一種3d錄音系統(tǒng)球面麥克風陣列分布方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于信號處理技術領域，具體設及一種麥克風陣列的布置方式，尤其設及 一種3D錄音系統(tǒng)球面麥克風陣列分布方法。
【背景技術】
[0002] 隨著多媒體技術和數字信號處理技術日新月異的發(fā)展，人們對于空間立體聲的要 求越來越高。聲音是W波的形式傳播，會在傳播的空間中形成特定的聲場。在聲場中，人們 對聲音會產生聽覺感受，但只有"身臨其境"，人們才對聲音的感受最真實。傳統(tǒng)的立體聲技 術已經不能滿足運種體驗需求，如何獲得運種"沉浸式"的體驗，一直是信號處理研究的重 要方向。
[0003] 目前，對3D音頻的研究主要有聲場感知和聲場重現兩個方向，前者是后者的基礎， 后者是前者的目的。聲場感知是指基于感知機理，利用技術手段來獲取聲場的參數，如聲場 的大小，方位等。聲全息系統(tǒng)是目前最能有效真實再現目標聲場的Ξ維聲重放系統(tǒng)，它通過 揚聲器陣列來營造整個Ξ維的空間聲場，但由于受到采樣定理的限制，聲全息系統(tǒng)需要足 夠多的揚聲器，不易實現。而波場合成(WFS)系統(tǒng)是基于聲全息技術的簡化應用，同樣會受 到空間采樣定理限制，同樣不易于實現。Ambisonic系統(tǒng)是運用球諧函數理論，運用具有正 交性的各階球諧函數，實現對空間聲場的分析和重構，高階Ambisonic系統(tǒng)利用Μ階截斷的 球諧函數，通過在采樣球表面布置有限數量的麥克風對聲場進行采集并分析，即可W實現 對3D聲場的記錄。在聲場采集的過程中，由于采樣球表面的麥克風分布狀態(tài)為離散分布，為 了更好地采集信號，需要使麥克風的分布具有正交性。在實際錄音過程中，若在采樣球表面 能夠對麥克風進行均勻布置，可W達到最好的采樣效果。但由于Ξ維正多面體的數量只有 五種(正四面體、正六面體、正八面體、正十二面體、正二十面體），只有特定數量的麥克風可 W按照正多面體的頂點位置擺放，來達到均勻分布的效果。但實際中麥克風的個數并不滿 足運五種情況，因此如何對任意數量的麥克風在球面上均勻擺放是本發(fā)明的主要研究問 題。

【發(fā)明內容】

[0004] 針對采樣球表面任意數量麥克風布置的問題，本發(fā)明提出一種在球表面近似均勻 布置麥克風的方法。本發(fā)明引入一個物理模型，本發(fā)明將采樣球表面作為導體球面，麥克風 為帶電粒子，各個粒子之間存在斥力，斥力的大小與距離的平方成反比。于是在斥力的作用 下，各個帶電粒子會不斷移動，當運動最終平衡時候，各個粒子可W看做為近似均勻分布。
[0005] 具體而言，由于利用球諧函數對聲場進行分解，采樣點應在單位球上均勻分布，所 W首先設定采樣球為單位球，將各個帶電粒子在采樣球表面進行隨機分布，計算任意兩點 之間的距離，根據力的大小與距離平方成反比，計算每個帶電粒子在各個方向上受到的合 力大小。之后，針對每個帶電粒子運用力的矢量與帶電粒子徑向矢量進行內積運算，計算出 合力在粒子上的徑向分量，在合力中去除無關的徑向分量，即可W得到能產生運動效果的 力的切線矢量。在切向分量的作用下，帶電粒子將會沿著切向運動，飛出采樣球表面，之后 對帶電粒子的坐標沿徑向進行歸一化，使所有粒子再次回到球表面，從而完成了一次運動。
[0006] 每次重復上述過程，粒子分布將會向均勻分布的方向發(fā)展，經過有限次的重復，當 各粒子所受合力均小于一個設定值時，既可認為實現了粒子的球面均勻分布。此時粒子的 分布方式即為實際的麥克風擺放位置。
[0007] 本發(fā)明的技術方案為：
[0008] 一種3D錄音系統(tǒng)球面麥克風陣列分布方法，其步驟為：
[0009] 1)對球形3D錄音系統(tǒng)進行建模，得到一單位球體;然后將待分布的N個麥克風作為 帶電粒子，隨機分布在該單位球體的表面；
[0010] 2)計算每個帶電粒子在各個方向上受到的合力大小，然后計算出合力在對應帶電 粒子上的切線分量；
[0011] 3)根據切線矢量計算對應帶電粒子沿切向運動飛出該單位球體表面的坐標，然后 對每一帶電粒子的坐標沿徑向進行歸一化，使所有帶電粒子再次回到該單位球體的表面；
[0012] 4)步驟2)、3)循環(huán)若干次，當各帶電粒子所受合力均小于一設定值時，得到各帶電 粒子的球面均勻分布，即為N個麥克風在該球形3D錄音系統(tǒng)的陣列分布。
[0013] 進一步的，計算每一帶電粒子上的切線分量的方法為：
[0014] 21)將任意兩帶電粒子i，j的Ξ維坐標相減，得到一距離矢量ddij;
[0015] 22)對每一距離矢量ddij進行取模，計算出兩帶電粒子i, j間距離大小kj;
[0016] 23)根據力的大小與距離平方成反比計算每個帶電粒子在各個方向上受到的合力 大??；
[0017] 24)對于每一帶電粒子i，將其所受合力Fi與其坐標ri做內積的結果再與坐標ri進 行點乘，得到該帶電粒子i所受到合力Fi的徑向分量Fri;把合力Fi減去徑向分量Fri，得到該 帶電粒子i的切向分量Fvi。
[0018] 進一步的，計算所述飛出該單位球體表面的坐標的方法為:將帶電粒子i的當前坐 標ri"與帶電粒子i的當前速度vi"的加和作為飛出該單位球體表面的坐標r嚴1;其中，η為已 完成的循環(huán)次數。
[0019] 進一步的，根據切向分量Fvi計算出帶電粒子i更新后速度吟二其中，G為 設定的斥力闊值。
[0020] 進一步的，所述斥力闊值G<0.05。
[0021] 進一步的，當距離以^]、于設定最小距離值時，將取值為該設定最小距離值。
[0022] 進一步的，該設定最小距離值<0.05。
[0023] 與現有技術相比，本發(fā)明的積極效果為：
[0024] 基于球諧函數聲場分析的錄音方法，要求拾音器在球面均勻分布，而數學上可W 證明Ξ維空間只存在五種正多面體，運就對采樣球中的麥克風個數有較強的約束，限制了 此方法的應用。本發(fā)明用球面上的帶電粒子模擬麥克風，用帶電粒子受到的力模擬麥克風 之間的距離的平方，通過物理模擬的方式，近似得到任意N個點在球面近似均勻分布，仿真 結果表明，運種分布產生的球諧函數矩陣有著良好正交性，具有實用性意義。
[0025] 本發(fā)明可W實現任意數量麥克風在3D錄音系統(tǒng)球面的近似均勻分布，具有確定分 布效率高、采樣效果好等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0026] 圖1是計算流程圖；
[0027] 圖2是粒子均勻分布示意圖；
[002引圖3是正交性分析灰度圖；
[0029] 圖4是正交性對比灰度圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面參照本發(fā)明的附圖，詳細地描述本發(fā)明的實施例。
[0031] 首先運用隨機數函數，對采樣點的坐標進行賦值，得到各采樣點的Ξ維坐標向量 如0。
[0032] 設定各個點