(57)【要約】【課題】  楽器用アンプ、電子楽器などの音響効果付加装置において、電子回路レベルの物理モデルに粒子の概念を現実的な計算量で導入する。【解決手段】  入力信号に同期して定められた速度で粒子を噴射するノズルと、自身と粒子間の距離をパラメータとする関数値と、粒子の電荷との積を１つの粒子に対する検出値とし、この検出値を総和し出力信号とするセンサの概念を導入し、仮想的な物理法則に基づく粒子の運動計算と、音声信号とのインターフェイスを実現する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＣＭ形式として入力された音声信号の個々のサンプルをその振幅に比例した電荷を持つ粒子と見なす音響処理装置であって、平面内に配置されたノズルを表す計算オブジェクトが、該粒子を入力信号に同期して定められた速度で噴射するステップと、平面内の全粒子を仮想的な力学法則によって運動させるステップと、平面内に配置されたセンサを表す計算オブジェクトが、センサと１つの粒子との距離をパラメータとする関数値と、該１つの粒子の電荷との積を該１つの粒子に対する検出値とし、平面内の全粒子に対し検出値を総和することにより出力信号を生成するステップとを有することを特徴とする音響効果付加装置。
【請求項２】
請求項１において、センサと粒子との距離をパラメータとする関数は、Ｓｉｎｃ関数（すなわちＳｉｎ（距離）÷距離）であることを特徴とする音響効果付加装置。
【請求項３】
請求項１において、センサと粒子との距離をパラメータとする関数は、座標軸毎に計算される距離に対し別個の関数を適応し、これら別個の関数が返す値の積を最終的な関数値とすることを特徴とする音響効果付加装置。
【請求項４】
請求項１において、連続時間、あるいは任意に定められた条件が成立する時点で、粒子の属性（電荷、位置、速度など）に変化を及ぼす付加的な計算オブジェクトを平面内に配置することを特徴とする音響効果付加装置。
【請求項５】
請求項４における付加的な計算オブジェクトの一種として、長方形としての領域をもち、この領域の内部に存在する粒子に対して連続時間、あるいは定期的間隔、あるいは領域の外部から内部へと粒子が進入した時点において、粒子の属性に変化を及ぼす計算オブジェクトを有することを特徴とする音響効果付加装置。
【請求項６】
請求項４における付加的な計算オブジェクトの一種として、該計算オブジェクト自身と１つの粒子とが成す角度、該計算オブジェクト自身と該粒子との距離、該粒子自身の属性のうち、いづれか、もしくは全てをパラメータとして含む関数値により、該粒子の属性に対し変化を及ぼす計算オブジェクトを有することを特徴とする音響効果付加装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、例えば楽器用アンプ、電子楽器等に用いられ、入力音信号に音響効果を付加する音響効果付加装置に関する。
【背景技術】
【０００２】粒子としての考え方をオーディオ信号処理に適応する場合、大きく以下の２つのアプローチを挙げることができる。【０００３】Ａとして、アナログ信号処理装置の電子レベルでの挙動をシミュレートする。
Ｂとして、数１００ミリ秒以内の細切れにしたオーディオサンプルを粒子と捉え、個々の粒子毎に任意の処理を施した後、加算合成する。【０００４】Ａは電子回路レベルの物理モデルを考えたものである。オーディオ信号のダイナミックレンジを電子の密度として表現する必要があるため、これを純粋に処理しようとすると極めて少なめに見積もったとしても、オーディオ帯域の優に数万倍のオーバーサンプリングが必要となり、かつ数万個の電子の動きを一つ一つシミュレートする必要がある。計算量が遥かに大きくなるため、リアルタイム性が要求される音楽向け信号処理として現実的ではない。【０００５】Ｂはいわゆる細粒合成（ｇｒａｎｕｌａｒ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ）と呼ばれている手法である。音楽向けの音声合成処理として人気を得て発達したもので、通常、個々の粒子は短くても数ミリ秒程度の時間幅を有しており、ピッチやフォルマントといった音声として最低限の情報を保持している。
Ｂのアプローチは現実的な計算量で様々なオーディオエフェクトを得られることが魅力的である。
しかしこれにも不満な点が存在する。それは１つ１つの粒子の定義を、ある程度の時間幅をもったオーディオサンプルとしてしまっているため、ディレイ、コーラス、ディストーション、フィルタといった電子回路レベルの信号処理シミュレーションを不得意としていることである。
【非特許文献１】コンピュータ音楽（Ｃｕｒｔｉｓ  Ｒｏａｄｓ著  東京電機大学出版局）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】本発明は上記のトレードオフを勘案し、現実的な計算量で、電子回路レベルの信号処理シミュレーションに粒子としての物理モデルを導入することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】本発明は、ＰＣＭ形式として入力された音声信号の個々のサンプルをその振幅に比例した電荷を持つ粒子と見なす音響処理装置であって、平面内に配置されたノズルを表す計算オブジェクトが、該粒子を入力信号に同期して定められた速度で噴射するステップと、平面内の全粒子を仮想的な力学法則によって運動させるステップと、平面内に配置されたセンサを表す計算オブジェクトが、センサと１つの粒子との距離をパラメータとする関数値と、該１つの粒子の電荷との積を該１つの粒子に対する検出値とし、平面内の全粒子に対し検出値を総和することにより出力信号を生成するステップとを有することを特徴とする音響効果付加装置である。【０００８】また本発明は図２に示す通り、センサと粒子との距離をパラメータとする関数は、Ｓｉｎｃ関数（すなわちＳｉｎ（距離）÷距離）であることを特徴とする音響効果付加装置である。【０００９】また本発明は、センサと粒子との距離をパラメータとする関数は、座標軸毎に計算される距離に対し別個の関数を適応し、これら別個の関数が返す値の積を最終的な関数値とすることを特徴とする音響効果付加装置である。【００１０】また本発明は、連続時間、あるいは任意に定められた条件が成立する時点で、粒子の属性（電荷、位置、速度など）に変化を及ぼす付加的な計算オブジェクトを平面内に配置することを特徴とする音響効果付加装置である。【００１１】また本発明における付加的な計算オブジェクトの一種として、長方形としての領域をもち、この領域の内部に存在する粒子に対して連続時間、あるいは定期的間隔、あるいは領域の外部から内部へと粒子が進入した時点において、粒子の属性に変化を及ぼす計算オブジェクトを有することを特徴とする音響効果付加装置である。【００１２】また本発明における付加的な計算オブジェクトの一種として、該計算オブジェクト自身と１つの粒子とが成す角度、該計算オブジェクト自身と該粒子との距離、該粒子自身の属性のうち、いづれか、もしくは全てをパラメータとして含む関数値により、該粒子の属性に対し変化を及ぼす計算オブジェクトを有することを特徴とする音響効果付加装置である。
【発明の効果】
【００１３】本発明は「運動する粒子群」という物理モデルに、「粒子をノズルから噴射」、「センサにて粒子の電荷、距離を感知」という外部信号との入出力手段を設けることにより、「入力信号→運動する粒子群→出力信号」という変換過程を実現し、オーディオ加工に利用できるようにするもである。（図１）【００１４】本発明において、センサに向かって粒子が直進する場合、センサから粒子は「電荷に相当する固定値を掛け合わせたＳｉｎｃ関数による波形グラフ」に見える。（図２）
ノズルからは入力信号のサンプリング周期と同期した一定の時間間隔で粒子が噴射されるため、各粒子の距離間隔は、粒子の速さに比例する。
ノズルからセンサに向かって粒子が一定の速さで噴射される場合、ノズルとセンサ間で行われる信号処理は、（オーディオサンプルのダウンサンプリングやアップサンプリング処理でしばしば用いられる）Ｓｉｎｃ関数による畳み込み処理と見なすことができる。（正確にはノズルとセンサ間の距離に比例するディレイライン長を有する畳み込み処理となる。）【００１５】上記の前提で粒子の距離間隔＝π（つまりＳｉｎｃ関数の最初のゼロポイント）の場合、「見かけ上のカットオフ周波数＝入力信号のナイキスト周波数」となるため、入力信号の周波数情報を全てセンサへ伝えることができる。
粒子の距離間隔＞πの場合、「見かけ上のカットオフ周波数＞入力信号のナイキスト周波数」となるためエイリアスが発生する。しかし、粒子の距離間隔（∝速さ）によってカットオフ周波数を見積もることができるので、オーバーサンプリングを行うか、あるいはエイリアスを無視するという選択をとることができる。
粒子の距離間隔＜πの場合、「見かけ上のカットオフ周波数＜入力信号のナイキスト周波数」となるため、センサへ伝えられる信号は、入力信号に対して理想的なローパスフィルタをかけたものとなる。【００１６】以上のように「ノズルからセンサに向かって粒子が直進する」という状態は、通常のオーディオ信号処理の基礎的要件を満たし、同等に機能するといえる。
ここへ「平面内を運動する粒子群」という概念を導入することで、速度／配置／距離といった設計要素に基づく新たな処理方法を模索することができるようになる。【００１７】また、音楽向けの信号処理として用いるものであるため、リアルタイム処理が現実的に可能でなくてはならない。
粒子−センサ間の距離から、Ｓｉｎｃ関数による検出値を求める処理の計算量は、テーブルルックアップと線形補間処理を用いれば概ね以下のように見積もることができる。【００１８】距離の算出    掛け算２回、足し算３回
例：
2007334272.tif 000003
テーブルルックアップと線形補間処理  掛け算５回、足し算７回、型変換１回
例：
2007334272.tif 000004
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※テーブル参照は足し算１回、掛け算１回と考える。【００１９】粒子の移動は最小限のものを考えれば、足し算２回と見積もることができる。
例：
Ｘ＝Ｘ＋ＤＸ；
Ｙ＝Ｙ＋ＤＹ；【００２０】入力信号のサンプリング周波数を４４．１ＫＨｚ、粒子の寿命を１００ミリ秒とし、オーバーサンプリングを行わないとすれば、１秒あたりの計算量を以下のように見積もることができる。
2007334272.tif 000006
【００２１】これは決して負荷の軽い処理ではない。しかし、近年のＤＳＰチップの処理速度を考えれば、十分リアルタイム処理可能な値といえる。
また、例えば十分に遠い距離をもつ粒子を計算対象から外すなどの処理の間引きは適宜行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】本発明の作用を具体的に例示するため、本発明で実装される各計算オブジェクトの特徴と、そのプロパティ例を一覧にまとめて説明する。
各オブジェクトのプロパティ例のうち、＃（シャープ）が付されているものは固定値だけではなく、入力信号のエンベローブや、低周波発生器の信号を使って変調できることを示す。【００２３】オブジェクト名：
ノズル
特徴：
入力信号のサンプリング周期と同時点で、任意の方向・速さで粒子を噴射する。粒子の電荷は入力信号の振幅レベルに比例した値となる。
プロパティ例：
噴射速度（＃方向、＃速さ）、＃位置【００２４】オブジェクト名：
センサ
特徴：
粒子の電荷と、自分自身との距離に基づいて、粒子に対する検出値を求め、全粒子の検出値を総計し出力信号を求める。
出力信号は、本発明における物理モデルの外側で、入力信号へフィードバックすることができる。（図４、図５、図８）
検出値を求める処理は、ユークリッドノルム（すなわち各座標値の差分の２乗を求め、これらを全て加算した結果の平方根を距離と見なす）に基づいて算出される単一な距離の値を検出値関数のパラメータとする他、個々の座標軸毎に粒子との距離を求め、それぞれの距離に対する検出値関数を別々に設け、それらの積を検出値とすることもできる。
プロパティ例：
＃位置【００２５】オブジェクト名：
磁石
特徴：
計算オブジェクト自身と１つの粒子とが成す角度、計算オブジェクト自身と該粒子との距離、該粒子自身の属性のうち、いづれか、もしくは全てをパラメータとして含む関数値により、該粒子の属性に対し変化を及ぼす。
例えば、全粒子を自分自身の方向へ連続時間、加速する。加速度の大きさは粒子の電荷に比例し、距離の２乗に反比例する。
計算上、角度は内角の逆余弦を用いたスカラ値とする他、正規化した変位ベクトルとして処理することができる。
プロパティ例：
＃強さ、＃位置【００２６】上述の計算オブジェクトは位置情報を点としてもつ。これ以外にも長方形としての位置情報をもち、内部に存在する粒子や、進入してきた粒子に対して特定の処理を行うオブジェクトを定義し、「ゾーン」と呼ぶことにする。
計算上、粒子の全ての座標値が、ゾーンの対応する軸の座標範囲に含まれているかどうかにより、粒子がゾーンの内部に存在するか否かを判定できる。
ゾーンは処理を行う時点を元にさらに以下の３つに分類される。【００２７】「進入時駆動型ゾーン」
粒子がゾーンに進入した時に該当粒子に対して１回のみ処理を行う。粒子が一旦ゾーンから外れて再進入した時には、改めてもう１回処理を行う。【００２８】オブジェクト名：
反射板
特徴：
粒子の進行方向を反転する。
計算上は、粒子の速度ベクトルの各座標軸毎、あるいは全ての座標軸に対し符号を反転する。また速度ベクトルをスカラ倍することもできる。
プロパティ例：
位置、反射方式（縦反射、横反射、正面反射）、＃反射率【００２９】オブジェクト名：
加速器
特徴：
粒子の速さや、角度を変更する。
速さは粒子の速度ベクトルをスカラ倍することで調整する。角度の変化は粒子の速度ベクトルに回転行列を掛け合わせることで調整する。
プロパティ例：
位置、＃加速率（単位：％）、＃角度変化率（単位：−１８０〜１８０度）【００３０】オブジェクト名：
フィルタ
特徴：
一般的なＩＩＲフィルタアルゴリズムの１サンプルに相当する処理を、進入した１つの粒子に対して行う。粒子が入力信号のサンプリング周期と同一の周期で１方向から進入する場合は、ＩＩＲフィルタと同等な処理を行うことになるが、複数の方向から進入した場合や、進入周期や密度にばらつきがある場合は、結果として特性が乱れたフィルタ処理が行われる。
プロパティ例：
位置、フィルタ型（ＬＰＦ、ＨＰＦ、ＢＰＦ）、＃カットオフ周波数、＃ゲイン、＃Ｑ【００３１】「連続駆動型ゾーン」
ゾーン内に存在する全ての粒子に対して常に処理を行う。【００３２】オブジェクト名：
加速器
特徴：
粒子の速さや、角度を変更する。
プロパティ例：
位置、＃加速率（単位：％／秒）、＃角度変化率（単位：−１８０〜１８０度／秒）【００３３】「定期駆動型ゾーン」
ある一定の時間間隔で、ゾーン内に存在する全ての粒子に対して一括処理を行う。【００３４】オブジェクト名：
ゾーン内方向転換
特徴：
粒子の進行方向を反転する。
プロパティ例：
位置、反転方式（横反転、縦反転、正面反転）、＃駆動周期（単位：秒）【００３５】オブジェクト名：
ゾーン内位置反転
特徴：
粒子の位置を反転する。
プロパティ例：
位置、反転方式（横反転、縦反転、縦横反転）、＃駆動周期（単位：秒）【００３６】オブジェクト名：
加速器
特徴：
粒子の速さや、角度を変更する。
プロパティ例：
位置、＃加速率（単位：％）、＃角度変化率（単位：−１８０〜１８０度）、＃駆動周期（単位：秒）【００３７】粒子はサンプリング周期毎に生成されるため、全ての粒子を生かしておくと早々に処理不可能な計算量となってしまう。これを防ぐために粒子の寿命を定義する必要が生じる。
粒子は年齢とともに電荷を消失し、粒子の消滅時に電荷はほぼ０となる。
粒子の年齢に対する電荷の残存量は、信号処理の目的に応じて、寿命の直前まで一定の電荷を維持し、それから急速に電荷を失うパターン（図３に示すア）と、一定の比率で常に電荷を失い続けるパターン（図３に示すイ）とを切り分けられるようにする。
ただし電荷を加工する計算オブジェクトが存在する場合は、実際は電荷減衰率という属性を用意し、センサでは電荷に代わるものとして電荷と電荷減衰率との積を検出させる。【００３８】なお、本発明は粒子及び計算オブジェクトが配置される場として２次元平面を提案しているが、これを３次元空間に拡大すること自体については、既に広く知られている運動計算処理を適応することで行うことができる。
【実施例】
【００３９】次に、代表的なオーディオエフェクト別に、同等な信号処理を本発明の物理モデルに基づき実現する方法を記載する。【００４０】エフェクト名：
ディレイ
実現方法：
ディレイ（信号の遅延）はノズルとセンサとの間に距離を置くことで自ずと実現される。ディレイのパラメータとしてフィードバック量（出力信号を入力信号に戻す割合）がある。これはセンサからの出力信号を入力信号へフィードバックする量をパラメータ制御する（図４に示すア）か、あるいは反射板を設けて、同一の粒子がセンサを２回以上横切るようにして実現する。（図４に示すイ）【００４１】エフェクト名：
ビブラート／フランジ
実現方法：
ビブラートは、センサの位置を粒子の進行方向に対して水平に往復移動させることにより実現する。（図５）センサの出力信号を入力信号へフィードバックすることにより、フランジエフェクトとなる。【００４２】エフェクト名：
トレモロ
実現方法：
トレモロはセンサの位置を粒子の進行方向に対し垂直に往復移動させることにより実現する。（図６）
なお、粒子の検出値を単純にセンサとの距離に基づいたＳｉｎｃ関数の値とした場合、該Ｓｉｎｃ関数はパルス状の波形のため、距離０付近から急激に値が小さくなる傾向をもち、トレモロエフェクトを得る目的からすると、不適格な計算結果となる。
しかし、粒子の距離を個々の座標軸に分け、それぞれの距離に対する検出値関数を別々に設け、それらの積を検出値とする対応をとること（例えばＸ座標はＳｉｎｃ関数、Ｙ座標は負の値とならないように制限された差分値）で、この問題を避けることができる。【００４３】エフェクト名：
ディストーション
実現方法：
ノズルとセンサの間の下側に磁石を設置し、強い電荷をもつ粒子を差別的に引き寄せることで、該当粒子はセンサから遠ざかり、検出値として弱まる。結果としてディストーションエフェクト（強い振幅を抑制する）を得られる。（図７）【００４４】エフェクト名：
リバーブ
実現方法：
反射板を使って四方を取り囲んだ狭い範囲内にノズルとセンサを設置し、粒子を細かく反射させてセンサでそれらの検出値の総和を求めることで、複雑なフィードバックによるリバーブサウントを実現する。（図８）
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の基本的構成要素を示した図である。
【図２】センサを表す計算オブジェクトの処理イメージを示した図である。
【図３】粒子の年齢に対する電荷減衰率のグラフ図である。
【図４】ディレイを実現する計算オブジェクト配置図である。
【図５】ビブラートを実現する計算オブジェクト配置図である。
【図６】トレモロを実現する計算オブジェクト配置図である。
【図７】ディストーションを実現する計算オブジェクト配置図である。
【図８】リバーブを実現する計算オブジェクト配置図である。
【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８】
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