JP5941373B2 - スピーカアレイ駆動装置およびスピーカアレイ駆動方法 - Google Patents

Description

この発明は、スピーカアレイ駆動装置およびスピーカアレイ駆動方法に関する。

将来、スーパーハイビジョンを放送する場合には、スーパーハイビジョン音響である２２．２チャネル音響を家庭でどのように再生するかが課題となる。その１つの方法として、映像ディスプレイと一体化したＷＦＳ（Wave Field Synthesis）対応のスピーカアレイによる再生方式がある。この方式は、映像ディスプレイの周りに備えたスピーカアレイにより、２２．２チャネル音響の前方１１チャネルの位置に、その仮想音像を形成するものである。ここで、ＷＦＳは、直線状のスピーカアレイや、音場を取り囲む直線上あるいは曲線状アレイによって音の場を再現する方法であり、５．１チャネルのスピーカアレイ再生技術などが実用化されている（例えば、非特許文献１参照）。

D. de Vries, "Wave Field Synthesis," AES monograph, 2009. S. Kirkpatrick, C.D. Gelatt, Jr. and M.P. Vecchi, "Optimization by simulated annealing," Science, 220, pp.671-680, 1983.

映像ディスプレイの周りに配した窓枠状のスピーカアレイの場合には、特に映像ディスプレイの中央に対応したチャネルへの仮想音像を形成する場合に、その近傍に実際のスピーカが存在せず、スピーカからの距離も遠いため、仮想音像からの音波の合成波面や音の周波数特性が損なわれたりすることがあり、特に２２．２チャネル音響を映像ディスプレイ一体型のスピーカアレイで再生する場合の問題となっていた。

したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、映像ディスプレイの周囲に配置可能なスピーカアレイにおいて、実際のスピーカが配置されていない仮想音像からの音波の合成波面や音の周波数特性を改善可能なスピーカアレイ駆動装置およびスピーカアレイ駆動方法を提供することにある。

上述した諸課題を解決すべく、本発明に係るスピーカアレイ駆動装置は、複数のスピーカを有するスピーカアレイと、仮想音像位置と前記スピーカアレイ中のスピーカの位置に基づき前記スピーカアレイの駆動信号を計算する駆動信号計算部と、前記駆動信号に対して重み係数を乗算して重み付け駆動信号を生成する重み係数乗算部と、前記重み付け駆動信号により前記スピーカアレイを駆動することにより受音点で得られる周波数特性を計算する周波数特性計算部と、前記周波数特性の非平坦度を計算する周波数特性非平坦度計算部と、前記重み付け駆動信号を前記スピーカアレイにより再生した際の前記受音点を含む受音エリアでの音波の合成波面の乱れ度を計算する合成波面乱れ度計算部と、前記周波数特性の非平坦度と前記合成波面の乱れ度とを最小化するように前記重み係数を計算する重み係数計算部と、を備える。

また、前記周波数特性非平坦度計算部は、前記周波数特性を多項式近似し、当該多項式の係数の二乗和に基づいて前記周波数特性の非平坦度を計算する、ことが好ましい。

また、前記合成波面乱れ度計算部は、前記仮想音像位置に実音像を置いた場合の音圧と、前記重み付け駆動信号を前記スピーカアレイにより再生した際の音圧との差分を、前記受音エリアにおいて空間的に積分することにより、前記合成波面の乱れ度を計算する、ことが好ましい。

さらに、本発明に係るスピーカアレイ駆動方法は、複数のスピーカを有するスピーカアレイを備えるスピーカアレイ駆動装置におけるスピーカアレイ駆動方法であって、前記スピーカアレイ駆動装置による処理手順が、仮想音像位置と前記スピーカアレイ中のスピーカの位置に基づき前記スピーカアレイの駆動信号を計算するステップと、前記駆動信号に対して重み係数を乗算して重み付け駆動信号を生成するステップと、前記重み付け駆動信号により前記スピーカアレイを駆動することにより受音点で得られる周波数特性を計算するステップと、前記周波数特性の非平坦度を計算するステップと、前記重み付け駆動信号を前記スピーカアレイにより再生した際の前記受音点を含む受音エリアでの音波の合成波面の乱れ度を計算するステップと、前記周波数特性の非平坦度と前記合成波面の乱れ度とを最小化するように前記重み係数を計算するステップと、を備える。

本発明に係るスピーカアレイ駆動装置およびスピーカアレイ駆動方法によれば、映像ディスプレイの周囲に配置可能なスピーカアレイにおいて、実際のスピーカが配置されていない仮想音像からの音波の合成波面や音の周波数特性を改善することができる。

本発明の一実施形態に係るスピーカアレイ駆動装置のスピーカアレイ配置を示す図である。 ２２．２チャネル音響の前方チャネルの位置を示す図である。 従来の駆動信号に関するシミュレーション環境を示す図である。 従来の駆動信号によりディスプレイの中央部分に仮想音像を形成した場合の合成波面と周波数特性を示す図である。 本発明の一実施形態に係るスピーカアレイ駆動装置の機能ブロックを示す図である。

以降、諸図面を参照しながら、本発明の実施態様を詳細に説明する。ここで、以下の説明においては、スピーカアレイに入力される駆動信号として、スーパーハイビジョン音響である２２．２チャネル音響を例に説明を行うが、本発明は２２．２チャネル音響のみに限定されるものではない点に留意されたい。

図１は、本発明の一実施形態に係るスピーカアレイ駆動装置１のスピーカアレイ配置を示す図である。図示の通り、スピーカアレイ駆動装置１のスピーカアレイ９０の各スピーカは、表示部ＤＩＳの周囲に配置されている。以降の説明において、スピーカアレイ駆動装置１の水平方向をｘ軸、垂直方向をｙ軸、光軸方向をｚ軸とし、表示部ＤＩＳの中央を原点とする座標系を用いて説明を行う。

ここで、２２．２チャネル音響は、視聴者より高い位置に配置された上層の９チャネルと、視聴者の耳の高さの位置に配置された中層の１０チャネルと、視聴者より低い位置に配置された下層の３チャネルと、低音用ＬＦＥの２チャネル（０．２チャネル）とから構成される。２２．２チャネル音響のうち、視聴者の前方の１１チャネルは、上層の３ｃｈ、中層の５ｃｈ、および下層の３ｃｈから構成される。

図２は、２２．２チャネル音響の前方１１チャネルの位置を示す図である。表示部ＤＩＳの上辺にはＴｐＦＬ、ＴｐＦＣ、ＴｐＦＲの上層３チャネル、表示部ＤＩＳの垂直方向中央にはＦＬ、ＦＬｃ、ＦＣ、ＦＲｃ、ＦＲの中層５チャネル、表示部ＤＩＳの下辺にはＢｔＦＬ、ＢｔＦＣ、ＢｔＦＲの下層３チャネルが配置されている。特に、中層５チャネルのうち、ＦＬｃ、ＦＣ、ＦＲｃの３チャネルは表示部ＤＩＳ内（スピーカが存在しない領域）に位置しており、実際のスピーカが存在しないチャネルとなっている。

ここで、図１に示すスピーカアレイ９０を駆動する方法として、第１種レイリー積分が知られている。スピーカアレイ９０中のスピーカ位置をｒ（ｒ＝（ｘ，ｙ，ｚ））、形成すべき仮想音像位置をｒ_ｓ（ｒ_ｓ＝（ｘ_ｓ，ｙ_ｓ，ｚ_ｓ））とすると、第１種レイリー積分によるスピーカの駆動信号ｑ_ｒ（ｔ）は、式（１）により計算することができる。ここでｃは音速を表し、Ｓ（ｔ）は２２．２チャネル音響の各チャネルの時刻ｔにおける入力信号を表す関数である。

図３は、式（１）の駆動信号のシミュレーション環境を示す図である。本シミュレーションにおけるスピーカアレイ９０では、表示部ＤＩＳの周りの横１．５８ｍ、縦１．０ｍのフレーム上に、直径４．５ｃｍの実スピーカが６０個配置されている。仮想音源からは１ｋＨｚ正弦波が放射されるものとし、１ｋＨｚ正弦波の合成波面と、仮想音源から聴取位置（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０，０，１）までの伝達関数の周波数特性について評価を行なった。図４は、従来方式である式（１）を用いて、２２．２チャネル音響のＦＣチャネルの位置（ｘ_ｓ，ｙ_ｓ，ｚ_ｓ）＝（０，０，０．０５）に仮想音像を形成した場合のシミュレーション結果を示す図である。表示部ＤＩＳ中央に位置するＦＣチャネルには、スピーカアレイ９０（実スピーカ）が存在しないため、合成波面や周波数特性ともに乱れが見られ、特に周波数特性の乱れは顕著である。このように、実スピーカが存在しない位置での仮想音像は、音色が大きく損なわれることが予想される。

ここで、スピーカアレイ９０によって安定した仮想音像を形成するためには、仮想音像位置に実音像を置いた場合に得られる周波数特性及び合成波面を、スピーカアレイ９０による再生で実現すれば良い。このため、本発明に係るスピーカアレイ駆動装置１は、式（１）に示す駆動信号に対して、スピーカアレイ再生による合成波面の乱れや、周波数特性の非平坦度を考慮した重みを乗算し、良好な合成波面及び周波数特性を実現するものである。

図５は、本発明の一実施形態に係るスピーカアレイ駆動装置１の機能ブロックを示す図である。スピーカアレイ駆動装置１は、駆動信号計算部１０と、信号分配器２０と、合成波面乱れ度計算部３０と、周波数特性計算部４０と、周波数特性非平坦度計算部５０と、重み係数計算部６０と、重み係数乗算部７０と、増幅器８０と、スピーカアレイ９０と、を備える。

駆動信号計算部１０は、２２．２チャネル音響の各チャネルの信号から、スピーカアレイ９０用の駆動信号を計算する。駆動信号計算部１０は、仮想音像位置とスピーカアレイ９０中のスピーカの位置に基づきスピーカアレイ９０の駆動信号を計算する。具体的には、駆動信号計算部１０は、式（１）によりスピーカアレイ９０の駆動信号を計算し、計算した駆動信号を信号分配器２０に出力する。なお、スピーカアレイ駆動装置１において、スピーカアレイ９０の各スピーカ位置は既知であるものとする。

信号分配器２０は、駆動信号計算部１０の出力を、合成波面乱れ度計算部３０、周波数特性計算部４０、及び重み係数計算部７０に出力する。

重み係数乗算部７０は、駆動信号計算部１０からの駆動信号に対して重み係数を乗算した重み付け駆動信号を増幅器８０に出力する。以下、スピーカアレイ再生による合成波面の乱れ度及び周波数特性の非平坦度を考慮した重み係数の計算方法について詳述する。

合成波面乱れ度計算部３０は、重み付け駆動信号をスピーカアレイ９０により再生した際の受音点を含む受音エリアでの音波の合成波面の乱れ度（合成波面乱れ度）を計算する。ここで、合成波面乱れ度は、適宜定めた受音点を含む受音エリアにおいて、仮想音像位置に実音像を置いた場合の音圧と、重み付け駆動信号をスピーカアレイ９０により再生した際の音圧との差の二乗を積分したものである。受音エリアをＲ_Ａとし、各スピーカが点音源で近似できるとすると、仮想音像位置に実音源を置いた場合の受音点ｒ_Ａ∈Ｒ_Ａにおける音圧は、式（２）で表される。ここで、Gはスピーカから単位距離離れた点での音圧と単位駆動信号との比例定数であり、ｒ_ｓ（ｒ_ｓ＝（ｘ_ｓ，ｙ_ｓ，ｚ_ｓ））は形成すべき仮想音像位置である。

また、スピーカアレイ９０による音圧は、式（３）で表される。ここで、Lはスピーカアレイ９０におけるスピーカの個数、ｒ_ｊ（ｒ_ｊ＝（ｘ_ｊ、ｙ_ｊ、ｚ_ｊ））はｊ番目（ｊ＝１〜L）のスピーカの位置、ｗ_ｊを重み係数計算部６０により計算されたｊ番目のスピーカの駆動信号に対する重み係数、ｗはｗ_ｊを要素とするベクトルである。

合成波面乱れ度計算部３０は、式（２）に示す実音像を置いた場合の音圧と、式（３）に示すスピーカアレイ９０による音圧とから、合成波面乱れ度を式（４）により計算する。ここで、Ｔは予め定めた時間区間である。

合成波面乱れ度計算部３０は、計算した合成波面乱れ度Ｅ_ｐ（ｗ）を、重み係数計算部６０に出力する。

周波数特性計算部４０は、重み付け駆動信号によりスピーカアレイ９０を駆動することにより受音点で得られる周波数特性を計算する。式（３）に示すスピーカアレイ９０による音圧に単位インパルス関数δ（ｔ）を代入して、フーリエ変換を行うと、受音点ｒ_Ａにおける周波数応答は、式（５）により表される。ここで、Ｆはフーリエ変換であり、ｆは周波数を表す。

周波数特性計算部４０は、ｆを０ＨｚからＦｓ／２Ｈｚまで変化させることにより、式（６）で示す周波数特性を得る。なおＦｓは信号周波数の上限を表す。

周波数特性計算部４０は、計算した周波数特性を周波数特性非平坦度計算部５０に出力する。

周波数特性非平坦度計算部５０は、周波数特性の概形に着目し、式（６）の周波数特性を式（８）に示す多項式により近似する。

周波数特性非平坦度計算部５０は、計算した周波数特性非平坦度Ｅ_ｆ（ｗ）を重み係数計算部６０に出力する。

重み係数計算部６０は、合成波面乱れ度計算部３０からの合成波面乱れ度Ｅ_ｐ（ｗ）と、周波数特性非平坦度計算部５０からの周波数特性非平坦度Ｅ_ｆ（ｗ）とにより式（１０）に示す誤差関数を定義し、当該誤差関数を最小化する重み係数ｗを計算する。ここで、γは予め定めた係数である。

重み係数ｗの求め方については、種々の方法があるが、例えば、重み係数計算部６０は、simulated annealing法（例えば非特許文献２参照）を用いた繰り返し処理により、誤差関数を最小化する重み係数を算出することができる。simulated annealing法は、重み係数の初期値に対して誤差関数を計算した後重み係数に摂動を与え、その結果誤差関数が小さくなった場合には、摂動を与えた重み係数を新たな重み係数として採用する。また、重み係数に摂動を与えた結果誤差関数が大きくなった場合でも、温度と呼ばれるパラメータによって定まる確率にしたがって、摂動を与えられた重み係数を新たな重み係数として採用するものである。

重み係数計算部６０は、計算した重み係数を重み係数乗算部７０に出力する。

重み係数乗算部７０は、上述の通り、駆動信号計算部１０からの駆動信号に対して、重み係数計算部６０からの重み係数を乗算し、乗算後の駆動信号を増幅器８０に出力する。

増幅器８０は、重み係数乗算部７０からの駆動信号を増幅し、スピーカアレイ９０の各スピーカに出力する。

スピーカアレイ９０の各スピーカは、増幅器８０より入力される駆動信号をそれぞれ音に変換して放射する。

このように、本実施形態によれば、重み係数計算部６０は、周波数特性の非平坦度と合成波面の乱れ度とを最小化するように重み係数を計算し、重み係数乗算部７０は、駆動信号に対して重み係数を乗算して重み付け駆動信号を生成する。これにより、映像ディスプレイの周囲に設置可能なスピーカアレイ９０において、実際のスピーカが配置されていない仮想音像からの音波の合成波面や音の周波数特性を改善することができる。また、例えば、スーパーハイビジョン用の２２．２チャネル音響信号の前方１１チャネルを、映像ディスプレイの周りに配したスピーカアレイによって高音質で再生することが可能となり、将来の３次元音響の家庭導入が促進される。

また、周波数特性非平坦度計算部５０は、周波数特性を多項式近似し、当該多項式の係数の二乗和に基づいて前記周波数特性の非平坦度を計算する。これにより、平坦周波数特性に対する周波数特性の概形の非平坦度を定量的に計算することが可能となる。

また、合成波面乱れ度計算部３０は、仮想音像位置に実音像を置いた場合の音圧と、重み付け駆動信号をスピーカアレイ９０により再生した際の音圧との差分を、受音エリアにおいて空間的に積分することにより、合成波面の乱れ度を計算する。これにより、これにより、実音像による波面に対するスピーカアレイ９０による波面の乱れ度を定量的に計算することが可能となる。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部材、各手段などに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部や手段などを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

例えば、スピーカアレイ駆動装置１は、２２．２チャネル音響のうち、ＦＣチャネル、ＦＬｃチャネル、ＦＲｃチャネルなど、実スピーカが存在しない表示部ＤＩＳ内のチャネルの入力信号について、重み係数乗算部７０により重み付け駆動信号を求め、ＴｐＦＬチャネルのように、実スピーカが存在するチャネルの入力信号については、式（１）に示す駆動信号をそのままスピーカアレイ９０の駆動信号とすることができる。

また、上記実施形態においては、表示部ＤＩＳを方形状の映像ディスプレイとして説明を行ったが、本発明は、方形状のディスプレイに限らず中央部分にスピーカを有しない任意のスピーカアレイに適応可能である。さらに、映像ディスプレイの周りにスピーカを配したスピーカアレイに限らず、任意のスピーカアレイにも適用可能な技術であることは言うまでもない。

本発明によれば、映像ディスプレイの周囲に配置可能なスピーカアレイにおいて、実際のスピーカが配置されていない仮想音像からの音波の合成波面や音の周波数特性を改善することができるという有用性がある。

１ スピーカアレイ駆動装置
１０ 駆動信号計算部
２０ 信号分配器
３０ 合成波面乱れ度計算部
４０ 周波数特性計算部
５０ 周波数特性非平坦度計算部
６０ 重み係数計算部
７０ 重み係数乗算部
８０ 増幅器
９０ スピーカアレイ
ＤＩＳ 表示部

Claims (4)

1. 複数のスピーカを有するスピーカアレイと
   仮想音像位置と前記スピーカアレイ中のスピーカの位置に基づき前記スピーカアレイの駆動信号を計算する駆動信号計算部と、
   前記駆動信号に対して重み係数を乗算して重み付け駆動信号を生成する重み係数乗算部と、
   前記重み付け駆動信号により前記スピーカアレイを駆動することにより受音点で得られる周波数特性を計算する周波数特性計算部と、
   前記周波数特性の非平坦度を計算する周波数特性非平坦度計算部と、
   前記重み付け駆動信号を前記スピーカアレイにより再生した際の前記受音点を含む受音エリアでの音波の合成波面の乱れ度を計算する合成波面乱れ度計算部と、
   前記周波数特性の非平坦度と前記合成波面の乱れ度とを最小化するように前記重み係数を計算する重み係数計算部と、を備えるスピーカアレイ駆動装置。
2. 前記周波数特性非平坦度計算部は、前記周波数特性を多項式近似し、当該多項式の係数の二乗和に基づいて前記周波数特性の非平坦度を計算する、請求項１に記載のスピーカアレイ駆動装置。
3. 前記合成波面乱れ度計算部は、前記仮想音像位置に実音像を置いた場合の音圧と、前記重み付け駆動信号を前記スピーカアレイにより再生した際の音圧との差分を、前記受音エリアにおいて空間的に積分することにより、前記合成波面の乱れ度を計算する、請求項１又は２に記載のスピーカアレイ駆動装置。
4. 複数のスピーカを有するスピーカアレイを備えるスピーカアレイ駆動装置におけるスピーカアレイ駆動方法であって、
   前記スピーカアレイ駆動装置による処理手順が、
   仮想音像位置と前記スピーカアレイ中のスピーカの位置に基づき前記スピーカアレイの駆動信号を計算するステップと、
   前記駆動信号に対して重み係数を乗算して重み付け駆動信号を生成するステップと、
   前記重み付け駆動信号により前記スピーカアレイを駆動することにより受音点で得られる周波数特性を計算するステップと、
   前記周波数特性の非平坦度を計算するステップと、
   前記重み付け駆動信号を前記スピーカアレイにより再生した際の前記受音点を含む受音エリアでの音波の合成波面の乱れ度を計算するステップと、
   前記周波数特性の非平坦度と前記合成波面の乱れ度とを最小化するように前記重み係数を計算するステップと、を備えるスピーカアレイ駆動方法。