(57)【要約】【課題】マイクアレーよりも音源側にある波面を再現する波面合成法の技術を提供する。【解決手段】周波数領域変換部１が、マイクアレーで収音された音信号をフーリエ変換により周波数領域信号に変換する。窓関数部２が、周波数領域信号に窓関数を乗じて窓関数後周波数領域信号を生成する。フィルタ部３が、マイクアレーよりも音源に近い位置での波面を不均質波を無視することにより模擬したフィルタを窓関数後周波数領域信号に適用する。時間領域変換部４が、フィルタを適用した後の信号を逆フーリエ変換により時間領域信号に変換する。【選択図】図１
2011244306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクアレーで収音された音信号をフーリエ変換により周波数領域信号に変換する周波数領域変換部と、
上記周波数領域信号に窓関数を乗じて窓関数後周波数領域信号を生成する窓関数部と、
上記マイクアレーよりも音源に近い位置での波面を模擬したフィルタを上記窓関数後周波数領域信号に適用するフィルタ部と、
上記フィルタを適用した後の信号を逆フーリエ変換により時間領域信号に変換する時間領域変換部と、
を含む音場収音再生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の音場収音再生装置において、
上記音場収音再生装置は、収音装置及びと再生装置を備え、
上記収音装置は、上記周波数領域変換部と上記窓関数部と上記フィルタ部とを含み、
上記再生装置は、上記時間領域変換部を含む、
ことを特徴とする音場収音再生装置。
【請求項３】
請求項１に記載の音場収音再生装置において、
上記音場収音再生装置は、収音装置及びと再生装置を備え、
上記収音装置は、上記周波数領域変換部を含み、
上記再生装置は、上記窓関数部と上記フィルタ部と上記時間領域変換部とを含む、
ことを特徴とする音場収音再生装置。
【請求項４】
請求項１に記載の音場収音再生装置において、
上記音場収音再生装置は、収音装置及びと再生装置を備え、
上記収音装置は、上記周波数領域変換部と上記窓関数部とを含み、
上記再生装置は、上記フィルタ部と上記時間領域変換部を含む、
ことを特徴とする音場収音再生装置。
【請求項５】
請求項１から４の何れかに記載の音場収音再生装置において、
Ｎｘ，Ｎｙ，Ｎｘ’，Ｎｙ’を正の整数とし、上記マイクアレーは二次元平面に配置されたＮｘ×Ｎｙ個のモノポール特性のマイクで構成されており、上記時間領域信号を再生するスピーカアレーは二次元平面に配置されたＮｘ’×Ｎｙ’個のモノポール特性のスピーカで構成されており、ｘ方向にｉ番目ｙ方向にｊ番目のマイクの位置を（ｘｉ，ｙｊ，ｚ１）と表記し、ｘ方向にｎ番目ｙ方向のｍ番目のスピーカの位置を（ｘｎ，ｙｍ，ｚ２）と表記し、ｋを波数とし、Ｈｎｍ（ｉ，ｊ，ω）をフィルタ、Ｆｗ（ｉ，ｊ，ω）を窓関数後周波数領域信号、Ｇ（ｎ，ｍ，ω）を上記フィルタを適用した後の信号として、
上記フィルタ部は次式で定義される処理を行う、
【数２０】
2011244306.tif 000022
ことを特徴とする音場収音再生装置。
【請求項６】
請求項１から４の何れかに記載の音場収音再生装置において、
Ｎｘ，Ｎｙ，Ｎｘ’，Ｎｙ’を正の整数とし、上記マイクアレーは二次元平面に配置されたＮｘ×Ｎｙ個のダイポール特性のマイクで構成されており、上記時間領域信号を再生するスピーカアレーは二次元平面に配置されたＮｘ’×Ｎｙ’個のモノポール特性のスピーカで構成されており、ｘ方向にｉ番目ｙ方向にｊ番目のマイクの位置を（ｘｉ，ｙｊ，ｚ１）と表記し、ｘ方向にｎ番目ｙ方向のｍ番目のスピーカの位置を（ｘｎ，ｙｍ，ｚ２）と表記し、ｋを波数とし、Ｈｎｍ（ｉ，ｊ，ω）をフィルタ、Ｆｗ（ｉ，ｊ，ω）を窓関数後周波数領域信号、Ｇ（ｎ，ｍ，ω）を上記フィルタを適用した後の信号として、
上記フィルタ部は次式で定義される処理を行う、
【数２１】
2011244306.tif 000023
ことを特徴とする音場収音再生装置。
【請求項７】
請求項１から４の何れかに記載の音場収音再生装置において、
Ｎｘ，Ｎｙ，Ｎｘ’，Ｎｙ’を正の整数とし、上記マイクアレーは二次元平面に配置されたＮｘ×Ｎｙ個のモノポール特性のマイクで構成されており、上記時間領域信号を再生するスピーカアレーは二次元平面に配置されたＮｘ’×Ｎｙ’個のダイポール特性のスピーカで構成されており、ｘ方向にｉ番目ｙ方向にｊ番目のマイクの位置を（ｘｉ，ｙｊ，ｚ１）と表記し、ｘ方向にｎ番目ｙ方向のｍ番目のスピーカの位置を（ｘｎ，ｙｍ，ｚ２）と表記し、ｋを波数とし、Ｈｎｍ（ｉ，ｊ，ω）をフィルタ、Ｆｗ（ｉ，ｊ，ω）を窓関数後周波数領域信号、Ｇ（ｎ，ｍ，ω）を上記フィルタを適用した後の信号として、
上記フィルタ部は次式で定義される処理を行う、
【数２２】
2011244306.tif 000024
ことを特徴とする音場収音再生装置。
【請求項８】
請求項１から４の何れかに記載の音場収音再生装置において、
Ｎｘ，Ｎｙ，Ｎｘ’，Ｎｙ’を正の整数とし、上記マイクアレーは二次元平面に配置されたＮｘ×Ｎｙ個のダイポール特性のマイクで構成されており、上記時間領域信号を再生するスピーカアレーは二次元平面に配置されたＮｘ’×Ｎｙ’個のダイポール特性のスピーカで構成されており、ｘ方向にｉ番目ｙ方向にｊ番目のマイクの位置を（ｘｉ，ｙｊ，ｚ１）と表記し、ｘ方向にｎ番目ｙ方向のｍ番目のスピーカの位置を（ｘｎ，ｙｍ，ｚ２）と表記し、ｋを波数とし、Ｈｎｍ（ｉ，ｊ，ω）をフィルタ、Ｆｗ（ｉ，ｊ，ω）を窓関数後周波数領域信号、Ｇ（ｎ，ｍ，ω）を上記フィルタを適用した後の信号として、
上記フィルタ部は次式で定義される処理を行う、
【数２３】
2011244306.tif 000025
ことを特徴とする音場収音再生装置。
【請求項９】
請求項１から４の何れかに記載の音場収音再生装置において、
Ｎｘ，Ｎｘ’を正の整数とし、上記マイクアレーは一次元平面に配置されたＮｘ個のモノポール特性のマイクで構成されており、上記時間領域信号を再生するスピーカアレーは一次元平面に配置されたＮｘ’個のモノポール特性のスピーカで構成されており、ｘ方向にｉ番目のマイクの位置を（ｘｉ，ｙ１，ｚ１）と表記し、ｘ方向にｎ番目のスピーカの位置を（ｘｎ，ｙ２，ｚ２）と表記し、ｋを波数とし、Ｈｎ（ｉ，ω）をフィルタ、Ｆｗ（ｉ，ω）を窓関数後周波数領域信号、Ｇ（ｎ，ω）を上記フィルタを適用した後の信号、Ｈｎ（１）（・）を第一種ハンケル関数、Ｈｎ（２）（・）を第二種ハンケル関数として、
上記フィルタ部は次式で定義される処理を行い、
【数２４】
2011244306.tif 000026
上記フィルタを適用した後の信号Ｇ（ｎ，ω）に対して次式により定義されるフィルタ処理を行う補正フィルタ部を更に含み、
【数２５】
2011244306.tif 000027
上記時間領域変換部は、上記フィルタを適用した後の信号に代えて、上記補正フィルタによる補正後の信号Ｇ’（ｎ，ω）を逆フーリエ変換により時間領域信号に変換する、
ことを特徴とする音場収音再生装置。
【請求項１０】
請求項１から４の何れかに記載の音場収音再生装置において、
Ｎｘ，Ｎｘ’を正の整数とし、上記マイクアレーは一次元平面に配置されたＮｘ個のダイポール特性のマイクで構成されており、上記時間領域信号を再生するスピーカアレーは一次元平面に配置されたＮｘ’個のモノポール特性のスピーカで構成されており、ｘ方向にｉ番目のマイクの位置を（ｘｉ，ｙ１，ｚ１）と表記し、ｘ方向にｎ番目のスピーカの位置を（ｘｎ，ｙ２，ｚ２）と表記し、ｋを波数とし、Ｈｎ（ｉ，ω）をフィルタ、Ｆｗ（ｉ，ω）を窓関数後周波数領域信号、Ｇ（ｎ，ω）を上記フィルタを適用した後の信号、Ｈｎ（１）（・）を第一種ハンケル関数、Ｈｎ（２）（・）を第二種ハンケル関数として、
上記フィルタ部は次式で定義される処理を行い、
【数２６】
2011244306.tif 000028
上記フィルタを適用した後の信号Ｇ（ｎ，ω）に対して次式により定義されるフィルタ処理を行う補正フィルタ部を更に含み、
【数２７】
2011244306.tif 000029
上記時間領域変換部は、上記フィルタを適用した後の信号に代えて、上記補正フィルタによる補正後の信号Ｇ’（ｎ，ω）を逆フーリエ変換により時間領域信号に変換する、
ことを特徴とする音場収音再生装置。
【請求項１１】
請求項１から４の何れかに記載の音場収音再生装置において、
Ｎｘ，Ｎｘ’を正の整数とし、上記マイクアレーは一次元平面に配置されたＮｘ個のモノポール特性のマイクで構成されており、上記時間領域信号を再生するスピーカアレーは一次元平面に配置されたＮｘ’個のダイポール特性のスピーカで構成されており、ｘ方向にｉ番目のマイクの位置を（ｘｉ，ｙ１，ｚ１）と表記し、ｘ方向にｎ番目のスピーカの位置を（ｘｎ，ｙ２，ｚ２）と表記し、ｋを波数とし、Ｈｎ（ｉ，ω）をフィルタ、Ｆｗ（ｉ，ω）を窓関数後周波数領域信号、Ｇ（ｎ，ω）を上記フィルタを適用した後の信号、Ｈｎ（１）（・）を第一種ハンケル関数、Ｈｎ（２）（・）を第二種ハンケル関数として、
上記フィルタ部は次式で定義される処理を行い、
【数２８】
2011244306.tif 000030
上記フィルタを適用した後の信号Ｇ（ｎ，ω）に対して次式により定義されるフィルタ処理を行う補正フィルタ部を更に含み、
【数２９】
2011244306.tif 000031
上記時間領域変換部は、上記フィルタを適用した後の信号に代えて、上記補正フィルタによる補正後の信号Ｇ’（ｎ，ω）を逆フーリエ変換により時間領域信号に変換する、
ことを特徴とする音場収音再生装置。
【請求項１２】
請求項１から４の何れかに記載の音場収音再生装置において、
Ｎｘ，Ｎｘ’を正の整数とし、上記マイクアレーは一次元平面に配置されたＮｘ個のダイポール特性のマイクで構成されており、上記時間領域信号を再生するスピーカアレーは一次元平面に配置されたＮｘ’個のダイポール特性のスピーカで構成されており、ｘ方向にｉ番目のマイクの位置を（ｘｉ，ｙ１，ｚ１）と表記し、ｘ方向にｎ番目のスピーカの位置を（ｘｎ，ｙ２，ｚ２）と表記し、ｋを波数とし、Ｈｎ（ｉ，ω）をフィルタ、Ｆｗ（ｉ，ω）を窓関数後周波数領域信号、Ｇ（ｎ，ω）を上記フィルタを適用した後の信号、Ｈｎ（１）（・）を第一種ハンケル関数、Ｈｎ（２）（・）を第二種ハンケル関数として、
上記フィルタ部は次式で定義される処理を行い、
【数３０】
2011244306.tif 000032
上記フィルタを適用した後の信号Ｇ（ｎ，ω）に対して次式により定義されるフィルタ処理を行う補正フィルタ部を更に含み、
【数３１】
2011244306.tif 000033
上記時間領域変換部は、上記フィルタを適用した後の信号に代えて、上記補正フィルタによる補正後の信号Ｇ’（ｎ，ω）を逆フーリエ変換により時間領域信号に変換する、
ことを特徴とする音場収音再生装置。
【請求項１３】
マイクアレーで収音された音信号をフーリエ変換により周波数領域信号に変換する周波数領域変換ステップと、
上記周波数領域信号に窓関数を乗じて窓関数後周波数領域信号を生成する窓関数ステップと、
上記マイクアレーよりも音源に近い位置での波面を模擬したフィルタを上記窓関数後周波数領域信号に適用するフィルタステップと、
上記フィルタを適用した後の信号を逆フーリエ変換により時間領域信号に変換する時間領域変換ステップと、
を含む音場収音再生方法。
【請求項１４】
請求項１に記載された音場収音再生装置の各部としてコンピュータを機能させるための音場収音再生プログラム。
【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アレーで音信号を収音し、その音信号を用いてスピーカアレーでその音場を再生する波面合成法（Wave Field Synthesis）の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
波面合成法は、複数のマイクとスピーカを用いて遠隔地の音場を仮想的に再現する技術である。波面合成法を実行する際には、音場を再現するための波面の位置を自在にコントロールできることが重要である。これにより、再生した音場に仮想的なイメージを与えたり、音響効果を加えることができるためである。
【０００３】
非特許文献１に記載された技術においては、図１６に示すマイクアレーＭで収音した音信号を用いて、マイクアレーＭよりも音源Ｓから離れた位置にある波面Ａを再現することができた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Sascha Spors, Rudolf Rabenstein, and Jens Ahrens, “The Theory of Wave Field Synthesis Revisited”, 124th Convention of the Audio Engineering Society Amsterdam, 2008 May 17-20
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献１に記載された技術においては、マイクアレーＭよりも音源Ｓ側にある波面Ｂ（図１６参照）を再現することはできないという課題があった。
【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、マイクアレーで収音された音信号をフーリエ変換により周波数領域信号に変換し、周波数領域信号に窓関数を乗じて窓関数後周波数領域信号を生成し、マイクアレーよりも音源に近い位置での波面を模擬したフィルタを窓関数後周波数領域信号に適用し、フィルタを適用した後の信号を逆フーリエ変換により時間領域信号に変換する。
【発明の効果】
【０００７】
不均質波を無視することにより計算したフィルタを適用することにより、マイクアレーＭよりも音源Ｓ側にある波面Ｂ（図１６参照）を再現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第一実施形態の音場収音再生装置の例の機能ブロック図。
【図２】第一実施形態の音場収音再生装置のマイクアレー及びスピーカアレーの配置の例を説明するための図。
【図３】第二実施形態の音場収音再生装置の例の機能ブロック図。
【図４】第一実施形態の音場収音再生装置のマイクアレー及びスピーカアレーの配置の例を説明するための図。
【図５】音場収音再生方法の例を示す流れ図。
【図６】ダイポール特性のマイクの例を説明するための図。
【図７】シミュレーションの条件を示すための図。
【図８】従来のＷＦＳによってｚ＝０の波面を再現することにより音場を再現したシミュレーション結果を示す図。
【図９】図５に対応する理想的な音場を示す図。
【図１０】この発明によりｚ＝−０．６ｍの波面を再現することにより音場を再現したシミュレーション結果を示す図。
【図１１】図７に対応する理想的な音場を示す図。
【図１２】この発明によりｚ＝−２ｍの波面を再現することにより音場を再現したシミュレーション結果を示す図。
【図１３】図９に対応する理想的な音場を示す図。
【図１４】この発明により音源が２つある音場を再現したシミュレーション結果を示す図。
【図１５】図１１に対応する理想的な音場を示す図。
【図１６】再現しようとする波面の位置を説明するための図。
【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一実施形態を説明する。
【００１０】
［第一実施形態］
第一実施形態の音場収音再生装置及び方法は、図２に示す第一の部屋のｚ＝ｚ１の位置に配置されたＮｘ×Ｎｙ個のモノポール特性のマイクで構成される二次元マイクアレーＭ１−１，Ｍ２−１，…，ＭＮｘ−Ｎｙで収音した音信号を用いて以下に説明する方法でｚ＝ｚ２の位置の波面Ｂを計算して、第二の部屋に配置されたＮｘ’×Ｎｙ’個のモノポール特性のスピーカで構成される二次元スピーカアレーＳ１−１，Ｓ２−１，…，ＳＮｘ’−Ｎｙ’で再現する。
【００１１】
Ｎｘ，Ｎｙ，Ｎｘ’，Ｎｙ’は任意の整数である。ＮｘとＮｘ’は異なっていてもよい。また、ＮｙとＮｙ’も異なっていてもよい。すなわち、マイクアレーを構成するマイクの数とスピーカアレーを構成するスピーカの数は同じでなくてもよく、マイクアレーを構成するマイクとスピーカアレーを構成するスピーカとは必ずしも一対一対応している必要はない。
【００１２】
第一の部屋のｚ＝ｚ１の位置に配置された二次元マイクアレーＭ１−１，Ｍ２−１，…，ＭＮｘ−Ｎｙを構成する各マイクの位置をｒｓ＝（ｘｉ，ｙｊ，ｚ１）と表わすことにする。第一の部屋のｚ＝ｚ２での波面Ｂを再現する第二の部屋に配置された二次元スピーカアレーＳ１−１，Ｓ２−１，…，ＳＮｘ’−Ｎｙ’を構成する各スピーカの位置をｒｓ’＝（ｘｎ，ｙｎ，ｚ２）と表わすことにする。
【００１３】
第一実施形態の音場収音再生装置は、図１に示すように周波数領域変換部１、窓関数部２、フィルタ部３、時間領域変換部４を例えば含み、図５の実線で示された処理を行う。
【００１４】
第一の部屋のｚ＝ｚ１の位置に配置された二次元マイクアレーＭ１−１，Ｍ２−１，…，ＭＮｘ−Ｎｙは、第一の部屋の音源Ｓで発せられた音を収音して時間領域の音信号を生成する。生成された音信号は、周波数領域変換部１に送られる。ｒｓ＝（ｘｉ，ｙｊ，ｚ１）のマイクＭｉ−ｊで収音された時間領域の時刻ｔの音信号をｆ（ｉ，ｊ，ｔ）と表記する。
【００１５】
周波数領域変換部１は、マイクアレーＭ１−１，Ｍ２−１，…，ＭＮｘ−Ｎｙで収音された音信号ｆ（ｉ，ｊ，ｔ）をフーリエ変換により周波数領域信号Ｆ（ｉ，ｊ，ω）に変換する（ステップＳ１）。生成された周波数領域信号Ｆ（ｉ，ｊ，ω）は、窓関数部２に送られる。ωは周波数である。例えば、短時間フーリエ変換により周波数領域信号Ｆ（ｉ，ｊ，ω）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Ｆ（ｉ，ｊ，ω）を生成してもよい。
【００１６】
窓関数部２は、周波数領域信号Ｆ（ｉ，ｊ，ω）に窓関数を乗じて窓関数後周波数領域信号Ｆｗ（ｊ，ｊ，ω）を生成する（ステップＳ２）。窓関数後周波数領域信号Ｆｗ（ｊ，ｊ，ω）は、フィルタ部３に送られる。窓関数として、以下の式より定義されるいわゆるターキー（Turkey）窓関数ｗ（ｉ，ｊ）を例えば用いる。Ｎｔｐｒは、テーパーを適用する点数であり１以上Ｎｘ，Ｎｙ以下の整数である。
【００１７】
【数１】
2011244306.tif 000003
【００１８】
フィルタ部３は、マイクアレーよりも音源に近い位置での波面Ｂを不均質波を無視することにより模擬したフィルタを窓関数後周波数領域信号Ｆｗ（ｊ，ｊ，ω）に適用する（ステップＳ３）。フィルタを適用した後の信号をＧ（ｎ，ｍ，ω）と表記すると、フィルタ部３の処理は次式のように表わされる。ｋは波数であり、ｃを音速とすると、ｋ＝ω／ｃである。ｅはネピア数、πは円周率である。フィルタが次式のように表わされる理由については後述する。Ｇ（ｎ，ｍ，ω）は、時間領域変換部４に送られる。
【００１９】
【数２】
2011244306.tif 000004
【００２０】
時間領域変換部４は、フィルタを適用した後の信号Ｇ（ｎ，ｍ，ω）を逆フーリエ変換により時間領域信号ｇ（ｎ，ｍ，ｔ）に変換する（ステップＳ４）。逆フーリエ変換は既存の方法を用いればよい。時間領域信号ｇ（ｎ，ｍ，ｔ）は、スピーカアレーＳ１−１，Ｓ２−１，…，ＳＮｘ’−Ｎｙ’に送られる。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ｇ（ｎ，ｍ，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。
【００２１】
スピーカアレーＳ１−１，Ｓ２−１，…，ＳＮｘ’−Ｎｙ’は、時間領域信号ｇ（ｎ，ｍ，ｔ）に基づいて音を再生する。より詳細には、ｎ＝１，…，Ｎｘ’，ｍ＝１，…，Ｎｙ’として、スピーカＳｎ−ｍが時間領域信号ｇ（ｎ，ｍ，ｔ）に基づいて音を再生する。これにより、第一の部屋のｚ＝ｚ２の位置の波面Ｂを第二の部屋のスピーカアレーＳ１−１，Ｓ２−１，…，ＳＮｘ’−Ｎｙ’で再現して、第一の部屋の音場を第二の部屋に再現することができる。
【００２２】
このように、マイクアレーよりも音源に近い位置での波面を不均質波を無視することにより模擬したフィルタを適用することにより、マイクアレーよりも音源Ｓ側にある波面Ｂを再現することができる。図２のように、第一の部屋において音源Ｓが位置ｚ＝ｚ１とｚ＝ｚ２との間にある場合には、第二の部屋においてスピーカアレーＳ１−１，Ｓ２−１，…，ＳＮｘ’−Ｎｙ’の前面に音源Ｓ’があるような音場を再現することができる。
【００２３】
なお、再現できる波面の大きさは、マイクアレーで収音した平面の面積と同程度の大きさである。
【００２４】
ダイポール収音−モノポール再生
第一実施形態の音場収音再生装置において、マイクアレーＭ１−１，Ｍ２−１，…，ＭＮｘ−Ｎｙをダイポール特性のマイクで構成し、スピーカアレーＳ１−１，Ｓ２−１，…，ＳＮｘ’−Ｎｙ’をモノポール特性のスピーカで構成した場合には、フィルタ部３は以下の式により表わされる処理を行えばよい。
【００２５】
【数３】
2011244306.tif 000005
【００２６】
ダイポール特性のマイクｍ１は、図６に示すように例えば２個のモノポール特性のマイクｍ２により構成することができる。この場合、２個のモノポール特性のマイクｍ２で収音した音信号の差分を、ダイポール特性のマイクｍ１で収音した音信号とすればよい。図６において、２個のモノポール特性のマイクｍ２の中点がダイポール特性のマイクｍ１の位置となり、この位置にマイクアレーＭ１−１，Ｍ２−１，…，ＭＮｘ−Ｎｙの面Ｍが形成される。２個のモノポール特性のマイクｍ２を結ぶ直線は、マイクアレーＭ１−１，Ｍ２−１，…，ＭＮｘ−Ｎｙの面Ｍと直交する。
【００２７】
モノポール収音−ダイポール再生
第一実施形態の音場収音再生装置において、マイクアレーＭ１−１，Ｍ２−１，…，ＭＮｘ−Ｎｙをモノポール特性のマイクで構成し、スピーカアレーＳ１−１，Ｓ２−１，…，ＳＮｘ’−Ｎｙ’をダイポール特性のスピーカで構成した場合には、フィルタ部３は以下の式により表わされる処理を行えばよい。
【００２８】
【数４】
2011244306.tif 000006
【００２９】
ダイポール特性のスピーカは、図６に示したダイポール特性のマイクｍ１と同様に、例えば２個のモノポール特性のスピーカにより構成することができる。この場合、２個のモノポール特性のスピーカを逆相で駆動すれば、ダイポール特性を実現することができる。２個のモノポール特性のスピーカの中点にスピーカアレーＳ１−１，Ｓ２−１，…，ＳＮｘ’−Ｎｙ’の面が位置し、かつ、２個のモノポール特性のスピーカを結ぶ直線は、スピーカアレーＳ１−１，Ｓ２−１，…，ＳＮｘ’−Ｎｙ’の面と直交する。
【００３０】
ダイポール収音−ダイポール再生
第一実施形態の音場収音再生装置において、マイクアレーＭ１−１，Ｍ２−１，…，ＭＮｘ−Ｎｙをダイポール特性のマイクで構成し、スピーカアレーＳ１−１，Ｓ２−１，…，ＳＮｘ’−Ｎｙ’をダイポール特性のスピーカで構成した場合には、フィルタ部３は以下の式により表わされる処理を行えばよい。
【００３１】
【数５】
2011244306.tif 000007
【００３２】
［第二実施形態］
第一実施形態の音場収音再生装置及び方法は二次元マイクアレー及び二次元スピーカアレーを用いるのに対して、第二実施形態の音場収音再生装置及び方法は一次元マイクアレー及び二次元スピーカアレーを用いる。これにより、マイク数、スピーカ数及びチャネル数を少なくすることができるため、実装が比較的容易となる。
【００３３】
第二実施形態の音場収音再生装置及び方法は、図４に示す第一の部屋のｙ＝ｙ１，ｚ＝ｚ１の位置に配置されたＮｘ個のモノポール特性のマイクで構成される一次元マイクアレーＭ１−１，Ｍ２−１，…，ＭＮｘ−１で収音した音信号を用いて以下に説明する方法でｙ＝ｙ２，ｚ＝ｚ２の位置の波面Ｂを計算して、第二の部屋に配置されたＮｘ’個のモノポール特性のスピーカで構成される一次元スピーカアレーＳ１−１，Ｓ２−１，…，ＳＮｘ’−１’で再現する。
【００３４】
Ｎｘ，Ｎｘ’は任意の整数である。ＮｘとＮｘ’は異なっていてもよい。すなわち、マイクアレーを構成するマイクの数とスピーカアレーを構成するスピーカの数は同じでなくてもよく、マイクアレーを構成するマイクとスピーカアレーを構成するスピーカとは必ずしも一対一対応している必要はない。
【００３５】
第一の部屋のｙ＝ｙ１，ｚ＝ｚ１の位置に配置された一次元マイクアレーＭ１−１，Ｍ２−１，…，ＭＮｘ−１を構成する各マイクの位置をｒｓ＝（ｘｉ，ｙ１，ｚ１）と表わすことにする。第一の部屋のｙ＝ｙ２，ｚ＝ｚ２での波面Ｂを再現する第二の部屋に配置された一次元スピーカアレーＳ１−１，Ｓ２−１，…，ＳＮｘ’−１を構成する各スピーカの位置をｒｓ’＝（ｘｎ，ｙ２，ｚ２）と表わすことにする。
【００３６】
第二実施形態の音場収音再生装置は、図３に示すように周波数領域変換部１、窓関数部２、フィルタ部３、時間領域変換部４、補正フィルタ部５を例えば含み、図５の実線及び破線で示された処理を行う。
【００３７】
第一の部屋のｙ＝ｙ１，ｚ＝ｚ１の位置に配置された一次元マイクアレーＭ１−１，Ｍ２−１，…，ＭＮｘ−１は、第一の部屋の音源Ｓで発せられた音を収音して時間領域の音信号を生成する。生成された音信号は、周波数領域変換部１に送られる。ｒｓ＝（ｘｉ，ｙ１，ｚ１）のマイクＭｉ−１で収音された時間領域の時刻ｔの音信号をｆ（ｉ，ｔ）と表記する。
【００３８】
周波数領域変換部１は、マイクアレーＭ１−１，Ｍ２−１，…，ＭＮｘ−１で収音された音信号ｆ（ｉ，ｔ）をフーリエ変換により周波数領域信号Ｆ（ｉ，ω）に変換する（ステップＳ１）。生成された周波数領域信号Ｆ（ｉ，ω）は、窓関数部２に送られる。ωは周波数である。例えば、短時間フーリエ変換により周波数領域信号Ｆ（ｉ，ω）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Ｆ（ｉ，ω）を生成してもよい。
【００３９】
窓関数部２は、周波数領域信号Ｆ（ｉ，ω）に窓関数を乗じて窓関数後周波数領域信号Ｆｗ（ｉ，ω）を生成する（ステップＳ２）。窓関数後周波数領域信号Ｆｗ（ｉ，ω）は、フィルタ部３に送られる。窓関数として、以下の式より定義されるいわゆるターキー（Turkey）窓関数ｗｘ（ｉ）を例えば用いる。Ｎｔｐｒは、テーパーを適用する点数であり１以上Ｎｘ以下の整数である。
【００４０】
【数６】
2011244306.tif 000008
【００４１】
フィルタ部３は、マイクアレーよりも音源に近い位置での波面Ｂを不均質波を無視することにより模擬したフィルタを窓関数後周波数領域信号Ｆｗ（ｉ，ω）に適用する（ステップＳ３）。フィルタを適用した後の信号をＧ（ｎ，ω）と表記すると、フィルタ部３の処理は次式のように表わされる。ｋは波数であり、ｃを音速とすると、ｋ＝ω／ｃである。ｅはネピア数、πは円周率である。フィルタが次式のように表わされる理由については後述する。Ｇ（ｎ，ω）は、時間領域変換部４に送られる。
【００４２】
【数７】
2011244306.tif 000009
【００４３】
Ｈｎ（１）（ｘ）は第一種ハンケル関数であり、Ｈｎ（２）（ｘ）は第二種ハンケル関数である。第一種ハンケル関数Ｈｎ（１）（ｘ）及び第二種ハンケル関数Ｈｎ（２）（ｘ）は、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。
【００４４】
【数８】
2011244306.tif 000010
【００４５】
補正フィルタ部５は、１次アレーで近似することによる誤差を補正するために、以下の補正フィルタを用いてＧ（ｎ，ω）を補正して、補正後の信号Ｇ’（ｎ，ω）を得る（ステップＳ５）。
【００４６】
【数９】
2011244306.tif 000011
【００４７】
端数ｋ＝ω／ｃであり、ω＝０のＤＣ成分の場合には上記式の右辺の平方根の分母ｊｋが０となるため、上記の補正フィルタを適用することはできない。このため、ω＝０の場合には、Ｇ’（ｎ，ω）＝Ｇ’（ｎ，０）＝０とする。
【００４８】
時間領域変換部４は、補正フィルタを適用した後の信号Ｇ’（ｎ，ω）を逆フーリエ変換により時間領域信号ｇ（ｎ，ｔ）に変換する（ステップＳ４）。逆フーリエ変換は既存の方法を用いればよい。時間領域信号ｇ（ｎ，ｔ）は、スピーカアレーＳ１−１，Ｓ２−１，…，ＳＮｘ’−１に送られる。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ｇ（ｎ，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。
【００４９】
スピーカアレーＳ１−１，Ｓ２−１，…，ＳＮｘ’−１は、時間領域信号ｇ（ｎ，ｔ）に基づいて音を再生する。より詳細には、ｎ＝１，…，Ｎｘ’として、スピーカＳｎ−１が時間領域信号ｇ（ｎ，ｔ）に基づいて音を再生する。これにより、第一の部屋のｙ＝ｙ２，ｚ＝ｚ２の位置の波面Ｂを第二の部屋のスピーカアレーＳ１−１，Ｓ２−１，…，ＳＮｘ’−１で再現して、第一の部屋の音場を第二の部屋に再現することができる。
【００５０】
このように、マイクアレーよりも音源に近い位置での波面を不均質波を無視することにより模擬したフィルタを適用することにより、マイクアレーよりも音源Ｓ側にある波面Ｂを再現することができる。図４のように、第一の部屋において音源Ｓが位置ｚ＝ｚ１とｚ＝ｚ２との間にある場合には、第二の部屋においてスピーカアレーＳ１−１，Ｓ２−１，…，ＳＮｘ’−１の前面に音源Ｓ’があるような音場を再現することができる。
【００５１】
ダイポール収音−モノポール再生
第二実施形態の音場収音再生装置において、マイクアレーＭ１−１，Ｍ２−１，…，ＭＮｘ−１をダイポール特性のマイクで構成し、スピーカアレーＳ１−１，Ｓ２−１，…，ＳＮｘ’−１をモノポール特性のスピーカで構成した場合には、フィルタ部３は以下の式により表わされる処理を行えばよい。
【００５２】
【数１０】
2011244306.tif 000012
【００５３】
モノポール収音−ダイポール再生
第二実施形態の音場収音再生装置において、マイクアレーＭ１−１，Ｍ２−１，…，ＭＮｘ−１をモノポール特性のマイクで構成し、スピーカアレーＳ１−１，Ｓ２−１，…，ＳＮｘ’−１をダイポール特性のスピーカで構成した場合には、フィルタ部３は以下の式により表わされる処理を行えばよい。
【００５４】
【数１１】
2011244306.tif 000013
【００５５】
ダイポール収音−ダイポール再生
第一実施形態の音場収音再生装置において、マイクアレーＭ１−１，Ｍ２−１，…，ＭＮｘ−１をダイポール特性のマイクで構成し、スピーカアレーＳ１−１，Ｓ２−１，…，ＳＮｘ’−１をダイポール特性のスピーカで構成した場合には、フィルタ部３は以下の式により表わされる処理を行えばよい。
【００５６】
【数１２】
2011244306.tif 000014
【００５７】
［理論的背景］
この発明の理論的背景を説明する。ここでは、第一実施形態においてダイポール収音−モノポール再生を行う場合にフィルタ部３の処理が式（２）となる理由を例に挙げて説明する。以下では、表記の簡略化のためにωを記載しない場合がある。
【００５８】
レイリー方程式に基づいて、図２においてｚ＝ｚ１の位置ｒｓの音圧勾配∂Ｐ（ｒｓ）／∂ｚを用いてｚ＝ｚ２の位置ｒｓ’の音圧Ｐ（ｒｓ’）を推定すると以下のようになる。
【００５９】
【数１３】
2011244306.tif 000015
【００６０】
ここで、κ−１は、核関数である。
【００６１】
【数１４】
2011244306.tif 000016
【００６２】
ｋｘ、ｋｙは、それぞれｘ方向の波数、ｙ方向の波数である。核関数κ−１は、均質波に対応する成分κ１−１と不均質波に対応する成分κ２−２との和に分解することが可能である。
【００６３】
【数１５】
2011244306.tif 000017
【００６４】
ここで、ＷＦＳにおいて、不均質波の成分は音場の再生に寄与しない。したがって、核関数κ−１は、均質波に対応する成分κ１−１のみで近似可能である。すなわち、以下の式が成立する。
【００６５】
【数１６】
2011244306.tif 000018
【００６６】
このκ−１を用いることにより、位置ｒｓ’の音圧Ｐ（ｒｓ’）は次のように表される。
【００６７】
【数１７】
2011244306.tif 000019
【００６８】
再生するスピーカがモノポール特性である場合には、音圧をｚで偏微分した音圧勾配∂Ｐ（ｒｓ’）／∂ｚを２倍した信号を再生することにより音場を再生することができる。
【００６９】
【数１８】
2011244306.tif 000020
【００７０】
ダイポール特性のマイクで収音した場合には、Ｆｗ（ｉ，ｊ，ω）＝∂Ｐ（ｒｓ，ω）／∂ｚとなることを考慮して、上記式を離散的に表現したものが式（２）である。
【００７１】
【数１９】
2011244306.tif 000021
【００７２】
ダイポールかモノポールか、アレーが二次元か一次元かの違いはあるが、他の場合についても同様にして式（１），式（３）から式（８）を導出することができるが、ここではそれらの導出を省略する。
【００７３】
［シミュレーション結果］
図７のように、ｚ＝０の位置に直線状に４ｃｍ間隔で配置されたマイクアレーでｚ＜０の領域の音場の音信号を収音して、ｚ＝０の位置に直線状に４ｃｍ間隔で配置されたスピーカアレーでｚ＞０の領域において収音された音信号を用いてその音場を再現するシミュレーションを行った。マイクアレー及びスピーカアレーの全体の長さは３．８４ｍである。音源は、（ｘ，ｙ，ｚ）＝（−０．４ｍ，０ｍ，−１．０ｍ）の位置にある点音源である。音源信号は、１ｋＨｚの正弦波である。
【００７４】
図８は従来のＷＦＳによってｚ＝０の波面を再現することにより音場を再現したシミュレーション結果であり、図９はこの場合の理想的な音場である。図１０はこの発明によりｚ＝−０．６ｍの波面を再現することにより音場を再現したシミュレーション結果であり、図１１はこの場合の理想的な音場である。図１２はこの発明によりｚ＝−２ｍの波面を再現することにより音場を再現したシミュレーション結果であり、図１３はこの場合の理想的な音場である。図８と図１２とを比較すると、図１２では波面がｚ軸の正方向に移動したように合成されていることがわかる。また、図８と図１３とを比較すると、スピーカアレーの前面に音源が形成されていることがわかる。
【００７５】
図１４は音源が（−０．４ｍ，０ｍ，−１．０ｍ）と（０．６ｍ，０ｍ，−１．２ｍ）の２つの位置にある場合にｚ＝−２．０ｍの波面を再現することにより音場を再現したシミュレーション結果であり、図１２この場合の理想的な音場である。図１４をみると、音源が複数ある場合にも音場を移動させることが可能であることがわかる。
【００７６】
［変形例等］
音場収音再生装置を構成する各部は、第一の部屋に配置された収音装置と第二の部屋に配置された再生装置の何れに備えられていてもよい。換言すれば、窓関数部２、フィルタのそれぞれの処理は、第一の部屋に配置された収音装置で実行されてもよいし、第二の部屋に配置された再生装置で実行されてもよい。収音装置で生成された信号は、再生装置に送信される。
【００７７】
第一の部屋と第二の部屋の位置は、図２及び図４に示したものに限定されない。第一の部屋と第二の部屋は、隣接していても互いに離れた位置にあってもよい。また、第一の部屋と第二の部屋の向きもどのようなものであってもよい。
【００７８】
窓関数の処理は、周波数領域で行っても、時間領域で行ってもよい。
【００７９】
音場収音再生装置は、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。
【００８０】
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。
【００８１】
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】
【００８２】
１     周波数領域変換部
２     窓関数部
３     フィルタ部
４     時間領域変換部
５     補正フィルタ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図１６】
2011244306.tif 000041
【図８】
2011244306.tif 000042
【図９】
2011244306.tif 000043
【図１０】
2011244306.tif 000044
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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