WO2020158433A1 - 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

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健太 今泉
公孝 堤
篤 中平
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日本電信電話株式会社
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    • H04R2203/12—Beamforming aspects for stereophonic sound reproduction with loudspeaker arrays

Definitions

  • the present technology relates to a sound image localization device, a sound image localization method, and a program, and particularly to sound reproduction technology having a staging effect of generating a virtual sound source at an arbitrary position instead of the speaker body.
  • the directivity of sound is controlled by directivity control using a speaker having a sharp directivity using ultrasonic waves and a speaker array in which a plurality of normal speakers are arranged side by side.
  • a typical speaker is formed.
  • an ultrasonic speaker demodulates ultrasonic waves into audible sound, so that distortion occurs during demodulation, which deteriorates sound quality and makes it particularly difficult to reproduce in the high frequency range. Considering the reproduction of various contents such as music, directional reproduction capable of reproducing in a wide frequency band with high sound quality is required.
  • Directivity control technology arranges control points around a speaker array in which a plurality of speakers are arranged, and designs a filter that controls the amplitude and phase of each speaker based on the characteristics of transmission from the speaker to the control point. By applying the filter to an input signal, it is a technique of controlling the direction in which sound strongly propagates from a speaker or the direction in which sound does not propagate.
  • FIG. 7 shows an observation system for explaining the filter design of the directivity control by the least square method.
  • signal d O ( ⁇ ) [d O 1 ( ⁇ ), d O 2 ( ⁇ ), ..., d O M ( ⁇ )] If T, the signal d O (omega) is expressed as follows It
  • G( ⁇ ) is an M-row
  • L-column transfer function matrix that stores the transfer function G ml ( ⁇ ) from each speaker to each control point
  • G ml ( ⁇ ) is given by the following equation.
  • k is a wave number
  • r ml is a distance from the m-th control point to the l-th speaker.
  • the least-squares method for obtaining a directivity control filter is the minimum sum of squares
  • the superscript H represents a complex conjugate transpose.
  • the following directivity control filter can be obtained by solving the problem of minimizing the objective function J expressed by the equation (3).
  • the filter is calculated in a form that includes a filter gain that affects an output sound source from the filter.
  • the filter gain F l gain ( ⁇ ) corresponding to the l-th speaker at a certain angular frequency ⁇ is defined as follows.
  • Non-Patent Document 1 derived a filter for controlling directivity by using a penalty term described later for an objective function for deriving the filter. At this time, in order to suppress the filter gain, the sum of squares of the filter coefficient is used as a penalty term.
  • ⁇ ( ⁇ ) is a regularization parameter that controls the relative weight of the loss term
  • I is an identity matrix of L rows and L columns.
  • FIG. 8 shows an image diagram of sound image localization using directional reflection of sound.
  • reference numeral 100 is a speaker array
  • reference numeral 101 is a virtual speaker
  • reference numeral 102 is a ceiling or wall
  • reference numeral 103 is a direct sound
  • reference numeral 104 is a reflected sound
  • reference numeral 105 is a listening point.
  • the method based on Non-Patent Document 2 realizes upward sound image localization by reflecting sound to the ceiling as shown in FIG. 8 by directional reproduction of a regular polyhedron speaker. At that time, a normalized matched filter is used to form a directivity with a wide frequency band and sound quality.
  • FIG. 9 shows an observation system when designing a normalized matched filter.
  • the normalized matched filter is obtained by giving a filter in which the observed signal and the input acoustic signal match when the input acoustic signal is radiated from the speaker and observed at an arbitrary target control point. Therefore, the drive signal W l ( ⁇ ) given to the l-th speaker in the normalized matched filter can be designed by the following equation in the frequency domain.
  • f is the frequency
  • G l ( ⁇ ) is the transfer function from the l-th speaker to the target control point.
  • the transfer function G l ( ⁇ ) is obtained by Fourier transform of the impulse response g l (n).
  • n the time term
  • F the Fourier transform
  • Non-Patent Document 2 with regard to localization of a sound image in the upward direction, an experiment was conducted to localize the sound image in the reflected sound direction if there was a sound pressure difference of more than 5 dB between the reflected sound from the wall and the direct sound from the speaker. I have confirmed it.
  • Non-Patent Document 2 it has been confirmed that the sound image can be localized upward when the difference between the sound reflected from the wall surface and the direct sound from the speaker is larger than 5 dB. Therefore, it is necessary to suppress the direct sound from the speaker while forming high-quality sound and directional sound having a wide frequency band. However, it is difficult to realize by directivity control using a conventional general method.
  • Non-Patent Document 2 realizes high-quality sound and directional reproduction using a wide frequency band.
  • this method is not a method of intentionally designing the directivity, it is possible to form the directivity, but there is a problem that an arbitrary directivity characteristic cannot be given.
  • Non-Patent Document 1 suppresses the filter gain by using a penalty term for suppressing the filter gain.
  • the regularization parameter which is the weight of the penalty term
  • the same value is experimentally used for all frequencies based on the reproducibility of the desired directional characteristic and the magnitude of the filter gain for each frequency.
  • the same regularization parameter is used for all frequencies, there is a problem that an optimum parameter cannot be given for each frequency.
  • the reproducibility of the desired directional characteristics and the magnitude of the filter gain are in a trade-off relationship, it is difficult to set the optimum parameters.
  • the present invention has been made in view of the above-described conventional technique, and an object of the present invention is to provide a sound image localization device, a sound image localization method, and a program that enable a virtual speaker to handle a wide range of frequencies and reproduce with high sound quality.
  • the invention is a sound image localization apparatus, comprising: a directivity control filter design unit that calculates a directivity control filter from a desired directivity characteristic; and a directivity control calculated by the directivity control filter design unit.
  • the directivity control includes: a filter coefficient correction unit that corrects the filter; and a convolution calculation unit that convolves the input acoustic signal and the directivity control filter corrected by the filter coefficient correction unit to calculate an output acoustic signal.
  • the filter design unit and the filter coefficient correction unit calculate a filter corresponding to each speaker constituting the speaker array, generate an acoustic beam using directivity control by the speaker array, and use the acoustic beam on a wall surface or a ceiling. The point is to create a virtual sound source by reflecting it.
  • the invention according to a second aspect is characterized in that, in the invention according to the first aspect, the filter coefficient correction unit calculates the filter gain, which is an absolute value of the filter coefficient at each frequency, to be constant. ..
  • An invention is a sound image localization apparatus, comprising: an objective function setting unit that sets an objective function from a desired directional characteristic; a constraint setting unit that sets a linear or nonlinear constraint; and the objective function setting unit.
  • the objective function set by, and the optimization unit that calculates the optimum filter coefficient from the constraint set by the constraint setting unit, convolution of the input acoustic signal and the directivity control filter calculated by the optimization unit, output
  • a convolution operation unit for calculating an acoustic signal, and the objective function setting unit, the constraint setting unit, and the optimization unit calculate a filter corresponding to each speaker constituting the speaker array, and direct the speaker array
  • the gist is to create an acoustic beam using sex control and to create a virtual sound source by reflecting the acoustic beam on a wall or ceiling.
  • the invention according to a fourth aspect is the invention according to the third aspect, wherein the constraint setting unit is configured to limit the value of the filter gain at each frequency to a constant value, and to limit the directivity characteristic from the desired directivity characteristic.
  • the point is to set at least one of them.
  • the invention according to a fifth aspect is a sound image localization method, comprising: a directivity control filter design step of calculating a directivity control filter from a desired directivity characteristic; and a directivity control calculated in the directivity control filter design step.
  • the directivity control includes a filter coefficient correction step of correcting the filter, a convolution operation step of convoluting the input acoustic signal and the directivity control filter corrected in the filter coefficient correction step, and calculating an output acoustic signal.
  • a filter corresponding to each speaker that constitutes the speaker array is calculated, an acoustic beam is created using directivity control by the speaker array, and the acoustic beam is applied to a wall surface or a ceiling. The point is to create a virtual sound source by reflecting it.
  • the invention according to a sixth aspect is a sound image localization method, comprising an objective function setting step of setting an objective function from a desired directional characteristic, a constraint setting step of setting a linear or non-linear constraint, and the objective function setting step.
  • the optimization step of calculating the optimum filter coefficient from the constraint set in the constraint setting step, and convolution of the input acoustic signal and the directivity control filter calculated in the optimization step, output
  • the gist is to create an acoustic beam using sex control and to create a virtual sound source by reflecting the acoustic beam on a wall or ceiling.
  • the gist of the invention according to a seventh aspect is a program for causing a computer to function as the sound image localization apparatus according to the first or second aspect.
  • the gist of the invention according to the eighth aspect is a program for causing a computer to function as the sound image localization apparatus according to the third or fourth aspect.
  • the present invention it is possible to provide a sound image localization device, a sound image localization method, and a program that enable a virtual speaker to handle a wide range of frequencies and reproduce with high sound quality.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of a sound image localization device in the first embodiment.
  • 3 is a flowchart showing the operation of the sound image localization device in the first embodiment.
  • 5 is an explanatory diagram of a method of setting directional characteristics in the sound image localization apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of a method of setting directional characteristics in the sound image localization apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of a sound image localization device in Embodiment 2.
  • FIG. 9 is a flowchart showing the operation of the sound image localization apparatus in the second embodiment. It is a figure which shows the observation system at the time of obtaining the filter of directivity control. It is an image figure of sound image localization using the directivity reflection of sound. It is a figure which shows the observation system at the time of designing a normalized matched filter.
  • the filter gain is not suppressed by using the penalty term as in Non-Patent Document 1, but the filter gain is constrained to be equal in all frequency bands as in Non-Patent Document 2.
  • a directivity control filter capable of generating a desired directional characteristic is designed, and a virtual speaker is generated by using the reflection on the wall surface as shown in FIG.
  • a directivity control filter designed by a method such as the least square method uses a correction that constrains the filter gain, so that a wide frequency range can be handled and high-quality sound reproduction is possible. This is an example of realizing sexual reproduction.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of the sound image localization apparatus 10 according to the first embodiment
  • FIG. 2 is a flowchart showing the operation thereof.
  • the sound image localization apparatus 10 according to the first embodiment is a sound image localization apparatus 10 based on reflected sound, and includes a directivity control filter design unit 11, a filter coefficient correction unit 12, and a convolution calculation unit 13.
  • the sound image localization device 10 may have other components.
  • the directivity control filter shown in FIG. 8 may be included.
  • the directivity control filter design unit 11 calculates a basic directivity control filter from the input desired directivity characteristics (FIG. 2, steps S11 to S12).
  • the desired directivity characteristic corresponds to the vector d in Expression (1)
  • the basic directivity control filter corresponds to the vector w in Expression (1).
  • the desired directional characteristic to be input corresponds to the control point regardless of the speaker, and is arbitrarily set outside the device (for example, FIGS. 3 and 4 described later. If there are 36 points around the speaker in a circular pattern in steps of 10 degrees, the desired characteristic d is a 36-by-1 vector.
  • the method used to calculate the basic directivity control filter is a method that minimizes the error between the directivity characteristic observed at the observation point and the desired directivity characteristic when the basic directivity control filter is used. Any method can be used, but for example, the least square method can be used.
  • the filter coefficient correction unit 12 calculates a corrected directivity control filter from the input basic directivity control filter (FIG. 2, step S13).
  • the filter coefficient correction unit 12 performs correction on the basic directivity control filter so that the filter gain, which is the absolute value of the filter coefficient at each frequency, is constant, and calculates the corrected directivity control filter. For example, focusing on a certain frequency of the basic directivity control filter, the filter coefficient corresponding to the frequency is divided by the absolute value of the filter coefficient, and then the coefficient is multiplied by a predetermined constant. By performing this process for all frequencies of interest, the filter gain at each frequency can be made constant.
  • the convolution operation unit 13 calculates an output acoustic signal from the input input acoustic signal and the corrected directivity control filter (FIG. 2, step S14).
  • the convolution operation unit 13 convolves the directivity control filter with the input acoustic signal to calculate the output acoustic signal.
  • FIG. 3 shows a case where the shape of directivity (directivity characteristic) to be clearly created is determined.
  • directivity characteristic directivity characteristic
  • Fig. 4 shows the case where the shape of the directivity (directional characteristic) to be clearly created is not decided.
  • the user wants to satisfy such as "there are people who want to hear at control point 1 and people who do not want to hear at control point 2".
  • the sound image localization apparatus 10 includes the directivity control filter design unit 11 that calculates the directivity control filter from the desired directivity characteristic, and the directivity calculated by the directivity control filter design unit 11. It has a filter coefficient correction unit 12 that corrects the control filter, and a convolution operation unit 13 that convolves the input acoustic signal and the directivity control filter corrected by the filter coefficient correction unit 12 to calculate an output acoustic signal. Then, the directivity control filter design unit 11 and the filter coefficient correction unit 12 calculate a filter corresponding to each speaker constituting the speaker array, generate an acoustic beam by using the directivity control by the speaker array, and output the acoustic beam.
  • a virtual sound source is created by reflecting the light on the wall or ceiling. As a result, it is possible to provide the sound image localization apparatus 10 in which the virtual speaker can handle a wide range of frequencies and can reproduce with high sound quality.
  • the filter coefficient correction unit 12 calculates so that the filter gain, which is the absolute value of the filter coefficient at each frequency, becomes constant. Thereby, it is possible to realize a desired directional reproduction.
  • the expression “reflecting the acoustic beam on the wall or ceiling” is used here, but the meaning of “wall or ceiling” is understood broadly. That is, the “wall surface or ceiling” includes other objects that reflect the acoustic beam as well as the wall surface and the ceiling.
  • a desired filter by designing a filter by solving an optimization problem in which a function that forms a desired directional characteristic is given as an objective function and a nonlinear equality constraint that constrains a filter gain to a constant value is given as a constraint, a desired filter is designed. This is an example of realizing directional reproduction.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of the sound image localization apparatus 20 according to the second embodiment
  • FIG. 6 is a flowchart showing the operation thereof.
  • the sound image localization apparatus 20 according to the second embodiment includes an objective function setting unit 21, a constraint setting unit 22, an optimization unit 23, and a convolution operation unit 24.
  • the objective function setting unit 21 sets an objective function from the input desired directional characteristics (FIG. 6, steps S21 ⁇ S22).
  • the least square error which is the sum of squares of the error between the desired directional characteristic d expressed by the equation (3) and the directional characteristic d O observed at the control point, can be used. Similar to the first embodiment, the desired directional characteristic is set outside the device.
  • the constraint setting unit 22 sets constraints on the filter gain (FIG. 6, step S23). In addition, it is also possible to add and set constraints on the directional characteristics from the input desired directional characteristics (FIG. 6, steps S21 ⁇ S23). As a constraint regarding the filter gain, a constraint that the value of the filter gain at each frequency is constant is given as in the first embodiment. As an example of the restrictions on the directional characteristics, it is possible to use a restriction that suppresses sound emission in directions other than the target direction, a restriction that the frequency response in the target direction is constant, and the like.
  • the optimizing unit 23 calculates a directivity control filter by solving optimization under the input objective function and constraints (FIG. 6, step S24). Taking the least squares method as an example, an optimization problem constraining the filter gain and the frequency response in the target direction is shown below.
  • G( ⁇ ) is a transfer function matrix that stores the transfer function from each speaker to the control point
  • w( ⁇ ) [w 1 ( ⁇ ),w 2 ( ⁇ ),...,w L ( ⁇ )]
  • c is an arbitrary constant
  • G point ( ⁇ ) is a transfer function vector that stores the transfer function from each speaker to the target direction.
  • the convolution operation unit 24 is the same as that of the first embodiment, and therefore its description is omitted (FIG. 6, step S25).
  • the sound image localization apparatus 20 includes the objective function setting unit 21 that sets an objective function based on a desired directional characteristic, the constraint setting unit 22 that sets a linear or nonlinear constraint, and the objective function setting.
  • the optimization unit 23 that calculates the optimum filter coefficient from the objective function set by the unit 21 and the constraint set by the constraint setting unit 22, and the input sound signal and the directivity control filter calculated by the optimization unit 23
  • a convolution operation unit 24 that calculates a convolution and an output acoustic signal.
  • the objective function setting unit 21, the constraint setting unit 22, and the optimization unit 23 calculate a filter corresponding to each speaker forming the speaker array, and generate a sound beam by using directivity control by the speaker array.
  • a virtual sound source is created by reflecting the acoustic beam on the wall or ceiling.
  • the constraint setting unit 22 sets at least one of a constraint that the value of the filter gain at each frequency is constant and a constraint on the directional characteristic from a desired directional characteristic. Thereby, it is possible to realize a desired directional reproduction.
  • the present invention can be realized not only as such a sound image localization device 10 or 20, but also as a sound image localization method in which the characteristic functional parts of the sound image localization device 10 or 20 are steps.
  • these steps can be realized as a program that causes a computer to execute the steps. It goes without saying that such a program can be distributed via a recording medium such as a CD-ROM or a transmission medium such as the Internet.

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Abstract

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。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。

Description

音像定位装置、音像定位方法、およびプログラム
　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 JPOXMLDOC01-appb-M000001
  
　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 JPOXMLDOC01-appb-M000002
  
　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 JPOXMLDOC01-appb-M000003
  
　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 JPOXMLDOC01-appb-M000004
  
　（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 JPOXMLDOC01-appb-M000005
  
　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 JPOXMLDOC01-appb-M000006
  
　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 JPOXMLDOC01-appb-M000007
  
　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 JPOXMLDOC01-appb-M000008
  
　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 JPOXMLDOC01-appb-M000009
  
　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
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　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 JPOXMLDOC01-appb-M000010
  
　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。
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