアナログオーディオ機器のような音の深みや迫力などが感じられないという声が多く存在している。このため、今日では、デジタルオーディオ機器において再生される音楽に対して高域の音声信号を補間することによって、聴取者の満足感を高める方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載される高域補間装置では、高域の制限されたオーディオ信号において、所定の上限周波数に対してアップサンプリング、すなわち信号の中央に零次補間を行った後に、高周波信号を除去するためにローパスフィルタリング処理をしてダウンサンプリングを行い、さらに所定の特性になるようなエンベロープ処理を行うことによって高域の補間を行っている。

このような高域補間を行うことによって、音響再生時における高域の不足感を改善させることが可能となる。
特開平９−２３１２７号公報（第２−３頁、第２図）

しかしながら、上述した高域補間装置では、オーディオ信号の所定の上限周波数に対して、アップサンプリングを行うため、サンプリング周波数（サンプリング速度）が２倍以上となってしまう。例えば、音楽ＣＤのサンプリング周波数は４４．１ｋＨｚであるため、アップサンプリングが行われる周波数は２倍の８８．２ｋＨｚとなってしまい、音楽ＤＶＤのサンプリング周波数は９６ｋＨｚであるため、アップサンプリングが行われる周波数は２倍の１９２ｋＨｚとなってしまう。このように高い周波数においてアップサンプリング処理を行う場合には、高域補間装置における処理負荷が増大してしまい、円滑な高域補間処理が困難になるとともに、高域補間装置のコスト負担が重くなるという問題があった。

また、帯域制限されたオーディオ信号において、音源の種類、音源のオープニングやエンディング、サビなどの再生位置によって、実効的な帯域幅や周波数レベルは刻々と変化する。しかしながら、上述した高域補間装置では、このような変化を考慮していないため、現実に上述した高域補間装置を用いて高域補間を行ったとしても、周波数特性においてスペクトルが不連続となってしまい、補間効果が低減してしまうという問題があった。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、アップサンプリング処理におけるサンプリング速度（サンプリング周波数）を増加させることなく、さらに、再生音楽に応じて周波数特性のスペクトル特性が連続する補間信号を生成することが可能な高域補間装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る高域補間装置は、オーディオ信号の周波数特性に基づいて、オーディオ信号の帯域幅の種別を予め帯域幅毎に設定された帯域判定値として判定する帯域判定手段と、前記帯域判定値に基づいてハイパスフィルタのフィルタ係数を選択し、選択されたフィルタ係数を備えるハイパスフィルタを用いて前記オーディオ信号のフィルタ処理を行った後に前記オーディオ信号に対する高域補間信号を生成する補間信号生成手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る高域補間方法は、オーディオ信号の周波数特性に基づいて、帯域判定手段が、オーディオ信号の帯域幅の種別を予め帯域幅毎に設定された帯域判定値として判定する帯域判定ステップと、前記帯域判定値に基づいて、補間信号生成手段が、ハイパスフィルタのフィルタ係数を選択し、選択されたフィルタ係数を備えるハイパスフィルタを用いて前記オーディオ信号のフィルタ処理を行い、前記オーディオ信号に対する高域補間信号を生成する補間信号生成ステップとを備えることを特徴とする。

本発明に係る高域補間装置および高域補間方法によれば、帯域判定値に基づいてハイパスフィルタのフィルタ係数を選択し、選択されたフィルタ係数を備えるハイパスフィルタを用いてオーディオ信号のフィルタ処理を行った後にオーディオ信号に対する高域補間信号を生成するので、生成される高域補間信号を、オーディオ信号の帯域幅に応じて調整することができ、オーディオ信号の帯域幅に応じて最適な高域補間信号を生成することが可能となる。従って、オーディオ信号のスペクトルにおいて帯域的に連続した補間信号を生成することが可能となり、再生されるオーディオ信号において音の深みや迫力などを違和感なく付加して聴取者の満足感を高めることが可能となる。

また、本発明に係る高域補間装置は、上述した高域補間装置に対して、前記帯域判定手段により判定された前記帯域判定値に基づいて、前記補間信号生成手段により生成された補間信号の周波数変換を行う周波数変換手段をさらに備えるものであってもよい。

さらに、本発明に係る高域補間方法は、上述した高域補間方法において、前記帯域判定ステップにおいて判定された前記帯域判定値に基づいて、周波数変換手段が、前記補間信号生成ステップにおいて生成された補間信号の周波数変換を行う周波数変換ステップをさらに備える方法であってもよい。

このように、本発明に係る高域補間装置および高域補間方法によれば、前記帯域判定値に基づいて補間信号の周波数変換を行うので、オーディオ信号の周波数レベルに適した補間信号の調整を行うことができる。従って、オーディオ信号のスペクトルにおいて周波数レベル的に連続した補間信号を生成することが可能となり、再生されるオーディオ信号において音の深みや迫力などを違和感なく付加して聴取者の満足感を高めることが可能となる。

さらに、上述した高域補間装置において、前記補間信号生成手段が、前記ハイパスフィルタにより前記オーディオ信号のフィルタ処理が行われた信号に対してダウンサンプリング処理を行うダウンサンプリング手段と、前記ダウンサンプリング処理が施された信号に対してアップサンプリング処理を行うアップサンプリング手段と、前記アップサンプリング処理が施された信号から前記ハイパスフィルタにより前記オーディオ信号のフィルタ処理が行われた信号を減算する減算処理手段とをさらに備えるものであってもよい。

また、上述した高域補間方法において、前記補間信号生成ステップは、ダウンサンプリング手段が、前記ハイパスフィルタにより前記オーディオ信号のフィルタ処理が行われた信号に対してダウンサンプリング処理を行うダウンサンプリングステップと、アップサンプリング手段が、前記ダウンサンプリング処理が施された信号に対してアップサンプリング処理を行うアップサンプリングステップと、減算処理手段が、前記アップサンプリング処理が施された信号から前記ハイパスフィルタにより前記オーディオ信号のフィルタ処理が行われた信号を減算する減算処理ステップとをさらに備える方法であってもよい。

本発明に係る高域補間装置および高域補間方法によれば、上述したダウンサンプリング処理およびアップサンプリング処理を行う信号のサンプリング速度（周波数）を、もとのオーディオ信号のサンプリング速度（周波数）の整数倍に増大させることなく処理するので、処理負担の軽減を図ることができる。

本発明に係る高域補間装置および高域補間方法によれば、オーディオ信号の帯域幅に応じて補間信号の帯域および周波数レベルを修正・調整することができるので、オーディオ信号のスペクトルにおいて連続的な補間信号を生成することが可能となる。このため、高域補間のなされたオーディオ信号を再生することにより、音の深みや迫力などを違和感なく付加することができ、聴取者の満足感を高めることが可能となる。

さらに、ダウンサンプリング処理およびアップサンプリング処理を、オーディオ信号のサンプリング速度（周波数）と同じサンプリング速度（周波数）の信号に対して施すことによって補間信号の生成を行うので、補間信号の生成における処理負担の軽減を図ることが可能となる。

本実施の形態に係る高域補間装置の概略構成を示すブロック図である。 本実施の形態に係る周波数分析部の概略構成を示すブロック図である。 本実施の形態に係るＦＦＴ部とスレッショルド検出部との動作例を示した図であり、（ａ）は、ピンクノイズをオーディオ信号として設定した場合の動作例を示し、（ｂ）は、音楽をオーディオ信号として設定した場合の動作例を示している。 本実施の形態に係る帯域判定部における帯域判定値の判定に用いられる帯域幅の帯域分割を示した表である。 周波数の傾きに応じたオフセット量を示した図である。 （ａ）は、図３（ａ）に示すピンクノイズにおいて最大値ホールドされた周波数特性とこの周波数の傾きから求められる１次の回帰分析例とを示しており、（ｂ）は、図３（ｂ）に示す音楽における最大値ホールドされた周波数特性とこの周波数の傾きから求められる１次の回帰分析例とを示している。 本実施の形態に係る補間信号生成部の概略構成を示すブロック図である。 本実施の形態に係るフィルタ係数テーブル部において、ＨＰＦ帯域判定値に基づいて選択されるフィルタ係数の対応を示した表である。 図８に示す表２のフィルタ係数を備えたハイパスフィルタのフィルタ特性を示した図である。 本実施の形態に係るサンプリング変換部の概略構成を示すブロック図である。 （ａ）は、ＨＰＦ部においてフィルタ処理されたオーディオ信号の周波数特性を示しており、（ｂ）は、（ａ）に示されるオーディオ信号に対してダウンサンプリング処理が施された信号の周波数特性を示している。 （ａ）は、ゲイン補正部においてゲイン補正された信号に対して、アップサンプリング処理がなされた信号の周波数特性を示しており、（ｂ）は、アップサンプリング処理がなされた信号に対して、減算処理された信号の周波数特性を示している。 本実施の形態に係る周波数変換部の概略構成を示すブロック図である。 本実施の形態に係る正弦波発生部が帯域判定値に対応させて生成する正弦波周波数とその位相の関係を示している。 （ａ）は、帯域１５ｋＨｚのピンクノイズを高域補間装置で補間する前のオーディオ信号の周波数特性を示し、（ｂ）は、高域補間装置を用いて高域補間処理がなされたオーディオ信号の周波数特性を示している。 （ａ）は、帯域１５ｋＨｚの音楽を高域補間装置で補間する前のオーディオ信号の周波数特性を示し、（ｂ）は、高域補間装置を用いて高域補間処理がなされたオーディオ信号の周波数特性を示している。 （ａ）は、帯域１０ｋＨｚの音楽を高域補間装置で補間する前のオーディオ信号の周波数特性を示し、（ｂ）は、高域補間装置を用いて高域補間処理がなされたオーディオ信号の周波数特性を示している。

符号の説明

１ …高域補間装置
２ …周波数分析部
３ …補間信号生成部（補間信号生成手段）
４ …周波数変換部（周波数変換手段）
５ …遅延部
６ …加算部
８ …ＦＦＴ部
９ …スレッショルド検出部
１０ …多数決判定部
１１ …帯域判定部（帯域判定手段）
１２ …カットオフ周波数計算部
１５ …フィルタ係数テーブル部
１６ …ＨＰＦ部
１７ …サンプリング変換部
２０ …ダウンサンプリング部（ダウンサンプリング手段）
２１ …ゲイン補正部
２２ …アップサンプリング部（アップサンプリング手段）
２３ …減算処理部（減算処理手段）
２５ …ヒルベルト変換部
２６ …遅延部
２７ …正弦波発生部
２８、２９ …乗算処理部
３０ …減算処理部

以下、本発明に係る高域補間装置について、図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る高域補間装置の概略構成を示したブロック図である。図１に示すように、高域補間装置１は、周波数分析部２と、補間信号生成部（補間信号生成手段）３と、周波数変換部（周波数変換手段）４と、遅延部５と、加算部６とを備えている。

なお、高域補間装置１を構成する周波数分析部２（後述する帯域判定部、カットオフ周波数を含む）、補間信号生成部３（後述するサンプリング変換部を含む）、周波数変換部４等は、一般的なデジタル信号処理に適したマイクロプロセッサ、具体的には、一般的なデジタルシグナルプロセッサ (digital signal processor)等によって構成されるものであってもよく、また、汎用性の高い演算処理装置（Central Processing Unit）等がプログラム等に従って、周波数分析部２、補間信号生成部３、周波数変換部４等の機能を実行するもの（演算処理装置が各機能部を構成するもの）であってもよい。

高域補間装置１は、ＣＤやＤＶＤなどの高域周波数の音響データがカットされたオーディオ信号に対して高域の補間信号を付加することによって、音の深みや迫力を増長させる役割を有している。

具体的には、入力されたオーディオ信号の周波数分析を周波数分析部２で行い、分析された周波数に応じて補間信号生成部３で高域の補間信号を生成し、生成された補間信号を周波数変換部４でオーディオ信号の周波数の帯域を考慮して周波数変換した後に、オーディオ信号に合成して、高域補間のなされたオーディオ信号を生成する。

図２は、周波数分析部２の概略構成を示したブロック図である。周波数分析部２は、オーディオ信号を分析することにより、オーディオ信号の属する帯域を帯域判定値によって判定すると共に、この帯域判定値に対してオフセット処理を施したＨＰＦ帯域判定値を求める役割を有している。

周波数分析部２は、図２に示すように、ＦＦＴ部８と、スレッショルド検出部９と、多数決判定部１０と、帯域判定部（帯域判定手段）１１と、カットオフ周波数計算部１２とを有している。

ＦＦＴ部８は、オーディオ信号を所定の間隔で高速フーリエ変換（すなわちＦＦＴ演算）を行う役割を有している。この高速フーリエ変換によって、オーディオ信号は周波数領域に変換される。なお、ＦＦＴ部８は高速フーリエ変換を行うことによってオーディオ信号を周波数領域に変換すると共に、平均化処理、デシベル変換を行い、それらの処理が行われた後に、ＦＦＴサンプル毎に最大値ホールド処理を行う。

スレッショルド検出部９は、ＦＦＴ部８によって求められたオーディオ信号の周波数特性に基づいて、低中域と高域との信号レベルを計算する。そして、計算された低中域と高域との信号レベルに基づいて中間の値となるスレッショルド（閾値）を設定し、このスレッショルドを基準としたオーディオ信号の帯域幅を検出する。

なお、低中域と高域の信号レベルの差が小さく、高域のレベルが所定のレベル以上になる場合には、スレッショルド検出部９において、スレッショルドの検出は不可であると判断され、高域補間装置における高域補間処理は行われない。

図３（ａ）、図３（ｂ）は、ＦＦＴ部８とスレッショルド検出部９との動作例を示した図であり、サンプリング速度（周波数）が４８ｋＨｚ、帯域幅が１５ｋＨｚのピンクノイズをオーディオ信号として設定した場合の動作例を図３（ａ）に示し、同じサンプリング速度・帯域幅の音楽をオーディオ信号として設定した場合の動作例を図３（ｂ）に示している。

なお、ＦＦＴ部８における高速フーリエ変換処理では、ＦＦＴ長を２５６サンプル、平均化数を４フレーム、最大値ホールドを１６フレームとする設定を一例として用いている。ここで、１フレームはＦＦＴ長の半分の１２８サンプルである。

また、スレッショルド検出部９の設定として、低中域の信号レベルは１０ｋＨｚ以下、高域の信号レベルは２０ｋＨｚ以上に設定されており、これらの信号レベルをＦＦＴ部８出力のＦＦＴサンプルポイントに換算すると、低中域は５３ポイント以下のレベル、高域は１０７ポイント以上のレベルに該当する。以上のような設定において、ピンクノイズにおけるスレッショルド（閾値）は−５６ｄＢとなり（図３（ａ）参照）、音楽におけるスレッショルド（閾値）は−８１ｄＢ（図３（ｂ）参照）に設定され、ＦＦＴサンプルポイントにおける帯域幅は、それぞれ８２ポイントとして検出される。

多数決判定部１０は、スレッショルド検出部９において出力される帯域幅の検出値に基づいて、最適な検出値の判定を、多数決により１フレーム間隔（本実施の形態では、上述したように１２８サンプル間隔）で判定する役割を有している。例えば、判定数が「４」に設定されている場合に、帯域幅の検出値として「８２」、「７９」、「８２」、「８１」の４つの値が検出された場合には、検出数が最も多い検出値である「８２」を、最適な検出値として決定する。なお、本説明においては一例として判定数が４の場合を示したが、判定数は４よりも多くても少なくてもよく、必ずしも４には限定されない。

なお、ＦＦＴ部８において平均化処理、最大値ホールド処理が組み合わされて実施されることによって、多数決判定部１０における帯域幅の検出精度の向上が図られている。

帯域判定部１１は、多数決判定部１０において決定された帯域幅が、どの帯域に属するかを帯域判定値として判定する役割を有している。本実施形態においては、図４に示すように、１．０ｋＨｚ間隔で９つの帯域に分割した表１を一例として用いて、帯域の判断を行う。図３（ａ）および図３（ｂ）に示した例では、ＦＦＴサンプルポイントが共に８２ポイントであったため、表１に基づいて帯域判定値は「７」と判定される。

カットオフ周波数計算部１２は、ＦＦＴ部８において最大値ホールドされたオーディオ信号の周波数の傾きを、１次の回帰分析を用いて計算する。

そして、カットオフ周波数計算部１２は、１次の回帰分析により求められた周波数の傾きに基づいて、帯域判定部１１において判定された帯域判定値をオフセット処理して、ＨＰＦ帯域判定値を求める。

図５は、周波数の傾きに応じたオフセット量を示した図である。オフセット量は、図５に示すように、周波数の傾きがない場合（周波数がフラットの場合）、もしくは、低域の値よりも高域の値の方が大きい場合は０とし、高域の値が低域の値よりも小さくなり周波数の傾きが負の方向に大きくなるにしたがってオフセット量が大きくなるように設定されている。なお、回帰分析の分析帯域の上限には、多数決判定部１０で得られた帯域の検出値が設定される。

図６（ａ）は、図３（ａ）に示されたピンクノイズにおいて最大値ホールドされた周波数特性と、この周波数の傾きから求められる１次の回帰分析例とを示している。また、図６（ｂ）は、図３（ｂ）に示された音楽における最大値ホールドされた周波数特性と、この周波数の傾きから求められる１次の回帰分析例とを示している。図６（ａ）に示すピンクノイズの周波数特性は比較的フラットに近いため、オフセット量は０となる。一方で、図６（ｂ）の音楽の周波数特性は高域の値が低域の値よりも小さくなっているため、図５の傾きに従って、オフセット量が１となる。

次に、補間信号生成部３について説明する。補間信号生成部３は、オーディオ信号に基づいて最適な補間信号を生成する役割を有している。補間信号生成部３は、図７に示すように、フィルタ係数テーブル部１５と、ＨＰＦ部１６と、サンプリング変換部１７とを有している。

フィルタ係数テーブル部１５は、カットオフ周波数計算部１２において求められたＨＰＦ帯域判定値に基づいて、ＨＰＦ部１６で適用するフィルタ係数を選択する役割を有している。具体的には、図８の表２に示すように、ＨＰＦ帯域判定値に応じてカットオフ周波数が４ｋＨｚ〜１６ｋＨｚまでのフィルタ係数が選択される。

図９は、それぞれのフィルタ係数に対応するハイパスフィルタ（ＨＰＦ）のフィルタ特性を示したグラフである。図９に示すハイパスフィルタは、ブラックマンウインドウを用いた３２タップのＦＩＲフィルタであり、カットオフ周波数は、図８の表２および図９に示すように、４ｋＨｚから１ｋＨｚ間隔のステップで１６ｋＨｚまで示されている。

なお、図８の表２では、ＨＰＦ帯域判定値が１〜１３まで示されており、図４の表１に示される帯域判定値の数１〜９よりも数が多くなっているが、ＨＰＦ帯域判定値は、上述したように帯域判定値に対してオフセットされた値が設定されて判定値が増加するため、判定値数が多くなっている。

例えば、上述したように、図６（ａ）に示すピンクノイズの周波数特性は、比較的フラットに近いためオフセット量が０となる一方で、図６（ｂ）に示す音楽の周波数特性は、高域の値が低域の値よりも小さくなっているため、図５の傾きに従って、オフセット量が１となる。従って、帯域判定部１１の帯域判定値が７であった場合には、ピンクノイズのＨＰＦ帯域判定値は７となり、音楽の場合には、オフセット量が１であることから、ＨＰＦ帯域判定値が８となる。

ＨＰＦ部１６は、フィルタ係数テーブル部１５において選択されたフィルタ係数のハイパスフィルタ（図９参照）を用いて、オーディオ信号に対するフィルタ処理を施す。ＨＰＦ部によるフィルタ処理によって、オーディオ信号は低域の信号が制限された信号となる。

サンプリング変換部１７は、ＨＰＦ部１６においてフィルタ処理されたオーディオ信号に基づいて、補間信号を生成する役割を有している。図１０は、サンプリング変換部１７の概略構成を示したブロック図である。サンプリング変換部１７は、ダウンサンプリング部（ダウンサンプリング手段）２０と、ゲイン補正部２１と、アップサンプリング部（アップサンプリング手段）２２と、減算処理部（減算処理手段）２３とを有している。

ＨＰＦ部１６においてフィルタ処理されたオーディオ信号は、ダウンサンプリング部２０においてダウンサンプリング処理された後に、ゲイン補正部２１においてゲイン補正が行われ、その後にアップサンプリング部２２によりアップサンプリング処理される。そして、アップサンプリング処理されたオーディオ信号に対して、ダウンサンプリング部２０、ゲイン補正部２１、アップサンプリング部２２において処理がなされていないオーディオ信号との減算処理が、減算処理部２３により施されて補間信号が生成される。このようにして生成された補間信号は、入力されたオーディオ信号のミラー信号となる。

図１１（ａ）、図１１（ｂ）、図１２（ａ）、図１２（ｂ）は、ＨＰＦ部１６において帯域幅１５ｋＨｚでフィルタ処理（ハイパスフィルタを用いたフィルタ処理）が施されたホワイトノイズが、サンプリング変換部１７において処理される場合における周波数特性の変化を示した図である。

図１１（ａ）は、ＨＰＦ部１６においてフィルタ処理されたオーディオ信号の周波数特性を示しており、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示されるオーディオ信号に対して、ダウンサンプリング部２０でダウンサンプリング処理が施された信号の周波数特性を示している。図１２（ａ）は、ゲイン補正部２１においてゲイン補正された信号に対して、アップサンプリング部２２によりアップサンプリング処理がなされた信号の周波数特性を示しており、図１２（ｂ）は、アップサンプリング処理がなされた信号に対してオーディオ信号（処理のなされていないオーディオ信号）が、減算処理部２３により減算処理された信号の周波数特性を示している。

このように、サンプリング変換部１７においてダウンサンプリング処理とアップサンプリング処理とを行うことにより、入力されたオーディオ信号に対して折り返し信号が合成されることになるが、入力されたオーディオ信号を減算することにより、最終的には、折り返し信号（ミラー信号）のみが残ることになる。本実施の形態に係る高域補間装置１のサンプリング変換部１７では、オーディオ信号のサンプリング速度（サンプリング周波数）を増加させることなく補間信号を生成するので、従来の高域補間装置のような処理負荷の増大を回避することが可能となる。

次に、周波数変換部４について説明する。周波数変換部４は、補間信号生成部３において生成された補間信号を、オーディオ信号に対応させて周波数調整（周波数変換）する役割を有している。周波数変換部４は、図１３に示すように、ヒルベルト変換部２５と、遅延部２６と、正弦波発生部２７と、乗算処理部２８，２９と、減算処理部３０とを有している。

ヒルベルト変換部２５と遅延部２６とは、サンプリング変換部１７において生成された補間信号に対して、０度位相および９０度位相となる補間信号を生成する役割を有している。例えば、ヒルベルト変換部２５において、３０タップのＦＩＲ（Finite Impulse Response：有限インパルス応答）フィルタを用いた場合には、遅延部２６において１５サンプルの遅延を設定する。

正弦波発生部２７は、周波数分析部２の帯域判定部１１において判定された帯域判定値に応じて、０度位相および９０度位相の正弦波を発生させる役割を有している。図１４に示す表３は、帯域判定値に対する正弦波周波数と位相の関係を示している。

ここで、表３に示す正弦波周波数の周数数間隔は、帯域判定部１１で分割した間隔の２倍となる２ｋＨｚに設定されており、正弦波周波数は、補間信号の周波数変換量に対応するものである。表３において、帯域判定値が帯域６〜帯域８の場合、正弦波発生部２７は、高域側に２ｋＨｚ〜６ｋＨｚの周波数変換を行う。具体的に、正弦波発生部２７は、遅延部２６より出力された０度位相の補間信号に対して０度位相の正弦波を出力して乗算処理部２８において積算処理を行わせる（図１３に示す正弦波発生部２７のＡより出力）。また、正弦波発生部２７は、ヒルベルト変換部２５より出力された９０度位相の補間信号に対して９０度位相の正弦波を出力して乗算処理部２９において積算処理を行わせる（図１３に示す正弦波発生部２７のＢより出力）。

一方で、帯域判定値が帯域４〜帯域２の場合、正弦波発生部２７は、帯域６〜帯域８の位相を反転することで、負側すなわち低域側に２ｋＨｚ〜６ｋＨｚの周波数変換を行う。具体的に、正弦波発生部２７は、遅延部２６より出力された０度位相の補間信号に対して９０度位相の正弦波を出力して乗算処理部２８において積算処理を行わせる（図１３に示す正弦波発生部２７のＡより出力）。また、正弦波発生部２７は、ヒルベルト変換部２５より出力された９０度位相の補間信号に対して０度位相の正弦波を出力して乗算処理部２９において積算処理を行わせる（図１３に示す正弦波発生部２７のＢより出力）。

また、正弦波発生部２７は、帯域判定値が帯域５の場合には、遅延部２６より出力された０度位相の補間信号に対して１を出力し（図１３に示す正弦波発生部２７のＡより出力）、ヒルベルト変換部２５より出力された９０度位相の補間信号に対して０を出力して（図１３に示す正弦波発生部２７のＢより出力）、補間信号の周波数変換を行わない。

さらに、正弦波発生部２７は、帯域判定値が帯域１または帯域９の場合に、遅延部２６より出力された０度位相の補間信号およびヒルベルト変換部２５より出力された９０度位相の補間信号に対して０を出力することにより、補間信号による高域補間を行わないようにする。正弦波発生部２７において帯域１または帯域９が選択される場合とは、オーディオ信号の帯域が想定する帯域内にない場合であり、本実施の形態では、帯域が９．５ｋＨｚ未満もしくは１６．５ｋＨｚ以上の場合（図４に示す表１の周波数範囲参照）が該当し、また、スレッショルド検出部９において帯域幅を検出できなかった場合にも該当する。

このようにして乗算処理部２８および乗算処理部２９において算出された補間信号は、減算処理部３０において減算処理されることによって、周波数変換が実現された折り返し信号のない高域補間信号となる。

そして、図１に示すように、周波数変換部４において生成された高域補間信号は、もとのオーディオ信号に対して、加算部６で合成処理されて、高域が補間されたオーディオ信号（もとのオーディオ信号＋高域補間信号）が生成される。なお、もとのオーディオ信号に対して、遅延部５で遅延処理の設定が行われているが、これは高域補間処理に伴う遅延を補正するものである。

図１５〜図１７は、本実施の形態に係る高域補間装置による高域補間の効果を示した図である。図１５（ａ）は、帯域１５ｋＨｚのピンクノイズを高域補間装置１で補間する前のオーディオ信号の周波数特性を示し、図１５（ｂ）は、高域補間装置１を用いて高域補間処理がなされたオーディオ信号の周波数特性を示している。また、図１６（ａ）は、帯域１５ｋＨｚの音楽を高域補間装置１で補間する前のオーディオ信号の周波数特性を示し、図１６（ｂ）は、高域補間装置１を用いて高域補間処理がなされたオーディオ信号の周波数特性を示している。さらに、図１７（ａ）は、帯域１０ｋＨｚの音楽を高域補間装置１で補間する前のオーディオ信号の周波数特性を示し、図１７（ｂ）は、高域補間装置１を用いて高域補間処理がなされたオーディオ信号の周波数特性を示している。

図１５〜図１７に示すように、高域補間装置１を用いて高域補間処理を行うことにより、音源（オーディオ信号）の帯域幅や周波数レベルに依存することなく（または、もとのオーディオ信号に応じて最適化した状態で）、もとのオーディオ信号に対してスペクトルにおいて連続した補間信号を付加（補間）することができ、高域が補間されたオーディオ信号により、聴取者に音楽の深みや迫力を体感させることが可能となる。

以上、説明したように本実施の形態に係る高域補間装置１では、補間信号生成部のサンプリング変換部１７においてダウンサンプリング処理、アップサンプリング処理、減算処理を組み合わせて実施することによって、オーディオ信号のサンプリング速度（サンプリング周波数）を増加させることなく、補間信号の生成を行うことが可能となる。

特に、周波数分析部２においてオーディオ信号の帯域幅に基づいて帯域判定を行い、判定された帯域に応じたフィルタを用いてオーディオ信号にフィルタ処理を施した後に、サンプリング変換部１７における処理を行うので、最適な帯域に調整された補間信号を生成することが可能となる。

さらに、判定された帯域に応じて周波数変換部４で周波数変換を行うことによって、周波数レベルに適した補間信号の調整を行うことが可能となる。このため、生成された補間信号をオーディオ信号の帯域幅・周波数レベルに最適に調整することができ、オーディオ信号のスペクトルにおいて連続的な補間信号を生成することが可能となる。

以上、本発明に係る高域補間装置に関して、図面を用いて詳細に説明を行ったが、本発明に係る高域補間装置は、上述した実施の形態に示すものに限定されるものではない。当業者であれば、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。

Claims (4)

1. オーディオ信号の周波数特性に基づいて、高域周波数の音響データがカットされた周波数を、予め帯域幅毎に設定された帯域判定値として判定する帯域判定手段と、
   前記帯域判定値に基づいてハイパスフィルタのカットオフ周波数を選択し、選択されたカットオフ周波数を備えるハイパスフィルタを用いて前記オーディオ信号のフィルタ処理を行った後に前記オーディオ信号に対する高域補間信号を生成する補間信号生成手段とを備え、
   該補間信号生成手段は、前記ハイパスフィルタにより前記オーディオ信号のフィルタ処理が行われた信号に対してダウンサンプリング処理を行うダウンサンプリング手段と、
   前記ダウンサンプリング処理が施された信号に対してアップサンプリング処理を行うアップサンプリング手段と、
   前記アップサンプリング処理が施された信号から前記ハイパスフィルタにより前記オーディオ信号のフィルタ処理が行われた信号を減算する減算処理手段と
   を有し、
   前記帯域判定手段において前記帯域判定値の判定に用いられた、前記高域周波数の音響データがカットされた周波数に比べて、前記補間信号生成手段において当該帯域判定値に基づいて選択された前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数の方が、低い周波数の値であること
   を特徴とする高域補間装置。
2. 前記帯域判定手段により判定された前記帯域判定値に基づいて、前記補間信号生成手段により生成された高域補間信号の周波数変換を行う周波数変換手段
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の高域補間装置。
3. オーディオ信号の周波数特性に基づいて、帯域判定手段が、高域周波数の音響データがカットされた周波数を、予め帯域幅毎に設定された帯域判定値として判定する帯域判定ステップと、
   前記帯域判定値に基づいて、補間信号生成手段が、ハイパスフィルタのカットオフ周波数を選択し、選択されたカットオフ周波数を備えるハイパスフィルタを用いて前記オーディオ信号のフィルタ処理を行い、前記オーディオ信号に対する高域補間信号を生成する補間信号生成ステップとを備え、
   該補間信号生成ステップは、
   ダウンサンプリング手段が、前記ハイパスフィルタにより前記オーディオ信号のフィルタ処理が行われた信号に対してダウンサンプリング処理を行うダウンサンプリングステップと、
   アップサンプリング手段が、前記ダウンサンプリング処理が施された信号に対してアップサンプリング処理を行うアップサンプリングステップと、
   減算処理手段が、前記アップサンプリング処理が施された信号から前記ハイパスフィルタにより前記オーディオ信号のフィルタ処理が行われた信号を減算する減算処理ステップと
   を有し、
   前記帯域判定ステップにおいて前記帯域判定値の判定に用いられた、前記高域周波数の音響データがカットされた周波数に比べて、前記補間信号生成ステップにおいて当該帯域判定値に基づいて選択された前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数の方が、低い周波数の値であること
   を特徴とする高域補間方法。
4. 前記帯域判定ステップにおいて判定された前記帯域判定値に基づいて、周波数変換手段が、前記補間信号生成ステップにおいて生成された高域補間信号の周波数変換を行う周波数変換ステップ
   を備えることを特徴とする請求項３に記載の高域補間方法。

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