(57)【要約】    【構成】  ディジタルテルミン１０は、赤外線カメラ１２を含み、この赤外線カメラ１２によって演奏者の手１４を撮影する。処理回路１８は赤外線カメラ１２からの映像信号を受け、映像信号中での手１４の大きさ（面積）を検出し、その検出した大きさ（面積）に応じて周波数を決定し、当該周波数を有する楽音信号をオーディオアンプ２０に与え、スピーカ２２から楽音を出力させる。    【効果】  手の大きさ（面積）が赤外線カメラと手との間の距離に反比例し、周波数もその距離に反比例するものと設定すれば、手の大きさ（面積）に比例して簡単に周波数を決定することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
演奏者の手を撮影する赤外線カメラ、
前記赤外線カメラからの映像信号に基づいて前記手の大きさを検出する大きさ検出手段、
前記手の大きさに基づいて周波数を決定する周波数決定手段、および
前記決定手段によって決定された周波数の楽音信号を出力する楽音信号出力手段を備える、ディジタルテルミン。
【請求項２】
前記大きさ検出手段は、前記映像信号が閾値を超えている期間の長さを検出する期間検出手段を含む、請求項１記載のディジタルテルミン。
【請求項３】
前記期間検出手段は、発振器、および前記映像信号が前記閾値を超えている期間中前記発振器からの発振信号をカウントするカウンタ手段を含む、請求項２記載のディジタルテルミン。
【請求項４】
前記カウンタ手段は、前記映像信号と前記閾値とを比較する比較器、前記比較器の出力で前記発振信号をゲートするＡＮＤゲート、および前記ゲートの出力をカウント入力とするカウンタを含む、請求項３記載のディジタルテルミン。
【請求項５】
前記周波数決定手段は、前記大きさを前記赤外線カメラと前記手との間の距離の関数とし、さらに前記距離の関数として前記周波数を決定する、請求項１ないし４のいずれかに記載のディジタルテルミン。
【請求項６】
前記楽音信号出力手段は、前記楽音信号の周期を算出する周期算出手段、および前記周期算出手段で算出した周期毎にＩ／Ｏポートを反転させてそのＩ／Ｏポートから前記周期を有する矩形波楽音信号を出力する手段を含む、請求項１ないし５のいずれかに記載のディジタルテルミン。
【請求項７】
前記矩形波楽音信号を出力する手段は、フリーランカウンタ、前記周期と前記フリーランカウンタのカウント値とを比較するデータ比較器、および前記データ比較器から出力される一致信号毎に前記Ｉ／Ｏポートを反転させる反転手段を含む、請求項６記載のディジタルテルミン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はディジタルテルミンに関し、特にたとえば演奏者の手をビデオカメラで撮影し、そのカメラ信号を処理することによって音源に対する制御信号を与える、ディジタルテルミンに関する。
【背景技術】
【０００２】
テルミンはテルミン博士が考案した世界最初の電子楽器であり、本体から２本のアンテナが出ており、これに手をかざすことによって、音程と音量とを制御して演奏する。
【０００３】
発振周波数がともに数１００ｋＨｚで２個ずつペアになった２組のＬＣ発振器の一方はシールドし、他方にそれぞれ１本のアンテナを取り付け、外界との電磁結合でドリフトを発生するように構成されている。つまり、手がアンテナに近づくとドリフトが生じ、１組の発振器によってビートが発生する。このビートが可聴周波数となるので、これを増幅することによって、音程を制御する。音量も同様の原理で制御している。
【０００４】
このような原始的なテルミンでは、アンテナと演奏者の手とを結ぶ空間で音程的に線形でない部分（アンテナ近くとその反対）が存在するため、音程や音量の制御がかなり難しいばかりでなく、複数のテルミンを近づけると干渉が生じるなどの問題があった。
【０００５】
そこで、非特許文献１に示すような、いわゆるディジタルテルミンまたは光学式テルミンが提案されている。このディジタルテルミンは、手に持ったペンライトを動かし、その動きをディジタルビデオカメラで撮影し、得られた映像信号を閾値処理することによって、手すなわちペンライトの位置を割り出し、その位置によって音程や音量を制御する。
【非特許文献１】雑誌「トライピーシー」２００３年春号（ＣＱ出版社）第２０４−２０７頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１のディジタルテルミンでは、ペンライトを用いて明るさの差をはっきりさせることによって簡単な閾値処理で位置を計算できるので、複雑な画像認識処理を必要としないという点で優れているが、重心の計算によるタイムラグがあり、楽器としては実用的ではない。また、この従来技術では、ペンライトなどの道具を持たなければテルミンを演奏できないという、別の問題がある。
【０００７】
それゆえに、この発明の主たる目的は、従来のテルミンと同じく手だけで演奏できる、ディジタルテルミンないし光学式テルミンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明は、演奏者の手を撮影する赤外線カメラ、赤外線カメラからの映像信号に基づいて手の大きさを検出する大きさ検出手段、手の大きさに基づいて周波数を決定する周波数決定手段、および決定手段によって決定された周波数の楽音信号を出力する楽音信号出力手段を備える、ディジタルテルミンである。
【０００９】
請求項１の発明では、演奏者の手が赤外線光源で照射された状態で赤外線カメラによって撮影される。そして、この赤外線カメラからの映像信号がたとえばビデオアンプを経て処理回路に入力される。処理回路では、その映像信号に基づいてその手の面積（映像信号中における）を検出し、その大きさ（面積）の関数として周波数を決定する。楽音信号出力手段は、このようにして決定された周波数を有する楽音信号を出力する。
【００１０】
このように、請求項１の発明では演奏者の手の大きさ（面積）を検出し、それによって楽音信号の周波数が決定されるので、従来のアナログテルミンに比べて演奏が簡単になる。しかも非特許文献１の従来技術に比べて、重心計算などが不要で処理が簡単になり時間遅れがなく、さらに手だけで演奏できるので、より実用的なディジタルテルミンが得られる。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１に従属するディジタルテルミンであって、大きさ検出手段は、映像信号が閾値を超えている期間の長さを検出する期間検出手段を含む。
【００１２】
請求項２の発明では、映像信号中の手の大きさ（面積）を、映像信号が閾値を超えている期間の長さとして検出するので、バッファメモリを使った一般的な画像処理は不要である。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項２に従属するディジタルテルミンであって、期間検出手段は、発振器、および映像信号が閾値を超えている期間中発振器からの発振信号をカウントするカウンタ手段を含む。
【００１４】
請求項３の発明では、期間検出手段はカウンタ手段を含み、そのカウンタ手段は映像信号が閾値を超えている期間中発振信号をカウントする。したがって、カウンタ手段でカウントするだけで、期間すなわち手の大きさ（面積）が検出できる。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項３に従属するディジタルテルミンであって、カウンタ手段は、映像信号と閾値とを比較する比較器、比較器の出力で発振信号をゲートするＡＮＤゲート、およびゲートの出力をカウント入力とするカウンタを含む。
【００１６】
請求項４の発明では、ＡＮＤゲートからは、映像信号が閾値を超えている期間中発振信号が出力され、カウンタはそれぞれをカウントする。そして、このカウンタのカウント値が手の大きさ（面積）の相関値となる。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項１ないし４のいずれかに従属するディジタルテルミンであって、周波数決定手段は、大きさを赤外線カメラと手との間の距離の関数とし、さらに距離の関数として周波数を決定する。
【００１８】
請求項５の発明では、具体的には、大きさ（面積Ｓ）が距離の２乗に反比例するので、周波数を同様に距離の２乗に反比例するように設定すれば、周波数を大きさ（面積）に比例するものとして決定でき、計算が簡単である。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項１ないし５のいずれかに従属するディジタルテルミンであって、楽音信号出力手段は、楽音信号の周期を算出する周期算出手段、および周期算出手段で算出した周期毎にＩ／Ｏポートを反転させてそのＩ／Ｏポートから周期を有する矩形波楽音信号を出力する手段を含む。
【００２０】
請求項６の発明では、周波数の逆数を周期として計算し、その周期毎にＩ／Ｏポートを反転させると、このＩ／Ｏポートからは、当該周期すなわち周波数の矩形波信号が得られる。この方法によれば、周波数データから直接楽音信号を出力するダイレクトシンセサイザに比べて構成が簡単で安価である。
【００２１】
請求項７の発明は、請求項６に従属するディジタルテルミンであって、矩形波楽音信号を出力する手段は、フリーランカウンタ、周期とフリーランカウンタのカウント値とを比較するデータ比較器、およびデータ比較器から出力される一致信号毎にＩ／Ｏポートを反転させる反転手段を含む。
【００２２】
請求項７の発明では、周期の検出のためにフリーランカウンタを利用するので、構成が簡単になる。
【発明の効果】
【００２３】
この発明によれば、従来のアナログテルミンに比べて演奏が簡単で、しかも処理が簡単で時間遅れがなく、さらに手だけで演奏できるので、より実用的なディジタルテルミンが得られる。
【００２４】
この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１に示すこの発明の一実施例のディジタルテルミン１０は、ＣＣＤカメラ１２を用いる。このＣＣＤカメラ１２には赤外線フィルタ１２ａが装着されていて、したがって、ＣＣＤカメラ１２は赤外線カメラとして機能する。このＣＣＤカメラすなわち赤外線カメラ１２の近傍には、カメラ１２の前方の演奏者の手１４を照射できるように、赤外線発光器１６が設置される。この赤外線発光器１６はブラックランプや赤外線ＬＥＤであってよい。
【００２６】
赤外線カメラ１２で撮影した手１４の映像信号は、処理回路１８に入力される。この処理回路１８では、コンピュータを用いて、映像信号中の手の大きさ（面積）を求め、この大きさ（面積）情報から、手１４とカメラ１２との間の距離を算出し、その距離を音程や音量に反映させる。そのようにして音程および音量が調整されたオーディオ信号（楽音信号）が処理回路１８から出力され、オーディオアンプ２０を経て、スピーカ２２から楽音として出力される。
【００２７】
図１実施例の具体的構成が図２のブロック図で示される。図２に示すように、ＣＣＤカメラ１２からの映像信号はビデオアンプ２４を経て、処理回路１８に含まれる電圧比較器２６の一方（＋）入力として与えられるとともに、同期分離回路２８に与えられる。なお、ビデオアンプ２４はたとえば新日本無線株式会社製の集積回路「ＮｊＭ２２４６」のようなクランプ回路付きのビデオアンプである。
【００２８】
電圧比較器２６はたとえばナショナルセミコンダクタ社製の集積回路「ＬＭ３１９」であり、その他方（−）入力には、基準電圧発生器３０からの基準電圧が与えられる。基準電圧発生器３０は、この実施例では可変抵抗器を含んで構成される。したがって、基準電圧発生器３０からは、大きさが可変の基準電圧が電圧比較器２６の（−）入力に与えられる。
【００２９】
電圧比較器２６は、図３に示すようにビデオアンプ２４から出力された映像信号のレベル（大きさ）が基準電圧すなわち閾値を超えたとき、ハイレベルとなる比較結果信号を出力する。
【００３０】
電圧比較器２６からの比較結果信号は、ＡＮＤゲート３２の一方入力に与えられる。ＡＮＤゲート３２の他方入力には、発振回路３４から出力されるたとえば数１０ＭＨｚの周波数を有する発振信号が与えられる。つまり、ＡＮＤゲート３２は、電圧比較器２６からの比較結果信号がハイレベルの期間中のみ発振回路３４からの発振信号をシングルチップコンピュータ（以下、単に「コンピュータ」ということもある。）３６に与える。
【００３１】
なお、同期分離回路３０は、たとえばナショナルセミコンダクタ社製の集積回路「ＬＭ１８８１」であり、ビデオアンプ２４から出力された映像信号から垂直同期信号を抽出して上記シングルチップコンピュータ３６に与える。
【００３２】
シングルチップコンピュータ３６は、たとえばマイクロチップ社製の集積回路「１６Ｆ８７３」であり、図４に示すように、ＣＰＵ３８、ＲＯＭ４０およびＲＡＭ４２を含み、これらはＣＰＵバス４４によって結合され、互いにデータを授受できるようにされている。
【００３３】
コンピュータ３６には２つの１６ビットバイナリカウンタ４６および４８が設けられ、一方のカウンタ４６のカウント入力には先に説明した図２のＡＮＤゲート３２からの数１０ＭＨｚの発振信号が与えられる。他方のカウンタ４８はいわゆるフリーランカウンタとして機能し、それのカウント入力としては、内部クロック回路（図示せず）からのたとえば５ＭＨｚの内部クロックが印加される。１６ビットバイナリカウンタ４６は、ＣＰＵ３８からのリセット信号によってリセットされる。１６ビットバイナリカウンタ４８は、後述のデータ比較器５２からのリセット信号によってリセットされる。
【００３４】
なお、図２の同期分離回路２８からの垂直同期信号は第１割込み信号としてＣＰＵバス４４に与えられ、データ比較器５２からの上記リセット信号がまた第２割込み信号として、ＣＰＵバス４４に入力される。
【００３５】
カウンタ４６の出力はＣＰＵバス４４に結合されているので、ＣＰＵ３８は、ＣＰＵバス４４を通してカウンタ４６のカウント値ＣＮＴ１を読み取ることができる。
【００３６】
また、コンピュータ３６には比較データレジスタ５０が設けられ、この比較データレジスタ５０には、ＣＰＵバス４を通して、ＣＰＵ３８から比較データが設定され得る。カウンタ４８のカウント値ＣＮＴ２は先に述べたデータ比較器５２の一方入力に与えられ、このデータ比較器５２の他方入力には比較データレジスタ５０に設定された比較データが与えられる。データ比較器５２は、カウンタ４８のカウント値ＣＮＴ２と比較データとが一致したときＣＰＵバス４４に上述の第２割込み信号を出力するとともに、カウンタ４８をリセットする。
【００３７】
ＣＰＵバス４４にはさらにＩ／Ｏポート５４が接続され、このＩ／Ｏポート５４は、ＣＰＵ３８によって後述のように繰り返しオン／オフされ、結果的にこのＩ／Ｏポート５４から矩形波信号が出力される。
【００３８】
上で説明した２つの割込み信号、第１割込み信号（垂直同期信号）および第２割込み信号（データ一致信号）に応答して、ＣＰＵ３８は図５および図６に示す動作を実行する。
【００３９】
垂直同期信号すなわち第１割込み信号が入力されると、ＣＰＵ３８は、図５のステップＳ１においてカウンタ４６のカウント値ＣＴＮ１を読み込む。このときのカウンタ４６のカウント値ＣＮＴ１は、映像信号において一定の閾値を超えた領域の大きさすなわち大きさ（面積）に相当する。すなわち、図１に示す赤外線カメラ１２は手１４から放射される赤外線に感応する。そのため、映像信号は、手１４（図１）の領域に相当する期間だけ閾値を超えることになり、前述のように、映像信号のレベルが閾値を超えている期間にＡＮＤゲート３２から数１０ＭＨｚの信号がカウンタ４６のカウント入力として与えられる。そのため、カウンタ４６はその期間中のみカウント動作を実行する。したがって、カウンタ４６のカウント値ＣＮＴ１はそのときの映像信号中の手の大きさ（面積）に相当することがわかる。このように、このカウンタ４６ならびにびそれぞれの関連回路２６，３０，３２および３４は、手の大きさ（面積）を検出する手段として、具体的にはその手の大きさ（面積）に相関する期間検出手段（カウンタ手段）として機能する。
【００４０】
そこで、ステップＳ１では、ＣＰＵ３８は、そのときのカウンタ４６のカウント値ＣＮＴ１を大きさ（面積）データ（Ｓ）として取り込む。その後、ＣＰＵ３８は、カウンタ４６にリセット信号を与える。このようにして、第１割込み信号（垂直同期信号）毎に、ＣＰＵ３８は手１４の大きさ（面積）データ（Ｓ）を取得することができる。
【００４１】
手１４のカメラで撮影された大きさ（面積）（Ｓ）は、当然、カメラ１２と手１４との間の距離（Ｄ）に相関する。具体的には、数１に示すように、大きさ（面積）（Ｓ）は距離（Ｄ）の２乗に反比例する。
【００４２】
【数１】
2005037758.tif 000003
【００４３】
そして、目的とする音の周波数（ｆ）をその距離（Ｄ）の２乗に反比例するように設定しておけば、その周波数（ｆ）は数２で与えられる。この数２を変形して、数３が得られる。つまり、この数２および数３、すなわちこれらを計算するＣＰＵ３８（図４）が周波数決定手段として機能する。
【００４４】
【数２】
2005037758.tif 000004
【００４５】
【数３】
2005037758.tif 000005
【００４６】
このようにして求まった周波数（ｆ）値を与えればそのままその周波数の楽音信号を出力できるダイレクトシンセサイザを利用することも可能であるが、この実施例では、一層安価にすることを目的として、図４に示すカウンタ４８を用いる。簡単にいうと、周波数（ｆ）を周期（Ｔ）に変換し、その周期（Ｔ）を有する矩形波信号をＩ／Ｏポート５４（図４）から出力する。
【００４７】
周波数（ｆ）は周期（Ｔ）の逆数であるから、数４が得られる。この数４すなわちそれを計算するＣＰＵ３８が周期算出手段である。
【００４８】
【数４】
2005037758.tif 000006
【００４９】
そして、ＣＰＵ３８は、続くステップＳ２において数４から周期（Ｔ）を算出し、次のステップＳ３において、比較データレジスタ５０にその周期（Ｔ）を比較データとして設定する。なお、ＣＰＵ３８は精度をよくするために、数４をたとえば３２ビットで計算するので、数４の定数Ｋ４は、おおよそ１０６−１０８程度である。
【００５０】
前述のように、カウンタ４８は内部クロックによってインクリメントされるフリーランカウンタであり、そのカウント値ＣＮＴ２がステップＳ３で設定した比較データ（周期Ｔに相関する）と一致するとデータ比較器５２がその一致を検出し、第２割込み信号を出力する。
【００５１】
第２割込み信号がデータ比較器５２から出力されると、ＣＰＵ３８は図６のステップＳ４を実行する。つまり、図７に示すようにカウンタ４８（ＣＮＴ２）をリセットするとともに、Ｉ／Ｏポート５４を反転する。ここで、フリーランカウンタ４８，比較データレジスタ５０およびデータ比較器５２が反転手段の一部を形成し、そのデータ比較器５２からの割込み信号でＩ／Ｏポート５４を反転させるＣＰＵ３８も反転手段の一部を形成する。
【００５２】
このように、計算した周期（Ｔ）毎にＩ／Ｏポート５４が反転されるので、このＩ／Ｏポート５４からの出力は、図８に示すように「１（ハイレベル）」→「０（ローレベル）」→「１（ハイレベル）」と反転される矩形波信号となる。この矩形波信号の周期は２Ｔとなり、したがって、その矩形波信号の繰り返し周波数がそのときの手の大きさ（面積Ｓ）に相関する周波数になる。つまり、Ｉ／Ｏポート５４から、手１４（図１）のカメラ１２からの距離に応じた周波数の楽音信号が出力されることになる。
【００５３】
ただし、上述のようにダイレクトシンセサイザ方式によって周波数（ｆ）データから直接、その周波数の楽音信号を出力するようにしてもよいし、楽音信号の波形も実施例の矩形波信号に限られるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】図１はこの発明の一実施例のディジタルテルミンの原理を示す図解図である。
【図２】図２は図１の実施例の構成を示す概略ブロック図である。
【図３】図３は図２の電圧比較器の動作を示す図解図である。
【図４】図４は図２の実施例の具体的な構成を示すブロック図である。
【図５】図５は図４のＣＰＵの第１割込み信号に応答する動作を示すフロー図である。
【図６】図６は図４のＣＰＵの第２割込み信号に応答する動作を示すフロー図である。
【図７】図７は図４のカウンタの動作を示す図解図である。
【図８】図８は図４のカウンタの動作とＩ／Ｏポートから出力される音信号との関係を示す図解図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０  …ディジタルテルミン
１２  …赤外線カメラ
１４  …手
１６  …赤外線発光器
１８  …処理回路
３６  …シングルチップコンピュータ
３８  …ＣＰＵ
４６，４８  …１６ビットバイナリカウンタ
５０  …比較データレジスタ
５２  …データ比較器
５４  …Ｉ／Ｏポート
【図１】
2005037758.tif 000007
【図２】
2005037758.tif 000008
【図３】
2005037758.tif 000009
【図４】
2005037758.tif 000010
【図５】
2005037758.tif 000011
【図６】
2005037758.tif 000012
【図７】
2005037758.tif 000013
【図８】
2005037758.tif 000014