一種多聲道系統(tǒng)中聲源方向和距離重建的方法與裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多聲道系統(tǒng)中聲源方向和距離重建的方法與裝置，根據(jù)已知的聲源信號計算與聲源距離為r的聽音點處接收到的聲源的粒子速度和聲壓，再根據(jù)粒子速度選擇包括該方向的4個揚聲器，將聲源信號分別乘以4個權(quán)值因子后分配到所選的四個揚聲器上，然后在回放端計算重建聲場中揚聲器發(fā)出信號后聽音點處所感知的聲像的粒子速度和聲壓，最后根據(jù)原始聲源的粒子速度和聲壓和重建聲場中聲像的粒子速度和聲壓，建立方向、距離等價模型，利用求解模型獲得的權(quán)值因子進行揚聲器的信號分配。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，能夠準(zhǔn)確的恢復(fù)原聲源空間中的聲源的方向和距離信息，并且操作簡單，計算效率高，穩(wěn)定性好。
【專利說明】一種多聲道系統(tǒng)中聲源方向和距離重建的方法與裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于多媒體信號處理領(lǐng)域，尤其涉及音頻信號處理方向中聲源重建、聲場重建、聲源空間方位和距離恢復(fù)等方向，具體涉及一種多聲道系統(tǒng)中聲源方向和距離重建的方法與裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]盡管雙聲道立體聲的音質(zhì)和聲場效果大大好于單聲道,但它仍然有明顯的局限性。雙聲道立體聲系統(tǒng)只能再現(xiàn)人前方一個扇形區(qū)域內(nèi)的聲場，并不能讓重放的聲音給人以包圍感。于是，多聲道技術(shù)也開始發(fā)展起來。多聲道數(shù)字音頻系統(tǒng)通過聲道數(shù)量的擴展，能夠恢復(fù)多種環(huán)境音，給聽眾帶來更好的沉浸感和更高質(zhì)量的音頻享受，遠遠超越了傳統(tǒng)單聲道和立體聲系統(tǒng)的效果。隨著DVD、SA⑶等存儲媒介的發(fā)展，多聲道音頻已由最初的獨占電影院逐步進入人們生活的多個領(lǐng)域。
[0003]典型的多聲道系統(tǒng)有杜比數(shù)字AC-3多聲道環(huán)繞聲系統(tǒng)、THX Surround EX系統(tǒng)和22.2多聲道立體音響系統(tǒng)。
[0004]杜比數(shù)字音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)(AC-3)是提出的國際性標(biāo)準(zhǔn)，它解決了在一條膠片上數(shù)字聲和模擬聲并存的問題。杜比數(shù)字AC-3多聲道環(huán)繞聲系統(tǒng)是由六個獨立的聲道組成。由于這六個獨立聲道中的前五個獨立聲道的頻響范圍都是音頻全頻帶即20Hz?20kHz，而超低音聲道頻響范圍僅有15Hz?150Hz，只占整個頻譜的十分之一，因此杜比數(shù)字AC-3多聲道環(huán)繞聲系統(tǒng)又稱為5.1聲道環(huán)繞聲系統(tǒng)。
[0005]THX Surround EX系統(tǒng)嚴(yán)格地制訂了電影院相關(guān)影音器材與環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)，只要符合THX標(biāo)準(zhǔn)且經(jīng)過認(rèn)證，就能有相當(dāng)?shù)乃疁?zhǔn)。這樣只要消費者選擇具有THX認(rèn)證的影院，就會有絕佳的影音享受。后來THX被移植到家庭影院，用于認(rèn)證高品質(zhì)的視聽器材，并針對家庭環(huán)境的不同有著獨特的要求。但是THX并非Dolby Digital和DTS那樣為一種音頻格式，而是一種音頻后處理模式，目的是獲得最佳的視聽享受。當(dāng)6.1聲道的Dolby Digital EX和DTS ES出來后，THX將其進一步演化成THX Surround EX系統(tǒng)。為了兼容原雙向發(fā)聲的側(cè)聲道和再度加強環(huán)繞聲效包圍感，于是在原側(cè)聲道的基礎(chǔ)上又增加了兩只后聲道，這就構(gòu)成了 7.1聲道。
[0006]22.2多聲道立體音響系統(tǒng)是由NHK作為“超高清”影像用音響而開發(fā)的。通過上層9聲道、中層10聲道、下層3聲道三層配置的揚聲器，以及雙聲道低頻音效(LFE)揚聲器，可較為真實地再現(xiàn)向前后左右及上下方向傳播的聲音。22.2聲道的音響技術(shù)需要在與聽眾耳朵水平的位置、高于和低于聽眾耳朵的位置分別安放10個、9個和3個喇叭，另外配有由36個小低音單元組成的2個低音炮。整個環(huán)繞聲系統(tǒng)由三層組成，最底層的聲場由三個前方聲道和兩個LFE聲道組成。中層聲場由四個前方聲道、兩個側(cè)環(huán)繞聲道和三個后環(huán)繞聲道組成。上層聲場由三個前方聲道、兩個側(cè)環(huán)繞聲道、四個后環(huán)繞聲道再加上一個上方聲道組成。另外，在主聲道方面，為了增強效果，還可以選擇兩個由36個小喇叭組成的喇叭陣列來確保主聲道輸出的力度感。[0007]5.1環(huán)繞聲系統(tǒng)、22.2多聲道系統(tǒng)能給聽眾帶來很好的包圍感，對聲音的重建均基于信號本身的處理，在音質(zhì)保真方面取得了令人滿意的效果，但是缺乏對聲源的方位的恢復(fù)，無法在重建端恢復(fù)出聲源的位置信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了克服現(xiàn)有多聲道系統(tǒng)在重建聲源方向和距離信息上存在的不足，本發(fā)明提供了一種多聲道系統(tǒng)中聲源方向和距離重建的方法與裝置，在多聲道系統(tǒng)中能夠準(zhǔn)確恢復(fù)聲源方向和距離。
[0009]本發(fā)明的方法采用的技術(shù)方案是:一種多聲道系統(tǒng)中聲源方向和距離重建的方法與裝置，其特征在于，包括以下步驟:
[0010]步驟1:根據(jù)已知聲源的時域信號s (t)，在原始聲場中以聽音點為原點建立笛卡爾直角坐標(biāo)系后，計算與聲源距離為r的聽音點處接收到的聲源的粒子速度Pvci和聲壓Ptl ；
[0011]步驟2:根據(jù)步驟I中計算的聲源的粒子速度PVtl，選擇包括該方向的4個揚聲器
L<1、L<2 > > L4 y
[0012]步驟3:由聲源信號s (t)和步驟2中的揚聲器1^山、1^丄4，將8(0分別乘以4個權(quán)值因子Wp W2、W3、W4后分配到所選的四個揚聲器上；
[0013]步驟4:在回放端，計算重建聲場中揚聲器U、L2, L3、L4發(fā)出信號后聽音點處所感知的聲像的粒子速度PV和聲壓P ;
[0014]步驟5:根據(jù)步驟I計算的原始聲源的粒子速度Pvci和聲壓Ptl、步驟4中計算的重建聲場中聲像的粒子速度PV和聲壓P，建立方向、距離等價模型；
`[0015]步驟6:在步驟5的方向、距離等價模型，以步驟3中設(shè)置的權(quán)值因子Wp w2、w3、W4為未知量，求解方向、距離等價模型獲得權(quán)值因子的值；
[0016]步驟7:利用步驟6中求解的權(quán)值因子w1、w2、w3、W4，進行揚聲器的信號分配，使重建的聲音方向和距離與原聲源的方向和距離一致。
[0017]作為優(yōu)選，步驟I中所述的計算與聲源距離為r的聽音點處接收到的聲源的粒子速度PVtl和聲壓Po，其具體實現(xiàn)包括以下子步驟:
[0018]步驟1.1:利用傅立葉變換將聲源的時域信號s (t)由時域轉(zhuǎn)換到頻域，得到頻域
信號 S(CO): |.f(r)e m!dt
[0019]步驟1.2:由頻域信號s(co)及聲源在聲場中的位置向量ε=(εχ，ε y, εζ)、聽音點位置坐標(biāo)r=r (rx, ry, rz),根據(jù)聲學(xué)物理屬性粒子速度的定義,計算聽音點處接收到的粒子速度Pvci:

/ \



(Ψ* — P 1-jA\r-e\1%I X
[0020]/JK0Cr, ω) = G1-r (I + —j-r) X ,-r r - ey b(?)；

It — ￡\ ik\T — ￡\ μ — s\
IIII IIjpt I


X1Z 一~乂
[0021]計算聽音點處接收到的聲壓P。:
【權(quán)利要求】
1.一種多聲道系統(tǒng)中聲源方向和距離重建的方法與裝置，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:根據(jù)已知聲源的時域信號S (t)，在原始聲場中以聽音點為原點建立笛卡爾直角坐標(biāo)系后，計算與聲源距離為r的聽音點處接收到的聲源的粒子速度Pvci和聲壓Ptl ；步驟2:根據(jù)步驟I中計算的聲源的粒子速度Pvci，選擇包括該方向的4個揚聲器L1、L2、L3、L4 ； 步驟3:由聲源信號s (t)和步驟2中的揚聲器L1、L2、L3、L4，將s(t)分別乘以4個權(quán)值因子Wl、W2、W3、W4B分配到所選的四個揚聲器上； 步驟4:在回放端，計算重建聲場中揚聲器U、L2, L3, L4發(fā)出信號后聽音點處所感知的聲像的粒子速度PV和聲壓P ; 步驟5:根據(jù)步驟I計算的原始聲源的粒子速度Pvci和聲壓Ptl、步驟4中計算的重建聲場中聲像的粒子速度PV和聲壓P，建立方向、距離等價模型； 步驟6:在步驟5的方向、距離等價模型，以步驟3中設(shè)置的權(quán)值因子?α、、為未知量，求解方向、距離等價模型獲得權(quán)值因子的值； 步驟7:利用步驟6中求解的權(quán)值因子Wl、w2、w3、W4，進行揚聲器的信號分配，使重建的聲音方向和距離與原聲源的方向和距離一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多聲道系統(tǒng)中聲源方向和距離重建的方法與裝置，其特征在于:步驟I中所述的計算與聲源距離為r的聽音點處接收到的聲源的粒子速度PVtl和聲壓P。，其具體實現(xiàn)包括以下子步驟: 步驟1.1:利用傅立葉變換將聲源的時域信號s (t)由時域轉(zhuǎn)換到頻域，得到頻域信號S(CO)
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多聲道系統(tǒng)中聲源方向和距離重建的方法與裝置，其特征在于:步驟2中所述的4個揚聲器LpLyLyL4,滿足如下條件:分別將聽音點r (X，y, z)與L1'L2、L3、L4連接，所形成的多面體中，聲源的粒子速度Pvci的單位矢量位于該多面體內(nèi)部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多聲道系統(tǒng)中聲源方向和距離重建的方法與裝置，其特征在于:步驟4中所述的計算重建聲場中揚聲器L1、L2、L3、L4發(fā)出信號后聽音點處所感知的聲像的粒子速度pv和聲壓P，其具體實現(xiàn)包括以下子步驟: 步驟4.1:在回放端，以多聲道組成的環(huán)繞聲系統(tǒng)的正中心為原點，建立笛卡爾坐標(biāo)系，揚聲器Li的坐標(biāo)記為!^(!^，!^，!^，聽音點的坐標(biāo)為！.^!^!^)； 步驟4.2:將揚聲器L1' L2、L3> L4發(fā)出的信號Q1 (t)、q2 (t)、q3 (t)、q4 (t)轉(zhuǎn)換至頻域:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多聲道系統(tǒng)中聲源方向和距離重建的方法與裝置，其特征在于:步驟5中所述的根據(jù)步驟I計算的原始聲源的粒子速度Pvci和聲壓Ptl、步驟4中計算的重建聲場中聲像的粒子速度pv和聲壓P，建立方向、距離等價模型，其具體實現(xiàn)包括以下子步驟:步驟5.1:根據(jù)步驟I計算的原始聲源的粒子速度Pvtl和步驟4中計算的重建聲場中聲像的粒子速度pv，建立方向等價關(guān)系如下:
6.一種利用權(quán)利要求1所述的多聲道系統(tǒng)中聲源方向和距離重建的方法進行多聲道系統(tǒng)中聲源方向和距離重建的裝置，其特征在于，包括:聲源空間聽音點方向信息計算模塊(I)、聲源空間聽音點距離信息計算模塊(2)、揚聲器選擇模塊(3)、信號預(yù)分配模塊(4)、重建聲場聲源方向信息計算模塊(5)、重建聲場聲源距離信息計算模塊(6)、模型建立模塊(7)、模型求解模塊(8)、信號分配模塊(9)； 所述的聲源空間聽音點方向信息計算模塊(I)用于計算原聲源所在的聲源空間中聽音點感知到的聲源的方向，根據(jù)聲源的信號s(t)計算聽音點的粒子速度Pvci，并且將Pvci輸出至模型建立模塊(7)； 所述的聲源空間聽音點距離信息計算模塊(2)用于計算原聲源所在的聲源空間中聽音點感知到的聲源的距離，根據(jù)聲源的信號s(t)計算聽音點的聲壓Ptl，并且將Ptl輸出至模型建立模塊(7)；所述的揚聲器選擇模塊(3 )用于建立重建的多聲道系統(tǒng)中揚聲器的選取原則，確定多聲道系統(tǒng)中選擇的揚聲器U、L2、L3> L4,并將所選擇的揚聲器輸出至信號預(yù)分配模塊(4)；所述的信號預(yù)分配模塊(4)用于將原始音頻信號s (t)乘以權(quán)重因素w1、w2、w3、w4后分配給揚聲器選擇模塊(3)中選擇出的揚聲器Lp L2> L3> L4,然后將分配后的信號輸出至重建聲場聲源方向信息計算模塊(5)和重建聲場聲源距離信息計算模塊(6)； 所述的重建聲場聲像方向信息計算模塊(5)用于計算多聲道系統(tǒng)中聽音點處接收到聲像的方向，根據(jù)信號預(yù)分配模塊(4)中對揚聲器預(yù)分配的信號，利用聲學(xué)理論計算重建的多聲道系統(tǒng)中聽音點處接收到聲像的粒子速度pv，并且將pv輸出至模型建立模塊(7)； 所述的重建聲場聲像距離信息計算模塊(6)用于計算多聲道系統(tǒng)中聽音點處接收到聲像的距離，根據(jù)信號預(yù)分配模塊(4)中對揚聲器預(yù)分配的信號，利用聲學(xué)理論計算重建的多聲道系統(tǒng)中聽音點處接收到聲像的聲壓P，并且將P輸出至模型建立模塊(7)； 所述的模型建立模塊(7)用于建立聽音點處方向和距離感知一致性模型，由聲源空間聽音點方向信息計算模塊(I)輸出的聲源粒子速度Pvtl和重建聲場聲源方向信息計算模塊(4)中輸出的聲像粒子速度pv建立方向等價關(guān)系，由聲源空間聽音點距離信息計算模塊(2)輸出的聲源聲壓Ptl和重建聲場聲源方向信息計算模塊(6)中輸出的聲像聲壓P建立距離等價關(guān)系，根據(jù)方向等價關(guān)系和距離等價關(guān)系建立方向、距離等價模型，并且將該模型輸出至模型求解模塊(8); 所述的模型求解模塊(8)用于求解模型建立模塊(7)中建立的模型進而得到四個權(quán)值因子WpWyWyW4的值,最后將權(quán)值輸出至信號分配模塊(9)； 所述的信號分配模塊(9)用于利用模型求解模塊(8)求解的權(quán)值因子Wl、W2, W3, W4，進行揚聲器的信號分配，使 重建的聲音方向和距離與原聲源的方向和距離一致。
【文檔編號】H04S3/00GK103826194SQ201410071545
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】胡瑞敏, 張茂勝, 姚雪春, 涂衛(wèi)平, 王曉晨, 姜林, 楊乘 申請人:武漢大學(xué)