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音響再生において聴感上の距離感を制御する装置および方法 - 学校法人早稲田大学
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発明の名称 音響再生において聴感上の距離感を制御する装置および方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−79179(P2007−79179A)
公開日 平成19年3月29日(2007.3.29)
出願番号 特願2005−267714(P2005−267714)
出願日 平成17年9月14日(2005.9.14)
代理人 【識別番号】100111763
【弁理士】
【氏名又は名称】松本 隆
発明者 大内 康裕 / 東山 三樹夫 / 藤田 啓明
要約 課題
直接音成分と残響音成分を含む既得のオーディオ信号を加工し、その再生時に聴取者に与える距離感を制御する。

解決手段
信号処理部3は、抽出処理31および合成処理32を実行する。抽出処理31では、2チャネルのオーディオ信号aおよびaから各チャネルのオーディオ信号の共通ベクトルacomを抽出するとともに、各チャネルのオーディオ信号の各ベクトルと共通ベクトルとの差ベクトルaL−comおよびaR−comを各々抽出する。合成処理32では、抽出処理31により得られた共通成分と差成分とを指定された比率kで合成して2チャネルのオーディオ信号bおよびbを生成する。
特許請求の範囲
【請求項1】
複数チャネルのオーディオ信号から各チャネルのオーディオ信号の共通ベクトルを抽出するとともに、各チャネルのオーディオ信号の各ベクトルと前記共通ベクトルとの差ベクトルを各々抽出する抽出手段と、
前記抽出手段により得られた共通ベクトル分と差ベクトルとを指定された比率で合成して複数チャネルのオーディオ信号を生成する合成手段と
を具備することを特徴とする距離感制御装置。
【請求項2】
請求項1に記載の距離感制御装置と、
前記距離感制御装置の合成手段により得られる複数チャネルのオーディオ信号を用いて入力オーディオ信号に残響効果を付与する効果付与手段と
を具備することを特徴とする残響効果装置。
【請求項3】
複数チャネルのオーディオ信号から各チャネルのオーディオ信号の共通ベクトルを抽出するとともに、各チャネルのオーディオ信号の各ベクトルと前記共通ベクトルとの差ベクトルを各々抽出する抽出過程と、
前記抽出過程により得られた共通ベクトルと差ベクトルとを指定された比率で合成して複数チャネルのオーディオ信号を生成する合成過程と、
を具備することを特徴とする距離感制御方法。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
この発明は、オーディオ信号を音として再生する際に再生音の聴感上の距離感を制御する技術に関する。
【背景技術】
【0002】
音響再生において聴取者に与える距離感、すなわち、聴取者が再生音から感じる音源までの距離を制御するための技術が各種提案されている。例えば特許文献1は、直接音成分に対して反射音成分の付加されたオーディオ信号を反射音付加回路により生成し、その際の直接音成分と反射音成分とのレベル比および時間間隔を調整することにより聴取者に与える距離感を制御する技術を提案している。また、特許文献2は、直接音用および間接音用の2系統の音響再生系を設け、各音響再生系から再生する直接音と間接音のレベル比を調整することにより聴取者に与える距離感を制御する技術を提案している。
【特許文献1】特開平6−315200号公報
【特許文献2】特開平9−121400号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
ところで、上述したように、直接音と反射音または間接音のレベル比の調整により距離感の制御を行うためには、直接音と反射音または間接音の信号が分離された状態で得られなければならない。上述した特許文献1および2の技術は、いずれも音源から得られる直接音の信号に対して所定の信号処理を施すことにより反射音または間接音の信号を生成しているため、このような直接音と反射音または間接音のレベル比の調整を行うことができる。しかし、距離感制御に関しては、残響音場において採取されるような直接音成分と残響音成分とが混ざり合ったオーディオ信号について、それが再生されたときに聴取者に与える距離感を自在に制御したい、という要求もある。このような要求に応える技術は従来提供されていなかった。
【0004】
この発明は、以上説明した事情に鑑みてなされたものであり、直接音成分と残響音成分を含む既得のオーディオ信号を加工し、その再生時に聴取者に与える距離感を制御することができる技術的手段を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0005】
この発明は、複数チャネルのオーディオ信号から各チャネルのオーディオ信号の共通ベクトルを抽出するとともに、各チャネルのオーディオ信号の各ベクトルと前記共通ベクトルとの差ベクトルを各々抽出する抽出手段と、前記抽出手段により得られた共通ベクトル分と差ベクトルとを指定された比率で合成して複数チャネルのオーディオ信号を生成する合成手段とを具備することを特徴とする距離感制御装置を提供する。
かかる距離感制御装置によれば、直接音成分と残響音成分を含む既得のオーディオ信号から、直接音成分に近い共通ベクトルと残響音成分に近い差ベクトルが抽出され、それらが指定された比率で合成され、複数チャネルのオーディオ信号が得られる。その際、共通ベクトルと差ベクトルの比率を適切に調整し、複数チャネルのオーディオ信号の再生により聴取者に与えられる距離感を制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0006】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態を説明する。
図1はこの発明の一実施形態である距離感制御装置の構成を示すブロック図である。この距離感制御装置において、入力部1は、Lチャネルのオーディオ信号aおよびRチャネルのオーディオ信号aを処理対象として外部から取り込む装置である。この入力部1は、ネットワークを介してオーディオ信号を受け取る装置でもよく、記録媒体に記憶されたオーディオ信号を再生する装置でもよい。第1波形メモリ2は、入力部1により取り込まれたオーディオ信号aおよびaを記憶するメモリである。信号処理部3は、この第1波形メモリ2からオーディオ信号aおよびaを読み出し、距離感制御のための信号処理を施す装置である。なお、この信号処理の内容については後述する。操作部4は、各種のコマンドや情報をユーザから受け取る装置である。この操作部4を介して入力される情報として、距離感制御のためのパラメータkがある。信号処理部3が行う信号処理では、このパラメータkが参照される。第2波形メモリ5は、距離感制御のための信号処理により得られたオーディオ信号bおよびbを記憶するメモリである。出力部6は、このオーディオ信号bおよびbを第2波形メモリ5から読み出し、左右のスピーカ(図示略)から音として出力する装置である。
【0007】
次に本実施形態における距離感制御の原理について説明する。まず、図2に例示するような残響室100において、音源101から音を出力すると、音源101から距離dだけ離れた受音点にあるマイク102Lおよび102Rには、音源101からの直接音の他に残響音が届く。この受音点における直接音と残響音のエネルギー比は、音源・受音点間距離dに依存する。臨界距離は、この直接音と残響音のエネルギー比が等しくなるような音源・受音点間距離dである。
【0008】
音源・受音点間距離dが臨界距離よりも長い場合、受音点では直接音が殆どなく、残響音が支配的である。このため、受音点においてマイク102Lおよび102Rに到達する信号は無相関に近くなり、これらのマイクにより収音される音を聴いても距離感を感得することはできない。
【0009】
これに対し、音源・受音点間距離dが臨界距離よりも短い場合には、受音点に充分な強度で同相の直接音が届き、しかも、この直接音の残響音に対するエネルギー比は音源101からの距離に応じて小さくなる。このため、受音点のマイク102Lおよび102Rにより収音される各音から距離感を感得することができる。従って、仮にこのマイク102Lおよび102Rにより得られるオーディオ信号から直接音成分と残響音成分とを分離して取り出し、直接音成分と残響音成分のエネルギー比を調整することができれば、オーディオ信号が聴取者に与える距離感を変化させることができると考えられる。しかし、現在、オーディオ信号から直接音成分と残響音成分を厳密に分離して取り出す方法は提供されていない。
【0010】
そこで、本実施形態における信号処理部3では、以下説明する抽出処理31および合成処理32を実行し、これによりオーディオ信号が聴取者に与える距離感の制御を行っている。まず、図3(a)および(b)に例示するような複数サンプルからなるオーディオ信号aおよびaが処理対象として与えられている場合において、本実施形態では、各オーディオ信号aおよびaを各々ベクトルと考え(以下、ベクトルaおよびaという。他の信号に対応したベクトルも信号名と同一のベクトル名を用いる。)、各オーディオ信号のサンプルをベクトルの成分と考える。そして、抽出処理31では、次式に従い、ベクトルaおよびaの空間的共通成分である共通ベクトルacomと、ベクトルaおよびaと共通ベクトルacomとの間の差ベクトルaL−comおよびaR−comを求める。
Δ=a−a ……(1)
z=Δ/‖Δ‖ ……(2)
com=a−<a,z>z=a−<a,z>z ……(3)
L−com=a−acom=<a,z>z ……(4)
R−com=a−acom=<a,z>z ……(5)
ただし、上記式(2)において、zはベクトルaおよびaの差ベクトルΔと同一方向の単位ベクトル、式(3)〜(5)における<a,z>等は2つのベクトルの内積を表す。
【0011】
図3(c)〜(e)は、この抽出処理31により得られた共通ベクトルacomの成分であるサンプル列、差ベクトルaL−comの成分であるサンプル列および差ベクトルaR−comの成分であるサンプル列を各々例示するものである。また、図4は、元のL、R2チャネルのオーディオ信号に対応したベクトルaおよびaと、共通ベクトルaomと、差ベクトルaL−comおよびaR−comのベクトル空間内における関係を示している。図4に示すように、共通ベクトルacomはベクトルaおよびa間の差ベクトルに対して直交するベクトルとなり、差ベクトルaL−comおよびaR−comはいずれも共通ベクトルacomに直交するベクトルとなる。このように抽出処理31では、元のオーディオ信号a(a)を、ベクトル空間内において相互に直交したベクトルである共通ベクトルacomと差ベクトルaL−com(aR−com)に分解する。ここで、共通ベクトルacomは、L、R両チャネルに共通する音響的特徴を示すものとなるため、受音点において採取される直接音成分に対応していると考えられる。そして、差ベクトルaL−com(aR−com)は、共通ベクトルacomとは異なる音響的特徴を示すものとなるため、受音点において採取される直接音成分以外の音、すなわち、残響室100の関与のもとで作り出され、直接音成分とは異なった音響的特徴を持った残響音成分に対応していると考えられる。
【0012】
合成処理32では、以上説明した抽出処理31により得られる各ベクトルと操作部4を介して与えられるパラメータkとを用いて、次式(6)および(7)に従い、ベクトルbおよびbを求める。
=aL−com+k・acom ……(6)
=aR−com+k・acom ……(7)
そして、ベクトルbの成分をLチャネルのオーディオ信号bのサンプルとし、ベクトルbの成分をRチャネルのオーディオ信号bのサンプルとして第2波形メモリ5に書き込む。このLチャネルおよびRチャネルの各オーディオ信号のサンプルは所定のレートで第2波形メモリ5から順次読み出され、出力部6により音として出力される。
【0013】
抽出処理31および合成処理32は、処理対象であるオーディオ信号aおよびaの時間長に合わせて適切な態様で実行するのが好ましい。処理対象であるオーディオ信号aおよびaが、単発的であり、かつ、持続時間の比較的短いものである場合には、各オーディオ信号の全サンプルをベクトルと捉え、上述した抽出処理31および合成処理32を実行し、距離感の制御を行えばよい。また、処理対象であるオーディオ信号aおよびaが持続時間の長いもの、あるいは複数音連続したようなものである場合には、両オーディオ信号を一定時間長のフレームに区切り、フレーム単位で上述した抽出処理31および合成処理32を実行し、距離感の制御を行えばよい。
【0014】
以上説明した構成において、操作部4から与えるパラメータkを1とした場合、元のオーディオ信号a(a)と同じものがオーディオ信号b(b)として出力部6により出力される。一方、パラメータkを1より大きくすると、出力部6により出力されるオーディオ信号b(b)において、共通ベクトルk・acomの差ベクトルaL−co(aR−com)に対するエネルギー比は、元のオーディオ信号a(a)のものよりも大きくなる。従って、聴取者は、元のオーディオ信号a(a)と同じものが出力部6により出力された場合(すなわち、k=1の場合)に比べて音源の位置を近くに感じる。逆にパラメータkを1より小さくした場合、オーディオ信号b(b)における共通ベクトルk・acomの差ベクトルaL−com(aR−com)に対するエネルギー比は、元のオーディオ信号aL(aR)のものに比べて小さくなる。従って、聴取者は、k=1の場合よりも音源位置を遠くに感じる。
【0015】
本願発明者らは、本実施形態の効果を確認すべく、前掲図2のような直方体形状の残響室100において、音源・受音点間距離dを各種変えながら、音源101からインパルス音を出力したときのインパルス応答波形をマイク102Lおよび102Rにより採取した。なお、残響室100のサイズは、5.7m×5.9m×4.7m、残響室100の残響時間Tは約6.5秒であった。また、マイク102Lおよび102R間の距離は0.2mとし、音源・受音点間距離dは、0.1m刻みで0.1mから1.5mまで変化させた。そして、各種の音源・受音点間距離dについて、採取されたL、R2チャネルのインパルス応答波形から上述した抽出処理31と同じ処理により共通ベクトルと差ベクトルを求め、共通ベクトルと差ベクトルのエネルギー比Ecom/Edefを算出した。
【0016】
図5には、このようにして得られたエネルギー比Ecom/Edefと、下記の理論式(8)により算出された直接音と残響音のエネルギー比E/Erevが示されている。
/Erev=0.01V/(πT) ……(8)
ただし、上記式(8)において、Eは受音点における直接音のエネルギー、Erevは受音点における残響音のエネルギー、Vは残響室100の室容積(この例では5.7m×5.9m×4.7m)、Tは残響室100の残響時間(この例では6.5秒)、dは音源・受音点間距離である。
【0017】
図5に示すように、直接音と残響音とのエネルギー比E/Erevが1(=0dB)となる臨界距離以内の領域において、共通ベクトルと差ベクトルとのエネルギー比Eco/Edefと直接音と残響音とのエネルギー比E/Erevはほぼ平行な曲線となる。従って、上述したように共通ベクトルと差ベクトルのエネルギー比を調整することにより、直接音と残響音のエネルギー比を調整した場合と同様に、オーディオ信号が聴取者に与える距離感を制御することができる。
【0018】
本実施形態に係る距離感制御装置の用途として残響効果装置がある。この残響効果装置の一般的な形態として、各種の残響音場において得られたインパルス応答波形をサンプリングしたフィルタ係数列を記憶し、このフィルタ係数列を入力オーディオ信号のサンプル列に畳み込み、出力オーディオ信号を生成するものがある。このような残響効果装置を利用する場合において、残響効果の付与により得られる音源・受音点間距離がユーザの要求に合わないといったことが起こり得る。すなわち、ユーザの所望の残響空間に対応したフィルタ係数列は、音源・受音点間距離dがd1である条件の下で採取されたものであるが、ユーザは音源・受音点間距離dをd2にしたいと望んでいるような場合である。このような場合、ユーザの要求に応えるためには、ユーザの所望の残響音場に赴き、音源・受音点間距離dがd2の条件でインパルス応答波形を採取し、このインパルス応答波形からフィルタ係数列を得る必要がある。しかし、そのような処理は多大な労力を必要とし、大変である。本実施形態に係る距離感制御装置は、このような問題の解決に役立つものである。
【0019】
図6は前掲図1の距離感制御装置を用いて構成した残響効果装置の構成を示すブロック図である。この残響効果装置において、第1波形メモリ2には様々な残響音場において採取されたL、R2チャネルのインパルス応答波形のサンプル列が入力部1を介して格納される。ユーザが操作部4の操作により所望の残響音場のインパルス応答波形の選択を指示すると、指示されたL、R2チャネルのインパルス応答波形のサンプル列aおよびaが第1波形メモリ2から読み出され、信号処理部3に与えられる。信号処理部3では、サンプル列aおよびaを用いて上述した抽出処理31が行われた後、操作部4から与えられるパラメータkを用いて合成処理32が実行される。そして、合成処理32により得られたインパルス応答波形のサンプル列bおよびbが第2波形メモリ5に格納される。畳み込み演算部7は、一定のサンプリング周期毎に外部からモノラルの入力オーディオ信号のサンプルを受け取り、受け取った過去一定個数のサンプル列に第2波形メモリ5に記憶されたLチャネルのサンプル列bを畳み込んでLチャネルのオーディオ信号Cを生成し、また、同じ過去一定個数のサンプル列にRチャネルのサンプル列bを畳み込んでRチャネルのオーディオ信号Cを生成する。そして、出力部6は、このようにして生成されるオーディオ信号CおよびCを音として出力するのである。
【0020】
ここで、パラメータkを1より大きくすると、畳み込み演算に用いられるインパルス応答波形のサンプル列bおよびbにおいて共通ベクトルと差ベクトルのエネルギー比が元のインパルス応答波形のサンプル列aおよびaに比べて大きくなる。このため、元のインパルス応答波形のサンプル列aおよびaを畳み込み演算に使用して残響効果の付与を行う場合に比べて、聴取者に感じさせる音源・受音点間距離を短くすることができる。これに対し、パラメータkを1より小さくすると、インパルス応答波形のサンプル列bおよびbにおける共通ベクトルと差ベクトルのエネルギー比が元のインパルス応答波形のものに比べて小さくなる。このため、元のインパルス応答波形のサンプル列aおよびaを畳み込み演算に使用して残響効果の付与を行う場合に比べて、聴取者に感じさせる音源・受音点間距離を長くすることができる。
【0021】
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明にはこれ以外にも他の実施形態が考えられる。例えば上記実施形態では、2個のマイクにより得られた2チャネルのオーディオ信号を加工して、距離感の制御を行ったが、それ以上の個数のマイクにより得られたオーディオ信号を加工し、距離感の制御を行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】この発明の一実施形態である距離感制御装置の構成を示すブロック図である。
【図2】同実施形態において処理対象となるオーディオ信号が採取される残響室の例を示す図である。
【図3】同実施形態における信号処理を過程を示す波形図である。
【図4】同実施形態において取り扱われる各種のベクトルの関係を示す図である。
【図5】同実施形態において取り扱う共通ベクトルと差ベクトルのエネルギー比と直接音と残響音のエネルギー比との関係を示す図である。
【図6】この発明の他の実施形態である残響効果装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【0023】
1……入力部、2……第1波形メモリ、3……信号処理部、31……抽出処理、32……合成処理、4……操作部、5……第2波形メモリ、6……出力部、7……畳み込み演算部。




 

 


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