JP6069368B2 - 組み合わせ又はハイブリッド制御方法を適用する方法 - Google Patents

Description

本発明は、所定数のサウンドゾーンのそれぞれにおいて、より良い音の発生を提供する組み合わせられたモデルを導出するためのハイブリッド制御方法を提供する方法に関する。

本発明は、一般に複数の音場におけるオーディオの再生及び制御に関する。より具体的には、ハイブリッド法が２つのサウンドゾーン間の音響コントラストと、複数の最適化された音場において位相が制御される程度との間のトレードオフを導入するときの方法を開示している。

空間的に閉じ込められた領域における最適化された音場は、マルチチャンネル再生技術を使用する複数の制御方法を用いて達成することができる。２つの空間的に分離した領域の生成は、低い音圧（暗いゾーン）を含む１つの第１の領域と、上記第１の領域よりも高い音圧が必要に応じて制御方法に応じて再生されかつある意味で制御される別の第２の領域を用いて、以下に開示される。

複数のサウンドゾーンを生成する問題にしばしば適用される複数の方法は、大きく以下の２つのカテゴリーに分けることができる。
・最適化手法、及び
・音場合成方法。

前者の利点は、ある与えられた構成における固有の制限のもとで、空間的な音源配置及び要求される音源数において汎用性を含む。合成方法に関係する音源構成は、特に波面合成法とアンビソニックス（Ａｍｂｉｓｏｎｉｃｓ）のような方法の場合には、より制約される傾向にある。

米国出願公開第２０１０／０１３５５０３号明細書 米国出願公開第２００７／００９８１８３号明細書 米国出願公開第２０１０／０１５０３６１号明細書

"Ａ Ｈｙｂｒｉｄ Ｍｅｔｈｏｄ Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ａ Ｓｏｕｎｄ Ｆｉｅｌｄ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｃｏｎｔｒａｓｔ"， Ａｕｄｉｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｏｃｉｅｔｙ − Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ Ｐａｐｅｒ， Ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｔ ｔｈｅ １３２ｎｄ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ， ２０１２ Ａｐｒｉｌ ２６−２９ Ｂｕｄａｐｅｓｔ， Ｈｕｎｇａｒｙ． Ｔｅｒｅｎｃｅ Ｂｅｔｌｅｈｅｍ ａｎｄ Ｐａｕｌ Ｄ． Ｔｅａｌ， "Ａ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉ−ｚｏｎｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄ ｓｏｕｎｄ"； ２０１１ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ， Ｓｐｅｅｃｈ ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ （ＩＣＡＳＳＰ）， ２２ Ｍａｙ ２０１１， ＩＥＥＥ， ｐａｇｅｓ ４３７−４４０， Ｃｈａｐｔｅｒ ２ "ｐｒｏｂｌｅｍ ｓｔａｔｅｍｅｎｔ"． Ｍａｔｔｈｅｗ Ｊｏｎｅｓ ａｎｄ Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｅｌｌｉｏｔｔ： "Ｐｅｒｓｏｎａｌ ａｕｄｉｏ ｗｉｔｈ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｄａｒｋ ｚｏｎｅｓ"， Ｔｈｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ， Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２００８， Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， ＮＹ， ＵＳ， ｖｏｌ． １２４， ｎｏ． ６， ｐａｇｅｓ ３４９７−３５０６．

しかしながら、これらの方法はある特定の音場の再生を促進し、これにより、音響コントラスト制御（ＡＣＣ）とエネルギー差最大化法（ＥＤＭ）のように、ほとんどの数値最適化方法に適用されるエネルギーの考慮事項とは異なり、制御された複数の領域において複数の波面に対する衝突を制御することができる。上記のカテゴリーの中では、合成及び最適化の両方のアプローチからの構成要素を含む複数の制御方法が存在する。圧力マッチング方法は、このタイプの制御方法の一例である。

種々の複数のパラメータは、複数の方法の性能を評価するために利用することができ、ここで、典型的に文献で取り上げられた支配的なメトリック（測定基準）は、２つの隣接する領域間の音響コントラストである。しかし、当該コントラストは音響分離を述べているのみで、最適化された各領域における音場の特性についての詳細な情報を提供していない。

高い音響コントラストを提供する方法は、しばしば、最適化アプローチの性質により得られた最適化された音場の位相制御を悪化させる一方、複数の音場を合成し、すなわち高度な位相制御を提供する複数の方法は、比較的低いコントラスト値をもたらす傾向があることが従来技術から知られている。

本発明は、非特許文献１に記載された研究成果に基づいている。

異なる複数のサウンドゾーンを提供する他の方法は下記の文献に見ることができる：特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、特許文献２及び特許文献３。

本発明では、複数の数値計算法の汎用性を有する複数の合成方法からの高度な位相制御を、組み合わせられた１つの制御方法に組み合わせるハイブリッド法が提案される。エネルギー差最大化と圧力マッチング法の組み合わせは、音響コントラストの重要性と位相制御の度合いとの比を制御する機会を提案する。後者は、結果として生じる再生誤差を使用して評価される。

従って、本発明の一態様は、仮想的な複数のサウンドゾーンのマルチチャンネル音声信号の再生のための組み合わせられた制御方法を適用する方法に関し、上記方法は、
・音圧に関して複数のゾーン間の音響的分離を得るために、複数のゾーンにおいて音響ポテンシャルエネルギーを制御するステップと、
・各ゾーン内で音響ポテンシャルエネルギーを制御するステップを含み、このエネルギーは、あるゾーン内の平均二乗音圧に比例すると見られてもよく、
・位相制御の度合い（程度）を制御するステップを含み、上記位相制御は結果として得られる再生誤差を使用して評価されていてもよいし、再生誤差は明るいゾーンをサンプリングする複数の点で制御してもよい。

上記音場／サウンドゾーンは、例えば円形、楕円形、丸められた長方形などの異なる幾何学的なアウトラインで実現されてもよい。オーディオを提供するための手段は、必要な幾何学的構造に従って物理的に配置されるアクティブスピーカを含む物理的サウンドシステムであってもよい。もしくは、とって代わって、ある与えられたリスニング領域においてランダムに配置された物理的なサウンドシステムから仮想的に形成されたものであってもよい。

アクティブサウンドシステムの構成は典型的には、スピーカ装置毎に、制御可能な増幅器、制御可能なフィルタ及び制御可能な遅延手段を備えた、サウンドトランスデューサ（スピーカユニット）を含む。

一般に、本発明は、２つ又はそれ以上のサウンドゾーンにおいてマルチチャンネルオーディオ信号を再生するための組み合わせられた制御方法を適用する方法に関する。上記方法は、
− 音圧に関して複数のゾーン間の音響的分離を得るために、複数のゾーンにおける音響ポテンシャルエネルギーを制御するための第１のコスト関数を導出するステップと、
− 複数のゾーンに設けられた音の位相を制御する第２のコスト関数を導出するステップとを備え、
ここで、重みは、組み合わせられた最適化で第１及び第２のコスト関数の組み合わせを決定するために得られる。

本発明において、組み合わせられた制御方法は、例えば１つの組み合わせられたコスト関数への、第１及び第２のコスト関数の組み合わせである。また、ハイブリッドと呼ばれる組み合わせは多くの利点を有しており、重みを選択することによって操作することができる。

当該方法を適用すると、スピーカのための複数のパラメータと、もしくは、そのようなスピーカに対して信号を提供するように構成されスピーカ又は他のサウンドプロバイダ又は増幅器／フィルタ等のパラメータを導出することができる。

別の状況では、適用するステップは、全体の組み合わせられたコスト関数の生成であってもよく、当該コスト関数は、のちにそのような複数のパラメータ又は複数の信号を生成するために使用することができる。

マルチチャンネルオーディオ信号は通常人間の耳で検出可能な複数の信号となり、ここで、複数の異なる信号は異なるスピーカによって出力される。当然のことながら、当該複数の信号は例えば歌のような同一の複数の全体信号に関連するものであってもよく、しかし、ここで、チャンネル間の違いは、例えばステレオ信号、もしくは、例えば４、５、６、７、９又はそれ以上のチャンネルであるより多くのチャンネルを有する信号を定義する。

本発明において、サウンドゾーンは、所定の音が生成されるか、又は少なくとも近似して生成されるゾーンである。あるゾーンは通常、所定の位置で所定の空間の体積を有し、当該ゾーンは所定の輪郭や形状を有する。異なる複数のサウンドゾーンは、必要に応じて音なしなどの、独立に選択された音を有してもよい。異なった音は、例えば異なった複数の歌又は複数の音源、もしくは異なった音量を有する同一の歌又は音源であってもよい。

必要に応じて、例えば２個、３個、４個、５個、６個、８個又はそれ以上のゾーンなど、任意の数のサウンドゾーンを選択してもよい。ゾーンの数が多いほど、より多くのスピーカが典型的に必要とされる。

このように、分布又は制限はサウンドエネルギー間で所望され、所望された音場の再生が求められている。

上記第１のコスト関数は、各ゾーンの平均二乗音圧に比例してもよい。好ましくは、比例定数は、これらが容易に比較できるように、好ましくは、すべてのゾーンで同じである。

この状態での分離は高いｄＢ値であってもよく、これにより、１つのゾーンからの音なし又は小音量の音は別のゾーンにおいて検出又は聴取される。音圧は、領域内に存在する音の存在量を決定する標準的な方法である。最終的な組み合わせられた最適化の分離は、必要に応じた複数の他のパラメータを最適化するように選択される重みに依存してもよい。

上記第２のコスト関数は、１つのゾーン又は複数のゾーンに設けられた音の位相に関連する。通常、異なる複数の位相は、異なる複数のゾーンにおいて使用され又は所望される。

上記第２のコスト関数は、例えば１つのゾーンにおける平面波からのように、１つの所望の位相又は音の方向からの再生誤差から決定してもよいし、それに関連して決定してもよい。上記再生誤差は、音の角度と所定角度との差、及び／又は、理想的な平面波と複数の入射波との間の差、すなわち音波がどれぐらい平面波に似ているか、として定量化することができる。

上記重みは、第１及び第２のコスト関数の最終的な最適化において、重みを決定するために使用することができる。以下でさらに説明するように、上記重みは、多くの方法で決定されてもよいし、上記第１のコスト関数に対する最終的な最適化におけるエンファシス（強調度）を決定してもよく、これにより、第２のコスト関数に関連して音響分離度を決定し、従って位相を決定してもよい。

１つの実施形態では、第１のコスト関数は、音響コントラスト制御法のコスト関数であり、別の実施形態では、第１のコスト関数は、エネルギー差最大化法のコスト関数である。

上記実施形態又は別の実施形態では、第２のコスト関数は、例えば所望の音場と再生音場との間の平均二乗誤差を最小化する方法である圧力マッチング法のコスト関数である。これに代わるものとして、複数の音場の球面分解に基づく分析方法であってもよい。

１つの実施形態では、第１のコスト関数を導出するステップは、コスト関数を導出することを含み、ここで、各ゾーン内の音響ポテンシャルエネルギーは、次式で示すように、あるゾーンにおける平均二乗音圧に比例する。

上記の実施形態又は別の実施形態では、第２のコスト関数を導出するステップは、低い再生誤差を得るために、結果として得られた再生誤差を使用して位相制御を評価することを含み、再生誤差は次式のように定義される。

ここで、Ｎは正規化係数であり、次式で表される。

好ましくは、再生誤差は、複数のゾーンのうちの明るいゾーンをサンプリングする複数の点で制御され、ここでまた、暗いゾーン、すなわち音なしが所望されるゾーンが存在する。好ましい実施形態では、重み決定ステップは、組み合わせられた最適化において複数のコスト関数の間でトレードオフを制御するための重みを決定することを備える。この状況では、上記コスト関数は次式で示すように、制約なしで最適化することができる。

また、この実施形態では、複数の音源重みは、勾配がゼロである複数の固定点（定常点）から計算することができ、複数の固定点は次式で決定される。

好ましい実施形態では、上記方法はさらに、
− 複数の組み合わせられた最適化から、複数のスピーカのそれぞれを駆動するための複数のパラメータを導出するステップと、
− 上記導出された複数のパラメータに従って、上記複数のスピーカを駆動するステップとを備える。

これらのパラメータは、複数の位相シフト（遅延）パラメータ、増幅及び／又はフィルタリング（典型的に周波数フィルタリング）であってもよい。通常、このような複数のパラメータの組み合わせは、各スピーカのために使用される。

以下のことに留意すべきである。スピーカは物理的な実際のラウドスピーカであってもよいし、仮想的なスピーカであってもよいし、仮想的なスピーカからの音は、仮想的なスピーカの位置において位置しない多数の他の物理的なスピーカによって実際に生成される。このことは、例えば、２つのスピーカが同一の信号を出力するときにみられる効果であり、当該同一の信号はあたかも２つのスピーカ間の位置から到来するかのように聞こえる音である。

１つの実施形態では、上記重みを決定するステップは、複数のゾーンのうちのいずれか１つにおける平面波から所定の最大再生誤差を有するように、第２のコスト関数を導出することを備える。１つの状況では、最大再生誤差は１５％であるが、必要に応じて、例えば、２０％、１９％、１７％、１３％、１２％、１０％、８％、６％、４％などの他の値を使用してもよい。

上述したように、この再生誤差は、音波の方向と好ましい方向との間の差であってもよく、及び／又は、理想的な平面波と実際の波の形状との間の差であってもよい。

コントラストと位相／方向との間の重みは、スキーム数（方法数）に応じて、もしくは異なる状況数に関連して適宜選択することができる。明らかに、いくつかの状況では、コントラストは、音の音質又はサウンド提供システムの品質が低い場合のように、より重要である場合に存在し、その場合、最初の場所で位相／角度の高解像度を得ることができないかもしれない。また、周囲の音又は雑音が存在する場合には、周囲の雑音がとにかく別のゾーンから伝送されて任意のサウンドを低下させてかき消すように、上記コントラストは、最優先である必要はないことがある。別の状況では、位相／角度は、このような聴取状況が重要である場合のように、より高い重要度であってもよい。その状況では、より低いコントラストを受容してもよい。

マルチゾーンオーディオプロバイダのセットアップシステムを示す。 ＡＣＣによって得られたコントラストに対してプロットされた異なるζ値におけるＥＤＭで得られた音響コントラストを示す。 １ｋＨｚで測定対象の平面の二次元プロットであり、ここで、上の列は正規化されたレベルを示し、下の列は、ＡＣＣ、ＰＭ及び本発明に係るハイブリッド方法の好適な一実施形態の性能を示す複素音場の実数部を示す。 上段のプロットでは、すべての３つの制御方法における周波数の関数としての音響コントラストを示し、下段のプロットでは、圧力マッチングと図３のハイブリッド方式の対応する再生誤差が図示されている。

以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。

音場制御を評価するための適用されるメトリック（測定基準）は以下の通りであってもよい。

音響コントラストは、２つのゾーンにおける平均ポテンシャルエネルギーの比として定義され、当該比は、２つのゾーン内の平均二乗圧力に比例する。この定義は、以下のように書くことができる。

ここで、ｐは位置ｘにおける音圧であり、及び、Ｓ_Ｂ及びＳ_Ｄはそれぞれ、明るいゾーン及び暗いゾーンの面積を指し、ｄａは差動面積要素である。

２つのゾーン内の音響エネルギーが制御され、このことは、音圧に関して２つのゾーン間の音響的分離を得るために制御される。各ゾーンにおける音響ポテンシャルエネルギーは、次式で示すように、ある１つのゾーンの平均二乗音圧に比例する。

再生誤差が、所望値ｐ^ｄと再生音場ｐ^ｒとの間の偏差を評価するためのメトリック（測定基準）として導入される。再生誤差εは次のように定義される。

ここで、Ｎは正規化係数であり、次式で与えられる。

音響コントラスト制御（ＡＣＣ）は、音圧レベルに関して別個の領域を生成するために適用することができる最適化アプローチである。ＡＣＣは、所望の暗いゾーンに対して所望の明るい領域のコントラストを増加させるために使用される。各アレイ要素に対する重みを決定するために、当該方法は、複数の音源と、音場の制御が望まれる複数の領域における複数の制御点間の複数の伝達関数を必要とする。すべての音源から特定領域の複数の制御点までの重みの無い応答は、次式で定義されるように、音源と複数の点との間の空間的な相関の手段を用いて記述することができる。

ここで、（・）^Ｈはエルミート転置を示し、Ｇ（ｘ_ｓ，ｘ_Ｂ）はｘ_ｓに位置するＭ個の音源から積分点ｘまでの複数の伝達関数を含む行列である。音響コントラスト制御を使って最適化されたコスト関数は、複数のゾーン内の複数のポテンシャルエネルギーの比として定義することができる。

ここで、ｑは、音源重みを表す各音源からの複数の体積速度のベクトルである。ｑに対して微分することにより、最大の固有値に対応する、ＲＤ^−１ＲＢの固有ベクトルとして最適な音源重みを決定することが可能である。

エネルギー差最大化は、この方法が互いに１つのゾーンの音圧レベルを低減するために適用されるので、音響コントラスト制御によく似ている。２つの方法の主な違いは、ＥＤＭがゾーン間のサウンドエネルギー差の最適化である一方、ＡＣＣがエネルギー比を最適化するために使用されることである。ＥＤＭによって、ｑ^Ｈｑによって記述される制御努力（エフォート）に関連してゾーン間のポテンシャルエネルギー差を調整することができ、その結果、ＥＤＭコスト関数は次式で表される。

ここで、ζは重み係数である。この定数は、エネルギー分布がエネルギー差を得るために明るいゾーン又は暗いゾーンにおいて制御されるべきであるかどうかを決定するために適用される。もしζ≪１ならば、最適化は明るいゾーンで音のエネルギーに対して焦点を当てるが、もしζ≫１ならば、最適化は暗いゾーン内のエネルギーを低減する。

音響コントラスト制御法及びエネルギー差最大化法は２つの密接に関連した方法であり、これら両方の方法は、ポテンシャルエネルギー分布に関して２つの領域間の音響空間的な分離を生成する。

ＡＣＣを使用することにより、このメトリックに関して最適解を示す２つのゾーン間の音響コントラストを最大化する。一方、ＥＤＭを実装することで、明るいゾーンと暗いゾーン間の特定の優先度に従ってエネルギー差を最適化し、従って、達成されたコントラストは、パラメータζの値に依存するであろう。ＥＤＭのアプリケーションは、測定対象の特定のセットアップシステムに依存するζ値を決定する付加的なステップを含む。

ＡＣＣの実装では、最適な関係は、明るいゾーンにおける音の積極的な干渉と、暗いゾーンにおける消極的な干渉との間で決定される。ＥＤＭによって得られた解決法は、明るいゾーンにおける積極的な干渉と、暗いゾーンにおける消極的な干渉とにもっぱら依存するように調整することができる。従って、ＥＤＭは、正確なζの正しい調整を仮定すれば、ＡＣＣと等しくない場合に類似している結果を得るために適用できるということを説明することは合理的であると思われる。

このことは、図２で図示され、図２においては、異なるζ値でＥＤＭを用いて得られた音響コントラストがＡＣＣによって得られたコントラストに対してプロットされる。ζ値を決定する必要性による付加的な複雑さは、ＥＤＭに対して魅力のない方法を行うように見える。しかし、それは、行列反転の必要性を排除するという利点を有する。ＡＣＣを用いて重みを決定するために、ＲＤの反転は必要であり、このことは、もし行列が特異行列に近い場合には、数値の不安定性を引き起こす可能性がある。この問題点は低い周波数で増加し、異なる音源から制御点への伝達関数は同様になる。ＥＤＭは、複数の音源重みを決定するための逆行列を含んでいない。従って、このような数値的な不安定性の面でよりロバスト（頑強）になる。この有意差は、ハイブリッド法のための基本法としてより最適なものとしている一方で、ＡＣＣは得られる音響コントラストの基準として含まれる。

圧力マッチングは、数値の最適化により所望の音場を近似することができる手順である。圧力マッチングは、ＡＣＣとＥＤＭと同様に、アレイ内の音源に対する複数の重みを決定するために、複数の音源と複数の制御点間の複数の伝達関数を必要とする。

音場制御方法であるコントラスト制御法と圧力マッチング法との間のハイブリッド法が開示されており、当該ハイブリッド法は、高い音響コントラストが好ましくは、最適化された空間的に閉じ込められた音場の内部での高度の位相制御と組み合わせる必要があるという考えに由来している。

同時に生成される明るいゾーンと暗いゾーンを含む特定の構成に対する複数のシミュレーション結果が、含まれる潜在的な重み決定手順の一例を用いて検討される。

ハイブリッド法は、重要な周波数範囲にわたって圧力マッチング法に比べて高いコントラストを提供すると同時に、（１５００Ｈｚ以下で３．５％以下である）同程度の低い再生誤差を取得する。しかし、ＡＣＣのコントラスト性能は、最適化された複数の領域では位相制御をする必要が無いという点で、ハイブリッド法と圧力マッチング法の両方よりも優れている。

ハイブリッド法は、位相制御を損なうことなく、広い周波数範囲において有意に高いコントラストを提供する。提示シミュレーションが基づいている重み決定方法は、多数の方法の中の一例として考えるべきである。理想的には、重み係数α及びζは、高コントラストと低い再生誤差の最良の妥協を得るために、ある意味で最適化されるべきである。

ハイブリッド法は、高い音響コントラストを実現するか、合成された音場の低い再生誤差の達成のどちらかだけに焦点を当てている複数の制御方法に比較して優れた性能を導入しているように思われる。

図１は、本発明の方法を使用するように構成されたシステムの一実施形態を図示し、当該システムは、所望の複数のサウンドゾーンを含む複数の光源（スピーカ２）の等間隔の円形アレイを有するシステムが適用される。複数のゾーン及び複数の音源の概略的なセットアップシステムは極座標系を使用して図示されている。制御されるべき複数の空間サウンド領域は４０個の音響モノポールからなる円形アレイの内側にある。暗いゾーンは、高い音圧が所望される明るいゾーンに比較して低い音圧を有する領域として参照される。当該システムはまた、１つ又はそれ以上の音源からの音又は信号を受信し、かつ２つのゾーン内の所望の音を得るための方法に従って、複数のスピーカ２のために複数の信号を発生するように構成されたコントローラ又はプロセッサ１０を有する。ここで、このコントローラは、より多数のスピーカ２、もしくは各スピーカ２のために個別的に、複数のフィルタ、複数の遅延回路及び／又は複数の増幅器を有してもよい。当然のことながら、各スピーカ２は、必要があれば、代替的に、自身の増幅器／遅延回路／フィルタを持つことができる。

複数の制御ゾーンの外側の複数の音源の円形分布の場合において、アレイ内の再生された音場は次式のように記述することが可能である。

ここで、下付き文字ｍは与えられた音響音源を示す一方、ｎは制御点である。複数の制御点における所望の音場は次のように記述することができる。

ここで、明るいゾーン及び暗いゾーンは（例えば、６０ｄＢだけ減少される暗いゾーン内の平面波の振幅）ゾーン内の平面波の異なる振幅を印加することによって区別される。

上記の式は、行列表記で以下のように表すことができる。

ここで、ＧはＭ個の音源からＮ個の制御点への式（７）によって与えられる伝達関数であり、ｑは複数の音源重みのＭ×１のベクトルであり、ｐ^ｄは式（８）で定義された複数の制御点においてサンプリングされた所望音場を表すＬ×１のベクトルである。Ｌ＞Ｍであるとき、当該システムは過剰決定され、複数の重みは二乗誤差を最小化することで決定することができる。

正則化された最小二乗解は次のように書くことができる。

ここで、ＩはＭ×Ｍの単位行列であり、δは行列反転におけるチホノフ正則の制約パラメータである。

本発明の好ましい実施形態において、音場制御の以下の２つの異なるカテゴリーが導入される。１つは、サウンドエネルギーの分布が最適化されるものであり、もう１つは、所望の音場を可能な限り高い精度で再現されたものである。

所望の音場の音響コントラスト及び合成の両方に関して音場を制御することが望まれるので、ハイブリッド法の概念を導入する。このようなハイブリッド法は、高い音響コントラスト及び低再生誤差を達成するために利用可能な複数の音源を調整することができる。

ハイブリッド法は、圧力マッチング（１０）とエネルギー差最大化（６）からの複数のコスト関数を、組み合わせられた最適化における複数の方法間でトレードオフを制御するための重みを含むただ１つの方法に組み合わせることにより定式化される。式（６）からのアレイエフォート制約ｑ^Ｈｑは含まれていないから、組み合わせられたハイブリッド法のコスト関数は制約なしの最適化として次式のように記述される。

ここで、αは音響コントラストの最適化値と再生誤差との間の重み係数である。ＥＤＭと圧力マッチングの両方を表す項を含めるために、ＥＤＭコスト関数（６）の符号は変更される。

これは、組み合わせられたコスト関数の複数の項が同じ方向に収束する必要があり、圧力マッチングは、所望の音場再生の間の偏差を最小化することに依存しているために行われる。

コントラストの最適化値がコスト関数に含まれているので、ハイブリッド法における圧力マッチングの項は暗いゾーン内の制御点を含むことは不要である。ここで、主な基準は正確な波面再生というよりはむしろ低い音圧レベルである。従って、ハイブリッド法での圧力マッチングの制御点は、解決方法における制限を減少させるために明るいゾーン内の複数の点を含む。複数の音源重みを計算するためには、（１２）の勾配がゼロである固定点を決定する必要がある。ｑに関して微分することで、複数の固定点（静止点）は次式の行列方程式の解として決定することができる。

上記の式は、さまざまな方法で解くことができる一般的な方程式Ａｘ＝Ｂの行列式の形式を有する。典型的な１つは、チホノフ正則行列

を含むＡの擬似逆行列である。正則化パラメータδを決定するためには、Ｌ曲線の正則化の概念を適用することが適当であるかもしれない。

図２は、制御係数ζの異なった複数の値でのエネルギー差最大化法を用いて得られた音響コントラストを示す。音響コントラスト制御法によって得られた性能は、参考のために含まれる。それらの複数の値は図に図示された構成に対して１ｋＨｚで得られる。

実験データは開示され、当該データは本発明の一実施形態のシミュレーションに関連する。シミュレーションは無響条件の下で散乱要素なしで行った。ＥＤＭ、ＡＣＣ及び提案されたハイブリッド法が３次元音響モノポールシミュレーションを用いて実施され、半径１．５メートルの円形音源アレイ及び半径０．３ｍのサウンドゾーンに一致する同一の平面において評価され、４０個の等距離のモノポールを用いた複数のシミュレーションは、１００から２５００Ｈｚの範囲内の異なる周波数で行われた。音響コントラストは再生誤差と同様に評価された。ここで、後者は、所望の位相特性がＡＣＣで暗に含まれていないという事実のために、ＥＤＭ及びハイブリッド法に対してのみ適用された。−９０度の伝搬方向を有する平面波は、圧力マッチング法とハイブリッド法の場合において、明るいゾーンで合成される所望の音場として定義された。平面波の音場は簡略化のためだけに選択された。理論的には、任意の音場を得るための最適化することができる。ハイブリッド法によって得られた性能は、２つの重み係数α及びζの決定に依存している。

当該シミュレーションでは、以下の手順を適用した。
（１）コントラスト性能のための基礎として、ζが、ＡＣＣを使用して達成されたコントラストの０．９倍よりも小さくないコントラストを得るために調整される。
（２）明るいゾーンにおける音場の所望制御を得るためには、αが、８回未満で再生誤差を達成するように調整され、その結果の誤差が圧力マッチング法で見つけられた。

ステップ（１）及び（２）の両方において、複数の重みは所定の最大ステップ数で繰り返し決定され、本質的には、もし所望性能を達成できない場合には当該手順は最大ステップの制限で得られた結果を得るまで続ける。

図３は１ｋＨｚで測定対象の平面での二次元プロットを示す。ここで、上段は正規化されたレベルを示し、下段は、１ｋＨｚにおいて０．３ｍの半径と１．２ｍの分離距離を有する明るいゾーンと暗いゾーンを発生するときの、ＡＣＣ、ＰＭ及びハイブリッド法の性能を示す複素音場の実数部を示す。１．５ｍの円上の４０個の三次元モノポール音源のアレイをシミュレーションした。当該表面プロットは、音源アレイと一致する同一の空間平面を示す。
左の列：ＡＣＣ、コントラストＣｏｎｔｒａｓｔ（Ｂ，Ｄ）＝１４９ｄＢ；
中央の列：ＰＭ、コントラストＣｏｎｔｒａｓｔ（Ｂ，Ｄ）＝６２ｄＢ、ζ＝０；
右の列：ハイブリッド方式、コントラストＣｏｎｔｒａｓｔ（Ｂ，Ｄ）＝１４９ｄＢ、ζ＝０．０２。
ＡＣＣ及びハイブリッド法は、圧力マッチングと比較してより高いコントラストを提供することは明らかである。

複数のレベルプロット上の複数の暗い領域は空間的にさらに拡張して見ることができ、低い音圧は事前に定義された複数の領域をはるかに超えて延在している。ＡＣＣでは、暗い領域はほぼ、大いに意図しないこの領域を横切る空間的変動を導入する明るいゾーンの空間をオーバーラップすることが見出される。圧力マッチング法とハイブリッド法の両方は、明るいゾーンにおいてサウンドエネルギーのより均一な分布を提供する。

ＡＣＣにより見つけられた波面は、予測されたようにある特定の意味で制御されないように思われる。残りの２つの方法では、所望の平面波フィールドが正しく合成されるように思える。

図４は音響コントラストを示しており、上段のプロットでは周波数の関数がすべての３つの制御方法に対して図示され、下段のプロットでは対応する再生誤差が圧力マッチング法及びハイブリッド法に対して見つけられる。

最高のコントラスト性能は測定対象の全周波数帯域においてＡＣＣを使用して達成される。

ハイブリッド法は、与えられた構成において約１７５０Ｈｚ以下での圧力マッチング法と比べてより良好に実行され、より高い周波数では圧力マッチング法に向かって収束するように思われる。

ハイブリッド法を用いて得られた結果のコントラストは、１２００Ｈｚよりも上で急速に降下する。ここで、主な努力は、高いコントラストよりもむしろ低い再生誤差を維持することに焦点を当てているが、これは、高いコントラストと低い再生誤差の両方を含む最適化がこの周波数区間で達成できなかったように思える。

ハイブリッド法の再生誤差の大幅な変動は１５００Ｈｚよりも上で見出すことができる。従って、コントラストが判明したとして、再生音場の誤差が圧力マッチング法のそれに向かって収束しない場合がある。このことは、ハイブリッド法の最適化の終了点が、予測されるように、定式化された最適化の２つの最大の終了点、すなわちＡＣＣ及び圧力マッチング法に完全に到達しないということを示している。

本発明は、個々のサウンドゾーンの有効化及び制御が関連している複数の領域において適用してもよい。これらのサウンドゾーンは、例えば家、車、ボートなどのプライベートな領域、もしくは、電車、飛行機、店舗、倉庫、展示ホール、空港などのような公共の領域である。

当該システムは、上記モデルをセットアップし、複数のパラメータを導出し、及び／又は永続的又は断続的に使用される１つ又はそれ以上のマイクロホン４（図１）を有してもよい。このときの複数のパラメータは、変更すべきであるか、もしくは、聴取空間、家具、１つ又は聴取位置、ゾーン位置、スピーカ等が変更される。

有用なサウンドゾーンを得るためには、定義されたように１つ又はそれ以上のサウンドゾーンの中で「サウンドアイソレーション」のレベルに対して強い要求条件が存在する。このように、１つのゾーン内の聴取者は好ましくは他のゾーンからの音／雑音によって妨害されない。

Claims (14)

1. ２つ又はそれ以上のサウンドゾーンにおいてマルチチャンネルオーディオ信号の再生のための組み合わせられた制御方法を適用する方法であって、
   上記方法は、
   音圧に関してゾーン間の音響的分離を得るために、複数のゾーンにおける音響ポテンシャルエネルギーを制御するための第１のコスト関数を導出するステップと、
   複数のゾーンに設けられた音波の位相を制御する第２のコスト関数を導出するステップと、
   重みを提供するステップと、
   上記第１及び第２のコスト関数の組み合わせを最適化するステップとを備え、
   上記重みは上記組み合わせにおける上記第１及び第２のコスト関数の間のトレードオフを制御する方法。
2. 上記第１のコスト関数は、音響コントラスト制御法のコスト関数である請求項１記載の方法。
3. 上記第１のコスト関数は、エネルギー差最大化法のコスト関数である請求項１又は２記載の方法。
4. 上記第２のコスト関数は、圧力マッチング法のコスト関数である請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の方法。
5. 上記第１のコスト関数を導出するステップは、次式で示すように、
   

   

   各ゾーンにおける音響ポテンシャルエネルギーがあるゾーンの平均二乗音圧に比例するコスト関数を導出することを含む請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の方法。
6. 上記第２のコスト関数を導出するステップは、低い再生誤差を得るために、結果として得られた再生誤差を使用して位相制御を評価することを含み、上記再生誤差は次式で定義され、
   

   

   ここで、Ｎは次式で表される正規化係数である
   

   

   請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の方法。
7. 上記再生誤差は明るいゾーンをサンプリングする複数の点で制御される請求項６記載の方法。
8. 上記方法は、圧力マッチング（１０）及びエネルギー差最大化（６）からの複数のコスト関数を、組み合わせられた最適化での複数の方法間のトレードオフを制御するための重みを含むただ１つのコスト関数に結合する請求項７記載の方法。
9. 上記コスト関数は、次式で表される
   

   

   制約なし最適化である請求項８記載の方法。
10. 複数の音源重みは、勾配がゼロである複数の固定点から計算され、上記複数の固定点は次式で与えられる
    

    

    請求項８記載の方法。
11. 上記方法はさらに、
    上記組み合わせられた最適化から複数のスピーカのそれぞれを駆動するための複数のパラメータを導出するステップと、
    上記導出された複数のパラメータに従って複数のスピーカを駆動するステップとを備える請求項１〜１０のうちのいずれか１つに記載の方法。
12. 上記重みを決定するステップは、複数のゾーンのうちの予め決められたいずれか１つにおける平面波から所定の最大再生誤差を有するように上記第２のコスト関数を導出するステップを備える請求項１〜１１のうちのいずれか１つに記載の方法。
13. 上記最大再生誤差は１５％である請求項１２記載の方法。
14. α及びζは最大ステップ数で繰り返し決定される請求項９記載の方法。

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