(57)【要約】【課題】  音波の波動性を考慮した解析を行うとともに、受聴者の受聴条件の変化に迅速に対応可能なバイノーラル再生システムを提供する。【解決手段】  本発明に係るバイノーラル再生システムは、音源から放射される音波に対して時系列波動解析を利用し、受音点をとりまく仮想面での物理量を算出し、仮想面での物理量に基づいて、仮想面上の各位置における受音点方向への移流量を算出し、移流量と頭部伝達関数に基づいて、受音点における音響信号を求めることを特徴としている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
音源から放射される音波に対して時系列波動解析を利用し、受音点をとりまく仮想面での物理量を算出し、
前記仮想面での物理量に基づいて、前記仮想面上の各位置における前記受音点方向への移流量を算出し、
前記移流量と頭部伝達関数に基づいて、前記受音点における音響信号を求める
バイノーラル再生システム。
【請求項２】
受音点をとりまく仮想面上の各位置において前記受音点方向への移流量、または、前記移流量に基づく物理量を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶する移流量、または、前記移流量に基づく物理量と、頭部伝達関数に基づいて、前記受音点における音響信号を算出する算出部とを備え、
前記記憶部に記憶する移流量は、音源から放射される音波に対して時系列波動解析を利用して算出された前記仮想面での物理量に基づく時系列情報であることを特徴とする
バイノーラル再生システム。
【請求項３】
前記仮想面は、仮想球面であることを特徴とする
請求項１または請求項２に記載のバイノーラル再生システム。
【請求項４】
前記仮想球面の直径は、２０〜２００ｃｍであることを特徴とする
請求項３に記載のバイノーラル再生システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホールシミュレーション、仮想空間（バーチャルリアリティ）などに利用可能なバイノーラル再生システムに関するものであって、特に、時系列音響信号に対して波動音響解析を利用し、精度の高い音響シミュレーションを実現するバイノーラル再生システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
建築音響分野における音響シミュレーションは、ホールや会議室などの音響状態の把握、遠隔地の音環境の再現、あるいは、仮想現実（バーチャルリアリティ）を作り出すツールとして広く利用されている。
【０００３】
このような音響シミュレーションとして、現在、左右両耳に到達する音波をシミュレーションし、ヘッドホンなどで直接、聴取を行うバイノーラル再生システム、そして、受聴者の周りに複数のスピーカーを配置して、聴取を行うマルチチャンネル再生システムがある。
【０００４】
バイノーラル再生システムは、ヘッドホンによる聴取を可能とするため、装置の小型化を図ることができ、出先での音響プレゼンテーションが可能である一方、多人数での同時聴取が困難である。一方、マルチチャンネル再生系は、複数のスピーカーを配置するなど装置が大型化、また、設置スペースが限られる一方、多人数での同時聴取が可能となる特徴を有している。
【０００５】
このような音響シミュレーションとして特許文献１には、複数のスピーカーを使用して受聴者後方の音像定位の良好化を図るマルチチャンネル再生システムが開示されている。また、特許文献２には、仮想空間内の音源位置から動的に与えられた受音点位置までのインパルス応答をフーリエ変換した伝達関数を用い、仮想空間内での音声再現データを出力するリアルタイム音響再現システムについて開示されている。
【０００６】
また、非特許文献１には、波動解析を利用した音場解析においてＣＩＰ法を適用した場合についての結果と考察が、非特許文献２には、波動音響解析におけるマルチモーメント法の適用についての基礎的な検討が開示されている。
【０００７】
そして、非特許文献３には、バイノーラル再生システムにおける頭部伝達関の音響計測の問題点、頭部形状の変形に伴う頭部伝達関数の変化、頭部伝達関数の比較尺度について検討、考察がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１２８８７０号公報
【特許文献２】特開２００５−８０１２４号公報
【非特許文献１】太刀岡勇気、安田洋介、佐久間哲哉  著、「ＣＩＰ法による音場解析」、日本音響学会建築音響研究会資料，ＡＡ２００７−２８，騒音振動研究会資料，Ｎ−２００７−３１（２００７．７）
【非特許文献２】谷川将規  著、「マルチモーメント法に基づく波動音響解析  −高次スキームの適用性に関する検討−」、日本音響学会  ２０１０年春季研究発表会  ２−４−１３
【非特許文献３】平原達也、大谷真、戸嶋巌樹  著、「頭部伝達関数の計測とバイノーラル再生にかかわる諸問題」、電子情報通信学会  基礎・境界ソサイエティ  Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｖｏｌ．２  Ｎｏ．４、ｐ．６８−８５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明において取り扱うバイノーラル再生システムは、数値音響シミュレーション（可聴化）の仕組みのひとつであり、音源や受聴者の位置や向き、境界面の反射・吸音特性を与条件として解析を行うものであって、特に、時系列の波動解析を行い、その結果を音としてヘッドホン聴取により対象とする音場を再現するシステムをいうものである。
【００１０】
音響解析法には大きく分けて次の二通りのものがよく知られている。一つは幾何音響解析ともう一つは波動音響解析である。この幾何音響解析（音線法）におよる可聴化システム（例えば、ＣＡＴＴ社製ＣＡＴＴ−Ａｃｏｕｓｔｉｃ）は数多くある。しかしながら、幾何音響解析はそもそも音波の波動性を考慮していないため、多重反射、音波の干渉や回折現象などを近似的に扱わざるを得ず、特に低周波数域の再現性は悪い。
【００１１】
一方、波動音響解析は、音波の波動性を考慮した解析方法であって、幾何音響解析に比べて可聴化精度の高い可聴音を提供することが可能である。しかしながら、この解析方法は、一般に扱うデータ量が膨大であるため計算に時間がかかる。そのため、音源や受聴者の位置や向きを固定せざるを得ないなど制限の大きい可聴化システムとなり、未だ多くの課題を残している。
【００１２】
ヘッドホン聴取によるバイノーラル再生系は、多くのスピーカーを用いる立体音響システムに比べて比較的小規模の設備・機材で済むという利点がある。バイノーラル再生では両耳に到達するそれぞれの音響信号に対して頭部伝達関数（ＨＲＴＦ）を畳みこむことによって音像定位を実現する（非特許文献３）。
【００１３】
そのためには受聴者に向かって到来する音波の方向（音源方向）をあらかじめ知る必要がある。しかしながら、差分法をベースとする時系列の波動音響解析において、計算格子点上で得られる値はあらゆる方向から到来する音波の合算値であり、必ずしも音源方向は明確ではない。そのため、波動音響解析結果の可聴化技術は未だ研究段階にあり、実用には至っていない。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係るバイノーラル再生システムは、音源から放射される音波に対して時系列波動解析を利用し、受音点をとりまく仮想面での物理量を算出し、前記仮想面での物理量に基づいて、前記仮想面上の各位置における前記受音点方向への移流量を算出し、前記移流量と頭部伝達関数に基づいて、前記受音点における音響信号を求めることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明に係るバイノーラル再生システムは、受音点をとりまく仮想面上の各位置において前記受音点方向への移流量、またいは、前記移流量に基づく物理量を記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶する移流量、または、前記移流量に基づく物理量と、頭部伝達関数に基づいて、前記受音点における音響信号を算出する算出部とを備え、前記記憶部に記憶する移流量は、音源から放射される音波に対して時系列波動解析を利用して算出された前記仮想面での物理量に基づく時系列情報であることを特徴とするものである。
【００１６】
さらに、本発明に係るバイノーラル再生システムは、前記仮想面は、仮想球面であることを特徴とするものである。
【００１７】
さらに、本発明に係るバイノーラル再生システムは、前記仮想球面の直径は、２０〜２００ｃｍであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、音波の波動性を考慮した時系列波動解析を利用しているため、精度の高い音響シミュレーションを実現することができる。特に中低周波数域における可聴化精度、臨場感の向上を図ることが可能となる。
【００１９】
時系列波動解析のプロセスと可聴化のプロセス（頭部伝達関数との畳み込み）が分けられているため、効率よく短時間で可聴化を行うことが可能となる。例えば、受聴者の頭部の位置や方向などが変化した程度、すなわち、受音点をとりまく仮想面内における移動や方向の変化であれば、計算時間のかかる時系列波動解析を再度実行する必要が無い。
【００２０】
可聴化の仕組み自体は、頭部伝達関数を利用した既存のバイノーラル再生システムを利用できるため、システムを構築することが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係るバイノーラル再生処理の流れを示す図。
【図２】本発明の実施形態に係る解析空間の例を示す図。
【図３】本発明の実施形態に係る頭部中央を中心とする仮想球（面）を示す図。
【図４】本発明の実施形態に係る進行波の抽出を示す図。
【図５】本発明の実施形態に係るバイノーラル再生システムを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明は、時系列の波動解析結果を音として聴くためのバイノーラル再生システムである。そのため、音源や受聴者の位置や向き、境界面の反射・吸音特性を与条件として時系列の波動解析を行い、その結果を音としてヘッドホン聴取により対象とする音場を再現する。図１は、本発明の実施形態に係るバイノーラル再生処理の流れを示す図である。本実施形態における再生処理は、大きく分けて３つのステップ（ＳＴＥＰ１〜３）から成り立っている。各ステップについて以下に述べる。
【００２３】
［ＳＴＥＰ１：時系列音響波動解析］
本実施形態では、音響波動解析として、差分法に基づく時系列解析法を採用する。具体的な解析法としては、ＦＤＴＤ法、ＣＩＰ法などのマルチモーメント法などが挙げられる。本発明においては本質的に解析法の種別は問うものではないが、ここでは、マルチモーメント法（非特許文献１、非特許文献２参照）の採用を前提として話を進める。
【００２４】
また、本実施形態では、解析空間には図２に示されるような直交格子を設定し、マルチモーメント法により各格子点における音圧ｐおよびＸＹＺ各方向それぞれの粒子速度ｕ、ｖ、ｗを求める。その際、解析条件としては、音源の位置、音源にて発せられる音響信号、受音点の位置、初期条件、境界条件などが計算パラメータとして与えられる。
【００２５】
［ＳＴＥＰ２：受聴者に向かって到来する進行波成分算出］
可聴化のためには、受聴者に向かって到来する音波を抽出する必要がある。そこで、特性曲線に基づく移流計算法（特性曲線法の詳細は、非特許文献１を参照）により、受聴点をとりまく（囲むように配置されている）仮想面を想定する。
【００２６】
図３は、この仮想面設定の様子を示した図である。本実施形態では、受聴点をとりまく仮想面として、受聴者の頭部中央を中心とする仮想球面としている。仮想球面を採用することで、受聴点までの距離を等距離とすることが可能となり、計算の簡略化を図ることが
可能となる。
【００２７】
また、仮想面の大きさは、受聴者の頭部が収まる以上の大きさであって、音響波の進行の障害となるものが含まれない以下の大きさ（２０〜２００ｃｍ）に設定することが望ましい。さらに好ましくは、受聴者の頭部が収まる大きさ程度（２０〜６０ｃｍ）とすることが望ましい。
【００２８】
仮想面内では、後で説明を行う頭部伝達関数についての処理を行うだけであるため、このように、できるだけ音響波の進行の障害となるものを含まない大きさとしておくことで、精度の高い音響信号を提供することが可能となる。なお、仮想面の形状、大きさは必要に応じて任意のものとすることが可能であって、形状としては、楕円状の球面や立方体とすることなどが考えられる。
【００２９】
次に、この仮想面境界から到来する音波成分（進行波）を近傍格子上の物理量から求める。図４は、本発明の実施形態に係る進行波の抽出を説明するための図である。ここでは、仮想面上の点Ｑについて、受聴者の頭部中心である点Ｏへの進行波について検討を行う。その手順は以下の通りである。
【００３０】
まず、受聴者の頭部中心の点Ｏを中心とする仮想球面上の点Ｑに関するｎQ＝（ｎx，ｎy，ｎz）方向の移流を考える。点Ｑは、点ＯのｎQ方向移流の上流点に相当し、仮想球の
半径はｒ＝ｃ0Δｔとしている。ここで、ｃ0は音速、Δｔは時系列解析における時間刻み幅である。またｎQは、仮想球面境界における内向きの法線ベクトルとなり、その大きさ
は１である。
【００３１】
次に、仮想球面上の点Ｑにおける物理量（音圧、粒子速度およびその勾配）を近傍の格子点における物理量から求める。例えば、図４では、点Ｑの近傍の、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ４点の物理量から点Ｑの物理量を求める。その際、ＣＩＰ法、マルチモーメント法などによる多項式補間を行うことで、高精度に点Ｑの物理量を得ることができる。なお、図４は２次元での説明としているが、３次元の場合も同様にして求めることができる。
【００３２】
次に、先に求めた点Ｑの物理量から移流量ｆ+を求めて、ｎQ方向に移流させる。移流量ｆ+は次式で表すことができる。
【００３３】
【数１】
2011244292.tif 000003
ここにｐQ（ｔ）は点Ｑの音圧、ｕQ（ｔ）、ｖQ（ｔ）、ｗQ（ｔ）はそれぞれＸＹＺ各方向の粒子速度、ｔは時間、ρは媒質密度である。
【００３４】
特性曲線法により、式（１）のｆ+が点Ｏにそのまま移流することになる。本実施形態
では、仮想球面上に設定した全ての点について点Ｏへの進行波を検討するため、点Ｏに関して点Ｑと対称な点Ｑ'での進行波は、点Ｑ'にて計算することとしている。そのため、後退波成分、すなわち、点Ｑ'から点Ｏに向かう成分を無視（ゼロとする）して進行波成分
のみに着目すると、式（１）から容易に点Ｏの物理量を求めることができ、次式のようになる。これは、特性曲線（本実施形態では点Ｑから点Ｏに向かう直線）上では移流量が保存されることに基づくものである。
【００３５】
【数２】
2011244292.tif 000004
【００３６】
【数３】
2011244292.tif 000005
ここで、ｐo,Q（ｔ）は点Ｏの音圧、ｚo,Q（ｔ）はｎQ方向の粒子速度である。この処
理を仮想球面全体に対して行うことで、仮想球面から受聴者頭部中心へと向かう進行波の分布を得ることができる。ここでは、音圧を示す式（２）を用いて進行波の物理量の計算を行う。
【００３７】
したがって、仮想球面上にＭ個の移流上流点（点Ｑ）を設定した場合、点Ｏで観測される到来波による音圧ＰOは式（２）から次式（４）と表すことができる。
【００３８】
【数４】
2011244292.tif 000006
式（４）における添え字ｍのある変数はｍ番目の仮想球面上の点Ｑmの物理量または法
線ベクトル成分を表す。
【００３９】
［ＳＴＥＰ３：ＨＲＴＦ畳み込み］
音源方向を（θm, φm）とする左耳、右耳用の頭部伝達関数を、それぞれＨＲＴＦL（ｔ,
θm, φm）、ＨＲＴＦR（ｔ, θm, φm）と表すこととする。ここに（θm, φm）とｎm は次の関係式を満足する。なお、θmは、受聴者に対する音源の水平角を、φmは、受聴者に対する音源の仰角を示している。
【００４０】
【数５】
2011244292.tif 000007
式（４）にて求めた音圧に対し、左右それぞれの頭部伝達関数を畳み込むことで、左右それぞれの耳で再生される音響信号を求めることができる。ここにＰO,L（ｔ）は左の耳
で再生される音響信号を、ＰO,R（ｔ）は右の耳で再生される音響信号を示すものであり
、＊を丸で囲った記号は畳み込み演算を示すものである。
【００４１】
【数６】
2011244292.tif 000008
【００４２】
【数７】
2011244292.tif 000009
以上、本発明の実施形態について説明を行ったが、本発明によれば、受音点まわりに仮想面を設定し、仮想面上での物理量について時系列波動解析を利用して算出し、算出された物理量に基づいて、仮想面上の各位置における受音点方向への移流量を算出することで、精度の高い音響シミュレーションを行うことが可能となる。特に、従来の音線を用いた幾何学的手法などと比較して中低周波数域での可聴化精度、臨場感の向上を図ることができる。
【００４３】
さらに、算出された移流量と頭部伝達関数に基づく簡易な計算で、受聴者に聴取される音響信号を求めることが可能となる。そのため、予め、仮想面上の各位置における受音点方向への移流量、あるいは、音圧など移流量に基づく物理量を計算しておくことで、受聴者の方向、位置を変更した場合、再度、時系列波動解析を行う必要が無く、簡易な計算で対応することが可能となる。
【００４４】
図５は、本発明の実施形態に係るバイノーラル再生システムを示す図である。本実施形態のバイノーラル再生システム３０は、記憶部３１、算出部３２、入力部３３、Ｄ／Ａ変換器３４、画像制御部３５を備えて構成されている。
【００４５】
操作者は、入力部３３を介して音源、受音点に関する諸情報、音源から発する時系列音響信号、初期条件、ホール、あるいは、仮想空間の形状、反射条件などからなる境界条件を入力する。入力部３３としては、キーボードなどの他、データを取り込むことのできるインターフェイスを採用することが可能である。
【００４６】
入力部３３で取り込まれたデータに基づき、図１で説明したステップ１〜３によるバイノーラル再生処理が実行される。この再生処理の結果、生成された音響信号はＤ／Ａ変換器３４を介してヘッドホン４１に出力され、受聴者に聴取される。なお、ホールシミュレーションなどの場合には、入力したデータによるホール形状や、受聴位置におけるホール内部の様子を表示部４２に出力してもよい。また、バーチャルリアリティにおいては、受聴音のみならず、仮想空間における視覚情報を表示部４２に表示させることとしてもよい。
【００４７】
このバイノーラル再生システム３０では、図１で説明したステップ１〜ステップ３の全ての計算を行うこととしているが、バイノーラル再生処理については、必ずしも全てを同時期に行う必要はない。例えば、ステップ１にて説明した時間のかかる時系列解析、並びに、ステップ２における仮想球での移流量などの計算については、このバイノーラル再生システム３０で事前に、あるいは、より計算能力の高い他のシステムなどで行っておき、その結果だけを記憶部３１に記憶しておいてもよい。
【００４８】
計算された移流量、あるいは、移流量に基づく物理量を、記憶部３１に記憶しておくことで、処理量が多く、また、時間のかかる処理を削減することができる。そのため、バイノーラル再生システム３０では、移流量から物理量を求め頭部伝達関数と畳み込む、あるいは、移流量に基づく物理量に頭部伝達関数を畳み込むだけで、聴取する音響信号を生成することが可能となる。
【００４９】
また、設定された受音点をとりまく仮想面内であれば、伝達関数を変化させるのみで容易に受音位置や、受音方向を変更することが可能となり、処理能力の低いコンピュータで
あっても、迅速に音響信号を再生させることが可能となる。
【００５０】
なお、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。
【符号の説明】
【００５１】
３０…バイノーラル再生システム、３１…記憶部、３２…算出部、３３…入力部、３４…Ｄ／Ａ変換器、３５…画像制御部、４１…ヘッドホン、４２…表示部
【図１】
2011244292.tif 000010
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2011244292.tif 000014