JP5447199B2 - 音響処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、相異なる指向性に対応する複数の音響信号を生成する技術に関する。

サラウンド形式の複数の音響信号を生成（サラウンド収音）する技術が従来から提案されている。例えば特許文献１には、相異なる方向に指向する単一指向性の４個の収音機器と無指向性の１個の収音機器とを利用して４系統の音響信号をサラウンド収音する技術が開示されている。また、独立成分分析（ICA：Independent Component Analysis）や計算論的聴覚情景分析（CASA：Computational Auditory Scene Analysis）等の公知の技術を利用した音源分離でサラウンド形式の複数の音響信号を生成することも可能である。

特開平５−１９１８８６号公報

しかし、特許文献１の技術では、サラウンド形式の４系統の音響信号の生成に５個の収音機器が必要であるから、サラウンド収音に必要な装置が大規模化するという問題がある。また、独立成分分析や計算論的聴覚情景分析を利用した音源分離では、演算処理の複雑化により処理時間（レイテンシ）や消費電力が増大するという問題がある。以上の事情を考慮して、本発明は、収音機器の総数を削減しながら簡便な処理でサラウンド形式の複数の音響信号を生成することを目的とする。

以上の課題を解決するために本発明が採用する手段を以下に説明する。なお、本発明の理解を容易にするために、以下の説明では、本発明の各要素と後述の各実施形態の要素との対応を括弧書で付記するが、本発明の範囲を実施形態の構成に限定する趣旨ではない。

本発明の音響処理装置は、前方に指向する単一指向性の第１音響信号（例えば音響信号ＸC）と、右前方および左後方に指向する双指向性の第２音響信号（例えば音響信号ＸR）と、左前方および右後方に指向する双指向性の第３音響信号（例えば音響信号ＸL）とを処理する音響処理装置であって、右前方からの到来音が強調された右前方信号（例えば音響信号ＹR）を第１音響信号と第２音響信号とから合成する右前方指向手段（例えば右前方指向部３２）と、左前方からの到来音が強調された左前方信号（例えば音響信号ＹL）を第１音響信号と第３音響信号とから合成する左前方指向手段（例えば左前方指向部３４）と、左前方および前方からの到来音が抑圧されるとともに右後方からの到来音が強調された右後方信号（例えば音響信号ＹRS）を第１音響信号と第３音響信号とから合成する右後方指向手段（例えば右後方指向部４２）と、右前方および前方からの到来音が抑圧されるとともに左後方からの到来音が強調された左後方信号（例えば音響信号ＹLS）を第１音響信号と第２音響信号とから合成する左後方指向手段（例えば左後方指向部４４）とを具備する。
以上の構成においては、第１音響信号と第２音響信号とから右前方信号が合成されるとともに第１音響信号と第３音響信号とから左前方信号が合成されるほか、第１音響信号と第３音響信号とから右後方信号が合成されるとともに第１音響信号と第２音響信号とから左後方信号が合成される。したがって、収音機器の総数を削減しながら簡便な処理でサラウンド形式の音響信号が生成されるという利点がある。

特定の指向性（単一指向性または双指向性）αの音響信号とは、指向性αの収音機器での収音信号と実質的に等価な音響信号を意味し、指向性αを有する収音機器が実際に生成した音響信号のほか、指向性α以外の指向性（無指向性を含む）の収音機器が生成した音響信号に対する信号処理で指向性αが付与された音響信号をも包含する概念である。特定の方向に指向する指向性の音響信号は、当該方向からの到来音が他方向からの到来音と比較して強調された音響信号としても把握される。例えば第１音響信号は、前方からの到来音を強調した信号に相当する。同様に、第２音響信号は、右前方および左後方からの到来音を強調した信号に相当し、第３音響信号は、左前方および右後方からの到来音を強調した信号に相当する。

なお、前方からの到来音に対する第１音響信号の極性と右前方からの到来音に対する第２音響信号の極性とが同極性である場合、右前方指向手段は、第１音響信号と第２音響信号との加算で右前方信号を生成し得る。他方、前方からの到来音に対する第１音響信号の極性と右前方からの到来音に対する第２音響信号の極性とが逆極性である場合、右前方指向手段は、第１音響信号と第２音響信号との間の減算で右前方信号を生成し得る。左前方信号の生成についても同様である。また、第１音響信号と第３音響信号とから右後方信号を合成する処理や、第１音響信号と第２音響信号とから左後方信号を合成する処理も、音響の到来方向と音響信号の極性とに応じて適宜に選定され得る。

本発明の好適な態様に係る音響処理装置は、前方からの到来音が抑圧されるように周波数毎の係数値が設定された処理係数列を生成する係数設定手段（例えば係数設定部７０）を具備し、右後方指向手段は、第３音響信号のうち左前方からの到来音を抑圧した第４音響信号（例えば音響信号ＲA）を第１音響信号と第３音響信号とから合成する第１合成手段（例えば合成部５２R）と、第４音響信号の各周波数成分に処理係数列の各係数値を作用させて右後方信号を生成する第１抑圧処理手段（例えば抑圧処理部６４R）とを含み、左後方指向手段は、第２音響信号のうち右前方からの到来音を抑圧した第５音響信号（例えば音響信号ＬA）を第１音響信号と第２音響信号とから合成する第２合成手段（例えば合成部５２L）と、第５音響信号の各周波数成分に処理係数列の各係数値を作用させて左後方信号を生成する第２抑圧処理手段（例えば抑圧処理部６４L）とを含む。以上の態様においては、第４音響信号および第５音響信号に残留する前方からの到来音の成分（残留成分）が、第１抑圧処理手段および第２抑圧処理手段にて抑圧されるから、残留成分を抑圧しない構成（右後方信号や左後方信号に前方からの到来音の成分が混在する構成）と比較して、受聴者の後方の音像の定位感を受聴者に明確に知覚させることが可能である。

本発明の好適な態様において、係数設定手段は、第４音響信号と第５音響信号とのスペクトルの加算で和成分を生成する和成分生成手段（例えば和成分生成部７２）と、前方からの到来音を抑圧した差成分を第４音響信号と第５音響信号とのスペクトルの減算で生成する差成分生成手段（例えば差成分生成部７４）と、和成分と差成分とから処理係数列を生成する係数列生成手段（例えば係数列生成部７６）とを含む。以上の態様においては、周波数領域のスペクトルの加算および減算で処理係数列が生成されるから、第４音響信号および第５音響信号における残留成分を簡易な処理で有効に抑圧できるという利点がある。

本発明の好適な態様において、右後方指向手段は、第３音響信号のスペクトルから第１音響信号のスペクトルを減算するスペクトル減算と、スペクトル減算で負数となる成分値を所定値に設定するフロアリング処理とを実行して右後方信号を生成し、左後方指向手段は、第２音響信号のスペクトルから第１音響信号のスペクトルを減算するスペクトル減算と、スペクトル減算で負数となる成分値を所定値に設定するフロアリング処理とを実行して左後方信号を生成する。以上の態様においては、スペクトル減算で発生し得る残留成分がフロアリング処理で抑圧されるから、残留成分を抑圧しない構成と比較して、受聴者の後方の音像の定位感を受聴者に明確に知覚させることが可能である。なお、以上の態様の具体例は例えば第３実施形態として詳述される。

本発明の好適な態様に係る音響処理装置は、相異なる位置に設置された無指向性の収音機器が生成した第１原信号と第２原信号と第３原信号とから第１音響信号と第２音響信号と第３音響信号とを生成する指向性付与手段（例えば指向性付与部８０）を具備する。以上の態様においては、無指向性の収音機器が生成した音響信号（第１原信号，第２原信号，第３原信号）からサラウンド形式の音響信号が生成されるから、指向性（単一指向性や双指向性）の収音機器を利用する構成と比較して音響処理装置の実現に必要な費用が削減されるという利点がある。

以上の各態様に係る音響処理装置は、音響信号の処理に専用されるＤＳＰ（Digital Signal Processor）などのハードウェア（電子回路）によって実現されるほか、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの汎用の演算処理装置とプログラム（ソフトウェア）との協働によっても実現される。本発明のプログラムは、前方に指向する単一指向性の第１音響信号と右前方および左後方に指向する双指向性の第２音響信号とから、右前方からの到来音が強調された右前方信号を合成する右前方指向処理と、第１音響信号と左前方および右後方に指向する双指向性の第３音響信号とから、左前方からの到来音が強調された左前方信号を合成する左前方指向処理と、左前方および前方からの到来音が抑圧されるとともに右後方からの到来音が強調された右後方信号を第１音響信号と第３音響信号とから合成する右後方指向処理と、右前方および前方からの到来音が抑圧されるとともに左後方からの到来音が強調された左後方信号を第１音響信号と第２音響信号とから合成する左後方指向処理とをコンピュータに実行させる。以上のプログラムによれば、本発明の音響処理装置と同様の作用および効果が実現される。本発明のプログラムは、コンピュータが読取可能な記録媒体に格納された形態で利用者に提供されてコンピュータにインストールされるほか、通信網を介した配信の形態でサーバ装置から提供されてコンピュータにインストールされる。

第１実施形態に係る音響処理装置のブロック図である。 各収音機器の位置および指向特性の説明図である。 再生システムの模式図である。 前方信号生成部のブロック図である。 前方信号生成部の動作の説明図である。 後方信号生成部のブロック図である。 後方信号生成部の動作の説明図である。 係数設定部のブロック図である。 第２実施形態に係る音響処理装置のブロック図である。 各収音機器の位置および指向性付与部の動作の説明図である。 指向性付与部のブロック図である。 指向性付与部の動作の説明図である。 第３実施形態における後方信号生成部のブロック図である。

＜Ａ：第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る音響処理装置１００Aのブロック図である。図１に示すように、音響処理装置１００Aには３個の収音機器１２（１２C，１２R，１２L）が接続される。収音機器１２Cは、周囲の音響（音声や楽音）の波形を表す時間領域の音響信号ＸCを生成する。同様に、収音機器１２Rは音響信号ＸRを生成し、収音機器１２Lは音響信号ＸLを生成する。

図２は、各収音機器１２の配置および指向特性を示す模式図である。図２に示すように、水平面内の任意の位置からみて所定の基準線ＤCに沿う片方側を「前方」と表記するとともに反対側を「後方」と表記する。また、水平面内の任意の位置からみて基準線ＤCの垂線に沿う片方側を「左方」と表記するとともに反対側を「右方」と表記する。

収音機器１２Cは、基準線ＤC上の基準点Ｐ0の前方に設置されて前方に指向する単一指向性のマイクロホンである。すなわち、収音機器１２Cは、前方からの到来音が他方向からの到来音と比較して強調された音響信号（単一指向性の音響信号）ＸCを生成する。なお、前方からの到来音に対する音響信号ＸCの極性を以下では便宜的に正極性（正相）と定義する。

収音機器１２Rは基準点Ｐ0の右前方（前方と右方との間）に設置され、収音機器１２Lは基準点Ｐ0の左前方（前方と左方との間）に設置される。具体的には、基準線ＤCに対して時計回りに角度θR（鋭角）をなす直線ＤRの線上に収音機器１２Rが設置され、基準線ＤCに対して反時計回りに角度θL（鋭角）をなす直線ＤLの線上に収音機器１２Lが設置される。収音機器１２Rと収音機器１２Lとは基準線ＤCに関して線対称な位置にある。

収音機器１２Rは、指向軸が直線ＤRに平行な双指向性のマイクロホンである。すなわち、収音機器１２Rは、右前方および左後方からの到来音が他方向からの到来音と比較して強調された音響信号（双指向性の音響信号）ＸRを生成する。音響信号ＸRの極性は、右前方からの到来音に対して音響信号ＸCと同極性（正極性）となり、左後方からの到来音に対して音響信号ＸCとは逆極性（負極性）となる。

収音機器１２Lは、指向軸が直線ＤLに平行な双指向性のマイクロホンである。すなわち、収音機器１２Lは、左前方および右後方からの到来音が他方向からの到来音と比較して強調された音響信号ＸLを生成する。音響信号ＸLの極性は、左前方からの到来音に対して音響信号ＸCと同極性（正極性）となり、右後方からの到来音に対して音響信号ＸCとは逆極性（負極性）となる。

図１の音響処理装置１００Aは、３個の収音機器１２（１２C，１２R，１２L）が並列に生成した３系統の音響信号Ｘ（ＸC，ＸR，ＸL）に対する信号処理で、相異なる指向性に対応する５系統（すなわちサラウンド形式）の音響信号Ｙ（ＹC，ＹR，ＹL，ＹRS，ＹLS）を生成する。音響信号ＹCは、基準点Ｐ0に対する前方（center）からの到来音が他方向からの到来音と比較して強調された信号である。第１実施形態では、収音機器１２Cが生成した音響信号ＸCを音響信号ＹCとして出力する。ただし、音響信号ＸCに対する所定の処理（例えば増幅）で音響信号ＹCを生成する構成も採用され得る。

音響信号ＹRは、基準点Ｐ0に対する右前方からの到来音が強調された信号であり、音響信号ＹLは、基準点Ｐ0に対する左前方からの到来音が強調された信号である。また、音響信号ＹRSは、基準点Ｐ0に対する右後方（Right-Surround）からの到来音が強調された信号であり、音響信号ＹLSは、基準点Ｐ0に対する左後方（Left-Surround）からの到来音が強調された信号である。

図３は、音響処理装置１００Aが生成した音響信号Ｙ（ＹC，ＹR，ＹL，ＹRS，ＹLS）を再生する音響システムの説明図である。図３に示すように、音響システムは、受聴者Ａを包囲するように配置された５個の放音機器１６（１６C，１６R，１６L，１６RS，１６LS）を含んで構成される。音響処理装置１００Aが生成した各音響信号Ｙが５個の放音機器１６に対して並列に供給されて音波として再生される。受聴者Ａの前方に配置された放音機器１６Cは、音響信号ＹCに応じた音波を再生する。同様に、受聴者Ａの右前方の放音機器１６Rは音響信号ＹRを再生し、受聴者Ａの左前方の放音機器１６Lは音響信号ＹLを再生する。また、受聴者Ａの右後方の放音機器１６RSは音響信号ＹRSを再生し、受聴者Ａの左後方の放音機器１６LSは音響信号ＹLSを再生する。したがって、受聴者Ａの周囲の任意の位置の仮想的な音源（音像）から音響が到来するような定位感を受聴者Ａに知覚させることが可能である。

図１に示すように、音響処理装置１００Aは、演算処理装置２２と記憶装置２４とを具備する。記憶装置２４は、演算処理装置２２が実行するプログラムＰGMや演算処理装置２２が使用するデータを記憶する。半導体記録媒体や磁気記録媒体などの公知の記録媒体や複数種の記録媒体の組合せが記憶装置２４として任意に採用される。演算処理装置２２は、記憶装置２４に格納されたプログラムＰGMを実行することで、３系統の音響信号Ｘ（ＸC，ＸR，ＸL）から５系統の音響信号Ｙ（ＹC，ＹR，ＹL，ＹRS，ＹLS）を生成するための複数の機能（前方信号生成部３０，後方信号生成部４０A）を実現する。なお、演算処理装置２２の各機能を複数の集積回路に分散した構成や、専用の電子回路（ＤＳＰ）が各機能を実現する構成も採用され得る。

前方信号生成部３０は、音響信号Ｘ（ＸC，ＸR，ＸL）から音響信号ＹRおよび音響信号ＹLを生成する。図１に示すように、前方信号生成部３０は、右前方指向部３２と左前方指向部３４とを含んで構成される。右前方指向部３２は、音響信号ＸCと音響信号ＸRとから音響信号ＹRを合成し、左前方指向部３４は、音響信号ＸCと音響信号ＸLとから音響信号ＹLを合成する。

図４は、前方信号生成部３０のブロック図であり、図５は、前方信号生成部３０の動作の説明図である。図４に示すように、右前方指向部３２は、合成部３６Rと調整部３８Rとを含んで構成される。合成部３６Rは、音響信号ＸCと音響信号ＸRとを加算する。調整部３８Rは、合成部３６Rの出力信号の振幅を調整して音響信号ＹRを生成する。所定の係数（例えば0.5）を乗算する乗算器が調整部３８Rとして好適に採用される。図５から理解されるように、音響信号ＸRのうち右前方からの到来音に対応する成分と音響信号ＸCとは同極性であるから、音響信号ＸCと音響信号ＸRとの加算を含む演算で生成される音響信号ＹRにおいては、基準点Ｐ0に対する右前方からの到来音が他方向からの到来音と比較して強調される。

図４の左前方指向部３４は、右前方指向部３２と同様に、音響信号ＸCと音響信号ＸLとを加算する合成部３６Lと、合成部３６Lの出力信号の振幅を調整する調整部３８L（例えば所定の係数を乗算する乗算器）とを含んで構成される。したがって、図５から理解されるように、左前方指向部３４が生成する音響信号ＹLは、基準点Ｐ0に対する左前方からの到来音が他方向からの到来音と比較して強調された信号となる。なお、右前方指向部３２や左前方指向部３４においては、合成部（３６R，３６L）による信号の加算と調整部（３８R，３８L）による振幅の調整との先後を逆転させた構成も採用され得る。

図１の後方信号生成部４０Aは、音響信号Ｘ（ＸC，ＸR，ＸL）から音響信号ＹRSおよび音響信号ＹLSを生成する。図６は、後方信号生成部４０Aのブロック図である。図６に示すように、後方信号生成部４０Aは、合成部５２Rおよび合成部５２Lと成分抑圧部５４と調整部５６Rおよび調整部５６Lとを含んで構成される。

図７は、合成部５２Rおよび合成部５２Lの動作の説明図である。図６の合成部５２Rは、音響信号ＸCと音響信号ＸLとの合成で音響信号ＲAを生成する。具体的には、合成部５２Rは、音響信号ＸCと音響信号ＸLとの逆相加算（減算）で音響信号ＲA（ＲA＝ＸC−ＸL）を生成する加算器である。音響信号ＸLのうち左前方からの到来音の成分は音響信号ＸCと同極性（正極性）であり、音響信号ＸLのうち右後方からの到来音の成分は音響信号ＸCと逆極性（負極性）である。したがって、図７から理解されるように、音響信号ＸCと音響信号ＸLとの逆相加算で生成される音響信号ＲAにおいては、音響信号ＸLのうち左前方からの到来音の成分（音響信号ＸCとの重複成分）が抑圧されるとともに右後方からの到来音の成分が強調される。

他方、図６の合成部５２Lは、音響信号ＸCと音響信号ＸRとの合成で音響信号ＬAを生成する。具体的には、合成部５２Lは、音響信号ＸCと音響信号ＸRとの逆相加算（減算）で音響信号ＬA（ＬA＝ＸC−ＸR）を生成する。したがって、図７から理解されるように、音響信号ＬAにおいては、音響信号ＸRのうち右前方からの到来音の成分（音響信号ＸCとの重複成分）が抑圧されるとともに左後方からの到来音の成分が強調される。

ところで、図７から理解されるように、合成部５２Rが生成する音響信号ＲAには、音響信号ＸCのうち音響信号ＸLに含まれない前方からの到来音の成分が残留する。同様に、合成部５２Lが生成する音響信号ＬAには、音響信号ＸCのうち音響信号ＸRに含まれない前方からの到来音の成分が残留する。図６の成分抑圧部５４は、音響信号ＲAおよび音響信号ＬAの各々における前方からの到来音の成分（以下「残留成分」と総称する）を抑圧することで音響信号ＲDおよび音響信号ＬDを生成する。

図６に示すように、成分抑圧部５４は、周波数分析部６２と信号処理部６４と波形合成部６６と係数設定部７０とを含んで構成される。周波数分析部６２は、音響信号ＲAの周波数スペクトル（複素スペクトル）ＲBと音響信号ＬAの周波数スペクトル（複素スペクトル）ＬBとを時間軸上の単位期間（フレーム）毎に順次に生成する。周波数スペクトルＲBは、相異なる周波数に対応するＫ個の周波数成分ＲB[1]〜ＲB[K]の系列である。同様に、周波数スペクトルＬBは、Ｋ個の周波数成分ＬB[1]〜ＬB[K]の系列である。周波数スペクトルＲBおよび周波数スペクトルＬBの生成には、短時間フーリエ変換などの公知の周波数分析が任意に採用され得る。

係数設定部７０は、音響信号ＲAおよび音響信号ＬAの残留成分を抑圧するための処理係数列ＧSを生成する。処理係数列ＧSは、相異なる周波数に対応するＫ個の係数値ｇS[1]〜ｇS[K]の系列であり、周波数スペクトルＲBと周波数スペクトルＬBとを利用して単位期間毎に順次に生成される。係数値ｇS[k]（ｋ＝１〜Ｋ）は、音響信号ＲAの周波数成分ＲB[k]や音響信号ＬAの周波数成分ＬB[k]に対するゲイン（スペクトルゲイン）に相当し、０以上かつ１以下の範囲内で設定される。具体的には、処理係数列ＧSの係数値ｇS[1]〜ｇS[K]は、残留成分のパワー（振幅）が大きい周波数の係数値ｇS[k]ほどゼロに近い数値となり、残留成分のパワーが小さい周波数の係数値ｇS[k]ほど１に近い数値となる。なお、処理係数列ＧSを生成する具体的な方法については後述する。

信号処理部６４は、係数設定部７０が生成した処理係数列ＧSを各単位期間の周波数スペクトルＲBおよび周波数スペクトルＬBに対して順次に作用させる。図６に示すように、信号処理部６４は、周波数スペクトルＲBに処理係数列ＧSを作用させて周波数スペクトルＲC（周波数成分ＲC[1]〜ＲC[K]）を生成する抑圧処理部６４Rと、周波数スペクトルＬBに処理係数列ＧSを作用させて周波数スペクトルＬC（周波数成分ＬC[1]〜ＬC[K]）を生成する抑圧処理部６４Lとを含んで構成される。

具体的には、抑圧処理部６４Rは、以下の数式(1A)に示すように、周波数スペクトルＲBの周波数成分ＲB[k]と処理係数列ＧSの係数値ｇS[k]との乗算で周波数スペクトルＲCの周波数成分ＲC[k]を算定する。同様に、抑圧処理部６４Lは、以下の数式(1B)に示すように、周波数スペクトルＬBの周波数成分ＬB[k]と処理係数列ＧSの係数値ｇS[k]との乗算で周波数スペクトルＬCの周波数成分ＬC[k]を算定する。

図６の波形合成部６６は、信号処理部６４が生成した周波数スペクトルＲCおよび周波数スペクトルＬCから時間領域の音響信号ＲDおよび音響信号ＬDを生成する。具体的には、波形合成部６６は、単位期間毎の周波数スペクトルＲCを逆フーリエ変換で時間領域の信号に変換するとともに前後の単位期間について相互に連結することで音響信号ＲDを生成する。同様に、波形合成部６６は、各周波数スペクトルＬCから音響信号ＬDを生成する。

図６の調整部５６Rは、成分抑圧部５４が生成した音響信号ＲDの振幅を調整することで音響信号ＹRSを生成する。例えば所定値の乗算で音響信号ＲDを増幅する乗算器が調整部５６Rとして採用され得る。同様に、図６の調整部５６L（例えば乗算器）は、成分抑圧部５４が生成した音響信号ＬDの振幅を調整することで音響信号ＹLSを生成する。

以上の説明から理解されるように、音響信号ＹRSでは右後方からの到来音が強調され、音響信号ＹLSでは左後方からの到来音が強調される。すなわち、合成部５２Rと周波数分析部６２と抑圧処理部６４Rと波形合成部６６と調整部５６Rとは、音響信号ＸCと音響信号ＸLとから音響信号ＹRSを合成する右後方指向部４２として機能し、合成部５２Lと周波数分析部６２と抑圧処理部６４Lと波形合成部６６と調整部５６Lとは、音響信号ＸCと音響信号ＸRとから音響信号ＹLSを合成する左後方指向部４４として機能する。

次に、図８を参照して係数設定部７０の具体的な構成を説明する。図８に示すように、係数設定部７０は、和成分生成部７２と差成分生成部７４と係数列生成部７６とを含んで構成される。和成分生成部７２は、以下の数式(2)で表現されるように、音響信号ＲAの周波数スペクトルＲBと音響信号ＲAの周波数スペクトルＬBとの加算で単位期間毎に順次に和成分Ｍ（Ｋ個の周波数成分Ｍ[1]〜Ｍ[K]で表現される複素スペクトル）を生成する。

図８の差成分生成部７４は、音響信号ＲAの周波数スペクトルＲBと音響信号ＬAの周波数スペクトルＬBとの間の減算で単位期間毎に順次に差成分Ｓ（Ｋ個の周波数成分Ｓ[1]〜Ｓ[K]で表現される複素スペクトル）を生成する。具体的には、差成分生成部７４は、以下の数式(3)の演算（加重減算）で周波数成分Ｓ[1]〜Ｓ[K]を算定する。

数式(3)の記号αは所定の係数（０≦α≦１）である。数式(3)から理解されるように、係数αに応じた比率（加重値）で周波数成分ＬB[k]から周波数成分ＲB[k]を減算することで差成分Ｓの周波数成分Ｓ[k]が算定される。したがって、差成分Ｓは、音響信号ＲAおよび音響信号ＬAにおいて係数αに応じた方向の成分を他方向の成分に対して相対的に抑圧した信号となる。本実施形態では、音響信号ＲAと音響信号ＬAとに共通に含まれる残留成分（前方からの到来音）が差成分Ｓにて抑圧されるように係数αの数値が設定される（例えばα＝0.5）。なお、数式(3)が最大値max(α,1-α)での除算を含むのは、周波数成分Ｓ[k]の強度を周波数成分ＲB[k]や周波数成分ＬB[k]と同等に維持するためである。

図８の係数列生成部７６は、和成分生成部７２が生成した和成分Ｍと差成分生成部７４が生成した差成分Ｓとから単位期間毎に順次に処理係数列ＧSを生成する。図８に示すように、係数列生成部７６は、処理係数列ＧE（Ｋ個の係数値ｇE[1]〜ｇE[K]の系列）を生成する第１生成部７６２と、処理係数列ＧEから処理係数列ＧS（係数値ｇS[1]〜ｇS[K]）を生成する第２生成部７６４とを含んで構成される。

第１生成部７６２は、以下の数式(4)の演算で処理係数列ＧEの各係数値ｇE[k]を算定する。なお、数式(4)が振幅|Ｍ[k]|での除算を含むのは、係数値ｇE[k]を１以下の数値（０≦ｇE[k]≦１）に正規化するためである。

数式(4)の変数（パワー）Ｐ[k]は、例えば以下の数式(5A)および数式(5B)で算定される。

数式(5A)から理解されるように、数式(4)の変数Ｐ[k]の数値は、和成分Ｍのパワー|Ｍ[k]|²から差成分Ｓのパワー|Ｓ[k]|²を減算（スペクトル減算）した数値に設定される。ただし、和成分Ｍのパワー|Ｍ[k]|²が差成分Ｓのパワー|Ｓ[k]|²以下となる周波数での変数Ｐ[k]の数値は、和成分Ｍのパワー|Ｍ[k]|²と所定の係数（フロアリング係数）βとの乗算値に設定される（フロアリング処理）。

差成分Ｓの周波数成分Ｓ[k]は残留成分を抑圧した成分であるから、数式(5A)および数式(5B)で算定される変数Ｐ[1]〜Ｐ[K]の系列は、和成分Ｍに含まれる残留成分を強調したパワースペクトルに相当する。したがって、処理係数列ＧEの係数値ｇE[1]〜ｇE[K]は、残留成分のパワー（振幅）が大きい周波数の係数値ｇE[k]ほど１に近い数値となり、残留成分のパワーが小さい周波数の係数値ｇE[k]ほどゼロに近い数値となる。

図８の第２生成部７６４は、第１生成部７６２が生成した処理係数列ＧEを利用して残留成分の抑圧用の処理係数列ＧSを生成する。具体的には、第２生成部７６４は、以下の数式(6)で定義されるように、処理係数列ＧEの各係数値ｇE[k]を所定値（本形態では１）から減算することで処理係数列ＧSの各係数値ｇS[k]を算定する。

数式(6)から理解されるように、第２生成部７６４が生成する処理係数列ＧSの係数値ｇS[1]〜ｇS[K]は、残留成分の強度（パワー）が大きい周波数の係数値ｇS[k]ほどゼロに近い数値となり、残留成分の強度（パワー）が小さい周波数の係数値ｇS[k]ほど１に近い数値となる。したがって、周波数スペクトルＲBおよび周波数スペクトルＬBの各々に信号処理部６４が処理係数列ＧSを乗算することで、前方からの残留成分を抑圧して右後方からの到来音を強調した音響信号ＹRS（ＲD）と、前方からの残留成分を抑圧して左後方からの到来音を強調した音響信号ＹLS（ＬD）とが生成される。

以上に説明した第１実施形態によれば、サラウンド形式の５系統の音響信号Ｙ（ＹC，ＹR，ＹL，ＹRS，ＹLS）が３系統の音響信号Ｘ（ＸC，ＸR，ＸL）に対する信号処理で生成されるから、例えば特許文献１の技術と比較して音響処理装置１００Aを小型化することが可能である。また、独立成分分析（ICA）や計算論的聴覚情景分析（CASA）を利用した音源分離と比較して非常に簡便な処理で複数の音響信号Ｙが生成される。したがって、処理時間（レイテンシ）や消費電力が削減されるという利点がある。なお、音響の調波構造を利用する計算論的聴覚情景分析では音源分離の対象が調波構造を持つ音響信号に制約されるが、音響信号Ｘの調波構造を前提としない第１実施形態によれば、音響信号Ｘの調波構造の有無に関わらず処理できるという利点もある。

また、第１実施形態においては、音響信号ＸCと音響信号ＸLとから合成された音響信号ＲAのうち前方から到来する残留成分を抑圧処理部６４Rにて抑圧することで音響信号ＹRSが生成され、音響信号ＸCと音響信号ＸRとから合成された音響信号ＬAのうち前方から到来する残留成分を抑圧処理部６４Lにて抑圧することで音響信号ＹLSが生成される。したがって、残留成分を抑圧しない構成と比較すると、基準点Ｐ0の後方（左後方，右後方）に位置する音源の音像の定位感を、受聴者Ａに明確に知覚させることが可能である。

＜Ｂ：第２実施形態＞
本発明の第２実施形態について説明する。第１実施形態では指向性（単一指向性，双指向性）の収音機器１２を利用したが、第２実施形態では無指向性の３個の収音機器１２を利用して５系統の音響信号Ｙ（ＹC，ＹR，ＹL，ＹRS，ＹLS）を生成する。なお、以下の各例示において作用や機能が第１実施形態と同等である要素については、以上の説明で参照した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。

図９は、第２実施形態の音響処理装置１００Bのブロック図である。図９に示すように、音響処理装置１００Bには、無指向性の３個の収音機器１２（１２C，１２R，１２L）が接続される。収音機器１２Cは音響信号ＶCを生成し、収音機器１２Rは音響信号ＶRを生成し、収音機器１２Lは音響信号ＶLを生成する。

図１０は、各収音機器１２の位置を示す模式図である。図１０に示すように、収音機器１２Cは基準線ＤCの線上の基準点Ｐ0に設置される。また、収音機器１２Rは、基準線ＤCに対して角度θR（鋭角）をなす直線ＤRの線上に設置され、収音機器１２Lは、基準線ＤCに対して角度θL（|θL|＝|θR|）をなす直線ＤLの線上に設置される。収音機器１２Rと収音機器１２Lとは基準線ＤCに関して線対称な位置にある。

図９に示すように、第２実施形態の音響処理装置１００Bは、第１実施形態の音響処理装置１００Aに指向性付与部８０を追加した構成である。指向性付与部８０は、音響信号ＶCと音響信号ＶRと音響信号ＶLとに対する信号処理（指向性付与）で音響信号ＸCと音響信号ＸRと音響信号ＸLとを生成する。第１実施形態と同様に、音響信号ＸCは、前方からの到来音が強調された信号（単一指向性の信号）である。また、音響信号ＸRは、右前方および左後方からの到来音が強調された双指向性の信号であり、音響信号ＸLは、左前方および右後方からの到来音が強調された双指向性の信号である。

図１１は、指向性付与部８０のブロック図である。図１１に示すように、指向性付与部８０は、双指向付与部８２Rと双指向付与部８２Lと単一指向付与部８４とを含んで構成される。双指向付与部８２Rは、音響信号ＶCおよび音響信号ＶRから双指向性の音響信号ＸRを生成する。具体的には、双指向付与部８２Rは、音響信号ＶRから音響信号ＶCを減算することで音響信号ＸRを生成する。音響信号ＶRから音響信号ＶCを減算すると、図１０に実線で示すように、収音機器１２Rと収音機器１２Cとの垂直二等分線ＤVRの方向からの到来音が他方向からの到来音と比較して抑圧される。すなわち、垂直二等分線ＤVRの方向に収音の死角が形成される。したがって、双指向付与部８２Rが生成する音響信号ＸRは、第１実施形態と同様に、指向軸が基準線ＤCに対して角度θRをなす双指向性の信号（すなわち、右前方および左後方からの到来音が強調された信号）となる。なお、音響信号ＶRから音響信号ＶCが減算されるため、音響信号ＸRは、第１実施形態と同様に、右前方からの到来音に対して正極性となる。

双指向付与部８２Rと同様に、図１１の双指向付与部８２Lは、音響信号ＶLから音響信号ＶCを減算することで音響信号ＸLを生成する。音響信号ＶLから音響信号ＶCを減算することで収音機器１２Lと収音機器１２Cとの垂直二等分線ＤVLの方向に収音の死角が形成される。したがって、双指向付与部８２Lが形成する音響信号ＸLは、第１実施形態と同様に、左前方および右後方からの到来音が強調された信号となる。

単一指向付与部８４は、前方に指向する単一指向性の音響信号ＸCを生成する。図１１に示すように、単一指向付与部８４は、合成部８４２と遅延部８４４と合成部８４６とを含んで構成される。図１２は、単一指向付与部８４の作用の説明図である。合成部８４２は、音響信号ＶRと音響信号ＶLとの加算で音響信号ＶRLを生成する。収音機器１２Rおよび収音機器１２Lは無指向性であるから、合成部８４２が生成する音響信号ＶRLは、図１２に鎖線で図示したように、収音機器１２Rと収音機器１２Lとの中点に位置する仮想的な全指向性の収音機器１２RLが生成する信号に近似する。

図１１の遅延部８４４は、音響信号ＶCを遅延量ｔだけ遅延させた音響信号ＶC_tを生成する。遅延量ｔは、後方からの到来音（速度ｃ）が収音機器１２Cから図１２の仮想的な収音機器１２RLまでの距離ｄを伝播するのに必要な時間長（ｔ＝ｄ/ｃ）に設定される。図１１の合成部８４６は、合成部８４２が生成した音響信号ＶRLから遅延部８４４による遅延後の音響信号ＶC_tを減算することで音響信号ＸCを生成する。後方からの到来音の成分は音響信号ＶRLと音響信号ＶC_tとで同位相となるから、合成部８４６による減算で相殺される。すなわち、収音の死角が形成される。したがって、図１２に実線で示すように、音響信号ＸCは、前方からの到来音を強調した単一指向性の信号となる。

以上の方法で指向性付与部８０が生成した３系統の音響信号Ｘ（ＸC，ＸR，ＸL）を図９の前方信号生成部３０および後方信号生成部４０Aが処理する。前方信号生成部３０および後方信号生成部４０Aによる処理の内容は第１実施形態と同様である。したがって、第２実施形態においても第１実施形態と同様の効果が実現される。また、第２実施形態においては、無指向性の収音機器１２（１２C，１２R，１２L）を利用できるから、単一指向性の収音機器１２Cと双指向性の収音機器１２Rおよび収音機器１２Lとが必要な第１実施形態と比較して、音響処理装置１００Bの実現に必要な費用を削減できるという利点がある。

＜Ｃ：第３実施形態＞
第３実施形態の音響処理装置１００Cは、第１実施形態の後方信号生成部４０Aを図１３の後方信号生成部４０Bに置換した構成である。図１３に示すように、後方信号生成部４０Bは、周波数分析部９２と減算処理部９４Rおよび減算処理部９４Lと波形合成部９６とを含んで構成される。周波数分析部９２は、音響信号ＸCの周波数スペクトルＱC（周波数成分ＱC[1]〜ＱC[K]）と音響信号ＸRの周波数スペクトルＱR（周波数成分ＱR[1]〜ＱR[K]）と音響信号ＸLの周波数スペクトルＱL（周波数成分ＱL[1]〜ＱL[K]）とを、周波数分析部６２と同様の処理で単位期間毎に順次に生成する。

減算処理部９４Rは、音響信号ＸCの周波数スペクトルＱCと音響信号ＸLの周波数スペクトルＱLとから音響信号ＹRSの周波数スペクトルＱRS（周波数成分ＱRS[1]〜ＱRS[K]）を生成する。減算処理部９４Lは、音響信号ＸCの周波数スペクトルＱCと音響信号ＸRの周波数スペクトルＱRとから音響信号ＹLSの周波数スペクトルＱLS（周波数成分ＱLS[1]〜ＱLS[K]）を生成する。波形合成部９６は、減算処理部９４Rが順次に生成する周波数スペクトルＱRSから時間領域の音響信号ＹRSを合成し、減算処理部９４Lが順次に生成する周波数スペクトルＱLSから時間領域の音響信号ＹLSを生成する。減算処理部９４Rおよび減算処理部９４Lの処理を以下に詳述する。

減算処理部９４Rが生成する周波数スペクトルＱRSの周波数成分ＱRS[k]は、以下の数式(7)で表現される。

数式(7)の記号ｊは虚数単位を意味し、記号θR[k]は音響信号ＸLの位相角を意味する。減算処理部９４Rは、以下の数式(8A)および数式(8B)の演算で数式(7)のパワーＰRS[k]（ＰRS[k]＝|ＱRS[k]|²）を算定する。

数式(8A)から理解されるように、音響信号ＹRSのパワーＰRS[k]は、音響信号ＸLのパワー|ＱL[k]|²から音響信号ＸCのパワー|ＱC[k]|²を減算する処理（スペクトル減算）で算定される。ただし、スペクトル減算で負数となる周波数のパワーＰRS[k]は、音響信号ＸLのパワー|ＱL[k]|²と所定の係数（例えば１以下の正数）βとの乗算値に設定される（フロアリング処理）。

音響信号ＸLのうち左前方からの到来音の成分（音響信号ＸCとの重複成分）は数式(8A)のスペクトル減算で抑圧される。また、音響信号ＸCの残留成分（前方からの到来音）の周波数が音響信号ＸLと相違すると仮定すると、残留成分のパワー|ＱC[k]|²は音響信号ＸLのパワー|ＱL[k]|²を上回るから（|ＱL[k]|²＜|ＱC[k]|²）、周波数スペクトルＱRSのうち残留成分（前方からの到来音）が存在する周波数でのパワーＰRS[k]は、数式(8B)のフロアリング処理で所定値（β|ＱL[k]|²）に設定される。したがって、周波数スペクトルＱRSでは音響信号ＸCの残留成分が抑圧される。以上の説明から理解されるように、周波数分析部９２と減算処理部９４Rと波形合成部９６とは、左前方および前方（残留成分）からの到来音が抑圧されるとともに右後方からの到来音が強調された音響信号ＹRSを生成する右後方指向部４２として機能する。

減算処理部９４Rと同様に、減算処理部９４Lは、音響信号ＸRのパワー|ＱR[k]|²から音響信号ＸCのパワー|ＱC[k]|²を減算することで音響信号ＹLSのパワーＰLS[k]を算定するスペクトル減算と、スペクトル減算で負数となる周波数のパワーＰLS[k]を所定値（β|ＱR[k]|²）に設定するフロアリング処理とを実行することで、音響信号ＹLSの周波数スペクトルＱLSを生成する。すなわち、周波数分析部９２と減算処理部９４Lと波形合成部９６とは、右前方および前方（残留成分）からの到来音が抑圧されるとともに左後方からの到来音が強調された音響信号ＹLSを生成する左後方指向部４４として機能する。

以上に説明したように、第３実施形態においては、サラウンド形式の５系統の音響信号Ｙ（ＹC，ＹR，ＹL，ＹRS，ＹLS）が３系統の音響信号Ｘ（ＸC，ＸR，ＸL）に対する信号処理で生成されるから、第１実施形態と同様に、音響処理装置１００Cを小型化することが可能である。なお、以上においては第１実施形態を基礎として第３実施形態を説明したが、第２実施形態の後方信号生成部４０A（図９）を第３実施形態の後方信号生成部４０Bに置換した構成も採用され得る。

＜Ｄ：変形例＞
以上の各形態は多様に変形され得る。具体的な変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された２以上の態様は適宜に併合され得る。

（１）変形例１
以上の各形態では、５系統の音響信号Ｙ（ＹC，ＹR，ＹL，ＹRS，ＹLS）を生成したが、サラウンド形式の４系統の音響信号Ｙ（ＹC，ＹR，ＹL，ＹS）を生成する構成も採用される。音響信号ＹSは、後方（左後方や右後方）からの到来音が強調された信号であり、例えば、後方信号生成部４０（４０A，４０B）が生成した音響信号ＹRSと音響信号ＹLSとの合成（例えば加算や減算）で生成される。

（２）変形例２
第１実施形態および第２実施形態では、音響信号ＲAの周波数スペクトルＲBや音響信号ＬAの周波数スペクトルＬBに処理係数列ＧSの各係数値ｇS[k]を乗算したが（数式(1A)，数式(1B)）、信号処理部６４（抑圧処理部６４R，抑圧処理部６４L）による処理の内容は適宜に変更される。例えば、数式(4)で算定される処理係数列ＧEの各係数値ｇE[k]は、残留成分のパワー（振幅）が大きい周波数の係数値ｇE[k]ほど１に近い数値となり、残留成分のパワーが小さい周波数の係数値ｇE[k]ほどゼロに近い数値となる。したがって、抑圧処理部６４Rが音響信号ＲAの周波数スペクトルＲBから処理係数列ＧEを減算することで周波数スペクトルＲC（ＲC[k]＝ＲB[k]−ｇE[k]）を生成する構成や、抑圧処理部６４Lが音響信号ＬAの周波数スペクトルＬBから処理係数列ＧEを減算することで周波数スペクトルＬC（ＬC[k]＝ＬB[k]−ｇE[k]）を生成する構成も採用され得る。なお、残留成分の抑圧に処理係数列ＧEを利用する構成では処理係数列ＧSの生成が省略される。

（３）変形例３
第１実施形態および第２実施形態では、和成分Ｍと差成分Ｓとのスペクトル減算で生成された処理係数列ＧSを音響信号ＲA（周波数スペクトルＲB）および音響信号ＬA（周波数スペクトルＬB）に作用させたが、残留成分の抑圧には、前方からの到来音を選択的に抑圧する公知の技術（いわゆるマイナスワン処理）が任意に採用され得る。

（４）変形例４
第３実施形態おいて、数式(8B)のフロアリング処理による設定値（β|ＱL[k]|²）は任意に変更される。例えば、数式(8A)のスペクトル減算で負数となる周波数のパワーＰRS[k]を、音響信号ＸLや音響信号ＸCとは無関係の所定値（例えばゼロ）に設定する構成も採用され得る。音響信号ＸLSのパワーＰLS[k]の算定についても同様である。

（５）変形例５
以上の各形態で説明した処理を、所定の周波数帯域内の成分のみに限定的に適用する構成も採用され得る。また、各音響信号Ｘ（ＸC，ＸR，ＸL）を複数の周波数帯域に分割し、以上の各形態での処理を周波数帯域毎に並列に実行してから合成する構成も採用され得る。

１００A，１００B，１００C……音響処理装置、１２（１２C，１２R，１２L）……収音機器、１６……放音機器、２２……演算処理装置、２４……記憶装置、３０……前方信号生成部、３２……右前方指向部、３６R，３６L……合成部、３８R，３８L……調整部、３４……左前方指向部、４０A，４０B……後方信号生成部、４２……右後方指向部、４４……左後方指向部、５２R，５２L……合成部、５４……成分抑圧部、５６R，５６L……調整部、６２……周波数分析部、６４……信号処理部、６４R，６４L……抑圧処理部、６６……波形合成部、７０……係数設定部、７２……和成分生成部、７４……差成分生成部、７６……係数列生成部、７６２……第１生成部、７６４……第２生成部、８０……指向性付与部、８２R，８２L……双指向付与部、８４……単一指向付与部、８４２，８４６……合成部、８４４……遅延部。

Claims (5)

1. 前方に指向する単一指向性の第１音響信号と、右前方および左後方に指向する双指向性の第２音響信号と、左前方および右後方に指向する双指向性の第３音響信号とを処理する音響処理装置であって、
   右前方からの到来音が強調された右前方信号を前記第１音響信号と前記第２音響信号とから合成する右前方指向手段と、
   左前方からの到来音が強調された左前方信号を前記第１音響信号と前記第３音響信号とから合成する左前方指向手段と、
   左前方および前方からの到来音が抑圧されるとともに右後方からの到来音が強調された右後方信号を前記第１音響信号と前記第３音響信号とから合成する右後方指向手段と、
   右前方および前方からの到来音が抑圧されるとともに左後方からの到来音が強調された左後方信号を前記第１音響信号と前記第２音響信号とから合成する左後方指向手段と
   を具備する音響処理装置。
2. 前方からの到来音が抑圧されるように周波数毎の係数値が設定された処理係数列を生成する係数設定手段を具備し、
   前記右後方指向手段は、
   前記第３音響信号のうち左前方からの到来音を抑圧した第４音響信号を前記第１音響信号と前記第３音響信号とから合成する第１合成手段と、
   前記第４音響信号の各周波数成分に前記処理係数列の各係数値を作用させて前記右後方信号を生成する第１抑圧処理手段とを含み、
   前記左後方指向手段は、
   前記第２音響信号のうち右前方からの到来音を抑圧した第５音響信号を前記第１音響信号と前記第２音響信号とから合成する第２合成手段と、
   前記第５音響信号の各周波数成分に前記処理係数列の各係数値を作用させて前記左後方信号を生成する第２抑圧処理手段とを含む
   請求項１の音響処理装置。
3. 前記係数設定手段は、
   前記第４音響信号と前記第５音響信号とのスペクトルの加算で和成分を生成する和成分生成手段と、
   前方からの到来音を抑圧した差成分を前記第４音響信号と前記第５音響信号とのスペクトルの減算で生成する差成分生成手段と、
   前記和成分と前記差成分とから前記処理係数列を生成する係数列生成手段とを含む
   請求項２の音響処理装置。
4. 前記右後方指向手段は、前記第３音響信号のスペクトルから前記第１音響信号のスペクトルを減算するスペクトル減算と、前記スペクトル減算で負数となる成分値を所定値に設定するフロアリング処理とを実行して前記右後方信号を生成し、
   前記左後方指向手段は、前記第２音響信号のスペクトルから前記第１音響信号のスペクトルを減算するスペクトル減算と、前記スペクトル減算で負数となる成分値を所定値に設定するフロアリング処理とを実行して前記左後方信号を生成する
   請求項１の音響処理装置。
5. 相異なる位置に設置された無指向性の収音機器が生成した第１原信号と第２原信号と第３原信号とから前記第１音響信号と前記第２音響信号と前記第３音響信号とを生成する指向性付与手段
   を具備する請求項１から請求項４の何れかの音響処理装置。
   

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