專利名稱：將聲源投影到揚(yáng)聲器的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將聲源投影到揚(yáng)聲器的方法和裝置，具體說是為了使聲源能夠在空間重現(xiàn)。
MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)ISO 13818的目標(biāo)是通過多通道立體聲也叫做環(huán)繞聲在空間上表現(xiàn)出來，以實(shí)現(xiàn)聲音的重現(xiàn)。這樣的多聲道系統(tǒng)，設(shè)有六個(gè)通道，其中，三個(gè)通道(左、中心、右)安排在聽者的前方空間。兩個(gè)通道(左環(huán)繞，右環(huán)繞)安排在聽者的后方空間，第六個(gè)通道用于重現(xiàn)低音調(diào)，以取得特殊效果。多個(gè)聲道排列為矩陣，一方面，是為了反過來與MPEG-1聲信號(hào)兼容，另一方面，也是為了當(dāng)現(xiàn)有的配置不是完全的環(huán)繞聲揚(yáng)聲器，而是僅用一對(duì)場聲器時(shí)，有可能給出令人滿意的重現(xiàn)效果。在這種情況下，所計(jì)算的立體聲信號(hào)作為可與MPEG-1兼容的立體聲信號(hào)發(fā)送，保留的信號(hào)作為外加的數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的目的是確定虛擬聲空間重現(xiàn)的一種方法。通過權(quán)利要求1所確定的方法，可以達(dá)到這個(gè)目的。
本發(fā)明的進(jìn)一步的目的是確定適用于根據(jù)本發(fā)明的方法的一種裝置，通過權(quán)利要求8所確定的裝置，可以達(dá)到這個(gè)目的。
為了重現(xiàn)一個(gè)聲信號(hào)，通常要將信號(hào)投影到現(xiàn)有揚(yáng)聲器的位置。這里列舉幾個(gè)投影的例子a)單聲道信號(hào)投影到一對(duì)立體聲揚(yáng)聲器。
b)3/2-信號(hào)(前方3個(gè)揚(yáng)聲器/后方2個(gè)揚(yáng)聲器)投影到2/2揚(yáng)聲器的布局。
c)3米以外，左30°，高10°的位置上的一個(gè)信號(hào)，投影到一個(gè)揚(yáng)聲器環(huán)，這個(gè)揚(yáng)聲器環(huán)在2米距離上有各自相隔45°的8個(gè)揚(yáng)聲器環(huán)繞。
d)房間中的2個(gè)聲源投影到2個(gè)揚(yáng)聲器。
對(duì)聲信號(hào)的發(fā)送來說，不希望被固定在一個(gè)特定的設(shè)置位置。然而，這樣就引起一個(gè)問題，即有無限多的組合可能性。
在原則上，根據(jù)本發(fā)明的將聲源投影到揚(yáng)聲器的方法是聲源被解釋為聲目標(biāo)，聲目標(biāo)的要素在于除了聲信號(hào)以外，聲源被賦予一個(gè)空間信息項(xiàng)，這個(gè)空間信息項(xiàng)確定聲源的虛擬空間位置。
聲信號(hào)被有利地處理為空間信息項(xiàng)的相關(guān)條目的函數(shù)，以便重現(xiàn)聲目標(biāo)。
既是這樣，揚(yáng)聲器的空間位置最好也考慮，根據(jù)空間信息和揚(yáng)聲器的位置，來計(jì)算聲源到揚(yáng)聲器的虛擬距離，對(duì)于一個(gè)聲目標(biāo)，分別為每個(gè)揚(yáng)聲器進(jìn)行聲信號(hào)處理。
進(jìn)一步說，有利的是在處理聲信號(hào)時(shí)，考慮下列參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)-幅度衰減，例如通過阻尼或折射，-各個(gè)聲目標(biāo)和揚(yáng)聲器之間的不同的傳播時(shí)間，-借助于外耳函數(shù)裝置，考慮揚(yáng)聲器電平對(duì)空間布局的依賴關(guān)系。
既是這樣，如果也考慮與頻率有依從關(guān)系的參數(shù)，則聲信號(hào)的處理會(huì)得到進(jìn)一步改善。
在考慮這些參數(shù)例如衰減函數(shù)時(shí)，所需要的數(shù)學(xué)函數(shù)最好作為距離和/或反向角的函數(shù)發(fā)送和/或存儲(chǔ)。
當(dāng)聲目標(biāo)的數(shù)據(jù)是用根據(jù)MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的壓縮數(shù)據(jù)流方法存儲(chǔ)和/或發(fā)送時(shí)，將是特別有利的。
在原則上，根據(jù)本發(fā)明的將聲源投影到揚(yáng)聲器的裝置，提供一個(gè)算法單元，這個(gè)算法單元根據(jù)聲信號(hào)以及揚(yáng)聲器的實(shí)際位置一起發(fā)送的空間信息項(xiàng)，計(jì)算虛擬的聲目標(biāo)到各個(gè)揚(yáng)聲器的距離。
在這種情況下，最好提供一個(gè)存儲(chǔ)器，在其中存儲(chǔ)考慮各種參數(shù)用的各個(gè)揚(yáng)聲器的位置和/或數(shù)學(xué)函數(shù)。
較為有利的是為n個(gè)聲目標(biāo)和k個(gè)揚(yáng)聲器提供n×k個(gè)調(diào)節(jié)器，一個(gè)調(diào)節(jié)器參照揚(yáng)聲器中的一個(gè)，對(duì)一個(gè)聲信號(hào)進(jìn)行處理。
既然如此，調(diào)節(jié)器最好也考慮那些頻率依賴參數(shù)，信號(hào)首先被一個(gè)分離式濾波器(10)分解為各個(gè)頻帶，然后各個(gè)頻帶被單獨(dú)處理，處理后的頻帶再被一個(gè)合并式濾波器(12)重新組合。
如果分離式濾波器和/或合并式濾波器是無論如何總是聲譯碼器的組合部分，則是特別有利的。
再有，最好提供一個(gè)或多個(gè)定向傳聲器，用來測(cè)量揚(yáng)聲器的位置。
定向傳聲器最好組合于一個(gè)搖控裝置中。
下面將借助于附圖，描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中

圖1表示虛擬聲源，它們將要被投影到存在的一對(duì)揚(yáng)聲器；圖2表示說明計(jì)算聲路徑的模型的圖形；圖3是表示所設(shè)想的模型的電路方塊圖；以及圖4表示根據(jù)本發(fā)明的聲譯碼器部分。
圖1提出一個(gè)常見的疑問。兩個(gè)虛擬聲源3，小提琴和小號(hào)，被投影到現(xiàn)有的一對(duì)揚(yáng)聲器，如何使聽者1能感覺到小提琴和小號(hào)處于圖1所示的空間位置。
對(duì)于這個(gè)投影，基于下列觀察可建立一個(gè)模型一個(gè)人處于有多個(gè)全部開著的窗戶的房間里。房間外面有各種聲源下面也叫做聲目標(biāo)，例如街頭音樂家，汽車?yán)鹊鹊?。人可能處在聲學(xué)意義上的各種各樣的聲源之中，即使這些聲源是看不見的。這是基于這樣的事實(shí)，即經(jīng)過各個(gè)窗戶的聲路徑是不同的。下面描述的模型基于以一個(gè)揚(yáng)聲器代替一扇窗戶。假定揚(yáng)聲器被正確地驅(qū)動(dòng)，應(yīng)該引起同樣的聲場，因此，分別地尋找聲目標(biāo)的位置也應(yīng)該是可能的。
圖2表示以圖形說明的模型。聽者、處于任意形狀的房間里面，房間的墻壁5由隔聲材料組成，使聲音不能透入，房間內(nèi)部也不會(huì)產(chǎn)生反射。聲源3定位在房間外面。房間內(nèi)部也不會(huì)產(chǎn)生反射。聲源3定位在房間外面。房間墻壁上的洞孔6被視為揚(yáng)聲器或窗戶。這樣的布置產(chǎn)生從聲源3，經(jīng)各個(gè)揚(yáng)聲器或窗口6，到聽者1的各個(gè)不同的聲路徑4。聲音就為樣經(jīng)過所有的揚(yáng)聲器或窗口進(jìn)入房間，雖然各個(gè)聲路徑有其自己的特征。
圖3以方塊圖說明由模型轉(zhuǎn)變成的表示電路。兩個(gè)聲目標(biāo)3，小提琴和小號(hào)，被投影到三個(gè)現(xiàn)有的揚(yáng)聲器2。對(duì)于每個(gè)聲目標(biāo)來說，聲信號(hào)現(xiàn)在被處理為這個(gè)聲目標(biāo)的虛似空間位置和每個(gè)揚(yáng)聲器的實(shí)際位置的函數(shù)，這是為了能按照各個(gè)虛似的聲路徑激勵(lì)。廣義化為n個(gè)聲目標(biāo)和k個(gè)揚(yáng)聲器，這意味著使用n×k個(gè)調(diào)節(jié)器。在這種情況下，每個(gè)調(diào)節(jié)器按照虛似的聲路徑考慮下列參數(shù)7、8、9中的一個(gè)或幾個(gè)。為了正確地激勵(lì)幅度，首先要將幅度作為路徑長度的函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。另外，也能夠考慮空氣的衰減和隔聲作用。在這種情況下，可以根據(jù)聲源的類型或空氣的衰減，考慮不同的函數(shù)。因此，球形聲源的功率損失與距離的平方有關(guān)，也就是說，接收功率由下列公式給出接收功率(r)＝發(fā)射功率/r2相反，圓筒形聲源例如一列火車或一條街道，其功率損失只簡單地與距離有關(guān)。在這種情況下，各種函數(shù)可以被存儲(chǔ)在表示電路中，但也能和信號(hào)一起被發(fā)送和存儲(chǔ)。它們同樣也可以由各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)或用戶確定。此外，也有可能考慮發(fā)生在揚(yáng)聲器或窗口的折射。此外，也有可能考慮發(fā)生在揚(yáng)聲器或窗口的折射。為了精確地考慮這些折射的效果，必須就有聲路徑的總和，利用一個(gè)特定的孔輪廓，并把頻率和相位考慮進(jìn)去，對(duì)折射進(jìn)行計(jì)算。這就在近似意義上得出這樣的事實(shí)即低頻的傳播在所有的獨(dú)自角度方向上是一致的，而對(duì)于較高的頻率，聲信號(hào)的幅度是對(duì)有關(guān)孔的入射和出射方向夾角的函數(shù)。用一個(gè)近似公式可以減少計(jì)算的費(fèi)用。這種公式也能(如在衰減情況下敘述過的)同時(shí)被發(fā)送，或由應(yīng)用系統(tǒng)或用戶設(shè)定。因?yàn)檎凵湫Чc頻率有依從關(guān)系，所以必須考慮這種頻率依從性，以便精確在計(jì)算折射衰減。為在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，必須或者使用一些具有確定的群組延遲時(shí)間的濾波器，或者將信號(hào)分解到各個(gè)頻帶并分別處理它們。
圖4所示的就是這樣的情況，利用一個(gè)分離式濾波器10可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解，然后用各個(gè)調(diào)節(jié)器11對(duì)它進(jìn)行處理。最后用一個(gè)合并式濾波器12將處理后的信號(hào)重新組合。對(duì)于MPEG，AC-3或ATRAC信號(hào)來說，可以特別好地組合到典型的聲譯碼器中去，因?yàn)槟抢锏奶幚硎窃陬l率域進(jìn)行的，為此目的，那里已經(jīng)提供了一個(gè)分離濾波器，所以就不需要再提供另外的分離濾波器了。
另一個(gè)參數(shù)是信號(hào)的傳播時(shí)間(延遲)。這里認(rèn)為最初沖擊到耳朵上的聲音，最重要的是涉及對(duì)方向的感覺。聲路徑的長度設(shè)為r，平均聲速c近似為340米/秒，則可認(rèn)為延遲(r)＝r/c這樣，由揚(yáng)聲器和聽者之間的最短距離，可以縮短長度r。這可以減少所提出的電路單元對(duì)存儲(chǔ)量的需求。
在聲源和人耳的鼓膜之間，有一個(gè)依賴于方向和頻率的傳遞函數(shù)，也叫做外耳函數(shù)。用簡單的術(shù)語說，耳肌對(duì)來自前方的聲音的濾波，不同于對(duì)來自后方的聲音的濾波。
如果希望通過設(shè)置在角度Z上的揚(yáng)聲器播送位于角度X上的一個(gè)聲源，就要考慮外耳函數(shù)。這就要求在所確定的虛似聲源和揚(yáng)聲器位置之間有不同電平的信號(hào)，并且信號(hào)要被適當(dāng)?shù)貫V波。因?yàn)閷?duì)所有的人來說，外耳函數(shù)是不相同的，可以想到，應(yīng)使使用者能在不同的外耳函數(shù)中選擇，以達(dá)到特定的良好校正的目的。
這里，調(diào)節(jié)器在聲譯碼器的頻率層面，也能實(shí)現(xiàn)濾波器作用。
實(shí)際揚(yáng)聲器位置必須確定，以便確定虛擬聲目標(biāo)和實(shí)際揚(yáng)聲器位置這間的路徑長度。為此可以想到各種方法。因此，使用者可以用米尺或類似物測(cè)量各個(gè)揚(yáng)聲器箱的空間坐標(biāo)，并將相應(yīng)的距離數(shù)據(jù)輸?shù)揭粋€(gè)輸入裝置，這個(gè)輸入裝置向表示電路傳輸這些數(shù)據(jù)。通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)備健盤或者搖控，可以完成這種輸入，如果合適，也有可能監(jiān)控輸入數(shù)據(jù)，或者使用者利用顯示裝置或可視屏幕的在屏顯示，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行引導(dǎo)。
也可以借助于一個(gè)或多個(gè)定向傳聲器，測(cè)量揚(yáng)聲器系統(tǒng)，使用者便可免去對(duì)距離的機(jī)械測(cè)量。在這種情況下，通過重現(xiàn)經(jīng)過揚(yáng)聲器的脈沖測(cè)試序列，或者通過測(cè)量傳播時(shí)間，可以確定特性，也就可以確定各個(gè)揚(yáng)聲器的角度。然后，就有可能自動(dòng)地測(cè)量揚(yáng)聲器的布局。特別是顯然可以將傳聲器集成到搖控系統(tǒng)中。
然后，如上所述的，由虛擬聲目標(biāo)的位置和上述為各個(gè)揚(yáng)聲器的確定的位置，產(chǎn)生整個(gè)虛擬路徑長度。顯然有各種可能性表示這兩個(gè)位置，因此，可以這樣來做例如，利用笛卡兒坐標(biāo)，也就是說，有空間所有三個(gè)方向上的距離特征，或者利用球坐標(biāo)，也就是說，有距離特征和水平，以及在適當(dāng)情況下的垂直角度特征。
盡管在多數(shù)情況下?lián)P聲器的位置應(yīng)當(dāng)保持不變，但聲目標(biāo)的虛擬位置卻是頻繁地改變的。特別是在這種情況，即無論何時(shí)聲信號(hào)都將伴隨視頻信號(hào)而被重現(xiàn)的情況。因此，例如在影片中，動(dòng)作者或車輛在可視屏幕上運(yùn)動(dòng)或從屏幕上消失，因此而改變其空間位置。同樣可以想見，在有聲輸出的計(jì)算游戲中，游戲中的角色被游戲者利用例如操縱桿操縱而活動(dòng)，被指配給游戲角色的聲音，按照規(guī)定的或被游戲者改變的位置而適應(yīng)地重現(xiàn)。
本發(fā)明可被用于發(fā)送，但也可例如根據(jù)MPEG-4，MPEG-3或AC-3標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于數(shù)字聲信號(hào)的記錄和重現(xiàn)。這可以是兩種完美的聲信號(hào)重現(xiàn)，例如通過CD光碟機(jī)，DAB接收機(jī)的聲信號(hào)重現(xiàn)，例如DVD影碟機(jī)或數(shù)字電視接收機(jī)。再者，也可以想像應(yīng)用于交互作用系統(tǒng)，例如電視電話或計(jì)算機(jī)游戲機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種將聲源(3)投影到揚(yáng)聲器(2)的方法，其特征在于聲源(3)被解釋為聲目標(biāo)，聲目標(biāo)的要素在于除了聲信號(hào)以外，聲源被賦予一個(gè)空間信息項(xiàng)，這個(gè)空間信息項(xiàng)確定聲源的虛擬空間位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于聲信號(hào)被處理為空間信息相關(guān)項(xiàng)的函數(shù)，以便重現(xiàn)聲目標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于揚(yáng)聲器(2)的空間位置也被考慮，根據(jù)空間信息和揚(yáng)聲器的位置，來計(jì)算聲源到揚(yáng)聲器的虛擬距離，對(duì)于一個(gè)聲目標(biāo)，為每個(gè)揚(yáng)聲器進(jìn)行聲信號(hào)分離處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于在處理聲信號(hào)時(shí)，考慮下列參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)幅度衰減，例如通過阻尼或折射(7)，各個(gè)聲目標(biāo)和揚(yáng)聲器之間的不同的傳播時(shí)間(8)，借助于外耳函數(shù)(9)，考慮揚(yáng)聲器電平對(duì)空間布局的依賴關(guān)系。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于在處理聲信號(hào)時(shí)也考慮與頻率有依從關(guān)系的參數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于在考慮參數(shù)例如衰減函數(shù)時(shí)，所需要的數(shù)學(xué)函數(shù)作為距離和/或反向角的函數(shù)發(fā)送和/或存儲(chǔ)。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一個(gè)所述的方法，其特征在于聲目標(biāo)的數(shù)據(jù)，用根據(jù)MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的壓縮數(shù)據(jù)流方法存儲(chǔ)和/或發(fā)送。
8.將聲源投影到揚(yáng)聲器的裝置，其特征在于聲源被解釋為聲目標(biāo)，為n個(gè)聲目標(biāo)和k個(gè)揚(yáng)聲器提供n×k個(gè)調(diào)節(jié)器(7、8、9)，一個(gè)調(diào)節(jié)器參照揚(yáng)聲器中的一個(gè)對(duì)一個(gè)聲目標(biāo)進(jìn)行處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于一個(gè)調(diào)節(jié)器至少包含下列單元之一用于幅度匹配的單元(7)，用于校正不同的傳播時(shí)間的延時(shí)單元(8)，用于考慮外耳函數(shù)的一單元(9)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于調(diào)節(jié)器也考慮那些頻率依賴參數(shù)，信號(hào)首先被一個(gè)分離式濾波器(10)分解到各個(gè)頻帶，然后各個(gè)頻帶被單獨(dú)處理，處理后的頻帶再被一個(gè)合并式濾波器(12)重新組合。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于分離式濾波器和/或合并式濾波器在任何情況下總是聲譯碼器的組合部分。
12.根據(jù)權(quán)利要求8至11之一所述的裝置，其特征在于提供一個(gè)算法單元，這個(gè)算法單元根據(jù)與聲信號(hào)以及揚(yáng)聲器的實(shí)際位置一起發(fā)送的空間信息項(xiàng)，計(jì)算虛擬的聲目標(biāo)到各個(gè)揚(yáng)聲器的距離。
13.根據(jù)權(quán)利要求8至12中的一個(gè)所述的裝置，其特征在于提供一個(gè)存儲(chǔ)器，在其中存儲(chǔ)考慮各種參數(shù)用的各個(gè)揚(yáng)聲器的位置和/或數(shù)學(xué)函數(shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求8至13中的一個(gè)所述的裝置，其特征在于設(shè)置用來測(cè)量揚(yáng)聲器的位置的一個(gè)或多個(gè)定向傳聲器。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其特征在于一個(gè)定向傳聲器或多個(gè)定向傳聲器被組合在一個(gè)搖控裝置中。
全文摘要
為了在空間重現(xiàn)一個(gè)聲信號(hào),聲信號(hào)必須被投影到現(xiàn)有揚(yáng)聲器的位置。在這種情況下,對(duì)聲信號(hào)的發(fā)送來說,就希望揚(yáng)聲器不要固定于一個(gè)特定的布局。但這里的問題就是存在多種可能的組合。根據(jù)本發(fā)明的方法,聲源(3)被解釋為聲目標(biāo)。這個(gè)聲目標(biāo)要被投影到任意的揚(yáng)聲器布局(2)。這里,聲目標(biāo)的要素在于:除了聲信號(hào)以外,聲源被賦予一個(gè)空間信息項(xiàng),這個(gè)空間信息項(xiàng)確定聲源虛擬的空間位置。為了重現(xiàn)聲目標(biāo),聲源的空間信息和揚(yáng)聲器的實(shí)際位置被用來計(jì)算從聲源經(jīng)過揚(yáng)聲器到聽者(1)的虛擬距離。在重現(xiàn)之前,對(duì)每個(gè)聲目標(biāo),分別為每個(gè)揚(yáng)聲器進(jìn)行聲信號(hào)處理(7、8、9)。
文檔編號(hào)H04S1/00GK1240565SQ97199525
公開日2000年1月5日 申請(qǐng)日期1997年10月25日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月7日
發(fā)明者約翰內(nèi)斯·伯姆, 延斯·施皮勒 申請(qǐng)人:德國湯姆森-布蘭特有限公司