JP6884278B2 - オーディオ再生においてクロストークキャンセルゾーンを作成するためのシステム及び方法 - Google Patents

オーディオ再生においてクロストークキャンセルゾーンを作成するためのシステム及び方法 Download PDF

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Description

関連出願との相互参照
本出願は、2017年10月11日に提出された米国仮出願第62/571,234号の優先権を主張し、その開示の全体は参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、一般に、3Dのリアルな音の再現の分野に関し、特に、クロストークキャンセレーション(XTC)の方法及びシステムに関する。
人間の頭の左右の耳に届く音波には、両耳間時間差(ITD)として知られる時間遅延、及び/又は、両耳間レベル差(ILD)として知られている音量差があるため、通常の人間は、あらゆる方向及び距離から来る音を聞いて定位することができる。脳は、これらの聴覚キューを使用して音の空間的起源を解釈及び決定し、3次元(3D)で音を知覚することができる。
この概念に基づいて、音声のバイノーラル録音では、通常の人間の左右の耳のペアを模倣して配置された2つのマイクを使用して、サウンドレコーディング再生のリスナーに3Dオーディオ体験を作成する目的で、3Dオーディオキューが埋め込まれた録音を生成している(「ダミーヘッドレコーディング」とも呼ばれる)。しかしながら、問題は、一般的に入手可能なステレオトランスデューサを使用した3Dオーディオ録音の再生又は再現にある。録音された左右のオーディオチャンネルシグナルの各々が、それぞれ左右のトランスデューサから別々に再生される場合であっても、左のオーディオチャンネルシグナルに対応する音波がリスナーの左耳のみに到達することは保証できず、右のオーディオチャンネルシグナルについても同様である。元の音で記録された時間遅延及び/又は音量差情報は、リスナーの左右の耳で完全に再現できないため、リスナーは3Dサウンド効果を体験することができない。この現象は、クロストークと呼ばれている。図1は、このクロストーク現象を示している。
このクロストークをキャンセルして、破損していない3Dオーディオ体験をリスナーに再現するために、多くの既存の技術が提案されている。クロストークキャンセレーション(XTC)は、スピーカ(BAL)又はヘッドフォン(BAH)でバイノーラル素材を再生することで実現できる。BAL技術のほとんどは、入力オーディオシグナルの時間領域及び/又はオーディオ周波数スペクトルを操作してXTCを有効にし、実質的にXTCフィルタを作成することを含んでいる。オーディオ周波数スペクトルの操作は、1対のトランスデューサ、再生が行われる部屋、部屋中のリスナーの位置、場合によっては、リスナーの頭の大きさや形さえも含んだ音声再生システムの反応にマッチするように、XTCフィルタの変数を調整することによって行われる。幾つかの実装では、サウンド再生システムの応答を最初に測定することにより、調整が自動的に行われることもある。次いで、このシステム応答の反転を使用して、トランスデューサへの入力オーディオシグナルとの畳み込みを行って、システム応答を削除する。図2は、サウンド再生システムにおけるXTCフィルタの動作の簡略図である。
BALの最大の課題は、リスニングルームの影響である。初期の反射及び反射一般は、XTCアルゴリズムが実際に達成できるクロストークキャンセルのレベルを低下させる。広帯域吸収体を用いて部屋を防音するか、又は、狭い分散パターン(軸からの大幅なレベルドロップオフ)を有するスピーカを使用して、反射の問題の軽減を試みることができる。多くの現実の実装では、どちらのソリューションも実用的ではない。次に、単一のスイートスポットの問題がある。XTCをリスナーのヘッドトラッキングと組み合わせて使用することができるが、それは、基本的にはやはり単一のスイートスポットである。リスナーの移動の自由は本当に存在しない。複数のXTCスイートスポットは、フェーズアレイ又はビームフォーミング技術を使用することで可能になるが、設計は非常に複雑になり、実装するには非常にコストがかかる。そのようなシステムは、幾つかのスイートスポットを提供できる可能性があるが、映画館などの環境では実現不可能である。
BAH技術では、人間の脳をだまして3Dの音を知覚させるために、一般的な又は個別の頭部伝達関数(HRTF)をオーディオシグナルと共に畳み込んでいる。しかしながら、BAHの3Dサウンド体験は、BALほど説得力がない。多くの場合、視覚的な合図が、音が真の3Dであると脳に信じ込ませるための助けとして必要である。BAHテクニックによって生成されるエフェクトには、BALで体験できる音の「物理性」が最終的に欠けている。BAHもまた、高度に個別化されたHRTFのため、実装が非常に困難である。
図3は、XTCフィルタを備えた音響再生システムの例示的な実施形態を示している。しかしながら、実際のこれらのXTCテクニックの共通の欠点は、理想的な3Dオーディオ体験を実現するために、オーディオ再生全体を通して、リスナーがトランスデューサ(スイートスポット)から遮られない単一の場所にいて静止している必要があること、又は、リスナーの場所がシステムによって認識又は追跡される必要があることである。
本発明は、3Dオーディオ再生のための1つ又は複数の局所クロストークキャンセルゾーンを提供する方法及びシステムを提供する。本発明の目的は、そのような方法及びシステムを、家庭などの小さなオーディオ再生環境、並びに、屋内及び屋外劇場などの大規模なオーディオ再生環境に適用して、劇場の異なる場所において複数の観客が同じ理想的な3Dサウンド効果を体験できるようにすることである。
一態様によれば、一次トランスデューサとは別個の1つ又は複数のトランスデューサが、リスナーの耳に到達したときに一次トランスデューサから生成される一次サウンドシグナルと同期するスタンドアロンXTC音響シグナルを生成するために使用される。
本発明の一実施形態によれば、ステレオサウンド再生環境において複数のクロストークキャンセレーションゾーンを可能にする、各リスナーに関連付けられた近接トランスデューサ(CPT)を使用した現実的な3D音響再生が提供される。CPTは、XTC音波生成トランスデューサであり、リスナーが耳の近く又は耳に装着する特別に作成されたコンパクトなトランスデューサ(各耳に1つのトランスデューサ)であって、ステレオサウンド再生環境において、リスナーが一次トランスデューサからの一次サウンドを聞くのを妨げないように配置されている。このステレオサウンド再生環境では、リスナーは、リアルな3Dオーディオシーンを体験するなど、ステレオシグナルの同側のチャンネルを自由に受信することができる。必要に応じて、CPTがリスナー上に装着されているため、再生中にリスナーの位置を追跡することもできる。これにより、システムの応答を継続的に測定し、それに応じてXTC音波を調整できる。そのため、リスナーは、オーディオ再生中に固定され、静止している必要はない。
一実施形態によると、オーディオ再生のステレオ音波を放出する2つ以上のメイントランスデューサと、リスナーの左右の外耳道の両方に近接して構成された少なくとも1つ又は複数のCPTを含んだローカルシステムと、前記CPT及び他のCPTに対するメイントランスデューサの相対位置を追跡する位置追跡デバイスと、位置追跡デバイスから相対位置データを受信する制御ユニットとを備え、前記制御ユニットは、相対位置データを処理し、対応するリスナーの耳に到達するステレオ音波に対応するXTC音波をCPTに生成させるように構成されており、生成されるXTC音波は、オーディオの再生及び相対的な位置に関して同期される、オーディオ再生におけるクロストークキャンセルゾーン作成のシステムが提供される。
一実施形態によると、位置追跡デバイスは、他のローカルシステムの相対位置を更に追跡する。位置追跡デバイスは、Bluetooth(登録商標)及びWiFiを含むがこれらに限定されない1つ又は複数の無線通信技術及び標準、特に相対位置の追跡に関連するシグナル三角測量技術を採用する。制御ユニットが更にCPTに補正シグナルを送信させる。そして、CPTセットが家具に設置又は統合されている。
代替の実施形態によると、CPTのうちの1つ又は複数は、対応するリスナーの耳の近くに配置されたマイクロフォンに接続される。マイクロフォンは、オーディオ再生の音波を受信して測定し、CPTの制御ユニットの測定データ入力シグナルを生成するように構成されている。この構成は、オプションで、位置追跡デバイス並びにXTC音波の処理及び生成における相対位置データの使用を置き換えることができる。
本発明の実施形態は、以下により、図面を参照して詳細に説明される。
図1は、XTCなしで2つのラウドスピーカを使用して再生される従来のステレオオーディオを聴くリスナーの状態を示している。
図2は、2つのラウドスピーカを使用して再生される従来のXTCオーディオを聴くリスナーの状態を示している。
図3は、XTCフィルタを備えた従来のオーディオシステムの例示的な実施形態を示している。
図4は、本発明の一実施形態による、2つのラウドスピーカ及び2つのXTCトランスデューサを使用してオーディオ再生を聴くリスナーの配置を示している。
図5は、ローカライズされたXTCゾーンの図を提供している。
図6は、図5の拡大図を提供している。
以下の記載では、オーディオ再生などでクロストークキャンセルゾーンを作成するためのシステム及び方法を、好ましい例として説明する。追加及び/又は置換を含む修正が、本発明の範囲及び精神から逸脱することなくなされ得ることは、当業者には明らかであろう。特定の詳細は、本発明を不明瞭にしないために省略される場合がある。しかしながら、本開示は、当業者が過度の実験なしに本明細書の教示を実施できるように記載されている。
本発明は、3Dオーディオ再生のための1つ又は複数の局所クロストークキャンセルゾーン(LXCZ)を提供する方法及びシステムを提供する。本発明の目的は、そのような方法及びシステムを、家庭などの小さなオーディオ再生環境、並びに、屋内及び屋外劇場などの大規模なオーディオ再生環境に適用して、劇場の異なる場所において複数の観客が同じ理想的な3Dサウンド効果を体験できるようにすることである。
一態様によれば、一次トランスデューサとは別個の1つ又は複数のトランスデューサが、リスナーの耳に到達したときに一次トランスデューサから生成される一次サウンドシグナルと同期するスタンドアロンXTC音響シグナルを生成するために使用される。図4は、この概念の簡略図を示している。
一実施形態では、XTC音波発生トランスデューサは、特別に作製されたリスナーが耳の近く又は耳にかけるコンパクトなトランスデューサ(各耳につき1つのトランスデューサ)であり、リスナーが一次トランスデューサからの一次音を聞くのを妨げないように配置されている。オプションで、XTC音波生成トランスデューサがリスナーに装着されているため、再生中にXTC音波生成トランスデューサに組み込まれた位置追跡デバイスを使用してリスナーの位置を追跡することができる。これにより、システムの応答を継続的に測定し、それに応じてXTC音波を調整できる。そのため、リスナーは、オーディオ再生中ずっと静止している必要はない。
別の実施形態によれば、XTC音波発生トランスデューサの1つ又は複数は、対応するリスナーの耳の近くに置かれたマイクロフォンに接続される。マイクロフォンは、一次サウンドを受信及び測定し、CPTの制御ユニットの測定データ入力シグナルを生成するように構成されている。この構成は、オプションで、位置追跡デバイス並びにXTC音波の処理及び生成におけるリスナーの位置情報の使用を置き換えることができる。
以下において、本発明の様々なシステム及び方法が、理想的な局所クロストークキャンセルゾーンの作成及び関係が定義される数式によって説明される。
システムの基本的な定式化
n個のローカルシステムQ(1≦j≦n)及びm個の点音響源S(1≦i≦m)を含む音響環境Ωを考える。ここで、i及びjの双方は、1以上の整数である。
音響環境Ωは、異なる壁及び環境構造を有する閉鎖された部屋又はオープンスペースの何れかであってもよい。各ローカルシステムQは、レシーバの1セットであって、システムQのk番目のレシーバの位置は時刻tにおいて
Figure 0006884278
で表され、レシーバの例にはリスナーの耳及びマイクロフォンが含まれるレシーバの1セットを備えている。また、各ローカルシステムQは、局所サウンド場を放出する局所近傍トランスデューサ(CPT)の1セットであって、システムQのz番目のトランスデューサの位置は時刻tにおいて
Figure 0006884278
で表され、トランスデューサの例には、オーバーイヤー、オンイヤー、及びインイヤーヘッドフォン、イヤフォン(earbuds)、他のタイプのウェアラブルスピーカ、固定及びポータブルのラウドプレイヤーが含まれる、局所近傍トランスデューサ(CPT)の1セットを備えている。
全ての音響源S(1≦i≦m)は、音響場
Figure 0006884278
を作り出す。システムQのk番目のレシーバの位置での音響圧シグナルは、
Figure 0006884278
である。kの異なる値に対する音響圧シグナルPjk(t)は、システムQによって再現される音響体験(ユーザが人間の場合)を決定するであろう。ターゲットシグナルのpjk(t)の1セットとして定義されるリアルな3Dサウンド再生は、レシーバで受信される。ターゲットシグナルpjk(t)は、音源Sでエミュレートされる参照状況(例えばコンサートホール)で受信される音響圧シグナルとして定義することもできる。ターゲットシグナルpjk(t)は、実際の音響環境(コンサートホールでライブオーケストラを聴く場合など)、操作されたオーディオ(機能を変更又は追加した実際の録音など)、又は完全に人工的な音を表すことができる。したがって、ターゲットシグナルpjk(t)と音響圧シグナルPjk(t)との差異が、次の式で表される補正シグナルΔpjk(t)である。
Figure 0006884278
補正シグナルは、CPTによって取得される。システムに関連付けられたz番目のCPTは、補正シグナルΔpjk(t)がk番目のレシーバによって受信されるように、シグナルXji(t)を放出する。
構成パラメータ
CPTによって放出されるシグナルXji(t)は、一般に、
Figure 0006884278
で表されるトランスデューサに対するレシーバの相対位置、並びに、他のシステムの位置及び現在のシステムのコンポーネント本体を含む環境の音響特性に依存する。全ての量は、時間に依存する。これらの理由により、各システムQは、 放出されるシグナルXji(t)を計算するために、時間依存の内部変数のベクトルq(t)を計算する。これらの変数には、次のものが含まれる:システムQの本体の空間構成を記述する自由度;システムの他の内部パラメータ、例えば、人間のユーザ向けの時間に依存しないフレームワーク、ヘッド関連伝達関数(HRTF);時間に依存しないフレームワークでは環境伝達関数として、音源Sからの音の伝播に影響を与える環境データである。これらの変数により、少なくともトランスデューサに対するリスナーの相対位置
Figure 0006884278
を再構築することができる。システムに関連付けられたセンサによって収集されたデータにより、ベクトルq(t)のリアルタイム計算が可能になる。
補正シグナルの生成
各ローカルシステムQは、所望の補正シグナルApj(t)を取得するために必要な対応するトランスデューサの出力シグナルxji(t)を計算する、多入力多出力(MIMO)線形時間変動システム(LTV)Lに関連付けられている。時間変動は、システムが時変条件で動作するため必要である。したがって、LTV(L)の入力シグナル及び出力シグナルは、それぞれ、補正シグナルApj(t)と、トランスデューサによって生成されるシグナルxji(t)である。ここで、インデックスk及びiは、それぞれ、単一のシステムQのレシーバ(リスナー)の耳の1セットとトランスデューサの1セットとで動く。各リスナーjに対する1つのチャネルを有するマルチチャンネルシグナルApj(t)、及び、各リスナーjに対する1つのチャネルを有するマルチチャンネルシグナルx(t)である場合、入力と出力との間の関数関係は、以下のように記述することができる。
Figure 0006884278
ここで、q(t)は、上で定義した時間依存パラメータのベクトルである。
キャンセルプロセスの局所性
上記で定義された関数関係は、説明されているパラメータq(t)の条件と共に、プロセスがローカルであることを示唆している。これは、課されるターゲットシグナルpj(t)が、他のローカルシステムからのローカルシステムの補正シグナルによって生成されるクロストークを無視することを意味している。ここで、ローカルという用語は、各ローカルシステムQが、他のローカルシステムから独立して送信されるキャンセルシグナルについて決定することを意味している。これにより、サブシステムごとに独立したLTVを設計することができる。任意に、LTVは、必要に応じてユーザ間の妨害を検出し、その後に減衰させることができる、追加のシステムを含み得る。
一実施形態では、1セットのセンサをローカルシステムに含めることができる。例えば、HRTFを調整するための頭部の動きを追跡するセンサ、及び、事前に読み込まれたユーザ間外乱減衰を事前に適用できるように接近又は離脱する他のローカルシステムの位置を含んだ周辺環境である。
一実施形態によれば、別個の対のトランスデューサ(近接トランスデューサ(CPT))が提供され、リスナーに近接して配置される。主要な音源は、リスナーの前にある一対の主要な外部ステレオラウドスピーカのままであり、CPTがクロストークキャンセルシグナルを提供する。XPTを実行するためのCPTの使用は、リスナーに個別のXTCゾーン/バブルを提供することである。図5は、個別化されたXTCゾーン/バブルの図を提供しており、図6は、その拡大図を提供している。
CPTは、メインの外部スピーカからのクロストークをキャンセルするXTC音波を提供する。これにより、リスナーは動きに関してはるかに高い自由度を持つことができる。各個人が移動の自由を持つだけでなく、CPTは個人ベース又はローカライズされているため、同じセットのメインスピーカから同じリスニング体験を共有する多くのリスナーが存在する可能性がある。
システムのCPTは、他のシステムへのユーザ間クロストークを引き起こす可能性がある。これは、ユーザが近づきすぎているときに、オープンなヘッドフォンとは異なるCPTが使用されている場合に発生することがある。前述の補正シグナルの定義には、一般にこのような重要でない影響は含まれていない。任意に、CPTは、このようなユーザ間妨害を処理するための追加機能を含むことができる。
必要に応じて、CPTによって生成されるXTC音波には、着色低減、イコライゼーション、及び/又はユーザによるサウンド効果のプリセットが含まれる。
別の実施形態によれば、CPTは、一対のオープンバックヘッドフォン(外部の音がリスナーの耳に届くように伝わる)、又は、ソニーPFR−V1若しくはボーズサウンドウェアなどの一対のヘッドフォンであり得る。ただし、CPTは、ウェアラブルなものに限定されない。例えば、映画館での応用では、椅子のヘッドレストにCPTを埋め込むことができる。ウェアラブルとしてCPTを使用する利点は、CPTとリスナーとの物理的な関係を固定できることだが、クロストークキャンセルシグナルを計算するアルゴリズムの許容レベルに応じて、CPTをヘッドレストに埋め込むこともできる。
本明細書では、主にヘッドフォンに適用される本発明のCPTを説明しているが、当業者は、様々な実施形態を、限定することなく、過度の実験をせずに、据え付け可能なデバイスから椅子、ソファ、首のクッションなどの静止物体などの他のタイプの近接デバイスに適用するように適合させることができる。
メインスピーカに対するリスナーの位置は、達成されるXTCのレベルの有効性に影響を与える。リスナーの場所を特定するために、様々な技術を実装することができる。例えば、Bluetooth(登録商標)ベースの三角測量技術を使用して、場所を特定することができる。他の無線技術も非常に正確な位置情報を提供できる。位置情報を使用して、CPTのL及びRチャネルに必要な遅延を計算できる。
CPTは、有線デバイスであっても無線デバイスであってもよい。ここでの主な目標は、XTCゾーンをメインスピーカからの従来のBALセットアップから分離することである。代わりに、我々は、個人ごとにローカルXTCゾーンを作成する。
本明細書で開示される実施形態は、汎用又は専用のコンピューティングデバイス、モバイル通信デバイス、コンピュータプロセッサ、又はデジタルシグナルプロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、及び、本開示の教示に従って構成若しくはプログラムされる他のプログラム可能な論理デバイスを用いて実装されてもよい。汎用又は専用コンピューティングデバイス、モバイル通信デバイス、コンピュータプロセッサ、又はプログラム可能な論理デバイスで実行されるコンピュータ命令又はソフトウェアコードは、本開示の教示に基づいて、ソフトウェア又は電子技術の熟練者によって容易に準備することができる。
幾つかの実施形態では、本発明は、コンピュータ又はマイクロプロセッサをプログラムして本発明のプロセスの何れかを実行するのに使用できるコンピュータ命令又はソフトウェアコードを格納したコンピュータ記憶媒体を含んでいる。保存メディアには、フロッピーディスク、光ディスク、Blu−ray(登録商標)ディスク、DVD、CD−ROM、光磁気ディスク、 ROM、RAM、フラッシュメモリデバイス、又は、命令、コード、及び/又はデータを保存するのに適した任意の種類のメディア若しくはデバイスが含まれるが、これらに限定されない。
本発明の前述の説明は、例示及び説明の目的で提供されている。上記の記載が網羅的であること又は開示された特定の形態に本発明を限定することは、意図されていない。当業者には、多くの修正及び変形が明らかであろう。
実施形態は、本発明の原理及びその実際の応用を最もよく説明するために選択及び説明され、それにより、当業者は、様々な実施形態及び考えられる特定の用途に適した様々な修正で本発明を理解できるようになる。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びそれらの同等物によって定義されることが意図されている。

Claims (6)

  1. オーディオ再生におけるクロストークキャンセルゾーン作成のシステムであって、
    オーディオ再生のステレオ音波を放出する1つ又は複数のメイントランスデューサと;
    少なくとも2つの近接トランスデューサ(CPT)と、接近又は離脱する他のローカルシステムの位置を含んだ周辺環境を追跡するための1セットのセンサとを含んだローカルシステムと;
    を具備し、
    前記CPTの各々は、リスナーの左右の外耳道の一方の近傍に配置され、
    前記CPTの各々は、
    前記CPT及び他のCPTに対する前記メイントランスデューサの相対位置を追跡するための位置追跡デバイスと;
    前記位置追跡デバイスから相対位置データを受信し、クロストークキャンセレーション(XTC)音波の生成のための相対位置データに従って制御シグナルを生成するための制御ユニットと;
    を具備し、
    前記CPTの各々は、リスナーの対応する耳に到達する前記ステレオ音波に対応するXTC音波を生成するように構成されており;
    生成された前記XTC音波は、前記オーディオ再生及び前記相対位置に関して同期され
    同期された前記XTC音波は、前記周辺環境にしたがって、事前に読み込まれたユーザ間外乱減衰を適用される、
    システム。
  2. 前記位置追跡デバイスは、他のローカルシステムの相対位置を更に追跡する、請求項1に記載のシステム。
  3. 前記位置追跡デバイスは、相対位置を追跡するための無線通信三角測量デバイスを含んでいる、請求項1に記載のシステム。
  4. 前記CPTは、オーバーイヤー、オンイヤー、及びインイヤーのヘッドフォン、イヤフォン、他のタイプのウェアラブルスピーカ、固定及びポータブルラウドスピーカのうちの1つ又は複数を含んでいる、請求項1に記載のシステム。
  5. オーディオ再生におけるクロストークキャンセルゾーン作成のシステムであって、
    オーディオ再生のステレオ音波を放出する1つ又は複数のメイントランスデューサと;
    少なくとも2つの近接トランスデューサ(CPT)及び1つ又は複数のマイクロフォンと、接近又は離脱する他のローカルシステムの位置を含んだ周辺環境を追跡するための1セットのセンサとを含んだローカルシステムと;
    を具備し、
    前記CPTの各々は、リスナーの左右の外耳道の一方の近傍に配置され、
    前記マイクロフォンの各々は、前記リスナーの耳の近傍に配置され、前記オーディオ再生の前記ステレオ音波を受信及び測定して、前記リスナーの耳に前記メイントランスデューサの相対位置を示す測定データを生成するように構成されており、
    前記CPTの各々は、
    前記マイクロフォンから前記オーディオ再生の前記ステレオ音波の測定データを受信し、クロストークキャンセレーション(XTC)の生成のために前記測定データに従って制御シグナルを生成するための制御ユニットを具備し、
    前記CPTの各々は、リスナーの対応する耳に到達する前記ステレオ音波に対応するXTC音波を生成するように構成されており;
    生成された前記XTC音波は、前記オーディオ再生及び前記相対位置に関して同期され
    同期された前記XTC音波は、前記周辺環境にしたがって、事前に読み込まれたユーザ間外乱減衰を適用される、
    システム。
  6. 前記CPTは、オーバーイヤー、オンイヤー、及びインイヤーのヘッドフォン、イヤフォン、他のタイプのウェアラブルスピーカ、固定及びポータブルラウドスピーカのうちの1つ又は複数を含んでいる、請求項5に記載のシステム。
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