(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも４つのスピーカの１つに個別に供給する少なくとも４つの複数のチャンネルを有するサラウンドサウンドシステムを介して、所定の周波数範囲上での音場再生のための音場の処理方法であって、
音場の複数の信号を取得する段階と、および
取得した音場信号を、複数のチャンネルの個別のチャンネルに、全周波数領域についての相対利得のセットと共に送り出す段階とを含み、
前記セットは、傾聴エリア周囲の選択されたスピーカ位置であって、ただし同一平面的配置には制約されない位置の項を含む関係式を、音場の複数の３次元空間高調波の各々を実質的に保存するように解くことにより決定され、
それによって、前記選択された位置に配置されたスピーカから再生された音場が、取得された音場の複数の３次元空間高調波を実質的に再生する、方法。
【請求項２】
実質的に保存される複数の３次元空間高調波は、零次および１次高調波のみを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
実質的に保存される複数の３次元空間高調波は、零次からｎ次の高調波を含み、ｎはスピーカ数の平方根未満の整数以下の整数である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
音場の複数の信号の取得段階は、傾聴エリア周囲の特定位置に置こうとするサウンドの複数のモノラル信号の取得を含み、前記関係式はそのような特定の位置を含み、それによって、スピーカから再生された音場が前記特定位置におけるモノラルサウンドをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
音場の複数の信号の取得段階は、複数の指向性マイクの音場中での位置決めを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
相対利得のセットは、ある傾聴エリア周囲の想定スピーカ位置を含む関係式により、少なくとも部分的に決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
相対利得のセットは、傾聴エリア周囲の実際のスピーカ位置を含む関係式により、傾聴エリアに隣接する場所で少なくとも部分的に決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
相対利得のセットは、速度およびパワーベクトルを実質的に整列させるものによりさらに決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
相対利得のセットは、前記複数の３次元空間高調波の２次またはより高次のものを最小限にするものによりさらに決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
サラウンドサウンドシステムは、ちょうど６つチャンネルを有し、該チャンネルの各々が、ちょうど６つのスピーカの別々の１つに供給する、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記ちょうど６つのスピーカの少なくとも１つは、前記ちょうど６つのスピーカの他のものと非共面となるように配置される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
マルチチャンネルサラウンドサウンドシステム中のサウンドの所望の見かけの３次元位置をシミュレーションする方法であって、
３次元位置をシミュレートしようとするサウンドをモノラル的に取得する段階と、および 取得したモノラルサウンドを複数のチャンネルの個別チャンネルに相対利得のセットと共に送り出す段階とを含み、
前記セットは、サウンドの所望の見かけ位置の偏角および方位角の関係式を、ある点および該点の周囲に延びマルチチャンネル信号の各々により駆動されるスピーカの予想位置に対応する各位置のセットに関して、サウンドが予想位置でスピーカを通して再生された場合にあたかもモノラルサウンドが前記見かけの位置に実際に存在しているかのように、サウンドの少なくとも零次および１次の３次元高調波を実質的に保存するように解くことにより決定される、方法。
【請求項１３】
スピーカは、少なくともその１つが予想される位置とは異なる実際の位置を有するように実際に配置され、さらに、スピーカの実際の位置を含む第２の関係式を解くことにより相対利得の修正セットを計算する段階を含み、サウンドの少なくとも零次および１次の３次元高調波を、サウンドが予想位置でスピーカを通して再生された場合にあたかもモノラルサウンドが前記見かけの位置に実際に存在しているかのように、保存してなる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
相対利得のセットは、スピーカを介して再生された音場の速度およびパワーベクトルを実質的に整列させるものによりさらに決定される、請求項１２または１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
相対利得のセットは、スピーカを介して再生された音場の２次およびより高次の３次元空間高調波を最小限にするものによりさらに決定される、請求項１２または１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
チャンネル数は４以上である、請求項１２または１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
チャンネル数はちょうど６である、請求項１２または１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
スピーカの予想位置の少なくとも１つは、スピーカの他の予想位置とは非共面である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
傾聴エリア周囲に配置された４つ以上のスピーカを介して３次元音場を再生する方法であって、
音場を表す複数の電気信号を取得する段階と、
前記複数の電気信号を、前記音場の少なくとも零次および１次の３次元空間高調波の信号を生成するように処理する段階と、および
スピーカの実際の位置の項を含む関係式を、取得された音場の零次および１次の３次元高調波にそれぞれ一致する、スピーカを介して再生された音場の少なくとも零次および１次の３次元高調波を実質的に保存するように解くことにより、スピーカの個々に供給される相対利得を決定するように３次元空間高調波処理する段階とを含む、
方法。
【請求項２０】
音場を表わす複数の電気信号を記録および再生する段階をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
音場高調波の信号を記録および再生する段階をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
音場はちょうど６つのスピーカを介して再生される、請求項１９〜２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
前記ちょうど６つのスピーカの少なくとも１つは、前記ちょうど６つのスピーカの他のものと非共面となるように配置される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
傾聴エリアを包囲する特定の想定位置の少なくとも４つのスピーカの各々により再生されることを目的とするオリジナルの音場の少なくとも４つのオーディオ信号を受信する入力部と、想定位置とは異なる傾聴エリアを包囲する特定の実際の位置の少なくとも４つのスピーカを駆動する出力部とを有するサウンド再生システムであって、
偏角と方位角とを含む、特定の実際の位置のスピーカの情報を受け入れる入力部と、および
偏角と方位角とを含む入力された実際のスピーカ位置および想定されたスピーカ位置に応答して入力信号から出力部へ他の信号を供給する電子的に実行されるマトリクスとを含み、
前記出力部は、スピーカを駆動して複数の３次元空間高調波によって音場を再生し、前記高調波は、オリジナルの音場中の同数の３次元空間高調波の個々に個別に実質的に一致する、システム。
【請求項２５】
マトリクスは、 想定スピーカ位置情報と入力信号とから、複数の３次元空間高調波と対応する個々の信号を生み出す第１の部分と、および ３次元空間高調波信号と実際のスピーカ位置情報とから、実際のスピーカについての個々の信号を生み出す第２の部分とをさらに含む、請求項２４に記載のサウンドシステム。
【請求項２６】
複数の一致した３次元空間高調波は、零次および１次高調波を含む、請求項２４または２５のいずれかに記載のサウンドシステム。
【請求項２７】
複数の一致した３次元空間高調波は、零次および１次高調波のみを含む、請求項２４または２５のいずれかに記載のサウンドシステム。
【請求項２８】
実際のスピーカ位置の複数のスピーカは、ちょうど６つ含む、請求項２４または２５のいずれかに記載のサウンドシステム。
【請求項２９】
前記実際のスピーカ位置の少なくとも１つは、前記実際のスピーカ位置の他のものと非共面となるように配置される、請求項２５に記載のサウンドシステム。
【請求項３０】
オリジナルの３次元音場のオーディオ信号を受信する入力部と、傾聴エリアを包囲する特定の実際の位置の少なくとも４つのラウドスピーカを駆動して音場を再生する出力部とを含むサウンドシステムであって、
スピーカの実際の位置の情報を受け入れる入力部と、および
入力された実際のスピーカ位置の情報および入力信号に応答して出力部へ信号を供給する電子的に実行されるマトリクスとを含み、
前記出力部は、スピーカを駆動して複数の３次元空間高調波によって音場を再生し、前記高調波は、オリジナルの音場中の同数の３次元空間高調波の実質的に対応するものに個別に一致してなる、システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連出願への相互参照）
本出願は、この参照により本願明細書に組み入れられる１９９７年９月２４日出願の出願番号第０８／９３６，６３６号の一部継続出願である。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に電子的な音の伝送、録音および再生の方法に関し、より詳細にはサラウンドサウンド技術の改良に関する。
【０００３】
【従来の技術】
サウンド再生の品質および臨場感の改良は、過去数十年間着実になされてきた。空間的に分離されたラウドスピーカを介してのステレオ（２チャンネル）録音および再生により、以前のモノラル（１チャンネル）サウンド再生と比較して、再生サウンドの臨場感が大きく改善される。より最近では、オーディオ信号は、リスナーを取り囲むように配置された４つ以上のラウドスピーカを駆動するように２つのチャンネルにおいて符号化されている。このサラウンドサウンドにより、再生音の臨場感がさらに増した。マルチチャンネル（３チャンネル以上）録音はほとんどの映画のサウンドトラックに用いられ、これにより聴衆を取り囲むようにその壁の周りに配置されたラウドスピーカを含むサウンドシステムを適切に備えた劇場において劇的なオーディオ効果がもたらされる。家庭用に非常に人気を博すことが期待される小型の光学式ＣＤＳ（コンパクトディスク）でのマルチチャンネル録音のための規格が現在持ち上がっている。最近のＤＶＤ（デジタルビデオディスク）規格は、映像を含むことも含まないこともあるＣＤにおけるＰＣＭ（パルス符号変調）オーディオの多重チャンネルを規定している。
【０００４】
理論的には、オーディオ波面の最も正確な再生は、音響ホログラムを記録および再生することによって得られるであろう。しかしながら、数万、さらには数百万の別個のチャンネルを記録することが必要となるであろう。オリジナルの音響波面を正確に再生するためには、再生しようとする最高周波数波長の２分の１を超えない間隔、すなわち１センチメートル未満隔てて、２次元配列のスピーカを家庭または劇場の周囲に配置することが必要になろう。別個のチャンネルは、この非常に多くのスピーカの各々について記録される必要があり、記録工程の間に同様に多くのマイクの使用を伴うであろう。したがって、音響波面のそのような正確な再生は、家庭、劇場および同様のところで使用されるオーディオ再生システムには全く実用的ではない。
【０００５】
所望の再生が３次元であり、スピーカがもはや同一平面上にない場合、これらの複雑化は対応して増大し、この種の再生はよりいっそう非実用的になる。３次元への拡張により、オリジナル音源平面に限定されない場合だけでなく、映画用または音楽録音のマスタリングにおける特殊効果が可能になる。例えば、平面的なステージ上のミュージシャンの録音の場合でさえも、結果として生じる周囲のサウンド環境は、取り込みおよび再生できる楽器配置における反響および変動によって３次元的性格を有することになる。音源の定位よりも定量化は困難であるが、３次元が含まれることにより、実際の音源が同一平面的配置にある場合でさえも、音場についてのこの「広がり」と奥行きの感覚が増す。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、サラウンドサウンドシステムにおいて現在用いられるのとほぼ同数のラウドスピーカにより、出現しつつある新しいオーディオ規格において規定されるようなマルチチャンネル録音による改善された臨場感のあるサウンド再生技術を提供することが本発明の主要かつ全般的な目的である。
【０００７】
録音または伝送されたマルチチャンネルサウンドを、家庭、劇場、またはその他の傾聴場所において再生する方法および／またはシステムを提供することが本発明の別の目的であり、このシステムにより、ユーザは、そこで使用されているラウドスピーカの特定の配置用に傾聴位置で電子マトリクスを設定できる。
【０００８】
これらの技術および方法を、ラウドスピーカが非共面的配置に置かれている場合に３次元音場の取り込みと再生に拡張することが本発明のさらなる目的である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
これらの目的および付加的な目的は本発明により実現され、本発明では、簡潔かつ全体として、傾聴エリアを包囲するように配置された４つ以上のラウドスピーカを介した多重信号により音響場が確保および再生され、信号は、取得された音響場の指定数の空間高調波を、傾聴エリア周囲のスピーカの実際的に任意の配置により再生するように処理される。これにより、ラウドスピーカの位置についてどのような特有の制約も課されることなく、サウンド再生の臨場感が増す。
【００１０】
システムが指定数の空間高調波を再生できる前に、スピーカがある特定のパターンに配置されることが必要とされるのではなく、存在するどのようなスピーカ位置も、再生レイアウトにおいてこの有利な結果を引き起こすためにマルチチャンネルサウンド信号の電子的符号化および／または復号化におけるパラメータとして用いられる。もし１つ以上のスピーカが移動されると、これらのパラメータは、再生されたサウンドの空間高調波を保存するように変更される。５つのチャンネルおよび５つのスピーカの使用は、本発明の様々な局面を例示するために以下で説明してある。
【００１１】
本発明の１つの特定の局面によると、個々のモノラル音声は、マトリクスを用いて一緒にミックスされ、このマトリクスは、録音または音声伝送を形成する場合に、モノラル音声を角度を有して配置し、これらがリスナーの周囲に想定されたスピーカ配置を通して再生される場合に、臨場感が改善される。サウンドの位置のそれぞれの側でスピーカを駆動する２つのチャンネルに所定のモノラル音声を単に送るのでなく、現在、標準的なパンニング技法によってなされているように、サウンドを所望の空間高調波で再生するために、全チャンネルが潜在的に含まれる。代表的用途は、一緒に演奏している複数のミュージシャンの録音のマスタリングにおけるものである。最初に、各楽器のサウンドが別々に録音され、次に、再生時に傾聴エリア周囲に配置されるようにミックスされる。空間高調波を維持するために全チャンネルを使用することにより、再生された音場は、ミュージシャンが演奏している室内に存在する音場により近いものになる。
【００１２】
本発明の別の特定の局面によると、当初マスタリングされた時に想定されたものと異なるスピーカ配置に対応するため、マルチチャンネルサウンドは、家庭、劇場または再生場所で再マトリクス化できる。所望の空間高調波は、スピーカの異なる実際の配置を用いて正確に再生される。これにより、改善されたサウンドの臨場感を失うことなく、スピーカ配置にしばしば制約が課される家庭内でとりわけ重要な、自由なスピーカ配置が可能になる。
【００１３】
本発明のさらなる特定の局面によると、音場は最初に、複数の指向性マイクを用いて方向情報と共に取得される。マイク出力、あるいはマイク出力の当初の部分的マトリクス化の結果としての空間高調波信号が、記録または別個のチャンネルにより傾聴位置に伝送される。伝送された信号は、次に、記録位置の空間高調波と適合させたある数の空間高調波と共に、記録された音場を再生するため、家庭または他の傾聴場所で、実際のスピーカ位置を考慮して再マトリクス化される。
【００１４】
これらの種々の局面は、２次元または３次元空間高調波を用い得る。２次元のケースでは、当初の録音が２次元空間高調波に基づくものであろうと、スピーカ面上への３次元投影によるものであろうと、音声波面は主として同一平面にあるラウドスピーカ配置により再生される。３次元再生において、１つ以上のスピーカが、２次元面とは異なる高さに置かれる。同様に、３次元音場は、多重指向性マイクの非共面的配置により取得される。
【００１５】
本発明の様々な局面の付加的な目的、特徴および利点は、本発明の好ましい実施形態から明白になるであろうが、これらの実施形態は、添付図面と関連して解釈されるべきである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
２次元面における空間高調波の方法から論じることにする。この方法論の結果のいくつかは以下の通りである。すなわち、（１）任意数のスピーカへの供給に使用できるサラウンドサウンドの記録方法、（２）所定の空間高調波セットを正確に作り出すためのモノラルサウンドのパンニング方法、および（３）サラウンドサウンドを３チャンネルで蓄積または伝送する方法であって、その結果、チャンネルのうちの２つが標準ステレオミックスであり、第３のチャンネルを用いて、オリジナルの空間高調波を保存するサラウンド供給が再生できる。
【００１７】
２次元の議論に続き、この同じ理論を３次元に拡張する。２次元において、空間高調波は、単一変数、すなわち角度φのフーリエ正弦および余弦級数に基づく。あいにく、３Ｄバージョンの数学は２Ｄについてほどクリーンかつコンパクトではない。複雑さを減じるのにどのような特に良い方法もなく、このため、２Ｄバージョンを最初に提示する。
【００１８】
空間高調波の方法を３次元に拡張するため、次にルジャンドル関数および球面調和関数を簡潔に論じる。ある意味、これはフーリエ正弦および余弦級数の一般化である。フーリエ級数は１つの角度、φの関数である。級数は周期的である。これは円上の関数の表現として考えることができる。球面調和関数は、球面上に定義され、２つの角度、θとφとの関数である。φは、０度がまっすぐ前方であり、９０°が左であり、１８０°がまっすぐ後方である場合に定義される方位角である。θは偏角（上方および下方）で、０度ではまっすぐ頭上であり、９０°では水平面であり、１８０°ではまっすぐ下方である。これらは点（θ，φ）について図９において示してある。θの範囲が０〜１８０°であるのに対して、φの範囲が０〜３６０°（あるいは、−１８０°〜１８０°）であることに留意されたい。
【００１９】
２次元における空間高調波
図１には、人１１が傾聴エリアの中央に示されており、このエリアは、スピーカＳＰ１、ＳＰ２、ＳＰ３、ＳＰ４およびＳＰ５により包囲されていて、これらのスピーカは、それらのサウンドを中心に送り出すように向けてある。この応用における説明のために角座標系が設定してある。前方スピーカＳＰ１に面しているリスナー１１の前方方向は、基準として、（θ1 ，φ1 ）＝（９０°，０°）に位置するものと見なす。残りのスピーカＳＰ２（前方左）、ＳＰ３（後方左）、ＳＰ４（後方右）およびＳＰ５（前方右）の角位置は、その基準からそれぞれ（θ2，φ2）、（θ3，φ3）、（θ4，φ4）、および（θ5，φ5）である。ここで、スピーカは、実質的に平面である表面を定義する典型的な配置に置かれ、１つの例では、スピーカが置かれた部屋の床と平行な、θ＝９０°の水平面である。この状況においては、θ1−θ5の各々は９０°であり、これらのθは、さしあたり明示的に表わされず、図１から省略される。１つ以上のスピーカを、１つ以上の他のスピーカより高くする必要はないが、限定された空間に合わせるためになされることがある。θi ≠９０°の１つ以上のケースは下で論じる。
【００２０】
単独の楽器からのような、モノラルサウンド１３を、ゼロ基準から角度φ0のスピーカが全くない位置に配置することが望まれる。通常、他の角度で同時に配置されることが望まれる他のモノラルサウンドがあるが、説明を単純にするため、ソース１３のみをここでは示してある。多楽器音楽ソースについては、例えば、個々の楽器の音は典型的には、マスタリング工程の間、傾聴エリア周囲の種々の角度φ0に配置される。各楽器の音は、少なくとも１つの別個のチャンネル上でモノラルに録音する１つ以上のマイクにより取得される。これらのモノラル録音は、マスタリング工程の間に音源の役割をする。代わりに、マスタリングは、別個の楽器マイクからリアルタイムで実行できる。
【００２１】
マスタリング工程を説明する前に、空間周波数の概念を例示するため、図２Ａ〜Ｄを参照する。図２（Ａ）は、傾聴エリアを包囲する空間を、角位置の観点から示すものである。スピーカＳＰ１、ＳＰ２、ＳＰ３、ＳＰ４およびＳＰ５それぞれの５つの位置は、音源１３の所望の位置はそのままで示してある。音源１３は、フーリエ展開として以下の通り表現し得る空間インパルスと見ることができ、
0004861593.tif 000002
式中、ｍは個別の空間高調波の整数で、０〜Ｍ個の高調波が再構成され、個々の高調波の１つの構成要素の係数であり、ａmは各高調波の１つの成分の係数であり、ｂmは各高調波の直交成分の係数である。したがって、値ａ0は、空間関数の零次の値である。
【００２２】
空間零次は図２（Ｂ）に示してあり、空間インパルス音源１３の大きさに伴って上下する空間全体の周りで等しい大きさを有している。図２Ｃは、１次空間関数を示すもので、空間周囲に１つの完全なサイクルを有しているのに対して、インパルス１３の角度で最大値である。図２Ｄに例示されるように、２次空間関数は、空間周囲に２つの完全なサイクルを有している。数学的には、空間インパルス１３は多数の次数により正確に表されるが、わずか数台のスピーカのみが用いられているという事実により、再生された音場に含まれ得る空間高調波の数には限界がある。もしスピーカの数が（１＋２ｎ）以上であれば（ｎはここでは再生しようとする高調波の数）、再生された音場のゼロからｎの空間高調波が、オリジナルの音場中に存在するものと実質的にぴったりに再生できる。逆に言えば、正確に再生できる空間高調波は、ゼロからｎの高調波であり、ここでｎは、傾聴エリアの周りに配置されたスピーカの数未満の整数の半分以下である最大の整数である。代わりに、特定のシステムにおいて再生されるように、考えられる空間高調波のこの最大数より小さい数が選択され得る。
【００２３】
本発明の１つの特定の局面が図３に例示されており、これは、マルチチャンネル記録をマスタリングするために使用されるサウンドコンソールのいくつかの機能を図式的に示すものである。この例では、５つの信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４およびＳ５は、おそらくデジタル形式で、テープのような適切な記録媒体の５つの別個のチャンネルに記録されている。これらの信号の各々は、個別のスピーカを駆動することになる。２つのモノラル音源１７および１９がミックスされて記録された信号Ｓ１−Ｓ５になるのが例示されている。これらの音源１７および１９は、例えば、一緒にミックスされている種々の楽器のライブまたは記録された信号とすることができる。音源１７および１９の一方または双方は、合成的に生成または自然に記録されたサウンド効果、声および同様のものであってもよい。実際には、通常、記録を行うためにはそのような信号は２つよりずっと多く使用される。個々の信号は、記録トラックに１つずつ追加するか、同時記録用に一緒にミックスできる。
【００２４】
図３に例示してあるものは、モノラルサウンドの「位置決め」技法である。すなわち、記録がサラウンドサウンドシステムを介して再生される時の音源１７および１９の各々の見かけの位置は、図１に関して上記で説明したように、マスタリング工程の間に設定される。現在、マスタリングコンソールの通常のパンニング技法は、モノラルサウンドを、記録された信号Ｓ１−Ｓ５のうちの２つにのみ送り、これがそのサウンド用に要望される位置の両側にあるスピーカに、音源のリスナーに対する見かけの位置を決定する相対的な振幅と共に、供給する。しかし、これにはある種の臨場感が欠けている。したがって、図３に示されるように、各音源は、５つのチャンネルの各々へ、その場所から発している音場の、ある数の空間高調波、少なくとも零次および１次高調波を有する信号のセットを構築するために設定される相対利得と共に供給される。１つ以上のチャンネルは、特定信号の部分をそれでもなお全く受け取ることができないことがあるが、それは所定数の空間高調波が保存された結果であって、信号が２つのチャンネルのみに人為的に限定されているからではない。
【００２５】
５つの別個のチャンネルＳ１−Ｓ５へのソース１７信号の相対的寄与率は、個々の可変利得増幅器２１、２２、２３、２４および２５により示される。これらの増幅器のそれぞれの利得ｇ1、ｇ2、ｇ3、ｇ4およびｇ5は、制御プロセッサ２９からの制御信号により回路２７中に設定される。同様に、ソース１９のサウンド信号は、チャンネルＳ１−Ｓ５の各々へそれぞれの増幅器３１、３２、３３、３４および３５を通して送られる。増幅器３１−３５のそれぞれの利得ｇ1'、ｇ2'、ｇ3'、ｇ4'およびｇ5'も、回路３７を介して制御プロセッサ２９により設定される。利得のこれらのセットは、制御盤４５を介してのサウンドエンジニアからの入力から制御プロセッサ２９により計算される。これらの入力は、ソース１７および１９からのサウンドの所望の配置の角度Φ（図１）および想定上のスピーカセット配置角度φ1−φ5を含んでいる。計算されたパラメータも、任意に回路４７を通して供給されて記録され得る。増幅器２１−２５それぞれの個々の出力は、それぞれの加算ノード３９、４０、４１、４２および４３により増幅器３１−３５の出力と結合され、５つのチャンネル信号Ｓ１−Ｓ５を提供する。これらの信号Ｓ１−Ｓ５は結局、スピーカＳＰ１−ＳＰ５のそれぞれの１つを介して再生される。
【００２６】
制御プロセッサ２９は、モノラル音源の各々について１組の相対利得を計算するため、入力された情報から連立方程式を解くために動作するＤＳＰ（デジタル信号プロセッサ）を含んでいる。個々の別個に置かれた音源の配置について解かれる１次方程式の原則セットは以下の通りに表し得る。
0004861593.tif 000003
式中、φ0は、サウンド所望の見かけの位置の角度を表し、φiおよびφjは、個々のチャンネルについてのラウドスピーカの配置に対応した角位置を表し、ｉおよびｊの各々は、１からチャンネル数までの整数値を有し、ｍは空間高調波を表し、この空間高調波は０から、再生時にオリジナル音場の高調波と整合させられる高調波の数まで達し、Ｎはチャンネルの総数であり、ｇiは個々のチャンネルの相対利得を表し、ｉは１からチャンネル数まで達する。方程式が解かれるのは、この相対利得のセットについてである。添字ｉおよびｊの使用は、マトリクスについての通常の数学的表記に従い、ｉはマトリクスの項の行数でありｊは列数である。
【００２７】
チャンネル数Ｎ、およびスピーカ数も５であり、零次および１次空間高調波が正確に再生される特定の例においては、上記の１次方程式は下記のマトリクスとして表現し得る。
0004861593.tif 000004
この一般マトリクスを、相対利得ｇ1−ｇ5の所望のセットについて解く。
【００２８】
これは階数３のマトリクスであり、これを満たす多くの相対利得値があることを意味する。一意の利得セットを提供するためには、別の制約が付加される。そのような制約の１つは、第２の空間高調波がゼロであるというもので、これにより、上記のマトリクスの下側２行が変わる。
0004861593.tif 000005
【００２９】
一般マトリクスの解に課し得る別の制約は、速度ベクトル（約７５０〜１５００Ｈｚの範囲内の遷移周波数以下の周波数）およびパワーベクトル（この遷移より上の周波数での）が実質的に整列されなければならないというものである。公知のように、人の耳は、遷移の上下の周波数範囲において、異なるメカニズムによってサウンドの方向を識別する。したがって、両方の周波数範囲へ潜在的に拡張するサウンドの見かけの位置は、耳には同じ場所から来るように見えるようにされる。これは、これらのベクトルの各々の角方向についての式を以下の通り同等に見なすことにより得られる。
0004861593.tif 000006
速度ベクトル方向の定義は等号の左であり、パワーベクトルの定義は右である。パワーベクトルについては、利得項の平方を取ることは、高い周波数範囲への人の耳の反応のし方のモデルの近似であり、そのため個人間で多少変わり得る。
【００３０】
リスナー１１の周囲に配置されるべきサウンドの各々について１セットの相対利得が制御プロセッサ２９によりひとたび計算されると、結果として得られる信号Ｓ１−Ｓ５は、記録１５から再生され、スピーカＳＰ１−ＳＰ５の１つを個別に駆動できる。もしスピーカが、各音源の計算時に想定されたリスナー１１周囲の角位置φ1−φ5に正確に、またはそれらの位置に非常に近く位置すれば、すべての音源の位置は、リスナーにはサウンドエンジニアがそれらの音源を配置しようとした場所にあるように思われるであろう。これらの計算に含まれる０次、１次、および任意のより高次の空間高調波も忠実に再生されるであろう。
【００３１】
しかしながら、家庭、劇場または録音が再生されるべき他の場所の物理的制約により、そのサウンドシステムのスピーカを置き得る場所がしばしば制約される。もし記録中に想定したものと異なる角度で傾聴エリア周囲に配置されると、個々の音源の空間化は最適ではないことがある。したがって、本発明の別の局面によれば、信号Ｓ１−Ｓ５は、図４に例示されるように、リスナーのサウンドシステムによって再マトリクス化される。録音１５から再生されるサウンドチャンネルＳ１−Ｓ５は、特定の実施例において、最初に高調波マトリクス５１により、空間高調波信号ａ0（零次高調波）、ａ1およびｂ1（１次高調波）に変換される。１次高調波信号ａ1およびｂ1は互いに直交している。
【００３２】
もし０次および１次空間高調波より高次のものが保存されるべきであれば、さらなる高調波各々について２つの付加的な直交信号がマトリクス５１により生成される。次に、これらの高調波信号はスピーカマトリクス５３への入力として働き、スピーカマトリクスがこれらの信号を信号Ｓ１’、Ｓ２’、Ｓ３’、Ｓ４’およびＳ５’の修正されたセットに変換され、これらの信号は、種々のスピーカ位置が想定されて録音１５が当初マスタリングされた時に意図された再生サウンドの改善された臨場感を提供するように、一意に配置されたスピーカを駆動する。これは、制御プロセッサ５９からのそれぞれの利得制御回路５５および５７を介してマトリクス５１および５３中に設定される相対利得により達成される。プロセッサ５９は、サウンドトラックによって記録および再生されたマスタリングパラメータ、第１に想定されたスピーカ角度φ1、φ2、φ3、φ4、およびφ5、ならびに制御盤６１を介してリスナーにより制御プロセッサに供給される対応する実際のスピーカ角度β1、β2、β3、β4およびβ5からこれらの利得を計算する。
【００３３】
高調波マトリクス５１のアルゴリズムは、３つずつ５組に配置された１５個の可変利得増幅器を用いて例示してある。増幅器のうちの３つは、記録から再生されるサウンド信号Ｓ１−Ｓ５の各々を受信するように接続されている。増幅器６３、６４および６５はＳ１信号を受信し、増幅器６７、６８および６９はＳ２信号を受信し、以下同様である。これらの５つのグループの各々の１つの増幅器からの出力は、ａ0出力信号を有する加算ノード８１に接続され、これらの５つのグループの各々の別の増幅器からの出力は、ａ1出力信号を有する加算ノード８３に接続され、各グループの第３の増幅器からの出力は、第３の加算ノード８５に接続され、このノードの出力はｂ1信号である。
【００３４】
マトリクス５１は、記録１５から再生されるオーディオ信号Ｓ１−Ｓ５およびマスタリング中に想定されるスピーカ角度φ1、φ2、φ3、φ4、およびφ5のみから、下記のように中間信号ａ0、ａ1およびｂ1を計算する。
0004861593.tif 000007
したがって、マトリクス５１として示されるこのアルゴリズムの説明において、増幅器６３、６７、７０、７３および７６は単位利得を有し、増幅器６４、６８、７１、７４および７７は、想定されたスピーカ角度の余弦関数であるものより小さい利得を有し、増幅器６５、６９、７２、７５および７８は、想定されたスピーカ角度の正弦関数であるものより小さい利得を有する。
【００３５】
マトリクス５３は、これらの信号を取り、新しい信号Ｓ１’、Ｓ２’、Ｓ３’、Ｓ４’およびＳ５’を供給して、傾聴エリアを取り囲む一意の位置を有するスピーカを駆動する。図４に示される処理の説明には、信号ａ0を受信する５つの増幅器８７−９１、信号ａ1を受信する５つの増幅器９２−９７、および信号ｂ1を受信する５つの増幅器９８−１０３でグループ化された１５の可変利得増幅器８７−１０３が含まれる。これら３グループの各々の増幅器の一意のものの出力は、加算ノード１０５へ入力を供給し、これらのグループの各々の別のものの出力は、加算ノード１０７へ入力を供給し、他の増幅器は、図示されるように、それらの出力が同様な方法でノード１０９、１１１および１１３に接続されている。
【００３６】
増幅器８７−１０３の相対利得は、実際のスピーカ角度βに依存する連立方程式の以下のセットを満たすように設定される。
0004861593.tif 000008
式中、この例ではＮ＝５であり、結果として、ｉおよびｊは、１、２、３、４および５の値を有する。この結果は、家庭、劇場または他のユーザが、ラウドスピーカの位置により取られた特定の角度を「ダイヤル・イン」できることであり、これは、マスタリング技術が提供する改善された空間性能を維持するために、その時々に変更することさえできる。
【００３７】
実際のスピーカ位置角度βについての上記の連立方程式のマトリクス式は以下の通りで、ここではゼロに等しい第２の空間高調波の条件も課される。
0004861593.tif 000009
増幅器８７−１０３の相対利得の値は、実際のスピーカ位置角度β1−β5で回路マトリクス５３の出力信号Ｓ１’−Ｓ５’についての上記のマトリクスを解いた結果である係数ａ0、ａ1およびｂ1を満たすように選ばれる。
【００３８】
前述の説明では、マスタリングおよび再生プロセスを、図３および図４の各々におけるブロック１５により示されるように、記録を含むものとして扱った。しかしながら、これらのプロセスは、ブロック１５を介した、１つ以上の再生位置へのマスタリングされたサウンドのリアルタイム伝送がある場合にも用い得る。
【００３９】
図３および図４に関しての説明は、主として３次元音場のマスタリングに向けられ、あるいは個々のモノラル音源からのものに少なくとも寄与する。図５を参照すると、音場を３次元で表現する信号からの記録またはサウンド伝送のマスタリングのための技術が例示してある。３つのマイク１２１、１２３および１２５は同一であり、音場に関して配置され、１組のサラウンドサウンドスピーカにおける音場の再生を可能にする音場情報を含むオーディオ信号ｍ1、ｍ2およびｍ3を作り出す。そのようなマイクを、例えばシンフォニーホールに配置することにより信号が作り出され、この信号から、臨場感ある指向性を伴う音響効果を再構成し得る。
【００４０】
１２７に示されるように、これら３つの信号は直ちに記録または３つのチャンネル中の伝送により配送できる。次に、ｍ1、ｍ2およびｍ3信号は、家庭、劇場および／またはその他の場所で再生、処理および再生される。再生システムは、マイクマトリクス回路１２９とスピーカマトリクス回路１３１とを含んでおり、これらはそれぞれの回路１３５および１３７を介して制御プロセッサ１３３により操作される。これにより、傾聴エリア周囲のラウドスピーカの特定の一意な配置でオリジナルな音場を正確に再生するため、スピーカに供給される信号Ｓ１−Ｓ５を最適化するように、マイク信号を傾聴位置で制御および処理することが可能になる。マトリクス１２９は、マイク信号ｍ1、ｍ2およびｍ3から、零次および１次空間高調波信号ａ0、ａ1およびｂ1を展開する。スピーカマトリクス１３１はこれらの信号を取り込み、図４のマトリクス５３について説明したのと同じアルゴリズムで個々のスピーカ信号Ｓ１−Ｓ５を生成する。制御盤１３９により、傾聴位置のユーザは、マトリクス１３１による使用のための正確なスピーカ位置、および必要とされる他の任意のパラメータも指定できる。
【００４１】
図６の配置は、記録または伝送される信号において異なること以外は、図５の配置と非常に似ている。１２７（図５）でマイク信号を記録または伝送する代わりに、マイクマトリクス化１２９は、サウンド発生位置（図６）で実行されて、結果として得られる音場の空間高調波ａ0、ａ1およびｂ1は１２７'で記録または伝送される。制御プロセッサ１４１および制御盤１４３はマスタリング場所で使われる。制御プロセッサ１４５および制御盤１４７は傾聴場所で使われる。図６のシステムの利点は、記録または伝送された信号が用いたマイクのタイプおよび配置に依存せず、したがってこれの情報は傾聴場所で知る必要がないことである。
【００４２】
図５および図６のマイクマトリクス１２９の例を図７に示す。３つのマイク信号ｍ1、ｍ2およびｍ3の各々は、３つの可変利得増幅器のバンクへの入力である。信号ｍ1は増幅器１５１−１５３に、信号ｍ2は増幅器１５４−１５６に、信号ｍ3は増幅器１５７−１５９に適用される。増幅器の各バンクの１つの出力は、結果としてゼロ空間高調波信号ａ0になる加算ノードに接続される。また、各バンクの増幅器出力の別の１つは加算ノード１６３に接続され、結果として第１空間高調波信号ａ1になる。さらに、各バンクの第３増幅器の出力は、加算ノード１６５において一緒に接続され、第１高調波信号ｂ1を供給する。
【００４３】
増幅器１５１−１５９の利得は、回路１３５を介して制御プロセッサ１３３または１４１（図５または図６）により個別に設定される。これらの利得により、マイクマトリクス１２９の伝達関数が定義される。必要な伝達関数は、使われているマイク１２１、１２３および１２５のタイプと配置とに依存する。図８は、１つの特定のマイク配置を例示するものである。マイクは同一のものとし得るが、そうでなくてもよい。マイクのうちの１つだけを全方向性とし得る。特定の例として、各々はカージオイドパターンを有する音圧傾度型マイクである。これらは、Ｙ字パターンに配置され、それらの主要感度軸は、矢印の方向に外方に向けられている。マイク１２１および１２５の方向は、他のマイク１２３の方向軸の反対側に、角度αで配置される。
【００４４】
この特定の例において、マイク信号は以下のように表すことができ、ここでνは、マイク１２３の方向軸に関しての音源角度である。
ｍ1 ＝１＋ｃｏｓ（ν−α）
ｍ2 ＝１−ｃｏｓν                    （９）
ｍ3 ＝１＋ｃｏｓ（ν＋α）
マトリクス１２９の３つの空間高調波出力は、その３つのマイク信号入力について、以下のようになる。
0004861593.tif 000010
これらは１次方程式なので、増幅器１５１−１５９の利得は、これらの方程式のｍ1、ｍ2およびｍ3項それぞれの係数である。
【００４５】
説明を明瞭にするため、様々なサウンド処理アルゴリズムをアナログ回路について説明してきた。説明したマトリクスのいくつかまたはすべてをこの方法で実施できるが、記録または伝送用に信号を符号化する場合に商業的に利用可能なデジタルサウンドマスタリングコンソールで、および再生装置のデジタル回路において、これらのアルゴリズムを傾聴位置で実施するのがより便利である。次に、マトリクスは、上記で説明したアルゴリズムを実行する供給されたソフトウェアまたはファームウェアコードに応答して、装置内でデジタル形式に形成される。
【００４６】
マスタリングおよび再生の双方において、マトリクスは、予期されるまたは実際のスピーカ位置を含むパラメータにより形成される。これらのスピーカ位置には制約はほとんどない。スピーカ位置がどのようなものであれ、それらは種々のアルゴリズムにおいてパラメータとして考慮される。改善された臨場感は、正反対に置いたスピーカ対、矩形の部屋の床および天井の隅に置いたスピーカ、他の特定の直線的配置等の使用のような、他のものにより必要であると示唆される特定のスピーカ位置を必要とせずに得られる。むしろ、本発明の処理により、最初にスピーカを傾聴エリア周囲の所望の場所に配置でき、次にそれらの位置は、信号を得るための信号処理におけるパラメータとして用いられ、その信号は、それらのスピーカを介して、オリジナルのオーディオ波面の空間高調波と実質的にちょうど同じ指定された数の空間高調波によって音を再生する。
【００４７】
上記の例において忠実に再生される空間高調波は零次および１次高調波であるが、より高次の高調波も、もしそのために十分なスピーカが使用されるのであれば再生し得る。さらに、信号処理は、再生される全周波数について同じであり、高品質システムは、下は数十ヘルツから２０，０００Ｈｚ以上まで広がっている。２つの周波数帯における別個の信号処理は必要ではない。
【００４８】
３次元表現
これまで論じてきたのは、ロードスピーカと音源とを１つの平面に置くことによる２次元空間高調波の方法を提示するものであった。この同じ理論は、３次元へ拡張できる。その場合、３次元空間高調波展開の第０および第１項を伝送するために４つのチャンネルが必要となる。これは、２つのチャンネルが標準のステレオミックスを運び、他の２つのチャンネルはリスナー周囲の任意数のスピーカ用の供給をもたらすような同じマトリクス化特性を有している。あいにく、３Ｄバージョンの場合の数学は２Ｄの場合ほどクリーンかつコンパクトではない。複雑さを減らすどのようなうまい方法もない。
【００４９】
空間高調波の方法を３次元に拡張するため、ルジャンドル関数および球面調和関数を手短に論じる必要がある。ある意味で、これはフーリエ正弦および余弦級数の一般化である。フーリエ級数は１つの角度、φの関数である。この級数は周期的であり、円上の関数を表すために使用できる。フーリエ正弦および余弦級数が、円上の直交関数の完全セットであるように、球面調和関数は、球体表面で定義された直交関数の完全セットである。そのようなものとして、球上のどのような関数も、一般化フーリエ級数中の球面調和関数により表すことができる。
【００５０】
球面調和関数は、球上の２つの座標、すなわち角度θとφとの関数である。これらは図９に示してあり、そこでは、球面上の点がペア（θ，φ）によって表され、φは方位角である。０度はまっすぐ前方である。９０°は左である。１８０°はまっすぐ後方である。θは偏角（上下）である。０度はまっすぐ上方である。９０°は水平面であり、１８０°はまっすぐ下方である。θの範囲が０〜１８０°であるのに対して、φの範囲は０〜３６０°（または−１８０°〜１８０°）であることに留意されたい。２次元での議論において、角変数θは伏せられ、９０°に等しいものとされてきた。より一般的には、両方の角度が含まれる。例えば、図１におけるスピーカＳＰ１、ＳＰ２、ＳＰ３、ＳＰ４およびＳＰ５の位置は、ここではそれぞれの角度ペア（θ1，φ1）、（θ2，φ2）、（θ3，φ3）、（θ4，φ4）および（θ5，φ5）により与えられ、ここでθ1は、０°〜１８０°の範囲のどこかに位置する。図１および図８は、示された要素の同一平面上の配置または特定の平面部分空間上への３次元状況の投影と見なすことができる。
【００５１】
球面調和関数の一般的な定義は、ルジャンドルの多項式で始まり、これは以下のように定義される。
0004861593.tif 000011
これらから、ルジャンドルの関連関数を定義でき、それらは以下のように定義される。
0004861593.tif 000012
式中、Ｐ0（ｃｏｓθ）＝１、Ｐ1（ｃｏｓθ）＝ｃｏｓθ、Ｐ11（ｃｏｓθ）＝−ｓｉｎθ、等である。ルジャンドルの多項式および関連関数の双方は直交している（ただし、正規直交でない）。何人かの著者が若干難しく定義しているので、これらの特定の定義を与えた。もし代替の定義の１つが用いられれば、下記の方程式は適宜変更しなければならない。
【００５２】
これらは多項式であるけれども、以下の置換によって周期関数に変えることができる。
μ≡ｃｏｓθ                        （１３）
これらから、極座標中の関数の展開を下記の通り行える。
0004861593.tif 000013
関数Ｐn（ｃｏｓθ）、ｃｏｓｍφＰnm（ｃｏｓθ）、およびｓｉｎｍφＰnm（ｃｏｓθ）は、球面調和関数と呼ばれる。この展開は方程式（１）のフーリエ級数と等価であるが、実際にこれ導き出すのは比較的面倒である。１つのアプローチは、θの値を固定、すなわち９０°にすることである。残りの項は、フーリエ正弦および余弦級数と等しいものにまとめられる。係数（Ａn，Ａnm，Ｂnm）は、方程式（１）における係数（ａ0，ａm，ｂm）をｎ≠０について一般化する。
【００５３】
円上で定義されたばかりの関数については、次数０からＴまでの高調波を含んでいる級数用の１＋２Ｔ個の係数がある。球面調和関数展開については、もし次数Ｔまでの高調波が含まれていれば、係数の総数は（Ｔ＋１）2であり、球が２次元表面なので平方が現れる。したがって、１次までの高調波を保存するには、３つの項ａ0、ａ1、およびｂ1の代わりに、４つの項Ａ0、Ａ1、Ａ11、およびＢ11が今度は必要になる。
【００５４】
サウンドに適用される場合には、これは、リスナーの位置に集中された空間中の点における微視的な球の表面の音圧と見なすことができる。この拡張は、リスナー周りの任意の方向から生じ得る音のためにパンマトリクスおよびマイク処理の生成を介して指針として用い得る。
【００５５】
２Ｄの議論におけるように、近似しようとする球上の関数は、リスナーへの方向（θ0，φ0）の単位インパルスであると見なされ、付加的な座標θが今度は明示的になる。コンパクトにするため、μ0を以下のように定義する。
μ0 ≡ｃｏｓθ0                     （１５）
その方向の単位インパルスの拡張は、計算できて以下のようになる。
0004861593.tif 000014
多くの様々な位置（θ0，φ0）の多重点ソースまたは非点ソースについては、この関数は、これらの点の合計または分布の積分でそれぞれ置き換えられる。
【００５６】
ここでの議論は、球面座標から生じる３次元高調波を用いてなされているが、３次元での他の直交関数のセットも同様に用い得るであろう。対応する直交関数が、方程式（１６）および他の方程式において代わりに用いられるであろう。例えば、もし傾聴エリアの３次元的スピーカ配置の幾何学が特有の座標系に適合するか、あるいはリスナーに対応している点の周りの微視的表面がマイク配置または特性のために非球形であれば、回転楕円体座標系の１つおよび対応する直交展開が用いられるであろう。
【００５７】
図１に戻ると、リスナー周囲に（θ1，φ1）、（θ2，φ2）、…、（θN，φN）の角度でＮ個のスピーカが置かれているが、Ｎ＝５の模範的な値およびそれぞれがθi＝９０°は、もはや用いられない。スピーカ各々への利得、ｇiは、結果として得られる中心における点の周りの音場が、所望の音場（ｆ0（θ，φ）上記）とできるだけうまく一致するように求められる。これらの利得は、結果として得られる音場と所望の音場との間の積分した平方差をできるだけ小さくすることにより得られる。この最適化の結果は以下のマトリクス方程式であり、これは左辺と右辺を切り換えて方程式（２）を一般化させる。
ＢＧ＝Ｓ                          （１７）
式中、Ｇはスピーカ利得の列ベクトルである。
ＧT ＝［ｇ1 …ｇN ］                    （１８）
マトリクスＢの成分は以下のように計算できる。
0004861593.tif 000015
さらに、
Ｓ＝［ｂ10…ｂN0］T                     （２０）
【００５８】
方程式（１９）は、項（−１）mを除けば、一定の方向の単位インパルスについての方程式（１６）における展開に類似していることに留意すべきである。最初の合計は上限なしで書かれているが、実際には、これは有限の合計である。マトリクスＢの階数は、展開項がいくつ保存されるかによる。もし第０および第１項が保存されれば、Ｂの階数は４になるであろう。もう１つの項が取られれば、階数は９になるであろう。Ｂの階数により、その多くの展開項に一致させるために必要なスピーカの最小数も決定される。
【００５９】
どのような数のスピーカも用い得るが、もしスピーカ数が、Ｔ次高調波に対応する完全平方数（Ｔ＋１）2でなければ、連立方程式は未決定である。未決定系を解くための種々の方法がある。１つの方法は、マトリクスＢの擬似逆数を用いて系を解くことである。これは、最小ノルム解を選ぶことと等しく、完全に許容できる解がもたらされる。別の方法は、いくつかのより高次の高調波をゼロにする方程式で系を増大させることである。これには、階数を保存するＢの最小数の行を取ること、次に下記の形式の行を加えることが含まれる。
［Ρn+1(μ1)…Ρn+1(μN ) ］＝［０］                    （２１ａ）
または
［ｃｏｓφ1 Ρm n+1(μ1)…ｃｏｓφN Ρm n+1(μN ) ］＝［０］（２１ｂ）
または
［ｓｉｎφ1 Ρm n+1(μ1)…ｓｉｎφN Ρm n+1(μN ) ］＝［０］（２１ｃ）
これらの方程式は、上記の方程式（３）を方程式（４）に変えるために用いられたプロセスの一般化である。これらのどれが取られるかは厳密には大きな影響を与えない。各付加行は、最高限の階数に達するまで、マトリクスの階数を増やす。
【００６０】
したがって、本発明者は、３次元のいくつかの空間高調波を正確に保存する多重スピーカにシングル（モノフォニック）音源をパンするためのスピーカ利得を作り出すために必要なマトリクス方程式を導き出した。
【００６１】
図３および図４は、５つの信号にミックスされた２つのモノラルソースの共面の例の場合のマスタリングおよび再構成プロセスを例示するもので、これらの信号は、１次を介して空間高調波に変換され、最終的に修正された信号のセットにマトリクス化された。そこで言及されたように、共通のマルチチャンネル構成は、映画および家庭映画サウンドトラックの５．１フォーマットであるので、記録である５つの信号と出力としての５つの修正信号の選択が便利であるけれども、これらの特定の選択のうちのいずれも、様々に取り得た。代わりのマルチチャンネル記録および再生方法は、例えば、Ｊａｍｅｓ  Ａ．Ｍｏｏｒｅｒによる２０００年２月１７日出願の同時継続米国特許出願第０９／５０５，５５６号「ＣＤ再生拡大」に記載されるものであり、これはこの参照により本明細書に組み入れられる。
【００６２】
図３および図４の配置は、３次元高調波を含むように適用され、主要な変更は、もしＴまでの高調波が保存されるならば、（１＋２Ｔ）信号の代わりに、今度は（Ｔ＋１）2信号が高調波マトリクス５１の出力になることである。したがって、１次を介して高調波を保存するには、３つの項（ａ0，ａ1，ｂ1）の代わりに４つの項（Ａ0，Ａ1，Ａ11，Ｂ11）が必要となる。さらに、今度は制御プロセッサ５９は、個々の方位角角φiおよびβjの代わりに、想定されたスピーカ角度のペア（θi，φi）および実際のスピーカ角度のペア（γj，βj）から利得を計算しなければならず、（γj，βj）は再び制御盤６１を介して提供される。最後に、３次元用に便利な１つの選択は、非共面のケースの、６つの信号Ｓ１−Ｓ６および６つの信号Ｓ１'−Ｓ６'の修正セットを用いることである。いずれにせよ、２Ｄのケースで少なくとも３つの非共線的スピーカが必要なのと同様に、球面調和関数には少なくとも４つの非共面スピーカが必要である。なぜならば、球を定義するためには、少なくとも４つの非共面点が必要であり、３つの非共線点が平面上に円を定義するからである。
【００６３】
６つのスピーカが便利な選択である理由は、それにより、媒体１５上に記録または伝送された４つないし５つのトラックを共面配置用にミックスし、残りの２つないし１つのトラックを平面から離れて置いたスピーカ用とすることができるからである。これにより、高くしたスピーカ無しでまたは球面調和関数用の再生装置なしで、リスナーは、４つないし５つの共面トラックにアクセスしかつ使うことが可能になる一方で、リスナー用に完全な３次元再生能力と共に残りのトラックが媒体上で依然として利用可能である。これは、従来のステレオ再生において２つのチャンネルを用い得る２Ｄのケースについて上記で説明した状況と類似しているが、付加的チャンネルは、音場の再生に利用できる。６つのチャンネルの３Ｄのケースでは、２つのチャンネルはステレオミックスに用いられ、４チャンネルサラウンドサウンド録音用に２つのチャンネルで増強され、最後の２チャンネルは、６つのチャンネルを介して再生をさらに増強して次元音場を提供するために利用可能である。リスナーは、例えば上記の参照により含まれる同時継続出願「ＣＤ再生拡大」に記載されるような、記憶された媒体から必要なチャンネル数にアクセスできるであろう。
【００６４】
図３に戻ると、この例での修正は、各モノラルソース用の１つの追加の増幅器および付加的信号Ｓ６を媒体１５に供給するために追加されたものを含むことである。その場合、制御盤２９は、ソースの各々についての付加的利得も供給し、すべての利得は、想定されたスピーカ配置の方位角位置からだけでなく偏角からも導き出される。同様に図４においては、６つの信号Ｓ１−Ｓ６の各々は、マトリクス５１中の４つの増幅器に供給し、この例における４つの出力を０次および１次高調波を用いて作り出すため、Ａ0、Ａ1、Ａ11、Ｂ11（あるいは、より一般的には、これらの４つの独立した１次結合）に対応する４つの加算ノードについて１つが供給する。マトリクス５３は、これら４つの高調波の各々について６つの増幅器を有し、６つの修正信号Ｓ１'−Ｓ６'のセットを作り出している。この場合もやはり、実際のスピーカ配置の方位角位置だけでなく偏角も使われる。より一般的に、制御盤６１は、他のスピーカと同じ球面上にないどのようなスピーカについての半径情報も制御プロセッサ５９に供給することもできるであろう。その場合、制御プロセッサ５９は、この情報マトリクス５３を使って、対応する修正信号を作り出し、遅延を導入することにより異なる半径の補償、波面拡散の補償、またはその両方を行えるであろう。
【００６５】
この配置において、上記の方程式（６）に相当するものは以下のようになる。
0004861593.tif 000016
スピーカのうちの４つ、すなわちＳ１−Ｓ４を、部屋の床に平行な典型的な共面配置、θ1−θ4＝９０°となるようにすると、方程式（６'）はかなり単純になる。さらに、完全な３次元表現を持つことにより、θｓおよびφｓを固定することによって、傾聴エリアの他の任意の面上への２次元投影を実現できる。
【００６６】
標準的な指向性マイクは、零次および１次空間球面調和関数として表現されうるピックアップパターンを有している。標準的な音圧傾度マイクのパターンについての方程式は以下の通りである。
0004861593.tif 000017
式中、ΘおよびΦは、マイク主軸の球座標中の角度である。すなわち、これらは、マイクが「指している」方向である。方程式（２２）は方程式（９）のより一般的な形である。それらの方程式は、両者の全体因数まで、それぞれのマイクｍ1、ｍ2、またはｍ3についてＣ＝１／２、θ＝Θ＝９０°、φ＝ν、およびΦ＝α、０、または−αとした方程式（２２）に対応する。定数Ｃはマイクの「指向性」と呼ばれ、マイクのタイプにより決定される。Ｃは全方向性マイクについてのものであり、「８字」マイクについてはゼロである。中間値により、カージオイド（１／２）、ハイパーカージオイド（１／４）、スーパーカージオイド（３／８）、およびサブカージオイド（３／４）のような標準ピックアップパターンが得られる。４つのマイクで、３Ｄ音場の零次および１次空間高調波を以下のように回復し得る。
0004861593.tif 000018
この方程式は、方程式（１０）の２Ｄ零次および１次空間高調波に対応する。この方程式の左辺の空間高調波係数は、市販の音場マイクにおいてＷ、Ｙ、Ｚ、およびＸと呼ばれることがある。これら４つの係数による３次元音場の表現は、「Ｂ−フォーマット」と呼ばれることがある。（この術語は、「Ａ−フォーマット」と呼ばれることがある直接的なマイクロ供給と単に区別するためである。）
【００６７】
項ｍ1、…、ｍMは、角度（Θ1，Φ1）、…、（ΘM，Φ1）におけるＭ個の音圧傾度マイクを指す。マトリクスＤはその逆数により以下のように定義し得る。
0004861593.tif 000019
【００６８】
このマトリクスの各行は、マイクの１つの方向パターンである。４つのマイクが、球面調和関数展開の０次および１次項についてのすべての係数を明白に決定する。マイクの角度は、識別可能（同じ方向を指しているマイクが２つないこと）かつ非共面（それが、２つではなく１つの角度次元のみの情報をもたらすので）でなければならない。これらのケースでは、マトリクスは良好な状態にあり、逆数がある。
【００６９】
対応する変化は、図５、図６、および図７においても必要とされる。図５および図６においては、マイク数は４であり、方程式（２３）におけるｍ1−ｍ4に対応し、さらに４つの高調波（Ａ0、Ａ1、Ａ11、Ｂ11、または４つの独立一次結合）は、３つの項（ａ0、ａ1、ｂ1）に取って代わる。出力信号の数も調整される。上記で用いた例においては、Ｓ６またはＳ６'が含まれる。さらに、各マイクの整列は、１対のパラメータ、主軸の角度（Θ、Φ）により指定され、信号Ｓ１−Ｓ６またはＳ１'−Ｓ６'の各々は、方位角だけでなく偏角を有している。対応して、図７のマイクマトリクスは４つの増幅器を４セット有することになる。
【００７０】
方程式（２３）および（２４）の４つのマイクの考えられる１つの配置は、図８のようにｍ1−ｍ3を赤道面上に配置し、ｍ4を球の北極に置くことである。これは、（Θ1、Φ1）、（Θ3、Φ3）＝（９０°、±α）、（Θ2、Φ2）＝（９０°、１８０°）、Θ4＝０°に相当する。別の選択肢は、図１０に示されるように、後方に面している２つのマイクと共にマイクを配置するもので、ｍ1１２１は（９０°、α）、ｍ2１２３は（９０°＋δ、１８０°）、ｍ3１２５は（９０°、−α）、およびｍ4１２６は（９０°−δ、１８０°）である。α＝δ＝６０°を取ると、正４面体配置になる。
【００７１】
いくつかの応用においては、マイクの１つは、実用的な理由のための種々の半径で置かれることがあり、その場合、対応する信号のいくらかの遅れまたは進みが導入されるべきである。例えば、図８の後方に面しているマイクｍ2が後方へ移動されれば、伝搬時間を保証するために１フィート移動するごとに記録は約１ｍｓ進むであろう。
【００７２】
方程式（２３）は、この場合もやはりそれらのうちの１つだけが全方向性であると仮定して４つのマイクのどのようなセットについても有効である。マイクの２つの異なるセットについてこの方程式を見ると、ピックアップの方向パターンは、これらの４つの信号をマトリクス化することによって変更できる。起点は、マイクの２つの異なるセットについての方程式（２３）および（２４）ならびにそれらの対応マトリクスＤである。実際のマイクおよびマトリクスは、ティルデにより示される再マトリクス化された「バーチャル」量と共に、文字ｍおよびＤで示される。
【００７３】
方程式（２３）および（２４）の公式化が与えられれば、これらのマイク供給は、以下のような「バーチャル」マイク供給のセットに変換し得る。
0004861593.tif 000020
【００７４】
マトリクスＤ（注：ティルデＤ）は、「バーチャル」マイクの方向性と角度とを表している。これの結果は、用いられたマイクの代わりに、バーチャルマイクが記録部に存在していたら記録されたであろうサウンドである。これにより、「一般」の音場マイクを用いて記録を行い、次いで後にそれらをマイクの任意のセットにマトリクス化することができる。例えば、最初の２つのバーチャルマイク、ｍ1（注：ティルデｍ1）およびｍ2（注：ティルデｍ2）だけを選び、それらを標準ＣＤ記録用のステレオペアとして用いることができるであろう。次に、ｍ3（注：ティルデｍ3）を上述の平面サラウンドサウンド記録に、フル３次元実現用に使われるｍ4（注：ティルデｍ4）と共に加えることができるであろう。
【００７５】
これら４つのマイクフィードの任意の非縮退変換は、マイクフィードの任意の他のセットを作り出すために用いることができ、またはオリジナルの音場の零次および１次空間高調波を正確に再生できる任意数（４以上）のスピーカ用のスピーカフィードを生成するために使用できる。言い換えれば、音場マイク技術は、記録が完了した後にマイクの方向特性と角度とを調整するために用い得る。したがって、２Ｄの場合に第３の後方向きマイクを、および３Ｄの場合に第４の非共面マイクを加えることにより、マイクは簡単なマトリクス操作で修正できる。データがマルチチャンネル型式で発売されることを意図しているかどうかにかかわらず、第３の後方向きチャンネルの記録により、ステレオリリースの自由が増し、第４の非共面チャンネルの記録により、ステレオおよび平面サラウンドサウンドにおける自由が増す。
【００７６】
マイクフィードを多数のスピーカにマトリクス化するため、マトリクス方程式（１７）の右辺をパンニング用に以下のように再公式化する。
0004861593.tif 000021
および
0004861593.tif 000022
マトリクスＲ1は、単にスピーカ位置で評価された０次および１次球面調和関数である。項（−１）mを含めるには慎重でなければならない。なぜならば、それは、これらの方程式を導き出すために必要な最小二乗最適化の直接的な結果だからである。
【００７７】
音場の記録に戻ると、２Ｄおよび３Ｄ音場にそれぞれ対応する（好適には未圧縮の）オーディオデータの３つないし４つのチャンネルが、ディスクまたは他の媒体上に記憶され、次に、簡単な方法でステレオまたはサラウンドに再マトリクス化される。方程式（２５）（または、その２Ｄ還元）により、４つのチャンネルの他の４つのチャンネルへの無損失の非縮退変換が無数にある。したがって、空間高調波を記憶する代わりに、２つのチャンネルが適切なステレオミックスを記憶し、第３のものが２Ｄサラウンド用にチャネルを記憶し、３Ｄサラウンドミックス用に第４のチャンネルを用いることができるであろう。オーディオに加え、マトリクスまたはその逆数も媒体上に記憶し得る。ステレオ実演については、プレーヤーは、オーディオの第３および第４のチャンネルを単に無視し、他の２つを左右のフィードとして演奏する。２Ｄサラウンド実演については、０次および１次２Ｄ空間高調波を最初の３つのチャンネルから導き出すためにマトリクスの逆数が用いられる。空間高調波から、方程式（８）または方程式（１７）の平面投影のようなマトリクスが形成され、スピーカフィードが計算される。３Ｄサラウンド実演については、３Ｄ高調波は、４つのチャンネル全部を用いてから導き出され、方程式（１７）のマトリクスを形成し、スピーカフィードを計算する。
【００７８】
本発明の様々な局面を、その好ましい実施形態について説明してきたが、本発明が添付の請求項の全範囲内での保護を受ける権利があることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  傾聴エリアを包囲している多重ラウドスピーカの配置の平面図である。
【図２】  図１のサウンド再生配置の音響空間周波数を例示する。
【図３】  モノラルサウンドの位置を決めるためのマトリクス化システムのブロック図である。
【図４】  当初信号をマトリクス化する際に想定したものと異なるスピーカ位置を考慮するために、図３でマトリクス化された信号を再マトリクス化するためのブロック図である。
【図５】  多重指向性マイクからのサウンドを取得および再生するための代替的配置を示すブロック図である。
【図６】  多重指向性マイクからのサウンドを取得および再生するための代替的配置を示すブロック図である。
【図７】  図５および図６のマイクマトリクスブロックのさらなる細部を示す。
【図８】  図５および図６のシステムへのオーディオ信号源としての３つのマイクの配置を示す。
【図９】  球座標の配置を例示する。
【図１０】  ４つのマイクの３次元配列のための角度配置を示す。
【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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【図９】
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【図１０】
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