ヘッド・トラッキング3Dヘッドホン・システムの原理

頭を動かしても音像の定位は変化しないヘッドホン
ヘッド・トラッキング3Dヘッドホン・システムの原理
−−バーチャルホン
稲永 潔文/山田 裕司
はじめに
これは，音源からリスナの両耳に至る音
耳の中で聞こえるまでの伝搬路の特性
（つ
波を，正確に模擬することにより実現で
まり伝達関数）
を正確に知れば，ヘッドホ
家庭で音楽や映画を鑑賞する際に，夜
きる．具体的な例としては，ダミーヘッ
ンでこの特性の逆フィルタを音源の音に
遅い時間や周囲の人への迷惑を気にする
ド・マイクロホン
（人間の頭の形をした人
かけてやればよいというわけである．
（た
ことなく，十分な迫力ある音量で楽しむ
形の両耳部に，一対のマイクロホンを仕
だし，ヘッドホンの特性は，逆フィルタ
ためには，ヘッドホンが欠かせない．し
掛けたもの．以下，
「ダミーヘッド・マイ
をかけてフラットにする）
．
かし従来のヘッドホン再生では，音源の
ク」という）で収音した音声信号（これを
それにしても，わざわざ人間の頭を模
置かれている位置から音が到達するよう
「バイノーラル信号」という）を，一定の条
造したマイクまでつくる必要があるのか
な，音の方向・定位感がなく，再生音像
件下でスピーカやヘッドホンを用いて再
と思われのかもしれないが，自分の耳に
が頭の中にこもってしまう
（頭の中で音が
生することによりリアルな音像の定位感
少し掌をあてると聞こえる音の特性がび
鳴っているような現像）ことから，とくに
が得られる．
っくりするほど変わることに気づくはず
音の方向性が重要な映画のようなAV ソ
ここで一定の条件とは，ダミーヘッド・
ースの鑑賞用には不向きとされていた．
マイク
（写真1）
で収音した両耳の
（L, R）
本稿では，ヘッドホン再生でも任意の
信号を，リスナのそれぞれの耳
（L, R）
に
である．
●ヘッドホンで聞こえる音とは？
方向に音像を頭外定位させることが可能
正確に再現すること，が必要条件である．
な，3D 立体音場再生技術について，そ
このような系を
「バイノーラル収音・再生
ル再生系を考える前に，ヘッドホンの再
の原理と実施例を紹介する．
系」
という．つまり，音源から，人間の両
生音はどのように聞こえるのかを，もう
ここで，ヘッドホンによるバイノーラ
一度レビューしてみよう．
静的（従来）バイノーラル
再生系
(1)一般の2ch音をヘッドホンで聴く場合
図1(a)は2ch ステレオ・ソースを，一
●定位させるための条件
般的なヘッドホンで聞いた時の再生音場
リスナに，任意の方向から到来する音
のイメージ図である．このように，2ch
の存在を認識させる（定位させる）には，
ヘッドホンで聴く場合，頭中での左右感
大きく分けて以下の2種類の方法がある．
はあるが前後感がなく，頭の中に音像が
(1) 実際の音源あるいは音像をリスナの
こもって聞こえる（頭内定位現象）
．この
周りに配置する方法
聞こえ方は，ヘッドホン・ステレオを聞
この方法の例としては，多チャネルステ
いているときに日常的に体験できる．
レオがあり，2 個以上のスピーカ間に虚
(2) バイノーラル信号音をヘッドホンで
聴く場合
音像を生成する方法が広く用いられてい
図1(b)は，先ほどのバイノーラル信号
る．この虚音像の方向定位に関しては牧
田理論がよく知られている(1)．
を同様のヘッドホンで聞いたときのイメ
(2) 仮想の音源をあたかも存在するかの
ージ図である．この図は実験結果を，ビ
ように認識させる方法
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写真 1 ダミーヘッド・マイクロホン
ジュアル化したものであるが，ダミーヘ
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ッド・マイクの向きを12 時とするとき，
音源がダミーヘッド・マイクの周りを時
計方向にぐるりと一周回った場合のマイ
ク出力をヘッドホンで聞いたときに感じ
られる音像の位置を示している
（図2）
．す
なわち，音源が2時から10時位までの後
方を含む角度内では，音源が自分の周り
（a）
2chステレオ再生
（b）
静的バイノーラル再生
（c）
動的バイノーラル再生
図 1 各種ヘッドホン再生方式による再生音場の相違
を本当に距離を隔てて移動していくのが
音源
リアルに再現されている．しかし10時の
再生音像
方向を通り過ぎたあたりから正面に向か
うにつれ音像は急激に近寄って（額すれ
リスナ
すれのところを通過して）定位は不明確
になり，再び2 時くらいの方向から距離
感のある音像が現れる．
ヘッドホン
ダミーヘッド
図 2 静的バイノーラル・ヘッドホン再生系の再生音像
●バイノーラル信号再生方式の限界
回転ダミーヘッド
この場合，ダミーヘッドの代わりにヘ
ッドホン使用者ごとに，その本人の頭を
回転同期スイッチ
頭の動き
R
用い，徹底的な高精度化と厳密な補正を
行うことにより，前方にも音像を定位さ
せることは可能である．しかしこの方法
スピーカ
は不安定で実際的ではないと経験的に考
えられている（この定位実験に関しては，
稿を改めて紹介したい）
．
リアルな音像定位が得られるにもかか
L
ヘッドホン
〈リスナ A 〉
わわらず，従来のヘッドホンによるバイ
マイクロホン
ノーラル再生系の市民権が得られなかっ
たのは，
(1)上述のように重要な正面方向に音像
を定位させ難いこと，
分岐信号
(2)ヘッドホン再生専用の特殊なソース
が必要であり，一般のスピーカ再生
用のソースと互換性を取り難いこと，
などが大きな理由である．
動的バイノーラル再生系
〈リスナ B 〉
図 3 ヘッドホン・バイノーラル再生実験
微妙な動きからあるからだといわれてい
を動かしても常に同じ景色しか見えない
る．
のは，おかしいのではないか？．逆に頭
●静的バイノーラルから動的バイノ
ーラルへの発想の転換
ドによる静的バイノーラル再生系の限界
変化するからこそ立体視（立体聴）ができ
るのではないか，と考えたからである．
そこで，前述の固定されたダミーヘッ
本当に，バイノーラル再生方式は限界
を取り除くため，頭部が運動している場
があるのだろうか．ここでもう少しバイ
合の音源から両耳に至る伝搬路の特性（頭
ノーラル方式について考察してみたい．
部伝達関数：HRTF ：Head Related
を動かしたときに景色が（音源の位置が）
●頭の動きに合わせてダミーヘッ
ド・マイクも動かすと…
この一つの要因は，ダミーヘッドはつ
Transfer Function）の変化も考慮しよ
ねに静止していることを前提にしている
うと考えた．従来の方法では，HRTFは
からではないかと考えた．人間の耳が二
一定としていたのだが，頭を動かせば当
の効果を確認するために，ヘッドホンを
つしかないのに前後感が強くわかること
然HRTFも変化しているのである．
掛けているリスナAの頭の動きに同期し
の一因は，人間の頭はつねになんらかの
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これを視覚の場合に置き換えると，頭
この頭の動き（ヘッド・ムーブメント）
て，ダミーヘッド・マイクが水平回転す
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