JP2001507879A - ステレオ音響エキスパンダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は３次元で真実的な音響イメージを再生するステレオ音響拡張装置である。従来のシステムは仮想の音響源またはラウドスピーカを創出することは音調の変化をもたらすという不利益をこうむっていた。音調の変化を補正する試みは仮想の音響源の精度を損害した。本発明は補正されたステレオ信号と補正されないステレオ信号を結合することにより従来のシステムが経験した問題を克服する。したがって、一方の信号について頭部関連の伝達の機能（HRTF）を補正することなく、他方の信号についてHRTFを等化することにより、音調の変化はないが高度の空間的精度をもって平坦化された周波数応答特性が実現される。結果として得られる出力信号は両耳の信号を発生するために使用されることが可能であり、または漏話のキャンセル装置へ供給されることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 ステレオ音響エキスパンダ 発明の分野 本発明は、ステレオの可聴の信号を、再生されたとき聴取者に原のステレオ信 号よりも三次元においてより現実的な音響のイメージをもつようにみられる信号 へ変換することに関する。そのような変換は普通、ステレオエキスパンションと 呼ばれるが、本明細書においてもそのように呼ばれる。 背景技術 ステレオに対して与えられた基本的特許GB−Ａ−394325(EMI)は、ステレオ信 号を発生するシステムを記述し特許請求するが、このものにおいては、スピーカ の相対的な音の強さは、音が左と右の入力マイクロホンに到達する方向によりき まるようになっている。このシステムは加算および差算出の回路を組込んでおり 、これらの回路の出力はそれぞれのフイルタに結合される。このような加算およ び差算出の回路は、それに引続き、多様な形式のステレオシステム、特にステレ オ拡張システム、へ組込まれてしまった。ステレオ音響のイメージを種々の成功 の度合いをもって拡張することを試みる、数多くのステレオ拡張方法が存在する 。これらの方法の多くのものにおける共通の要素は、そのような加算と差算出の 回路の使用であり、それによりステレオ入力の左と右の信号は一つのやりかたで 加算され処理され、そして入力信号もまた相異なるやりかたで減算され処理され 、そのような２つの通路は再び結合されて変換された出力信号を発生させる。こ れらの方法はすべて合成的なものである が、それはこれらが音響イメージを拡張するために理論的に要求される処理の正 確な設計に基づかないという意味においてである。例えばKlaymanに付与されたU S−Ａ−4748669は、加算と差算出の信号を発生するステレオエンハンスメントの システム、および信号を選択的に補正するための、スペクトル分析装置を含む、 回路を記述する。 一つのより良い方法はいわゆる頭部応答伝達機能(Head Response Transfer Fu nctions，HRTFs)であり、これは特定の方向から到来する音響に対する人工また は人間の頭部および耳の応答を代表するフイルタである。HRTFsを使用すること により、拡張の過程を表現する理論的等式を正確にあらわす変換装置を作ること ができる。Loweに付与されたUS−Ａ−5371799は例えばパーソナルコンピュータ 上でプレイされるビデオゲーム用のシステムを記述し、このものにおいては入力 の可聴信号は左右両方のHRTFsに印加され、HRTFsは可聴信号の源の要求されるみ かけの場所に従って補正される。これらの方法は、或る場合には、２つのスピー カを実際の物理的なスピーカ位置の外方に位置させるための仮想的スピーカまた は源の創造であると称される。これらの方法における問題点は、仮想的な源また はスピーカを創造する、HRTFsの使用に関連する音調の品質の変化（或る場合に は等化の変化と称される）が存在することである。この作用は望ましくないこと であり、多くの用途において許容可能ではない。HRTFsにより生ずる音調の変化 を補償するよう入力（または出力）の左右両方の信号を等化することにより、こ の音調の変化について補正することは可能であるが、これが行われると、仮想の 音源、スピーカ、またはラウドスピーカの位置についての正確さは損なわれ、こ れは仮想のスピーカが大なる間隔を有する場合には特に、正確さは損なわれる。 発明のサマリー 本発明の１つの目的は、音調の変化を生じさせることのないステレオ拡張のシ ステムを提供することにある。 本発明は、HRTFsの代表的な一対（耳の近傍および耳から遠隔）は有用な特性 を有するという事実にもとづいており、すなわち、遠隔の耳の機能は近傍の耳の 機能よりも、特に高い周波数において、より多く低減させられることである。こ れは、仮想の源を創出するためHRTFの対が使用される場合は、仮想の源からのエ ネルギの大部分は近傍の耳に関連することを意味する。したがって聴取者は、近 傍の耳のHRTFにより支配される音調の品質を知覚する。この特性を用いることが 行われる。近傍、遠隔両方のHRTFsは、近傍の耳のHRTFの逆について等化され、 それにより近傍の耳のHRTFは平坦になる。したがって耳は、平坦である近傍の耳 のHRTFにより支配される音調の品質を知覚する。この効果は、全体的な周波数応 答は実質的に平坦であり、したがって音調の品質は正確であることである。しか し、このことが実際に行われる場合、同じ等化作用（近傍の耳の逆）による遠隔 の耳の等化は、局所化の精度を損なうことになり、終局の結果は満足ではないも のになる。 しかし、前述のように、遠隔の耳のHRTFが補正されず近傍の耳のHRTFがそれ自 身の逆について等化されると、すなわち、中立状態にされ平坦な周波数応答を有 すると、ステレオ拡張装置は見かけ上平坦な応答を有する、すなわち音調の変化 がなくて充分な局所化の精度を有する、という利点を有する。これが本発明の基 礎である。平坦な応答のフイルタはもちろん直結の接続のものであり、フイルタ 作用は要求されることはない。 本発明は、それぞれ左と右のステレオ信号を受理する第１および第２の入力を 具備するステレオ拡張の装置を提供し、第１の入力は 、ステレオ信号の周波数特性を相当には変化させない第１のチャンネルを通して 、第１の加算手段へ結合され、第１の入力は、聴取者について遠隔の耳のHRTFを 代表するフイルタを通して、第２の加算手段に結合され、第２の出力は、ステレ オ信号の周波数特性を相当には変化させない第２のチャンネルを通して、第２の 加算手段に結合され、聴取者について遠隔の耳のHRTFを代表するフイルタを通し て、第１の加算手段に結合され、加算手段の出力はステレオ拡張信号を提供する ものである。 本発明による装置は、ヘッドホンを用いての聴取に適切な両耳の信号（binaur al signals）を発生させるために、またはラウドスピーカを用いての再生に適切 な本出願人の出願WO−Ａ−9515069に記述されるような、漏話（クロストーク） のキャンセルの装置への供給を行うために、用いられることができる。 本発明の好適な技術特徴によれば、任意の平均の偏位を補償するため等化装置 が提供される。好適には、ステレオ拡張の前または後に左、右両方のチャンネル を等化する特徴をもつ等化装置が提供される。 本明細書の意図するところについて、HRTFまたは頭部に関係する伝達の機能は 、音響の源と聴取者の耳、すなわち音響により近い耳（近傍のHRTF）または音響 からより遠隔の耳（遠隔のHRTF）、の間の通路の周波数応答をあらわす機能を意 味することが意図されるものである。HRTFsは、適切なマイクロホンが装備され た現実の人間の頭部についての測定により得ることが可能であり、またその代り に、人工的な頭部手段を用いることにより得ることが可能であり、該人工的な頭 部手段は、耳構造におけるマイクロホンをもつ人間の頭部と胴部の精密なモデル について共通であることが可能であり、またはその代りに精密さははるかに劣る もの、例えば間隔をおいた マイクロホンの対の間に位置させられた木材の塊または板、であることが可能で あり、さらにまたはそのような機能を作り出す電気的な合成の回路またはシステ ムであることすら可能である。HRTFsが広く刊行物に記載されていることが理解 されるべきであり、例えば、H．L．HanのMeasuring a dummy head in search of pinna cues，J．Audio Eng．Soc.，Jan/Feb 1994，42（1/2）pp 15-36を参照さ れたい。 図面の簡単な説明 本発明の好適な実施例が添付の図面を参照しつつ以下に説明される。 第１図は、ヘッドホンとともに使用されるに適する本発明の第１の実施例を示 すブロック線図、 第２図は、ラウドスピーカーとともに使用されるに適する本発明の第２の実施例 を示すブロック線図、 第３図は、第１図に類似であるが等化のステージを使用する本発明の第３の実施 例を示すブロック線図、 第４〜第６図は第３図の実施例についての等化の特性を示すグラフ図、 第７〜第９図は近傍および遠隔のHRTFsの表現を示す図である。 好適な実施例の説明 さて第１図を参照すると、左と右のステレオ入力信号のための第１と第２の入 力２，４を具備するステレオ拡張装置が示される。左の入力は第１のチャンネル ６を通して第１の加算回路８に接続される。第１のチャンネル６は直接の接続と して示され、平坦な周波数応答を有し、すなわち、左のステレオ信号の周波数特 性に対し有意 の変化を生じない。しかし、該第１のチャンネルは遅延回路および減衰回路を包 含することが可能である。入力２はまた、フイルタ10を通して第２の加算回路12 に結合される。フイルタ10は各「仮想の源」の位置に関連する遠隔の耳のHRTF（ Head Related Transfer Function）をあらわし、このHRTFは聴取者の頭部の存在 により生ずる遅延および回折の効果を組込む。 第２の入力４は、チャンネル６に類似の特性をもつ第２のチャンネル14を通し て第２の加算回路12の第２の入力に接続される。入力４はまた、各「仮想の源」 の位置に関連する遠隔の耳のHRTF関数をあらわすフイルタ16を通して加算回路８ の第２の入力に接続される。加算回路８，12の出力は、ステレオのヘッドホンに 対し左と右の両耳の出力を提供する。 遠隔の耳のHRTFの実行は、アナログ（すなわちフイルタ回路）またはデジタル （例えばFIRフイルタ）であることができる。遠隔の耳のHRTFは仮想の源の角度 について内部的時間遅延をあらわす遅延時間を包含することに注意されたい。AD Dの機能はデジタル（すなわち累算装置）またはアナログ（例えば演算増幅回路 ）であることができる。実用的な応用、例えばパーソナルコンピュータ上のビデ オゲーム、においては、仮想の角度の種々の位置についてHRTFsの記憶されたラ イブラリが存在することが可能であり、これらのHRTFsはあらわすことが希望さ れる音響の位置に従って第１図の回路のなかへ切換接続される。 さて第２図を参照すると、第２図はラウドスピーカと共に使用されるに適する 本発明の第２の実施例を示す。第１図の部分と類似の部分は同じ参照数字であら わされている。加算回路８，12の出力は漏話（クロストーク）キャンセル回路20 に結合される。これは、知られている態様で（例えば発表された国際特許出願番 号WO A−9515 0679参照）ラウドスピーカから伝送される信号を補償し、それにより聴取者の頭 部において両耳効果が維持され、左と右のラウドスピーカーの出力は、両耳効果 を破壊する漏洩を作り出すことはない。 ステレオ録音の１つの形式を作り出す１つの普通の方法は、１つまたはそれよ り多いモノラルの（mono）源を「パンポット（panpot）」することであり、これ は、左と右のチャンネルの間に各単一の源をパン(panning)することによりステ レオ効果が導出され、したがって相対的な振幅の差を作り出す、ことを意味する 。この方法は例えばPC用のビデオゲームにおいて用いられ、その場合にモノラル の（mono）信号が記憶され、ステレオ複合体を発生させることが希望される。そ のようなステレオ信号は、第１図および第２図に示される実施例に供給されると 、両方の側へ高度にパンされると音調的には正確なものになるが、源が中央の（ モノラルの）位置へパンされると徐々に増大する音調の不正確さが生ずる。この 効果は下記のように理解されることが可能である。 モノラルの信号が、ラウドスピーカのステレオ対を通して（通常の聴取の位置 に居る聴取者に対し）再生されると、同一の信号が両方のラウドスピーカから同 時に放送される。その結果、右の耳は右のスピーカーの信号を受理し、それの少 し後に、左のスピーカからの類似の信号を受理する（そしてその逆が行われる） 。低い周波数においては、頭部により生じさせられる回折の効果は小であり、し たがって各耳は１次的信号（右スピーカーからの右の耳、および左スピーカーか らの左の耳）を受理し、それに続いて２次的信号（左スピーカーから右の耳、お よび右スピーカーから左の耳）を受理するが、該２次的信号はトランゾーラルな （transaural）漏話により生ずる。２次的信号は１次的信号に対し約0.227ms遅 延するが、それは頭部をめぐり進行せねばならぬ余分の距離によるものである。 その結果、１次と２次の音響波が加算されると、或る周期的な反復の周波数をも って、破壊的なおよび建設的な干渉が生起し、最初の最小値として約2.2kHzをも ってくし状のフイルタ作用を発生させる。その結果、モノラルの信号がステレオ ラウドスピーカの対を通して通常の聴取の位置（ラウドスピーカに関し正三角形 を形成するよう）に居る聴取者に対し供給されると、信号は音響干渉によりくし 状のフイルタ作用を受ける。しかし、極限の左または右へのパンが行われると、 音響は２つのラウドスピーカの１つだけにより送出され、波動の加算が行われる ことがなく、したがってくし状のフイルタ作用の効果を生ずることがない。 この効果は、適切な方法で両方の入力チャンネルまたは両方の出力チャンネル を等化することにより、位置の精度を害することなしに補償されることができる 。この場合において、等化は伝達機能を提供することが意図され、該伝達機能は 予想されるくし状のフイルタ作用を補償しそれにより音調的に歪みのない信号を 聴取者に対し発生させる。このことは両耳的（binaural）、トランゾーラル（tr ansaural）両方の配置についていえることである。そのような等化は下記の３つ の方法のいずれについても設計されることができる。 １．等化を行なわないこと、この場合においては高度にパンされた位置は音調 的に正確であり、中央の位置は精度が最小である。 ２．中央の位置を音調的に平坦なものにすること、この場合においては高度に パンされた左と右の位置は精度が最小である。 ３．中間的な位置を音調的に平坦なものにすること、この場合においては中央 と極限の位置の両方は誤差があるが、平均の誤差は１または２の場合より小であ る。 第４〜第６図に示される応答特性は±80度の仮想のスピーカを用いるエキスパ ンダにもとづくものである。これは、高度に右へパン される音源（通常のスピーカ角度を用いて正常には右へ30度であることが可能で ある）は、エキスパンダを用いて右へ80度にあるようにみえるが、物理的スピー カは依然として±30度にある。第４、第５、および第６図は、モノラルの信号が パンポットによりステレオに拡張されるとき、なにが生起するかを示す。各グラ フ図は相異なるパンポッティングの比をあらわす。第４図は、一方の側へ完全に 高度にパンの場合のグラフ図を示す。第５図は、中央へのパン（モノラル作動） の場合のグラフ図を示す。第６図は、中間の位置、大まかには極限位置の半分の 位置、の場合のグラフ図を示す。第４、第５、および第６図のグラフ図はパンポ ットにより発生するステレオ信号により発生するスペクトルに対する本発明のエ キスパンダシステムにより発生するスペクトルの比をあらわす。重要であるのは この比であり、それは、聴取者が慣れている従来のステレオの信号からの音調の 偏位の印象をあらわすからである。したがって、第４〜第６図に示される機能を 補償する等化作用を導入することにより、「ステレオ聴取の品質」ではあるが３ 次元の印象をもつもの、への立ち戻りが行われることができる。 第４図は、仮想的に平坦なものであり、源が一方の側へのみ強くパンされると き、エキスバンダは、ステレオと音調的に正確に同じように音響を発生すること を示す。 第５図は、モノラルの場合（パン＝0.50）を示し、或る組合わせの効果が存在 しステレオからの偏位を生じさせることを示す。 第４図と第５図は、２つの極限の場合である。平均の偏位は、第６図（パン＝ 0.70）に示されるように、平均の偏位は大まかにこれら２つの極限の中間の或る 位置において生起するはずである。 本発明の好適な技術特徴によれば、平均の偏位を補償するために等化装置が提 供される。左、右両方のチャンネルを等化するために 第６図の逆の特性をもつ等化装置が提供され（本発明によれば、ステレオ拡張の 前または後において）、それによれば、第６図のパンポットの位置においてエキ スパンダは正確であり、２つの極限のいずれにおいてもエキスパンダは誤差を生 起させる。 さて第３図を参照すると、第３図は前述の考慮事項を具体化する本発明の第３ の実施例を示す。第１図の部分に類似の部分は、類似の参照数字であらわされる 。この回路は等化回路30，32を包含し、該等化回路の各々は、入力２，４とチャ ンネル６，14の間に結合されるくし状フイルタ作用補償伝達機能を有する。加算 回路８，12の出力はステレオのヘッドホンに供給される。変形された具体例にお いては、回路30，32は加算回路８，12の出力に設置される。 第７および第８図は、80度についての遠隔の耳(FAR ear)と近傍の耳（NEAR ea r）のHRTFsをそれぞれ示す。遠隔の耳の機能は約１kHzから周波数とともに顕著 に降下することが観察されることが可能である。本発明においては、近傍の耳の HRTFはもちろん用いられないのであり、該近傍の耳のHRTFは平坦な応答特性で置 換されるからである。 本発明において、ビデオゲーム用の音響効果への応用において、図示される回 路に用いられるHRTFsは、HRTFsのライブラリを包含する記憶装置から選択される が、該HRTFsのライブラリを包含する記憶装置は、どのような音響入射角が表現 されねばならぬかに依存して聴取者の耳における入射音響の種々の見かけの角度 をあらわすものである。第９図に、種々の聴取の角度についてのHRTFsの表現が 示される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．左と右のステレオ信号をそれぞれ受理する第１と第２の入力端子を具備す るステレオ拡張装置であって、該第１の入力端子は、ステレオ信号の周波数特性 を有意には変化させない第１のチャンネルを通して第１の加算手段に結合され、 遠隔の耳の頭部関連の伝達の機能（HRTF）を介して第２の加算手段に結合され、 該第２の入力端子は、ステレオ信号の周波数特性を有意には変化させない第２の チャンネルを通して該第２の加算手段に結合され、遠隔の耳のHRTFを介して第１ の加算手段に結合され、これらの加算手段の出力はステレオの拡張された信号を 提供するものである、ステレオ拡張装置。 ２．第１と第２の加算手段の出力はヘッドホンに結合されるよう配置される、 請求の範囲１記載の装置。 ３．第１と第２の加算手段の出力は漏話キャンセル手段に結合され、該漏話キ ャンセル手段の出力は左と右のラウドスピーカに接続されるに適している、請求 の範囲１記載の装置。 ４．モノラルの信号からステレオ入力信号を導出するパンポッティング(pan-p otting)を用いることにより生ずる伝達の機能を補償するために等化手段が設け られ、拡張されてしまっていないステレオ信号に実質的に類似の音調の品質を作 り出すようになっている、請求の範囲１〜３のいずれかに記載の装置。 ５．該第１、第２の入力端子と該第１、第２のチャンネルの間に接続される等 化回路を包含する、請求の範囲４記載の装置。 ６．該第１、第２の入力端子と該加算手段の該出力端子の間に接続される等化 回路を包含する、請求の範囲４記載の装置。 ７．第１のチャンネルは遅延回路と減衰回路を包含する請求の範 囲１記載の装置。 ８．添付の図面を参照しつつ実質的に前記に記述されるステレオ拡張装置。