WO2003096746A1

WO2003096746A1 - Appareil audio et son programme de reproduction

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Publication number: WO2003096746A1
Application number: PCT/JP2002/009205
Authority: WO
Inventors: Kazuhiro Kawana; Toshio Saito; Hareo Hamada; Noriyuki Hanawa
Original assignee: Dimagic Co., Ltd.
Priority date: 2002-05-13
Filing date: 2002-09-10
Publication date: 2003-11-20
Also published as: CN100459817C; JP2003333698A; EP1507441A4; KR100721069B1; JP3682032B2; EP1507441B1; DE60230682D1; US20060013101A1; KR20050000533A; CN1625920A; ATE419727T1; EP1507441A1; US7650000B2

Description

PC翻膽 05

明細書オーディオ装置並びにその再生用プログラム技術分野

本発明は、 2チャンネルのステレオオーディオ信号からマルチチャネルのォーディォ信号を生成するオーディオ装置並びにその再生用プログラムに関する。背景技術

2チャンネルのステレオオーディオ信号からマルチチャネルのオーディオ信号を生成するという要求は、従来からあり、多くのオーディオ装置がそのような機能を有しているが、再生時に逆相感ゃ違和感を伴うことが知られている。

従来から行われている 2チャンネルの信号からマルチチャネルのオーディオ信号、とりわけサラウンドなどと呼ばれている受聴者の側方から後方にかけてから再生される信号もしくは、受聴者の側方から後方に定位させたい信号である信号 0 S Lおよび 0 S Rを生成するには、図 1及び下記の [数 1 ] 式のように入力されたステレオオーディオ信号 I N Lと I N Rの差分を算出し、再生することが一般に行われている。 0SL=INL- INR

0SM=INE-INL …式（1 ) このとき 0 S Lと 0 S Rは、互いに逆位相であるため再生する際に、受聴者に逆相感を与えてしまうことは、至極当然のことである。すなわち、図 8および図 9は、入力信号となるステレオオーディオ信号 I N Lと I N Rの波形と周波数特性の一例を示すものであって、このようなステレオオーディオ信号 I N L， I N Rを図 1のような処理を施すことにより、図 1 0および図 1 1に示すようなサラゥンド信号が生成される。

この図 1 0からも明らかなように、左右のステレオオーディオ信号の差分から ^

サラウンド信号を生成しただけでは、左右のサラウンド信号 0 S Lと 0 S Rが逆位相になっていることが示されている。また、このサラウンド信号は、図 1 0のとおり、左右の信号同士は同振幅逆位相であってその相関が強い上に、生成元となったステレオオーディオ信号とはまったく異なるものであるから、再生時の違和感は拭えなかった。

さらに、図 9の周波数特性に示すように、左右の入力信号には、共に 4 . 5 k H z付近に互いに共通の信号成分が有り、これが違和感を生む原因となっていたが、このような入力信号の差分から生成したサラウンド信号では、図 1 1に示すように、左右の信号が同一の周波数成分から構成されることになり、両信号の相関が極めて高くなり、不自然な印象が強かった。

[解決すべき課題]

そこで、サラウンド信号の間での相関を小さくし受聴者への逆相感及び違和感を取り除く提案がなされている。しかし、この種の従来技術は、単純な位相操作や振幅操作等に留まっており、サラウンド信号の生成における本質的な無相関化処理の提案はされていない。

また、擬似ステレオ処理等で、広く使用されている無相関化手法、たとえば櫛形フィル夕（コムフィル夕）等を用いての無相関化処理等も行われている。しかし、 [数 1 ]式により得られた信号すなわち互いが同振幅逆位相である信号に対して、これらの無相関化処理を施しているため、逆相感ゃ違和感を解消するには至つていない。

[発明の目的]

本発明は、前記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであって、その目的は、サラウンド信号を生成する際に適応信号処理技術を導入した無相関化処理を行うことにより、逆相感ゃ違和感を解消したオーディオ装置を提供することにある。発明の開示 _g

本発明では、図 2に示すように、適応信号処理技術を導入した適応無相関化器 1を使用して、サラウンド信号を生成する。この適応無相関化器 1では、信号 X と Yが入力され、信号 0が出力される。 Xの信号成分中で Yと相関の高い信号成分が抽出されたものが差し引かれ出力される。これは、時々刻々と自らのフィル夕特性を変化させて Xの信号成分中で Yの信号成分と相関の高い信号成分を抽出し出力するように追従していく適応フィルタ等で構成される。適応フィル夕の出力を Yから差し引くことで、サラウンド信号を生成する過程と無相関化処理の過程を分離せずに、相互に相関の高い信号成分を抑制し、再生された際の受聴者に与える逆相感ゃ違和感を解消することが可能となる。

すなわち、本発明のオーディオ装置は、入力信号となる 2チャンネルのオーディォ信号に基づいて複数チャンネルのサラウンド信号を生成するオーディオ装置において、一方のチャンネルの入力信号を多段のディレイ処理器によって分割し、この分割された多段の出力のそれそれに対して係数処理器により所定の係数を重畳させて、多段の出力成分を生成し、これら多段の出力成分を加算することにより、一方のチャンネルの入力信号成分中から、他方のチャンネルの入力信号と相関の高い信号成分を抽出する無相関化フィルタと、この無相関化フィルタの特性を、その出力信号と前記他方のチャンネルからの入力信号によって得られるエラ一信号と、前記一方のチャンネルの入力信号とに基づいて時々刻々と変化させる係数更新処理器とを備えた適応無相関化器を設け、この無相関化フィル夕からの出力と、他方のチャンネルの入力信号との差分を算出して、サラウンド信号として出力することを特徴とする。

望ましくは、前記無相関化フィル夕が、 F I Rフィル夕によって構成されている。また、前記係数更新処理器が、 L M Sアルゴリズムに基づいて係数の更新を行うか、 N L M Sァルゴリズムに基づいて係数の更新を行うことを特徴とする。望ましくは、前記無相関化フィル夕が、 I I Rフィル夕によって構成されている。前記係数更新処理器が、 S H A R Fアルゴリズムに基づいて係数の更新を行ラ。

本発明のオーディオ再生用プログラムは、入力信号となる 2チャンネルのォーディォ信号に基づいて複数チャンネルのサラゥンド信号を生成するオーディオ再生用プログラムにおいて、一方のチャンネルの入力信号を多段のディレイ処理ステヅプによって分割し、この分割された多段の出力のそれそれに対して所定の係数を重畳させるステップと、生成された多段の出力成分を加算することにより、一方のチャンネルの入力信号成分中から、他方のチャンネルの入力信号と相関の高い信号成分を抽出する無相関化ステップと、この無相関化ステップにおける前記係数の特性を、無相関化ステップによる出力信号と前記他方のチャンネルからの入力信号によって得られるエラ一信号と、前記一方のチャンネルの入力信号とに基づいて時々刻々と変化させる係数更新処理ステップと、この無相関化ステツプからの出力と、他方のチャンネルの入力信号との差分を算出して、サラウンド信号として出力するステップとを備えていることを特徴とする。

前記のような構成を有する本発明においては、適応無相関化器を構成する無相関化フィルタとして、入力信号に重畳する係数をその入出力信号に応じて逐次変化させる適応フィル夕を使用することにより、 2チャンネルの入力信号間の相関を極力低下させることが可能となり、 2チャンネルのステレオオーディオ信号からマルチチャネルのオーディオ信号を生成する際に大きな問題となっていたサラゥンド信号による逆相感ゃ違和感を解消することができる。図面の簡単な説明

図 1は、従来のオーディオ装置におけるサラウンド信号の生成方法を示すプロヅク図である。

図 2は、本発明における適応無相関化器を使用したサラウンド信号の生成方法を示すブロック図であり、図 3は、本発明を 4チャンネル信号の生成に適用した実施の形態を示すプロック図である。

図 4は、本発明を 5チャンネル信号の生成に適用した実施の形態を示すプロック図であり、図 5は、本発明を 5 . 1チャンネル信号の生成に適用した実施の形態を示すプロヅク図である。

図 6は、 F I Rフィル夕による適応無相関化器の構成例を示すプロック図であり、図 7は、 I I Rフィルタによる適応無相関化器の構成例を示すブロック図で ¾>る。 o 図 8は、入力された 2チャンネルステレオ信号の波形を示すグラフであり、図 9は、入力された 2チャンネルステレオ信号の周波数特性を示すグラフである。図 1 0は、従来の方法により生成されたサラウンド信号の波形を示すグラフであり、図 1 1は、従来の方法により生成されたサラウンド信号の周波数特性を示すグラフである。

図 1 2は、本発明の方法により生成されたサラウンド信号の波形を示すグラフであり、図 1 3は、本発明の方法により生成されたサラウンド信号の周波数特性を示すグラフである。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態を図面に従って具体的に説明する。なお、本発明は、生成されるチヤンネル数にかかわらず、 2チャンネルのステレオ信号からサラウンド信号を生成するオーディオ装置のすべてに適応可能であるが、以下に、 4チヤンネル、 5チャンネル、 5 . 1チャンネル信号の生成装置について、説明する。また、説明に用いるフィルタや係数更新のアルゴリズムを本発明の一例を示すもので、これらに限定されるものではない。更に、生成された信号は、そのまま、もしくは、残響効果、遅延処理、ダウンサンプリングに代表される音響効果及び信号処理を施して出力されるものであり、実施の形態は一例を示すに過ぎず、これらに限定されるものでない。

[ 4チャンネル信号の生成]

2チャンネルのステレオ信号から 4チャンネル信号を生成する実施の形態について、図 3に従って説明する。

本実施の形態においては、 2チャンネルのステレオオーディオ信号である I N Lおよび I N Rが入力される。入力された信号 I N Lおよび I N Rより、出力される 4チャンネルの信号 L、 R、 S L、 S Rが生成される。 Lは受聴者の左前方に定位もしくは左前方から再生される信号であり、 Rは受聴者の右前方に定位もしくは右前方から再生される信号であり、 S Lは受聴者の左側方から左後方にかけてに定位もしくは左側方から左後方にかけて再生される信号であり、 S Rは受聴者の右側方から右後方にかけてに定位もしくは右側方から右後方にかけて再生される信号である。

出力される 4チャンネルの信号の中で、 Lおよび Rは、 I NLおよび INRをそのまま出力する。 SLは、適応無相関化器 1 Lの入力 Xに I NRを入力し、入力 Yに I NLを入力し、適応無相関化器 1 Lから AS Lとなる信号が生成される。この信号 AS Lを帯域制限フィルタ 2 L及びディレイ処理器 3 Lを通すことにより、帯域制限およびディレイ処理を行った後、左側のサラウンド信号として出力する。一方、 SRは、適応無相関化器 1Rの入力 Xに INLを入力し、入力 Yに INRを入力し、適応無相関化器 1 Rから AS Rとなる信号を生成し、この信号 A SRを帯域制限フィルタ 2 R及びディレイ処理器 3 Rを通すことにより、帯域制限およびディレイ処理を行った後、右側のサラウンド信号として出力する。このように本実施の形態では、 2チャンネルのステレオ信号を適応無相関化器 1 L, 1 Rによって処理して左右のサラウンド信号を得ることにより、 2チャンネルのステレオ信号から 4チャンネルの信号が生成される。

[5チャンネル信号の生成]

2チャンネルのステレオ信号から 5チャンネル信号を生成する実施の形態について、図 4に従って説明する。

2チャンネルのステレオオーディオ信号である I NLおよび I NRが入力される。入力された信号 I NLおよび I NRより、出力される 5チャンネルの信号 L、 R、 SL、 SR、 Cは生成される。このうち、信号 L、 R、 SL、 SRについては、前記図 3に示した 4チャンネル信号の 4つの信号 L、 R、 SL、 SRと同様にして生成される。

受聴者の前方正面に定位もしくは前方正面から再生される信号 Cについては、入力信号 I NLおよび I NRの和の成分を出力する。これらの処理により、 2チャンネルのステレオ信号から 5チヤンネルの信号が生成される。

[5. 1チャンネル信号の生成]

2チャンネルのステレオ信号から 5. 1チャンネル信号を生成する実施の形態を図 5に従って説明する。

2チャンネルのステレオオーディオ信号である I NLおよび I NRが入力される。入力された信号 I NLおよび I NRより、出力される 5. 1チャンネルの信ァ

号 L、 R、 SL、 SR、 C及び低音域音声専用スピーカから再生される信号 SW が生成される。このうち、信号 L、 R、 SL、 SR、 Cについては、前記図 4に示した 5チャンネル信号の 5つの信号 L、 R、 S Ls SR、 Cと同様にして生成される。

低音域音声専用スピーカから再生される信号 SWは、入力信号 I N Lおよび I NRの和の成分を帯域制限フィルタ 2 SWによって帯域制限処理して出力する。これらの処理により、 2チャンネルのステレオ信号から 5. 1チャンネルの信号が生成される。

[適応無相関化器の構成例]

次に、前記各実施の形態において使用される適応無相関化器 2 L， 2Rの構成例について説明する。なお、各適応無相関化器 2 L, 2 Rにおいて、入力信号 X, Yは、 2チャンネルのステレオ信号 I NL, I NRに対応するものであるが、出力信号となる左右のチャンネルのサラウンド信号 S L， SRに応じて、入力信号 X, Yとステレオ信号 INL， I NRとの対応関係を入れ換えるものとする。また、適応信号処理には、 F I R(Finite Impulse Response)フィルタや I I R (Infinite ImpulseResponse)フィル夕等のフィルタ構成に依らず多くのものがある。すなわち、本発明においては、ハードウェアやソフトウェアの制限や条件等を考慮し、それら適応信号処理のフィル夕構成や更新アルゴリズムを適宜選択することが可能であり、以下に挙げるフィル夕構成や更新アルゴリズムに限定するものではない。

[F I Rフィル夕による適応信号処理]

F I Rフィルタによる適応信号処理を採用した適応無相関化器の構成例を図 6 に示す。この適応無相関化器は、加算側の入力信号 Yと減算側の入力信号 Xの入力端子と、サラウンド信号となる出力信号 0の出力端子とを備えている。加算側の入力信号 Yは、ディレイ処理器 Z— mを介して演算器 4に入力される。

一方、減算側の入力信号 Xは、 F I Rフィル夕を構成する多段に設けられたディレイ処理器 Z— 1によって順次遅延処理を施された後、下記の [数 2] 式に示すように、 W0， Wl，' · ·， Wkを要素とする係数処理器 Wにおいて所定の係数と重畳され、その後、格段の出力成分が加算器∑によって加算されて、レスポンス信号 RE Sを得る。ただし、 kはタヅプ長（遅延処理の数）である。 RES(n)=X(n)^TW{n) …式 (2) このようにして得られたレスポンス信号 RE Sは演算器 4に入力され、同じく演算器 4に入力された他方のチャンネルの入力信号 Yからこのレスポンス信号 R E Sが差し引かれ、エラ一信号 eおよび出力信号 0が得られる。この動作は、下記の [数 3] 式から [数 6] 式に示すとおりである。ただし、 gは任意の定数とする。

D(n)=Yin)^TZ …式（3) Z=[0 0 0 ... g ... 0 0] …式（4) 0{n)=D(n)-RES{n) …式（5) Ε(π)=0(η) …式（6) [適応アルゴリズム]

ところで、本実施の形態において、前記係数処理器 Wは適応アルゴリズムを備えた係数更新処理器 5によって、入力信号 Xの成分のうち入力信号 Υの成分と相関が高い成分を抽出するように更新される。すなわち、この係数更新処理器 5には、入力信号 Xおよび演算器 4からのエラー信号 eが刻々と入力され、これら入力信号: Xおよびエラ一信号 eが更新アルゴリズムによって処理されることにより、係数更新処理器 5から各段の係数処理器 WO , Wl， · · ·， Wkに係数の更新指令が出力され、これに基づいて格段のディレイ処理器 Z— 1からの出力信号に重畳される係数の値が変化する。

このような係数更新処理器 5において採用される更新式には、種々のものがあるが説明のため代表的なものとして LMS (Least Mean Square )ァルゴリズムおよび NLMS (Normalized Least Mean Square)アルゴリズムを取り上げる。

[LMSアルゴリズム]

LMSアルゴリズムは瞬時自乗誤差を評価量としたアルゴリズムであり、下記の [数 7] 式にて係数処理器 Wは更新される。ここで、〃はステップサイズパラメータであり実現される適応無相関化器の性能に大きく影響する量である。

Μ 1)= Φ2 · e(n) · Χ{Ώ) …式 ( 7 )

[NLMSアルゴリズム]

NLMSアルゴリズムは LMSアルゴリズムよりも適応スピ一ドが優れているため、よく用いられるアルゴリズムであり、過去から現在までの入力のパワーで更新量を正規化している。この NLMSアルゴリズムは、下記の [数 8] 式から

[数 1 0] 式によって係数処理器 Wを更新するものであって、ここで αは忘却係数であり過去の入力に対する重みを決定している。

· U(D) · e(n) · Χ{ή) '式（8)

u^{d)= un ² ,式（9) σ-(η)2=α · X(n)2+ (1-α) · (η-1)2 •式（1 0) 以上ような適応アルゴリズムを備えた係数更新処理器 5により係数処理器 Wは更新され、更新された係数処理器 Wにより入力 Xが処理されるという動作を繰り返し行うことで適応無相関化処理がなされる。

[I I Rフィル夕による適応信号処理]

I I Rフィル夕による適応信号処理を採用した無相関化処理器の構成例を図 7 に示す。

この適応無相閧化器においては、 a 0 , a 1 , · · ·， a 1を構成要素とする第 1の係数処理器 aと、 b 0， b 1 , · · ·， b qを構成要素とする第 2の係数処理器 bが設けられ、これら第 1、第 2の係数処理器 a, bの各段に対して多段に設けられたディレイ処理器 Z— 1によって順次遅延処理された入力信号 Xを入力する。

第 1及び第 2の係数処理器 a， bに入力された信号 Xは下記の [数 1 1 ] 式のように処理され、レスポンス信号 RE Sが得られる。その後、演算器 4において、 [数 1 2] 式から [数 1 4] 式に示すように、入力された信号 Yから、レスポンス信号 R E Sが差し引かれエラ一信号 eおよび出力信号 0が得られる。

RES(n)=a_s(n)I(n)^a_!(n)X(n-l)+...a_l(n)X(n-l)

…式（1 1)

D(n)=Y(n) '式（1 2)

0(n)=D(n)-RES(n) '式（1 3) e(n)=0(n) '式（14) この実施の形態において、各係数処理器 a, bは、係数更新処理器 5によって、適応アルゴリズムにより Xの成分のうち Yの成分と相関の高い成分を抽出するように更新される。この係数更新処理器 5において採用可能な更新処理には種々のものがあるが、本実施の形態では、下記の [数 1 5] 式から [数 1 7] 式に示す S H AR F(Simplifed Hyperstable Adaptive Recursive Filter)アルゴリズムを採用する。 SHARFアルゴリズムは、比較的シンプルで LMSに酷似しているが通常、エラ一信号 eにスム一ジングフィル夕 Cをかけてアルゴリズムの安定化を図っている。

a{nil)=a{n)^ u · RES(n) ' n)

b(nil)=b(n)+ · X(n) · V{n) …式（1 5) 0209205

b(n)=[b₉{n) b^n) b₂(n) ... b,(n)l -式（1 6) n)=e(n) · C

ただし、 C C, C₂ C₃… C],C l …式（17) 以上の通り、本実施の形態においては、前記のような適応アルゴリズムを採用した係数更新処理器 5により、係数処理器 a， bで使用される係数は更新され、更新された係数が入力信号 Xに重畳処理されると言う動作を繰り返しながら適応無相関化処理がなされる。

[入出力信号の比較]

以上の通り、本発明によれば、元となる信号 I NL及び I NRを適応無相関化器に入力すると、上述の処理を施された信号 AS L， ASRが生成される。この適応無相関化器を使用した本発明と従来技術における出力信号を比較すると、次の通りである。

図 8及び図 9に元となる信号 I NL， I NRを示す。これら 2つの信号は、 4. 5 kH z付近に互いに共通の信号成分を持つ。図 10及び図 1 1に従来の方法で生成された信号 OS L， O SRを示す。この出力信号 OS L， OSRは、従来技術の項で説したように、相互に同振幅逆位相の信号であることがわかる。

図 1 2及び図 1 3に前記各実施の形態に示す本発明の適応無相関化器により生成されたサラウンド信号 A S L, AS Rを示す。図 12及び図 1 3より従来の方法のように相互に同振幅逆位相の信号となることなく逆相感を感じさせる信号成分の解消が見て取れる。また、元の信号に共通に含まれていた互いに相関が高い 4 · 5 kH z付近の信号成分についても無相関化処理により抑制されていることが見てとれる。

適応無相関化器により無相関化処理を施された信号は、必要であれば帯域制限されサラウンド信号 S L, SRとして、他の信号と同様に出力される。このとき、サラウンド信号 S L, S Rとは互いに相関の高い信号が抑制されているため、受聴者へ与える逆相感ゃ違和感は解消される。 9205 丄

産業上の利用可能性

以上の通り、従来技術ではサラウンド信号を生成し再生した際に受聴者に逆相感ゃ違和感を与えることが問題となっていたが、本発明によれば、サラウンド信号を生成する際に相互に適応信号処理技術を利用した無相関化処理を施すため、生成された信号間の無相関化がより効果的に実現され、逆相感ゃ違和感を伴うことなく、受聴することが可能となる。

Claims

請求の範囲

1 . 入力信号となる 2チャンネルのォ一ディォ信号に基づいて複数チャンネルのサラウンド信号を生成するオーディオ装置において、

一方のチャンネルの入力信号を多段のディレイ処理器によって分割し、この分割された多段の出力のそれそれに対して係数処理器により所定の係数を重畳させて、多段の出力成分を生成し、これら多段の出力成分を加算することにより、一方のチャンネルの入力信号成分中から、他方のチャンネルの入力信号と相関の高い信号成分を抽出する無相関化フィル夕と、

この無相関化フィル夕の特性を、その出力信号と前記他方のチャンネルからの入力信号によって得られるエラ一信号と、前記一方のチャンネルの入力信号とに基づいて時々刻々と変化させる係数更新処理器とを備えた適応無相関化器を設け、この無相閧化フィル夕からの出力と、他方のチャンネルの入力信号との差分を算出して、サラウンド信号として出力することを特徴とするオーディオ装置。

2 . 前記無相関化フィル夕が、 F I Rフィル夕によって構成されていることを特徴とする請求項 1に記載のオーディオ装置。

3 . 前記係数更新処理器が、 L M Sアルゴリズムに基づいて係数の更新を行うことを特徴とする請求項 2に記載のオーディオ装置。

4 . 前記係数更新処理器が、 N L M Sアルゴリズムに基づいて係数の更新を行うことを特徴とする請求項 2に記載のオーディオ装置。

5 . 前記無相関化フィル夕が、 I I Rフィル夕によって構成されていることを特徴とする請求項 1に記載のオーディオ装置。

6 . 前記係数更新処理器が、 S H A R Fアルゴリズムに基づいて係数の更新を行うことを特徴とする請求項 5に記載のオーディオ装置。

7 . 入力信号となる 2チャンネルのオーディォ信号に基づいて複数チヤンネルのサラウンド信号を生成するォ一ディォ再生用プログラムにおいて、

一方のチャンネルの入力信号を多段のディレイ処理ステップによって分割し、この分割された多段の出力のそれそれに対して所定の係数を重畳させるステップと、生成された多段の出力成分を加算することにより、一方のチャンネルの入力信号成分中から、他方のチャンネルの入力信号と相関の高い信号成分を抽出する無相関化ステップと、

この無相関化ステツプにおける前記係数の特性を、無相関化ステップによる出力信号と前記他方のチャンネルからの入力信号によって得られるエラ一信号と、前記一方のチヤンネルの入力信号とに基づいて時々刻々と変化させる係数更新処理ステヅプと、

この無相関化ステップからの出力と、他方のチャンネルの入力信号との差分を算出して、サラウンド信号として出力するステップとを備えていることを特徴とするオーディオ再生用プログラム。