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【発明の名称】 音像定位制御装置および音像定位制御方式
【発明者】 【氏名】安田 晴剛

【氏名】春日 正男
【要約】 【課題】小型の音像定位フィルタを用い、Ｒｃｈ，Ｌｃｈそれぞれについて、この小型の音像定位フィルタを１個用意するだけでの小さいハードウェア規模で、音像定位位置を滑らかに制御する。

【解決手段】各音像定位位置に対して測定された頭部伝達関数を模擬する音像定位フィルタ１２，２２と、係数バッファ１３，２３に記憶されている音像定位フィルタの係数を変更することにより音像定位フィルタ１２，２２の特性を操作し、音源信号の聴覚上の位置を制御する制御手段１とを有し、音像定位フィルタ１２，２２には、単一のＩＩＲフィルタが用いられ、制御手段１は、頭部伝達関数を模擬する音像定位フィルタ１２，２２に対し、与えられた目標頭部伝達関数の周波数特性を近似する特性パラメータ値をもって音像定位フィルタの係数値を演算する係数演算手段を具備している。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 入力された音源信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、各音像定位位置に対して測定された頭部伝達関数を模擬する音像定位フィルタと、音像定位フィルタの係数を記憶する係数記憶手段と、係数記憶手段に記憶されている係数を変更することにより音像定位フィルタの特性を操作し、音源信号の聴覚上の位置を制御する制御手段と、音像定位フィルタのデジタル出力信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換手段とを有し、前記音像定位フィルタには、単一のＩＩＲフィルタが用いられ、前記制御手段は、頭部伝達関数を模擬する音像定位フィルタに対し、与えられた目標頭部伝達関数の周波数特性を近似する特性パラメータ値をもって音像定位フィルタの係数値を演算する係数演算手段を具備していることを特徴とする音像定位制御装置。
【請求項２】 請求項１記載の音像定位制御装置において、前記係数演算手段は、音像定位フィルタの特性値を特性パラメータ値を変更することによって変更することを特徴とする音像定位制御装置。
【請求項３】 請求項１または請求項２記載の音像定位制御装置において、前記制御手段は、さらに、音源信号の聴覚上の位置を変更する際に、前記頭部伝達関数の周波数特性を近似する特性パラメータ値について、変更する前の位置での特性パラメータ値と変更した後の位置での特性パラメータ値との間の補間値を演算するパラメータ補間値演算手段を具備していることを特徴とする音像定位制御装置。
【請求項４】 単一の音像定位フィルタと、単一の音像定位フィルタの特性を変更するのに音像定位フィルタの係数を切り替える係数切り替え手段と、係数切り替え手段によって切り替えた係数を蓄える係数保持手段と、音源定位フィルタの入力信号となる音源信号を蓄える入力バッファ手段と、音像定位フィルタの出力信号を一定時間蓄える出力バッファ手段と、出力バッファ手段のフェードイン・フェードアウト機能を制御するフェードイン・フェードアウト制御手段とを具備し、単一の音像定位フィルタの係数を切り替える際に、単一の音像定位フィルタにおいて係数を切り替える前の出力信号と係数を切り替えた後の出力信号のクロスフェードを行なう制御がなされることを特徴とする音像定位制御方式。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、実際のスピーカの位置とは異なる所望の任意の位置に音像が定位しているように感じさせる音像定位制御装置および音像定位制御方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、例えば特開平２−２９８２００号には、両耳の信号レベル(振幅)と位相を制御することによって音像を制御する音像形成方法が示されている。すなわち、この音像形成方法は、音源からの信号を周波数解析し、左右の両チャンネル信号に周波数依存したレベル差と位相差(時間差)を与えて音像の定位をデジタル的に制御するものである。
【０００３】音像を定位させるためには、一般に頭部伝達関数(ＨＲＴＦ)をデジタルフィルタで制御する方式を用いている。図１(ａ)，(ｂ)には、その基本原理が示されている。この方式は、図１(ａ)に示すように、受聴者を模擬した擬似頭を用いて原音場に生じる音像を集音し、それを受聴者に供給する方式であり、これを実現するため、図１(ｂ)に示すように、音波の入射角毎に測定した頭部伝達関数(ＨＲＴＦ−Ｒ，ＨＲＴＦ−Ｌ)を電気的フィルタ１０１，１０２に置き換え、原音場で収音された直接音，反射音をこのフィルタ１０１，１０２で処理することにより、図１(ａ)の擬似頭を用いる系と同等の音像を受聴者に提供することができる。この場合、頭部伝達関数(ＨＲＴＦ−Ｒ，ＨＲＴＦ−Ｌ)を近似するために、フィルタ１０１，１０２として音像定位フィルタを用いて制御を行なう。この際、音像定位位置を動かすためには、必要な音像定位位置すべての伝達特性を予め計測し、これを音像定位フィルタの係数セットとして保持させ、音像定位フィルタ(デジタルフィルタ)の係数をある角度単位で切り替えて用いる。
【０００４】先ず、この音像定位フィルタの特性値の設定方法について説明する。音像定位フィルタの伝達関数は、一般に、システムに与えられた環境において白色雑音を発生させ演算処理によりそのインパルス応答を測定することによって求められる(文献「頭外音像定位伝達関数のクラスタ法の一検討：信学技報ＥＡ９３−１ １９９３−０４」)。図２には、このようにして求めた頭部伝達関数の例が示されている。この図２の特性を実現するデジタルフィルタの係数値を係数セットとして保持して、その音像定位フィルタを実現することができる。
【０００５】図３は在来の音像定位制御装置の構成例を示す図である。図３を参照すると、この音像定位制御装置は、全体を制御するＣＰＵ２０１と、音像定位フィルタの係数セットが記憶されている係数ＲＯＭ２０２と、位置制御信号が入力するインタフェース部２０３と、Ｒｃｈ(Ｒ−チャンネル)用の音像定位フィルタ部２０４と、Ｌｃｈ(Ｌ−チャンネル)用の音像定位フィルタ部２０５とを備えている。
【０００６】ここで、Ｒｃｈ用の音像定位フィルタ部２０４は、Ｒｃｈの音源入力信号(アナログ信号)をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器２１１と、音像定位フィルタ(デジタルフィルタ)２１２と、音像定位フィルタ２１２の係数が係数ＲＯＭ２０２からロードされて記憶される係数バッファ２１３と、音像定位フィルタ２１２からの出力信号(デジタル信号)をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器２１４とを有している。
【０００７】また、Ｌｃｈ用の音像定位フィルタ部２０５は、Ｌｃｈの音源入力信号(アナログ信号)をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器２２１と、音像定位フィルタ(デジタルフィルタ)２２２と、音像定位フィルタ２２２の係数が係数ＲＯＭ２０２からロードされて記憶される係数バッファ２２３と、音像定位フィルタ２２２からの出力信号(デジタル信号)をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器２２４とを有している。
【０００８】このような構成では、音像定位フィルタ２１２，２２２の係数セットは係数ＲＯＭ２０２に記憶されており、ＣＰＵ２０１からの位置制御指示に従って係数ＲＯＭ２０２から係数バッファ２１３，２２３にロードされ、音像の位置を制御している。従って、この従来の方式では、係数ＲＯＭに保存された予めある環境でのインパルス応答から求められる周波数特性を実現するデジタルフィルタの係数セットで音像定位フィルタ２１２，２２２の特性値が決定されるため、その特性値を実現する音像定位フィルタの係数セットの変更ができなかった。
【０００９】また、多数の人の予め測定した空間インパルス応答と実耳ヘッドホンレスポンスを人間の聴覚特性に対応する特徴パラメータベクトルに変換した後、クラスタリングを行なって少数に縮約したデータを使って行なう方式もある(特開平５−２５２５９８号)が、この方式では、実際には、音像定位フィルタの特性値は、係数を設定した環境，個人の耳道性に依存しているため、場合によっては良好な特性が得られないことがあった。
【００１０】また、音像定位フィルタとしては、図２のような複雑な周波数特性を実現する必要があり、そのためには、高次のＦＩＲフィルタが必要で、その演算に大規模なハードウェアが必要であること、さらにそのために大量のフィルタ係数の記憶容量が必要であった。一方、この音像定位フィルタにＩＩＲフィルタを用いれば、特性の変更も容易で汎用性もあり、係数メモリも少なくて済む利点がある。しかしながら、ＩＩＲフィルタは複雑な周波数特性を実現する設計手法が難しく、リミットサイクル発振など不安定になりがちであった。
【００１１】例えば図２に示すような複合した周波数特性をもつ伝達関数をＩＩＲフィルタで設計する場合、バイ・クワド型デジタルフィルタにより単純な任意の特性は設計できることが報告されている(春日正男による文献「デジタルイコライザの実時間処理方法電子通信学会情報システム全国大会、ｐｐ２２８、１９７９」)。この方式は、後述する２つの零点，極をもつバイ・クワド型伝達関数をカスケード接続して目的とする伝達関数を設計するものである。一方、周波数特性をサンプリングしてＩＩＲフィルタを設計する方法もあるが(尾知博による文献「ＩＩＲフィルタの設計 Interface、２０６−２１３、(１９９６．１１)」)、フィルタ次数が多く必要になること、また一定の次数ではないことなどの問題がある。
【００１２】上述の方式は、基本的には、アナログ伝達関数を設計し、これをＺ変換して設計する方法であり(米国特許第４，１８８．５０４号)、この伝達関数は次式で表される。
【００１３】
【数１】

【００１４】この方式で設計する場合、目標の周波数特性に近似するには設計パラメータであるｆｃ(中心(遮断)周波数)、Ｑ(尖鋭度)、Ｌ(利得)の３つのパラメータを適当に変更して設計特性に近似する方法がとられている。しかし、この方法は、試行錯誤的に、目標特性と設計フィルタの周波数特性の適当な周波数ポイントにおける特性との差を最小にしながら近似する方法で、明確な指針がなく、また、多くの周波数ポイントにわたりそれらを計算していく必要があり、効率が悪いという欠点があった。さらに極が接近している場合などには、実質上、Ｑによるパラメータ変更が難しいなど設計上の問題も大きかった。
【００１５】また、上述したように音像の定位位置を変更する場合、従来では、ＣＰＵ２０１から位置制御信号が出され、位置を切り替えるために音像定位フィルタの係数セットを予めメモリに記憶しておき、適宜、これを呼び出して切り替えたり、係数を指定のメモリ領域にダウンロードして行なっている(特開平５−２５２５９８号)。
【００１６】しかしながら、音像定位フィルタの係数を変更する際に、フィルタ特性が所望の特性値に至るまでに一定の時間を要するため、音像定位位置を切り替える際にスイッチングノイズが発生するなどの不具合を生じていた。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】これらの不具合を回避するために、２個の音像定位フィルタを用意し、定位の角度を切り替える際に、上記フィルタの動作が安定するまでの一定時間が経過した後に切り替える方式がある。またその切り替えに際し、定位位置を滑らかに移動させるために可変アッテネータを用意し、クロスフェードを行なう方式がある(特開平６−２４５３００号)。図４には、この回路構成例が示されている。図４を参照すると、この音像定位制御装置は、全体を制御するＣＰＵ３０１と、音像定位フィルタの係数セットが記憶されている係数ＲＯＭ３０２と、位置制御信号が入力するインタフェース部３０３と、Ｒｃｈ(Ｒ−チャンネル)用の音像定位フィルタ部３０４と、Ｌｃｈ(Ｌ−チャンネル)用の音像定位フィルタ部３０５とを備えている。
【００１８】ここで、Ｒｃｈ用の音像定位フィルタ部３０４は、Ｒｃｈの音源入力信号(アナログ信号)をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器３１１と、２個の音像定位フィルタ(ＦＩＲフィルタ)３１２ａ，３１２ｂと、音像定位フィルタ３１２ａ，３１２ｂの各々の係数が係数ＲＯＭ３０２からロードされてそれぞれ記憶される係数バッファ３１３ａ，３１３ｂと、音像定位フィルタ３１２ａ，３１２ｂからの出力信号(デジタル信号)をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器３１４ａ，３１４ｂと、フェーダ３１５とを有している。
【００１９】また、Ｌｃｈ用の音像定位フィルタ部３０５は、Ｌｃｈの音源入力信号(アナログ信号)をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器３２１と、２個の音像定位フィルタ(ＦＩＲフィルタ)３２２ａ，３２２ｂと、音像定位フィルタ３２２ａ，３２２ｂの各々の係数が係数ＲＯＭ３０２からロードされてそれぞれ記憶される係数バッファ３２３ａ，３２３ｂと、音像定位フィルタ３２２ａ，３２２ｂからの出力信号(デジタル信号)をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器３２４ａ，３２４ｂと、フェーダ３２５とを有している。
【００２０】なお、各フェーダ３１５，３２５は、２つの可変アッテネータと加算手段とによって、クロスフェード手段として構成されている。
【００２１】このような構成では、ＣＰＵ３０１は、音像の位置制御信号に従って必要な係数セットを係数ＲＯＭ３０２から読み出し、Ｒｃｈ用の音像定位フィルタ部３０４の２つのＦＩＲフィルタ３１２ａ，３１２ｂのもつ２つの係数バッファ３１３ａ，３１３ｂのうちの一方の係数バッファに入れ、また、Ｌｃｈ用の音像定位フィルタ部３０５の２つのＦＩＲフィルタ３２２ａ，３２２ｂのもつ２つの係数バッファ３２３ａ，３２３ｂのうちの一方の係数バッファに入れる。従って、Ｒｃｈ用の音像定位フィルタ部３０４の２つのＦＩＲフィルタ３１２ａ，３１２ｂは旧位置に関する係数と新しい位置に対する係数で動作しており、また、Ｌｃｈ用の音像定位フィルタ部３０５の２つのＦＩＲフィルタ３２２ａ，３２２ｂは旧位置に関する係数と新しい位置に対する係数で動作しており、これらに対し、フェーダ３１５，３２５を用いてある一定時間にフェードイン(新しい位置)、フェードアウト(旧位置)処理を行なうことで、音像の位置が変更する場合にも、音像定位フィルタからの出力信号に対して旧位置から新位置へのスムーズな入れ替えが可能となる。
【００２２】図５はクロスフェード処理のタイミングを説明するための図である。例えば、現在６０度の位置に音像定位処理している状態から９０度の位置に音像定位処理している状態へ移行する場合を考える。いま、一方のＦＩＲフィルタ３１２ａ，３２２ａは６０度用の係数が供給されて動作中であり、他方のＦＩＲフィルタ３１２ｂ，３２２ｂは非動作中であるとする。この状態で、図５(ｅ)に示すように、６０度の位置から９０度の位置への音像定位位置の切り換え命令がＣＰＵ３０１にあると、ＣＰＵ３０１は、図５(ｂ)に示すタイミングで、９０度用の係数を他方のＦＩＲフィルタ３１２ｂ，３２２ｂに供給する。さらに、ＣＰＵ３０１からは、図５(ｃ)に示すタイミングで、クロスフェード制御信号が出力される。
【００２３】そして、クロスフェード制御信号に応じて、フェーダ３１５，３２５により、一方のＦＩＲフィルタ３１２ａ，３２２ａの出力は、図５(ｄ)のようにフェードアウトされ、また、他方のＦＩＲフィルタ３１２ｂ，３２２ｂの出力は、図５(ｅ)のようにフェードインされて、一方のＦＩＲフィルタ３１２ａ，３２２ａから他方のＦＩＲフィルタ３１２ｂ，３２２ｂへクロスフェードしながら切り換えられる。数１０ｍ秒の時間をかけて、クロスフェードしながら切り換えれば、切換えノイズが発生することなく、係数を切り換えて音像定位位置をスムーズに変更できる。
【００２４】しかしながら、この場合のＦＩＲフィルタ３１２ａ，３１２ｂ，３２２ａ，３２２ｂは、そのインパルス応答時間にもよるが、高次フィルタが必要となる同時に、その係数メモリ容量も大きく、ハードウェア規模が大きくなる。従って、音像定位フィルタを上述のように、Ｒｃｈ，Ｌｃｈそれぞれについて複数個(Ｒｃｈで２個，Ｌｃｈで２個)、用意することは、回路規模が非常に大きくなる欠点があった。
【００２５】本発明は、小型の音像定位フィルタを用い、Ｒｃｈ，Ｌｃｈそれぞれについて、この小型の音像定位フィルタを１個用意するだけでの小さいハードウェア規模で、音像定位位置を滑らかに制御することの可能な音像定位制御装置および音像定位制御方式を提供することを目的としている。
【００２６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、入力された音源信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、各音像定位位置に対して測定された頭部伝達関数を模擬する音像定位フィルタと、音像定位フィルタの係数を記憶する係数記憶手段と、係数記憶手段に記憶されている係数を変更することにより音像定位フィルタの特性を操作し、音源信号の聴覚上の位置を制御する制御手段と、音像定位フィルタのデジタル出力信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換手段とを有し、前記音像定位フィルタには、単一のＩＩＲフィルタが用いられ、前記制御手段は、頭部伝達関数を模擬する音像定位フィルタに対し、与えられた目標頭部伝達関数の周波数特性を近似する特性パラメータ値をもって音像定位フィルタの係数値を演算する係数演算手段を具備していることを特徴としている。
【００２７】また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の音像定位制御装置において、前記係数演算手段は、音像定位フィルタの特性値を特性パラメータ値を変更することによって変更することを特徴としている。
【００２８】また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の音像定位制御装置において、前記制御手段は、さらに、音源信号の聴覚上の位置を変更する際に、前記頭部伝達関数の周波数特性を近似する特性パラメータ値について、変更する前の位置での特性パラメータ値と変更した後の位置での特性パラメータ値との間の補間値を演算するパラメータ補間値演算手段を具備していることを特徴としている。
【００２９】また、請求項４記載の発明は、単一の音像定位フィルタと、単一の音像定位フィルタの特性を変更するのに音像定位フィルタの係数を切り替える係数切り替え手段と、係数切り替え手段によって切り替えた係数を蓄える係数保持手段と、音源定位フィルタの入力信号となる音源信号を蓄える入力バッファ手段と、音像定位フィルタの出力信号を一定時間蓄える出力バッファ手段と、出力バッファ手段のフェードイン・フェードアウト機能を制御するフェードイン・フェードアウト制御手段とを具備し、単一の音像定位フィルタの係数を切り替える際に、単一の音像定位フィルタにおいて係数を切り替える前の出力信号と係数を切り替えた後の出力信号のクロスフェードを行なう制御がなされることを特徴としている。
【００３０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明では、上述の目的を達成するため、音像定位フィルタにＩＩＲフィルタを用いて複雑な周波数特性を実現する設計手法を提供し、この手法を用いて音像定位制御装置を構成するようにしている。さらに、この音像定位フィルタの特性値の位置間の移動(変更)を行なう際、特性パラメータ(頭部伝達関数の周波数特性を近似する特性パラメータ値)をベースとし基準となる位置間の補間演算を行なうことで、位置間の移動を円滑に行なうようにしている。
【００３１】図６は本発明に係る音像定位制御装置の構成例を示す図である。図６を参照すると、この音像定位制御装置は、全体を制御する制御手段１と、Ｒｃｈ(Ｒ−チャンネル)用の音像定位フィルタ部４と、Ｌｃｈ(Ｌ−チャンネル)用の音像定位フィルタ部５とを備えている。
【００３２】ここで、Ｒｃｈ用の音像定位フィルタ部４は、Ｒｃｈの音源入力信号(アナログ信号)をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１１と、音像定位フィルタ(デジタルフィルタ)１２と、音像定位フィルタ１２の係数が記憶される係数バッファ１３と、音像定位フィルタ１２からの出力信号(デジタル信号)をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器１４とを有している。
【００３３】また、Ｌｃｈ用の音像定位フィルタ部５は、Ｌｃｈの音源入力信号(アナログ信号)をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器２１と、音像定位フィルタ(デジタルフィルタ)２２と、音像定位フィルタ２２の係数が記憶される係数バッファ２３と、音像定位フィルタ２２からの出力信号(デジタル信号)をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器２４とを有している。
【００３４】図７は図６の制御手段１の具体例を示す図であり、図７の例では、図６の制御手段１は、位置制御信号が入力するインタフェース部３３と、ＣＰＵ３１と、パラメータを生成するパラメータ生成部３４と、パラメータ生成部３４で生成されたパラメータが初期設定される初期設定パラメータ記憶部３５と、パラメータ演算部３６と、パラメータ演算部３６で算出されたパラメータに基づき音像定位フィルタ１１，２２の係数を生成演算する係数生成演算部３７と、パラメータ値の補間演算を行なうパラメータ補間値演算部３８とを有している。
【００３５】ここで、パラメータ生成部３４は、頭部伝達関数の周波数特性を測定するインパルス応答測定部４１と、インパルス応答測定部４１で測定された頭部伝達関数の周波数特性に基づいて初期パラメータを抽出するパラメータ抽出部４２とを有している。
【００３６】パラメータ抽出部４２で抽出される初期パラメータは、図２に示すような予め計測された頭部伝達関数を形成する音像定位フィルタの特性値で、必要な位置単位(例えば３０度単位)でパラメータ(ｆｃ、Ｑ、Ｌ)を有している。なお、ｆｃは音像定位フィルタの中心(遮断)周波数、Ｑは尖鋭度、Ｌは利得である。
【００３７】また、この初期パラメータは、ＣＰＵ３１を介してパラメータ演算部３６に送られ、パラメータ演算部３６でパラメータ演算がなされて周波数特性が求められ、パラメータ演算部３６で算出された周波数特性が係数生成演算部３７に送られるようになっている。そして、係数生成演算部３７は、音像定位フィルタ１２，２２の係数値を演算し、必要な係数セットを生成し、生成した係数セットを係数バッファ１３，２３に送り、音像定位フィルタ１２，２２を動作させるようになっている。
【００３８】また、パラメータ補間値演算部３８は、位置を変更する際、上述したパラメータ(ｆｃ、Ｑ、Ｌ)について、２つの位置間をある間隔で分割した補間値を用い、その周波数特性を求めて、係数生成演算部３７に与えるようになっている。
【００３９】次に、このような構成の音像定位制御装置の処理動作について説明する。先ず、図６，図７の音像定位制御装置の処理動作の概要について説明する。例えばゲーム機などのメインＣＰＵから音像定位命令(例えば、右後方１２０度の位置に音源を定位しろという命令)に従った位置制御信号がインタフェース部３３を介して入力されると、この位置制御信号に従って、ＣＰＵ３１は、初期設定パラメータ記憶部３５からその位置情報に対する頭部伝達特性を演算するのに必要な初期パラメータを読み出し、パラメータ演算部３６に与える。パラメータ演算部３６では、与えられた初期パラメータに基づいて周波数特性を算出し、係数生成演算部３７に与える。係数生成演算部３７では、パラメータ演算部３６からの周波数特性に基づいて音像定位フィルタ１２，２２の係数値を演算し、係数バッファ１３，２３に転送する。具体的には後述するように求められたアナログ周波数特性をＺ変換して設計する。この方法はアナログ伝達関数Ｈ(ｓ)を、Ｓ−Ｚ変換方式を用いて離散領域の伝達関数Ｈｚ(Ｚ)に変換する方式を用いれば容易に求めることができる(春日正男による文献「ＡＶ・ＯＡ用デジタル信号処理 ｐｐ．１０９−１１３」を参照)。これにより得られたＺ変換式からその係数列を求める。音像定位フィルタ１２，２２は、入力された音源入力信号(Ｒｃｈ，Ｌｃｈの音源入力信号)を係数バッファ１３，２３に設定された係数に応じて時間軸上で畳み込み演算処理を行なう。音像定位フィルタ１２，２２で演算された信号は、Ｄ／Ａ変換器１４，２４に送られ、一対のスピーカから再生される。この音像定位フィルタの係数は例えばゲーム機の場合には操作者の操作に応じたゲームオブジェクトの動きに対応するように、ＣＰＵ３１からの音像定位命令によって随時切り替えられる。
【００４０】先ず、上記音像定位フィルタ(ＩＩＲフィルタ)１２，２２の特性値を求める方法について、より詳細に説明する。本発明においても、ＩＩＲフィルタの設計方式は、基本的には、前述した従来技術の方式と同様に、アナログ伝達関数を設計し、これをＺ変換して設計する。すなわち、音源入力信号をＸ(ｓ)として聴取者の左耳ＥL(ｓ)および右耳ＥR(ｓ)までの伝達関数をそれぞれＨL(ｓ)，ＨR(ｓ)とし、整理すると次式が得られる。
【００４１】
【数２】

【００４２】なお、ＨR(ｓ)／ＨL(ｓ)が両耳間の特性の比である。数２にみられるように、右辺のｓ関数系がこれらの複雑な周波数特性をもつ空間伝達関数であり、これをデジタルフィルタで実現する。このデジタルフィルタとして、１つの型で汎用性を持たせ、乗算回数，フィルタ係数メモリ，レジスタ数などを考慮し、かつ安定したフィルタ多重を図る必要性により、ＩＩＲ型デジタルフィルタを採用する。フィルタ関数は零点，極の双二次型のバイ・クワド型とし、これを連続関数系で設計し、これをＺ変換しデジタルフィルタを得ることにする。これらの特性は、中心(遮断)周波数Ｆｃ，Ｑ(尖鋭度)，Ｌ(利得)で与えられ、これらの適当な変更により特性が変更できる。伝達関数Ｈ(ｚ-1)は数１で与えられる。しかし、この設計方法は図２に示すような複合した関数系を設計する場合には、設計方法が確立しておらず、ヒューリスティックな方法で設計せざるを得ないのが現状である。
【００４３】任意の特性を近似するには、Ｆｃ，Ｑ，Ｌの３つの設計パラメータを変更することになる。この変更方法として、希望する特性を目標値とし、これと適当な周波数ポイントにおける設計値との差を最小にしながら近似する方法がある。しかし、この方法では多くの周波数ポイントにわたりそれらを計算していく必要があり効率が良くない。
【００４４】そこで本発明では、宮内淳、目加田慶人、長谷川光司、春日正男、安田晴剛による文献「複雑な振幅周波数特性をもつＩＩＲフィルタの設計と応用音響学会講演論文集３−３−２、５７１−５７２(１９９７．３)」に記載のように、関数の性質が変わる点、つまり関数の２次微分において正負が反転する点の近傍を選択すると、その境界点では関数系を連続的に接続する補間点として適切であることに着目し、その関数の変曲点を設計計算に用いる周波数ポイントとして採用する。つまり中心周波数、その前後に位置する変曲点の合計３点において設計値と希望値の差を最小とするように、ｆｃ，Ｑ，Ｌの３つの設計パラメータを変更することで、任意の特性を近似する。
【００４５】また、フィルタの設計方式は次のようにする。すなわち、例えば図８に示す単峰特性からなる複合関数系を設計する場合、先ず、設計するフィルタ関数を２次微分し、この２つの変曲点ｐ，ｑを選ぶ。さらに、中心周波数ｆｃを選択して、これらの３つのポイントを関数の近似設計の周波数特性を計算するためのサンプル周波数のポイントとして選択する。そして、これらの点における設計特性と目標特性との差を計算により求め、これを最小化するようにパラメータＱを制御して目標の周波数特性に近似していく。
【００４６】図９には、本発明によるフィルタの設計方式のフローチャートが示されている。図９を参照すると、先ず、初期化パラメータをセットする(ステップＳ１)。次いで、パラメータ値Ｑを変更し(ステップＳ２)、ターゲットフィルタ(目標特性)との誤差値の演算を行なう(ステップＳ３)。次いで、誤差値が所定の閾値よりも小さいかを判断し、(ステップＳ４)、小さくないときには、誤差値を閾値に設定して(ステップＳ５)、再びステップＳ２に戻りパラメータ値Ｑの変更を行なって、上述の処理を繰り返し、誤差値が閾値よりも小さくなったときに、最適なパラメータ値Ｑが設定できたので(目標の周波数特性を近似するパラメータ値Ｑが求まったので)、処理を終了する。
【００４７】より具体的な設計フローチャートは以下に示す手順で行なう。
(１)目標の周波数特性を入力する。
(２)次いで、目標特性を実現するフィルタ段数、および大まかな設計パラメータ(ｆｃ，Ｑ，Ｌ)を入力する。
(３)次いで、入力されたフィルタのＬ値の大きい順に順位付けをし、その順に以下の処理を行なう。
・入力された設計特性の中心周波数ｆｃを目標特性の中心周波数に合わせる。 ・入力された設計特性のＬ値を目標特性に合わせる。
・周波数の高い方、低い方の２つの変曲点をそれぞれ見つける。
・２つの変曲点での周波数特性の差異を少なくするようにＱ値の変更を行なう。
(４)誤差量が収束した(例えば０．１ｄＢ以下)と判断したら、処理を終了する。
【００４８】以上の手順により、目標とする音像定位フィルタに必要な特性パラメータ値を決定する。
【００４９】次に、本発明の音像定位制御装置のより具体的な処理動作について説明する。初期パラメータは初期パラメータ記憶部３５に保存されている。この初期パラメータは図２に示すような予め計測された頭部伝達関数を形成する音像定位フィルタの特性値で、必要な位置単位(例えば３０度単位)でパラメータ(ｆｃ、Ｑ、Ｌ)を有している。この初期パラメータはインパルス応答測定部４１で計測された頭部伝達関数の周波数特性に基づいてパラメータ抽出部４２で求められたものである【００５０】このようにして、パラメータ記憶部３５に初期パラメータが記憶された後、初期パラメータは、ＣＰＵ３１を介してパラメータ演算部３６に送られ、パラメータ演算部３６でパラメータ演算を行なって周波数特性が求められ、係数生成演算部３７に与えられる。係数生成演算部３７では、前述したように求められたアナログ周波数特性値からＺ変換により離散領域の伝達関数に変換され、必要な係数セットが得られる。得られた係数セットは係数バッファ１３，２３に送られ、音像定位フィルタ１２，２２を動作させる。
【００５１】次に、位置を変更する際の位置間の頭部伝達関数の補間演算方法について説明する。本発明では位置を変更する際、例えば３０度単位で有しているパラメータ値の補間演算をパラメータ補間値演算部３８で行なう。具体的には、上述したパラメータ(ｆｃ、Ｑ、Ｌ)について２つの位置間をある間隔で分割した補間値を用い、その周波数特性を求める。すなわち、この周波数特性は、図７に示すパラメータ補間値演算部３８でパラメータ(ｆｃ、Ｑ、Ｌ)の各々の補間値を求めることによって求まり、ある時間間隔での各々の周波数特性に対する音像定位フィルタの係数を係数生成演算部３７で演算する。そして、生成演算された係数は、その都度、係数バッファ１３，２３に送られる。
【００５２】このように、パラメータ補間値演算部３８で２つの位置間をある間隔で分割した補間値を用いて、その周波数特性を求め、係数を算出することにより、位置を変更する際の音像を滑らかに移動させることが可能になる。この時の分割された位置間の係数セットの変更時に対するフィルタの問題については、後述するフェードイン・フェードアウト機能を用いれば、さらに円滑に位置を切り替えることが可能となる。
【００５３】図１０はフェードイン・フェードアウト機能を備えた音像定位制御装置の構成例を示す図であり、図１０の音像定位制御装置は、Ｒｃｈ，Ｌｃｈのそれぞれについて、単一の音像フィルタを用いて係数を切り替える際のクロスフェードを実現する機能を有している。図１０を参照すると、この音像定位制御装置は、全体を制御するＣＰＵ５１と、音像定位フィルタの係数セットが記憶されている係数ＲＯＭ５２と、位置制御信号が入力するインタフェース部５３と、Ｒｃｈ(Ｒ−チャンネル)用の音像定位フィルタ部５４と、Ｌｃｈ(Ｌ−チャンネル)用の音像定位フィルタ部５５とを備えている。
【００５４】ここで、Ｒｃｈ用の音像定位フィルタ部５４は、Ｒｃｈの音源入力信号(アナログ信号)をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器６１と、１個の音像定位フィルタ(ＦＩＲフィルタ)１２と、音像定位フィルタ１２の各々の係数が係数ＲＯＭ５２からロードされてそれぞれ記憶される係数バッファ６４と、セレクタＳＥＬと、音源定位フィルタ１２の入力信号となる音源信号を蓄える入力バッファ６２と、音像定位フィルタ１２の出力信号を一定時間蓄える出力バッファ６５，６６と、入力バッファ６２，出力バッファ６５，６６，セレクタＳＥＬの制御を行なうバッファ制御部６３と、フェーダ６７と、音像定位フィルタ１２からの出力信号(デジタル信号)をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器６８とを有している。
【００５５】また、Ｌｃｈ用の音像定位フィルタ部５５は、Ｒｃｈの音源入力信号(アナログ信号)をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器７１と、１個の音像定位フィルタ(ＦＩＲフィルタ)２２と、音像定位フィルタ２２の各々の係数が係数ＲＯＭ５２からロードされてそれぞれ記憶される係数バッファ７４と、セレクタＳＥＬと、音源定位フィルタ２２の入力信号となる音源信号を蓄える入力バッファ７２と、音像定位フィルタ２２の出力信号を一定時間蓄える出力バッファ７５，７６と、入力バッファ７２，出力バッファ７５，７６，セレクタＳＥＬの制御を行なうバッファ制御部７３と、フェーダ７７と、音像定位フィルタ２２からの出力信号(デジタル信号)をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器７８とを有している。
【００５６】なお、各フェーダ６７，７７は、２つの可変アッテネータと加算手段とによって、クロスフェード手段として構成されている。
【００５７】このような構成では、通常の場合、セレクタＳＥＬは、音像定位フィルタ１２，２２側，出力バッファ６５，７５側に設定されており、サンプル周期に従ったＡ／Ｄ変換器６１，７１から出力されるデジタル信号列は、上述の音像定位フィルタ１２，２２で処理され、出力バッファ６５，７５に送られる。出力バッファ６５，７５は、ＦＩＦＯ形式のレジスタ列であり、ある一定時間(フェードアウト時間)分のサンプル周期に従った遅延を有して、音像定位フィルタ１２，２２からの信号が出力される。なお、このときにも、入力バッファ６２，７２には、Ａ／Ｄ変換器６１，７１からのデジタル信号列が蓄えられる。
【００５８】次に、音像定位位置変更の信号(位置制御信号)がインタフェース部５３に入力した場合、先ず、係数バッファ６４，７４の係数が入れ替えられる。その後、セレクタＳＥＬが切り替えられ、それまでに蓄えられている入力バッファ６２，７２のデジタル信号列を用いて高速に、音像定位フィルタ１２，２２で音像定位の出力が計算され、その演算結果は出力バッファ６６，７６に蓄えられる。この音像定位フィルタの演算は、サンプル周期に依存せず、入力バッファ６２，７２の既知のデータをそのまま用いることができるため、高速演算が可能となる。
【００５９】このようにして得られた出力バッファ６５，７５の内容と出力バッファ６６，７６の内容とは、旧係数での出力データと新係数での出力データになり、フェーダ６７，７７において、これらの２つのデータを用いて図１１に示すようにフェードイン・フェードアウト処理を行なえば、係数切り替え時の問題を起こすことなく、円滑に音像を動かすことが可能になる。
【００６０】
【発明の効果】以上に説明したように、請求項１記載の発明によれば、入力された音源信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、各音像定位位置に対して測定された頭部伝達関数を模擬する音像定位フィルタと、音像定位フィルタの係数を記憶する係数記憶手段と、係数記憶手段に記憶されている係数を変更することにより音像定位フィルタの特性を操作し、音源信号の聴覚上の位置を制御する制御手段と、音像定位フィルタのデジタル出力信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換手段とを有し、前記音像定位フィルタには、単一のＩＩＲフィルタが用いられ、前記制御手段は、頭部伝達関数を模擬する音像定位フィルタに対し、与えられた目標頭部伝達関数の周波数特性を近似する特性パラメータ値をもって音像定位フィルタの係数値を演算する係数演算手段を具備しており、音像定位フィルタに、従来、大規模なハードウェアが必要であったＦＩＲフィルタではなく、単一のＩＩＲフィルタを用いることにより、簡素なハードウェアで、音像定位制御を行なうことが可能となる。特に、本発明によれば、ゲーム機やパーソナルコンピュータ等にも搭載可能な回路規模の小さく、音像定位感に優れた音像定位装置を提供できる。
【００６１】また、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の音像定位制御装置において、前記係数演算手段は、音像定位フィルタの特性値を特性パラメータ値を変更することによって変更するので、従来、予め計測したインパルス応答に対する係数セットを保持していたため容易に変更できなかった音像定位フィルタの特性値が、周波数特性を代表する特性パラメータ(中心周波数、遮断周波数、尖鋭度、利得)を変更することにより容易に変更できる。
【００６２】また、請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２記載の音像定位制御装置において、前記制御手段は、さらに、音源信号の聴覚上の位置を変更する際に、前記頭部伝達関数の周波数特性を近似する特性パラメータ値について、変更する前の位置での特性パラメータ値と変更した後の位置での特性パラメータ値との間の補間値を演算するパラメータ補間値演算手段を具備しているので、音像定位フィルタの２つの位置間のパラメータの補間値が容易に演算でき、円滑に音像の移動を行なうことが可能となる。
【００６３】また、請求項４記載の発明によれば、単一の音像定位フィルタと、単一の音像定位フィルタの特性を変更するのに音像定位フィルタの係数を切り替える係数切り替え手段と、係数切り替え手段によって切り替えた係数を蓄える係数保持手段と、音源定位フィルタの入力信号となる音源信号を蓄える入力バッファ手段と、音像定位フィルタの出力信号を一定時間蓄える出力バッファ手段と、出力バッファ手段のフェードイン・フェードアウト機能を制御するフェードイン・フェードアウト制御手段とを具備し、単一の音像定位フィルタの係数を切り替える際に、単一の音像定位フィルタにおいて係数を切り替える前の出力信号と係数を切り替えた後の出力信号のクロスフェードを行なう制御がなされるので、従来、音像定位フィルタの切り替える際に大規模なＦＩＲフィルタを複数個用いてフェードイン・アウトの機能を、単一の音像定位フィルタで行なうことが可能となる。またＩＩＲフィルタについてもフィルタ特性が安定するまでの時間は短いが同様な効果を得ることができる。
【出願人】 【識別番号】０００００６７４７
【氏名又は名称】株式会社リコー
【出願日】 平成１０年７月１日（１９９８．７．１）
【代理人】 【識別番号】１０００９０２４０
【弁理士】
【氏名又は名称】植本 雅治
【公開番号】 特開２０００−２３２９９（Ｐ２０００−２３２９９Ａ）
【公開日】 平成１２年１月２１日（２０００．１．２１）
【出願番号】 特願平１０−２０１１９０