JP5506748B2 - Filter coefficient determination device, local reproduction device, method and program thereof - Google Patents
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Description
この発明は、特定の場所（装置近傍）に居る聴取者にのみ音を伝えることができる局所再生装置と、その局所再生装置において用いるフィルタの係数を決定するフィルタ係数決定装置と、それらの方法とプログラムに関する。 The present invention relates to a local reproduction device that can transmit sound only to a listener in a specific place (near the device), a filter coefficient determination device that determines a coefficient of a filter used in the local reproduction device, and a method thereof. Regarding the program.
スピーカを用いて音を放射する場合、そのスピーカの指向特性の影響はあるものの、スピーカに対して、ほぼ全方向から再生音を聴取することが可能である。そのため、ある特定の場所にのみ音を再生するような局所再生方式の構築を目指した場合、スピーカなどの拡声装置や再生方式に工夫が必要である。 When sound is radiated using a speaker, the reproduced sound can be heard from almost all directions with respect to the speaker, although there is an influence of the directivity characteristic of the speaker. For this reason, when aiming at the construction of a local reproduction system that reproduces sound only at a specific place, it is necessary to devise a loudspeaker such as a speaker or a reproduction system.
特定の場所に居る人々にのみ音を伝えることが可能となれば、拡声による通信を行った場合などに再生音が聴取者以外の人々にとって騒音と成らない他に、通信内容が周囲に漏れないという、プライバシーの保護まで可能である。 If it is possible to convey sound only to people in a specific place, the reproduced sound will not be a noise for people other than the listener when communicating with loud sound, etc., and the communication contents will not leak to the surroundings Even privacy protection is possible.
この局所再生方式を実現する一手段として、急峻な距離減衰特性を有するエバネッセント（evanescent）波を再生する手法がある（非特許文献１）。これは平面上に離散配置された複数のスピーカを用いて、空気中の音速より遅く伝搬する波を仮想的に再現することで、エバネッセント波を再生するものである。エバネッセント波とは、進行方向と垂直な方向に指数関数的にパワーが減衰する特殊な波である。 As a means for realizing this local reproduction method, there is a method of reproducing an evanescent wave having a steep distance attenuation characteristic (Non-patent Document 1). This reproduces an evanescent wave by virtually reproducing a wave propagating slower than the speed of sound in the air using a plurality of loudspeakers arranged discretely on a plane. An evanescent wave is a special wave whose power is exponentially attenuated in a direction perpendicular to the traveling direction.
図８に、非特許文献１に開示された局所再生装置８００を示す。局所再生装置８００は、直方体の外形を持ち、その長方形の一面に複数のスピーカが格子状（アレー状）に配置されている。その複数のスピーカにそれぞれ接続される図示しないフィルタに、エバネッセント波を発生するフィルタ係数を設定することで、スピーカが格子状に配置されたｘｙ平面の前面（ｚ方向）の限定された範囲（領域Ａ）に受聴領域を設けることが出来る。 FIG. 8 shows a local reproduction device 800 disclosed in Non-Patent Document 1. Local reproduction apparatus 800 has a rectangular parallelepiped shape, and a plurality of speakers are arranged in a lattice shape (array shape) on one surface of the rectangle. By setting a filter coefficient for generating an evanescent wave to a filter (not shown) connected to each of the plurality of speakers, a limited range (area) on the front surface (z direction) of the xy plane in which the speakers are arranged in a lattice shape A listening area can be provided in A).
従来の局所再生装置８００では、平面スピーカアレーを用いているため、受聴領域がスピーカアレー前面の平板状に限定されてしまう課題があった。言い換えると、平板状の厚みはフィルタの設計方法により変更することができるが、その形状は平板状に限定される。 Since the conventional local reproduction device 800 uses a flat speaker array, there is a problem that the listening area is limited to a flat plate shape in front of the speaker array. In other words, the thickness of the flat plate can be changed by the filter design method, but the shape is limited to the flat plate shape.
この発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、受聴領域を複数設けることができる局所再生装置とフィルタ係数決定装置と、それらの方法とプログラムを提供することを目的とする。 This invention is made in view of such a subject, and it aims at providing the local reproduction | regeneration apparatus and filter coefficient determination apparatus which can provide multiple listening area | region, those methods, and a program.
この発明のフィルタ係数決定装置は、複数のスピーカを用いてエバネッセント波を再生する局所再生装置のフィルタ係数を決定するフィルタ係数決定装置であり、次数算出部と、フィルタ係数算出部と、を具備する。次数算出部は、球調和関数の次数ｎ′を、球面エバネッセント波が発生する条件である入力信号の波数ｋとスピーカの位置半径ｒ0とを乗じた値よりも大きな値(ｎ′＞ｋｒ0)として算出する。フィルタ係数算出部は、スピーカの位置情報(ｒ0,θu,φv)と次数ｎ′と球調和関数のモードｍ′とを入力とし、スピーカの位置情報(ｒ0,θu,φv)と次数ｎ′とモードｍ′を球調和関数に代入してフィルタ係数を算出する。 A filter coefficient determination device according to the present invention is a filter coefficient determination device that determines a filter coefficient of a local reproduction device that reproduces an evanescent wave using a plurality of speakers, and includes an order calculation unit and a filter coefficient calculation unit. . The order calculation unit has a value (n ′> kr 0 ) greater than the value obtained by multiplying the order n ′ of the spherical harmonic function by the wave number k of the input signal, which is a condition for generating a spherical evanescent wave, and the position radius r 0 of the speaker. ). The filter coefficient calculation unit receives the speaker position information (r 0 , θ u , φ v ), the order n ′ and the spherical harmonic function mode m ′ as input, and the speaker position information (r 0 , θ u , φ v). ), The order n ′ and the mode m ′ are substituted into the spherical harmonic function to calculate the filter coefficient.
また、この発明の局所再生装置は、球面上に水平角方向と仰角方向に離散的に配置される複数のスピーカと、その複数のスピーカにそれぞれ接続されるフィルタ部と、を備え、上記フィルタ部は、上記したこの発明のフィルタ係数決定装置で決定されたフィルタ係数を、入力信号に畳み込み上記スピーカを駆動するための駆動信号を生成するフィルタ部であることを特徴とする。 The local reproduction device of the present invention includes a plurality of speakers discretely arranged on the spherical surface in the horizontal angle direction and the elevation angle direction, and filter units respectively connected to the plurality of speakers, and the filter unit Is a filter unit that convolves the filter coefficient determined by the filter coefficient determination device of the present invention with an input signal to generate a drive signal for driving the speaker.
この発明のフィルタ係数決定装置によれば、球面上に配置された複数のスピーカの周囲の複数のエリアに受聴領域を設けられるフィルタ係数を決定することが出来る。また、この発明の局所再生装置は、この発明のフィルタ係数決定装置で決定したフィルタ係数を入力信号に畳み込むことで、局所再生装置を中心として複数の受聴領域を設けることを可能にする。 According to the filter coefficient determination device of the present invention, it is possible to determine filter coefficients that can provide listening areas in a plurality of areas around a plurality of speakers arranged on a spherical surface. In addition, the local reproduction apparatus of the present invention can provide a plurality of listening areas centering on the local reproduction apparatus by convolving the filter coefficient determined by the filter coefficient determination apparatus of the present invention with the input signal.
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。複数の図面中同一のものには同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。実施例の説明の前に、エバネッセント波の理論について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The same reference numerals are given to the same components in a plurality of drawings, and the description will not be repeated. Prior to the description of the embodiments, the theory of evanescent waves will be described.
〔エバネッセント波の理論〕
図１に、球面座標系を示す。球面座標は、水平角φと仰角θと、中心点からの半径ｒとで定義することが出来る。この球面座標系における波動方程式は式（１）で与えられる。
[Theory of evanescent waves]
FIG. 1 shows a spherical coordinate system. The spherical coordinates can be defined by a horizontal angle φ, an elevation angle θ, and a radius r from the center point. The wave equation in this spherical coordinate system is given by equation (1).
ここでｃは音速、ｐ(ｒ,θ,φ,ｔ)はある観測点(ｒ,θ,φ)における音圧の時間領域表現である。また、この波動方程式の周波数領域の一般解は、図２に示すように球面である境界面２１が全ての波源２０を包含する場合、式（２）で与えられる。図２の２２は、音圧の解析領域を示す。 Here, c is the speed of sound, and p (r, θ, φ, t) is a time domain representation of the sound pressure at a certain observation point (r, θ, φ). Further, the general solution in the frequency domain of this wave equation is given by equation (2) when the spherical boundary surface 21 includes all the wave sources 20 as shown in FIG. Reference numeral 22 in FIG. 2 denotes a sound pressure analysis region.
ただし、ｋは波数、ωは周波数、ｈn(ｋｒ)はｎ次の第１種球ハンケル関数、Ｃmnは任意の定数を表す。またＹn mは球調和関数と呼ばれ式（３）で定義される。 Here, k is the wave number, ω is the frequency, h n (kr) is the nth-order first-type sphere Hankel function, and C mn is an arbitrary constant. The Y n m is defined by the equation called spherical harmonic (3).
ここでｊは虚数単位であり、ｎは次数、ｍはモードを表す。またＰn m(x)はルジャンドル陪関数を表す。 Here, j is an imaginary unit, n is an order, and m is a mode. P n m (x) represents a Legendre function.
半径ｒ=ｒ0の球面上の音圧Ｐ（ｒ0,θ,φ,ω）が既知であると仮定すると、定数Ｃmnを一意に決定することができ、式（４）で表せる。 Assuming that the sound pressure P (r 0 , θ, φ, ω) on the spherical surface with the radius r = r 0 is known, the constant C mn can be uniquely determined and can be expressed by Expression (4).
＊は複素共役を表す。式（４）を式（２）に代入すると次式となる。 * Represents a complex conjugate. Substituting equation (4) into equation (2) gives the following equation:
ここでdΩ′＝sinθ′dθ′dφ′である。式（５）は、ある球面上の音圧を制御することで任意の３次元音場を再現することが出来ることを表す。 Here, dΩ ′ = sin θ′dθ′dφ ′. Equation (5) represents that an arbitrary three-dimensional sound field can be reproduced by controlling the sound pressure on a certain spherical surface.
半径ｒ0の球面上における音圧がＰ(ｒ0,θ,φ）である場合を考える。これを式（５）に代入すると式（６）となる。 Consider a case where the sound pressure on a spherical surface with a radius r 0 is P (r 0 , θ, φ). Substituting this into equation (5) yields equation (6).
球ハンケル関数ｈn(ｘ)は、ｘ≪ｎのとき式（７）に示すように近似できる。 The spherical Hankel function h n (x) can be approximated as shown in Expression (7) when x << n .
したがって、ｋｒ≪ｎ′かつｋｒ0≪ｎ′のとき、式（５）は次式のように書き換えられる。 Therefore, when kr << n 'and kr 0 <<n', Expression (5) is rewritten as the following expression.
式（８）は、ｎ′≧２のとき、距離ｒの逆二乗則よりも急峻な減衰特性を有する波を表し、これは球面座標系におけるエバネッセント波を表す。ここで、ｍは球調和関数におけるモードを表し、−ｎ≦ｍ≦ｎを満たす。モードｍは水平方向の波長に依存し、次数ｎは仰角方向の波長に依存する。ｎ′，ｍ′は、変数ｎとｍに対して具体的な数値であることを意味している。 Equation (8) represents a wave having an attenuation characteristic steeper than the inverse square law of the distance r when n ′ ≧ 2, which represents an evanescent wave in a spherical coordinate system. Here, m represents a mode in the spherical harmonic function, and satisfies −n ≦ m ≦ n. The mode m depends on the wavelength in the horizontal direction, and the order n depends on the wavelength in the elevation angle direction. n ′ and m ′ mean specific numerical values for the variables n and m.
モードｍと次数ｎを変化させることで様々な指向性を有したエバネッセント波を発生させることが出来る（参考文献：E.G.ウィリアムズ著、吉川茂・西條献児訳、「フーリエ音響学」、シュプリンガー・ジャパン（株））。例えば、ｎ′＝1，ｍ′＝1とすると球面座標系の原点に配置された波源を中心として２個の音場を形成することが出来る。モードｍ′と次数ｎ′の値によって更に音場を増やすことも出来るし、その指向性も制御することが可能である。 Evanescent waves with various directivities can be generated by changing the mode m and the order n (reference: EG Williams, Shigeyoshi Yoshikawa, translation of children by Saijo, "Fourier acoustics", Springer Japan ( stock)). For example, when n ′ = 1 and m ′ = 1, two sound fields can be formed around the wave source arranged at the origin of the spherical coordinate system. The sound field can be further increased by the values of the mode m ′ and the order n ′, and the directivity can be controlled.
図３に、この発明のフィルタ係数決定装置１００の機能構成例を示す。フィルタ係数決定装置１００は、複数のスピーカを用いてエバネッセント波を再生する局所再生装置２００のフィルタ係数を決定する装置であり、次数算出部１１０と、フィルタ係数算出部１２０と、を具備する。 FIG. 3 shows a functional configuration example of the filter coefficient determination apparatus 100 of the present invention. The filter coefficient determination device 100 is a device that determines a filter coefficient of the local reproduction device 200 that reproduces an evanescent wave using a plurality of speakers, and includes an order calculation unit 110 and a filter coefficient calculation unit 120.
フィルタ係数決定装置１００を説明する前に、局所再生装置２００について説明する。 Before describing the filter coefficient determination device 100, the local reproduction device 200 will be described.
〔局所再生装置〕
図４に、局所再生装置２００の概観図の一例を示す。局所再生装置２００は、球形状の外形であり、例えば、その表面に仰角方向に配列されたＵ個（ｕ=1,2,…,Ｕ）のスピーカ２５０ｕｖ を１列として、水平方向にＶ列（ｖ=1,2,…,Ｖ）のスピーカ２５０ｕｖ がＵ×Ｖ個、放音側を外側に向けて配置されている。
[Local reproduction device]
FIG. 4 shows an example of an overview diagram of the local reproduction device 200. The local reproduction device 200 has a spherical outer shape. For example, U (u = 1, 2,..., U) speakers 250 uv arranged on the surface in the elevation angle direction are arranged in one row, and the V U × V speakers 250 uv in a row (v = 1, 2,..., V) are arranged with the sound emission side facing outward.
図４では、作図の都合で全てのスピーカ２５０ｕｖ を図示していない。各スピーカ２５０ｕｖ は水平角方向と仰角方向に離散的に配置される。スピーカ２５０ｕｖ は、例えば、各方向ごとにスピーカ 間の角度が等しくなるように配置する。図４の各スピーカ２５０ｕｖ の位置を(r0,θu,φv)とする。このスピーカ２５０ｕｖ の配置方法は、球面上の最適配置問題として知られる問題であり、さまざまな解（最適な配置方法）が存在する。 FIG. 4 does not show all the speakers 250 uv for the convenience of drawing. Each speaker 250 uv is discretely arranged in the horizontal angle direction and the elevation angle direction. The speaker 250 uv is, for example, a speaker for each direction. Arrange them so that the angles between them are equal. The position of each speaker 250 uv in FIG. 4 is (r 0 , θ u , φ v ). This arrangement method of the speakers 250 uv is a problem known as an optimum arrangement problem on a spherical surface, and there are various solutions (optimum arrangement methods).
図５に、図４におけるｚｙ面の断面で見た局所再生装置２００を示す。スピーカ２５０ｕｖ の添え字ｕｖは、ここではｕをｚ軸方向を０度とした仰角、ｖをｘ軸方向を０°とした水平角で表記する。図５はｚｙ面を示しているので、図５中のスピーカ２５０ｕｖ の水平角φは９０°（φ９０）で固定である。 FIG. 5 shows the local reproduction device 200 as seen in the cross section of the zy plane in FIG. The subscript uv of the speaker 250 uv is represented here by u as an elevation angle where the z-axis direction is 0 degree and v as a horizontal angle where the x-axis direction is 0 °. Since FIG. 5 shows the zy plane, the horizontal angle φ of the speaker 250 uv in FIG. 5 is fixed at 90 ° (φ 90 ).
また、仰角方向のスピーカ２５０ｕｖ は、仰角方向に例えば15°置きに配置されるが、その全てを表記していない。図５では、θ=0°、θ=45°、θ=90°、θ=135°、θ=180°、θ=270°の６個のスピーカのみを表記している。 Further, the speakers 250 uv in the elevation direction are arranged at intervals of, for example, 15 ° in the elevation direction, but not all of them are shown. In FIG. 5, only six speakers with θ = 0 °, θ = 45 °, θ = 90 °, θ = 135 °, θ = 180 °, and θ = 270 ° are shown.
各スピーカ２５０ｕｖ には、Ａ/Ｄ変換器２１０ｕｖと、フィルタ部２２０ｕｖと、Ｄ/Ａ変換器２３０ｕｖと、スピーカアンプ２４０ｕｖと、がそれぞれ直列に接続される。信号入力端子２０１に入力されるアナログ音声信号Ｓ（ｋ）は、Ａ/Ｄ変換器２１０ｕｖでディジタル音声信号に変換され、フィルタ部２２０ｕｖに入力される。 An A / D converter 210 uv , a filter unit 220 uv , a D / A converter 230 uv, and a speaker amplifier 240 uv are connected in series to each speaker 250 uv . Analog audio signal inputted to the signal input terminal 201 S (k) is converted into a digital audio signal by the A / D converter 210 uv, is input to the filter unit 220 uv.
フィルタ部２２０ｕｖは、フィルタ係数決定装置１００で決定されたフィルタ係数Ｈ（θｕ，φｖ，ｋ）をディジタル音声信号に畳み込むことで、エバネッセント波を発生するためのディジタル駆動信号Ｄを生成し、その駆動信号をＤ/Ａ変換器２３０ｕｖとスピーカアンプ２４０ｕｖを介してスピーカ２５０ｕｖ に出力する。ディジタル駆動信号Ｄは、式（９）で表される。 The filter unit 220 uv generates a digital drive signal D for generating an evanescent wave by convolving the filter coefficient H (θ u , φ v , k) determined by the filter coefficient determination apparatus 100 with a digital audio signal. The drive signal is output to the speaker 250 uv via the D / A converter 230 uv and the speaker amplifier 240 uv . The digital drive signal D is expressed by equation (9).
次に、フィルタ係数決定装置１００を説明する。 Next, the filter coefficient determination device 100 will be described.
〔フィルタ係数決定装置〕
図３に示すフィルタ係数決定装置１００の各部の機能は、例えばＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ等で構成されるコンピュータに所定のプログラムが読み込まれて、ＣＰＵがそのプログラムを実行することで実現されるものである。その動作フローを図６に示す。
[Filter coefficient determination device]
The function of each part of the filter coefficient determination device 100 shown in FIG. 3 is realized by reading a predetermined program into a computer composed of, for example, a ROM, a RAM, a CPU, and the like, and executing the program by the CPU. is there. The operation flow is shown in FIG.
次数算出部１１０は、次数決定情報に基づいて、球調和関数の次数ｎ′を、球面エバネッセント波が発生する条件である入力信号の波数ｋとスピーカの位置半径ｒ0とを乗じた値よりも大きな値(ｎ′＞ｋｒ0)として算出する（ステップS１０）。次数決定情報とは、音源の周波数の最大値を基準に次数ｎ′を指定するか、音源の周波数の定数倍を基準に次数ｎ′を指定するか、を決定する２値情報である。波数ｋは、入力信号の周波数ｆと、式（１０）の関係を持つ数値であり、波長の逆数である。 Based on the order determination information, the order calculator 110 calculates the order n ′ of the spherical harmonic function by a value obtained by multiplying the wave number k of the input signal, which is a condition for generating a spherical evanescent wave, and the position radius r 0 of the speaker. It is calculated as a large value (n ′> kr 0 ) (step S10). The order determination information is binary information that determines whether the order n ′ is specified based on the maximum value of the frequency of the sound source or whether the order n ′ is specified based on a constant multiple of the frequency of the sound source. The wave number k is a numerical value having the relationship of the frequency f of the input signal and the expression (10), and is the reciprocal of the wavelength.
ｃは音速である。 c is the speed of sound.
アナログ音声信号Ｓ（ｋ）を離散値化するＡ/Ｄ変換器２１０ｕｖ（局所再生装置２００）におけるサンプリング周波数をｆｓ、周波数の帯域分割数をＱ（ｑ＝0,1,…,Ｑ-1）とした場合の各周波数帯域を式（１１）で表す。 The sampling frequency in the A / D converter 210 uv (local reproduction device 200) for converting the analog audio signal S (k) into discrete values is fs, and the frequency band division number is Q (q = 0, 1,..., Q−1). ), Each frequency band is expressed by Expression (11).
波数ｋは、各周波数帯域ｆ（ｑ）により異なる値となる（式（１２））。 The wave number k takes a different value depending on each frequency band f (q) (formula (12)).
後述する次数算出部１１０は、波数ｋに基づいて次数ｎ′を算出する。フィルタ係数算出部１２０が、その次数ｎ′を入力としてフィルタ係数を算出するので、そのフィルタ係数は各周波数帯域ｆ（ｑ）におけるフィルタ係数となる。フィルタ係数算出部１２０は、周波数領域におけるフィルタ係数または時間領域におけるフィルタ係数をフィルタ部２２０ｕｖ（局所再生装置２００）に設定する。周波数領域の場合、Ｑ個の周波数領域のフィルタ係数を算出し、フィルタ部２２０ｕｖに設定する。時間領域の場合、Ｑ個の周波数領域のフィルタ係数を算出し、それを逆フーリエ変換により時間領域のフィルタ係数に変換し、フィルタ部２２０ｕｖに設定する。 The order calculation unit 110 described later calculates the order n ′ based on the wave number k. Since the filter coefficient calculation unit 120 calculates the filter coefficient using the order n ′ as an input, the filter coefficient is a filter coefficient in each frequency band f (q). The filter coefficient calculation unit 120 sets the filter coefficient in the frequency domain or the filter coefficient in the time domain in the filter unit 220 uv (local reproduction device 200). In the frequency domain, Q frequency domain filter coefficients are calculated and set in the filter unit 220 uv . In the time domain, Q frequency domain filter coefficients are calculated, converted into time domain filter coefficients by inverse Fourier transform, and set in the filter unit 220 uv .
なお、周波数の帯域分割数Ｑの値を大きくとればフィルタとしての精度は高くなるが計算コストが大きくなる。Ｑは任意に設定することができ、例えば数百程度の値とする。また２のべき乗数に設定すると演算が高速化できる。 If the value of the frequency band division number Q is increased, the accuracy as a filter increases, but the calculation cost increases. Q can be arbitrarily set, for example, a value of about several hundred. If the power is set to a power of 2, the computation can be speeded up.
先ず、音源の周波数の最大値を基準に次数ｎ′を指定する場合、つまり、例えば次数決定情報が「０」の場合の次数算出部１１０を説明する。次数算出部１１０は、波数検出手段１１１と、乗算手段１１２と、最大整数化手段１１３と、を備える。音源の周波数の最大値を基準に次数ｎ′を指定する場合、波数算出手段１１１は、アナログ音声信号Ｓ（ｋ）の最大周波数ｆｍａｘを入力として、その波数の最大値ｋｍａｘを式（１０）で計算する（ステップＳ１１１）。 First, the order calculation unit 110 when the order n ′ is designated based on the maximum value of the frequency of the sound source, that is, when the order determination information is “0”, for example, will be described. The order calculation unit 110 includes a wave number detection unit 111, a multiplication unit 112, and a maximum integer unit 113. When the order n ′ is designated based on the maximum value of the frequency of the sound source, the wave number calculation means 111 receives the maximum frequency f max of the analog audio signal S (k) as an input, and calculates the maximum value k max of the wave number by the equation ) (Step S111).
乗算手段１１２は、ｋｍａｘに、１より大きい任意の実数であるαと局所再生装置２００の半径ｒ0とを乗じる（ステップＳ１１２）。最大整数化手段１１３は、その乗じた値α・ｋｍａｘ・ｒ0以下の最大の整数を、次数ｎ′として出力する（ステップＳ１１３）。 The multiplying unit 112 multiplies k max by α, which is an arbitrary real number greater than 1, and the radius r 0 of the local reproduction device 200 (step S112). The maximum integer unit 113 outputs the maximum integer less than the multiplied value α · k max · r 0 as the order n ′ (step S113).
この次数ｎ′は、式（８）で表される再生音場の距離減衰特性を決定するパラメータに対応する。よって、任意の実数αを変化させることで距離減衰量を制御することが可能である。アナログ音声信号Ｓ（ｋ）の最大周波数ｆｍａｘを３kHzとし、ｒ0=20cmとするとｋｍａｘ・ｒ0=11である。距離減衰特性を急峻にし過ぎないためには、αの値は１〜数十程度が目安である。なお、波数算出手段１１１を破線で示しているように、波数ｋｍａｘの値を電卓等で計算し、乗算手段１１２に直接入力するようにすれば波数算出手段１１１は不要である。同様に、次数ｎ′を予め求めておけば、次数算出部１１０は無くても良い。 The order n ′ corresponds to a parameter that determines the distance attenuation characteristic of the reproduced sound field expressed by the equation (8). Therefore, it is possible to control the distance attenuation by changing an arbitrary real number α. When the maximum frequency f max of the analog audio signal S (k) is 3 kHz and r 0 = 20 cm, k max · r 0 = 11. In order to prevent the distance attenuation characteristic from becoming too steep, the value of α is approximately 1 to several tens. Incidentally, as shown wavenumber calculating unit 111 with a broken line, the value of the wave number k max calculated in calculator or the like, the wave number calculating unit 111 when to enter directly into the multiplying means 112 is unnecessary. Similarly, if the order n ′ is obtained in advance, the order calculating unit 110 may be omitted.
フィルタ係数算出部１２０は、その次数ｎ′と球調和関数のモードｍ′とスピーカの位置情報(ｒ0,θu,φv)とを入力とし、それらを球調和関数に代入してフィルタ係数Ｈ（θｕ，φｖ，ｋｍａｘ）を算出する（ステップＳ１２０）。 The filter coefficient calculation unit 120 receives the order n ′, the mode m ′ of the spherical harmonic function, and the position information (r 0 , θ u , φ v ) of the speaker, and substitutes them into the spherical harmonic function to filter coefficients. H (θ u , φ v , k max ) is calculated (step S120).
式（１４）は周波数領域におけるフィルタ係数である。フィルタ係数Ｈ（θｕ，φｖ，ｋｍａｘ）は、逆フーリエ変換により時間領域のフィルタ係数に変換され、各スピーカ２５０ｕｖにそれぞれ対応したフィルタ部２２０ｕｖに設定される。 Equation (14) is a filter coefficient in the frequency domain. The filter coefficient H (θ u , φ v , k max ) is converted into a time domain filter coefficient by inverse Fourier transform, and set in the filter unit 220 uv corresponding to each speaker 250 uv .
次に、音源の周波数の定数倍を基準に次数ｎ′を指定する次数決定情報が「１」の場合の次数算出部１１０′について説明する。次数算出部１１０′は、次数算出部１１０に対して各周波数帯域ｆ（ｑ）ごとに次数ｎ′を算出する点で異なる。 Next, description will be made regarding the order calculation unit 110 ′ when the order determination information for specifying the order n ′ is “1” based on a constant multiple of the frequency of the sound source. The order calculation unit 110 ′ is different from the order calculation unit 110 in that the order n ′ is calculated for each frequency band f (q).
波数算出手段１１１′は、周波数帯域ｆ（ｑ）を入力として各周波数帯域ｆ（ｑ）ごとに波数ｋ(ｑ)を算出する。乗算手段１１２′は、ｋ（ｑ）に、１より大きい任意の実数であるβと局所再生装置２００の半径ｒ0とを乗じる。 The wave number calculating unit 111 ′ receives the frequency band f (q) as an input and calculates the wave number k (q) for each frequency band f (q). The multiplying unit 112 ′ multiplies k (q) by β, which is an arbitrary real number greater than 1, and the radius r 0 of the local reproduction device 200.
最大整数化手段１１３′は、その乗じた値β・ｋ（ｑ）・ｒ0以下の最大の整数を、次数ｎ（ｑ）′として出力する。 The maximum integer converting means 113 ′ outputs the maximum integer less than the multiplied value β · k (q) · r 0 as the order n (q) ′.
なお、βが大き過ぎると距離減衰特性が急峻に減衰してしまう。したがって、βの値は１〜数十程度が目安である。このように次数算出部１１０′が出力する次数ｎ（ｑ）′は、周波数帯域ｆ（ｑ）によって変化する値である。 If β is too large, the distance attenuation characteristic is steeply attenuated. Therefore, the value of β is about 1 to several tens. As described above, the order n (q) ′ output from the order calculation unit 110 ′ is a value that varies depending on the frequency band f (q).
フィルタ係数算出部１２０′は、その次数ｎ（ｑ）′と球調和関数のモードｍ′とスピーカの位置情報(ｒ0,θu,φv)とを入力とし、それらを球調和関数に代入してフィルタ係数Ｈ（θｕ，φｖ，ｋ（ｑ））を算出する。 The filter coefficient calculation unit 120 ′ receives the order n (q) ′, the mode m ′ of the spherical harmonic function, and the position information (r 0 , θ u , φ v ) of the speaker and substitutes them into the spherical harmonic function. Then, the filter coefficient H (θ u , φ v , k (q)) is calculated.
フィルタ係数Ｈ（θｕ，φｖ，ｋ（ｑ））は、周波数領域のフィルタ係数として各スピーカ２５０ｕｖにそれぞれ対応したフィルタ部２２０ｕｖに設定されるか、逆フーリエ変換により時間領域のフィルタ係数に変換され、各スピーカ２５０ｕｖにそれぞれ対応したフィルタ部２２０ｕｖに、設定される。 The filter coefficient H (θ u , φ v , k (q)) is set in the filter unit 220 uv corresponding to each speaker 250 uv as a filter coefficient in the frequency domain, or a time domain filter coefficient by inverse Fourier transform. Is set in the filter unit 220 uv corresponding to each speaker 250 uv .
以上説明したように、フィルタ係数決定装置は、球調和関数の次数ｎ′を、球面エバネッセント波が発生する条件である入力信号の波数ｋとスピーカの位置半径ｒ0とを乗じた値よりも大きな値(ｎ′＞ｋｒ0)として算出することで、エバネッセント波による複数の受聴領域を備えた局所再生装置に用いるフィルタ係数を提供することが出来る。また、この発明の局所再生装置は、そのフィルタ係数を用いることで、エバネッセント波による複数の受聴領域を実現することが出来る。つまり、この発明のフィルタ係数決定装置と局所再生装置による球面スピーカアレーを用いたエバネッセント波再生手法によれば、受聴領域と減衰効果範囲を拡大することが可能となる。 As described above, the filter coefficient determination device has the order n ′ of the spherical harmonic function larger than the value obtained by multiplying the wave number k of the input signal, which is a condition for generating a spherical evanescent wave, and the position radius r 0 of the speaker. By calculating as a value (n ′> kr 0 ), it is possible to provide a filter coefficient used in a local reproduction device having a plurality of listening areas by evanescent waves. Moreover, the local reproduction apparatus of this invention can implement | achieve the several listening area by an evanescent wave by using the filter coefficient. That is, according to the evanescent wave reproduction method using the spherical speaker array by the filter coefficient determination device and the local reproduction device of the present invention, it is possible to expand the listening area and the attenuation effect range.
上記フィルタ係数決定装置１００，１００′における処理手段をコンピュータによって実現する場合、各装置が有すべき機能の処理内容はプログラムによって記述される。そして、このプログラムをコンピュータで実行することにより、各装置における処理手段がコンピュータ上で実現される。また、局所再生装置２００についてもスピーカ２５０ｕｖを除く各機能部は、コンピュータによって実現することが可能である。 When the processing means in the filter coefficient determination devices 100 and 100 'is realized by a computer, the processing contents of the functions that each device should have are described by a program. Then, by executing this program on the computer, the processing means in each apparatus is realized on the computer. Also, in the local playback device 200, each functional unit other than the speaker 250 uv can be realized by a computer.
なお、局所再生装置２００のフィルタ部２２０ｕｖは、ディジタルフィルタの例で説明を行ったが、上記したフィルタ係数と同等の濾波特性を持つアナログフィルタに置き換えてもこの発明の局所再生装置２００を実現することが可能である。 The filter unit 220 uv of the local regeneration device 200 has been described with reference to the example of the digital filter. However, the local regeneration device 200 of the present invention can be realized even if the filter unit 220 uv is replaced with an analog filter having a filtering characteristic equivalent to the filter coefficient described above. Is possible.
この処理内容を記述したプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録しておくことができる。コンピュータで読み取り可能な記録媒体としては、例えば、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、半導体メモリ等どのようなものでもよい。具体的には、例えば、磁気記録装置として、ハードディスク装置、フレキシブルディスク、磁気テープ等を、光ディスクとして、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＤＶＤ−ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ（Recordable）/ＲＷ（ReWritable）等を、光磁気記録媒体として、ＭＯ（Magneto Optical disc）等を、半導体メモリとしてＥＥＰ−ＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable-Read Only Memory）等を用いることができる。 The program describing the processing contents can be recorded on a computer-readable recording medium. As the computer-readable recording medium, for example, any recording medium such as a magnetic recording device, an optical disk, a magneto-optical recording medium, and a semiconductor memory may be used. Specifically, for example, as a magnetic recording device, a hard disk device, a flexible disk, a magnetic tape or the like, and as an optical disk, a DVD (Digital Versatile Disc), a DVD-RAM (Random Access Memory), a CD-ROM (Compact Disc Read Only). Memory), CD-R (Recordable) / RW (ReWritable), etc., magneto-optical recording medium, MO (Magneto Optical disc), etc., semiconductor memory, EEP-ROM (Electronically Erasable and Programmable-Read Only Memory), etc. Can be used.
また、このプログラムの流通は、例えば、そのプログラムを記録したＤＶＤ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬型記録媒体を販売、譲渡、貸与等することによって行う。さらに、このプログラムをサーバコンピュータの記録装置に格納しておき、ネットワークを介して、サーバコンピュータから他のコンピュータにそのプログラムを転送することにより、このプログラムを流通させる構成としてもよい。 The program is distributed by selling, transferring, or lending a portable recording medium such as a DVD or CD-ROM in which the program is recorded. Further, the program may be distributed by storing the program in a recording device of a server computer and transferring the program from the server computer to another computer via a network.
また、各手段は、コンピュータ上で所定のプログラムを実行させることにより構成することにしてもよいし、これらの処理内容の少なくとも一部をハードウェア的に実現することとしてもよい。 Each means may be configured by executing a predetermined program on a computer, or at least a part of these processing contents may be realized by hardware.
Claims (7)
上記スピーカの位置情報(ｒ0,θu,φv)と上記次数ｎ′と上記球調和関数のモードｍ′とを入力とし、上記スピーカの位置情報(ｒ0,θu,φv)と上記次数ｎ′と上記モードｍ′を上記球調和関数に代入してフィルタ係数を算出するフィルタ係数算出部と、
を具備するフィルタ係数決定装置。 The order n ′ of the spherical harmonic function is calculated as a value (n ′> kr 0 ) greater than the value obtained by multiplying the wave number k of the input signal, which is a condition for generating a spherical evanescent wave, and the speaker position radius r 0. A calculation unit;
The speaker position information (r 0 , θ u , φ v ), the order n ′ and the spherical harmonic function mode m ′ are input, and the speaker position information (r 0 , θ u , φ v ) and A filter coefficient calculation unit for calculating a filter coefficient by substituting the order n ′ and the mode m ′ into the spherical harmonic function;
A filter coefficient determination apparatus comprising:
上記次数算出部は、
上記入力信号の波数ｋの最大値をｋmax、αは１より大きい任意の実数、ｒ0は上記球面の半径とすると、
のように上記次数ｎ′を算出することを特徴とするフィルタ係数決定装置。 The filter coefficient determination apparatus according to claim 1,
The order calculation unit is
If the maximum value of the wave number k of the input signal is k max , α is an arbitrary real number greater than 1, and r 0 is the radius of the spherical surface,
A filter coefficient determination apparatus characterized in that the order n ′ is calculated as follows.
上記次数算出部は、
上記入力信号の周波数帯域ｆ（ｑ）の波数をｋ（ｑ）、βは１より大きい任意の実数、ｒ0は上記球面の半径とすると、
のように上記次数ｎ′（ｎ′＝ｎ（ｑ）′）を算出することを特徴とするフィルタ係数決定装置。 The filter coefficient determination apparatus according to claim 1,
The order calculation unit is
If the wave number of the frequency band f (q) of the input signal is k (q), β is an arbitrary real number greater than 1, and r 0 is the radius of the spherical surface,
The filter coefficient determination apparatus characterized in that the order n ′ (n ′ = n (q) ′) is calculated as follows.
上記複数のスピーカにそれぞれ接続されるフィルタ部と、
を備え、
上記フィルタ部は、請求項１から請求項３の何れかに記載したフィルタ係数決定装置で決定されたフィルタ係数を、上記入力信号に畳み込み上記スピーカを駆動するための駆動信号を生成するフィルタ部であることを特徴とする局所再生装置。 A plurality of speakers arranged discretely in a horizontal angle direction and an elevation angle direction on a spherical surface;
A filter unit connected to each of the plurality of speakers;
With
The filter unit is a filter unit that convolves the filter coefficient determined by the filter coefficient determination device according to any one of claims 1 to 3 with the input signal to generate a drive signal for driving the speaker. A local reproduction device characterized by being.
上記スピーカの位置情報(ｒ0,θu,φv)と上記次数ｎ′と上記球調和関数のモードｍ′とを入力とし、上記スピーカの位置情報(ｒ0,θu,φv)と上記次数ｎ′と上記モードｍ′を上記球調和関数に代入してフィルタ係数を算出するフィルタ係数算出過程と、
を備えるフィルタ係数決定方法。 The order n ′ of the spherical harmonic function is calculated as a value (n ′> kr 0 ) greater than the value obtained by multiplying the wave number k of the input signal, which is a condition for generating a spherical evanescent wave, and the speaker position radius r 0. Calculation process,
The speaker position information (r 0 , θ u , φ v ), the order n ′ and the spherical harmonic function mode m ′ are input, and the speaker position information (r 0 , θ u , φ v ) and A filter coefficient calculation process for calculating a filter coefficient by substituting the order n ′ and the mode m ′ into the spherical harmonic function;
A filter coefficient determination method comprising:
上記フィルタリング過程は、請求項５に記載したフィルタ係数決定方法で決定されたフィルタ係数を、上記入力信号に畳み込み上記スピーカを駆動するための駆動信号を生成するフィルタリング過程であることを特徴とする局所再生方法。 A filtering process for generating reproduction signals respectively input to a plurality of speakers discretely arranged on the spherical surface in the horizontal angle direction and the elevation angle direction;
The filtering process is a filtering process for generating a drive signal for driving the speaker by convolving the filter coefficient determined by the filter coefficient determination method according to claim 5 with the input signal. Playback method.
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