JP2001016697A

JP2001016697A - 原頭部関連伝達関数を修正する方法および装置

Info

Publication number: JP2001016697A
Application number: JP2000163158A
Authority: JP
Inventors: Alastair Sibbald; シバルドアラスター; Richard David Clemow; デビッドクレモーリチャード; Michael Percy; パーシーマイケル
Original assignee: Central Research Laboratories Ltd
Current assignee: Central Research Laboratories Ltd
Priority date: 1999-05-29
Filing date: 2000-05-29
Publication date: 2001-01-19
Also published as: GB9912530D0; US6795556B1; GB2351213A; GB2351213B; EP1058481A2; EP1058481B1; EP1058481A3

Abstract

(57)【要約】【課題】標準的寸法を有する頭部用の原頭部関連伝達
関数（ＨＲＴＦ）を、頭部サイズまたは頭部形状に従っ
て修正する方法である。【解決手段】ＨＲＴＦが、近位耳および遠位耳応答関
数と両耳間時間遅延（ＩＴＤ）を含み、修正ＨＲＴＦ
は、ａ）ＨＲＴＦのＩＴＤ値に周波数とは独立した一定
の与えられたスケーリング率を乗算する段階、ｂ）ＨＲ
ＴＦの近位耳／遠位耳応答関数に、時間遅延とは独立し
た周波数ドメイン内の一定スケーリング率を乗算して周
波数ドメイン内で前記関数を拡張または圧縮させる段
階、ｃ）周波数ドメイン内の正または負のオフセット値
を備えた、ＨＲＴＦの近位耳／遠位耳応答関数を提供す
る段階、およびｄ）原ＨＲＴＦまたは各々原ＨＲＴＦの
近位耳／遠位耳応答関数の振幅に一定の与えられた利得
率を乗算する段階、のうちの少なくとも１つから求ま
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、マルチスピーカオ
ーディオシステムまたはヘッドホンからの３次元サウン
ドの再生、特に３Ｄオーディオ信号の合成のために使用
される頭部関連伝達関数（ＨＲＴＦ：Head-Related Tra
nsfer Function）の作成に関する。３Ｄオーディオ信号
の合成については、ＵＳ５, ６６６, ４２５，ＷＯ９８
／５２３８２および同時係属出願ＧＢ９８０５５３４.
６号を含む、多数の先願の中で記述されている。後者の
出願は、ＨＲＴＦが３Ｄサウンドの合成の中でいかに使
用されるかについての広範な記述を含んでおり、参考と
して本願発明の全体に亘って取り入れている。

【０００２】

【従来の技術】現在３Ｄオーディオのための最も重要な
応用分野の１つは、コンピュータゲームのための３Ｄ位
置オーディオ処理であり、これは、消費者電子製品（２
個のスピーカまたはヘッドホンのみを介したサラウンド
サウンドのバーチャル化）および録音された音楽の制作
といったその他の応用分野についても益々重要になりつ
つある。聴取者が知覚できるような３Ｄサウンドキュー
（sound cue)を支持するオーディオマテリアルを合成す
るためには、信号を１またはそれ以上の適切なＨＲＴＦ
で畳込み、次に聴取者の耳まで、聴取者自身のヒヤリン
グプロセスが、組込み３Ｄキュー（cue)と干渉しないよ
うな形で送り出さなくてはならない。これは、ヘッドホ
ンを通してか、または適切な経耳クロストーク打消し
（transauralcrosstalk-cancellation)手法と合わせて
スピーカを介してか、いずれかの聴取によって達成され
る。

【０００３】聴取者が合成された３Ｄサウンドキューを
正しく感知しなければならない場合には、合成されたキ
ューが、聴取者自身の自然のものに類似していることが
重要であり、従って合成に用いられるＨＲＴＦは、聴取
者自身のＨＲＴＦに類似していなければならない。これ
は、平均的な成人の寸法の人工頭部および耳を作成し、
それについてＨＲＴＦ測定を行うことによって達成され
る。これを達成する本発明者等独自の方法はＷＯ９８／
５２３８２号の中で十分に記述されている。

【０００４】この方法は、すでに実現されてきており、
大部分のユーザにとって非常に満足のいくものである。
しかしながら、わずかな割合ではあるが、聴取者の中に
は平均と著しく異なる耳および頭部寸法を有する人がお
り、彼らにとっては、感知された３Ｄサウンド効果は、
空間的に精度が低いかまたは音色的に正しくないものと
なり得る。従って、これらの人々が、３Ｄオーディオシ
ステムを使用するのに先立ち、セットアップオプション
中に提供された場合にその特殊なオプションの使用を選
択できるような形で、彼ら自身のものに近い頭部および
耳の寸法に基づくＨＲＴＦセットを作り上げることによ
り、これらの人々に対応することが有利であると思われ
る。本発明は、聴取者の間における広範な生理学的差異
に対応するのに適しかつ単一の平均的ＨＲＴＦデータセ
ットに基づくスケーリング可能なＨＲＴＦデータの作成
に関する。

【０００５】耳、頭および首の寸法には多大な生理学的
差異が存在すること、そしてこれらがＨＲＴＦデータを
含むあらゆる関連する音響測定に影響をおよぼすことは
十分に認識されている。人工頭部システムの使用は、補
聴器技術の最適化のための研究開発において利用されて
きており、ここでは、マイクロホンが人間の外耳（oute
r-ear)のゴムタイプの複製の中に内蔵され、その後人工
頭部アセンブリ内に組込まれる。これらの人工頭部シス
テムの一部はまた、首および胴体アセンブリと共に、聴
管（auditory canal）シミュレータを特色としている。
Burkhardt および Sachsによる１つの周知の研究（「音
響研究のための人体測定学人体模型」MDBurkhardtおよ
び RM Sachs, J.Acoust.Soc.Am.,１９７５年７月、５８
（１），pp２１４）の中で、１２人の男性および１２人
の女性のボランティアについて寸法測定が行われ、かく
して、さまざまな生理学的特長の平均寸法を計算できる
ようになっている。次に、この平均に最も近かった耳寸
法をもつ人が識別され、その後は彼の耳が複製マスタと
して使用され、そこから肉のようなゴム化合物（肉と類
似した機械的特性を提供するための２つのシリコンゴム
の混合物）でコピーが成型された。この作業により、Ｋ
ＥＭＡＲ（Ｋnowles Ｅlectronics Ｍanikin for Ａ
coustic Ｒesearch)という商品名で Knowles Electroni
cs Company(Knowles DB series product information
(S-５５４−１０９），Knowles Electronics Inc., １
１５１ Maplewood Drive, Itasca, Illinois６０１４
３，ＵＳＡ）から入手可能な人体模型およびさまざまな
耳のタイプが生み出された。文献によると、入手可能な
耳のタイプには４種類ある。原耳（original ear）（Ｄ
Ｂ−０６０／ＤＢ−０６１）は小さく、アメリカ人およ
び欧州人の女性ならびに日本人の男性および女性に典型
的なものである。大きい耳（ＤＢ−０６５／ＤＢ−０６
６）は、アメリカ人および欧州人の男性の耳介（pinna)
サイズにより典型的なものである。ＤＢ−０６０／ＤＢ
−０６１およびＤＢ−０６５／ＤＢ−０６６の耳は、Ｂ
ＴＥ（耳の後ろでの）聴力計器のテストおよびサウンド
レコーディング用に広く使用されてきた。その耳管開口
部（ear canal opening)は比較的小さく、そのため、こ
れらは、ＩＴＥ（In-The-Ear：耳内）およびＩＴＣ（In
-The-Canal：耳管内）聴力計器に使用するのにさほど適
していない。ＤＢ−０９０／ＤＢ−０９１は、ＩＴＥお
よびＩＴＣ聴力計器の開発の際に使用するための、より
大きい耳管開口部を伴う大きなゴム製耳である。これら
は、共通の耳金型の使用を可能にし、従って聴力計器を
迅速に設置あるいは除去することができる。ＤＢ−０９
５／ＤＢ−０９６は、ユーザの耳金型をもつＩＴＥおよ
びＩＴＣ聴力計器と共に使用されるべく設計された大き
い耳のもう１つの変形形態である。

【０００６】ＤＢ−０６５／ＤＢ−０６６の大きい方の
耳の複製の製造についての詳細が公表されている（「Ｋ
ＥＭＡＲ人体模型用の比較的大型の耳複製」R.J.Maxwel
l およびMD Burkhardt, J.Acoust.Soc.Am., １９７９年
４月，６５（４），pp．１０５５−１０５８）。耳は、
２４人のボランティアの原サンプルの１つに基づくもの
であり、平均的な耳よりも大きい２つの標準偏差となる
ように選択された。例えば、標準的耳のさまざまな特長
の平均寸法（カギカッコの中は＋２の標準偏差を伴う）
は以下の通りであった。耳甲介長：２. ４cm〔２. ９c
m〕；耳甲介容積：４cm³〔５. ７cm³〕；耳甲介広
さ：１. ７cm〔２. ０cm〕。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従って基本的に、各々
の耳タイプについて、完全なＨＲＴＦライブラリセット
を測定するため、異なるサイズのさまざまな耳複製を取
りつけることのできるＫＥＭＡＲといったような人工頭
部システムを利用することが可能であると思われる。こ
のとき、聴取者は、自分自身のものに最も一致するＨＲ
ＴＦを得るためにこれらの特定のＨＲＴＦライブラリの
うちのいずれを使用すべきかを選択することができる。
しかしながら、標準的ＨＲＴＦライブラリが、（各々が
左右の耳機能および両耳間時間遅延の両方を含む）１０
００以上の個々のＨＲＴＦを含む可能性があり、従って
単一の耳のタイプについて音響測定を行うのに数週間そ
してはるかに大きな努力が必要となる可能性があること
を認識しなければならない。

【０００８】また、多数の耳タイプが順次測定されてい
るとすると、測定と測定との間には実験上の差異が不可
避的に生じ、タイプ間データの整合における幾分かの不
完全さがもたらされることになるということも分かるで
あろう。さらに重要なことに、耳サイズのみならずへッ
ドサイズにも生理学的差異が存在する。この要因もまた
人工頭部の中に組み入れるならば、それは測定をはるか
にわずらわしく時間のかかるものにすることであろう。
例えば、小、中、および大の耳と小、中および大の頭部
の組合せのためには９つの測定セッションが存在するこ
とになる。これは不可能ではないものの、僅かな漸進的
改良が頻繁に起こるというのがこの技術の性質であり、
そのため、改良された平均的耳構造を開発すべきである
ならば、明らかに、９セットではなくただ１つのセット
の測定のみを行うことが有利であろう。

【０００９】異なる形状の耳に基づく異なるＨＲＴＦラ
イブラリの使用は既知のことである。すなわち、１９９
０年初期に、Crystal River Inc.により作られた市販の
バイノーラル（binaural）サウンドプロセッサが、異な
る耳タイプに基づくいくつかのＨＲＴＦフィルタセット
オプションを提供した。また、ＷＯ９７／２５８３４号
に開示されているように、１５の異なるＨＲＴＦタイプ
からの選択をユーザに提供するDolby Pro-Logic オーデ
ィオマテリアルのためのヘッドホンバーチャライザーも
存在する。これは、明らかに、多数のボランティアにつ
いての数多くの測定からデータベースを作成し、次にＨ
ＲＴＦ特性を１５の異なるカテゴリにまとめ、そこから
聴取者により１つの標準的ＨＲＴＦタイプが選択される
ということに基づくものである。

【００１０】本発明者が認識するかぎりにおいて、（Ｋ
ＥＭＡＲ技術がまさに複数の首の長さのオプションを提
供しているものの）、頭部サイズまたは頭部形状の差異
を組み入れ何らかのＨＲＴＦセットについて、先行技術
文献中には明示的開示が全く存在しない。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によると、特許請
求の範囲に規定されているような方法および装置が提供
されている。ここで、単なる一例として、添付の概略的
図面を参照しながら、本発明の実施形態について記述す
る。

【００１２】第１の態様では、本発明は、修正（modifi
ed）ＨＲＴＦデータセット、および既存のＨＲＴＦデー
タセットから、かかる修正ＨＲＴＦデータセットを作成
するための方法において、（ａ）既存のＨＲＴＦデータ
セットが、平均的寸法の頭部および耳に対応し、（ｂ）
修正ＨＲＴＦデータセットが、既存のＨＲＴＦデータセ
ットに関する頭部および耳との関係において寸法的にス
ケーリングされた（scaled）頭部および耳に対応する、
方法を提供している。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明は、ＨＲＴＦユーザが、彼
ら自身の肉体的寸法に対応するオプションを選択できる
ようにするものである。本発明の１つの重要な特徴は、
耳の寸法および頭部寸法を独立してスケーリングして次
に範囲の置換（range of permutation）を提供するため
にその各結果を合成する能力にある。

【００１４】本発明は、それが、改訂された物理的構造
の製造およびそれらを特徴づけしデータをフィルタ係数
に変換するのに必要とされる多大なそのための時間と労
力に助けを求めるのではなく、既存のＨＲＴＦデータを
修正するための方法である、という点で特に有利であ
る。このような節約に加えて、本発明の方法は次のよう
ないくつかのその他の重要な利点を与えている。すなわ
ち、（ａ）専門化されたハードウェアまたはツールは全く必
要とされない（耳の形状の製造には高価なステレオリソ
グラフィＣＮＣ機器が使用されることがある）。

【００１５】（ｂ）精密（および無限に変化する）なス
ケーリング。（ｃ）結果として得られるＨＲＴＦライブラリ間の均一
性（homogeneity)（これらは全て同じデータに基づくも
のであるため）。（ｄ）モデリングまたは測定における物理的要因のた
め、いかなる誤差も人為的な影響も生じない。

【００１６】本発明は以下、数段階で記述される。第１
に、標準的ＨＲＴＦは、その構成部分に関し、すなわち
左耳スペクトル関数、右耳スペクトル関数および両耳間
時間遅延（ＩＴＤ：Inter-aural Time-Delay）に関し
て、記述されている。次に、（ａ）スペクトル関数が耳
のサイズに大幅に左右されることおよび（ｂ）時間遅延
要素が頭部サイズに大幅に左右されることを理由とし
て、次に２つの要因を、デュープレックス（duplex）シ
ステムとして独立してスケーリングできるということを
提案する。この新しい観察からして、ＨＲＴＦ例（exam
ple HRTF）のスペクトルデータを、耳サイズとの関係に
おいて、（ａ）スケールアップ（＋１５％）バージョン
と（ｂ）スケールダウン（−１５％）バージョンに、変
換できる方法が例示される。次に頭部サイズとの関係に
おいてＨＲＴＦ例のＩＴＤデータを（ａ）スケールアッ
プ（＋１５％）バーションおよび（ｂ）スケールダウン
（−１５％）バージョンへと変換できる方法が例示され
る。最後に、周波数ドメインでの耳応答関数の大きさの
スケーリングについて論述する。

【００１７】（１）標準的ＨＲＴＦ関数ＨＲＴＦの測定は、好ましくは無響（anechoic）条件下
で行われる。一般的な方法は、所要の方位角および仰角
で人工頭部（図１）から約１メートルの距離のところ
に、スピーカを設置し、次に耳の中（または存在する場
合には耳管内）に位置づけされたマイクロホンの応答を
記録しながら、そのシステム内にインパルスを送ること
である。インパルスは、オーディオスペクトル中の全て
の点で、等しいエネルギーを含む特定のタイプのもので
あり、これによって各人工耳のスペクトル応答を計算す
ることが可能となる。またこうして、左右の耳の間のイ
ンパルスの到達時間の差を導出することが可能となり、
３つの要素、すなわち遠位耳（far-ear)応答（往々にし
てＡと呼ぶ）、近位耳（near-ear）応答（Ｓ）および両
耳間時間遅延が、ＨＲＴＦ自体を構成する。後者は０〜
６５０μｓの範囲内にある。耳のスペクトルプロファイ
ルは位置依存性をもち、一般に、耳甲介共振（concha r
esonance）によってひき起こされる５ｋHzでの＋１５ｄ
Ｂ前後のピークを示す。これらは往々にして、多大なス
ペクトルディテールを呈示する。耳道（auditory cana
l）シミュレータが存在する場合には、低い周波数でそ
のピークはより大きくなる。

【００１８】これらの関数は、図２に示すように、頭部
および耳が音響的に行うものを、電子的にシミュレート
するディジタル信号処理アルゴリズムに変換される。標
準的なスペクトル応答が図５に示されている。この場
合、データは、水平平面において３０°の方位角で測定
された、非耳道（non-canal based)人工頭部システムを
表している。

【００１９】（２）両耳間時間遅延（ＩＴＤ）すでに述べたとおり、音源が極位置（pole position)の
１つ（すなわち、直ぐ前方、後方、上方、下方）の１つ
にあるのではないかまたは実際には子午平面内のあらゆ
る場所にあるのでないかぎり、音波が頭部上に入射され
たとき、左右の耳の間には到達時間の差が存在する。両
耳間時間遅延は、数学的モデリングと実用実験との両方
によって導出され得る複雑な要因である。モデリングに
関しては、８. ７５cmまたはその前後の半径をもつ硬い
剛性球として頭部を扱い、平坦な漸進的高調波（plane,
progressive harmonic wave）とのその相互作用を考慮
することが、一般的な実践方法である。音波は、周波数
に依存しながら３次元内で頭部のまわりを回折（diffra
ct）し、そのまわり全体を搬走するクリーピング波（cr
eeping wave)を形成する。その結果、遠位耳での音圧レ
ベル特性は、異なる経路を搬走する多くの基本波（elem
ental waves)の積分和とみなすことができ、従ってこの
システムは分散性（dispersive）のものである。どのよ
うな数学的モデルの有効性も、モデリングパラメータの
質によって依存し、これが、ＩＴＤをモデリングできる
範囲および精度を制約している。しかしながら、人工頭
部上での物理的測定から得られたＩＴＤと単純な幾何学
モデルから得られたＩＴＤとの間には、そこそこ良好な
一致がみられ（「外耳の音響特性」、EAG Shaw, 音響学
百科（Encyclopedia of Acoustics), MJ Crocker(Ed.),
John Wiley and Sons（１９９７），ｐｐ１３２５〜１
３３５）、従って、例えば人工頭部について行われた実
際の測定から、ＩＴＤを抽出することが困難になった場
合、ＩＴＤを予測するために単純な幾何学モデルを使用
することができる。

【００２０】両耳間時間遅延を導出するための単純な方
法が図３において、すなわち左耳および右耳が方位角θ
（ここで示されているように約＋４５°）で遠方の音源
からサウンド信号を受信している状態での概念的頭部の
平面図を示す図３において、図式的に描かれている。波
面（Ｗ−Ｗ′）が右耳に到達した時点で、その波面が左
耳に到達するまでになお搬走すべき（ａ＋ｂ）の経路長
が存在することが分かる。構成の対称性により、ｂの区
間は、頭部の中心から波面Ｗ−Ｗ′までの距離に等し
く、従ってｂ＝ｒ・sin θである。また、ａの区間が、
θで定められる円周の割合を表していることは明白であ
ろう。このとき検分により、経路長（path length)（ａ
＋ｂ）は、以下の式から求められる。

【００２１】

【数１】〔この経路長（cm単位）は３４. ３で除することによっ
て、対応する時間遅延値（ms単位）に変換できる〕。究
極は、θがゼロに向かうとき経路長もゼロに向かうこと
が分かる。またθが９０°に向かい頭部直径が１７. ５
cmであるときには、経路長は約２２. ５cmとなり、当該
ＩＴＤは、約６５６μｓである。これは、図４に示され
ているように、耳におけるインパルス相関方法（method
of impulse correlation)を用いて人工頭部で行われた
測定に十分対応する。ＨＲＴＦアプリケーションのため
の最高のＩＴＤ精度を出すため、測定データに多項式が
当てはめられるが、これは図中実線で表されている。

【００２２】単純な導出は、水平平面内の右前方象限の
み（方位角０°〜９０°）に関するものではあるが、右
前方象限と右後方象限は横軸を中心にしてやや対称であ
り、両方の右象限が共に両方の左象限とやや対称である
ことから、それを４つの象限全てにおいて使用するため
の近似として使用することが可能である。（当然のこと
ながら、この後者の場合、左耳信号が右耳信号に遅れる
のではなくむしろそれに先行する状態で、時間遅延は、
逆転させられる）。それでも、最高の精度を得るために
は、測定されたデータに対する多項式の当てはめがはる
かに好ましい。これは、間違いなく、頭部の非対称形状
と、また頭部の側面上で耳がわずかに後方に位置づけら
れていることとに起因して、測定されたデータにわずか
な非対称が存在することが図４から分かるからである。〔さらに進んだＩＴＤモデルについて〕両耳間時間遅延
のモデリングに対しより広範なアプローチを採用するこ
とが可能である。しかしながら、上述の単純な幾何学的
アプローチは、Shawによって言およされた（「実環境お
よび仮想環境におけるバイノーラルおよび空間的聴力」
R H Gilkeyおよび T R Anderson(Eds.), Erlbaum, New
Jersey（１９９７），pp．２５−４７）中の「人間の外
耳の音響的特長」EAG Shaw）Kuhnの高周波漸近値（high
-frequency asymptotic value)（「方位角平面内の両耳
間時間差のためのモデル」G F Kuhn, J.Acoust. Soc.A
m.,６２（１），１９７７，pp．１５７−１６７）と同
じ結果を生み出すことから、頭部モデルの不適切な精度
（すなわち単なる球）を念頭において、このとき、多項
式当てはめ方法がＩＴＤ特徴づけの最良の方法であると
思われる。従って、以下でＩＴＤのスケーリングを記述
するのに用いられたデータは、その著者らにより導出さ
れた６次多項式に基づくことになる。（実際、同じく垂
直平面内でもわずかに非対称であることから、ＩＴＤの
ためには、３次元表面を使用するのが好ましいが、ここ
では、簡単のために、その詳細は省略する）。

【００２３】この段階で、ＨＲＴＦ特性が、相互に関係
づけされた非常に複雑な１組の現象に起因するものであ
ることそして関連する生理学的パラメータには著しい寸
法上の差異が存在し得ること、が明らかになることだろ
う。（３）ＨＲＴＦのスケーリングそれでは、ボランティアから多数の実際のＨＲＴＦを測
定し次にそれらをグループとして定量化しようと試みる
ことによる以外に、どのようにして、ユーザ選択のため
にある範囲のＨＲＴＦを作り出すことが可能であろう
か。本発明への鍵は、ＨＲＴＦに不可欠である複雑な共
振および回折効果が、独立してスケーリング可能である
ということの認識にある。まず第１に、外耳（outer ea
r)を考慮する。これには、耳道（auditory canal) に結
合された複数の相互接続された腔（cavity）が含まれて
いる。各々の腔は、各々異なる方向から刺激されたいく
つかの共振モードを有する。その結果、耳全体のスペク
トル特性を、数多くの個々の方向依存性共振器の合計と
みなすことが可能である。耳のサイズをスケールアップ
する、すなわち例えば１５％大きいものにしなければな
らない場合には、全ての腔の共振特性は、それに比例し
て変化することになり、かくして共振周波数は全て１５
％減少し、関連するスペクトルデータは、周波数ドメイ
ン内で１５％の率で圧縮されることになる。そして、耳
のサイズを１５％だけスケールダウンしなければならな
い場合には、スペクトルデータは、周波数ドメイン内で
１５％の率だけ拡張されることになる。両耳間時間遅延
は、このようなアップおよびダウンスケーリングによっ
て著しい影響を受けることがない。従って、ＩＴＤが影
響を受けないままにしておきつつ、周波数ドメイン内の
スペクトルデータをそれぞれ圧縮または拡張することに
より、より大きいまたはより小さいサイズの物理的耳
（physical ear）から導出したＨＲＴＦに対応するよう
に、平均サイズの一対の耳から導出されたＨＲＴＦをス
ケーリングすることができる。

【００２４】次に、頭部の音響効果を考える。頭部は、
ＨＲＴＦに対し２つの主要な影響を与える。まず第１
に、両耳間時間遅延は、以上に詳述したとおり、耳の間
隔どりおよび頭部の形状によって支配される。第２に、
頭部は、遠位耳（far-ear)において回折効果を生み出す
バッフル（baffle）として作用する。しかしながら、回
折効果は相対的におおまかなものであり、これらは、主
として遠位耳信号の減衰およびＨＦロールオフの一因と
なり、特にＨＲＴＦの重要な特徴ではない。上記で使用
される±１５％の例のような漸進的寸法変化（incremen
tal dimensionalchange）は、上述の効果に著しい影響
をもたらさない。しかしながら、両耳間時間遅延は、式
（１）で示されているように、頭部サイズに正比例す
る。従って、スペクトルデータを影響を受けない状態に
したまま、ＩＴＤデータ（時間ドメイン内の）をそれぞ
れ圧縮または拡張することによって、より大きいまたは
より小さいサイズの物理的頭部から導出されたＨＲＴＦ
に対応するように、平均的サイズの頭部から導出された
ＨＲＴＦをスケーリングすることができる。

【００２５】こうして、頭部サイズおよび耳サイズを共
に独立した形でスケーリングできる、デュープレックス
スケーリングシステムが提供される。単一の母集団内で
は、耳と頭部のサイズが互いに比例する（すなわち大き
い人は大きい耳をもつ）と予想するかもしれない。しか
しながら、耳と頭部のサイズは必ずしも比例しないとい
うのが、異なる母集団での特徴であり得、そのような場
合には、ＨＲＴＦデータを別々に調整する手段を提供す
ることが有利である。例えば、本発明は、小、中または
大の頭部と小、中または大の耳のいずれかとの組合せを
用い、かくして９つのユーザ選択可能なオプションを提
供することができる。ここで、これには、組合わせで一
緒に使用されることから３つのスペクトルデータオプシ
ョンと３つのＩＴＤアレイのみしか必要でなく、従って
システムは非常に効率の良いものであるということに留
意されたい。

【００２６】（４）スペクトルデータの耳依存性スケー
リングＨＲＴＦのスペクトルデータ、すなわち、周波数依存性
の遠位および近位耳振幅関数（amplitude function）
は、ここで記述するように、線形補間法により周波数ド
メイン内でスケーリングされ得る。遠位および近位耳応
答の標準的な対が、平均的サイズの耳（かつ耳管シミュ
レータが全く存在しない）をもつ人工頭部からのデータ
に基づいて、図５に示されている。これらの特性は、特
に変わったものではない。文献中には数多くの類似の例
が存在する。この場合、近位耳振幅ピークは、２. ９Ｋ
Hz前後のところにある。

【００２７】実用上では、振幅対周波数特性は、オーデ
ィオ処理のＦＩＲディジタルフィルタに対する係数セッ
トを作り出すフィルタ設計プロセスにおいて使用され
る。周波数ドメイン内でスペクトルデータを拡張または
圧縮するために、ｘ軸は再度スケーリングされ、振幅デ
ータは線形補間法により改訂されたスケール上に再配置
される。これを明白に説明するため、図６は、本明細書
中において使用されることになる関連パラーメータと共
に、第１のいくつかのデータ点を示している。

【００２８】ｘ軸は、周波数（Hz単位）を表し、ｙ軸は
振幅（ｄＢ単位）を表す。標準的スペクトルデータは、
ｘ軸上のｘ_n値（０〜２２. ０５ＫHz）（ここでｎは１
〜１２８の間の整数値である）およびｙ軸上のｙ_n値
（−３０〜＋１０ｄＢ）としてプロットされている。標
準的間隔（ＳＩ：Standard Interval)は、ｘ_n値の間の
周波数間隔を表し、この例では１７２Hzである。

【００２９】ｘ軸は、この目的では約０. ７５〜１. ２
５の間にあるスケーリング率により再スケーリングされ
る。以下の例では、１. １５というスケーリング率を用
いて周波数スケールを拡張することにする。再スケーリ
ングされたｘ座標は、ｙ_nに等しい関連のｙ座標をもつ
点ｐ_nによって表される。拡張された間隔は、ｐ_n値の
間の改訂された周波数間隔を表し、拡張された間隔と標
準的間隔（ＳＩ，１７２Hz）との間の差は、Ｄ（２５．
８Hz）によって表される。

【００３０】標準的周波数スケール上で改訂された振幅
値を計算しマッピングするためには、ｘ_nの各値のいず
れかの側にあるｐ_nの２つの隣接する値を求め次にｘ_n
の値に対応する新しい振幅値ｑ_nを補間する必要があ
る。図６を検分することにより、下記の式（２）および
式（３）が分かり、そこから式（４）が分かり、従っ
て、標準的スケールからのいずれかの周波数値が与えら
れていることから、ここで、拡張されたスケールと結び
つけられた等価指標計数ｎを計算することが可能とな
る。

【００３１】

【数２】例えば上述の図６では、ｘ_nｙ_n座標が右へ拡張され、
新しいｐ_nｙ_n座標を形成することが分かる。例えば、
ｘ₃といった拡張されたカーブ上で改訂された振幅値を
決定するためには、このとき、ｐスケール上のどの指標
数が３に対応するかを求めなくてはならない。これを行
うのに式（４）を使用すると、非整数が生み出され、従
って、この数を切り捨てることにより、ｘ₃より下でか
つｘ₃に隣接するｐ点の整数指標数（ｆと呼ぶ）が生成
され、この整数に１を加えると、ｘ₃より上でかつｘ₃
に隣接するｐ点の整数指標数（ｇと呼ぶ）が得られる。
例えば、式（４）中で前述の値を使用してｘ₃の解を求
めると下記の式（５）が得られる。

【００３２】

【数３】従って、点ｐ₂およびｐ₃がｘ₃にまたがっている図６
内で確認できるように、補間法のために使用されるべき
ｐ点の指標数は、ｆ＝２（２．７３９の切り捨て）およ
びｇ＝３である。この例は自明のものであるが、より高
い周波数での状況またはより厳しい拡張については側方
の変位（lateral displacement）が１標準的間隔（Ｓ
Ｉ）を上回るというような指標づけをあいまいにするよ
うな状況を明確にするための一助となるものである。

【００３３】従って、ここで、ｐ点指標ｎは、ｘ_nの必
要とされる値について計算されまたｆおよびｇも確立し
たことから、ｐ_fおよびｐ_gを計算することができ、こ
れからｙ_fおよびｙ_gが得られる。こうして、図１０に
示されているように、ｐ_fｙ_fとｐ_gｙ_gとの間での拡
張された特性の補間が可能となり、ｘ_nでのｑ_nの値が
得られる。

【００３４】

【数４】この結果は、図７に示されており、これには、それぞれ
１. １５および０. ８５のスケーリング率を用いて拡張
および圧縮された図５の標準的近位耳関数が示されてい
る。（５）ＩＴＤの頭部依存形スケーリング上述のように、本発明者は、標準的ＨＲＴＦライブラリ
のためのＩＴＤ値を導出するために、実験データに当て
はめられた多項式関数を使用している。２次元関数は、
ｘが方位角を表すものとして、

【００３５】

【数５】という形のものである。この式（７）は、０°〜１８０
°の範囲内の、方位角の関数として両耳間時間遅延を導
出するために使用される（１８０°〜３６０°の値はこ
れらと対称であるが、当然、時間遅延は逆転される）。
頭部サイズでＨＲＴＦデータをスケーリングするため
に、頭部スケーリング率は単純に、上述の計算から引き
出される標準的ＩＴＤ値に直接かつこれに比例して適用
される。結果は、ＩＴＤ値の±１５％のアップスケーリ
ングおよびダウンスケーリングを描く図８に示されてい
る。

【００３６】ＨＲＴＦ全体の拡張（または収縮）に加
え、スペクトルの低周波数端にてオフセットを付加（ま
たは除去）することによって、左または右に周波数軸に
沿って特性をシフトさせることが可能である。こうし
て、ユーザ自身の最適なＨＲＴＦに適合させるべく標準
的ＨＲＴＦのより広範な操作が可能になる。例えば、図
７では、主要ピークが標準カーブ内で２. ９ＫHz前後で
起こり、特性を拡張し圧縮した効果により共振ピークが
広がるかまたは圧縮されるのみならず、ピークをより高
いまたはより低い周波数へとシフトさせる効果ももたら
される、ということが分かる。ピークは、それが望まし
い場合には、回復させることができ、また例えば、０Hz
と２５０Hzとの間のＨＲＴＦにおけるＬＦ区分の付加的
な拡張または収縮を行うことによって、そのピークを異
なる位置まで移動させることもできる。これは、低周波
数ではスペクトルの詳細がほとんどかまたは全く存在し
ないからである。このことは、振幅ピーク（２. ９ＫHz
での）についての共通の周波数を共有するためにさらに
調整された図７からの圧縮および拡張されたデータを示
す図９に、描かれている。かかる調整は、圧縮されたカ
ーブについて３４４Hz上方向のシフトであり、拡張され
たカーブについては５１６Hz下方向のシフトである。上
述の技術をさらに高度にしたものにおいては、一部の人
によっては、耳甲介（concha）の縁部（edge）のまわり
に存在し、かくしてそれを非「開放的」なものにしてい
るものの、そうでなければ他の耳と同じ寸法および同じ
容積を有するような若干のへり（rim)が存在している、
ということが観察された。この特徴は、共振周波数に影
響をおよぼさない一方で耳応答関数（ear response fun
ction)内で一次共振（primary resonance)を強調するも
のであることが観察された（「外耳応答と局在化」（Ex
ternal ear response and localisation），EAG Shaw,
第２章、「音の局在化（Localisation of Sound)：その
理論と応用」、RW Gatehouse, Amphora Press, Connect
icut編（１９８２））。この耳の形状をもつ人に適する
ように調整されたＨＲＴＦは、単純に、図１１に示され
ているように例えば利得率を増大（または減少）させる
ことによって、耳応答関数内に存在する振幅データの絶
対値をスケーリングすることによって達成可能である。
この図中、図５および７に示されている標準的近位耳応
答関数の振幅には、０. ８および１. ２という利得率
（gain factor)が乗算されている。これら３つの応答関
数は全て、同じスケール上で示されている。図１１に
は、低周波数での応答カーブを揃える（align)べく、
０. ８が乗算された応答については−２. ２５ｄＢ、
１.２が乗算された応答については＋２. ２５ｄＢとい
うオフセット調整もまた存在する。これらの利得率
（０. ８および１. ２）が、線形利得値（linear gain
value)に対し対応するべき関数（power function）を適
用することと同等であるような実際の振幅値の対数を乗
算するのに、使用されるという点に留意されたい。

【００３７】この方法は、例えば、適切にプログラミン
グされたディジタルコンピュータといったような公知の
信号処理装置を用いて効果を発揮させることができる。
修正ＨＲＴＦのライブラリは、例えば半導体メモリまた
は磁気ディスクまたはテープまたは光学ディスクといっ
たような記憶手段の中に記憶され得る。例えば特定のサ
イズの耳および／または頭部向けの処理を用いて記録さ
れた楽曲を修正するために、微分スペクトル応答関数
（ＥＱとして知られている）を生成することもできる。
標準関数とスケーリングされた関数との間の差に基づく
再処理は、聴取者（listener）のための音色補正（tona
l correction）を作り出すことになる。

【００３８】

【発明の効果】要約すると、上述したスケーリング率
（scaling factor）の間には確かに小さな相互作用が存
在するものの、原標準ＨＲＴＦを生成するために用いら
れる人工頭部のものとは異なる特定の物理的要因をもつ
人のために応答を合わせ込むよう、そのスケーリング率
を標準ＨＲＴＦまたはＨＲＴＦライブラリに、独立に、
適用することができる。スケーリング率は、以下の特性
に対応することが分かる。１．頭部サイズ−ＩＴＤスケーリング、２．耳サイズ−耳応答関数のスペクトル拡張／圧縮、３．耳甲介深さ−耳応答関数のスペクトル側方シフト、４．耳甲介輪郭形状−耳応答関数の振幅拡張／圧縮。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＨＲＴＦ測定のために一般に使用されるスピー
カと頭部の配置を示す図である。

【図２】ＨＲＴＦ信号処理の要素を例示する図である。

【図３】両耳間時間遅延（ＩＴＤ）をモデリングする方
法を示す球形モデル頭部の平面図である。

【図４】人工頭部を用いた実験的測定とモデリングされ
たＩＴＤとの間の比較を示す図である。

【図５】３０度の角度で置かれた音源についての周波数
の関数として、近位耳および遠位耳応答関数を示す図で
ある。

【図６】線形補間法を用いて耳応答関数をスケーリング
することのできる方法を示す図である。

【図７】周波数ドメイン内で上方向１５％および下方向
１５％スケーリングされた応答周波数および標準的寸法
の耳のための３０度近位耳応答関数を示す図である。

【図８】より大きなおよびより小さな頭部サイズに対応
するよう両耳間時間遅延をスケーリングすることのでき
る方法を示す図である。

【図９】スペクトル内のピークの位置を調整すべく周波
数軸に沿って耳応答関数をいかにオフセットできるかを
示す図である。

【図１０】線形補間法を用いて耳応答関数をスケーリン
グすることのできる方法を示す図である。

【図１１】耳応答関数の絶対値をスケーリングすること
のできる方法を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者リチャードデビッドクレモーイギリス国，エスエル９０エヌエフ，バックス，ジェラーズクロス，コッパーリッジ５ (72)発明者マイケルパーシーイギリス国，ダブリュ６０エイチエー, ロンドン，ハンマースミス，ナスミスストリート 43

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】標準的寸法を有し、標準的寸法の耳介を
支持する頭部から導出された１またはそれ以上の原頭部
関連伝達関数（ＨＲＴＦ）を修正する方法において、各
ＨＲＴＦは、近位耳応答関数、遠位耳応答関数および両
耳間時間遅延（ＩＴＤ）を含み、修正ＨＲＴＦは、前記
標準的寸法とは異なる頭部および／または耳寸法をもつ
聴取者のために導出されたものを近似するＨＲＴＦに似
せるようなものであり、かつ、ａ）前記標準的寸法とは異なる寸法をもつ頭部に対応す
る修正ＨＲＴＦを提供すべく、原ＨＲＴＦまたは各原Ｈ
ＲＴＦのＩＴＤ値に、周波数とは独立した一定スケーリ
ング率を乗算する段階、ｂ）原ＨＲＴＦまたは各原ＨＲＴＦの近位耳および／ま
たは遠位耳応答関数に、時間遅延とは独立した周波数ド
メイン内の一定の与えられたスケーリング率を乗算し
て、前記周波数ドメイン内で前記の関数を拡張または圧
縮させ、前記標準的寸法とは異なる寸法をもつ耳に対応
する修正ＨＲＴＦを提供する段階、ｃ）前記周波数ドメイン内の正または負のオフセット値
を備えた、原ＨＲＴＦまたは各原ＨＲＴＦの近位耳およ
び／または遠位耳応答関数を提供する段階、およびｄ）原ＨＲＴＦまたは各原ＨＲＴＦの近位耳および／ま
たは遠位耳応答関数の振幅に、周波数とは独立した一定
の与えられた利得率を乗算する段階、の各段階のうちの
１またはそれ以上の段階を含む方法。
【請求項２】聴取中の聴取者の好ましい位置をとり囲
む空間内の位置に対応する原ＨＲＴＦのライブラリと、
それに伴う請求項１に記載の方法を用いた対応する修正
ＨＲＴＦの１またはそれ以上のライブラリ、および前記
聴取者が修正ＨＲＴＦの好ましいライブラリを選択する
ことを可能にするための選択手段。
【請求項３】原ＨＲＴＦのライブラリおよび請求項１
に記載の方法を用いた対応する修正ＨＲＴＦのライブラ
リを生成するための手段、および当該修正を実施するの
にいかなるスケーリング率および／またはオフセットを
使用すべきかを聴取者が選択し、かくして修正ＨＲＴＦ
を、前記聴取者の頭部および／または耳の寸法に対応す
るものにさらにもっと似せるように合わせ込むことがで
きるようにするための選択手段。
【請求項４】請求項１に記載の方法に従って修正され
たＨＲＴＦ。
【請求項５】請求項４に記載のＨＲＴＦを実現するた
めの電子ディジタルまたはアナログフィルタ。
【請求項６】記憶手段中に記憶された請求項４に記載
のＨＲＴＦのライブラリ。
【請求項７】標準的寸法をもつ頭部および／または耳
のために導出されたものに対応する標準的ＨＲＴＦライ
ブラリを実現する信号処理手段を用いて、マルチチャネ
ルオーディオ信号に付加された１またはそれ以上の音源
の見かけの位置を感知するためのキューを有する該マル
チチャネルオーディオ信号の修正方法であって、該修正
マルチチャネルオーディオ信号は、前記標準的寸法と異
なる寸法をもつ頭部および／または耳について導出され
たものを近似するオーディオ信号に似せたようなもので
あり、ここに原使用の標準的ＨＲＴＦと、聴取中の聴取
者のＨＲＴＦにさらにもっと似せるように請求項２に従
って合わせ込んだＨＲＴＦとの間の差を提供する伝達関
数を用いて前記マルチチャネルオーディオ信号を変換す
る段階を含んでなる方法。
【請求項８】請求項１に記載の方法を実施するように
製作され配置された装置。
【請求項９】請求項７に記載の方法を実施するように
製作され配置された装置。