JP6105861B2 - 音響処理装置および音響処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、音響処理技術に関するものである。

ＣＤから始まったオーディオメディアのデジタル化は、ＤＶＤオーディオ、ＳＡＣＤ（Super Audio CD）などのように、より高ダイナミックレンジ、高精度、高音質の音響信号を記録する方向へ発展してきた。これらのデジタルオーディオメディアの普及に伴い、家庭内においてこれらのメディアに記録されている音響信号を高音質・高忠実に再生できる音響再生装置が求められている。

このような家庭内における高忠実な音響再生において、壁や床、あるいは家具などによる反射や吸収、回折等の影響により、再生される音の音響特性が聴取位置において変化してしまう現象は無視できない問題である。そこで、部屋の音響特性を測定し、自動的に補正することによって部屋による音質劣化を抑制する技術がますます重要になっている。近年の音響再生装置では、このような補正を音響再生装置内のＤＳＰ（Digital Signal Processor）上で実行されるデジタルフィルタによって行うことが一般的である。このような室内音響特性補正は、多くの場合、音響再生装置に入力される音響信号に対して直接補正フィルタを重畳することにより行われる。

ところで、近年の聴覚心理研究によって、人間は中〜高周波数域では、直接音、初期反射音、後期残響音を個別に認識し、その相互作用により音質を判断していることが分かってきた。一方、従来技術では、定常状態の音響特性、つまり、直接音と反射音を全て混合している測定結果に対して補正量を決定し、音源信号にフィルタをかけることで直接補正を行う。そのため、従来技術では、反射音だけではなく、直接音に対しても同様な補正を行うため、直接音の特性をも変化させてしまい、かえって聴感上の音質を劣化させることがあった。

そこで、直接音と間接音の影響を分離して、間接音の影響のみを補正することを試みているものが存在する。例えば、特許文献１では、間接音成分の出力バランスと周波数特性を制御する技術が開示されている。また、特許文献２では、直接音を放射するスピーカの奥に反射音制御用のスピーカと音響管を設けて、音響的に車室内の反射音を抑制する技術が開示されている。

特開２００９−２６１０２２号公報 特開平０６−１８１５９６号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、仮想音場を合成するために付加する反射音パラメータの情報に間接音の分析結果を用い、これを源信号に付加して出力する。よって、源信号の特性が変化してしまうため、結果として直接音も変化してしまう。また、特許文献２の技術は、車室内という環境条件が予め固定されている場合に特化した技術であるため、環境条件がまちまちである一般家庭の室内における音響再生装置に適用することは困難である。

本発明は上述した問題点に鑑みなされたものであり、反射音による音質劣化を抑制する技術を提供することを目的とする。

上述の問題点を解決するため、本発明の音響処理装置は以下の構成を備える。すなわち、音響処理装置は、音響信号を第１出力部に出力させる第１制御手段と、聴取点において収音する収音部からの収音結果を取得する第１取得手段と、前記第１出力部から音響信号が出力されている際の前記収音部による収音結果であって、前記第１取得手段により取得された収音結果に基づいて、前記第１出力部から出力された音響信号の反射音であって、前記聴取点において所定の方向から到来する反射音に関する情報を取得する第２取得手段と、前記第２取得手段により取得された反射音に関する情報に基づいて、前記所定の方向から前記聴取点に到来する反射音を打ち消すための信号を、当該信号が前記聴取点において前記所定の方向から到来するように前記第１出力部と異なる第２出力部に出力させる第２制御手段と、を有する。

本発明によれば、反射音による音質劣化を抑制する技術を提供することができる。

音響再生装置の全体構成を示す図である。 コントロールアンプの内部構成を示すブロック図である。 アレイスピーカの内部構成を示すブロック図である。 聴取点へ到達する直接音、反射音及び反射音補正信号の経路を例示的に示す図である。 初期設定処理のフローチャートである。 方向−遅延ＤＢ補正処理の詳細フローチャートである。 補正フィルタ設計処理の詳細フローチャートである。 音響再生処理のフローチャートである。 反射音補正信号再生処理の詳細フローチャートである。 方向−遅延ＤＢに格納されるデータを例示的に示す図である。 反射音マップの模式図である。 アレイスピーカによる音響ビーム形成の原理を示す模式図である。 室内インパルス応答の時間分布を例示的に示す図である。

以下に、図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を詳しく説明する。なお、以下の実施の形態はあくまで例示であり、本発明の範囲を限定する趣旨のものではない。

（第１実施形態）
本発明に係る音響再生装置の第１実施形態として、アレイスピーカを備える音響再生装置を例に挙げて以下に説明する。

＜装置構成＞
図１は、第１実施形態に係る音響再生装置の一構成例の外観の模式図である。図１において、音響信号再生用のスピーカ１及び２は、それぞれ、ステレオ音響信号のＬ信号とＲ信号を音に変換して主音響を出力するスピーカ（主音響出力手段）である。補正用のアレイスピーカ３は、スピーカ１及び２から出力された音の反射音を打ち消す補正音響を出力するスピーカ（補正音響出力手段）である。

アレイスピーカ３は、例えば、同じ口径の複数のスピーカユニットを規則的に配置し、各スピーカユニットの再生遅延の制御を適宜行うことによって、任意の方向に指向性を持つ音響ビームを出力するよう制御可能である。つまり、各スピーカユニットは、それぞれ再生遅延を設定可能に構成されている。特に、アレイスピーカ３は、後述するように同時に複数（Ｎ個）の方向に音響ビームを生成して出力することができる。これにより、アレイスピーカ３は、部屋の壁などによる反射音を打ち消すための補正信号を音響ビームに変換して適切な方向に出力する。

ここでは、アレイスピーカ３は横方向（水平方向）にＭ個、縦方向（鉛直方向）にＬ個のスピーカユニットを格子状に並べることによってアレイを構成するものとする。アレイスピーカ３において、横方向のスピーカユニットの個数は、水平面における音響ビーム方向の指向性に寄与し、スピーカユニットの個数が多いほど水平面の指向性が強まる。一方、縦方向のスピーカユニットの個数は、音響ビームの音圧に寄与し、スピーカユニットの個数が多いほど音響ビームの音圧が高まる。アレイスピーカ３の詳細な構成については図３を用いて後述する。

コントロールアンプ４は、音響再生装置全体の動作制御を行う。具体的には、メディアプレイヤーによって出力される音響信号に対して適宜音量制御やトーンコントロールなどの処理を行ってから増幅を行い、スピーカ１，２に出力する。また、入力音響信号から反射音補正信号を生成し、適切な音響出力方向の情報とともにアレイスピーカ３に出力する。また、スピーカ１、２やアレイスピーカ３から測定信号を出力し、マイクロフォンアレイ６によって収音した信号から、ユーザ聴取位置における部屋の音響特性解析などを行う。コントロールアンプ４の詳細な構成は図２を用いて後述する。

メディアプレイヤー５は、ディスクメディア（ＣＤ、ＳＡＣＤなど）や汎用ストレージメディア（ＨＤＤなど）に格納されている音響信号、あるいは、インターネット上のサーバからストリーミングされる音響信号などを再生し、コントロールアンプ４に出力する。

マイクロフォンアレイ６（集音手段）は、例えば、３つのマイクロフォンユニットを水平面上に正三角形の頂点位置に配置したものである。マイクロフォンアレイ６は前後左右の方向が予め指定されており、３つのユニットのうちの一つを前側として、残りの二つが正面に対して後部左右均等に位置するように方向が決定される。マイクロフォンアレイ６は、各マイクロフォンユニットで設置された位置の音を収音し、電気信号に変換してコントロールアンプ４に出力する。この構成により、マイクロフォンアレイ６は、音響の到来方向を検出可能になっている。

図２は、コントロールアンプ４の詳細構成を示すブロック図である。なお、コントロールアンプ４に内蔵される全ての構成要素と制御器１２１は不図示の制御信号バスによって接続され、双方向に制御信号を送受信可能である。

音響信号入力インターフェース（音響信号入力Ｉ／Ｆ）１０１は、メディアプレイヤー５から出力されるデジタルステレオ音響信号を受信してステレオ遅延器１０２へ出力する。ステレオ遅延器１０２は、スピーカ１、２の配置位置とユーザ聴取位置により、ユーザ聴取位置において発生する左右信号の遅延差の補正を入力音響信号に対して行い、音響処理器１０３へ出力する。音響処理器１０３は、使用者が操作器１２０を操作して行う指示に従って制御器１２１から送信される制御信号に基づき、入力音響信号に対してトーンコントロールや音量制御などの音響処理を行う。そして、音響処理器１０３は、処理が施された音響信号をシステム間遅延器１０４や反射音補正フィルタ１１５へ出力する。

システム間遅延器１０４は、入力された音響信号を遅延させ、デジタル−アナログ変換器１０５に出力する。この遅延時間には、反射音補正フィルタ１１５によって行われるフィルタ適用処理による遅延分に加えて、ステレオスピーカ１、２とアレイスピーカ３とのシステム遅延が含まれる。デジタル−アナログ変換器（以降ＤＡＣと表記）１０５は、入力されたデジタル音響信号をアナログ音響信号に変換して出力する。パワーアンプ１０６、１０７は、入力された左右チャンネルのアナログ音響信号を所定の増幅率で増幅してスピーカ１，２にそれぞれ出力する。増幅された左右チャンネルの音響信号は、スピーカ１，２によって音に変換されて出力されることにより、ステレオ音響再生が行われる。

テスト信号生成器１０８は、ＭＬＳ（Maximum Length Sequence）信号やＴＳＰ（Time Stretched Pulse）信号などの測定用信号を生成する。そして、ステレオ音響再生用のスピーカ１、２で音響再生したときの室内音響特性の測定を行う場合はＤＡＣ１０５に出力する。また、アレイスピーカ３が出力する音響ビームの方向調整を行うための測定を行う場合は、遅延情報付加器１１６へテスト信号を出力する。また、同時にインパルス応答算出器１１１にもテスト信号を出力する。

マイクロフォンアンプ１０９は、マイクロフォンアレイ６に含まれる３つの各マイクロフォンユニットで収音したアナログ音響信号をそれぞれ所定の増幅率で増幅する。アナログ−デジタル変換器１１０は、入力されたアナログ音響信号をデジタル音響信号に変換して出力する。インパルス応答算出器１１１は、テスト信号生成器１０８から送信されるテスト信号と、各マイクロフォンユニットで収音した測定点の音響信号から、測定点における室内インパルス応答を算出する。直接音・反射音成分分離器１１２は、インパルス応答算出器１１１から出力されるインパルス応答を解析し、音響成分を到来時刻に基づいて直接音成分と反射音成分に分離し、制御器１２１の指示に従って、直接音成分や反射音成分を出力する。

入射方向解析器１１３は、３つの直接音・反射音成分分離器１１２から入力された３つのインパルス応答とマイクロフォンアレイ６における各マイクロフォンユニットの配置より、直接音成分、もしくは、反射音成分の入射方向を算出する。直接音成分が入力された場合は、直接音成分の入射方向と経路遅延を算出して、方向−遅延ＤＢ１１８に出力する。また、反射音成分が入力された場合は、反射音成分を制御器１２１の指示に従って入射方向ごとにＮ個のグループに分割し、グループ別に反射音補正フィルタ設計器１１４へ入射方向とともに出力する。

反射音補正フィルタ設計器１１４は、入力された方向ごとの反射音成分を補正するための補正フィルタ係数を設計する。設計されたフィルタ係数は反射音補正フィルタ１１５に出力される。また、反射音の入射方向をキーにして方向−遅延ＤＢ１１８を検索して得られる遅延情報を遅延情報付加器１１６へ出力する。反射音補正フィルタ１１５は、反射音補正フィルタ設計器１１４によって設計されたフィルタを入力された音響信号に重畳し、反射音補正信号を生成、出力する。遅延情報付加器１１６は、反射音補正信号にユニット間遅延と経路遅延を付加して出力する。なお、第１実施形態において、反射音補正フィルタ設計器１１４、反射音補正フィルタ１１５、遅延情報付加器１１６は、反射音成分の入射方向のグループ数であるＮ個がコントロールアンプ４の構成要素として含まれる。

混合器１１７は、入射方向ごとに生成される遅延情報付きの反射音補正信号を混合して、アレイスピーカ３へ出力する。方向−遅延データベース（ＤＢ）１１８は、入射方向解析器１１３が解析した入射方向、経路遅延時間の情報と、ユニット間遅延算出器１１９から送信される隣接ユニット間遅延時間の情報と、を対応付けて格納する。これにより、聴取点において、ある入射方向から音響ビームを出力したい場合、入射方向をキーとして当該ＤＢを検索することにより、アレイスピーカ３における隣接ユニット間遅延時間と経路遅延時間を得ることができる。図１０は、方向−遅延ＤＢに格納されるデータを例示的に示す図である。

ユニット間遅延算出器１１９は、アレイスピーカ３から出力する音響ビームの放射角度を制御器１２１から指定されると、アレイスピーカ３を構成するスピーカユニット間の遅延時間を算出して、遅延情報付加器１１６と方向−遅延ＤＢ１１８へ出力する。

操作器１２０は、回転ダイヤルやボタン、もしくはＧＵＩなどで構成され、ユーザ指示を受け付ける機能部である。例えば、音響再生装置に対するユーザの初期設定や音響再生の開始、停止指示や、音量制御、音質制御などの操作を受け付け、信号に変換して制御器１２１へ送信する。制御器１２１は、コントロールアンプ４に含まれる全ての構成要素と不図示の制御信号バスによって接続されている。操作器１２０から送信される信号に従って、制御信号バスを介して各構成要素に適宜制御信号を送信する。表示器１２２は、ユーザに対して指示を促す表示や、音響再生装置の動作状況や動作結果の表示を行う機能部である。

図３は、補正用のアレイスピーカ３の詳細構成を示すブロック図である。アレイスピーカ３は、上述のＮ個の方向に音響ビームを生成するため、（Ｍ×Ｌ）個のスピーカユニットへの信号を生成し、各スピーカユニットから音を出力する。

分離器２０１は、全ての入射方向のものが混合されて送信される反射音補正信号を入射方向別に分離して、各方向を担当する遅延情報分離器２０２へ出力する。また、分離器２０１は、テスト信号を受信すると、そのまま音響ビーム方向テスト制御器２１０へ送信する。遅延情報分離器２０２は、分離器２０１から送信される入射方向ごとの反射音補正信号から遅延情報を分離して遅延算出器２０３に出力する。なお、反射音補正信号は、スピーカユニットの個数（（Ｍ×Ｌ）個）分に分割され（Ｍ×Ｌ）個の遅延器２０４へ出力される。

遅延算出器２０３は、遅延情報に含まれる隣接ユニット間遅延時間と経路遅延時間に基づいて各スピーカユニットの実際の遅延時間を算出して、遅延器２０４に設定する。なお、アレイスピーカ３は、Ｎ個の遅延情報分離器２０２及びＮ個の遅延算出器２０３を含む。

遅延器２０４は、遅延算出器２０３から送出される各スピーカユニットの遅延時間に従って、遅延情報分離器２０２から出力される反射音補正信号をそれぞれ遅延させて加算器２０５へ出力する。加算器２０５は、入射方向ごとに出力された反射音補正信号をスピーカユニット毎に加算して出力する。加算器２０５から出力された反射音補正信号はＤＡＣ２０６によりアナログ音響信号に変換された後、アンプ２０７によって所定の増幅率で増幅され、スピーカユニット２０８によって音に変換されて出力される。

各スピーカユニットから、遅延制御が行われたＮ個の反射音補正信号が音として出力されるため、結果として、アレイスピーカ３は、Ｎ個の方向に反射音補正信号の音響ビームを形成し出力することになる。

なお、加算器２０５、ＤＡＣ２０６、アンプ２０７はスピーカユニットと同数、すなわち、（Ｍ×Ｌ）個が構成要素として含まれる。また、遅延器２０４は、Ｎ個の到来方向毎にそれぞれ（Ｍ×Ｌ）個必要であるので、全部で（Ｎ×Ｍ×Ｌ）個が含まれることになる。

＜初期設定処理の動作＞
第１実施形態に係る音響再生装置を最初に室内に設置する場合は、アレイスピーカの音響ビーム出力方向を壁面の反射特性に合わせて調整する必要がある。さらに、ステレオスピーカ再生時の室内の音響特性を測定し、それに基づいて補正フィルタを設計する必要がある。

図５は、第１実施形態における初期設定処理のフローチャートである。当該処理は、ユーザが操作器１２０を操作して初期設定を開始する指示を与え、操作器１２０が制御器１２１に初期設定処理の開始指示信号を送信することにより開始される。

ステップＳ１では、制御器１２１は、ユーザに対して聴取点にマイクロフォンアレイ６を設置することを促す表示をするように表示器１２２に制御信号を送信する。

ステップＳ２では、制御器１２１は、操作器１２０によりユーザから設置完了の指示を受け付けたか否かを確認する。設置完了の指示がない場合は、指示があるまで待機する。設置完了の指示があった場合は、Ｓ３へ進む。

ステップＳ３では、制御器１２１は、補正用のアレイスピーカ３の音響ビーム出力方向を制御する方向−遅延ＤＢを室内特性に合わせて補正する。ＤＢに格納する情報は、テスト信号の音響ビームを補正用のアレイスピーカ３から方向を変えながら出力し、聴取点に設置したマイクロフォンアレイ６で収音した信号を解析することにより得られる。この処理の詳細は、図６を参照して後述する。

ステップＳ４では、制御器１２１は、反射音補正フィルタ１１５に設定するフィルタ係数を算出し設定する。フィルタ係数は、室内測定用のテスト信号をスピーカ１，２から個別に出力し、聴取点に設置したマイクロフォンアレイ６に収音した信号を解析することにより得られる。この処理の詳細は図７を参照して後述する。処理を終えると、初期設定処理を終了する。

＜音響ビーム方向−遅延ＤＢ補正処理（Ｓ３）の動作＞
図６は、音響ビーム方向−遅延ＤＢ補正処理（Ｓ３）の詳細フローチャートである。上述したように、補正用のアレイスピーカ３の音響ビーム出力方向を制御する方向−遅延ＤＢを室内特性に合わせて補正する。そこで、アレイスピーカによる音響の出力方向（及び対応する遅延時間）とユーザ聴取位置に到来する音響の到来方向との関係を決定する（関係決定手段）。

ステップＳ１０１では、方向−遅延ＤＢに格納されているデータを初期化（例えば全てクリア）する処理が行われる。処理を終えると、Ｓ１０２へ進む。

ステップＳ１０２では、アレイスピーカから放射する音響ビームの放射角度の分解能をユーザから受け付ける。例えば、候補となる角度分解能を表示器１２２にリスト表示させ、ユーザに操作器１２０を介してユーザからの選択指定を受け付ける。もしくは、操作器１２０を介して任意の角度分解能をユーザから受け付ける。指定された放射角度分解能は、制御器１２１に内蔵されるメモリに保存される。以降の説明では、一例として、ユーザが指定された角度分解能を５°として説明する。処理を終えると、Ｓ１０３へ進む。

ステップＳ１０３では、アレイスピーカ３の前方の１８０°（±９０°）の水平方向の角度に対して、Ｓ１０２で設定した角度分解能で測定を行うために、テスト信号を発音する回数を計算する。アレイスピーカから見て真正面の方向をθ＝０°とし、−９０°＜θ＜９０°の範囲において、５°刻みで測定を行うとすると、−８５°から＋８５°まで計３５回の発音・測定を行うことになる。計算された総発音回数は、制御器１２１内部のメモリに記憶される。処理を終えると、Ｓ１０４へ進む。

ステップＳ１０４では、実際に発音した回数をカウントするカウンタを０に初期化する。カウンタは制御器１２１内部のメモリに記憶される。処理を終えると、Ｓ１０５へ進む。

以下で説明するステップＳ１０５からＳ１２０までの処理は、ある１つの角度にテスト信号の音響ビームを放射し、聴取点において収音、解析を行う一連の処理である。この一連の処理が各角度に対して繰り返し行われることにより、アレイスピーカ３の前面１８０°弱に対して５°刻みの全方向での測定が行われることになる。

ステップＳ１０５では、制御器１２１は、発音する音響ビームの放射角度を算出する。今、発音回数カウンタの値をａ、角度分解能をφ°とすると、次の発音の放射角度θは、以下の数式（１）で計算される。

θ＝（ａ＋１）・φ−９０［°］ ・・・（１）
処理を終えると、Ｓ１０６へ進む。

ステップＳ１０６では、ユニット間遅延算出器１１９は、Ｓ１０５で求めた放射角度に対するアレイスピーカ３の隣接ユニット間の遅延時間を求める。放射角度は制御信号バスを介して制御器１２１からユニット間遅延算出器１１９に送信される。このときのスピーカユニット間の遅延時間は以下のように計算できる。

図１２は、アレイスピーカ３によってある１つの方向に音響ビームを生成する原理を示す模式図である。横に並んだスピーカユニットにおいて、隣接するユニット間の遅延時間差を一定にそろえることによって、各ユニットが出力する波面を合成し、正面からの角度θに強い指向性を持つ音響ビームを形成することができる。このとき、隣接ユニット間距離をｘ［ｍ］、遅延時間差をｔ［ｓｅｃ］、空気中の音の速さをｖ＝３４０ｍ／ｓｅｃとすると、ｔは、以下の数式（２）で計算できる。

ｔ＝ｘ・ｔａｎθ／３４０［ｓｅｃ］ ・・・（２）
こうして計算されたユニット間遅延時間は、遅延情報付加器１１６と方向−遅延ＤＢ１１８に出力される。処理を終えると、Ｓ１０７とＳ１１３へ処理が進む。Ｓ１０７からＳ１１２までの一連のフローとＳ１１３とは並行して処理が行われる。

ステップＳ１０７では、制御器１２１の指示により、テスト信号生成器１０８は、遅延情報付加器１１６の１つへアレイスピーカ３から発音するテスト信号を出力する。このとき、テスト信号生成器１０８は、同時に３つのインパルス応答算出器１１１にもテスト信号を出力する。処理を終えると、Ｓ１０８へ進む。

ステップＳ１０８では、遅延情報付加器１１６は、Ｓ１０７で入力され入力されたテスト信号に対し、Ｓ１０６で入力されたユニット間遅延時間の情報を付加する。そして、ステップＳ１０９では、遅延情報付加器１１６は、混合器１１７を介してアレイスピーカ３へ出力する。アレイスピーカ３では、入力された信号を、分離器２０１を介して遅延情報分離器２０２の一つへ出力する。

ステップＳ１１０では、遅延情報分離器２０２は、テスト信号からユニット間遅延時間の情報を分離して遅延算出器２０３に送信する。そして、ステップＳ１１１では、遅延算出器２０３は、入力されたスピーカユニット間の遅延時間に基づいて各スピーカユニットの実際の遅延時間を算出し、遅延器２０４に出力する。この計算を、図１２を参照し以下に説明する。

最大ユニット間遅延時間差は、数式（２）よりｔ＝ｘ／３４０とみなすことができる。ここで、アレイスピーカ３を構成するスピーカユニットのうち左端のユニットと右端のユニットとの最大遅延時間差Ｄ_ｍａｘは、以下の数式（３）で求められる。

Ｄ_ｍａｘ＝（ｘ／３４０）・（Ｍ−１） ・・・（３）
アレイスピーカ３によって形成される音響ビームはアレイ中央に収束すると考えると、音響ビームの遅延時間はアレイ中央のユニットの遅延時間に一致するとみなすことができる。よって、音響ビームを形成するためのアレイスピーカ３の最大遅延時間は、Ｄ_ｍａｘ／２となる。第１実施形態では、これをアレイスピーカ基準遅延Ｄ_ｂａｓｅとする。

Ｄ_ｂａｓｅ＝Ｄ_ｍａｘ／２＝（ｘ／３４０）・（Ｍ−１）／２・・・（４）
Ｄ_ｂａｓｅの値は遅延算出器２０３内部のメモリに予め記憶されている。

そこで、全ての角度に放射される音響ビームのユニット遅延による遅延が、基準遅延Ｄ_ｂａｓｅになるように、各ユニットでの実際の遅延時間を計算する。アレイスピーカ３において、横に並んだユニットの番号を左から順に０，１，２，・・・，Ｍ−１として、ユニット間遅延時間をｔとすると、ｉ番目のユニットの実遅延量Ｄ_ｉは、以下の数式（５）で計算される。

Ｄ_ｉ＝Ｄ_ｂａｓｅ−（（Ｍ−１）／２−ｉ）・ｔ ・・・（５）
遅延算出器２０３は、数式（５）に従って全てのユニットの実遅延量を算出し、各ユニット用の遅延器２０４に設定する。処理を終えると、Ｓ１１２に進む。

ステップＳ１１２では、遅延情報分離器２０２は、テスト信号を各遅延器２０４に送信する。テスト信号は遅延器２０４によって指定された隣接時間差で遅延され、加算器２０５、ＤＡＣ２０６、アンプ２０７を介して各スピーカユニット２０８から出力される。そのため、音響ビームが指定した角度θで形成されてアレイスピーカ３から出力される。

ステップＳ１１３では、聴取点に設置されたマイクロフォンアレイ６は、聴取点の音を収音する。マイクロフォンアレイ６の各マイクロフォンユニットで収音された音は、マイクロフォンアンプで増幅された後ＡＤＣによってデジタル音響信号に変換されてインパルス応答算出器１１１内のメモリに一時的に格納される。Ｓ１１２、Ｓ１１３の処理を終えると、Ｓ１１４へ進む。

ステップＳ１１４では、インパルス応答算出器１１１は、Ｓ１０７で得られたテスト信号と、Ｓ１１３で得られた収音信号との相互相関を取ることにより、アレイスピーカから指定角度で音響ビームを発音した場合のシステム全体の測定遅延時間を求める。

この遅延時間には、音響ビームが発音されてから部屋の壁面によって反射されて聴取点に到達するまでの経路遅延も含まれることになる。なお、ここでは、基準となる測定遅延時間は、マイクロフォンアレイ６の中央前側のユニットで収音された信号を基準に導出するものとする。システム全体の測定遅延時間は、制御信号バスを介して制御器１２１に出力され、制御器１２１内のメモリに一時保存される。処理を終えると、Ｓ１１５へ進む。

ステップＳ１１５では、インパルス応答算出器１１１は、Ｓ１１３で収音した収音信号からインパルス応答を算出する。これは、例えば、テスト信号がＭＬＳの場合は、収音信号にアダマール変換を行うことによって得ることができる。インパルス応答計算は、信号処理の分野において公知であるため詳細な説明は省略する。このようにして得られた３つのインパルス応答は、Ｓ１１４で得られた測定遅延時間によって最初のインパルス時間を各々調整してから、直接音・反射音成分分離器１１２に出力される。処理を終えると、Ｓ１１６へ進む。

ステップＳ１１６では、直接音・反射音成分分離器は、入力されたインパルス応答の直接音成分と反射音成分を分離し、直接音成分のみを取り出す。これは、例えば線形予測によって後部残響成分を予測して分離する方法などがある。直接音と反射音を分離する技術は、音響処理分野において公知であるため詳細な説明は省略する。分離された直接音は、入射方向解析器１１３へ出力される。処理を終えると、Ｓ１１７へ進む。

ステップＳ１１７では、入射方向解析器１１３は、Ｓ１１６で得られた３つの直接音成分のインパルス応答の時間差と、マイクロフォンアレイ６におけるマイクロフォンユニットの配置より、聴取点における音響ビームの入射方向を検出する。時間差による方向決定の技術は、公知であるため詳細な説明は省略する。検出された入射方向は、方向−遅延ＤＢへ出力される。処理を終えると、Ｓ１１８へ進む。

ステップＳ１１８では、方向−遅延ＤＢは、Ｓ１０８で得られた隣接スピーカユニット間遅延時間と、Ｓ１１４で得られた測定遅延時間と、Ｓ１１７で得られた入射方向とを関連付けて格納する。方向−遅延ＤＢを参照することにより、聴取点において特定の入射方向となるような音響ビームを出力するための隣接ユニット間遅延時間が直ちに導出出来ることになる。なお、第１実施形態において、図１０に示す方向−遅延ＤＢ内のデータ模式図において、測定遅延時間は経路遅延時間の項目に格納されるものとする。処理を終えると、Ｓ１１０へ進む。

ステップＳ１１９では、制御器１２１は、制御器１２１の内部メモリに格納されているカウンタをインクリメントする。そして、ステップＳ１２０では、制御器１２１は、制御器１２１の内部メモリに格納されているカウンタの値と、Ｓ１０３で求めた総発音回数との比較を行い、収音した全ての方向の測定信号の解析を終えたかどうか確認する。カウンタの値が総発音回数より小さい場合は、測定信号の解析が完了していないため、Ｓ１０５に戻って次の角度での測定信号の発音と解析を行う。カウンタと総発音回数が同じ値ならば、全ての発音と測定信号の解析を終えたと判定し、Ｓ１２１へ進む。

ステップＳ１２１では、制御器１２１は、不図示の制御信号バスを介して方向−遅延ＤＢにアクセスし、最も測定遅延の長いデータを検索し、これを基準経路遅延時間Ｄ_ＬＢとして、制御器１２１内部のメモリに一時保存する。この基準経路時間は測定遅延であるので、測定を行う部屋の音響特性によって変化する。処理を終えると、Ｓ１２２へ進む。

ステップＳ１２２では、方向−遅延ＤＢに保存されている全てのデータエントリーに対し、基準経路遅延時間Ｄ_ＬＢから各データエントリーの測定遅延時間を引いた値を求め、この値を経路遅延時間として改めてＤＢに格納する。

後述する反射音補正信号発音処理において、この経路遅延時間をアレイスピーカ３の遅延時間に加えることにより、アレイスピーカ３が発する音響ビームの聴取点における到達時間が、全ての入射方向に対して基準経路遅延時間Ｄ_ＬＢとなる。つまり、音響ビームの発音方向によらず、到達時間を一致させることができる。処理を終えると、音響ビーム方向−遅延ＤＢ補正処理を終了する。

＜反射音補正フィルタ設計処理（Ｓ４）の動作＞
図７は、Ｓ４の反射音補正フィルタ設計処理の詳細フローチャートである。上述したように、反射音補正フィルタ１１５に設定するフィルタ係数を算出し設定する。

ステップＳ２０１では、制御器１２１は、ステレオ遅延器１０２及びシステム間遅延器１０４の遅延量を０に設定する。処理を終えると、Ｓ２０２とＳ２０３に進む。第１実施形態において、ステップＳ２０２とＳ２０３は並列に実行される。

ステップＳ２０２では、左スピーカ１又は右スピーカ２から室内音響特性測定用のテスト信号（テスト音響信号）を出力する。まず、制御器１２１の指示により、テスト信号生成器１０８が音響特性測定用のテスト信号を生成し、ＤＡＣ１０５に出力する。このとき、テスト信号は各インパルス応答算出器１１１にも出力される。テスト信号はＤＡＣ１０５によってアナログ音響信号に変換され、パワーアンプ１０６、もしくは１０７で増幅されて、スピーカ１、２のいずれかから音として出力される。ここでは、まず左スピーカ１から出力し以下の測定を行った後、右スピーカ２から出力し同様の測定をするものとする。

ステップＳ２０３では、聴取点に設置されたマイクロフォンアレイ６の各マイクロフォンユニットは、スピーカ１、もしくは２からテスト信号が出力された時の聴取点の音を収音する。各マイクロフォンユニットで収音されたアナログ音響信号は、マイクロフォンアンプで増幅後、ＡＤＣによってデジタル信号に変換されてインパルス応答算出器１１１に出力される。あらかじめ決められた時間間隔の収音を終えると、Ｓ２０４へ進む。

ステップＳ２０４では、各インパルス応答算出器１１１は、Ｓ２０３で収音した音響信号と、Ｓ２０２でテスト信号生成器１０８から送信されたテスト信号から、この系の遅延情報を含めたインパルス応答を算出する。インパルス応答は、Ｓ１１５の計算と同様な方法で算出することができる。また、システム遅延はＳ１１４と同様にテスト信号と収音信号との相関を取ることによって求めることができる。

なお、システム遅延は、マイクロフォンアレイ６における前方中央のマイクユニットで収音した信号の遅延とする。算出された各インパルス応答は、直接音・反射音成分分離器１１２に各々出力される。また、システム遅延時間は、制御信号バスを介して制御器１２１へ出力される。左右スピーカ各々で発音した場合のシステム遅延時間は、個別に制御器１２１が内蔵するメモリに記憶される。処理を終えると、Ｓ２０５へ進む。

ステップＳ２０５では、各直接音・反射音成分分離器１１２は、Ｓ２０３で求めたインパルス応答の直接音成分と反射音成分を分離し、反射音成分を入射方向解析器１１３へ出力する。分離する方法はＳ１１６と同様である。処理を終えると、Ｓ２０６へ進む。

ステップＳ２０６では、入射方向解析器１１３は、Ｓ２０４で得られた１以上の反射音成分（ここでは３つ）のインパルス応答を分析し、主な反射音の入射方向を検出する（反射音決定手段）。

図１３は、一般的な室内インパルス応答の時間軸上における模式図である。縦軸は音圧であり、横軸は時間を示している。図示するように、直接音は時間軸において最初に検出されるパルスであり、後続して、複数の初期反射音が複数のパルスとして検出される。さらに後の時間になると、拡散された残響音が続く。なお、残響音に関しては、方向によるエネルギーの偏りはできるものの、拡散したエネルギーであるため明確な入射方向は持たない。

そこで、ステップＳ２０６では、入射方向解析器１１３は、初期反射音を対象として聴取点における入射方向を検出する。まず、各マイクロフォンで収音した信号の反射音インパルス応答において、個々の初期反射音パルスとして分解する。そして、分解した初期反射音パルスの各々について他のユニットで収音したインパルス応答との相関を取る。このようにして、３つのインパルス応答間における、初期反射音パルス同士を対応付ける。次に、対応する３つのパルスの遅延時間とマイクロフォンアレイ６におけるマイクユニットの配置から、各初期反射音パルスの入射方向を検出し、入射方向解析器内部のメモリに格納されている反射音マップにマッピングする。

図１１は、反射音マップの模式図である。図１１において、入射方向は聴取点から見たスピーカ１，２の中心方向を０°とし、右側を正、左側を負の角度で示す。また、円の中心からの距離は、直接音に対する遅延時間を表している。更に、黒点の大きさは反射音の強さを示している。処理を終えると、Ｓ２０７へ進む。

ステップＳ２０７では、入射方向解析器１１３は、Ｓ２０６で入射方向を検出した反射音の集合に対して、Ｎ個の方向にグループ分けを行い、方向グループごとに反射音成分を時間領域で加算して合成する処理を行う。ここで、方向のグループ分けは、聴取点を取り巻く３６０°の方向をＮ等分して設定してもよいし、反射音が偏っているＮ個の入射方向を抜き出してもよい。

図１１では、全周（３６０°）を６等分した場合の例を示す。実線の直線が方向グループの分離線を示している。この場合、各方向グループの入射方向は、分離線の中央の角度として示される。例えば、正面の方向グループの方向は０°として示され、当該グループは±３０°の範囲を含んでいる。方向グループ分離後、合成された反射音成分は、方向グループごとに別々の反射音補正フィルタ設計器１１４に出力される。このとき、各方向グループの入射方向も同時に反射音補正フィルタ設計器１１４に出力される。処理を終えると、Ｓ２０８へ進む。

ステップＳ２０８では、反射音補正フィルタ設計器１１４は、Ｓ２０７で生成した方向ごとの反射音成分を補正するためのフィルタ係数を設計する（補正フィルタ決定手段）。ここで、補正フィルタは、反射音成分に対する逆位相信号を生成するフィルタでもよいし、反射音声分をＦＦＴして得られる周波数領域成分の逆フィルタでもよい。逆位相フィルタの場合は、ユーザ聴取位置において反射音をキャンセルすることができる。また、逆フィルタの場合は、ユーザ聴取位置において反射音の周波数特性を平らにすることができる。この処理で設計したフィルタ係数は、対応する反射音補正フィルタ１１５に出力される。処理を終えると、Ｓ２０９へ進む。

ステップＳ２０９では、反射音補正フィルタ１１５は、入力されたフィルタ係数を反射音補正フィルタ１１５に設定する。なお、反射音補正フィルタ１１５は、ステレオ信号に対して左右独立したフィルタを各々のチャンネルに重畳することが可能である。よって、Ｓ２０２において左スピーカ１からテスト音が出力された場合は、左チャンネル用のフィルタに係数が設定され、右スピーカ２からテスト音が出力された場合は、右チャンネル用のフィルタに係数が設定される。なお、ここでは、反射音補正フィルタ１１５の方式及び処理遅延は、ステレオ信号の左右や方向に関わらず全て同一であり、特性及び係数のみが変化するものとする。処理を終えると、Ｓ２１０へ進む。

ステップＳ２１０では、制御器１２１は、左右のスピーカの両方に対して反射音補正フィルタの設計が行われたかどうか確認する。処理が済んでいない場合は、Ｓ２０２とＳ２０３に戻り、反射音補正フィルタの設定が終わっていない側のスピーカに対して処理を繰り返す。両方のスピーカに対する処理が済んでいる場合は、Ｓ２１１へ進む。

ステップＳ２１１では、各反射音補正フィルタ設計器１１４は、Ｓ２０７で入力されたグループの入射方向をキーとして方向−遅延ＤＢ１１８を検索する処理である。この検索結果として、最も入射方向が近いデータエントリーのユニット間遅延時間と経路遅延時間が得られる。そして、ステップＳ２１２では、各反射音補正フィルタ設計器１１４は、これらの遅延時間を組にして遅延情報として、各方向グループを担当する遅延情報付加器１１６に設定する。処理を終えると、Ｓ２１３へ進む。

ステップＳ２１３では、制御器１２１は、Ｓ２０４で記録した左右スピーカによる遅延時間を比較し、より遅い方の遅延時間をステレオ基準遅延として、新たに内部メモリに記録する処理である。さらに、左右の遅延時間が等しくなるように、左右の遅延時間の差分をステレオ遅延器１０２に設定する。このように調整することにより、左右スピーカから出力される音響信号のユーザ聴取位置における到達時間を一致させることができる。処理を終えると、Ｓ２１４へ進む。

ステップＳ２１４では、制御器１２１は、Ｓ１２１で求めたアレイスピーカ３による音響ビームの基準経路遅延Ｄ_ＬＢと、Ｓ２１３で求めたステレオ基準遅延との差分を計算する。さらに、反射音補正フィルタによる遅延を加えた時間をシステム間遅延として、システム間遅延器１０４に設定する。これにより、スピーカ１，２から発音される音響信号と、アレイスピーカ３から放射される音響ビームと、について、ユーザ聴取位置における到達時間を一致させることができる。処理を終えると、反射音補正フィルタ設計処理を終えてリターンする。

以上のように、初期設定処理では、音響再生装置が設置される部屋の音響特性に応じて、反射音補正信号の出力方向を制御する方向−遅延ＤＢの補正と、反射音補正フィルタの特性調整が行われる。さらに、ステレオ音響再生用のスピーカと、補正用のアレイスピーカとのユーザ聴取位置における遅延調整が、部屋によって変化する音響ビームの経路遅延を含めて行われる。

＜音響再生時における音響再生装置の動作＞
図８は、第１実施形態における音響再生処理のフローチャートである。当該処理は、ユーザが操作器１２０を操作してユーザが所望する音響信号（ユーザ音響信号）再生開始の指示を与え、操作器１２０が制御器１２１に再生開始の指示信号を送信することにより開始される。

ステップＳ３０１では、音響信号入力ＩＦ１０１は、メディアプレイヤー５から出力される音響信号を受信する。そして、ステレオ遅延器１０２は、受信した音響信号に対し左右信号の遅延調整が行い、音響処理器１０３は、適宜ゲイン調整やトーンコントロール処理などが行う。処理を終えると、Ｓ３０２へ進む。

ステップＳ３０２では、音響処理器１０３は、システム間遅延器１０４及び各方向の反射音補正フィルタ１１５に音響信号を分配する。処理を終えると、次の処理に移る。

以下で説明するステップＳ３０３、Ｓ３０４の処理は、Ｓ３０５と同期して処理が行われる（再生制御手段）。ステップＳ３０３では、システム間遅延器１０４は、アレイスピーカ３から放射される音響ビームと同期させるための遅延処理を行う。遅延処理が行われた音響信号はＤＡＣ１０５へ出力される。そして、ステップＳ３０４では、ＤＡＣ１０５は、入力された音響信号をアナログ音響信号に変換し、左右の信号を分離してパワーアンプ１０６、１０７で所定の増幅率で増幅後、スピーカ１、２から出力する。

一方、ステップＳ３０５では、各入射方向の反射音補正フィルタ１１５は、音響信号に入射方向ごとの補正フィルタを重畳して反射音補正信号を生成し（補正信号生成手段）、アレイスピーカ３によって所定の入射方向から補正信号の音響ビームを出力する（出力方向決定手段）。この処理の詳細は図９を参照して後述する。Ｓ３０４とＳ３０５の処理を終えると、Ｓ３０６へ進む。

ステップＳ３０６では、制御器１２１は、操作器１２０を介してユーザによる再生終了を指示する操作が受け付けられたか否かを確認する。再生終了指示がない場合は、Ｓ３０１に戻って再生処理を続行する。再生終了指示があった場合は、再生処理を終了する。

＜射音補正信号再生処理（Ｓ３０５）の動作＞
図９は、反射音補正信号再生処理の詳細フローチャートである。

ステップＳ４０１では、各入射方向用の反射音補正フィルタ１１５は、入力されたステレオ音響信号に対して、左右個別の反射音補正フィルタを重畳し、左右信号を加算して遅延情報付加器１１６に出力する。処理を終えると、Ｓ４０２へ進む。

ステップＳ４０２では、各遅延情報付加器１１６は、Ｓ４０１で生成した反射音補正信号に、予め設定されていた各方向の遅延情報を付加する。そして、遅延情報が付加された反射音補正信号は、混合器１１７へ出力される。そして、ステップＳ４０３では、混合器１１７は、Ｎ個の反射音補正信号を混合してアレイスピーカ３へ出力する。処理を終えると、Ｓ４０４へ進む。

ステップＳ４０４では、分離器２０１は、入力された信号を方向別に分解して、Ｎ個の遅延情報分離器２０２にそれぞれ出力する。そして、ステップＳ４０５では、遅延情報分離器２０２は、入力された反射音補正信号から遅延情報を分離し、遅延算出器２０３に出力する。処理を終えると、Ｓ４０６へ進む。

ステップＳ４０６では、遅延算出器２０３は、遅延情報が変化したかどうかを確認する。遅延情報が変化した場合はＳ４０７へ進み、変化がない場合はＳ４０８へ進む。

ステップＳ４０７では、遅延算出器２０３は、各方向の遅延情報に含まれるユニット間遅延時間と経路遅延時間とにより、各スピーカユニットの実際の遅延時間を算出する。ここで、各ユニットの番号を左から順に０，１，２、…、（Ｍ−１）とし、ｋ番目の方向のユニット間遅延時間をｔ_ｋ、ｋ番目の方向の経路遅延をＤ_Ｌｋとする。数式（４）のスピーカアレイ基準遅延Ｄ_ｂａｓｅを用いると、ｋ番目の方向の補正信号におけるｉ番目のユニットの実遅延時間Ｄ_ｋｉは、以下の数式（６）で計算される。

Ｄ_ｋｉ＝Ｄ_ｂａｓｅ−（（Ｍ−１）／２−ｉ）・ｔ_ｋ＋Ｄ_Ｌｋ ・・・（６）
このように算出された遅延時間は、各ユニット用の遅延器２０４に設定される。処理を終えると、Ｓ４０８へ進む。

ステップＳ４０８では、遅延情報分離器２０２は、反射音補正信号を遅延器２０４に分配出力する。そして、各遅延器２０４は、設定された遅延時間だけ補正信号を遅延させ、加算器２０５へ出力する。ステップＳ４０９では、加算器２０５により、各方向の反射音補正信号をスピーカユニットごとに加算する。加算した補正信号はＤＡＣ２０６に出力される。

ステップＳ４１０では、ＤＡＣ２０６は、入力された補正信号をアナログ信号に変換し、アンプ２０７において所定の増幅率で増幅後、スピーカユニット２０８で音として出力する。処理を終えると、反射音補正信号再生処理を終了しリターンする。

＜効果＞
図４は、聴取点へ到達する直接音、反射音及び反射音補正信号の経路を例示的に示す図である。太い実線は、スピーカ１からの直接音の経路を示し、細い実線は、壁面７で反射されたスピーカ１からの初期反射音の経路を示している。ここでは、４個の方向からの初期反射音が例示的に示されている。更に、細い点線は、反射音補正用音響ビームの経路を示している。図から分かるように、４つの反射音補正用音響ビームの経路はそれぞれ、４つの初期反射音の経路と近似するように出力される。このように、初期反射音の経路と近似するように、当該初期反射音を打ち消す反射音補正用音響ビームを出力することにより、従来よりも精密に反射音の補正を行うことができる。また、直接音に対しては処理が行われないため、直接音の音質劣化を引き起こすことも無い。

以上説明したとおり第１実施形態に係る音響再生装置によれば、ユーザ聴取位置においてＮ個の異なる方向から到来する初期反射音をそれぞれ打ち消すようなＮ個の反射音補正用音響ビームをアレイスピーカから出力する。これにより、ユーザ聴取位置における初期反射音のみを好適に打ち消すことが出来、反射音による音質劣化を抑制することが出来る。

（その他の実施例）
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。

Claims (11)

1. 音響信号を第１出力部に出力させる第１制御手段と、
   聴取点において収音する収音部からの収音結果を取得する第１取得手段と、
   前記第１出力部から音響信号が出力されている際の前記収音部による収音結果であって、前記第１取得手段により取得された収音結果に基づいて、前記第１出力部から出力された音響信号の反射音であって、前記聴取点において所定の方向から到来する反射音に関する情報を取得する第２取得手段と、
   前記第２取得手段により取得された反射音に関する情報に基づいて、前記所定の方向から前記聴取点に到来する反射音を打ち消すための信号を、当該信号が前記聴取点において前記所定の方向から到来するように前記第１出力部と異なる第２出力部に出力させる第２制御手段と、
   を有することを特徴とする音響処理装置。
2. 前記収音部は、収音する音響の到来方向を検出可能であり、
   前記第２取得手段により取得される反射音に関する情報は、複数の到来方向ごとの反射音に関する情報であり、
   前記第２制御手段は、前記第１出力部から出力された音響信号の反射音を打ち消すための信号を、当該反射音の到来方向と同じ到来方向となるように前記第２出力部に出力させる制御を前記複数の到来方向ごとに行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の音響処理装置。
3. 前記第２制御手段は、前記第２取得手段により取得された前記反射音に関する情報に基づく補正フィルタにより処理された信号を前記第２出力部に出力させる
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の音響処理装置。
4. 前記第２制御手段は、前記収音部の位置における反射音であって、前記第１出力部から出力された音響信号の反射音を打ち消すための信号を前記第２出力部に出力させる
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の音響処理装置。
5. 前記第２制御手段が前記第２出力部に出力させる信号は指向性を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の音響処理装置。
6. 前記第２取得手段は、前記第１出力部からテスト音響信号が出力されている際の前記収音部による収音結果に基づいて、前記第１出力部から出力された音響信号の反射音に関する情報を取得し、
   前記第２制御手段は、前記第２取得手段により取得された反射音に関する情報に基づいて、前記第１出力部から出力された前記テスト音響信号と異なる音響信号の反射音を打ち消すための信号を前記第２出力部に出力させる
   ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の音響処理装置。
7. 前記第２制御手段は、前記第１出力部から出力された前記テスト音響信号と異なる音響信号の複数の反射音を打ち消すための複数の信号それぞれの出力方向を制御し、該複数の信号を前記第２出力部に出力させる
   ことを特徴とする請求項６に記載の音響処理装置。
8. 前記第２出力部は、アレイスピーカである
   ことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の音響処理装置。
9. 前記収音部は、アレイマイクロフォンである
   ことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の音響処理装置。
10. 第１出力部から音響信号が出力されている際の聴取点における収音部による収音結果に基づいて、前記第１出力部から出力された音響信号の反射音であって、前記聴取点において所定の方向から到来する反射音に関する情報を取得し、
    当該取得した反射音に関する情報に基づいて、前記所定の方向から前記聴取点に到来する反射音を打ち消すための信号を、当該信号が前記聴取点において前記所定の方向から到来するように前記第１出力部と異なる第２出力部に出力させる
    ことを含むことを特徴とする音響処理方法。
11. 請求項１０に記載の音響処理方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。

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