平面配置スピーカシステムのための 3Dサウンド生成方法

平面配置スピーカシステムのための
3Dサウンド生成方法
会津大学
コンピュータ理工学部
情報システム学部門
上級准教授 黄 捷
研究背景
映画「アバター」が火付け役となり、家庭用３Ｄテレビへの
注目が一気に高まった。
もっとリアルなＡＶの世界を楽しむためには映像と同様に
音も３Ｄでなければならない。
• 5.1チャンネルホームシアターシステムが放送の標準
フォーマットとなり、普及しつつある。しかし、現行の5.1
チャンネルシステムは音像が水平方向に広がるだけで
あるため、もっとそれ以上に上下方向にも音像が移動
するシステムが必要となる。
従来の３Ｄサウンドシステム
ヘッドホンによるバイノーラルシステム
スピーカによるトランスノーラルシステム
3次元に立体配置するスピーカシステム
本技術の特徴
• 平面配置のスピーカのままで、3次元の音像を再現で
きる技術である。
ヘッドホンによるバイノーラルシステム
バイノーラル再生の原理
２チャンネル録音したソースを両耳にて忠実に再現する
y 実音源でない場合は頭部伝達関数によって擬似的に再現する
y
実測 HRTFs
実環境
仮想
音源
実音源
擬似環境
HRTF-r
HRTF-l
再生環境
内蔵マイク
ヘッドホン
HRTF-r
HRTF-l
バイノーラル再生
ダミーヘッド
受聴者
頭部伝達関数ＨＲＴＦは音源から耳までの伝達関数で、主に頭部及び外耳などの影響を受
け、音源の方向によって変化する。
スピーカによるトランスノーラルシステム
ヘッドホン用２チャンネルソースをスピーカシステムにより再現する
y スピーカの信号は両耳へ届くので、逆フィルタ―によるクロストークキャン
セル処理が必要となる。
{ クロストークは完全には打ち消すことは困難である
{ スピーカ位置から耳への伝達関数も測定する必要がある
{ 頭の位置は固定する必要がある
{ 環境の反響音も考慮に入れる必要がある
y
R
HR(θ,α)
HLL
HRL
仮想
音源
RLR
HL(θ,α)
HRR
バイノーラル
ソース
G
HRR
-
HRL
-
HLR
HLL
G
L
G=1/(HLLHRR-HLRHRL)
音像
(θ,α)
3次元に立体配置するスピーカシステム
全空間の音像イメージをカバーできるようにスピーカを空間上に立体的
に配置する必要がある
y スピーカの音量をVBAP (vector based amplitude panning法) によっ
て決める
y 一般家庭で高い位置のスピーカの設置が難しい
y 全空間の音像をカバーするシステムは
チャンネル数が多数必要である
音像 (θ,α)
y
受聴者
全空間を
カバーする
スピーカ
従来技術とその問題点
y 3次元に立体配置するスピーカシステム
一般家庭で多数のスピーカを高い位置に配置するのはまだ
難しい
y ヘッドホンによるバイノーラルシステム
音場は他の人と共有できない。長時間装着すると圧迫感があ
る。
y スピーカによるトランスノーラルシステム
逆フィルタ処理で音の歪が生じやすく、受聴位置も厳しく制限
される。
平面配置スピーカによる3-Dサウンド
左のスピーカ群には左のHRTFL
y 右のスピーカ群には右のHRTFR
y HRTFの効果と矛盾のない様に最適なスピーカのエネルギー配分を決める
y
ＨＴＲＦＬ
LS
SL
L
0.5
音源
信号
＋
0.5
C
BC
受聴者
R
SR
ＨＴＲＦＲ
HR
平面配置スピーカによる3-Dサウンド
スピーカグループ内のエネルギー配分を音像方向の前後によって決める
y スピーカグループ間のエネルギー配分を音像方向の左右によって決める
y 音像の仰角が一定の値以上の場合は必ず２つ以上のスピーカにエネルギー
を配分する
ＨＴＲＦＬ
y クロストークはスピーカ群を
LS
使うことによって軽減される
SL
L
ので、逆伝達関数による
キャンセル処理が
0.5
音源
必要なく、受聴の
C
＋
信号
BC
0.5
スイートスポットも
受聴者
広くなる
y
R
SR
ＨＴＲＦＲ
HR
スピーカのエネルギー配分を決める方法
y いくつかの基準方向についてのエネルギー配分
仰角９０の角度の音像を生成するために
は前後、左右の偏りがないように全ての
スピーカにエネルギーを配分する
方位角０度、仰角１５度の音像を生成する
ためにはLとRのスピーカにだけエネルギー
を配分する。
SR
R
1/6
SR
R
1/2
1/4
(0,15)
C
C
1/6
(-,90)
1/6
L
1/4
1/2
SL
L
SL
（ここで、Cスピーカにエネルギーを配分しな
いのは、Cのスピーカ位置の影響が強すぎ
るので、抑える必要があるから）
スピーカのエネルギー配分を決める方法
y そのほかの角度は基準方向の音量分配の線形結合で決める
(285,15)
R
SR
各基準方 ５チャンネルシステムの場合のAPの基準となる音像方向
向のスピー
カエネル
ギー配分 0
30 120 240 330 0
75 180 285 Ep(q, a)
0
0
0
0
0
15 15 15 15 90
(0,15)
C
C
(180,15)
(-,90)
L
SL
(75,15)
実際
の配 L
置ス
SL
ピー
カ位 SR
置
R
Total
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
1/2
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1/2 1/2
0
0
1/6
0
0
1/6
0
1/4
1/2 1/2
1/2 1/2 1/4
1/2 1/6
1
1
３Ｄサウンドシステムによる定位結果
y ８チャンネル、無響室での定位結果
新技術の特徴・従来技術との比較
y スピーカを高く配置する必要がない。
y 逆フィルタが必要ないので、処理が簡単で、音の歪も
少ない。また、スイートスポットも広い。
y 既存のシステムで再生できるので、コンテンツ生成シ
ステム以外は新たにシステムを導入する必要がない。
y 音響環境による影響を受けにくい
システムの構成と使い方
y システムの使い方
製作者
音源
ソース
エンドユーザー
３Ｄ
サウンド
システム
5チャンネル
メディア
標準
５チャンネル
システム
想定される業界
y 映画
y ゲームソフト
y テレビ番組
y 音楽コンテンツ
y 市場規模
現在標準のシステムがそのまま使えるので、市場規模
は大きい。
実用化に向けた課題
y 現在、アルゴリズムを実装して、システムの効果を検証
中で、音像定位の改善に取りかかる段階である。
y 今後、さらにテストを加え、実用化に向けて、仰角定位
精度を10度以内までに向上できるよう技術を確立する
必要もある。
企業への期待
y ３Ｄサウンドなどこれから音響分野への展開を考えて
いる企業には、本技術の導入が有効と思われる。
y これから実際に応用できるシステムの開発をしていく
ので、企業からのフィードバックは非常に役に立つも
のである。
本技術に関する知的財産権
y 発明の名称 ：
立体音響生成システム、その制御方法及び制御プ
ログラム
y 出願番号
： 特願2009-297581
y 出願人
： 公立大学法人会津大学
y 発明者
： 黄 捷
お問い合わせ先
会津大学
産学官連携コーディネーター（本杉 常治）
ＴＥＬ ０２４２−３７−２５１１
ＦＡＸ ０２４２−３７−２５４６
e-mail ubic-adm＠ubic-u-aizu.pref.fukushima.jp