專利名稱：三揚(yáng)聲器虛擬5.1通路環(huán)繞聲的信號(hào)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及5.1通路環(huán)繞聲技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三揚(yáng)聲器虛擬5.1通路環(huán)繞聲的信號(hào)處理方法。
背景技術(shù)：
5.1通路系統(tǒng)已被推薦為環(huán)繞聲的國際標(biāo)準(zhǔn)，并已被廣泛應(yīng)用于家用聲重發(fā)。它采用前方左L0、中C0、右R0以及左環(huán)繞LS0、右環(huán)繞RS0共五個(gè)獨(dú)立的全頻帶通路及揚(yáng)聲器，再加上一路可選擇的低頻效果通路LFE0，從而重發(fā)出環(huán)繞傾聽者的聲音聽覺效果。按國際電信聯(lián)盟(ITU)推薦的標(biāo)準(zhǔn)，各揚(yáng)聲器的方位角分別為(水平面內(nèi)坐標(biāo)選取為-180°＜θ≤180°，θ＝0°為正前方，θ＝90°為正左方)θL＝30°θR＝-30°θC＝0°θLS＝110°θRS＝-110° (1)但是5.1通路系統(tǒng)需要多個(gè)獨(dú)立的揚(yáng)聲器，較為復(fù)雜。而對(duì)于電視及多媒體計(jì)算機(jī)等應(yīng)用，以及由于室內(nèi)條件的限制，有時(shí)并不一定適合布置環(huán)繞聲的多個(gè)揚(yáng)聲器。
近年，國外有人提出了5.1通路環(huán)繞聲的兩揚(yáng)聲器虛擬重發(fā)系統(tǒng)，如圖1所示。其基本原理是將(來自DVD等的)5.1通路信號(hào)經(jīng)過頭相關(guān)傳輸函數(shù)(HRTF)進(jìn)行信號(hào)處理和混合后(這里略去了低頻效果通路LFE0，事實(shí)上，對(duì)LFE通路信號(hào)的處理和C0信號(hào)是類似的)，變成兩通路信號(hào)，再利用一對(duì)布置在前方±30°的真實(shí)左、右揚(yáng)聲器進(jìn)行重發(fā)，從而將多通路系統(tǒng)的其它揚(yáng)聲器虛擬出來，達(dá)到節(jié)省揚(yáng)聲器，簡化系統(tǒng)的目的。這類系統(tǒng)普遍存在一定的缺陷，特別是聽音區(qū)域較窄。
為了擴(kuò)大聽音區(qū)域，O.Kirkeby提出一種稱為“立體聲偶極”的虛擬重發(fā)系統(tǒng)，它的基本原理和兩揚(yáng)聲器虛擬重發(fā)系統(tǒng)一樣，但將左、右揚(yáng)聲器布置在±5°的位置上。由于“立體聲偶極”需要對(duì)信號(hào)的低頻部分作較大的提升，信號(hào)處理較為困難。
而J.L.Bauck和D.H.Copper提出采用前方左、中、右三個(gè)全頻帶揚(yáng)聲器的三揚(yáng)聲器虛擬重發(fā)系統(tǒng)，如圖2所示。其基本原理是將(來自DVD等的)5.1通路信號(hào)經(jīng)過頭相關(guān)傳輸函數(shù)(HRTF)進(jìn)行信號(hào)處理和混合后，變成三通路信號(hào)，再利用前方布置在±30°和0°的真實(shí)的左、右、中置揚(yáng)聲器進(jìn)行重發(fā)。雖然三揚(yáng)聲器系統(tǒng)可提高虛擬聲像的穩(wěn)定性，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于正前方已放置了電視機(jī)(或計(jì)算機(jī)的顯示器)，再布置一個(gè)全頻帶的中置揚(yáng)聲器較困難，通常只能將中置揚(yáng)聲器布置在電視機(jī)的上方。但這經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致中置與左右揚(yáng)聲器不在同一水平面上，以及中置揚(yáng)聲器系統(tǒng)的高低音單元不在正前方的位置，這些都會(huì)影響重發(fā)聲像的定位。
J.L.Bauck提出采用兩對(duì)不同張角的揚(yáng)聲器的虛擬重發(fā)系統(tǒng)，如圖3所示。其中張角較大(如布置在電視機(jī)兩邊)的一對(duì)揚(yáng)聲器重發(fā)低頻虛擬聲信號(hào)，另一對(duì)體積較小(布置在電視機(jī)上方)的“立體聲偶極”重發(fā)高頻虛擬聲信號(hào)。雖然這種重發(fā)方法改善了高頻聲像的穩(wěn)定性，但信號(hào)處理和揚(yáng)聲器布置較為復(fù)雜，且不易與普通立體聲兼容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種三揚(yáng)聲器虛擬5.1通路環(huán)繞聲的信號(hào)處理方法，本發(fā)明采用高頻中置揚(yáng)聲器，該方法能擴(kuò)大重發(fā)時(shí)的聽音區(qū)域，在電視、多媒體計(jì)算機(jī)等實(shí)際應(yīng)用中揚(yáng)聲器也易于布置，同時(shí)也和普通立體聲兼容。
本發(fā)明的三揚(yáng)聲器虛擬5.1通路環(huán)繞聲的信號(hào)處理方法，包括如下步驟第一步輸入原始的5.1通路信號(hào)左通路信號(hào)L0、右通路信號(hào)R0、中心通路信號(hào)C0、左環(huán)繞通路信號(hào)LS0、右環(huán)繞通路信號(hào)RS0、低頻效果通路信號(hào)LFE0；第二步將原始的左、右通路信號(hào)L0、R0分別直接饋到左、右全頻帶揚(yáng)聲器的信號(hào)混合器；第三步將原始的中心通路信號(hào)C0經(jīng)傳輸函數(shù)為HHP的高通濾波后饋到高頻中置揚(yáng)聲器的信號(hào)混合器，以直接產(chǎn)生高頻的前方聲像；而中心通路信號(hào)C0經(jīng)過傳輸函數(shù)為HLP的低通濾波和-3dB衰減后，同時(shí)饋給左、右全頻帶揚(yáng)聲器的信號(hào)混合器，以合成低頻的前方聲像；第四步原始的左環(huán)繞通路信號(hào)LS0經(jīng)過虛擬處理，也就是分別與三個(gè)從水平面90°頭相關(guān)傳輸函數(shù)得到的函數(shù)A’(90°，ω)、B’(90°，ω)、D’(90°，ω)進(jìn)行頻域相乘，得到三個(gè)信號(hào)A’(90°，ω)LS0、B’(90°，ω)LS0、D’(90°，ω)LS0，然后分別饋到左、右全頻帶揚(yáng)聲器和高頻中置揚(yáng)聲器的信號(hào)混合器，虛擬出90°方向的左環(huán)繞揚(yáng)聲器；第五步原始的右環(huán)繞通路信號(hào)RS0經(jīng)過虛擬處理，也就是分別與三個(gè)從水平面-90°頭相關(guān)傳輸函數(shù)得到的函數(shù)A’(-90°，ω)、B’(-90°，ω)、D’(-90°，ω)進(jìn)行頻域相乘，得到三個(gè)信號(hào)A’(-90°，ω)RS0、B’(-90°，ω)RS0、D’(-90°，ω)RS0，然后分別饋到左、右全頻帶揚(yáng)聲器和高頻中置揚(yáng)聲器的信號(hào)混合器，虛擬出-90°方向的右環(huán)繞揚(yáng)聲器；第六步原始的低頻效果通路信號(hào)LFE0經(jīng)-3dB衰減后，同時(shí)饋給左、右全頻帶揚(yáng)聲器的信號(hào)混合器；第七步分別對(duì)饋給左、右全頻帶揚(yáng)聲器和高頻中置揚(yáng)聲器的輸入信號(hào)進(jìn)行混合(相加)，得到L″、R″、C″三個(gè)信號(hào)，然后分別饋給布置在±30°的左、右全頻帶揚(yáng)聲器和0°的高頻中置揚(yáng)聲器重發(fā)。
本發(fā)明的原理是在采用揚(yáng)聲器的虛擬聲重發(fā)中，傾聽者偏離理想的聽音位置時(shí)，雙耳處的迭加聲壓將會(huì)改變。但對(duì)一定偏離距離，由于低頻聲波的波長較長，雙耳處迭加聲壓的相位改變較少，因而引起的聲像畸變較少；反之高頻聲波的波長較短，聲像畸變較大。本發(fā)明提出對(duì)高頻部分信號(hào)，采用左、中、右三個(gè)揚(yáng)聲器重發(fā)，以提高聲像的穩(wěn)定性，擴(kuò)大聽音區(qū)域。低頻部分信號(hào)是由左、右兩揚(yáng)聲器重發(fā)，由于低頻聲像隨傾聽者的位置漂移較少，所以也可以接受。實(shí)際應(yīng)用中，可采用兩個(gè)全頻帶的左、右揚(yáng)聲器，而中置揚(yáng)聲器可采用體積較小的高頻揚(yáng)聲器，這樣也容易布置(如中置揚(yáng)聲器布置在電視機(jī)的上方)。同時(shí)，對(duì)于低頻信號(hào)，由于左、右揚(yáng)聲器之間的張角不至于太小(相對(duì)立體偶極而言)，因而不會(huì)給信號(hào)處理帶來太大的困難，并且與普通的雙通路立體聲的揚(yáng)聲器布置兼容。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果1.本發(fā)明對(duì)來自DVD等的5.1通路環(huán)繞聲的5+1個(gè)獨(dú)立原始(也可以是Dolby Surround的四路)信號(hào)進(jìn)行處理后，用前方一對(duì)真實(shí)的左、右全頻帶揚(yáng)聲器和一個(gè)高頻中置揚(yáng)聲器進(jìn)行重發(fā)，可產(chǎn)生整個(gè)前半平面的環(huán)繞聲效果，從而達(dá)到節(jié)省重發(fā)揚(yáng)聲器的目的；2.本發(fā)明將重發(fā)虛擬環(huán)繞聲的一對(duì)左、右全頻帶揚(yáng)聲器布置在±30°的位置，并采用高頻中置揚(yáng)聲器，該布置可擴(kuò)大聽音區(qū)域，方便于實(shí)際應(yīng)用，信號(hào)處理也簡單可行，并且與普通的雙通路立體聲的揚(yáng)聲器布置兼容，這種新的揚(yáng)聲器布置特別適用于電視和多媒體計(jì)算機(jī)的應(yīng)用；3.本發(fā)明可采用通用信號(hào)處理芯片(DSP硬件)電路或?qū)Ｓ玫募呻娐穼?shí)現(xiàn)，也可采用算法語言(如VC++)編制的軟件在多媒體計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)；
4.本發(fā)明可作為算法寫入專用硬件芯片，用于DVD、電視(包括DTV和HDTV)、家庭影院等方面的聲音重發(fā)，也可作為硬件或軟件用在多媒體計(jì)算機(jī)的聲音重發(fā)。


圖1是5.1通路環(huán)繞聲的兩揚(yáng)聲器虛擬重發(fā)系統(tǒng)；圖2是三揚(yáng)聲器虛擬聲重發(fā)系統(tǒng)；圖3是兩對(duì)不同張角的揚(yáng)聲器的虛擬重發(fā)系統(tǒng)；圖4是本發(fā)明的三揚(yáng)聲器虛擬5.1通路環(huán)繞聲的信號(hào)處理方法的原理圖；圖5是圖4中5.1通路環(huán)繞聲的揚(yáng)聲器布置及揚(yáng)聲器到雙耳的傳輸示意圖；圖6是采用高頻中置揚(yáng)聲器虛擬聲的原理圖；圖7是本發(fā)明的信號(hào)處理流程和揚(yáng)聲器布置圖；圖8是信號(hào)處理軟件的流程圖；圖9是聲像定位的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地說明。
圖4是本發(fā)明的三揚(yáng)聲器虛擬5.1通路環(huán)繞聲的信號(hào)處理方法的原理圖，它對(duì)輸入的5.1通路環(huán)繞聲信號(hào)進(jìn)行虛擬處理后，用一對(duì)布置在前方±30°的左、右全頻帶揚(yáng)聲器和一個(gè)布置在正前方0°的高頻中置揚(yáng)聲器重發(fā)。
對(duì)于5.1通路環(huán)繞聲原始的左、右通路信號(hào)L0和R0，本發(fā)明是分別直接饋給左、右全頻帶揚(yáng)聲器，以產(chǎn)生前方范圍的立體聲像分布。
對(duì)于5.1通路環(huán)繞聲原始的中心通路信號(hào)C0，本發(fā)明利用高通和低通濾波器將其高頻和低頻部分分開。其中高頻部分是直接饋給高頻中置揚(yáng)聲器重發(fā)，而低頻部分經(jīng)-3dB衰減后同時(shí)饋給左、右全頻帶揚(yáng)聲器重發(fā)(衰減-3dB是為保證信號(hào)的功率守恒)，以產(chǎn)生正前方的虛擬聲像。
對(duì)于5.1通路環(huán)繞聲原始的低頻效果通路信號(hào)LFE0，本發(fā)明是經(jīng)-3dB衰減后同時(shí)饋給左、右全頻帶揚(yáng)聲器重發(fā)。
對(duì)于5.1通路環(huán)繞聲原始的左、右環(huán)繞通路信號(hào)LS0、RS0，本發(fā)明提出利用高通和低通濾波器將其高頻和低頻部分分開。對(duì)信號(hào)的低頻部分，采用左、右兩真實(shí)的全頻帶揚(yáng)聲器進(jìn)行虛擬重發(fā)；對(duì)信號(hào)的高頻部分，采用左、右全頻帶揚(yáng)聲器和高頻中置揚(yáng)聲器進(jìn)行虛擬重發(fā)，也就是利用左、右全頻帶揚(yáng)聲器和高頻中置揚(yáng)聲器將兩個(gè)環(huán)繞揚(yáng)聲器虛擬出來。由于左、右環(huán)繞通路信號(hào)LS0、RS0的低頻和高頻部分分別用兩個(gè)和三個(gè)揚(yáng)聲器進(jìn)行虛擬重發(fā)，因而信號(hào)的高、低頻部分的處理是不同的。
圖5是圖4中5.1通路環(huán)繞聲的揚(yáng)聲器布置及揚(yáng)聲器到雙耳的傳輸示意圖。以左環(huán)繞通路信號(hào)LS0為例，在真實(shí)的5.1通路環(huán)繞聲重發(fā)中，布置在θ＝θLS方向的左環(huán)繞揚(yáng)聲器到雙耳的頻域傳輸函數(shù)(HRTF)分別為HlLS、HrLS，它產(chǎn)生的雙耳聲壓PL，PR分別為PL＝HlLSLS0PR＝HrLSLS0(2)本發(fā)明中，左環(huán)繞通路信號(hào)LS0的低頻部分由布置在±30°的左、右全頻帶揚(yáng)聲器虛擬重發(fā)。設(shè)左、右全頻帶揚(yáng)聲器到傾聽者雙耳的四個(gè)頻域傳輸函數(shù)(HRTF)分別為H11、Hrl、H1r、Hrr(如圖1所示)，左、右全頻帶揚(yáng)聲器的信號(hào)分別為L、R，那么傾聽者雙耳處的聲壓為PL′＝HllL+HlrRPR′＝HrlL+HrrR (3)如果適當(dāng)選擇L和R，使得全頻帶揚(yáng)聲器重發(fā)時(shí)的雙耳聲壓與單聲源時(shí)的情況相等，也就是(2)式與(3)式相等，就可在聽覺中虛擬出θLS方向的左環(huán)繞揚(yáng)聲器(聲像)?？紤]到揚(yáng)聲器布置和人類聽覺器官的左右對(duì)稱性，可設(shè)Hll＝Hrr＝α，Hlr＝Hrl＝β，由此可得L=αHlLS-βHrLSα2-β2LS0---R=αHrLS-βHlLSα2-β2LS0---(4)]]>因而在兩揚(yáng)聲器重發(fā)中，只要對(duì)輸入的左環(huán)繞通路信號(hào)LS0的低頻部分按上式進(jìn)行處理即可得到相應(yīng)方向的(低頻)虛擬揚(yáng)聲器。
本發(fā)明中，左環(huán)繞通路信號(hào)LS0的高頻部分由左、右、中三個(gè)真實(shí)揚(yáng)聲器進(jìn)行虛擬重發(fā)。設(shè)新增加的高頻中置揚(yáng)聲器到傾聽者左、右耳的傳輸函數(shù)為HlC＝HrC＝γ(如圖2所示)，和(4)式的推導(dǎo)類似，可以證明，當(dāng)輸入的左環(huán)繞通路信號(hào)LS0的高頻部分按下式處理(式中α，β同(4)式，*號(hào)表示復(fù)數(shù)共軛)，并饋給三個(gè)揚(yáng)聲器，即可在聽覺中產(chǎn)生θLS方向的虛擬左環(huán)繞揚(yáng)聲器L′＝(XHlLS+YHrLS)LS0C′＝Z(HlLS+HrLS)LS0R′＝(YHlLS+XHrLS)LS0(5)X=Mα*-Pβ*M2-P2---Y=Mβ*-Pα*M2-P2---Z=Qγ*M2-P2---(6)]]>M＝|α|2+|β|2+|γ|2P＝|γ|2+αβ*+βα*Q＝|α|2+|β|2-αβ*-βα*圖6是采用高頻中置揚(yáng)聲器虛擬聲的原理圖。輸入的左環(huán)繞通路信號(hào)LS0經(jīng)低通和高通濾波器后，分別按(4)和(5)式進(jìn)行兩揚(yáng)聲器和三揚(yáng)聲器虛擬聲信號(hào)處理，分別得到兩組信號(hào)L、R和L’、R’、C’，再把它們混合后饋給揚(yáng)聲器。設(shè)低通和高通濾波器的頻域傳輸函數(shù)分別為HLP(ω，ω0)、HHP(ω，ω0)，ω0為濾波器的分頻角頻率。由圖5和(4)、(5)兩式，實(shí)際重發(fā)中饋給左、右和中置三個(gè)揚(yáng)聲器的信號(hào)分別為L′′=L+L′=[αHlLS-βHrLSα2-β2HLP(ω,ω0)+(XHlLS+YHrLS)HHP(ω,ω0)]LS0]]>R′′=R+R′=[αHrLS-βHlLSα2-β2HLP(ω,ω0)+(YHlLS+XHrLS)HHP(ω,ω0)]LS0]]>C″＝C′＝[Z(HlLS+HrLS)HHP(ω，ω0)]LS0(7)其中，X、Y、Z由(6)式給出。
低通和高通濾波器的設(shè)計(jì)與通常的揚(yáng)聲器系統(tǒng)的分頻網(wǎng)絡(luò)類似。它們的傳輸函數(shù)為|HLP|=11+(ω/ω0)2n---|HHP|=(ω/ω0)n1+(ω/ω0)2n---|HLP|2+|HHP|2=1---(8)]]>n為濾波器的階數(shù)(這里取n＝6)，在ω＝ω0時(shí)，濾波器有-3dB衰減，而右邊的式表明濾波器的輸出總功率與頻率無關(guān)。
(7)式還可以寫成以下的形式L″＝A(θLS，ω)LS0R″＝B(θLS，ω)LS0C″＝D(θLS，ω)LS0(9)其中A(θLS，ω)、B(θLS，ω)和D(θLS，ω)分別表示(7)式給出的三個(gè)公式中方括號(hào)內(nèi)的量。
(9)式表明，輸入的左環(huán)繞通路信號(hào)LS0分別與A(θLS，ω)、B(θLS，ω)、D(θLS，ω)三個(gè)函數(shù)進(jìn)行頻域相乘后即可得到L″、R″和C″，將它們分別饋給左、右全頻帶揚(yáng)聲器和高頻中置揚(yáng)聲器后，即可虛擬出θLS方向的左環(huán)繞揚(yáng)聲器。而A、B、D三個(gè)函數(shù)是和擬產(chǎn)生的虛擬環(huán)繞揚(yáng)聲器方向θLS有關(guān)的。事實(shí)上，(9)式相當(dāng)于把圖4的信號(hào)處理的頻率分頻、兩揚(yáng)聲器和三揚(yáng)聲器虛擬處理、信號(hào)混合等步驟合在一起進(jìn)行。由于圖4的系統(tǒng)是線性系統(tǒng)，這顯然是可行的。
用類似的方法，只要將輸入的右環(huán)繞通路信號(hào)RS0分別與A(θRS，ω)、B(θRS，ω)、D(θRS，ω)三個(gè)函數(shù)進(jìn)行頻域相乘后可得到L″、R″和C″，將它們分別饋給左、右全頻帶揚(yáng)聲器和高頻中置揚(yáng)聲器后，即可虛擬出θRS方向的右環(huán)繞揚(yáng)聲器。而A、B、C三個(gè)函數(shù)只要在(7)式方括號(hào)內(nèi)的量中，將HlLS、HrLS換為HlRS、HrRS(布置在θ＝θRS方向的右環(huán)繞揚(yáng)聲器到雙耳的頻域傳輸函數(shù))即可。
至于虛擬環(huán)繞揚(yáng)聲器布置角度θLS、θRS的選擇，由于在虛擬重發(fā)中，利用前半平面的揚(yáng)聲器布置是不可能產(chǎn)生穩(wěn)定的后半平面聲像的，后半平面聲像會(huì)出現(xiàn)在前半平面的鏡像位置上。作為一種妥協(xié)的方法，本發(fā)明為確保前半平面±90°范圍內(nèi)的聲像，將兩個(gè)環(huán)繞揚(yáng)聲器虛擬在±90°的方向而不是±110°方向上。事實(shí)上，按Dolby實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際的5.1通路環(huán)繞聲重發(fā)中，當(dāng)房間條件受到限制時(shí)，是可以將兩個(gè)環(huán)繞揚(yáng)聲器前移到±90°的方向的。
但是(9)式的信號(hào)處理是和頻率有關(guān)的，因而會(huì)引起重發(fā)的音色改變。為了減少重發(fā)中音色的改變，本發(fā)明還引入了對(duì)音色進(jìn)行重新均衡的信號(hào)處理。由于在立體聲的揚(yáng)聲器重發(fā)中，聲像位置只是由通路信號(hào)間的相對(duì)振幅和相對(duì)相位所決定的，各通路的信號(hào)同時(shí)乘(除)以一個(gè)頻率的函數(shù)并沒有改變信號(hào)的相對(duì)振幅和相位關(guān)系，因而不會(huì)引起虛擬聲像位置的改變。但這種處理改變了系統(tǒng)輸出的總功率譜，因而就改變了音色?？衫眠@種方法對(duì)音色進(jìn)行重新均衡。以左環(huán)繞通路信號(hào)LS0為例，在(9)式的信號(hào)處理中，如果各式同時(shí)除以一個(gè)因子(|A|2+|B|2+|D|2)1/2，則可得到經(jīng)過均衡后的重發(fā)信號(hào)L″＝A′(θLS，ω)LS0R″＝B′(θLS，ω)LS0C″＝D′(θLS，ω)LS0(10)其中(11)A′(θLS,ω)=A(θLS,ω)|A(θLS,ω)|2+|B(θLS,ω)|2+|D(θLS,ω)|2]]>B′(θLS,ω)=B(θLS,ω)|A(θLS,ω)|2+|B(θLS,ω)|2+|D(θLS,ω)|2]]>D′(θLS,ω)=D(θLS,ω)|A(θLS,ω)|2+|B(θLS,ω)|2+|D(θLS,ω)|2]]>可以看出，(10)式的信號(hào)滿足|L″|2+|R″|2+|C″|2＝|LS0|2(12)所以經(jīng)過均衡后，各通路信號(hào)的總功率將等于或正比于原始左環(huán)繞通路信號(hào)LS0的功率|LS0|2，而信號(hào)處理不會(huì)引起音色的改變。
類似地，也可對(duì)右環(huán)繞通路信號(hào)RS0的信號(hào)處理進(jìn)行音色均衡。只要在(10)和(11)式中，將參數(shù)θLS換為θRS即可。
圖7是本發(fā)明的信號(hào)處理流程和揚(yáng)聲器布置圖。本發(fā)明可以利用通用的信號(hào)處理芯片所做成的硬件電路實(shí)現(xiàn)，也可以設(shè)計(jì)成專用的集成電路芯片實(shí)現(xiàn)，還可以設(shè)計(jì)成軟件在多媒體計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明可用于DVD、電視、家庭影院、多媒體計(jì)算機(jī)等方面。
實(shí)施例一 DVD與電視的應(yīng)用將DVD解碼輸出或從數(shù)字電視廣播得到的5.1通路環(huán)繞聲(數(shù)字)信號(hào)按圖7的方法進(jìn)行虛擬處理后，得到三路信號(hào)L″、R″和C″，然后分別饋給一對(duì)前方±30°的全頻帶揚(yáng)聲器和一個(gè)布置在正前方(電視機(jī)上方)的高頻中置揚(yáng)聲器，重發(fā)出環(huán)繞聲的效果。其中，虛擬信號(hào)處理可作為DVD機(jī)內(nèi)的一部分硬件電路，也可作為電視機(jī)的一部分硬件電路。
實(shí)施例二 家庭影院的應(yīng)用將DVD解碼輸出的5.1通路環(huán)繞聲(數(shù)字)信號(hào)饋給家庭影院的放大器，圖7的虛擬信號(hào)處理是作為放大器內(nèi)的一部分功能電路。得到三路信號(hào)L″、R″和C″，然后分別饋給外接的全頻帶左、右和高頻中置揚(yáng)聲器進(jìn)行重發(fā)。
實(shí)施例三 多媒體計(jì)算機(jī)的應(yīng)用由計(jì)算機(jī)的DVD-ROM讀取，并經(jīng)解碼得到5.1通路環(huán)繞聲(數(shù)字)信號(hào)，然后用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)行圖7的虛擬信號(hào)處理，也可以在計(jì)算機(jī)的聲卡上用專用的硬件電路實(shí)現(xiàn)，得到三路信號(hào)L″、R″和C″，由聲卡輸出到外接的全頻帶左、右和高頻中置揚(yáng)聲器進(jìn)行重發(fā)。
本發(fā)明具體介紹用軟件在多媒體計(jì)算機(jī)上的實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理所用的頭相關(guān)傳輸函數(shù)HRTF可通過理論計(jì)算或?qū)嶒?yàn)測量得到，這里所用的HRTF函數(shù)采樣頻率為是44.1kHz，長度512點(diǎn)(也可以是256點(diǎn)或128點(diǎn))，分辨率16bit，自由場均衡。
圖8是信號(hào)處理軟件的流程圖，信號(hào)處理過程就是(從DVD-ROM或硬盤)讀入原始的5.1通路環(huán)繞聲信號(hào)，在對(duì)它進(jìn)行虛擬處理后，饋給揚(yáng)聲器重發(fā)。假定5.1通路環(huán)繞聲的原始信號(hào)是時(shí)域的數(shù)字信號(hào)第一步在DVD-ROM中讀入原始的5.1通路時(shí)域信號(hào)，記為l0、r0、c0、ls0、rs0、lfe0。
第二步利用FFT算法將5.1通路時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為原始的頻域信號(hào)左通路信號(hào)L0、右通路信號(hào)R0、中心通路信號(hào)C0、左環(huán)繞通路信號(hào)LS0、右環(huán)繞通路信號(hào)RS0、低頻效果通路信號(hào)LFE0，并存入緩存器。
第三步將原始的中心通路信號(hào)C0與高通濾波器的傳輸函數(shù)HHP相乘，得到HHPC0；將原始的中心通路信號(hào)C0與低通濾波器的傳輸函數(shù)HLP相乘，并乘0.707，得到0.707 HLPC0。
第四步將原始的低頻效果通路信號(hào)LFE0乘0.707，得到0.707 LFE0。
第五步將原始的左環(huán)繞通路信號(hào)LS0分別與頻域函數(shù)A’(90°，ω)、B’(90°，ω)、D’(90°，ω)進(jìn)行相乘，得到A’(90°，ω)LS0、B’(90°，ω)LS0、D’(90°，ω)LS0。
第六步將原始的右環(huán)繞通路信號(hào)RS0分別與頻域函數(shù)A’(-90°，ω)、B’(-90°，ω)、D’(-90°，ω)進(jìn)行頻域相乘，得到A’(-90°，ω)RS0、B’(90°，ω)RS0、D’(90°，ω)RS0。
第七步將左通路信號(hào)L0、0.707 HLPC0、A’(90°，ω)LS0、A’(-90°，ω)RS0、0.707 LFE0相加，得到L″。
第八步右通路信號(hào)R0、0.707 HLPC0、B’(90°，ω)LS0、B’(-90°，ω)RS0、0.707 LFE0相加，得到R″。
第九步將HHPC0、D’(90°，ω)LS0、D’(-90°，ω)RS0相加，得到C″。
第十步將L″、R″、C″三個(gè)信號(hào)分別用IFFT變換到時(shí)域，并經(jīng)D/A變換為模擬信號(hào)，饋給揚(yáng)聲器。
如上所述，即可較好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
用聲像定位實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明的實(shí)際效果。用軟件(Cooledit Pro 1.2)在計(jì)算機(jī)聲頻工作站中產(chǎn)生原始的5.1通路信號(hào)，信號(hào)采樣頻率為44.1kHz，量化精度為16bit，并存在硬盤上。由于在原始的5.1通路系統(tǒng)中，信號(hào)是通過分立一對(duì)的方法饋給揚(yáng)聲器的，也就是將信號(hào)只饋給某一揚(yáng)聲器而其它揚(yáng)聲器的信號(hào)為零，利用單一揚(yáng)聲器產(chǎn)生其方向上的聲像。而將信號(hào)(同相位)饋給一對(duì)相鄰的揚(yáng)聲器，利用信號(hào)的聲級(jí)差產(chǎn)生這對(duì)揚(yáng)聲器之間的聲像。例如將信號(hào)饋給圖5的前方C0揚(yáng)聲器(0°)和L0揚(yáng)聲器(30°)，而其它揚(yáng)聲器信號(hào)為零，通過調(diào)節(jié)中心通路信號(hào)C0和左通路信號(hào)L0的振幅比(聲級(jí)差)，就可以得到這對(duì)揚(yáng)聲器之間的聲像。因此，在本發(fā)明中也是按分立--對(duì)的方法產(chǎn)生具有不同的通路聲級(jí)差的原始5.1通路信號(hào)。
將原始的5.1通路信號(hào)按圖7進(jìn)行虛擬信號(hào)處理后，饋給左、右和高頻中置三個(gè)真實(shí)揚(yáng)聲器進(jìn)行重發(fā)。實(shí)驗(yàn)在一混響時(shí)間為0.15s的聽音室內(nèi)進(jìn)行，揚(yáng)聲器布置在半徑為2.0m的圓周上，其中左、右揚(yáng)聲器布置張角分別取±15°和±30°兩種情況。信號(hào)處理所用的HRTF采用的剛球模型計(jì)算所得的數(shù)據(jù)。而高通和低通濾波器的分頻點(diǎn)f0＝300Hz。實(shí)驗(yàn)所用的是語言信號(hào)(普通話男聲)，信號(hào)時(shí)間長度為20秒。
實(shí)驗(yàn)時(shí)，讓傾聽者判斷具有不同的通路聲級(jí)差的5.1原始通路信號(hào)在虛擬重發(fā)時(shí)的聲像位置，取八名傾聽者的平均值作為最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并算出相應(yīng)的均方差σ。
由于重發(fā)虛擬聲的左、右全頻帶揚(yáng)聲器的位置與原始的5.1通路系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)完全一致(見(1)式)，并不需要虛擬的方法。因而對(duì)于前方(0°≤θI≤30°)聲像，是由兩個(gè)±30°真實(shí)揚(yáng)聲器和一個(gè)正前方(0°)的高頻(真實(shí))揚(yáng)聲器產(chǎn)生，其原理和普通的聲級(jí)差型立體聲類似，并且過去研究已有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在此就不再重復(fù)。
5.1通路環(huán)繞聲的側(cè)向聲像是通過左通路和左環(huán)繞通路產(chǎn)生的，在原始的5.1通路信號(hào)中，左通路信號(hào)L0、左環(huán)繞通路信號(hào)LS0不為零，而其他通路的信號(hào)R0＝C0＝RS0＝0。而對(duì)虛擬重發(fā)的情況，側(cè)向聲像是由位于30°的真實(shí)揚(yáng)聲器和90°的虛擬揚(yáng)聲器共同產(chǎn)生。通過調(diào)節(jié)原始通路信號(hào)的聲級(jí)差d＝20log(LS0/L0)(dB)，可產(chǎn)生不同方向的側(cè)向聲像。圖9是聲像定位的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，它給出了虛擬重發(fā)的側(cè)向聲像方向θI的實(shí)驗(yàn)值和均方差。為比較，圖9中還給出了用以下的多通路環(huán)繞聲聲像定位公式計(jì)算所得到的，把左通路信號(hào)L0、左環(huán)繞通路信號(hào)LS0饋給假設(shè)布置于30°和90°揚(yáng)聲器的聲像位置的理論值。
sinθI=0.5L0+LS0L0+LS0---(13)]]>由圖9可以看出，在原始通路信號(hào)聲級(jí)差d＝20log(LS0/L0)由-24dB變化到24dB的過程中，聲像位置的實(shí)驗(yàn)值和(13)式的理論值(理想值)的變化趨勢是一致的(當(dāng)d由-∞dB連續(xù)變化到+∞dB時(shí)，θI的理論值由+30°連續(xù)變化到+90°)，但數(shù)值上有一定的差別。特別是側(cè)向聲像，實(shí)驗(yàn)值較理論值向前方偏移。例如，對(duì)d＝24dB，θI的理論值為76.2°，實(shí)驗(yàn)值為64.0°。側(cè)向聲像位置畸變主要是由實(shí)際的傾聽者的頭部尺寸與虛擬聲信號(hào)處理所用頭部模型的尺寸的差別引起的。
對(duì)真正的5.1通路環(huán)繞聲重發(fā)，后方聲像是通過布置在±110°左、右環(huán)繞揚(yáng)聲器產(chǎn)生。但在虛擬重發(fā)中，布置在前半平面的真實(shí)揚(yáng)聲器是不能產(chǎn)生穩(wěn)定的后半平面的聲像的。事實(shí)上，在真正的5.1通路環(huán)繞聲重發(fā)中，如果將兩個(gè)環(huán)繞揚(yáng)聲器布置在±90°的方向上，也不能產(chǎn)生穩(wěn)定的后半平面聲像。因此這里沒有給出虛擬重發(fā)時(shí)后方聲像的定位結(jié)果。
本發(fā)明用前方一對(duì)真實(shí)的左、右全頻帶揚(yáng)聲器和一個(gè)高頻中置揚(yáng)聲器進(jìn)行重發(fā)，可產(chǎn)生整個(gè)前半平面的環(huán)繞聲效果，從而達(dá)到節(jié)省重發(fā)揚(yáng)聲器的目的；另外本發(fā)明將重發(fā)虛擬環(huán)繞聲的一對(duì)左、右全頻帶揚(yáng)聲器布置在±30°的位置，并采用高頻中置揚(yáng)聲器，該布置可擴(kuò)大聽音區(qū)域，方便于實(shí)際應(yīng)用，信號(hào)處理也簡單可行，并且與普通的雙通路立體聲的揚(yáng)聲器布置兼容，這種新的揚(yáng)聲器布置特別適用于電視和多媒體計(jì)算機(jī)的應(yīng)用。
本發(fā)明的研究得到《國家自然科學(xué)基金，編號(hào)10374031》的資助。
權(quán)利要求
1.一種三揚(yáng)聲器虛擬5.1通路環(huán)繞聲的信號(hào)處理方法，其特征是，包括如下步驟第一步輸入原始的5.1通路信號(hào)左通路信號(hào)L0、右通路信號(hào)R0、中心通路信號(hào)C0、左環(huán)繞通路信號(hào)LS0、右環(huán)繞通路信號(hào)RS0、低頻效果通路信號(hào)LFE0；第二步將原始的左、右通路信號(hào)L0、R0分別直接饋到左、右全頻帶揚(yáng)聲器的信號(hào)混合器；第三步將原始的中心通路信號(hào)C0經(jīng)傳輸函數(shù)為HHP的高通濾波后饋到高頻中置揚(yáng)聲器的信號(hào)混合器，以直接產(chǎn)生高頻的前方聲像；中心通路信號(hào)C0經(jīng)過傳輸函數(shù)為HLP的低通濾波和-3dB衰減后，同時(shí)饋給左、右全頻帶揚(yáng)聲器的信號(hào)混合器，以合成低頻的前方聲像；第四步原始的左環(huán)繞通路信號(hào)LS0經(jīng)過虛擬處理，得到三個(gè)信號(hào)A’(90°，ω)LS0、B’(90°，ω)LS0、D’(90°，ω)LS0，然后分別饋到左、右全頻帶揚(yáng)聲器和高頻中置揚(yáng)聲器的信號(hào)混合器，虛擬出90°方向的左環(huán)繞揚(yáng)聲器；第五步原始的右環(huán)繞通路信號(hào)RS0經(jīng)過虛擬處理，得到三個(gè)信號(hào)A’(-90°，ω)RS0、B’(-90°，ω)RS0、D’(-90°，ω)RS0，然后分別饋到左、右全頻帶揚(yáng)聲器和高頻中置揚(yáng)聲器的信號(hào)混合器，虛擬出-90°方向的右環(huán)繞揚(yáng)聲器；第六步原始的低頻效果通路信號(hào)LFE0經(jīng)-3dB衰減后，同時(shí)饋給左、右全頻帶揚(yáng)聲器的信號(hào)混合器；第七步分別對(duì)饋給左、右全頻帶揚(yáng)聲器和高頻中置揚(yáng)聲器的輸入信號(hào)進(jìn)行混合，得到L″、R″、C″三個(gè)信號(hào)，然后分別饋給布置在±30°的左、右全頻帶揚(yáng)聲器和0°的高頻中置揚(yáng)聲器重發(fā)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三揚(yáng)聲器虛擬5.1通路環(huán)繞聲的信號(hào)處理方法，其特征是，第四步中對(duì)原始的左環(huán)繞通路信號(hào)LS0的虛擬處理，就是將左環(huán)繞通路信號(hào)LS0分別與三個(gè)從水平面90°頭相關(guān)傳輸函數(shù)得到的函數(shù)A’(90°，ω)、B’(90°，ω)、D’(90°，ω)進(jìn)行頻域相乘。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三揚(yáng)聲器虛擬5.1通路環(huán)繞聲的信號(hào)處理方法，其特征是，第五步中對(duì)原始的右環(huán)繞通路信號(hào)RS0的虛擬處理，就是將原始的右環(huán)繞通路信號(hào)RS0分別與三個(gè)從水平面-90°頭相關(guān)傳輸函數(shù)得到的函數(shù)A’(-90°，ω)、B’(-90°，ω)、 D’(-90°，ω)進(jìn)行頻域相乘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三揚(yáng)聲器虛擬5.1通路環(huán)繞聲的信號(hào)處理方法，它先輸入5.1通路信號(hào)L
文檔編號(hào)H04S5/00GK1596037SQ20041002806
公開日2005年3月16日 申請(qǐng)日期2004年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月14日
發(fā)明者謝菠蓀, 仝菁 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)