立体音響

立体音響：3次元空間の音響再現技術

立体音響とは、音を録音・再生する際に、音の方向、距離、広がりなどを三次元的に再現する技術です。3次元音響、3Dオーディオなどとも呼ばれ、単に音を立体的に再生するだけでなく、特定の場所の音環境をリアルに再現することを目指しています。まるで録音現場にいるかのような臨場感を聴覚を通じて提供する技術と言えるでしょう。

立体音響の技術

例えば、オーケストラの演奏を録音する場合を想像してみましょう。各楽器から発せられた音波は、球状に広がり、ホールの壁や天井、床で反射や吸収を繰り返しながら聴取者に届きます。立体音響技術は、この複雑な音の伝播を再現しようとします。

一般的なステレオ録音では、左右2つのマイクで音を拾い、左右2つのスピーカーで再生するため、左右方向の広がりは再現できますが、前後や上下方向の情報は不十分です。立体音響では、より多くのマイクを用いてより多くの情報を収録したり、デジタル信号処理を用いて音の広がりや距離感などを人工的に再現したりすることで、よりリアルな音場を再現することを目指します。

立体音響を実現する要素

立体音響は、以下の要素を組み合わせて実現されます。これらの要素は、マイクの配置やデジタル信号処理によって実現されます。

音量差: 距離による音量の減衰や両耳間の音量差によって、音源の位置を特定します。
時間差: 音波の到達時間差を利用して音源の位置を特定します。両耳間時間差やハース効果（先行音効果）などが利用されます。
周波数特性の変化: 音波の伝播や遮蔽による周波数特性の変化を利用して音源の位置を特定します。頭部伝達関数などが用いられます。
位相の変化: 音波の伝播や遮蔽による位相の変化を利用して音源の位置を特定します。
残響の変化: 残響特性によって、周辺環境の音場を再現します。残響特性はインパルス応答として計測されます。

立体音響の方式

立体音響を実現する方式は様々です。

ステレオ方式とサラウンド方式

最も古くからある方式として、ステレオ方式があります。2つのマイクとスピーカーを用いて左右方向の音の広がりを再現します。サラウンド方式は、3つ以上のスピーカーを用いて、より広い範囲の音場を再現します。ドルビーデジタルなどが代表的なサラウンド方式です。

3D位置オーディオ

モノラル録音の音声に、デジタル信号処理によって方向感などを付与する方式です。通常のステレオではスピーカーの間からしか音が聞こえませんが、この方式ではスピーカーの外からも音が聞こえるようにすることもできます。

空間的音響 (Spatial Audio)

YouTubeやFacebookの360度動画やVR動画では、360度の音響を符号化するために空間的音響が用いられています。FacebookはFacebook 360 Spatial Workstation、GoogleはSpatial Media Metadata Injectorといったツールを提供しています。

立体音響に対応する機材

立体音響を実現するためには、専用のマイクや録音機材が必要となります。

マイク4つ搭載のもの (1st orderアンビソニックマイク): ゼンハイザーのAMBEO VR Mic、ZOOMのF8n、F8、F4、H2n、H3-VR、RØDEのNT-SF1などがあります。
* マイク5つ以上搭載のもの: ZYLIA ZM-1 (19個のマイクを搭載)などがあります。

バイノーラル方式

ダミーヘッドと呼ばれる模擬人頭マイク、または耳に装着する小型マイクを用いて録音する方式です。ヘッドフォンで再生することで、非常にリアルな音場を体験できます。ただし、ステレオスピーカーで再生する場合は、クロストーク（各スピーカーからの音が両耳に到達する現象）を補正する処理が必要です。

立体音響レンダリング

立体音響レンダリングには、特徴予測方式とレイトレース方式があります。

特徴予測方式

音源とマイクの位置、向き、動きなどから、減衰、音像定位、ドップラー効果などを計算で再現する方式です。OpenAL、多くのゲームエンジン、Blenderなどがこの方式を実装しています。

レイトレース方式

壁や床などの反射を計算することで、よりリアルな残響を再現する方式です。NVIDIA VRWorks Audio、GSound、BlenderのE.A.Rなどがこの方式を実装しています。

立体音響技術は、映画、ゲーム、音楽など、様々な分野で活用され、より没入感のある体験を提供しています。今後もさらなる発展が期待される技術です。

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