JP5831910B2 - Sound field recording / reproducing apparatus, method, and program - Google Patents
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Description
この発明は、ある音場に設置されたマイクロホンで音信号を収音し、その音信号を用いてスピーカでその音場を再現する波面合成法(Wave Field Synthesis)の技術に関する。 The present invention relates to a wave field synthesis technique for collecting a sound signal with a microphone installed in a certain sound field and reproducing the sound field with a speaker using the sound signal.
ある音場に設置されたマイクロホンアレーで信号を収音し、その信号を用いてスピーカアレーでその音場を再現する波面合成法(Wave Field Synthesis)の技術として、例えば非特許文献1に記載された技術が知られている。 For example, Non-Patent Document 1 discloses a wave field synthesis technique for collecting a signal with a microphone array installed in a certain sound field and reproducing the sound field with the speaker array using the signal. Technologies are known.
非特許文献1に記載された技術では、上下方向も含めて再現するためには、平面状アレーを用いる必要があった。また、上下方向に用いるアレーが少数であった場合、再現誤差が大きくなってしまい、上下感の再現をすることができない可能性があった。 In the technique described in Non-Patent Document 1, it is necessary to use a planar array in order to reproduce the image including the vertical direction. In addition, when a small number of arrays are used in the vertical direction, the reproduction error becomes large, and there is a possibility that the vertical feeling cannot be reproduced.
この発明の目的は、従来よりも高精度に音場を再現することができる音場収音再生装置、方法及びプログラムを提供することである。 An object of the present invention is to provide a sound field sound collecting / reproducing apparatus, method, and program capable of reproducing a sound field with higher accuracy than before.
上記の課題を解決するために、この発明の一態様による音場収音再生装置は、少なくとも4個のマイクロホンが第一の空間の半径Rmの円筒形状の剛体のバッフルの周面に配置されているとし、バッフルの軸方向をz軸方向とし、バッフルの周方向をφ方向とし、jを虚数単位とし、ωを周波数とし、cを音速とし、k=ω/cとし、nをφ方向の次数とし、kz,lをz軸方向の波数とし、lをそのインデックスとし、Hn (1)(・)をn次の第一種ハンケル関数とし、wnlをn,lに基づいて定まる重みとし、少なくとも4個のスピーカが第一の空間と異なる第二の空間の半径Rsの仮想円筒の周面に配置されているとして、マイクロホンで収音された信号に基づいて生成された時空間周波数領域信号P~nl(ω)に対して次式により定義されるフィルタF~nl(ω)を適用してフィルタ処理後信号D~nl(ω)を生成する変換フィルタ部と、 In order to solve the above problems, sound field sound collecting and reproducing apparatus according to an aspect of the invention, at least four microphones are arranged in the circumferential surface of the rigid baffle cylindrical radius R m of the first space The axial direction of the baffle is the z-axis direction, the circumferential direction of the baffle is the φ direction, j is the imaginary unit, ω is the frequency, c is the speed of sound, k = ω / c, and n is the φ direction Where k z, l is the wave number in the z-axis direction, l is its index, H n (1) (・) is the nth-order first-class Hankel function, and w nl is based on n, l Assuming that the weight is fixed, at least four speakers are arranged on the peripheral surface of the virtual cylinder having the radius R s in the second space different from the first space, and are generated based on the signal collected by the microphone. Filtering is applied by applying the filter F ~ nl (ω) defined by the following equation to the spatio-temporal frequency domain signal P ~ nl (ω). A conversion filter unit that generates post-processing signals D to nl (ω);
空間の逆フーリエ変換により、フィルタ処理後信号D~nl(ω)を周波数領域信号に変換する空間周波数逆変換部と、周波数領域信号を逆フーリエ変換により時間領域信号に変換し、変換された時間領域信号をスピーカに出力する周波数逆変換部と、を備える。 A spatial frequency inverse transform unit that transforms the filtered signal D ~ nl (ω) into a frequency domain signal by inverse Fourier transform of space, and a frequency domain signal that is transformed into a time domain signal by inverse Fourier transform, and the transformed time A frequency inverse transform unit that outputs the region signal to the speaker.
この発明の他の一態様による音場収音再生装置は、少なくとも4個のマイクロホンが第一の空間の半径Rmの円筒形状の剛体のバッフルの周面に配置されているとし、バッフルの円筒の軸方向をz軸方向とし、バッフルの円筒の周方向をφ方向とし、jを虚数単位とし、ωを周波数とし、cを音速とし、k=ω/cとし、nをφ方向の次数とし、kz,lをz軸方向の波数とし、lをそのインデックスとし、Hn (1)(・)をn次の第一種ハンケル関数とし、wnlをn,lに基づいて定まる重みとし、少なくとも4個のスピーカが第一の空間と異なる第二の空間の半径Rsの仮想円筒の周面に配置されているとして、マイクロホンアレーで収音された信号をフーリエ変換により周波数領域信号に変換する周波数変換部と、空間のフーリエ変換により、周波数領域信号を時空間周波数領域信号P~nl(ω)に変換する空間周波数変換部と、時空間周波数領域信号P~nl(ω)に対して次式により定義されるフィルタF~nl(ω)を適用してフィルタ処理後信号D~nl(ω)を生成する変換フィルタ部と、を備える。 Other sound field sound collecting and reproducing apparatus according to an aspect of the invention, the at least four microphones are arranged in the circumferential surface of the rigid baffle cylindrical radius R m of the first space, the baffle cylinder Is the z axis direction, the circumferential direction of the baffle cylinder is the φ direction, j is the imaginary unit, ω is the frequency, c is the speed of sound, k = ω / c, and n is the order in the φ direction. , K z, l is the wave number in the z-axis direction, l is its index, H n (1) (・) is the nth-order first-class Hankel function, and w nl is a weight determined based on n, l Assuming that at least four speakers are arranged on the peripheral surface of the virtual cylinder having the radius R s in the second space different from the first space, the signals collected by the microphone array are converted into frequency domain signals by Fourier transform. Frequency domain signal is converted into spatio-temporal frequency by Fourier transform of space and frequency converter to convert A spatial frequency transformation unit for converting the frequency signal P ~ nl (ω), with respect to spatio-temporal frequency domain signal P ~ nl (ω) and apply a filter F ~ nl (ω) defined by the following equation filtering A conversion filter unit that generates a post-signal D˜nl (ω).
マイクロホンアレー及びスピーカアレーをそれぞれ構成するマイクロホン及びスピーカの数が少ない場合であっても、マイクロホンアレー及びスピーカアレーを円筒状とし、左右方向に密な素子配置とし、上下方向は粗な素子配置として、上下感を再現することができる。したがって、従来よりも高精度に音場を再現することができる Even if the number of microphones and speakers constituting the microphone array and the speaker array is small, the microphone array and the speaker array are cylindrical, with a dense element arrangement in the left-right direction, and a coarse element arrangement in the vertical direction. A feeling of up and down can be reproduced. Therefore, the sound field can be reproduced with higher accuracy than before.
以下、図面を参照してこの発明の実施形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
音場収音再生装置及び方法は、図1に示すように、第一の空間の半径Rmの円筒形状の剛体のバッフルの周面に配置されているNz×Nφのマイクロホンで構成されるマイクロホンアレーと、第一の空間と異なる第二の空間の半径Rsの仮想円筒の周面に配置されているNz×Nφのスピーカで構成されるスピーカアレーとを用いて、第一の空間の音源Soで発生した音によって形成された第一の空間の音場を第二の空間で再現する。図1では、第二の空間で再現された音源Soを音源So’と表現している。円筒の軸方向をz軸方向とし、周方向をφとする。第一の空間及び第二の空間は、互い異なる空間である。この実施形態では、第一の空間に配置されたマイクロホンの数と第二の空間に配置されたスピーカの数は同じとする。 As shown in FIG. 1, the sound field sound collecting and reproducing apparatus and method are composed of N z × N φ microphones arranged on the peripheral surface of a cylindrical rigid baffle having a radius R m in the first space. And a speaker array composed of N z × N φ speakers arranged on the circumferential surface of a virtual cylinder having a radius R s in a second space different from the first space, The sound field of the first space formed by the sound generated by the sound source So in the second space is reproduced in the second space. In FIG. 1, the sound source So reproduced in the second space is expressed as a sound source So ′. The axial direction of the cylinder is the z-axis direction, and the circumferential direction is φ. The first space and the second space are different from each other. In this embodiment, the number of microphones arranged in the first space is the same as the number of speakers arranged in the second space.
図3に示すように、円筒であるバッフルの周面のNz個の円のそれぞれにおいて、Nφ個のマイクロホンが等間隔に配置される。Nz,Nφは予め定められた2以上の整数である。すなわち、円筒の周面の2個の円のそれぞれにおいて2個のマイクロホンが配置されることにより、マイクロホンは円筒の周面に少なくとも4個配置される。 As shown in FIG. 3, in each of the N z number of circles of the peripheral surface of the baffle is cylindrical, N phi number of microphones are arranged at regular intervals. N z and N φ are predetermined integers of 2 or more. That is, by arranging two microphones in each of the two circles on the circumferential surface of the cylinder, at least four microphones are disposed on the circumferential surface of the cylinder.
円筒の周面のNz個の円は、例えばzcを所定の距離として、zc間隔で位置している。また、同一の円に配置されたNφ個のマイクロホンは、φcを所定の角度として、φc度の間隔で位置している。 The N z circles on the circumferential surface of the cylinder are positioned at z c intervals, for example, with z c as a predetermined distance. Further, the N φ microphones arranged in the same circle are positioned at intervals of φ c degrees, with φ c being a predetermined angle.
マイクロホンは、ほぼ等間隔に配置されていれば、厳密に等間隔に配置されている必要はない。すなわち、隣接するマイクロホンとの間隔であるzc,φcのそれぞれは、厳密に同じ値である必要はなく、ほぼ同じ値であればよい。 The microphones do not need to be arranged at exactly equal intervals as long as they are arranged at approximately equal intervals. That is, z c and φ c that are intervals between adjacent microphones do not have to be exactly the same value, and may be almost the same value.
スピーカもマイクロホンと同様に配置される。すなわち、図3に示すように、円筒の周面のNz個の円のそれぞれにおいて、Nφ個のスピーカが等間隔に配置される。Nz,Nφは予め定められた2以上の整数である。スピーカは、円筒の周面に少なくとも4個配置される。 The speaker is also arranged in the same manner as the microphone. That is, as shown in FIG. 3, in each of the N z number of circular circumferential surface of the cylindrical, N phi number of speakers are arranged at regular intervals. N z and N φ are predetermined integers of 2 or more. At least four speakers are arranged on the circumferential surface of the cylinder.
円筒の周面のNz個の円は、例えばzcを所定の距離として、zc間隔で位置している。また、同一の円に配置されたNφ個のスピーカは、φcを所定の角度として、φc度の間隔で位置している。 The N z circles on the circumferential surface of the cylinder are positioned at z c intervals, for example, with z c as a predetermined distance. Further, N phi number of speakers arranged on the same circle, the phi c as a predetermined angle are located at intervals of phi c of.
スピーカは、ほぼ等間隔に配置されていれば、厳密に等間隔に配置されている必要はない。すなわち、隣接するスピーカとの間隔であるzc,φcのそれぞれは、厳密に同じ値である必要はなく、ほぼ同じ値であればよい。 As long as the speakers are arranged at almost equal intervals, the speakers need not be arranged at exactly equal intervals. That is, z c and φ c that are the distances between adjacent speakers need not be exactly the same value, and may be substantially the same value.
マイクロホンが配置される円筒の半径Rmは、例えば25から50cmとする。また、スピーカが配置される円筒の半径Rsは、例えば1.5m程度とする。なお、Rm≦RsでもRs≦Rmでもよいが、Rm≦Rsのときに音場再生の精度がよくなる。 The radius R m of the cylinder in which the microphone is arranged is, for example, 25 to 50 cm. Further, the radius R s of the cylinder in which the speaker is arranged is, for example, about 1.5 m. R m ≦ R s or R s ≦ R m may be satisfied, but the accuracy of sound field reproduction is improved when R m ≦ R s .
マイクロホンは、円筒の周面の外側に向けて配置される。また、スピーカは、円筒の周面の内側に向けて配置される。 The microphone is arranged toward the outside of the circumferential surface of the cylinder. Further, the speaker is arranged toward the inside of the circumferential surface of the cylinder.
スピーカは、音響的に透明な状態で第二の空間の空中に配置されてもよいし、音響的に透明でない状態で第二の空間に配置されてもよい。音響的に透明な状態とは、スピーカが配置されていない第二の空間の伝達特性と同じ伝達特性を保った状態ということである。例えば、スピーカは、糸で吊るされるか、細い棒で固定されることにより、第二の空間の空中に配置される。また、スピーカは、マイクロホンと同様に、円筒形状の剛体のバッフル上に配置されてもよい。 The speaker may be disposed in the air in the second space in an acoustically transparent state, or may be disposed in the second space in a state that is not acoustically transparent. The acoustically transparent state is a state in which the same transmission characteristic as that of the second space where no speaker is arranged is maintained. For example, the speaker is placed in the air in the second space by being hung with a thread or fixed with a thin rod. The speaker may be arranged on a cylindrical rigid baffle as in the microphone.
第一の空間のマイクロホンMi−jの位置を(Rm,φm,i,zm,j)[i=1,2,…,Nφ,j=1,2,…,Nz]と表現する。第二の空間のスピーカSi−jの位置を(Rs,φs,i,zs,j)[i=1,2,…,Nφ,j=1,2,…,Nz]と表現する。 The position of the microphone Mi-j in the first space is (R m , φ m, i , z m, j ) [i = 1,2, ..., N φ , j = 1,2, ..., N z ] Express. The position of the speaker Si-j in the second space is (R s , φ s, i , z s, j ) [i = 1,2, ..., N φ , j = 1,2, ..., N z ] Express.
音場収音再生装置は、図1に示すように周波数変換部1、空間周波数変換部2、変換フィルタ部3、空間周波数逆変換部4、周波数逆変換部5及び窓関数部6を例えば含み、図4に例示された各ステップの処理を行う。
As shown in FIG. 1, the sound field sound collecting and reproducing apparatus includes, for example, a frequency conversion unit 1, a spatial frequency conversion unit 2, a
第一の空間に配置されたマイクロホンM1−1,M2−1,…,MNφ−Nzは、第一の空間の音源Sで発せられた音を収音して時間領域の信号を生成する。生成された信号は、周波数変換部1に送られる。(Rm,φm,i,zm,j)のマイクロホンMi−jで収音された時間領域の時刻tの信号をpij(t)と表記する。 First microphone M1-1 arranged in the space, M2-1, ..., MN φ -N z generates a picked-up by a time-domain signal a sound emitted by the sound source S of the first space . The generated signal is sent to the frequency converter 1. A signal at time t in the time domain picked up by the microphone Mi-j of (R m , φ m, i , z m, j ) is expressed as p ij (t).
周波数変換部1は、マイクロホンM1−1,M2−1,…,MNφ−Nzで収音された信号pij(t)をフーリエ変換により周波数領域信号Pij(ω)に変換する(ステップS1)。生成された周波数領域信号Pij(ω)は、空間周波数変換部2に送られる。ωは周波数である。例えば、短時間離散フーリエ変換により周波数領域信号Pij(ω)が生成される。もちろん、他の既存の方法により周波数領域信号Pij(ω)を生成してもよい。また、オーバーラップアド等の方法を用いて周波数領域信号Pij(ω)を生成してもよい。入力信号が長い場合や、リアルタイム処理のように連続して信号が入力される場合には、例えば10msごとといったフレームごとに処理を行う。周波数領域信号Pij(ω)は、例えば以下のように定義される。関数expの引数の中のjは虚数単位である。 The frequency converter 1 converts the signal p ij (t) collected by the microphones M1-1, M2-1,..., MN φ −N z into a frequency domain signal P ij (ω) by Fourier transform (step). S1). The generated frequency domain signal P ij (ω) is sent to the spatial frequency converter 2. ω is a frequency. For example, the frequency domain signal P ij (ω) is generated by short-time discrete Fourier transform. Of course, the frequency domain signal P ij (ω) may be generated by other existing methods. Further, the frequency domain signal P ij (ω) may be generated using a method such as overlap add. When the input signal is long or when the signal is continuously input as in real time processing, the processing is performed for each frame such as every 10 ms. For example, the frequency domain signal P ij (ω) is defined as follows. J in the argument of the function exp is an imaginary unit.
空間周波数変換部2は、空間のフーリエ変換により周波数領域信号Pij(ω)を時空間周波数領域信号P~nl(ω)に変換する(ステップS2)。時空間周波数領域信号P~nl(ω)は、各ωごとに計算される。変換された時空間周波数領域信号P~nl(ω)は、変換フィルタ部3に送られる。空間周波数変換部2は、具体的には式(1)により定義されるP~nl(ω)を計算する。
Spatial frequency transformation unit 2, a frequency-domain signal P ij by the Fourier transform of the spatial (omega) into a space-time frequency domain signal P ~ nl (ω) (Step S2). The spatio-temporal frequency domain signal P ~ nl (ω) is calculated for each ω. The converted spatio-temporal frequency domain signal P n n (ω) is sent to the
kz,lはz軸方向の波数であり、lはそのインデックスであり,nはφ方向の次数である。波数とは、いわゆる空間周波数又は角度スペクトルのことである。式(1)は、時空間周波数領域への変換の一例であり、他の方法により空間のフーリエ変換を行ってもよい。 k z, l is the wave number in the z-axis direction, l is its index, and n is the order in the φ direction. The wave number is a so-called spatial frequency or angular spectrum. Expression (1) is an example of the transformation into the spatio-temporal frequency domain, and the spatial Fourier transform may be performed by other methods.
変換フィルタ部3は、時空間周波数領域信号P~nl(ω)に対して式(2)により定義されるフィルタF~nl(ω)を適用してフィルタ処理後信号D~nl(ω)を生成する(ステップS3)。フィルタ処理後信号D~nl(ω)は、空間周波数逆変換部4に送信される。
The
式(2)において、cを音速として、k=ω/cは波数である。また、wnlはn,lに基づいて例えば以下のように定まる重みである。以下の式において、ncは、予め定められた値でありnのカットオフ値である。kcは、予め定められた値でありkzのカットオフ値である。αn,αzは、予め定められた値であり例えば0.05である。もちろん、wnlとして、他の重み関数を用いてもよい。 In Equation (2), c is the speed of sound, and k = ω / c is the wave number. Further, w nl is a weight determined as follows based on n and l, for example. In the following formulas, n c is the cut-off value of a predetermined value n. k c is a predetermined value and is a cutoff value of k z . α n and α z are predetermined values, for example, 0.05. Of course, other weight functions may be used as w nl .
Hn (1)(・)はn次の第一種ハンケル関数である。n次の第一種ハンケル関数Hn (1)(x)は、第一種ベッセル関数Jn(x)及び第二種ベッセル関数Yn(x)を用いて以下のように定義される。 H n (1) (•) is an n-th order Hankel function of the first kind. The nth-order first kind Hankel function H n (1) (x) is defined as follows using the first kind Bessel function J n (x) and the second kind Bessel function Y n (x).
空間周波数逆変換部4は、フィルタ処理後信号D~nl(ω)を空間の逆フーリエ変換により周波数領域信号Dij(ω)に変換する(ステップS4)。変換された周波数領域信号Dij(ω)は、周波数逆変換部5に送られる。空間周波数逆変換部4は、具体的には式(3)により定義される周波数領域信号Dij(ω)を計算する。 The spatial frequency inverse transform unit 4 transforms the filtered signal D˜nl (ω) into a frequency domain signal D ij (ω) by inverse spatial Fourier transform (step S4). The converted frequency domain signal D ij (ω) is sent to the frequency inverse transform unit 5. Specifically, the spatial frequency inverse transform unit 4 calculates the frequency domain signal D ij (ω) defined by the equation (3).
周波数逆変換部5は、周波数領域信号Dij(ω)を逆フーリエ変換により時間領域信号Pd ij(t)に変換する(ステップS5)。逆フーリエ変換によりフレーム毎に得られた時間領域信号Pd ij(t)は適宜シフトされて線形和が取られて、連続した時間領域信号となる。逆フーリエ変換は短時間離散逆フーリエ変換等の既存の方法を用いればよい。時間領域信号Pd ij(t)は、窓関数部6に送られる。 The frequency inverse transform unit 5 transforms the frequency domain signal D ij (ω) into a time domain signal P d ij (t) by inverse Fourier transform (step S5). The time domain signal P d ij (t) obtained for each frame by the inverse Fourier transform is appropriately shifted to obtain a linear sum to be a continuous time domain signal. For the inverse Fourier transform, an existing method such as a short-time discrete inverse Fourier transform may be used. The time domain signal P d ij (t) is sent to the window function unit 6.
窓関数部6は、時間領域信号Pd ij(t)に窓関数を乗じて窓関数後時間領域信号dij(t)を生成する(ステップS6)。窓関数後時間領域信号dij(t)は、スピーカSi−j,S2−1,…,SNφ−Nzに送られる。 The window function unit 6 generates a post-window function time domain signal d ij (t) by multiplying the time domain signal P d ij (t) by the window function (step S6). After the window function time domain signal d ij (t) is the speaker Si-j, S2-1, ..., it is sent to the SN φ -N z.
窓関数として、以下の式より定義されるいわゆるターキー(Tukey)窓関数wijを例えば用いる。Ntprは、テーパーを適用する点数であり1以上Nφ,Nz以下の整数である。もちろん、他の窓関数を用いてもよい。 For example, a so-called tukey window function w ij defined by the following equation is used as the window function. N tpr is the number of points to which the taper is applied, and is an integer between 1 and N φ , N z . Of course, other window functions may be used.
スピーカアレーS1−1,S2−1,…,SNφ−Nzは、窓関数後時間領域信号dij(t)に基づいて音を再生する。具体的には、i=1,…,Nφ,j=1,…,Nzとして、スピーカSi−jが窓関数後時間領域信号dij(t)に基づいて音を再生する。これにより、第一の空間の音場を第二の空間に再現することができる。 The speaker arrays S1-1, S2-1,..., SN φ -N z reproduce sound based on the time domain signal dij (t) after the window function. Specifically, with i = 1,..., Nφ , j = 1,..., Nz , the speaker Si-j reproduces sound based on the time domain signal dij (t) after the window function. Thereby, the sound field of the first space can be reproduced in the second space.
このように、マイクロホンアレー及びスピーカアレーを円筒状とすることにより、マイクロホンアレー及びスピーカアレーをそれぞれ構成するマイクロホン及びスピーカの数が少ない場合であっても、左右方向に密な素子配置とし、上下方向は粗な素子配置として、上下感を再現することができる。したがって、従来よりも高精度に音場を再現することができる。 In this way, by making the microphone array and the speaker array cylindrical, even when the number of microphones and speakers constituting the microphone array and the speaker array is small, a dense element arrangement in the left-right direction is used. Can reproduce the vertical feeling as a rough element arrangement. Therefore, the sound field can be reproduced with higher accuracy than in the past.
以下、フィルタF~nl(ω)が式(2)のように表される理由について説明する。 Hereinafter, the reason why the filter F˜nl (ω) is expressed as in Expression (2) will be described.
再現領域の位置ベクトルをr’=(r,φ,z)とし、二次音源が配置されている円筒面をSとし、S上の位置ベクトルをrs’=(Rs,φs,zs)とする。周波数ωにおいて、再現領域における位置r’の音圧をP(r’,ω)とし、位置rs’の二次音源の信号をD(rs’,ω)、rs’からr’までの伝達関数をG(rs’-r’,ω)とする。このとき、二次音源によって再現領域内に合成される音場は、以下のように書ける。 The position vector of the reproduction region is r '= (r, φ, z), the cylindrical surface where the secondary sound source is placed is S, and the position vector on S is r s ' = (R s , φ s , z s ). At frequency ω, the sound pressure at position r ′ in the reproduction region is P (r ′, ω), and the secondary sound source signal at position r s ′ is D (r s ′, ω), from r s ′ to r ′. Let G (r s '-r', ω) be the transfer function of. At this time, the sound field synthesized in the reproduction region by the secondary sound source can be written as follows.
この式は関数D(・)とG(・) との変数φ,zに関する畳み込み演算に他ならない。したがって、畳み込みの定理より、式(4)はヘリカル波スペクトル領域において、以下のように表せる。 This expression is nothing but a convolution operation on the variables φ and z of the functions D (•) and G (•). Therefore, from the convolution theorem, Equation (4) can be expressed as follows in the helical wave spectrum region.
ここで、二次音源がモノポール特性として近似できる場合について、式(5)の展開を行う。このとき、 Here, Expression (5) is developed for the case where the secondary sound source can be approximated as a monopole characteristic. At this time,
理想音場は、無指向性マイクロホンアレーなどを用いて、円筒形状の剛体バッフル上の音圧から与えることができる。収音側の円筒面状の音圧分布をP(rm’,ω)とすると、P(r’,ω)は入射音場Pi(r’,ω)と散乱音場Ps(r’,ω)との和で書ける。 The ideal sound field can be given from the sound pressure on a cylindrical rigid baffle using an omnidirectional microphone array or the like. If the sound pressure distribution on the cylindrical surface on the sound collection side is P (r m ', ω), P (r', ω) is the incident sound field P i (r ', ω) and the scattered sound field P s (r ', ω).
剛体バッフル上で音圧勾配が0となるという境界条件より、
したがって、
となる。再現すべき音場は入射音場Pi(・)であるから、理想音場はヘリカル波スペクトル領域で以下のように書ける。 It becomes. Since the sound field to be reproduced is the incident sound field P i (•), the ideal sound field can be written in the helical wave spectrum region as follows.
ここで求めたいのは、円筒面状の音圧分布P(rm’,ω)から、二次音源の駆動信号D(rs’,ω) への変換式である。二次音源をモノポール特性と仮定して変換式を求める場合、式(7)と式(8)とを連立して解けば良い。 What is desired to be obtained here is a conversion formula from the cylindrical sound pressure distribution P (r m ′, ω) to the drive signal D (r s ′, ω) of the secondary sound source. When obtaining the conversion equation assuming that the secondary sound source has a monopole characteristic, equations (7) and (8) may be solved simultaneously.
フィルタ形式で書くと、以下のようになる。
ただし、
[変形例等]
第一の空間に配置されるマイクロホンの数と、第二の空間に配置されるスピーカの数とは、異なっていてもよい。マイクロホンアレーを構成するマイクロホンの数が、スピーカアレーを構成するスピーカの数よりも多い場合には、窓関数後時間領域信号dij(t)を間引いてもよい。一方、マイクロホンアレーを構成するマイクロホンの数が、スピーカアレーを構成するスピーカの数よりも少ない場合には、窓関数後時間領域信号dij(t)の平均を取るなどして補間を行ってもよい。
[Modifications, etc.]
The number of microphones arranged in the first space and the number of speakers arranged in the second space may be different. When the number of microphones constituting the microphone array is larger than the number of speakers constituting the speaker array, the post-window function time domain signal dij (t) may be thinned out. On the other hand, if the number of microphones constituting the microphone array is smaller than the number of speakers constituting the speaker array, interpolation may be performed by taking an average of the time domain signal dij (t) after the window function. Good.
音場収音再生装置を構成する各部は、第一の空間に配置された収音装置と第二の空間に配置された再生装置の何れに備えられていてもよい。換言すれば、周波数変換部1、空間周波数変換部2、変換フィルタ部3、空間周波数逆変換部4、周波数逆変換部5、窓関数部6のそれぞれの処理は、第一の空間に配置された収音装置で実行されてもよいし、第二の空間に配置された再生装置で実行されてもよい。収音装置で生成された信号は、再生装置に送信される。
Each unit constituting the sound field sound collecting / reproducing device may be provided in either the sound collecting device arranged in the first space or the reproducing device arranged in the second space. In other words, the processes of the frequency conversion unit 1, the spatial frequency conversion unit 2, the
第一の空間と第二の空間の位置は、図2に示したものに限定されない。第一の空間と第二の空間は、隣接していても互いに離れた位置にあってもよい。また、第一の空間と第二の空間の向きもどのようなものであってもよい。 The positions of the first space and the second space are not limited to those shown in FIG. The first space and the second space may be adjacent to each other or separated from each other. Also, the orientation of the first space and the second space may be any.
窓関数部6による窓関数の処理は、どの段階で行ってもよいし、多段で行ってもよい。すなわち、窓関数部6は、マイクロホンアレーと周波数変換部1との間、周波数変換部1と空間周波数変換部2との間、空間周波数変換部2と変換フィルタ部3との間、変換フィルタ部3と空間周波数逆変換部4との間、空間周波数逆変換部4と周波数逆変換部5との間の少なくとも1つの間に備えられていてもよい。音場収音再生装置の各部は、その各部に入力される信号について窓関数の処理が行われた場合には、その入力される信号に代えて上記と同様にしてその窓関数の処理がされた後の信号に対して処理を行う。
The window function processing by the window function unit 6 may be performed at any stage or in multiple stages. That is, the window function unit 6 is provided between the microphone array and the frequency conversion unit 1, between the frequency conversion unit 1 and the spatial frequency conversion unit 2, between the spatial frequency conversion unit 2 and the
また、窓関数部6はなくてもよい。この場合、i=1,…,Nφ,j=1,…,Nzとして、スピーカSi−jが時間領域信号Pd ij(t)に基づいて音を再生する。 Further, the window function unit 6 may not be provided. In this case, with i = 1,..., Nφ , j = 1,..., Nz , the speaker Si-j reproduces the sound based on the time domain signal P d ij (t).
音場収音再生装置は、変換フィルタ部3を含みさえすれば、他の部を備えていなくてもよい。例えば、音場収音再生装置は、変換フィルタ部3、空間周波数逆変換部4及び周波数逆変換部5から構成されていてもよい。また、音場収音再生装置は、周波数変換部1、空間周波数変換部2及び変換フィルタ部3から構成されていてもよい。
As long as the sound field sound collecting / reproducing apparatus includes the
周波数変換部1の処理と空間周波数変換部2の処理とを同時に行ってもよい。同様に、空間周波数逆変換部4の処理と周波数逆変換部5の処理とを同時に行ってもよい。また、空間周波数変換部2と空間周波数逆変換部4とを入れ替えてもよい。 You may perform the process of the frequency converter 1 and the process of the spatial frequency converter 2 simultaneously. Similarly, the process of the spatial frequency inverse transform unit 4 and the process of the frequency inverse transform unit 5 may be performed simultaneously. Further, the spatial frequency conversion unit 2 and the spatial frequency inverse conversion unit 4 may be interchanged.
音場収音再生装置は、コンピュータによって実現することができる。この場合、この装置の各部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、この装置における各部がコンピュータ上で実現される。 The sound field sound collecting / reproducing apparatus can be realized by a computer. In this case, the processing content of each part of this apparatus is described by a program. Then, by executing this program on a computer, each unit in this apparatus is realized on the computer.
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。また、この形態では、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、これらの装置を構成することとしたが、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。 The program describing the processing contents can be recorded on a computer-readable recording medium. In this embodiment, these apparatuses are configured by executing a predetermined program on a computer. However, at least a part of these processing contents may be realized by hardware.
この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、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。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
1 周波数変換部
2 空間周波数変換部
3 変換フィルタ部
4 空間周波数逆変換部
5 周波数逆変換部
6 窓関数部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Frequency conversion part 2 Spatial
Claims (6)
上記マイクロホンで収音された信号に基づいて生成された時空間周波数領域信号P~nl(ω)に対して次式により定義されるフィルタF~nl(ω)を適用してフィルタ処理後信号D~nl(ω)を生成する変換フィルタ部と、
空間の逆フーリエ変換により、上記フィルタ処理後信号D~nl(ω)を周波数領域信号に変換する空間周波数逆変換部と、
上記周波数領域信号を逆フーリエ変換により時間領域信号に変換し、変換された時間領域信号を上記スピーカに出力する周波数逆変換部と、
を含む音場収音再生装置。 At least four microphones and is disposed on the peripheral surface of the rigid baffle cylindrical radius R m of the first space, the axial direction of the baffle and the z-axis direction, the direction of the circumferential direction of the baffle φ Where j is the imaginary unit, ω is the frequency, c is the speed of sound, k = ω / c, n is the order in the φ direction, k z, l is the wave number in the z-axis direction, and l is its index. , H n (1) (·) is an n-th order first-class Hankel function, w nl is a weight determined based on n, l, and at least four speakers are different from the first space. As arranged on the circumference of the virtual cylinder of radius R s of
Filtered signal D by applying filter F ~ nl (ω) defined by the following equation to spatio-temporal frequency domain signal P ~ nl (ω) generated based on the signal collected by the microphone ~ Conversion filter part that generates nl (ω);
A spatial frequency inverse transform unit for transforming the filtered signal D to nl (ω) into a frequency domain signal by inverse Fourier transform of the space;
A frequency inverse transform unit that transforms the frequency domain signal into a time domain signal by inverse Fourier transform and outputs the transformed time domain signal to the speaker;
Sound field collection and playback device including
上記マイクロホンアレーで収音された信号をフーリエ変換により周波数領域信号に変換する周波数変換部と、
空間のフーリエ変換により、上記周波数領域信号を時空間周波数領域信号P~nl(ω)に変換する空間周波数変換部と、
上記時空間周波数領域信号P~nl(ω)に対して次式により定義されるフィルタF~nl(ω)を適用してフィルタ処理後信号D~nl(ω)を生成する変換フィルタ部と、
を含む音場収音再生装置。 And at least four microphones are arranged in the circumferential surface of the rigid baffle cylindrical radius R m of the first space, the axial direction of the baffle and the z-axis direction, a circumferential direction of the cylinder of the baffle φ direction, j as imaginary unit, ω as frequency, c as sound velocity, k = ω / c, n as order in φ direction, k z, l as wave number in z axis direction, l as its H n (1) (·) is an n-th order first-class Hankel function, w nl is a weight determined based on n, l, and at least four speakers are different from the first space. As arranged on the circumference of the virtual cylinder with radius R s of the space of
A frequency converter that converts signals collected by the microphone array into frequency domain signals by Fourier transform;
A spatial frequency converter that converts the frequency domain signal into a spatio-temporal frequency domain signal P to nl (ω) by Fourier transform of space;
A transform filter unit that generates a filtered signal D to nl (ω) by applying a filter F to nl (ω) defined by the following equation to the spatio-temporal frequency domain signal P to nl (ω):
Sound field collection and playback device including
上記時空間周波数領域信号P~nm(ω),P~n(ω)と、上記周波数領域信号と、周波数逆変換部により変換された時間領域信号との少なくともひとつは、所定の窓関数により窓関数処理が行われた信号である、
音場収音再生装置。 In the sound field sound collecting and reproducing device according to claim 1 or 2,
At least one of the spatio-temporal frequency domain signals P to nm (ω), P to n (ω), the frequency domain signal, and the time domain signal converted by the frequency inverse transform unit is a window by a predetermined window function. A signal that has undergone function processing.
Sound field recording and playback device.
変換フィルタ部が、上記マイクロホンで収音された信号に基づいて生成された時空間周波数領域信号P~nl(ω)に対して次式により定義されるフィルタF~nl(ω)を適用してフィルタ処理後信号D~nl(ω)を生成する変換フィルタステップと、
空間周波数逆変換部が、空間の逆フーリエ変換により、上記フィルタ処理後信号D~nl(
ω)を周波数領域信号に変換する空間周波数逆変換ステップと、
周波数逆変換部が、上記周波数領域信号を逆フーリエ変換により時間領域信号に変換し、変換された時間領域信号を上記スピーカに出力する周波数逆変換ステップと、
を含む音場収音再生方法。 At least four microphones and is disposed on the peripheral surface of the rigid baffle cylindrical radius R m of the first space, the axial direction of the baffle and the z-axis direction, the direction of the circumferential direction of the baffle φ Where j is the imaginary unit, ω is the frequency, c is the speed of sound, k = ω / c, n is the order in the φ direction, k z, l is the wave number in the z-axis direction, and l is its index. , H n (1) (·) is an n-th order first-class Hankel function, w nl is a weight determined based on n, l, and at least four speakers are different from the first space. As arranged on the circumference of the virtual cylinder of radius R s of
The conversion filter unit applies the filters F to nl (ω) defined by the following equations to the spatio-temporal frequency domain signals P to nl (ω) generated based on the signals collected by the microphone. A transform filter step for generating a filtered signal D ~ nl (ω);
The spatial frequency inverse transform unit performs the above-mentioned filtered signal D ~ nl (
a spatial frequency inverse transform step for transforming (ω) into a frequency domain signal;
A frequency inverse transform unit that transforms the frequency domain signal into a time domain signal by inverse Fourier transform, and outputs the transformed time domain signal to the speaker;
Sound field collection and playback method including
周波数変換部が、上記マイクロホンアレーで収音された信号をフーリエ変換により周波数領域信号に変換する周波数変換ステップと、
空間周波数変換部が、空間のフーリエ変換により、上記周波数領域信号を時空間周波数領域信号P~nl(ω)に変換する空間周波数変換ステップと、
変換フィルタ部が、上記時空間周波数領域信号P~nl(ω)に対して次式により定義されるフィルタF~nl(ω)を適用してフィルタ処理後信号D~nl(ω)を生成する変換フィルタステップと、
を含む音場収音再生方法。 At least four microphones and is disposed on the peripheral surface of the rigid baffle cylindrical radius R m of the first space, the axial direction of the baffle and the z-axis direction, the direction of the circumferential direction of the baffle φ Where j is the imaginary unit, ω is the frequency, c is the speed of sound, k = ω / c, n is the order in the φ direction, k z, l is the wave number in the z-axis direction, and l is its index. , H n (1) (·) is an n-th order first-class Hankel function, w nl is a weight determined based on n, l, and at least four speakers are different from the first space. As arranged on the circumference of the virtual cylinder of radius R s of
A frequency converting step in which the frequency converting unit converts the signal collected by the microphone array into a frequency domain signal by Fourier transform;
A spatial frequency transforming step, wherein the spatial frequency transforming unit transforms the frequency domain signal into a spatio-temporal frequency domain signal P to nl (ω) by Fourier transform of the space;
The transform filter unit generates a filtered signal D ~ nl (ω) by applying a filter F ~ nl (ω) defined by the following equation to the spatio-temporal frequency domain signal P ~ nl (ω) A transform filter step;
Sound field collection and playback method including
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