(57)【要約】【課題】マイクロホンアレーが円筒形状であっても平面波展開することができる音場平面波展開技術を提供する。【解決手段】展開角度記憶部２には、Dを所定の正の整数として、離散化角度(θdir，d，φdir，d)(d=1,…,D)が記憶されているとして、平面波展開部３が、上記マイクロホンで収音された信号に基づいて生成された音圧信号Pmic,ab(k)を用いて、上記展開角度記憶部から読み込んだ各離散化角度(θdir，d，φdir，d)に対応する平面波展開信号Pdir,d(k)を、上記剛体のバッフルによる伝達経路の変化を考慮して計算する。【選択図】図１
2014160953.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形状の剛体のバッフルの軸を中心とし上記バッフルの周方向を円周方向とする半径Rcylの２個以上の円のそれぞれに少なくとも２個のマイクロホンが配置されているとし、ωを周波数とし、cを音速とし、k=ω/cとして、
展開角度記憶部には、Dを所定の正の整数として、離散化角度(θdir，d，φdir，d)(d=1,…,D)が記憶されているとし、
平面波展開部が、上記マイクロホンで収音された信号に基づいて生成された音圧信号Pmic,ab(k)を用いて、上記展開角度記憶部から読み込んだ各離散化角度(θdir，d，φdir，d)に対応する平面波展開信号Pdir,d(k)を、上記剛体のバッフルによる伝達経路の変化を考慮して計算する平面波展開ステップと、
を含む音場平面波展開方法。
【請求項２】
請求項１の音場平面波展開方法において、
iを虚数単位とし、Hn(1)(・)をn次の第一種ハンケル関数とし、Hn(1)’(・)をn次の第一種ハンケル関数Hn(1)(・)の微分とし、Nを所定の正の整数とし、W(k,θmic,a,zmic,b,θdir,d,φdir,d)を以下の式とし、上付きの+は擬似逆行列の演算を表すとして、
【数９】
2014160953.tif 000011
上記平面波展開部は、以下の式により定まる平面波展開信号Pdir,d(k)を計算する、
【数１０】
2014160953.tif 000012
音場平面波展開方法。
【請求項３】
請求項１又は２の音場平面波展開方法において、
離散球面調和変換部が、離散球面調和変換により、上記平面波展開信号Pdir,d(k)を球面調和スペクトル信号B~p(k)に変換する離散球面調和変換ステップを更に含む、
音場平面波展開方法。
【請求項４】
請求項３の音場平面波展開方法において、
Mを所定の正の整数とし、Ynmを球面調和関数とし、インデックスp=(n,m)とし、Apを所定の実数として、
上記離散球面調和変換部は、下記式により離散球面調和変換を行う、
【数１１】
2014160953.tif 000013
音場平面波展開方法。
【請求項５】
請求項１又は２の音場平面波展開方法において、
周波数逆変換部が、上記平面波展開信号Pdir,d(k)を逆フーリエ変換により時間領域信号に変換し、変換された時間領域信号をスピーカに出力する周波数逆変換ステップを更に含む、
音場平面波展開方法。
【請求項６】
円筒形状の剛体のバッフルの軸を中心とし上記バッフルの周方向を円周方向とする半径Rcylの２個以上の円のそれぞれに少なくとも２個のマイクロホンが配置されているとし、ωを周波数とし、cを音速とし、k=ω/cとして、
Dを所定の正の整数として、離散化角度(θdir，d，φdir，d)(d=1,…,D)が記憶された展開角度記憶部と、
上記マイクロホンで収音された信号に基づいて生成された音圧信号Pmic,ab(k)を用いて、上記展開角度記憶部から読み込んだ各離散化角度(θdir，d，φdir，d)に対応する平面波展開信号Pdir,d(k)を、上記剛体のバッフルによる伝達経路の変化を考慮して計算する平面波展開部と、
を含む音場平面波展開装置。
【請求項７】
請求項１から５の何れかに記載された音場平面波展開方法の各ステップをコンピュータに実行させるための音場平面波展開プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ある音場に設置されたマイクロホンで音信号を収音し、その音信号を平面波に展開する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
音場の平面波展開は、音場解析、音場符号化、音場再現等の種々の応用に利用可能な技術である。音場再現技術では、所望の音場が平面波の重ね合わせと仮定すれば、各平面波を再現するためのスピーカアレー駆動信号を計算し、その総和を駆動信号として出力することで、所望音場の再現が可能となる。音場再現技術として、例えば非特許文献１に記載された技術が知られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】小山翔一，外３名，「音場収音・再現のための時空間周波数領域信号変換法」，日本音響学会講演論文集，２０１１年９月，Ｐ．６３５−６３６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術では、平面、直線、球、円状アレーを用いて、収音場を平面波展開することが可能であったが、マイクロホンアレーが円筒形状の場合には平面波展開することができなかった。
【０００５】
この発明は、マイクロホンアレーが円筒形状であっても平面波展開することができる音場平面波展開方法、装置及びプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、この発明の一態様による音場平面波展開方法は、円筒形状の剛体のバッフルの軸を中心とし上記バッフルの周方向を円周方向とする半径Rcylの２個以上の円のそれぞれに少なくとも２個のマイクロホンが配置されているとし、ωを周波数とし、cを音速とし、k=ω/cとして、展開角度記憶部には、Dを所定の正の整数として、離散化角度(θdir，d，φdir，d)(d=1,…,D)が記憶されているとして、上記マイクロホンで収音された信号に基づいて生成された音圧信号Pmic,ab(k)を用いて、平面波展開部が、上記展開角度記憶部から読み込んだ各離散化角度(θdir，d，φdir，d)に対応する平面波展開信号Pdir,d(k)を、上記剛体のバッフルによる伝達経路の変化を考慮して計算する平面波展開ステップを有する。
【発明の効果】
【０００７】
マイクロホンアレーが円筒形状であっても平面波展開することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第一実施形態の音場平面波展開装置の例を示す機能ブロック図。
【図２】第二実施形態の音場平面波展開装置の例を示す機能ブロック図。
【図３】第一実施形態の音場平面波展開装置の例を示す機能ブロック図。
【図４】マイクロホン及びスピーカの配置の例を説明するための図。
【図５】マイクロホン及びスピーカの配置の例を説明するための図。
【図６】音場平面波展開方法の例を示す流れ図。
【図７】離散化角度の定め方の例を説明するため図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照してこの発明の実施形態を説明する。以下の説明において、テキスト中で使用する記号「~」等は、本来直前の文字の真上に記載されるべきものであるが、テキスト記法の制限により、当該文字の直後に記載する。式中においてはこれらの記号は本来の位置に記述している。また、ベクトルや行列の各要素単位で行われる処理は、特に断りが無い限り、そのベクトルやその行列の全ての要素に対して適用されるものとする。
【００１０】
［第一実施形態］
＜マイクロホンアレーの配置＞
音場平面波展開装置及び方法は、図４に示す半径Rcylの円筒形状に配置されているNa×Nb個のマイクロホンで構成されるマイクロホンアレーで収音した音場を平面波に展開するものである。
【００１１】
マイクロホンは、図５に例示するように、半径Rbの円筒形状のバッフルＢに固定されることにより半径Rcylの円筒形状に配置される。マイクロホンは、例えばバッフルＢの周面から垂直に突き出す細い棒状の部材により支持される。図５の例では、Rcyl≧Rbとして、マイクロホンは、バッフルＢの周面の表面から(Rcyl-Rb)離れた位置に配置されているが、Rcyl＝Rbの場合の方が精度が高い。
【００１２】
換言すれば、円筒形状の剛体のバッフルＢの軸を中心とし円筒形状の剛体のバッフルＢの周方向を円周方向とするNb個の円のそれぞれにおいて、Na個のマイクロホンが等間隔に配置される。Na,Nbは予め定められた２以上の整数である。すなわち、バッフルＢの周方向を円周方向とする２個の円のそれぞれにおいて２個のマイクロホンが配置されることにより、マイクロホンはバッフルＢの軸からRcyl離れた位置に少なくとも４個配置される。
【００１３】
マイクロホンは、どのような間隔で配置されてもよい。すなわち、隣接するマイクロホンとの間隔であるzc,θcのそれぞれは、任意の値を取ることができる。ただし、マイクロホンを等間隔に配置する、すなわち隣接するマイクロホンとの間隔であるθc,φcのそれぞれを同じ値とすることで、高精度に平面波展開を行うことができる。
【００１４】
マイクロホンは、円筒形状の剛体のバッフルの周面の外側方向に向けて配置される。
【００１５】
マイクロホンＭａ−ｂの位置を(Rcyl,θmic,a,zmic,b)(a=1,2,…,Na,b=1,2,…,Nb)と表現する。
【００１６】
＜音場平面波展開装置＞
音場平面波展開装置は、図１に示すように、周波数変換部１、展開角度記憶部２及び平面波展開部３を例えば含み、図６の実線で示された各ステップの処理を行うことにより、平面波展開を行う。
【００１７】
マイクロホンアレーＭ１−１，Ｍ２−１，…，ＭＮａ−Ｎｂは、音源Ｓで発せられた音を収音して時間領域の信号を生成する。生成された信号は、周波数変換部１に送られる。位置(Rcyl,θmic,a,zmic,b)にあるマイクロホンＭａ−ｂで収音された時間領域の時刻ｔの信号をPmic,ab(t)と表記する。
【００１８】
＜周波数変換部１＞
周波数変換部１は、マイクロホンＭａ−ｂで収音された信号Pmic,ab(t)をフーリエ変換により周波数領域信号Pmic,ab(k)に変換する（図６，ステップＳ１）。生成された周波数領域信号Pmic,ab(k)は、平面波展開部３に送られる。ωを周波数とし、cを音速とし、k=ω/cである。
【００１９】
例えば、短時間離散フーリエ変換により周波数領域信号Pmic,ab(k)が生成される。もちろん、他の既存の方法により周波数領域信号Pmic,ab(k)を生成してもよい。また、オーバーラップアド等の方法を用いて周波数領域信号Pmic,ab(k)を生成してもよい。入力信号が長い場合や、リアルタイム処理のように連続して信号が入力される場合には、例えば１０ｍｓごとといったフレームごとに処理を行う。
【００２０】
周波数領域信号Pmic,ab(k)は、例えば以下のように定義される。関数expの引数の中のiは虚数単位である。
【００２１】
【数１】
2014160953.tif 000003
【００２２】
＜展開角度記憶部２＞
展開角度記憶部２には、Dを所定の正の整数として、離散化角度(θdir，d，φdir，d)(d=1,…,D)が記憶されている。すなわち、展開角度記憶部２には、D個の離散化角度(θdir，1，φdir，1),(θdir，2，φdir，2),…,(θdir，D，φdir，D)が記憶されている。
【００２３】
離散化角度(θdir，d，φdir，d)は、θdir，dとφdir，dと組である。図４に示すように、θdir，dは仰角であり、φdir，dは方位角である。
【００２４】
D個の離散化角度(θdir，d，φdir，d)(d=1,…,D)の設定をどのように行ってもよい。例えば、離散化角度(θdir，d，φdir，d)を等間隔とする。また、正多面体の頂点方向を用いて離散化角度(θdir，d，φdir，d)を定めてもよい。すなわち、正多面体の中心を原点とするその正多面体の複数の頂点の方向をそれぞれ離散化角度(θdir，d，φdir，d)(d=1,…,D)とする。
【００２５】
図７は、正二十面体を用いて離散化角度(θdir，d，φdir，d)を定める場合の概念図である。例えば、図７に示すように、円筒形状のマイクロホンアレーの中心軸上に正二十面体が配置されているとし、正二十面体の頂点のうち円筒形状のマイクロホンアレーの中心軸から所定の距離にある頂点を除いた複数の頂点の方向をそれぞれ離散化角度(θdir，d，φdir，d)(d=1,…,D)とする。
【００２６】
Dの値を大きく設定すると、計算コストが上がるが、音場の解像度が高くなる。Dの値は、計算コストと音場の解像度を考慮して定められる。
【００２７】
＜平面波展開部３＞
平面波展開部３は、マイクロホンＭａ−ｂで収音された信号に基づいて生成された音圧信号Pmic,ab(k)を用いて、展開角度記憶部２から読み込んだ各離散化角度(θdir，d，φdir，d)に対応する平面波展開信号Pdir,d(k)を、剛体のバッフルによる伝達経路の変化を考慮して計算する（ステップＳ２）。マイクロホンＭａ−ｂで収音された信号に基づいて生成された音圧信号Pmic,ab(k)とは、この例では、周波数変換部１により生成された周波数領域信号Pmic,ab(k)のことである。
【００２８】
平面波展開部３は、例えば以下の式により定まる平面波展開信号Pdir,d(k)を計算する。
【００２９】
【数２】
2014160953.tif 000004
【００３０】
iを虚数単位とし、Hn(1)(・)をn次の第一種ハンケル関数とし、Hn(1)’(・)をn次の第一種ハンケル関数Hn(1)(・)の微分として、W(k,θmic,a,zmic,b,θdir,d,φdir,d)は以下のように与えられる。Nは、上記のように音場の解像度であり、所定の正の整数である。例えば、Nは離散化の方法によって定まる値NMAX以下の正の整数とされる。多くの場合、Nは数値的に安定するように、数値計算を元に求められる。上付きの+は、擬似逆行列の演算を表す。
【００３１】
【数３】
2014160953.tif 000005
【００３２】
n次の第一種ハンケル関数Hn(1)(x)は、n次の第一種ベッセル関数Jn(x)及び第二種ベッセル関数Yn(x)を用いて以下のように定義される。
【００３３】
【数４】
2014160953.tif 000006
【００３４】
n次の第一種ハンケル関数Hn(1)(・)の微分であるHn(1)’(ψ)は以下のように定義される。
【００３５】
【数５】
2014160953.tif 000007
【００３６】
このように、平面波展開部３は、円筒形状のマイクロホンで収音された信号を扱うために、波動方程式を周波数領域で表した方程式をヘルムホルツ方程式として、そのヘルムホルツ方程式をヘリカル波スペクトル領域で扱うことにより計算されるフィルタW(k,θmic,a,zmic,b,θdir,d,φdir,d)を用いて平面波展開信号Pdir,d(k)を計算する。
【００３７】
なお、平面波、平面波展開信号とは、方向ごとの信号の強さを表す指標のことである。例えば平面波展開信号Pdir,d(k)は、離散化角度(θdir，d，φdir，d)の方向の信号の強度を表す。
【００３８】
このように、第一実施形態の音場平面波展開装置及び方法は、マイクロホンアレーが円筒形状であっても平面波展開することができる。
【００３９】
［第二実施形態］
第二実施形態の音場平面波展開装置は図２に示すように離散球面調和変換部４を更に備える部分において第一実施形態とは異なり、他の部分は第一実施形態と同様である。
【００４０】
以下、第一実施形態と異なる部分である離散球面調和変換部４を中心に説明し、第一実施形態と同様の部分については説明を省略する。
【００４１】
平面波展開部３で計算された平面波展開信号Pdir,d(k)(d=1,…,D)は、離散球面調和変換部４に送信される。
【００４２】
離散球面調和変換部４は、離散球面調和変換により、平面波展開信号Pdir,d(k)を球面調和スペクトル信号B~p(k)に変換する（ステップＳ３）。
【００４３】
離散球面調和変換部４は、例えば下記式により離散球面調和変換を行い、球面調和スペクトル信号B~p(k)を生成する。
【００４４】
【数６】
2014160953.tif 000008
【００４５】
インデックスp=(n,m)として、Apは正規化のための係数であり所定の実数である。例えば、Furse-Malham係数をApとして用いる。なお、n,mは、0≦n≦N,-n≦m≦nかつ|m|≦Mである。インデックスp=(n,m)の大きさの最大値は、M2+2N+1である。
【００４６】
Mは、N以下の所定の正の整数である。Mの値の大きさも解像度に相当する。
【００４７】
Ynmは、例えば以下のように定義される球面調和関数である。n,mは球面調和スペクトルの次数である。下記式において、jは虚数単位である。
【００４８】
【数７】
2014160953.tif 000009
【００４９】
Pmn(・)は、ルジャンドル陪関数であり、以下のように定義される。なお、Pn(・)はルジャンドル多項式を表す。
【００５０】
【数８】
2014160953.tif 000010
【００５１】
このように、平面波展開信号Pdir,d(k)を、アンビソニックス等の再生形式に利用可能な形式である球面調和スペクトル信号B~p(k)に変換してもよい。
【００５２】
［第三実施形態］
第三実施形態の音場平面波展開装置は、図３に示すように周波数逆変換部５を更に備える部分において第一実施形態とは異なり、他の部分は第一実施形態と同様である。
【００５３】
以下、第一実施形態と異なる部分である周波数逆変換部５を中心に説明し、第一実施形態と同様の部分については説明を省略する。
【００５４】
平面波展開部３で計算された平面波展開信号Pdir,d(k)(d=1,…,D)は、周波数逆変換部５に送信される。
【００５５】
周波数逆変換部５は、平面波展開信号Pdir,d(k)を逆フーリエ変換により時間領域信号Psp,d(t)に変換し、変換された時間領域信号Psp,d(t)をスピーカＳｄに出力する（ステップＳ４）。逆フーリエ変換によりフレーム毎に得られた時間領域信号Psp,d(t)は適宜シフトされて線形和が取られて、連続した時間領域信号となる。逆フーリエ変換は短時間離散逆フーリエ変換等の既存の方法を用いればよい。
【００５６】
スピーカアレーＳ１，Ｓ２，…，ＳＤは、D個のスピーカＳ１，Ｓ２，…，ＳＤで構成されており、例えば球状に配置されている。具体的には、d=1,…,Dとして、スピーカＳｄは、離散化角度(θdir，d，φdir，d)の方向に配置されている。例えば、図７に例示するように、正多面体の各頂点の方向を離散化角度(θdir，d，φdir，d)とした場合には、スピーカは正多面体の各頂点の位置に配置される。
【００５７】
スピーカアレーＳ１，Ｓ２，…，ＳＤは、時間領域信号Psp,1(t),Psp,2(t),…,Psp,D(t)に基づいて音を再生する。具体的には、d=1,…,Dとして、スピーカＳｄが時間領域信号Psp,d(t)に基づいて音を再生する。これにより、マイクロホンアレーＭ１−１，Ｍ２−１，…，ＭＮａ−Ｎｂで収音した音場を、スピーカアレーＳ１，Ｓ２，…，ＳＤで再現することができる。
【００５８】
マイクロホンの数がスピーカの数よりも多い場合には、再生信号を間引けばよい。一方、マイクロホンの数がスピーカの数よりも少ない場合には、時間領域信号Psp,d(t)の平均を取るなどして補間を行えばよい。補間を行う方法は、例えば、線形補間やsinc補間などを適用することができる。
【００５９】
［変形例等］
音場平面波展開装置は、平面波展開部３を含みさえすれば、他の部を備えていなくてもよい。
【００６０】
周波数変換部１の処理と平面波展開部３の処理とを同時に行ってもよい。  音場平面波展開装置は、コンピュータによって実現することができる。この場合、この装置の各部の処理内容はプログラムによって記述される。そして、このプログラムをコンピュータで実行することにより、この装置における各部がコンピュータ上で実現される。
【００６１】
この処理内容を記述したプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録しておくことができる。また、この形態では、コンピュータ上で所定のプログラムを実行させることにより、これらの装置を構成することとしたが、これらの処理内容の少なくとも一部をハードウェア的に実現することとしてもよい。
【００６２】
この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１     周波数変換部
２     展開角度記憶部
３     平面波展開部
４     離散球面調和変換部
５     周波数逆変換部
【図１】
2014160953.tif 000014
【図２】
2014160953.tif 000015
【図３】
2014160953.tif 000016
【図４】
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【図５】
2014160953.tif 000018
【図６】
2014160953.tif 000019
【図７】
2014160953.tif 000020