WO2021024806A1 - スピーカアレイ、信号処理装置、信号処理方法および信号処理プログラム - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a speaker array, a signal processing device, a signal processing method, and a signal processing program.
- Speaker array control technology such as wave field synthesis technology is widely used as a technology for generating such a sound field.
- Patent Document 1 There is a method called wave field synthesis for the sound reproduction technology that reproduces the sound field at the recording point in the screening space (Patent Document 1).
- the arrival directions of the acoustic signals in the vertical and horizontal directions are analyzed and installed in the screening space. Physically reproduce the acoustic signal of the recording venue using multiple speakers.
- Non-Patent Document 2 There is also a multi-pole sound source as a method of controlling the directivity of the sound radiated from the speaker (Non-Patent Document 2).
- a multi-pole sound source is a method of expressing the directivity of sound by a combination of primitive directivity such as dipole and quadrapole. Each of the primitive directivities is realized by a combination of sound sources having different polarities close to each other.
- Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 require a large number of speaker arrays that cover the screening venue in order to reproduce the sound field in the entire screening venue, which may increase the scale of the apparatus.
- an object of the present invention is to provide a technique for suppressing the scale of a device that reproduces a sound field.
- the speaker array of one aspect of the present invention has a first plurality of virtual lines arranged at equal intervals and parallel, and a second plurality of virtual lines orthogonal to the first plurality of virtual lines and arranged at equal intervals and parallel.
- a plurality of speakers arranged at intersections with a plurality of virtual lines of the above are provided, and multiple poles of arbitrary order are superposed on the plurality of speakers to realize wave field synthesis.
- the signal processing device has a first plurality of virtual lines arranged at equal intervals and parallel to each other, and a first plurality of virtual lines arranged at equal intervals and parallel to the first plurality of virtual lines.
- Input the filter coefficient determination unit that calculates the weighting coefficient for each of the plurality of speakers arranged at the intersection of the two plurality of virtual lines according to the position of each speaker, and the weighting coefficient for each of the plurality of speakers. It is provided with a convolution calculation unit that calculates an output signal reproduced by each of a plurality of speakers by multiplying the signal.
- the signal processing device has a first plurality of virtual lines arranged at equal intervals and parallel to each other, and a first plurality of virtual lines arranged at equal intervals and parallel to the first plurality of virtual lines.
- Filter coefficient determination unit that calculates the weighting coefficient given to each speaker from the weighting coefficient given to multiple poles of arbitrary order that multiple speakers arranged at the intersection of two multiple virtual lines overlap and the position of each speaker.
- a convolution calculation unit is provided which calculates the output signal reproduced by each of the plurality of speakers by multiplying the weighting coefficient for each of the plurality of speakers with the input signal.
- the signal processing apparatus of one aspect of the present invention has a first plurality of virtual lines arranged at equal intervals and parallel, and a first plurality of virtual lines orthogonal to the first plurality of virtual lines and arranged at equal intervals and parallel.
- the focal coordinate determination unit that determines the intersection of two virtual lines with multiple virtual lines as the position of multiple focal sound sources used for superimposing multiple poles of arbitrary order, and the multiple poles of arbitrary order on which the focal sound sources overlap.
- the weighted drive function given to a plurality of speakers constituting the linear speaker array is calculated from the circular harmonic class converter that calculates the weighting coefficient to be given from the circular harmonic class, the position of the focal sound source, and the weighting coefficient given to the multiple poles. It is provided with a filter coefficient calculation unit for calculating the output signal to be given to each speaker by convolving a weighted drive function in the input signal.
- the computer is arranged at equal intervals and in parallel with the first plurality of virtual lines arranged at equal intervals and parallel to the first plurality of virtual lines.
- One aspect of the present invention is a signal processing program that causes a computer to function as the signal processing device.
- FIG. 1 is a diagram illustrating a speaker array according to the first embodiment.
- FIG. 2 is a diagram illustrating multiple poles (No. 1).
- FIG. 3 is a diagram illustrating multiple poles (No. 2).
- FIG. 4 is a diagram illustrating a speaker driven to realize the Nth order (0 ⁇ N ⁇ 3).
- FIG. 5 is a diagram illustrating a signal processing device according to the second embodiment.
- FIG. 6 is a diagram illustrating a signal processing device according to a third embodiment.
- FIG. 7 is a diagram illustrating a signal processing device according to a fourth embodiment.
- FIG. 8 is a diagram illustrating a signal processing device according to a fifth embodiment.
- FIG. 9 is a diagram illustrating a hardware configuration of a computer used in a signal processing device.
- the speaker array 1 according to the first embodiment is orthogonal to the first plurality of virtual lines and the first plurality of virtual lines arranged at equal intervals and in parallel, and the like.
- a plurality of speakers arranged at intersections with a second plurality of virtual lines arranged at intervals and in parallel are provided.
- the speaker array 1 realizes wave field synthesis by superimposing multiple poles of arbitrary order on a plurality of speakers.
- Each speaker constituting the speaker array 1 according to the first embodiment is arranged symmetrically with respect to the center point of the speaker array 1.
- the arbitrary order is a predetermined order determined in advance at the time of designing the speaker array 1 or the like.
- the plurality of speakers constituting the speaker array 1 according to the embodiment of the present invention are formed on the xy plane as shown in FIG.
- the speaker array 1 shown in FIG. 1 realizes a third-order multiple pole.
- the speaker array 1 can reproduce an arbitrary sound field at an arbitrary polar coordinate with respect to the position of the speaker array 1.
- Each speaker shown in FIG. 1 is arranged in a grid pattern at equal intervals such as 1 cm.
- the speaker array 1 reproduces a sound field that can be reproduced with high accuracy up to the phase of sound, similar to the wave field synthesis technology.
- the speaker array 1 can reproduce a highly accurate sound field by arranging the speakers closely regardless of the size of the screening venue.
- the speaker array 1 can be significantly miniaturized as compared with a circular array speaker or the like required for reproducing a conventional sound field.
- the first plurality of virtual lines are lines provided at equal intervals and parallel in the x-axis direction.
- the second plurality of virtual lines are lines provided at equal intervals and parallel in the y-axis direction.
- a plurality of virtual lines in the x-axis direction are provided with a distance d from each other.
- a plurality of virtual lines in the y-axis direction are provided with a distance d from each other.
- the speaker is provided at the intersection of the first plurality of virtual lines and the second plurality of virtual lines.
- the interval d is also the interval between parallel virtual lines and the distance between adjacent speakers on the virtual line.
- the virtual line is shown by a solid line. Virtual lines are not essential in the configuration of the speaker array 1.
- Each of the plurality of speakers reproduces the signal calculated by the signal processing device 2 described later, thereby realizing a sound field that protrudes to the front of the speaker and has directivity.
- the signal processing device 2 weights the multipoles realized in the speaker array 1 to calculate the input signal to each speaker.
- the speaker array 1 realizes multiple poles of arbitrary order distributed on a plane.
- a base multiple pole having m-th order in the x-axis direction and n-th order multiple poles in the y-axis direction is defined as a (m, n) multiple pole.
- Basis multiple poles refer to basic multiple poles generally called dipoles and quadrapoles.
- FIGS. 2 and 3 The directivity of the base multiple poles and their sound fields will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
- “ ⁇ ” is a positive polarity monopole.
- " ⁇ ” is a-polar monopole.
- the -polar monopole is the inverted amplitude of the + polar monopole.
- the hatch on the right side shows the sound field formed by the arrangement of the monopoles on the left side.
- FIG. 2A shows a sound field formed by one monopole of + polarity.
- the sound field of FIG. 2A is formed in a circular shape.
- the sound field formed by one monopole has no directivity.
- 2 (b) and 2 (c) show the sound fields formed by the dipoles, respectively.
- a dipole is formed by one monopole with positive polarity and one monopole with negative polarity.
- 2 (b) and 2 (c) show that different sound fields are formed depending on how the monopoles are arranged. Each of these sound fields has a different directivity.
- FIGS. 3 (a) to 3 (c) show sound fields formed by quadrapoles, respectively.
- the quadrapole is formed by two monopoles with positive polarity and two monopoles with negative polarity.
- FIGS. 3A to 3C show that different sound fields are formed depending on the arrangement of the four monopoles and the polarity of the monopoles. Each of these sound fields has a different directivity.
- FIG. 3 (d) shows an example of a sound field in which the base multiple poles of FIGS. 2 (b) to (c) and FIGS. 3 (a) to 3 (c) are weighted and superposed.
- a speaker is arranged at each coordinate obtained by calculating Equation (1) for 0 ⁇ m ⁇ N in order to superimpose multiple poles up to the Nth order.
- FIG. 4 shows a speaker driven to realize the Nth order (0 ⁇ N ⁇ 3).
- “ ⁇ ” in FIG. 4 indicates 0th-order (0,0) multiple poles, 1st-order (1,0) multiple poles and (0,1) multiple poles, and 2nd-order (2,0) multiple poles, ( 1,1) Multiple poles and (0,2) Multiple poles, 3rd order (3,0) Multiple poles, (2,1) Multiple poles, (1,2) Multiple poles and (0,3) Multiple poles Indicates the position of the speaker to be driven to realize multiple poles.
- the speaker in the center of each figure shown in FIG. 4 is driven by (0,0) multiple poles, (2,0) multiple poles, and (0,2) multiple poles. Even when driving in the realization of a plurality of multiple poles, one speaker may be arranged. With this one speaker, each multiple pole of (0,0) multiple pole, (2,0) multiple pole and (0,2) multiple pole is realized.
- the speaker array 1 According to the speaker array 1 according to the first embodiment, a plurality of speakers are densely arranged in a grid pattern. As a result, the speaker array 1 can narrow the area in which the speaker array 1 is arranged. Further, the speaker array 1 is a plurality of speakers densely arranged in a grid pattern, and superimposes multiple poles of an arbitrary order to create a sound field that can reproduce the sound phase with high accuracy, similar to the wave field synthesis technology. It can be reproduced.
- the signal reproduced by each speaker is processed by the signal processing device 2 shown in FIG.
- the signal processing device 2 is a general computer including a processing device, a storage device, and the like.
- the signal processing device 2 includes a filter coefficient determination unit 11 and a convolution calculation unit 12.
- the filter coefficient determining unit 11 calculates the weighting coefficient for each of the plurality of speakers included in the speaker array 1 according to the first embodiment shown in FIG. 1 according to the position of each speaker.
- the filter coefficient determining unit 11 inputs the order of the speaker array 1 from the outside, and specifies the position of each speaker constituting the speaker array 1 by the equation (1).
- each speaker shown in FIG. 1 is identified by an index ( ⁇ , ⁇ ) (0 ⁇ ⁇ ⁇ m, 0 ⁇ ⁇ ⁇ n).
- the convolution calculation unit 12 multiplies the weighting coefficient for each of the plurality of speakers with the input signal to calculate the output signal reproduced by each of the plurality of speakers.
- the output signal is calculated for each speaker.
- the output signal is a signal reproduced by each speaker.
- the output signal of each speaker is obtained by multiplying the input signal by the weight calculated by the equation (2) for each speaker.
- the same sound field as the sound field generated by the base multiple poles is obtained. It can be reproduced.
- the signal reproduced by each speaker is processed by the signal processing device 2a shown in FIG.
- the signal processing device 2a according to the third embodiment has the same configuration as the signal processing device 2 according to the second embodiment, but the processing of each part is different.
- the filter coefficient determining unit 11a weights each speaker from the weighting coefficients wm and n given to the multiple poles of an arbitrary order by the plurality of speakers of the speaker array 1 according to the first embodiment and the positions of the speakers. Calculate the coefficient.
- the filter coefficient determining unit 11a receives the order of the speaker array 1 from the outside, and specifies the position of each speaker constituting the speaker array 1 by the equation (1). Further, the filter coefficient determining unit 11a calculates the weighting coefficient for each speaker from the outside by using the weighting coefficient of each of the multiple poles realized by the speaker array 1.
- Equation (4) is a transformation of Equation (2) using the weighting factors given to the (m, n) heavy poles.
- the convolution calculation unit 12a multiplies the weighting coefficients wm and n for each of the plurality of speakers by the input signal to calculate the output signal reproduced by each of the plurality of speakers.
- the output signal is calculated for each speaker.
- the output signal is a signal reproduced by each speaker.
- the output signal of each speaker is obtained by multiplying the input signal by the weight calculated by the equation (4) for each speaker.
- Equation (5) is a weighting coefficient w calculated by Equation (4) by assigning m and n in the range of 0 ⁇ m ⁇ N and 0 ⁇ m ⁇ Nm for the speaker corresponding to the index ( ⁇ , ⁇ ). It is shown that the value obtained by multiplying the input signal by the value obtained by adding m and n is the output signal reproduced by the speaker.
- the weighting coefficients w m and n given to the (m, n) heavy poles are typically observed at the control points arranged on the unit circle surrounding the sound source with respect to the target directional sound source on the sound collecting side. It can be obtained by the least squares method for the signal.
- the value calculated by the least squares method for the signal observed at the control points arranged on the unit circle can be calculated as each element of the matrix W by solving the equation (6).
- the sound field created by the sound source having the desired directivity can be reproduced by reproducing the output signal calculated by the equation (5) on each speaker.
- the signal reproduced by each speaker is processed by the signal processing device 2b shown in FIG. 7.
- the signal processing device 2b according to the fourth embodiment has the same configuration as the signal processing device 2a according to the third embodiment, but the processing of each part is different.
- the filter coefficient determining unit 11b calculates the weighting coefficients w m and n given to the multiple poles of an arbitrary order superposed by the plurality of speakers of the speaker array 1 according to the first embodiment from the circular harmonic series C m + n .
- the filter coefficient determining unit 11b receives the order of the speaker array 1 from the outside, and specifies the position of each speaker constituting the speaker array 1 by the equation (1). Further, the filter coefficient determining unit 11b calculates the weighting coefficient of each multiple pole realized by the speaker array 1 from the circular harmonic series in the sound collecting environment from the outside.
- the filter coefficient determining unit 11b calculates the weighting coefficients w m and n given to the multiple poles by substituting the circular harmonic series C m + n into the equation (7).
- the filter coefficient determining unit 11b further calculates the weighting coefficient given to each speaker from the weighting coefficients wm and n given to the multiple poles of an arbitrary order and the above equation (4).
- the convolution calculation unit 12b multiplies the weighting coefficients wm and n for each of the plurality of speakers by the input signal to calculate the output signal reproduced by each of the plurality of speakers.
- the output signal is calculated for each speaker.
- the output signal is a signal reproduced by each speaker.
- the output signal of each speaker is obtained by multiplying the input signal by the weight calculated by the equation (4) for each speaker.
- Equation (5) is a weighting coefficient w calculated by Equation (4) by assigning m and n in the range of 0 ⁇ m ⁇ N and 0 ⁇ m ⁇ Nm for the speaker corresponding to the index ( ⁇ , ⁇ ). It is shown that the value obtained by multiplying the input signal by the value obtained by adding m and n is the output signal reproduced by the speaker.
- the signal processing device 2b calculates the weighting coefficients wm and n of the multiple poles from the circular harmonic series, and the weights given to each speaker from the weighting coefficients wm and n of the multiple poles. Is calculated.
- the signal processing device 2b can further multiply the input signal by the weight given to each speaker to generate a signal to be input to each speaker of the speaker array 1.
- the fourth embodiment can accurately reproduce the sound field by avoiding the least squares method, which is often a subdecision problem.
- a linear speaker array in which a plurality of speakers are arranged in a straight line is used, and by weighting the dipoles, a multi-pole sound source that protrudes to the front of the speakers and has directivity.
- a linear speaker array is used to weight the multi-pole elements to realize a multi-pole speaker array in which a plurality of focal sound sources as shown in FIG. 1 are arranged in a grid pattern.
- the speaker array may be composed of a plurality of speakers, and the plurality of speakers may not be arranged in a straight line.
- a multi-pole sound source is realized by generating two or more focal sound sources having different polarities at positions close to each other.
- the focal sound source is a combination of omnidirectional point sound sources (monopole sound sources) having different polarities.
- the signal reproduced by each speaker is processed by the signal processing device 2c shown in FIG.
- the signal processing device 2c includes a focal coordinate determination unit 13, a circular harmonic series conversion unit 14, a filter coefficient determination unit 11c, and a convolution calculation unit 12c.
- the focal coordinate determination unit 13 includes a first plurality of virtual lines arranged at equal intervals and parallel, and a second plurality of second virtual lines orthogonal to the first plurality of virtual lines and arranged at equal intervals and parallel.
- the intersection with the virtual line is determined as the position of a plurality of focal sound sources used for superimposing multiple poles of arbitrary order.
- the position of the focal sound source is provided symmetrically with respect to the center coordinates of the multiple poles.
- the focus coordinate determination unit 13 determines the position of the focal sound source according to the equation (8).
- a multi-pole sound source is constructed by generating a focal sound source at each coordinate obtained by calculating the equation (8) for 0 ⁇ m ⁇ N and 0 ⁇ n ⁇ N ⁇ m.
- the circular harmonic series conversion unit 14 calculates the weighting coefficient given to the multiple poles of an arbitrary order that the focal sound source superimposes from the circular harmonic series.
- the circular harmonic series conversion unit 14 calculates the weighting coefficients w m and n given to the multiple poles by substituting the circular harmonic series C m + n into the equation (7), as in the fourth embodiment.
- the filter coefficient determination unit 11c calculates a weighted drive function given to a plurality of speakers constituting the linear speaker array from the position of the focal sound source and the weighting coefficient given to the multiple poles.
- the filter coefficient determination unit 11c calculates a weighted drive function that convolves into the input signal for each speaker in the linear speaker array based on each of the focus coordinates determined by the focus coordinate determination unit 13.
- the filter coefficient determining unit 11c calculates the driving function using each of the focal coordinates. For each of the multiple poles, the filter coefficient determining unit 11c determines a synthetic drive function calculated from the coordinates and drive function of each focal sound source constituting the multiple poles, and a weighted drive function given to each speaker from the weight given to the multiple poles. calculate.
- the filter coefficient determination unit 11c calculates the composite drive function of the multiple quadrupoles by adding a function obtained by multiplying the coordinates of each focal sound source included in the multiple poles by a drive function. Further, the filter coefficient determining unit 11c calculates the weighted drive function given to each speaker by multiplying the combined drive function calculated for each of the multiple poles by the weight given to the multiple poles and adding them.
- the filter coefficient determination unit 11c calculates the drive function for each focal sound source by the equation (9).
- the filter coefficient determination unit 11c calculates a weighted drive function for each speaker using the weights calculated by the circular harmonic series conversion unit 14.
- Equations (9) and (10) relate to drive functions obtained on a two-dimensional plane assuming a line sound source as a sound source, but other drive functions may be used.
- a drive function obtained on a two-dimensional plane assuming a point sound source as a sound source may be used.
- the filter coefficient determining unit 11c may calculate the driving function by the equation (11) and calculate the weighted driving function of the equation (12).
- the convolution calculation unit 15 convolves the weighted drive function with the input signal to give an output signal to each speaker. Is calculated.
- the signal processing device 2c performs a weighted drive function given to the speakers constituting the linear speaker array, convolves the weighted drive function with the input signal, and gives the output to each speaker. Calculate the signal.
- the signal processing device 2c performs a weighted drive function given to the speakers constituting the linear speaker array, convolves the weighted drive function with the input signal, and gives the output to each speaker. Calculate the signal.
- the signal processing device 2 and the like of the present embodiment described with reference to FIGS. 5 to 8 include, for example, as shown in FIG. 9, a CPU (Central Processing Unit, processor) 901, a memory 902, and a storage 903 (HDD: A general-purpose computer system including a Hard Disk Drive (SSD: Solid State Drive), a communication device 904, an input device 905, and an output device 906 is used.
- a CPU Central Processing Unit
- HDD A general-purpose computer system including a Hard Disk Drive (SSD: Solid State Drive)
- SSD Solid State Drive
- communication device 904 an input device 905
- an output device 906 is used.
- each function of the signal processing device 2 is realized by the CPU 901 executing a predetermined signal processing program loaded on the memory 902.
- Each signal processing device 2 may be provided with an input signal, a condition for calculating an output signal, and an input / output interface for inputting / outputting the output signal.
- the signal processing device 2 may be mounted on one computer or may be mounted on a plurality of computers. Further, the signal processing device 2 may be a virtual machine mounted on a computer.
- the signal processing program can be stored in a computer-readable recording medium such as HDD, SSD, USB (Universal Serial Bus) memory, CD (Compact Disc), DVD (Digital Versatile Disc), or distributed via a network. You can also.
- a computer-readable recording medium such as HDD, SSD, USB (Universal Serial Bus) memory, CD (Compact Disc), DVD (Digital Versatile Disc), or distributed via a network. You can also.
- the present invention is not limited to the above embodiment, and many modifications can be made within the scope of the gist thereof.
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Abstract
音場を再現する装置規模を抑制する。スピーカアレイ1は、等間隔かつ平行に配設された第1の複数の仮想線と、第1の複数の仮想線に直交し、等間隔かつ平行に配設された第2の複数の仮想線との交点に配設される複数のスピーカを備え、複数のスピーカで、任意の次数の多重極を重ね合わせて、波面合成を実現する。
Description
本発明は、スピーカアレイ、信号処理装置、信号処理方法および信号処理プログラムに関する。
パブリックビューイングやコンサートでは、上映会場に設置した複数のスピーカから音声や音楽などが再生される。近年、多数のスピーカを用いて収録会場の音場そのものを再現する音響再生が、用いられる。
また、多数のスピーカを用いて音が強く伝搬する方向(bright zone)と、音がほぼ伝搬しない方向(dark zone)を作り出す音響技術がある。この技術を利用して、家庭、または美術館等の公共施設において、プライバシーを保護しながら音響コンテンツを楽しめるパーソナルオーディオなどのアプリケーションが、ある。
このような音場を生成する技術として、波面合成技術を始めとするスピーカアレイ制御技術が広く用いられている。
上映空間に収録地点の音場を再現する音響再生技術に対し、波面合成と呼ばれる方法がある(特許文献1)。特許文献1に基づく方法は、音響信号を収録する地点の音響信号を複数地点に設置したマイクロフォンで収音した上で、上下左右方向の音響信号の到来方向を分析し、上映空間中に設置した複数のスピーカを用いて収録会場の音響信号を物理的に再現する。
再現対象の目標音場に吸込み型音源(acoustic sink)を仮定し、第1種レイリー積分から導出される駆動信号をスピーカアレイに与えることにより、スピーカより前面に音像を作り出す技術がある(非特許文献1)。
またスピーカから放射される音の指向性を制御する方法として、多重極音源がある(非特許文献2)。多重極音源は,音の指向性をダイポール,クアドラポールといった原始的な指向性の組み合わせで表現する手法である。原始的な指向性のそれぞれは、互いに近接した極性の異なる音源の組み合わせで実現される。
Sascha Spors, Hagen Wierstorf, Matthias Gainer, and Jens Ahrens, "Physical and Perceptual Properties of Focused Sources in Wave Field Synthesis," in 127th Audio Engineering Society Convention paper 7914, 2009, October.
羽田陽一,古家賢一,島内末廣,"球調和関数展開に基づく多重極音源を用いた指向性合成",日本音響学会誌 69巻 11号 pp577-588 2013.
しかしながら特許文献1および非特許文献1に記載の手法は、上映会場全体で音場を再現するために、上映会場をカバーする多数のスピーカアレイが必要となり、装置規模が増大する場合がある。
従って本発明の目的は、音場を再現する装置規模を抑制する技術を提供することである。
本発明の一態様のスピーカアレイは、等間隔かつ平行に配設された第1の複数の仮想線と、第1の複数の仮想線に直交し、等間隔かつ平行に配設された第2の複数の仮想線との交点に配設される複数のスピーカを備え、複数のスピーカで、任意の次数の多重極を重ね合わせて、波面合成を実現する。
本発明の一態様の信号処理装置は、等間隔かつ平行に配設された第1の複数の仮想線と、第1の複数の仮想線に直交し、等間隔かつ平行に配設された第2の複数の仮想線との交点に配設される複数のスピーカのそれぞれに対する重み係数を、各スピーカの位置に応じて算出するフィルタ係数決定部と、複数のスピーカのそれぞれに対する重み係数を、入力信号と乗算して、複数のスピーカのそれぞれが再生する出力信号を算出する畳込み演算部を備える。
本発明の一態様の信号処理装置は、等間隔かつ平行に配設された第1の複数の仮想線と、第1の複数の仮想線に直交し、等間隔かつ平行に配設された第2の複数の仮想線との交点に配設される複数のスピーカが重ね合わせる任意の次数の多重極に与える重み係数と各スピーカの位置から、各スピーカに与える重み係数を算出するフィルタ係数決定部と、複数のスピーカのそれぞれに対する重み係数を、入力信号と乗算して、複数のスピーカのそれぞれが再生する出力信号を算出する畳込み演算部を備える。
本発明の一態様の信号処理装置は、等間隔かつ平行に配設された第1の複数の仮想線と、第1の複数の仮想線に直交し、等間隔かつ平行に配設された第2の複数の仮想線との交点を、任意の次数の多重極の重ね合わせに用いられる複数の焦点音源の位置として決定する焦点座標決定部と、焦点音源が重ね合わせる任意の次数の多重極に与える重み係数を、円調和級数から算出する円調和級数変換部と、焦点音源の位置と、多重極に与える重み係数から、直線状スピーカアレイを構成する複数のスピーカに与える重み付き駆動関数を算出するフィルタ係数演算部と、入力信号に、重み付き駆動関数を畳み込むことにより、各スピーカに与える出力信号を算出する畳込み演算部を備える。
本発明の一態様の信号処理方法は、コンピュータが、等間隔かつ平行に配設された第1の複数の仮想線と、第1の複数の仮想線に直交し、等間隔かつ平行に配設された第2の複数の仮想線との交点に配設される複数のスピーカのそれぞれに対する重み係数を、各スピーカの位置に応じて算出するステップと、コンピュータが、複数のスピーカのそれぞれに対する重み係数を、入力信号と乗算して、複数のスピーカのそれぞれが再生する出力信号を算出するステップを備える。
本発明の一態様は、上記信号処理装置として、コンピュータを機能させる信号処理プログラムである。
本発明によれば、音場を再現する装置規模を抑制する技術を提供することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付し説明を省略する。
(第1の実施の形態)
第1の実施の形態に係るスピーカアレイ1は、図1に示すように、等間隔かつ平行に配設された第1の複数の仮想線と、第1の複数の仮想線に直交し、等間隔かつ平行に配設された第2の複数の仮想線との交点に配設される複数のスピーカを備える。スピーカアレイ1は、複数のスピーカで、任意の次数の多重極を重ね合わせて、波面合成を実現する。第1の実施の形態に係るスピーカアレイ1を構成する各スピーカは、スピーカアレイ1の中心点に対して対称に配置される。任意の次数は、スピーカアレイ1の設計時等において、予め決定される所定の次数である。
第1の実施の形態に係るスピーカアレイ1は、図1に示すように、等間隔かつ平行に配設された第1の複数の仮想線と、第1の複数の仮想線に直交し、等間隔かつ平行に配設された第2の複数の仮想線との交点に配設される複数のスピーカを備える。スピーカアレイ1は、複数のスピーカで、任意の次数の多重極を重ね合わせて、波面合成を実現する。第1の実施の形態に係るスピーカアレイ1を構成する各スピーカは、スピーカアレイ1の中心点に対して対称に配置される。任意の次数は、スピーカアレイ1の設計時等において、予め決定される所定の次数である。
本発明の実施の形態に係るスピーカアレイ1を構成する複数のスピーカは、図1に示すようにxy平面上に形成される。図1に示すスピーカアレイ1は、3次の多重極を実現する。スピーカアレイ1は、スピーカアレイ1の位置に対する任意の極座標において、任意の音場を再現することができる。
図1に示す各スピーカは、例えば、1cmなどの等間隔で格子状に並べられる。スピーカアレイ1は、波面合成技術と同様の、音の位相まで高精度に再現可能な音場を再現する。スピーカアレイ1は、上映会場の大きさにかかわらず、密にスピーカを並べることで、高精度な音場を再現できる。スピーカアレイ1は、従来の音場の再現に必要であった円状アレイスピーカなどよりも、大幅に小型化することができる。
図1において、第1の複数の仮想線は、x軸方向に等間隔かつ平行に設けられる線である。第2の複数の仮想線は、y軸方向に等間隔かつ平行に設けられる線である。図1に示す例では、x軸方向の複数の仮想線は、互いに間隔dを挟んで設けられる。y軸方向の複数の仮想線は、互いに間隔dを挟んで設けられる。スピーカは、第1の複数の仮想線と、第2の複数の仮想線の交点に設けられる。間隔dは、平行する仮想線の間隔でもあり、仮想線上で、隣接するスピーカ間の距離でもある。図1において、仮想線は、実線で示す。スピーカアレイ1の構成において仮想線は、必須ではない。
複数のスピーカは、それぞれ、後述の信号処理装置2によって算出された信号を再生することにより、スピーカよりも前面に飛び出し、かつ指向性を有する音場を実現する。信号処理装置2は、スピーカアレイ1において実現される多重極子に重みをかけて、各スピーカへの入力信号を算出する。
スピーカアレイ1は、平面に分布した任意の次数の多重極を実現する。本発明の実施の形態において、x軸方向にm次,y軸方向にn次の多重極となっているような基底多重極を、(m,n)重極と定義する。基底多重極は、一般にダイポール・クアドラポールなどと呼ばれる基本的な多重極のことを指す。
図2および図3を参照して、基底多重極とその音場の指向性を説明する。図2および図3において、「○」は+極性のモノポールである。「●」は、-極性のモノポールである。-極性のモノポールは、+極性のモノポールの振幅を反転させたものである。また図2および図3において、右側のハッチは、左側のモノポールの並びによって形成される音場を示す。
図2(a)は、+極性の1つのモノポールにより形成される音場を示す。図2(a)の音場は、円状に形成される。1つのモノポールにより形成される音場は、指向性がない。
図2(b)および(c)は、それぞれダイポールにより形成される音場を示す。ダイポールは、+極性の1つのモノポールと、-極性の1つのモノポールにより形成される。図2(b)および(c)は、モノポールの並び方によって異なる音場が形成されることを示す。これらの音場は、それぞれ異なる指向性を有する。
図3(a)ないし(c)は、それぞれ、クアドラポールにより形成される音場を示す。クアドラポールは、+極性の2つのモノポールと、-極性の2つのモノポールにより形成される。図3(a)ないし(c)は、4つのモノポールの並び方およびモノポールの極性によって異なる音場が形成されることを示す。これらの音場は、それぞれ異なる指向性を有する。
図3(d)は、図2(b)ないし(c)および図3(a)ないし(c)の各基底多重極を、重みをかけて重ねた音場の一例を示す。所定の基底多重極に所定の重みをかけることで、様々な指向性を有する音場を実現することができる。
N次までの多重極を重ね合わせるために、式(1)を、0≦m≦Nに対して計算して得られるそれぞれの座標に、スピーカが配設される。
図4は、N次(0≦N≦3)を実現するために駆動するスピーカを示す。図4の「●」は、0次の(0,0)多重極、1次の(1,0)多重極および(0,1)多重極、2次の(2,0)多重極、(1,1)多重極および(0,2)多重極、3次(3,0)多重極、(2,1)多重極、(1,2)多重極および(0,3)多重極の各多重極を実現するために駆動するスピーカの位置を示す。図4に示す各多重極を重ね合わせて、3次の多重極を重ね合わせた音場を実現する。
図4に示す各図の中央のスピーカは、(0,0)多重極、(2,0)多重極および(0,2)多重極で駆動する。複数の多重極の実現において駆動する場合でも、1台のスピーカが配されれば良い。この1台のスピーカで、(0,0)多重極、(2,0)多重極および(0,2)多重極の各多重極を実現する。
第1の実施の形態に係るスピーカアレイ1によれば、複数のスピーカを格子状に密に並べる。これによりスピーカアレイ1は、スピーカアレイ1が配設される領域を狭くすることができる。またスピーカアレイ1は、格子状に密に並べられた複数のスピーカで、任意の次数の多重極を重ね合わせて、波面合成技術と同様の、音の位相まで高精度に再現可能な音場を再現することができる。
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態において、第1の実施の形態に係るスピーカアレイ1を用いて、基底多重極により生成される音場と同じ音場を再現する方法を説明する。
第2の実施の形態において、第1の実施の形態に係るスピーカアレイ1を用いて、基底多重極により生成される音場と同じ音場を再現する方法を説明する。
各スピーカが再生する信号は、図5に示す信号処理装置2によって処理される。信号処理装置2は、処理装置および記憶装置等を備える一般的なコンピュータである。
信号処理装置2は、フィルタ係数決定部11と、畳込み演算部12を備える。
フィルタ係数決定部11は、図1に示す第1の実施の形態に係るスピーカアレイ1が備える複数のスピーカのそれぞれに対する重み係数を、各スピーカの位置に応じて算出する。フィルタ係数決定部11は、外部からスピーカアレイ1の次数が入力され、式(1)により、スピーカアレイ1を構成する各スピーカの位置を特定する。
複数のスピーカのそれぞれに対する重み係数は、式(2)によって算出される。式(2)において、図1に示す各スピーカを、インデクス(μ,ν)(0≦μ≦m,0≦ν≦n)で識別する。
畳込み演算部12は、複数のスピーカのそれぞれに対する重み係数を、入力信号と乗算して、複数のスピーカのそれぞれが再生する出力信号を算出する。出力信号は、各スピーカについて算出される。出力信号は、各スピーカが再生する信号である。各スピーカの出力信号は、式(3)に示すように、入力信号に、各スピーカについて式(2)で算出した重みをかけることで得られる。
第2の実施の形態において、式(2)により算出された重み係数を、入力信号に乗算した信号を、各スピーカに入力することにより、基底多重極により生成される音場と同じ音場を再現することができる。
(第3の実施の形態)
第3の実施の形態において、複雑な指向特性を持つ音源が生成する音場を、第1の実施の形態に係るスピーカアレイ1で実現する方法を説明する。
第3の実施の形態において、複雑な指向特性を持つ音源が生成する音場を、第1の実施の形態に係るスピーカアレイ1で実現する方法を説明する。
各スピーカが再生する信号は、図6に示す信号処理装置2aによって処理される。第3の実施の形態に係る信号処理装置2aは、第2の実施の形態にかかる信号処理装置2と同様の構成を備えるが、各部の処理が異なる。
フィルタ係数決定部11aは、第1の実施の形態に係るスピーカアレイ1の複数のスピーカが重ね合わせる任意の次数の多重極に与える重み係数wm、nと各スピーカの位置から、各スピーカに対する重み係数を算出する。フィルタ係数決定部11aは、外部からスピーカアレイ1の次数が入力され、式(1)により、スピーカアレイ1を構成する各スピーカの位置を特定する。また、フィルタ係数決定部11aは、外部から、スピーカアレイ1が実現する各多重極の重み係数を使って、各スピーカに対する重み係数を算出する。
複数のスピーカのそれぞれに対する重み係数は、任意の次数の多重極に与える重み係数wm、nと式(4)によって算出される。式(4)は、式(2)を(m,n)重極に与える重み係数を使って変換したものである。
畳込み演算部12aは、複数のスピーカのそれぞれに対する重み係数wm、nを、入力信号と乗算して、複数のスピーカのそれぞれが再生する出力信号を算出する。出力信号は、各スピーカについて算出される。出力信号は、各スピーカが再生する信号である。各スピーカの出力信号は、式(5)に示すように、入力信号に、各スピーカについて式(4)で算出した重みをかけることで得られる。式(5)は、インデクス(α,β)に対応するスピーカについて、0≦m≦Nかつ0≦m≦N-mの範囲で、mおよびnを振って、式(4)で計算した重み係数wm、nを加算した値を、入力信号に乗算した値が、そのスピーカが再生する出力信号となることを示す。
(m,n)重極に与える重み係数wm、nは、典型的には収音側で目的となる指向性音源に対して,当該音源を囲む単位円上に配置した制御点で観測された信号に対する最小2乗法などで求めることができる。単位円上に配置した制御点で観測された信号に対する最小2乗法により算出される値は、式(6)を解くことで、行列Wの各要素として算出できる。
本発明の第3の実施の形態において、式(5)で算出される出力信号を、各スピーカで再生することにより、所望の指向特性を有する音源が作る音場を再現することができる。
(第4の実施の形態)
第3の実施の形態において、多重極に与える重み係数wm、nを、最小二乗法などで求める場合を説明したが、最小2乗法は、しばしば劣決定問題となるため重み係数wm、nを安定に求められないケースがある。第4の実施の形態において、円調和級数から多重極の重み係数wm、nを解析的に算出する場合を説明する。第4の実施の形態は、収音側で目的となる指向性音源が生成する音場から、円調和級数Cm+nが得られる場合に好適である。
第3の実施の形態において、多重極に与える重み係数wm、nを、最小二乗法などで求める場合を説明したが、最小2乗法は、しばしば劣決定問題となるため重み係数wm、nを安定に求められないケースがある。第4の実施の形態において、円調和級数から多重極の重み係数wm、nを解析的に算出する場合を説明する。第4の実施の形態は、収音側で目的となる指向性音源が生成する音場から、円調和級数Cm+nが得られる場合に好適である。
各スピーカが再生する信号は、図7に示す信号処理装置2bによって処理される。第4の実施の形態に係る信号処理装置2bは、第3の実施の形態にかかる信号処理装置2aと同様の構成を備えるが、各部の処理が異なる。
フィルタ係数決定部11bは、第1の実施の形態に係るスピーカアレイ1の複数のスピーカが重ね合わせる任意の次数の多重極に与える重み係数wm、nを、円調和級数Cm+nから算出する。フィルタ係数決定部11bは、外部からスピーカアレイ1の次数が入力され、式(1)により、スピーカアレイ1を構成する各スピーカの位置を特定する。また、フィルタ係数決定部11bは、外部から、収音環境における円調和級数からスピーカアレイ1が実現する各多重極の重み係数を算出する。
フィルタ係数決定部11bは、式(7)に円調和級数Cm+nを代入することにより、多重極に与える重み係数wm、nを算出する。
フィルタ係数決定部11bは、さらに、任意の次数の多重極に与える重み係数wm、nと上記の式(4)から、各スピーカに与える重み係数を算出する。
各スピーカに与える重み係数が算出されると、第3の実施の形態と同様に処理される。具体的には畳込み演算部12bは、複数のスピーカのそれぞれに対する重み係数wm、nを、入力信号と乗算して、複数のスピーカのそれぞれが再生する出力信号を算出する。出力信号は、各スピーカについて算出される。出力信号は、各スピーカが再生する信号である。各スピーカの出力信号は、上記式(5)に示すように、入力信号に、各スピーカについて式(4)で算出した重みをかけることで得られる。式(5)は、インデクス(α,β)に対応するスピーカについて、0≦m≦Nかつ0≦m≦N-mの範囲で、mおよびnを振って、式(4)で計算した重み係数wm、nを加算した値を、入力信号に乗算した値が、そのスピーカが再生する出力信号となることを示す。
このように第4の実施の形態において、信号処理装置2bは、円調和級数から、多重極の重み係数wm、nを算出し、多重極の重み係数wm、nから各スピーカに与える重みを算出する。信号処理装置2bはさらに、各スピーカに与える重みを入力信号に乗算して、スピーカアレイ1の各スピーカに入力する信号を生成することができる。第4の実施の形態は、しばしば劣決定問題となる最小二乗法を回避して、精度良く音場を再現することができる。
(第5の実施の形態)
第5の実施の形態は、複数のスピーカを直線状に並べた直線状スピーカアレイを用いて、多重極子に重みをかけることにより、スピーカよりも前面に飛び出し、かつ、指向性を有する多重極音源を実現する。第5の実施の形態は、直線状スピーカアレイを用いて、多重極子に重みをかけて、図1に示すような複数の焦点音源を格子状に並べた多重極スピーカアレイを実現する。
第5の実施の形態は、複数のスピーカを直線状に並べた直線状スピーカアレイを用いて、多重極子に重みをかけることにより、スピーカよりも前面に飛び出し、かつ、指向性を有する多重極音源を実現する。第5の実施の形態は、直線状スピーカアレイを用いて、多重極子に重みをかけて、図1に示すような複数の焦点音源を格子状に並べた多重極スピーカアレイを実現する。
第5の実施の形態において、スピーカアレイを構成する各スピーカは、直線状に並ぶ場合を説明するが、これに限られない。スピーカアレイは、複数のスピーカで構成されればよく、複数のスピーカが直線状に並ばなくても良い。
第5の実施の形態において、互いに近接する位置に極性の異なる2以上の焦点音源を生成することで、多重極音源を実現する。焦点音源は、極性の異なる無指向性の点音源(モノポール音源)の組み合わせである。
各スピーカが再生する信号は、図8に示す信号処理装置2cによって処理される。信号処理装置2cは、焦点座標決定部13、円調和級数変換部14、フィルタ係数決定部11cおよび畳込み演算部12cを備える。
焦点座標決定部13は、等間隔かつ平行に配設された第1の複数の仮想線と、第1の複数の仮想線に直交し、等間隔かつ平行に配設された第2の複数の仮想線との交点を、任意の次数の多重極の重ね合わせに用いられる複数の焦点音源の位置として決定する。焦点音源の位置は、多重極の中心座標に対して対称に設けられる。
焦点座標決定部13は、式(8)に従って、焦点音源の位置を決定する。
式(8)を、0≦m≦N,0≦n≦N-mに対して計算して得られる各座標に、焦点音源を生成することで、多重極音源が構成される。
円調和級数変換部14は、焦点音源が重ね合わせる任意の次数の多重極に与える重み係数を、円調和級数から算出する。
円調和級数変換部14は、第4の実施の形態と同様に、式(7)に円調和級数Cm+nを代入することにより、多重極に与える重み係数wm、nを算出する。
フィルタ係数決定部11cは、焦点音源の位置と、多重極に与える重み係数から、直線状スピーカアレイを構成する複数のスピーカに与える重み付き駆動関数を算出する。
フィルタ係数決定部11cは、直線状スピーカアレイの各スピーカについて、焦点座標決定部13により決定された焦点座標のそれぞれに基づいて、入力信号に畳み込む重み付き駆動関数を算出する。フィルタ係数決定部11cは、焦点座標のそれぞれを用いて駆動関数を算出する。フィルタ係数決定部11cは、多重極のそれぞれについて、多重極を構成する各焦点音源の座標と駆動関数から算出した合成駆動関数と、多重極に与える重みから、各スピーカに与える重み付き駆動関数を算出する。ここでフィルタ係数決定部11cは、多重極に含まれる各焦点音源の座標について、駆動関数をかけた関数を加算して、多重極子の合成駆動関数を算出する。またフィルタ係数決定部11cは、多重極のそれぞれについて算出した合成駆動関数に、多重極に与える重みをかけて加算して、各スピーカに与える重み付き駆動関数を算出する。
フィルタ係数決定部11cは、まず、所定のスピーカについて重み付き駆動関数を算出する際、各焦点音源について、式(9)により駆動関数を算出する。
フィルタ係数決定部11cは、円調和級数変換部14で算出した重みを用いて、各スピーカについて重み付き駆動関数を算出する。
式(9)および式(10)は、音源に線音源を仮定した2次元平面上で求めた駆動関数に関するが、他の駆動関数が用いられても良い。例えば式(11)および式(12)に示すように、音源に点音源を仮定して2次元平面上で求めた駆動関数が用いられても良い。フィルタ係数決定部11cは、式(11)により駆動関数を算出し、式(12)の重み付き駆動関数を算出しても良い。
フィルタ係数決定部11cにより、直線状スピーカアレイの各スピーカに対する重み付き駆動関数が算出されると、畳み込み演算部15は、入力信号に、重み付き駆動関数を畳み込むことにより、各スピーカに与える出力信号を算出する。
第5の実施の形態において、信号処理装置2cは、直線状スピーカアレイを構成するスピーカに与える重み付き駆動関数をして、入力信号に、重み付き駆動関数を畳み込んで、各スピーカに与える出力信号を算出する。第5の実施の形態は、図1に示すスピーカ位置のように、格子状に焦点座標を設けた仮想的な多重極スピーカアレイを実現することができる。
図5ないし図8を参照して説明した本実施形態の信号処理装置2等は、例えば図9に示すように、CPU(Central Processing Unit、プロセッサ)901と、メモリ902と、ストレージ903(HDD:Hard Disk Drive、SSD:Solid State Drive)と、通信装置904と、入力装置905と、出力装置906とを備える汎用的なコンピュータシステムが用いられる。このコンピュータシステムにおいて、CPU901がメモリ902上にロードされた所定の信号処理プログラムを実行することにより、信号処理装置2の各機能が実現される。
各信号処理装置2は、入力信号、出力信号を算出するための条件、および出力信号を、入出力するための入出力インタフェースを備えても良い。
なお、信号処理装置2は、1つのコンピュータで実装されてもよく、あるいは複数のコンピュータで実装されても良い。また信号処理装置2は、コンピュータに実装される仮想マシンであっても良い。
信号処理プログラムは、HDD、SSD、USB(Universal Serial Bus)メモリ、CD(Compact Disc)、DVD (Digital Versatile Disc)などのコンピュータ読取り可能な記録媒体に記憶することも、ネットワークを介して配信することもできる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。
1 スピーカアレイ
2 信号処理装置
11 フィルタ係数決定部
12 畳込み演算部
13 焦点座標決定部
14 円調和級数変換部
901 CPU
902 メモリ
903 ストレージ
904 通信装置
905 入力装置
906 出力装置
2 信号処理装置
11 フィルタ係数決定部
12 畳込み演算部
13 焦点座標決定部
14 円調和級数変換部
901 CPU
902 メモリ
903 ストレージ
904 通信装置
905 入力装置
906 出力装置
Claims (8)
- 等間隔かつ平行に配設された第1の複数の仮想線と、前記第1の複数の仮想線に直交し、等間隔かつ平行に配設された第2の複数の仮想線との交点に配設される複数のスピーカを備え、
前記複数のスピーカで、任意の次数の多重極を重ね合わせて、波面合成を実現する
スピーカアレイ。 - 等間隔かつ平行に配設された第1の複数の仮想線と、前記第1の複数の仮想線に直交し、等間隔かつ平行に配設された第2の複数の仮想線との交点に配設される複数のスピーカのそれぞれに対する重み係数を、各スピーカの位置に応じて算出するフィルタ係数決定部と、
複数のスピーカのそれぞれに対する重み係数を、入力信号と乗算して、複数のスピーカのそれぞれが再生する出力信号を算出する畳込み演算部
を備える信号処理装置。 - 等間隔かつ平行に配設された第1の複数の仮想線と、前記第1の複数の仮想線に直交し、等間隔かつ平行に配設された第2の複数の仮想線との交点に配設される複数のスピーカが重ね合わせる任意の次数の多重極に与える重み係数と各スピーカの位置から、各スピーカに与える重み係数を算出するフィルタ係数決定部と、
複数のスピーカのそれぞれに対する重み係数を、入力信号と乗算して、複数のスピーカのそれぞれが再生する出力信号を算出する畳込み演算部
を備える信号処理装置。 - 前記フィルタ係数決定部は、前記任意の次数の多重極に与える重み係数を、円調和級数から算出する
請求項4に記載の信号処理装置。 - 等間隔かつ平行に配設された第1の複数の仮想線と、前記第1の複数の仮想線に直交し、等間隔かつ平行に配設された第2の複数の仮想線との交点を、任意の次数の多重極の重ね合わせに用いられる複数の焦点音源の位置として決定する焦点座標決定部と、
前記焦点音源が重ね合わせる任意の次数の多重極に与える重み係数を、円調和級数から算出する円調和級数変換部と、
前記焦点音源の位置と、前記多重極に与える重み係数から、直線状スピーカアレイを構成する複数のスピーカに与える重み付き駆動関数を算出するフィルタ係数演算部と、
入力信号に、前記重み付き駆動関数を畳み込むことにより、各スピーカに与える出力信号を算出する畳込み演算部
を備える信号処理装置。 - コンピュータが、等間隔かつ平行に配設された第1の複数の仮想線と、前記第1の複数の仮想線に直交し、等間隔かつ平行に配設された第2の複数の仮想線との交点に配設される複数のスピーカのそれぞれに対する重み係数を、各スピーカの位置に応じて算出するステップと、
前記コンピュータが、複数のスピーカのそれぞれに対する重み係数を、入力信号と乗算して、複数のスピーカのそれぞれが再生する出力信号を算出するステップ
を備える信号処理方法。 - コンピュータを、請求項3ないし6のいずれか1項に記載の信号処理装置として機能させるための信号処理プログラム。
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