WO2019168083A1 - 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

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 Download PDF

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coordinates
speaker
multipole
focal
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公孝 堤
賢一 野口
高田 英明
羽田 陽一
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日本電信電話株式会社
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    • H04S2420/07Synergistic effects of band splitting and sub-band processing

Definitions

  • the present invention relates to an acoustic signal processing device, an acoustic signal processing method, and an acoustic signal processing program for converting an input acoustic signal into an output acoustic signal to each speaker of a speaker array configured by arranging a plurality of speakers for realizing a virtual sound source.
  • an acoustic signal processing device for converting an input acoustic signal into an output acoustic signal to each speaker of a speaker array configured by arranging a plurality of speakers for realizing a virtual sound source.
  • Patent Document 1 There is a method called wavefront synthesis for sound reproduction technology that creates a virtual sound source in a screening space (Patent Document 1).
  • the method based on Patent Literature 1 collects sound signals at points where sound signals are recorded with microphones installed at a plurality of points, analyzes the arrival directions of the sound signals in the vertical and horizontal directions, and installs them in a screening space.
  • the sound signal of the recording venue is physically reproduced using multiple speakers.
  • Non-patent Document 1 There is a technology that can create a virtual sound image in front of a speaker by assuming a suction type sound source (acoustic sink) as an assumed virtual sound source and giving a drive signal derived from the first type Rayleigh integration to the speaker array.
  • Non-patent Document 2 there is a technology that can realize primitive directivity such as a dipole in a virtual sound source generated in a screening space using a linear speaker array.
  • Multipole sound source is a technique that expresses sound directivity with a combination of primitive directivity such as dipole and quadrapole. (Pole sound source) combination.
  • Non-Patent Document 3 discloses that in order to rotate the direction of directivity, primitive directivities having different intensities are overlapped.
  • an object of the present invention is to provide an acoustic signal processing device, an acoustic signal processing method, and an acoustic signal processing program that realize an arbitrary directivity by superimposing multipole elements.
  • a first feature of the present invention is that sound that converts an input sound signal into an output sound signal to each speaker of a speaker array configured by arranging a plurality of speakers for realizing a virtual sound source.
  • the present invention relates to a signal processing device.
  • the acoustic signal processing device acquires a plurality of initial focal coordinates, a virtual sound source coordinate, and a directionality direction, and a pair of initial focal points having different polarities among the plurality of initial focal coordinates.
  • the coordinates are determined by multiplying the initial focal coordinates by the rotation matrix specified from the direction of directivity to determine the focal coordinates, and the multiples including the focal coordinates from the circular harmonic coefficients.
  • Circular harmonic coefficient converter for calculating weights to be given to the poles, and filter coefficients for calculating the weighted drive function to be given to the speakers from the focal coordinates, the polarities of the focal coordinates, and the weights to be given to the multipoles for each speaker of the speaker array
  • a convolution that convolves the input acoustic signal with a weighted drive function corresponding to the loudspeaker and outputs the acoustic signal output to the loudspeaker. Comprising a write operation unit.
  • the circular harmonic coefficient conversion unit may calculate the weight given to the multipole according to the equation (1).
  • the filter coefficient calculation unit calculates a drive function using each of the focal coordinates, and gives to each of the multipoles a combined drive function calculated from the polarities and drive functions of the respective focal coordinates constituting the multipole, and the multipole.
  • a weighted drive function to be given to the speaker may be calculated from the weight.
  • the filter coefficient calculation unit may calculate a composite drive function of the multipole by adding a function obtained by multiplying the polarity of the focus coordinate and the drive function for each focus coordinate included in the multipole.
  • the filter coefficient calculation unit may calculate the weighted drive function by adding the weight given to the multipole to the combined drive function calculated for each of the multipoles.
  • the second feature of the present invention relates to an acoustic signal processing method for converting an input acoustic signal into an acoustic signal output to each speaker of a speaker array configured by arranging a plurality of speakers for realizing a virtual sound source.
  • the acoustic signal processing method according to the second aspect of the present invention includes a step of acquiring a plurality of initial focal coordinates, a virtual sound source coordinate and a direction of directivity, and a plurality of initial focal coordinates among the plurality of initial focal coordinates.
  • the step of determining the focal coordinates by multiplying the initial focal coordinates by the rotation matrix specified from the directivity direction based on the coordinates of the virtual sound source, and the circular harmony coefficient , Calculating a weight to be given to the multipole including the focus coordinates, and, for each speaker of the speaker array, calculating a weighted drive function to be given to the speaker from the focus coordinates, the polarity of the focus coordinates, and the weight given to the multipole.
  • the output acoustic signal to the speaker is convolved with the input acoustic signal by a weighted drive function corresponding to the speaker. Comprising the step of outputting.
  • the third feature of the present invention relates to an acoustic signal processing program for causing a computer to function as the acoustic signal processing device described in the first feature.
  • an acoustic signal processing device an acoustic signal processing method, and an acoustic signal processing program that realize an arbitrary directivity by superimposing multipole elements.
  • FIG. 1 is a block diagram of an acoustic signal processing device according to an embodiment of the present invention. It is a figure explaining the directional characteristic implement
  • the acoustic signal processing device 1 is a general computer including a processing device (not shown), a memory 10 and the like.
  • the functions shown in FIG. 1 are realized by a general computer executing an acoustic signal processing program.
  • the acoustic signal processing apparatus 1 uses a linear speaker array in which a plurality of speakers are arranged in a straight line as shown in FIG. Realizes a virtual sound source that protrudes to the front and has directivity.
  • a case where the speakers constituting the speaker array are arranged in a straight line will be described, but the present invention is not limited to this.
  • the speaker array may be composed of a plurality of speakers, and the plurality of speakers may not be arranged in a straight line.
  • a multipolar sound source in order to realize a virtual sound source, is realized by generating two or more focal sound sources having different polarities at positions close to each other.
  • the focal sound source is a combination of omnidirectional point sound sources (monopole sound sources) having different polarities.
  • the focal sound source includes two multipoles, one multipole is composed of one monopole sound source, and the other multipole is composed of two monopole sound sources having different polarities.
  • the present invention is not limited to this.
  • the multipole M1 and the multipole M2 shown in FIG. 2A are overlapped to realize the directivity shown in FIG.
  • the multipole M1 has a focal point P1 having a positive polarity
  • the multipole M2 has a focal point P2 having a negative polarity and a focal point P3 having a positive polarity.
  • the embodiment of the present invention realizes the directivity characteristics of the multipole sound source shown in FIG. 2B by weighting and superimposing the multipole M1 and the multipole M2, respectively. As shown in FIG. 2B, by superimposing multipole elements having various directivity characteristics, it becomes possible to realize the desired directivity characteristics within a desired range.
  • the acoustic signal processing device 1 converts the input acoustic signal I into an output acoustic signal O to each speaker of the linear speaker array in order to realize such a virtual sound source.
  • the acoustic signal processing apparatus 1 includes a memory 10, a focal position determination unit 12, a circular harmonic coefficient conversion unit 13, a filter coefficient calculation unit 14, a convolution calculation unit 15, an input / output interface (not shown), and the like.
  • the input / output interface is an interface for inputting an input acoustic signal to the acoustic signal processing device 1 and outputting an output acoustic signal to each speaker.
  • the input / output interface inputs information on the coordinates of the virtual sound source and the directionality of the virtual sound source realized by the acoustic signal processing device 1 and the circular harmonic coefficient to the acoustic signal processing device 1.
  • the memory 10 stores the focus data 11.
  • the focus data 11 associates the coordinates of a plurality of focal points for realizing a virtual sound source with the polarities of the respective focal points.
  • the focus stored in the focus data 11 is referred to as an initial focus, and the initial focus coordinates are referred to as initial focus coordinates.
  • the focal position determination unit 12 receives information on the position of the virtual sound source, directionality direction, and target frequency, and outputs coordinates related to a necessary number of focal points in consideration of directivity.
  • the focal position determination unit 12 acquires a plurality of initial focal coordinates, the coordinates of the virtual sound source and the direction of directivity, and sets a pair of initial focal coordinates having different polarities among the plurality of initial focal coordinates as the coordinates of the virtual sound source. Based on this, the focus coordinates are determined by multiplying the initial focus coordinates by the rotation matrix specified from the direction of directivity.
  • the focal position determination unit 12 multiplies the relative coordinates of the initial focal coordinates with respect to the coordinates of the virtual sound source by applying a rotation matrix, adds the coordinates of the virtual sound source to the coordinates obtained by applying the rotation matrix, and takes the directivity into consideration. Determine the coordinates. Note that the virtual sound source is the center of the focal coordinate.
  • the focal position determination unit 12 determines the initial focal coordinates as the focal coordinates without converting any initial focal coordinates that are not paired among the plurality of initial focal coordinates.
  • the focus position determination unit 12 outputs a positive polarity initial focus coordinate as the focus coordinate.
  • the focus position determination unit 12 outputs coordinates obtained by rotating these initial focus coordinates as focus coordinates.
  • the focal position determination unit 12 acquires a pair of or more initial focal coordinates having different polarities from the memory 10 and, as a characteristic realized by the acoustic signal processing device 1, coordinates of the virtual sound source and direction of directivity by external input or the like. To get.
  • the focal position determination unit 12 specifies the rotation direction ⁇ applied to the initial focal coordinates from the acquired directivity direction.
  • the focal position determination unit 12 determines a pair of initial focal coordinates as When the ⁇ direction is designated with respect to the X-axis direction, the rotation matrix G that can be specified from this direction is obtained by Equation (1), and therefore the coordinates of the monopole after rotation can be determined by Equation (2). .
  • the focal position determination unit 12 applies a rotation matrix that can be specified from the direction of directivity to each coordinate with respect to one or more pairs of initial focal coordinates corresponding to desired characteristics read from the memory, and then coordinates the coordinates of the virtual sound source. All focal coordinates are calculated by adding each time.
  • the focal position determination unit 12 outputs a multipole identifier, a focal coordinate constituting the multipole, and a polarity of each focal coordinate in association with each other.
  • the coordinates of the monopole sound source corresponding to the rotation of the directivity are calculated by rotating the rotation matrix and calculating new coordinates.
  • the focal position determination unit 12 performs the process of FIG. 3 on a pair of initial focal coordinates having different polarities, and outputs initial focal coordinates as focal coordinates for other initial focal coordinates.
  • the focal position determination unit 12 acquires information on the coordinates of the virtual sound source and the direction of directivity, and in step S12, reads information on one or more initial focal points corresponding to a desired specification.
  • step S12 the focus position determination unit 12 repeats the processes in steps S13 and S14.
  • step S13 the focal position determination unit 12 applies the rotation matrix specified from the direction of directivity acquired in step S11 to the target focal coordinates to be processed.
  • the target focal point coordinates used here are relative coordinates with respect to the virtual sound source.
  • step S ⁇ b> 14 the focal position determination unit 12 adds the coordinates after applying the rotation matrix in step S ⁇ b> 13 to the coordinates of the virtual sound source, and determines the focal coordinates in consideration of directivity.
  • step S13 and step S14 When the processing of step S13 and step S14 is completed for each initial focus read in step S12, the focus position determination unit 12 ends the processing.
  • or step S14 should just be performed with respect to each focus, and may be performed in what order.
  • FIG. 4 shows a linear speaker array and initial focus.
  • the linear speaker array is arranged from ( ⁇ 2, 0) to (2, 0), and a pair of initial focal coordinates are (0, 1 ⁇ 0.0345) and (0, 1 + 0.0345). .
  • the coordinates of the virtual sound source are (0, 1).
  • the sound field at this time is formed symmetrically and has no directivity.
  • the focal position determination unit 12 multiplies such initial focal coordinates by the rotation matrix specified by Expression (1). As shown in FIG. 5, the relative coordinates of the initial focal point coordinates (1, 1.0345) with respect to the virtual sound source coordinates (0.0, 1.0) are (0.0, 0.0345). The focal position determination unit 12 multiplies the relative coordinates of the initial focal coordinates with respect to the virtual sound source coordinates by multiplying the rotation matrix and adds the virtual sound source coordinates to obtain the rotated coordinates (0.0172, 1.0299). . By similarly processing the other initial focus coordinates (0, 1-0.0345), the focus position determination unit 12 obtains the rotated coordinates ( ⁇ 0.0172, 0.9701).
  • FIG. 6 shows the sound field at the coordinates after rotation obtained by the calculation of FIG.
  • Each monopole coordinate is rotated clockwise as compared with FIG. 4 to realize directivity.
  • the filter coefficient calculation unit 14 processes the focal point coordinates.
  • the circular harmonic coefficient conversion unit 13 calculates the weight given to the multipole including the focal coordinates from the circular harmonic coefficient.
  • the circular harmonic coefficient conversion unit 13 analytically converts the circular harmonic series to determine the weight to be given to each focal sound source, and realizes the generation of a virtual sound image having the directivity characteristic of a real sound source.
  • the circular harmony coefficient conversion unit 13 calculates a weight to be given to each multipole including each focal coordinate output from the focal position determination unit 12.
  • the circular harmonic coefficient conversion unit 13 calculates the weight given to the multipole by the equation (3).
  • Equation (3) m and n are the orders of the partial differentiation of the sound field with respect to the x-axis direction and the y-axis direction, respectively, but the combination of m and n does not overlap and may be treated as a simple index.
  • the circle harmonic coefficient conversion unit 13 acquires the circle harmonic coefficient as appropriate.
  • the circular harmonic coefficient may be received from an external program, or may be obtained by observing with a plurality of microphones arranged on a circle centering on a sound source to be measured for directivity.
  • the circular harmonic coefficient may be stored in advance in a separately provided memory and read by the circular harmonic coefficient conversion unit 13 as necessary.
  • Equation (3) for outputting the weight of the multipole from the circular harmonic coefficient.
  • a sound source having an arbitrary directivity is assumed at the origin on the xy plane, and a sound field generated by this sound source is S (x).
  • Equation (3) the weighting factor can be calculated as in Equation (3).
  • the circular harmonic coefficient conversion unit 13 performs the process of step S21 on each multipole output by the focal position determination unit 12. In step S21, the circular harmonic coefficient conversion unit 13 calculates the weight of the multipole from the circular harmonic coefficient according to Equation (3).
  • the filter coefficient calculation unit 14 calculates, for each speaker in the speaker array, a weighted drive function given to the speaker from the focus coordinate, the polarity of the focus coordinate, and the weight given to the multipole.
  • the filter coefficient calculation unit 14 calculates a weighted drive function to be convoluted with the input acoustic signal I from each of the focal coordinates determined by the focal position determination unit 12 for each speaker of the linear speaker array.
  • the filter coefficient calculation unit 14 calculates a drive function using each of the focal coordinates, and for each multipole, a combined drive function calculated from the polarity of each focal coordinate constituting the multipole and the drive function, and a multipole.
  • a weighted drive function to be given to the speaker is calculated from the given weight.
  • the filter coefficient calculation unit 14 adds a function obtained by multiplying the polarity of the focal coordinate and the drive function for each focal coordinate included in the multipole, thereby calculating a combined driving function of the multipole. Further, the filter coefficient calculation unit 14 adds a weight given to the multipole to the combined drive function calculated for each multipole, and calculates a weighted drive function.
  • the filter coefficient calculation unit 14 calculates the drive function for each focal point using the equation (7).
  • the filter coefficient calculation unit 14 calculates the combined drive function according to Expression (8) from the polarity of the focal sound source belonging to this multipole and the drive function of each focus calculated according to Expression (7). Is calculated.
  • the filter coefficient calculation unit 14 applies the weight calculated by the circular harmonic coefficient conversion unit 13 to the combined drive function calculated by Expression (8) for each multipole, and calculates the weighted drive function by Expression (9). calculate.
  • step S31 the filter coefficient calculation unit 14 acquires each focal point coordinate determined by the focal position determination process. At this time, the filter coefficient calculation unit 14 also obtains the relationship between the polarities of the focal points and the focal coordinates constituting the multipole.
  • the filter coefficient calculation unit 14 repeats the processing from step S32 to step S37, and calculates a weighted drive function for each speaker. In step S32, the filter coefficient calculation unit 14 initializes the weighted drive function of the target speaker with zero.
  • the filter coefficient calculation unit 14 repeats the process of step S33 for each focus.
  • step S33 the filter coefficient calculation unit 14 calculates a drive function using the coordinates of the target focus.
  • the filter coefficient calculation unit 14 calculates the driving function of each focus using Expressions E11 to E13.
  • the filter coefficient calculation unit 14 repeats the processing from step S34 to step S36 for each multipole, and calculates the combined drive function of each multipole.
  • step S ⁇ b> 34 the filter coefficient calculation unit 14 initializes the composite drive function of the multipole to be processed.
  • the filter coefficient calculation unit 14 performs the process of step S35 for each focus included in the multipole to be processed.
  • step S35 the filter coefficient calculation unit adds the target focus drive function calculated in step S33 to the combined drive function using the target focus polarity.
  • the filter coefficient calculation unit 14 calculates Formula E21 for the multipole M1, and calculates Formula E22 for the multipole M2.
  • step S36 the filter coefficient calculation unit 14 calculates the weighted drive function by multiplying the combined drive function calculated in step S35 by the weight calculated by the circular harmonic coefficient conversion unit 13.
  • the filter coefficient calculation unit 14 calculates the weight of the multipole M2 to the function obtained by multiplying the multipole M1 by the weight of the multipole M1 and the formula E22 calculated for the multipole M2 to the formula E21 calculated for the multipole M1.
  • the weighted drive function of E31 is calculated by adding to the function multiplied by.
  • step S37 the filter coefficient calculation unit 14 outputs the weighted drive function obtained after calculation for each multipole as a weighted drive function to be given to the target speaker.
  • the convolution calculation unit 15 applies the weighted drive function to the input acoustic signal I to give to each speaker.
  • An output acoustic signal O is calculated.
  • the convolution operation unit 15 convolves the input acoustic signal I with a weighted drive function corresponding to the speaker for each speaker of the linear speaker array, and outputs an output acoustic signal O to the speaker.
  • the convolution operation unit 15 obtains an output acoustic signal O for a predetermined speaker by convolving a weighted drive function corresponding to the speaker with the input acoustic signal I.
  • the convolution operation unit 15 repeats the same processing for each speaker to obtain an output acoustic signal O for each speaker.
  • the convolution operation unit 15 repeats the processing of step S41 and step S42 for each speaker of the linear speaker array.
  • step S ⁇ b> 41 the convolution calculation unit 15 acquires a weighted drive function of the target speaker to be processed from the filter coefficient calculation unit 14.
  • step S42 the input acoustic signal I is convolved with the weighted drive function obtained in step S31 to obtain the output acoustic signal O.
  • step S41 to step S42 When the processing from step S41 to step S42 is completed for each speaker, the convolution calculator 15 ends the processing. Note that the processing from step S41 to step S42 may be performed on each speaker, and may be performed in any order.
  • the acoustic signal processing apparatus 1 calculates the focal coordinates that realize the desired directivity by rotating the initial focal coordinates in advance, and applies each focal point to each speaker.
  • the corresponding weighted drive function is calculated.
  • the acoustic signal processing apparatus 1 obtains an output acoustic signal O to each speaker by convolving a weighted drive function corresponding to each speaker with the input acoustic signal I.
  • the weight converted from the circular harmonic coefficient is given for each multipole element. Therefore, by appropriately setting the circular harmonic coefficient, the output acoustic signal O to each speaker can be arbitrarily set. It becomes possible to adjust.
  • the acoustic signal processing apparatus 1 according to the embodiment of the present invention can model directivity of a sound source such as a musical instrument, and can realize arbitrary directivity characteristics by superimposing multipoles.

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Abstract

音響信号処理装置1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うち極性の異なる一対の初期焦点座標について、仮想音源の座標に基づいて、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、焦点座標を決定する焦点位置決定部12と、円調和係数から、焦点座標を含む多重極子に与える重みを算出する円調和係数変換部13と、スピーカアレイの各スピーカについて、焦点座標と、焦点座標の極性と、多重極子に与える重みから、スピーカに与える重み付き駆動関数を演算するフィルタ係数演算部14と、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重み付き駆動関数を畳み込んで、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15を備える。

Description

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
 本発明は、入力音響信号を、仮想音源を実現するための複数のスピーカを並べて構成した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、強度の異なる原始的な指向性を重ねあわ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、多重極子を重ね合わせて任意の指向特性を実現する技術については触れられていないので、いずれの文献からも、多重極子を用いて、楽器などの音源が持つ指向性をモデル化することは難しい。
 従って本発明の目的は、多重極子を重ね合わせて任意の指向特性を実現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複数のスピーカを並べて構成した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うち極性の異なる一対の初期焦点座標について、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、焦点座標を決定する焦点位置決定部と、円調和係数から、焦点座標を含む多重極子に与える重みを算出する円調和係数変換部と、スピーカアレイの各スピーカについて、焦点座標と、焦点座標の極性と、多重極子に与える重みから、スピーカに与える重み付き駆動関数を演算するフィルタ係数演算部と、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重み付き駆動関数を畳み込んで、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。
 ここで円調和係数変換部は、式(1)により、多重極子に与える重みを算出しても良い。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 フィルタ係数演算部は、焦点座標のそれぞれを用いて駆動関数を算出し、多重極子のそれぞれについて、多重極子を構成する各焦点座標の極性と駆動関数から算出した合成駆動関数と、多重極子に与える重みから、スピーカに与える重み付き駆動関数を演算しても良い。
 フィルタ係数演算部は、多重極子に含まれる各焦点座標について、焦点座標の極性と駆動関数をかけた関数を加算して、多重極子の合成駆動関数を算出しても良い。
 フィルタ係数演算部は、多重極子のそれぞれについて算出した合成駆動関数に、多重極子に与える重みをかけて加算して、重み付き駆動関数を算出しても良い。
 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複数のスピーカを並べて構成した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うち、複数の初期焦点座標のうち極性の異なる一対の初期焦点座標について、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、焦点座標を決定するステップと、円調和係数から、焦点座標を含む多重極子に与える重みを算出するステップと、スピーカアレイの各スピーカについて、焦点座標と、焦点座標の極性と、多重極子に与える重みから、スピーカに与える重み付き駆動関数を演算するステップと、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重み付き駆動関数を畳み込んで、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、コンピュータに、第1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、多重極子を重ね合わせて任意の指向特性を実現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を提供することができる。
本発明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。 本発明の実施の形態において多重極子を重ね合わせて実現される指向特性を説明する図である。 本発明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。 本発明の実施の形態に係る音響信号処理装置の円調和係数変換処理を説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る音響信号処理装置のフィルタ係数演算処理を説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る音響信号処理装置のフィルタ係数演算処理で算出される各関数の一例を説明する図である。 本発明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。
 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。
 (音響信号処理装置)
 図1を参照して、本発明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。
 本発明の実施の形態に係る音響信号処理装置1は、図2に示すような、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、多重極子に重みをかけることにより、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、スピーカアレイを構成する各スピーカは、直線状に並ぶ場合を説明するが、これに限られない。スピーカアレイは、複数のスピーカで構成されればよく、複数のスピーカが直線状に並ばなくても良い。
 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焦点音源は、2つの多重極子を備え、一つの多重極子は、1つのモノポール音源で構成され、もう一方の多重極子は、極性の異なる2つのモノポール音源で構成される場合を説明するが、これに限られない。
 本発明の実施の形態では、図2(a)に示す多重極子M1と多重極子M2を重ねて、図2(b)に示す指向特性を実現する。多重極子M1は、プラス極性を持つ焦点P1を有し、多重極子M2は、マイナス極性を持つ焦点P2と、プラス極性を持つ焦点P3を有する。本発明の実施の形態は、多重極子M1および多重極子M2にそれぞれ重みをかけて重ね合わせることにより、図2(b)に示す多重極音源の指向特性を実現する。図2(b)に示すように、様々な指向特性を持つ多重極子を重ね合わせることで、所望の範囲で所望の指向特性を実現することが可能になる。
 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。
 図1に示すように音響信号処理装置1は、メモリ10、焦点位置決定部12、円調和係数変換部13、フィルタ係数演算部14、畳み込み演算部15、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、さらに円調和係数を、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と、各焦点の極性を対応づける。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。
 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、指向性を考慮した、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うち極性の異なる一対の初期焦点座標について、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、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。なお、仮想音源は、焦点座標の中心となる。
 焦点位置決定部12は、複数の初期焦点座標のうち、対をなさない初期焦点座標について、何ら変換することなく、初期焦点座標を焦点座標として決定する。図2に示す例において、プラス極性の焦点を有する多重極子M1について、焦点位置決定部12は、プラス極性の初期焦点座標を焦点座標として出力する。プラス極性の焦点とマイナス極性の焦点を有する多重極子M2について、焦点位置決定部12は、これらの初期焦点座標に回転をかけた座標を、焦点座標として出力する。
 焦点位置決定部12は、メモリ10から、極性の異なる一対以上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が実現する特性として、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、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 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。
 焦点位置決定部12は、多重極子の識別子と、この多重極子を構成する焦点座標と、各焦点座標の極性とを対応づけて出力する。
 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3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。焦点位置決定部12は、極性の異なる一対以上の初期焦点座標について図3の処理を行い、それ以外の初期焦点座標については、初期焦点座標を焦点座標として出力する。
 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4ないし図6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4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4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5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6は、図5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4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14により、処理される。
 円調和係数変換部13は、円調和係数から、焦点座標を含む多重極子に与える重みを算出する。
 円調和係数変換部13は、円調和級数を解析的に変換することで各焦点音源に与える重みを決定し、現実に存在する音源が持つ指向特性を有する仮想音像の生成を実現する。円調和係数変換部13は、焦点位置決定部12が出力した各焦点座標を含む各多重極子に与える重みを、算出する。
 円調和係数変換部13は、式(3)により、多重極子に与える重みを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
式(3)におけるm,nは、それぞれ、x軸方向およびy軸方向に関する音場の偏微分の次数であるが、mとnの組み合わせは重複しないので、単なるインデックスとして扱っても良い。
 円調和係数変換部13は、円調和係数を、適宜取得する。例えば、円調和係数を、外部プログラムから受け取るものでも良いし、指向性を測定する対象となる音源を中心とする円上に配置された複数のマイクロフォンで観測して得られたものでも良い。また円調和係数は、別途設けられたメモリに事前に格納され、必要に応じて円調和係数変換部13によって読み出されても良い。
 ここで、円調和係数から多重極子の重みを出力するための式(3)の導出を説明する。まず、xy平面上の原点に、任意の指向性を持つ音源を仮定し、この音源が生成する音場をS(x)とする。この音場を原点でテイラー展開した時、単位円上の点x=(cosα,sinα)における音場は次式で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 一方、任意の音場は円調和展開により式(5)で表現できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 複素正弦波についてオイラーの公式を適用した後、νに関する二項展開を行うことで次式のように変形する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 さらに、式(4)と式(6)の係数を比較することにより、重み係数を、式(3)の通りに算出することができる。
 図7を参照して、円調和係数変換部13による円調和係数変換処理を説明する。
 円調和係数変換部13は、焦点位置決定部12が出力した各多重極子について、ステップS21の処理を行う。ステップS21において円調和係数変換部13は、式(3)に従って、円調和係数から多重極子の重みを算出する。
 フィルタ係数演算部14は、スピーカアレイの各スピーカについて、焦点座標と、焦点座標の極性と、多重極子に与える重みから、スピーカに与える重み付き駆動関数を演算する。フィルタ係数演算部14は、直線状スピーカアレイの各スピーカについて、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に畳み込む重み付き駆動関数を算出する。フィルタ係数演算部14は、焦点座標のそれぞれを用いて駆動関数を算出し、多重極子のそれぞれについて、多重極子を構成する各焦点座標の極性と駆動関数から算出した合成駆動関数と、多重極子に与える重みから、スピーカに与える重み付き駆動関数を演算する。ここでフィルタ係数演算部14は、多重極子に含まれる各焦点座標について、焦点座標の極性と駆動関数をかけた関数を加算して、多重極子の合成駆動関数を算出する。またフィルタ係数演算部14は、多重極子のそれぞれについて算出した合成駆動関数に、多重極子に与える重みをかけて加算して、重み付き駆動関数を算出する。
 フィルタ係数演算部14は、まず、所定のスピーカについて重み付き駆動関数を算出する際、各焦点について、式(7)により駆動関数を算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 次に、フィルタ係数演算部14は、所定の多重極子について、この多重極子に属する焦点音源の極性と、式(7)で算出された各焦点の駆動関数から、式(8)による合成駆動関数を算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 フィルタ係数演算部14は、多重極子のそれぞれについて、式(8)で算出した合成駆動関数に、円調和係数変換部13で算出した重みをかけて、式(9)により、重み付き駆動関数を算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 次に図8を参照して、フィルタ係数演算部14によるフィルタ係数演算処理を説明する。ここで、図2に示す多重極子および焦点が与えられた場合の計算式について、図9を参照して説明する。
 まずステップS31において、フィルタ係数演算部14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。このときフィルタ係数演算部14は、各焦点の極性と、多重極子を構成する焦点座標の関係を、併せて取得する。
 フィルタ係数演算部14は、ステップS32からステップS37の処理を繰り返して、各スピーカに対する重み付き駆動関数を算出する。ステップS32においてフィルタ係数演算部14は、対象スピーカの重み付き駆動関数をゼロで初期化する。
 フィルタ係数演算部14は、各焦点について、ステップS33の処理を繰り返す。ステップS33においてフィルタ係数演算部14は、対象焦点の座標を用いて駆動関数を算出する。図9に示す例において、フィルタ係数演算部14は、式E11ないしE13を、各焦点の駆動関数を算出する。
 フィルタ係数演算部14は、各多重極子について、ステップS34ないしステップS36の処理を繰り返して、各多重極子の合成駆動関数を算出する。ステップS34においてフィルタ係数演算部14は、処理対象の多重極子の合成駆動関数を初期化する。
 フィルタ係数演算部14は、処理対象の多重極子に含まれる各焦点について、ステップS35の処理を行う。ステップS35においてフィルタ係数演算部は、対象焦点の極性を用いて、ステップS33で算出した対象焦点の駆動関数を、合成駆動関数に加算する。図9に示す例において、フィルタ係数演算部14は、多重極子M1について、式E21を算出し、多重極子M2について、式E22を算出する。
 ステップS36においてフィルタ係数演算部14は、ステップS35で算出された合成駆動関数に、円調和係数変換部13で算出された重みをかけて、重み付き駆動関数を算出する。図9に示す例において、フィルタ係数演算部14は、多重極子M1について算出した式E21に、多重極子M1の重みをかけた関数と、多重極子M2について算出した式E22に、多重極子M2の重みをかけた関数と加算して、式E31の重み付き駆動関数を算出する。
 ステップS37においてフィルタ係数演算部14は、各多重極子について計算した後に得られた重み付き駆動関数を、対象スピーカに与える重み付き駆動関数として出力する。
 フィルタ係数演算部14により、直線状スピーカアレイの各スピーカに対する重み付き駆動関数が算出されると、畳み込み演算部15が、入力音響信号Iに、重み付き駆動関数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15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重み付き駆動関数を畳み込んで、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15は、所定のスピーカについて、このスピーカに対応する重み付き駆動関数を、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15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10を参照して、畳み込み演算部15による畳み込み演算処理を説明する。
 畳み込み演算部15は、ステップS41およびステップS42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S41において畳み込み演算部15は、フィルタ係数演算部14から、処理対象の対象スピーカの重み付き駆動関数を取得する。ステップS42において入力音響信号Iに、ステップS31で取得した重み付き駆動関数を畳み込み、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S41ないしステップS42の処理が終了すると、畳み込み演算部15は、処理を終了する。なお、ステップS41ないしステップS42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。
 本発明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重み付き駆動関数を算出する。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重み付き駆動関数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。この重み付き駆動関数は、各多重極子毎に、円調和係数から変換された重みが与えられているので、円調和係数を適宜設定することにより、各スピーカへの出力音響信号Oを、任意に調節することが可能になる。このように本発明の実施の形態に係る音響信号処理装置1は、楽器などの音源が持つ指向性をモデル化し、多重極子を重ね合わせて任意の指向特性を実現することができる。
 (その他の実施の形態)
 上記のように、本発明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 円調和係数変換部
 14 フィルタ係数演算部
 15 畳み込み演算部
 I 入力音響信号
 O 出力音響信号

Claims (7)

  1.  入力音響信号を、仮想音源を実現するための複数のスピーカを並べて構成した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うち極性の異なる一対の初期焦点座標について、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、焦点座標を決定する焦点位置決定部と、
     円調和係数から、前記焦点座標を含む多重極子に与える重みを算出する円調和係数変換部と、
     前記スピーカアレイの各スピーカについて、前記焦点座標と、前記焦点座標の極性と、前記多重極子に与える重みから、前記スピーカに与える重み付き駆動関数を演算するフィルタ係数演算部と、
     前記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重み付き駆動関数を畳み込んで、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.  前記円調和係数変換部は、式(1)により、多重極子に与える重みを算出する
     ことを特徴とする請求項1に記載の音響信号処理装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  3.  前記フィルタ係数演算部は、前記焦点座標のそれぞれを用いて駆動関数を算出し、前記多重極子のそれぞれについて、前記多重極子を構成する各焦点座標の極性と駆動関数から算出した合成駆動関数と、前記多重極子に与える重みから、前記スピーカに与える重み付き駆動関数を演算する
     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.  前記フィルタ係数演算部は、前記多重極子に含まれる各焦点座標について、前記焦点座標の極性と駆動関数をかけた関数を加算して、前記多重極子の前記合成駆動関数を算出する
     ことを特徴とする請求項3に記載の音響信号処理装置。
  5.  前記フィルタ係数演算部は、前記多重極子のそれぞれについて算出した合成駆動関数に、前記多重極子に与える重みをかけて加算して、前記重み付き駆動関数を算出する
     ことを特徴とする請求項3に記載の音響信号処理装置。
  6.  入力音響信号を、仮想音源を実現するための複数のスピーカを並べて構成した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うち、前記複数の初期焦点座標のうち極性の異なる一対の初期焦点座標について、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、焦点座標を決定するステップと、
     円調和係数から、前記焦点座標を含む多重極子に与える重みを算出するステップと、
     前記スピーカアレイの各スピーカについて、前記焦点座標と、前記焦点座標の極性と、前記多重極子に与える重みから、前記スピーカに与える重み付き駆動関数を演算するステップと、
     前記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重み付き駆動関数を畳み込んで、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。
  7.  コンピュータに、請求項1ないし5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。
PCT/JP2019/007754 2018-03-01 2019-02-28 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 WO2019168083A1 (ja)

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