説明

移動音像生成装置及びその設計方法

【課題】 音像を異なる位置に移動させるのに、信号処理の規模や負荷が小さい、安価な移動音像生成装置を提供する。
【解決手段】 移動音像生成装置1は、音源から入力された左右チャンネルの信号を一対の遅延回路4L,4Rで所定の時間遅れをもって夫々通過させ、これらを通過した左右チャンネルの信号を一対の演算出力器5L,5Rで演算処理して各スピーカ2,2へ出力し、左右チャンネルの信号を一対の音像調整フィルタ6L,6Rで他チャンネル側の演算出力器5L(5R)へ夫々通過させる。音像調整フィルタ6L,6Rは、複数のバンドパスフィルタに所定の追加時間遅れを付加する時間遅れ設定手段と、所定の追加ゲインを付加するゲイン設定手段とを含む。ゲイン設定手段の追加ゲインは、予めスピーカに向かう聴取者の左又は右の真横に最も近づく音像定位に設定し、聴取者に対する音像位置に応じた調整ゲインとするように付加ゲインを変更する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、左右一対の2チャンネルのステレオスピーカにより音像を生成し、さらにこれを移動させる移動音像生成装置及びその設計方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、特許文献1には、本願発明者が提案した左右各チャンネルの信号に応じて共通の透明パネルを加振する左右一対の加振器を備えるスピーカにより音を再生させるための音響再生システムが記載されている。この音響再生システムは、左右チャンネルの信号が入力される一対の入力端子と、複数の所定の周波数帯域の夫々について予め設定された帯域通過特性を有し、入力された左右チャンネルの信号を夫々通過させる一対の音像調整フィルタと、入力された左右各チャンネルの信号から、音像調整フィルタを通過した他チャンネルの信号を減算し、その結果をスピーカの対応するチャンネルの信号として出力する演算出力器と、演算出力器の前段に設けられた遅延回路とを備える。
【0003】
また、移動音源提示装置として特許文献2に記載のものがある。この移動音源提示装置は、空間内の多数の点で測定した頭部伝達インパルス応答 (HRIR)を記憶するHRIR記憶手段と、聴取者に一番適合した個人化HRIRを選択する個人化 HRIR選択手段と、HRIRから遅延を取り除く遅延無HRTF演算手段と、遅延無しHRTF演算手段により計算されたHRIRを記憶する遅延無HRIR記憶手段と、両耳それぞれに生じるドップラー効果を演算する両耳到達波面算出手段と、畳み込み演算手段と、アプリケーション・聴取者との時間差を調整するパラメータ補間手段とから構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2006−5841号公報
【特許文献2】特開2006−222801号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献1に開示された音響再生システムにおいては、音像定位方向を予め設定した特定位置に固定するものであり、音像を連続的に移動させることができない。
特許文献2に開示された移動音源提示装置においては、多数のHRIRを内蔵し、音像定位方向の変化に対応して多数の両耳インパルス応答HRIR及び音源信号に対し畳み込み演算を行うため、複雑な演算を頻繁に行う必要があり、信号の処理能力の規模や負荷が膨大になり、処理能力が高い高価なハードウェアを必要とする。
そこで本発明は、信号処理の規模や負荷が小さくても、音像を異なる位置に移動させ、比較的処理能力の低いテレビ、ゲーム機、携帯端末などによっても音響・映像コンテンツをより臨場感のある仮想空間に実現することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記の課題を解決するため、本発明においては、音源から左右一対のステレオスピーカ2,2へ左右チャンネルの信号を出力させるための移動音像生成装置1であって、音源から入力された左右チャンネルの信号を一対の遅延回路4L,4Rで所定の時間遅れをもって夫々通過させ、各遅延回路4L(4R)を通過した左右チャンネルの信号を一対の演算出力器5L,5Rで演算処理して各スピーカ2,2へ出力させ、左右チャンネルの信号を一対の音像調整フィルタ6L,6Rで他チャンネル側の演算出力器5L(5R)へ夫々通過させる。音像調整フィルタ6L,6Rは、協働して所望の周波数帯域をカバーし同一の遅延時間を持つ複数のバンドパスフィルタBP・・・BPと、これら各バンドパスフィルタBP・・・BPにそれぞれ所定の追加時間遅れτ・・・τを付加する時間遅れ設定手段と、所定の追加ゲインK・・・Kを付加するゲイン設定手段とを含み、遅延回路の遅延時間は、複数のバンドパスフィルタBP・・・BPの遅延時間に対応するように設定され、演算出力器5L,5Rは、遅延回路4L,4Rを経て入力された左右各チャンネルの信号から、音像調整フィルタを経て調整された他チャンネルの信号を減算し、スピーカ2,2に出力し、時間遅れ設定手段の追加時間遅れτ・・・τと、ゲイン設定手段の追加ゲインK・・・Kは、予め、前方のスピーカに向かう聴取者の左又は右の真横にもっとも近づく位置に音像を配置するように設定され、この位置を1とする0から1までの範囲の所定の係数を掛け合わせることにより、聴取者が知覚する音像位置に応じた調整ゲインとするように追加ゲインを適宜変更する。
【発明の効果】
【0007】
本発明においては、左右チャンネルのレベル比を変更して、ゲイン設定手段による追加ゲインに反映させるのみで、音像位置を変更できるため、簡易な信号処理で、効率的に容易に移動音像を生成でき、処理能力がさほど高くない安価なハードウェアを用いることができ、テレビ、ゲーム機、携帯端末などに臨場感のある仮想空間を実現する音響コンテンツや映像コンテンツを提供できるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本発明に係る移動音像生成装置のブロック図である。
【図2】移動音像生成装置の説明図である。
【図3】音像調整フィルタを設計する手順を示すフローチャートである。
【図4】音像調整フィルタの設計方法において各帯域のバンドパスフィルタのインパルス応答から第1試験信号を得る処理の説明図である。
【図5】第1試験信号から第2試験信号を得る処理の説明図である。
【図6】測定信号SL,SRの測定処理の説明図である。
【図7】基準信号SL、SRの測定処理の説明図である。
【図8】位相遅延時間の説明図である。
【図9】各バンドパスフィルタのインパルス応答δからインパルス応答hcを求める処理の説明図である。
【図10】インパルス応答hcから各バンドパスフィルタの通過特性であるインパルス応答hcを求める処理の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
図1に示すように、左右一対のステレオスピーカ2に音響信号を出力する移動音像生成装置1は、左右各チャンネルに対応する入力端子3L,3R、遅延回路4L,4R、演算出力器5L,5R及び音像調整フィルタ6を備えている。入力端子3L,3Rにはデジタル化された音響信号が入力される。ただし、音響信号処理装置1がAD変換器を内蔵し、入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する構成としてもよい。各チャンネルの入力信号は、遅延回路4L,4Rを通して演算出力器5L,5Rに供給される。
【0010】
左チャンネルの入力端子3Lに入力された信号は音像調整フィルタ6を通して右チャンネルの演算出力器5Rに供給され、演算出力器5Rは、遅延回路4Rを通過した右チャンネルの信号から、音像定位フィルタ6を通過した左チャンネルの信号を減算(あるいは、位相を反転して加算)した信号を出力する。同様に、右チャンネルの入力信号は音像定位フィルタ6を通して左チャンネルの演算出力器5Lに供給され、演算出力器5Lは、遅延回路4Lを通過した左チャンネルの信号から、音像定位フィルタ6を通過した右チャンネルの信号を減算(あるいは、位相を反転して加算)して出力する。各演算出力器5L,5Rからの出力信号はDA変換されてスピーカ2にそれぞれ供給される。
【0011】
音像調整フィルタ6は、協働して所望の周波数帯域をカバーする複数のバンドパスフィルタBP・・・BPと、各バンドパスフィルタBP・・・BPのインパルス応答δ・・・δに所定の追加時間遅れτ・・・τを付加する時間遅れ設定手段と、所定の追加ゲインK・・・Kを付加するゲイン設定手段とを有する。また、遅延回路4L,4Rは、各チャンネルの入力信号の位相を、音像調整フィルタ6のバンドパスフィルタに固有の時間遅れTに合わせて遅らせる。これにより、演算出力器5L,5Rにより加減される2つの信号の位相を合致させることができる。
【0012】
一般に、ステレオ音声は、左右の各スピーカから出て聴取者の左右反対側の耳に入る音が存在するために、左右のスピーカの外側には音像を知覚し難くなる。また、左右のスピーカから反対側の耳までの音の伝達特性は周波数帯域によって異なる。そこで、音像調整フィルタ6は、分割した周波数帯域毎にバンドパスフィルタBP・・・BPのインパルス応答を予め設定して、これを通過した左右各チャンネルの音響信号を他チャンネルの音響信号から減算(位相を反転して加算)することにより、左右のスピーカの外側やスピーカに向かう聴取者の真横方向への音像定位を実現し、さらにこの音像の移動を知覚させることを可能とする。
【0013】
次に、音像調整フィルタ6の設計方法について説明する。
先ず、図3のステップS1において、図4に示すように、分割した周波数帯域の試験用バンドパスフィルタBP(音像調整フィルタ6のバンドパスフィルタと同一、iは帯域を表す番号であり、i=1〜N;Nはバンドパスフィルタの個数)にインパルスを入力したときの各インパルス応答を第1試験信号Smとする。各バンドパスフィルタBPの中心周波数fc、帯域幅fΔ、及び個数Nは、処理の対象となる音響信号の周波数領域全体(例えば1000Hz〜3000Hz)を分割(例えば1/4オクターブ程度に)してカバーできるように設定する。なお、本実施形態では、バンドパスフィルタBPとして例えば直線位相形FIRバンドパスフィルタを用いるものとする。
【0014】
次にステップS2において、図5に示すように、各第1試験信号Smを逆位相に位相反転して、第2試験信号Scとする。
【0015】
次に、ステップS3において、図6に示すように、第1試験信号Smを左のスピーカ2に入力すると共に、第2試験信号Scを時間遅れ調整器11及びレベル調整器12を通して右のスピーカ2に入力し、スピーカ2から発生する音をその前方に設置したダミーヘッドマイクロフォン13で収音して、その測定信号をSL,SRとする。なお、ダミーヘッドマイクロフォン13は、人の左右両耳の位置の音圧を測定可能なマイクロフォンである。
【0016】
次にステップS4において、ダミーヘッドマイクロフォン13による左右両耳の測定信号SL,SRの時間差及びレベル差が、左のスピーカ2と聴取者の左真横に最も近づく位置に単独のスピーカを配置した場合に測定される左右の信号(以下、基準信号という)SL,SRの時間差及びレベル差に最も近似するように、図6の時間遅れ調整器10及びレベル調整器11で第2試験信号Scの時間遅れ及びレベルを調整する。こうして調整した時間遅れを調整時間遅れτmaxとし、また、調整した第2試験信号Scの振幅の絶対値の最大Mcと、第1試験信号Smの振幅の絶対値の最大Mmとの比率(Mc/Mm)を調整ゲインkmaxとする。例えば聴取者の左真横(図2の位置L1)における基準信号SLi、SRiは、図7に示すように、ダミーヘッドマイクロフォン13の左真横に、左右チャンネルが独立した通常タイプのスピーカである基準スピーカ14を配置し、この基準スピーカ14に第1試験信号Smを入力することにより測定する。スピーカと真横方向との間の所望位置(例えば図2のL2〜L6)に定位させるには、τmaxの値はそのままで、真横位置L1を1とする係数αを0から1の間で変化させ、この係数αをkmaxに掛ければよい。係数αはステレオのバランスボリュームを操作するのと同様に変更することができるので、実際に耳で聞きながら音像位置を調整でき、これにより係数αと音像定位の方向角との関係を取得することができる。
なお、この実施形態で係数αは音像調整フィルタ6の全帯域について共通のものを適用しているが、周波数帯域ごとに分割したバンドパスフィルタBP1・・・BPNに応じて異なる係数αを適用してもよい。
また、基準スピーカ14には第1試験信号Smに代えて、第2試験信号Scを入力して基準信号SL、SRを測定してもよい。
【0017】
また、第1試験信号Smと、該当する周波数帯域についての聴取者の左真横の位置から聴取者の頭部までの伝達関数HRTFのフーリエ逆変換である両耳のインパルス応答とを畳み込むことにより、音源を左真横に置いたときと同様の信号を得ることができ、この信号を基準信号SL,SRとしてもよい。
【0018】
上記の説明では、スピーカ2からの測定信号SL,SRを基準信号SL、SRに厳密に近似させることとしたが、これに限らず、時間遅れ調整器10及びレベル調整器11で調整しながら実際に聴取して感覚的に知覚した音像位置を決定することとしてもよい。
【0019】
次にステップS5において、各帯域iのバンドパスフィルタBP(試験用バンドパスフィルタBPも同じ)ついてインパルス応答δの位相遅延時間T(つまり、インパルス応答がピーク値に達するまでの時間)を求める。例えば、インパルス応答が図8に示すように得られたとすれば、位相遅延時間TはTとなる。なお、バンドパスフィルタBPとして直線位相FIR形バンドパスフィルタを用いた場合は、フィルタのタップ数をMとすると位相遅延時間TはM/2タップ相当となって各帯域の位相遅延時間Tは同じ値となる。一方、直線位相FIR形以外のバンドパスフィルタを用いると、帯域によって位相遅延時間は異なる値となる。その場合には、位相遅延時間Tが各帯域で同じ値となるように、位相遅延時間が最も大きい帯域に合わせて他の帯域のインパルス応答を遅らせる処理を行う。
【0020】
ステップS6において、バンドパスフィルタBPによる遅延時間Tをキャンセルするために、遅延回路4L,4Rの遅延時間を、上記バンドパスフィルタBPの位相遅延時間Tとなるよう設定する。
ステップS7において、図10に示すように、音像調整フィルタにおける各帯域のバンドパスフィルタBP(BP・・・BP)の時間遅れ設定手段の追加時間遅れτ・・・τ及びゲイン設定手段の追加ゲインK・・・Kを、それぞれ先にステップS4で得た該当する帯域iの調整時間遅れτ及び調整ゲインkに設定することにより、インパルス応答δを調整時間遅れτだけ遅らせると共に、インパルス応答δに調整ゲインkを掛けて、インパルス応答hc(hc・・・hc)とする。
そしてステップS8において、図11に示すように、インパルス応答hc(hc・・・hc)を全て足し合わせて一つのインパルス応答hcとし、このインパルス応答hcを音像調整フィルタの通過特性とする。
このように、インパルス応答hcを各分割帯域についてそれぞれ設計して、すべて合成した一つのインパルス応答が音像調整フィルタ6の通過特性となる。
【0021】
このように、図3に示すフィルタ設計手順では、スピーカ2から発生する音に基づいて、音像調整フィルタ6の特性を設定するので、当該スピーカ2の音響特性に応じた最適な音像調整フィルタ6を設計することができる。その際、周波数帯域毎のインパルス応答を用いてフィルタ特性を設計するので、周波数の相違に応じた音の伝達特性の変化を考慮してより適切なフィルタ設計を行うことができる。
【0022】
上記インパルス応答hcを通過特性とする音像調整フィルタ6において、第2試験信号Scのレベルである追加ゲインK・・・Kをゲイン設定手段により変更すれば、音源を真横のみならず、聴取者Pを中心としスピーカ2までの距離を半径とする聴取者の左右の真横位置から前方の円弧上の任意位置に配置することができる。図2に示すように、いま試験用の左スピーカ2の出力電圧VLをVLi,右スピーカ2の出力電圧VRをVRi とすると、調整ゲインkは、
=VLi/VRi となる。
左真横に音像定位したときの調整ゲインkimaxは、
imax=VLimax/VRimax であるから、左右スピーカの電圧比αを用いると、
=αkimax となる。従って、図2における所望位置L1〜L6,R1〜R6に音像定位させるには、対応する調整ゲインkを電圧比αにより0≦α≦1の範囲で変更すればよい。
このように、電圧比αの数値の選択のみによって、ゲイン設定手段で調整ゲインkに対応する追加ゲインK・・・Kを付加し、音像を所望位置に移動させることができる。この処理は、音響又は映像コンテンツのプログラムソフト上の指令により音像調整フィルタ6のゲイン設定手段の設定変更として実行することができる。
【符号の説明】
【0023】
1 移動音像生成装置
2 スピーカ
3L,3R 入力端子
4L,4R 遅延回路
5L,5R 演算出力器
6 音像調整フィルタ
BP・・・BP バンドパスフィルタ
δ・・・δ インパルス応答
τ・・・τ 追加時間遅れ
・・・K 追加ゲイン
α 係数

【特許請求の範囲】
【請求項1】
音源から左右一対のステレオスピーカへ左右チャンネルの信号を出力し、音像定位の方向を変更するための移動音像生成装置であって、
音源から入力された左右チャンネルの信号を所定の時間遅れをもって夫々通過させる一対の遅延回路と、
前記各遅延回路を通過した左右チャンネルの信号を演算処理して前記各スピーカへ出力する一対の演算出力器と、
前記左右チャンネルの信号を他チャンネル側の前記演算出力器へ夫々通過させる一対の音像調整フィルタと、を備え、
前記音像調整フィルタは、協働して所望の周波数帯域をカバーし同一の遅延時間を持つ複数のバンドパスフィルタと、これら各バンドパスフィルタにそれぞれ所定の追加時間遅れを付加する時間遅れ設定手段と、所定の追加ゲインを付加するゲイン設定手段とを含み、
前記遅延回路の遅延時間は、前記複数のバンドパスフィルタの遅延時間に対応するように設定され、
前記演算出力器は、前記遅延回路を経て入力された左右各チャンネルの信号から、前記音像調整フィルタを経て調整された他チャンネルの信号を減算し、前記スピーカに出力し、
前記時間遅れ設定手段の追加時間遅れと、前記ゲイン設定手段の追加ゲインは、予め、前方のスピーカに向かう聴取者の左又は右の真横にもっとも近づく位置に音像を配置するように設定され、この位置を1とする0から1までの範囲の所定の係数を掛け合わせることにより、聴取者が知覚する音像位置に応じた調整ゲインとするように追加ゲインを適宜変更することを特徴とする移動音像生成装置。
【請求項2】
前記調整ゲインを決定する係数は、左右チャンネルの入力に対する音像調整フィルタの出力のレベル比であることを特徴とする請求項1に記載の移動音像生成装置。
【請求項3】
前記時間遅れ設定手段の追加時間遅れと、前記ゲイン設定手段の追加ゲインは、初期状態で予め以下のように設定されたものであることを特徴とする請求項1又は2に記載の移動音像生成装置。
前記複数のバンドパスフィルタと同等の複数の試験用バンドパスフィルタBPにインパルスを入力したときの各出力をそれぞれ第1試験信号Smとし、
前記第1試験信号Smの位相を反転して第2試験信号Scとし、
前記第1試験信号Smを前記スピーカの一方のチャンネルに入力すると共に、前記第2試験信号Scを、時間遅れ調整器及びレベル調整器を通して前記スピーカの他方のチャンネルに入力し、前記スピーカが発生する音をステレオマイクロフォンで収音してその測定信号SL,SRを取得し、
前記第1試験信号Sm又は前記第2試験信号Scに応じた音を発生する音源を前方のスピーカに向かう聴取者の左又は右の真横にもっとも近づく位置に配置した時の音を表す信号を基準信号SL,SRとして取得し、
前記測定信号SL,SRが前記基準信号SL,SRに近似するように前記時間遅れ調整器及びレベル調整器により夫々時間遅れ及びレベルを調整し、
前記調整した時間遅れを調整時間遅れτとし、
前記調整したレベルの前記第1試験信号Smに対するゲインを調整ゲインkとし、
前記音像調整フィルタの時間遅れ設定手段の追加時間遅れ及び前記ゲイン設定手段の追加ゲインは、それぞれ前記調整時間遅れτ及び前記調整ゲインkとなるように設定される。
【請求項4】
以下のステップを含むことを特徴とする請求項1ないし3の何れかに記載の移動音像生成装置の設計方法。
前記遅延回路の遅延時間を、前記複数のバンドパスフィルタの遅延時間に対応するように設定するステップと、
前記音響信号処理装置における前記複数のバンドパスフィルタと同等の複数の試験用バンドパスフィルタBPにインパルスを入力したときの各出力をそれぞれ第1試験信号Smとするステップと、
前記第1試験信号Smの位相を反転して第2試験信号Scとするステップと、
前記第1試験信号Smを前記スピーカの一方のチャンネルに入力すると共に、前記第2試験信号Scを、時間遅れ調整器及びレベル調整器を通して前記スピーカの他方のチャンネルに入力し、前記スピーカが発生する音をステレオマイクロフォンで収音してその測定信号SL,SRを取得するステップと、
前記第1試験信号Sm又は前記第2試験信号Scに応じた音を発生する音源を前方のスピーカに向かう聴取者の左又は右の真横にもっとも近づく位置に配置した時の音を表す信号を基準信号SL,SRとして取得するステップと、
前記測定信号SL,SRが前記基準信号SL,SRに近似するように前記時間遅れ調整器及びレベル調整器により夫々時間遅れ及びレベルを調整するステップと、
前記調整した時間遅れを調整時間遅れτとして取得するステップと、
前記調整したレベルの前記第1試験信号Smに対するゲインを調整ゲインkとして取得するステップと、
前記時間遅れ設定手段の追加時間遅れと、前記ゲイン設定手段の追加ゲインを、それぞれ前記調整時間遅れτ及び前記調整ゲインkとなるように設定するステップと、
前記スピーカに向かう聴取者の左又は右の真横にもっとも近づく音像位置を1とする0から1までの範囲の所定の係数を掛け合わせることにより、聴取者が知覚する音像位置に応じた調整ゲインとするように追加ゲインを変更するステップ。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【公開番号】特開2013−51631(P2013−51631A)
【公開日】平成25年3月14日(2013.3.14)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−189623(P2011−189623)
【出願日】平成23年8月31日(2011.8.31)
【出願人】(598163064)学校法人千葉工業大学 (101)
【Fターム(参考)】