(57)【要約】【課題】  規模の小さい頭部伝達関数データベースを用いて臨場感の高い音場を再生する。【解決手段】  測定によって求めた頭部伝達関数を聴覚フィルタの性質を考慮した頭部伝達関数に簡略化し、この簡略化した頭部伝達関数を格納してデータベースを作成する。このデータベースから受聴者情報及び音源位置情報に従って簡略化した頭部伝達関数を選択し、この簡略化した頭部伝達関数を受聴を希望する音響信号に畳み込み、簡略化した頭部伝達関数が畳み込まれた音響信号を受聴者に提示して臨場感の高い音場を再生する。【選択図】  図１
2005109914.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
聴覚フィルタの性質を有するバンドパスフィルタ群を用いて頭部伝達関数を簡略化し、
当該簡略化された頭部伝達関数を保持することによって作成された頭部伝達関数データベースを用いる高臨場感音場再生方法であって、
受聴者情報と音源から発せられた音響信号から得られる音源位置情報とに基づき、前記頭部伝達関数データベースから簡略化頭部伝達関数を選択し、当該選択された簡略化頭部伝達関数を前記音響信号に畳み込むことを特徴とする高臨場感音場再生方法。
【請求項２】
請求項１に記載の高臨場感音場再生方法において、前記選択された簡略化頭部伝達関数を前記音響信号に畳み込んだ結果得られた信号を電気音響変換することを特徴とする高臨場感音場再生方法。
【請求項３】
請求項１に記載の高臨場感音場再生方法において、バンドパスフィルタ群を構成するバンドパスフィルタは、中心周波数が高周波数になるにつれて、漸次、帯域幅が大きくなることを特徴とする高臨場感音場再生方法。
【請求項４】
請求項１に記載の高臨場感音場再生方法において、バンドパスフィルタの帯域に含まれる各周波数成分に対し、利得の平均値を求め、当該利得の平均値を用いることにより、頭部伝達関数を簡略化することを特徴とする高臨場感音場再生方法。
【請求項５】
請求項１乃至４記載の高臨場感音場再生方法の何れかに用いる頭部伝達関数データベースの作成方法であって、上記聴覚フィルタの帯域幅は低域側で高域側の帯域幅より狭く、高域側で低域側の帯域幅より漸次広くなるバンドパスフィルタ群の性質を具備し、このバンドパスフィルタ群の各バンドパスフィルタの帯域に含まれる周波数成分の利得の平均値を求め、この利得の平均値を要素とした簡略化された頭部伝達関数を格納して頭部伝達関数データベースを作成することを特徴とする頭部伝達関数データベース作成方法。
【請求項６】
音源と、
この音源が出力した音響信号から音源位置情報を選択する音源位置情報選択手段と、
受聴者情報を設定する受聴者情報設定手段と、
受聴者別及び音源位置毎に分類されて聴覚フィルタの性質を考慮して簡略化した頭部伝達関数を格納した頭部伝達関数データベースと、
上記音源位置情報選択手段で選択した音源位置情報及び上記受聴者情報設定手段で設定した受聴者情報に従って上記頭部伝達関数データベースから該当する頭部伝達関数を選択する頭部伝達関数選択手段と、
この頭部伝達関数選択手段で選択した頭部伝達関数を上記音源が出力した音響信号に畳み込み演算処理を施す畳み込み演算手段と、
この畳み込み演算手段で頭部伝達関数が畳み込まれた音響信号を電気音響変換手段に出力する出力手段と、
によって構成したことを特徴とする高臨場感音場再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はバイノーラル技術による高臨場感音場再生方法及びこの音場再生方法に用いる頭部伝達関数データベースの作成方法及び高臨場感音場再生装置に関し、特に従来の方法より小さいデータベースを用い、従来の方法より多くの受聴者に、高臨場感を与えることを可能とした高臨場感音場再生方法及びこれに用いる頭部伝達関数データベースの作成方法、高臨場感音場再生装置を提供しようとするものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ヘッドホンを用いた高臨場感音場再生方法として、バイノーラルに録音されたステレオ音源（例えばダミーヘッドを用いて受聴者と同等の頭部伝達関数を畳み込んで録音した音源）のステレオ信号を受聴者に受聴させて、受聴者に頭外定位感を与える方法と、バイノーラル録音されていないステレオ音源を用いて、事前に測定されている受聴者の頭部伝達関数と音源からの音響信号との畳み込み演算を行ない、この畳み込み演算されたステレオ信号により受聴者に頭外定位感を与える方法とがある（非特許文献１）。
【非特許文献１】Corey I.Cheng,Gregory H.Wakefield,“Introduction to Head-Related Transfer Functions (HRTFs)：Representations of HRTFs in Time,Frequency,and Space”,J.Audio Eng.Soc.,Vol.49,No.4,pp.231-249,2001.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
頭部伝達関数の周波数特性は、個人の頭部形状の差に由来する大きな個人差を含み、極めて複雑な形状をしている。高臨場感の受聴を実現するには、従来は受聴者毎に高精度の頭部伝達関数を全方向にわたって測定し、頭部伝達関数のデータベースを作成することを必要としていた。このため従来の方法に用いられるデータベースは非常に大規模になるという第１の問題があった。
【０００４】
この第１の問題を解消する方法として頭部伝達関数を簡略化し、データ量を圧縮しようとする試みがある。頭部伝達関数の簡略化の方法にはバンドパスフィルタを用いる方法や、多項式近似が存在する。然し乍ら、これらの頭部伝達関数の簡略化は聴覚の両耳処理等の特徴を考慮していない。つまり聴覚の特徴を考慮しない簡略化手法では簡略化による情報圧縮が音場再生時の臨場感に悪影響を及ぼすという第２の問題が発生する。
【０００５】
この発明の目的は、バイノーラル技術による高臨場感音場再生方法において、従来の手法より小さい規模のデータベースを用い、従来の手法より多くの受聴者に高臨場感を与えることを可能とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の請求項１では聴覚フィルタの性質を有するバンドパスフィルタ群を用いて頭部伝達関数を簡略化し、当該簡略化された頭部伝達関数を保持することによって作成された頭部伝達関数データベースを用いる高臨場感音場再生方法であって、受聴者情報と音源から発せられた音響信号から得られる音源位置情報とに基づき、頭部伝達関数データベースから簡略化頭部伝達関数を選択し、当該選択された簡略化頭部伝達関数を音響信号に畳み込む高臨場感音場再生方法を提案する。
【０００７】
この発明の請求項２では請求項１に記載の高臨場感音場再生方法において、選択された簡略化頭部伝達関数を音響信号に畳み込んだ結果得られた信号を電気音響変換する高臨場感音場再生方法を提案する。
【０００８】
この発明の請求項３では請求項１に記載の高臨場感音場再生方法において、バンドパスフィルタ群を構成するバンドパスフィルタは、中心周波数が高周波数になるにつれて、漸次、帯域幅が大きくなる高臨場感音場再生方法を提案する。
【０００９】
この発明の請求項４では請求項１に記載の高臨場感音場再生方法において、バンドパスフィルタの帯域に含まれる各周波数成分に対し、利得の平均値を求め、当該利得の平均値を用いることにより、頭部伝達関数を簡略化する高臨場感音場再生方法を提案する。
【００１０】
この発明の請求項５では請求項１乃至４記載の高臨場感音場再生方法の何れかに用いる頭部伝達関数データベースの作成方法であって、上記聴覚フィルタの帯域幅は低域側で高域側の帯域幅より狭く、高域側で低域側の帯域幅より漸次広くなるバンドパスフィルタ群の性質を具備し、このバンドパスフィルタ群の各バンドパスフィルタの帯域に含まれる周波数成分の利得の平均値を求め、この利得の平均値を要素とした簡略化された頭部伝達関数を格納して頭部伝達関数データベースを作成する頭部伝達関数データベース作成方法を提案する。
【００１１】
この発明の請求項６では音源と、この音源が出力した音響信号から音源位置情報を選択する音源位置情報選択手段と、受聴者情報を設定する受聴者情報設定手段と、受聴者別及び音源位置毎に分類されて聴覚フィルタの性質を考慮して簡略化した頭部伝達関数を格納した頭部伝達関数データベースと、音源位置情報選択手段で選択した音源位置情報及び受聴者情報設定手段で設定した受聴者情報に従って頭部伝達関数データベースから該当する頭部伝達関数を選択する頭部伝達関数選択手段と、この頭部伝達関数選択手段で選択した頭部伝達関数を音源が出力した音響信号に畳み込み演算処理を施す畳み込み演算手段と、この畳み込み演算手段で頭部伝達関数が畳み込まれた音響信号を電気音響変換手段に出力する出力手段とによって構成した高臨場感音場再生装置を提案する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明で提案した頭部伝達関数データベース作成方法により作成した頭部伝達関数データベースは各バンドパスフィルタの帯域に含まれる周波数成分の平均値を要素として頭部伝達関数を簡略化するため、データ量を少なくできると共に、頭部伝達関数の特性は平滑化されるため、頭部伝達関数の個人差を減少させることができる。この結果、複数の受聴者に１つの簡略化された頭部伝達関数を適用することが可能となり、頭部伝達関数データベースの規模を小さくすることができる。また、頭部伝達関数の周波数特性を臨場感の喪失への影響を抑えながら、簡略化することで、臨場感の喪失への影響を抑えた情報の圧縮を容易に行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
頭部伝達関数データベース部には、聴覚フィルタの性質を考慮した頭部伝達関数（簡略化された頭部伝達関数、または、簡略化頭部伝達関数、とも呼ぶ）が記録されている。音源から発生した音響信号に、音源位置情報と受聴者情報に基づき選択された、頭部伝達関数データベース部に記録されている聴覚フィルタの性質を考慮した頭部伝達関数を畳み込み演算手段で畳み込む。聴覚フィルタの性質を考慮した頭部伝達関数の畳み込まれた音響信号は、ヘッドホンを介して受聴者に高臨場感の音場として伝達される。頭部伝達関数データベース部は受聴者毎、音源方向毎に計測された頭部伝達関数に基づいて作成される。本発明で作成する頭部伝達関数は従来の頭部伝達関数データベースと同形式であるが、データベースの要素としては、頭部伝達関数を、聴覚フィルタの性質を表現したフィルタ群を通して変換した、聴覚フィルタの性質を考慮した頭部伝達関数を記録している。前記の変換により、頭部伝達関数データベースにおける個人差が減少し、データベースにない新たな受聴者に対して他の受聴者のデータを用いて高い臨場感を与えることを可能とする。また、前記変換に伴い、頭部伝達関数の周波数特性は、周波数によって急激に変化する部分が減少し、連続でなめらかな多項式関数に似た形状になる。前記周波数特性を、多項式関数などによる近似を用いて表現することが出来、頭部伝達関数を構成するデータの情報圧縮を効率的かつ容易に行うことも可能となる。
【００１４】
つまり、本発明は人間の聴覚の両耳処理系において、音響信号が聴覚フィルタと呼ばれる複数のバンドパスフィルタにより、個人差無く簡略化されている事実を利用する。このため、本発明は、従来の高臨場感受聴システムに利用されていた、個人別かつ複雑な形状をした頭部伝達関数を、個人差の少ない、容易に情報圧縮可能なものへと簡略化することが出来る。
【実施例１】
【００１５】
図１を用いて、この発明による高臨場感音場再生装置の一実施例を説明する。音源１は任意の音源であり、例えば記憶媒体から音響信号を再生する型式の音源、或は音声会議のように通信の場合の音源等が考えられる。音源１から出力された音響信号は音源位置情報選択手段２で音響信号に付随している音源位置情報を選択し、音響信号は畳み込み演算手段３に送り込まれる。
【００１６】
ここで音源位置情報とは、例えば受聴者の頭の中心を原点とした空間の直交座標（ｘ，ｙ，ｚ）や、円筒座標（方位角、仰角、距離）によって表わされる。これらは実際の音源の位置を計測するか、又は予め受聴者８等が設定した情報を用いることも可能である。いずれの場合も畳み込み演算手段３で演算を行う前に音源位置情報を得ることが必須である。
【００１７】
４は受聴者情報設定手段を示す。この受聴者情報設定手段４に受聴者９を特定するための受聴者情報を設定する。受聴者情報設定手段４に設定した受聴者情報と音源位置情報選択手段２で選択した音源位置情報は頭部伝達関数選択手段６に入力され、この頭部伝達関数選択手段６で頭部伝達関数データベース５に格納されている頭部伝達関数群の中から、受聴者情報と音源位置情報に該当する頭部伝達関数を選択する。
【００１８】
つまり、この発明では頭部伝達関数データベース５に聴覚の性質を考慮した頭部伝達関数群が受聴者別及び音源位置別に分類されて格納されており、その頭部伝達関数群の中から受聴者情報と音源位置情報に該当する頭部伝達関数を頭部伝達関数選択手段６が選択して取り出す。
【００１９】
頭部伝達関数選択手段６が選択した頭部伝達関数を畳み込み演算手段３に入力し、畳み込み演算手段３でこの頭部伝達関数を音源１が出力した音響信号に畳み込む演算を施す。この畳み込み演算手段３は専用のハードウェアまたは汎用の計算機上で動作するプログラムによって実現することができる。
【００２０】
頭部伝達関数が畳み込まれた音響信号は出力手段７を通じて出力され、受聴者９が装着した例えばヘッドホンのような電気音響変換手段８を駆動し、受聴者９に伝達され、受聴者９に高臨場感の音場を与える。尚、出力手段７は例えばＤＡ変換処理とか電力増幅処理等を実行する。
【００２１】
図２を用いてこの発明の高臨場感音場再生方法の処理手順を説明する。
ステップＳＰ１で受聴者を特定するための情報（受聴者情報）を設定する。
ステップＳＰ２で音源１から音響信号を出力する。音響信号は畳み込み演算処理等を考慮してフレーム単位に分割されて出力される。
ステップＳＰ３で音源１から出力した音響信号に付随した音源位置情報を選択する。
ステップＳＰ４で受聴者及び音源位置に対応した頭部伝達関数をデータベース５から選択する。
ステップＳＰ５で音響信号にデータベース５から取り出した頭部伝達関数を畳み込む演算を実行する。
ステップＳＰ６で出力手段７が出力処理を施す。
ステップＳＰ７で音響信号の終了か否かを判定する。音響信号が終了していない場合はステップＳＰ２に戻り、次のフレームの音響信号を出力させ、ステップＳＰ３〜ＳＰ７を繰返す。ステップＳＰ７で音響信号の終了が検出されると、この高臨場感音場再生処理プログラムは終了する。
【実施例２】
【００２２】
次に、この発明の請求項３で提案する聴覚フィルタの性質を考慮した頭部伝達関数データベース５の作成方法を図３乃至図５を用いて説明する。
【００２３】
図３は従来の頭部伝達関数データベースの内部の様子を示す。従来の頭部伝達関数データベースは受聴者Ａ，Ｂ，Ｃ…毎に受聴者Ａの方向１に対する頭部伝達関数ＨA1、方向２に対する頭部伝達関数ＨA2、方向３に対する頭部伝達関数ＨA3…と、受聴者Ｂの方向１に対する頭部伝達関数ＨB1、方向２に対する頭部伝達関数ＨB2、方向３に対する頭部伝達関数ＨB3…がそれぞれ分類されて格納されている。これらの各頭部伝達関数ＨA1〜ＨA3…及びＨB1〜ＨB3…はそれぞれ測定によって求められている。測定には一般に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により受聴者Ａ，Ｂ…が受聴する音響信号の各周波数成分を周波数分析して求める。
【００２４】
図４に測定して求めた頭部伝達関数ＨA1を、聴覚フィルタの性質を考慮した頭部伝達関数Ｈ’A1に簡略化する手法を概念的に示す。図４に示すＡは測定して求めた頭部伝達関数ＨA1を示す。またＢは聴覚フィルタの性質を考慮した頭部伝達関数Ｈ’A1を示す。聴覚フィルタは図４Ｃに示すように複数のバンドパスフィルタの性質を有し、このバンドパスフィルタ群を通じて簡略化された頭部伝達関数Ｈ’A1に変換する。複数のバンドパスフィルタの帯域幅は図４Ｄに示すように高域に向う程、低域側の帯域幅より漸次広くなる特性を呈する。
【００２５】
ここで人間の聴覚の両耳処理系は、音響情報をバンドパスフィルタ群により、周波数毎に分けて処理している事実が明らかになっており、一般にこのバンドパスフィルタ群を聴覚フィルタと呼ぶ。聴覚フィルタは全体として、低域でその幅が小さく、高域で幅が大きい性質を持つバンドパスフィルタ群である。聴覚フィルタに相当するフィルタを適用した音響信号は、受聴者の聴覚処理系の過程における聴覚フィルタによって情報を失うことはない。逆に既存のシステムの様に聴覚フィルタを通す前の信号を受聴者９に与えたとしても、聴覚処理系の中で聴覚フィルタによって処理され、事前に聴覚フィルタを通した信号と同様に聴取できる。従って、聴覚フィルタを通して簡略化された後の頭部伝達関数の特徴に基づくデータベースがあれば十分である。この聴覚フィルタの性質は実験によって既に求められている。
【００２６】
聴覚フィルタを構成する各バンドパスフィルタのバンド幅ｅｒｂは各バンドパスフィルタの中心周波数ｆc（Ｈｚ） に依存する値として
ｅｒｂ＝２４．７×（０．００４３７×ｆc ＋１）                （１）
で近似される。各バンドパスフィルタの中心周波数ｆc は任意でよく、中心周波数を決めるとバンド幅ｅｒｂが決まる。
【００２７】
（１）式の導出過程としては、まずＦＦＴで求めた頭部伝達関数Ｈ（ｆ）のある周波数ｆc について、
ｆmin ＝ｆc −（１／２）※（２４．７（０．００４３７ｆc ＋１））
ｆmax ＝ｆc ＋（１／２）※（２４．７（０．００４３７ｆc ＋１））
を求め、
【数１】
2005109914.tif 000003
を計算して（１）式が求められる。
【００２８】
例えばサンプリング周波数４８ｋＨｚで５１２点のＦＦＴを行った場合に、各ＦＦＴで用いられる周波数を中心周波数として計算した結果を図３に示している。低い周波数からｎ番目のバンドパスフィルタの中心周波数ｆcnと表される。このとき、このバンドパスフィルタのバンド幅ｅｒｂn は２４．７×（０．００４３７×ｆcn＋１）となり、このバンドパスフィルタのゲインｇn は
ｇn ＝Σk=ijｈk ／（ｊ−ｉ＋１）                          （２）
となる。ただし、ｈk はｋ番目のＦＦＴの点におけるゲインを表している。ｉ，ｊは各々
ｆcn−ｅｒｂn ／２＜ｆci，ｆcj＜ｆcn+ｅｒｂn ／２            （３）
を満たす最小、最大の整数であり、つまり、式（２）は中心周波数ｆcnを中心とした幅ｅｒｂn の範囲についてゲインｈk の平均をｎ番目のバンドパスフィルタのゲインｇn とすることを表している。例として１０ｋＨｚ周辺の計算例を示す。ｎが１１０の場合、中心周波数ｆc110は１０．３ｋＨｚ、バンド幅ｅｒｂ110 は式（１）より１１３８Ｈｚとなり、この範囲には式（３）より１０７番目から１１７番目までの１１点のＦＦＴの周波数が含まれ、１０７番目から１１７番目までのＦＦＴの値ｈ107 〜ｈ117 の平均値４４．４ｄＢが１１０番目のバンドパスフィルタのゲインｇ110 となる。以上の手順により、聴覚フィルタの性質を考慮した頭部伝達関数（図４Ｂ）は、測定によって求めた頭部伝達関数（図４Ａ）に聴覚フィルタの性質を表現したフィルタ群（図４Ｃ）を適用したものとして作成される。
【００２９】
図５にこの発明による頭部伝達関数データベース作成方法の処理手順を説明するためのフローチャートを示す。
ステップＳＰ１において頭部伝達関数を測定する。
ステップＳＰ２で聴覚フィルタの性質を表現したバンドパスフィルタ群の任意のバンドパスフィルタの中心周波数ｆcnを設定。
ステップＳＰ３で設定された中心周波数ｆcnで特定されたバンドパスフィルタの帯域幅ｅｒｂn を求める。
ステップＳＰ４でそのバンドパスフィルタ６帯域に含まれる周波数成分（ＦＦＴされた周波数成分）を測定して求めた頭部伝達関数データベースから選択し、その利得の平均値を求める。
ステップＳＰ５でステップＳＰ４で求めた利得の平均値をそのバンドパスフィルタの利得とし、この利得の値と共に求めた中心周波数ｆcnを聴覚フィルタの性質を考慮した頭部伝達関数の要素としてデータベース５に格納する。
ステップＳＰ６で全てのバンドパスフィルタの利得が決定したか否かを判定し、否であればステップＳＰ２に戻り、ステップＳＰ２〜ＳＰ５を繰返す。全てのバンドパスフィルタの利得が決定するとデータベース作成プログラムは終了する。
【００３０】
図６と図７に本発明で作成した頭部伝達関数と従来の頭部伝達関数との特性の違いを示す。
図６が聴覚フィルタの性質を考慮した頭部伝達関数の周波数特性の例であり、図７がその元となった測定によって求められた頭部伝達関数の周波数特性である。両図とも、横軸は周波数、縦軸は相対レベルのゲイン（単位はｄＢ）である。円ＡとＢで囲った部分がそれぞれの対応するデータである。図６から明らかなようにこの発明で用いる聴覚フィルタの性質を考慮した頭部伝達関数の周波数特性は周波数により、急激に変化する部分の減少と、大きな凹部の有無および深さの差がある程度解消していることがわかる。図６における聴覚フィルタの性質を表現したフィルタ群としては等価矩形帯域幅に基づくバンドパスフィルタ群による表現を用いた。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明による高臨場感音場再生方法はヘッドホンを用いた音響再生に適用して好適で、例えばテレビ会議装置等に適用することにより臨場感の高い音響を受聴者に与えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による高臨場感音場再生装置の一実施例を説明するためのブロック図。
【図２】本発明による高臨場感音場再生方法の手順を説明するためのフローチャート。
【図３】従来の頭部伝達関数データベースの内部の様子を説明するための図。
【図４】本発明による頭部伝達関数データベース作成方法を説明するための図。
【図５】本発明による頭部伝達関数データベース作成方法の手順を説明するためのフローチャート。
【図６】本発明による頭部伝達関数データベース作成方法で作成した頭部伝達関数の周波数特性を説明するためのグラフ。
【図７】従来の頭部伝達関数の周波数特性を説明するためのグラフ。
【符号の説明】
【００３３】
１  音源
２  音源位置情報選択手段
３  畳み込み演算手段
４  受聴者情報設定手段
５  頭部伝達関数データベース
６  頭部伝達関数選択手段
７  出力手段
８  電気音響変換手段
９  受聴者
【図１】
2005109914.tif 000004
【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】
2005109914.tif 000009
【図７】
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