WO2024042643A1 - エリア再生のための再生制御装置、再生制御方法、およびプログラム - Google Patents

エリア再生のための再生制御装置、再生制御方法、およびプログラム Download PDF

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WO2024042643A1
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sound field
filter
optimization problem
desired sound
control device
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PCT/JP2022/031902
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Inventor
健太 今泉
公孝 堤
真二 深津
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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    • 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

Definitions

  • One aspect of the present invention relates to a playback control device, playback control method, and program for area playback.
  • Patent Document 1 proposes a method of realizing area reproduction in which a speaker array is used to present sound only in an arbitrary specific area and prevent sound from leaking to other areas. Further, as a method for realizing area reproduction using a speaker array, there is a method using the least squares method or an acoustic contrast maximization technique.
  • the method of realizing area reproduction using a speaker array is to arrange multiple control points for a speaker array that has multiple speakers, and to adjust the amplitude of each speaker based on the characteristics of transmission from each speaker to each control point.
  • This is a technology that controls the sound field observed at a control point to match the desired sound field by designing a filter that controls the phase and applying that filter to the input signal of each speaker.
  • Acoustic contrast maximization technology is a technology that uses a speaker array to maximize the sound pressure ratio between the bright zone, which is the area that presents arbitrarily set sound to the speaker array, and the dark zone, which is the area that suppresses sound. be.
  • Non-Patent Document 1 proposes a method of suppressing the filter gain by using a penalty term that suppresses the filter gain.
  • Non-Patent Document 2 proposes a method for suppressing sound leakage using a method in which the weight ratio of minimizing the error with the desired sound field in the bright zone and minimizing the acoustic energy in the dark zone can be controlled by parameters. .
  • Non-Patent Document 1 that suppresses the filter gain using a penalty term, even if the filter gain can be suppressed, a considerable amount of sound leaks to the Dark Zone.
  • Non-Patent Document 2 when emphasis is placed on sound field reproduction, sound leakage occurs to the Dark zone, and when emphasis is placed on minimizing acoustic energy, sound field leakage occurs in the Bright zone. reproducibility will decrease.
  • This invention was made with attention to the above circumstances, and its purpose is to reproduce a desired wavefront in the bright zone while suppressing the gain applied to each speaker of the speaker array, and to reproduce the desired wavefront in the dark zone.
  • the objective is to provide technology that realizes area playback that suppresses sound leakage.
  • One aspect of the present invention is a playback control device for area-reproducing sound inside a circular speaker array using a circular speaker array in which a plurality of speakers are arranged inward in a circular manner.
  • This playback control device includes a desired sound field definition processing unit that defines a desired sound field from input desired sound field data, and an optimization problem definition processing unit that defines an optimization problem for obtaining the defined desired sound field.
  • a sound field control filter design processing section that designs a sound field control filter using a proximity separation algorithm based on the defined optimization problem; and a sound field control filter design processing section that designs a filter for sound field control using a proximity separation algorithm based on the defined optimization problem; and a drive signal generation processing unit that generates a drive signal to be input to each speaker of the circular speaker array.
  • One aspect of the present invention is a playback control method for reproducing sound in an area inside the circular speaker array using a circular speaker array in which a plurality of speakers are arranged inward in a circular manner.
  • the playback control method includes the steps of defining a desired sound field from desired sound field data, defining an optimization problem to obtain the desired sound field, and using a proximity separation algorithm based on the optimization problem. designing a filter for field control; and generating a drive signal input to each speaker of the circular speaker array by applying the filter to an input acoustic signal.
  • One aspect of the present invention is a program that reproduces sound in an area inside the circular speaker array using a circular speaker array in which a plurality of speakers are arranged inward in a circular manner.
  • This program causes a processor included in the playback control device to execute processing by each of the processing units included in the playback control device.
  • a technology that reproduces a desired wavefront in the bright zone while suppressing the gain applied to each speaker of a speaker array, and realizes area reproduction in which sound leakage to the dark zone is suppressed. can do.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of an area playback system including a playback control device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing an example of the hardware configuration of the playback control device shown in FIG.
  • FIG. 3 is a block diagram showing an example of the software configuration of the playback control device shown in FIG.
  • FIG. 4 is a flowchart showing an example of a processing procedure and processing contents by the playback control device shown in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram showing an observation system for explaining an example of a filter design method for sound field reproduction using the least squares method.
  • FIG. 6 is a diagram showing an observation system for explaining an example of an acoustic contrast maximization technique.
  • FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of an area playback system including a playback control device according to an embodiment of the present invention.
  • the area playback system includes a circular speaker array SP, a playback control device 1 that supplies an acoustic drive signal BS to the circular speaker array SP, and an input/output device 2 connected to the playback control device 1. Be prepared.
  • the circular speaker array SP has a plurality of speakers SP 1 to SP L arranged in a circle.
  • the speakers SP 1 to SP L are arranged at equal intervals on the same circumference.
  • the speakers SP 1 to SP L are arranged with their respective sound emission directions directed toward the center of the circumference.
  • the circular speaker array SP is driven by the acoustic drive signal BS supplied from the reproduction control device 1, and emits sound toward the inside of the circular speaker array SP. As a result, a Bright zone BZ and a Dark zone DZ are formed inside the circular speaker array SP.
  • the input/output device 2 is comprised of, for example, a personal computer used by a system administrator or a user, or a mobile terminal such as a smartphone, and is used to input information about a desired sound field to the playback control device 1.
  • the input/output device 2 may be, for example, a television remote control or an operation panel of a car navigation device, and the connection means between the input/output device 2 and the playback control device 1 may be Bluetooth (registered trademark) in addition to a wired cable. ), WiFi (registered trademark), or a mobile communication network.
  • Regeneration control device 1 2 and 3 are block diagrams showing the hardware configuration and software configuration of the playback control device 1, respectively.
  • the playback control device 1 includes a control section 10 that uses a hardware processor such as a central processing unit (CPU).
  • a hardware processor such as a central processing unit (CPU).
  • An input/output interface (hereinafter referred to as I/F) is connected to the control unit 10 via a bus 60 to connect a storage unit having a program storage unit 20 and a data storage unit 30 to the input/output device 2. ) 40 and an audio signal I/F 50 are connected.
  • the acoustic signal I/F 50 inputs an acoustic signal output from a sound source (not shown), and outputs an acoustic drive signal BS generated by a control unit 10, which will be described later, to each speaker SP 1 to SP L of the circular speaker array SP. used for.
  • the program storage unit 20 includes, as a storage medium, a non-volatile memory such as a HDD (Hard Disk Drive) or an SSD (Solid State Drive) that can be written to and read at any time, and a non-volatile memory such as a ROM (Read Only Memory).
  • a non-volatile memory such as a HDD (Hard Disk Drive) or an SSD (Solid State Drive) that can be written to and read at any time
  • a non-volatile memory such as a ROM (Read Only Memory).
  • middleware such as an OS (Operating System)
  • OS Operating System
  • the data storage unit 30 is, for example, a combination of a nonvolatile memory such as an HDD or an SSD that can be written to and read from at any time, and a volatile memory such as a RAM (Random Access Memory) as a storage medium.
  • a nonvolatile memory such as an HDD or an SSD that can be written to and read from at any time
  • a volatile memory such as a RAM (Random Access Memory) as a storage medium.
  • a desired sound field storage section 31 and a filter storage section 32 are provided as main storage sections necessary for implementing the above.
  • the desired sound field storage section 31 is used to store the desired sound field defined by the control section 10.
  • the filter storage unit 32 is used to store a filter for sound field control calculated by the control unit 10.
  • the control unit 10 includes a desired sound field definition processing unit 11, an optimization problem definition processing unit 12, a sound field control filter design processing unit 13, and a drive signal generation processing unit as processing functions necessary for implementing one embodiment.
  • a processing section 14 is provided. These processing units 11 to 14 are all realized by causing the hardware processor of the control unit 10 to execute programs stored in the program storage unit 20.
  • the desired sound field definition processing unit 11 receives the desired sound field data DS output from the input/output device 2 via the input/output I/F 40, and defines the sound as a bright zone, which is an area that reproduces an arbitrary desired wavefront. A process is performed to define a desired sound field consisting of a dark zone, which is an area to be suppressed, and to store the defined desired sound field in the desired sound field storage unit 31.
  • the optimization problem definition processing unit 12 performs processing to define an optimization problem for realizing the desired sound field defined by the desired sound field definition processing unit 11.
  • the sound field control filter design processing unit 13 performs a process of designing a sound field control filter using a proximity separation algorithm based on the optimization problem defined by the optimization problem definition processing unit 12, and calculates by this process.
  • the filter to be used is stored in the filter storage unit 32.
  • the drive signal generation processing section 14 performs a convolution operation on the acoustic signal AS input via the acoustic signal I/F 50 and the filter stored in the filter storage section 32. Then, the drive signal generation processing unit 14 generates an acoustic drive signal BS whose phase and amplitude are controlled for each of the speakers SP 1 to SP L constituting the circular speaker array SP, and converts the generated acoustic drive signal BS into an acoustic signal. Processing is performed to output from the I/F 50 to each of the corresponding speakers SP 1 to SP L.
  • Sound field reproduction technology using a circular speaker array based on the least squares method Sound field reproduction technology using a circular speaker array based on the least squares method uses a circular speaker array in which multiple speakers are arranged on the same circumference. Place control points inside. A filter is designed to control the amplitude and phase of each speaker based on the characteristics of transmission from the speaker to the control point. By supplying the filtered acoustic drive signal BS to the speaker, control is performed so that the sound field observed at the control point matches the desired sound field.
  • a typical method for designing a filter for sound field reproduction is a method using the least squares method.
  • FIG. 5 shows an example of an observation system for explaining a method of designing a filter for sound field reproduction using the least squares method.
  • the control points can be arbitrarily arranged depending on the sound field desired to be reproduced.
  • L indicates the number of speakers
  • M indicates the number of control points.
  • f represents the frequency
  • G( ⁇ ) stores the transfer function G ml ( ⁇ ) from each speaker SP 1 to SP L to each control point CP 1 to CP M.
  • This is a transfer function matrix with M rows and L columns.
  • the transfer function G ml ( ⁇ ) from the l-th speaker SP l to the m-th control point CP m which constitutes the transfer function matrix G ( ⁇ ), is given by the following equation.
  • the acoustic contrast maximization technology is based on the area (BZ) where arbitrarily set sound is presented to the speaker array (BZ) and the area (Dark zone) where sound is suppressed. ) This is a technology that maximizes the sound pressure ratio between DZ and DZ.
  • FIG. 6 shows an example of an observation system used to explain the acoustic contrast maximization technique for the inner side of the circular speaker array SP.
  • a desired sound field that is, a sound presentation area (Bright zone) BZ and a sound suppression area (Dark zone) DZ are arbitrarily set.
  • SP 1 to SP L indicate each speaker of the circular speaker array SP
  • CP 1B to CP mB to CP MB indicate control points arranged in the Bright zone BZ
  • CP 1D to CP mD to CP MD indicates a control point placed in the Dark zone DZ.
  • G mBl ( ⁇ ) represents a transfer function from the l-th speaker SP l to the m-th control point CP mD of Bright zone BZ
  • G mDl ( ⁇ ) represents the transfer function from the l-th speaker SP l to the Bright zone BZ.
  • the transfer function of BZ to the m-th control point CP mD is shown.
  • the sounds observed in the Bright zone BZ and Dark zone DZ are as follows:
  • the field can be expressed by the following formula.
  • p B ( ⁇ ) and p D ( ⁇ ) represent the sound fields observed in the Bright zone BZ and Dark zone DZ, respectively
  • G B ( ⁇ ) and G D ( ⁇ ) represent the sound fields observed in the bright zone BZ and Dark zone DZ, respectively.
  • This is a transfer function matrix that stores transfer functions from array SP to Bright zone BZ and Dark zone DZ.
  • the acoustic energies E B and E D in each area can be expressed by the following formulas.
  • Acoustic contrast AC is obtained by the ratio of E B and E D.
  • the acoustic contrast maximization technique is defined as the following optimization problem that maximizes the acoustic contrast AC obtained by equation (9).
  • w l ( ⁇ ) represents a filter coefficient corresponding to the l-th speaker SP l .
  • the superscript * represents a complex conjugate.
  • Non-Patent Document 1 uses a penalty term for the objective function for deriving the filter to control the sound field while suppressing the filter gain.
  • the filter is derived.
  • the sum of squares of the filter coefficients is used as a penalty term.
  • ⁇ ( ⁇ ) is a regularization parameter that controls the relative weight of the loss term
  • the following sound field control filter w( ⁇ ) is obtained by solving a minimization problem regarding w( ⁇ ).
  • I indicates a unit matrix of L rows and L columns, and L indicates the number of speakers.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the processing procedure and processing contents of area playback control executed by the playback control device 1.
  • the position and number of the Bright zone which is an area that reproduces the wavefront
  • the Dark zone which is the area that suppresses sound
  • the control unit 10 of the reproduction control device 1 causes the desired sound field storage unit 31 to store the desired sound field d defined by the desired sound field definition processing unit 11.
  • the optimization problem is defined as follows.
  • G is a transfer function matrix with M rows and L columns that stores transfer functions from L speakers configuring the circular speaker array SP to M control points CP 1 to CP M
  • w [w 1 , w 2 , ..., w L ] T is a filter coefficient vector that stores filter coefficients corresponding to each speaker.
  • ⁇ 1 and ⁇ 2 are hyperparameters that control the sum of squares of the l 2 norm (
  • 1,2 ), and u [u 1 , u 2 ,..., u L ] T represents the reproduced sound field.
  • the sum of squares (l 2 norm) of the error between the desired sound field and the reproduced sound field is used to generate the Bright zone BZ that reproduces the sound field and the Dark zone DZ that suppresses the sound. It is also possible to replace the weight ratio of minimizing the error with the desired sound field in the zone and minimizing the acoustic energy in the dark zone by a method that can be controlled by parameters.
  • p is a dual variable and h*( ⁇ ) represents a convex conjugate function of h( ⁇ ).
  • the sound field control filter design processing unit 13 solves the optimization problem shown in the rewritten equation (15) based on the fixed point condition that the subdifferentials with respect to the principal variable w and the dual variable p include 0. Then, we generate the following neighbor separation algorithm.
  • k is the number of updates
  • T max is the maximum number of updates.
  • the algorithm is stopped when the number of updates k exceeds the maximum number of updates T max .
  • the control unit 10 of the reproduction control device 1 receives the audio signal AS output from a sound source (not shown) through the audio signal I/F 50. At this time, if the acoustic signal AS is an analog signal, it is converted into a digital signal by the acoustic signal I/F 50. Subsequently, under the control of the drive signal generation processing section 14, the control section 10 of the reproduction control device 1 converts the acoustic signal AS received by the acoustic signal I/F 50 and the data stored in the filter data storage section 32 in step S14.
  • a convolution operation is performed with the filter w, which is applied to the filter w, thereby generating an acoustic signal for each of the speakers SP 1 to SP L to which the filter w is applied.
  • the generated acoustic signal is converted into an analog signal by the acoustic signal I/F 50, and then outputted to each of the corresponding speakers SP 1 to SP L as an acoustic drive signal BS.
  • the playback control device 1 performs area playback using the circular speaker array SP in which the plurality of speakers SP 1 to SP L are arranged facing inward in a circular manner. This is the device.
  • the sound field definition processing unit 11 defines a desired sound field d from the input desired sound field data DS.
  • the position and number of the Bright zone, which is an area that reproduces the wavefront, and the Dark zone, which is the area that suppresses sound can be arbitrarily set with respect to the inner area of the circular speaker array SP. .
  • an optimization problem is defined using the desired sound field d.
  • the sum of squares of the filter coefficient vector l 2 norm and the mixture l 1,2 norm that evaluates the sparsity of the sound field in the area to be reproduced are used as the sum of operators. Attached to functions.
  • the sound field control filter design processing unit 13 calculates the sound field control filter W by solving the defined optimization problem using a proximity separation algorithm.
  • the drive signal generation processing unit 14 performs a convolution operation on the input acoustic signal AS and the calculated sound field control filter to generate an acoustic drive signal BS for each speaker of the circular speaker array SP. By supplying each acoustic drive signal BS to the corresponding speakers SP 1 to SP L , a desired sound field is reproduced.
  • the sum of squares of filter coefficients (l 2 norm) is added as a penalty term to the objective function for determining a filter for sound field reproduction using the least squares method, and
  • a mixed l 1,2 norm for evaluating sparsity is added as an operator.
  • the optimization problem definition process, the sound field control filter design process, and the drive signal generation process executed by the playback control device 1 are all realized by having a hardware processor (CPU) execute a program.
  • CPU hardware processor
  • some or all of these functions may be realized using an integrated circuit configured for a specific purpose, such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) or a DSP (Digital Signal Processor).
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, but can be embodied by modifying the constituent elements at the implementation stage without departing from the spirit of the invention.
  • various inventions can be formed by appropriately combining the plurality of components disclosed in the above embodiments. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiments. Furthermore, components from different embodiments may be combined as appropriate.

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Abstract

この発明の一態様は、複数のスピーカが円形に内向きに配置された円形スピーカアレイを用いて円形スピーカアレイの内側に音をエリア再生するための再生制御装置である。この再生制御装置は、入力される所望音場データから所望音場を定義する所望音場定義処理部と、定義された前記所望音場を得るための最適化問題を定義する最適化問題定義処理部と、定義された前記最適化問題もとに近接分離アルゴリズムを用いて音場制御のフィルタを設計する音場制御フィルタ設計処理部と、入力される音響信号に前記フィルタを適用させることにより、前記円形スピーカアレイの各スピーカに入力する駆動信号を生成する駆動信号生成処理部とを備える。

Description

エリア再生のための再生制御装置、再生制御方法、およびプログラム
　この発明の一態様は、エリア再生のための再生制御装置、再生制御方法、およびプログラムに関する。
　近年、駅のホーム、美術館、および博物館といった公共空間において、特定のエリアにのみ音を提示するエリア再生が広まっている。特に、超音波を用いた超指向性をもつ超音波スピーカや、複数のスピーカが内蔵されたバースピーカなどの通常のスピーカを制御する手法によるエリア再生が検討されている。しかし、一般的に超音波スピーカは、超音波を可聴音に復調する際に、音質を劣化させることが知られている。
　一方で、ゲームや映画において、映像に合わせて音の到来方向や、波面、大きさを再現することにより、臨場感の感じられる再生（臨場感再生）の実現が検討されている。しかし、超音波スピーカでは、音の到来方向や、波面、大きさを正確に再現することは難しい。また、バースピーカでの臨場感再生は、特定の方向の波面の再現は可能だが、スピーカの置かれていない方向からの音の再現は難しい。
　特許文献１は、スピーカアレイを用いて、任意の特定のエリアにのみ音を提示し、それ以外のエリアには音が漏れないようにするエリア再生を実現する手法を提案している。また、スピーカアレイを用いてエリア再生を実現する手法として、最小二乗法や音響コントラスト最大化技術を用いる手法がある。
　スピーカアレイを用いてエリア再生を実現する手法は、複数のスピーカを有するスピーカアレイに対して複数の制御点を配置し、各スピーカから各制御点までの伝達の特性を基に各スピーカの振幅と位相を制御するフィルタを設計し、そのフィルタを各スピーカの入力信号に適用することにより、制御点で観測される音場が所望の音場と一致するように制御する技術である。
　音響コントラスト最大化技術は、スピーカアレイに対して任意に設定した音を提示する領域であるBright zoneと音を抑圧する領域であるDark zoneとの間の音圧比をスピーカアレイにより最大化する技術である。
　所望の音場、すなわち、音を提示する領域であるBright zoneと、音を抑圧する無音領域であるDark zoneを生成するために、音響コントラスト最大化技術に基づく手法によりフィルタを設計することは可能ではある。しかし、音響コントラスト最大化技術では、所望の波面を再現することはできない。また、低域のフィルタゲインが大きくなり、スピーカの許容振動を超え音が割れてしまい再生が困難なフィルタが計算される場合がある。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する手法を提案している。
　一方で、無音領域であるDark zoneへの音漏れは、少なからず生じてしまう。非特許文献２は、Bright zoneにおける所望音場との誤差の最小化とDark zoneにおける音響エネルギーの最小化の重みの比率をパラメータにより制御可能な手法により音漏れを抑圧する手法を提案している。
日本国特開２０１３－１１０４９５号公報
MM. Boone, WH. Cho, and JG Ih. "Design of a highly directional endfire loudspeaker array." Journal of the Audio Engineering Society 57.5 (2009): 309-325. Betlehem, Terence, et al. "Personal sound zones: Delivering interface-free audio to multiple listeners." IEEE Signal Processing Magazine 32.2 (2015): 81-91.
　罰則項を用いてフィルタゲインを抑圧する非特許文献１の手法では、フィルタゲインは抑圧できても、Dark zoneへの音漏れは少なからず発生してしまう。
　非特許文献２の手法では、音場の再現に重みを置いた場合には、Dark zoneへの音漏れが生じ、音響エネルギーの最小化に重みを置いた場合には、Bright zoneでの音場の再現性が低下してしまう。
　この発明は、上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、スピーカアレイの各スピーカに加わるゲインを抑圧しつつ、Bright zoneで所望の波面を再現し、かつDark zoneへの音漏れを抑圧したエリア再生を実現する技術を提供することにある。
　この発明の一態様は、複数のスピーカが円形に内向きに配置された円形スピーカアレイを用いて円形スピーカアレイの内側に音をエリア再生するための再生制御装置である。この再生制御装置は、入力される所望音場データから所望音場を定義する所望音場定義処理部と、定義された前記所望音場を得るための最適化問題を定義する最適化問題定義処理部と、定義された前記最適化問題もとに近接分離アルゴリズムを用いて音場制御のフィルタを設計する音場制御フィルタ設計処理部と、入力される音響信号に前記フィルタを適用させることにより、前記円形スピーカアレイの各スピーカに入力する駆動信号を生成する駆動信号生成処理部とを備える。
　この発明の一態様は、複数のスピーカが円形に内向きに配置された円形スピーカアレイを用いて円形スピーカアレイの内側に音をエリア再生する再生制御方法である。再生制御方法は、所望音場データから所望音場を定義するステップと、前記所望音場を得るための最適化問題を定義するステップと、前記最適化問題もとに近接分離アルゴリズムを用いて音場制御のフィルタを設計するステップと、入力される音響信号に前記フィルタを適用させることにより、前記円形スピーカアレイの各スピーカに入力する駆動信号を生成するステップとを有する。
　この発明の一態様は、複数のスピーカが円形に内向きに配置された円形スピーカアレイを用いて円形スピーカアレイの内側に音をエリア再生するプログラムである。このプログラムは、上記再生制御装置が備える上記各処理部による処理を、上記再生制御装置が備えるプロセッサに実行させる。
　この発明の一態様によれば、スピーカアレイの各スピーカに加わるゲインを抑圧しつつ、Bright zoneで所望の波面を再現し、かつDark zoneへの音漏れを抑圧したエリア再生を実現する技術を提供することができる。
図１は、この発明の一実施形態に係る再生制御装置を含むエリア再生システムの構成の一例を示す図である。 図２は、図１に示した再生制御装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 図３は、図１に示した再生制御装置のソフトウェア構成の一例を示すブロック図である。 図４は、図３に示した再生制御装置による処理手順と処理内容の一例を示すフローチャートである。 図５は、最小二乗法による音場再現のフィルタ設計手法の一例を説明するための観測系を示す図である。 図６は、音響コントラスト最大化技術の一例を説明するための観測系を示す図である。
　以下、図面を参照してこの発明に係わる実施形態を説明する。
　［一実施形態］
　（構成例）
　（１）システム
　図１は、この発明の一実施形態に係る再生制御装置を含むエリア再生システムの全体構成を示す図である。
　一実施形態に係るエリア再生システムは、円形スピーカアレイＳＰと、この円形スピーカアレイＳＰに音響駆動信号ＢＳを供給する再生制御装置１と、この再生制御装置１に接続される入出力装置２とを備える。
　円形スピーカアレイＳＰは、円形に配置された複数のスピーカＳＰ１～ＳＰＬを有する。例えば、スピーカのＳＰ１～ＳＰＬは、同一円周上に等間隔に配置されている。スピーカのＳＰ１～ＳＰＬは、それぞれの放音方向を円周中心に向けて配置されている。
　円形スピーカアレイＳＰは、再生制御装置１から供給される音響駆動信号ＢＳにより駆動され、円形スピーカアレイＳＰの内側に向けて音を放音する。これにより、円形スピーカアレイＳＰの内側に、Bright zone ＢＺとDark zone ＤＺが形成される。
　入出力装置２は、例えばシステム管理者またはユーザが使用するパーソナルコンピュータまたはスマートフォン等の携帯端末からなり、再生制御装置１に対して、所望音場の情報を入力するために使用される。なお、入出力装置２は例えばテレビジョンのリモコンやカーナビゲーション装置の操作パネルであってもよく、また入出力装置２と再生制御装置１との間の接続手段は有線ケーブル以外にBluetooth（登録商標）やWiFi（登録商標）、移動通信ネットワークなどの無線インタフェースであってもよい。
　（２）再生制御装置１
　図２および図３は、それぞれ再生制御装置１のハードウェア構成およびソフトウェア構成を示すブロック図である。
　再生制御装置１は、中央処理ユニット（Central Processing Unit：ＣＰＵ）等のハードウェアプロセッサを使用した制御部１０を備える。そして、この制御部１０に対し、バス６０を介して、プログラム記憶部２０およびデータ記憶部３０を有する記憶ユニットと、入出力装置２が接続される入出力インタフェース（以後インタフェースをＩ／Ｆと呼ぶ）４０と、音響信号Ｉ／Ｆ５０とを接続したものとなっている。
　音響信号Ｉ／Ｆ５０は、図示しない音源から出力される音響信号を入力すると共に、後述する制御部１０により生成された音響駆動信号ＢＳを円形スピーカアレイＳＰの各スピーカＳＰ１～ＳＰＬへ出力するために使用される。
　プログラム記憶部２０は、例えば、記憶媒体としてＨＤＤ（Hard Disk Drive）またはＳＳＤ（Solid State Drive）等の随時書込みおよび読出しが可能な不揮発性メモリと、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の不揮発性メモリとを組み合わせて構成したもので、ＯＳ（Operating System）等のミドルウェアに加えて、一実施形態に係る各種制御処理を実行するために必要なプログラムを格納する。
　データ記憶部３０は、例えば、記憶媒体として、ＨＤＤまたはＳＳＤ等の随時書込みおよび読出しが可能な不揮発性メモリと、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の揮発性メモリとを組み合わせたもので、一実施形態を実施するために必要な主たる記憶部として、所望音場記憶部３１と、フィルタ記憶部３２とを備えている。
　所望音場記憶部３１は、制御部１０により定義される所望音場を記憶するために使用される。フィルタ記憶部３２は、制御部１０により算出される音場制御のフィルタを記憶するために使用される。
　制御部１０は、一実施形態を実施するために必要な処理機能として、所望音場定義処理部１１と、最適化問題定義処理部１２と、音場制御フィルタ設計処理部１３と、駆動信号生成処理部１４とを備える。これらの処理部１１～１４は、何れもプログラム記憶部２０に格納されたプログラムを制御部１０のハードウェアプロセッサに実行させることにより実現される。
　所望音場定義処理部１１は、入出力装置２から出力される所望音場データＤＳを入出力Ｉ／Ｆ４０を介して受信し、任意の所望の波面を再現する領域であるBright zoneと音を抑圧する領域であるDark zoneからなる所望音場を定義し、定義した所望音場を所望音場記憶部３１に記憶させる処理を行う。
　最適化問題定義処理部１２は、所望音場定義処理部１１により定義された所望音場を実現するための最適化問題を定義する処理を行う。
　音場制御フィルタ設計処理部１３は、最適化問題定義処理部１２により定義された最適化問題をもとに近接分離アルゴリズムを用いて音場制御のフィルタを設計する処理を行い、この処理により算出されるフィルタをフィルタ記憶部３２に記憶させる。
　駆動信号生成処理部１４は、音響信号Ｉ／Ｆ５０を介して入力される音響信号ＡＳと、フィルタ記憶部３２に記憶されたフィルタとを畳み込み演算する。そして、駆動信号生成処理部１４は、円形スピーカアレイＳＰを構成するスピーカＳＰ１～ＳＰＬ毎に位相および振幅が制御された音響駆動信号ＢＳを生成し、生成された音響駆動信号ＢＳを音響信号Ｉ／Ｆ５０から対応するそれぞれのスピーカＳＰ１～ＳＰＬへ出力する処理を行う。
　（動作例）
　以下では、再生制御装置１により実行されるエリア再生制御の基礎となる技術について、まず、最小二乗法に基づく円形スピーカアレイを用いた音場再現技術および音響コントラスト最大化技術の一例について説明し、さらに非特許文献１に記載される罰則項によるフィルタゲイン抑圧技術について説明する。
　（１）最小二乗法に基づく円形スピーカアレイを用いた音場再現技術
　最小二乗法に基づく円形スピーカアレイを用いた音場再現技術では、複数のスピーカを同一円周上に並べた円形スピーカアレイの内側に制御点を配置する。スピーカから制御点までの伝達の特性を基に、各スピーカの振幅と位相を制御するフィルタを設計する。フィルタを適用させた音響駆動信号ＢＳをスピーカに供給することで、制御点で観測される音場が所望音場と一致するように制御する。
　音場再現のフィルタを設計するための代表的な手法として、最小二乗法を用いた手法がある。図５は、最小二乗法を用いた音場再現のフィルタの設計手法を説明するための観測系の一例を示したものである。ここで、制御点は再現したい音場によって任意に配置することが可能である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、Ｌはスピーカ数を示し、Ｍは制御点数を示す。また、ωは角周波数（ω＝２πｆ）、ｆは周波数を表し、Ｇ（ω）は各スピーカＳＰ１～ＳＰＬから各制御点ＣＰ１～ＣＰＭ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る。伝達関数行列Ｇ（ω）を構成するｌ番目のスピーカＳＰｌからｍ番目の制御点ＣＰｍまでの伝達関数Ｇｍｌ（ω）は以下の式で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
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、以下の音場再現のフィルタが求まる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　（２）音響コントラスト最大化技術
　音響コントラスト最大化技術は、先に述べたように、スピーカアレイに対して任意に設定した音を提示するエリア（Bright zone）ＢＺと音を抑圧するエリア（Dark zone）ＤＺとの間の音圧比を最大化する技術である。
　図６は、円形スピーカアレイＳＰによるアレイ内側を対象とした音響コントラスト最大化技術の説明に用いる観測系の一例を示したものである。
　まず、所望音場、つまり、音を提示するエリア（Bright zone）ＢＺと音を抑圧するエリア（Dark zone）ＤＺを任意に設定する。図６において、ＳＰ１～ＳＰＬは、円形スピーカアレイＳＰの各スピーカを示し、ＣＰ１Ｂ～ＣＰｍＢ～ＣＰＭＢは、Bright zone ＢＺに配置される制御点を示し、ＣＰ１Ｄ～ＣＰｍＤ～ＣＰＭＤは、Dark zone ＤＺに配置される制御点を示す。また、ＧｍＢｌ（ω）は、ｌ番目のスピーカＳＰｌからBright zone ＢＺのｍ番目の制御点ＣＰｍＤまでの伝達関数を示し、ＧｍＤｌ（ω）は、ｌ番目のスピーカＳＰｌからBright zone ＢＺのｍ番目の制御点ＣＰｍＤまでの伝達関数を示す。
　円形スピーカアレイＳＰのスピーカＳＰ１～ＳＰＬを、音響信号ＡＳにフィルタｗ（ω）を適用した音響駆動信号ＢＳで駆動した場合、Bright zone ＢＺとDark zone ＤＺのそれぞれのエリアで観測される音場は以下の式で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　ここで、ｐＢ（ω）、ｐＤ（ω）は、それぞれ、Bright zone ＢＺ、Dark zone ＤＺで観測される音場を表し、ＧＢ（ω）、ＧＤ（ω）は、それぞれ、スピーカアレイＳＰからBright zone ＢＺ、Dark zone ＤＺまでの伝達関数を格納した伝達関数行列である。また、それぞれのエリアにおける音響エネルギーEＢ、EＤは以下の式で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　ここで、ＲＢ、ＲＤは、それぞれのエリアでの伝達関数の空間相関行列（Ｒ＝ＧＨＧ）を表す。音響コントラストＡＣはＥＢとＥＤの比で得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　音響コントラスト最大化技術は、式（９）で得られる音響コントラストＡＣを最大化する以下の最適化問題として定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　（３）罰則項によるフィルタゲイン抑圧技術
　音場を制御するフィルタを設計する際にフィルタの設計手法によっては、得られる解が不安定になりフィルタゲインが過度に大きくなり、スピーカを用いて再生するのが困難なフィルタが導出される場合がある。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り、また音のクリッピングの原因となる。ここで、ある角周波数ωにおけるｌ番目のスピーカＳＰｌに対応するフィルタゲインＦｌ ｇａｉｎ（ω）は以下のように定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　ここで、ｗｌ（ω）は、ｌ番目のスピーカＳＰｌ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。
　フィルタの設計手法によりフィルタゲインが過度に大きくなる問題に対して、非特許文献１は、フィルタを導出する目的関数に対して、罰則項を用いて、フィルタゲインを抑圧しつつ音場を制御するフィルタを導出している。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ている。
　最小二乗法による音場再現のフィルタの導出を例に、罰則項が用いられた際の音場制御のフィルタを考える。上記の式（３）の目的関数に罰則項を用いると、以下となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　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||ｅ（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、以下の音場制御のフィルタｗ（ω）が求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　ここで、ＩはＬ行Ｌ列の単位行列を示し、Ｌはスピーカ数を示す。
　（４）この発明の一実施形態におけるエリア再生制御
　以下、（１）最小二乗法に基づく円形スピーカアレイを用いた音場再現技術、（２）音響コントラスト最大化技術、（３）罰則項によるフィルタゲイン抑圧技術を踏まえたうえで、再生制御装置１により実行されるエリア再生制御について説明する。図４は、再生制御装置１により実行されるエリア再生制御の処理手順と処理内容を示すフローチャートである。
　（４－１）所望音場の定義
　システム管理者またはユーザは、再現したい所望の音場を入出力装置２において設定する。この設定操作に応じて入出力装置２では、再現したい所望の音場の定義に必要な所望音場データＤＳが生成され、生成された所望音場データＤＳは再生制御装置１に送られる。
　これに対して、再生制御装置１の制御部１０は、入出力装置２から所望音場データＤＳを入出力Ｉ／Ｆ４０を介して取り込み、所望音場定義処理部１１の制御の下、ステップＳ１１において、所望音場データＤＳから所望音場ｄ＝［ｄ１，ｄ２，…，ｄＭ］Ｔを定義する。
　所望音場を定義する際、波面を再現する領域であるBright zoneと音を抑圧する領域であるDark zoneは、円形スピーカアレイＳＰの内側エリアに対して位置と個数を任意に設定することができる。また、Bright zoneで再現する波面に関しては、特定方向の波面やマイクロホンアレイにより収音した信号を使用することが可能である。また、再生制御装置１の制御部１０は、所望音場定義処理部１１により定義された所望音場ｄを所望音場記憶部３１に記憶させる。
　（４－２）最適化問題の定義
　再生制御装置１の制御部１０は、所望音場定義処理部１１により所望音場ｄが定義されると、続いて最適化問題定義処理部１２の制御の下、ステップＳ１２において、最適化問題定義処理部１２は、所望音場記憶部３１から所望音場ｄを読み込み、読み込まれた所望音場ｄ＝［ｄ１，ｄ２，…，ｄＭ］Ｔを用いて、最適化問題を次のように定義する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　ここで、Ｇは円形スピーカアレイＳＰを構成するＬ個のスピーカから、Ｍ個の制御点ＣＰ１～ＣＰＭまでの伝達関数を格納したＭ行Ｌ列の伝達関数行列であり、ｗ＝［ｗ１，ｗ２，…，ｗＬ］Ｔは、各スピーカに対応するフィルタ係数を格納するフィルタ係数ベクトルである。また、λ１，λ２は、ｌ２ノルムの二乗和（||・||2）と混合ｌ１，２ノルム（||・||1,2）を制御するハイパーパラメータであり、ｕ＝［ｕ１，ｕ２，…，ｕＬ］Ｔは、再現される音場を表す。
　この実施形態では、音場を再現するBright zone ＢＺと音を抑圧するDark zone ＤＺの生成に所望の音場と再現される音場との誤差の二乗和（ｌ２ノルム）を用いるが、Bright zoneにおける所望音場との誤差の最小化とDark zoneにおける音響エネルギーの最小化の重みの比率をパラメータにより制御可能な手法などに置き換えることも可能である。
　（４－３）音場制御のフィルタの設計
　次に再生制御装置１の制御部１０は、音場制御フィルタ設計処理部１３の制御の下、ステップＳ１３において、最適化問題定義処理部１２により定義された最適化問題を近接分離アルゴリズムにより解くことで音場制御のフィルタを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　ここで、ｐは双対変数でありh*（・）はh（・）の凸共役関数を表す。
　次に、音場制御フィルタ設計処理部１３は、書き換えられた式（１５）に示す最適化問題に対して、主変数ｗ、双対変数ｐに関する劣微分は０を含むという不動点条件をもとに、次のような近接分離アルゴリズムを生成する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
　ここで、ｋは更新回数、Ｔｍａｘは最大更新回数である。このアルゴリズムでは、更新回数ｋが最大更新回数Ｔｍａｘを超えた時点でアルゴリズムが停止するようにしてある。以上のアルゴリズムを用いることで、音場制御のフィルタｗが算出される。
　（４－４）入力音響信号に対するフィルタ係数の適用
　音場制御のフィルタの算出および保存処理が終了すると、再生制御装置１の制御部１０は、以後、特定のエリアに対する音の再生処理を以下のように実行する。
　すなわち、再生制御装置１の制御部１０は、図示しない音源から出力される音響信号ＡＳを音響信号Ｉ／Ｆ５０により受信する。このとき、音響信号ＡＳは、アナログ信号であれば音響信号Ｉ／Ｆ５０によりデジタル信号に変換される。続いて、再生制御装置１の制御部１０は、駆動信号生成処理部１４の制御の下、ステップＳ１４において、音響信号Ｉ／Ｆ５０により受信された音響信号ＡＳと、フィルタデータ記憶部３２に記憶されているフィルタｗとを畳み込み演算し、これによりフィルタｗが適用されたスピーカＳＰ１～ＳＰＬ別の音響信号を生成する。生成された音響信号は、音響信号Ｉ／Ｆ５０によりアナログ信号に変換された後、音響駆動信号ＢＳとして、対応する各スピーカＳＰ１～ＳＰＬへ出力される。
　（効果）
　以上に述べたように、この発明の一実施形態に係る再生制御装置１は、複数のスピーカＳＰ１～ＳＰＬが円形に内向きに配置された円形スピーカアレイＳＰを用いてエリア再生を行うための装置である。
　音場定義処理部１１において、入力された所望音場データＤＳから所望音場ｄを定義する。所望音場を定義する際、波面を再現する領域であるBright zoneと音を抑圧する領域であるDark zoneは、円形スピーカアレイＳＰの内側エリアに対して位置と個数を任意に設定することができる。
　最適化問題定義処理部１２において、所望音場ｄを用いて、最適化問題を定義する。このとき、最適化問題には、フィルタ係数ベクトルの二乗和ｌ２ノルムと、再生されるエリアにおける音場がスパース性を持つことを評価する混合ｌ１，２ノルムが、演算子の和として目的関数に付加される。
　音場制御フィルタ設計処理部１３において、定義された上記最適化問題を近接分離アルゴリズムにより解くことで、音場制御のフィルタＷを算出する。
　駆動信号生成処理部１４において、入力される音響信号ＡＳと、算出された音場制御のフィルタとを畳み込み演算して、円形スピーカアレイＳＰのスピーカ別の音響駆動信号ＢＳを生成し、生成された各音響駆動信号ＢＳを対応するスピーカＳＰ１～ＳＰＬに供給することで、所望の音場を再現する。
　すなわち、一実施形態では、音場制御のフィルタを設計する際に、最小二乗法により音場再現のフィルタを求める目的関数において、フィルタ係数の二乗和（ｌ２ノルム）を罰則項として加え、さらに再生されるエリアにおける音場はスパース性を持つという仮定のもとでスパース性を評価する混合ｌ１，２ノルムを演算子として加えている。
　従って、各スピーカＳＰ１～ＳＰＬに加わるゲインを抑圧しつつ、Bright zoneで所望の波面を再現し、かつDark zoneへの音漏れを抑圧した音場再現が可能となる。
　［他の実施形態］
　なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、一実施形態では、再生制御装置１により実行される最適化問題定義処理、音場制御フィルタ設計処理、および駆動信号生成処理を、すべてハードウェアプロセッサ（ＣＰＵ）にプログラムを実行させることで実現する場合を例にとって説明した。しかし、これらの機能の一部または全てを、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）またはＤＳＰ（Digital Signal Processor）等の特定用途向けに構成された集積回路を用いて実現してもよい。
　要するにこの発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
　ＳＰ１～ＳＰＬ…スピーカ
　ＣＰ１～ＣＰＭ…制御点
　１…再生制御装置
　２…入力装置
　１０…制御部
　１１…所望音場定義処理部
　１２…最適化問題定義処理部
　１３…音場制御フィルタ設計処理部
　１４…駆動信号生成処理部
　２０…プログラム記憶部
　３０…データ記憶部
　３１…所望音場記憶部
　３２…フィルタ記憶部
　４０…入出力Ｉ／Ｆ
　５０…音響信号Ｉ／Ｆ

Claims (6)

  1. 　複数のスピーカが円形に内向きに配置された円形スピーカアレイを用いて円形スピーカアレイの内側に音をエリア再生するための再生制御装置であって、
    　入力される所望音場データから所望音場を定義する所望音場定義処理部と、
    　定義された前記所望音場を得るための最適化問題を定義する最適化問題定義処理部と、
    　定義された前記最適化問題もとに近接分離アルゴリズムを用いて音場制御のフィルタを設計する音場制御フィルタ設計処理部と、
    　入力される音響信号に前記フィルタを適用させることにより、前記円形スピーカアレイの各スピーカに入力する駆動信号を生成する駆動信号生成処理部と
    　を備える再生制御装置。
  2. 　前記所望音場定義処理部は、前記所望音場として、前記円形スピーカアレイの内側において、波面を再現する領域と音を抑圧する領域からなる所望音場を定義する、請求項１に記載の再生制御装置。
  3. 　前記最適化問題定義処理部は、前記最適化問題として、前記所望音場を再現する最適化問題に対して、スピーカゲインの抑圧のためフィルタ係数の二乗和ｌ２ノルムを導入し、再現される音場がスパースであるという仮定のもと混合ｌ１，２ノルムを導入した最適化問題を定義する、請求項１に記載の再生制御装置。
  4. 　前記駆動信号生成処理部は、前記音響信号と前記フィルタとを畳み込み演算することで、前記駆動信号を生成する、請求項１に記載の再生制御装置。
  5. 　複数のスピーカが円形に内向きに配置された円形スピーカアレイを用いて円形スピーカアレイの内側に音をエリア再生する再生制御方法であって、
    　所望音場データから所望音場を定義するステップと、
    　前記所望音場を得るための最適化問題を定義するステップと、
    　前記最適化問題もとに近接分離アルゴリズムを用いて音場制御のフィルタを設計するステップと、
    　入力される音響信号に前記フィルタを適用させることにより、前記円形スピーカアレイの各スピーカに入力する駆動信号を生成するステップと
    　を有する再生制御方法。
  6. 　請求項１から４までのいずれかに記載の再生制御装置が備える前記各処理部による処理を、前記再生制御装置が備えるプロセッサに実行させるプログラム。
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