(57)【要約】【課題】  再生音場に起因する周波数歪と時間歪とを双方とも補正しつつ、スピーカ毎に個別の制御設定を必要としない一元的な処理で広い空間を制御する。【解決手段】  再生音場に音響出力される前段階の音源信号Ｘ（ｚ）を音響出力した際に再生音場にて観測される観測信号のパワーエンベロープを、音源信号Ｘ（ｚ）のパワーエンベロープと再生音場の空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）のパワーエンベロープとの畳み込み演算によって記述する。音響再生装置１０は、音源信号Ｘ（ｚ）のエンベロープと、空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）のエンベロープを最小位相化した近似エンベロープとに基づいて、音源信号Ｘ（ｚ）のパワーエンベロープに対して、パワーエンベロープ領域で空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）のパワーエンベロープによる逆フィルタリング処理を行うパワーエンベロープ逆フィルタリング処理部１５とを備える。【選択図】  図６
2009139615.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
再生音場に音響出力される前段階の音源信号を入力する音源信号入力手段と、
前記音源信号入力手段を介して入力された前記音源信号のエンベロープを抽出する信号抽出手段と、
前記音源信号を音響出力した際に前記再生音場にて観測される観測信号のパワーエンベロープを、前記音源信号のパワーエンベロープと前記再生音場の空間インパルス応答関数のパワーエンベロープとの畳み込み演算によって記述するものとしたとき、前記信号抽出手段によって抽出された前記音源信号のエンベロープと、前記空間インパルス応答関数のエンベロープを最小位相化した近似エンベロープとに基づいて、前記音源信号のパワーエンベロープに対して、パワーエンベロープ領域で前記空間インパルス応答関数のパワーエンベロープによる逆フィルタリング処理を行い、復元した音源信号としての加工信号を求める逆フィルタリング処理手段と、
前記逆フィルタリング処理手段によって求められた前記加工信号を、前記再生音場に音声を音響出力する音響出力手段に出力する加工信号出力手段とを備えること
を特徴とする音響再生装置。
【請求項２】
前記信号抽出手段は、前記音源信号入力手段を介して入力された前記音源信号を、そのエンベロープと微細構造信号とに分けて抽出し、
前記逆フィルタリング手段は、前記音源信号のパワーエンベロープに対して、パワーエンベロープ領域で前記空間インパルス応答関数のパワーエンベロープによる逆フィルタリング処理を行い、前記復元した音源信号の回復エンベロープを求め、前記信号抽出手段によって抽出された前記微細構造信号と前記回復エンベロープとに基づいて、前記加工信号を求めること
を特徴とする請求項１記載の音響再生装置。
【請求項３】
前記空間インパルス応答関数のエンベロープを最小位相化し、前記近似エンベロープを生成する最小位相化手段を備えること
を特徴とする請求項１記載の音響再生装置。
【請求項４】
前記最小位相化手段は、前記空間インパルス応答関数のエンベロープに対してケプストラム処理を施して最小位相成分と非最小位相成分とに分離し、最小位相成分を前記近似エンベロープとして生成すること
を特徴とする請求項３記載の音響再生装置。
【請求項５】
前記最小位相化手段は、前記再生音場の残響時間に基づく指数関数を求め、当該指数関数を前記近似エンベロープとして生成すること
を特徴とする請求項３記載の音響再生装置。
【請求項６】
前記音源信号入力手段を介して入力された前記音源信号を所定の周波数帯域幅で複数の帯域信号に分割して狭帯域化するフィルタバンクを備え、
前記信号抽出手段は、前記フィルタバンクを通過した周波数帯域毎の音源信号のそれぞれのエンベロープを抽出し、
前記逆フィルタリング処理手段は、前記信号抽出手段によって抽出された周波数帯域毎の前記音源信号のエンベロープと、前記周波数帯域幅と同じ周波数帯域幅で複数の帯域信号に分割して狭帯域化された前記空間インパルス応答関数のエンベロープを最小位相化した周波数帯域毎の前記近似エンベロープとに基づいて、前記音源信号のパワーエンベロープに対して、パワーエンベロープ領域で前記空間インパルス応答関数のパワーエンベロープによる逆フィルタリング処理を行い、周波数帯域毎の前記加工信号を求め、
当該音響再生装置は、さらに、前記フィルタバンクに対応して設けられ、前記逆フィルタリング処理手段によって求められた周波数帯域毎の前記加工信号を合成する他のフィルタバンクを備えること
を特徴とする請求項１乃至請求項５のうちいずれか１項記載の音響再生装置。
【請求項７】
再生音場に音響出力される前段階の音源信号を音響再生装置に入力し、メモリに記憶させる音源信号入力工程と、
前記音響再生装置の演算手段が、前記音源信号入力工程にて入力されて前記メモリに記憶された前記音源信号を読み出し、当該音源信号のエンベロープを抽出する信号抽出工程と、
前記音源信号を音響出力した際に前記再生音場にて観測される観測信号のパワーエンベロープを、前記音源信号のパワーエンベロープと前記再生音場の空間インパルス応答関数のパワーエンベロープとの畳み込み演算によって記述するものとしたとき、前記演算手段が、前記信号抽出工程にて抽出された前記音源信号のエンベロープと、前記空間インパルス応答関数のエンベロープを最小位相化した近似エンベロープとに基づいて、前記音源信号のパワーエンベロープに対して、パワーエンベロープ領域で前記空間インパルス応答関数のパワーエンベロープによる逆フィルタリング処理を行い、復元した音源信号としての加工信号を求める逆フィルタリング処理工程と、
前記演算手段が、前記逆フィルタリング処理工程にて求められた前記加工信号を、前記再生音場に音声を音響出力する音響出力手段に出力する加工信号出力工程とを備えること
を特徴とする音響再生方法。
【請求項８】
コンピュータを、
再生音場に音響出力される前段階の音源信号を入力する音源信号入力手段、
前記音源信号入力手段を介して入力された前記音源信号のエンベロープを抽出する信号抽出手段、
前記音源信号を音響出力した際に前記再生音場にて観測される観測信号のパワーエンベロープを、前記音源信号のパワーエンベロープと前記再生音場の空間インパルス応答関数のパワーエンベロープとの畳み込み演算によって記述するものとしたとき、前記信号抽出手段によって抽出された前記音源信号のエンベロープと、前記空間インパルス応答関数のエンベロープを最小位相化した近似エンベロープとに基づいて、前記音源信号のパワーエンベロープに対して、パワーエンベロープ領域で前記空間インパルス応答関数のパワーエンベロープによる逆フィルタリング処理を行い、復元した音源信号としての加工信号を求める逆フィルタリング処理手段、及び、
前記逆フィルタリング処理手段によって求められた前記加工信号を、前記再生音場に音声を音響出力する音響出力手段に出力する加工信号出力手段として機能させること
を特徴とするコンピュータ実行可能な音響再生プログラム。
【請求項９】
再生音場に音響出力される前段階の音源信号を入力する音源信号入力手段と、
前記音源信号入力手段を介して入力された前記音源信号のエンベロープを抽出する信号抽出手段と、
前記音源信号を音響出力した際に前記再生音場にて観測される観測信号のパワーエンベロープを、前記音源信号のパワーエンベロープと前記再生音場の空間インパルス応答関数のパワーエンベロープとの畳み込み演算によって記述するものとしたとき、前記信号抽出手段によって抽出された前記音源信号のエンベロープと、前記空間インパルス応答関数のエンベロープを最小位相化した近似エンベロープとに基づいて、前記音源信号のパワーエンベロープに対して、パワーエンベロープ領域で前記空間インパルス応答関数のパワーエンベロープによる逆フィルタリング処理を行い、復元した音源信号としての加工信号を求める逆フィルタリング処理手段と、
前記逆フィルタリング処理手段によって求められた前記加工信号を出力する加工信号出力手段と、
前記加工信号出力手段から出力された前記加工信号が示す音声を前記再生音場に音響出力する音響出力手段とを備えること
を特徴とする音響再生システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音声や音楽を再生する音響再生装置、音響再生方法、及び音響再生プログラムに関し、特に、再生音場の響きの影響を軽減して原音に忠実な音響再生を行うことができる音響再生装置、音響再生方法、音響再生プログラム、及び音響再生システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、スピーカ等の再生装置から放射される音には、室内壁面への反射に起因する歪が重畳され、再生音場固有の響きが加えられることから音の明瞭度が低下して臨場感が損なわれる。特に、制御する室内空間に対してスピーカの系が小さいと、理論的にも点音源として近似されるために、反射音の影響、すなわち、音を再生する空間固有の響きの影響が相対的に大きくなり、臨場感が低下する要因となっている。そのため、従来から、残響制御に関する技術が提案されている。
【０００３】
かかる残響制御は、一般に、室内の形状や部材の改修をともなう建築的な観点からの補正を行う必要がある。しかしながら、このような補正は、多額の費用を要する工事を行う必要があるために容易に行うことができない。そのため、電気音響的に残響を制御することが望まれている。
【０００４】
近年、電気音響技術の進歩にともない、音場の機能拡大や音場改善を主な目的として、より高精度の音場制御（Active Field Control；ＡＦＣ）が可能となっている。その制御技術としては、音場支援システム（Assisted Acoustic System；ＡＡＳ）、仮想反射音支援システム（Image
Wall System；ＩＷＳ）、音場創成システム（Sound Field Generation System；ＳＦＧＳ）等が知られており、これら音場制御技術を利用した各種システムも提案されている（例えば、特許文献１乃至特許文献１２等参照。）。
【０００５】
これら音場制御技術のうち特に音場創成システムは、コストが安く取り扱いも容易であることから幅広く利用されている。音場創成システムは、再生音に対して、畳み込み処理によって目的音場とする任意空間のインパルス応答関数を付加し、残響音を創成するシステムであり、その処理法は、リアルタイムでの導入も可能であり、音声信号や音楽信号に対しても遅延がほとんど生じないのも特徴である。
【０００６】
しかしながら、音場創成システムを利用するにあたっては、再生音場の影響も加わるため、その効果も減少する。すなわち、音場創成システムにおいては、目的音場のインパルス応答と再生音場のインパルス応答とが二重に畳み込まれてしまい、臨場感を損なうという問題がある。かかる臨場感が損なわれてしまう要因は、主として再生音場の影響による周波数歪と時間歪とに集約される。
【０００７】
これに対して、再生音場の周波数歪を補正する試みが行われており、既に商品化されているものもある。周波数特性の補正処理は、再生音場の空間インパルス応答を測定し、そのパワースペクトルのエンベロープ特性に基づいて行うことができるため、処理が容易である。例えば特許文献１３には、再生音場の空間インパルス応答を測定し、測定したインパルス応答を周波数成分及び時間成分で複数のブロックに分割し、各ブロックの重み係数に基づいて加重線形和を算出することにより、再生音場の周波数歪を補正する音場制御システム開示されている。
【０００８】
一方、再生音場の時間歪の補正処理としては、いわゆる逆フィルタリング処理がある。これは、時間歪に関する補正だけではなく、周波数歪も正確に補正することができる手法である。ところで、再生音場では、次式（１）に示すように、音源信号ｘ（ｔ）と空間インパルス応答関数ｈ（ｔ）との畳み込み演算によって観測信号ｙ（ｔ）が表される。なお、次式（１）において、＊は、畳み込み演算を示す演算子である。
【０００９】
【数１】
2009139615.tif 000003
【００１０】
線形システムにおいて、観測信号ｙ（ｔ）から音源信号ｘ（ｔ）を推定するためには伝達系の推定が必要である。しかしながら、空間インパルス応答関数ｈ（ｔ）は、一般に、時変系であることから、適応的な系の推定を必要とする。また、一般に、再生音場の伝達系は非最小位相を有することから、逆フィルタリング処理そのものによる音場制御、すなわち、音源信号の復元を行うことは困難である。
【００１１】
そこで、再生音場の時間歪の補正処理として、非特許文献１に記載されているように、最小位相逆フィルタ法が提案されている。この最小位相逆フィルタ法は、単一のマイクロホンによって受音した観測信号から室内伝達特性の最小位相成分のみを除去し、回復信号を求める手法である。しかしながら、この最小位相逆フィルタ法は、再生音場の伝達特性が最小位相特性を有する場合には、効果的に室内の響きを制御することができるものの、広い空間やフローリング等の硬い壁面が存在するような再生音場の場合には残響時間が増加してしまい、残響時間の増加にともなって非最小位相成分も増加することから、非最小位相成分の最小位相化による位相歪の増加に起因して制御精度が低下するという問題がある。
【００１２】
これに対して、非特許文献２に記載されているように、複数のマイクロホンを用いた音場逆フィルタ理論（ＭＩＮＴ）が提案されている。このＭＩＮＴ法は、制御点の数に対してスピーカを１つ以上多く配置することにより、非最小位相成分の影響を強く受けた伝達特性であっても音源信号を正確に復元することができる手法である。また、非特許文献３及び非特許文献４に記載されているように、ＭＩＮＴ法を発展させた最小ノルム解に基づく逆フィルタ理論も提案されている。しかしながら、これらＭＩＮＴ法や逆フィルタ理論は、いずれも残響時間が増加する場合には制御が困難であり、特に長い残響時間を有する室内環境ではその影響が大きすぎて実用的ではないという問題がある。また、逆フィルタ理論は、ある音をその逆位相の音によって打ち消す手法であることから、本質的に再生音場全体を制御するものではなく、広い空間を制御する場合には、多数の制御スピーカを必要とするという問題がある。なお、特許文献１４には、空間伝達関数を推定し、その逆フィルタリングによって臨場感を創出する手法が開示されている。
【００１３】
さらに、エンベロープ処理に基づく残響制御システムも提案されている。具体的には、非特許文献５に記載されているように、音源信号と空間インパルス応答関数とに対して、それぞれ、複数の変調正弦波モデルを用いて定式化を行うエンベロープ畳み込みモデルが提案されている。
【００１４】
【特許文献１】特開平５−２４１５７７号公報
【特許文献２】特開平７−２８４１８８号公報
【特許文献３】特開平８−１６０９８１号公報
【特許文献４】特開平９−６５４９６号公報
【特許文献５】特開平９−２６５２９２号公報
【特許文献６】特開平９−３３００７８号公報
【特許文献７】特開平９−３３００９２号公報
【特許文献８】特開平１１−３０５７６８号公報
【特許文献９】特開平１１−３０５７６９号公報
【特許文献１０】特開２０００−２００８３号公報
【特許文献１１】特開２００２−３３９７６号公報
【特許文献１２】特開２００３−１０８１６８号公報
【特許文献１３】特開２００４−２７９５２５号公報
【特許文献１４】特開２００３−２５５９５５号公報
【非特許文献１】J. B.Allen, D. A. Berkley and J. Blauert, “Multimicrophone signal processing toremove room reverberation form speech signals”, J. Acoust. Soc. Am., vol. 62, pp. 912-915, 1977
【非特許文献２】M. Miyoshi and Y. Kaneda, “Inversefiltering of room acoustics”, IEEE Trans. Fundamentals. ASSP., vol. 36, pp.145-152, 1988
【非特許文献３】神沼  充伸，  伊勢  史郎，鹿野  清宏，“周波数領域における最小ノルム解を利用した多チャンネル音場再現システムにおける逆フィルタの設計”，音響学会誌，vol. 57, pp. 175-183, 2001
【非特許文献４】H. Nakajima, M. Miyoshi and M.Tohyama, “Sound field control by indefinite MINT filter”, IEICE Trans.Fundamentals., vol. E80-A, pp. 821-824, 1997
【非特許文献５】J. Mourjopoulos and J. K. Hammond, “Modelingand enhancement of reverberant speech using an envelope convolution method”,Proc. IEEE ICASSP, pp. 1144-1147, 1983
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ところで、音響再生システムの製品化を考慮すると、広い空間を制御できることが望ましい。
【００１６】
しかしながら、上述した特許文献１３をはじめとする周波数特性の補正を行う技術は、再生音場の影響のうち周波数歪を補正することができるものの、時間歪の補正をすることはできない。また、周波数特性の補正処理と上述した音場創成システムとを組み合わせたとしても、基本的には音場の任意の点のみの制御にとどまり、広い空間の制御は困難である。
【００１７】
また、上述した特許文献１４や非特許文献１乃至非特許文献５をはじめとする逆フィルタリング処理に関わるものは、音場の任意の点のみを制御することは可能であるものの、広い空間を制御することができないという問題があり、幅広い音響再生システムへの製品化にまで至っていないのが現状である。例えば、特許文献１４に記載された技術においては、０．３秒以上の残響時間を有する空間では実現することが困難である。このように、逆フィルタリング処理は、一般的な室内を再生音場とする場合に適用することはできず、リスニングルーム等、限られた空間における音像定位、すなわち、音によるバーチャルリアリティ等への応用に適用範囲がとどまっている。
【００１８】
さらに、上述した非特許文献５に記載されているようなエンベロープ畳み込みモデルは、正弦波の個数が多くなると、近似式と実際の特性との誤差が大きくなることから、音楽等の多くの楽器や音声が混合した信号に対しては、たとえ狭帯域化を図ったとしても響きの改善効果に限定が生じるという問題がある。
【００１９】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、再生音場に起因する周波数歪と時間歪とを双方とも補正しつつ、スピーカ毎に個別の制御設定を必要としない一元的な処理で広い空間を制御することができる音響再生装置、音響再生方法、音響再生プログラム、及び音響再生システム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】
【００２０】
本願発明者は、再生音場に起因する周波数歪と時間歪とを双方とも補正することが可能な電気音響的な信号処理技術について鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成させるに至った。
【００２１】
すなわち、上述した目的を達成する本発明にかかる音響再生装置は、再生音場に音響出力される前段階の音源信号を入力する音源信号入力手段と、前記音源信号入力手段を介して入力された前記音源信号のエンベロープを抽出する信号抽出手段と、前記音源信号を音響出力した際に前記再生音場にて観測される観測信号のパワーエンベロープを、前記音源信号のパワーエンベロープと前記再生音場の空間インパルス応答関数のパワーエンベロープとの畳み込み演算によって記述するものとしたとき、前記信号抽出手段によって抽出された前記音源信号のエンベロープと、前記空間インパルス応答関数のエンベロープを最小位相化した近似エンベロープとに基づいて、前記音源信号のパワーエンベロープに対して、パワーエンベロープ領域で前記空間インパルス応答関数のパワーエンベロープによる逆フィルタリング処理を行い、復元した音源信号としての加工信号を求める逆フィルタリング処理手段と、前記逆フィルタリング処理手段によって求められた前記加工信号を、前記再生音場に音声を音響出力する音響出力手段に出力する加工信号出力手段とを備えることを特徴としている。
【００２２】
また、上述した目的を達成する本発明にかかる音響再生方法は、再生音場に音響出力される前段階の音源信号を音響再生装置に入力し、メモリに記憶させる音源信号入力工程と、前記音響再生装置の演算手段が、前記音源信号入力工程にて入力されて前記メモリに記憶された前記音源信号を読み出し、当該音源信号のエンベロープを抽出する信号抽出工程と、前記音源信号を音響出力した際に前記再生音場にて観測される観測信号のパワーエンベロープを、前記音源信号のパワーエンベロープと前記再生音場の空間インパルス応答関数のパワーエンベロープとの畳み込み演算によって記述するものとしたとき、前記演算手段が、前記信号抽出工程にて抽出された前記音源信号のエンベロープと、前記空間インパルス応答関数のエンベロープを最小位相化した近似エンベロープとに基づいて、前記音源信号のパワーエンベロープに対して、パワーエンベロープ領域で前記空間インパルス応答関数のパワーエンベロープによる逆フィルタリング処理を行い、復元した音源信号としての加工信号を求める逆フィルタリング処理工程と、前記演算手段が、前記逆フィルタリング処理工程にて求められた前記加工信号を、前記再生音場に音声を音響出力する音響出力手段に出力する加工信号出力工程とを備えることを特徴としている。
【００２３】
さらに、上述した目的を達成する本発明にかかる音響再生プログラムは、コンピュータを、再生音場に音響出力される前段階の音源信号を入力する音源信号入力手段、前記音源信号入力手段を介して入力された前記音源信号のエンベロープを抽出する信号抽出手段、前記音源信号を音響出力した際に前記再生音場にて観測される観測信号のパワーエンベロープを、前記音源信号のパワーエンベロープと前記再生音場の空間インパルス応答関数のパワーエンベロープとの畳み込み演算によって記述するものとしたとき、前記信号抽出手段によって抽出された前記音源信号のエンベロープと、前記空間インパルス応答関数のエンベロープを最小位相化した近似エンベロープとに基づいて、前記音源信号のパワーエンベロープに対して、パワーエンベロープ領域で前記空間インパルス応答関数のパワーエンベロープによる逆フィルタリング処理を行い、復元した音源信号としての加工信号を求める逆フィルタリング処理手段、及び、前記逆フィルタリング処理手段によって求められた前記加工信号を、前記再生音場に音声を音響出力する音響出力手段に出力する加工信号出力手段として機能させることを特徴としている。
【００２４】
さらにまた、上述した目的を達成する本発明にかかる音響再生システムは、再生音場に音響出力される前段階の音源信号を入力する音源信号入力手段と、前記音源信号入力手段を介して入力された前記音源信号のエンベロープを抽出する信号抽出手段と、前記音源信号を音響出力した際に前記再生音場にて観測される観測信号のパワーエンベロープを、前記音源信号のパワーエンベロープと前記再生音場の空間インパルス応答関数のパワーエンベロープとの畳み込み演算によって記述するものとしたとき、前記信号抽出手段によって抽出された前記音源信号のエンベロープと、前記空間インパルス応答関数のエンベロープを最小位相化した近似エンベロープとに基づいて、前記音源信号のパワーエンベロープに対して、パワーエンベロープ領域で前記空間インパルス応答関数のパワーエンベロープによる逆フィルタリング処理を行い、復元した音源信号としての加工信号を求める逆フィルタリング処理手段と、前記逆フィルタリング処理手段によって求められた前記加工信号を出力する加工信号出力手段と、前記加工信号出力手段から出力された前記加工信号が示す音声を前記再生音場に音響出力する音響出力手段とを備えることを特徴としている。
【００２５】
このような本発明にかかる音響再生装置、音響再生方法、音響再生プログラムが実装された装置、及び音響再生システムは、音響出力手段からの音響出力前に、音源信号のパワーエンベロープに対して、パワーエンベロープ領域で前記空間インパルス応答関数のパワーエンベロープによる逆フィルタリング処理を行う。この逆フィルタリング処理は、音源信号と空間インパルス応答関数とをそれぞれ変調雑音モデルを用いて定式化する処理であるため、制御点が広く、場所によって再生音場の影響が強調されてしまうことがない。したがって、本発明にかかる音響再生装置、音響再生方法、音響再生プログラムが実装された装置、及び音響再生システムは、同空間であれば環境変動や観測者の人数変動に対する耐性や、観測者が移動した場合に対する耐性が高く、少数の音響出力手段（スピーカ）を用いるのみで広い空間を一元的に制御することができ、多くの音が混合した信号に対して高い響きの改善効果を奏する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明においては、様々な周波数が混合した広域再生音に対して、音響出力手段毎に個別の制御設定を必要とせずに広い空間を一元的に制御することが可能であり、さらに、音響出力手段からの音響出力前に再生音場の影響を事前に取り除くことにより、既存のホールやリスニングルーム等を改築することなく響きを改善し、原音により忠実な音響再生システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２８】
この実施の形態は、音声や音楽を再生する音響再生装置である。特に、この音響再生装置は、電気音響的な信号処理技術を駆使することにより、再生音場に起因する周波数歪と時間歪とを双方とも補正しつつ、スピーカ毎に個別の制御設定を必要としない一元的な処理で広い空間を制御することができるものである。
【００２９】
音響再生装置は、組み込み系の音響再生システムに適用して好適なものである。すなわち、この音響再生装置は、図１に示すように、音響出力手段としてのスピーカ１から音響出力される前段階の音源信号に対して処理を施す前処理型のものであり、従来のようにマイクロホン２によって受音した観測信号に対して処理を施す後処理型のものとは一線を画すものである。以下、このような音響再生装置の構成の説明に先立って、当該音響再生装置に適用する音響再生処理について詳述する。
【００３０】
［音響再生アルゴリズム］
本願発明者は、統計的な手法により、音響再生装置の入出力関係を、音源信号及び空間インパルス応答関数のパワーエンベロープに基づいて定式化した。すなわち、音響再生装置は、音源信号及び空間インパルス応答関数のパワーエンベロープに基づく音響再生処理を行う。
【００３１】
音源信号をｘ（ｔ）、観測者が存在する室内等の再生音場の空間インパルス応答関数をｈ（ｔ）、観測信号をｙ（ｔ）とすると、本願発明者は、変調雑音信号を用いて、音源信号ｘ（ｔ）、空間インパルス応答関数ｈ（ｔ）を次式（２）及び次式（３）に示すようにモデル化した。
【００３２】
【数２】
2009139615.tif 000004
【００３３】
【数３】
2009139615.tif 000005
【００３４】
なお、上式（２）及び上式（３）において、ｎ１（ｔ），ｎ２（ｔ）は、搬送波雑音（白色雑音）を示し、ｅｘ（ｔ），ｅｈ（ｔ）は、それぞれ、音源信号ｘ（ｔ）及び空間インパルス応答関数ｈ（ｔ）のエンベロープを示している。ただし、搬送波雑音ｎ１（ｔ），ｎ２（ｔ）は、互いに無相関であり、次式（４）が成立すると仮定する。次式（４）において、＜・＞は、集合平均を表している。
【００３５】
【数４】
2009139615.tif 000006
【００３６】
このモデルから、観測信号ｙ（ｔ）のパワーエンベロープは、次式（５）に示す二乗集合平均によって表される。なお、次式（５）において、＊は、畳み込み演算を示す演算子である。
【００３７】
【数５】
2009139615.tif 000007
【００３８】
すなわち、観測信号ｙ（ｔ）のパワーエンベロープｅｙ（ｔ）２は、音源信号ｘ（ｔ）のパワーエンベロープｅｘ（ｔ）２と空間インパルス応答関数ｈ（ｔ）のパワーエンベロープｅｈ（ｔ）２との畳み込み演算によって記述することができる。以下、このモデルをパワーエンベロープ畳み込みモデルという。
【００３９】
したがって、このようなパワーエンベロープ畳み込みモデルに基づくパワーエンベロープの逆特性を用いれば音源信号を回復することができる。このような逆フィルタリング処理をパワーエンベロープ逆フィルタリング処理という。ここで、上式（５）に示した畳み込み演算には、空間インパルス応答関数ｈ（ｔ）のパワーエンベロープｅｈ（ｔ）２が要素として含まれていることから、音源信号のパワーエンベロープを回復するためには、パワーエンベロープｅｈ（ｔ）を求める必要がある。しかしながら、このパワーエンベロープｅｈ（ｔ）は、一般に、非最小位相特性を有することから、その逆特性を求めるのは困難である。
【００４０】
そこで、本願発明者は、この空間インパルス応答関数ｈ（ｔ）のエンベロープｅｈ（ｔ）を求める方法として、以下の２つの方法を考えた。
【００４１】
まず、本願発明者は、第１の方法として、空間インパルス応答関数ｈ（ｔ）のエンベロープｅｈ（ｔ）を最小位相関数の代表例である指数関数によって近似することを考えた。図２(Ａ)に、ある空間インパルス応答の時間波形の具体例を示す。このように、空間インパルス応答関数ｈ（ｔ）のエンベロープｅｈ（ｔ）は、指数関数に類似した曲線となる。したがって、エンベロープｅｈ（ｔ）は、指数関数によって近似することができるといえる。この場合、エンベロープｅｈ（ｔ）は、残響時間ＴＲを用いて次式（６）に示すように表すことができる。なお、次式（６）において、ａは定数である。
【００４２】
【数６】
2009139615.tif 000008
【００４３】
観測信号ｙ（ｔ）のパワーエンベロープｅｙ（ｔ）２は、上式（５）に示したように、音源信号ｘ（ｔ）のパワーエンベロープと空間インパルス応答関数ｈ（ｔ）のパワーエンベロープとの畳み込み演算によって記述することができる。したがって、空間インパルス応答関数ｈ（ｔ）のパワーエンベロープの逆特性を用いることにより、音源信号のパワーエンベロープを回復することができる。
【００４４】
すなわち、上式（６）から、空間インパルス応答関数ｈ（ｔ）のパワーエンベロープｅｈ（ｔ）２を、次式（７）に示すように指数関数によって近似する。これにより、その逆特性を有するパワーエンベロープ逆フィルタを、残響時間ＴＲのみの情報から求めることができる。
【００４５】
【数７】
2009139615.tif 000009
【００４６】
サンプリング周期をＴｓ［秒］とすると、ｔ＞０のときの上式（７）に対する空間インパルス応答関数ｈ（ｔ）のパワーエンベロープ特性Ｐｈ（ｚ）は、次式（８）のように表すことができる。したがって、音源信号ｘ（ｔ）のパワーエンベロープ特性Ｐｘ（ｚ）は、次式（９）に示すように、観測信号ｙ（ｔ）のパワーエンベロープ特性Ｐｙ（ｚ）と空間インパルス応答関数ｈ（ｔ）のパワーエンベロープ特性Ｐｈ（ｚ）の逆特性１／Ｐｈ（ｚ）との積で表される。なお、パワーエンベロープ特性Ｐｘ（ｚ），Ｐｙ（ｚ）は、それぞれ、パワーエンベロープｅｘ（ｔ）２，ｅｙ（ｔ）２のｚ変換である。
【００４７】
【数８】
2009139615.tif 000010
【００４８】
【数９】
2009139615.tif 000011
【００４９】
パワーエンベロープｅｘ（ｔ）２，ｅｙ（ｔ）２の正の平方根、すなわち、振幅包絡を用いると、復元した音源信号ｘ’（ｔ）は、次式（１０）によって表される。ただし、次式（１０）における右辺のｅｘ（ｔ）は、上式（９）の逆ｚ変換によって求められた回復エンベロープである。また、次式（１０）における右辺のｙ（ｔ）／ｅｙ（ｔ）は、観測信号ｙ（ｔ）の微細構造信号（キャリア）であり、出力信号の振幅包絡を平坦化した信号である。
【００５０】
【数１０】
2009139615.tif 000012
【００５１】
この上式（１０）が、本願発明者が提案する、空間インパルス応答関数ｈ（ｔ）のエンベロープｅｈ（ｔ）を指数関数によって近似する場合のパワーエンベロープ逆フィルタリング処理である。このようなパワーエンベロープ逆フィルタリング処理は、振幅包絡を平坦化した出力信号を、上式（９）によって推定された振幅包絡を用いて変調することに有意性がある処理である。なお、上式（１０）は、連続時間系で説明しているが、実際の計算は、離散時間系で行えばよい。また、パワーエンベロープ逆フィルタリング処理は、フィルタバンクを用いて周波数帯域毎に独立に処理することにより、広帯域信号にも容易に適用することができる。
【００５２】
このように、空間インパルス応答関数ｈ（ｔ）のエンベロープｅｈ（ｔ）を指数関数によって近似する方法は、残響時間ＴＲを測定するのみで、簡易的に残響抑圧を行うことができ、ブラインド残響抑圧に位置付けられる。ここで、図２(Ｂ)に、図２(Ａ)に示した空間インパルス応答の時間波形の最初の０．１秒までを拡大した波形を示す。このように、空間インパルス応答の時間波形は、実際には指数関数ではない。また、図２(Ｃ)に、同じ時間波形の周波数分布を示す。なお、縦軸は対数表記である。指数関数の周波数分布は、縦軸が対数表記であることから平面となるが、図２(Ｃ)から明らかなように、空間インパルス応答は、周波数帯域毎にもかなり異なる。そのため、空間インパルス応答関数ｈ（ｔ）のエンベロープｅｈ（ｔ）を指数関数によって近似する方法では、周波数歪を十分に除去することができないため、その残響抑圧精度に限界がある。
【００５３】
そこで、本願発明者は、空間インパルス応答関数ｈ（ｔ）のエンベロープｅｈ（ｔ）を求める第２の方法として、空間インパルス応答関数ｈ（ｔ）から直接エンベロープｅｈ（ｔ）を抽出し、その最小位相化によって高精度なｅｈ（ｔ）の近似エンベロープを抽出することを試みた。
【００５４】
空間インパルス応答関数ｈ（ｔ）は、一般に最小位相ではないが、そのパワーエンベロープｅｈ（ｔ）２は、略単調な指数関数のように減衰し、最小位相特性に近い。したがって、本願発明者は、推定する音源信号のパワーエンベロープ特性Ｐ’ｘ（ｚ）を、次式（１１）に示すように、観測信号ｙ（ｔ）のパワーエンベロープ特性Ｐｙ（ｚ）と空間インパルス応答関数ｈ（ｔ）のパワーエンベロープ特性Ｐｈ（ｚ）の最小位相逆特性１／Ｐｈｍｉｎ（ｚ）との積で表されると考えた。なお、パワーエンベロープ特性Ｐ’ｘ（ｚ），Ｐｙ（ｚ）は、それぞれ、パワーエンベロープｅ’ｘ（ｔ）２，ｅｙ（ｔ）２の周波数特性とする。
【００５５】
【数１１】
2009139615.tif 000013
【００５６】
パワーエンベロープｅ’ｘ（ｔ）２，ｅｙ（ｔ）２の正の平方根、すなわち、振幅包絡を用いると、復元した音源信号ｘ’（ｔ）は、次式（１２）によって表される。ただし、次式（１２）における右辺のｅ’ｘ（ｔ）は、上式（１１）の逆周波数変換によって求められた回復エンベロープである。また、次式（１２）における右辺のｙ（ｔ）／ｅｙ（ｔ）は、観測信号ｙ（ｔ）の微細構造信号であり、出力信号の振幅包絡を平坦化した信号である。
【００５７】
【数１２】
2009139615.tif 000014
【００５８】
この上式（１２）が、本願発明者が提案する、空間インパルス応答関数ｈ（ｔ）の近似エンベロープを抽出する場合のパワーエンベロープ逆フィルタリング処理である。このようなパワーエンベロープ逆フィルタリング処理も、空間インパルス応答関数ｈ（ｔ）のエンベロープｅｈ（ｔ）を指数関数によって近似する場合と同様に、振幅包絡を平坦化した出力信号を、上式（１１）によって推定された振幅包絡を用いて変調することに有意性がある処理である。なお、上式（１２）は、連続時間系で説明しているが、実際の計算は、離散時間系で行えばよく、また、上式（１１）の伝達関数の最小位相特性は、ケプストラム処理によって求めることができる。また、パワーエンベロープ逆フィルタリング処理も、空間インパルス応答関数ｈ（ｔ）のエンベロープｅｈ（ｔ）を指数関数によって近似する場合と同様に、フィルタバンクを用いて周波数帯域毎に独立に処理することにより、広帯域信号にも容易に適用することができる。
【００５９】
この空間インパルス応答関数ｈ（ｔ）の近似エンベロープを抽出する場合のパワーエンベロープ逆フィルタリング処理は、周波数歪を十分に除去することができるため、エンベロープｅｈ（ｔ）を指数関数によって近似する場合に比べて極めて高精度であり、ｄＢ表記で２倍程度の精度向上を図ることができる。
【００６０】
音響再生装置は、このようなパワーエンベロープ畳み込みモデルに基づくパワーエンベロープ逆フィルタリング処理を利用した音響再生処理を行う。ある空間を再生音場とした場合における従来の逆フィルタリング処理の空間制御誤差を概略的に求めると図３(Ａ)に示すようになる。すなわち、従来の逆フィルタリング処理は、制御点が狭く、決められた観測点以外の場所では、再生音場の影響を逆に強調して歪を顕著に発生してしまうという特徴がある。したがって、従来の逆フィルタリング処理においては、空間の全域を完全に制御するためには、マルチチャンネルスピーカを設置して多点制御を行う必要がある。一方、パワーエンベロープ逆フィルタリング処理の空間制御誤差を概略的に求めると図３(Ｂ)に示すようになる。すなわち、パワーエンベロープ逆フィルタリング処理は、制御点が広く、場所によって再生音場の影響が強調されてしまうことがない。したがって、パワーエンベロープ逆フィルタリング処理は、同空間であれば環境変動や観測者の人数変動に対する耐性や、観測者が移動した場合に対する耐性が高く、少数のスピーカを用いるのみで広い空間を一元的に制御することができる。また、従来の逆フィルタリング処理は、図４(Ａ)に示すように、特定の周波数の音声については時間歪を完全に補正して誤差を極小とすることができるものの、他の周波数については誤差が大きく、周波数による誤差変動も大きい。これに対して、パワーエンベロープ逆フィルタリング処理は、図４(Ｂ)に示すように、広い周波数範囲にわたって誤差が小さく、周波数による誤差変動もない。
【００６１】
以上のように、パワーエンベロープ畳み込みモデルに基づくパワーエンベロープ逆フィルタリング処理は、音源信号と空間インパルス応答関数とをそれぞれ変調雑音モデルを用いて定式化する処理であることから、従来のエンベロープ畳み込みモデルを用いた場合や逆フィルタリング技術に比べて、多くの音が混合した信号に対して高い響きの改善効果がある。また、パワーエンベロープ畳み込みモデルに基づくパワーエンベロープ逆フィルタリング処理は、フィルタバンクを用いて信号を複数の帯域信号に分割して狭帯域化する際に、フィルタバンクの周波数帯域幅を音場に合わせて広くしたとしても、近似精度の低下が生じにくいという利点も有する。特に、再生音場においては、音源からの信号の遅延以外に、音場の大きさや形状等に起因する固有周波数の分布の違いも大きくなることから、処理帯域が狭すぎると波長が短い高周波数領域では観測的における違いが大きくなり、制御できる空間範囲も狭くなる。従来の逆フィルタリング技術は、波長が長い低周波数領域での制御は容易であるものの、波長が短い高周波数領域での制御が困難である。これに対して、フィルタバンクを用いて狭帯域化した信号に対してパワーエンベロープ逆フィルタリング処理を施した場合には、高周波数領域での制御も容易となる。
【００６２】
音響再生装置は、このようなパワーエンベロープ畳み込みモデルに基づくパワーエンベロープ逆フィルタリング処理を利用し、音源信号とともに空間インパルス応答関数に対しても帯域分割を行い、パワーエンベロープの最小位相逆フィルタリング処理を行うことにより、再生音場の影響の低減化を図る。以下、音響再生装置の構成について詳述する。
【００６３】
なお、音響再生装置の処理は、時間領域での信号を処理対象としてもよいが、パワーエンベロープ畳み込みモデルには上式（５）に示したような畳み込み演算が生じるため、これを単なる乗算として扱うために、周波数領域での信号を処理対象とするのが望ましい。したがって、以下では、周波数領域での信号を処理対象とした場合について説明する。なお、時間領域での信号を周波数領域での信号に変換する方法は、例えば高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform；ＦＦＴ）等、任意の周波数変換手法を用いることができる。
【００６４】
［音響再生装置の構成］
図５に示すように、音響再生装置１０は、音源信号Ｘ（ｚ）と、観測者ＯＢが存在する室内等の再生音場の空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）とを入力し、これら音源信号Ｘ（ｚ）及び空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）に対して所定の処理を施すことにより、加工信号Ｘ’（ｚ）を出力するものである。これにより、観測者ＯＢには、観測信号Ｙ（ｚ）が聴取されることになる。なお、音源信号Ｘ（ｚ）、空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）、加工信号Ｘ’（ｚ）、及び観測信号Ｙ（ｚ）は、それぞれ、時間領域での音源信号ｘ（ｔ）、再生音場の空間インパルス応答関数ｈ（ｔ）、加工信号ｘ’（ｔ）、及び観測信号ｙ（ｔ）の周波数表現である。
【００６５】
周波数領域では、観測信号Ｙ（ｚ）は、音源信号Ｘ（ｚ）と空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）とを用いて次式（１３）によって表される。
【００６６】
【数１３】
2009139615.tif 000015
【００６７】
このように、スピーカ１から音源信号Ｘ（ｚ）を出力しても、空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）の影響が現れ、音源信号Ｘ（ｚ）が歪み、観測者ＯＢには正確に聞こえない。そこで、次式（１４）に示すように、スピーカ１から出力される前に音源信号Ｘ（ｚ）を加工して加工信号Ｘ’（ｚ）を生成し、この加工信号Ｘ’（ｚ）をスピーカ１から出力させる。これにより、観測者ＯＢには、上式（１３）及び次式（１４）により、観測信号Ｙ（ｚ）として、正確に音源信号Ｘ（ｚ）を聞かせることができる。
【００６８】
【数１４】
2009139615.tif 000016
【００６９】
音響再生装置１０は、この上式（１４）に示す演算処理を行うものである。空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）は、一般に、非最小位相特性を有することから、逆フィルタ１／Ｈｒｅａｌ（ｚ）を構築することは極めて困難である。そこで、音響再生装置１０は、音源信号Ｘ（ｚ）及び空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）に対してパワーエンベロープ畳み込みモデルに基づくパワーエンベロープ逆フィルタリング処理を施すことにより、逆フィルタ１／Ｈｒｅａｌ（ｚ）の構築を実現するものである。
【００７０】
このような音響再生装置１０は、図６に示すように構成される。すなわち、音響再生装置１０は、入力された音源信号Ｘ（ｚ）を複数の帯域信号に分割して狭帯域化するフィルタバンク１１と、入力された空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）を複数の帯域信号に分割して狭帯域化するフィルタバンク１２と、フィルタバンク１１，１２を通過した周波数帯域毎の音源信号Ｘ（ｚ）及び空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）のそれぞれのエンベロープを抽出するエンベロープ抽出部１３と、エンベロープ抽出部１３によって抽出された周波数帯域毎の空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）のエンベロープを最小位相化する最小位相化部１４と、エンベロープ抽出部１３によって抽出された周波数帯域毎の音源信号Ｘ（ｚ）のエンベロープと最小位相化部１４によって最小位相化された周波数帯域毎の空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）のエンベロープとに基づいてパワーエンベロープ逆フィルタリング処理を行うパワーエンベロープ逆フィルタリング処理部１５と、エンベロープ抽出部１３によって抽出された周波数帯域毎の微細構造信号（キャリア）とパワーエンベロープ逆フィルタリング処理部１５によって処理された周波数帯域毎の回復エンベロープとを乗算する複数の乗算器１６と、この乗算器１６によって乗算されて得られた周波数帯域毎の加工信号Ｘ’（ｚ）を合成するフィルタバンク１７とを備える。
【００７１】
なお、これら各部は、ハードウェアによって実装することができるのは勿論のこと、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算手段として機能するプロセッサによって実行されるソフトウェアとしても実装することができる。以下では、説明の便宜上、ＣＰＵによって実行可能なようにメモリ等に記憶されたソフトウェアとして実装した場合について説明する。
【００７２】
フィルタバンク１１は、所定のインターフェースを介して入力された音源信号Ｘ（ｚ）を所定の周波数帯域幅で複数の帯域信号に分割して狭帯域化する。分割する周波数帯域幅は、音源信号Ｘ（ｚ）の全帯域に応じて可変とすればよいが、例えば、２５０Ｈｚから１ｋＨｚ程度に設定するのが現実的であり、より望ましくは５００Ｈｚ程度に設定するのがよい。また、フィルタバンク１１は、音場制御の精度が要求されない場合には、オクターブ分割とし、広めの周波数帯域幅で複数の帯域信号に分割してもよい。このフィルタバンク１１によって分割された周波数帯域毎の音源信号Ｘ（ｚ）は、それぞれ、メモリ等に記憶された後、エンベロープ抽出部１３によって読み出される。
【００７３】
フィルタバンク１２は、フィルタバンク１１と同一構成であり、所定のインターフェースを介して入力された空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）を所定の周波数帯域幅で複数の帯域信号に分割して狭帯域化する。ここで、空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）としては、特に図示しないマイクロホン等を用いて、例えば再生音場となる室内において観測者ＯＢが手を叩く等して発生した音を収集する等、空間インパルス応答関数を表すような基準音を収集し、その空間インパルス応答関数をそのまま又は周波数領域の信号に変換してメモリ等に記憶しておき、処理の開始とともに、ＣＰＵ等の制御のもとに、メモリ等に記憶しておいた関数を読み出せばよい。いずれにせよ、空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）については、音源信号Ｘ（ｚ）の処理に先立って少なくとも一度だけ処理を行えばよい。このフィルタバンク１２によって分割された周波数帯域毎の空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）は、それぞれ、メモリ等に記憶された後、エンベロープ抽出部１３によって読み出される。
【００７４】
なお、これらフィルタバンク１１，１２は、ともに、広帯域の信号であっても容易に処理を行い、高精度の音場制御を行うことにより、最終的に観測者ＯＢが聴取する音声の臨場感を向上させることを目的として設けられるものである。したがって、音響再生装置１０は、音源信号Ｘ（ｚ）の周波数帯域が狭い場合等、狭帯域化する必要がない場合には、フィルタバンク１１，１２を設ける必要はない。
【００７５】
エンベロープ抽出部１３は、フィルタバンク１１，１２を通過してメモリに記憶された周波数帯域毎の音源信号Ｘ（ｚ）及び空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）を読み出し、これら音源信号Ｘ（ｚ）及び空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）のそれぞれのエンベロープを抽出する。具体的には、エンベロープ抽出部１３は、音源信号Ｘ（ｚ）についてはエンベロープと微細構造信号（キャリア）とに分けて抽出し、空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）についてはエンベロープを抽出する。ここで、エンベロープの抽出は、例えば、ＣＰＵの制御のもとに、各信号のヒルベルト変換後の絶対値信号をとり、それら絶対値信号を所定のカットオフ周波数からなるローパスフィルタに通過させる等の処理によって行うことができる。エンベロープ抽出部１３は、抽出した周波数帯域毎の音源信号Ｘ（ｚ）のエンベロープをパワーエンベロープ逆フィルタリング処理部１５に供給するとともに、そのキャリアを乗算器１６に供給する。また、エンベロープ抽出部１３は、抽出した周波数帯域毎の空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）のエンベロープを、それぞれ、最小位相化部１４に供給する。
【００７６】
最小位相化部１４は、エンベロープ抽出部１３によって抽出された周波数帯域毎の空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）のエンベロープを最小位相化し、近似エンベロープを生成する。具体的には、最小位相化部１４は、空間インパルス応答関数のエンベロープを指数関数によって近似する場合には、上述したように、マイクロホン等を用いて空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）を求める際に残響時間ＴＲをあわせて求めてメモリ等に記憶しておき、ＣＰＵ等の制御のもとに、メモリ等に記憶しておいた残響時間ＴＲを読み出し、上式（６）に示したような指数関数を求めることにより、近似エンベロープを生成することができる。また、最小位相化部１４は、空間インパルス応答関数の近似エンベロープを直接抽出する場合には、上述したように、ケプストラム処理を利用することができる。すなわち、ケプストラムは、信号を最小位相成分と非最小位相成分との積で表したときに、これら最小位相成分のケプストラムと非最小位相成分のケプストラムとの和として表すことができる。そこで、最小位相化部１４は、ＣＰＵ等の制御のもとに、空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）のエンベロープに対してケプストラム処理を施すことにより、空間インパルス応答関数のエンベロープを最小位相成分と非最小位相成分とに分離し、最小位相成分を近似エンベロープとして生成することができる。最小位相化部１４は、生成した周波数帯域毎の空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）の近似エンベロープを、それぞれ、パワーエンベロープ逆フィルタリング処理部１５に供給する。
【００７７】
パワーエンベロープ逆フィルタリング処理部１５は、エンベロープ抽出部１３によって抽出された周波数帯域毎の音源信号Ｘ（ｚ）のエンベロープと、最小位相化部１４によって最小位相化されて生成された周波数帯域毎の空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）の近似エンベロープとに基づいて、パワーエンベロープ逆フィルタリング処理を行う。すなわち、パワーエンベロープ逆フィルタリング処理部１５は、音源信号Ｘ（ｚ）のパワーエンベロープに対して、空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）のパワーエンベロープによる逆フィルタリング処理を行う。具体的には、パワーエンベロープ逆フィルタリング処理部１５は、空間インパルス応答関数のエンベロープを指数関数によって近似する場合には、ＣＰＵの制御のもとに、上式（９）の演算を行い、上式（１０）における右辺の回復エンベロープｅｘ（ｔ）の周波数領域信号を求める。また、パワーエンベロープ逆フィルタリング処理部１５は、空間インパルス応答関数の近似エンベロープを直接抽出する場合には、ＣＰＵの制御のもとに、上式（１１）の演算を行い、上式（１２）における右辺の回復エンベロープｅ’ｘ（ｔ）の周波数領域信号を求める。パワーエンベロープ逆フィルタリング処理部１５は、求めた周波数帯域毎の回復エンベロープを、それぞれ、乗算器１６に供給する。
【００７８】
乗算器１６は、エンベロープ抽出部１３によって抽出された周波数帯域毎の微細構造信号（キャリア）と、パワーエンベロープ逆フィルタリング処理部１５によって求められた周波数帯域毎の回復エンベロープとを乗算する。すなわち、音響再生装置１０は、この乗算器１６により、上式（１０）又は上式（１２）の周波数領域での演算を行い、加工信号Ｘ’（ｚ）を算出する。より換言すれば、音響再生装置１０は、この乗算器１６により、パワーエンベロープ逆フィルタリング処理部１５からの出力と、音源信号Ｘ（ｚ）のキャリアとを合成して上式（１４）に示した演算を行い、加工信号Ｘ’（ｚ）を算出する。この乗算器１６によって乗算されて得られた周波数帯域毎の加工信号Ｘ’（ｚ）は、それぞれ、フィルタバンク１７に供給される。
【００７９】
フィルタバンク１７は、フィルタバンク１１，１２に対応して設けられるものであり、乗算器１６によって乗算されて得られた周波数帯域毎の加工信号Ｘ’（ｚ）を合成する。このフィルタバンク１７によって合成された加工信号Ｘ’（ｚ）は、スピーカ１を介して再生音場となる空間に音響出力され、観測者ＯＢによって聴取されることになる。なお、フィルタバンク１７は、フィルタバンク１１，１２が設けられていない場合には、設ける必要がないことはいうまでもない。
【００８０】
このような各部から構成される音響再生装置１０は、スピーカ１による音響出力前に、音源信号Ｘ（ｚ）のパワーエンベロープに対して、事前にパワーエンベロープ領域で最小位相化された空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）のパワーエンベロープによる逆フィルタリング処理を施すことにより、上式（１４）に示した演算を近似的に実現することができる。このように、音響再生装置１０は、パワーエンベロープ領域で処理を行うことにより、長い残響時間を有する室内や広い制御空間にも対応可能であることから、再生音場に起因する周波数歪と時間歪とを双方とも補正しつつ、従来の逆フィルタリング処理では実現が困難であった広い空間の一元的制御と高臨場感再生とを両立することができる。
【００８１】
［音響再生装置の有効性の検証］
以下、音響再生装置１０の有効性について検証するために行った実験について説明する。
【００８２】
本願発明者は、音響再生装置１０の有効性について検証するために、以下に示す環境を想定したコンピュータシミュレーションを行い、そのシミュレーション結果を実際のホールで音響出力することにより、観測者の評価を得る実験を行った。
【００８３】
実験は、富山県に実在する富山市民プラザホール（客席数３０８席）を実際に音響出力する再生音場とするとともに、同市に実在するオーバードホール（客席数２２００席）を仮想音場とした。以下、富山市民プラザホールを再生音場ホール、オーバードホールを仮想音場ホールというものとする。そして、図７に示すように、音源信号Ｓ（ｚ）に対して仮想音場ホールの空間インパルス応答関数Ｈｉｍａｇ（ｚ）を畳み込んだ仮想音源信号Ｘ（ｚ）を音響再生装置１０の入力として加工信号Ｘ’（ｚ）を再生音場ホールに出力した場合と、仮想音源信号Ｘ（ｚ）をそのまま加工信号Ｘ’（ｚ）として再生音場ホールに出力した場合とについて、仮想音場ホールの響きに補正できるか否かを検証した。すなわち、再生音場ホールにおいて、仮想音場ホールの響きを正確に演出できるか否かを、音響再生装置１０の導入前と導入後とで比較した。音響再生装置１０は、コンピュータシミュレーションとして実装し、コンピュータシミュレーションを行うにあたり、再生音場ホール及び仮想音場ホールのそれぞれの空間インパルス応答を測定した。
【００８４】
評価は、富山大学に在籍する２０代前半の学生５２名を観測者ＯＢとし、音響再生装置１０の導入前と導入後とで、いずれが仮想音場ホールの音に近いかという主観的な感想を、各観測者ＯＢにそれぞれ２回選択してもらい、それをアンケート形式で取得することによって行った。すなわち、回答数は１０４である。音源信号Ｓ（ｚ）としては、ある男性ボーカルが歌唱する伴奏付き音楽信号を用いた。この結果を次表１に示す。
【００８５】
【表１】
2009139615.tif 000017
【００８６】
上表１に示すように、全回答のうち、音響再生装置１０の導入前に比べて導入後の方が仮想音場ホールの音に近いという評価が６５．４％も多いという結果が得られた。このように、音響再生装置１０を導入することにより、再生音場ホールでの再生を想定しているにもかかわらず、仮想音場ホールで聴取したような臨場感を観測者ＯＢに与えることができ、音響再生装置１０はコンサートホール等の広い空間を制御可能であるという有効性が示された。
【００８７】
以上説明したように、音響再生装置１０は、様々な周波数が混合した広域再生音に対して、既存のホールやリスニングルーム等を改築することなく、また、スピーカ毎に個別の制御設定を必要とせずに広い空間を一元的に制御し、響きの改善を図ることができる。また、音響再生装置１０は、スピーカからの音響出力直前に再生音場の影響を事前に取り除くことから、原音により忠実な音響再生システムを提供することができる。
【００８８】
このような音響再生装置１０は、音場での再生技術の基本技術に関わり、音の再生音場の響き自体を本質的に解決するものであり、さらに、少数のスピーカを用いるのみで広い空間を制御できることから、その利用価値は大変大きく、今後の音響再生システムに組み込み可能な代表的な方法を提案するものである。
【００８９】
特に、近年のディジタルハイビジョン対応の薄型大型テレビジョン等に代表される映像再生装置は、地上ディジタル放送の開始や機器の低価格化を反映して急激に広まりつつある。かかる視覚における臨場感は、画面サイズの大型化や高解像度化を図ることによって容易に向上させることができるが、これまでの聴覚的な臨場感は、再生音場の響きの影響に起因して制約されており、音響機器の小型化や配置等の制約が大きいことから改善対策が見過ごされてきた感がある。音響再生装置１０は、音場の機能拡大や音場改善を主な目的として、より高精度の音場制御が可能であるが、この制御技術はコストも安く容易に利用可能であることから、各種映像再生装置に採用されている小型のスピーカにも組み込み型機器として利用して好適であり、既存の音響再生システムに対して臨場感を飛躍的に向上させるものとして期待できる。
【００９０】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施の形態では、空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）の取得方法として、再生音場の空間インパルス応答関数を表すような基準音を収集するものとして説明したが、本発明は、任意の再生音場を模擬した１つ以上の空間インパルス応答関数又は空間伝達関数を予めメモリ等に記憶しておくようにしてもよい。すなわち、音響再生装置１０は、任意の再生音場を模擬した１つ以上の空間インパルス応答関数をそのまま又は周波数領域の信号に変換してメモリ等に記憶しておき、観測者ＯＢ等が所定の操作装置を用いて所望のモードを選択するのに応じて、ＣＰＵ等の制御のもとに、選択されたモードに応じた関数をメモリ等から読み出して用いるようにしてもよい。これにより、本発明においては、所望の仮想音場の響きを演出させたい用途にも高精度に適用することができる。
【００９１】
また、上述した実施の形態では、処理の過程において、空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）のエンベロープを最小位相化するものとして説明したが、空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）については、上述したように、音源信号Ｘ（ｚ）の処理に先立って少なくとも一度だけ処理を行えばよく、また、空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）のエンベロープを最小位相化した近似エンベロープは原則的に再生音場に固有のものとなる。したがって、本発明は、近似エンベロープを指数関数によって近似する場合にも直接抽出する場合のいずれにおいても、最小位相化した近似エンベロープを予めメモリ等に記憶しておき、音源信号Ｘ（ｚ）についての処理の開始とともに、メモリ等に記憶しておいた近似エンベロープを読み出すようにしてもよい。これにより、本発明においては、処理の高速化及び回路規模の削減化を期待できる。ただし、空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）は、再生音場の温湿度等の周囲環境に応じて変化する可能性があるため、精度を高めるには、音源信号Ｘ（ｚ）の処理に先立って少なくとも一度だけ、最小位相化した空間伝達関数Ｈｒｅａｌ（ｚ）の近似エンベロープ求める処理までを行うのが望ましい。
【００９２】
さらに、上述した実施の形態では、主にソフトウェアとして実装した場合について説明したが、本発明は、上述したように、ハードウェアによって実装することができるのは勿論のこと、音響再生アルゴリズムを実装したＤＳＰ（Digital Signal Processor）や、音響再生アルゴリズムをコーディングしてＲＯＭ（Read Only Memory）化した記録媒体等として提供することもできる。
【００９３】
さらにまた、上述した実施の形態では、主に周波数領域での信号を処理対象とした場合について説明したが、本発明は、上述したように、時間領域での信号を処理対象としてもよい。特に、組み込み系のＤＳＰとして本発明にて提案する音響再生アルゴリズムを実装する場合には、時間領域での信号を処理対象とすることができ、信号の周波数変換を行う必要がないことから、処理の高速化を図ることができる。
【００９４】
このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の実施の形態として示す音響再生装置を組み込み可能な対象としての再生音場の構成を概略的に示す図である。
【図２（Ａ）】空間インパルス応答の時間波形の具体例を示す図である。
【図２（Ｂ）】図２(Ａ)に示す空間インパルス応答の時間波形の最初の０．１秒までを拡大した波形を示す図である。
【図２（Ｃ）】図２(Ａ)に示す空間インパルス応答の時間波形の周波数分布を示す図である。
【図３（Ａ）】従来の逆フィルタリング処理において発生する空間制御誤差を概略的に示す図である。
【図３（Ｂ）】パワーエンベロープ逆フィルタリング処理において発生する空間制御誤差を概略的に示す図である。
【図４（Ａ）】従来の逆フィルタリング処理において発生する制御誤差の周波数特性を概略的に示す図である。
【図４（Ｂ）】パワーエンベロープ逆フィルタリング処理において発生する制御誤差の周波数特性を概略的に示す図である。
【図５】本発明の実施の形態として示す音響再生装置を組み込んだ音響再生システムの構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の実施の形態として示す音響再生装置の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の実施の形態として示す音響再生装置の有効性について検証するために行った実験にて想定した音響再生システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００９６】
１  スピーカ
２  マイクロホン
１０  音響再生装置
１１，１２，１７  フィルタバンク
１３  エンベロープ抽出部
１４  最小位相化部
１５  パワーエンベロープ逆フィルタリング処理部
１６  乗算器
【図７】
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【図１】
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【図２（Ａ）】
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【図２（Ｂ）】
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【図２（Ｃ）】
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【図３（Ａ）】
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【図３（Ｂ）】
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【図４（Ａ）】
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【図４（Ｂ）】
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【図５】
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【図６】
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