JP4335752B2

JP4335752B2 - 擬似ステレオ信号生成装置および擬似ステレオ信号生成プログラム

Info

Publication number: JP4335752B2
Application number: JP2004176655A
Authority: JP
Inventors: 勝木村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2004-06-15
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2024-06-15
Also published as: JP2006005414A

Description

本発明は、オーディオ信号を入力して擬似的にステレオ信号を生成する擬似ステレオ信号生成技術に関する。

現在、ステレオスピーカを搭載したオーディオ再生装置が広く普及している。ステレオスピーカがあれば、音楽CDなどで普通に利用されているステレオ信号を良好な音像で再生することが可能である。しかしながら、古い時代に録音された音楽コンテンツや、電子楽器で広く利用されているMIDI音源などはモノラル信号である場合が多く、モノラルオーディオ信号をステレオスピーカで再生しても、良好な音像を再生することできない。

モノラルオーディオ信号に対して、ステレオ信号のように擬似的に音像を広げる擬似スレテオ技術として、ステレオサウンド社刊行のジョン・アーグル著、沢口真生訳、"ハンドブック・オブ・レコーディング・エンジニアリング"に記載されている、図５に示すローリゼンの方法が良く知られている。ローリゼンの方法では、ディレイ信号を原音に加算するか減算するかによって、ピークとディップが逆の相対な特性を得ることができることを利用して擬似ステレオ化している。これにより、両耳間で差が生じ、モノラルに比較して音像が広がったステレオ空間を実現することができる。

しかし、ローリゼンの方法では、全周波数にわたって同様の処理が行われるため、提示される音像は極めて不明瞭で、不自然なもととなるという問題がある。
また、特開平7-95696号公報では、信号の帯域を分割して夫々の帯域で異なる処理を実施する方式について開示されている。図６は同技術の原理を説明した図である。同公報によると、「直接音と反射音とのそれぞれの音像を定位させる定位回路を複数設け、定位回路はLPF（ローパスフィルタ）で分割した低域周波数成分についてはレベル差を付与し、BPF（バンドパスフィルタ）で分割した中域周波数成分についてノッチフィルタにより上下方向の定位を行い、HPF（ハイパスフィルタ）により分割した広域周波数成分についてはFIR(Finite Impulse Response)フィルタにより耳まわりだけの伝達関数のシミュレーションを行うことにより音像を定位させる」と記載されている。

本公報によれば、モノラル音源を入力して、良好なステレオ音像が得られるが、直接音と反射音を生成する必要があり、もともと反射音のないMIDI音源などでは有効だが、入力信号そのものに反射音が含まれている音楽信号に適用すると過剰な反射音を生成することとなり、聴感上の劣化が生じるという問題がある。また、複数の音像定位手段を備えていることで装置規模が大きくなるという問題もある。

特開平7-95696号公報ジョン・アーグル著、沢口真生訳、「ハンドブック・オブ・レコーディング・エンジニアリング」ステレオサウンド社、1988.6、Ｐ84-86

本発明は上記問題点を鑑み、如何なるモノラルオーディオ信号に対しても良好な音像を生成することが出来、かつ装置規模の小さな擬似ステレオ信号生成装置を提供することを目的とする。

この発明に係る擬似ステレオ信号生成装置は、
入力信号の低域成分を抽出するローパスフィルタと、同じく入力信号の高域成分を抽出するハイパスフィルタと、
ローパスフィルタからの出力信号を入力信号に対し無相関化して低域無相関化信号を得る無相関化手段と、
ハイパスフィルタの出力信号を入力信号に対し無相関化し、出力する高域無相関化手段と、
ローパスフィルタと、低域無相関化手段と、高域無相関化手段からの出力信号とを夫々正相で加算して出力する第１の加算器と
ローパスフィルタからの出力信号を正相で、低域無相関化信号と高域無相関化手段からの出力信号を逆相で加算して出力する第２の加算器とを備える。

また、本発明による擬似ステレオ信号生成プログラムは、
オーディオ信号から擬似ステレオ信号を生成するためにコンピュータを、
入力信号の低域成分を抽出するローパスフィルタと、同じく入力信号の高域成分を抽出するハイパスフィルタ、
ローパスフィルタからの出力信号を入力信号に対し無相関化して低域無相関化信号を得る無相関化手段、
ハイパスフィルタの出力信号を入力信号に対し無相関化し、出力する高域無相関化手段、
低域無相関化信号とローパスフィルタからの出力信号と高域無相関化手段からの出力信号をそれぞれゲイン調整するゲイン調整手段、
ゲイン調整されたローパスフィルタからの出力信号を正相で、ゲイン調整された低域無相関化信号とゲイン調整された高域無相関化手段からの出力信号を正相で加算して出力する第１の加算器、
ゲイン調整されたローパスフィルタからの出力信号を正相で、ゲイン調整された低域無相関化信号とゲイン調整された高域無相関化手段からの出力信号を逆相で加算して出力する第２の加算器
として機能させるものである。

本発明によると、ローパスフィルタ通過後の低域信号とハイパスフィルタ通過後の高域信号とを無相関化することにより、元の信号と無相関化信号を加算／減算した信号のパワーの差がなくなり、左右どちらかに偏った音像が生じることがなくなる。また、ボーカルなどの低域にパワーが集中している成分は中央付近にやや音像が広がって定位し、それ以外の高域成分はサラウンド化された自然なステレオ音像を提示することが可能となるという効果がある。さらに、2つのフィルタと1つの無相関化手段といくつかの乗算器、加算器だけで構成することが可能であるため、非常に小さい装置規模で実現することが可能である。

実施の形態１．
図１は、本発明による擬似ステレオ信号生成装置の原理説明図である。
まず、擬似ステレオ信号生成装置101にオーディオ信号102を入力する。入力されたオーディオ信号102をローパスフィルタ103（以下、LPFと称す。）およびハイパスフィルタ104（以下、HPFと称す。）に入力して低域信号105と高域信号106を得る。低域信号105は、無相関化手段107と乗算器108に入力される。高域信号106は信号強調手段111に入力される。
無相関化手段107では、入力信号105と相関のない信号を生成して低域無相関化信号109を得、低域無相関化信号109を乗算器110に向けて出力する。ここで、低域無相関化信号109は、低域のサラウンド信号として使用する。無相関化しない低域信号105は中央定位信号として使用する。

信号強調手段111では、入力された高域信号106を、人間の聴覚上で強調されるように信号の強調処理を施して高域サラウンド信号112を生成し、高域サラウンド信号112を乗算器113に向けて出力する。ここで、信号強調手段111での信号の強調処理としては、リバーブを付加したり、横方向からの頭部音響伝達特性を付与するなど任意の処理でよい。あるいは、本手段を省略してもよい。

3つの乗算器108,110,113では、夫々入力された信号のゲイン調整を行い、2つの加算器117,118に向けて出力する。2つの加算器117,118では、中央定位信号114はそれぞれ同相で、低域サラウンド信号115および高域サラウンド信号116は加算器117と加算器118では逆相で夫々加算し、擬似ステレオ信号119,120を生成する。

ここで、ゲイン調整について補足しておく。乗算器113において高域サラウンド信号のゲインを上げれば、音像の広がり感が増す。乗算器110において、低域サラウンド信号のゲインを上げれば、音楽信号である場合は、ボーカルやドラムなどの音像が広がる。ただし、ゲインを上げすぎると、音像がぼやけるため、高域サラウンド信号よりはゲインを下げた方が聴感上は好ましくなる。そして、乗算器108において、中央定位信号のゲインを上げれば、全体的な音像が狭くなる。これらのゲインは固定してもよいが、外部から調整可能とすることにより、ユーザが好みの音像をつくることが可能となる。

また、LPF103とHPF104の好適な性質としては、LPFとHPFの周波数特性を加算したときに、全周波数にわたってできるだけフラットな特性になることが好ましい。

本発明によると、LPF 103通過後の低域信号105を無相関化することにより、元の低域信号と低域無相関化信号を加算／減算した信号のパワーの差がなくなり、左右どちらかに偏った音像が生じることがなくなる。また、ボーカルなどの低域にパワーが集中している成分は中央付近にやや音像が広がって定位し、それ以外の高域成分はサラウンド化された自然なステレオ音像を提示することが可能となるという効果がある。また、2つのフィルタと1つの無相関化手段といくつかの乗算器、加算器だけで構成することが可能であるため、非常に小さい装置規模で実現することが可能である。

実施の形態２．
一般的に、LPFとHPFには、過渡帯域があるが、この過渡帯域に注目すると、LPF、HPFの出力信号はこの過渡帯域において位相が揃ってしまうことが考えられる。特にLPF、HPFを同次のFIRフィルタで実現したときに位相が揃う。実施の形態１では、過渡帯域において、加算器118で位相のそろった高域・低域信号を逆相で加算することになるので、片方の信号だけ信号成分の減衰が生じる。これにより、過渡帯域の信号の音像が左右のどちらかに偏ってしまう。これを防ぐため、実施の形態１において、HPFの出力信号を高域無相関化手段に入力し、その後、信号強調手段に入力しても良い。
本実施の形態により、フィルタの過渡帯域における音像の偏りを防ぐことが可能となり、より良好な音像を提示させることが可能となるという効果がある。

実施の形態３．
実施の形態１では、無相関化手段107を任意としたが、本発明に適した無相関化手段の性質としては、入力信号と無相関化手段からの出力信号を加算した和信号と、減算した差信号の信号パワーの差がほとんどなくなるような性質が望まれる。例えば、無相関化手段としてヒルベルト変換を適用してもよい。すなわち、入力信号をヒルベルト変換して、位相を90度進行させた信号を得れば、入力信号とヒルベルト変換した信号の和信号と差信号のパワーの差はゼロとなる。この性質を図２を用いて説明する。図２においてAはある単一のスペクトルを複素平面上にマッピングしたものである。Aの位相を90度進行させてBを得る。A+BとA-Bを求めると、それぞれの絶対値が等しくなることが判る。
また、ヒルベルト変換を用いると、ヒルベルト変換を施すブロックの境で不連続を生じる恐れがあるが、クロススペクトル法などを適用してスムーズに接続すればよい。

あるいは、オールパスフィルタによって、位相を90度進行させる位相特性を近似的に実現してもよい。この場合、出力信号に不連続を生じることは原理的に無くなる。また、低次のオールパスフィルタを縦続接続することによって実現することも出来るため、装置規模の減少にも貢献することが出来る。
本実施の形態により、本発明に適した簡易な無相関化手段を実現することが出来るという効果がある。

実施の形態４．
図３は本発明による別の実施の形態を示す図である。実施の形態１との相違点は、入力信号の中域成分を抽出するバンドパスフィルタ（帯域通過フィルタ、以下BPFと称す。）と中域無相関化手段が追加されている点である。

まず、擬似ステレオ信号生成装置101にオーディオ信号102を入力する。入力された信号102をLPF103、BPF301、HPF104に入力して低域信号105と中域信号302と高域信号106を得る。低域信号105は、無相関化手段107と乗算器108に入力される。中域信号302は、中域無相関化手段303と乗算器304に入力される。高域信号106は信号強調手段111に入力される。

無相関化手段107では、入力信号105と相関のない信号を生成して低域無相関化信号109を得、低域無相関化信号109を乗算器110に向けて出力する。ここで、低域無相関化信号109は、低域のサラウンド信号として使用する。無相関化しない低域信号105は低域中央定位信号として使用する。

中域無相関化手段303では、入力信号102と相関のない信号を生成して中域無相関化信号305を得、中域無相関化信号305を乗算器306に向けて出力する。ここで、中域無相関化信号305は、中域のサラウンド信号として使用する。無相関化しない中域信号302は中域中央定位信号として使用する。

信号強調手段111では、入力された高域信号106を、人間の聴覚上で強調されるように信号の強調処理を施して高域サラウンド信号112を生成し、高域サラウンド信号112を乗算器113に向けて出力する。ここで、信号強調手段111での信号の強調処理としては、リバーブを付加したり、横方向からの頭部音響伝達特性を付与するなど、任意でよい。あるいは、本手段を省略してもよい。

5つの乗算器108,110,113,304,306では、夫々入力された信号のゲイン調整を行い、2つの加算器117,118に向けて出力する。2つの加算器117,118では、低域中央定位信号114と中域中央定位信号307はそれぞれ同相で、低域サラウンド信号115および中域サラウンド信号308、高域サラウンド信号116は加算器117と加算器118では逆相で夫々加算し、擬似ステレオ信号119,120を生成する。

ここで、LPFとBPFとHPFの好適な性質としては、LPFとBPFとHPFの周波数特性を加算したときに、全周波数にわたってできるだけフラットな特性になることが好ましい。また、上記ではBPFとしたが、通過帯域が重ならないような複数のBPFを用いて、それぞれの帯域で無相関化処理を行い、帯域ごとに異なったゲイン調整を行うことによって、さらに細かい操作を行っても良い。
本実施の形態によると、低域と中域の2つの帯域において異なるゲイン調整が可能であるため、より木目細かい音像の調整が可能となる効果がある。

実施の形態５．
実施の形態１ないし４は、全てモノラルオーディオ信号を対象としているが、ステレオオーディオ信号を対象とする事もできる。図４は、本発明をステレオオーディオ信号に対応させた別の実施の形態を示す図である。

まず、擬似ステレオ信号生成装置401に左右のオーディオ信号402,403を入力する。左右信号402,403を加算器404と減算処理する加算器405に入力して和信号406と差信号407を得る。和信号406は実施の形態１に示された擬似ステレオ信号生成装置101と同様に構成され、同様に動作をする擬似ステレオ化手段416と乗算器408に入力される。擬似ステレオ化手段416では、入力信号406に対して擬似ステレオ化処理を行い、音像が拡大された左右の擬似ステレオ信号119、120を得、これを加算器412、413に向けて出力する。
乗算器408、409では、入力された信号のゲイン調整を行い、和信号410、差信号411を加算器412、413に向けて出力する。ここで、差信号411に関しては、左右で逆相となるように出力する。

加算器412、413では、入力された3つの信号を夫々加算し、左出力信号414と右出力信号415を生成する。
ここで、ゲイン調整について補足しておく。乗算器409において、差信号407のゲインを上げれば、左右信号の位相差が増すため、サラウンド効果が向上する。また、本実施の形態では、中央定位成分である和信号406も擬似ステレオ化して音像を拡大することができるので、より効果的なサラウンド効果を得ることが可能となる。
本実施の形態により、モノラル信号だけでなく、ステレオ信号に対しても、音像を拡大して提示することが可能となるという効果がある。

なお、上記実施の形態１〜５に記載の処理はプログラムによりコンピュータを動作させることによっても実現することが可能である。

本発明をステレオスピーカを搭載したオーディオ再生装置に適用することで、モノラルオーディオ信号を擬似的にステレオ信号に変換して再生するができ、モノラルに比較して音像が広がったステレオ空間を実現することができる。
また、ＤＶＤレコーダ等において長時間記録モードをモノラルで行い再生時に本発明を適用して擬似ステレオ化し再生することで、少ない記録量で音像が広がったステレオ空間を実現できる。

本発明の実施の形態１による擬似ステレオ信号生成装置の構成図である。ヒルベルト変換の性質を説明するための図である。本発明の別の実施の形態を示す構成図である。本発明のさらに別の実施の形態を示す構成図である。ローリゼンの方法による擬似ステレオ信号生成装置の構成図である。信号帯域を分割し夫々の帯域で異なる処理を施す技術の原理説明図である。

符号の説明

101、401：擬似ステレオ信号生成装置、102：オーディオ信号、103：ローパスフィルタ、104：ハイパスフィルタ、105：低域信号、106：高域信号、107：無相関化手段、108、110、113：乗算器、109：低域無相関化信号、111：信号強調手段、112：高域サラウンド信号、114：中央定位信号、115：低域サラウンド信号、116：高域サラウンド信号、117、118：加算器、119、120：擬似ステレオ信号、302：中域信号、303：中域無相関化手段、304、306：乗算器、305：中域無相関化信号、402、403：オーディオ信号、404、405、412、413：加算器、406：和信号、407：差信号、408：乗算器、411：差信号、416：擬似ステレオ化手段。

Claims

オーディオ信号から擬似ステレオ信号を生成する装置において、
入力信号の低域成分を抽出するローパスフィルタと、
同じく入力信号の高域成分を抽出するハイパスフィルタと、
ローパスフィルタからの出力信号を入力信号に対し無相関化して低域無相関化信号を得る無相関化手段と、
ハイパスフィルタの出力信号を入力信号に対し無相関化し、出力する高域無相関化手段と、
ローパスフィルタからの出力信号と、低域無相関化手段からの出力信号と、高域無相関化手段からの出力信号とを夫々正相で加算して出力する第１の加算器と
ローパスフィルタからの出力信号を正相で、低域無相関化信号と、高域無相関化手段からの出力信号を逆相で加算して出力する第２の加算器とを備えたことを特徴とする擬似ステレオ信号生成装置。
低域無相関化信号とローパスフィルタからの出力信号と高域無相関化手段からの出力信号をそれぞれ別個にゲイン調整し、双方の加算器に出力するゲイン調整手段を備えたことを特徴とする請求項1記載の擬似ステレオ信号生成装置。
高域無相関化手段からの出力信号にリバーブを付加、又は横方向からの頭部音響伝達特性を付与し、夫々の加算器に出力する信号強調手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の擬似ステレオ信号生成装置。
各無相関化手段としてヒルベルト変換を用いて処理する構成にしたことを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の擬似ステレオ信号生成装置。
各無相関化手段としてオールパスフィルタを用いたことを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の擬似ステレオ信号生成装置。
入力信号の中域成分を抽出するバンドパスフィルタと、
バンドパスフィルタからの出力信号を入力信号に対し無相関化して中域無相関化信号を得る中域無相関化手段と、
中域無相関化信号とバンドパスフィルタからの出力を夫々ゲイン調整するゲイン調整手段をさらに備え、
第１の加算器はゲイン調整されたバンドパスフィルタからの出力信号とゲイン調整された中域無相関化手段の出力信号を正相で更に加算し、
第２の加算器はゲイン調整されたバンドパスフィルタからの出力信号は正相で、ゲイン調整された中域無相関化手段の出力信号は逆相で更に加算する構成にされたことを特徴とする請求項２記載の擬似ステレオ信号生成装置。
入力信号がステレオ信号の場合、入力ステレオ信号の左右信号を加算と減算して夫々和信号と差信号を求める加算器と
差信号と和信号のゲインを夫々調整するゲイン調整手段と、
和信号を入力して擬似ステレオ信号を得る、請求項1記載の擬似ステレオ信号生成装置で構成される擬似ステレオ化手段と、
擬似ステレオ化手段の一方の出力と、ゲイン調整された和信号と差信号を夫々正相で加算して出力する第３の加算器と、
上記擬似ステレオ化手段の他方の出力と、ゲイン調整された和信号は夫々正相で、ゲイン調整された差信号は逆相で加算して出力する第４の加算器と
を備えたこと特徴とする擬似ステレオ信号生成装置。
オーディオ信号から擬似ステレオ信号を生成するためにコンピュータを、
入力信号の低域成分を抽出するローパスフィルタと、同じく入力信号の高域成分を抽出するハイパスフィルタ、
ローパスフィルタからの出力信号を入力信号に対し無相関化して低域無相関化信号を得る無相関化手段、
ハイパスフィルタの出力信号を入力信号に対し無相関化し、出力する高域無相関化手段、
低域無相関化信号とローパスフィルタからの出力信号と高域無相関化手段からの出力信号をそれぞれゲイン調整するゲイン調整手段、
ゲイン調整されたローパスフィルタからの出力信号を正相で、ゲイン調整された低域無相関化信号とゲイン調整された高域無相関化手段からの出力信号を正相で加算して出力する第１の加算器、
ゲイン調整されたローパスフィルタからの出力信号を正相で、ゲイン調整された低域無相関化信号とゲイン調整された高域無相関化手段からの出力信号を逆相で加算して出力する第２の加算器
として機能させるための擬似ステレオ信号生成プログラム。