(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の領域を遮蔽する形状であってその内面が反射面とされた反射部材と、
前記所定の領域内に位置する円の円周上に配置され、複数の無指向性音源を含んで構成された指向性可変スピーカを含み、
前記円周の内側に予め設定された領域である制御領域配置可能領域の内側に位置する複数の制御領域内の複数の観測点において所望の音圧が再現されるように前記無指向性音源それぞれの重みが予め設定され、前記重みに基づいて前記無指向性音源が駆動される
音場再生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の音場再生装置であって、
前記無指向性音源それぞれの重みを要素に持つベクトルが、
前記無指向性音源と前記観測点との間の音響伝達関数を要素に持つ行列と、前記音響伝達関数を要素に持つ行列のエルミート転置と、ティホノフの正則化法における正則化項と、前記観測点における所望の音圧を要素に持つベクトルを用いて予め計算される
音場再生装置。
【請求項３】
音場再生装置が実行する音場再生方法であって、
所定の領域を遮蔽する形状であってその内面が反射面とされた反射部材と、前記所定の領域内に位置する円の円周上に配置され、複数の無指向性音源を含んで構成された指向性可変スピーカを用い、前記円周の内側に予め設定された領域である制御領域配置可能領域の内側に位置する複数の制御領域内の複数の観測点において所望の音圧が再現されるように前記無指向性音源それぞれの重みが予め設定され、前記重みに基づいて前記無指向性音源を駆動するステップを含む
音場再生方法。
【請求項４】
請求項３に記載の音場再生方法であって、
前記無指向性音源それぞれの重みを要素に持つベクトルを、
前記無指向性音源と前記観測点との間の音響伝達関数を要素に持つ行列と、前記音響伝達関数を要素に持つ行列のエルミート転置と、ティホノフの正則化法における正則化項と、前記観測点における所望の音圧を要素に持つベクトルを用いて予め計算するステップを含む
音場再生方法。
【請求項５】
コンピュータを、請求項１又は２に記載の音場再生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、空間マルチゾーン音場再生を可能にする音場再生装置、音場再生方法、プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
空間マルチゾーン音場再生とは、スピーカアレイを駆動することで、分離された空間に独立した複数の音場を再生する技術である。広帯域・広範囲で音場を再現するには、膨大な数のスピーカが必要になる。空間マルチゾーン音場再生に関する従来技術として、例えば非特許文献１がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Y. J. Wu, et al. ” Spatial Multizone Soundfield Reproduction：Theory and Design ” Speech and Audio Processing, IEEE Transactions on 19.6 (2011): 1711-1720.
【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、複数の領域で音場を再現するため、再現領域を取り囲むように等間隔に配置された円状のスピーカアレイを用いている。しかし、円状スピーカアレイによって半径Ｒの円周内で波数ｋまで正確に音場を再現するには、2kR+1個以上のスピーカが必要であり、広帯域・広範囲で音場を再現するには、膨大な数のスピーカが必要になるという問題点があった。そこで本発明では、空間マルチゾーン音場再生に用いるスピーカ数を削減することができる音場再生装置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】
【０００５】
本発明の音場再生装置は、所定の領域を遮蔽する形状であってその内面が反射面とされた反射部材と、所定の領域内に位置する円の円周上に配置され、複数の無指向性音源を含んで構成された指向性可変スピーカを含み、円周の内側に予め設定された領域である制御領域配置可能領域の内側に位置する複数の制御領域内の複数の観測点において所望の音圧が再現されるように無指向性音源それぞれの重みが予め設定され、重みに基づいて無指向性音源が駆動される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の音場再生装置によれば、空間マルチゾーン音場再生に用いるスピーカ数を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施例１の音場再生装置の幾何学的配置を示す断面図。
【図２】実施例１の音場再生装置の指向性可変スピーカおよび無指向性音源の位置を表すパラメータ（ローカル座標系）について説明する図。
【図３】実施例１の音場再生装置が実行する音場再生方法を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。
【実施例１】
【０００９】
以下、実施例１の音場再生装置について説明する。本実施例の音場再生装置は、指向性を制御できる指向性可変スピーカ（２次元モノポール素子から構成される同一のスピーカアレイで実現）と、反射部材による音響反射を利用することで、空間マルチゾーン音場再生に用いるスピーカ数を削減するものである。残響室で複数の領域に正確な音場を再現する際、指向性可変スピーカ（次数Ｎ）の必要数が、円状スピーカアレイを構成するスピーカの必要数に対して、最大2N+1分の１まで削減できる（次数Ｎの指向性可変スピーカを構成するには、2N+1以上のモノポールのスピーカが必要である）。また、副次的な効果として、指向性可変スピーカが空間的に疎になりユーザの視野が遮られにくくなる。
【００１０】
以下、本実施例の音場再生装置の具体的な構成について図１を参照して説明する。図１は、本実施例の音場再生装置１の幾何学的配置を示す断面図である。本実施例では、オーバーラップしないＳ個の２次元空間領域、それに対応する所望の音場を想定する。図１に示すように、音場再生装置１は、Ｌ個（Ｌは１以上の整数）の指向性可変スピーカ１１−１、…、１１−ｌ、…、１１−Ｌ（ｌは１以上Ｌ以下の整数）と、反射部材１２を含んで構成される。なお、Ｌ個の指向性可変スピーカを総称する場合には、指向性可変スピーカ１１と呼称する。
【００１１】
指向性可変スピーカ１１は、Ｍ個（Ｍは２以上の整数）の無指向性音源（モノポール）を含んで構成される。Ｍ個（Ｍは２以上の整数）の無指向性音源（モノポール）の符号は以下のように付される。指向性可変スピーカ１１―ｌを構成する無指向性音源は無指向性音源１１−ｌ−１、…、１１−ｌ−Ｍと呼称される。従って、指向性可変スピーカ１１―１を構成する無指向性音源は、１１−１−１、…、１１−１−ｍ、…、１１−１−Ｍ（ｍは１以上Ｍ以下の整数）、指向性可変スピーカ１１―２を構成する無指向性音源は、１１−２−１、…、１１−２−ｍ、…、１１−２−Ｍと呼称される。
【００１２】
以下に指向性可変スピーカ１１と、反射部材１２の配置について説明する。反射部材１２は、所定の領域を遮蔽する形状であってその内面が反射面とされている。別の表現では、反射部材１２によって囲まれる所定の領域は閉空間となっている。反射部材１２を直方体形状として構成する場合、反射部材１２は複数の反射板を組み合わせることで構成できる。反射部材１２は中空を有する球体形状であってもよいし、円筒形状であってもよい。また反射部材１２は他の任意の形状とすることができる。反射部材１２の内面をディスプレイとすることもできる。指向性可変スピーカ１１−１、…、１１−ｌ、…、１１−Ｌは、反射部材１２によって囲まれる所定の領域（閉空間）内に位置する円の円周上に配置されている。指向性可変スピーカ１１−１、…、１１−ｌ、…、１１−Ｌを配置した円の円周内には、同心円状の制御領域配置可能領域１４が設定されている。制御領域配置可能領域１４は、後述する制御領域を配置可能な領域として予め設定した領域を意味する。制御領域とは、本実施例の音場再生装置１が音場を再現する対象として予め設定した領域のことである。図１の例では、制御領域配置可能領域１４内に合計Ｓ個の制御領域１６−１、…、１６−ｓ、…、１６−Ｓ（ｓは１以上Ｓ以下の整数）が予め設定されているものとする。なお、Ｓ個の制御領域を総称する場合には、制御領域１６と呼称する。ここで、制御領域１６内の座標を示すパラメータについて補足する。ｓ番目の制御領域１６−ｓの半径をRz(s)、中心座標をOsと表現する。Osは、大域的な原点Oに対して、極座標(r(s0),θ(s0))に位置するものとする。制御領域１６−ｓ内にある任意の観測点は、中心座標をOsを原点とする極座標(R(s),Ω(s))として表現し、これは、大域的な原点に対して、(r,θ)に位置するものとする。制御領域配置可能領域１４は、大域的な原点Oを中心とする半径Rp≧rの円内の領域である。指向性可変スピーカ１１は、制御領域配置可能領域１４の円周上、つまり、原点Oを中心とする半径Rpの円周上に配置されていてもよいし、図１に示すように原点Oを中心とする半径Rpよりも大きな半径の円周上に配置されていてもよい。
ここで、ωは角周波数である。
【００１３】
＜プレッシャーマッチング＞
本実施例の音場再生装置１はプレッシャーマッチングの手法を用いる。プレッシャーマッチングでは、興味のある領域（本実施例において制御領域１６−１、…、１６−Ｓに該当）内の有限個の点において所望の音圧と現状の音圧とを一致させることで、興味のある領域（本実施例において制御領域１６−１、…、１６−Ｓ）における所望の音場を再現する。本実施例において制御領域１６内の有限個の点をマッチング点と呼ぶ。本実施例ではマッチング点はＱ個（Ｑは１以上の整数）設定されるものとする。マッチング点において音圧が観測されることから、マッチング点は観測点とも呼ぶ。マッチング点の座標（観測点の座標）は、二次元座標を表すベクトル(x1,...,xq,...,xQ)∈R2で表現されるものとする。なお、マッチング点の座標を表すベクトルx=(rcosθ,ｒsinθ)とも表現できる。同様に、ｌ番目の指向性可変スピーカ１１−ｌ内のｍ番目の無指向性音源１１−ｌ−ｍの座標は、二次元座標を表すベクトルylm∈R2で表現されるものとする。
【００１４】
上述のプレッシャーマッチングにおいて、Ｍ個の無指向性音源（２次元モノポール）を要素に持つＬ個の指向性可変スピーカ１１−１、…、１１−ｌ、…、１１−Ｌで、制御領域１６内における圧力場を再現するため、下記の方程式を満たす必要がある。
【００１５】
【数１】
0006285881.tif 000002
【００１６】
ここで、H(xq,ylm;ω)は、ylmに位置する無指向性音源１１−ｌ−ｍとxqに位置する観測点の間の角周波数ωにおける音響伝達関数である。Glm(ω)は無指向性音源１１−ｌ−ｍの角周波数ωにおける重みを表す。Pd(xq;ω)は角周波数ωにおける、マッチング点（観測点）xqにおける所望の音圧を表す。なお、制御領域毎に所望の音場として異なる音場を設定することができる。音圧マッチングは、Ｑ個のマッチング点（観測点）(x1,...,xq,...,xQ)で実行される。それを満たすのに必要な方程式の集合は、行列−ベクトル形式で扱われる。すなわち、
【００１７】
【数２】
0006285881.tif 000003
【００１８】
ここで、H(xq,ylm;ω)は音響伝達関数を要素に持つ行列、[g]M(l-1)+m=Glm(ω)は無指向性音源１１−ｌ−ｍの重みを要素に持つベクトルである（[g]の添え字のM(l-1)+mは、無指向性音源の通し番号を意味する）。[pd]q=Pd(xq;ω)はマッチング点xqにおける所望の音圧を要素に持つベクトルである。正則化最小二乗法による解により、二乗誤差平均が小さくなるよう、スピーカの重みg^がロバストに求められる。すなわち、
【００１９】
【数３】
0006285881.tif 000004
【００２０】
ここで、λはティホノフ（Tikhonov）の正則化法における正則化パラメータ、λIはティホノフ（Tikhonov）の正則化法における正則化項である。HHは音響伝達関数を要素に持つ行列Hのエルミート転置である。上記の信号処理を用いて、制御領域配置可能領域１４の内側に位置する複数の制御領域１６−１、…、１６−Ｓ内の複数の観測点(x1,...,xq,...,xQ)において所望の音圧が再現されるように無指向性音源１１−１−１、…、１１−Ｌ−Ｍそれぞれの重みが計算されることになる。
【００２１】
＜指向性可変スピーカ１１の設計例＞
以下に指向性可変スピーカ１１の設計例について説明する。一般的な場合、指向性可変スピーカは、Ｎ次（Ｎは１以上の整数）の指向性パターンでモデル化される。指向性可変スピーカ１１−ｌの、各周波数ωにおける、遠方音場の指向性パターンDl(φl;ω)は、位相モード展開によって、次のように記述される。φlはx軸を基準とした指向性可変スピーカ１１―ｌの中心の角度である。
【００２２】
【数４】
0006285881.tif 000005
【００２３】
なお、αnlは、ｎ次（ｎ＝１、…、Ｎ）の位相モードにおける重み係数である。einφl=cos(nφl)+isin(nφl)である。図２を参照して指向性可変スピーカおよび無指向性音源の位置を表すパラメータについて説明する。図２は、本実施例の音場再生装置１の指向性可変スピーカ１１−１、…、１１−Ｌおよび無指向性音源１１−１−１、…、１１−Ｌ−Ｍの位置を表すパラメータ（ローカル座標系）について説明する図である。図２に示すように、指向性可変スピーカ１１−ｌは、Ｍ個の無指向性音源１１−ｌ−１、…、１１−ｌ−ｍ、…、１１−ｌ−Ｍを半径ｒの等間隔円状アレイに並べることで実現できる。また図２に示すように、ｄlは等間隔円状アレイ（指向性可変スピーカ１１−ｌ）の中心から任意の点までの距離、φlはx軸を基準とした際の任意の位置における角度、ψlは任意の点を表すベクトルと同じ方向の単位ベクトル、すなわちψl=[cosφl,sinφl]T、ψlmはl番目の指向性可変スピーカ１１−ｌ内のｍ番目の無指向性音源１１−ｌ−ｍの中心位置の座標を表すベクトルと同じ方向の単位ベクトル、すなわちψlm=[cosφlm,sinφlm]T、φlmは、l番目の指向性可変スピーカ１１−ｌ内のｍ番目の無指向性音源１１−ｌ−ｍの方位角を表す。
【００２４】
Ｎ次までのスピーカ応答を得ることを保証するため、次のようにｒとＭを選んで、各指向性可変スピーカを設計する必要がある。
（１）次数Ｎまでの空間モードを再現するため、r=N/k（kは波数）とする
（２）十分な自由度を持つスピーカ応答を得るため、M≧2N+1とする
上記の設計指針（１）（２）は、周波数ｆにおける空間エイリアジングを避けるため、無指向性音源（モノポール）がλ/2以下のスペースで配置されることを保証する。このアレイ（指向性可変スピーカ）は、例えば円筒スピーカボックスの側面を周回するようにＭ個の無指向性音源（モノポール）を１列、あるいは複数列配列することで実現可能である。各無指向性音源（モノポール）の重みは、音場再現の問題に正則化最小二乗によって選択される。パラメータｒとＭを選べば、指向性可変スピーカは二次の指向特性を持つことが保証される。プレッシャーマッチングの設計による結果による指向性可変スピーカ１１−ｌの近接場指向特性Ｄｌは、次のように記述される。
【００２５】
【数５】
0006285881.tif 000006
【００２６】
なおH0(2)は次数０の２種のハンケル関数である。
【００２７】
以下、図３を参照して音場再生装置１が実行する音場再生方法について説明する。図３は本実施例の音場再生装置１が実行する音場再生方法を示すフローチャートである。図３に示すように、音場再生装置１は、上述の反射部材１２と、指向性可変スピーカ１１を用い、制御領域配置可能領域１４の内側に位置する複数の制御領域１６内の複数の観測点において所望の音圧が再現されるように無指向性音源１１−１−１、…、１１−Ｌ−Ｍそれぞれの重みが予め設定され、設定された重みに基づいて無指向性音源１１−１−１、…、１１−Ｌ−Ｍを駆動する（Ｓ１）。
【００２８】
＜補記＞
本発明の装置は、例えば単一のハードウェアエンティティとして、キーボードなどが接続可能な入力部、液晶ディスプレイなどが接続可能な出力部、ハードウェアエンティティの外部に通信可能な通信装置（例えば通信ケーブル）が接続可能な通信部、ＣＰＵ（Central Processing Unit、キャッシュメモリやレジスタなどを備えていてもよい）、メモリであるＲＡＭやＲＯＭ、ハードディスクである外部記憶装置並びにこれらの入力部、出力部、通信部、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、外部記憶装置の間のデータのやり取りが可能なように接続するバスを有している。また必要に応じて、ハードウェアエンティティに、ＣＤ−ＲＯＭなどの記録媒体を読み書きできる装置（ドライブ）などを設けることとしてもよい。このようなハードウェア資源を備えた物理的実体としては、汎用コンピュータなどがある。
【００２９】
ハードウェアエンティティの外部記憶装置には、上述の機能を実現するために必要となるプログラムおよびこのプログラムの処理において必要となるデータなどが記憶されている（外部記憶装置に限らず、例えばプログラムを読み出し専用記憶装置であるＲＯＭに記憶させておくこととしてもよい）。また、これらのプログラムの処理によって得られるデータなどは、ＲＡＭや外部記憶装置などに適宜に記憶される。
【００３０】
ハードウェアエンティティでは、外部記憶装置（あるいはＲＯＭなど）に記憶された各プログラムとこの各プログラムの処理に必要なデータが必要に応じてメモリに読み込まれて、適宜にＣＰＵで解釈実行・処理される。その結果、ＣＰＵが所定の機能（上記、…部、…手段などと表した各構成要件）を実現する。
【００３１】
本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。また、上記実施形態において説明した処理は、記載の順に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されるとしてもよい。
【００３２】
既述のように、上記実施形態において説明したハードウェアエンティティ（本発明の装置）における処理機能をコンピュータによって実現する場合、ハードウェアエンティティが有すべき機能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、上記ハードウェアエンティティにおける処理機能がコンピュータ上で実現される。
【００３３】
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。コンピュータで読み取り可能な記録媒体としては、例えば、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、半導体メモリ等どのようなものでもよい。具体的には、例えば、磁気記録装置として、ハードディスク装置、フレキシブルディスク、磁気テープ等を、光ディスクとして、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＤＶＤ−ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ（Recordable）／ＲＷ（ReWritable）等を、光磁気記録媒体として、ＭＯ（Magneto-Optical disc）等を、半導体メモリとしてＥＥＰ−ＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable-Read Only Memory）等を用いることができる。
【００３４】
また、このプログラムの流通は、例えば、そのプログラムを記録したＤＶＤ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬型記録媒体を販売、譲渡、貸与等することによって行う。さらに、このプログラムをサーバコンピュータの記憶装置に格納しておき、ネットワークを介して、サーバコンピュータから他のコンピュータにそのプログラムを転送することにより、このプログラムを流通させる構成としてもよい。
【００３５】
このようなプログラムを実行するコンピュータは、例えば、まず、可搬型記録媒体に記録されたプログラムもしくはサーバコンピュータから転送されたプログラムを、一旦、自己の記憶装置に格納する。そして、処理の実行時、このコンピュータは、自己の記録媒体に格納されたプログラムを読み取り、読み取ったプログラムに従った処理を実行する。また、このプログラムの別の実行形態として、コンピュータが可搬型記録媒体から直接プログラムを読み取り、そのプログラムに従った処理を実行することとしてもよく、さらに、このコンピュータにサーバコンピュータからプログラムが転送されるたびに、逐次、受け取ったプログラムに従った処理を実行することとしてもよい。また、サーバコンピュータから、このコンピュータへのプログラムの転送は行わず、その実行指示と結果取得のみによって処理機能を実現する、いわゆるＡＳＰ（Application Service Provider）型のサービスによって、上述の処理を実行する構成としてもよい。なお、本形態におけるプログラムには、電子計算機による処理の用に供する情報であってプログラムに準ずるもの（コンピュータに対する直接の指令ではないがコンピュータの処理を規定する性質を有するデータ等）を含むものとする。
【００３６】
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、ハードウェアエンティティ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。
【図１】
0006285881.tif 000007
【図２】
0006285881.tif 000008
【図３】
0006285881.tif 000009