(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスピーカから放射される音波によって合成される再生環境の音場におけるリスニング位置で形成される波面が所望波面に近くなるように、複数の前記スピーカから出力させる音声信号の変換に用いる複素重み係数を前記スピーカごとに算出する算出部、を備え、
前記算出部は、前記リスニング位置で形成される前記波面の特徴を表す特徴量を複数の前記スピーカそれぞれに対応した前記複素重み係数を用いて算出し、算出された前記特徴量に基づいて前記波面が前記所望波面に近いことを表す値を算出する評価関数により算出された値が所定条件を満たすように複数の前記スピーカそれぞれに対応した複素重み係数を決定し、
前記特徴量は、前記波面の法線ベクトルであり、
前記評価関数は、複数の前記リスニング位置それぞれで形成される前記波面の法線ベクトルと所望の法線ベクトルとの差の任意のノルムを含む、
ことを特徴とする信号変換係数算出装置。
【請求項２】
複数のスピーカから放射される音波によって合成される再生環境の音場におけるリスニング位置で形成される波面が所望波面に近くなるように、複数の前記スピーカから出力させる音声信号の変換に用いる複素重み係数を前記スピーカごとに算出する算出部、を備え、
前記算出部は、前記リスニング位置で形成される前記波面の特徴を表す特徴量を複数の前記スピーカそれぞれに対応した前記複素重み係数を用いて算出し、算出された前記特徴量に基づいて前記波面が前記所望波面に近いことを表す値を算出する評価関数により算出された値が所定条件を満たすように複数の前記スピーカそれぞれに対応した複素重み係数を決定し、
前記特徴量は、前記波面の法線ベクトルであり、
前記評価関数は、前記リスニング位置で形成される前記波面の法線ベクトルと所望の法線ベクトルのなす角を含む、
ことを特徴とする信号変換係数算出装置。
【請求項３】
前記算出部は、前記リスニング位置で形成される前記波面の前記リスニング位置を含む任意の一つ又は複数の平面上の曲率それぞれが、所定の値又は所定の範囲にあることを制約条件として前記複素重み係数を算出する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の信号変換係数算出装置。
【請求項４】
前記算出部は、前記リスニング位置で形成される前記波面の前記リスニング位置を含む任意の複数の平面上の曲率の平均値が、所定の値又は所定の範囲にあることを制約条件として前記複素重み係数を算出する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の信号変換係数算出装置。
【請求項５】
前記算出部は、前記リスニング位置で形成される前記波面の最大の曲率と最小の曲率の平均曲率が、所定の値又は所定の範囲にあることを制約条件として前記複素重み係数を算出する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の信号変換係数算出装置。
【請求項６】
複数のスピーカから放射される音波によって合成される再生環境の音場におけるリスニング位置で形成される波面が所望波面に近くなるように、複数の前記スピーカから出力させる音声信号の変換に用いる複素重み係数を前記スピーカごとに算出する算出部、を備え、
前記算出部は、前記リスニング位置で形成される前記波面の特徴を表す特徴量を複数の前記スピーカそれぞれに対応した前記複素重み係数を用いて算出し、算出された前記特徴量に基づいて前記波面が前記所望波面に近いことを表す値を算出する評価関数により算出された値が所定条件を満たすように複数の前記スピーカそれぞれに対応した複素重み係数を決定し、
前記特徴量は、前記波面の前記リスニング位置を含む平面上の曲率であり、
前記評価関数は、前記リスニング位置で形成される前記波面の前記リスニング位置を含む任意の一つ又は複数の平面上の曲率それぞれと、所定の値との差の任意のノルムを含む、
ことを特徴とする信号変換係数算出装置。
【請求項７】
複数のスピーカから放射される音波によって合成される再生環境の音場におけるリスニング位置で形成される波面が所望波面に近くなるように、複数の前記スピーカから出力させる音声信号の変換に用いる複素重み係数を前記スピーカごとに算出する算出部、を備え、
前記算出部は、前記リスニング位置で形成される前記波面の特徴を表す特徴量を複数の前記スピーカそれぞれに対応した前記複素重み係数を用いて算出し、算出された前記特徴量に基づいて前記波面が前記所望波面に近いことを表す値を算出する評価関数により算出された値が所定条件を満たすように複数の前記スピーカそれぞれに対応した複素重み係数を決定し、
前記特徴量は、前記波面の前記リスニング位置を含む平面上の曲率であり、
前記評価関数は、前記リスニング位置で形成される前記波面の前記リスニング位置を含む任意の複数の平面上の曲率の平均値と、所定の値との差の任意のノルムを含む、
ことを特徴とする信号変換係数算出装置。
【請求項８】
複数のスピーカから放射される音波によって合成される再生環境の音場におけるリスニング位置で形成される波面が所望波面に近くなるように、複数の前記スピーカから出力させる音声信号の変換に用いる複素重み係数を前記スピーカごとに算出する算出部、を備え、
前記算出部は、前記リスニング位置で形成される前記波面の特徴を表す特徴量を複数の前記スピーカそれぞれに対応した前記複素重み係数を用いて算出し、算出された前記特徴量に基づいて前記波面が前記所望波面に近いことを表す値を算出する評価関数により算出された値が所定条件を満たすように複数の前記スピーカそれぞれに対応した複素重み係数を決定し、
前記特徴量は、前記波面の平均曲率であり、
前記評価関数は、前記リスニング位置で形成される前記波面の平均曲率と所定の値との差の任意のノルムを含む、
ことを特徴とする信号変換係数算出装置。
【請求項９】
前記算出部は、前記リスニング位置で形成される前記波面の法線ベクトルと所望の法線ベクトルの差の任意のノルムが、あらかじめ定められた値以下、又は、ユーザーにより決定された値以下になることを制約条件として前記複素重みを算出する、
ことを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか一項に記載の信号変換係数算出装置。
【請求項１０】
前記算出部は、前記リスニング位置で形成される前記波面の法線ベクトルと所望の法線ベクトルのなす角が、あらかじめ定められた値以下、又は、ユーザーにより決定された値以下になることを制約条件として前記複素重みを算出する、
ことを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか一項に記載の信号変換係数算出装置。
【請求項１１】
前記所望の法線ベクトルは、前記再生環境とは異なる環境におけるスピーカ位置及びリスニング位置に基づいて算出される、
ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項９又は請求項１０のいずれか一項に記載の信号変換係数算出装置。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の信号変換係数算出装置と、
前記信号変換係数算出装置が複数のスピーカのそれぞれについて算出した複素重み係数に基づいて、複数の前記スピーカのそれぞれから出力させる音声信号を変換する信号変換部と、
を備えることを特徴とする信号変換装置。
【請求項１３】
コンピュータを、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の信号変換係数算出装置として機能させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号変換係数算出装置、信号変換装置及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
２２．２ｃｈ音響など、従来の５．１ｃｈを上回るチャンネル数を持つマルチチャンネル音響システムが存在する。これらのコンテンツ制作においては、規定の位置にスピーカが配置された環境で最適なバランスとなるように、音響エンジニアによってミクシングが行われる。一方、複数音源から放射された音波による合成音場でコンテンツを視聴すると、合成音場おいて、リスニング位置における波面の法線方向に音像が定位することがわかっている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】安藤彰男，”音場再現”，コロナ社，2014年，p106-121
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
音響コンテンツの制作においては、ある音声フォーマットに規定されたチャンネル数及びスピーカ配置によりコンテンツの制作を行う。したがって、ある音声フォーマットにより規定されたチャンネル数及びスピーカ配置で制作されたコンテンツを視聴する場合にも、その規定に応じたスピーカ数及びスピーカ配置でコンテンツが再生されることが望ましい。しかし、一般の家庭において、２２．２ｃｈ音響などの５．１ｃｈを越えるチャンネル数のスピーカを設置することは困難である。そこで、再生コンテンツの音声フォーマットにより規定されたチャンネル数及びスピーカ配置のうち少なくとも一方が異なる環境においても、その規定されたチャンネル数及びスピーカ配置の環境で視聴した場合と音質や空間的な印象をできるだけ変えることなく視聴が可能なように、再生コンテンツの音声信号を変換することが望まれている。
【０００５】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、音響コンテンツの制作時とは異なる環境においても制作時の環境に近い印象となるように音響コンテンツを再生させるために、複数のスピーカから出力させる音声信号の変換に用いる信号変換係数を算出することができる信号変換係数算出装置、信号変換装置及びプログラムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、複数のスピーカから放射される音波によって合成される再生環境の音場におけるリスニング位置で形成される波面が所望波面に近くなるように、複数の前記スピーカから出力させる音声信号の変換に用いる複素重み係数を前記スピーカごとに算出する算出部、を備え、前記算出部は、前記リスニング位置で形成される前記波面の特徴を表す特徴量を複数の前記スピーカそれぞれに対応した前記複素重み係数を用いて算出し、算出された前記特徴量に基づいて前記波面が前記所望波面に近いことを表す値を算出する評価関数により算出された値が所定条件を満たすように複数の前記スピーカそれぞれに対応した複素重み係数を決定する、信号変換係数算出装置である。
【０００７】
本発明の一態様は、上述した信号変換係数算出装置であって、前記特徴量は、前記波面の法線ベクトルであり、前記評価関数は、複数の前記リスニング位置それぞれで形成される前記波面の法線ベクトルと所望の法線ベクトルとの差の任意のノルムを含む。
【０００８】
本発明の一態様は、上述した信号変換係数算出装置であって、前記特徴量は、前記波面の法線ベクトルであり、前記評価関数は、前記リスニング位置で形成される前記波面の法線ベクトルと所望の法線ベクトルのなす角を含む。
【０００９】
本発明の一態様は、上述した信号変換係数算出装置であって、前記算出部は、前記リスニング位置で形成される前記波面の前記リスニング位置を含む任意の一つ又は複数の平面上の曲率それぞれが、所定の値又は所定の範囲にあることを制約条件として前記複素重み係数を算出する。
【００１０】
本発明の一態様は、上述した信号変換係数算出装置であって、前記算出部は、前記リスニング位置で形成される前記波面の前記リスニング位置を含む任意の複数の平面上の曲率の平均値が、所定の値又は所定の範囲にあることを制約条件として前記複素重み係数を算出する。
【００１１】
本発明の一態様は、上述した信号変換係数算出装置であって、前記算出部は、前記リスニング位置で形成される前記波面の最大の曲率と最小の曲率の平均曲率が、所定の値又は所定の範囲にあることを制約条件として前記複素重み係数を算出する。
【００１２】
本発明の一態様は、上述した信号変換係数算出装置であって、前記特徴量は、前記波面の前記リスニング位置を含む平面上の曲率であり、前記評価関数は、前記リスニング位置で形成される前記波面の前記リスニング位置を含む任意の一つ又は複数の平面上の曲率それぞれと、所定の値との差の任意のノルムを含む。
【００１３】
本発明の一態様は、上述した信号変換係数算出装置であって、前記特徴量は、前記波面の前記リスニング位置を含む平面上の曲率であり、前記評価関数は、前記リスニング位置で形成される前記波面の前記リスニング位置を含む任意の複数の平面上の曲率の平均値と、所定の値との差の任意のノルムを含む。
【００１４】
本発明の一態様は、上述した信号変換係数算出装置であって、前記特徴量は、前記波面の平均曲率であり、前記評価関数は、前記リスニング位置で形成される前記波面の平均曲率と所定の値との差の任意のノルムを含む。
【００１５】
本発明の一態様は、上述した信号変換係数算出装置であって、前記算出部は、前記リスニング位置で形成される前記波面の法線ベクトルと所望の法線ベクトルの差の任意のノルムが、あらかじめ定められた値以下、又は、ユーザーにより決定された値以下になることを制約条件として前記複素重みを算出する。
【００１６】
本発明の一態様は、上述した信号変換係数算出装置であって、前記算出部は、前記リスニング位置で形成される前記波面の法線ベクトルと所望の法線ベクトルのなす角が、あらかじめ定められた値以下、又は、ユーザーにより決定された値以下になることを制約条件として前記複素重みを算出する。
【００１７】
本発明の一態様は、上述した信号変換係数算出装置であって、前記所望の法線ベクトルは、前記再生環境とは異なる環境におけるスピーカ位置及びリスニング位置に基づいて算出される。
【００１８】
本発明の一態様は、上述したいずれかの信号変換係数算出装置と、前記信号変換係数算出装置が複数のスピーカのそれぞれについて算出した複素重み係数に基づいて、複数の前記スピーカのそれぞれから出力させる音声信号を変換する信号変換部と、を備える信号変換装置である。
【００１９】
本発明の一態様は、コンピュータを、上述したいずれかの信号変換係数算出装置として機能させるプログラムである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、音響コンテンツの制作時とは異なる環境においても制作時の環境に近い印象となるように音響コンテンツを再生させるために、複数のスピーカから出力させる音声信号の変換に用いる信号変換係数を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態によるオーディオシステムの構成を示すブロック図である。
【図２】同実施形態による信号変換係数算出装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図３】同実施形態による信号変換係数算出装置の処理を示すフロー図である。
【図４】第２の同実施形態による信号変換係数算出装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図５】同実施形態による信号変換係数算出装置の処理を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２３】
（第１の実施形態）
ある音声フォーマットで制作された音響コンテンツを、変換元環境とは異なる環境である変換先環境で再生することを考える。変換元環境は、音響コンテンツの音声フォーマットにより規定されたチャンネル数及びスピーカ配置の環境である。変換先環境は、変換元環境とはチャンネル数とスピーカ配置とのうち少なくとも一方が異なる再生環境である。例えば、変換元環境は２２．２ｃｈ、変換先環境は７．１ｃｈ又は９．１ｃｈなどであるが、変換元環境及び変換先環境は任意とすることができる。
【００２４】
図１は、本実施形態によるオーディオシステム１００の構成図である。オーディオシステム１００は、変換元環境で制作された音響コンテンツを変換先環境で再生する。変換元環境は、Ｍ台（Ｍは１以上の整数）のスピーカ３が存在する環境である。以下では、Ｍ台のスピーカ３をそれぞれ、スピーカ３−１〜３−Ｍと記載する。音響コンテンツには、Ｍ個のチャンネルの音声信号Ａが含まれる。ｍ番目（ｍは１以上Ｍ以下の整数）のチャンネルの音声信号Ａを音声信号Ａ−ｍと記載する。音声信号Ａ−ｍは、スピーカ３−ｍの位置で再生させる音声信号Ａである。
【００２５】
オーディオシステム１００は、信号変換係数算出装置１と、信号変換器５（信号変換装置）と、Ｌ台（Ｌは１以上の整数）のスピーカ７とを備える。以下では、Ｌ台のスピーカ７をそれぞれ、スピーカ７−１〜７−Ｌと記載する。同図においては、オーディオシステム１００は、信号変換係数算出装置１を信号変換器５の外部に備えているが、信号変換器５の内部に備えてもよい。
【００２６】
変換先環境においてスピーカ３と同じ位置にスピーカ７がないために、スピーカ３が存在しない位置のスピーカ７により、変換元環境で制作された音声信号を再生する場合がある。信号変換器５は、このような場合でも、音質を保ったまま、変換元環境のスピーカ配置により再生したときと同じ方向に音像が定位するように変換先環境で音響コンテンツを再生させるため、音声信号の変換を行う。
【００２７】
信号変換器５は、音声信号Ａ−１〜Ａ−Ｍを入力する。信号変換器５は、各スピーカ７に対応して、Ｍ個のＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタ５１（信号変換部）と、加算器５２とを備える。スピーカ７−ｌ（ｌは１以上Ｌ以下の整数）に対応し、かつ、音声信号Ａ−ｍが入力されるＦＩＲフィルタ５１を、ＦＩＲフィルタ５１−ｌ−ｍと記載する。また、スピーカ７−ｌに対応した加算器５２を、加算器５２−ｌと記載する。
【００２８】
ＦＩＲフィルタ５１は、デジタルフィルタである。ＦＩＲフィルタ５１−ｌ−ｍは、周波数領域において、音声信号Ａ−ｍの各周波数成分に複素重み係数を乗算し（時間領域における畳み込み演算をし）、乗算（畳み込み）結果の音声信号を加算器５２−ｌに出力する。複素重み係数を用いることにより、音声信号の振幅と位相の両方を制御することができる。加算器５２−ｌは、ＦＩＲフィルタ５１−ｌ−１〜ＦＩＲフィルタ５１−ｌ−Ｍのそれぞれから出力された音声信号を加算し、加算結果の音声信号をスピーカ７−ｌに出力する。スピーカ７−ｌは、加算器５２−ｌから入力した音声信号を再生する。
【００２９】
図２は、信号変換係数算出装置１の構成を示す機能ブロック図であり、本実施形態と関係する機能ブロックのみを抽出して示してある。同図に示す信号変換係数算出装置１は、入力部１１、算出部１２及び出力部１３を備える。
【００３０】
入力部１１は、各種情報を算出部１２に入力する。スピーカ７−１〜７−Ｌから放射される音波によって変換先環境の音場が形成される。算出部１２は、音声信号Ａ−１〜Ａ−Ｍそれぞれについて、変換先環境の音場におけるリスニング位置で形成される波面が所望波面に近くなるように、各スピーカ７に入力する音声信号の変換に用いられる複素重み係数を算出する。そこで、算出部１２は、変換先環境の音場におけるリスニング位置で形成される波面と所望波面との近さを表す評価値を算出するための評価関数を用い、評価値が所定条件を満たすときの各スピーカ７それぞれに対応した複素重み係数を算出する。この評価関数は、変換先環境の音場におけるリスニング位置で形成される波面の特徴量に基づいて評価値を算出する。算出部１２は、変換先環境の音場におけるリスニング位置で形成される波面の特徴を表す特徴量を、スピーカそれぞれに対応した複素重み係数を用いて算出する。なお、リスニング位置とは、聴取点の位置である。所望波面は、変換元環境のスピーカ３が音声信号を再生したときのリスニング位置での波面であるが、ユーザーが任意に所望波面を決めてもよい。出力部１３は、算出部１２が算出した複素重み係数を信号変換器５に出力する。この複素重み係数は角周波数ビン毎に算出され、角周波数ビン毎に算出された複素重み係数を逆ＤＦＴ（Discrete Fourier Transform；離散フーリエ変換）したものが、信号変換器５の各ＦＩＲフィルタ５１にフィルタ係数として実装される。角周波数ビンは、ＤＦＴによって離散化される角周波数である。
【００３１】
算出部１２は、法線ベクトル算出部１２１と、曲率算出部１２２と、評価関数算出部１２３と、判定部１２４と、複素重み係数算出部１２５とを備える。以下に、各部の詳細を説明する。
【００３２】
非特許文献１に記載の理論によれば、複数音源から放射された音波による合成音場においてコンテンツを視聴すると、その合成音場内のリスニング位置における波面の法線方向に音像が定位する。算出部１２は、この非特許文献１に記載の理論に基づき、変換元環境のあるスピーカ３で音声信号を再生した場合のリスニング位置における波面の法線ベクトルと、変換先環境の複数のスピーカ７それぞれの位置で音声信号を再生した場合のリスニング位置における波面の法線ベクトルとができるだけ近づくように、変換先環境の各スピーカ７に入力される音声信号に対する複素重み係数を決定する。つまり、算出部１２は、音声信号Ａ−ｍをスピーカ７−１〜７−Ｌへ出力する際に、ＦＩＲフィルタ５１−１−ｍ〜５１−Ｌ−ｍのそれぞれに設定される、周波数領域において音声信号に乗算すべき複素重み係数を算出する。オーディオシステム１００は、各スピーカ７それぞれに対応したＦＩＲフィルタ５１が周波数領域において複素重み係数を乗算した（時間領域における畳み込み演算を行った）音声信号を再生する。これによって、オーディオシステム１００は、変換先環境においても、変換元環境のスピーカ配置で再生した場合と音像の定位方向を変えることなく、音響コンテンツを再生することができる。
【００３３】
また、算出部１２は、波面の法線ベクトルだけでなく、変換先環境のリスニング位置における波面の曲率を変換元環境のリスニング位置での波面の曲率に近づけるように、変換先環境の各スピーカ７に入力される音声信号に対する複素重み係数を決定する。これによって、リスニング位置近傍での再現範囲が拡大することが見込まれる。
【００３４】
変換先環境のＬ台のスピーカ７のうち、ｎ番目（ｎは１以上Ｌ以下の整数）のスピーカ７−ｎの位置ベクトルをｒｓｎ＝（ｘｎ，ｙｎ，ｚｎ）とし、ｎ番目のスピーカ７に対応した複素重み係数をａｎ（ω）とする。ωは角周波数である。変換先環境のＮ個（１≦Ｎ≦Ｌ）のスピーカ７から放射される音波によって得られる、位置ベクトルｒ＝（ｘ，ｙ，ｚ）の位置における音圧の和ｐ＾（ｒ，ω）は、下記の式（１）で表すことができる。ここで、音源はすべて点音源と見なせると仮定する。
【００３５】
【数１】
0006741479.tif 000002
【００３６】
ｊは虚数、ｃは音速、ｔは時刻である。式（１）を変形すると、以下の式（２）が得られる。
【００３７】
【数２】
0006741479.tif 000003
【００３８】
なお、Ｒｅ[・]は・の実部、Ｉｍ[・]は・の虚部を示す。Φ（ｒ，ω）は、Ｎ個のスピーカ７から再生された合成音場のある時刻のある位置における位相を表している。このとき、変換先環境における位置ベクトルがｒｐ’＝（ｘｐ'，ｙｐ'，ｚｐ'）（ｐ＝１，２，３，…，Ｐ）である複数の聴取点（リスニング位置）における合成音場の波面の法線ベクトルＧ（ｒｐ'，ω）は、以下の式（３）のように表すことができる。
【００３９】
【数３】
0006741479.tif 000004
【００４０】
なお、|ｒ＝ｒｐ’は、ｒにｒｐ’の値を代入すること表す。
【００４１】
法線ベクトル算出部１２１は、式（３）により変換先環境の各リスニング位置における合成音場の波面の法線ベクトルＧ（ｒｐ'，ω）を算出し、算出結果を評価関数算出部１２３に出力する。式（３）の算出に用いる各スピーカ７の位置ベクトル及び各リスニング位置の位置ベクトルは、入力部１１から入力された各スピーカ７の位置及び各リスニング位置の情報から得られる。
【００４２】
複素重み係数算出部１２５は、音声信号Ａ−１〜Ａ−Ｍのそれぞれについて、所望法線ベクトルＦｐと、変換先環境の各リスニング位置について算出された法線ベクトルＧ（ｒｐ'，ω）との差をできるだけ小さくする複素重み係数ａｎ（ｎ＝１，２，３，…，Ｌ）を逐次算出する。これによって、リスニング位置での到来波面を再現するような信号変換を実現することができる。所望法線ベクトルＦｐは、所望波面の法線ベクトルである。Ｌ個のスピーカ７のうちＮ個のスピーカから音波を放射する場合、複素重み係数算出部１２５は、選択されなかった（Ｌ−Ｎ）個のスピーカ７については、複素重み係数ａｎ＝０とする。これにより、例えばユーザーがＮ（＜Ｌ）個のスピーカ７を選択した場合においても、複素重み係数ａｎはＬ個算出され、評価関数が大域的な最適値に到達しなかった場合でも、明らかに不要なスピーカからは音は再生されない。ここで、ＦｐとＧ（ｒｐ'，ω）との差の評価指標及び複素重み係数の最適化手法は問わない。例えば、非線形最小二乗法を用いる場合、複素重み係数算出部１２５は、以下の式（４）の評価関数Ｊにより算出される評価値を最小化するような複素重み係数ａｎを決定する。
【００４３】
【数４】
0006741479.tif 000005
【００４４】
式（４）の評価関数Ｊは、所望法線ベクトルＦｐと各リスニング位置における法線ベクトルＧ（ｒｐ'，ω）との差分の二乗ノルムを合計する関数である。
【００４５】
また、法線ベクトルの向きのみに着目した場合、評価関数を下記の式（５）のように設定することも考えられる。
【００４６】
【数５】
0006741479.tif 000006
【００４７】
ここで、[・]Ｔは転置を表す。式（５）の左辺の第２項はＦｐとＧ（ｒｐ'，ω）とがなす角の余弦を表している。
【００４８】
評価関数算出部１２３は、複素重み係数算出部１２５により逐次算出される複素重み係数を用いて法線ベクトル算出部１２１が算出したＧ（ｒｐ'，ω）に基づき上記の評価関数Ｊの値を算出する。
【００４９】
また、この場合、算出部１２は、複素重み係数ａｎ（ω）の初期値ａｎ０（ω）を与え、再帰的に上記の評価関数Ｊを最小化するような最適なａｎ（ω）を探索する。複素重み係数ａｎ（ω）の初期値ａｎ０（ω）は、ユーザーが任意に設定できる。
【００５０】
判定部１２４は、算出部１２において再帰的に複素重み係数ａｎ（ω）を算出する際に、現在の評価値と前回の評価値との差分を算出する。現在の評価値は、現在の複素重み係数ａｎ（ω）を用いて算出されたＧ（ｒｐ'，ω）に基づき、評価関数算出部１２３が、評価関数Ｊにより算出した評価値である。前回の評価値は、現在の複素重み係数ａｎ（ω）に更新される直前の複素重み係数ａｎ（ω）を用いて算出されたＧ（ｒｐ'，ω）に基づき、評価関数算出部１２３が、評価関数Ｊにより算出した評価値である。判定部１２４は、差分が所定の閾値未満になった場合に、現在の複素重み係数ａｎ（ω）を、最終的な複素重み係数として決定する。なお、その閾値も、ユーザーが任意に決定できる。
【００５１】
複素重み係数算出部１２５は、上記の最適化処理において、下記のような制約条件を付与することで、法線ベクトルだけでなく、その波面の曲率も再現するように、複素重み係数を決定する。波面の曲率は、曲率算出部１２２により算出される。
【００５２】
曲率算出部１２２は、変換先環境のスピーカ位置及びリスニング位置を用いて、制約条件に応じて、下記の平均曲率、又は、曲面状の任意の１又は複数の平面の曲率を算出する。ここでは、任意の平面の曲率として、ｘｙ平面及びｌｓｚ平面の曲率を用いる場合の例を説明する。ｘｙ平面は、音源を含み、地面と平行な平面であり、ｌｓｚ平面は、音源と、位置ベクトルｒｐ'の聴取点と、聴取点を含むｚ軸に平行な直線とを含む平面である。
【００５３】
（曲率による制約条件１：平均曲率）
所望波面のリスニング位置における平均曲率をκｆとする。平均曲率は、最大の曲率と最小の曲率との平均値である。また、変換先環境の位置ベクトルｒｐ’＝（ｘｐ'，ｙｐ'，ｚｐ'）（ｐ＝１，２，３，…，Ｐ）の聴取点（リスニング位置）における波面の平均曲率をκｇ(ｘｐ'，ω）とする。複素重み係数算出部１２５は、κｆ≦κｇ（ｒｐ'，ω）又はκｆ＝κｇ（ｘｐ’，ω）を制約条件とし、ＦｐとＧ（ｒｐ’，ω）の差をできるだけ小さくする最適なａｎ（ω）（ｎ＝１，２，３，…，Ｌ）を求める。このように、制約条件１では、変換先環境の音場におけるリスニング位置で形成される波面の最大の曲率と最小の曲率の平均曲率が、所定の値又は所定の範囲にあることを制約条件としている。κｆ≦κｇ（ｒｐ'，ω）とすることにより、変換先環境においてリスニング位置と少しずれた位置においても、所望波面と波面が近くなるようにすることができる。
【００５４】
Φ（ｘ,ｙ,ｚ）＝ｋ（ｋは定数）は、ｚをｘ,ｙの従属変数とした場合に、下記の式（６）のように変形される。
【００５５】
【数６】
0006741479.tif 000007
【００５６】
すると、Φ（ｘ,ｙ,ｚ）＝ｋ上の点は、下記の式（７）のように表すことができる。
【００５７】
【数７】
0006741479.tif 000008
【００５８】
ここで、Φ（ｘ，ｙ，Φ’（ｘ，ｙ））＝ｋ上の点（ｘ，ｙ，Φ’（ｘ，ｙ））における平均曲率κ（ｘ，ｙ，Φ’（ｘ，ｙ））は、以下の式（８）のように求めることができる。
【００５９】
【数８】
0006741479.tif 000009
【００６０】
曲率算出部１２２は、式（８）により、平均曲率κｇを算出する。
なお、所望波面のリスニング位置における平均曲率κｆは、予め与えられてもよく、入力部１１が入力してもよく、曲率算出部１２２が算出してもよい。曲率算出部１２２は、平均曲率κｆを、変換元環境のスピーカ位置及びリスニング位置を用いて、又は、任意の環境のスピーカ位置及びリスニング位置を用いて、式（８）により算出してもよい。
【００６１】
（曲率による制約条件２：ｘｙ平面曲率／ｌｓｚ平面曲率）
変換先環境の位置ベクトルｒｐ'＝（ｘｐ'，ｙｐ'，ｚｐ'）（ｐ＝１，２，３，…，Ｐ）の聴取点（リスニング位置）における波面のｘｙ平面上の曲率をκｇ１（ｒｐ’，ω）、ｌｓｚ平面における曲率をκｇ２（ｒｐ'，ω）とする。また、所望波面のｘｙ平面上の曲率をκｆ１、ｌｓｚ平面における曲率をκｆ２とする。複素重み係数算出部１２５は、以下の式（９）から式（１２）のいずれかを制約条件とし、ＦｐとＧ（ｒｐ'，ω）の差をできるだけ小さくする最適な複素重み係数ａｎ（ω）（ｎ＝１，２，３，…，Ｌ）を求める。
【００６２】
【数９】
0006741479.tif 000010
【００６３】
【数１０】
0006741479.tif 000011
【００６４】
【数１１】
0006741479.tif 000012
【００６５】
【数１２】
0006741479.tif 000013
【００６６】
なお、リスニング位置とスピーカ７が全て同じ平面上に設置されているなど、高さ方向を考慮しなくてもよい場合、式（９）又は式（１０）に示すκｆ１に関する制約条件のみを用いてもよい。
【００６７】
Φ（ｘ，ｙ，ｚ）＝ｋ（ｋは定数）のｘｙ平面曲率κｘｙ（ｘ,ｙ）は、以下の式（１３）で表すことができる。
【００６８】
【数１３】
0006741479.tif 000014
【００６９】
ここでは、Φｘｙ＝Φ（ｘ,ｙ，０）とした。
【００７０】
また、下記の式（１４）及び式（１５）のように、ｘとｙを媒介変数ｔの関数として表すと、ｌｓｚ平面上のΦ（ｘ,ｙ,ｚ）＝ｋは、ｔとｚの２変数関数Φ’（ｔ,ｚ）＝ｋとして表すことができる。
【００７１】
【数１４】
0006741479.tif 000015
【００７２】
【数１５】
0006741479.tif 000016
【００７３】
ここで、Φ’（ｔ，ｚ）＝Φｌｓｚ＝ｋとする。すると、上記ｘｙ平面の場合と同様にｌｓｚ平面曲率κｌｓｚ（ｔ,ｚ）は、以下の式（１６）で表すことができる。
【００７４】
【数１６】
0006741479.tif 000017
【００７５】
曲率算出部１２２は、式（１３）により曲率κｇ１を算出し、式（１６）により曲率κｇ２を算出する。
【００７６】
なお、所望波面のリスニング位置における曲率κｆ１、κｆ２は、予め与えられてもよく、入力部１１が入力してもよく、曲率算出部１２２が算出してもよい。曲率算出部１２２は、曲率κｆ１、κｆ２を、変換元環境のスピーカ位置及びリスニング位置を用いて、又は、任意の環境のスピーカ位置及びリスニング位置を用いて、式（１３）及び式（１６）のそれぞれにより算出してもよい。
【００７７】
上記のように、制約条件１では、変換先環境の音場におけるリスニング位置で形成される波面の最大の曲率と最小の曲率の平均曲率が、所定の値又は所定の範囲にあることを制約条件としている。また、制約条件２では、変換先環境の音場におけるリスニング位置で形成される波面のリスニング位置を含む任意の一つ又は複数の平面上の曲率がそれぞれ、所定の値又は所定の範囲にあること、又は、変換先環境の音場におけるリスニング位置で形成される波面のリスニング位置を含む任意の複数の平面上の曲率の平均値が、所定の値又は所定の範囲にあることを制約条件としている。
【００７８】
変換元環境のリスニング位置の波面を所望波面にした場合、法線ベクトル算出部１２１は、変換元環境のスピーカ位置とリスニング位置から変換元環境での波面の法線ベクトルも算出する。変換元環境のスピーカ配置における、i（i＝１，２，３，…,Ｍ）番目のスピーカ３の位置ベクトルをｒｓｉ＝（ｘｓｉ，ｙｓｉ，ｚｓｉ)とすると、ｒ＝（ｘ,ｙ,ｚ）における音圧ｐｉ（ｒ，ω）は、次の式（１７）のように表される。
【００７９】
【数１７】
0006741479.tif 000018
【００８０】
ｊは虚数単位、ｃは音速、ｔは時刻を表す。ここで、Φ０ｉ(ｒ，ω）を、以下の式（１８）とする。
【００８１】
【数１８】
0006741479.tif 000019
【００８２】
Φ０ｉ(ｒ，ω）は、ある時刻のある位置における位相を表す。このとき、ｒｌ＝（ｘ１，ｙ１，ｚ１）における波面の法線ベクトルＦｉ（ｒｌ，ω）は以下の式（１９）のように表すことができる。
【００８３】
【数１９】
0006741479.tif 000020
【００８４】
また、制約条件もしくは評価関数に曲率を利用した場合についても、所望波面を変換元音場の波面とし、曲率算出部１２２で変換元環境の音場における波面の曲率を算出する。
【００８５】
なお、所望法線ベクトルを、変換元環境及び変換先環境とは異なる任意の環境における任意のリスニング位置の波面の法線ベクトルとしてもよい。式（１９）により所望法線ベクトルを算出するための変換元環境又は任意の環境のスピーカ位置及びリスニング位置の情報は、入力部１１により入力される。また、所望法線ベクトルは、予め定められてもよく、ユーザーが任意に決めてもよい。
【００８６】
なお、以上の方法で複素重み係数を算出した場合には、振幅は保障されない。したがって、各音声チャンネルで振幅がそろうよう正規化を行うことは言うまでもない。
【００８７】
（複素重み係数算出処理）
図３は、信号変換係数算出装置１が実行する複素重み係数算出処理を示すフロー図である。信号変換係数算出装置１は、各音声信号Ａ−１〜Ａ−Ｍのそれぞれについて同図に示す複素重み係数算出処理を行う。
【００８８】
まず、ステップＳ１１０で、入力部１１は、変換先環境の各スピーカ７の位置、変換先環境のリスニング位置、複素重み係数の初期値、及び、判定の閾値の情報を入力する。
ステップＳ１２０で、評価関数算出部１２３は、所望法線ベクトル及び所望曲率を取得する。所望法線ベクトル及び所望曲率は、予め算出部１２に設定されてもよく、入力部１１により入力されてもよく、法線ベクトル算出部１２１及び曲率算出部１２２が、入力部１１により入力された変換元環境又は任意の環境における各スピーカの位置及びリスニング位置に基づいて算出してもよい。
【００８９】
ステップＳ１３０で、法線ベクトル算出部１２１は、変換先環境の各スピーカ７の位置、変換先環境のリスニング位置、及び、現在の複素重み係数を用いて、式（３）により変換先環境の各リスニング位置における合成音場の波面の法線ベクトルＧ（ｒｐ'，ω）を算出する。なお、最初の法線ベクトルＧ（ｒｐ'，ω）の算出には、複素重み係数の初期値が用いられる。
【００９０】
ステップＳ１４０で、評価関数算出部１２３は、法線ベクトル算出部１２１が算出した法線ベクトルＧ（ｒｐ'，ω）と、ステップＳ１２０において取得した所望法線ベクトルを用いて、式（４）又は式（５）に示す評価関数Ｊにより評価値を算出する。
【００９１】
ステップＳ１５０で、判定部１２４は、現在の複素重み係数を用いて算出された評価値と、前回の複素重み係数を用いて算出された評価値との差分が閾値以上であるか否かを判断する。判定部１２４は、差分が閾値以上であると判断した場合（ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、複素重み係数の算出を複素重み係数算出部１２５に指示する。
【００９２】
ステップＳ１６０で、複素重み係数算出部１２５は、複素重み係数の値を更新する。例えば、複素重み係数算出部１２５は、複素重み係数の一部又は全ての値を変化させ、曲率算出部１２２に出力する。曲率算出部１２２は、複素重み係数算出部１２５が変化させた複素重み係数により曲率を算出し、算出結果を複素重み係数算出部１２５に出力する。複素重み係数算出部１２５は、算出された曲率が制約条件１又は制約条件２を満たす場合、変化させた値を新たな複素重み係数とし、法線ベクトル算出部１２１に出力する。算出部１２は、ステップＳ１３０からの処理を繰り返す。
【００９３】
そして、判定部１２４は、現在の複素重み係数を用いて算出された評価値と、前回の複素重み係数を用いて算出された評価値との差分が閾値未満であると判断した場合（ステップＳ１５０：ＮＯ）、現在の複素重み係数を出力する。ステップＳ１７０で、出力部１３は、判定部１２４が出力した複素重み係数を信号変換係数算出装置１の外部に出力する。
【００９４】
なお、算出部１２は、以下のように、ＦＩＲフィルタ５１に実装させるフィルタ列を算出し、出力部１３に出力してもよい。すなわち、算出部１２は、ｉ番目（ｉは１以上Ｍ以下の整数）のチャンネルの音声信号Ａ−ｉについて、角周波数ビンごとにＮ個のスピーカ７−ｎそれぞれに対する複素重み係数を算出する。角周波数ビンは、ＤＦＴによって離散化される角周波数である。算出部１２は、算出した複素重み係数を要素として並べた複素重み係数行列ａｎｉ（ω）を生成する。算出部１２は、複素重み係数行列ａｎｉ（ω）を逆ＤＦＴすることにより、ＦＩＲフィルタ５１−ｎ−ｉに実装させるフィルタ列を算出する。このようにして、算出部１２は、複数のスピーカ７のそれぞれに入力される音声信号に対するフィルタリングの設定値であるフィルタ係数を算出する。算出部１２は、変換元環境のすべてのチャンネルｉ（ｉ＝１，２，３，…,Ｍ）について複素重み係数行列を算出し、算出した結果をＦＩＲフィルタマトリクスとして信号変換器５に実装することができる。
【００９５】
（第２の実施形態）
第１の実施形態において、信号変換係数算出装置は、リスニング位置における曲率を制約条件に、リスニング位置における波面の法線ベクトルの向きを所望法線ベクトルの向きに近づける最適な複素重み係数を求めている。第２の実施形態の信号変換係数算出装置は、リスニング位置における法線ベクトルの向きを制約条件として、リスニング位置における波面の曲率を所望の曲率に近づける最適な複素重み係数を算出する。以下では、第１の実施形態との差分を中心に本実施形態を説明する。
【００９６】
第２の実施形態のオーディオシステムは、図１に示すオーディオシステム１００における信号変換係数算出装置１を、図４に示す信号変換係数算出装置１ａに代えた構成である。
【００９７】
図４は、本実施形態による信号変換係数算出装置１ａの構成を示す機能ブロック図であり、本実施形態と関係する機能ブロックのみを抽出して示してある。同図において、図２に示す第１の実施形態による信号変換係数算出装置１と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。信号変換係数算出装置１ａは、入力部１１、算出部１２ａ及び出力部１３を備える。算出部１２ａは、法線ベクトル算出部１２１と、曲率算出部１２２と、評価関数算出部１２３ａと、判定部１２４と、複素重み係数算出部１２５ａとを備える。
【００９８】
算出部１２ａは、リスニング位置における法線ベクトルの向きを制約条件に、リスニング位置における波面の曲率を所望の曲率に近づける最適な複素重み係数ａｎ（ω）（ｎ＝１，２，３，…，Ｌ）を求める。例えば、非線形最小二乗法を用いる場合、複素重み係数算出部１２５ａは、評価関数算出部１２３ａが、式（２１）を制約条件とする以下の式（２０）に示す評価関数Jにより算出した評価値を最小化するような複素重み係数ａｎを決定する。ここでの最小化は、大域的最小値と局所的最小値のいずれかのことを言う。
【００９９】
【数２０】
0006741479.tif 000021
【０１００】
【数２１】
0006741479.tif 000022
【０１０１】
式（２０）に示す評価関数Ｊに用いられる曲率（ｒｐ’，ω）は、第１の実施形態における制約条件１、２において示した曲率のうちいずれであってもよい。つまり、曲率κｇ（ｒｐ’，ω）は、（１）変換先環境の音場におけるリスニング位置で形成される波面の平均曲率、（２）変換先環境の音場におけるリスニング位置で形成される波面のリスニング位置を含む任意の一つ又は複数の平面上の曲率、又は、（３）変換先環境の音場におけるリスニング位置で形成される波面のリスニング位置を含む任意の複数の平面上の曲率の平均値である。
【０１０２】
式（２０）に示す評価関数Ｊは、所望波面のリスニング位置における曲率κｆと、変換先環境の各リスニングポイントの曲率κｇ（ｒｐ’，ω）との差分を求め、それらの差分それぞれの二乗ノルムを加算する関数である。式（２１）の制約条件の左辺は、ＦｐとＧ（ｒｐ’，ω）の差ベクトルの絶対値の２乗を表している。なお、所望法線ベクトルＦｐは、予め定められた値のベクトルでもよく、ユーザーが任意に決めたベクトルでもよい。また、法線ベクトル算出部１２１が、所望法線ベクトルＦｐを、変換元環境のスピーカ位置及びリスニング位置を用いて算出してもよく、変換先環境とは異なる任意の環境のスピーカ位置及びリスニング位置から算出してもよい。また、ｈｐ(ｐ＝１，２，３，…，Ｐ）は、予め定められた値でもよく、ユーザーが任意に決定した値でもよい。
【０１０３】
また、制約条件は次の式（２２）のようにしてもよい。
【０１０４】
【数２２】
0006741479.tif 000023
【０１０５】
ここで、[・]Ｔはベクトルあるいは行列の転置を表す。また、式（２２）の左辺は、ＦｐとＧ（ｒｐ’，ω)のなす角の余弦を表している。ｃｏｓθｐ（ｐ＝１，２，３，…，Ｐ）は、ユーザーが任意に決定できる。
【０１０６】
（複素重み係数算出処理）
図５は、信号変換係数算出装置１ａが実行する複素重み係数算出処理を示すフロー図である。まず、ステップＳ２１０で、入力部１１は、変換先環境の各スピーカ７の位置、変換先環境のリスニング位置、複素重み係数の初期値、及び、判定の閾値の情報を入力する。ステップＳ２２０で、評価関数算出部１２３ａは、所望法線ベクトル及び所望曲率を取得する。所望法線ベクトル及び所望曲率は、予め算出部１２ａに設定されてもよく、入力部１１により入力されてもよく、法線ベクトル算出部１２１及び曲率算出部１２２が、入力部１１により入力された変換元環境又は任意の環境における各スピーカの位置及びリスニング位置に基づいて算出してもよい。
【０１０７】
ステップＳ２３０で、曲率算出部１２２は、変換先環境の各リスニング位置における合成音場の波面の曲率を算出する。ステップＳ２４０で、評価関数算出部１２３ａは、曲率算出部１２２が算出した曲率と、ステップＳ２２０において取得した所望曲率を用いて、式（２０）に示す評価関数Ｊにより評価値を算出する。
【０１０８】
ステップＳ２５０で、判定部１２４は、現在の複素重み係数を用いて算出された評価値と、前回の複素重み係数を用いて算出された評価値との差分が閾値以上であるか否かを判断する。判定部１２４は、差分が閾値以上であると判断した場合（ステップＳ２５０：ＹＥＳ）、複素重み係数の算出を複素重み係数算出部１２５ａに指示する。
【０１０９】
ステップＳ２６０で、複素重み係数算出部１２５ａは、複素重み係数の値を更新する。例えば、複素重み係数算出部１２５ａは、複素重み係数の一部又は全ての値を変化させ、法線ベクトル算出部１２１に出力する。法線ベクトル算出部１２１は、複素重み係数算出部１２５ａが変化させた複素重み係数により法線ベクトルＧ（ｒｐ’，ω）を算出し、算出結果を複素重み係数算出部１２５ａに出力する。複素重み係数算出部１２５ａは、算出されたＧ（ｒｐ’，ω）が式（２１）又は式（２２）に示す制約条件を満たすと判断した場合、変化させた値を新たな複素重み係数とし、曲率算出部１２２に出力する。算出部１２ａは、ステップＳ２３０からの処理を繰り返す。
【０１１０】
そして、判定部１２４は、現在の複素重み係数を用いて算出された評価値と、前回の複素重み係数を用いて算出された評価値との差分が閾値未満であると判断した場合（ステップＳ２５０：ＮＯ）、現在の複素重み係数を出力する。ステップＳ２７０で、出力部１３は、判定部１２４が出力した複素重み係数を信号変換係数算出装置１ａの外部に出力する。
【０１１１】
上述した実施形態によれば、信号変換係数算出装置１、１ａは、所望の再生環境と近い印象となるように音響コンテンツを再生させるための信号変換係数である複素重み係数を算出することができる。例えば、信号変換係数算出装置１、１ａは、音響コンテンツの制作時とは異なる環境においても、制作時の環境に近い印象となるように音響コンテンツを再生させるための信号変換係数を算出することができる。
【０１１２】
なお、上述の信号変換係数算出装置１、１ａは、内部にコンピュータシステムを有している。そして、信号変換係数算出装置１、１ａの動作の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータシステムが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでいうコンピュータシステムとは、ＣＰＵ及び各種メモリやＯＳ、周辺機器等のハードウェアを含むものである。
【０１１３】
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
【０１１４】
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。
【符号の説明】
【０１１５】
１、１ａ…信号変換係数算出装置
３−１〜３−Ｍ、７−１〜７−Ｌ…スピーカ
５…信号変換器
１１…入力部
１２、１２ａ…算出部
１３…出力部
５１−１−１〜５１−Ｌ−Ｍ…ＦＩＲフィルタ
５２−１〜５１−Ｌ…加算器
１２１…法線ベクトル算出部
１２２…曲率算出部
１２３、１２３ａ…評価関数算出部
１２４…判定部
１２５、１２５ａ…複素重み係数算出部
【図１】
0006741479.tif 000024
【図２】
0006741479.tif 000025
【図３】
0006741479.tif 000026
【図４】
0006741479.tif 000027
【図５】
0006741479.tif 000028