JP3258195B2

JP3258195B2 - 音像定位制御装置

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Publication number: JP3258195B2
Application number: JP06776595A
Authority: JP
Inventors: 正幸中沢
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1995-03-27
Filing date: 1995-03-27
Publication date: 2002-02-18
Anticipated expiration: 2017-02-18
Also published as: JPH08265900A; US5715317A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、音像定位制御装置に関
し、詳細には、位置センサから得られた聴取者の頭３次
元上の位置・方向情報を元に、頭部音響伝達関数を算出
し、モノラル音源とその頭部音響伝達関教を畳み込みす
ることで、任意の位置に音像を定位させる音像定位制御
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、３次元の音像の定位制御を行うた
めには、音源からの音波が人の両耳（鼓膜）に到達する
経路を考え、壁の反射、回折、散乱等の伝達経路と、頭
部音響伝達関数とよばれる頭部や耳介による反射、回
折、共振等の伝達経路についての考察が必要であり、現
在このような研究が各方面で盛んに行われている。この
頭部音響伝達関数を用いて音像を頭外定位させるという
理論については昔から数多くの文献が発表されており、
すでに著名な文献として鹿島出版発行のブラウェルト、
森本、後藤らの「空間音響」がある。この理論自体は３
０年程前に論文発表された内容であり、既に多くの人が
知るところとなっている。現在では、この理論を用いて
数多くの特許が申請されている。

【０００３】例えば、特開平５−２５２５９８号公報に
開示されている頭外定位へッドホン受聴装置は、両耳へ
ッドホンと音像定位フィルタを用いて頭外に音像を定位
させる。この方法は個人毎に空間レスポンス（頭部音響
伝達関数：ＨＲＴＦ）、実耳へッドフォンレスポンス情
報を測定することなしに、あらかじめ用意されている空
間レスポンスおよび、逆へッドフォンレスポンスから、
十分な頭外感、方向感を得られるようにすることに主眼
をおいている。

【０００４】以下、頭外定位へッドホン受聴装置を図１
３を用いて説明する。

【０００５】頭外定位へッドホン受聴装置は、音源から
のアナログ信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部３０１
と、音源を記憶しておく音源記憶部３０４とを具備して
おり、Ａ／Ｄ変換部３０１と音源記憶部３０４とには、
そられの内の何れかを選択する切り替えスイッチ３０７
が接続されている。切り替えスイッチ３０７には空間の
伝達特性を模擬する音像定位フィルタを構成する畳み込
み演算部３０２が接続されており、畳み込み演算部３０
２には、フィルタ係数を設定するデータを予め少数の典
型的なフィルタ係数のセットとして記憶する空間インパ
ルスレスポンス記憶部３０５と、ヘッドホン逆インパル
スレスポンス記憶部３０６と、畳み込み演算部３０２の
出力をＤ／Ａ変換するＤ／Ａ変換部３０３が接続されて
いる。なお、畳み込み演算部３０２は、右耳用畳み込み
演算部３０２Ｒと左耳用畳み込み演算部３０２Ｌとから
構成されている。

【０００６】次に、この従来例の動作について説明す
る。

【０００７】空間インパルスレスポンス記憶部３０５
と、ヘッドホン逆インパルスレスポンス記憶部３０６の
データべースを用いて、特定利用者に最適な音像定位フ
ィルタが選択、生成される。これにより、利用者毎のレ
スポンス測定なしに、受聴者に十分な頭外感、方向定位
感が得られるようにし得る。

【０００８】また、特開平５−３００５９９号公報に開
示されている音響装置では、演算によって任意の角度の
バイノーラル化が行われ、計測の手数や記憶のためのメ
モリの容量を削減する方法について述べられている。こ
の任意の角度のバイノーラル化は水平面に関するもので
ある。

【０００９】以下、図１４を参照しながら特開平５−３
００５９９号公報に開示されている音響装置について説
明する。

【００１０】音響装置は、所定の角度間隔毎の複数の角
度で計測された、それぞれ左及び右の頭部音響伝達関数
を記憶したメモリ４０１を具備しており、メモリ４０１
には、制御回路４０２及びレジスタ４０２１Ｌ、４０２
２Ｌ、４０２１Ｒ、２４０２２Ｒが接続されている。そ
して、レジスタ４０２１Ｌ、４０２２Ｌ、４０２１Ｒ、
４０２２Ｒには、内挿・補間の演算を行う演算回路４０
３Ｌ、４０３Ｒが接続されており、演算回路４０３Ｌ、
４０３Ｒには、演算によって算出された頭部音響伝達関
数をモノラル音源４０５からの信号に重畳する重畳回路
４０４Ｌ、４０４Ｒが接続されており、重畳回路４０４
Ｌ、４０４Ｒにはヘッドホン４０６Ｌ、４０６Ｒが接続
されている。

【００１１】次に、この従来例の動作について説明す
る。

【００１２】制御回路４０２からの信号が、所定の角度
間隔毎の複数の角度で計測された左および右の頭部音響
伝達関数を記憶したメモリ４０１に供給され、音像を定
位させたい任意の角度を挟んだ所定の角度の伝達関数が
読み出される。このメモリ４０１から読み出された伝達
関数がそれぞれレジスタ４０２１Ｌ、４０２２Ｌ、４０
２１Ｒ、４０２２Ｒに書き込まれ、これらのレジスタか
らの信号がそれぞれ内挿・補間の演算回路４０３Ｌ、４
０３Ｒに供給される。また、制御回路４０２からの内挿
・補間の比率を制御する信号が演算回路４０３Ｌ、４０
３Ｒに供給され、この比率に従って演算が行われる。こ
れによって算出された頭部音響伝達関数が重畳回路４０
４Ｌ、４０４Ｒに供給され、モノラル信号源４０５から
の信号に重畳されて、左および右のへッドフォン４０６
Ｌ、４０６Ｒに供給される。

【００１３】また、特開平６−９８４００号公報に開示
されている音像定位装置は、音像の定位位置を前方に設
定した場合と後方に設定した場合とで音像の定位感の差
を明瞭にすることが可能な音像定位装置である。音像位
置操作器は、方向ダイヤル及び距離スライダを備え、二
つの音響信号の時間差・振幅差・位相差を制御すること
で、任意の位置に音像を定位させている。図１５におけ
る音像位置操作器５０９の方向ダイヤル５０９ａおよび
距離スライダ５０９ｂを操作することにより、音声の音
像定位位置が決定されると、音像位置操作器５０９から
出力される角度信号θおよび距離信号Ｄに基づいて制御
パラメータ生成器５１０から、遅延時間制御を行う信号
Ｔｌ及びＴｒと、振幅制御を行う信号Ｃｌ及びＣｒと、
前方／後方の音像定位位置を切替える信号Ｆ／Ｂとが出
力される。これらの各種制御信号に基づいて、入力オー
ディォ信号ＡＳＬには、遅延器５０１及び乗算器５０３
によって所定の時間遅延差および振幅差が与えられ、ヘ
ッドホンアンプ５０５からヘッドホン５０６に信号が出
力される。後方の音像定位を得る場合には、信号Ｆ／Ｂ
に応答してインバ−タ５０７により一方のチャンネルの
位相が反転され、遅延器５０２及び乗算器５０４を通し
てヘッドホンアンプ５０５からヘッドホン５０６に信号
が出力される。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
５−２５２５９８号公報に開示されている頭外定位へッ
ドホン受聴装置では、予め用意されている空間レスポン
ス及び逆ヘッドホンレスポンスから、十分な頭外感、方
向感を得られるようにすることに主眼をおいているた
め、任意の位置といった、より限定した範囲および、連
続的に位置を変化させる手段、畳み込み演算時間の削減
方法について論じてはいない。

【００１５】また、特開平５−３００５９９号公報に開
示されている音響装置は、任意の角度のバイノーラル化
は水平面内のものであり、空間上の任意の位置について
は述べられていない。また、計測の手数や記憶のための
メモリの容量を削減することについては論じているが、
畳み込みの演算時間の削減方法については述べられてい
ない。

【００１６】更に、特開平６−９８４００号公報に開示
されている音像定位装置は、時間差・振幅差・位相差を
別々に与える方法をとっているが、同様に畳み込みの演
算時間の削減方法については述べられていない。音像定
位装置を実現するには、使用メモリの削減はもちろん重
要ではあるが、畳み込みの演算時間の問題がより大き
く、ハードウェア設計等に関係する。したがって、いか
に次数の削減を行い、畳み込みの演算時間の削減を行う
かがより現実的な問題となる。

【００１７】本発明は、上記のような課題を解消するた
めになされたもので、畳み込みの演算時間を削減し、３
次元空間の頭部音響伝達関数の補間推定に距離減衰を加
えることで、任意の位置に音像を定位させ、かつその定
位をリアルタイムに制御し得る音像定位装置を提供する
ことを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、前述の
目的は、モノラル音源の信号を入力して３次元の任意の
位置に音像定位するステレオ信号を出力する音像定位制
御装置において、聴取者の頭の位置及び方向を３次元で
計測する計測手段と、計測された前記頭の方向に対応す
る頭部音響伝達関数を近似するデジタルフィルタを求め
るデジタルフィルタ演算手段と、計測された前記頭の位
置に基づいて音圧減衰量を算出して前記デジタルフィル
タの係数の補正を行うデジタルフィルタ補正手段と、前
記音源のデータと前記デジタルフィルタとを畳み込み処
理する畳み込み演算手段とを備える音像定位制御装置で
あって、前記畳み込み手段はリングバッファ手段を備え
ることを特徴とする請求項１に記載の音像定位制御装置
によって達成される。

【００１９】本発明によれば、前述の目的は、モノラル
音源の信号を入力して３次元の任意の位置に音像定位す
るステレオ信号を出力する音像定位制御装置において、
聴取者の頭の位置及び方向を３次元で計測する計測手段
と、計測された前記頭の方向に対応する頭部音響伝達関
数を近似するデジタルフィルタを求めるデジタルフィル
タ演算手段と、計測された前記頭の位置に基づいて音圧
減衰量を算出して前記デジタルフィルタの係数の補正を
行うデジタルフィルタ補正手段と、前記音源のデータと
前記デジタルフィルタとを畳み込み処理する畳み込み演
算手段とを備える音像定位制御装置であって、前記デジ
タルフィルタ演算手段は、ＩＩＲ型デジタルフィルタの
係数又は頭部音響伝達関数のインパルス応答を各方向毎
に複数格納したテーブルを備える、頭部音響伝達関数を
近似するＩＩＲ型デジタルフィルタのＡＲＭＡパラメー
タ演算手段と、近似された頭部音響伝達関数を任意の方
向に補間する伝達関数補間手段と、補間された頭部音響
伝達関数の左右の耳に対する音量バランスの調整を行う
シグナルパワー補正手段とを備えることを特徴とする請
求項２に記載の音像定位制御装置によって達成される。

【００２０】本発明によれば、前述の目的は、前記伝達
関数補間手段は、前記テーブルに格納されている４つの
デジタルフィルタから補間を行うことを特徴とする請求
項３に記載の音像定位制御装置によって達成される。

【００２１】本発明によれば、前述の目的は、モノラル
音源の信号を入力して３次元の任意の位置に音像定位す
るステレオ信号を出力する音像定位制御装置において、
聴取者の頭の位置及び方向を３次元で計測する計測手段
と、計測された前記頭の方向に対応する頭部音響伝達関
数を近似するデジタルフィルタを求めるデジタルフィル
タ演算手段と、計測された前記頭の位置に基づいて音圧
減衰量を算出して前記デジタルフィルタの係数の補正を
行うデジタルフィルタ補正手段と、前記音源のデータと
前記デジタルフィルタとを畳み込み処理する畳み込み演
算手段とを備える音像定位制御装置であって、前記デジ
タルフィルタ演算手段は、頭部音響伝達関数を近似する
ＩＩＲ型デジタルフィルタのＡＲＭＡパラメータ演算手
段と、近似された頭部音響伝達関数を任意の方向に補間
する伝達関数補間手段と、補間された頭部音響伝達関数
の左右の耳に対する音量バランスの調整を行うシグナル
パワー補正手段とを備え、前記シグナルパワー補間手段
は、左右の耳へのＩＩＲ型デジタルフィルタの出力のシ
グナルパワーを演算するシグナルパワー演算手段と、左
右の耳への出力の音量バランスの調整を行うシグナルパ
ワー調整手段とを備えることを特徴とする請求項４に記
載の音像定位制御装置によって達成される。

【００２２】

【００２３】

【００２４】

【００２５】

【００２６】

【作用】請求項１に記載の音像定位制御装置において
は、計測手段により聴取者の頭の位置及び方向が３次元
で計測され、デジタルフィルタ演算手段により頭の方向
に対応する頭部音響伝達関数を近似したデジタルフィル
タが求められ、デジタルフィルタ補正手段により頭の位
置に基づいて音圧減衰量が算出されて前記デジタルフィ
ルタの係数が補正され、畳み込み演算手段により音源の
データとデジタルフィルタとが畳み込み処理される。こ
こで、リングバッファ手段が畳み込み処理を行う際に使
用される。これにより、聴取者の頭の位置及び方向に応
じて３次元空間の任意の位置に音像を定位させるように
制御することが可能となる。また、畳み込み処理におけ
るワークメモリ処理が軽減され、処理速度の向上が計れ
る。

【００２７】請求項２に記載の音像定位制御装置におい
ては、ＩＩＲ型デジタルフィルタのＡＲＭＡパラメータ
演算手段により頭部音響伝達関数がデジタルフィルタに
よって近似され、伝達関数補間手段により、更に前記デ
ジタルフィルタは任意の方向に補間され、シグナルパワ
ー補正手段により補間された頭部音響伝達関数の左右の
耳に対する音量バランスの調整が行われる。ここで、テ
ーブルにＩＩＲ型デジタルフィルタの係数または、頭部
音響伝達関数のインパルス応答が各方向別に複数格納さ
れる。頭部音響伝達関数を近似するのにＩＩＲ型を用い
ることにより、フィルタの次数を低減することが可能と
なり、演算時間を短縮し得る。従って、ハードウエアの
コストを削減すること、及びサンプリングレートを高く
設定して音像を制御する周波数帯域を広げることが可能
となる。

【００２８】請求項３に記載の音像定位制御装置におい
ては、伝達関数補間手段によりＩＩＲ型デジタルフィル
タの係数又は頭部音響伝達関数のインパルス応答が各方
向別に複数格納されているテーブルの４つのデジタルフ
ィルタから補間が行われる。これにより、３次元空間に
おける頭部音響伝達関数を効率的に補間し得る。

【００２９】請求項４に記載の音像定位制御装置におい
ては、シグナルパワー演算手段により左右の耳のＩＩＲ
型デジタルフィルタの出力のシグナルパワーが演算さ
れ、シグナルパワー調整手段により左右の耳への出力の
音量バランスの調整が行われる。これにより、聴取者の
頭の方向に応じて３次元空間の任意の位置に音像を定位
させるよう制御することが可能となる。

【００３０】

【００３１】

【００３２】

【００３３】

【００３４】

【実施例】以下、本発明の音像定位制御装置の実施例を
図を参照しながら説明する。なお、特に指定がない限
り、デジタルフィルタは、ＩＩＲデジタルフィルタを示
すものとする。

【００３５】本実施例の音像定位制御装置は、図１に示
すように、３次元上の頭の位置・方向を計測する計測手
段としての位置センサ１１と、頭の位置・方向に対応し
た頭部音響伝達関数の演算・補間を行うデジタルフィル
タ演算手段、及び音源と頭との距離に比例した音圧減衰
量の算出・補正を行うデジタルフィルタ補正手段として
のマイクロ・プロセッサ１２と、デジタルフィルタの次
数と頭部音響伝達関数の近似誤差について考慮されたデ
ジタルフィルタ及びモノラル音源を畳み込み処理する畳
み込み演算手段としての畳み込みプロセッサ１３とを具
備している。

【００３６】位置センサ１１は、授聴者の頭の位置を基
準とした音源の相対位置・方向を検出するもので、磁界
効果または電波や音波の到達時間の遅れを利用した位置
検出方法が用いられている。そのため、位置センサ１１
は、センサ受け部１１１と、センサ発信部１１２と、外
部との通信を行うためのシリアルポート１１３と、通信
を行うと共にセンサ情報を位置情報に変換するプロセッ
サ１１４と、通信プロトコル、センサ補正情報及びセン
サ初期化パラメータを格納するためのＲＡＭ１１５及び
ＲＯＭ１１６とを備えている。

【００３７】マイクロプロセッサ１２は、ＲＡＭ１２１
とＲＯＭ１２２とに格納された制御プログラムを元にプ
ロセッサ１２３の制御で動作し、音源の位置・方向情報
を得るために必要な種々の命令をシリアルポート１２４
に送信する。また、得られた位置情報から、その得られ
た位置に音像を定位させることのできるデジタルフィル
タを演算し、ＢＵＳ１２５に対してデジタルフィルタの
係数など定位に必要な情報を送信する。そして、位置情
報やデジタルフィルタ係数などをディスプレイ１２６を
通して視覚的に表示することができる。

【００３８】畳み込みプロセッサ１３は、ライン・イン
１３１からのモノラル信号とＲＡＭ１３６内に格納され
ているデジタルフィルタとをプロセッサ１３５により畳
み込み演算し、ライン・アウト１３２へステレオ出力す
るものである。この畳み込みプロセッサ１３は、ＲＯＭ
１３３に格納されている情報により初期化を行った後、
ＢＵＳ１３４からデジタルフィルタ係数など定位に必要
な情報を受け取る。その情報は、プロセッサ１３５を制
御する制御プログラムと共にＲＡＭ１３６に格納され
る。一定の処理間隔毎にマイクロ・プロセッサ１２に対
して位置・方向が変更されたかどうかの問い合わせを行
い、位置・方向が変更された場合には、新たなデジタル
フィルタ係数など定位に必要な情報を送るよう指示す
る。位置・方向が変更されていない場合には、引き続い
て畳み込み処理を行う。ライン・イン１３１から入力さ
れたモノラル信号は、Ａ−Ｄ／Ｄ−Ａ１３８でデジタル
及びアナログ変換された後、シリアルポート１３７を通
して、プロセッサ１３５に入力される。

【００３９】図３及び図４は、マイクロ・プロセッサ１
２で使用される各方向別に複数格納された頭部音響伝達
関数のテーブルまたはデジタルフィルタ係数テーブルの
フォーマットである。図３は、ＩＩＲ型デジタルフィル
タの係数を格納するフォーマットであり、図４は、頭部
音響伝達関数のインパルス応答を格納するフォーマット
である。図３のフォーマットは、ＭＡおよびＡＲ係数の
２種類を格納するのに対し、図４のフォーマットは、イ
ンパルス応答のサンプル値そのものを格納するという違
いがある。３次元空間をサポートするために、水平方向
（Ａｚｉｍｕｔｈ）、垂直方向（Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ）
のデータおよびその次数を格納している。最初の項の増
幅率（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）は、畳み込みプロセッサの
制約によるもので、係数の絶対値の範囲が、０〜１に限
られるためである。この制約がなければ、必要のないも
のである。サンプルレートは、格納されているデータの
サンプリング間隔を示している。本実施例では、どちら
もサンプルレート４４．１ＫＨｚに対する値である。

【００４０】次に、本実施例の動作を図２のフローチャ
ートに沿って説明する。

【００４１】最初に位置センサ１１の動作を図２の右側
のフローチャートに沿って説明する。

【００４２】位置センサ１１では、センサ受け部１１
１、センサ発信部１１２の装置自体のハード初期化が行
われた後（Ｓ２３１）、マイクロ・プロセッサ１２から
の初期化情報が得られて、３次元上の空間の位置がセン
チメートルまたはインチで算出するかのソフト処理の初
期化が行われる（Ｓ２３２）。そのあと、センサにより
センシングされ、位置・方向情報の演算が行われる（Ｓ
２３３）。次に、マイクロ・プロセッサ１２から送られ
る位置・方向情報の送信のリクエスト信号の判断が行わ
れ（Ｓ２３４）、リクエスト信号がきた場合には、位置
情報及び傾き情報として、Ｘ座標、Ｙ座標、Ｚ座標、Ｙ
ａｗ、Ｐｉｔｃｈ、Ｒｏ１ｅの各情報がシリアルポート
１１３に対して送信され、マイクロ・プロセッサ１２に
送られる（Ｓ２３５）。

【００４３】次に、マイクロ・プロセッサ１２の動作を
図２の中央のフローチャートを用いて具体的に説明す
る。

【００４４】マイクロ・プロセッサ１２では、まず最初
に各方向別に複数格納された頭部伝達関教のテーブルま
たはデジタルフィルタ係数テーブルが読み込まれる（Ｓ
２２１）。そのあと、畳み込みプロセッサ１３の制御プ
ログラムがＢＵＳ１３４を通して畳み込みプロセッサ１
３に送られる（Ｓ２２２）。そして、テーブルに格納さ
れている、サンプルレート、チャンネル数、アジマス
数、エレベーション数、デジタルフィルタのタップ数、
デジタルフィルタ係数のメモリ確保領域数がマイクロ・
プロセッサに送信される（Ｓ２２３）。マイクロ・プロ
セッサ１２では、そのあと位置センサ１１の初期化信号
がシリアルポート１２４に対して送られ（Ｓ２２４）、
位置センサ１１が初期化された後、再びシリアルポート
１２４に対して、位置・方向情報取得のリクエスト信号
が送られ、同じシリアルポート１２４から位置・方向情
報が得られ、センサ受け部１１１とセンサ発信部１１２
の相対的な距離情報が算出される（Ｓ２２５）。通常、
このセンサ受け部１１１により、受聴者の頭の位置が示
され、センサ発信部１１２により、音源の位置が示され
る。この位置・方向情報を初めて取得した場合には、次
のステップの位置・方向および距離が変わったかどうか
を判断するステップにより無条件に変更があったと判断
され（Ｓ２２６）、このあと、デジタルフィルタ係数、
時間遅れ係数の送信開始の合図である係数転送開始フラ
グが畳み込みプロセッサ１３に送信される（Ｓ２２
７）。

【００４５】そして、後述する図５の頭部音響伝達関数
の補間処理、図７のデジタルフィルタ演算処理に従いデ
ジタルフィルタの演算が行われ（Ｓ２２８）、ＢＵＳ１
２５を通して、デジタルフィルタ数、時間遅れ係数が畳
み込みプロセッサ１３に送信される（Ｓ２２９）。位置
・傾き情報の取得が初めてでない場合には、次のステッ
プで位置・方向および距離が変わったかどうかを判断し
（Ｓ２２６）、変わった場合には、図５、図７の手順で
デジタルフィルタの演算が行われ、畳み込みプロセッサ
１３へ送信される。変わっていない場合には、再び、位
置・方向情報の取得と距離情報の算出が行われる（Ｓ２
２５）。位置・傾き情報の取得が初めての場合は、位置
・方向が変わったと無条件に判断し、上記ステップで処
理を行う。

【００４６】デジタルフィルタの係数が送信される際
に、その係数が整数型である場合と、固定少数点もしく
は浮動少数点型である場合とで、処理が余分に必要にな
る場合がある。これは、マイクロ・プロセッサ１２での
メモリにおける数値フォーマットの表現方法と畳み込み
プロセッサ１３でのメモリにおける数値フォーマットの
表現方法の違いに依存する。この主な理由は、畳み込み
プロセッサ側で高速演算のためから標準的なフォーマッ
トであるＩＥＥＥフォーマットとは異なった形式をとる
ことがあるためである。このフォーマットの変換は、畳
み込みプロセッサ１３に送信される前にマイクロ・プロ
セッサ側で行うか、マイクロ・プロセッサ１２側では何
もせずに、畳み込みプロセッサ１３側で受け取ってから
行うかの２つの方法があり、マイクロ・プロセッサ１２
と畳み込みプロセッサ１３の処理速度およびメモリ量の
トレードオフから決定される。本実施例の音場制御装置
では、マイクロ・プセッサ１２側で行っている（Ｓ２２
９）。

【００４７】次に畳み込みプロセッサ１３の動作を図２
の左側のフローチャートを用いて具体的に説明する。

【００４８】畳み込みプロセッサ１３では、まず最初に
マイクロ・プロセッサ１２からＢＵＳ１３４を通して送
信されてくる制御プログラムの受信が行われる（Ｓ２１
１）。そのあと、同様にＢＵＳ１３４を通して送信され
てくるサンプルレート、チャンネル数、アジマス数、エ
レべーション数、デジタルフィルタのタップ数（デジタ
ルフィルタの次数と同じ）、デジタルフィルタ係数のメ
モリ確保領域数が受信される（Ｓ２１２）。そして、デ
ジタルフィルタ用のメモリが確保されたあと、モノラル
音響信号入力用のライン・イン１３１のデバイスおよ
び、畳み込み処理をしたあとのステレオ音響信号出力用
のライン・アウト１３２がオープンされる（Ｓ２１
３）。次に、マイクロ・プロセッサ１２からのデジタル
フィルタの係数転送開始フラグの受信が行われ（Ｓ２１
４）、係数の受信が行われるかどうかの判断が行われる
（Ｓ２１５）。デジタルフィルタ係数および時間遅れ係
数がマイクロ・プロセッサ１２からＢＵＳ１３４を通し
て送信されてくる場合には、その係数の受信が行われ
（Ｓ２１６）、ＲＡＭ１３６に格納される。そのあと
は、モノラルの音響信号がライン・イン１３１から読み
込まれ（Ｓ２１７）、図８に示される畳み込み演算フロ
ーに従い、デジタルフィルタと畳み込み演算が行われた
あと（Ｓ２１８）、ステレオの音響信号がライン・アウ
ト１３２に出力される（Ｓ２１９）。係数の受信を行わ
ない場合には、デジタルフィルタ係数および時間遅れ係
数が受信されず、直ちにモノラル音響信号とデジタルフ
ィルタの畳み込み演算が行われる（Ｓ２１８）。

【００４９】ここでの畳み込み演算処理では、リングバ
ッファを用いることで畳み込み演算処理の軽減を図って
いる。図８にそのフローチャートを示す（下記で詳しく
説明する）。以下の式に示す畳み込み演算式およびその
ブロック図９の性質上、畳み込み演算後の過去の出力結
果を必要とするため、過去の出力結果用のメモリを使用
する。

【００５０】

【数１】

【００５１】ここでＺは、Ｚ変換を示し、その累乗はサ
ンプリングの遅れを示している。図９のＨ（ｚ）は、伝
達関数であり、Ｙ（ｎ）は、出力ｙ（ｎ）に対するＺ変
換を、Ｘ（ｎ）は、入力ｘ（ｎ）に対するＺ変換を示し
ている。ａおよびｂはデジタルフィルタの係数を示す。
そしてその過去の出力結果は、次々に更新されるため、
参照位置も追加更新と同時に変更される。通常このワー
クメモリは、図１０に示されるような線形な型のもので
あるため、１つの出力結果を得たあとは、ワークメモリ
の内容を１つずつずらすという処理が必要となる。本実
施例の音像定位制御装置の畳み込み演算処理では、図１
０に示されるような線形な型のワークメモリではなく、
図１１に示されるようなリング形式のものを使用する。
こうすることで、メモリの内容を１つずつずらすという
処理は不要となり、参照位置をずらすだけになり、制御
プログラムのステップ数が減ると同時に、処理速度の向
上も図れる。ここでも同様に、Ｚは、Ｚ変換を示し、そ
の累乗はサンプリング（ここでは出力結果）の遅れを示
している。

【００５２】次に、３次元空間における任意方向の頭部
音響伝達関数の推定方法について図５のフローチャート
および図６の補間の概念図を用いて説明する。

【００５３】図６のＴ（ａ，ｅ）は、アジマスａ、エレ
ベーションｂにおける伝達関数を示しており、Ｔ（ａ，
ｅ）、Ｔ（ａ，ｅ＋１）、Ｔ（ａ＋１，ｅ）、Ｔ（ａ＋
１，ｅ＋１）は既知であり、デジタルフィルタテーブル
からの演算または頭部音響伝達関数テーブルより与えら
れる。今、求めたい位置の頭部伝達関数を図中央の、Ｘ
軸方向ｐ対ｑ、Ｙ軸方向ｍ対ｎの比率で分割される位置
とした場合、その位置の頭部音響伝達関数Ｔ｛ａ＋p/(p
+q)，ｅ＋n/(m+n)｝は、比率による補間で、以下の式で
求められる。

【００５４】これを３次元空間に拡張するには、３次元
上の３つの平面（ｘ，ｙ，ｚ座標では、ｘ−ｙ，ｙ−
ｚ，ｘ−ｚ平面）での補間を行えばよい。従って、基準
座標となる１つの点を加えて、合計４点（４つの頭部音
響伝達関数）から補間を行えばよい。

【００５５】

【数２】

【００５６】次に、頭部音響伝達関数の補間方法につい
て図５のフローチャートに従って説明する。

【００５７】音響伝達関数テーブルが、デジタルフィル
タの係数として与えられている場合は、インパルスとの
畳み込み演算が行われてインパルス応答が算出されるフ
ローが必要となるが（Ｓ５０１）、あとの処理はインパ
ルス応答が与えられている場合と同様の処理になる。求
めたい方向に隣接される３つのインパルス応答Ａ、Ｂ、
Ｃが選択される（Ｓ５０２）。そのインパルス応答に対
して、時間遅れを取り除いたものが算出される（Ｓ５０
３）。すなわち、それぞれのチャンネルの信号の立上り
は時間軸上でゼロから始まり、立上りの時間差はなくな
る。次にそれぞれのシグナルパワーが算出される（Ｓ５
０４）。算出には次の式が用いられる。なお、ここでＮ
は、インパルス応答のサンプル数であり、Ｘは、インパ
ルス応答の係数である。

【００５８】

【数３】

【００５９】次に、比率に応じてインパルス応答および
シグナルパワーの配分が行われ、求めたい方向のインパ
ルス応答とシグナルパワーが３つのインパルス応答から
求められる（Ｓ５０５）。そのあと、求められたインパ
ルス応答に対してシグナルパワーの調整が行われた後
（Ｓ５０６）、ＡＲＭＡモデルによるＩＩＲフィルタの
推定が行われる（Ｓ５０７）。

【００６０】このＡＲＭＡモデルによるＩＩＲデジタル
フィルタの演算方法については、図７のフローチャート
を用いて具体的に説明する。このフローでは、ＡＲモデ
ルを基本としてＡＲＭＡモデルの算出が行われるが、Ａ
Ｒモデルのデジタルフィルタ係数の求め方については、
倍風館より出版されている秋月影雄、松山泰男、吉江修
共著による「Ｃ言語デジタル信号処理」に詳しく書か
れている、広く一般的な手法を用いる。

【００６１】まず最初に、インパルス応答Ａが与えられ
（Ｓ７０１）、周波数特性Ａが求められる（Ｓ７０
２）。次に、インパルス応答ＡからＡＲ係数を算出した
あと（Ｓ７０３）、そのＡＲ係数を用いたデジタルフィ
ルタの周波数特性Ｂが求められる（Ｓ７０４）。そし
て、先に求めた周波数特性Ａと周波数特性Ｂの差分が求
められ（Ｓ７０５）、周波数特性Ｃとされる。そして、
周波数特性Ｃを持つインパルス応答Ｂが求められ（Ｓ７
０６）、インパルス応答Ｂに相当するＡＲ係数Ｂが再び
演算される（Ｓ７０７）。この２つのＡＲ係数がＡＲＭ
ＡモデルのＡＲ係数とＭＡ係数として、最終的にＩＩＲ
デジタルフィルタ係数が算出される（Ｓ７０８）。これ
は、最初のＡＲ係数Ａだけでは近似できない周波数特性
の差分を、ＭＡ係数として再び求めるということであ
る。

【００６２】最後に、インパルス応答のシグナルパワー
と同じになるように、ＩＩＲデジタルフィルタのシグナ
ルパワーが調整される（Ｓ７０９）。ここで問題となる
ＡＲおよびＭＡ係数の次数は、図１２に示す例のよう
に、インパルス応答Ａの周波数特性と最終的に求められ
たＩＩＲデジタルフィルタの周波数特性との誤差を踏ま
えて試聴による実験とを併用した結果、最も次数の少な
いものが採用されている。

【００６３】図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、水平面
内正面方向における左右のＩＩＲデジタルフィルタの例
を示している。ＭＡ軸、ＡＲ軸はそれぞれの係数の次数
を示しており、縦軸は、各次数における周波数特性の誤
差の平均音圧差を示している。どちらにおいても、Ｍ
Ａ、ＡＲを最大次数にした場合、最も誤差がすくない
が、それ以外でも極小値になり得る次数がある。正面方
向（右）では、ＭＡ係数の次数が１５程度、ＡＲ係数の
次数が１８および３２程度の時である。本実施例で用い
る次数は、このように誤差および次数が少なく、試聴に
よる実験でも良好に定位されるものが採用されている。

【００６４】最後に、畳み込み演算を図８のフローチャ
ートに沿って説明する。

【００６５】畳み込みプロセッサ１３では、モノラルの
音響信号をある程度のバッファサイズ入力された後に、
時系列ごと、すなわち最初のサンプル信号から処理が始
められる。処理は、左側、右側の順に行われ、まず最初
に、１つのサンプルが取り出され（Ｓ８０１）、左右の
耳への出力信号である畳み込み演算結果のための変数の
初期化が行われる（Ｓ８０２）。そのあと、左耳への時
間遅れが考慮され、入力された音響信号に時間遅れが施
される（Ｓ８０３）。そして、マイクロ・プロセッサ１
２で演算され、畳み込みプロセッサ１３上のＲＡＭ１３
６に格納されているデジタルフィルタ係数（ＡＲＭＡ係
数）と入力信号および過去の畳み込み結果と畳み込み処
理が行われる（Ｓ８０４）。このあと、入力信号および
過去の畳み込み結果バッファの参照位置の移動が行われ
（Ｓ８０５）、この結果は、リングバッファに格納され
る（Ｓ８０６）。右耳の畳み込み処理も左耳と同様に、
入力信号に時間遅れの処理が施され（Ｓ８０７）、ＡＲ
ＭＡ係数と入力信号および過去の畳み込み結果との掛け
算と足し算が行われる（Ｓ８０８）。そして、入力信号
および過去の畳み込み結果バッファの参照位置の移動が
行われ（Ｓ８０９）、結果がリングバッファに保存され
る（Ｓ８１０）。この一連の処理がｌｉｎｅＩｎ１３１
から読み込まれたサンプリング数だけ繰り返される（Ｓ
８１１）。サンプリングの数だけ繰り返されたあとは、
ｌｉｎｅ０ｕｔ１３２から畳み込み結果がステレオ信
号として出力される（ただし、出力処理は、畳み込み演
算フローには入らない）。

【００６６】以上、これまで述べてきたフローに従っ
て、畳み込みプロセッサ１３のライン・イン１３１に入
力されたモノラル音響信号は、最終的には畳み込みプロ
セッサ１３のライン・アウト１３２にステレオ音響信号
として出力される。

【００６７】ここで、マイクロ・プロセッサ１２のＢＵ
Ｓ１２５および畳み込みプロセッサ１３のＢＵＳ１３４
は、バス・ラインで結ばれている必要は無く、シリアル
ポートによる接続でも通信は可能であるが、転送スピー
ドすなわちボーレートを高いものにすることが必要とな
る。また、位置センサ１１のシリアルポート１１３、マ
イクロ・コンピュ−タ１２のシリアルポート１２４およ
び畳み込みプロセッサ１３のシリアルポート１３７、及
びＡ−Ｄ／Ｄ−Ａ変換器１３８は、バス・ラインによる
接続でも構わない。この場合は、バス・ラインにするこ
とで、単位時間あたりの位置・方向情報の転送や、アナ
ログからデジタル、デジタルからアナログの転送スピー
ドが上がり、より多くの情報を送る事ができる。

【００６８】

【発明の効果】請求項１に記載の音像定位制御装置によ
れば、聴取者の頭の位置及び方向に応じて３次元空間の
任意の位置に音像を定位させるように制御することが可
能となる。また、畳み込み処理におけるワークメモリ処
理が軽減され、処理速度の向上が計れる。

【００６９】請求項２に記載の音像定位制御装置によれ
ば、頭部音響伝達関数を近似するのにＩＩＲ型を用いる
ことにより、フィルタの次数を低減することが可能とな
り、演算時間を短縮し得る。従って、ハードウェアのコ
ストを削減すること、及びデジタルフィルタの係数を保
存して置くメモリを削減することができる。すなわちサ
ンプリングレートを高く設定して音像を制御する周波数
帯域を広げることが可能となる。

【００７０】請求項３に記載の音像定位制御装置によれ
ば、３次元空間における頭部音響伝達関数を効率的に補
間し得る。

【００７１】請求項４に記載の音像定位制御装置によれ
ば、聴取者の頭の方向に応じて左右の耳への音圧バラン
スを調節でき、３次元空間の任意の位置に音像を定位さ
せる精度を高くすることが可能となる。

【００７２】

【００７３】

【００７４】

【００７５】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の音像定位制御装置の全体構成
を示すブロック図である。

【図２】図１の音像定位制御装置の処理手順を示すフロ
ーチャートである。

【図３】ＩＩＲ型デジタルフィルタの係数を格納するフ
ォーマットを示す図である。

【図４】頭部音響伝達関数のインパルス応答を格納する
フォーマットを示す図である。

【図５】頭部音響伝達関数の補間フローチャートを示す
図である。

【図６】頭部音響伝達関数の補間の概念を示す図であ
る。

【図７】デジタルフィルタを求めるための演算を示すフ
ローチャートである。

【図８】畳み込み演算処理を示すフローチャートであ
る。

【図９】畳み込み演算のブロック図である。

【図１０】線形型ワークメモリの概念図である。

【図１１】リング形式のワークメモリの概念図である。

【図１２】ＡＲ係数およびＭＡ係数の次数の違いによる
誤差を示す図である。

【図１３】従来の頭外定位へッドホン受聴装置を示すブ
ロック図である。

【図１４】従来の音響装置を示すブロック図である。

【図１５】従来の音像定位装置を示すブロック図であ
る。

【符号の説明】

11 位置センサ 12 マイクロ・プロセッサ 13 畳み込みプロセッサ 111 センサ受け部 112 センサ発信部 113,124,137 シリアルポート 114,123,135 プロセッサ 115,121,136 ＲＡＭ 116,122,133 ＲＯＭ 125,134 ＢＵＳ 126 ディスプレイ 131 ライン・イン 132 ライン・アウト 138 Ａ−Ｄ／Ｄ−Ａ変換器

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04S 1/00 H04R 5/033 H04S 5/00 H04S 7/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】モノラル音源の信号を入力して３次元の
任意の位置に音像定位するステレオ信号を出力する音像
定位制御装置において、聴取者の頭の位置及び方向を３
次元で計測する計測手段と、計測された前記頭の方向に
対応する頭部音響伝達関数を近似するデジタルフィルタ
を求めるデジタルフィルタ演算手段と、計測された前記
頭の位置に基づいて音圧減衰量を算出して前記デジタル
フィルタの係数の補正を行うデジタルフィルタ補正手段
と、前記音源のデータと前記デジタルフィルタとを畳み
込み処理する畳み込み演算手段とを備える音像定位制御
装置であって、前記畳み込み手段はリングバッファ手段を備えることを
特徴とする音像定位制御装置。
【請求項２】モノラル音源の信号を入力して３次元の
任意の位置に音像定位するステレオ信号を出力する音像
定位制御装置において、聴取者の頭の位置及び方向を３
次元で計測する計測手段と、計測された前記頭の方向に
対応する頭部音響伝達関数を近似するデジタルフィルタ
を求めるデジタルフィルタ演算手段と、計測された前記
頭の位置に基づいて音圧減衰量を算出して前記デジタル
フィルタの係数の補正を行うデジタルフィルタ補正手段
と、前記音源のデータと前記デジタルフィルタとを畳み
込み処理する畳み込み演算手段とを備える音像定位制御
装置であって、前記デジタルフィルタ演算手段は、ＩＩＲ型デジタルフ
ィルタの係数又は頭部音響伝達関数のインパルス応答を
各方向毎に複数格納したテーブルを備える、頭部音響伝
達関数を近似するＩＩＲ型デジタルフィルタのＡＲＭＡ
パラメータ演算手段と、近似された頭部音響伝達関数を
任意の方向に補間する伝達関数補間手段と、補間された
頭部音響伝達関数の左右の耳に対する音量バランスの調
整を行うシグナルパワー補正手段とを備えることを特徴
とする音像定位制御装置。
【請求項３】前記伝達関数補間手段は、前記テーブル
に格納されている４つのデジタルフィルタから補間を行
うことを特徴とする請求項２に記載の音像定位制御装
置。
【請求項４】モノラル音源の信号を入力して３次元の
任意の位置に音像定位するステレオ信号を出力する音像
定位制御装置において、聴取者の頭の位置及び方向を３
次元で計測する計測手段と、計測された前記頭の方向に
対応する頭部音響伝達関数を近似するデジタルフィルタ
を求めるデジタルフィルタ演算手段と、計測された前記
頭の位置に基づいて音圧減衰量を算出して前記デジタル
フィルタの係数の補正を行うデジタルフィルタ補正手段
と、前記音源のデータと前記デジタルフィルタとを畳み
込み処理する畳み込み演算手段とを備える音像定位制御
装置であって、前記デジタルフィルタ演算手段は、頭部音響伝達関数を
近似するＩＩＲ型デジタルフィルタのＡＲＭＡパラメー
タ演算手段と、近似された頭部音響伝達関数を任意の方
向に補間する伝達関数補間手段と、補間された頭部音響
伝達関数の左右の耳に対する音量バランスの調整を行う
シグナルパワー補正手段とを備え、前記シグナルパワー補間手段は、左右の耳へのＩＩＲ型
デジタルフィルタの出力のシグナルパワーを演算するシ
グナルパワー演算手段と、左右の耳への出力の音量バラ
ンスの調整を行うシグナルパワー調整手段とを備えるこ
とを特徴とする音像定位制御装置。