3-Q-31
Windows 上で動作する動的聴覚ディスプレイ∗◎大谷真, 平原達也 (富山県立大学・工学部)

1

はじめにUSBinterface

両耳間レベル差/時間差や周波数特性といった 情 報 を 含 ん だ 頭 部 伝 達 関 数 (Head-RelatedTransfer Function: HRTF)[1] を利用した聴覚ディスプレイが開発されてきた。このようなシステムには、頭部運動に対応できず頭部運動による両耳信号の変化という音源定位の手がかり[2] を提示できない、という問題がある。
そこで、近年、角度/位置センサで受聴者の頭部運動の情報を検出して出力を変化させる動的聴覚ディスプレイが開発されている。最近では、計算機性能の向上により、DSP ハードウェアを用いずにソフトウェア上でも実現されている [3, 4, 5, 6]。
このようなシステムは音響空間の認知メカニズムを解明するためのツールとして有用であり、我々も角度センサを利用した動的聴覚ディスプレイを開発した。本稿では、本システムの構成について述べ、既存のシステムとの比較を行う。

2システム構成

2.1 概要本システムは、PC(OS: Windows XP)、ヘッドフォン、オーディオデバイス、角度センサ、により構成される (Fig. 1)。ヘッドフォン上部 (頭頂部) に取付けられた角度センサ (NEC/TOKIN
MDP-A3U9S) から取得される受聴者頭部の方向情報に基づき、PC 上で HRTF が選択される。音源信号を選択された HRTF に畳み込んで得られる両耳信号がオーディオデバイス (Roland UA101) を経由してヘッドフォンから出力される。
角度センサから取得される方向情報に基づいてHRTF が更新され、受聴者が頭部を回転させた場合でも常に同じ絶対位置に仮想的な音像が提示される。開発は Visual C#で行い 、角度セン
サの出力を取り込むインタフェイス部分は C++で開発した。
2.2 ヘッドトラッキング
本システムで用いた角度センサは、セラミックジャイロ、加速度センサ、地磁気センサ、の組み合わせにより、設置対象の姿勢角を検出する。USBにより PC に接続され、角度情報は 8 ms 毎に更新∗

posture angle(yaw, pitch, roll)PC(Windows)
USB
interface

NEC/TOKIN
MDP-A3U9S
Headphones

binaural signals

Roland UA-101

Fig. 1System configuration

される。なお、角度センサからは yaw/pitch/rollの 3 つの角度が取得されるが、今回のシステム
では yaw 方向の頭部回転のみに対応している。

2.3 音響信号処理
HRTF と音源信号から両耳信号が合成される。
この合成は畳み込みによって実現され、本システムでは overlap-add 法を適用した [7]。DA 変換機に音響信号を出力するオーディオインタフェイ
スとして、Microsoft のマルチメディア拡張 API
DirectSound を用いた。DirectSound では、出力されるべき音響信号は、まずセカンダリバッファに書き込まれ、その後に、プライマリバッファを経由してサウンドデバイスへと出力される。
Fig. 2 に overlap-add 法 [7] を用いた音響信号処理の過程を示す。音源信号がフレーム毎に切り出され、受聴者の姿勢角と音源の絶対位置に基づいて更新される HRTF に畳み込まれる。各フレーム毎に得られる信号は、重複加算された後にセカンダリバッファに書き込まれる。本システ
ムではフレーム長は 513 ポイント (約 12 ms) とした。
2.4

音源信号と HRTF

様々な音源信号と HRTF データベースに容易に対応できるように、両者のデータはプログラムの実行開始後に HDD 上のファイルからメモリに読み込む仕様とした。音源信号として WAVE 形式 (標本化周波数 44.1 kHz, 量子化ビット数 16bit, モノラル) に対応する。
HRTF データベースには HRTF の時間領域表現である HRIR(Head-Related Impulse Response) が含まれている。HRIR のタップ数は 512ポイントとした。データベースには HRIR が一

Dynamic auditory display operating on Windows. by OTANI, Makoto, HIRAHARA, Tatsuya(Toyama Pref. Univ.)

日本音響学会講演論文集−711−

2007年3月

Table 1

DIVA[3]
RTVAS[4]SLAB[5]
Yairi et al’s system[6]Our system

Comparison among representative dynamic auditory displays

OSsensordelay [ms]Unix, LinuxLinuxWindowsLinuxWindows

Ascension Motion StarIntersense IS-900VWT—
Polhemus FASTRAK
NEC/TOKIN MDP-A3U9S

110-160≤76.1 (excluding sensor delay)
12.01
50-60のもある。一方、本システムにおける、センサの角度情報が取り込まれてから音響信号に反映されるまでの処理時間の計測結果は 40-50 ms であった。センサ更新間隔 8 ms 及びセンサ通信遅延を加えたシステム全体の遅延は約 50-60 ms である。
これらの遅延に関しては、DirectSound よりもレイテンシの少ない ASIO の使用、フレーム長の短縮、などにより小さくしていく事が可能である。
また、本システムは、それほどの CPU パワーを必要とせず、IBM ThinkPad (Intel Pentium
M 1.50-GHz) 等の一般的な PC で問題なく動作する。

Fig. 2

Schematic diagram of signal processing

定の水平角度毎に左右 1 セットで保存されている。本システムでは、用意されていない音源位置に対する HRIR が必要になった際に、ソフトウェア内での補間は行わず、事前に補間を施すことによって空間分解能を高くしたデータベース(1 度毎) を用いる事で対応している。この方式では yaw 方向だけでなく roll/pitch 方向の頭部回転に対応する場合や水平面外に仮想音源を配置する際にはデータ量が大きくなってしまう。したがって、そのような場合にはプログラム内で補間を行う仕様に変更する必要がある。現在のシステムでは水平方向の HRIR のみを用意すればよ
いため、HRTF データベースのデータ容量は約1.4 Mbyte と小さくてすむ。
また、HRTF データベースではなく、数値計算と頭部コンピュータモデルに基づいた HRTF 高
速計算システム [8] により計算される HRTF を、TCP/IP 接続により取得し利用する事も可能である。

3

既存のシステムとの比較

Table 1 に、既存の代表的な動的聴覚ディスプ
レイと本システムの主な特徴を示す。既存のシス
テムの中には 10 ms 以下の遅延を実現しているも

日本音響学会講演論文集4

まとめ

本稿では、我々が開発した Windows 上で動作する動的聴覚ディスプレイの概要について述べた。今後は、遅延の短縮などを行いつつ、本システムを利用して頭部運動を考慮した音響空間認知に関する検討を行っていく予定である。

参考文献[1] J. Blauert, Spatial Hearing (The MITPress, London, 1997).
[2] H. Wallach, J. Acoust. Soc. Am., 10, 270274 (1939).
[3] T. Lokki, Doctoral dissertaion in Helsinki
University of Technology, (2002).
[4] J.W. Scarpaci et al, in Proc. 11th Intl.
Conf. on Auditory Display, July (2005).
[5] E.M. Wenzel et al, Audio Engineering Society 108th Convention, Pre-print, 5140
(2002).
[6] 矢入 他, 日本バーチャルリアリティ学会論文誌, 11(3), 437-446 (2006).
[7] A.V. Oppenheim et al, Discrete-time
Signal Processing (Prentice-Hall International, London, 1989).
[8] M. Otani et al, J. Acoust. Soc. Am.,
119(5), 2589-2598 (2006).

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2007年3月