JP5817106B2 - オーディオチャンネル拡張装置 - Google Patents

Description

この発明は、少ないチャンネルのオーディオ信号を多チャンネルのオーディオ信号に拡張するオーディオチャンネル拡張装置に関する。

従来一般的なオーディオソースは、左右２チャンネルであった。近年、５．１チャンネル等のマルチチャンネルのオーディオシステムが普及している。このようなマルチチャンネルオーディオシステムで左右２チャンネルのオーディオソースをそのまま聴くのは、ユーザにとって物足りなく感じられるものである。

そこで、２チャンネルのオーディオ信号のチャンネル数を拡張してマルチチャンネルオーディオシステムをフルに活用して再生できるようにする技術が提案されている（たとえば特許文献１）。

特開２００６−１２１１５２号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、ＦＦＴ演算をして周波数領域での処理が必要であるため、処理負荷が大きいうえ、精度を上げるためにＦＦＴの段数を増やすと信号処理による遅延が増大するという問題点があった。

この発明は、簡略な処理でおよび早い応答でオーディオ信号のチャンネル数を拡張することが可能なオーディオチャンネル拡張装置を提供することを目的とする。

本発明のオーディオチャンネル拡張装置は、入力された左チャンネルおよび右チャンネルのオーディオ信号を、それぞれ複数の周波数帯域に帯域分割する周波数帯域分割部と、各周波数帯域における前記左右チャンネルのオーディオ信号のレベル差またはレベル比を相関値として検出する相関検出部と、前記左右チャンネルのオーディオ信号を、周波数帯域毎に、その周波数帯域の相関値に基づく比率で分配してセンタチャンネルの信号および新たな左右チャンネルの信号を生成するセンタチャンネル拡張部と、前記相関検出部が検出した周波数帯域毎の相関値を重み付け平均した平均値に基づいてサラウンドパニング比率を算出する算出部と、算出されたサラウンドパニング比率に基づき、前記新たな左チャンネルの全ての周波数帯域のオーディオ信号を分配して、左フロントチャンネルおよび左サラウンドチャンネルの信号を生成するとともに、前記新たな右チャンネルの全ての周波数帯域のオーディオ信号を分配して、右フロントチャンネルおよび右サラウンドチャンネルの信号を生成するサラウンドチャンネル拡張部と、を備えたことを特徴とする。

上記発明において、前記算出部は、前記平均値が大きいほどフロントチャンネル側の分配比率が大きくなるよう前記サラウンドパニング比率を算出してもよい。

上記発明において、前記算出部は、前記各周波数帯域の相関値のうち、低域の周波数帯域の相関値に対して、相関値が低いほど前記フロントチャンネル側の分配比率が大きくなるように重み付けをしてもよい。

上記発明において、前記センタチャンネル拡張部は、周波数帯域毎にローパスフィルタを備え、前記各周波数帯域の相関値を対応するローパスフィルタを通した値を前記分配比率の制御信号として用いてもよい。

この発明によれば、複数の周波数帯域のレベル差／比に基づいてオーディオ信号を分配するため、負荷が少なく且つ早い応答でオーディオ信号のチャンネル数を拡張することが可能になる。

この発明の実施形態であるオーディオチャンネル拡張装置を含むオーディオシステムの構成図 同オーディオチャンネル拡張装置のブロック図 同オーディオチャンネル拡張装置のブロック図

図面を参照してこの発明の実施形態であるオーディオチャンネル拡張装置について説明する。
図１は、同オーディオチャンネル拡張装置を含むオーディオシステムの構成図である。オーディオシステムは、ソース機器１、オーディオチャンネル拡張装置２、ＡＶアンプ３およびマルチチャンネルのスピーカシステム４を有している。ソース機器１はＬ（左）／Ｒ（右）２チャンネルのオーディオ信号を再生し、オーディオチャンネル拡張装置２に出力する。オーディオチャンネル拡張装置２は、この２チャンネルのオーディオ信号を３チャンネル以上のマルチチャンネルのオーディオ信号に拡張してＡＶアンプ３に出力する。この実施形態では、２チャンネルのオーディオ信号を５チャンネルに拡張するオーディオチャンネル拡張装置２を例示している。ここで、５チャンネルとは、センタチャンネルＣ、左フロントチャンネルＦＬ、右フロントチャンネルＦＲ、左サラウンドチャンネルＳＲ、右サラウンドチャンネルＳＲである。ＡＶアンプ３は、オーディオチャンネル拡張装置２から５チャンネルのオーディオ信号を入力し、これらのオーディオ信号から重低音を分離してサブウーファチャンネルＳＷチャンネルを作成して、５．１チャンネルのマルチチャンネルオーディオ信号としてスピーカシステム４に出力する。

なお、オーディオチャンネル拡張装置２が出力するチャンネル数は５チャンネルに限定されない。これよりも少ないチャンネル数（たとえば３チャンネル）であっても多いチャンネル数（たとえば７チャンネル）であってもよい。

図２、図３は、オーディオチャンネル拡張装置２のブロック図である。オーディオチャンネル拡張装置２は、入力されたＬ／Ｒ２チャンネルのオーディオ信号（以下入力信号と呼ぶ）の周波数帯域ごとのレベル差に基づき、入力信号をセンタチャンネルおよび左右チャンネルに分配する。また、左右各チャンネルにおいて、上記レベル差に基づき、分配されたオーディオ信号を更にフロントチャンネルとサラウンドチャンネルに分配する。

図２において、ソース機器１から出力されたＬ／Ｒ２チャンネルのオーディオ信号は、左入力信号、右入力信号としてオーディオチャンネル拡張装置２に入力される。オーディオチャンネル拡張装置２で、これらの信号はフィルタ１０によって複数の周波数帯域に分割される。この実施形態では、左入力信号をフィルタ１０ＨＬ，１０ＭＬ，１０ＬＬで高音／中音／低音の３つの周波数帯域に分割し、右入力信号をフィルタ１０ＨＲ，１０ＭＲ，１０ＬＲで高音／中音／低音の３つの周波数帯域に分割している。各周波数帯域は、たとえば、低音帯域：３００Ｈｚ以下、中音帯域：３００Ｈｚ〜２ｋＨｚ、高音帯域：２ｋＨｚ以上などであるがこれに限定されない。また、本発明において周波数帯域の分割数は３に限定されない。

そして、分割された各周波数帯域ごとに左右入力信号のレベル差が検出される。このレベル差検出は、レベル差検出部１１（１１Ｈ，１１Ｍ，１１Ｌ）によって行われる。

レベル差検出部１１は、レベル差を０〜１の値域に正規化する。この正規化されたレベル差が所定値以上のとき相関値が０であり、両信号に全く相関性がない（片チャンネル信号）と推定する。正規化されたレベル差が所定値以下のとき相関値が１であり、両信号に高い相関性がある（同相信号）と推定する。

また、相関を検出するために、レベル差に代えてレベル比を用いてもよい。この場合には、大きい信号のレベル値で小さい信号のレベル値で除した値を相関値とすればよい。

この相関値は一定時間ごとに検出される。たとえば１６サンプルごとに検出される。この場合、サンプリング周波数が４８ｋＨｚであれば、約０．３３ｍ秒ごとに相関値が検出される。検出された各周波数帯域の相関値は、各帯域毎に設けられているローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２（１２Ｈ，１２Ｍ，１２Ｌ）によって急激な変化が抑制されたのちセンタパニング制御信号ＰＣＨ，ＰＣＭ，ＰＣＬとして出力される。

各ローパスフィルタ１２Ｈ，１２Ｍ，１２Ｌのカットオフ周波数ｆｃは、センタパニング制御信号ＰＣＨ，ＰＣＭ，ＰＣＬで入力信号を分配（パニング）したときに急激な音量変化によるノイズが発生しないような周波数を選択する。すなわち、低い周波数音帯域のフィルタに対しては低い周波数のｆｃを選択し、高い周波数帯域のフィルタになるにしたがって高いｆｃを選択する。これにより、高域を豊富に含むシンバル音や突然の効果音などに対して応答スピードをあげつつ、パニングによるノイズの発生を防止するとともに、セリフやベース音などの定位が不安定になるのを防止している。

高音帯域のセンタパニング制御信号ＰＣＨは、高音帯域の乗算器１３ＨＬ／Ｒに対して入力信号の高音帯域成分をセンタチャンネルＣに配分する係数として入力されるとともに、乗算器１４ＨＬ／Ｒに対して入力信号の高音帯域成分を左右チャンネルに配分する係数として入力される。

中音帯域のセンタパニング制御信号ＰＣＭは、中音帯域の乗算器１３ＭＬ／Ｒに対して入力信号の中音帯域成分をセンタチャンネルＣに配分する係数として入力されるとともに、乗算器１４ＭＬ／Ｒに対して入力信号の中音帯域成分を左右チャンネルに配分する係数として入力される。

また、低音帯域のセンタパニング制御信号ＰＣＬは、低音帯域の乗算器１３ＬＬ／Ｒに対して入力信号の低音帯域成分をセンタチャンネルＣに配分する係数として入力されるとともに、乗算器１４ＬＬ／Ｒに対して入力信号の低音帯域成分を左右チャンネルに配分する係数として入力される。

左右の入力信号のセンタチャンネルＣへの分配方式について説明する。ここでは、説明の容易化のために、ＬＰＦ１２の出力をそのままセンタチャンネルへの分配比率（乗算器１３の乗算係数）とし、その補数を左右チャンネルへの配分比率（乗算器１４の乗算係数）としている。ただし、この配分比率の決定方式は一例であり、他の方式を採用してもよい。たとえば、最低音域以外の成分は、配分後のパワーが一定となるような乗算係数を用いて入力信号を配分し、最低音域の成分は、バスマネージメントなどの後処理によって音量が上がってしまうことを考慮してパワー一定よりも小さい乗算係数でセンタチャンネルＣ、左右チャンネルに配分する方式等を採用することができる。なお、配分後のパワーをパニングにかかわらず一定にするには、三角比を用いた２乗値一定の乗算係数やペアワイズ変換による乗算係数を適用することができる。

図２の高音帯域において、乗算器１３ＨＬは、左入力信号の高音帯域成分にセンタパニング制御信号ＰＣＨを係数として乗算し、信号レベルをＰＣＨ倍に制御した信号を加算器１５に出力する。乗算器１３ＨＲは、右入力信号の高音帯域成分にセンタパニング制御信号ＰＣＨを係数として乗算し、信号レベルをＰＣＨ倍に制御した信号を加算器１５に出力する。

また、中音帯域において、乗算器１３ＭＬは、左入力信号の中音帯域成分にセンタパニング制御信号ＰＣＭを係数として乗算し、信号レベルをＰＣＭ倍に制御した信号を加算器１５に出力する。乗算器１３ＭＲは、右入力信号の中音帯域成分にセンタパニング制御信号ＰＣＭを係数として乗算し、信号レベルをＰＣＭ倍に制御した信号を加算器１５に出力する。

さらに、低音帯域において、乗算器１３ＬＬは、左入力信号の低高音帯域成分にセンタパニング制御信号ＰＣＬを係数として乗算し、信号レベルをＰＣＬ倍に制御した信号を加算器１５に出力する。乗算器１３ＬＲは、右入力信号の低音帯域成分にセンタパニング制御信号ＰＣＬを係数として乗算し、信号レベルをＰＣＬ倍に制御した信号を加算器１５に出力する。

加算器１５は、乗算器１３ＨＬ／Ｒ，１３ＭＬ／Ｒ，１３ＬＬ／Ｒから入力された信号を加算合成してセンタチャンネルＣのオーディオ信号を合成する。合成されたセンタチャンネルのオーディオ信号は、このオーディオチャンネル拡張装置２からＡＶアンプ３に出力される。

一方、左右の入力信号の左右チャンネルへの分配は以下のように行われる。
高音帯域において、乗算器１４ＨＬは、左入力信号の高音帯域成分にセンタパニング制御信号ＰＣＨの補数（１−ＰＣＨ）を係数として乗算し、信号レベルを「１−ＰＣＨ」倍に制御した信号を左チャンネルの高音帯域成分としてサラウンドチャンネル拡張部２０（図３参照）に出力する。乗算器１４ＨＲは、右入力信号の高音帯域成分にセンタパニング制御信号ＰＣＨの補数を係数として乗算し、信号レベルを「１−ＰＣＨ」倍に制御した信号を右チャンネルの高音帯域成分としてサラウンドチャンネル拡張部２０に入力する。

中音帯域において、乗算器１４ＭＬは、左入力信号の中音帯域成分にセンタパニング制御信号ＰＣＭの補数（１−ＰＣＭ）を係数として乗算し、信号レベルを「１−ＰＣＭ」倍に制御した信号を左チャンネルの中音帯域成分としてサラウンドチャンネル拡張部２０に出力する。乗算器１４ＭＲは、右入力信号の中音帯域成分にセンタパニング制御信号ＰＣＭの補数を係数として乗算し、信号レベルを「１−ＰＣＭ」倍に制御した信号を右チャンネルの中音帯域成分としてサラウンドチャンネル拡張部２０に入力する。

低音帯域において、乗算器１４ＬＬは、左入力信号の低音帯域成分にセンタパニング制御信号ＰＣＬの補数（１−ＰＣＬ）を係数として乗算し、信号レベルを「１−ＰＣＬ」倍に制御した信号を左チャンネルの低音帯域成分としてサラウンドチャンネル拡張部２０に出力する。乗算器１４ＭＬは、右入力信号の低音帯域成分にセンタパニング制御信号ＰＣＬの補数を係数として乗算し、信号レベルを「１−ＰＣＬ」倍に制御した信号を右チャンネルの低音帯域成分としてサラウンドチャンネル拡張部２０に入力する。

サラウンドチャンネル拡張部２０は、入力された左右チャンネルの高音／中音／低音成分の信号を更にフロントチャンネル／サラウンドチャンネルに分配する機能部である。動作の詳細は後述する。

以上のように、左右の入力信号は、周波数帯域毎の相関値に基づいて、各周波数帯域毎にセンタチャンネル／左右チャンネルに分配される。相関値が大きいほどセンタチャンネルへ分配される比率を大きくし（センタ方向へパニングし）、相関値が小さいほど左右チャンネルへ分配される比率を大きくする（左右方向にパニングする）。

ただし、左入力信号のセンタチャンネル／左チャンネルへの分配比率と、右入力信号のセンタチャンネル／右チャンネルへの分配比率とは、同じにされている。すなわち、左入力信号のセンタ−左チャンネル間のパニングと右入力信号のセンタ−右チャンネル間のパニングは左右対称に行われる。したがって、左右チャンネルに分配された成分のうち同相信号の成分も聴感上はセンタに定位する。これにより、周波数帯域単位の分配により、セリフなどの同相成分が左右チャンネルに分配されても、これらをセンタに定位させることが可能であり、違和感がない。

また、左右の入力信号の高音、中音、低音の各周波数帯域の成分から求められた相関値は、サラウンドパニング比率算出部１６に入力される。サラウンドパニング比率算出部１６は、これら相関値に基づいて、左右チャンネルに分配された信号のフロントチャンネル／サラウンドチャンネルへの分配比率を算出する。サラウンドパニング比率算出部１６は、たとえば以下のようなルールを用いて分配比率を算出する。

（１）各周波数帯域の相関値の平均値を分配比率とし、入力信号の全周波数帯域でＬ／Ｒチャンネルの相関値が高いほどフロント側の分配比率を大きくし、相関値が低いほどサラウンド側の分配比率を大きくする。これは、相関値が高いほどフロント側で且つセンタ寄りで明瞭度が高いことが望まれ、相関値が低い場合にはサラウンドを含めて広がりがある音場が望まれていると解釈されるからである。

（２）各周波数帯域の相関値に異なる重み付けをして平均する。このとき、低音帯域の相関値に逆の重み付けを行う。すなわち、中高音帯域の相関値が大きいほどフロント側の分配比率を大きくし、逆に、低音帯域の相関値が小さいほどフロント側の分配比率を大きくする。Ｌ／Ｒ２チャンネル信号において、通常は高い相互相関を示す低音帯域成分の相関値が低い場合には、片チャンネルだけで鳴動する音響が入力されている可能性が高い。そこで、低音帯域成分の相関値が低い場合は、サラウンド側にパニングして音響に広がりを持たせることなくフロントチャンネルだけで明瞭にその音響を再生するのが望ましいと考えられる。そこで、低音帯域の相関値が小さいほどフロント側の分配比率を大きくして再生音の明瞭度を高くしている。すなわち、このルールでは、低音帯域の相関値を片チャンネルの音響検出の指標として用いている。

サラウンドパニング比率算出部１６は、上記（１）、（２）の方式のいずれかまたはこれらを混用して分配比率を算出すればよい。

算出された分配比率は０〜１の範囲に正規化される。この分配比率はＬＰＦ１７によって急激な変動を抑制されサラウンドパニング制御信号ＰＳとして図３のサラウンドチャンネル拡張部２０に入力される。このＬＰＦ１７のカットオフ周波数ｆｃは、たとえば低音帯域のＬＰＦ１２Ｌのカットオフ周波数と同じにすればよい。なお、上述したセンタチャンネルＣ，左右チャンネルへの入力信号の分配と同様に、ここでは、説明の容易化のために、ＬＰＦ１７の出力をそのままフロントチャンネルへの分配比率（乗算器２１の乗算係数）とし、その補数をサラウンドチャンネルへの配分比率（乗算器２３の乗算係数）としているが、配分比率の決定方式はこれに限定されない。

なお、図２の実施形態では、相関検出部１１（１１Ｈ，１１Ｍ，１１Ｌ）から出力された相関値を直接サラウンドパニング比率算出部１６に入力しているが、ＬＰＦ１２（１２Ｈ，１２Ｍ，１２Ｌ）を通過したセンタパニング制御信号をサラウンドパニング比率算出部１６に入力するようにしてもよい。

図３において、サラウンドチャンネル拡張部２０は、左右チャンネルの高音、中音、低音帯域成分が入力される乗算器２１、２３、および、乗算器２１、２３で分配された信号を加算合成して左右のフロントチャンネル、サラウンドチャンネルのオーディオ信号を生成する加算器２２、２４を有している。

乗算器２１ＨＬ、２１ＭＬ、２１ＬＬは、それぞれ左チャンネルに分配された高音帯域成分、中音帯域成分、低音帯域成分の信号にサラウンドパニング制御信号ＰＳを係数として乗算し、信号レベルをＰＳ倍に制御した信号を加算器２２Ｌに出力する。加算器２２Ｌは、乗算器２１ＨＬ、２１ＭＬ、２１ＬＬから入力された信号を加算合成して左フロントチャンネルＦＬのオーディオ信号を合成する。合成された左フロントチャンネルＦＬのオーディオ信号は、このオーディオチャンネル拡張装置２からＡＶアンプ３に出力される。

乗算器２１ＨＲ、２１ＭＲ、２１ＬＲは、それぞれ右チャンネルに分配された高音帯域成分、中音帯域成分、低音帯域成分の信号にサラウンドパニング制御信号ＰＳを係数として乗算し、信号レベルをＰＳ倍に制御した信号を加算器２２Ｒに出力する。加算器２２Ｒは、乗算器２１ＨＲ、２１ＭＲ、２１ＬＲから入力された信号を加算合成して右フロントチャンネルＦＲのオーディオ信号を合成する。合成された右フロントチャンネルＦＲのオーディオ信号は、このオーディオチャンネル拡張装置２からＡＶアンプ３に出力される。

乗算器２３ＨＬ、２３ＭＬ、２３ＬＬは、それぞれ左チャンネルに分配された高音帯域成分、中音帯域成分、低音帯域成分の信号にサラウンドパニング制御信号ＰＳの補数（１−ＰＳ）を係数として乗算し、信号レベルを「１−ＰＳ」倍に制御した信号を加算器２４Ｌに出力する。加算器２４Ｌは、乗算器２３ＨＬ、２３ＭＬ、２３ＬＬから入力された信号を加算合成して左サラウンドチャンネルＳＬのオーディオ信号を合成する。合成された左サラウンドチャンネルＳＬのオーディオ信号は、このオーディオチャンネル拡張装置２からＡＶアンプ３に出力される。

乗算器２３ＨＲ、２３ＭＲ、２３ＬＲは、それぞれ右チャンネルに分配された高音帯域成分、中音帯域成分、低音帯域成分の信号にサラウンドパニング制御信号ＰＳの補数を係数として乗算し、信号レベルを「１−ＰＳ」倍に制御した信号を加算器２４Ｒに出力する。加算器２４Ｒは、乗算器２３ＨＲ、２３ＭＲ、２３ＬＲから入力された信号を加算合成して右サラウンドチャンネルＳＲのオーディオ信号を合成する。合成された右サラウンドチャンネルＳＲのオーディオ信号は、このオーディオチャンネル拡張装置２からＡＶアンプ３に出力される。

このように、サラウンドチャンネル拡張部２０においても、センタチャンネルＣへの信号の分配の場合と同様に、フロントチャンネル、サラウンドチャンネルへのパニングは左右対称に行われる。

以上の構成および動作により、Ｌ／Ｒ２チャンネルのオーディオ入力信号が、センタチャンネルＣ、左右フロントチャンネルＦＬ／ＦＲ、左右サラウンドチャンネルＳＬ／ＳＲの５チャンネルのオーディオ信号に拡張されてＡＶアンプ３に出力される。

なお、この実施形態では、左チャンネルに分配された信号成分は左フロント／サラウンドチャンネルだけに分配し、右チャンネルに分配された信号成分は右フロント／サラウンドチャンネルにだけ分配しているが、左右のサラウンドチャンネル対して左右チャンネルの信号成分を混ぜて分配してもよい。

また、図３の実施形態では、全ての周波数帯域成分に対する分配比率が同じであるが、帯域によって係数の重み付けを変えて分配比率を変更してもよい。たとえば、サラウンドスピーカの低域再生能力が極めて低い場合には、再生能力以下の帯域成分に対してはサラウンドパニング比率を０にしてフロントチャンネルのみから再生するようにすればよい。また、この場合において、低音帯域成分を入力信号から分離し、チャンネル拡張処理をバイパスしてフロントチャンネル信号の合成部（加算器）に直接入力するようにしてもよい。なお、この場合でも低音帯域成分のレベル差を検出してパニング制御に用いてもよい。

なおこの実施形態では、Ｌ／Ｒ２チャンネルの信号を５チャンネルに拡張しているが、Ｌ／Ｒ２チャンネルの信号からセンタチャンネルＣの信号を生成して３チャンネルにするのみであってもよい。

１ ソース機器
２ オーディオチャンネル拡張装置
３ ＡＶアンプ
１１ 相関検出部
２０ サラウンドチャンネル拡張部
２１、２３ 乗算器

Claims (4)

1. 入力された左チャンネルおよび右チャンネルのオーディオ信号を、それぞれ複数の周波数帯域に帯域分割する周波数帯域分割部と、
   各周波数帯域における前記左右チャンネルのオーディオ信号のレベル差またはレベル比を相関値として検出する相関検出部と、
   前記左右チャンネルのオーディオ信号を、周波数帯域毎に、その周波数帯域の相関値に基づく比率で分配してセンタチャンネルの信号および新たな左右チャンネルの信号を生成するセンタチャンネル拡張部と、
   前記相関検出部が検出した周波数帯域毎の相関値を重み付け平均した平均値に基づいてサラウンドパニング比率を算出する算出部と、
   算出されたサラウンドパニング比率に基づき、前記新たな左チャンネルの全ての周波数帯域のオーディオ信号を分配して、左フロントチャンネルおよび左サラウンドチャンネルの信号を生成するとともに、前記新たな右チャンネルの全ての周波数帯域のオーディオ信号を分配して、右フロントチャンネルおよび右サラウンドチャンネルの信号を生成するサラウンドチャンネル拡張部と、
   を備えたオーディオチャンネル拡張装置。
2. 前記算出部は、前記平均値が大きいほどフロントチャンネル側の分配比率が大きくなるよう前記サラウンドパニング比率を算出する請求項１に記載のオーディオチャンネル拡張装置。
3. 前記算出部は、前記各周波数帯域の相関値のうち、低域の周波数帯域の相関値に対して、相関値が低いほど前記フロントチャンネル側の分配比率が大きくなるように重み付けをする請求項２に記載のオーディオチャンネル拡張装置。
4. 前記センタチャンネル拡張部は、周波数帯域毎にローパスフィルタを備え、前記各周波数帯域の相関値を対応するローパスフィルタを通した値を前記分配比率の制御信号として用いる請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のオーディオチャンネル拡張装置。

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