JP5737592B2 - 再生信号生成装置、再生信号生成方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、目的信号と雑音信号とを用いて、複数のスピーカそれぞれに対する再生信号を生成する再生信号生成装置、再生信号生成方法及びプログラムに関する。ただし、複数のスピーカで再生された音の内、目的信号に対応する音（以下「目的音」という）は、所定の位置（以下「再生位置」という）においてのみ聴取可能となるように再生信号を生成する。また、再生位置以外の位置では目的音が聞こえないように再生信号を生成する。なお、再生位置は、複数のスピーカで再生された目的信号が目的音として聴取可能な位置とも言える。

目的信号と雑音信号とを用いて、複数のスピーカそれぞれに対する再生信号を生成する再生信号生成技術として、非特許文献１が知られている。

非特許文献１の多チャネルスピーカアレイは、複数のスピーカから目的信号と雑音信号とを含む信号を再生する。再生時に、再生位置においてのみ目的音が同相加算されるように各信号を遅延させ、その振幅を調整する。また、非特許文献１の多チャネルスピーカアレイは、複数のスピーカで再生された音の内、目的音以外の音（以下「雑音」という）を、再生位置以外の位置において、無相関の雑音が目的音をマスキングする大きさで、再生する。このとき、再生位置では目的音のみが同相加算されるので、√Ｍ（ただし、Ｍはスピーカの個数）だけＳＮ比が改善される。

岡本拓磨、岩谷幸雄、鈴木陽一、「多チャネルスピーカアレイによる加算式スポット秘話技術」、信学技報、2011年11月、vol.111、no.287、EMM2011-44、p.25-30

しかしながら、従来技術では、再生位置においても、目的音に無相関な雑音が加算されるので、目的音が聞き取りづらくなる。

本発明は、従来技術と比較して、再生位置において目的音を明瞭に聞き取ることのできるように再生信号を生成する技術を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の第一の態様によれば、再生信号生成装置は、目的信号と目的信号以外の雑音信号とを用いて、Ｍ個のスピーカそれぞれに対する再生信号を生成する。ただし、Ｍは２以上の整数である。再生信号生成装置は、雑音信号の位相を（２π／Ｍ）ずつ回転して、Ｍ個の雑音信号に変換するフィルタ部と、位相が変換されたＭ個の雑音信号と、目的信号とをそれぞれ加算し、Ｍ個の加算信号を生成する加算部と、Ｍ個のスピーカの位置と再生位置との各距離に基づき、Ｍ個の加算信号をそれぞれ遅延させる遅延部と、遅延されたＭ個の加算信号に、Ｍ個のスピーカの位置と再生位置との各距離に比例する値である距離減衰補正値をそれぞれ乗じる距離減衰補正部と、を含む。

上記の課題を解決するために、本発明の第二の態様によれば、再生信号生成装置は、目的信号と目的信号以外の雑音信号とを用いて、Ｍ個のスピーカそれぞれに対する再生信号を生成する。ただし、Ｍは２以上の偶数である。再生信号生成装置は、（Ｍ／２）個の対をなす信号であり、各対をなす信号はそれぞれ振幅が同じで位相が逆相であるＭ個の雑音信号と、目的信号とをそれぞれ加算し、Ｍ個の加算信号を生成する加算部と、Ｍ個のスピーカの位置と再生位置との各距離に基づき、Ｍ個の加算信号をそれぞれ遅延させる遅延部と、遅延されたＭ個の加算信号に、Ｍ個のスピーカの位置と再生位置との各距離に比例する値である距離減衰補正値をそれぞれ乗じる距離減衰補正部と、を含む。

上記の課題を解決するために、本発明の第三の態様によれば、再生信号生成方法は、目的信号と目的信号以外の雑音信号とを用いて、Ｍ個のスピーカそれぞれに対する再生信号を生成する。ただし、Ｍは２以上の整数である。再生信号生成方法は、雑音信号の位相を（２π／Ｍ）ずつ回転して、Ｍ個の雑音信号に変換するフィルタステップと、位相が変換されたＭ個の雑音信号と、目的信号とをそれぞれ加算し、Ｍ個の加算信号を生成する加算ステップと、Ｍ個のスピーカの位置と再生位置との各距離に基づき、Ｍ個の加算信号をそれぞれ遅延させる遅延ステップと、遅延されたＭ個の加算信号に、Ｍ個のスピーカの位置と再生位置との各距離に比例する値である距離減衰補正値をそれぞれ乗じる距離減衰補正ステップと、を含む。

上記の課題を解決するために、本発明の第四の態様によれば、再生信号生成方法は、目的信号と目的信号以外の雑音信号とを用いて、Ｍ個のスピーカそれぞれに対する再生信号を生成する。ただし、Ｍは２以上の偶数である。再生信号生成方法は、（Ｍ／２）個の対をなす信号であり、各対をなす信号はそれぞれ振幅が同じで位相が逆相であるＭ個の雑音信号と、目的信号とをそれぞれ加算し、Ｍ個の加算信号を生成する加算ステップと、Ｍ個のスピーカの位置と再生位置との各距離に基づき、Ｍ個の加算信号をそれぞれ遅延させる遅延ステップと、遅延されたＭ個の加算信号に、Ｍ個のスピーカの位置と再生位置との各距離に比例する値である距離減衰補正値をそれぞれ乗じる距離減衰補正ステップと、を含む。

本発明によれば、従来技術と比較して、再生位置において目的音を明瞭に聞き取ることのできるように再生信号を生成することができるという効果を奏する。

第一実施形態に係る再生信号生成装置の機能ブロック図。 第一実施形態に係る再生信号生成装置の処理フローを示す図。 第二実施形態に係る再生信号生成装置の機能ブロック図。 第二実施形態に係る再生信号生成装置の処理フローを示す図。 第二実施形態の変形例に係る再生信号生成装置の機能ブロック図。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、同じ機能を持つ構成部や同じ処理を行うステップには同一の符号を記し、重複説明を省略する。

＜第一実施形態＞
図１は第一実施形態に係る再生信号生成装置１０の機能ブロック図を、図２はその処理フローを示す。

再生信号生成装置１０は、Ｍ個のフィルタ部１１_ｋ、Ｍ個の加算部１２_ｋ、Ｍ個の遅延部１３_ｋ及びＭ個の距離減衰補正部１４_ｋを含む。ただし、ｋ＝１，２，…，Ｍであり、Ｍは２以上の整数である。

再生信号生成装置１０は、周波数領域の雑音信号Ｎ（ω）及び目的信号Ｓ（ω）を入力とし、Ｍ個の再生信号Ｚ_ｋ（ω）を生成し、それぞれＭ個のスピーカ２_ｋに出力する。

そして、スピーカ２_ｋは、周波数領域の再生信号Ｚ_ｋ（ω）を受け取り、時間領域の再生信号ｚ_ｋ（ｔ）に変換し、再生する。ただし、ｔは時刻を表す。

Ｍ個のスピーカ２_ｋにおいて再生信号ｚ_ｋ（ｔ）が再生されると、再生位置Ｔにおいては目的音が聴取され、他の位置においては雑音が目的音をマスキングし目的音が聴取されないように、再生信号生成装置１０はＭ個の再生信号Ｚ_ｋ（ω）を生成する。以下、各部の処理を説明する。

＜フィルタ部１１_ｋ＞
フィルタ部１１_ｋは、雑音信号Ｎ（ω）を入力とし、Ｍ個のスピーカ２_ｋから再生される雑音信号の再生音の音圧の和が再生位置において０となるように、雑音信号Ｎ（ω）の位相を変換して（ｓ１）、変換後の雑音信号Ｎ_ｋ（ω）を加算部１２_ｋに出力する。

本実施形態では、雑音として互いに無相関なものを用いるのではなく、再生位置で加算すると０になる雑音を用いる。単純に、（Ｍ−１）個の無相関な雑音を加算して、残り一個の雑音を、加算後の信号の逆位相の雑音としても、再生位置で０とできるが、その場合、残り一個の雑音の振幅が、他の雑音のおよそ√（Ｍ−１）倍となり、スピーカからでる雑音の大きさにバラツキがでる。そこで、雑音信号Ｎ（ω）の位相を（２π／Ｍ）ずつ回転した雑音信号Ｎ_ｋ（ω）を作成し、各スピーカ２_ｋにおいて再生する。再生位置での振幅を揃えて出力すれば、全ての雑音を加算すると０となる。

このように位相を（２π／Ｍ）ずつ回転した雑音信号Ｎ_ｋ（ω）を作成する手段として、以下の（２π／Ｍ）位相回転フィルタＨ_ｋ（ω）を用いる。

フィルタ部１１_ｋは、次式により雑音信号Ｎ（ω）の位相を変換する。

＜加算部１２_ｋ＞
加算部１２_ｋは、変換後の雑音信号Ｎ_ｋ（ω）を入力とし、次式に示すようにＮ_ｋ（ω）と目的信号Ｓ（ω）とを加算し、加算信号Ｘ_ｋ（ω）を生成し（ｓ２）、遅延部１３_ｋに出力する。

＜遅延部１３_ｋ＞
遅延部１３_ｋは、加算信号Ｘ_ｋ（ω）を入力とし、スピーカ２_ｋの位置と再生位置Ｔとの距離ｒ_ｋに基づき、次式に示すように加算信号Ｘ_ｋ（ω）を遅延させ（ｓ３）、遅延させた加算信号Ｙ_ｋ（ω）を距離減衰補正部１４_ｋに出力する。

ただし、ｃは音速を、Ｄ_０は固定遅延を表す。

＜距離減衰補正部１４_ｋ＞
距離減衰補正部１４_ｋは、遅延された加算信号Ｙ_ｋ（ω）を入力とし、次式に示すようにＹ_ｋ（ω）に距離減衰補正値ｒ’_ｋを乗じて（ｓ４）補正し、得られる再生信号Ｚ_ｋ（ω）をスピーカ２_ｋに出力する。ただし、距離減衰補正値ｒ’_ｋは、再生位置ＴにおいてＭ個のＹ_ｋ（ω）に含まれる雑音信号Ｎ_ｋ（ω）の大きさをそろえるための値であり、距離ｒ_ｋの比例する値である。

＜効果＞
従来技術では、再生位置で雑音が０とならなかったため目的音が聞き取りづらかったが、第一実施形態では、フィルタ部１１_ｋにおいて雑音信号の位相を変換し、再生位置で雑音が０となるように雑音信号が作成されているため、雑音に埋もれることなく目的音が聞き取り易い。

＜変形例＞
第一実施形態では、周波数領域の雑音信号Ｎ（ω）と目的信号Ｓ（ω）を入力としているが、時間領域の雑音信号ｎ（ｔ）と目的信号ｓ（ｔ）を入力とし、時間領域において各処理を行ってもよい。フィルタ部１１_ｋでは、次式により雑音信号ｎ（ｔ）の位相を変換する。

ただし，ｈ_ｋ（ｔ）は時間領域の（２π／Ｍ）位相回転フィルタを表し、周波数領域の（２π／Ｍ）位相回転フィルタＨ_ｋ（ω）を逆フーリエ変換することで求めることができる。また、＊は畳み込み演算を表す。加算部１２_ｋでは、次式により信号を加算する。

遅延部１３_ｋでは、次式により信号を遅延させる（Ｄ_ｋについては式（６）参照）。

距離減衰補正部１４_ｋでは、次式により信号を補正する。

また、上述の処理を行わなくとも、再生信号生成装置１０が、時間領域の信号を周波数領域の信号に変換する変換部を含み、変換後の周波数領域の信号を用いて、第一実施形態の処理を行ってもよい。

第一実施形態では、再生信号生成装置１０はスピーカ２_ｋとは別に構成されているが、再生信号生成装置１０がＮ個のスピーカ２_ｋを備える多チャネルスピーカアレイの一部として構成されてもよい。

＜第二実施形態＞
第一実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図３は第二実施形態に係る再生信号生成装置２０の機能ブロック図を、図４はその処理フローを示す。

再生信号生成装置２０は、Ｍ個の加算部２２_ｋ、Ｍ個の遅延部１３_ｋ及びＭ個の距離減衰補正部１４_ｋを含む。ただし、ｋ＝１，２，…，Ｍであり、Ｍは２以上の偶数である。

再生信号生成装置２０は、雑音信号Ｎ（ω）、目的信号Ｓ（ω）及びＮ（ω）に対し振幅が同じで位相が逆相である雑音信号Ｎ（ω−π）を入力とし、Ｍ個の再生信号Ｚ_ｋ（ω）を生成し、それぞれＭ個のスピーカ２_ｋに出力する。

なお、（Ｍ／２）個のフィルタ部２１_ｋ’（ただし、ｋ’＝１，２，…，（Ｍ／２））は、雑音信号Ｎ（ω）の位相をπだけ回転させるフィルタであり、その出力はＮ（ω−π）となり、雑音信号Ｎ（ω）に対して振幅が同じで位相が逆相である信号となる。なお、雑音信号Ｎ（ω−π）は、雑音信号Ｎ（ω）に−１を乗じることで容易に求めることができる。例えば、フィルタ部２１_ｋ’では、雑音信号Ｎ（ω）に−１を乗じて、−Ｎ（ω）（＝Ｎ（ω−π））を求め、加算部２２_ｋに出力する。

＜加算部２２_ｋ＞
加算部２２_ｋは、雑音信号Ｎ（ω）または雑音信号Ｎ（ω）に対して振幅が同じで位相が逆相である雑音信号Ｎ（ω−π）を入力とし、次式によりＮ（ω）またはＮ（ω−π）と目的信号Ｓ（ω）とを加算し、加算信号Ｘ_ｋ（ω）を生成し（ｓ２）、遅延部１３_ｋに出力する。

＜効果＞
このような構成により、第一実施形態と同様の効果を得ることができる。つまり、スピーカ数Ｍが偶数の場合に、第一実施形態の雑音の代わりに、各対のスピーカから互いに逆相の雑音を出力することによって再生位置で雑音を０とする。第一実施形態に比べ、フィルタ部における設定を容易にすることができる。

＜変形例＞
再生信号生成装置２０は、（Ｍ／２）個のフィルタ部２１_ｋ’を含む構成としてもよい。その場合、雑音信号Ｎ（ω）のみを入力とすればよい。

第二実施形態では、雑音信号Ｎ_ｋ（ω）と雑音信号Ｎ（ω）に対して振幅が同じで位相が逆相である雑音信号Ｎ_ｋ（ω−π）を入力としているが、（Ｍ／２）個の無相関な雑音信号Ｎ_ｋ’（ω）と、Ｎ_ｋ’（ω）に対し振幅が同じで位相が逆相である雑音信号Ｎ_ｋ’（ω−π）を入力としてもよい（図５参照）。つまり、雑音信号は、（Ｍ／２）個の対をなす信号であるＮ_ｋ’（ω）とＮ_ｋ’（ω−π）からなり、各対をなす信号Ｎ_ｋ’（ω）とＮ_ｋ’（ω−π）とはそれぞれ振幅が同じで位相が逆相であればよい。

＜その他の変形例＞
本発明は上記の実施形態及び変形例に限定されるものではない。例えば、上述の各種の処理は、記載に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されてもよい。その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

＜プログラム及び記録媒体＞
上述した再生信号生成装置は、コンピュータにより機能させることもできる。この場合はコンピュータに、目的とする装置（各種実施形態で図に示した機能構成をもつ装置）として機能させるためのプログラム、またはその処理手順（各実施形態で示したもの）の各過程をコンピュータに実行させるためのプログラムを、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気ディスク、半導体記憶装置などの記録媒体から、あるいは通信回線を介してそのコンピュータ内にダウンロードし、そのプログラムを実行させればよい。

本発明は、スポット再生を実現する多チャネルスピーカアレイ等に対する入力信号を生成するために利用することができる。

２_ｋ スピーカ
１０，２０ 再生信号生成装置
１１_ｋ，２１_ｋ フィルタ部
１２_ｋ，２２_ｋ 加算部
１３_ｋ 遅延部
１４_ｋ 距離減衰補正部

Claims (3)

1. Ｍを３以上の整数とし、目的信号と前記目的信号以外の雑音信号とを用いて、所定の再生位置で前記目的信号を聴取するためのＭ個のスピーカそれぞれに対する再生信号を生成する再生信号生成装置であって、
   前記雑音信号の位相を（２π／Ｍ）ずつ回転して、Ｍ個の前記雑音信号に変換するフィルタ部と、
   位相が変換されたＭ個の前記雑音信号と、前記目的信号とをそれぞれ加算し、Ｍ個の加算信号を生成する加算部と、
   Ｍ個の前記スピーカの位置と前記再生位置との各距離に基づき、Ｍ個の前記加算信号をそれぞれ遅延させる遅延部と、
   遅延されたＭ個の前記加算信号に、Ｍ個の前記スピーカの位置と前記再生位置との各距離に比例する値である距離減衰補正値をそれぞれ乗じる距離減衰補正部と、を含む、
   再生信号生成装置。
2. Ｍを３以上の整数とし、目的信号と前記目的信号以外の雑音信号とを用いて、所定の再生位置で前記目的信号を聴取するためのＭ個のスピーカそれぞれに対する再生信号を生成する再生信号生成方法であって、
   前記雑音信号の位相を（２π／Ｍ）ずつ回転して、Ｍ個の前記雑音信号に変換するフィルタステップと、
   位相が変換されたＭ個の前記雑音信号と、前記目的信号とをそれぞれ加算し、Ｍ個の加算信号を生成する加算ステップと、
   Ｍ個の前記スピーカの位置と前記再生位置との各距離に基づき、Ｍ個の前記加算信号をそれぞれ遅延させる遅延ステップと、
   遅延されたＭ個の前記加算信号に、Ｍ個の前記スピーカの位置と前記再生位置との各距離に比例する値である距離減衰補正値をそれぞれ乗じる距離減衰補正ステップと、を含む、
   再生信号生成方法。
3. 請求項１記載の再生信号生成装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム。

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