JP2000152397A - 複数の聴取者用３次元音響再生装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数の聴取者に同一の３次元音響を提供する
複数の聴取者用３次元音響再生装置及びその方法を提供
することを課題とする。 【解決手段】 入力音響信号を各聴取者に対して同一の
仮想音源を有するようにフィルタリングする逆フィルタ
モジュールと、逆フィルタモジュールでフィルタリング
された音響信号の中で一つの音響信号を所定の周期によ
り順次に選択する時間多重化手段と、時間多重化手段に
より選択された音響信号を音響に出力する複数のスピー
カーを備える。これにより、二つのスピーカーだけで３
次元音響を楽しむことができ、複数の聴取者に同時に同
一の３次元音響効果を提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は３次元立体音響再生
装置に関し、特に複数の聴取者に同一の３次元音響を提
供する複数の聴取者用３次元音響再生装置及びその方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のオーディオ産業では、オーディオ
が１次元の点あるいは２次元の平面上で形成されるよう
にして臨場感があるように音響を再生しようとしてい
る。すなわち、初期のモノシステムやステレオシステム
や近年のドルビー（登録商標）サラウンド音響システム
は、全て臨場感のある音響の再生を追求した。しかし、
マルチメディア産業が発展するにしたがって、視覚的な
情報と合せて聴覚的な情報すなわち音響信号の記録及び
再生技術の照準は、臨場感あるように忠実に再生するこ
とから、オーディオを任意の位置に設けることができる
３次元音響空間の再生へと変化している。

【０００３】近年の大部分のオーディオ機器は、モノ音
響信号の再生よりはステレオ音響信号の再生を行ってい
る。ステレオ音響信号を再生するとき、再生される信号
により感じられる臨場感の範囲は、スピーカーが設置さ
れる位置によって制限される。従って、臨場感の範囲を
向上するために、スピーカーの再生能力を改善し、信号
処理により仮想信号を作る研究が行われている。

【０００４】このような研究の結果における代表的なシ
ステムは、５個のスピーカーを用いたサラウンド再生方
式のドルビーサラウンド立体音響システムである。この
システムでは、後方スピーカーに出力される仮想信号を
別途に処理する。この仮想信号は、信号の空間的な移動
に従って信号に遅延を与え、信号の大きさを縮小した信
号を後方のスピーカーに伝達することにより生成され
る。現在、家庭用ビデオ及びレーザーディスクの大部分
はドルビープロロジックサラウンドという立体音響技術
を採用している。この技術が採用されている機器であれ
ば、一般家庭でも映画館のような緊張感あふれる音響を
体験できる。

【０００５】上述のように、チャンネル数を増加させる
ことによってより臨場感に充実な音響再生効果を得られ
るが、増加分のチャンネル数だけのスピーカーが必要と
なり、これに伴う費用と設置場所の問題があった。

【０００６】このような問題は、人間が３次元空間に存
在する音をどのように聞いて感じるかを研究した結果を
応用することによって改善することができる。特に、人
間の音認識に対する研究の中で、両耳の研究が３次元空
間の音源認識に重大な影響をもたらしている。

【０００７】このような両耳に対する研究は、両耳に入
る入力信号の相互影響に対する研究、すなわち右耳と左
耳で感じる音信号の大きさの差、または音の伝達時間の
差で発生する右耳と左耳に入る音の位相差に関する。こ
のような両耳に対する研究結果により、人間が空間上の
ある点に存在する音源を認識する認識特性がモデル化さ
れた。 このような認識特性は頭伝達関数(Head Related
Transfer Function:以下HRTFという) と呼ばれる。

【０００８】HRTFは音源から耳の鼓膜に伝えられる経路
をモデル化したフィルタ係数であって、音源と頭との相
対的な位置関係によってその値が違う性質を有する。HR
TFは、空間上のある点に音源が存在し、その信号が両耳
に伝送される場合の特徴に対する中耳でのインパルス応
答または伝達関数として表現される。このようなHRTFを
応用することにより、音が存在する位置を３次元空間上
の任意の位置に移す処理が可能になる。

【０００９】一方、人間の聴覚がどのように３次元音響
空間を認識するかに対して多くの研究がなされていて、
近年、仮想音源が提案され、実際の応用分野を探してい
る状態である。

【００１０】一般的に、ステレオ音響が最もバランスよ
く聞こえる位置は、二つのスピーカーを結ぶ直線を底辺
とする正三角形の頂点にあたるところである。しかし、
聴取者がこの位置でだけ音響を聞くということは、空間
制約上多くの問題が発生する。また、聴取者が聞いてい
る位置によって音響の左右のバランスをとることは非常
に難しい。

【００１１】日本のアイワは従来のスピーカー本体に正
面に向けて強音を出す「単一指向性」スピーカーを内蔵
してこの問題を解決した。アイワが開発したスピーカー
の最も大きな特徴は、スピーカー正面のどの方向でもバ
ランスの取れたステレオ音響を楽しめるということであ
る。一般的なスピーカーシステムは、聞き手が左に偏る
場合、右側スピーカーから発生する音が小さく聞こえる
ようになる。しかし、アイワから開発されたスピーカー
に内蔵された単一指向性スピーカーは、内側に４５度傾
いている。従って、右側スピーカーの単一指向性スピー
カーは左方向に向けては強音を、右方向に向けては弱音
を生成する。反対に、左側スピーカーの単一指向性スピ
ーカーは左側方向に向けては弱音を、右側方向に向けて
は強音を生成する。結果的に、左右スピーカーのバラン
スが取れることになる。

【００１２】１９９３年日本ビクターが開発したスピー
カーシステムは、２台のスピーカーのみで実際にスピー
カーのない後方からも音が聞こえるようにした仮想現実
サウンドを実現した。このシステムの原理は基本的に人
間の錯覚を用いたことである。人間は両耳を活用して音
が聞こえる方向を無意識的に探す。音が伝えられる速度
は秒速３４０ｍ、右耳と左耳の間隔は約２０ｃｍで、両
耳に音が伝えられる時間は最大５００分の１秒程度の差
がある。そして、両耳に入る音のレベル差も音の方向を
認識するのに重要な要素である。人間はこの二つの差と
目で得た情報を利用して音の発生地を認識する。従っ
て、音が人間の両耳に到達する時間をうまく制御さえで
きれば、２個のスピーカーから発生する音源だけでも部
屋全体をカバーできて、あたかもサラウンドシステムが
装置された映画館にいるような幻想を感じさせることが
できる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、今までほとん
ど全ての３次元音響関連技術は、一人の聴取者を対象と
している。すなわち、現在のオーディオ再生システムで
は、一人の聴取者が二つのスピーカーを結ぶ線を底辺と
する正三角形の頂点に位置する時のみ、ステレオ効果が
得られる。従って、従来の技術によれば、複数の聴取者
が同時に全く同じステレオ効果を聞きうる環境をほとん
ど提供できない問題点を有している。

【００１４】このような問題点は特に、家庭用映画館シ
ステムで非常に深刻である。 図７に示したように家族全
員が音源を囲んで座った場合、従来の技術による家庭用
映画館システムでは家族全員が良好な音響効果を得るこ
とができないので、実質的な家族用映画館システムとは
言い難い。

【００１５】最近は二つのチャンネル再生の代わりに、
ドルビープロロジックシステムを設けて、さらに多くの
スピーカーを利用して臨場感と空間を提供しようとする
試みがある。しかしながら、この方式でも完全な立体空
間感を提供するためには、複数の聴取者が全て各スピー
カーを含む円の中心周囲に位置しなくてはならない。さ
らに、多チャンネルオーディオの再生のためには、対応
する複数のスピーカーと、これらスピーカーを駆動する
ためのアンプを備えなくてはならない。従って、この方
式では前述のようなコストと設置空間の問題が発生す
る。

【００１６】本発明は上記の問題点を解決するために創
作されたものであって、各位置別複数の聴取者に同一の
３次元音響が提供できる、複数の聴取者用３次元音響再
生装置及びその方法を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明による複数の聴取者用３次元音響再生装置
は、入力音響信号を各聴取者に対して同じ仮想音源を有
するようにフィルタリングする逆フィルタモジュール
と、前記逆フィルタモジュールでフィルタリングされた
音響信号の中で一つの音響信号を所定の周期により順次
に選択する時間多重化手段と、前記時間多重化手段によ
り選択された音響信号を音響に出力する複数のスピーカ
ーを備える。

【００１８】また、本発明による複数の聴取者に同じ３
次元音響効果を提供するように、入力された音響信号を
固定された複数のスピーカーにより再生する方法は、
(a) 前記複数の聴取者別に前記複数のスピーカーから聴
取者の耳までの経路をモデリングしたスピーカー伝達関
数を求める段階と、(b) 前記スピーカー伝達関数の逆行
列に、仮想音源から聴取者の耳までの経路をモデリング
した仮想音源伝達関数を掛けたフィルタ値を求める段階
と、(c) 所定の周期により前記フィルタ値の中で一つを
順次に選択する段階と、(d) 入力された音響信号を選択
されたフィルタ値とたたみこみ処理して、たたみこみ処
理した結果値を前記スピーカーに出力する段階とを備え
る。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、添付した図面を参照して本
発明を詳細に説明する。図１によれば、本発明による複
数の聴取者用３次元音響再生装置は、逆フィルタモジュ
ール１００と、時間多重化手段２００と、複数のスピー
カー３００を備えている。

【００２０】逆フィルタモジュール１００は、各聴取者
に対応する複数の逆フィルタ部１０、２０、３０を具備
し、複数の聴取者４００の各々が同一の仮想音源を有す
るように入力音響信号をフィルタリングする。時間多重
化手段２００は、逆フィルタモジュール１００によりフ
ィルタリングされた音響信号から一つの音響信号を所定
の周期で順次に選択する。そして、複数のスピーカー３
００は、時間多重化手段２００により選択された音響信
号を音響として出力する。

【００２１】本発明で提案する方法では、複数の聴取者
の各位置に対応する各々のHRTF測定モデルが必要とな
る。その理由は、一人の聴取者の標準位置が二つのスピ
ーカーの中央であるのに比べて、複数の聴取者の場合、
その位置はかなり変化し、標準位置から外れるからであ
る。従って、より正確なスピーカーと各聴取者間のHRTF
モデルが要求される。

【００２２】以下、本発明の実施の形態で使用するHRTF
を説明する。HRTFは音源から耳の鼓膜に伝えられる経路
をモデリングしたフィルタ係数であって、自由空間で音
源から人間の耳の外耳道に至るまでの音の伝搬を示す、
周波数平面上での伝達関数を意味し、また人間の頭部、
耳殻、そして胴体による周波数歪曲の程度を意味する。

【００２３】耳の構造面を考慮すれば、耳殻の不規則な
形状により外耳道に音が入る前に耳に到達する信号の周
波数スペクトルが歪曲される。このような歪曲は音の方
向や距離に従って変化するので、人間が音の方向を認知
することにおいてこのような周波数成分の変化が大きい
役割をする。このような周波数歪曲の程度を示すものが
HRTFである。

【００２４】従って、HRTFは音源の位置によって大きく
左右され、同一の音源の位置でも左耳と右耳のHRTFは変
わりうる。また、人によって耳殻や顔の形状が全て違う
ため、個人によってこのHRTFの差が発生する。

【００２５】このHRTFを応用して３次元立体音響が再現
できるが、その基本原理は所定位置のHRTFと入力オーデ
ィオ信号をたたみこみ処理すると、その所定位置から音
が発生するように感じられる。

【００２６】

【数１】

【００２７】一般的に二つの信号h n 、x n の時間領域
でのたたみこみは数式１で示すように、FFT(Fast Fouri
er Transform) 処理した二つの信号H k 、X k の周波数
領域での掛け算をIFFT(Inverse Fast Fourier Transfor
m)することと同一である。与えられたHRTFに対して、あ
らかじめFFT 処理を行っておく。一般的に、時間領域で
のたたみこみ計算より周波数領域での掛け算の方が処理
速度がより速いため、この方法を選択する。

【００２８】スピーカーの初期位置情報に対応するHRTF
を求めた後、仮想的な音源の位置に対応するHRTFを求め
てマトリックス演算をする。このマトリックス演算はス
ピーカー位置と仮想音源の位置の間に相互連関性を与え
る。従って、どの位置にあるスピーカーでもマトリック
ス演算を通じてお互いの関係を得られるので、再生する
音響の性能はスピーカーの位置とは関係ない。

【００２９】まず、一人の聴取者がいる場合の３次元音
響再生方法を述べる。図２に示したように、聴取者の位
置が二つのスピーカーの中央にあると仮定すると、３次
元音響再生に必要なデータは、二つのスピーカーから聴
取者の両耳までのHRTF４つと、仮想音源から聴取者の両
耳までのHRTF２つの合計６つのHRTFが必要である。図２
においてＬ及びＲは、各々左右スピーカーが設置された
位置を示し、ＶＳは聴取者が聞こうとする仮想の位置を
示す。

【００３０】実際に音はスピーカーから出るが、聴取者
にあたかも３次元空間上の任意の位置から聞こえるよう
な感じを与える。この原理は次の通りである。二つのス
ピーカーから生成される音自体を除去させた後、聞こう
とする任意の位置のHRTFと入力信号をたたみこみ処理す
ればよい。

【００３１】ここで、二つのスピーカーと両耳間のHRTF
伝達特性を除去させるために、逆フィルタを利用する。
この時、左側スピーカーから出力される信号は左耳に伝
えられてはいけないし、右側スピーカーから出力される
信号は右耳に伝えられてはいけない。これが混線（クロ
ストーク）消去法である。 二つのスピーカーから生成さ
れる音を除去した後、聴取者が聞こうとする方向のHRTF
を入力信号と共にたたみこみ処理すれば、スピーカーの
位置からは音が出ず、聴取者が聞こうとする任意の方向
から音が出るように感じられる。

【００３２】図３によれば、ブロックC １１０は、設置
された二つのスピーカーから人間の両耳に伝えられる音
の経路をモデリングしたフィルタメトリックスであり、
ブロックD １２０は使用者が聞こうとする仮想の音源か
ら人間の両耳に伝えられる音の経路をモデリングしたフ
ィルタメトリックスである。そして、ブロックH １３０
は仮想の音源と設置された二つのスピーカー間の関係を
補償する役割をする逆フィルタのメトリックスであっ
て、スピーカー出力前に入力信号とたたみこみ処理され
る。図４は上記関係を概念的に説明した図である。

【００３３】逆フィルタH の計算方式は、図５に示した
ように、マトリックスにて表される。マトリックス演算
の基本原理は次の通りである。二つの入力信号を各々
Ｌ、Ｒとする時、スピーカーを経て両耳に伝達される最
終出力信号YL、YRは各々次のように表現できる。

【００３４】

【数２】

【００３５】また、聞こうとする位置での仮想出力値を
VL、VRとすると次のように表現される。

【００３６】

【数３】

【００３７】結果として、理想的な状態であれば数式２
と数式３が同一であるべきだが、実際には二つの式間の
誤差が少ないほど良い。二つの式が同一だと仮定する
と、逆フィルタH マトリックスは次のように求められ
る。

【００３８】

【数４】

【００３９】以下、複数の聴取者がある場合の再生方法
に対して説明する。複数の聴取者がいる場合の再生方法
では、各聴取者の位置に当る正確なHRTFモデルを必要と
する。MIT が提供するKEMAR モデルのような一般的なHR
TFは、聴取者が中央にいる時の伝達関数だけをモデリン
グしたものであるので、本発明の実施の形態ではそのま
ま適用することができない。従って、各聴取者の位置別
HRTFを測定するために、図６に示したように実験設備を
配置する。ここでは、各聴取者間の間隔を３０ｃｍと
し、二つのスピーカーの位置は標準ステレオ再生位置の
左、右30゜とする。このような方法で得られた各聴取者
位置別HRTFを利用して、各々の逆フィルタを再び計算す
ることによって各聴取者に当る複数の逆フィルタ部１
０、２０、３０を備えた逆フィルタモジュール１００を
求める。

【００４０】以下、本発明の核心部分である時間多重化
方法に対して説明する。すなわち、各聴取者別に処理さ
れた逆フィルタ部は、一定時間間隔をおいて交替に選択
され、選択された逆フィルタ部で処理した信号は二つの
スピーカーにより再生される。

【００４１】これが可能な理由は、映画を見る時、実際
各々の場面は非連続的であるが一定の時間間隔をおいて
継続的に進行されるので、人間の目はあたかも連続的な
場面を見るように感じる残像現象と類似した概念である
ためである。すなわち、、各聴取者の位置から各々のフ
ィルタ処理結果は互いに独立的であるが、この結果を一
定の時間間隔をおいて交替でスピーカーに出力すると、
各々の聴取者は自分の位置であたかも連続するような音
響を聞くことができる。

【００４２】このとき最も重要なことは、各位置での再
生時間間隔である。ある位置に対する再生時間を非常に
長く設定した場合、他の位置の聴取者は音響が聞こえな
くなり、またあまり短くした場合、聴取者全体が完全な
再生音を聞く時間的な余裕がなくなる。

【００４３】本発明の作用を説明する。複数の聴取者に
同一の３次元音響効果を提供するように、入力された音
響信号を固定された２台のスピーカーにより再生するた
めには、まず複数の聴取者別に２台のスピーカーから聴
取者の耳までの経路をモデリングしたスピーカー伝達関
数を求める。この際、聴取者の位置は中央に限定され
ず、一定の範囲内に位置できる。

【００４４】次に、スピーカー伝達関数の逆行列に仮想
音源から聴取者の耳までの経路をモデリングした仮想音
源伝達関数を掛けたフィルタ値を求め、入力された音響
信号をフィルタ値の一つによりたたみこみ処理する。

【００４５】次に、フィルタ値の一つの音響信号を所定
の周期により順次に選択してスピーカーに出力する。一
般的に、人間の聴覚特性が音を認識するには、最低２０
msの時間的間隔が必要なので、本発明における各聴取者
位置別再生間隔は最低２０msを越えるべきである。そし
て、聴取者の数があまり多ければ、全ての聴取者に対す
る信号を処理するのに長時間がかかるので、本発明によ
る時間多重化方法は聴取者の数に対する制限を有する。

【００４６】本発明の実施の形態では、時間多重化周期
は全体聴取者の数によって可変的に調節できるように構
成される。

【００４７】また、前述のような本発明の実施の形態で
は、スピーカーの数を２台に制限したが、本発明の属す
る技術分野で平均的技術水準を有する人であれば容易に
それ以上の複数のスピーカーに対しも実現することがで
き、このような構成は本発明の基本的な思想の範疇内に
含まれる。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、二つのスピーカーだけ
で３次元音響を楽しむことができ、複数の聴取者に同時
に同一の３次元音響効果を提供することができる。

【００４９】特に、家庭用オーディオ・ビデオ映画館シ
ステムでは、家族全員がスクリーンを中心として正面に
集まらず各々好きにな位置を占めるが、このような場
合、各聴取者の位置に従って本発明を適用すれば、全て
の聴取者が同時に３次元音響効果を楽しみながら映画を
見ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る複数の聴取者用３次元音響再生装
置の構成を示すブロック図である。

【図２】２チャンネル再生システムに含まれる二つのス
ピーカーと仮想空間上の音源との関係の一例を示す図で
ある。

【図３】２チャンネル再生システムにおける仮想の音源
を作るためのスピーカー位置補償関係を伝達関数の概念
を示す図である。

【図４】２チャンネル再生システムにおける仮想の音源
と逆フィルタ処理された実際音源との関係を示す図であ
る。

【図５】図４をフィルタメトリックスを使用してより詳
細に構成したスピーカー位置補償システムを示すブロッ
ク構成図である。

【図６】複数の聴取者位置での正確な頭伝達関数(HRTF)
モデリングのための測定実験におけるスピーカーとダミ
ーヘッドの配置を示す図である。

【図７】一般的なステレオ再生システムにおける複数の
聴取者がいる場合を示す図である。

【符号の説明】

１００…逆フィルタモジュール ２００…時間多重化手段 ３００…スピーカー ４００…聴取者

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5D020 AD00 5D062 AA03 AA64 AA65 AA66 CC10 CC13 CC15 CC16

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力音響信号を各聴取者に対して同一の
   仮想音源を有するようにフィルタリングする逆フィルタ
   モジュールと、 前記逆フィルタモジュールによりフィルタリングされた
   音響信号の中の一つの音響信号を所定の周期により順次
   に選択する時間多重化手段と、 前記時間多重化手段により選択された音響信号を出力す
   る複数のスピーカーと、 を備えることを特徴とする複数の聴取者用３次元音響再
   生装置。
2. 【請求項２】 前記逆フィルタモジュールは聴取者の数
   に相当する数の逆フィルタ部を備え、各逆フィルタ部は
   前記スピーカーから各逆フィルタ部に対応する聴取者の
   耳までの経路をモデリングしたスピーカー伝達関数Ｃの
   逆行列Ｃ^-1に、仮想音源から前記聴取者の耳までの経路
   をモデリングした仮想音源伝達関数Ｄを掛けた値をフィ
   ルタ特性として有することを特徴とする請求項１に記載
   の複数の聴取者用３次元音響再生装置。
3. 【請求項３】 複数の聴取者に同一の３次元音響効果を
   提供するように、入力された音響信号を固定された複数
   のスピーカーにより再生する方法であって、 前記複数の聴取者別に前記複数のスピーカーから聴取者
   の耳までの経路をモデリングしたスピーカー伝達関数を
   求める段階と、 前記スピーカー伝達関数の逆行列に仮想音源から聴取者
   の耳までの経路をモデリングした仮想音源伝達関数を掛
   けたフィルタ値を求める段階と、 所定の周期により前記フィルタ値の中の一つを順次に選
   択する段階と、 入力された音響信号を選択されたフィルタ値とたたみこ
   み処理して、たたみこみ処理した結果値を前記スピーカ
   ーに出力する段階と、 を備えることを特徴とする複数の聴取者用３次元音響再
   生方法。
4. 【請求項４】 前記選択する段階の所定の周期は聴取者
   の数に比例して可変的であることを特徴とする請求項３
   に記載の複数の聴取者用３次元音響再生方法。