2010.8.9 聴覚研究会/電気(応用)音響研究会＠東北大学

高次アンビソニクス型音場収録のための121 ch球状マイクロホンアレイの構築

岡本 拓磨†，岩谷 幸雄††，坂本 修一††，鈴木 陽一††† 東北大学 電気通信研究所 / 大学院工学研究科†† 東北大学 電気通信研究所 / 大学院情報科学研究科学

1はじめに：音空間の記録と再現
音空間情報の忠実な記録と再現
高臨場感コミュニーケーションの実現
人間の音空間知覚の解明必要となる技術
音空間の収録ダミーヘッドマイクロホンアレイ(中空，剛球)

ダミーヘッド(高研製 SAMRAI)

球状マイクロホンアレイ(B&K)

ヘッドホン提示スピーカアレイによる提示

音空間の再現，提示
ヘッドホン
スピーカアレイ• 装着感なし• 音の距離感を提示可能

実音場の収録→スピーカアレイでの音場再現に着目

2

境界制御法と方向制御方法の比較(再生系)
境界制御方式
波面合成法(Wave ﬁeld Synthesis: WFS)
境界音場制御(Boundary Surface Control: BoSC)WFS or BoSC

領域全体の制御が可能
再生できる周波数は制御点間隔に依存→制御点を増やすと上限周波数が拡大

方向制御方式Ambisonics，High-order Ambisonics (HOA)
D. H. Cooper et al. 1972

M. A. Poletti 2005
スピーカアレイの中心とその近傍(=スイートスポット:SS)での高精細な音場制御が可能 → 制御点を増やすとSSが拡大

VSoundSourcenp(s)Primary Field

WFS：A. J. Berkhost et al. 1993

SV’n’ p’(s)Ambisonics
再現領域と周波数の関係

S’

Secondary Field

BoSC：S. Ise 1999

Ambisonics

3境界制御法と方向制御方法の比較(収録系)
収録系での比較
領域制御方式
領域境界の音情報を記録
領域境界を巨大なマイクロホンアレイによる収録→大規模な収録システム

17:00〜
DEMO

方向制御方式

157 ch包囲型マイクロホンアレイ(大規模なシステムの例)

再現したいポイントでの音情報を記録
球状マイクロホンアレイによる収録→コンパクトHOAに基づく音空間の収録と再現に注目
再生メリット
スピーカ数が同じ場合，聴取者近傍では領域制御方式よりも高精細な音空間提示収録メリット
収録システムがコンパクト

球状マイクロホンアレイ(コンパクト)4

HOAの基本概念
球面調和関数展開による音空間情報の直交展開
直交展開の例(テイラー展開)
無限回微分可能な任意の関数 f (x)は任意の定数 a に対して以下が成立∞
�
f (n) (a)f � (a)f �� (a)f (n) (a)n2
f (x) =(x − a) = f (a) +(x − a) +(x − a) + · · · +(x − a)n + · · ·n!
1!
2!
n!
n=0
それぞれの成分は互いに直交(orthogonal)
n を増やすほど実際の関数に近づく

球面調和関数展開による音空間情報の直交展開+∞m��
n np(kr, θ, φ) =im jm (kr)Bm
Ym (θ, φ)m=0n=−mnn

音情報を記録を方向 (θ, φ)ごとの球面調和関数 Ym (θ, φ) と展開係数 Bm により直交展開
展開次数 mを増やすほど実際の音場に近づく

0 0
N√m Pm (cos ϕ)n n
Ymn (θ, ϕ) =2Nm
Pm (cos ϕ) cos nθ√n −n2NmPm (cos ϕ) sin nθ

if n = 0,if n > 0,if n < 0,nNm=

�(2m + 1) (m − |n|)!
4π(m + |n|)!

5HOAシステム
HOAシステムの特徴
展開係数の次数を上げるほと実際の音空間に近づく
次数 mの展開係数をエンコード，デ2コードする場合，少なくとも (m + 1)
以上のチャネル数が必要
展開係数により空間情報が記述されるため，収録と再生の系が独立
mHOAnAmbisonics Bm

010
1
2
34-4-3-2-1

234n6

157 chスピーカアレイによるHOAシステム
157 ch包囲型スピーカアレイを用いたHOA型音空間再生システム
世界最高の5次デコードシステムを実装
3つのMADIシステムによる157 ch完全同期再生 (サンプリング周波数48 kHz)

17:00〜DEMO

T. Okamoto et al. Proc. IC-NIDC 2010 (in press)

7目的：高精細HOA型収録装置の構築
高精細HOA型収録装置の必要性
次数の高い再生環境があったとしても収録側の次数が低い場合は高精細な音空間は提示できない
高次の展開係数を得るには，超多チャネルの球状マイクロホンアレイが必要
現状での最高実装チャネルは64 ch

S. Moreau et al. (32 ch) 17:00〜
DEMO
Orange Labs

D. N. Zotkin et al. (64 ch)
University of Maryland

目的
100 chを超えるHOA型収録システムの構築

8高精細HOA収録の条件
HOA型球状マイクロホンアレイに求められる条件
マイクロホンの等密度配置
正20面体以上の完全な等密度配置は実現不可能ではあるが，できるだけ等密度にマイクロホンを配置
2等密度配置でない場合，エンコード行列の条件数が大きくなり，たとえ (m + 1) 個のマイクロホンであっても次数 m までのエンコードは不可能 F. Zotter et al. 2010○：等密度配置：不均一置配置

球の半径マイクロホン数が等しい場合，球の半径がマイクロホン間隔に依存
空間的折り返し歪みが発生せず，広帯域収録のためにはマイクロホン間隔が小さいことが重要
球の半径もできるだけ小さく

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設計方針
超多チャネル球状マイクロホンアレイシステムの実現
既存の球状マイクロホンアレイ
最大チャネル数：64
アナログマイクロホン+A/Dによる収録システム

設計条件
D. N. Zotkin et al. (64 ch)
100 ch以上
半径はできるだけ小さく
University of Maryland→既存のシステムではマイクロホンや配線の大きさから64 chが限界

デジタルElectric Condenser Microphone (ECM)とFPGAによる実現
携帯電話用デジタルECM(KUS5147：ホシデン)→小マイクロホン(4 3 1 mm)
各マイクロホンからのディジタル信号をFPGAボードで制御→配線小規模→大規模A/Dシステム不要

超多チャネルかつ小サイズアレイを実現

10121 ch球状マイクロホンアレイの設計
マイクロホン配置
多面体再分割法による正20面体の分割
各三角形の中点を結び，4つに分割できた頂点を球面まで延長 (20 → 42)
各三角形の重心も球面まで延長 (80)
合計：122 ch→20→20 → 42+ 80

半径3.5 cm
マイクロホン，配線，マイクロホン
制御基盤の大きさから決定
配線口のため底の1 chを使用
空間的折り返し歪み：約8900 Hz以上

3520100ï10ï20

121 ch球状配置の設計

ï35
ï35 ï20
ï10 0 10203535

ï20 ï35
ï10020 1011121 ch球状マイクロホンアレイの性能
エンコード次数の評価
数値的なエンコード次数10次までのエンコード行列が計算可能
2(10+1)= 121→

エンコード行列の条件数による評価
条件数=(最大固有値)/(最小固有値)→逆行列の安定性を評価
20 dB以下なら安定なエンコード可能
M. Noisternig et al. 2010

9次までのエンコードが可能→世界最大次数の実装

動径分布関数とエンコード次数
剛球モデルにおける動径分布関数とエンコード次数の関係→次数を上げるほど高域成分のみの情報となる
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デジタルECMとFPGAボードを用いた実装
121 chレコーディングシステム
LabVIEW(National Instruments)にて制御
121 ch完全同期収録(サンプリング周波数：48 kHz)13

各部位での収録信号状態
1. デジタルECM
48 kHz121 ch64 = 3.072 MHz，4次ΔΣ変調，16 bit相当

2. 内部制御基盤
SerDes通信技術により(1)を時分割シリアルデータに変換
3ペアSerDes伝送• 3.072 MHz 48 = 147.457 bps (1ペア)

3. データ転送ケーブル (最大12 m)
3ペアSerDes伝送=442.368 bps

4. 制御ボード
時分割シリアルデータを多点パラレルデータに復元
FPGAボードに各マイクロホンの入力として転送
サンプリング周波数3.072 MHz，1 bit

5. FPGAボード
Cascaded Integrator Comb (CIC)フィルタによりサンプリング周波数48 kHz，16 bitに変換

6. 制御PC
サンプリング周波数48 kHz，16 bit
データをHDDに記録

121 ch分の※SerDes通信
SERializer/DESerializer通信
14

121 chHOA型レコーディングシステム

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システムの仕様

16まとめと今後の予定
HOA型音空間収録システムの構築
世界最大次数9次を実現する121 ch球状マイクロホンアレイの設計
デジタルECMとFPGAシステムによるリアルタイム収録の実装

今後の予定
マイクロホンシステムのキャリブレーション
Time Stretched Pulse信号測定による伝達関数の測定
球状スピーカアレイによる測定
キャリブレーション方法の検討

実環境音収録による性能評価
音空間再現精度の理論値との比較
既存の実装システムとの比較

球状マイクロホンアレイ＠東北大通研
17:00〜 見学

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