JP5540240B2 - 音響装置 - Google Patents

Description

本発明は、時間領域におけるインパルス応答である頭部伝達関数を利用して仮想的に音源を定位させることを可能にする音響装置の改良に関する。

頭部伝達関数は、音源から左右の耳までの音響的な伝達関数であり、具体的には音響信号の聴取者に対してある方向から音響インパルイスを与えたときの応答特性のことを言う。この頭部伝達関数は周波数領域においてＨＲＴＦ（Ｈｅａｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）と称され、これを逆フーリエ変換して時間領域において表現したものは、ＨＲＩＲ（Ｈｅａｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）と称されている。図７は、聴取者の真正面前方を基準角度「０度」、それと反対の真後ろ後方に対する角度を「１８０度」とし、角度Ａおよび角度Ｂでの頭部伝達関数が分かっているとして、その２つの角度で挟まれる角度Ｃでの頭部伝達関数を求める従来技術の模式的説明図である。ここで、角度Ａにおける頭部伝達関数は、聴取者の左耳ＬＥおよび右耳ＲＥのそれぞれに対するインパルス応答Ａｌ、Ａｒで成っており、同様に、角度Ｂにおける頭部伝達関数は、聴取者の左耳ＬＥおよび右耳ＲＥのそれぞれに対するインパルス応答Ｂｌ、Ｂｒで成っている。そして、角度Ｃにおける聴取者の左耳ＬＥおよび右耳ＲＥのそれぞれに対する応答Ｃｌ、Cｒは、それぞれ「ＡｌとＢｌとの補間」、「ＡｒとＢｒとの補間」によって求める方法が提案されていた。そして、一般に頭部伝達関数は、角度により到達時間差が存在するため、より遅く到達するものでは、先頭から複数サンプル「０」となってしまう状態が発生し、補間に使用する角度Ａ、Ｂでのインパルス応答の信号立ち上がりにおいても、この「０」の複数サンプル分のずれが生じるといった問題があった。そこで、時間軸の補正や周波数領域に変換してインパルス応答の立ち上がり時間差を補正する装置が提案されている。この時間軸の補正を行う装置としては、例えば、音響信号をデジタル信号に変換し、タップ係数とのたたみ込み演算を行い、再度、音響信号に変換して再生する音響再生装置において、ＲＯＭに格納している離散的なタップ係数を用いて内分法により得られた補間値でタップ係数を代表させ、その結果、特性を連続して滑らかに変化させ、連続的に音源の存在方向を可変する音響再生装置が提案されていた（例えば、特許文献１参照。）。また、周波数領域に変換して補正する装置としては、演算によって任意の角度のバイノーラル化を行うために音響装置が提案されていた（例えば、特許文献２参照。）。この装置にあっては、制御回路からの信号が、所定の角度間隔毎の複数の角度で計測された左及び右の頭部伝達関数を記憶したメモリに供給され、音像定位をさせたい任意の角度の伝達関数が読み出され、更に、この読み出された頭部伝達関数がそれぞれレジスタに書き込まれ、これらのレジスタからの信号がそれぞれ内挿・補間の演算回路に与えられる。そして、制御回路からの内挿・補間の比率を制御する信号が演算回路に供給され、この比率に応じた演算が行われる。これによって算出された頭部伝達関数が変換回路に供給されて左右の音が生成されるため、複数の角度に対応する頭部伝達関数を計測するのみで、演算によって任意の角度のバイノーラル化を実現できる。

特開昭６０−９２１２号公報（第１−２頁、第１図） 特開平５−３００５９９号公報（第２−３頁、第１図）

しかしながら、周波数領域に変換して補正を行う上述した第２番目の装置にあっては、そもそも周波数領域での演算は、一般に演算結果を時間領域に変換する必要があり、その際の演算量が極めて多くなってしまい、その結果、簡素な構成の装置は実現できない。また、時間軸での補正を行う上述した第１番目の装置にあっても、フィルタ係数の先頭から数サンプル継続する「０」を保持する必要があり、この分余計なメモリ量を要していた。また、２つのフィルタ係数間の遅延を線形補間するために、実際の遅延量と遅延補間結果とのずれ量が大きくなる場合も生じ得た。

本発明は、かかる従来の課題を解決するためになされたもので、演算量を少なくしながら精度良く任意の角度で音像定位が可能な音響装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、第１の複数個の角度における聴取者への到達信号の初期遅延を示す情報（初期遅延サンプル数）を格納する初期遅延サンプル数格納部、及び、第２の複数個の角度における左右両耳の夫々に対する、時間領域におけるインパルス応答である頭部伝達関数であって前記初期遅延サンプル数分である、先頭サンプルから連続する振幅が「０」であるサンプル数を除いた頭部伝達関数を格納する頭部伝達関数格納部とを有する記憶手段と、前記記憶手段の記憶内容を参照して与えられた角度に対する頭部伝達関数を求める演算手段と、を備え、前記第１の複数個の角度が前記第２の複数個の角度を含みそれより多くの個数の角度であるように設定され、
前記演算手段は、
前記頭部伝達関数格納部の格納内容を参照して、与えられた角度を挟む２つの角度の左右両耳に対する頭部伝達関数読み出すと共に、前記初期遅延サンプル数格納部の格納内容を参照して、与えられた角度の左右両耳に対する初期遅延サンプル数を読み出す読み出し手段と、
前記読み出した２つの頭部伝達関数を左耳及び右耳毎に補間して、与えられた角度に対する左耳及び右耳に対する頭部伝達関数を求める補間手段と、
この補間して求めた左耳および右耳の頭部伝達関数に対して、左耳及び右耳毎に、対応する前記読み出した初期遅延サンプル数分、当該頭部伝達関数の先頭に振幅「０」を付加する処理を行う遅延手段と、を含んで成ることを特徴とするようにした。

この発明によれば、読み出し手段が、初期遅延サンプル数分である、先頭サンプルから連続する振幅が「０」であるサンプル数を除いた頭部伝達関数を格納した頭部伝達関数格納部の格納内容を参照して、与えられた角度を挟む２つの角度の左右両耳に対する頭部伝達関数を読み出すと共に、前記初期遅延サンプル数格納部の格納内容を参照して、与えられた角度に対する左右両耳の初期遅延サンプル数を読み出し、補間手段が読み出した２つの頭部伝達関数を左耳及び右耳毎に補間して、与えられた角度に対する左耳及び右耳に対する頭部伝達関数を求め、遅延手段が、この補間して求めた左耳および右耳の頭部伝達関数に対して左耳及び右耳毎に、対応する前記読み出した初期遅延サンプル数分、当該頭部伝達関数の先頭に振幅「０」を付加する遅延処理を行うので、精度良く仮想音源を定位できると共に、時間軸での処理を行うので演算量が少なくなりその結果、使用するメモリ容量は従来装置よりも少ないものとなる。

また、この音響装置において、前記読み出し手段を、前記初期遅延サンプル数格納部の格納内容を参照して、与えられた角度に一致する左右両耳に対する初期遅延サンプル数が存在しない場合には、この与えられた角度を挟む２つの角度の左右両耳に対する初期遅延サンプル数を読み出す構成とし、前記補間手段が、更に、前記読み出した２つの初期遅延サンプル数を左耳及び右耳毎に補間して、与えられた角度に対する左耳及び右耳に対する初期遅延サンプル数を求める構成とすれば、初期遅延サンプル数をそれほど細かな角度毎に格納しておく必要がなくなる。なお、前記第１の複数個の角度は１度毎の３６０個の角度とし、第２の複数個の角度は１２個の３０度毎の角度とすることが精度上好ましく、初期遅延サンプル数は、具体的には、音源到達信号の先頭から「０」が継続する個数である。

本発明によれば、演算量を少なくしながら精度良く任意の角度で音像定位が可能になるという効果が得られる。

音響装置１の構成図である。 メモリ１０の記憶内容の説明図である。 初期遅延サンプル数の説明図である。 角度と初期遅延サンプル数との関係を示す説明図である。 動作の説明図である。 音響装置１の動作を説明するフローチャートである。 従来技術の説明図である。 動作の説明図である。

以下、本発明を実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

（構成）
図１は本発明の実施形態である音響装置１の構成図である。この音響装置１は、メモリ１０（記憶手段）と、演算部２０と、操作部３０と、ＦＩＲフィルタ５０、５５と、入力信号源４０とを有して構成されており、入力信号源４０からの信号は２つのＦＩＲフィルタ５０、５５に供給されるように構成されている。ＦＩＲフィルタ５０、５５には夫々、演算部２０からＬチャンネル用係数、Ｒチャンネル用係数が供給され、入力信号源４０からの信号に対して、供給された係数を乗じる等の処理を施してＬチャンネル音及びＲチャンネル音を出力し、この両音がヘッドホン等で聴取されると所望の仮想的な音源定位が行われる。なお、この音響装置１はＣＰＵやＤＳＰがＲＯＭ等の記録媒体に記録したプログラムにしたがって、ＲＡＭ等をワークエリアとして所要の処理を実行することによって実現可能である。

メモリ１０は、頭部伝達関数格納部１２と初期遅延サンプル数格納部１４とを有している。なお、本実施形態における頭部伝達関数は時間領域におけるインパルス応答のこと指し、周波数領域における伝達関数のごときものではない。図２（ａ）に示すように、頭部伝達関数格納部１２には聴取者の真正面前方を基準角度「０度」とし、時計回り方向に３０度毎に左耳用頭部伝達関数と右耳用頭部伝達関数とが予め測定され記憶されている。この例では３０度毎としているが、９０度以内の角度で測定すれば３０度でなくとも構わない。図２（ａ）に示すように左耳用頭部伝達関数は「ＨＬ０、ＨＬ１、ＨＬ２、…、ＨＬ６、…、ＨＬ９、ＨＬ１０、ＨＬ１１」となっており、右耳用頭部伝達関数は「ＨＲ０、ＨＲ１、ＨＲ２、…、ＨＲ６、…、ＨＲ９、ＨＲ１０、ＨＲ１１」となっている。なお、０度から１８０度の頭部伝達関数の左右両耳に対するものを入れ替えると、１８０度から３６０度の頭部伝達関数となるため、「ＨＲ１１、ＨＲ１０、ＨＲ９、…」は「ＨＬ１、ＨＬ２、…」であり、「ＨＬ１１、ＨＬ１０、ＨＬ９、…」は「ＨＲ１、ＨＲ２、…」である。なお、ここで重要なのは、頭部伝達関数格納部１２に格納されているこれらの頭部伝達関数（インパルス応答）は、以下に説明する初期遅延サンプル数が除かれたものである。

図２（ｂ）は、初期遅延サンプル数格納部１４に格納された初期遅延サンプル数で、聴取者の真正面前方を基準角度「０度」として時計回り方向に１度毎に左耳用初期遅延サンプル数と右耳用初期遅延サンプル数とが予め測定され記憶されている。この例では１度毎としたが１度以内の角度で測定角度を設定すれば更に精度が向上する。図２（ｂ）に示すように左耳用初期遅延サンプル数は「ＴＬ０、ＴＬ１、ＴＬ２、…、ＴＬ１７９、…、ＴＬ３５７、ＴＬ３５８、ＴＬ３５９」となっており、右耳用初期遅延サンプル数は「ＴＲ０、ＴＲ１、ＴＲ２、…、ＴＲ１７９、…、ＴＲ３５７、ＴＲ３５８、ＴＲ３５９」となっている。なお、０度から１８０度の初期遅延サンプル数の左右両耳に対するものを入れ替えると、１８０度から３６０度の初期遅延サンプル数となるため、右耳用初期遅延サンプル数である「ＴＲ３５９、ＴＲ３５８、ＴＲ３５７、…」は「ＴＬ１、ＴＬ２、…」となり「ＴＬ３５９、ＴＬ３５８、ＴＬ３５７、…」は「ＴＲ１、ＴＲ２、…」である。

さて、図３は２つの角度において、一方の耳（例えば左耳）に到達するインパルス応答の様子を示した図であり、横軸が時間軸ｔである。２つの角度においては距離差（換言すれば位相差）が存在するので、信号ＷＡ１に対して信号ＷＡ２が遅れ、初期遅延が発生する。このように初期遅延が発生した場合、その遅延分だけ先頭から信号「０」が継続するが、これを初期遅延サンプル数と称している。図４は実際に本願発明者が測定した初期遅延サンプル数（先頭から「０」が継続するサンプル数）である。図４は聴取者の真正面前方（０度）から真後ろ後方（１８０度）までの頭部伝達関数（インパルス応答）の初期遅延サンプル数（先頭から「０」が継続するサンプル数）を角度毎にプロットした図であり、横軸が角度、縦軸が初期遅延サンプル数である。そして、グラフＳ１が右耳に対するもの、グラフＳ２が左耳に対するものを示している。図４を参照すれば分かるように、角度と初期遅延サンプル数との関係は必ずしも線形ではない。したがって、線形的な時間補間は実際の値と大きくずれてしまう場合がある。そこで、本実施形態では、初期遅延サンプル数を１度毎に左右両耳に対して測定、格納しておき、初期遅延サンプル数を除いた頭部伝達関数を用いることによって、信号間の立ち上がりを揃えて、出だしを揃え定位精度の向上を図るようにした。

（動作）
今、図５に示すような状態において、聴取者が操作部３０を介して角度７５度を与えるものとする。なお、聴取者の真正面前方が「０度」であり、真後ろ後方が「１８０度」である。ＬＥは左耳、ＲＥは右耳、Ｈは頭部を示している。そして、基準角度０度から時計方向に角度が大きくなっていき、３６０度で基準角度０度に戻るように角度設定されている。先ず、図６のステップＳ６００に示すように、演算部２０は、頭部伝達関数格納部１２の格納内容を参照して、与えられた角度である７５度を挟む２つの角度６０度及び９０度での左右両耳に対する頭部伝達関数読み出すと共に、初期遅延サンプル数格納部１４の格納内容を参照して、与えられた角度７５度の左右両耳に対する初期遅延サンプル数を読み出す。これにより、４つの頭部伝達関数（６０度の左右と９０度の左右）と２つ（７５度の左右）の初期遅延サンプル数が読み込まれる。

次に、図６のステップＳ６１０における補間処理を行う。角度９０度と角度６０度の差は３０度であり、角度６０度と角度７５度の差、及び、角度９０度と角度７５度の差は共に１５度であるから、「１対１」の割合で、読み出した２つの頭部伝達関数を左耳及び右耳毎に補間する。先ず、左耳に対する角度６０度および角度９０度の頭部伝達関数の夫々に「１／２」を乗じたものを加算し、これに左耳に対する７５度の初期遅延サンプル数分「０」をその先頭に付加する（図６のステップＳ６２０）。同様に、右耳に対する角度６０度および角度９０度の頭部伝達関数の夫々に「１／２」を乗じたものを夫々加算し、これに左耳に対する７５度の初期遅延サンプル数分「０」をその先頭に付加する（図６のステップＳ６２０）。一般的には、与えられた角度θを挟む２つの角度をθ１、θ２とすると「Ｈ１×（（θ−θ１）／（θ２−θ１）＋Ｈ２×（θ２−θ）／（θ２−θ２）：但し、Ｈ１、Ｈ２は角度θ１、θ２での頭部伝達関数、θ２＞θ１」なる演算を左耳及び右耳に対して行い、その後、対応する初期遅延サンプル数分だけ先頭に「０」を付加する。

そして、この演算処理で求まった初期遅延サンプル数分だけ先頭に「０」が付加された頭部伝達関数（インパルス応答）は、それぞれ、Ｌチャンネル用係数、Ｒチャンネル用係数として、ＦＩＲフィルタ５０、５５に供給され、ＦＩＲフィルタ５０、５５は夫々、与えられた係数と入力信号源４０からの信号を乗じてＬチャンネル信号とＲチャンネル信号とを出力する。図８はこの動作の説明図であり、いずれも横軸を時間軸ｔとしている。図８（ａ）、図８（ｂ）に示すように角度６０度、９０度のインパルス応答に対して、その初期遅延（初期遅延サンプル数）を除いたものが、図８（ｃ）、図８（ｄ）に示すものとなる。そして、図８（ｃ）、図８（ｄ）に示す信号を補間して（具体的には、図８（ｃ）、図８（ｄ）の信号に夫々「１／２」を乗じて加算する）、与えられた角度７５度に対する初期遅延サンプル数をその先頭に付加したものが、図８（ｅ）に示すものとなる。

このように、本発明の実施形態によれば、精度良く仮想音源を定位できると共に、時間軸での処理を行うので演算量が少なくなり、その結果、使用するメモリ容量は少ないものとなる。

なお、与えられた角度に一致する角度の初期遅延サンプル数が存在しない場合には、頭部伝達関数を求めた時と同様の補間処理を行えば良い。なお、上述してきた実施形態では等角度間隔で頭部伝達関数を格納しておく例について説明してきたが、必ずしも等角度間隔での頭部伝達関数を格納しておく必要はなく、例えば「０度、４５度、９０度、１２０度、１８０度…」等の角度間隔で頭部伝達関数を格納しておいても同様の処理を施すことができる。

以上説明してきたように、与えられた音響信号に対して音像定位を行うための音楽装置に利用することができる。

１ 音響装置
１０ メモリ
１２ 頭部伝達関数格納部
１４ 初期遅延サンプル数格納部
２０ 演算部
３０ 操作部
４０ 入力信号源
５０ ＦＩＲフィルタ
５５ ＦＩＲフィルタ

Claims (3)

1. 第１の複数個の角度における聴取者への到達信号の初期遅延を示す情報（初期遅延サンプル数）を格納する初期遅延サンプル数格納部、及び、第２の複数個の角度における左右両耳の夫々に対する、時間領域におけるインパルス応答である頭部伝達関数であって前記初期遅延サンプル数分である、先頭サンプルから連続する振幅が「０」であるサンプル数を除いた頭部伝達関数を格納する頭部伝達関数格納部とを有する記憶手段と、前記記憶手段の記憶内容を参照して与えられた角度に対する頭部伝達関数を求める演算手段と、を備え、前記第１の複数個の角度が前記第２の複数個の角度を含みそれより多くの個数の角度であるように設定され、
   前記演算手段は、
   前記頭部伝達関数格納部の格納内容を参照して、与えられた角度を挟む２つの角度の左右両耳に対する頭部伝達関数読み出すと共に、前記初期遅延サンプル数格納部の格納内容を参照して、与えられた角度の左右両耳に対する初期遅延サンプル数を読み出す読み出し手段と、
   前記読み出した２つの頭部伝達関数を左耳及び右耳毎に補間して、与えられた角度に対する左耳及び右耳に対する頭部伝達関数を求める補間手段と、
   この補間して求めた左耳および右耳の頭部伝達関数に対して、左耳及び右耳毎に、対応する前記読み出した初期遅延サンプル数分、当該頭部伝達関数の先頭に振幅「０」を付加する処理を行う遅延手段と、を含んで成ることを特徴とする音響装置。
2. 請求項１に記載の音響装置において、
   前記読み出し手段は、
   前記初期遅延サンプル数格納部の格納内容を参照して、与えられた角度に一致する左右両耳に対する初期遅延サンプル数が存在しない場合には、この与えられた角度を挟む２つの角度の左右両耳に対する初期遅延サンプル数を読み出し、
   前記補間手段は、更に、
   前記読み出した２つの初期遅延サンプル数を左耳及び右耳毎に補間して、与えられた角度に対する左耳及び右耳に対する初期遅延サンプル数を求めることを特徴とする音響装置。
3. 請求項１および２の内のいずれか一項に記載の音響装置において、
   前記第１の複数個の角度は１度毎の３６０個の角度であり、第２の複数個の角度は１２個の３０度毎の角度であり、
   前記初期遅延サンプル数は、到達信号の先頭から「０」が継続する個数であることを特徴とする音響装置。

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