JP6695738B2 - Signal conversion coefficient calculation device, signal conversion device, and program - Google Patents

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Description

本発明は、信号変換係数算出装置、信号変換装置及びプログラムに関する。   The present invention relates to a signal conversion coefficient calculation device, a signal conversion device, and a program.

22.2ch音響など、従来の5.1chを上回るチャンネル数を持つマルチチャンネル音響システムが存在する。これらのコンテンツ制作においては、規定の位置にスピーカが配置された環境で最適なバランスとなるように、音響エンジニアによってミクシングが行われる。一方、複数音源から放射された音波による合成音場でコンテンツを視聴すると、合成音場おいて、リスニング位置における波面の法線方向に音像が定位することがわかっている(例えば、非特許文献1参照)。   There are multi-channel audio systems, such as 22.2 ch audio, with more channels than the conventional 5.1 ch. In the production of these contents, the audio engineer performs mixing so as to achieve the optimum balance in the environment where the speaker is arranged at the specified position. On the other hand, when viewing content in a synthetic sound field generated by sound waves emitted from a plurality of sound sources, it is known that the sound image is localized in the normal direction of the wavefront at the listening position in the synthetic sound field (for example, Non-Patent Document 1). reference).

安藤彰男,”音場再現”,コロナ社,2014年,p106-121Ando Akio, "Sound Reproduction", Corona Publishing, 2014, p106-121

音響コンテンツの制作においては、ある音声フォーマットに規定されたチャンネル数及びスピーカ配置によりコンテンツの制作を行う。したがって、ある音声フォーマットにより規定されたチャンネル数及びスピーカ配置で制作されたコンテンツを視聴する場合にも、その規定に応じたスピーカ数及びスピーカ配置でコンテンツが再生されることが望ましい。しかし、一般の家庭において、22.2ch音響などの5.1chを越えるチャンネル数のスピーカを設置することは困難である。そこで、再生コンテンツの音声フォーマットにより規定されたチャンネル数及びスピーカ配置のうち少なくとも一方が異なる環境においても、その規定されたチャンネル数及びスピーカ配置の環境で視聴した場合と空間的な印象をできるだけ変えることなく視聴が可能なように、再生コンテンツの音声信号を変換することが望まれている。また、コンテンツを受聴する際に、複数人で同時に受聴することや、移動しながら受聴することも考えられる。そのため、複数のリスニング位置でも均質にコンテンツを受聴できることが望ましい。   In the production of audio content, the content is produced according to the number of channels and the speaker arrangement defined in a certain audio format. Therefore, even when viewing the content produced with the number of channels and the speaker arrangement defined by a certain audio format, it is desirable that the content is reproduced with the number of speakers and the speaker arrangement according to the regulation. However, it is difficult to install a speaker having a number of channels exceeding 5.1 ch such as 22.2 ch sound in a general home. Therefore, even in an environment in which at least one of the number of channels and speaker arrangement specified by the audio format of the playback content is different, the spatial impression should be changed as much as possible when viewed in the environment of the specified number of channels and speaker arrangement. It is desired to convert the audio signal of the reproduced content so that the audio signal can be viewed without any need. In addition, when listening to the content, it is possible that a plurality of persons listen at the same time or listen to the content while moving. Therefore, it is desirable to be able to listen to the content uniformly at a plurality of listening positions.

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、音響コンテンツの制作時とは異なる環境において音響コンテンツを再生させる際に、複数のリスニング位置において均質に近い受聴を可能とするための信号変換係数を算出することができる信号変換係数算出装置、信号変換装置及びプログラムを提供する。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and is intended to enable near-homogeneous listening at a plurality of listening positions when audio content is reproduced in an environment different from that when the audio content is produced. Provided are a signal conversion coefficient calculation device, a signal conversion device, and a program capable of calculating a signal conversion coefficient.

本発明の一態様は、複数のスピーカから放射される音波によって合成される再生環境の音場における複数のリスニング位置で形成される波面の法線ベクトル同士が近くなるように、複数の前記スピーカから出力させる音声信号の変換に用いる複素重み係数を前記スピーカごとに算出する算出部、を備え、前記算出部は、複数の前記リスニング位置のそれぞれで形成される波面の法線ベクトルの分散が小さくなるように前記複素重み係数を算出する、信号変換係数算出装置である。   One aspect of the present invention is that a plurality of speakers are arranged so that normal vectors of wavefronts formed at a plurality of listening positions in a sound field of a reproduction environment synthesized by sound waves emitted from a plurality of speakers are close to each other. A calculation unit that calculates a complex weighting coefficient used for conversion of an audio signal to be output for each of the speakers, and the calculation unit reduces the variance of the normal vector of the wavefront formed at each of the plurality of listening positions. The signal conversion coefficient calculation device calculates the complex weight coefficient as described above.

本発明の一態様は、上述した信号変換係数算出装置であって、前記算出部は、複数の前記リスニング位置のそれぞれで形成される波面の法線ベクトルと所望波面の法線ベクトルの差の任意のノルムが、あらかじめ定められた範囲になることを制約条件として前記複素重み係数を算出する。   One aspect of the present invention is the above-described signal conversion coefficient calculation device, wherein the calculation unit arbitrarily sets a difference between a normal vector of a wavefront formed at each of the plurality of listening positions and a normal vector of a desired wavefront. The complex weighting factor is calculated under the constraint that the norm of is within a predetermined range.

本発明の一態様は、上述した信号変換係数算出装置であって、前記算出部は、複数の前記リスニング位置のそれぞれで形成される波面の法線ベクトルと所望波面の法線ベクトルとのなす角が、あらかじめ定められた範囲になることを制約条件として前記複素重み係数を算出する。   One aspect of the present invention is the signal conversion coefficient calculation device described above, wherein the calculation unit forms an angle between a normal vector of a wavefront formed at each of the plurality of listening positions and a normal vector of a desired wavefront. , The complex weighting factor is calculated under the constraint that it falls within a predetermined range.

本発明の一態様は、上述した信号変換係数算出装置であって、前記算出部は、前記所望波面の法線ベクトルを、前記再生環境とは異なる環境におけるスピーカ位置及びリスニング位置に基づいて算出する。   One aspect of the present invention is the signal conversion coefficient calculation device described above, wherein the calculation unit calculates a normal vector of the desired wavefront based on a speaker position and a listening position in an environment different from the reproduction environment. .

本発明の一態様は、上述したいずれかの信号変換係数算出装置と、前記信号変換係数算出装置が複数のスピーカのそれぞれについて算出した複素重み係数に基づいて、複数の前記スピーカのそれぞれから出力させる音声信号を変換する信号変換部と、を備える信号変換装置である。   According to an aspect of the present invention, any one of the above-described signal conversion coefficient calculation devices and the signal conversion coefficient calculation device causes each of the plurality of speakers to output based on a complex weighting coefficient calculated for each of the plurality of speakers. And a signal conversion unit that converts an audio signal.

本発明の一態様は、コンピュータを、上述したいずれかの信号変換係数算出装置として機能させるプログラムである。   One embodiment of the present invention is a program that causes a computer to function as any of the above-described signal conversion coefficient calculation devices.

本発明によれば、音響コンテンツの制作時とは異なる環境において音響コンテンツを再生させる際に、複数のリスニング位置において均質に近い受聴を可能とするための信号変換係数を算出することができる。   According to the present invention, it is possible to calculate a signal conversion coefficient for enabling nearly homogeneous listening at a plurality of listening positions when reproducing audio content in an environment different from that when producing audio content.

本発明の一実施形態によるオーディオシステムの構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an audio system according to an embodiment of the present invention. 同実施形態による信号変換係数算出装置の構成を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the structure of the signal conversion coefficient calculation apparatus by the same embodiment. 同実施形態による信号変換係数算出装置の処理を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the process of the signal conversion coefficient calculation apparatus by the same embodiment.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。
ある音声フォーマットで制作された音響コンテンツを、変換元環境とは異なる環境である変換先環境で再生することを考える。変換元環境は、音響コンテンツの音声フォーマットにより規定されたチャンネル数及びスピーカ配置の環境である。変換先環境は、変換元環境とはチャンネル数とスピーカ配置とのうち少なくとも一方が異なる再生環境である。例えば、変換元環境は22.2ch、変換先環境は7.1ch又は9.1chなどであるが、変換元環境及び変換先環境は任意とすることができる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
Consider playing audio content produced in a certain audio format in a conversion destination environment that is different from the conversion source environment. The conversion source environment is an environment in which the number of channels and the speaker arrangement are defined by the audio format of the audio content. The conversion destination environment is a reproduction environment in which at least one of the number of channels and the speaker arrangement is different from the conversion source environment. For example, the conversion source environment is 22.2 ch, the conversion destination environment is 7.1 ch or 9.1 ch, etc., but the conversion source environment and the conversion destination environment can be arbitrary.

図1は、本実施形態によるオーディオシステム100の構成図である。オーディオシステム100は、変換元環境で制作された音響コンテンツを変換先環境で再生する。変換元環境は、M台(Mは1以上の整数)のスピーカ3が存在する環境である。以下では、M台のスピーカ3をそれぞれ、スピーカ3−1〜3−Mと記載する。音響コンテンツには、M個のチャンネルの音声信号Aが含まれる。m番目(mは1以上M以下の整数)のチャンネルの音声信号Aを音声信号A−mと記載する。音声信号A−mは、スピーカ3−mの位置で再生させる音声信号Aである。   FIG. 1 is a configuration diagram of an audio system 100 according to the present embodiment. The audio system 100 reproduces the acoustic content created in the conversion source environment in the conversion destination environment. The conversion source environment is an environment in which M (M is an integer of 1 or more) speakers 3 are present. Hereinafter, the M speakers 3 will be described as speakers 3-1 to 3-M, respectively. The audio content includes audio signals A of M channels. The audio signal A of the m-th channel (m is an integer of 1 or more and M or less) is referred to as an audio signal A-m. The audio signal A-m is the audio signal A reproduced at the position of the speaker 3-m.

オーディオシステム100は、信号変換係数算出装置1と、信号変換器5(信号変換装置)と、L台(Lは1以上の整数)のスピーカ7とを備える。以下では、L台のスピーカ7をそれぞれ、スピーカ7−1〜7−Lと記載する。同図においては、オーディオシステム100は、信号変換係数算出装置1を信号変換器5の外部に備えているが、信号変換器5の内部に備えてもよい。   The audio system 100 includes a signal conversion coefficient calculation device 1, a signal converter 5 (a signal conversion device), and L (L is an integer of 1 or more) speakers 7. Hereinafter, the L speakers 7 are described as speakers 7-1 to 7-L, respectively. In the figure, the audio system 100 is provided with the signal conversion coefficient calculation device 1 outside the signal converter 5, but may be provided inside the signal converter 5.

変換先環境においてスピーカ3と同じ位置にスピーカ7がないために、スピーカ3が存在しない位置のスピーカ7により、変換元環境で制作された音声信号を再生する場合がある。信号変換器5は、このような場合でも、変換元環境のスピーカ配置により再生したときと同じ方向に音像が定位するように変換先環境で音響コンテンツを再生させるため、音声信号の変換を行う。また、このときに、複数のリスニング位置又はある領域で均一な品質で受聴できることが望ましい。   Since the speaker 7 is not located at the same position as the speaker 3 in the conversion destination environment, the audio signal produced in the conversion source environment may be reproduced by the speaker 7 at a position where the speaker 3 does not exist. Even in such a case, the signal converter 5 converts the audio signal in order to reproduce the audio content in the conversion destination environment so that the sound image is localized in the same direction as when reproduced by the speaker arrangement of the conversion source environment. In addition, at this time, it is desirable to be able to listen with a uniform quality at a plurality of listening positions or a certain area.

信号変換器5は、音声信号A−1〜A−Mを入力する。信号変換器5は、各スピーカ7に対応して、M個のFIR(Finite Impulse Response)フィルタ51(信号変換部)と、加算器52とを備える。スピーカ7−l(lは1以上L以下の整数)に対応し、かつ、音声信号A−mが入力されるFIRフィルタ51を、FIRフィルタ51−l−mと記載する。また、スピーカ7−lに対応した加算器52を、加算器52−lと記載する。   The signal converter 5 inputs the audio signals A-1 to A-M. The signal converter 5 includes M FIR (Finite Impulse Response) filters 51 (signal converter) and an adder 52 corresponding to each speaker 7. The FIR filter 51-1-m corresponding to the speaker 7-l (1 is an integer of 1 or more and L or less) and to which the audio signal A-m is input is described as FIR filter 51-l-m. Further, the adder 52 corresponding to the speaker 7-l will be referred to as an adder 52-l.

FIRフィルタ51は、デジタルフィルタである。FIRフィルタ51−l−mは、周波数領域において、音声信号A−mの各周波数成分に複素重み係数を乗算し(時間領域における畳み込み演算をし)、乗算(畳み込み)結果の音声信号を加算器52−lに出力する。複素重み係数を用いることにより、音声信号の振幅と位相の両方を制御することができる。加算器52−lは、FIRフィルタ51−l−1〜FIRフィルタ51−l−Mのそれぞれから出力された音声信号を加算し、加算結果の音声信号をスピーカ7−lに出力する。スピーカ7−lは、加算器52−lから入力した音声信号を再生する。   The FIR filter 51 is a digital filter. The FIR filter 51-1m multiplies each frequency component of the audio signal A-m by a complex weighting coefficient in the frequency domain (performs a convolution operation in the time domain), and adds the audio signal of the multiplication (convolution) result to an adder. 52-l. By using the complex weight coefficient, both the amplitude and the phase of the voice signal can be controlled. The adder 52-1 adds the audio signals output from each of the FIR filters 51-1-1 to 51-I-M and outputs the audio signal of the addition result to the speaker 7-1. The speaker 7-l reproduces the audio signal input from the adder 52-l.

図2は、信号変換係数算出装置1の構成を示す機能ブロック図であり、本実施形態と関係する機能ブロックのみを抽出して示してある。同図に示す信号変換係数算出装置1は、入力部11、算出部12及び出力部13を備える。   FIG. 2 is a functional block diagram showing the configuration of the signal conversion coefficient calculation device 1, and only the functional blocks related to this embodiment are extracted and shown. The signal conversion coefficient calculation device 1 shown in the figure includes an input unit 11, a calculation unit 12, and an output unit 13.

入力部11は、各種情報を算出部12に入力する。スピーカ7−1〜7−Lから放射される音波によって変換先環境の音場が形成される。算出部12は、音声信号A−1〜A−Mそれぞれについて、変換先環境の音場における複数のリスニング位置のそれぞれで形成される波面の法線ベクトル同士が近く、かつ、それら法線ベクトルが所望波面の法線ベクトルに近くなるように、各スピーカ7に入力する音声信号の変換に用いられる複素重み係数を算出する。そこで、算出部12は、変換先環境の音場における複数のリスニング位置それぞれで形成される合成波面の法線ベクトルの分散を評価関数とし、この評価関数により算出される値が小さくなるように各スピーカ7それぞれに対応した複素重み係数を算出する。このとき、算出部12は、複数のリスニング位置のそれぞれで形成される波面の法線ベクトルと所望の法線ベクトルとの差、又は、それら各法線ベクトルと所望の法線ベクトルとのなす角度が、予め定められた範囲になることを制約条件とする。算出部12は、変換先環境の音場におけるリスニング位置で形成される波面の法線ベクトルを、スピーカそれぞれに対応した複素重み係数を用いて算出する。なお、リスニング位置とは、聴取点の位置である。所望波面は、変換元環境のスピーカ3が音声信号を再生したときのリスニング位置での波面であるが、ユーザーが任意に所望波面を決めてもよい。出力部13は、算出部12が算出した複素重み係数を信号変換器5に出力する。この複素重み係数は角周波数ビン毎に算出され、角周波数ビン毎に算出された複素重み係数を逆DFT(Discrete Fourier Transform;離散フーリエ変換)したものが、信号変換器5の各FIRフィルタ51にフィルタ係数として実装される。角周波数ビンは、DFTによって離散化される角周波数である。   The input unit 11 inputs various kinds of information to the calculation unit 12. The sound field of the conversion destination environment is formed by the sound waves emitted from the speakers 7-1 to 7-L. For each of the audio signals A-1 to AM, the calculation unit 12 determines that the wavefront normal vectors formed at each of the plurality of listening positions in the sound field of the conversion destination environment are close to each other, and the normal vectors are A complex weighting coefficient used for conversion of the audio signal input to each speaker 7 is calculated so as to be close to the normal vector of the desired wavefront. Therefore, the calculation unit 12 sets the variance of the normal vector of the composite wavefront formed at each of the plurality of listening positions in the sound field of the conversion destination environment as an evaluation function, and reduces the value calculated by this evaluation function. A complex weighting coefficient corresponding to each speaker 7 is calculated. At this time, the calculation unit 12 determines the difference between the normal vector of the wavefront formed at each of the plurality of listening positions and the desired normal vector, or the angle formed between each normal vector and the desired normal vector. Is a constraint condition that is within a predetermined range. The calculation unit 12 calculates the normal vector of the wavefront formed at the listening position in the sound field of the conversion destination environment using the complex weighting coefficient corresponding to each speaker. The listening position is the position of the listening point. The desired wavefront is the wavefront at the listening position when the speaker 3 in the conversion source environment reproduces the audio signal, but the user may arbitrarily determine the desired wavefront. The output unit 13 outputs the complex weighting coefficient calculated by the calculation unit 12 to the signal converter 5. The complex weighting coefficient is calculated for each angular frequency bin, and the inverse DFT (Discrete Fourier Transform) of the complex weighting coefficient calculated for each angular frequency bin is applied to each FIR filter 51 of the signal converter 5. It is implemented as a filter coefficient. The angular frequency bin is the angular frequency discretized by the DFT.

算出部12は、法線ベクトル算出部121と、評価関数算出部122と、判定部123と、複素重み係数算出部124とを備える。以下に、各部の詳細を説明する。   The calculation unit 12 includes a normal vector calculation unit 121, an evaluation function calculation unit 122, a determination unit 123, and a complex weight coefficient calculation unit 124. The details of each unit will be described below.

非特許文献1に記載の理論によれば、複数音源から放射された音波による合成音場においてコンテンツを視聴すると、その合成音場内のリスニング位置における波面の法線方向に音像が定位する。算出部12は、変換先環境の音場における複数のリスニング位置それぞれで形成される合成波面の法線ベクトルの分散をできるだけ小さく保った上で、この非特許文献1に記載の理論に基づき、変換元環境のあるスピーカ3で音声信号を再生した場合のリスニング位置における波面の法線ベクトルと、変換先環境の複数のスピーカ7それぞれの位置で音声信号を再生した場合の複数のリスニング位置又はある領域内における波面の法線ベクトルとができるだけ近づくように、変換先環境の各スピーカ7に入力される音声信号に対する複素重み係数を決定する。つまり、算出部12は、音声信号A−mをスピーカ7−1〜7−Lへ出力する際に、FIRフィルタ51−1−m〜51−L−mのそれぞれに設定される、周波数領域において音声信号に乗算すべき複素重み係数を算出する。オーディオシステム100は、各スピーカ7それぞれに対応したFIRフィルタ51が周波数領域において複素重み係数を乗算した(時間領域における畳み込み演算を行った)音声信号を再生する。これによって、オーディオシステム100は、変換先環境の複数のリスニング位置又はある領域内においても、複数位置での品質をできるだけ保った上で、変換元環境のスピーカ配置で再生した場合と音像の定位方向を変えることなく、音響コンテンツを再生することができる。   According to the theory described in Non-Patent Document 1, when content is viewed in a synthesized sound field of sound waves emitted from a plurality of sound sources, a sound image is localized in the direction of the wavefront normal at the listening position in the synthesized sound field. The calculation unit 12 keeps the variance of the normal vector of the composite wavefront formed at each of the plurality of listening positions in the sound field of the conversion destination environment as small as possible, and then performs conversion based on the theory described in Non-Patent Document 1. A normal vector of the wavefront at the listening position when the audio signal is reproduced by the speaker 3 having the original environment, and a plurality of listening positions or a certain region when the audio signal is reproduced at each position of the plurality of speakers 7 of the conversion destination environment. The complex weighting coefficient for the audio signal input to each speaker 7 in the conversion destination environment is determined so that the normal vector of the wave front in the inside of the inside becomes as close as possible. That is, the calculation unit 12 outputs the audio signal A-m to the speakers 7-1 to 7-L in the frequency domain set in each of the FIR filters 51-1-m to 51-L-m. A complex weighting coefficient to be multiplied with the audio signal is calculated. The audio system 100 reproduces an audio signal in which the FIR filter 51 corresponding to each speaker 7 multiplies a complex weighting coefficient in the frequency domain (convolution operation in the time domain is performed). As a result, the audio system 100 maintains the quality at a plurality of positions as much as possible even within a plurality of listening positions or in a certain area of the conversion destination environment, and reproduces it in the speaker arrangement of the conversion source environment and the localization direction of the sound image. The audio content can be played back without changing.

変換先環境のL台のスピーカ7のうち、n番目(nは1以上L以下の整数)のスピーカ7−nの位置ベクトルをrsn=(x,y,z)とし、n番目のスピーカ7に対応した複素重み係数をa(ω)とする。ωは角周波数である。変換先環境のN個(1≦N≦L)のスピーカ7から放射される音波によって得られる、位置ベクトルr=(x,y,z)の位置における音圧の和p^(r,ω)は、下記の式(1)で表すことができる。ここで、音源はすべて点音源と見なせると仮定する。 Of the L loudspeakers 7 in the conversion destination environment, the position vector of the n-th (n is an integer of 1 or more and L or less) speaker 7-n is set to r sn = (x n , y n , z n ) and the n-th position Let a n (ω) be the complex weighting coefficient corresponding to the speaker 7. ω is the angular frequency. Sum of sound pressures p ^ (r, ω) at the position of position vector r = (x, y, z) obtained by sound waves emitted from N (1 ≦ N ≦ L) speakers 7 in the conversion destination environment Can be expressed by the following formula (1). Here, it is assumed that all sound sources can be regarded as point sound sources.

Figure 0006695738
Figure 0006695738

jは虚数、cは音速、tは時刻である。式(1)を変形すると、以下の式(2)が得られる。   j is an imaginary number, c is the speed of sound, and t is time. By modifying the equation (1), the following equation (2) is obtained.

Figure 0006695738
Figure 0006695738

なお、Re[・]は・の実部、Im[・]は・の虚部を示す。Φ(r,ω)は、N個のスピーカ7から再生された合成音場のある時刻のある位置における位相を表している。このとき、変換先環境における位置ベクトルがr’=(x',y',z')(p=1,2,3,…,P)である複数の聴取点(リスニング位置)における合成音場の波面の法線ベクトルG(r',ω)は、以下の式(3)のように表すことができる。 Note that Re [•] indicates the real part of ・, and Im [•] indicates the imaginary part of ・. Φ (r, ω) represents the phase at a position at a certain time of the synthetic sound field reproduced from the N speakers 7. At this time, a plurality of listening points (listening positions) in which the position vector in the conversion destination environment is r p ′ = (x p ′, y p ′, z p ′) (p = 1, 2, 3, ..., P) The normal vector G (r p ′, ω) of the wavefront of the synthetic sound field in can be expressed by the following equation (3).

Figure 0006695738
Figure 0006695738

なお、|r=rp’は、rにr’の値を代入すること表す。 Note that | r = rp ′ represents that the value of r p ′ is substituted for r.

法線ベクトル算出部121は、式(3)により変換先環境の各リスニング位置における合成音場の波面の法線ベクトルG(r',ω)を算出し、算出結果を評価関数算出部122に出力する。式(3)の算出に用いる各スピーカ7の位置ベクトル及び各リスニング位置の位置ベクトルは、入力部11から入力された各スピーカ7の位置及び各リスニング位置の情報から得られる。 The normal vector calculation unit 121 calculates the normal vector G (r p ′, ω) of the wavefront of the synthetic sound field at each listening position of the conversion destination environment by the expression (3), and the calculation result is the evaluation function calculation unit 122. Output to. The position vector of each speaker 7 and the position vector of each listening position used for the calculation of Expression (3) are obtained from the information of the position of each speaker 7 and each listening position input from the input unit 11.

複数点で均質に受聴することを考えると、変換先環境の合成音場における複数点それぞれでの波面の法線ベクトルが所望の法線ベクトルと近い方向を向くという制約の下、それらの複数点での法線ベクトルの分散ができるだけ小さくなることが望ましい。そこで、位置ベクトルr’=(x',y',z')(p=1,2,3,…,P)の複数のリスニング位置における所望の法線ベクトルをFとしたとき、複素重み係数算出部124は、以下の式(5)を制約条件として、式(4)の評価関数Jにより算出される評価値を最小化するような制約条件付き最適化を行って複素重み係数aを決定する。 Considering to listen uniformly at multiple points, under the constraint that the wavefront normal vector at each of the multiple points in the synthesized sound field of the conversion destination environment faces a direction close to the desired normal vector, those multiple points It is desirable that the variance of the normal vector at is as small as possible. Therefore, a desired normal vector at a plurality of listening positions of the position vector r p ′ = (x p ′, y p ′, z p ′) (p = 1, 2, 3, ..., P) is defined as F p . At this time, the complex weighting coefficient calculation unit 124 performs complex optimization by performing constraint optimization that minimizes the evaluation value calculated by the evaluation function J of Expression (4) using the following Expression (5) as a restriction condition. determining a weighting factor a n.

Figure 0006695738
Figure 0006695738

Figure 0006695738
Figure 0006695738

式(4)の評価関数Jは、変換先環境における複数のリスニング位置それぞれでの波面の法線ベクトルの分散を算出する式である。式(5)に示す制約条件の左辺は、所望法線ベクトルFとリスニング位置における法線ベクトルG(r',ω)との差ベクトルの二乗ノルムを表している。p番目(p=1,2,3,…,P)のリスニング位置に対応した閾値kは、予め設定されてもよく、ユーザーが任意に決定してもよい。 The evaluation function J of Expression (4) is an expression for calculating the variance of the normal vector of the wavefront at each of the plurality of listening positions in the conversion destination environment. The left side of the constraint condition shown in Expression (5) represents the square norm of the difference vector between the desired normal vector F p and the normal vector G (r p ′, ω) at the listening position. The threshold value k p corresponding to the p-th (p = 1, 2, 3, ..., P) listening position may be set in advance or may be arbitrarily determined by the user.

また、制約条件を下記の式(6)のようにしてもよい。   Further, the constraint condition may be expressed by the following expression (6).

Figure 0006695738
Figure 0006695738

ここで、[・]はベクトルあるいは行列の転置を表す。式(5)の左辺は、所望法線ベクトルFとp番目のリスニング位置における法線ベクトルG(r',ω)とがなす角の余弦を表している。p番目(p=1,2,3,…,P)のリスニング位置に対応した閾値cosθは、予め設定されてもよく、ユーザーが任意に決定してもよい。 Here, [·] T represents transposition of a vector or a matrix. The left side of Expression (5) represents the cosine of the angle formed by the desired normal vector F p and the normal vector G (r p ′, ω) at the p-th listening position. The threshold value cos θ p corresponding to the p-th (p = 1, 2, 3, ..., P) listening position may be set in advance or may be arbitrarily determined by the user.

評価関数算出部122は、複素重み係数算出部124により逐次算出される複素重み係数を用いて法線ベクトル算出部121が算出した各リスニング位置のG(r',ω)に基づき、上記の評価関数Jの値を算出する。 Evaluation function calculation unit 122, based on the respective listening positions the vector generator 121 is calculated using the complex weight coefficients sequentially calculated by the complex weight coefficient calculator 124 G (r p ', ω ), of the The value of the evaluation function J is calculated.

また、この場合、算出部12は、複素重み係数a(ω)の初期値an0(ω)を与え、再帰的に上記の評価関数Jを最小化するような最適なa(ω)を探索する。複素重み係数a(ω)の初期値an0(ω)は、ユーザーが任意に設定できる。 Further, in this case, the calculation unit 12 gives the initial value a n0 (ω) of the complex weighting coefficient a n (ω), and recursively minimizes the evaluation function J to obtain the optimum a n (ω). To explore. The user can arbitrarily set the initial value a n0 (ω) of the complex weighting coefficient a n (ω).

判定部123は、算出部12において再帰的に複素重み係数a(ω)を算出する際に、現在の評価値と前回の評価値との差分を算出する。現在の評価値は、現在の複素重み係数a(ω)を用いて算出された各リスニング位置のG(r',ω)に基づき、評価関数算出部122が、評価関数Jにより算出した評価値である。前回の評価値は、現在の複素重み係数a(ω)に更新される直前の複素重み係数a(ω)を用いて算出されたG(r',ω)に基づき、評価関数算出部122が、評価関数Jにより算出した評価値である。判定部123は、差分が所定の閾値未満になったと判定した場合に、現在の複素重み係数a(ω)を、最終的な複素重み係数として決定する。なお、その閾値は、予め与えられてもよく、ユーザーが任意に決定してもよい。 The determination unit 123 calculates the difference between the current evaluation value and the previous evaluation value when the calculation unit 12 recursively calculates the complex weighting coefficient a n (ω). Current evaluation value is based on the G of each listening position calculated by using the current complex weight coefficient a n (ω) (r p ', ω), the evaluation function calculating unit 122, is calculated by the evaluation function J It is an evaluation value. The previous evaluation value is an evaluation function calculated based on G (r p ′, ω) calculated using the complex weight coefficient a n (ω) immediately before being updated to the current complex weight coefficient a n (ω). The part 122 is the evaluation value calculated by the evaluation function J. When the determination unit 123 determines that the difference is less than the predetermined threshold value, it determines the current complex weighting coefficient a n (ω) as the final complex weighting coefficient. The threshold may be given in advance or may be arbitrarily determined by the user.

複素重み係数算出部124は、上記の評価関数Jを最小化する最適な複素重み係数a(ω)(n=1,2,3,…,L)を逐次算出する。これによって、複数のリスニング位置で均質なリスニング環境で音響コンテンツを再生するための信号変換を実現することができる。L個のスピーカ7のうちユーザーが設定したN個のスピーカから音波を放射する場合、複素重み係数算出部124は、選択されなかった(L−N)個のスピーカ7については、複素重み係数a=0とする。これにより、例えばユーザーがN(<L)個のスピーカ7を選択した場合においても、複素重み係数a(ω)はL個算出され、評価関数が大域的な最適値に到達しなかった場合でも、明らかに不要なスピーカからは音は再生されない。 The complex weight coefficient calculation unit 124 sequentially calculates the optimum complex weight coefficient a n (ω) (n = 1, 2, 3, ..., L) that minimizes the evaluation function J. This makes it possible to realize signal conversion for reproducing the audio content in a homogeneous listening environment at a plurality of listening positions. When sound waves are emitted from the N speakers set by the user out of the L speakers 7, the complex weighting coefficient calculation unit 124 determines the complex weighting coefficient a for the (L−N) speakers 7 not selected. Let n = 0. Thus, for example, even when the user selects N (<L) speakers 7, L complex weight coefficients a n (ω) are calculated, and the evaluation function does not reach the global optimum value. However, no sound is played from the apparently unnecessary speaker.

所望法線ベクトルを、変換元環境におけるリスニング位置での波面の法線ベクトルとする場合、法線ベクトル算出部121は、変換元環境のスピーカ位置とリスニング位置から変換元環境での波面の法線ベクトルも算出する。変換元環境のスピーカ配置における、i(i=1,2,3,…,M)番目のスピーカ3の位置ベクトルをrsi=(xsi,ysi,zsi)とすると、r=(x,y,z)における音圧p(r,ω)は、次の式(7)のように表される。 When the desired normal vector is the normal vector of the wavefront at the listening position in the conversion source environment, the normal vector calculation unit 121 calculates the normal of the wavefront in the conversion source environment from the speaker position and the listening position of the conversion source environment. The vector is also calculated. When the position vector of the i (i = 1, 2, 3, ..., M) -th speaker 3 in the speaker arrangement of the conversion source environment is r si = (x si , y si , z si ), r = (x , y, z), the sound pressure p i (r, ω) is expressed by the following equation (7).

Figure 0006695738
Figure 0006695738

jは虚数単位、cは音速、tは時刻を表す。ここで、Φ0i(r,ω)を、以下の式(8)とする。 j is an imaginary unit, c is the speed of sound, and t is time. Here, Φ 0i (r, ω) is represented by the following expression (8).

Figure 0006695738
Figure 0006695738

Φ0i(r,ω)は、ある時刻のある位置における位相を表す。このとき、r=(x,y,z)における波面の法線ベクトルF(r,ω)は以下の式(9)のように表すことができる。 Φ 0i (r, ω) represents the phase at a certain position at a certain time. At this time, the normal vector F i (r 1 , ω) of the wavefront at r 1 = (x 1 , y 1 , z 1 ) can be expressed as the following Expression (9).

Figure 0006695738
Figure 0006695738

なお、所望法線ベクトルを、変換元環境及び変換先環境とは異なる任意の環境における任意のリスニング位置の波面の法線ベクトルとしてもよい。式(9)により所望法線ベクトルを算出するための変換元環境又は任意の環境のスピーカ位置及びリスニング位置の情報は、入力部11により入力される。また、所望法線ベクトルは、予め定められてもよく、ユーザーが任意に決めてもよい。   The desired normal vector may be a normal vector of the wavefront at any listening position in any environment different from the conversion source environment and the conversion destination environment. Information on the speaker position and the listening position of the conversion source environment or an arbitrary environment for calculating the desired normal vector by the expression (9) is input by the input unit 11. Further, the desired normal vector may be determined in advance or may be arbitrarily determined by the user.

なお、以上の方法で複素重み係数を算出した場合には、振幅は補償されない。したがって、各音声チャンネルで振幅がそろうよう正規化を行うことは言うまでもない。   When the complex weighting coefficient is calculated by the above method, the amplitude is not compensated. Therefore, it goes without saying that the normalization is performed so that the amplitudes of the audio channels are the same.

図3は、信号変換係数算出装置1が実行する複素重み係数算出処理を示すフロー図である。信号変換係数算出装置1は、各音声信号A−1〜A−Mのそれぞれについて同図に示す複素重み係数算出処理を行う。   FIG. 3 is a flowchart showing the complex weight coefficient calculation process executed by the signal conversion coefficient calculation device 1. The signal conversion coefficient calculation device 1 performs the complex weighting coefficient calculation process shown in the figure for each of the audio signals A-1 to AM.

まず、入力部11は、変換先環境の各スピーカ7の位置、変換先環境の複数のリスニング位置、複素重み係数の初期値、及び、判定の閾値の情報を入力する(ステップS110)。評価関数算出部122は、所望法線ベクトルを取得する(ステップS120)。所望法線ベクトルは、予め算出部12に設定されてもよく、入力部11により入力されてもよい。あるいは、法線ベクトル算出部121が、入力部11により入力された変換元環境又は任意の環境における各スピーカの位置及びリスニング位置に基づいて式(9)により所望法線ベクトルを算出してもよい。   First, the input unit 11 inputs the position of each speaker 7 in the conversion destination environment, the plurality of listening positions in the conversion destination environment, the initial value of the complex weighting factor, and the information about the determination threshold (step S110). The evaluation function calculation unit 122 acquires the desired normal vector (step S120). The desired normal vector may be set in the calculation unit 12 in advance or may be input by the input unit 11. Alternatively, the normal vector calculation unit 121 may calculate a desired normal vector by Expression (9) based on the position of each speaker and the listening position in the conversion source environment or any environment input by the input unit 11. ..

法線ベクトル算出部121は、変換先環境の各スピーカ7の位置、変換先環境のリスニング位置、及び、現在の複素重み係数を用いて、式(3)により変換先環境の各リスニング位置における合成音場の波面の法線ベクトルG(r',ω)を算出する(ステップS130)。なお、最初の法線ベクトルG(r',ω)の算出には、複素重み係数の初期値が用いられる。 The normal vector calculation unit 121 uses the position of each speaker 7 in the conversion destination environment, the listening position in the conversion destination environment, and the current complex weighting coefficient to synthesize at each listening position in the conversion destination environment according to Expression (3). A normal vector G (r p ′, ω) of the wavefront of the sound field is calculated (step S130). The initial value of the complex weighting coefficient is used to calculate the first normal vector G (r p ′, ω).

評価関数算出部122は、法線ベクトル算出部121が算出した法線ベクトルG(r',ω)と、ステップS120において取得した所望法線ベクトルを用いて、式(4)に示す評価関数Jにより評価値を算出する(ステップS140)。 The evaluation function calculation unit 122 uses the normal vector G (r p ′, ω) calculated by the normal vector calculation unit 121 and the desired normal vector acquired in step S120 to calculate the evaluation function shown in Expression (4). An evaluation value is calculated by J (step S140).

判定部123は、現在の複素重み係数を用いて算出された評価値と、前回の複素重み係数を用いて算出された評価値との差分が閾値以上であるか否かを判断する(ステップS150)。判定部123は、差分が閾値以上であると判断した場合(ステップS150:YES)、複素重み係数の算出を複素重み係数算出部124に指示する。   The determination unit 123 determines whether or not the difference between the evaluation value calculated using the current complex weighting coefficient and the evaluation value calculated using the previous complex weighting coefficient is equal to or more than a threshold value (step S150). ). When the determination unit 123 determines that the difference is equal to or greater than the threshold value (step S150: YES), the determination unit 123 instructs the complex weight coefficient calculation unit 124 to calculate the complex weight coefficient.

複素重み係数算出部124は、複素重み係数の値を更新する(ステップS160)。例えば、複素重み係数算出部124は、複素重み係数の一部又は全ての値を変化させ、法線ベクトル算出部121に出力する。法線ベクトル算出部121は、複素重み係数算出部124が変化させた複素重み係数により法線ベクトルを算出し、算出結果を複素重み係数算出部124に出力する。複素重み係数算出部124は、算出された法線ベクトルが式(5)又は式(6)に示す制約条件を満たす場合、変化させた値を新たな複素重み係数とし、法線ベクトル算出部121に出力する。算出部12は、ステップS130からの処理を繰り返す。   The complex weight coefficient calculation unit 124 updates the value of the complex weight coefficient (step S160). For example, the complex weighting factor calculation unit 124 changes a part or all of the values of the complex weighting factor and outputs it to the normal vector calculation unit 121. The normal vector calculation unit 121 calculates a normal vector by the complex weight coefficient changed by the complex weight coefficient calculation unit 124, and outputs the calculation result to the complex weight coefficient calculation unit 124. When the calculated normal vector satisfies the constraint condition shown in Expression (5) or Expression (6), the complex weight coefficient calculation unit 124 sets the changed value as a new complex weight coefficient, and the normal vector calculation unit 121 Output to. The calculation unit 12 repeats the processing from step S130.

そして、判定部123は、現在の複素重み係数を用いて算出された評価値と、前回の複素重み係数を用いて算出された評価値との差分が閾値未満であると判断した場合(ステップS150:NO)、現在の複素重み係数を出力する(ステップS170)。出力部13は、判定部123が出力した複素重み係数を信号変換係数算出装置1の外部に出力する。   When the determination unit 123 determines that the difference between the evaluation value calculated using the current complex weighting coefficient and the evaluation value calculated using the previous complex weighting coefficient is less than the threshold value (step S150). : NO), the current complex weighting coefficient is output (step S170). The output unit 13 outputs the complex weighting coefficient output by the determination unit 123 to the outside of the signal conversion coefficient calculation device 1.

なお、算出部12は、以下のように、FIRフィルタ51に実装させるフィルタ列を算出し、出力部13に出力してもよい。すなわち、算出部12は、i番目(iは1以上M以下の整数)のチャンネルの音声信号A−iについて、角周波数ビンごとにN個のスピーカ7−nそれぞれに対する複素重み係数を算出する。角周波数ビンは、DFTによって離散化される角周波数である。算出部12は、算出した複素重み係数を要素として並べた複素重み係数行列ani(ω)を生成する。算出部12は、複素重み係数行列ani(ω)を逆DFTすることにより、FIRフィルタ51−n−iに実装させるフィルタ列を算出する。このようにして、算出部12は、複数のスピーカ7のそれぞれに入力される音声信号に対するフィルタ係数を算出する。算出部12は、変換元環境のすべてのチャンネルi(i=1,2,3,…,M)について複素重み係数行列を算出し、算出した結果をFIRフィルタマトリクスとして信号変換器5に実装することができる。 Note that the calculation unit 12 may calculate a filter array to be mounted on the FIR filter 51 and output it to the output unit 13 as follows. That is, the calculation unit 12 calculates the complex weighting coefficient for each of the N speakers 7-n for each angular frequency bin for the audio signal A-i of the i-th channel (i is an integer of 1 or more and M or less). The angular frequency bin is the angular frequency discretized by the DFT. The calculation unit 12 generates a complex weight coefficient matrix a ni (ω) in which the calculated complex weight coefficients are arranged as elements. The calculation unit 12 calculates a filter string to be mounted on the FIR filter 51-n-i by performing an inverse DFT on the complex weighting coefficient matrix a ni (ω). In this way, the calculation unit 12 calculates the filter coefficient for the audio signal input to each of the plurality of speakers 7. The calculation unit 12 calculates a complex weighting coefficient matrix for all channels i (i = 1, 2, 3, ..., M) in the conversion source environment, and mounts the calculated result in the signal converter 5 as an FIR filter matrix. be able to.

上述した実施形態によれば、信号変換係数算出装置1は、音響コンテンツの制作時とは異なる環境において音響コンテンツを再生させる際に、複数のリスニング位置又はある領域で均質に近い受聴を可能とするための信号変換係数である複素重み係数を算出することができる。このとき、例えば、信号変換係数算出装置1は、音響コンテンツの制作時とは異なる環境における複数のリスニング位置又はある領域でも、制作時の環境に近い印象となるように音響コンテンツを再生させるための信号変換係数を算出することができる。   According to the above-described embodiment, the signal conversion coefficient calculation device 1 enables near-homogeneous listening at a plurality of listening positions or a certain region when reproducing the audio content in an environment different from the environment at the time of producing the audio content. It is possible to calculate a complex weighting coefficient which is a signal conversion coefficient for At this time, for example, the signal conversion coefficient calculation device 1 reproduces the audio content so that the plurality of listening positions or a certain area in the environment different from the environment when the audio content is produced have an impression close to the environment at the time of production. The signal conversion coefficient can be calculated.

なお、上述の信号変換係数算出装置1は、内部にコンピュータシステムを有している。そして、信号変換係数算出装置1の動作の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータシステムが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでいうコンピュータシステムとは、CPU及び各種メモリやOS、周辺機器等のハードウェアを含むものである。   The signal conversion coefficient calculation device 1 described above has a computer system inside. The process of the operation of the signal conversion coefficient calculation device 1 is stored in a computer readable recording medium in the form of a program, and the above process is performed by the computer system reading and executing this program. The computer system mentioned here includes a CPU, various memories, an OS, and hardware such as peripheral devices.

また、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものとする。   Further, the “computer system” also includes a homepage providing environment (or display environment) when using a WWW system.

また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。   Further, the “computer-readable recording medium” refers to a portable medium such as a flexible disk, a magneto-optical disk, a ROM, a CD-ROM, or a storage device such as a hard disk built in a computer system. Further, the "computer-readable recording medium" means to hold a program dynamically for a short time like a communication line when transmitting the program through a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line. In this case, a volatile memory inside a computer system that serves as a server or a client in that case holds a program for a certain period of time. Further, the program may be for realizing a part of the functions described above, or may be a program for realizing the functions described above in combination with a program already recorded in the computer system.

1…信号変換係数算出装置
3−1〜3−M、7−1〜7−L…スピーカ
5…信号変換器
11…入力部
12…算出部
13…出力部
51−1−1〜51−L−M…FIRフィルタ
52−1〜51−L…加算器
121…法線ベクトル算出部
122…評価関数算出部
123…判定部
124…複素重み係数算出部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Signal conversion coefficient calculation device 3-1 to 3-M, 7-1 to 7-L ... Speaker 5 ... Signal converter 11 ... Input part 12 ... Calculation part 13 ... Output part 51-1-1 to 51-L -M ... FIR filters 52-1 to 51-L ... Adder 121 ... Normal vector calculation unit 122 ... Evaluation function calculation unit 123 ... Judgment unit 124 ... Complex weight coefficient calculation unit

Claims (6)

複数のスピーカから放射される音波によって合成される再生環境の音場における複数のリスニング位置で形成される波面の法線ベクトル同士が近くなるように、複数の前記スピーカから出力させる音声信号の変換に用いる複素重み係数を前記スピーカごとに算出する算出部、を備え、
前記算出部は、複数の前記リスニング位置のそれぞれで形成される波面の法線ベクトルの分散が小さくなるように前記複素重み係数を算出する、
を備えることを特徴とする信号変換係数算出装置。
Conversion of audio signals output from the plurality of speakers so that normal vectors of wavefronts formed at a plurality of listening positions in a sound field of a reproduction environment synthesized by sound waves emitted from the plurality of speakers are close to each other. A calculation unit that calculates a complex weighting coefficient to be used for each speaker,
The calculation unit calculates the complex weighting coefficient such that the variance of the normal vector of the wavefront formed at each of the plurality of listening positions is small.
An apparatus for calculating a signal conversion coefficient, comprising:
前記算出部は、複数の前記リスニング位置のそれぞれで形成される波面の法線ベクトルと所望波面の法線ベクトルの差の任意のノルムが、あらかじめ定められた範囲になることを制約条件として前記複素重み係数を算出する、
ことを特徴とする請求項1に記載の信号変換係数算出装置。
The calculating unit, the arbitrary norm of the difference between the normal vector of the wavefront and the normal vector of the desired wavefront formed at each of the plurality of listening positions, the complex with the constraint that it is within a predetermined range. Calculate the weighting factor,
The signal conversion coefficient calculation device according to claim 1, wherein
前記算出部は、複数の前記リスニング位置のそれぞれで形成される波面の法線ベクトルと所望波面の法線ベクトルとのなす角が、あらかじめ定められた範囲になることを制約条件として前記複素重み係数を算出する、
ことを特徴とする請求項1に記載の信号変換係数算出装置。
The calculation unit, the angle formed by the normal vector of the wavefront and the normal vector of the desired wavefront formed at each of the plurality of listening positions, the complex weighting coefficient under the constraint that the angle is within a predetermined range. To calculate,
The signal conversion coefficient calculation device according to claim 1, wherein
前記算出部は、前記所望波面の法線ベクトルを、前記再生環境とは異なる環境におけるスピーカ位置及びリスニング位置に基づいて算出する、
ことを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の信号変換係数算出装置。
The calculation unit calculates a normal vector of the desired wavefront based on a speaker position and a listening position in an environment different from the reproduction environment,
The signal conversion coefficient calculation device according to claim 2 or 3, characterized in that.
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の信号変換係数算出装置と、
前記信号変換係数算出装置が複数のスピーカのそれぞれについて算出した複素重み係数に基づいて、複数の前記スピーカのそれぞれから出力させる音声信号を変換する信号変換部と、
を備えることを特徴とする信号変換装置。
A signal conversion coefficient calculation device according to any one of claims 1 to 4,
A signal conversion unit that converts an audio signal to be output from each of the plurality of speakers, based on a complex weighting coefficient calculated by the signal conversion coefficient calculation device for each of the plurality of speakers;
A signal conversion device comprising:
コンピュータを、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の信号変換係数算出装置として機能させるプログラム。   A program that causes a computer to function as the signal conversion coefficient calculation device according to any one of claims 1 to 4.
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