(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
音源から入力されるオーディオ信号を、人の左右両耳用のオーディオ信号に分け、夫々のオーディオ信号を、
人の頭部の直径である150mm〜200mmを半波長とする周波数ａＨｚ以下の周波数帯域を低域とし、
人の耳介の直径である35mm〜55mmを半波長とする周波数ｂHz以上の周波数帯域を高域とし、
前記２つの周波数aHzとｂHzとの間の周波数帯域を中域として、低域と中域と高域の３周波数帯域に分割し、
前記中域の周波数帯域については、頭部伝達関数において、周波数特性を含め、左右の耳に入るオーディオ信号の音量差、時間差をパラメータとする制御を行い、
前記低域の周波数帯域については、頭部伝達関数における、左右の耳に入るオーディオ信号の時間差、又は、時間差と音量差をパラメータとする制御を行い、
前記高域の周波数帯域については、頭部伝達関数における、左右の耳に入るオーディオ信号の音量差とコムフィルタ処理を経た、左右の耳に入るオーディオ信号の時間差をパラメータとする制御を行うことにより、
左右両耳用のオーディオ信号を処理することを特徴とする、
左右両耳用のオーディオ信号を音像定位させるための処理方法。
【請求項２】
前記低域の周波数帯域は、約1000Hz以下、前記中域の周波数帯域は、約1000〜4000Hz、前記高域の周波数帯域は、約4000Hz以上の帯域である請求項１記載の、左、右両耳用のオーディオ信号を音像定位させるための処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステレオイヤホン，同ヘッドホン，据置タイプなどの各種スピーカなどを始めとする左，右耳用の受聴器を用いて両耳受聴するとき、受聴者が音源がある実音場空間に存在しなくても、あたかもその実音場空間にいるような聴感、つまり音像定位感を得ることを容易に可能にするのみならず、従来手法では得られなかった高精度な音像定位を実現できる入力オーディオ信号の処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えばステレオ受聴における音像定位の手法としては、様々な手法が提案され、或は、試みられて来た。そして、最近では次に述べるような手法も提案さている。一般に人はその両耳によって音を聴くことにより、聴いた音の音源の位置、つまり、聴者からみた音源の上，下、左，右、前，後に関する位置を知覚するといわれている。このため、例えば、スピーカから発される再生音を、あたかも実音源からの音のように聴感させるには、所要の伝達関数により、任意に入力する音源のオーディオ信号を実時間の畳み込み演算処理して再生してやれば、再生される音によりその音源を知覚上定位させることができる、とされている。
【０００３】
上記のステレオ受聴における音像定位方式は、擬似音源を入力する小型マイクの出力電気情報を示す式と、イヤホンの出力信号を示す式から、あたかも実音源がある場所において聴取しているような聴覚上の頭外音像定位を得るための伝達関数を作り、この伝達関数により任意の入力音信号を実時間の畳み込み演算処理をして再生出力することによって、任意の場所において入力された音源の音をステレオ受聴用の再生音によっても知覚上で定位させることができるとする考え方に基づいた方式であるが、この方式はその演算処理のためのソフトウエアの量やハードウエアの規模が膨大かつ大がかりになるという問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような従来のステレオ受聴における音像定位の手法ではソフトウエアの量が膨大になり、また、ハードウエアの規模も大がかりになるという難点に鑑み、そのような難点を解消できることは勿論、従来手法よりもはるかに高精度な音像定位を可能とする適宜の音源から入力するオーディオ信号の処理方法を提供することを、その課題とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決することを目的としてなされた、第一の発明は、音源から入力されるオーディオ信号を、人の左右両耳用のオーディオ信号に分け、夫々のオーディオ信号を、人の頭部の直径である150mm〜200mmを半波長とする周波数ａＨｚ以下の周波数帯域を低域とし、人の耳介の直径である35mm〜55mmを半波長とする周波数ｂHz以上の周波数帯域を高域とし、前記２つの周波数aHzとｂHzとの間の周波数帯域を中域として、低域と中域と高域の３周波数帯域に分割し、前記中域の周波数帯域については、頭部伝達関数において、周波数特性を含め、左右の耳に入るオーディオ信号の音量差、時間差をパラメータとする制御を行い、前記低域の周波数帯域については、頭部伝達関数における、左右の耳に入るオーディオ信号の時間差、又は、時間差と音量差をパラメータとする制御を行い、前記高域の周波数帯域については、頭部伝達関数における、左右の耳に入るオーディオ信号の音量差とコムフィルタ処理を経た、左右の耳に入るオーディオ信号の時間差をパラメータとする制御を行うことにより、左右両耳用のオーディオ信号を処理することを特徴とする、
左右両耳用のオーディオ信号を音像定位させるための処理方法である。
【０００６】
また、第二の発明は、前記低域の周波数帯域は、約1000Hz以下、前記中域の周波数帯域は、約1000〜4000Hz、前記高域の周波数帯域は、約4000Hz以上の帯域である請求項１記載の、左、右両耳用のオーディオ信号を音像定位させるための処理方法である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に本発明方法の実施の形態例について説明する。
従来技術は、再生音の左，右両耳聴取において音像定位を得るために様々な手法を講じていたが、本発明は、実音源の音を例えばマイクロフォン（ステレオ，モノラルいずれでも可）で収録するとき、入力するオーディオ信号を、再生時に制御系のハード，ソフトの構成が膨大でなくても、従来手法に比べより高精度の音像定位が実現できるように処理することを要旨とするものである。
【０００８】
このため本発明では、音源から入力するオーディオ信号を、ここでは一例として低，中，高周波数の３つの帯域に分け、各帯域のオーディオ信号ごとに、音像定位要素を制御するための処理を施すのであるが、この趣旨は、任意の実音源に対して実際にそこに人が居るという前提を考え、その音源から伝幡して来る音が、その人の左，右の両耳に実際に入ったときの音となるように、入力するオーディオ信号を処理することにある。
【０００９】
従来より、人が任意の実音源の音をその人の両耳で聴くとき、その人の頭部、その頭部の左右側面に付いている両耳、その両耳におけるの音の伝達構造などの物理的要因が、音像定位に影響を与えることは知られている。そこで、本発明では次に述べる手法により、入力するオーディオ信号を制御する処理を行うようにした。
【００１０】
まず、人の頭部は、個人差はあるが、概ね直径が150〜200mm程度の球体とみなすと、この直径を半波長とする周波数（以下、aHzという）以下の周波数では、その半波長が、前記球体の直径を超えるので、前記aHz以下の周波数の音は、人の頭部による影響は少ないと判断し、これに基づいてaHz以下の入力オーディオ信号を処理するようにした。即ち、前記aHz以下の音では、人の頭部による音の反射，回析を事実上無視し、左，右の両耳に音源からの音が入る時間差とそのときの音量差をパラメータとして制御することにより、音像定位を図ることができるとの結論を得た。
【００１１】
一方、人の耳介については、これを円錐形とみなし、その底面の直径を概ね35〜55mm程度とみなすと、半波長が前記耳介の直径を超える周波数（以下、bHzという）以上の周波数の音は、人の耳介を物理的要因とする影響は少ないと判断し、これに基づいてbHz以上の入力オーディオ信号を処理した。なお、発明者らがダミーヘッドを使用して前記bHz以上の周波数帯域の音響特性を測定したところ、その特性はコムフィルタを通した音の音響特性に酷似していることが確認できた。
【００１２】
これらのことから、上記bHzの前後の周波数帯域において、要素の異なる音響特性を考慮しなければならないことを知得した。そして、上記bHz以上の周波数帯域の音像定位は、この帯域のオーディオ信号をコムフィルタを通す処理を加えてから左右の耳に入る時間差，音量差をパラメータとして制御することより、この帯域の入力オーディオ信号について音像定位を実現できるとの結論が得られた。
【００１３】
従って、上記で検討したの周波数帯域以外に残ったaHz〜bHzまでの間の狭い帯域については、従来より知見されている、頭部や耳介を物理的要因とした反射や回析による周波数特性のシミュレートをした上で、入力するオーディオ信号の制御をすれば足りるとの知見を得て、本発明を完成した。
【００１４】
上記のような知見に基づいて、周波数aHz以下、同bHz以上、同aHz〜bHzの間の各帯域について、左，右の耳に入る音の時間差や音量差などの制御要素をパラメータとして音像定位に関する試験を行った結果、次のような結果が得られた。
【００１５】
aHz以下の帯域の試験結果
この帯域のオーディオ信号は、左，右の耳に入る音の時間差と音量差の２つのパラメータを制御するだけでも、ある程度の音像定位は可能であるが、上下方向を含めた任意の空間についての定位はこの要素の制御だけでは不十分である。左，右の両耳で時間差を１/10-５秒単位で、音量差をndB（nは１桁〜２桁の自然数）単位で制御することにより水平面、垂直面、及び、距離における音像定位の位置を任意に実現することが可能である。なお、左，右耳に入る時間差をより大きくすると音像定位の位置が聴取者の後方になる。
【００１６】
aHz〜bHzの間の帯域の試験結果
時間差の影響
パラメトリックイコライザ（以下、ＰＥＱという）を無効状態にして左，右両耳に入る音に時間差を与える制御をしてみた。この結果は、上記aHz以下の帯域における制御によるような音像定位は得られなかった。なお、この制御によって、この帯域の音像は左右に直線的移動することが判った。
入力するオーディオ信号をＰＥＱを通して処理を行った場合、左右両耳に入る時間差をパラメータとする制御が重要になる。ここで、ＰＥＱにより補正できる音響特性は、ｆｃ（中心周波数）、Ｑ（尖鋭度）、Gain（利得）の三種類である。
音量差の影響
左，右両耳に対する音量差をndB（nは１桁の自然数）前後で制御すると、音像定位の距離が長くなる。音量差は大きくするほど音像定位の距離は短くなる。
ｆｃの影響
受聴者の前方45度の角度に音源を置き、その音源から入力するオーディオ信号を受聴者の頭部伝達関数に従ってＰＥＱ処理をするとき、この帯域のｆｃを高い方にシフトすると、音像定位位置の距離が長くなる傾向があることが判った。逆に、ｆｃを低い方にシフトすると、音像定位位置の距離が短くなる傾向があることが判った。
Ｑの影響
上記ｆｃの場合と同じ条件でこの帯域のオーディオ信号のＰＥＱ処理を行うとき、右耳用のオーディオ信号の１kHz付近のＱを元の値から４倍程度に上げると、水平角度は小さくなるが、逆に距離が大きくなり、垂直角度は変らなかった。この結果、このａ〜bHzの帯域では１m前後で音像を前方に定位させることが可能である。
ＰＥＱのGainがマイナスのとき、補正するＱを上げると、音像が広がり、距離も短くなる傾向にある。
Ｇａｉｎの影響
上記ｆｃの影響，Ｑの影響の場合と同じ条件でＰＥＱ処理を行うとき、右耳用のオーディオ信号の１kHz付近のピーク部のGainを数dB下げると、平角度が45度より小さくなり、距離は大きくなる。前項のＱを上げた場合とほぼ同等の音像定位位置が実現された。なお、ＰＥＱによりＱとGainの効果を同時に得るように処理しても音像定位の距離に変化は生じなかった。
【００１７】
bHz以上の帯域の試験結果
時間差の影響
左，右の耳に入る時間差だけの制御では、音像定位は殆んど実現できなかった。しかし、コムフィルタ処理を行った後、左，右の耳に時間差を与える制御は音像定位に有効であった。
音量差の影響
この帯域のオーディオ信号に左右の耳に対する音量差を与えると、その影響は他の帯域に比較して、非常に効果的であることが判った。即ち、この帯域の音を音像定位させるには、相当レベル、例えば、10dB以上の音量差を左右の耳に与えることが可能な制御が必要である。
コムフィルタの間隔の影響
コムフィルタの間隔を変えて試験してみると音像定位の位置が顕著に変化した。また、左耳又は右耳の片チャンネルについてだけコムフィルタの間隔を可変にしてみたが、この場合には左右の音像が分離し、音像定位を聴感することは困難であった。従って、コムフィルタの間隔は、左，右両耳に対する両チャンネルとも同時の可変することが必要である。
コムフィルタの深さの影響
深さと垂直角度の関係は、左右が逆の特性であった。
深さと水平角度の関係も、左右が逆の特性であった。
深さは音像定位の距離に比例していることが判った。
【００１８】
クロスオーバー帯域の試験結果
aHz以下の帯域とaHz〜bHzの中間帯域、およびこの中間帯域とbHz以上の帯域のクロスオーバー部分には不連続は認められず、逆位相感もなかった。そして、３つの帯域をミックスした周波数特性は、ほぼフラットであった。
【００１９】
以上により、音像定位は、入力するオーディオ信号における左右両耳用の複数に分けた周波数帯域によって、異なる要素により制御可能であることを裏付ける試験結果が得られた。即ち、例えば、左，右の耳に入る音の時間差が音像定位に及ぼす影響はaHz以下の帯域において顕著であり、bHz以上の高域においては、時間差の影響は薄いということが、その一つである。また、bHz以上の高域においては、コムフィルタの使用と左，右の耳に対して音量差を付けることが音像定位に有意であることが明らかとなった。なお、aHz〜bHzの中間帯域においては、距離は短いが、前方定位する上記制御要素以外のパラメータも見出せた。
【００２０】
次に、本発明方法の実施の一例を図１により説明する。図において、SSは任意の音源で、この音源は１個又は複数個のいずれでもよい。1L，1Rはそれぞれ左耳と右耳用のマイクロフォンであるが、このマイクロフォン1L，1Rも、ステレオマイクロフォン，モノラルマイクロフォンのいずれであってもよい。
【００２１】
音源SSに対するマイクロフォンが、１個のモノラルマイクホンである場合には、そのマイクロフォンの後に、そのマイクロフォンから入力するオーディオ信号を右耳用と左耳用のそれぞれのオーディオ信号に分けるディバイダが挿入されるが、図１の例では、マイクロフォンは左耳用1Lと右耳用1Rとが使用されるので、ディバイダは用いなくてもよい。
【００２２】
２は前記マイクロフォン1L，1Rの後に接続された帯域分割フィルターで、ここでは入力するオーディオ信号を、左，右の耳用のチャンネルごとに、一例として、約1000Hz以下の低域、約1000〜約4000Hzの中域、約4000Hz以上の高域の３つの帯域に分けて出力できるものを使用した。本発明においては、マイクロフォン1L，1Rから入力するオーディオ信号の帯域分割は２以上であれば、任意である。
【００２３】
3L，3M，3Hは、前記フィルター２において分割された左，右２つのチャンネルにおける各帯域のオーディオ信号の信号処理部で、ここでは左，右のチャンネルごとに低域用処理部LLP，LRP、中域用処理部MLP，MRP、高域用処理部HLP，HRPが形成されている。
【００２４】
４は、上記信号処理部３で処理される各帯域における左，右のチャンネルのオーディオ信号に、音像定位のための制御を加えるコントロール部で、図の例では、各帯域ごとに３個のコントロール部CL，CM，CHを使用して先に説明した左，右の耳に対する時間差，音量差などをパラメータとする制御処理が、各帯域における左，右チャンネルの信号ごとに加えられる。なお、上記例において、少なくとも高域用の信号処理部3Hのコントロール部CHには、この処理部3Hをコムフィルタとして作用させるための係数を与える機能を具備しているものとする。
【００２５】
５は、各帯域のコントロール部４から出力される制御されたオーディオ信号を左，右耳用のチャンネルごとにクロスオーバフィルターを通して合成するミキサーで、このミキサー５において、先に各帯域ごとに制御された左，右耳用の出力オーディオ信号であるＬ出力とＲ出力が、例えば、図示しない通常のオーディオアンプ等を経て左，右のスピーカに供給されることにより、音像定位が明瞭な再生音として再生されるのである。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は以上の通りであって、従来の音像定位の手法は、モノラル又はステレオマイクロフォンから入力されたオーディオ信号を左，右の耳用に再生してステレオ聴受するとき、頭外音像定位のために頭部伝達関数を用いた再生信号の制御処理を行うものであったが、本発明はマイクロフォンから入力されるオーディオ信号について、それを左、右両耳用のチャンネルに分けると共に、一例として、各チャンネルのオーディオ信号を低，中，高域の３つの帯域に分け、各帯域ごとに左右の耳における時間差，音量差などの音像定位要素をパラメータとして制御する処理を施すことにより、適宜の音源から入力される左，右の耳用の入力オーディオ信号を形成するので、従来の再生時に実行されている音像定位のための制御処理を何ら行わずにそのまま再生しても、音像定位に優れた再生音を得ることが可能になる。また、前記手法に加えて再生時にも音像定位の制御を重畳すれば、更に効果的、かつ、高精度の音像定位を、容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明方法を実施するための一例の機能ブロック図。
【符号の説明】
SS    音源
1L，1R    マイクロフォン
２    帯域分割フィルター
３    各帯域の信号処理部
４    コントロール部
５    ミキサー
【図１】
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