JP7071647B2 - 音像定位装置、音像定位方法、およびプログラム - Google Patents

音像定位装置、音像定位方法、およびプログラム Download PDF

Info

Publication number
JP7071647B2
JP7071647B2 JP2019016881A JP2019016881A JP7071647B2 JP 7071647 B2 JP7071647 B2 JP 7071647B2 JP 2019016881 A JP2019016881 A JP 2019016881A JP 2019016881 A JP2019016881 A JP 2019016881A JP 7071647 B2 JP7071647 B2 JP 7071647B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
filter
directivity
directivity control
unit
speaker
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2019016881A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2020127074A (ja
Inventor
健太 今泉
公孝 堤
篤 中平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP2019016881A priority Critical patent/JP7071647B2/ja
Priority to US17/426,761 priority patent/US11875774B2/en
Priority to PCT/JP2020/001405 priority patent/WO2020158433A1/ja
Publication of JP2020127074A publication Critical patent/JP2020127074A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7071647B2 publication Critical patent/JP7071647B2/ja
Priority to US18/367,266 priority patent/US20230419945A1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/34—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using electrical steering of transducer arrays, e.g. beam steering
    • G10K11/341—Circuits therefor
    • G10K11/343—Circuits therefor using frequency variation or different frequencies
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/32—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only
    • H04R1/323—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only for loudspeakers
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/28—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using reflection, e.g. parabolic reflectors
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/34—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using electrical steering of transducer arrays, e.g. beam steering
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/32—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only
    • H04R1/40—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only by combining a number of identical transducers
    • H04R1/403—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only by combining a number of identical transducers loud-speakers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R3/12—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones for distributing signals to two or more loudspeakers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2203/00—Details of circuits for transducers, loudspeakers or microphones covered by H04R3/00 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2203/12—Beamforming aspects for stereophonic sound reproduction with loudspeaker arrays

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Otolaryngology (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Circuit For Audible Band Transducer (AREA)
  • Obtaining Desirable Characteristics In Audible-Bandwidth Transducers (AREA)
  • Stereophonic System (AREA)

Description

本技術は、音像定位装置、音像定位方法、およびプログラムに関し、特に、スピーカ本体ではなく任意の位置に仮想的な音源を生成する演出効果をもつ音響再生技術に関する。
近年、パブリックビューイングや家庭において、スピーカを複数配置した再生方式が広まっている。また3D映像・ワイド映像などの映像技術が広まるとともに、音響に関してもスピーカ本体ではなく任意の位置に仮想的な音源を生成することで、より高い臨場感の感じられる再生を実現する取り組みが行われている。特に、超音波を利用した鋭い指向性を持つスピーカや、通常のスピーカを複数並べて構成したスピーカアレイを用いた指向性制御により、音の指向性を制御し、音を壁面に反射させることで仮想的なスピーカを形成するといったことが行われている。一般的に、超音波スピーカは超音波を可聴音に復調しているため、復調の際に歪みが発生することで音質を劣化させ、特に高音域の再生が困難となる。音楽など様々なコンテンツを再生することを考えると、高音質、かつ広い周波数帯域での再生が可能な指向性再生が求められる。
（指向性制御技術）
以下、指向性制御技術について説明する。指向性制御技術は、スピーカを複数個並べたスピーカアレイの周囲に制御点を配置し、スピーカから制御点までの伝達の特性を基に、各スピーカの振幅、位相を制御するフィルタを設計し、当該フィルタを入力信号に適用することで、スピーカから強く音が伝播する方向、または音が伝播しない方向を制御する技術である。
代表的な手法として、最小二乗法による指向性制御のフィルタ設計がある。図７に最小二乗法による指向性制御のフィルタ設計を説明するための観測系を示す。各スピーカに対応する指向性制御のフィルタを格納したベクトルをw(ω)=[w1(ω),w2(ω),…,wL(ω)]Tとし、各制御点で観測される信号をdO(ω)=[dO 1(ω),dO 2(ω),…,dO M(ω)]Tとすると、信号dO(ω)は以下のように表される。
Figure 0007071647000001
 ここで、G(ω)は各スピーカから各制御点までの伝達関数Gml(ω)を格納したM行L列の伝達関数行列であり、Gml(ω)は以下の式で与えられる。
Figure 0007071647000002
 ここで、jは虚数j=√-1であり、kは波数、rmlはm番目の制御点からl番目のスピーカまでの距離である。指向性制御のフィルタを求める最小二乗法は、所望の指向特性d(ω)と、制御点にて観測される指向特性dO(ω)との誤差の二乗和||e||2を最小化するフィルタw(ω)を求める最小化問題となる。したがって、最小化する目的関数Jは以下の式で表される。
Figure 0007071647000003
 ここで、上付き添字Hは複素共役転置を表す。w(ω)に対して、式(3)で表される目的関数Jを最小化する問題を解くことで以下の指向性制御のフィルタが求まる。
Figure 0007071647000004
（反射板を用いた指向性制御技術）
音の反射を用いて仮想的なスピーカを作り出す音響再生技術に対して、特許文献１に基づく手法は、指向性スピーカからの放射音と反射板からの反射音の総和が任意の点で最大になるように指向性を制御し、局所再生を実現している。
（罰則項によるフィルタゲイン抑圧）
音の指向性を制御するフィルタを設計する際に、フィルタからの出力音源に影響を与えるフィルタゲインが含まれた形でフィルタが算出される。ここで、ある角周波数ωにおけるl番目のスピーカに対応するフィルタゲインFl gain(ω)は以下のように定義する。
Figure 0007071647000005
 ここで、wl(ω)はl番目のスピーカに対応するフィルタ係数を表す。また、上付きの*は複素共役を表す。フィルタゲインが大きいと、入力信号も比例して大きくなり、大きな負荷がスピーカにかかるため再生が困難である。それに対して、非特許文献１はフィルタを導出する目的関数に対して後述する罰則項を用いて、指向性を制御するフィルタを導出した。この際、フィルタゲインを抑圧するために、フィルタ係数の二乗和を罰則項として用いた。
最小二乗法による指向性制御のフィルタを例に、罰則項が用いられた際の指向性制御のフィルタを考える。式(3)の目的関数Jに罰則項を用いると、以下のようになる。
Figure 0007071647000006
 ここで、β(ω)は正則化パラメータであり、損失項である||e||2と罰則項である||w(ω)||2との相対的な重みを制御するパラメータである。式(4)と同様にw(ω)に関する最小化問題を解くことで、以下の指向性制御のフィルタが求まる。
Figure 0007071647000007
 ここで、IはL行L列の単位行列である。
（指向性制御と音の壁面反射を用いた音像定位システム）
図８に音の指向性の反射を用いた音像定位のイメージ図を示す。図８中の符号１００はスピーカアレイ、符号１０１は仮想的なスピーカ、符号１０２は天井や壁、符号１０３は直接音、符号１０４は反射音、符号１０５は受聴点を示している。非特許文献２に基づく方法は、正多面体スピーカの指向性再生により、図８のように天井に音を反射させることで上方への音像定位を実現している。その際、正規化マッチドフィルタを用いて広い周波数帯域であり、かつ音質を保持した指向性を形成している。
図９に正規化マッチドフィルタを設計する際の観測系を示す。正規化マッチドフィルタは、入力音響信号がスピーカから放射され、目標とした任意の制御点にて観測されるとき、観測される信号と入力音響信号とが一致するフィルタを与えることにより得られる。したがって、正規化マッチドフィルタにおけるl番目のスピーカに与える駆動信号Wl(ω)は、周波数領域で以下の式で設計できる。
Figure 0007071647000008
 ここで、ωは角周波数(ω=2πf）、fは周波数、Gl(ω)はl番目のスピーカから目標である制御点までの伝達関数である。伝達関数Gl(ω)はインパルス応答gl(n)のフーリエ変換により得られる。
Figure 0007071647000009
 ここで、nは時間項を表しており、Fはフーリエ変換を表している。スピーカアレイを構成する全てのスピーカに対してこの計算を行うことで、正規化マッチドフィルタが求まる。
また非特許文献２では、上方への音像の定位に関して、壁面からの反射音とスピーカからの直接音との間に5dBよりも大きい音圧差があれば反射音方向に音像が定位することを実験的に確認している。
特開２０１２－００８１５６号公報
Marinus M. Boone,Wan-Ho Cho,Jeong-Guon Ih, "Design of a Highly Directional Endfire Loudspeaker Array", Journal of the Audio Engineering Society 57.5 (2009): 309-325. Hiroo Sakamoto, Yoichi Haneda, "Sound Localization of Beamforming-Controlled Reflecte Sound from Ceiling in Presence of Direct Sound", in 144th Audio Engineering Society Convension paper 9949, 2018, May.
非特許文献２によると、壁面からの反射音とスピーカからの直接音の差が5dBより大きい場合、上方への音像の定位が可能であることが確認されている。そのため、スピーカからの直接音を抑圧しつつ、高音質、かつ広い周波数帯域からなる指向性のある音を形成する必要がある。しかし、従来の一般的な手法を用いた指向性制御では実現が困難である。
非特許文献２に記載の手法では、高音質であり、かつ広い周波数帯域を用いた指向性再生を実現している。しかし、この手法は意図して指向性を設計している手法ではないため、指向性を形成することは可能ではあるが、任意の指向特性を与えることができないという課題がある。
広い周波数帯域に対して指向性制御のフィルタを設計する場合、フィルタを設計することは可能ではあるが、低域のフィルタゲインが大きくなるため再生することが困難なフィルタが計算される。それに対して非特許文献１は、フィルタゲインを抑圧する罰則項を用いることでフィルタゲインを抑圧している。罰則項の重みである正則化パラメータは、周波数ごとの所望の指向特性の再現度とフィルタゲインの大きさを基に、実験的に全ての周波数に対して同じ値を用いている。全周波数で同じ正則化パラメータを用いる場合、周波数ごとに最適なパラメータを与えられないという課題がある。また、各周波数ごとに正則化パラメータを決定する場合、用いる周波数の数だけ設定する必要があり実験的に設定するのは困難である。加えて、所望の指向特性の再現性とフィルタゲインの大きさはトレードオフの関係であるため、最適なパラメータを設定するのが困難であるといった課題がある。
本発明は、上述した従来の技術に鑑み、仮想的なスピーカが広い周波数を取り扱え、かつ高音質な再生が可能になる音像定位装置、音像定位方法、およびプログラムを提供することを目的とする。
第１の態様に係る発明は、音像定位装置であって、所望の指向特性から指向性制御フィルタを算出する指向性制御フィルタ設計部と、前記指向性制御フィルタ設計部により算出された指向性制御フィルタに対し補正を行うフィルタ係数補正部と、入力音響信号と前記フィルタ係数補正部により補正された指向性制御フィルタを畳み込み、出力音響信号を算出する畳み込み演算部とを有し、前記指向性制御フィルタ設計部、および前記フィルタ係数補正部により、スピーカアレイを構成する各スピーカに対応するフィルタを算出し、スピーカアレイによる指向性制御を用いて音響ビームを作り出し、その音響ビームを壁面、または天井に反射させることで仮想的な音源を作り出すことを要旨とする。
第２の態様に係る発明は、第１の態様に係る発明において、前記フィルタ係数補正部は、各周波数におけるフィルタ係数の絶対値であるフィルタゲインが一定となるように算出することを要旨とする。
第３の態様に係る発明は、音像定位装置であって、所望の指向特性から目的関数を設定する目的関数設定部と、線形、または非線形制約を設定する制約設定部と、前記目的関数設定部により設定された目的関数、および前記制約設定部により設定された制約から最適なフィルタ係数を算出する最適化部と、入力音響信号と前記最適化部により算出された指向性制御フィルタを畳み込み、出力音響信号を算出する畳み込み演算部とを有し、前記目的関数設定部、前記制約設定部、および前記最適化部により、スピーカアレイを構成する各スピーカに対応するフィルタを算出し、スピーカアレイによる指向性制御を用いて音響ビームを作り出し、その音響ビームを壁面、または天井に反射させることで仮想的な音源を作り出すことを要旨とする。
第４の態様に係る発明は、第３の態様に係る発明において、前記制約設定部は、各周波数におけるフィルタゲインの値が一定となるような制約、および所望の指向特性から指向特性に関する制約のうちの少なくとも１つを設定することを要旨とする。
第５の態様に係る発明は、音像定位方法であって、所望の指向特性から指向性制御フィルタを算出する指向性制御フィルタ設計ステップと、前記指向性制御フィルタ設計ステップで算出された指向性制御フィルタに対し補正を行うフィルタ係数補正ステップと、入力音響信号と前記フィルタ係数補正ステップで補正された指向性制御フィルタを畳み込み、出力音響信号を算出する畳み込み演算ステップとを有し、前記指向性制御フィルタ設計ステップ、および前記フィルタ係数補正ステップで、スピーカアレイを構成する各スピーカに対応するフィルタを算出し、スピーカアレイによる指向性制御を用いて音響ビームを作り出し、その音響ビームを壁面、または天井に反射させることで仮想的な音源を作り出すことを要旨とする。
第６の態様に係る発明は、音像定位方法であって、所望の指向特性から目的関数を設定する目的関数設定ステップと、線形、または非線形制約を設定する制約設定ステップと、前記目的関数設定ステップで設定された目的関数、および前記制約設定ステップで設定された制約から最適なフィルタ係数を算出する最適化ステップと、入力音響信号と前記最適化ステップで算出された指向性制御フィルタを畳み込み、出力音響信号を算出する畳み込み演算ステップとを有し、前記目的関数設定ステップ、前記制約設定ステップ、および前記最適化ステップで、スピーカアレイを構成する各スピーカに対応するフィルタを算出し、スピーカアレイによる指向性制御を用いて音響ビームを作り出し、その音響ビームを壁面、または天井に反射させることで仮想的な音源を作り出すことを要旨とする。
第７の態様に係る発明は、第１または第２の態様に係る音像定位装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムであることを要旨とする。
第８の態様に係る発明は、第３または第４の態様に係る音像定位装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムであることを要旨とする。
本発明によれば、仮想的なスピーカが広い周波数を取り扱え、かつ高音質な再生が可能になる音像定位装置、音像定位方法、およびプログラムを提供することが可能である。
実施形態１における音像定位装置の構成図である。 実施形態１における音像定位装置の動作を示すフローチャートである。 実施形態１における音像定位装置における指向特性の設定方法の説明図である。 実施形態１における音像定位装置における指向特性の設定方法の説明図である。 実施形態２における音像定位装置の構成図である。 実施形態２における音像定位装置の動作を示すフローチャートである。 指向性制御のフィルタを求める際の観測系を示す図である。 音の指向性の反射を用いた音像定位のイメージ図である。 正規化マッチドフィルタを設計する際の観測系を示す図である。
以下、図面を用いて発明を実施するための最適な実施形態を説明する。
（概要）
上記で述べた通り、一般的な手法による指向性制御を用いて音響ビームを生成し、これを壁面に反射させ仮想的なスピーカを生成することは、周波数帯域、および音質の面で困難である。仮想的に生成するスピーカが一つのスピーカとして広い周波数を取り扱え、かつ高音質である必要がある。
本発明の実施形態では、非特許文献１のように罰則項を用いてフィルタゲインを抑圧するのではなく、非特許文献２のように全ての周波数帯域でフィルタゲインが等しくなるように拘束しつつ、所望の指向特性を生成可能な指向性制御のフィルタを設計し、図８のように壁面の反射を用いて仮想的なスピーカを生成する。
（実施形態１）
実施形態１では、最小二乗法のような手法により設計した指向性制御のフィルタに対して、フィルタゲインを拘束する補正を用いることで、広い周波数を取り扱え、かつ高音質な再生を可能とする指向性再生を実現する例である。
図１は、実施形態１における音像定位装置１０の構成図であり、図２は、その動作を示すフローチャートである。実施形態１における音像定位装置１０は、反射音による音像定位装置１０であって、指向性制御フィルタ設計部１１と、フィルタ係数補正部１２と、畳み込み演算部１３とを有する。もちろん、音像定位装置１０は、その他の構成要素を有してもよい。例えば、図８に示される指向性制御フィルタを有してもよい。
指向性制御フィルタ設計部１１は、入力した所望の指向特性から、基本となる指向性制御のフィルタを算出する（図２、ステップＳ１１→Ｓ１２）。ここで、所望の指向特性は式(1)のベクトルdに対応し、基本となる指向性制御フィルタは式(1)のベクトルwに対応する。この時、入力する所望の指向特性はスピーカとは特に関係なく、制御点に対応するものであり、本装置の外部で任意に設定される（例として、後述の図３、図４。制御点が10度刻みに円状にスピーカの周囲に36点ある場合、所望特性dは36行1列のベクトルになる）。基本となる指向性制御フィルタの算出に用いる手法は、基本となる指向性制御フィルタを用いた時に観測点で観測される指向特性と所望の指向特性との誤差が最小化される手法であればなんでも良いが、例えば最小二乗法などを用いることができる。
フィルタ係数補正部１２は、入力した基本となる指向性制御のフィルタから、補正された指向性制御フィルタを算出する（図２、ステップＳ１３）。フィルタ係数補正部１２は、基本となる指向性制御フィルタに対し、各周波数におけるフィルタ係数の絶対値であるフィルタゲインが一定となるような補正を行い、補正された指向性制御フィルタを算出する。例えば、基本となる指向性制御フィルタのある周波数に着目し、それに対応するフィルタ係数を当該フィルタ係数の絶対値で除した上で事前に定めた定数で乗算する。この処理を着目する全ての周波数に対して実施することで、各周波数におけるフィルタゲインを一定にすることができる。
畳み込み演算部１３は、入力した入力音響信号と、補正された指向性制御フィルタから出力音響信号を算出する（図２、ステップＳ１４）。畳み込み演算部１３は、入力音響信号に対して指向性制御フィルタを畳み込み、出力音響信号を算出する。
出力音響信号をスピーカアレイから再生することにより、所望の指向特性に対応する音響信号を再生することができる。
（指向特性の設定方法）
図３に、明確に作りたい指向性の形状（指向特性）が決まっている場合を示す。ここでは、M個の制御点をもつ観測系を考える。例えば、制御点が10度刻みに円状にスピーカの周囲に36点ある場合、所望特性dは36行1列のベクトルになる。このような場合、図３に示すように、d(ω)=[d1,d2,d3,…,dM-2,dM-1,dM]Tが所望の指向特性になる。
図４に、明確に作りたい指向性の形状（指向特性）が決まっていない場合を示す。ここでは、「制御点1に聴かせたい人がいて、制御点2に聴かせたくない人がいる」というように、満たしてほしい条件はあるものとする。このような場合、制御点1で観測される音圧と、制御点2で観測される音圧との差を最大化（制御点1＞制御点2）したいというのも所望の指向特性に入る。すなわち、この条件がモデル化されたものが所望の指向特性になる。
以上説明したように、実施形態１における音像定位装置１０は、所望の指向特性から指向性制御フィルタを算出する指向性制御フィルタ設計部１１と、指向性制御フィルタ設計部１１により算出された指向性制御フィルタに対し補正を行うフィルタ係数補正部１２と、入力音響信号とフィルタ係数補正部１２により補正された指向性制御フィルタを畳み込み、出力音響信号を算出する畳み込み演算部１３とを有する。そして、指向性制御フィルタ設計部１１、およびフィルタ係数補正部１２により、スピーカアレイを構成する各スピーカに対応するフィルタを算出し、スピーカアレイによる指向性制御を用いて音響ビームを作り出し、その音響ビームを壁面、または天井に反射させることで仮想的な音源を作り出す。これにより、仮想的なスピーカが広い周波数を取り扱え、かつ高音質な再生が可能になる音像定位装置１０を提供することが可能である。
また、フィルタ係数補正部１２は、各周波数におけるフィルタ係数の絶対値であるフィルタゲインが一定となるように算出するのが望ましい。これにより、所望の指向性再生を実現することが可能である。
なお、ここでは、「音響ビームを壁面、または天井に反射させる」と表現しているが、「壁面、または天井」の意味は広く解するものする。すなわち、「壁面、または天井」には、壁面や天井と同様、音響ビームを反射するその他のものが含まれる。
（実施形態２）
以下、実施形態２について説明する。なお、以下の説明では、実施形態１と異なる点を中心に説明することとし、実施形態１と同様の点については詳しい説明を省略する。
実施形態２では、目的関数として所望の指向特性を形成する関数を与え、制約としてフィルタゲインを一定の値に拘束する非線形等式制約を与える最適化問題を解きフィルタを設計することにより、所望の指向性再生を実現する例である。
図５は、実施形態２における音像定位装置２０の構成図であり、図６は、その動作を示すフローチャートである。実施形態２における音像定位装置２０は、目的関数設定部２１と、制約設定部２２と、最適化部２３と、畳み込み演算部２４とを有する。
目的関数設定部２１は、入力した所望の指向特性から目的関数を設定する（図６、ステップＳ２１→Ｓ２２）。代表的な例として、式(3)で表される所望の指向特性dと制御点にて観測される指向特性dOとの誤差の二乗和である最小二乗誤差などを用いることができる。実施形態１と同様、所望の指向特性は装置外で設定される。
制約設定部２２は、フィルタゲインに関する制約を設定する（図６、ステップＳ２３）。加えて、入力した所望の指向特性から指向特性に関する制約を追加して設定することも可能である（図６、ステップＳ２１→Ｓ２３）。フィルタゲインに関する制約として、実施形態１と同様に各周波数におけるフィルタゲインの値を一定にする制約を与える。指向特性に関する制約の例として、目標方向以外への音の放射を抑圧する制約や、目標方向の周波数応答を一定にする制約などを用いることができる。
最適化部２３は、入力した目的関数、制約の下、最適化を解くことで指向性制御のフィルタを算出する（図６、ステップＳ２４）。最小二乗法を例に、フィルタゲイン、および目標方向の周波数応答を拘束した最適化問題を以下に示す。
Figure 0007071647000010
 ここで、G(ω)は各スピーカから制御点までの伝達関数を格納した伝達関数行列、w(ω)=[w1(ω),w2(ω),…,wL(ω)]は各スピーカに対応するフィルタ係数wl(ω)を格納したフィルタ係数ベクトル、cは任意の定数、Gpoint(ω)は各スピーカから目標方向までの伝達関数を格納した伝達関数ベクトルを表す。式(10)のような最適化問題を解くことで、フィルタゲインを抑圧した指向性制御のフィルタを算出することができる。
畳み込み演算部２４は実施形態１と同様なので省略する（図６、ステップＳ２５）。
以上説明したように、実施形態２における音像定位装置２０は、所望の指向特性から目的関数を設定する目的関数設定部２１と、線形、または非線形制約を設定する制約設定部２２と、目的関数設定部２１により設定された目的関数、および制約設定部２２により設定された制約から最適なフィルタ係数を算出する最適化部２３と、入力音響信号と最適化部２３により算出された指向性制御フィルタを畳み込み、出力音響信号を算出する畳み込み演算部２４とを有する。そして、目的関数設定部２１、制約設定部２２、および最適化部２３により、スピーカアレイを構成する各スピーカに対応するフィルタを算出し、スピーカアレイによる指向性制御を用いて音響ビームを作り出し、その音響ビームを壁面、または天井に反射させることで仮想的な音源を作り出す。これにより、仮想的なスピーカが広い周波数を取り扱え、かつ高音質な再生が可能になる音像定位装置２０を提供することが可能である。
また、制約設定部２２は、各周波数におけるフィルタゲインの値が一定となるような制約、および所望の指向特性から指向特性に関する制約のうちの少なくとも１つを設定するのが望ましい。これにより、所望の指向性再生を実現することが可能である。
なお、本発明は、このような音像定位装置１０，２０として実現することができるだけでなく、このような音像定位装置１０，２０が有する特徴的な機能部をステップとする音像定位方法として実現したり、それらのステップをコンピュータに実行させるプログラムとして実現したりすることもできる。そして、そのようなプログラムは、ＣＤ－ＲＯＭ等の記録媒体やインターネット等の伝送媒体を介して配信することができるのはいうまでもない。
１０…音像定位装置
１１…指向性制御フィルタ設計部
１２…フィルタ係数補正部
１３…畳み込み演算部
２０…音像定位装置
２１…目的関数設定部
２２…制約設定部
２３…最適化部
２４…畳み込み演算部

Claims (8)

  1. 所望の指向特性から指向性制御フィルタを算出する指向性制御フィルタ設計部と、
    前記指向性制御フィルタ設計部により算出された指向性制御フィルタに対し補正を行うフィルタ係数補正部と、
    入力音響信号と前記フィルタ係数補正部により補正された指向性制御フィルタを畳み込み、出力音響信号を算出する畳み込み演算部とを有し、
    前記指向性制御フィルタ設計部、および前記フィルタ係数補正部により、スピーカアレイを構成する各スピーカに対応するフィルタを算出し、スピーカアレイによる指向性制御を用いて音響ビームを作り出し、その音響ビームを壁面、または天井に反射させることで仮想的な音源を作り出すことを特徴とする音像定位装置。
  2. 前記フィルタ係数補正部は、各周波数におけるフィルタ係数の絶対値であるフィルタゲインが一定となるように算出することを特徴とする請求項１に記載の音像定位装置。
  3. 所望の指向特性から目的関数を設定する目的関数設定部と、
    線形、または非線形制約を設定する制約設定部と、
    前記目的関数設定部により設定された目的関数、および前記制約設定部により設定された制約から最適なフィルタ係数を算出する最適化部と、
    入力音響信号と前記最適化部により算出された指向性制御フィルタを畳み込み、出力音響信号を算出する畳み込み演算部とを有し、
    前記目的関数設定部、前記制約設定部、および前記最適化部により、スピーカアレイを構成する各スピーカに対応するフィルタを算出し、スピーカアレイによる指向性制御を用いて音響ビームを作り出し、その音響ビームを壁面、または天井に反射させることで仮想的な音源を作り出すことを特徴とする音像定位装置。
  4. 前記制約設定部は、各周波数におけるフィルタゲインの値が一定となるような制約、および所望の指向特性から指向特性に関する制約のうちの少なくとも１つを設定することを特徴とする請求項３に記載の音像定位装置。
  5. 所望の指向特性から指向性制御フィルタを算出する指向性制御フィルタ設計ステップと、
    前記指向性制御フィルタ設計ステップで算出された指向性制御フィルタに対し補正を行うフィルタ係数補正ステップと、
    入力音響信号と前記フィルタ係数補正ステップで補正された指向性制御フィルタを畳み込み、出力音響信号を算出する畳み込み演算ステップとを有し、
    前記指向性制御フィルタ設計ステップ、および前記フィルタ係数補正ステップで、スピーカアレイを構成する各スピーカに対応するフィルタを算出し、スピーカアレイによる指向性制御を用いて音響ビームを作り出し、その音響ビームを壁面、または天井に反射させることで仮想的な音源を作り出すことを特徴とする音像定位方法。
  6. 所望の指向特性から目的関数を設定する目的関数設定ステップと、
    線形、または非線形制約を設定する制約設定ステップと、
    前記目的関数設定ステップで設定された目的関数、および前記制約設定ステップで設定された制約から最適なフィルタ係数を算出する最適化ステップと、
    入力音響信号と前記最適化ステップで算出された指向性制御フィルタを畳み込み、出力音響信号を算出する畳み込み演算ステップとを有し、
    前記目的関数設定ステップ、前記制約設定ステップ、および前記最適化ステップで、スピーカアレイを構成する各スピーカに対応するフィルタを算出し、スピーカアレイによる指向性制御を用いて音響ビームを作り出し、その音響ビームを壁面、または天井に反射させることで仮想的な音源を作り出すことを特徴とする音像定位方法。
  7. 請求項１または２に記載の音像定位装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
  8. 請求項３または４に記載の音像定位装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
JP2019016881A 2019-02-01 2019-02-01 音像定位装置、音像定位方法、およびプログラム Active JP7071647B2 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019016881A JP7071647B2 (ja) 2019-02-01 2019-02-01 音像定位装置、音像定位方法、およびプログラム
US17/426,761 US11875774B2 (en) 2019-02-01 2020-01-17 Sound image localization device, sound image localization method, and program
PCT/JP2020/001405 WO2020158433A1 (ja) 2019-02-01 2020-01-17 音像定位装置、音像定位方法、およびプログラム
US18/367,266 US20230419945A1 (en) 2019-02-01 2023-09-12 Sound image localization device, sound image localization method, and program

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019016881A JP7071647B2 (ja) 2019-02-01 2019-02-01 音像定位装置、音像定位方法、およびプログラム

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2020127074A JP2020127074A (ja) 2020-08-20
JP7071647B2 true JP7071647B2 (ja) 2022-05-19

Family

ID=71841792

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019016881A Active JP7071647B2 (ja) 2019-02-01 2019-02-01 音像定位装置、音像定位方法、およびプログラム

Country Status (3)

Country Link
US (2) US11875774B2 (ja)
JP (1) JP7071647B2 (ja)
WO (1) WO2020158433A1 (ja)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006238155A (ja) 2005-02-25 2006-09-07 Yamaha Corp アレースピーカ装置
WO2018116861A1 (ja) 2016-12-22 2018-06-28 ソニー株式会社 音響処理装置および方法、並びにプログラム

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3258195B2 (ja) * 1995-03-27 2002-02-18 シャープ株式会社 音像定位制御装置
JP4114583B2 (ja) * 2003-09-25 2008-07-09 ヤマハ株式会社 特性補正システム
US20070165890A1 (en) * 2004-07-16 2007-07-19 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Sound image localization device
JP5416044B2 (ja) 2010-06-22 2014-02-12 日本電信電話株式会社 局所再生システム
JP6287202B2 (ja) * 2013-08-19 2018-03-07 ヤマハ株式会社 スピーカ装置
JP6521675B2 (ja) * 2015-03-02 2019-05-29 キヤノン株式会社 信号処理装置、信号処理方法、及びプログラム

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006238155A (ja) 2005-02-25 2006-09-07 Yamaha Corp アレースピーカ装置
WO2018116861A1 (ja) 2016-12-22 2018-06-28 ソニー株式会社 音響処理装置および方法、並びにプログラム

Also Published As

Publication number Publication date
US20220101825A1 (en) 2022-03-31
US20230419945A1 (en) 2023-12-28
JP2020127074A (ja) 2020-08-20
WO2020158433A1 (ja) 2020-08-06
US11875774B2 (en) 2024-01-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8194868B2 (en) Loudspeaker system for virtual sound synthesis
US9838825B2 (en) Audio signal processing device and method for reproducing a binaural signal
JP5139577B2 (ja) フィルタ特性を生成する装置および方法
JP5909665B2 (ja) 音場制御装置および音場制御方法
US20080247565A1 (en) Position-Independent Microphone System
JP2010109579A (ja) 音響出力素子アレイ及び音響出力方法
JP6143571B2 (ja) 音像定位装置
ES2915843T3 (es) Control de modos acústicos en una sala
JP6865440B2 (ja) 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
US7995774B2 (en) Sound field control apparatus and sound field control method
JP5342521B2 (ja) 局所再生方法、局所再生装置及びそのプログラム
Jeon et al. Personal audio system for neckband headset with low computational complexity
JP7071647B2 (ja) 音像定位装置、音像定位方法、およびプログラム
JP6970366B2 (ja) 音像再現装置、音像再現方法及び音像再現プログラム
WO2020085117A1 (ja) 信号処理装置および方法、並びにプログラム
JP5941373B2 (ja) スピーカアレイ駆動装置およびスピーカアレイ駆動方法
Simon Galvez et al. A Listener Position Adaptive Stereo System for Object-Based Reproduction
JP6741479B2 (ja) 信号変換係数算出装置、信号変換装置及びプログラム
JP7152669B2 (ja) 音像定位装置、音像定位方法及びプログラム
JP2009219101A (ja) 音響出力素子アレイ及び音響出力方法
JP6695738B2 (ja) 信号変換係数算出装置、信号変換装置及びプログラム
WO2018066376A1 (ja) 信号処理装置および方法、並びにプログラム
Møller Sound Zone Control inside Spatially Confined Regions in Acoustic Enclosures
JP5265412B2 (ja) 音場制御装置
JP2022125686A (ja) オブジェクトベース音響レンダリング装置及びプログラム

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20210601

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20220405

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20220418

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7071647

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150