JP6865440B2 - 音響信号処理装置、音響信号処理方法および音響信号処理プログラム - Google Patents

Description

本発明は、入力音響信号を、仮想音源を実現するための直線状スピーカアレイの各スピーカへの出力音響信号に変換する音響信号処理装置、音響信号処理方法および音響信号処理プログラムに関する。

パブリックビューイングやコンサートでは、上映会場に設置した複数のスピーカから音声や音楽などを再生する。近年、仮想的な音源を上映空間に作り出すことにより、これまで以上に臨場感のある音響再生を実現する取り組みが行われている。特に直線状に多数のスピーカを並べてできるスピーカアレイを用いて、スピーカより前面、客席近くまで飛び出る仮想音源を生成することで高い臨場感を実現するといったことが行なわれている。

また、一般に、楽器や人間の声は方向によって放射されるパワーが異なるため、上映空間に仮想的な音源を生成する際に方向による音響信号のパワーの違い（指向性）を再現することで、さらに臨場感の高い音響コンテンツを実現することが期待されている。

上映空間に仮想的な音源を作り出す音響再生技術に対し、波面合成と呼ばれる方法がある（特許文献１）。特許文献１に基づく方法は、音響信号を収録する地点の音響信号を複数地点に設置したマイクロフォンで収音した上で、上下左右方向の音響信号の到来方向を分析し、上映空間中に設置した複数のスピーカを用いて収録会場の音響信号を物理的に再現する。

想定する仮想音源に吸込み型音源（acoustic sink）を仮定し、第１種レイリー積分から導出される駆動信号をスピーカアレイに与えることにより、スピーカより前面に仮想音像を作り出すことができる技術がある（非特許文献１）。また、直線状スピーカアレイを用いて上映空間に生成する仮想的な音源にダイポールなどの原始的な指向性を実現できる技術がある（非特許文献２）。

スピーカから放射される音の指向性を制御する方法として、多重極音源がある（非特許文献３）。多重極音源は、音の指向性をダイポール、クアドラポールといった原始的な指向性の組み合わせで表現する手法であり、原始的な指向性それぞれは互いに近接した極性の異なる無指向性の点音源（モノポール音源）の組み合わせで実現される。非特許文献３は、指向性の向きを回転させるには、これらモノポール音源の位置を回転させることを開示する。

特開２０１１−２４４３０６号公報

Sascha Spors, Hagen Wierstorf, Matthias Gainer, and Jens Ahrens, "Physical and Perceptual Properties of Focused Sources in Wave Field Synthesis," in 127th Audio Engineering Society Convention paper 7914, 2009, October. J. Ahrens, and S. Spors, "Implementation of Directional Sources in Wave Field Synthesis," Proceeding of IEEE Workshop on Applications of Signal Processing to Audio and Acoustics, pp. 66-69, 2007. 羽田陽一，古家賢一，島内末廣，"球調和関数展開に基づく多重極音源を用いた指向性合成"，日本音響学会誌 69巻 11号 pp577-588 2013.

しかしながら、いずれの文献も、仮想音源を用いて指向性のある音響再生技術については、何ら開示も示唆もない。

特許文献１に開示される技術は、収録地点の音響信号を忠実に再現するため仮想音源の再現において高い再現性をもつものの、スピーカアレイだけでなくマイクアレイも必要になり装置規模が増大する。また、収録した音を忠実に再生する発明であるため、例えば映画に代表されるように日常存在しないような効果音を特殊効果として加えるといったコンテンツの編集が困難である。また、複数の音源が発した音響信号が同時にマイクロフォンに混入するため、個々の音源を取り出して位置や音質を調整するといった編集が極めて困難である問題がある。

非特許文献１に開示される技術は、仮想音源の生成にマイクアレイを必要せず、通常のマイクロフォンから収録されたモノラルの音源から複数チャネル分の音響信号を生成して、仮想的な音源を作り出すことができる。しかしながら非特許文献１に開示される技術は、仮想音源の放射特性として無指向性を前提としているため、仮想音源を用いて指向性のある音響を再生することはできない。

これに対し非特許文献２に開示された技術では、音源に指向性を持たせることができるものの、非特許文献２では、スピーカより前面に飛び出す仮想音源の生成を実現することはできない。

このように、従来、コンテンツ編集に適するようモノラル音源から仮想音源を生成する手法を用いて、スピーカより前面に飛び出す仮想音源に指向性をもたせることができない問題があった。

従って本発明の目的は、コンテンツ編集に適するようモノラル音源から生成された仮想音源を用いて、指向性のある音響を実現可能な音響信号処理装置、音響信号処理方法および音響信号処理プログラムを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の第１の特徴は、入力音響信号を、仮想音源を実現するための直線状スピーカアレイの各スピーカへの出力音響信号に変換する音響信号処理装置に関する。本発明の第１の特徴に係る音響信号処理装置は、複数の初期焦点座標と、仮想音源の座標および指向性の方向を取得して、複数の初期焦点座標のそれぞれについて、仮想音源の座標に基づいて、初期焦点座標に指向性の方向から特定される回転行列をかけて、指向性を考慮した焦点座標を決定する焦点位置決定部と、直線状スピーカアレイの各スピーカについて、焦点位置決定部により決定された焦点座標のそれぞれから、入力音響信号に畳み込むインパルス応答ベクトルを算出するフィルタ係数演算部と、直線状スピーカアレイの各スピーカについて、入力音響信号に、スピーカに対応するインパルス応答ベクトルを畳み込んで、スピーカへの出力音響信号を出力する畳み込み演算部を備える。

焦点位置決定部は、仮想音源の座標に対する初期焦点座標の相対座標に回転行列をかけ、回転行列をかけて得られた座標に、仮想音源の座標を加算して、指向性を考慮した焦点座標を決定しても良い。

フィルタ係数演算部は、指向性を考慮した焦点座標のそれぞれを用いて、対象周波数に対して駆動関数を計算し、計算された駆動関数を逆フーリエ変換して得られた時間領域の駆動関数を加算して、スピーカに対するインパルス応答ベクトルを算出しても良い。

本発明の第２の特徴は、入力音響信号を、仮想音源を実現するための直線状スピーカアレイの各スピーカへの出力音響信号に変換する音響信号処理方法に関する。本発明の第２の特徴に係る音響信号処理方法は、複数の初期焦点座標と、仮想音源の座標および指向性の方向を取得するステップと、複数の初期焦点座標のそれぞれについて、仮想音源の座標に基づいて、初期焦点座標に指向性の方向から特定される回転行列をかけて、指向性を考慮した焦点座標を決定するステップと、直線状スピーカアレイの各スピーカについて、決定するステップにより決定された焦点座標のそれぞれから、入力音響信号に畳み込むインパルス応答ベクトルを算出するステップと、直線状スピーカアレイの各スピーカについて、入力音響信号に、スピーカに対応するインパルス応答ベクトルを畳み込んで、スピーカへの出力音響信号を出力するステップを備える。

本発明の第３の特徴は、入力音響信号を、仮想音源を実現するための直線状スピーカアレイの各スピーカへの出力音響信号に変換する音響信号処理装置であって、複数の初期焦点座標と、仮想音源の座標および指向性の方向を取得して、複数の初期焦点座標のそれぞれについて、仮想音源の座標に基づいて、初期焦点座標に指向性の方向から特定される回転行列をかけて、指向性を考慮した焦点座標を決定する焦点位置決定部と、波面合成プレフィルタを算出し、入力音響信号に波面合成プレフィルタを畳み込んで重み付き音響信号を出力するフィルタ演算部と、直線状スピーカアレイの各スピーカについて、スピーカと焦点座標のそれぞれの距離から決まる遅延量をそれぞれ算出し、重み付き音響信号を、算出されたそれぞれの遅延量で遅延させて、焦点座標のそれぞれについて、遅延音響信号を出力する遅延調整部と、直線状スピーカアレイの各スピーカについて、スピーカと焦点座標の位置から決まるゲインを、焦点座標のそれぞれの遅延音響信号に乗じて、スピーカへの出力音響信号を出力するゲイン乗算部を備える。

ここで、波面合成プレフィルタは、

であっても良い。

各スピーカについて、非整数遅延を補正するための補正フィルタを算出し、重み付き音響信号に補正フィルタを適用して補正後の音響信号を出力する補正フィルタ演算部をさらに備え、遅延調整部は、補正後の音響信号を、算出されたそれぞれの遅延量で遅延させて、焦点座標のそれぞれについて、遅延音響信号を出力しても良い。

ここで、各スピーカについて、非整数遅延を補正するための補正フィルタは、非整数遅延分のディレイを用いて得られるフィルタであっても良い。

本発明の第４の特徴は、入力音響信号を、仮想音源を実現するための直線状スピーカアレイの各スピーカへの出力音響信号に変換する音響信号処理方法に関する。本発明の第４の特徴に係る音響信号処理方法は、複数の初期焦点座標と、仮想音源の座標および指向性の方向を取得するステップと、複数の初期焦点座標のそれぞれについて、仮想音源の座標に基づいて、初期焦点座標に指向性の方向から特定される回転行列をかけて、指向性を考慮した焦点座標を決定するステップと、波面合成プレフィルタを算出し、入力音響信号に波面合成プレフィルタを畳み込んで重み付き音響信号を出力するステップと、直線状スピーカアレイの各スピーカについて、スピーカと焦点座標のそれぞれの距離から決まる遅延量をそれぞれ算出し、重み付き音響信号を、算出されたそれぞれの遅延量で遅延させて、焦点座標のそれぞれについて、遅延音響信号を出力するステップと、直線状スピーカアレイの各スピーカについて、スピーカと焦点座標の位置から決まるゲインを、焦点座標のそれぞれの遅延音響信号に乗じて、スピーカへの出力音響信号を出力するステップを備える。

本発明の第５の特徴は、コンピュータに、本発明の第１の特徴または第３の特徴に記載の音響信号処理装置として機能させるための音響信号処理プログラムに関する。

本発明によれば、コンテンツ編集に適するようモノラル音源から生成された仮想音源を用いて、指向性のある音響を実現可能な音響信号処理装置、音響信号処理方法および音響信号処理プログラムを提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る音響信号処理装置のブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る音響信号処理装置の焦点位置決定処理を説明するフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態に係る音響信号処理装置の焦点位置決定処理において、初期焦点座標を説明する図である。 本発明の第１の実施の形態に係る音響信号処理装置の焦点位置決定処理においてもちいられる回転行列の一例を説明する図である。 本発明の第１の実施の形態に係る音響信号処理装置の焦点位置決定処理において、指向性が考慮された焦点座標を説明する図である。 本発明の第１の実施の形態に係る音響信号処理装置のフィルタ係数決定処理を説明するフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態に係る音響信号処理装置の畳み込み演算処理を説明するフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る音響信号処理装置のブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係る音響信号処理装置のフィルタ演算処理を説明するフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る音響信号処理装置の遅延調整およびゲイン乗算処理を説明するフローチャートである。 本発明の第３の実施の形態に係る音響信号処理装置のブロック図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。

（第１の実施の形態）
図１を参照して、第１の実施の形態に係る音響信号処理装置１を説明する。音響信号処理装置１は、処理装置（図示せず）、メモリ１０などを備える一般的なコンピュータである。一般的なコンピュータが音響信号処理プログラムを実行することにより図１に示す機能を実現する。

第１の実施の形態に係る音響信号処理装置１は、複数のスピーカを直線状に並べた直線状スピーカアレイを用いて、スピーカよりも前面に飛び出し、かつ、指向性を有する仮想音源を実現する。

本発明の実施の形態においては、仮想音源を実現するために、互いに近接する位置に極性の異なる２以上の焦点音源を生成することで、多重極音源を実現する。焦点音源は、極性の異なる無指向性の点音源（モノポール音源）の組み合わせである。本発明の実施の形態においては、２つのモノポール音源である場合を説明するが、焦点音源の数は、偶数であればよく、その数は問わない。

音響信号処理装置１は、このような仮想音源を実現するために、入力音響信号Ｉを、直線状スピーカアレイの各スピーカへの出力音響信号Ｏに変換する。

音響信号処理装置１は、メモリ１０、焦点位置決定部１２、フィルタ係数演算部１３、畳み込み演算部１４、入出力インタフェース（図示せず）等を備える。入出力インタフェースは、入力音響信号を音響信号処理装置１に入力し、各スピーカへの出力音響信号を出力するためのインタフェースである。入出力インタフェースは、音響信号処理装置１が実現する仮想音源の座標および指向性の方向の各情報を、音響信号処理装置１に入力する
メモリ１０は、焦点データ１１を記憶する。焦点データ１１は、仮想音源を実現するための複数の焦点の座標を含む。焦点データ１１は、少なくとも一対の焦点の座標を含み、複数対の焦点の情報を含んでも良い。焦点データ１１に含まれる焦点は、Ｘ軸およびＹ軸に対してそれぞれ対称に設けられ、指向性が考慮されていない無指向の焦点座標である。本発明の実施の形態において、焦点データ１１に記憶される焦点を、初期焦点と称し、初期焦点の座標を初期焦点座標と称する。なお、仮想音源は、初期焦点座標の中心となる。

焦点位置決定部１２は、仮想音源の位置、指向性の方向の情報、および対象周波数の各情報を受け取り、必要な数の焦点に関する座標を出力する。焦点位置決定部１２は、複数の初期焦点座標と、仮想音源の座標および指向性の方向を取得して、複数の初期焦点座標のそれぞれについて、仮想音源の座標に基づいて、初期焦点座標に指向性の方向から特定される回転行列をかけて、指向性を考慮した焦点座標を決定する。焦点位置決定部１２は、仮想音源の座標に対する初期焦点座標の相対座標に回転行列をかけ、回転行列をかけて得られた座標に、仮想音源の座標を加算して、指向性を考慮した焦点座標を決定する。

焦点位置決定部１２は、メモリ１０から、１以上の対の初期焦点座標を取得するとともに、音響信号処理装置１が実現する特定として、外部入力等により、仮想音源の座標および指向性の方向を取得する。焦点位置決定部１２は、取得した指向性の方向から、初期焦点座標に対してかける回転方向θを特定する。

焦点位置決定部１２は、一対の初期焦点座標を、

とした場合、Ｘ軸方向に対してθ方向を指定すると、この方向から特定できる回転行列Ｇは、式（１）で求まるため、回転後のモノポールの座標は、式（２）で決定できる。

焦点位置決定部１２は、メモリから読み出した所望の特性に対応する１対以上の初期焦点座標に対し、指向性の方向から特定できる回転行列を座標毎にかけた上で、仮想音源の座標を座標毎に加算することで、全ての焦点座標を計算する。

なお、クアドラポールなど、２より多数のモノポール音源からなる多重極音源についても、回転行列で回転させて新たな座標を算出することで指向性の回転に対応したモノポール音源の座標を計算する。

図２を参照して、本発明の実施の形態に係る焦点位置決定部１２による焦点位置決定処理を説明する。

まずステップＳ１１において焦点位置決定部１２は、仮想音源の座標と指向性の方向の情報を取得し、ステップＳ１２において、メモリから所望の特定に対応する１以上の初期焦点の情報を読み出す。

次に、ステップＳ１２で読み出した各初期焦点について、焦点位置決定部１２は、ステップＳ１３およびステップＳ１４の処理を繰り返す。ステップＳ１３において焦点位置決定部１２は、処理対象の対象焦点座標に、ステップＳ１１で取得した指向性の方向から特定される回転行列をかける。ここで用いられる対象焦点座標は、仮想音源に対する相対座標である。ステップＳ１４において焦点位置決定部１２は、仮想音源の座標に、ステップＳ１３により回転行列をかけた後の座標を加算して、指向性を考慮した焦点座標を決定する。

ステップＳ１２で読み出した各初期焦点について、ステップＳ１３およびステップＳ１４の処理が終了すると、焦点位置決定部１２は処理を終了する。

なお、ステップＳ１３ないしステップＳ１４の処理は、各焦点に対して行われればよく、どのような順序で行われても良い。

図３ないし図５を参照して、焦点位置決定部１２の処理のシミュレーション結果を説明する。図３は、直線状スピーカアレイと、初期焦点を示す。直線状スピーカアレイは、（−２，０）から、（２，０）に配設され、一対の初期焦点座標は、（０，１−０．０３４５）および（０，１＋０．０３４５）である。このとき、仮想音源の座標は、（０，１）である。この際の音場は、図３に示すように、左右対称に形成され、指向性がない。

焦点位置決定部１２は、このような初期焦点座標に対して、式（１）で特定される回転行列かける。図４に示すように、初期焦点座標（１，１．０３４５）の仮想音源座標（０．０，１．０）に対する相対座標は、（０．０，０．０３４５）となる。焦点位置決定部１２は、初期焦点座標の仮想音源座標に対する相対座標に対して、回転行列をかけ、仮想音源座標を加算することにより、回転後の座標（０．０１７２，１．０２９９）を得る。もう一方の初期焦点座標（０，１−０．０３４５）に対しても同様に処理することにより、焦点位置決定部１２は、回転後の座標（−０．０１７２，０．９７０１）を得る。

図５は、図４の計算によって得られた回転後の座標における音場を示す。各モノポール座標は、図３と比べて時計回りに回転され、指向性が実現されている。

焦点位置決定部１２によって、各初期焦点について、指向性を考慮した焦点座標が算出されると、フィルタ係数演算部１３により、処理される。

フィルタ係数演算部１３は、焦点位置決定部１２から出力された全ての焦点の座標を受け取り、スピーカ毎に周波数領域でフィルタを設計した後、逆フーリエ変換することで各スピーカに与えるインパルス応答ベクトルを出力する。フィルタ係数演算部１３は、直線状スピーカアレイの各スピーカについて、焦点位置決定部１２により決定された焦点座標のそれぞれから、入力音響信号Ｉに畳み込むインパルス応答ベクトルを算出する。フィルタ係数演算部１３は、指向性を考慮した焦点座標のそれぞれを用いて、対象周波数に対して駆動関数を計算し、計算された駆動関数を逆フーリエ変換して得られた時間領域の駆動関数を加算して、スピーカに対するインパルス応答ベクトルを算出する。

フィルタ係数演算部１３は、外部入力等により対象周波数を算出し、この対象周波数に対して、式（３）により駆動関数を算出する。

式（３）を、事前に決めた周波数範囲（例えば、100Hz ≦ f ＜ 2000Hz）について計算することで、フィルタ係数演算部１３は、直線状スピーカアレイの各スピーカのうち、ｉ番目のスピーカに与える駆動信号を求めることができる。フィルタ係数演算部１３は、これを直線状スピーカアレイの各スピーカに対して計算することにより、各スピーカに対して与える駆動信号が求まる。

フィルタ係数演算部１３は、式（３）で与えられる各スピーカの駆動信号に対する、Ｘ軸方向の逆フーリエ変換により時間領域に変換して、時間領域の波面合成として知られる式（４）を得る。式（４）における式（５）は、波面合成プレフィルタとして知られている。

時間領域での波面合成では、式（４）に示す通り、入力音響信号Ｉに式（５）で定義される波面合成プレフィルタを適用した上で、チャネル毎にパワー乗算とディレイを加えるだけで済むため、演算量を劇的に削減することができる。

図６を参照して、フィルタ係数演算部１３によるフィルタ係数決定処理を説明する。

まずステップＳ２１においてフィルタ係数演算部１３は、焦点位置決定処理で決定された各焦点座標を取得する。この各焦点座標は、初期焦点座標に対して所望の指向性が考慮された座標である。

フィルタ係数演算部１３は、ステップＳ２２ないしステップＳ２６の処理を繰り返して、各スピーカについて、インパルス応答ベクトルを算出する処理を行う。ステップＳ２２においてフィルタ係数演算部１３は、処理対象の対象スピーカのインパルス応答ベクトルをゼロで初期化する。

フィルタ係数演算部１３は、ステップＳ２２においてインパルス応答ベクトルを初期化した後、各焦点について、ステップＳ２３ないしステップＳ２５の処理を繰り返す。ステップＳ２３においてフィルタ係数演算部１３は、処理対象の対象焦点座標を用いて、対象周波数に対して、式（３）により駆動関数を計算する。ステップＳ２４においてフィルタ係数演算部１３は、ステップＳ２３で計算された駆動関数を、逆フーリエ変換して、式（４）により、時間領域の駆動関数を取得する。ステップＳ２５において、ステップＳ２４で取得した時間領域の駆動関数をインパルス応答ベクトルに加算する。

各焦点についてステップＳ２３ないしステップＳ２５の処理が終了すると、ステップＳ２６においてフィルタ係数演算部１３は、この時点のインパルス応答ベクトルを、対象スピーカに与えるインパルス応答ベクトルに決定する。

各スピーカについてステップＳ２３ないしステップＳ２６の処理が終了すると、フィルタ係数演算部１３は、処理を終了する。

なお、ステップＳ２２ないしステップＳ２６の処理は、各スピーカに対して行われればよく、どのような順序で行われても良い。同様に、ステップＳ２３ないしステップＳ２５の処理は、各焦点に対して行われればよく、どのような順序で行われても良い。

フィルタ係数演算部１３により、直線状スピーカアレイの各スピーカに対するインパルス応答ベクトルが算出されると、畳み込み演算部１４が、入力音響信号Ｉに、インパルス応答ベクトルを畳み込むことにより、各スピーカに与える出力音響信号Ｏを算出する。

畳み込み演算部１４は、直線状スピーカアレイの各スピーカについて、入力音響信号Ｉに、スピーカに対応するインパルス応答ベクトルを畳み込んで、スピーカへの出力音響信号Ｏを出力する。畳み込み演算部１４は、所定のスピーカについて、このスピーカに対応するインパルス応答ベクトルを、入力音響信号Ｉに畳み込むことにより、このスピーカに対する出力音響信号Ｏを得る。畳み込み演算部１４は、各スピーカについて同様の処理を繰り返し、各スピーカに対する出力音響信号Ｏを得る。

図７を参照して、畳み込み演算部１４による畳み込み演算処理を説明する。

畳み込み演算部１４は、ステップＳ３１およびステップＳ３２の処理を、直線状スピーカアレイの各スピーカに対して繰り返す。ステップＳ３１において畳み込み演算部１４は、フィルタ係数演算部１３から、処理対象の対象スピーカのインパルス応答ベクトルを取得する。ステップＳ３２において入力音響信号Ｉに、ステップＳ３１で取得したインパルス応答ベクトルを畳み込み、出力音響信号Ｏを取得する。

各スピーカについてステップＳ３１ないしステップＳ３２の処理が終了すると、畳み込み演算部１４は、処理を終了する。なお、ステップＳ３１ないしステップＳ３２の処理は、各スピーカに対して行われればよく、どのような順序で行われても良い。

第１の実施の形態に係る音響信号処理装置１は、予め、初期焦点座標に回転をかけて、所望の指向性を実現する焦点座標を算出して、各焦点座標に対して、各スピーカに対応するインパルス応答ベクトルを算出する。これにより、音響信号処理装置１は、入力音響信号Ｉに対して、各スピーカに対応するインパルス応答ベクトルを畳み込むことにより、各スピーカへの出力音響信号Ｏを得る。

第１の実施の形態に係る音響信号処理装置１は、少ない演算量で、仮想音源で所望の指向性を実現することができる。また第１の実施の形態に係る音響信号処理装置１は、仮想音源の生成にマイクアレイを必要せず、通常のマイクロフォンから収録されたモノラルの音源から複数チャネル分の音響信号を生成して、仮想的な音源を作り出すことができる。

（第２の実施の形態）
図８を参照して、第２の実施の形態に係る音響信号処理装置１ａを説明する。第２の実施の形態に係る音響信号処理装置１ａは、時間領域での波面合成を用いて、低演算量で仮想音源を多重極音源にする。第２の実施の形態に係る音響信号処理装置１ａは、図１の畳み込み演算部１４の代わりに、フィルタ演算部１５、遅延調整部１６およびゲイン乗算部１７を用いることにより、大幅な演算量の削減を実現する。

音響信号処理装置１ａは、メモリ１０、焦点位置決定部１２、フィルタ演算部１５、遅延調整部１６およびゲイン乗算部１７を備える。メモリ１０および焦点位置決定部１２は、第１の実施の形態と同様である。

フィルタ演算部１５は、第１の実施の形態と同様の方法で、上記式（５）により波面合成プレフィルタを算出し、入力音響信号Ｉに波面合成プレフィルタを畳み込んで重み付き音響信号を出力する。

図９を参照して、フィルタ演算部１５によるフィルタ演算処理を説明する。

まずステップＳ５１においてフィルタ演算部１５は、式（５）により、波面合成プレフィルタを算出する。ステップＳ５２において入力音響信号Ｉに、ステップＳ５１で算出した波面号令プレフィルタを畳み込み、重み付き音響信号を出力する。

遅延調整部１６は、直線状スピーカアレイの各スピーカについて、スピーカと焦点座標のそれぞれの距離から決まる遅延量をそれぞれ算出し、重み付き音響信号を、算出されたそれぞれの遅延量で遅延させて、焦点座標のそれぞれについて、遅延音響信号を出力する。

遅延調整部１６は、焦点位置決定部１２により出力された複数の焦点位置のそれぞれについて、焦点の位置とスピーカ位置の距離を音速で進むのに必要な時間だけ出力信号に遅延を加えて遅延音響信号を出力する。焦点位置決定部１２が出力した焦点をＭとすると、Ｍ個すべての焦点について、式（６）により遅延音響信号を算出する。

ゲイン乗算部１７は、直線状スピーカアレイの各スピーカについて、スピーカと焦点座標の位置から決まるゲインを、焦点座標のそれぞれの遅延音響信号に乗じて、スピーカへの出力音響信号Ｏを出力する。

ゲイン乗算部１７は、所定のスピーカについて、焦点座標とスピーカアレイとの距離を、焦点音源とスピーカ位置との距離の３／２乗で割ることで得られるゲインを、遅延調整部１６によって得られた遅延音響信号に乗ずることによって出力音響信号Ｏを算出する。「焦点座標とスピーカアレイとの距離」は、スピーカアレイがＸ軸上に配列されている場合の、スピーカアレイのＹ軸上の値と、焦点座標のＹ軸の値の差分である。所定のスピーカに対する出力音響信号Ｏは、式（７）によって得られる。ゲイン乗算部１７は、各スピーカについて、式（７）により出力音響信号Ｏを算出する。

遅延調整部１６およびゲイン乗算部１７は、直線状スピーカアレイの所定のスピーカについて、スピーカの位置に対応する遅延とゲインを設定した遅延調整部とゲイン乗算部の処理を行って出力音響信号を生成する。これを着目するスピーカを次々に変化させて同様の処理を行うことにより、遅延調整部１６およびゲイン乗算部１７は、直線状スピーカアレイの各スピーカに対する出力音響信号Ｏを得る。

図１０を参照して、遅延調整部１６およびゲイン乗算部１７による遅延調整およびゲイン乗算処理を説明する。

まず音響信号処理装置１ａは、直線状スピーカアレイの各スピーカについて、ステップＳ６１およびステップＳ６２の処理を行う。

まず遅延調整部１６は、各焦点について、ステップＳ６１の処理を行う。ステップＳ６１において遅延調整部１６は、対象スピーカと対象焦点完を、音速で進む時間だけ遅延させた遅延音響信号を出力する。各焦点について遅延音響信号が出力さされると、ゲイン乗算部１７は、ステップＳ６１で算出された各焦点に対する遅延音響信号に、対象スピーカのゲインを乗じて、対象スピーカに対する出力音響信号Ｏを出力する。

各スピーカについて、ステップＳ６１およびＳ６２の処理が終了すると、音響信号処理装置１ａは、処理を終了する。

なお、ステップＳ６１の処理は、各焦点に対して行われればよく、どのような順序で行われても良い。同様に、ステップＳ６２の処理は、各スピーカに対して行われればよく、どのような順序で行われても良い。また処理環境等に応じて、所定の処理が並列に行われても良い。

第２の実施の形態に係る音響信号処理装置１ａは、予め、初期焦点座標に回転をかけて、所望の指向性を実現する焦点座標を算出するとともに、波面合成プレフィルタを算出する。音響信号処理装置１ａは、入力音響信号Ｉに波面号令プレフィルタを畳み込んで重み付き音響信号を生成し、各スピーカと各焦点の位置に応じて、適切な遅延およびゲインを与えることにより、各スピーカへの出力音響信号Ｏを得る。

第２の実施の形態に係る音響信号処理装置１ａは、第１の実施の形態に比べてさらに少ない演算量で、第１の実施の形態と同様に仮想音源で所望の指向性を実現することができる。また第２の実施の形態に係る音響信号処理装置１ａは、第１の実施の形態と同様に、仮想音源の生成にマイクアレイを必要せず、通常のマイクロフォンから収録されたモノラルの音源から複数チャネル分の音響信号を生成して、仮想的な音源を作り出すことができる。

（第３の実施の形態）
図１１を参照して、第３の実施の形態に係る音響信号処理装置１ｂを説明する。第３の実施の形態に係る音響信号処理装置１ｂは、時間領域での波面合成を用いて、低演算量で仮想音源を多重極音源にして、再現音場の精度を向上する。

第３の実施の形態に係る音響信号処理装置１ｂは、図８に示す第２の実施の形態に係る音響信号処理装置１ａと比べて、フィルタ演算部１５と遅延調整部１６との間に補正フィルタ演算部１８を備え、焦点位置決定部１２が、補正フィルタ演算部１８に接続される点が異なる。補正フィルタ演算部１８以外の各部の動作は、第２の実施の形態に係る各部の動作と同様である。

補正フィルタ演算部１８は、各スピーカ（チャネル）について、非整数遅延を補正するための補正フィルタを算出し、重み付き音響信号に補正フィルタを適用して補正後の音響信号を出力する。ここで、各スピーカについて、非整数遅延を補正するための補正フィルタは、非整数遅延分のディレイを用いて得られるフィルタである。補正フィルタとしては、sinc関数を用いるフィルタ、ＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタ（Lagrange Interpolation）、ＩＩＲ（Infinite impulse response）フィルタ（THIRANフィルタ）等が考えられる。

まず、補正フィルタが、sinc関数を用いるフィルタである場合を説明する。第３の実施の形態において補正フィルタ演算部１８は、式（８）に従って、補正フィルタを算出する。

次に、式（９）に示すように、波面合成プレフィルタ適用後の入力信号に、式（８）の補正フィルタを適用する。

式（９）により算出された補正フィルタ適用後の入力信号は、遅延調整部１６に入力される。

第３の実施の形態において遅延調整部１６は、補正後の音響信号（式（９）により算出された補正フィルタ適用後の入力信号）を、算出されたそれぞれの遅延量で遅延させて、焦点座標のそれぞれについて、遅延音響信号を出力する。

次に、補正フィルタが、ＦＩＲフィルタである場合を説明する。第３の実施の形態において補正フィルタは、式（１０）で定義されるＦＩＲフィルタで求められても良い。

このとき、式（９）に示すように、波面合成プレフィルタ適用後の入力信号に、式（１０）の補正フィルタを適用する。

さらに、補正フィルタが、ＩＩＲフィルタである場合を説明する。第３の実施の形態において補正フィルタは、式（１１）で求められるＩＩＲフィルタであっても良い。

このとき、式（１２）に示すように、波面合成プレフィルタ適用後の入力信号に、式（１２）の補正フィルタを適用する。

従来、時間領域実装による焦点音源法において、式（２）に示すように、入力音源に波面合成プレフィルタを適用した後、スピーカごとにゲイン乗算とディレイ処理を行う。通常のディレイ処理は、ディジタル信号のサンプル単位で行うため、非整数サンプル分のディレイを反映することができない。例えば、ナイキスト周波数48 kHzでサンプリングされた音声を考えると、周波数領域での実装と比較して約7.1mm（＝音速340m/s ÷ 48000サンプル）の誤差が生じる。このように各スピーカから出力された音声信号がそれぞれ誤差を有するため、予め設定した焦点に各スピーカから出力された音声信号が集まらず、音場の精度が低下する問題がある。

そこで、第３の実施の形態に示すように、スピーカごとに補正フィルタを算出して適用することで音場再現の精度を改善することが可能になる。
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の第１ないし第３の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなる。

本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１ 音響信号処理装置
１０ メモリ
１１ 焦点データ
１２ 焦点位置決定部
１３ フィルタ係数演算部
１４ 畳み込み演算部
１５ フィルタ演算部
１６ 遅延調整部
１７ ゲイン乗算部
１８ 補正フィルタ演算部
Ｉ 入力音響信号
Ｏ 出力音響信号

Claims (10)

1. 入力音響信号を、仮想音源を実現するための直線状スピーカアレイの各スピーカへの出力音響信号に変換する音響信号処理装置であって、
   複数の初期焦点座標と、仮想音源の座標および指向性の方向を取得して、
   前記複数の初期焦点座標のそれぞれについて、前記仮想音源の座標に基づいて、前記初期焦点座標に前記指向性の方向から特定される回転行列をかけて、指向性を考慮した焦点座標を決定する焦点位置決定部と、
   前記直線状スピーカアレイの各スピーカについて、前記焦点位置決定部により決定された前記焦点座標のそれぞれから、前記入力音響信号に畳み込むインパルス応答ベクトルを算出するフィルタ係数演算部と、
   前記直線状スピーカアレイの各スピーカについて、前記入力音響信号に、前記スピーカに対応するインパルス応答ベクトルを畳み込んで、前記スピーカへの出力音響信号を出力する畳み込み演算部
   を備えることを特徴とする音響信号処理装置。
2. 前記焦点位置決定部は、
   前記仮想音源の座標に対する前記初期焦点座標の相対座標に前記回転行列をかけ、前記回転行列をかけて得られた座標に、前記仮想音源の座標を加算して、前記指向性を考慮した焦点座標を決定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の音響信号処理装置。
3. 前記フィルタ係数演算部は、
   前記指向性を考慮した焦点座標のそれぞれを用いて、対象周波数に対して駆動関数を計算し、計算された駆動関数を逆フーリエ変換して得られた時間領域の駆動関数を加算して、前記スピーカに対するインパルス応答ベクトルを算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の音響信号処理装置。
4. 入力音響信号を、仮想音源を実現するための直線状スピーカアレイの各スピーカへの出力音響信号に変換する音響信号処理方法であって、
   複数の初期焦点座標と、仮想音源の座標および指向性の方向を取得するステップと、
   前記複数の初期焦点座標のそれぞれについて、前記仮想音源の座標に基づいて、前記初期焦点座標に前記指向性の方向から特定される回転行列をかけて、指向性を考慮した焦点座標を決定するステップと、
   前記直線状スピーカアレイの各スピーカについて、前記決定するステップにより決定された前記焦点座標のそれぞれから、前記入力音響信号に畳み込むインパルス応答ベクトルを算出するステップと、
   前記直線状スピーカアレイの各スピーカについて、前記入力音響信号に、前記スピーカに対応するインパルス応答ベクトルを畳み込んで、前記スピーカへの出力音響信号を出力するステップ
   を備えることを特徴とする音響信号処理方法。
5. 入力音響信号を、仮想音源を実現するための直線状スピーカアレイの各スピーカへの出力音響信号に変換する音響信号処理装置であって、
   複数の初期焦点座標と、仮想音源の座標および指向性の方向を取得して、
   前記複数の初期焦点座標のそれぞれについて、前記仮想音源の座標に基づいて、前記初期焦点座標に前記指向性の方向から特定される回転行列をかけて、指向性を考慮した焦点座標を決定する焦点位置決定部と、
   波面合成プレフィルタを算出し、前記入力音響信号に前記波面合成プレフィルタを畳み込んで重み付き音響信号を出力するフィルタ演算部と、
   前記直線状スピーカアレイの各スピーカについて、前記スピーカと前記焦点座標のそれぞれの距離から決まる遅延量をそれぞれ算出し、前記重み付き音響信号を、算出されたそれぞれの遅延量で遅延させて、前記焦点座標のそれぞれについて、遅延音響信号を出力する遅延調整部と、
   前記直線状スピーカアレイの各スピーカについて、前記スピーカと前記焦点座標の位置から決まるゲインを、前記焦点座標のそれぞれの前記遅延音響信号に乗じて、前記スピーカへの出力音響信号を出力するゲイン乗算部
   を備えることを特徴とする音響信号処理装置。
6. 前記波面合成プレフィルタは、
   

   

   であることを特徴とする請求項５に記載の音響信号処理装置。
7. 各スピーカについて、非整数遅延を補正するための補正フィルタを算出し、前記重み付き音響信号に前記補正フィルタを適用して補正後の音響信号を出力する補正フィルタ演算部をさらに備え、
   前記遅延調整部は、前記補正後の音響信号を、算出されたそれぞれの遅延量で遅延させて、前記焦点座標のそれぞれについて、遅延音響信号を出力する
   ことを特徴とする請求項５に記載の音響信号処理装置。
8. 各スピーカについて、非整数遅延を補正するための補正フィルタは、非整数遅延分のディレイを用いて得られるフィルタである
   ことを特徴とする請求項７に記載の音響信号処理装置。
   
   
9. 入力音響信号を、仮想音源を実現するための直線状スピーカアレイの各スピーカへの出力音響信号に変換する音響信号処理方法であって、
   複数の初期焦点座標と、仮想音源の座標および指向性の方向を取得するステップと、
   前記複数の初期焦点座標のそれぞれについて、前記仮想音源の座標に基づいて、前記初期焦点座標に前記指向性の方向から特定される回転行列をかけて、指向性を考慮した焦点座標を決定するステップと、
   波面合成プレフィルタを算出し、前記入力音響信号に前記波面合成プレフィルタを畳み込んで重み付き音響信号を出力するステップと、
   前記直線状スピーカアレイの各スピーカについて、前記スピーカと前記焦点座標のそれぞれの距離から決まる遅延量をそれぞれ算出し、前記重み付き音響信号を、算出されたそれぞれの遅延量で遅延させて、前記焦点座標のそれぞれについて、遅延音響信号を出力するステップと、
   前記直線状スピーカアレイの各スピーカについて、前記スピーカと前記焦点座標の位置から決まるゲインを、前記焦点座標のそれぞれの前記遅延音響信号に乗じて、前記スピーカへの出力音響信号を出力するステップ
   を備えることを特徴とする音響信号処理方法。
10. コンピュータに、請求項１ないし請求項３、請求項５ないし請求項８のいずれか１項に記載の音響信号処理装置として機能させるための音響信号処理プログラム。

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