JPH06315200A - 音像定位処理における距離感制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 音像定位処理における距離感制御方法を提供
するものである。所望の音像定位位置と聴取者との距離
感を忠実に再現して、奥行きと拡がりを有する立体音像
を再生可能とする。 【構成】 音像定位処理に際して、音像定位位置ｘと聴
取者Ｍとの距離ｄに応じて以下のような距離感の制御を
行う。振幅調整回路２で音源信号の振幅を距離減衰さ
せ、周波数特性調整回路４で距離に応じて信号の高域成
分を減衰させる、反射音付加回路３で距離に応じて信
号の直接音と間接音とのレベル比及び時間間隔を可変す
る、ピッチシフト（周波数制御）回路１で音像と聴取
者との相対速度に応じて信号の周波数（ピッチ）を可変
する。これらの処理をした後に、音像定位処理回路５で
音像定位処理して、一対のスピーカｓｐ１，ｓｐ２から
再生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、実際のトランスジュー
サ（スピーカ）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処理方法に係り、
特に、所望の音像定位位置と聴取者との距離感を忠実に
再現して、奥行きと拡がりを有する立体音像を再生可能
な音像定位処理における距離感制御方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】

（音像定位処理）従来より、両耳における信号のレベル
差と位相差（時間差）によって特定位置（特定方向）に
音像を感じさせる音像定位方法がある。この音像定位方
法を、デジタル回路により実現したものとして、例え
ば、特開平2-298200号公報記載の「音像形成方法及びそ
の装置」がある。このデジタル回路を用いた音像定位の
方法は、音源からの信号をＦＦＴ（FastFourier Transf
orm）変換して周波数軸上で処理し、左右の両チャンネ
ル信号に周波数に依存したレベル差と位相差とを与え
て、音像の定位をデジタル的に制御するものである。こ
の装置の各音像定位位置における、周波数に依存したレ
ベル差と位相差とは、実際の聴取者を利用した実験的な
データ（心理的なデータ）として収集されたものであ
る。

【０００３】さらに、本出願人は、上記音像定位方法に
代わるものとして、新たな音像定位方法を発明し、「音
像定位制御の方法」（出願日：平成４年１１月３０日）
「音像定位制御装置」（出願日：平成４年１２月１８
日）などを出願している。この音像定位方法は、一対の
コンボルバにより音源からの信号を時間軸上で処理して
音像を定位させるようにすると共に、音像定位用の伝達
特性（コンボルバの係数）を最終的に時間軸上のＩＲ
（インパルス応答）のデータとしたものである。

【０００４】（音像定位処理における距離感制御方法）
そして、上記した従来の音像定位方法（音像定位装置）
においては、特定位置（特定方向）に定位させるための
コンボルバ係数（フィルタ係数）で音像定位処理すると
共に、所望の音像定位位置と聴取者との距離感をだすた
めに、距離に応じて信号の音量（の大きさ）を制御して
いた。すなわち、距離と反比例するように、遠い音では
音量を小さくし、近い音では音量を大きくしていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の距離感制御方法では、所望の音像定位位置と
聴取者との距離感が忠実に再現されない。特に、距離が
遠方になったと場合に、単に音が小さくなるだけで、音
像が遠方にいったように聞えずに、同じ音像位置で音が
小さくなったように聞えてしまう。また、音像を近くに
定位させたい場合も同様で、単に音が大きくなるだけで
近くに来たようには聞えない。そこで、本発明は所望の
音像定位位置と聴取者との距離感を忠実に再現して、奥
行きと拡がりを有する立体音像を再生可能とした、音像
定位処理における距離感制御方法を提供するものであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、図１に示すように、離間して配設された複
数のトランスジューサ（スピーカｓｐ１，ｓｐ２）か
ら、（音像定位処理回路５で）音像定位処理された信号
を再生して、聴取者（Ｍ）に前記複数のトランスジュー
サとは異なる任意の位置ｘに音像が定位しているように
感じさせる音像定位処理における距離感制御方法であっ
て、所望の音像定位位置ｘと聴取者Ｍとの距離ｄに応じ
て、信号の振幅及び周波数特性を制御する（例えば、振
幅調整回路２で距離減衰させ、周波数特性調整回路４で
距離に応じて信号の高域成分を減衰させる）、また、反
射音付加回路３で距離に応じて信号の直接音と間接音と
のレベル比及び時間間隔を可変する、さらに、ピッチシ
フト（周波数制御）回路１で音像と聴取者との相対速度
に応じて信号の周波数を可変するようにしたことを特徴
とする音像定位処理における距離感制御方法を提供する
ものである。

【０００７】

【作用】上記のような音像定位処理における距離感制御
方法によれば、距離に応じて信号の振幅が増減されて、
複数のトランスジューサから再生される音量の大小が制
御される。さらに、距離に応じて信号の高域成分が減衰
されて、大気による音の吸収が再現される。また、距離
に応じて信号の直接音と間接音とのレベル比及び時間間
隔が可変されて、現実の音像空間に相当する反射音と残
響音が再現される。さらに、音像と聴取者との相対速度
に応じて信号の周波数が可変されて、ドップラー効果が
再現される。

【０００８】

【実施例】本発明になる音像定位処理における距離感制
御方法の一実施例について、以下図面と共に説明する。
最初に、音像定位処理の基本原理について説明する。こ
れは、離間して配設された一対のトランスジューサ（以
下、スピーカを例として説明する）を使用し、空間の任
意の位置に音像を定位させる技術である。

【０００９】図３は音像定位処理の原理図である。ｓｐ
１，ｓｐ２は聴取者の前方左右に配置されるスピーカで
あり、スピーカｓｐ１から聴取者左耳までの頭部伝達特
性（インパルス応答）をｈ１Ｌ、右耳までの頭部伝達特
性をｈ１Ｒ、スピーカｓｐ２から左右耳までの頭部伝達
特性をｈ２Ｌ，ｈ２Ｒとする。また、目的とする定位位
置ｘに実際のスピーカを配置したときの聴取者左右耳ま
での頭部伝達特性をｐＬｘ，ｐＲｘとする。ここでの各
伝達特性は、音響空間内のスピーカとダミーヘッド（ま
たは人頭）の両耳位置に配置されたマイクとにより実際
に測定し、適切な波形処理などを施したものである。

【００１０】次に、定位させたい音源（ソース）Ｘを信
号変換装置ｃｆＬｘ，ｃｆＲｘ（コンボルバなどによる
伝達特性）に通して得られる信号を、それぞれスピーカ
ｓｐ１，ｓｐ２で再生することを考える。このとき聴取
者左右耳に得られる信号をｅＬ，ｅＲとすると、 ｅＬ＝ｈ１Ｌ・ｃｆＬｘ・Ｘ＋ｈ２Ｌ・ｃｆＲｘ・Ｘ (式1) ｅＲ＝ｈ１Ｒ・ｃｆＬｘ・Ｘ＋ｈ２Ｒ・ｃｆＲｘ・Ｘ (〃 ) 一方、音源Ｘを目的の定位位置から再生したときに聴取
者左右耳に得られる信号をｄＬ，ｄＲとすると、 ｄＬ＝ｐＬｘ・Ｘ (式2) ｄＲ＝ｐＲｘ・Ｘ (〃 )

【００１１】ここで、スピーカｓｐ１，ｓｐ２の再生に
より聴取者左右耳に得られる信号が、目的位置から音源
を再生したときの信号に一致すれば、聴取者はあたかも
目的位置にスピーカが存在するように音像を認識するこ
ととなる。この条件ｅＬ＝ｄＬ，ｅＲ＝ｄＲと（式
１），（式２）より、Ｘを消去して ｈ１Ｌ・ｃｆＬｘ＋ｈ２Ｌ・ｃｆＲｘ＝ｐＬｘ (式3) ｈ１Ｒ・ｃｆＬｘ＋ｈ２Ｒ・ｃｆＲｘ＝ｐＲｘ (〃 ) （式３）からｃｆＬｘ，ｃｆＲｘを求めると ｃｆＬｘ＝（ｈ２Ｒ・ｐＬｘ−ｈ２Ｌ・ｐＲｘ）／Ｈ (式4a) ｃｆＲｘ＝（−ｈ１Ｒ・ｐＬｘ＋ｈ１Ｌ・ｐＲｘ）／Ｈ (〃 ) ただし、 Ｈ＝ｈ１Ｌ・ｈ２Ｒ−ｈ２Ｌ・ｈ１Ｒ (式4b)

【００１２】したがって、（式４ａ），（式４ｂ）によ
り算出した伝達特性ｃｆＬｘ，ｃｆＲｘを用いてコンボ
ルバ（畳み込み演算処理回路）等により定位させたい信
号を処理すれば、目的の位置ｘに音像を定位させること
ができる。具体的な信号変換装置の実現方法は様々考え
られるが、非対称なＦＩＲ（Finite Impulse Response
）型デジタルフィルタ（コンボルバ）として、ＤＳＰ
（Digital Signal Processor）を用いて実現すれば良
い。つまり、必要な定位位置ｘにおける伝達特性ｃｆＬ
ｘ，ｃｆＲｘとして、（式４ａ），（式４ｂ）で求めた
ものを、１回のＦＩＲフィルタ処理により実現するため
の係数として、ｃｆＬｘ，ｃｆＲｘの係数をあらかじめ
作成し、ＲＯＭのデータとして準備しておく。ＲＯＭか
ら必要な音像定位位置の係数をＦＩＲデジタルフィルタ
に転送し、音源からの信号を畳み込み演算処理して一対
のスピーカから再生すれば、所望の任意の位置に音像が
定位されることになる。

【００１３】次に、本発明の要部である距離感制御方法
について説明する。図１は、音像定位処理における距離
感制御方法を実施する装置の基本的な構成を示すもので
ある。図２は、所望の音像定位位置ｘと聴取者Ｍとの距
離ｄを説明する図であり、所定の時間（または速度）で
聴取者Ｍの側方を通り抜けていく自動車音（音源）の移
動を示す例である。

【００１４】音源回路からのモノラル信号（例えば、図
示しないシンセサイザで作られたビデオゲーム機用の自
動車音）は、ピッチシフト（周波数制御）回路１，振幅
調整回路２，反射音付加回路３，周波数特性調整回路
４，音像定位処理回路５で順次信号処理される。６はこ
れらの信号処理回路１〜５を制御するコントローラであ
る。コントローラ６はビデオゲーム機のメインＣＰＵか
らの命令（例えば図２に示すように、所定の時間（また
は速度）で聴取者Ｍの右側を通り抜けていく自動車の移
動音を処理せよとの命令）により、音像の移動処理を実
現するものである。なお、コントローラ６は、例えば聴
取者Ｍの真横の通過時刻を基準として、方向定位θを聴
取者の真横を基準とする反時計回りで表し、時間に応じ
た方向定位θとして、音像の位置を制御している。ま
た、７は反射音付加回路３用の反射音係数群が記憶され
たＲＯＭ、８は周波数特性調整回路４用のフィルタ係数
群が記憶されたＲＯＭ、９は音像定位処理回路５用の音
像定位係数テーブル（コンボルバの係数）が記憶された
ＲＯＭである。これらの反射音係数，フィルタ係数，コ
ンボルバの係数は、コントローラ６によって各回路に制
御供給されて、各処理がなされる。

【００１５】（ピッチシフト（周波数制御）処理）シン
セサイザ（図示せず）で作られたビデオゲーム機用の自
動車音は、ピッチ（周波数）制御回路１でドップラー効
果を考慮したピッチ制御、すなわち周波数制御がなされ
る。自動車音（音源）がゲーム操作者Ｍに近づく時で
は、ドップラー効果を考慮してその相対速度に応じて音
の周波数を高くし、ゲーム操作者Ｍから遠ざかる時では
低くなるように、ピッチ処理される。

【００１６】上記した聴取者Ｍの側方（距離Ｄ）を等速
（速度ｖ）で音像（自動車音）が通過していく場合で
は、次のように処理する。方向定位の変化に対しては聴
取者Ｍの真横に近づくほどその変化が速くなる。真横の
通過時刻をｔ＝０とし、方向定位θを聴取者の真横を基
準とする反時計回りで表せば、方向定位と時刻ｔとには 、 θ＝−ａｒｃｔａｎ（ｖｔ／Ｄ） の関係が成り立つ。また、音程（ピッチ）の変化に対し
ては、ドップラー効果の影響を受け、実際にでている音
の周波数をｆ、耳に聞える周波数をＦとすれば、Ｆ＝ｆ
ｃ／（ｃ−ｖｓｉｎθ）となる。ただし、ｃは音速であ
る。すなわち、音程（ピッチ）比Ｎとしたとき、 Ｎ＝Ｆ／ｆ＝ｃ／（ｃ−ｖｓｉｎθ） となるように、自動車音用の音源信号を、音像とゲーム
操作者Ｍの相対速度に応じてピッチシフト（周波数制
御）処理する。

【００１７】（振幅調整処理）ピッチ処理された音源信
号は、振幅調整処理回路２で振幅調整処理される。ゲー
ム操作者Ｍと音像との距離ｄを考慮した音量制御処理、
例えば距離ｄに反比例するように、遠い音像位置では小
さな音、近い音像位置では大きな音となるように、振幅
が制御処理される。

【００１８】すなわち、真横通過時の音量をＧとすれ
ば、真横通過時に音像はゲーム操作者Ｍに最も近付き最
も音が大きくなるといえる。そこで、この真横通過時の
音量Ｇを基準とすれば、耳に聞える音量ｇは、 ｇ＝Ｇ・ｃｏｓθ といえる。したがって、振幅調整処理回路２は、ピッチ
処理された音源信号の振幅の大きさを、上記の関係を満
たすように振幅処理して、ゲーム操作者Ｍの真横通過時
に最も音が大きくなる制御する。振幅調整処理回路２の
インパルス応答の及び周波数特性の一例を図４に示す。
同図に示すように、振幅調整処理回路２は、距離に応じ
た音の減衰を再現するものであるから、その周波数特性
はフラットである。

【００１９】また、この振幅調整処理に際して、単に距
離ｄに反比例させるのではなく、遠い位置の小さな音ほ
どそのレベルを下げても良い。例えば、距離ｄの１乗で
はなく距離の4/3 乗（ｄ^4/3 ）に反比例させると良い。
これは、実際の音響空間は、無響の状態ではなく目的の
音（音源）以外のノイズが存在し、この結果、ヒヤリン
グ可能なスレッショルドが高くなり、スレッショルドに
近い音圧の音ほどより小さく聞こえるためである。

【００２０】（反射音付加処理）振幅調整処理された音
源信号は、反射音付加回路３で反射音付加処理される。
反射音付加回路３は、距離に応じてインパルス応答が変
化する可変回路である。反射音付加回路３のインパルス
応答の及び周波数特性の一例を図５に示す。基本的に
は、音像が遠い位置では反射音（間接音）Roのレベルを
相対的に大きく、近い位置では直接音Doのレベルが相対
的に大きくなるように構成されている。 また、間接音
の位置も変化させており、音像が遠い位置にあるときで
は、直接音と反射音（間接音）の相対位置（例えば、図
５中、ｍ，ｎで示す時間間隔）を近くし（短くし）、音
像が近い位置にあるときでは、直接音と反射音（間接
音）の相対位置（時間間隔）を遠く（長く）している。

【００２１】（周波数特性調整処理）反射音付加処理さ
れた音源信号は、周波数特性調整回路４で周波数特性が
調整される。これは、距離に応じた空気よる音の吸収に
相当する処理であり、距離が大きくなるほど高域が吸収
されて減衰する状態を再現するものである。周波数特性
調整回路４は、距離が大きくなるほど高域の周波数の減
衰量が大きく、距離が小さいときではほぼフラットな周
波数特性を有する可変ローパスフィルタである。周波数
特性調整回路４の周波数特性の一例を図６に示す。同図
（Ａ）は距離が小さいときの特性で、同図（Ｂ）は距離
が大きいときの特性である。

【００２２】（音像定位処理）これらの距離感制御がな
された後に、前述した基本原理に基づいた音像定位処理
がなされる。音像定位処理回路５は、左右一対のスピー
カで立体音像を再生するために、距離感制御されたモノ
ラル音源信号を畳み込み演算処理する、例えば一対のコ
ンボルバ（図示せず）からなる畳み込み演算処理回路で
ある。なお、図７は、一対のコンボルバに供給されて処
理されるる左右のインパルス応答（コンボルバの係数ｃ
ｆＬｘ，ｃｆＲｘ）の一例である。そして、音像位置
（方向定位θ）に応じた一対のコンボルバの係数ｃｆＬ
ｘ，ｃｆＲｘが設定されて、畳み込み演算処理される。

【００２３】このようにして、例えば、自動車音が図２
に示す音像経路に沿って移動するように音像処理する場
合では、最初に、音像位置（ゲーム操作者Ｍと音像との
距離ｄ）に応じてモノラル音源信号に距離感制御の信号
処理がなされる。コントローラ６により、ピッチシフト
（周波数制御）回路１，振幅調整回路２に対して、ピッ
チシフト及び振幅調整のため制御信号が送られ、さら
に、反射音付加回路３，周波数特性調整回路４に対し
て、反射音係数及びフィルタ係数が送られる。次に、音
像位置（方向定位θ）に応じた畳み込み演算処理がなさ
れる。コントローラ６により、音像定位処理回路５（一
対のコンボルバ）に、一対のコンボルバの係数ｃｆＬ
ｘ，ｃｆＲｘが供給される。コントローラ６は、音像の
移動にあわせて、ピッチシフト及び振幅調整のため制御
信号，反射音係数，フィルタ係数，コンボルバの係数を
順次に切換え、距離感制御及び畳み込み演算される。そ
して、距離感制御及び畳み込み演算処理されたステレオ
信号を、離間して配設された一対のスピーカｓｐ１，ｓ
ｐ２で（通常のステレオ）再生すると、ゲーム操作者Ｍ
には、音像経路に沿って音像移動する自動車音として聞
かれることになる。

【００２４】以上詳述したように、本距離感制御方法で
は、音像の移動に伴う音像と聴取者（ゲーム操作者Ｍ）
との距離の変化に応じて、単にその振幅を制御するだけ
でなく、周波数特性，直接音と間接音とのレベル比及び
時間間隔，周波数（ピッチ）などの物理的な諸特性を制
御して、大気による音の吸収，現実の音像空間に相当す
る反射音と残響音，ドップラー効果などを再現するよう
にしたので、所望の音像定位位置と聴取者との距離感を
忠実に再現して、奥行きと拡がりを有する立体音像の再
生が可能である。したがって、本距離感制御方法と共に
音像定位処理することにより、所望の音像を所望の任意
の位置に、定位させることができ、正面に映像再生装置
（例えば、ディスプレイを扇状に並べた映像再生装置）
などを設置してゲーム画面と共に音響再生すれば、ケー
ム操作者Ｍの操作に応じて画面と音像が変化して、極め
て臨場感が高いアミューズメントゲーム機を構成でき
る。

【００２５】また、大気による音の吸収，現実の音像空
間に相当する反射音と残響音，ドップラー効果などの距
離感の再現は、ピッチシフト（周波数制御）回路１，振
幅調整回路２，反射音付加回路３，周波数特性調整回路
４などによる周波数特性，直接音と間接音とのレベル比
及び時間間隔，周波数などの電気的な処理で実現してい
るので、音像の移動（距離の変化）に合わせて、リアル
タイムで処理することができ、バーチャルリアリティを
実現する装置などに幅広く利用することができる。

【００２６】

【発明の効果】本発明になる距離感制御方法によれば、
音像の移動に伴う音像と聴取者（例えは、ゲーム操作
者）との距離の変化に応じて、大気による音の吸収，現
実の音像空間に相当する反射音と残響音，ドップラー効
果の変化などを再現するようにしたので、音像定位処理
に際して使用することにより、所望の音像定位位置と聴
取者との距離感が忠実に再現されて、奥行きと拡がりを
有する立体音像の再生が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる音像定位処理における距離感制御
方法の一実施例を説明する図で、音像定位処理における
距離感制御方法を実施する装置の基本的な構成を示すも
のである。

【図２】所望の音像定位位置と聴取者との距離を説明す
る図であり、所定の時間（または速度）で聴取者の側方
を通り抜けていく自動車音（音源）の移動を示す例であ
る。

【図３】音像定位処理の原理図である。

【図４】振幅調整処理回路のインパルス応答及び周波数
特性の一例である。

【図５】反射音付加回路のインパルス応答及び周波数特
性の一例である。

【図６】周波数特性調整回路の周波数特性の一例であ
る。

【図７】一対のコンボルバに供給されて処理されるイン
パルス応答の一例である。

【符号の説明】

１ ピッチシフト（周波数制御）回路 ２ 振幅調整回路 ３ 反射音付加回路 ４ 周波数特性調整回路 ５ 音像定位処理回路 ６ コントローラ Ｍ 聴取者（ゲーム操作者） ｄ 音像と聴取者（ゲーム操作者）との距離 ｘ 音像定位位置 ｓｐ１，ｓｐ２ トランスジューサ（スピーカ）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】離間して配設された複数のトランスジュー
   サから、音像定位処理された信号を再生して、聴取者に
   前記複数のトランスジューサとは異なる任意の位置に音
   像が定位しているように感じさせる音像定位処理におけ
   る距離感制御方法であって、 所望の音像定位位置と聴取者との距離に応じて、信号の
   振幅及び周波数特性を制御するようにしたことを特徴と
   する音像定位処理における距離感制御方法。
2. 【請求項２】距離に応じて、信号の高域成分を減衰させ
   て、大気による音の吸収を再現するようにしたことを特
   徴とする請求項１に記載の音像定位処理における距離感
   制御方法。
3. 【請求項３】距離に応じて、信号の直接音と間接音との
   レベル比及び時間間隔を可変して、現実の音像空間に相
   当する反射音と残響音を再現するようにしたことを特徴
   とする請求項１〜２に記載の音像定位処理における距離
   感制御方法。
4. 【請求項４】音像と聴取者との相対速度に応じて、信号
   の周波数を可変して、ドップラー効果を再現するように
   したことを特徴とする請求項１〜３に記載の音像定位処
   理における距離感制御方法。