專利名稱：保持三維中的空間諧波的多通道環(huán)繞聲母版制作和再現(xiàn)技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及電子聲傳輸，錄音和再現(xiàn)技術(shù)，更特別地，涉及環(huán)繞聲技術(shù)中的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
在過去幾十年中，已經(jīng)不斷取得聲音再現(xiàn)品質(zhì)和真實(shí)感的改進(jìn)。與早期的非立體聲(單通道)聲音再現(xiàn)比較，通過空間分開的揚(yáng)聲器的立體聲(雙通道)錄音和重放顯著地提高再現(xiàn)聲的真實(shí)感。新近，音頻信號(hào)已經(jīng)在雙通道中以驅(qū)動(dòng)環(huán)繞聽者放置的四個(gè)或更多揚(yáng)聲器的方式來編碼。這種環(huán)繞聲進(jìn)一步增加了再現(xiàn)聲音的真實(shí)感。多通道(三個(gè)或更多通道)錄音用于大多數(shù)電影的聲軌，這在合適地配備包括繞墻放置以環(huán)繞聽眾的揚(yáng)聲器的聲系統(tǒng)的電影院中，提供一些引人入勝的音頻效果。當(dāng)前出現(xiàn)小的光學(xué)CD(光盤)上的多通道音頻錄制標(biāo)準(zhǔn)，這種小光盤預(yù)期對(duì)家用變得非常流行。最近的DVD(數(shù)字化視頻光盤)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在可以或不可以包含視頻的CD上的多通道PCM(脈沖碼調(diào)制)音頻。
理論上，音頻波陣面的最精確再現(xiàn)通過將聲全息圖記錄并重放來獲得。但是，將不得不記錄幾萬，甚至數(shù)百萬獨(dú)立的通道。二維陣列的揚(yáng)聲器將不得不環(huán)繞家庭或電影院放置，具有不大于所希望再現(xiàn)的最高頻率波長(zhǎng)一半的間距，相隔稍微少于一厘米，以便精確地重建原始的音頻波陣面。將不得不對(duì)這大量揚(yáng)聲器的每一個(gè)記錄獨(dú)立的通道，包括在錄音過程中使用類似大量的麥克風(fēng)。從而，這種音頻波陣面的精確再現(xiàn)對(duì)用于家庭，電影院等的音頻再現(xiàn)系統(tǒng)一點(diǎn)也不實(shí)用。
當(dāng)所希望的再現(xiàn)是三維的和揚(yáng)聲器不再共面時(shí)，這些復(fù)雜化相應(yīng)地增加，并且這種再現(xiàn)變得更不切實(shí)際。向三維的延伸提供特殊效果，例如對(duì)于電影或在母版(mastering)制作音樂唱片中，以及對(duì)于當(dāng)原始聲源不局限于平面時(shí)。即使，比方說，平面舞臺(tái)上音樂家錄音情況下，由于樂器布局中的能夠被記錄并再現(xiàn)的反射和變化，合成的環(huán)繞聲環(huán)境將具有三維特征。雖然量化比定位聲源更難，但是包含第三維增加聲場(chǎng)的這種空間感和深度感，即使實(shí)源定位于共面布局。
因此，本發(fā)明基本和一般目的是，通過多通道錄音，例如在新興的新音頻標(biāo)準(zhǔn)中提供的，用與當(dāng)前在環(huán)繞聲系統(tǒng)中使用的大約相同數(shù)目的揚(yáng)聲器，來提供具有改進(jìn)真實(shí)感的再現(xiàn)聲音技術(shù)。
本發(fā)明的另一目的是，提供一種方法和/或系統(tǒng)，其用于在家庭，電影院，或其它收聽場(chǎng)所重放記錄的或傳輸?shù)亩嗤ǖ缆?，允許使用者在收聽場(chǎng)所為使用的揚(yáng)聲器的特定布局設(shè)置電子矩陣。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的是，將這些技術(shù)和方法延伸到揚(yáng)聲器置于非共面布局的三維聲場(chǎng)的記錄和再現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
這些和另外的目的由本發(fā)明來實(shí)現(xiàn)，其中，簡(jiǎn)單地和一般地，音頻場(chǎng)由多路信號(hào)通過環(huán)繞聽音區(qū)域放置的四個(gè)或更多揚(yáng)聲器來獲得并再現(xiàn)，信號(hào)以這樣一種方式來處理，用環(huán)繞聽音區(qū)域的幾乎任何特定的揚(yáng)聲器布局來再現(xiàn)已獲得音頻場(chǎng)的基本上確切指定數(shù)目的空間諧波。這增加聲音再現(xiàn)的真實(shí)感，而不對(duì)揚(yáng)聲器的位置強(qiáng)加任何特殊的限制。
任何存在的揚(yáng)聲器位置，都用作多通道聲音信號(hào)電子編碼和/或解碼中的參數(shù)，以在特殊的再現(xiàn)布局中產(chǎn)生這種有利結(jié)果，而不是要求揚(yáng)聲器在系統(tǒng)能夠再現(xiàn)指定數(shù)目的空間諧波之前以某種特殊的模式布局。如果移動(dòng)一個(gè)或多個(gè)揚(yáng)聲器，這些參數(shù)改變以保持再現(xiàn)聲音中的空間諧波。五個(gè)通道和五個(gè)揚(yáng)聲器的使用在下面描述，以說明本發(fā)明的各個(gè)方面。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特殊方面，單個(gè)的非立體聲通過使用矩陣混合在一起，當(dāng)錄音或形成聲音傳輸時(shí)，該矩陣有角度地確定它們的位置，當(dāng)通過環(huán)繞聽者的假設(shè)的揚(yáng)聲器布局再現(xiàn)時(shí)，具有改進(jìn)的真實(shí)感?？赡苌婕八型ǖ?，以便再現(xiàn)具有所希望的空間諧波的聲音，而不是象當(dāng)前用標(biāo)準(zhǔn)展平技術(shù)所做的一樣僅僅將給定的非立體聲發(fā)送到驅(qū)動(dòng)位于聲音位置每側(cè)揚(yáng)聲器的兩個(gè)通道。一個(gè)實(shí)例應(yīng)用是在幾個(gè)音樂家一起演奏的唱片的母版制作中。每個(gè)樂器的聲音首先分別記錄，然后以某種方式混合，在再現(xiàn)時(shí)確定環(huán)繞聽音區(qū)域的聲音的位置。通過使用所有通道以保持空間諧波，再現(xiàn)的聲場(chǎng)接近于音樂家演奏空間中存在的聲場(chǎng)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)特殊方面，多通道聲音可以在家庭，電影院或再現(xiàn)的其它場(chǎng)所重新矩陣變換，以便適應(yīng)不同的揚(yáng)聲器布局而不是最初母版制作時(shí)假設(shè)的。期望的空間諧波用不同的真實(shí)揚(yáng)聲器布局來精確地再現(xiàn)。這允許揚(yáng)聲器布局的自由，而不損失聲音改進(jìn)的真實(shí)感，在家庭中尤其重要，其經(jīng)常對(duì)揚(yáng)聲器布局施加限制。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步特殊方面，聲場(chǎng)最初通過使用定向麥克風(fēng)用方向信息來獲得。麥克風(fēng)輸出，或從麥克風(fēng)輸出的初始子矩陣產(chǎn)生的空間諧波信號(hào)，通過分離通道記錄或傳輸?shù)绞章爤?chǎng)所。然后，傳輸?shù)男盘?hào)在家庭或其它收聽場(chǎng)所以考慮真實(shí)揚(yáng)聲器位置的方式來矩陣變換，以便再現(xiàn)記錄的聲場(chǎng)，其具有匹配錄音場(chǎng)所空間諧波的一些空間諧波。
這些不同方面可以使用二維或三維中的空間諧波。在二維的情況，音頻波陣面由基本上共面的揚(yáng)聲器布局來再現(xiàn)，或者初始錄音基于二維空間諧波或通過將三維諧波投影到揚(yáng)聲器平面上。在三維再現(xiàn)中，一個(gè)或多個(gè)揚(yáng)聲器置于不同高度，而不是這種二維平面。類似地，三維聲場(chǎng)由多個(gè)定向麥克風(fēng)的非共面布局來獲得。
本發(fā)明各個(gè)方面另外的目的，特征和優(yōu)點(diǎn)將從下面它的優(yōu)選實(shí)施方案的描述中變得顯然，其中實(shí)施方案應(yīng)該連同附圖來理解。


圖1是環(huán)繞聽音區(qū)域的多個(gè)揚(yáng)聲器布局的平面圖。
圖2A-D說明圖1的聲音再現(xiàn)布局的聲音空間頻率。
圖3是用于定位非立體聲聲音位置的矩陣變換系統(tǒng)的框圖。
圖4是框圖，用于將在圖3中矩陣變換的信號(hào)重新矩陣變換，以便考慮不同的揚(yáng)聲器位置而不是最初將信號(hào)矩陣變換時(shí)假設(shè)的。
圖5和6框圖，其顯示用于獲得和再現(xiàn)來自多個(gè)定向麥克風(fēng)的聲音的可選方案。
圖7給出圖5和6中麥克風(fēng)矩陣塊的更多細(xì)節(jié)。
圖8顯示作為圖5和6系統(tǒng)音頻信號(hào)源的三個(gè)麥克風(fēng)的布局。
圖9說明球面坐標(biāo)的布局。
圖10顯示四個(gè)麥克風(fēng)的三維布置的角度對(duì)準(zhǔn)。
具體實(shí)施例方式
討論以二維平面中的空間諧波方法開始。這一方法的一些結(jié)果是(1)一種記錄可以用來供給任何數(shù)目揚(yáng)聲器的環(huán)繞聲的方法；(2)一種掃視非立體聲聲音以便精確地產(chǎn)生給定空間諧波組的方法；(3)一種在三個(gè)通道中存儲(chǔ)和傳輸環(huán)繞聲的方法，兩個(gè)通道是標(biāo)準(zhǔn)立體聲混音，并且通過第三個(gè)通道的使用，可以再現(xiàn)保持原始空間諧波的環(huán)繞聲。
在二維的討論之后，這一相同理論延伸到三維。在二維中，空間諧波基于單個(gè)變量，角度φ的傅立葉正弦和余弦級(jí)數(shù)。遺憾的是，3D形式的數(shù)學(xué)不如2D的清晰緊湊。沒有任何特別好的方法來減少?gòu)?fù)雜度，并且因?yàn)檫@個(gè)原因首先給出2D形式。
為了將空間諧波方法延伸到三維，于是給出勒讓德函數(shù)和球諧波的簡(jiǎn)短討論。在某種意義上，這是傅立葉正弦和余弦級(jí)數(shù)的推廣。傅立葉級(jí)數(shù)是一個(gè)角度φ的函數(shù)。級(jí)數(shù)是周期性的。它可以認(rèn)為是一個(gè)周期上的函數(shù)表示。球諧波定義在球表面上，并且是兩個(gè)角度θ和φ的函數(shù)。φ是方位角，定義0°為直前，90°為向左，180°為直接向后。θ是偏角(上和下)，0°直接向上，90°為水平面，180°為直接向下。這些在圖9中對(duì)點(diǎn)(θ，φ)顯示。注意θ為0°～180°，而φ為0°～360°(或者，可選的-180°～180°)。
二維中的空間諧波人11在圖1中顯示，位于被揚(yáng)聲器SP1，SP2，SP3，SP4和SP5環(huán)繞的聽音區(qū)域的中間，使這些揚(yáng)聲器對(duì)準(zhǔn)以將它們的聲音導(dǎo)向中心。為了本申請(qǐng)描述的目的，建立角坐標(biāo)系統(tǒng)。聽者11的前向，面對(duì)前揚(yáng)聲器SP1，作為基準(zhǔn)被置于(θ1，φ1)＝(90°，0°)。從那個(gè)參照，剩余的揚(yáng)聲器SP2(前左)，SP3(后左)，SP4(后右)，和SP5(前右)的角坐標(biāo)分別為(θ2，φ2)，(θ3，φ3)，(θ4，φ4)，和(θ5，φ5)。這里，揚(yáng)聲器置于這樣一個(gè)典型布局中，其定義基本上為平面的表面，一個(gè)實(shí)例是θ＝90°的水平平面表面，其平行于揚(yáng)聲器放置房間的地板。在這種情況下，每個(gè)θ1-θ5于是都是90°，并且這些θ將暫時(shí)不明確表示，并且在圖1中省略。一個(gè)或多個(gè)揚(yáng)聲器的高度高于一個(gè)或多個(gè)其它揚(yáng)聲器不是必需的，但是可能需要以便適應(yīng)受限制的空間。一個(gè)或多個(gè)θi≠90°的情況在下面討論。
非立體聲聲音13，例如來自單個(gè)樂器的聲音，期望置于離那個(gè)零基準(zhǔn)為φ0的角度，位于沒有揚(yáng)聲器的位置。通?？赡苡衅渌橇Ⅲw聲聲音，期望同時(shí)置于其他角度，但是為了說明簡(jiǎn)單，這里只顯示源13。對(duì)于多樂器音樂源，例如在母版制作過程中，各個(gè)樂器的聲音將置于環(huán)繞聽音區(qū)域的不同角度φ0。每個(gè)樂器的聲音典型地由一個(gè)或多個(gè)非立體聲記錄的麥克風(fēng)在至少一個(gè)分離通道上獲得。這些非立體聲錄音在母版制作過程中用作聲源。作為選擇，母版制作可以從分離的樂器麥克風(fēng)實(shí)時(shí)地執(zhí)行。
在描述母版制作過程之前，參考圖2A-D來說明空間頻率的概念。圖2A根據(jù)角坐標(biāo)顯示環(huán)繞圖1聽音區(qū)域的空間。顯示每個(gè)揚(yáng)聲器SP1，SP2，SP3，SP4和SP5的五個(gè)位置，以及聲源13的期望位置。可以把聲音13看作空間脈沖，而其又可以表示成傅立葉級(jí)數(shù)展開式，如下f(φ)=a0+Σm=1M(amcosmφ+bmsinmφ)----(1)]]>其中m是各個(gè)空間諧波的整數(shù)，從0到數(shù)M的諧波被重建，am是每個(gè)諧波一個(gè)分量的系數(shù)，而bm是每個(gè)諧波正交分量的系數(shù)。這樣，值a0表示空間函數(shù)零階的值。
空間零階在圖2B中顯示，具有環(huán)繞整個(gè)空間的相同幅度，隨空間脈沖聲源13的幅度上升和下降。圖2C顯示第一階空間函數(shù)，當(dāng)具有環(huán)繞空間的一個(gè)完整周期，在脈沖13的角度是最大值。第二階空間函數(shù)，這在圖2D中說明，具有環(huán)繞空間的兩個(gè)完整周期。算術(shù)地，空間脈沖13由大量階精確地表示，但是只使用幾個(gè)揚(yáng)聲器的事實(shí)限制可能包括于再現(xiàn)聲場(chǎng)中的空間諧波的數(shù)量。如果揚(yáng)聲器的數(shù)量等于或大于(1+2n)，其中n在這里是期望再現(xiàn)的諧波數(shù)量，那么再現(xiàn)聲場(chǎng)的0到n空間諧波可以基本上精確地再現(xiàn)，這些諧波與存在于原始聲場(chǎng)的空間諧波一樣。相反地，可以精確再現(xiàn)的空間諧波是0到n的諧波，其中n是最大全整數(shù)，其等于或小于環(huán)繞聽音區(qū)域放置的揚(yáng)聲器數(shù)量減1的一半。作為選擇，可以選擇再現(xiàn)小于這一最大數(shù)目的可能空間諧波，如在特殊系統(tǒng)中。
本發(fā)明的一個(gè)特殊方面由圖3說明，其示意地顯示用來母版制作多通道錄音的調(diào)音臺(tái)的某些函數(shù)。在這個(gè)實(shí)例中，五個(gè)信號(hào)S1，S2，S3，S4和S5在適當(dāng)記錄介質(zhì)例如磁帶的五個(gè)分離通道中記錄，可能以數(shù)字形式。這些信號(hào)的每一個(gè)驅(qū)動(dòng)各個(gè)揚(yáng)聲器。兩個(gè)非立體聲聲源17和19被說明混合進(jìn)記錄信號(hào)S1-S5。源17和19可以是，例如，溶合在一起的不同樂器的現(xiàn)場(chǎng)或記錄的信號(hào)。源17和19中的一個(gè)或兩個(gè)也可以是合成產(chǎn)生的或自然記錄的聲音效果，語音等等。實(shí)際上，通常有遠(yuǎn)多于兩個(gè)這樣的信號(hào)用來錄音。各個(gè)信號(hào)可以一次一個(gè)地加入記錄磁道，或者混合在一起用于同時(shí)錄音。
圖3說明的是“定位”非立體聲聲音技術(shù)。簡(jiǎn)而言之，當(dāng)錄音通過環(huán)繞聲系統(tǒng)重放時(shí)，每個(gè)聲源17和19的視在位置在母版制作過程中設(shè)置，這在上面關(guān)于圖1描述。當(dāng)前，母版制作臺(tái)的通用掃視技術(shù)將非立體聲聲音導(dǎo)入記錄信號(hào)S1-S5中僅僅兩個(gè)，其供給聲音期望位置兩側(cè)的揚(yáng)聲器，具有確定聲源到聽者視在位置的相對(duì)幅度。但是這缺乏一定真實(shí)感。因此，如在圖3中所示，每個(gè)聲源都供給五個(gè)通道的每一個(gè)，設(shè)置相對(duì)增益以構(gòu)造一組信號(hào)，這組信號(hào)具有從那個(gè)位置發(fā)出的聲場(chǎng)的一定數(shù)量空間諧波，至少零和第一諧波。一個(gè)或多個(gè)通道可能仍然接收不到特殊信號(hào)的任何部分，但是現(xiàn)在因?yàn)樗潜３纸o定數(shù)量空間諧波的結(jié)果，而不是因?yàn)樾盘?hào)被人工地限制到僅僅兩個(gè)通道。
源17信號(hào)到五個(gè)分離通道S1-S5的相對(duì)貢獻(xiàn)由各個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃?1，22，23，24和25來表示。這些放大器的各個(gè)增益g1，g2，g3，g4和g5由電路27中來自控制處理器29的控制信號(hào)來設(shè)置。類似地，源19的聲音信號(hào)通過各個(gè)放大器31，32，33，34和35導(dǎo)入每個(gè)通道S1-S5。放大器31-35的各個(gè)增益g1′，g2′，g3′，g4′和g5′也由控制處理器29通過電路37來設(shè)置。這些增益組由控制處理器29從錄音師通過控制面板45的輸入來計(jì)算。這些輸入包括來自源17和19的聲音期望放置的角度Φ(圖1)和一組假設(shè)的揚(yáng)聲器放置角度φ1-φ5。計(jì)算的參數(shù)也可以通過電路47隨意地提供以記錄。放大器21-25各個(gè)獨(dú)立輸出通過各個(gè)求和結(jié)點(diǎn)39，40，41，42和43與放大器31-35的那些輸出相結(jié)合，以提供五個(gè)通道信號(hào)S1-S5。這些信號(hào)S1-S5最后通過各個(gè)揚(yáng)聲器SP1-SP5來再現(xiàn)。
控制處理器29包括DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)，其運(yùn)算以求解來自輸入信息的聯(lián)立方程，以計(jì)算每個(gè)非立體聲聲源的一組相對(duì)增益。求解每個(gè)分離放置聲源位置的一組主要線性方程可以如下表示1+2Σmcosm(φ0-φi)=Σj=1Ngi[1+2Σmcosm(φj-φi)]----(2)]]>其中φ0表示聲音期望視在位置的角度，φi和φj表示對(duì)應(yīng)于各個(gè)通道揚(yáng)聲器位置的角坐標(biāo)，每個(gè)i和j具有從1到通道數(shù)的整數(shù)值，m表示空間諧波，從0延伸到再現(xiàn)時(shí)與原始聲場(chǎng)的那些諧波匹配的諧波數(shù)，N是通道的總數(shù)，gi表示各個(gè)通道的相對(duì)增益，i從1延伸到通道數(shù)。方程求解的就是這組相對(duì)增益。i和j下標(biāo)的使用遵循矩陣的通常數(shù)學(xué)符號(hào)，其中i是矩陣術(shù)語的行號(hào)，j是列號(hào)。
在通道數(shù)N等于5，揚(yáng)聲器數(shù)也等于5，并且只有零和第一空間諧波精確再現(xiàn)的特殊實(shí)例中，上面的線性方程可以表示成下面的矩陣 這個(gè)通用矩陣求解期望的一組相對(duì)增益g1-g5。
這是秩為3的矩陣，意味著有大量相對(duì)增益值滿足它。為了給出一組唯一的增益，加入其它限制。一個(gè)這種限制是第二空間諧波為0，這導(dǎo)致上面矩陣的底部?jī)尚懈淖?，如?可以加于通用矩陣求解的可選限制是要求速度向量(對(duì)低于大約750-1500Hz過渡頻率的頻率)和功率向量(對(duì)高于這一過渡的頻率)基本上對(duì)準(zhǔn)。眾所周知，人耳在高于和低于這一過渡的頻率范圍中用不同的機(jī)制來辨別聲音的方向。因此，使得可能延伸到兩個(gè)頻率范圍的聲音的視在位置，對(duì)耳朵好像是來自相同的位置。這通過使每個(gè)這些向量的角方向的表達(dá)式相等來獲得，如下arctanΣgisinφiΣgicosφi≡arctanΣgi2sinφiΣgi2cosφi----(5)]]>速度向量方向的定義在等號(hào)左邊，功率向量方向的定義在右邊。對(duì)于功率向量，取增益項(xiàng)的平方為人耳響應(yīng)高頻范圍的方式模型的近似值，所以可以在個(gè)體之間稍作改變。
一旦由控制處理器29對(duì)環(huán)繞聽者11放置的每個(gè)聲音計(jì)算出一組相對(duì)增益，產(chǎn)生的信號(hào)S1-S5可以從錄音15重放，并且單獨(dú)地驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器SP1-SP5的一個(gè)。如果揚(yáng)聲器精確地置于環(huán)繞聽者11的角坐標(biāo)φ1-φ5，或非常接近于那些坐標(biāo)，那些角坐標(biāo)是當(dāng)計(jì)算每個(gè)聲源的相對(duì)增益時(shí)假設(shè)的，那么所有聲源的位置對(duì)聽者將好像精確地是錄音師希望它們置于的位置。包括在這些計(jì)算中的零，第一和任何較高階空間諧波將精確地再現(xiàn)。
但是，家庭，電影院或錄音重放的其它場(chǎng)所的實(shí)際約束經(jīng)常限制聲音系統(tǒng)揚(yáng)聲器可以放置的位置。如果環(huán)繞聽音區(qū)域有角度地放置在不同于那些在錄音過程中假設(shè)的角度上，各個(gè)聲源的空間定位可能不是最佳的。因此，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，信號(hào)S1-S5由聽者的聲音系統(tǒng)以圖4中說明的方式重新矩陣變換。從錄音15重放的聲音通道S1-S5，在特殊的設(shè)備中，初始由諧波矩陣51轉(zhuǎn)換成空間諧波信號(hào)a0(零諧波)，a1和b1(第一諧波)。第一諧波信號(hào)a1和b1彼此正交。
如果保持多于零和第一空間諧波，對(duì)于每個(gè)增加的諧波，由矩陣51產(chǎn)生兩個(gè)額外的正交信號(hào)。然后這些諧波信號(hào)用作揚(yáng)聲器矩陣53的輸入，矩陣53將它們轉(zhuǎn)換成一組修改的信號(hào)S1′，S2′，S3′，S4′和S5′，這些信號(hào)用來以提供再現(xiàn)聲音改進(jìn)真實(shí)感的方式驅(qū)動(dòng)唯一位置的揚(yáng)聲器，這一再現(xiàn)聲音是最初用假設(shè)的不同揚(yáng)聲器位置母版制作錄音15時(shí)想要的。這由在矩陣51和53中通過各個(gè)增益控制電路55和57從控制處理器59設(shè)置的相對(duì)增益來實(shí)現(xiàn)。處理器59從已經(jīng)用聲軌記錄并重放的母版制作參數(shù)來計(jì)算這些增益，主要是假設(shè)的揚(yáng)聲器角度φ1，φ2，φ3，φ4和φ5，以及由聽者通過控制臺(tái)61提供給控制處理器的相應(yīng)真實(shí)揚(yáng)聲器角度β1，β2，β3，β4和β5。
諧波矩陣51的算法通過使用分成五組每組三個(gè)的15個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃鱽碚f明。三個(gè)放大器連接以接收從錄音重放的每個(gè)聲音信號(hào)S1-S5。放大器63，64和65接收S1信號(hào)，放大器67，68和69接收S2信號(hào)，等等。這五組中每組的一個(gè)放大器的輸出與求和結(jié)點(diǎn)81連接，具有a0輸出信號(hào)，這五組中每組的另一個(gè)放大器的輸出與求和結(jié)點(diǎn)83連接，具有a1輸出信號(hào)，并且每組的第三個(gè)放大器的輸出連接到第三求和結(jié)點(diǎn)85，它的輸出是b1信號(hào)。
矩陣51僅從錄音15重放的音頻信號(hào)S1-S5以及在母版制作過程中假設(shè)的揚(yáng)聲器角度φ1，φ2，φ3，φ4和φ5來計(jì)算中間信號(hào)a0，a1和b1，如下a0＝S1+S2+S3+S4+S5a1＝S1cosφ1+S2cosφ2+S3cosφ3+S4cosφ4+S5cosφ5(6)b1＝S1sinφ1+S2sinφ2+S3sinφ3+S4sinφ4+S5sinφ5這樣，在顯示為矩陣51的這一算法的表示中，放大器63，67，70，73和76具有單位增益，放大器64，68，71，74和77具有小于1的增益，它是假設(shè)的揚(yáng)聲器角度的余弦函數(shù)，并且放大器65，69，72，75和78具有小于1的增益，它是假設(shè)的揚(yáng)聲器角度的正弦函數(shù)。
矩陣53取這些信號(hào)并且提供新的信號(hào)S1′，S2′，S3′，S4′和S5′以驅(qū)動(dòng)具有環(huán)繞聽音區(qū)域唯一位置的揚(yáng)聲器。在圖4中顯示的處理的表示，包括15個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃?7-103，以五個(gè)放大器87-91接收信號(hào)a0，五個(gè)放大器92-97接收信號(hào)a1，和五個(gè)放大器98-103接收信號(hào)b1來分組。這三組中每組的唯一一個(gè)放大器的輸出提供到求和結(jié)點(diǎn)105的輸入，這些組中每組的另一個(gè)的輸出提供到求和結(jié)點(diǎn)107的輸入，并且其它放大器以類似的方式將它們的輸出連接到結(jié)點(diǎn)109，111和113，如圖所示。
設(shè)置放大器87-103的相對(duì)增益以滿足下面的聯(lián)立方程組，其依賴于實(shí)際的揚(yáng)聲器角度βΣj=1N[1+2cos(βj-βi)]Sj′=a0+a1cosβi+b1sinβi----(7)]]>其中在本實(shí)例中N＝5，使得i和j具有值1，2，3，4和5。結(jié)果是家庭，電影院或其它使用者能夠“撥入”由揚(yáng)聲器位置取的特殊角度，其有時(shí)甚至可以被改變，以保持母版制作技術(shù)提供的改進(jìn)空間性能。
上面實(shí)際揚(yáng)聲器位置角度β的聯(lián)立方程的矩陣表示如下，其中也加入第二空間諧波等于零的條件 選擇放大器87-103的相對(duì)增益值以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生的a0，a1和b1的系數(shù)，其由求解上面電路矩陣53的輸出信號(hào)S1′-S5′的矩陣來產(chǎn)生，矩陣53具有給定的一組實(shí)際揚(yáng)聲器位置角度β1-β5。
前面的描述論述包括錄音的母版制作和再現(xiàn)過程，這由在圖3和4中的塊15來表示。但是，這些過程也可以用于有實(shí)時(shí)傳輸?shù)那闆r，母版制作的聲音通過塊15到一個(gè)或多個(gè)再現(xiàn)位置。
關(guān)于圖3和4的描述主要涉及母版制作三維聲場(chǎng)，或至少涉及來自各個(gè)非立體聲聲源的聲場(chǎng)。參考圖5，說明用于從表示三維中聲場(chǎng)的信號(hào)母版制作錄音或聲音傳輸?shù)募夹g(shù)。三個(gè)麥克風(fēng)121，123和125是一種類型，并且關(guān)于聲場(chǎng)放置，以產(chǎn)生包含聲場(chǎng)信息的音頻信號(hào)m1，m2和m3，聲場(chǎng)信息允許聲場(chǎng)在一組環(huán)繞聲揚(yáng)聲器中再現(xiàn)。例如，將這些麥克風(fēng)置于交響樂大廳，產(chǎn)生信號(hào)，聲音效果可以從這些信號(hào)重建，具有真實(shí)的方向性。
如在127指出的，這三個(gè)信號(hào)可以通過三個(gè)通道的傳輸立刻記錄或分發(fā)。然后m1，m2和m3信號(hào)在家庭，電影院和/或其它場(chǎng)所重放，處理和再現(xiàn)。再現(xiàn)系統(tǒng)包括麥克風(fēng)矩陣電路129和揚(yáng)聲器矩陣電路131，其由控制處理器133通過各個(gè)電路135和137來操作。這允許麥克風(fēng)信號(hào)在收聽場(chǎng)所以優(yōu)化供給揚(yáng)聲器的信號(hào)S1-S5的方式來控制和處理，以便用環(huán)繞聽音區(qū)域的特殊唯一揚(yáng)聲器布局來精確再現(xiàn)原始聲場(chǎng)。矩陣129從麥克風(fēng)信號(hào)m1，m2和m3來發(fā)展零和第一空間諧波信號(hào)a0，a1和b1。揚(yáng)聲器矩陣131取這些信號(hào)并且用圖4對(duì)矩陣53所描述的相同算法來產(chǎn)生各個(gè)揚(yáng)聲器信號(hào)S1-S5?？刂婆_(tái)139允許在收聽場(chǎng)所的用戶指定由矩陣131使用的確切揚(yáng)聲器位置，和需要的任何其它參數(shù)。
圖6的方案與圖5的非常類似，除了在記錄或傳輸?shù)男盘?hào)上不同。代替在127(圖5)記錄或傳輸麥克風(fēng)信號(hào)，麥克風(fēng)矩陣129在聲音始發(fā)位置(圖6)執(zhí)行，并且產(chǎn)生的聲場(chǎng)空間諧波a0，a1和b1在127′記錄或傳輸?？刂铺幚砥?41和控制面板143在母版制作場(chǎng)所使用?？刂铺幚砥?45和控制面板147在收聽場(chǎng)所使用。圖6系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，記錄或傳輸?shù)男盘?hào)獨(dú)立于所使用的麥克風(fēng)的類型和布局，所以這一信息不需要在收聽場(chǎng)所已知。
圖5和6麥克風(fēng)矩陣129的實(shí)例在圖7中給出。三個(gè)麥克風(fēng)信號(hào)m1，m2和m3的每一個(gè)都是到一組三個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃鞯妮斎?。信?hào)m1用于放大器151-153，信號(hào)m2用于放大器154-156，和信號(hào)m3用于放大器157-159。每組放大器的一個(gè)輸出連接到產(chǎn)生零空間諧波信號(hào)a0的求和結(jié)點(diǎn)。同樣，每組另一個(gè)放大器輸出連接到求和結(jié)點(diǎn)163，其產(chǎn)生第一空間諧波信號(hào)a1。進(jìn)一步，每組第三個(gè)放大器的輸出在求和結(jié)點(diǎn)165連接到一起，提供第一諧波信號(hào)b1。
放大器151-159的增益單獨(dú)地由控制處理器133或141(圖5或6)通過電路135來設(shè)置。這些增益定義麥克風(fēng)矩陣129的傳遞函數(shù)。必要的傳遞函數(shù)依賴于使用的麥克風(fēng)121，123和125的類型和布局。圖8說明麥克風(fēng)的一種特殊布局。它們可以是相同的，但不需要如此。僅僅一個(gè)麥克風(fēng)可以是全方向的。作為特殊的實(shí)例，每個(gè)都是具有心形方向圖的壓力梯度型麥克風(fēng)。它們以Y型布局，它們的主敏感性軸箭頭方向朝外。麥克風(fēng)121和125的方向置于另一個(gè)麥克風(fēng)123方向軸相反側(cè)的角度α。
在這個(gè)特殊實(shí)例中，麥克風(fēng)信號(hào)可以如下表示，其中ν是聲源關(guān)于麥克風(fēng)123方向軸的角度m1＝1+cos(ν-α)m2＝1-cosν (9)m3＝1+cos(ν+α)矩陣129的三個(gè)空間諧波輸出，根據(jù)它的三個(gè)麥克風(fēng)信號(hào)輸入，為a0=(m1+m3)2+m2cosα1+cosα]]>a1=(m1+m3)2-m21+cosα----(10)]]>b1=m1-m32sinα]]>因?yàn)檫@些是線性方程，放大器151-159的增益是這些方程每個(gè)m1，m2和m3項(xiàng)的系數(shù)。
為了說明清楚，不同的聲音處理算法根據(jù)模擬電路來描述。雖然描述的一些或所有矩陣可以以這種方式來實(shí)現(xiàn)，更方便的是，在商業(yè)上可用的數(shù)字聲音母版制作臺(tái)中當(dāng)為記錄或傳輸編碼信號(hào)時(shí)，和在收聽場(chǎng)所重放設(shè)備的數(shù)字式電子系統(tǒng)中來實(shí)現(xiàn)這些算法。然后，矩陣在設(shè)備中以數(shù)字形式，響應(yīng)提供的執(zhí)行上面描述算法的軟件或固件代碼來形成，。
在母版制作和重放中，矩陣用包括期望的或真實(shí)的揚(yáng)聲器位置的參數(shù)來形成。對(duì)這些揚(yáng)聲器位置幾乎不加限制。無論它們是什么，它們都被考慮為不同算法中的參數(shù)。獲得改進(jìn)的真實(shí)感，而不需要其他技術(shù)認(rèn)為是必需的特殊揚(yáng)聲器位置，例如使用徑向相反的揚(yáng)聲器對(duì)，置于長(zhǎng)方形房間地板和天花板角落的揚(yáng)聲器，其它特殊的直線布局，等等。相反地，本發(fā)明的處理允許揚(yáng)聲器首先置于環(huán)繞聽音區(qū)域的期望位置，然后那些位置用作信號(hào)處理中的參數(shù)以獲得通過那些揚(yáng)聲器來再現(xiàn)具有指定數(shù)量空間諧波的聲音的信號(hào)，指定數(shù)目的空間諧波其基本上精確地與原始音頻波陣面的那些空間諧波相同。
在上面給出的實(shí)例中精確再現(xiàn)的空間諧波是零和第一諧波，但是如果有足夠的揚(yáng)聲器用來再現(xiàn)，更高的諧波也可以再現(xiàn)。更進(jìn)一步，信號(hào)處理對(duì)所有再現(xiàn)的頻率是相同的，高質(zhì)量系統(tǒng)從幾十赫茲的低頻延伸到20,000Hz，或更高。在兩個(gè)頻帶中信號(hào)單獨(dú)處理不是必需的。
三維表示至此，通過認(rèn)為揚(yáng)聲器和聲源處于一個(gè)平面，討論給出二維中空間諧波的方法。這一相同理論可以延伸到三維。它需要4個(gè)通道來傳輸三維空間諧波展開式的第0和第1項(xiàng)。它具有矩陣變換的相同性質(zhì)，2個(gè)通道可以傳送標(biāo)準(zhǔn)立體聲混音，而另外兩個(gè)通道可以用來為環(huán)繞聽者任何數(shù)目的揚(yáng)聲器產(chǎn)生供給。遺憾的是，3D形式的數(shù)學(xué)不像2D的清晰緊湊。沒有任何特別好的方法來減少?gòu)?fù)雜度。
為了將空間諧波方法延伸到三維，勒讓德函數(shù)和球諧波德的簡(jiǎn)短討論是需要的。在某種意義上，這是傅立葉正弦和余弦級(jí)數(shù)的推廣。傅立葉級(jí)數(shù)是一個(gè)角度φ的函數(shù)。級(jí)數(shù)是周期性的并且可以用來表示在一個(gè)周期上的函數(shù)。正如傅立葉正弦和余弦級(jí)數(shù)是周期上的正交函數(shù)完備集，球諧波也是定義在球表面的正交函數(shù)完備集。同樣地，球上的任何函數(shù)都可以由廣義傅立葉級(jí)數(shù)中的球諧波來表示。
球諧波是球上兩個(gè)坐標(biāo)，角度θ和φ的函數(shù)。這在圖9中表示，其中球表面上的點(diǎn)由對(duì)(θ，φ)表示。φ是方位角。0°為直前。90°為向左。180°為直接向后。θ是偏角(上和下)。0°為直接向上。90°為水平面，180°為直接向下。注意θ為0°～180°，而φ為0°～360°(或者-180°～180°)。在二維的討論中，角變量θ已經(jīng)被抑制并取作等于90°。一般地說，包括兩個(gè)角度。例如，在圖1中揚(yáng)聲器SP1，SP2，SP3，SP4和SP5的位置現(xiàn)在由各個(gè)角度對(duì)(θ1，φ1)，(θ2，φ2)，(θ3，φ3)，(θ4，φ4)，和(θ5，φ5)給出，其中θi現(xiàn)在為0°～180°。圖1和8可以認(rèn)為是所示部件的共面布局或者三維情況在特殊平面子空間上的投影。
球諧波的一般定義始于勒讓德多項(xiàng)式，其定義如下Pn(μ)≡12nn!dndμn(μ2-1)n----(11)]]>從這，我們可以定義勒讓德連帶函數(shù)，其定義如下Pnm(μ)≡(-1)m(1-μ2)m/2dmPn(μ)dμm----(12)]]>其中，P0(cosθ)＝1，P1(cosθ)＝cosθ，P11(cosθ)＝-sinθ，等等。勒讓德多項(xiàng)式和連帶函數(shù)都是正交的(但不是標(biāo)準(zhǔn)正交的)。給出這些特殊的定義，因?yàn)橐恍┳髡叨x它們略微不同。如果使用一種可選的定義，下面的方程必須適當(dāng)?shù)馗淖儭?br> 雖然這些是多項(xiàng)式，它們可以用下面代換變成周期函數(shù)μ≡cosθ (13)從這，在極坐標(biāo)中的函數(shù)展開式可以如下得到f(θ,φ)=Σn=0{AnPn(cosθ)+Σm=1n(Anmcosmφ+Bnmsinmφ)Pnm(cosθ)}----(14)]]>函數(shù)Pn(cosθ)，cosmφPnm(cosθ)，和sinmφPnm(cosθ)稱作球諧波。這一展開式等價(jià)于公式(1)的傅立葉級(jí)數(shù)，但是實(shí)際地推導(dǎo)它相對(duì)凌亂。一種方法是固定θ值，比方說90°。剩余的項(xiàng)壓縮成等價(jià)于傅立葉正弦和余弦級(jí)數(shù)的形式。系數(shù)(An，Anm，Bnm)推廣公式(1)中的系數(shù)(a0，am，bm)，對(duì)于n≠0。
對(duì)僅定義在周期上的函數(shù)，對(duì)包括0～T階諧波的級(jí)數(shù)有1+2T個(gè)系數(shù)。對(duì)于球諧波展開式，系數(shù)的總數(shù)是(T+1)2，如果包括到T階的諧波，出現(xiàn)平方因?yàn)榍蛎媸嵌S表面。因此，如果保持到第一級(jí)的諧波現(xiàn)在需要A0，A1，A11和B11四項(xiàng)，而不是a0，a1和b1三項(xiàng)。
當(dāng)應(yīng)用于聲音，這可以認(rèn)為是處于聽者所在地中心空間中一點(diǎn)的麥克風(fēng)球表面上的聲壓。這一展開式用作向?qū)?，貫穿掃視矩陣的產(chǎn)生和可以在環(huán)繞聽者任何方向發(fā)出的聲音的麥克風(fēng)處理。
如在2D的討論中，我們想要逼近的球面上的函數(shù)取作(θ0，φ0)到聽者方向上的單位脈沖，額外坐標(biāo)θ現(xiàn)在變得明確。為了簡(jiǎn)潔，定義μ0如下μ0≡cosθ0(15)在那個(gè)方向上的單位脈沖的展開式可以如下計(jì)算f0(θ,φ)=Σn=02n+12π{12Pn(μ0)Pn(μ)+Σm=1n(n-m)!(n+m)!cosm(φ-φ0)Pnm(μ0)Pnm(μ)}----(16)]]>對(duì)于在多個(gè)不同位置(θ0，φ0)的多個(gè)點(diǎn)源或?qū)τ诜屈c(diǎn)源，這一函數(shù)分別由在這些點(diǎn)上的求和或在分布上的積分來代替。
雖然這里的討論使用從球坐標(biāo)產(chǎn)生的三維諧波來給出，可以類似地使用三維中的其它正交函數(shù)集。那么，相應(yīng)的正交函數(shù)將作為替代在公式(16)和其它公式中使用。例如，如果聽音區(qū)域中三維揚(yáng)聲器布局的幾何結(jié)構(gòu)使自己適合特殊的坐標(biāo)系，或者如果關(guān)于對(duì)應(yīng)于聽者的點(diǎn)的麥克風(fēng)表面由于麥克風(fēng)布局或特征模型化為非球面，那么，比方說，可以使用類似球體的坐標(biāo)系和它對(duì)應(yīng)的正交展開式。
回到圖1，N個(gè)揚(yáng)聲器在角度(θ1，φ1)，(θ2，φ2)，...，(θN，φN)環(huán)繞聽者，但是現(xiàn)在不再使用N的實(shí)例值＝5和每個(gè)θi＝90°。尋找到每個(gè)揚(yáng)聲器的增益gi，使得產(chǎn)生的環(huán)繞中心點(diǎn)的聲場(chǎng)盡可能地對(duì)應(yīng)于期望的聲場(chǎng)(上面的f0(θ，φ))。這些增益可以通過要求產(chǎn)生的聲場(chǎng)和期望的聲場(chǎng)之間的積分平方差盡可能小來獲得。這一優(yōu)化的結(jié)果是下面的矩陣公式，其用交換左右兩邊來推廣公式(2)BG＝S(17)其中G是揚(yáng)聲器增益的列向量GT＝[g1…gN] (18)矩陣B的分量可以如下計(jì)算bij=Σn=02n+12π{12Pn(μi)Pn(μj)+Σm=1n(-1)m(n-m)!(n+m)!cosm(φi-φj)Pnm(μi)Pnm(μj)}----(19)]]>
和S＝[b10…bN0]T注意如果沒有(-1)m項(xiàng)，公式(19)類似于某方向上單位脈沖的公式(16)的展開式。雖然第一個(gè)求和沒有寫上限，實(shí)際上它將是有限求和。矩陣B的秩依賴于保留展開式的多少項(xiàng)。如果保留第0和第1項(xiàng)，B的秩將為4。如果多取一項(xiàng)，秩將為9。B的秩也決定所需揚(yáng)聲器的最小數(shù)目以匹配展開式的許多項(xiàng)。
可以使用任何數(shù)目的揚(yáng)聲器，但是如果揚(yáng)聲器的數(shù)目不是對(duì)應(yīng)于第T階諧波的完全平方數(shù)(T+1)2，公式的系統(tǒng)將是非確定的。有各種方法求解非確定系統(tǒng)。一種方式是使用矩陣B的偽逆來求解系統(tǒng)。這相當(dāng)于選擇最小范數(shù)解法，并且給出完全可接受的解。另一種方法是用強(qiáng)制某些較高諧波為零的公式來擴(kuò)充系統(tǒng)。這包括取保持B的秩的最小數(shù)目的行，然后增加如下形式的行[Pn+1(μ1)…Pn+1(μN(yùn))]＝
(21a)或者[cosφ1Pmn+1(μ1)…cosφNPmn+1(μN(yùn))]＝
(21b)或者[sinφ1Pmn+1(μ1)…sinφNPmn+1(μN(yùn))]＝
(21c)這些公式是上面用來將公式(3)簡(jiǎn)化到公式(4)的過程的推廣。取這些公式的哪一個(gè)確切地并不產(chǎn)生多大的不同。每個(gè)額外的行都將增加矩陣的秩直到達(dá)到滿秩。
這樣，我們已經(jīng)得到產(chǎn)生揚(yáng)聲器增益所需要的矩陣公式，這些揚(yáng)聲器增益用于將單個(gè)(單聲道)聲源掃視進(jìn)多個(gè)揚(yáng)聲器，這些揚(yáng)聲器將精確地保持三維中的某些空間諧波。
圖3和4說明兩個(gè)非立體聲聲源混合成五個(gè)信號(hào)，然后轉(zhuǎn)換成到第一級(jí)的空間諧波，并且最終矩陣變換成一組修改的信號(hào)這一共面實(shí)例的母版制作和重建過程。需要注意的是，可以不同地取任意這些特殊選擇，雖然記錄的五個(gè)信號(hào)和作為輸出產(chǎn)生的五個(gè)修改信號(hào)的選擇是方便的，正如通用多通道方案是5.1格式的電影和家庭電影放映機(jī)聲軌?？蛇x的多通道錄音和再現(xiàn)方法，例如由James A.Moorer于2000年2月17日申請(qǐng)的名稱為“CD重放增加”的共同未決美國(guó)專利申請(qǐng)系列號(hào)09/505,556中所描述的，其在此引入作為參考。
圖3和4的方案延伸以包括三維諧波，主要的改變是現(xiàn)在(T+1)2個(gè)信號(hào)代替(1+2T)個(gè)信號(hào)為諧波矩陣51的輸出，如果保留到T階的諧波。因此，保持到第一級(jí)的諧波現(xiàn)在需要(A0，A1，A11，B11)四項(xiàng)而不是(a0，a1，b1)三項(xiàng)。另外，現(xiàn)在控制處理器59必須從假設(shè)的揚(yáng)聲器角度對(duì)(θi，φi)和對(duì)應(yīng)的一對(duì)真實(shí)揚(yáng)聲器角度(γj，βj)，而不僅僅是各個(gè)方位角φi和βj來計(jì)算增益，(γj，βj)也通過控制面板61來提供。最后，對(duì)于三維非共面情況的一個(gè)方便選擇是使用六個(gè)信號(hào)S1-S6和一組修改的六個(gè)信號(hào)S1′-S6′。在任何情況下，對(duì)于球諧波需要至少四個(gè)非共面揚(yáng)聲器，正如在2D情況下需要至少三個(gè)非共線揚(yáng)聲器，因?yàn)樾枰辽偎膫€(gè)非共面的點(diǎn)來定義球面，三個(gè)非共線的點(diǎn)來定義平面中的圓。
六個(gè)揚(yáng)聲器是方便選擇的原因是，它允許介質(zhì)15上四或五個(gè)記錄的或傳輸?shù)囊糗壔旌嫌糜诠裁娌季郑Ｓ嗟膬蓚€(gè)或一個(gè)音軌用于處于平面外的揚(yáng)聲器。這允許沒有升高的揚(yáng)聲器或沒有球諧波再現(xiàn)裝置的聽者能夠訪問并使用僅僅四或五個(gè)共面音軌，而對(duì)于具有完美三維再現(xiàn)能力的聽者，剩余的音軌仍然可以在介質(zhì)上獲得。這類似于上面描述的在2D中的情況，其中兩個(gè)通道可以用于傳統(tǒng)立體聲再現(xiàn)，而額外的通道可以用于再現(xiàn)聲場(chǎng)。在3D的情況中，比方說，六個(gè)通道，兩個(gè)可以用于立體聲混音，增加兩個(gè)用于四通道環(huán)繞聲錄音，最后的兩個(gè)用于通過六通道進(jìn)一步增加再現(xiàn)，以提供三維聲場(chǎng)。然后聽者能夠從存儲(chǔ)介質(zhì)訪問所需的通道數(shù)，例如，在上面引入作為參考的共同未決申請(qǐng)“CD重放增加”中所描述的。
回到圖3，那么在這個(gè)實(shí)例中的改變由對(duì)每個(gè)非立體聲源的包括一個(gè)額外放大器和增加以向介質(zhì)15提供額外信號(hào)S6的額外部分組成。然后控制面板29也將為每個(gè)源提供額外的增益，現(xiàn)在所有的增益都從假設(shè)揚(yáng)聲器布局的偏角以及方位角位置來得到。類似地在圖4中，六個(gè)信號(hào)S1-S6中的每一個(gè)將供給矩陣51中的四個(gè)放大器，每個(gè)放大器用于對(duì)應(yīng)于A0，A1，A11和B11的四個(gè)求和結(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)(或者，一般地說，用于這些求和結(jié)點(diǎn)的線性組合)以在使用第0和第1級(jí)諧波的本實(shí)例中的產(chǎn)生這四個(gè)輸出。對(duì)者四個(gè)諧波的每一個(gè)矩陣53現(xiàn)在具有六個(gè)放大器，以產(chǎn)生一組改變的六個(gè)信號(hào)S1′-S6′。此外，現(xiàn)在使用實(shí)際揚(yáng)聲器布局的偏角以及方位角位置。一般地說，控制面板61也可以向控制處理器59提供不與其它揚(yáng)聲器在相同球面上的任何揚(yáng)聲器的徑向信息。然后控制處理器59可以使用這一信息矩陣53來產(chǎn)生相應(yīng)的改變信號(hào)以通過引入延遲，波陣面?zhèn)鞑サ难a(bǔ)償，或兩者都引入，來補(bǔ)償不同的半徑。
在本方案中，上面公式(6)的等價(jià)變成A0＝S1+S2+S3+S4+S5+S6A1＝S1cosθ1+S2cosθ2+S3cosθ3+S4cosθ4+S5cosθ5+S6cosθ6A11＝S1cosφ1sinθ1+S2cosφ2sinθ2+S3cosφ3sinθ3(6′)+S4cosφ4sinθ4+S5cosφ5sinθ5+S6cosφ6sinθ6B11＝S1sinφ1sinθ1+S2sinφ2sinθ2+S3sinφ3sinθ3+S4sinφ4sinθ4+S5sinφ5sinθ5+S6sinφ6sinθ6在上面討論的情況中，其中四個(gè)揚(yáng)聲器，比如說S1-S4，取為平行于房間地板的典型共面布局，θ1-θ4＝90°，則公式(6′)顯著地簡(jiǎn)化。另外，通過具有完美三維再現(xiàn)，到聽音區(qū)域中任何其它平面上的二維投影可以通過固定適當(dāng)?shù)摩萻和φs來實(shí)現(xiàn)。
標(biāo)準(zhǔn)定向麥克風(fēng)具有拾音模式，其可以表示成第0和第1空間球諧波。標(biāo)準(zhǔn)壓力梯度麥克風(fēng)模式的公式如下m(θ，φ)＝C+(1-C){cosΘcosθ+sinΘsinθcos(φ-Φ)} (22)其中Θ和Φ麥克風(fēng)主軸球坐標(biāo)中的角度。簡(jiǎn)而言之，他們是麥克風(fēng)“指向”的方向。公式(22)是公式(9)的更一般形式。那些公式對(duì)應(yīng)于公式(22)，達(dá)到總因子2，具有C＝，θ＝Θ＝90°，φ＝v，以及對(duì)各個(gè)麥克風(fēng)m1，m2或m3，φ＝α，0或-α。常數(shù)C稱作麥克風(fēng)的“定向性”，并由麥克風(fēng)的類型決定。C對(duì)于全方向麥克風(fēng)為1，對(duì)于“ 8字”麥克風(fēng)為0。中間的值產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)拾音模式，例如心型線(1/2)，超心型線(1/4)，特級(jí)心型線(3/8)，和次心型線(3/4)。用四個(gè)麥克風(fēng)，我們可以重新獲得3D聲場(chǎng)的第0和第1空間諧波，如下A0A1A11B11=Dm1m2m3m4----(23)]]>這一公式對(duì)應(yīng)于公式(10)的2D第0和第1空間諧波。公式左邊的空間諧波系數(shù)有時(shí)在商用聲場(chǎng)麥克風(fēng)中稱作W，Y，Z和X。通過這四個(gè)系數(shù)的三維聲場(chǎng)的表示有時(shí)稱作“B-格式”。(命名僅僅是將它和有時(shí)稱作“A-格式”的直接麥克風(fēng)供給區(qū)分。
項(xiàng)m1，...，mM指向具有主軸在角度(Θ1，Φ1)，...，(ΘM，ΦM)的M個(gè)壓力梯度麥克風(fēng)。矩陣D的逆矩陣可如下定義D-1=C1(1-C1)cosΘ1(1-C1)sinΘ1cosΦ1(1-C2)sinΘ1sinΦ1C2(1-C2)cosΘ2(1-C2)sinΘ2cosΦ2(1-C2)sinΘ2sinΦ2C3(1-C3)cosΘ3(1-C3)sinΘ3cosΦ3(1-C3)sinΘ3sinΦ3C4(1-C4)cosΘ4(1-C4)sinΘ4cosΦ4(1-C4)sinΘ4sinΦ4----(24)]]>這一矩陣的每一行正好是一個(gè)麥克風(fēng)的方向模式。四個(gè)麥克風(fēng)清楚地確定球諧波展開式第0和第1階項(xiàng)的所有系數(shù)。麥克風(fēng)的角度應(yīng)該是各不相同的(不應(yīng)該有兩個(gè)麥克風(fēng)指向相同的方向)和非共面的(因?yàn)槟菍H在一個(gè)角度上提供的信息而不是兩個(gè))。在這些情況中，矩陣是情況良好的并具有逆矩陣。
在圖5，6和7中也將需要相應(yīng)的改變。在圖5和6中，麥克風(fēng)的數(shù)量現(xiàn)在是四，對(duì)應(yīng)于公式(23)中的m1-m4，并且四個(gè)諧波(A0，A1，A11，A11或四個(gè)獨(dú)立線性組合)代替三項(xiàng)(a0，a1，b1)。輸出信號(hào)的數(shù)量也將調(diào)整，在上面使用的實(shí)例中，現(xiàn)在包括S6和S6′。另外，每個(gè)麥克風(fēng)的定位現(xiàn)在由一對(duì)參數(shù)角度(Θ，Φ)--主軸來指定，并且每個(gè)信號(hào)S1-S6或S1′-S6′具有偏角及方位角。圖7的麥克風(fēng)矩陣現(xiàn)在將相應(yīng)地具有四組四個(gè)放大器。
公式(23)和(24)的四個(gè)麥克風(fēng)的一種可能布局是將m1-m3如圖8放置在赤道平面上，m4位于球的北極。這對(duì)應(yīng)于(Θ1，Φ1)，(Θ3，Φ3)＝(90°，±α)，(Θ2，Φ2)＝(90°，180°)，Θ4＝0°。另一種可選的布局是如圖10中所示放置麥克風(fēng)，具有兩個(gè)向后朝向的麥克風(fēng)，m1121在(90°，α)，m2123在(90°+δ，180°)，m3125在(90°，-α)，和m4126在(90°-δ，180°)。取α＝δ＝60°，那么產(chǎn)生正四面體布局。
在某些應(yīng)用中，一個(gè)麥克風(fēng)可以因?qū)嶋H原因放置在不同的半徑，在這種情況下，應(yīng)該引入相應(yīng)信號(hào)的某些延遲或提前。例如，如果圖8的后向麥克風(fēng)m2向后位移，那么對(duì)每一英尺的位移錄音提前大約1ms以補(bǔ)償傳播時(shí)間的不同。
公式(23)對(duì)于任一組四個(gè)麥克風(fēng)都是有效的，再次假設(shè)至多一個(gè)麥克風(fēng)是全方向的。通過看兩個(gè)不同麥克風(fēng)組的這一公式，拾音的方向模式可以通過將這四個(gè)信號(hào)矩陣變換來改變。開始點(diǎn)是兩個(gè)不同麥克風(fēng)組的公式(23)和(24)以及它們相應(yīng)的矩陣D。實(shí)際的麥克風(fēng)和矩陣將由字母m和D來表示，由～表示重新矩陣變換的“虛擬”量。
給定公式(23)和(24)的公式表示，這些麥克風(fēng)供給可以轉(zhuǎn)換成一組“虛擬”麥克風(fēng)供給組，如下m~1m~2m~3m~4=D~-1A0A1A11B11=D~-1Dm1m2m3m4----(25)]]>矩陣 表示“虛擬”麥克風(fēng)的方向性和角度。其結(jié)果將是記錄的聲音，如果虛擬麥克風(fēng)出現(xiàn)于錄音而不是所使用的麥克風(fēng)。這允許使用“普通的”聲場(chǎng)麥克風(fēng)來制作錄音，然后將它們矩陣變換成任意的麥克風(fēng)組。例如，我們可以僅挑選頭兩個(gè)虛擬麥克風(fēng)， 和 并將它們用作標(biāo)準(zhǔn)CD錄音的立體聲對(duì)。然后可為上面描述的那種平面環(huán)繞聲錄音加入 ， 用于完美三維實(shí)現(xiàn)。
這四個(gè)麥克風(fēng)供給的任何非退化傳輸可以用來產(chǎn)生任何其它的一組麥克風(fēng)供給，和可以用來產(chǎn)生任何數(shù)目揚(yáng)聲器(大于4)的揚(yáng)聲器供給，這些揚(yáng)聲器可以精確地重新產(chǎn)生原始聲場(chǎng)的第0和第1空間諧波。換句話說，在錄音完成后，聲場(chǎng)的麥克風(fēng)技術(shù)可以用來調(diào)整麥克風(fēng)的方向特征和角度。這樣，通過在2D情況下增加第三個(gè)后向的麥克風(fēng)和在3D情況下增加第四個(gè)非共面的麥克風(fēng)，麥克風(fēng)可以通過簡(jiǎn)單的矩陣操作來修改。無論是否打算在多通道格式中釋放材料，第三個(gè)后向通道的記錄允許立體聲釋放中增加的自由度，第四個(gè)非共面通道的錄音在立體聲和平面環(huán)繞聲中都增加自由度。
為了將麥克風(fēng)供給矩陣變換給多個(gè)揚(yáng)聲器，為了掃視，我們重新用公式表示矩陣公式(17)的右邊，如下BG=R=R1Dm1m2m3m4----(26)]]>以及R1=P0(μ1)P1(μ1)-cosφ1P11(μ1)-sinφ1P11(μ1)···P0(μN)P1(μN)-cosφNP11(μN)-sinφNP11(μN)----(27)]]>矩陣R1只是在揚(yáng)聲器位置估計(jì)的第0和第1級(jí)空間諧波。必須注意要包括(-1)m項(xiàng)，因?yàn)槟鞘谦@得這些公式所需的最小平方優(yōu)化的直接結(jié)果。
回到聲場(chǎng)的錄音，分別對(duì)應(yīng)于2D和3D聲場(chǎng)的三個(gè)或四個(gè)通道(最優(yōu)地非壓縮)聲音材料可以存儲(chǔ)于磁盤或其它介質(zhì)上，然后以簡(jiǎn)單的方式重新矩陣變換成立體聲或環(huán)繞聲。由公式(25)(或它的2D簡(jiǎn)化)，以無損的方式，有無窮多個(gè)四個(gè)通道到四個(gè)其它通道的非退化傳輸。這樣，代替存儲(chǔ)空間諧波，兩個(gè)通道可以存儲(chǔ)適當(dāng)?shù)牧Ⅲw聲混音，第三個(gè)存儲(chǔ)2D環(huán)繞混音的通道，以及第四個(gè)通道用于3D環(huán)繞混音。除聲音之外，矩陣 或它的逆也可以存儲(chǔ)在介質(zhì)上。對(duì)于立體聲表示，操作者簡(jiǎn)單地忽略聲頻的第三和第四通道，并且將另外兩個(gè)作為左和右供給而播放。對(duì)于2D環(huán)繞表示，矩陣 的逆用來從前三個(gè)通道中獲得第0和第1階2D空間諧波。從空間諧波，形成例如公式(8)的矩陣或公式(17)的平面投影，并計(jì)算揚(yáng)聲器供給。對(duì)于3D環(huán)繞表示，3D諧波使用所有四個(gè)通道來 中得到，以形成公式(17)的矩陣并計(jì)算揚(yáng)聲器供給。
雖然本發(fā)明的各個(gè)方面已經(jīng)關(guān)于它們的優(yōu)選實(shí)施方案來描述，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明在附加的權(quán)利要求書的全部范圍中授予保護(hù)。
權(quán)利要求
1.一種處理聲場(chǎng)的方法，用于在給定的頻率范圍上通過具有多個(gè)分別供給至少四個(gè)揚(yáng)聲器中一個(gè)的至少四個(gè)通道的環(huán)繞聲系統(tǒng)來再現(xiàn)聲場(chǎng)，包括獲得聲場(chǎng)的多路信號(hào)，和以具有全頻率范圍的一組相對(duì)增益，將獲得的聲場(chǎng)信號(hào)導(dǎo)向多個(gè)通道中的各個(gè)通道，這通過求解下面的關(guān)系來確定(1)包括選擇的環(huán)繞聽音區(qū)域的揚(yáng)聲器位置，不局限于規(guī)則幾何的，共面的模式，(2)基本上保持聲場(chǎng)多個(gè)三維空間諧波的各個(gè)諧波。由此，從布局在所述選擇位置的揚(yáng)聲器再現(xiàn)的聲場(chǎng)基本上再現(xiàn)所獲得聲場(chǎng)的多個(gè)三維空間諧波。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中基本上保持的三維空間諧波的數(shù)目?jī)H包括零和第一階諧波。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中基本上保持的三維空間諧波的數(shù)目包括零到第n階諧波，其中n是整數(shù)，等于或小于揚(yáng)聲器數(shù)目的平方根減1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中獲得的聲場(chǎng)多路信號(hào)包括獲得希望置于環(huán)繞聽音區(qū)域指定位置的聲音的多路非立體聲信號(hào)，以及所述關(guān)系包括這些指定位置，由此，從揚(yáng)聲器再現(xiàn)的聲場(chǎng)又包括在所述指定位置的非立體聲聲音。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中獲得的聲場(chǎng)多路信號(hào)包括聲場(chǎng)中的定位多重定向麥克風(fēng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該組相關(guān)增益至少部分地由包括揚(yáng)聲器環(huán)繞某些聽音區(qū)域的假設(shè)位置的關(guān)系來確定。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該組相關(guān)增益至少部分地在與聽音區(qū)域相鄰的位置由包括揚(yáng)聲器環(huán)繞聽音區(qū)域的實(shí)際位置的關(guān)系來確定。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該組相關(guān)增益又由導(dǎo)致速度和功率向量基本上對(duì)準(zhǔn)的因素來確定。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該組相關(guān)增益又由導(dǎo)致所述多個(gè)三維空間諧波的第二或更高階最小化的因素來確定。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任何一個(gè)的方法，其中環(huán)繞聲系統(tǒng)確切地具有六個(gè)通道，其分別供給確切地六個(gè)揚(yáng)聲器的不同的一個(gè)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述確切六個(gè)揚(yáng)聲器的至少一個(gè)置于與所述確切六個(gè)揚(yáng)聲器的其它揚(yáng)聲器非共面。
12.一種在多通道環(huán)繞聲系統(tǒng)中模擬聲音的希望視在三維位置的方法，包括非立體聲地獲得聲音，該聲音的三維位置希望被模擬，以一組相對(duì)增益，將獲得的非立體聲聲音導(dǎo)向多個(gè)通道中的各個(gè)通道，這通過求解聲音希望的視在位置相對(duì)于一點(diǎn)的偏角和方位角，與對(duì)應(yīng)于由多路通道信號(hào)中各個(gè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)的揚(yáng)聲器的期望位置的環(huán)繞所述點(diǎn)延伸的一組角位置之間的關(guān)系來確定，所述關(guān)系以基本上保持聲音的至少零和第一階三維諧波的方式來求解，這種方式當(dāng)通過處于期望位置的揚(yáng)聲器再現(xiàn)聲音時(shí)，好像非立體聲聲音確實(shí)出現(xiàn)于所述視在位置。
13.權(quán)利要求12的方法，其中揚(yáng)聲器真實(shí)地放置，所述揚(yáng)聲器中至少一個(gè)具有不同于期望位置的真實(shí)位置，并且另外還包括通過求解包括揚(yáng)聲器真實(shí)位置的第二關(guān)系和以保持聲音的至少零和第一階三維諧波的各個(gè)值的方式計(jì)算用于驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的一組修改的相對(duì)增益，這種方式當(dāng)通過處于真實(shí)位置的揚(yáng)聲器再現(xiàn)時(shí)，好像非立體聲聲音確實(shí)出現(xiàn)于所述視在位置。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13任何一個(gè)的方法，其中該組相對(duì)增益又由導(dǎo)致通過揚(yáng)聲器再現(xiàn)的聲場(chǎng)的速度和功率向量基本上對(duì)準(zhǔn)的因素來確定。
15.根據(jù)權(quán)利要求12或13任何一個(gè)的方法，其中該組相對(duì)增益又由導(dǎo)致通過揚(yáng)聲器再現(xiàn)的聲場(chǎng)的第二或更高階三維空間諧波最小化的因素來確定。
16.根據(jù)權(quán)利要求12或13任何一個(gè)的方法，其中通道的數(shù)目是四或更多。
17.根據(jù)權(quán)利要求12或13任何一個(gè)的方法，其中通道的數(shù)目確切為六。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中揚(yáng)聲器期望位置中至少一個(gè)與揚(yáng)聲器期望位置中的其他位置非共面。
19.一種通過環(huán)繞聽音區(qū)域放置的四個(gè)或更多揚(yáng)聲器再現(xiàn)三維聲場(chǎng)的方法，包括獲得代表聲場(chǎng)的多個(gè)電信號(hào)，以一種方式處理所述多個(gè)電信號(hào)，產(chǎn)生所述聲場(chǎng)至少零和第一階三維空間諧波的信號(hào)，以一種方式處理三維空間諧波信號(hào)，以通過求解包括揚(yáng)聲器真實(shí)位置的項(xiàng)的關(guān)系來確定供給各個(gè)揚(yáng)聲器的信號(hào)的相對(duì)增益，當(dāng)求解時(shí)，基本上保持通過揚(yáng)聲器再現(xiàn)的聲場(chǎng)的至少零和第一階三維諧波，分別匹配所獲得聲場(chǎng)的零和第一階三維諧波。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其又包括記錄和重放代表聲場(chǎng)的多個(gè)電信號(hào)。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其又包括記錄和重放聲場(chǎng)諧波的信號(hào)。
22.根據(jù)權(quán)利要求19-21中任何一個(gè)的方法，其中聲場(chǎng)通過確切六個(gè)揚(yáng)聲器來再現(xiàn)。
23.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中所述確切六個(gè)揚(yáng)聲器至少一個(gè)置于與所述確切六個(gè)揚(yáng)聲器的其他揚(yáng)聲器非共面。
24.一種聲音再現(xiàn)系統(tǒng)，其具有接收原始聲場(chǎng)至少四個(gè)音頻信號(hào)的輸入設(shè)備，該原始聲場(chǎng)將要由位于環(huán)繞聽音區(qū)域的某些假設(shè)位置的至少四個(gè)揚(yáng)聲器的各個(gè)揚(yáng)聲器來再現(xiàn)，具有驅(qū)動(dòng)位于不同于假設(shè)位置的環(huán)繞聽音區(qū)域的某些實(shí)際位置的至少四個(gè)揚(yáng)聲器的輸出設(shè)備，包括輸入設(shè)備，其接收信息，包括揚(yáng)聲器某些實(shí)際位置的偏角和方位角，用電子學(xué)方法實(shí)現(xiàn)的矩陣，響應(yīng)輸入的實(shí)際揚(yáng)聲器位置信息，包括偏角和方位角，和響應(yīng)假設(shè)的揚(yáng)聲器位置，以從輸入信號(hào)向驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器以再現(xiàn)具有一定數(shù)目三維空間諧波的聲場(chǎng)的輸出設(shè)備提供其他信號(hào)，再現(xiàn)聲場(chǎng)的那些空間諧波與原始聲場(chǎng)中相同數(shù)目三維空間諧波的各個(gè)諧波基本上分別匹配。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的聲音系統(tǒng)，其中矩陣進(jìn)一步包括第一部分，從假設(shè)揚(yáng)聲器位置信息和輸入信號(hào)來推導(dǎo)對(duì)應(yīng)于三維空間諧波數(shù)的各個(gè)信號(hào)，第二部分，從三維空間諧波信號(hào)和實(shí)際揚(yáng)聲器位置信息來推導(dǎo)真實(shí)揚(yáng)聲器的各個(gè)信號(hào)。
26.根據(jù)權(quán)利要求24或25任何一個(gè)的聲音系統(tǒng)，其中匹配的三維空間諧波的數(shù)包括零和第一階諧波。
27.根據(jù)權(quán)利要求24或25任何一個(gè)的聲音系統(tǒng)，其中匹配的三維空間諧波的數(shù)只包括零和第一階諧波。
28.根據(jù)權(quán)利要求24或25任何一個(gè)的聲音系統(tǒng)，其中位于實(shí)際揚(yáng)聲器位置的揚(yáng)聲器數(shù)目包括六個(gè)。
29.根據(jù)權(quán)利要求25的聲音系統(tǒng)，其中所述實(shí)際揚(yáng)聲器位置中至少一個(gè)置于與所述實(shí)際揚(yáng)聲器位置中其他位置非共面。
30.一種聲音系統(tǒng)，其具有接收原始三維聲場(chǎng)音頻信號(hào)的輸入設(shè)備，和驅(qū)動(dòng)位于環(huán)繞聽音區(qū)域的某些實(shí)際位置的至少四個(gè)揚(yáng)聲器以再現(xiàn)聲場(chǎng)的輸出設(shè)備，包括輸入設(shè)備，其接收揚(yáng)聲器實(shí)際位置的信息，以及用電子學(xué)方法實(shí)現(xiàn)的矩陣，響應(yīng)輸入的實(shí)際揚(yáng)聲器位置信息和輸入信號(hào)以向輸出設(shè)備提供信號(hào)，這些輸出設(shè)備驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器以再現(xiàn)具有一定數(shù)目三維空間諧波的聲場(chǎng)，這些空間諧波與原始聲場(chǎng)相同數(shù)目三維空間諧波中對(duì)應(yīng)的諧波基本上分別匹配。
全文摘要
記錄和傳輸源自多個(gè)非立體聲或定向聲音信號(hào)的聲場(chǎng)的技術(shù)，其通過多個(gè)分離揚(yáng)聲器再現(xiàn)具有基本上精確匹配原始聲場(chǎng)那些諧波的空間諧波的聲場(chǎng)。在母版制作過程定位非立體聲聲源以使用所有揚(yáng)聲器的貢獻(xiàn)，以便保持空間諧波。如果特殊的揚(yáng)聲器布局不同于在母版制作過程中假設(shè)的，揚(yáng)聲器信號(hào)在家庭，電影院或其他聲音再現(xiàn)場(chǎng)所重新矩陣變換，使得通過不同揚(yáng)聲器布局再現(xiàn)的聲場(chǎng)的空間諧波匹配原始聲場(chǎng)的那些諧波。一種可選的方案包括記錄或傳輸定向麥克風(fēng)信號(hào)，或它們的空間諧波分量，然后在聲音再現(xiàn)場(chǎng)所以考慮特殊揚(yáng)聲器布局的方式將這些信號(hào)矩陣變換。該技術(shù)對(duì)二維聲場(chǎng)和更一般的三維情況而描述，后者基于使用球諧波。
文檔編號(hào)H04R3/00GK1452851SQ00819561
公開日2003年10月29日 申請(qǐng)日期2000年10月6日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月19日
發(fā)明者詹姆斯·A·摩爾 申請(qǐng)人:音響方案公司