使用被組織為任意n邊形的網(wǎng)格的揚聲器呈現(xiàn)音頻的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求于2013年3月28日提交的美國臨時專利申請No. 61/805, 977的優(yōu)先 權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用被合并到本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及使用揚聲器陣列呈現(xiàn)音頻節(jié)目的系統(tǒng)和方法，其中，假定揚聲器被組 織為其面是任意N邊形（多邊形）的網(wǎng)格，其中N邊形的頂點對應(yīng)于揚聲器的位置。通常， 節(jié)目指示至少一個源，并且呈現(xiàn)包括：使用假定被組織為其面是任意N邊形的網(wǎng)格的揚聲 器沿著軌跡將源移位（panning)，其中N邊形的頂點與揚聲器的位置相對應(yīng)。
【背景技術(shù)】
[0004] 作為通過揚聲器陣列呈現(xiàn)指示沿著軌跡移動的聲源的音頻以供回放的處理，聲音 移位是典型的音頻節(jié)目呈現(xiàn)的重要組成部分。在一般情況下，可以任意放置揚聲器。因此， 期望以在移位處理中適當(dāng)?shù)乜紤]揚聲器位置的方式來實現(xiàn)聲音移位，其中揚聲器可以具有 范圍廣泛的揚聲器位置。理想地，移位適當(dāng)?shù)乜紤]包括任意數(shù)量的任意放置的揚聲器的任 意揚聲器陣列中的揚聲器的位置。
[0005] 在典型的移位實現(xiàn)中，通常在使用例如笛卡爾（x，y，z)坐標(biāo)系的三維（3D)空間中 通過一組時變位置元數(shù)據(jù)來限定源軌跡?？梢栽谕蛔鴺?biāo)系中表達揚聲器位置。通常，坐 標(biāo)系被規(guī)范化成典范表面或典范體積。
[0006] 假定一組揚聲器位置和期望的感知聲源位置，移位處理可以包括以下步驟：確定 在移位期間的每個時刻將使用（全部揚聲器陣列中的）哪個揚聲器子集來創(chuàng)建適當(dāng)?shù)母兄?像。該處理通常包括以下步驟：計算一組增益W 1，每個子集（假定包括"i"個起作用的揚聲 器，其中，i是任意正整數(shù)）的揚聲器使用該組增Sw1來回放源信號S的加權(quán)副本，使得該 子集的第" i "個揚聲器被與以下成比例的揚聲器饋送驅(qū)動：
[0008] 如果p = 1，則增益為保幅，或者如果p = 2,則增益為保冪。
[0009] -些常規(guī)的音頻節(jié)目呈現(xiàn)方法假定將（例如，在移位期間的任意時刻）對節(jié)目進 行回放的揚聲器相對于聽者（例如，在揚聲器陣列的"最佳聽音位置（sweet spot)"處的聽 者）布置在標(biāo)稱二維（2D)空間。其他常規(guī)的音頻節(jié)目呈現(xiàn)方法假定將（例如，在移位期間 的任意時刻）對節(jié)目進行回放的揚聲器相對于聽者（例如，在揚聲器陣列的"最佳聽音位 置"處的聽者）布置在三維（3D)空間中。
[0010] 大多數(shù)常規(guī)的移位方法（例如，基于矢量的幅值相移或"VBAP"）假定使用沿著圓 周的揚聲器（一維揚聲器陣列）或近似于可能的源方向的球形（例如，圖13中所示的"球 形"，其被擬合在圖13中所示的6個揚聲器的近似位置）的3D三角形網(wǎng)格（其面是三角形 的3D網(wǎng)格）的頂點處的揚聲器來構(gòu)造可用揚聲器陣列。相對于笛卡爾坐標(biāo)系來表達圖13 的揚聲器的位置，其中圖13中的一個揚聲器位于這樣的坐標(biāo)系的原點"（0,0,0)"處。或 者，常規(guī)的移位方法可以相對于另一類型的坐標(biāo)系（并且該坐標(biāo)系的原點無需與任意揚聲 器的位置重合）來表達揚聲器位置。
[0011] 在本文中，揚聲器的"網(wǎng)格"表示限定多面體結(jié)構(gòu)的形狀（例如，當(dāng)該網(wǎng)格為三維 時）或者其外圍限定多邊形（例如，當(dāng)該網(wǎng)格為二維時）的頂點、邊和面的集合，其中每個 頂點是揚聲器中的不同的一個揚聲器的位置。每個面是多邊形（其外圍是該網(wǎng)格的邊的子 集），并且每個邊在該網(wǎng)格的兩個頂點之間延伸。
[0012] 例如，為了使用包括5個揚聲器（例如，圖1中的被標(biāo)記為揚聲器1、2、3、4和5的 揚聲器）的一維陣列的聲音回放系統(tǒng)來實現(xiàn)常規(guī)的基于方向的2D聲音移位（稱為"成對 移位"），可以假定沿著以假定的聽者的位置（圖1中的位置"L"）為中心的圓放置揚聲器。 例如，這樣的系統(tǒng)可以假定放置圖1的揚聲器1、2、3、4和5,以使其距聽者位置L至少基本 上等距。為了回放音頻節(jié)目以使得從揚聲器發(fā)出的聲音被感知為從揚聲器的平面中的源位 置（相對于聽者）處的音頻源（圖1的位置"S"）發(fā)出，可以確定跨越源位置的兩個揚聲 器（即，最靠近源位置的兩個揚聲器，在這兩個揚聲器之間存在源位置），并且然后可以確 定要施加于這兩個揚聲器的揚聲器饋送的增益，以使得從這兩個揚聲器發(fā)出的聲音能夠被 感知為從源位置發(fā)出。例如，圖1的揚聲器1和揚聲器2跨越源位置S，并且典型的常規(guī)方 法將確定要施加于揚聲器1和揚聲器2的揚聲器饋送的增益，以使得從這兩個揚聲器發(fā)出 的聲音被感知為從源位置S發(fā)出。在移位期間，當(dāng)源位置（沿著軌跡，該軌跡沿著由假定的 揚聲器位置限定的圓）相對于聽者移動時，典型的常規(guī)方法可以確定要施加于一系列可用 揚聲器對的每個揚聲器對的揚聲器饋送的增益。
[0013] 對于另一示例，為了使用包括7個揚聲器（例如，圖2中被標(biāo)記為10、11、12、13、 15、16和17的揚聲器）的聲音回放系統(tǒng)來實現(xiàn)典型類型的常規(guī)的基于方向的3D聲音移位 (稱為基于矢量的幅值相移或"VBAP"），假定揚聲器被構(gòu)造為其面是三角形并且包圍假定 的聽者的位置（圖2中的位置"L"）的凸3D網(wǎng)格。例如，移位方法可以假定圖2的揚聲器 10、11、12、13、15、16和17被布置在三角形的網(wǎng)格中，如圖2所示，3個揚聲器位于每個三角 形的頂點處。為了回放音頻節(jié)目以使得從揚聲器發(fā)出的聲音被感知為從相對于聽者的源位 置（圖2中的位置"S"）處的音頻源發(fā)出，可以確定包括源位置在網(wǎng)格上的投影（圖2中的 位置"S1"）的三角形（即，與從聽者位置L到源位置S的線相交的三角形）。然后，可以確 定要施加于該三角形的頂點處的三個揚聲器的揚聲器饋送的增益，以使得從這三個揚聲器 發(fā)出的聲音被感知為從源位置發(fā)出。例如，圖2的揚聲器10、11和12位于包括源位置S在 網(wǎng)格上的投影（圖2中的位置"S1"）的三角形的頂點處，這樣的方法的示例將確定要施加 于揚聲器10、11和12的揚聲器饋送的增益，以使得從這三個揚聲器發(fā)出的聲音被感知為從 源位置S發(fā)出。在移位期間，由于源位置（沿著投影在網(wǎng)格上的軌跡）相對于聽者移動，所 以典型的常規(guī)方法可以確定要施加于一系列三角形中的包括源位置在網(wǎng)格上的當(dāng)前投影 的每個三角形的頂點處的每三個一組揚聲器的揚聲器饋送的增益。
[0014] 然而，對于實現(xiàn)多種類型的聲音移位而言，常規(guī)的方向移位方法并非最佳，而且不 支持被任意地放置在收聽空間或區(qū)域內(nèi)的揚聲器。其他常規(guī)移位方法如基于距離的幅值 相移（DBAP)是基于位置的，并且依賴于每個揚聲器與期望的源位置之間的直接距離測量 來計算移位增益。這些方法可以支持任意揚聲器陣列和移位軌跡，但是趨向于同時激發(fā) (fire)太多揚聲器，這將導(dǎo)致音質(zhì)劣化。常規(guī)的VBAP移位方法不能穩(wěn)定地實現(xiàn)源沿著很 多普通軌跡中的任意軌跡移動的移位。例如，靠近"最佳聽音位置"的源軌跡（其跨越由揚 聲器的網(wǎng)格限定的空間）可以引起（源位置相對于最佳聽音位置處的假定的聽者位置的） 快速的方向變化并且從而引起突然的增益變化。例如，在沿著很多典型的源軌跡的移位期 間，尤其當(dāng)網(wǎng)格包括伸長的揚聲器三角形時，常規(guī)的VBAP方法可以在移位持續(xù)時間的至少 一部分期間驅(qū)動揚聲器對（即，每次僅兩個揚聲器），和/或連續(xù)地驅(qū)動的揚聲器對或三個 一組的揚聲器的位置會在移位的持續(xù)時間的至少一部分期間經(jīng)歷聽者可感知的并且分散 聽者注意力的突然的大變化。例如，被驅(qū)動的揚聲器可以包括快速連續(xù)的下列揚聲器：間隔 短距離的兩個揚聲器，然后間隔大得多的距離的另一對揚聲器，然后間隔相對小的距離的 另一對揚聲器，等等。當(dāng)相對于聽者沿著對話源軌跡移位時（例如，其中，源移動至包圍揚 聲器和聽者的空間的左邊和/或右邊以及前方和/或后方兩者），這樣不穩(wěn)定的移位實現(xiàn) (被感知為不穩(wěn)定的實現(xiàn)）會是非常常見的。
[0015] 在PCT國際申請NO.PCT/US2012/044363中描述了另一種類型的音頻呈現(xiàn)，該申請 在2013年1月10日作為國際公布N〇.W02013/006330 A2公開，并且被轉(zhuǎn)讓于本申請的受 讓人。該類型的呈現(xiàn)可以假定被組織成不同高度處的7個二維平面層（水平層）的揚聲器 陣列。每個水平層中的揚聲器是軸對準(zhǔn)的（即，每個水平層包括被組織成行和列的揚聲器， 其中列與收聽環(huán)境的一些特征對準(zhǔn)，例如列平行于環(huán)境的前后軸）。例如，圖3 (或圖4或 圖5)的揚聲器20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30和31是這樣的陣列的示例的一個水 平層中的揚聲器。（圖3、圖4或圖5的）揚聲器20至揚聲器31被組織成5行（例如，包 括揚聲器20、21和22的一行，以及包括揚聲器31和揚聲器23的另一行）和5列（例如， 包括揚聲器29、30和31的一列，以及包括揚聲器20和28的另一列）?？梢匝刂臻g（例 如，電影院）的靠近天花板的前墻布置揚聲器20、21和23,并且可以沿著空間的后墻（也靠 近天花板）放置揚聲器26、27和28。可以在較低的水平層（例如，靠近空間的地板）中放 置第二組12個揚聲器。因此，在圖3至圖5的示例中，整個揚聲器陣列（包括揚聲器的每 個水平層）限定揚聲器的包圍聽者（例如，假定位于揚聲器陣列的"最佳聽音位置"處的聽 者）的假定位置的矩形網(wǎng)格。
[0016] 揚聲器的整個陣列（包括揚聲器的每個水平層）也限定揚聲器的三揚聲器（三角 形）組的常規(guī)凸3D網(wǎng)格，該網(wǎng)格也包圍假定的聽者位置（例如，"最佳聽音位置"），網(wǎng)格的 每個面是其頂點與三個揚聲器的位置重合的三角形。由揚聲器的三角形組形成的這樣的常 規(guī)凸3D網(wǎng)格與參照圖2描述的凸3D網(wǎng)格類型相同。
[0017] 為了對在揚聲器陣列外部（例如，圖3至圖5的網(wǎng)格外部）的源位置處的音頻源 進行成像，有時稱為"遠場"源位置，PCT國際申請No. PCT/US2012/044363教示了使用常規(guī) 的VBAP移位方法（或常規(guī)的波場分析方法）。這樣的常規(guī)的VBAP方法是參照圖2描述的 類型的方法，并且該方法假定揚聲器被組織為由揚聲器的（參照圖2描述的類型的）三角 形組形成的常規(guī)凸3D網(wǎng)格。為了呈現(xiàn)（指示源的）音頻節(jié)目以使得從揚聲器發(fā)出的聲音 被感知為從期望的遠場源位置處的源發(fā)出，確定包括源位置在三角形網(wǎng)格上的投影的三角 形面（三角形）。然后，確定要施加于該三角形的頂點處的三個揚聲器的揚聲器饋送的增 益，以使得從這三個揚聲器發(fā)出的聲音被感知為從源位置發(fā)出。當(dāng)遠場源沿著投影在3D三 角形網(wǎng)格上的遠場軌跡進行移位時，可以通過常規(guī)的VBAP方法對這樣的遠場源進行成像。 另一替代方法是在2D層的每一層中應(yīng)用2D方向成對移位方法（例如，參照圖1提到的方 法），并且將由此得到的揚聲器增益組合為源高度（z坐標(biāo)）的函數(shù)。
[0018] PCT國際申請No. PCT/US2012/044363還教示執(zhí)行"雙平衡"移位方法以對揚聲器 陣列內(nèi)部（例如，圖3至圖5的網(wǎng)格內(nèi)部）的源位置處的音頻源進行呈現(xiàn)，有時將該源位置 稱為"近場"源位置。雙平衡移位方法是位置移位方法而不是方向移位方法。該雙平衡移 位方法假定在包圍假定的聽者位置的矩形陣列（包括揚聲器的水平層）中組織揚聲器。然 而，雙平衡移位方法并不確定源位置在該陣列的矩形面上的投影，之后確定要施加于這樣 的面的頂點處的揚聲器的揚聲器饋送的增益以使得從揚聲器發(fā)出的聲音被感知為從源位 置發(fā)出。
[0019] 反而，雙平衡移位方法針對每個近場源位置確定一組左右移位增益（即，揚聲器 陣列的一個水平層中的每個揚聲器的左右增益）和一組前后移位增益（即，該陣列的同一 水平層中的每個揚聲器的前后增益）。該方法將（每個近場源位置的）層中的每個揚聲器 的前后移位增益乘以（同一近場源位置的）揚聲器的左右移位增益，以（針對每個近場源 位置）確定水平層中的每個揚聲器的最終增益。為了通過驅(qū)動水平層中的揚聲器來實現(xiàn)源 的移位，針對該層中的每個揚聲器，確定一系列最終增益，每個最終增益是前后移位增益之 一與相應(yīng)的左右移位增益之一的乘積。
[0020] 為了使用一個水平層中的揚聲器對通過一系列近場源位置的任意水平移位（例 如，指示源位置相對于聽者沿著投影在水平平面上的任意近場軌跡如圖5中所示的源S的 軌跡的運動的移位）進行呈現(xiàn)