JP5472613B2

JP5472613B2 - 立体音響生成システム、その制御方法及び制御プログラム

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Publication date: 2014-04-16
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Description

本発明は、平面配置スピーカを用いた立体音響生成システムに関するものであって、特に、立体音響を生成する時に頭部伝達関数（ＨＲＴＦ）を左右のスピーカグループに加えることによって立体効果を高めたシステムに係る。

従来では、３Ｄの立体音響を再現する手法として、特許文献１に示されるように、全空間をカバーするように立体的にスピーカを配置し、各スピーカの音量比を操作して立体的な音像を生成するＡＰ（Amplitude Panning）法がある。このようなＡＰ法は、ターゲットとする音像方向の近傍のスピーカだけを利用するので、仰角方向の音像を再現するためには高い位置にスピーカを配置する必要がある。

しかしながら、一般的な家庭環境では、立体配置スピーカシステムのように高い位置にスピーカを配置することは困難であるため、この観点から、平面配置スピーカによる立体音響生成システムに関する提案が、例えば特許文献２や特許文献３に示すように従来からなされている。これらは、クロストークのない２チャンネルヘッドホン再生に近い状態をスピーカシステムで実現する方法である。代表的なものとしてクロストークを逆フィルターによってキャンセルするトランスノーラル法などがある。

また、特許文献４のように、ＦＩＲフィルタを適用することにより、同一平面に配置された２つのスピーカであっても音像を水平方向だけでなく上下方向にパンニング可能な３次元パンニング装置も提案されている。

特開２００９−７７３７９号公報特開平９−２３３６００号公報特開２００８−１６０２６５号公報特許第３１７７７１４号公報

ところで、上記特許文献２や特許文献３に示すような平面配置スピーカを用いた立体音響生成システムでは、頭部伝達関数を用いたステレオヘッドホン、あるいはクロストークキャンセル処理を加えた２チャンネルのスピーカシステムを使用しているが、処理が複雑で、受聴位置が厳しい制限を受けるといった課題が生じる。すなわち、特許文献２や特許文献３のようなトランスノーラル法を採用してクロストークをキャンセルする方法は、受聴位置が狭く当該位置からズレてしまうとクロストークが含まれてしまい、さらには環境の反響を受け易いといった課題がある。

また、上記特許文献４示した方法では、上下方向のパンニングをすべてＦＩＲフィルタで処理するために、その演算処理に時間が掛かるという課題がある。

本発明は上記のような従来技術の課題を解決するために提案されたものであって、その目的は、水平方向だけでなく、任意の垂直方向に定位する音像を簡単な方法により生成することが可能な平面配置スピーカを用いた立体音響生成システム、その制御方法及び制御プログラムを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の立体音響生成システムは、センタースピーカと、左右側のそれぞれに置かれたスピーカグループによる立体音響システムであって、
音源と、
前記音源に対する、受聴者を基準にした音像の方位角θと、仰角αによる音像の定位位置を設定する音像定位設定部と、
前記音像定位設定部により設定された音像の定位に応じて使用するスピーカを選択するスピーカ選択部と、
前記音源からの音声信号に対して畳み込む、前記左右側のスピーカグループ毎の頭部伝達関数を前記音像定位設定部により設定された音像の定位位置に基づき決定する頭部伝達関数決定部と、
前記音像定位設定部により設定された音像の定位位置に基づき、前記スピーカ選択部により選択されたスピーカに対して、配分する音声信号のエネルギー量を演算するエネルギー配分部と、
前記音源からの音声信号に対して前記頭部伝達関数決定部により決定された頭部伝達関数を畳み込み、且つ前記エネルギー配分部により演算された音声信号のエネルギーを各スピーカに割り当てる畳み込み処理部を有する、
ことを特徴とする。

以上のような本発明によれば、受聴者の耳と同程度の高さの水平面上に配置するスピーカを用いる場合であっても、水平方向（方位角の方向）だけでなく垂直方向（仰角の方向）にも自由に定位する音像を生成し立体音響を実現可能な立体音響システム、その制御方法及び制御プログラムを提供することができる。特に、現在のサラウンドシステムで採用されている５．１チャンネルの標準スピーカシステムを利用することで立体音響を生成することができるため、特別な生成装置や、立体的にスピーカを配置することが必要ない利点を有する。

また、本発明は、できるだけ多くのスピーカを用い、多方向からの信号にそれぞれ左か右の頭部伝達関数を畳み込むことによってクロストークの影響を軽減することができるため、クロストークのキャンセル処理を必要とせず、受聴位置の制限を緩くすることが可能である。さらに、通常は受聴位置をスピーカシステムの中心とすることを理想とするが、その近傍においても良好な立体音響を実現することができ、また、受聴者の頭の回転や左右、前後の移動の影響を少なくすることが可能である。

本発明の実施形態に係る立体音響生成システムの全体構成の一例を示すブロック図。本発明の実施形態に係る立体音響生成システムの平面配置スピーカ（５チャンネル）の配置例を示す図。本発明の実施形態に係る立体音響生成システムの音像の定位例を示す図。本発明の実施形態に係る立体音響生成システムの平面配置スピーカ（８チャンネル）の配置例を示す図。本発明の実施形態に係る立体音響生成システムのスピーカ配置及び基準方向（第１の基準方向）を示す図（５チャンネル）。本発明の実施形態に係る立体音響生成システムのスピーカ配置及び基準方向（第１の基準方向）を示す図（８チャンネル）。

［本実施形態］
［１．構成］
次に、本発明の実施形態に係る平面配置スピーカを用いた立体音響システムの構成について、図１〜３を参照して以下に説明する。図１は、本実施形態に係る立体音響システムの全体構成を示す機能ブロック図である。なお、以下では、特別言及のないの場合は５チャンネルの場合を想定し、スピーカ４０は、図２に示すように、左側のスピーカグループ（Ｌ、ＳＬ、８チャンネル場合はＭＬも）と、右のスピーカグループ（Ｒ、ＳＲ、８チャンネルの場合はＭＲも）と、が配置される。

図１に示す通り、本実施形態に係る平面配置スピーカによる立体音響システムは、音源１０と、音像の定位位置やチャンネル数の指定等、各種入力操作を行う操作部２０と、後述する各機能により所望の音像の定位を実現するように、スピーカ４０毎の音量配分や頭部伝達関数の付与等の定位処理を実行する音像定位処理部３０と、スピーカ４０（Ｃ、Ｌ、ＳＬ、Ｒ、ＳＲ）と、から構成されている。

ここで、音像定位処理部３０の具体的な構成について以下に詳述する。
まず、図１に示す通り、前記操作部２０による入力操作に応じて、所望の仮想的な音像の定位位置を設定する音像定位設定部３０１を備えている。例えば、図３に示すように、この音像定位設定部３０１は、操作部２０を通じて操作により、受聴者を基準とした音像の方位角θと、上下方向を決める仰角αからなる所望の音像定位（方位角θ、仰角α）を設定する。

また、音像定位処理部３０は、音像定位設定部３０１により設定された音像の定位に応じて、図２のように配置されたスピーカ４０のうち、使用するものを選択するスピーカ選択部３０２を備えている。なお、具体的なスピーカ４０の選択態様については［２．３．音声信号のエネルギー配分処理］の項目において説明する。

また、音像定位処理部３０は、音源１０からの音声信号に対して畳み込む左右のスピーカ４０グループ毎の頭部伝達関数を決定する頭部伝達関数決定部３０３を備えている。ここで、頭部伝達関数とは、音像位置から音を発生させる場合の、音源から受聴者の耳に至るまでの音の伝達関数であり、特に、音像位置、受聴者、スピーカ位置等により区別される。そのため、頭部伝達関数決定部３０３は、左右のスピーカ４０のグループに対しては、左側用として頭部伝達関数（ＨＲＴＦ_L）を、右側用として頭部伝達関数（ＨＲＴＦ_R）を、所望の音像定位（θ、α）に基づき決定する。

また、音像定位処理部３０は、音像定位設定部３０１により設定された音像の定位位置に基づいて、スピーカ選択部３０２により選択された各スピーカ４０に対して、配分する音声信号のエネルギー量を演算するエネルギー配分部３０４を備えている。このエネルギー配分部３０４による音声信号のエネルギー配分の計算態様は［２．３．音声信号のエネルギー配分処理］の項目において詳述する。なお、スピーカ選択部３０２とエネルギー配分部３０４が、特許請求の範囲上の「音量配分処理部」に対応する。

また、音像定位処理部３０は、頭部伝達関数テーブル３０５を備え、５チャンネル又は８チャンネルの場合における各スピーカ４０に対する受聴者毎の頭部伝達関数を格納する。

また、音像定位処理部３０は、音源１０からの音声信号に対して頭部伝達関数決定部３０３により決定された頭部伝達関数を畳み込み、かつ、エネルギー配分部３０４により演算された音声信号のエネルギーを各スピーカ４０に割り当てる畳み込み処理部３０６を備えている。この畳み込み処理部３０６は、頭部伝達関数決定部３０３により決定されるこの頭部伝達関数ＨＲＴＦを音源１０からの音声信号に畳み込むことによって、音の方向感覚を強くし、さらに、各スピーカ４０に所定のエネルギーを配分することで立体的な音像を作り出す。

［２．作用］
［２．１．基本作用］
上記のような構成を有する平面配置スピーカを用いた立体音響システムにおける、音像生成の基本作用を以下に説明する。
まず、操作部２０を通じて入力操作により音像定位設定部３０１は、ユーザが所望する音像の定位位置（θ，α）を設定する。

そして、スピーカ選択部３０２が、音像定位設定部３０１により設定された音像定位位置に基づいて、音源１０からの音声信号を出力するスピーカ４０を選択する。すなわち、５チャンネルの場合、設定された音像の定位位置に応じて、図２に示すようなスピーカ４０のＣ、Ｌ、ＳＬ、Ｒ、ＳＲのうちのいずれを使用するかを選択し、また、８チャンネルの場合、図４に示すようなスピーカ４０のＣ、Ｌ、ＳＬ、ＭＬ、ＢＣ、Ｒ、ＳＲ、ＭＲのうちのいずれかを選択する。

次に、頭部伝達関数決定部３０３は、音像定位設定部３０１により設定された音像定位に基づいて、左右のスピーカ４０グループに対応する頭部伝達関数を頭部伝達関数テーブル３０５から読み出し、決定する（下記［２．２．頭部伝達関数決定及び畳み込み処理］参照。）。

また、エネルギー配分部３０４は、スピーカ選択部３０２により選択された各スピーカ４０から出力する音声信号のエネルギー量を算出する（下記［２．３．音声信号のエネルギー配分処理］参照。）。

そして、畳込み処理部３０６は、選択されたスピーカ４０により出力される音源１０からの音声信号に対して頭部伝達関数決定部３０３により決定された頭部伝達関数を畳み込み、加えて、エネルギー配分部３０４により演算されたスピーカ４０毎の音声信号のエネルギーを配分する。これにより、出力対象となる各スピーカ４０から所定のエネルギー量の音声信号を出力することで、所望の音像の定位を実現する。

［２．２．頭部伝達関数の決定及び畳み込み処理］
次に、頭部伝達関数決定部３０３による各スピーカ４０に対する頭部伝達関数の決定処理、及び決定された頭部伝達関数の音源１０からの音声信号への畳み込み処理について、具体的に説明する。

この頭部伝達関数決定部３０３は、音像定位設定部３０１により設定された音像の定位位置（θ、α）に対応させるように、左右のスピーカ４０のグループ毎に、頭部伝達関数テーブル３０５に格納された所定の頭部伝達関数（音像位置から音を発生させた場合の音源から左と右の耳までの伝達関数ＨＲＴＦ_LとＨＲＴＦ_R）を読み出すことで決定する。そして、畳込み処理部３０６は、この頭部伝達関数決定部３０３により決定された頭部伝達関数を、音源１０からの音声信号に対して畳み込む。

より詳細には、５チャンネルのシステムの場合、左側のスピーカ４０のグループ（Ｌ、ＳＬ、８チャンネル場合はＭＬも）には左の耳の頭部伝達関数ＨＲＴＦ_L（θ，α）、右側のスピーカ４０のグループ（Ｒ、ＳＲ、８チャンネルの場合はＭＲも）には右の耳の頭部伝達関数ＨＲＴＦ_R（θ，α）を頭部伝達関数決定部３０３により決定し、頭部伝達関数畳み込み部３０６が、この頭部伝達関数を音源１０から送られる音声信号に畳み込む。

これにより、後述する音声信号のエネルギー配分処理により配分されたエネルギーで、左側のスピーカ４０グループからは頭部伝達関数ＨＲＴＦ_L（θ，α）が畳み込まれた音声信号が出力され、右側のスピーカ４０グループからは頭部伝達関数ＨＲＴＦ_R（θ，α）が畳み込まれた音声信号が出力される。

また、前方（Ｃ）と後方（ＢＣ但し、８チャンネルの場合のみ使用する。）のスピーカ４０では、後述するエネルギー配分処理により当該スピーカ４０に配分されたエネルギーの半分ずつを、左右の頭部伝達関数ＨＲＴＦ_L（θ，α）と頭部伝達関数ＨＲＴＦ_R（θ，α）が畳み込まれた音声信号で合成し、出力される。

このように、ＨＲＴＦの特性を音声信号に畳み込むことによって、音の方向感覚を強くし、立体的な音像を作り出す。すなわち、トランスノーラルシステムなどとは異なり、本方法は左右のスピーカ４０のグループにそれぞれ左と右のＨＲＴＦを畳み込むので、スピーカ４０のグループのトータル作用でスピーカ４０の位置による頭部伝達関数の影響とクロストークの影響を弱めることが可能となり、音像の方向特性を作り出すことができる。

また、このような特徴を実現するためには、シングルユニットのスピーカ４０よりも縦方向に配置したマルチユニットのスピーカ４０を使用した方が音像の方向特性は顕著であり、受聴者の頭の上下動による影響も抑制することが可能である。

なお、頭部伝達関数は音像方向によってエネルギーが変化し、実測データは方向に関する連続性に欠けるので、頭部伝達関数のエネルギーを全て正規化し、音像方向による頭部伝達関数のエネルギーの違いを後述する拡張ＡＰによって実現する。

［２．３．音声信号のエネルギー配分処理］
次に、上記で示した音像定位設定部３０１により設定した音像の定位位置に基づいた、スピーカ選択部３０２及びエネルギー配分部３０４による決定するスピーカ４０の選択処理及びスピーカ４０毎のエネルギー配分処理を図５及び６、表１〜４を参照して以下に詳述する。

まず、全方向の音像の定位を考える前に、音像の基準方向（特許請求の範囲上の「第１の基準方向」に対応する。以下、第１の基準方向と称する。）となる、仰角０度で各スピーカ４０の置かれる方位角、所定の仰角α_v（以下では、α_v＝３０とするが変更可能。）でスピーカ４０（センタースピーカを除く）位置の中間の方位角、加えて仰角９０度方向（方位角は０度）におけるエネルギー配分Ｅ_pを決定する。ここで、第１の基準方向としては、隣合うスピーカ４０（センタースピーカを除く）の中間位置を方位角にとるのが基本だが、仰角０度の場合は、従前のシステムとの互換性を考慮しスピーカ４０の位置を採用する。また、仰角９０度の場合は、いずれの方位角でも構わないため、０度に設定する。

具体的には、通常の５チャンネル標準ホームシアターシステムの場合は、図２に示すように、スピーカ４０の配置方位はＣ（０度）、Ｌ（３０度）、Ｒ（３３０度）、ＳＬ（１２０度）とＳＲ（２４０度）である。そのため、第１の基準方向及びエネルギー配分として、図５に示すように、仰角０度で方位角０、３０、１２０、２４０、３３０度（実際にスピーカのある方位）、仰角３０度で方位角０、７５、１８０、２８５度（センタースピーカを除いた各スピーカの中間方位）、仰角９０度（方位角任意）で方位角０度、の各スピーカ４０のエネルギー配分Ｅ_p（_p=Ｃ，Ｌ，Ｒ，ＳＬ，ＲＬ）を決め、全空間のエネルギー配分の基準とする。

これらの第１の基準方向における使用するスピーカ４０、各スピーカ４０のエネルギー配分は下記表１に示す通りである。
［表１］

また、図４に示すような８チャンネル等間隔スピーカ配置システムの場合は、スピーカの配置方位はＣ（０度）、Ｌ（４５度）、ＭＬ（９０度）、ＳＬ（１３５度）、ＢＣ（１８０度）、ＳＲ（２２５度）、ＭＲ（２７０度）、とＲ（３１５度）である。そのため、８チャンネルの場合の第１の基準方向及びエネルギー配分として、図６に示すように、仰角０度で方位角０、４５、９０、１３５、１８０、２２５、２７０、３１５度（実際にスピーカのある方位）、仰角３０度で方位角０、６７．５、１１２．５、１５７．５度、２０２．５度、２４７．５度と２９２．５度（センタースピーカを除いた各スピーカの中間方位）、仰角９０度で方位角０度（方位角任意）、における各スピーカのエネルギー配分Ｅ_p（_p＝Ｃ, Ｌ, Ｒ, ＭＬ, ＭＲ, ＳＬ, ＲＬ）を決め、全空間のエネルギー配分の基準とする。

これらの８チャンネルの場合の第１の基準方向における、使用するスピーカ４０、及び各スピーカ４０のエネルギー配分は下記表２に示す通りである。
［表２］

このように、スピーカ選択部３０２及びエネルギー配分部３０４では、仰角０、α_v、９０度における第１の基準方向を決定する機能（特許請求の範囲上の「第１の基準方向決定手段」に対応する。）と、当該第１の基準方向におけるエネルギー配分を決定する機能（特許請求の範囲上の「第１の音量配分手段」に対応する。）を有している。

次に、これらの第１の基準方向のエネルギー配分を基準に全方向のＡＰ法に拡張する場合を説明する。上記以外の方向（θ,α）の音像に関しては、下記の［数１］に基づいて、音像定位設定部３０１により設定された音像の定位位置を囲む４つの基準方向（特許請求の範囲上の「第２の基準方向」に対応する。以下、第２の基準方向と称する。）のスピーカ４０のエネルギー配分を基に、線形結合により最終的なスピーカのエネルギー配分を決定する。
ここでは、まず、音像定位設定部３０１により設定された音像の仰角αが、第１の基準方向（第１の基準方向）として設定したαｖ以下である場合（α≦α_vの場合）について説明する。

［数１］

ここで、（θ_rl，α_l）、（θ_ll，α_l）、（θ_rh，α_h）、（θ_lh，α_h）は、音像定位設定部３０１により設定された音像に対して右下、左下、右上、左上に位置する第２の基準方向であり、また、ｋ_rl、ｋ_ll、ｋ_rh、ｋ_lhは、下記［数２］により与えられる。なお、θ_llとθ_lhが０度となる場合には、代わりに３６０度を用いる。

［数２］
ｋ_rl = ((θ_ll-θ)/(θ_ll-θ_rl)) ((α_h-α)/(α_h-α_l))
ｋ_ll = ((θ-θ_rl)/(θ_ll-θ_rl)) ((α_h-α)/(α_h-α_l))
ｋ_rh = ((θ_lh-θ)/(θ_lh-θ_rh)) ((α-α_l)/(α_h-α_l))
ｋ_lh = ((θ-θ_rh)/(θ_lh-θ_rh)) ((α-α_l)/(α_h-α_l))

例えば、５チャンネルシステムで音像方向が（θ，α）＝（６０，１５）の場合では、４つの第２の基準方向は、（θ_rl， α_l）＝（３０,０），（θ_ll，α_l）＝（１２０，０），（θ_rh，α_h）＝（０，３０），（θ_lh，α_h）＝（７５，３０）となるため、ｋ_rl，ｋ_ll，ｋ_rh，ｋ_lhは、次のように算出される。

［数３］
ｋ_rl＝６０／９０×１５／３０＝１／３
ｋ_ll＝３０／９０×１５／３０＝１／６
ｋ_rh＝１５／７５×１５／３０＝１／１０
ｋ_lh＝６０／７５×１５／３０＝２／５

そのため、音像の定位位置が（θ，α）＝（６０，１５）の場合、各スピーカ４０のエネルギー配分は下記表３の通りとなる。
［表３］

このように、スピーカ選択部３０２及びエネルギー配分部３０４は、音像定位設定部３０１により設定された音像の定位位置に対して４方向の第２の基準方向（特許請求の範囲上の「第２の基準方向決定手段」に対応する。）を決定する機能と、この４方向の第２の基準方向におけるエネルギー配分を決定する機能（特許請求の範囲上の「第２の音量配分手段」に対応する。）を有している。

具体的には、下記のように４つの第２の基準方向を決定している。すなわち、この場合、音像定位設定部３０１により設定された音像の仰角が１５度であるため、４つの第２の基準方向の仰角は、第１の基準方向のうち、この１５度を挟む０度と３０度の２つとなり、α_l＝０，α_h＝３０となる。

５チャンネルのシステムを仮定すれば、第１の基準方向より、α_l＝０の方位角は、０，３０，１２０，２４０，３３０度であるから、この６０度を挟んだ３０度と１２０度が第２の基準方向の基準方位となる。つまり、θ_rlは６０度より小さい値の中の最大値（３０度）となり、θ_llは６０度より大きい値の中の最小値（１２０度）となる。

また、第１の基準方向より、α_h＝３０の方位角は、０（３６０），７５，１８０，２８５度となるので、この６０度を挟んだ０度と７５度が第２の基準方向の基準方位となる。つまり、θ_rhは６０度より小さい値の中の最大値（０度）となり、θ_lhは６０度より大きい値の中の最小値（７５度）となる。

一方、音像定位設定部３０１により設定された音像の仰角αが、第１の基準方向として設定したαｖを上回る場合（α＞α_vの場合）について以下に説明する。α＞α_vの場合では、第２の基準方向となる右上、左上の仰角が９０度（α_h＝９０）となるため、θ_rhとθ_lhが同じとなり、音像方向を囲む３つの第２の基準方向のスピーカ４０のエネルギー配分を基に、上記［数１］に基づいて、線形結合により最終的なスピーカのエネルギー配分を決める。

具体的には、上記［数１］のｋ_rl，ｋ_ll，ｋ_rh，ｋ_lhは、下記［数４］により与えられる。なお、θ_llが０度となる場合は代わりに３６０度を用いる。

［数４］
ｋ_rl＝（（θ_ll−θ）／（θ_ll−θ_rl））（（α_h−α）／（α_h−α_l）)
ｋ_ll＝（（θ−θ_rl）／（θ_ll−θ_rl））（（α_h−α）／（α_h−α_l））
ｋ_lh＝ｋ_rh＝（（θ−θ_l）／（α_h−α_l））

例えば、同じく５チャンネルシステムで音像定位設定部３０１により設定された音像の定位位置が（θ，α）＝（６０，６０）の場合では、３つの第２の基準方向は（θ_rl，α_l）＝（０，３０），（θ_ll，α_l）＝（７５，３０），（θ_rh，α_h）＝（θ_lh，α_h）＝（−，９０）となり、また、ｋ_rl，ｋ_ll，ｋ_rh，ｋ_lhは、上記［数４］に基づき次のように算出される。

［数５］
ｋ_rl＝１５／７５×３０／６０＝１／１０
ｋ_ll＝６０／７５×３０／６０＝２／５
ｋ_rh＝ｋ_lh＝３０／６０＝１／２

この算出されたｋ_rl，ｋ_ll，ｋ_rh，ｋ_lhの値を上記［数１］に代入することで得られた各スピーカ４０のエネルギー配分は下記表４の通りとなる。
［表４］

なお、上記で挙げた３つの第２の基準方向は下記のように決定される。すなわち、音像定位設定部３０１により設定された音像の定位位置が（θ，α）＝（６０，６０）の場合、仰角が６０度であるため、第１の基準方向の仰角０，３０，９０度のうち、当該第２の基準方向の仰角は６０度を挟む３０度と９０度であり、α_l＝３０，α_h＝９０となる。

これにより、設定された音像の定位位置に対して右上と左上の第２の基準方向の仰角は９０度となる。ここで、α_h＝９０の場合は、方位に関係なく基準方向は真上の方向となるため、θ_rhとθ_lhは任意の値となり、上述の通り考慮する必要がない。

また、５チャンネルのシステムを仮定すれば、第１の基準方向より、α_l＝３０の方位角は０（３６０），７５，１８０，２８５度となり、６０度を挟んだ０度と７５度が第２の基準方向の基準方位となる。つまり、θ_rlは６０度より小さい値の中の最大値（０度）となり、θ_llは６０度より大きい値の中の最小値（７５度）となる。

このように、第１及び２の基準方向のエネルギー配分と、上記［数１］，［数２］，［数４］を用いて、スピーカ選択部３０２及びエネルギー配分部３０４は、使用するスピーカの選択処理と、各スピーカに対する音源１０からの音声信号のエネルギー配分処理が行うことで、水平方向だけでなく垂直方向に任意の仰角を有する音像をも生成することができる。

上記表１〜４によれば、定位された音像の仰角が０度の場合は、一般的なＡＰ法と同様に、音像方向近傍のスピーカ４０だけを用い、スピーカ４０のエネルギー比を変化させることにより当該音像の定位位置を移動させることが可能である。

また、定位された音像の仰角が０度でない場合は、使用するスピーカ４０の数を増やす必要があり、音像と同じ方位角に実際にスピーカがあっても、そのスピーカではなく近くのスピーカを利用する必要がある。特に、正面方向の音像を生成する場合は、センターのスピーカ４０によるエネルギーを抑えた方が、音像の仰角感覚が得られ易くなることが上記結果から確かめられた。

また、仰角９０度の音像に関しては前後、左右のバランスを考慮に入れて、全てのスピーカ４０を利用する必要がある。なお、全空間での音像移動を考えた時には、どのスピーカもエネルギーの変化が連続でスムーズであることが必要であり、特に、仰角９０度の方向は方位による差がないようにする必要がある。

［３．効果］
以上のような本実施形態によれば、受聴者の耳と同程度の高さの水平面上に配置するスピーカを用いる場合であっても、水平方向（方位角の方向）だけでなく垂直方向（仰角の方向）にも自由に定位する音像を生成し立体音響を実現可能な立体音響システム、その制御方法及び制御プログラムを提供することができる。特に、現在のサラウンドシステムで採用されている５．１チャンネルの標準スピーカシステムを利用することで立体音響を生成することができるため、特別な生成装置や、立体的にスピーカを配置することが必要ない利点を有する。

また、本発明は、できるだけ多くのスピーカ用い、多方向からの信号にそれぞれ左か右の頭部伝達関数を畳み込むことによってクロストークの影響を軽減することができるため、クロストークのキャンセル処理を必要とせず、受聴位置の制限を緩くすることが可能である。さらに、通常は受聴位置をスピーカシステムの中心とすることを理想とするが、その近傍においても良好な立体音響を実現することができ、また、受聴者の頭の回転や左右、前後の移動の影響を少なくすることが可能である。

［他の実施形態］
なお、本発明は、上記のようにエネルギー配分部３０４が上記［数１］のように線形結合により各スピーカ４０により出力される音声信号のエネルギーを算出する実施形態に限定するものではなく、各スピーカ４０のエネルギー配分を、基準方向の非線形結合によって決定する実施形態も包含する。例えば、２乗正弦関数や両サイドの変化を速くし中間の変化を遅くした補正関数などを用いて算出することが可能である。

１０…音源
２０…操作部
３０…音像定位処理部
３０１…音像定位設定部
３０２…スピーカ選択部
３０３…頭部伝達関数決定部
３０４…エネルギー配分部
３０５…頭部伝達関数テーブル
３０６…畳み込み処理部
４０…スピーカ
ＨＲＴＦ…頭部伝達関数
ＨＲＴＦ_L…左側スピーカ用頭部伝達関数
ＨＲＴＦ_R…右側スピーカ用頭部伝達関数

Claims

センタースピーカと、左右側のそれぞれに置かれたスピーカグループによる立体音響システムであって、
音源と、
前記音源に対する、受聴者を基準にした音像の方位角θと、仰角αによる音像の定位位置を設定する音像定位設定部と、
前記音像定位設定部により設定された音像の定位に応じて使用するスピーカを選択するスピーカ選択部と、
前記音源からの音声信号に対して畳み込む、前記左右側のスピーカグループ毎の頭部伝達関数を前記音像定位設定部により設定された音像の定位位置に基づき決定する頭部伝達関数決定部と、
前記音像定位設定部により設定された音像の定位位置に基づき、前記スピーカ選択部により選択されたスピーカに対して、配分する音声信号のエネルギー量を演算するエネルギー配分部と、
前記音源からの音声信号に対して前記頭部伝達関数決定部により決定された頭部伝達関数を畳み込み、且つ前記エネルギー配分部により演算された音声信号のエネルギーを各スピーカに割り当てる畳み込み処理部を有する、
ことを特徴とする立体音響システム。
請求項１において、
前記センタースピーカと、左右側のそれぞれに置かれたスピーカグループが、５チャンネルの平面配置スピーカであって、
前記音像定位設定部は、
音像の第１の基準方向として、受聴者を基準に、仰角が０度で各方位角をスピーカ位置とする方向と、仰角がα_v（０度より大きく９０度より小さければ任意に複数設定可能）で各方位角をセンタースピーカ以外の隣り合うスピーカの中間位置とする方向と、仰角が９０度で各方位角を０度とする方向とを決定する第１の基準方向決定手段を有し、
前記エネルギー配分部は、
前記第１の基準方向のうち仰角が０度の場合には当該第１の基準方向のスピーカに前記音源からの音声信号の全音量を配分し、前記第１の基準方向のうち仰角がα_vの場合には方位角の視点で当該第１の基準方向を挟む２つの各スピーカに１／２音量を配分し、前記第１の基準方向のうち仰角が９０度の場合には受聴者を基準に前方に位置する３つの各スピーカに１／６音量を配分し、後方に位置する２つの各スピーカに１／４音量を配分する第１の音量配分手段と、
前記第１の基準方向のうちから、仰角、方位角の視点で、前記音像定位設定部により設定された音像を挟む４つの第２の基準方向を決定する第２の基準方向決定手段と、前記音像定位設定部により設定された音像の仰角が前記α_v以下である場合に、［数１］に基づいて、前記第２の基準方向決定手段により決定された各第２の基準方向の音量配分と所定の結合係数とを乗算し、この値を決定された全ての前記第２の基準方向分で加算することで、スピーカ毎の音量配分を算出する第２の音量配分手段とを有する、
ことを特徴とする立体音響システム。
請求項１において、
前記センタースピーカと、左右側のそれぞれに置かれたスピーカグループが、８チャンネルの平面配置スピーカであって、
前記音像定位設定部は、
音像の第１の基準方向として、受聴者を基準に、仰角が０度で各方位角をスピーカ位置とする方向と、仰角がα_v（０度より大きく９０度より小さければ任意に複数設定可能）で各方位角をセンタースピーカ以外の隣り合うスピーカの中間位置とする方向と、仰角が９０度で各方位角を０度とする方向と、を決定する第１の基準方向決定手段を有し、
前記エネルギー配分部は、
前記第１の基準方向のうち仰角が０度の場合には当該第１の基準方向のスピーカに前記音源からの音声信号の全音量を配分し、前記第１の基準方向のうち仰角がα_vの場合には方位角の視点で当該第１の基準方向を挟む２つの各スピーカに１／２音量を配分し、前記第１の基準方向のうち仰角が９０度の場合には当該第１の基準方向の各スピーカに１／８音量を配分する第１のエネルギー配分手段と、
前記第１の基準方向のうちから、仰角、方位角の視点で、前記音像定位設定部により設定された音像を挟む４つの第２の基準方向を決定する第２の基準方向決定手段と、
前記音像定位設定部により設定された音像の仰角が前記α_v以下である場合に、［数２］に基づいて、前記第２の基準方向決定手段により決定された各第２の基準方向の音量配分と所定の結合係数とを乗算し、この値を決定された全ての前記第２の基準方向分で加算することで、スピーカ毎の音量配分を算出する第２の音量配分手段と、を有することを特徴とする立体音響システム。
前記第２の音量配分手段は、前記音像定位設定部により設定された音像の仰角が前記α_vを上回る場合に、［数３］に基づいて、前記第２の基準方向決定手段により決定された各第２の基準方向の音量配分と所定の結合係数とを乗算し、この値を決定された全ての前記第２の基準方向分で加算することで、スピーカ毎の音量配分を算出することを特徴とする請求項２又は３に記載の立体音響システム。
前記頭部伝達関数決定部は、受聴者を基準として左側のスピーカには左側用の頭部伝達関数を、右側のスピーカには右側用の頭部伝達関数を、正面のスピーカには左及び右側用の頭部伝達関数を決定することを特徴とする請求項２に記載の立体音響システム。
前記頭部伝達関数決定部は、受聴者を基準として左側のスピーカには左側用の頭部伝達関数を、右側のスピーカには右側用の頭部伝達関数を、正面及び背面のスピーカには左及び右側用の頭部伝達関数を決定することを特徴とする請求項３に記載の立体音響システム。
前記音像定位位置に応じたスピーカ毎の頭部伝達関数を格納する頭部伝達関数テーブルを備え、
前記頭部伝達関数決定部は、当該頭部伝達関数テーブルから所望の頭部伝達関数を読み出し決定することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の立体音響システム。
センタースピーカと、左右側のそれぞれに置かれたスピーカグループを使用して、音源からの音声信号に音像定位処理を施すことで音像を任意の位置に定位させ、当該スピーカを通じて立体音響を生成する立体音響生成システムの制御方法であって、
前記音源に対する、受聴者を基準にした音像の方位角θと、仰角αによる音像の定位位置を設定する音像定位設定ステップと、
前記音像定位設定ステップにより設定された音像の定位に応じて使用するスピーカを選択するスピーカ選択ステップと、
前記音源からの音声信号に対して畳み込む、前記左右側のスピーカグループ毎の頭部伝達関数を前記音像定位設定ステップにより設定された音像の定位位置に基づき決定する頭部伝達関数決定ステップと、
前記音像定位設定ステップにより設定された音像の定位位置に基づき、前記スピーカ選択ステップにより選択されたスピーカに対して、配分する音声信号のエネルギー量を演算するエネルギー配分ステップと、
前記音源からの音声信号に対して前記頭部伝達関数決定ステップにより決定された頭部伝達関数を畳み込み、且つ前記エネルギー配分ステップにより演算された音声信号のエネルギーを各スピーカに割り当てる畳み込み処理ステップを有する、
ことを特徴とする立体音響システムの制御方法。
請求項８において、
前記センタースピーカと、左右側のそれぞれに置かれたスピーカグループが、５チャンネルの平面配置スピーカであって、
前記音像定位設定ステップは、
音像の第１の基準方向として、受聴者を基準に、仰角が０度で各方位角をスピーカ位置とする方向と、仰角がα_v（０度より大きく９０度より小さければ任意に複数設定可能）で各方位角をセンタースピーカ以外の隣り合うスピーカの中間位置とする方向と、仰角が９０度で各方位角を０度とする方向と、を決定する処理を有し、
前記エネルギー配分ステップは、
前記第１の基準方向のうち仰角が０度の場合には当該第１の基準方向のスピーカに前記音源からの音声信号の全音量を配分し、前記第１の基準方向のうち仰角がα_vの場合には方位角の視点で当該第１の基準方向を挟む２つの各スピーカに１／２音量を配分し、前記第１の基準方向のうち仰角が９０度の場合には受聴者を基準に前方に位置する３つの各スピーカに１／６音量を配分し、後方に位置する２つの各スピーカに１／４音量を配分する処理と、
前記第１の基準方向のうちから、仰角、方位角の視点で、前記音像定位設定ステップで設定された音像を挟む４つの第２の基準方向を決定する処理と、
前記音像定位設定ステップで設定された音像の仰角が前記α_v以下である場合に、［数４］に基づいて、決定された各第２の基準方向の音量配分と所定の結合係数とを乗算し、この値を決定された全ての前記第２の基準方向分で加算することで、スピーカ毎の音量配分を算出する処理と、を含むことを特徴とする立体音響システムの制御方法。
請求項８において、
前記センタースピーカと、左右側のそれぞれに置かれたスピーカグループが、８チャンネルの平面配置スピーカであって、
前記音像定位設定ステップは、
音像の第１の基準方向として、受聴者を基準に、仰角が０度で各方位角をスピーカ位置とする方向と、仰角がα_v（０度より大きく９０度より小さければ任意に複数設定可能）で各方位角をセンタースピーカ以外の隣り合うスピーカの中間位置とする方向と、仰角が９０度で各方位角を０度とする方向と、を決定する処理を有し、
前記エネルギー配分ステップは、
前記第１の基準方向のうち仰角が０度の場合には当該第１の基準方向のスピーカに前記音源からの音声信号の全音量を配分し、前記第１の基準方向のうち仰角がα_vの場合には方位角の視点で当該第１の基準方向を挟む２つの各スピーカに１／２音量を配分し、前記第１の基準方向のうち仰角が９０度の場合には当該第１の基準方向の各スピーカに１／８音量を配分する処理と、
前記第１の基準方向のうちから、仰角、方位角の視点で、前記音像定位設定ステップで設定された音像を挟む４つの第２の基準方向を決定する処理と、
前記音像定位設定ステップで設定された音像の仰角が前記α_v以下である場合に、［数５］に基づいて、決定された各第２の基準方向の音量配分と所定の結合係数とを乗算し、この値を決定された全ての前記第２の基準方向分で加算することで、スピーカ毎の音量配分を算出する処理と、を含むことを特徴とする立体音響システムの制御方法。
前記音量配分処理ステップは、前記音像定位設定ステップで設定された音像の仰角が前記α_vを上回る場合に、［数６］に基づいて、決定された各第２の基準方向の音量配分と所定の結合係数とを乗算し、この値を決定された全ての前記第２の基準方向分で加算することで、スピーカ毎の音量配分を算出する処理を含むことを特徴とする請求項９又は１０に記載の立体音響システムの制御方法。
センタースピーカと、左右側のそれぞれに置かれたスピーカグループを備え、コンピュータにより、音源からの音声信号に音像定位処理を施すことで音像を任意の位置に定位させ、当該スピーカを通じて立体音響を生成させる立体音響生成システムの制御プログラムであって、
このプログラムは前記コンピュータに、
前記音源に対する、受聴者を基準にした音像の方位角θと、仰角αによる音像の定位位置を設定する音像定位処理と、
前記音像定位設定部により設定された音像の定位に応じて使用するスピーカを選択するスピーカ選択処理と、
前記音源からの音声信号に対して畳み込む、前記左右側のスピーカグループ毎の頭部伝達関数を前記音像定位設定処理により設定された音像の定位位置に基づき決定する頭部伝達関数決定処理と、
前記音像定位設定処理により設定された音像の定位位置に基づき、前記スピーカ選択処理により選択されたスピーカに対して、配分する音声信号のエネルギー量を演算するエネルギー配分処理と、
前記音源からの音声信号に対して前記頭部伝達関数決定処理により決定された頭部伝達関数を畳み込み、且つ前記エネルギー配分処理により演算された音声信号のエネルギーを各スピーカに割り当てる畳み込み処理処理を実行させる
ことを特徴とする立体音響システムの制御プログラム。
請求項１２において、
前記センタースピーカと、左右側のそれぞれに置かれたスピーカグループが、５チャンネルの平面配置スピーカであって、
前記音像定位設定処理は、
音像の第１の基準方向として、受聴者を基準に、仰角が０度で各方位角をスピーカ位置とする方向と、仰角がα_v（０度より大きく９０度より小さければ任意に複数設定可能）で各方位角をセンタースピーカ以外の隣り合うスピーカの中間位置とする方向と、仰角が９０度で各方位角を０度とする方向と、を決定するものであって、
前記エネルギー配分処理は、
前記第１の基準方向のうち仰角が０度の場合には当該第１の基準方向のスピーカに前記音源からの音声信号の全音量を配分し、前記第１の基準方向のうち仰角がα_vの場合には方位角の視点で当該第１の基準方向を挟む２つの各スピーカに１／２音量を配分し、前記第１の基準方向のうち仰角が９０度の場合には受聴者を基準に前方に位置する３つの各スピーカに１／６音量を配分し、後方に位置する２つの各スピーカに１／４音量を配分する処理と、
前記第１の基準方向のうちから、仰角、方位角の視点で、前記音像定位設定処理で設定された音像を挟む４つの第２の基準方向を決定する処理と、
前記音像定位設定処理で設定された音像の仰角が前記α_v以下である場合に、［数７］に基づいて、決定された各第２の基準方向の音量配分と所定の結合係数とを乗算し、この値を決定された全ての前記第２の基準方向分で加算することで、スピーカ毎の音量配分を算出する処理と、を含むことを特徴とする立体音響システムの制御プログラム。
請求項１２において、
前記センタースピーカと、左右側のそれぞれに置かれたスピーカグループが、８チャンネルの平面配置スピーカであって、
前記音像定位設定処理は、
音像の第１の基準方向として、受聴者を基準に、仰角が０度で各方位角をスピーカ位置とする方向と、仰角がα_v（０度より大きく９０度より小さければ任意に複数設定可能）で各方位角をセンタースピーカ以外の隣り合うスピーカの中間位置とする方向と、仰角が９０度で各方位角を０度とする方向と、を決定するものであって、
前記エネルギー配分処理は、
前記第１の基準方向のうち仰角が０度の場合には当該第１の基準方向のスピーカに前記音源からの音声信号の全音量を配分し、前記第１の基準方向のうち仰角がα_vの場合には方位角の視点で当該第１の基準方向を挟む２つの各スピーカに１／２音量を配分し、前記第１の基準方向のうち仰角が９０度の場合には当該第１の基準方向の各スピーカに１／８音量を配分する処理と、
前記第１の基準方向のうちから、仰角、方位角の視点で、前記音像定位設定処理で設定された音像を挟む４つの第２の基準方向を決定する処理と、
前記音像定位設定処理で設定された音像の仰角が前記α_v以下である場合に、［数８］に基づいて、決定された各第２の基準方向の音量配分と所定の結合係数とを乗算し、この値を決定された全ての前記第２の基準方向分で加算することで、スピーカ毎の音量配分を算出する処理と、を含むことを特徴とする立体音響システムの制御プログラム。
前記音量配分処理は、前記音像定位設定処理で設定された音像の仰角が前記α_vを上回る場合に、［数９］に基づいて、決定された各第２の基準方向の音量配分と所定の結合係数とを乗算し、この値を決定された全ての前記第２の基準方向分で加算することで、スピーカ毎の音量配分を算出する処理を含むことを特徴とする請求項１３又は１４に記載の立体音響システムの制御プログラム。