專利名稱：針對雙聲道音頻信號的三維環(huán)繞音效技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能夠?qū)㈦p聲道音頻聲源擴展為三維環(huán)繞音效的方法和 設(shè)備，尤其涉及能夠增強手持設(shè)備音效的方法和設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明實例，三維環(huán)繞音效技術(shù)提供了 一種多聲道音頻再建系統(tǒng)， 只需將同一聲源信號輸送到多個聲道中，經(jīng)過濾波系統(tǒng)，并對一些可調(diào)參數(shù) 進(jìn)行調(diào)整，就能夠改變這些重建虛擬聲源的聽覺位置。三維環(huán)繞音效技術(shù)的 正常工作基于以下三項發(fā)現(xiàn) 振幅環(huán)繞人的聽覺系統(tǒng)根據(jù)相對振幅的強弱來確定低頻音信號 (低于1000赫茲)的聲源位置； 延遲環(huán)繞人的聽覺系統(tǒng)根據(jù)時間差來確定高頻音信號(高于1000 赫茲)的聲源位置；*領(lǐng)先特效人的聽覺系統(tǒng)對先傳入的聲波方向十分敏感，受此影響， 同一時刻由后續(xù)聲源發(fā)出的聲音就被掩蔽或忽略。本發(fā)明三維環(huán)繞技術(shù)是將音頻信號經(jīng)過濾波處理分為高、低兩個頻帶， 并對低頻信號和高頻信號分別采用振幅環(huán)繞和延遲環(huán)繞技術(shù)。在雙聲道音響 揚聲系統(tǒng)中，從一個揚聲器里發(fā)出的聲音必定混有另一個揚聲器發(fā)出的聲 音。本發(fā)明三維環(huán)繞音效技術(shù)通過將在一個聲道的音頻信號與另一聲道的高 頻信號進(jìn)行混合的方法來模擬這種交叉音效。這里需說明的是，本方法在信 號混音過程中，不包括低頻信號，因為低頻信號能量巨大，會被領(lǐng)先效應(yīng)所 掩蔽。
原則上講，本發(fā)明方法和設(shè)備所提供三維環(huán)繞音效引擎可用于多種不同類型的電子設(shè)備，如手機，PDA， MP3/MP4播放器，LCD和數(shù)字電視等。
技術(shù)背景本發(fā)明致力于尋求擴展和增強雙聲道音響揚聲系統(tǒng)的音效，意在解決雙 聲道音響揚聲系統(tǒng)聲音不夠飽滿，和手持設(shè)備固有的窄帶頻響限制及相關(guān)的 問題。傳統(tǒng)的三維環(huán)繞音效法，如圖1所示，不區(qū)分高低頻帶地應(yīng)用振幅環(huán)繞 和延遲環(huán)繞，此外，該方法也沒有考慮到領(lǐng)先效應(yīng)和交叉效應(yīng)。故這種方法 不能為真實的雙聲道音響揚聲系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的模型，無法模擬優(yōu)質(zhì)的三維環(huán) 繞音效。根據(jù)上述方法，傳統(tǒng)的三維環(huán)繞技術(shù)假設(shè)聽者位于圖2所示的中心位 置，由于振幅環(huán)繞，他會首先確定左右兩側(cè)的音頻增益，隨后，由于延遲環(huán) 繞，三維環(huán)繞技術(shù)會預(yù)測左右兩側(cè)聲道的延遲情況。這種方法對所有頻帶的 音頻信號同時采用振幅環(huán)繞和延遲環(huán)繞，而沒有區(qū)分考慮對哪種信號要用哪 種方法。更具體地說，如圖1所示，傳統(tǒng)三維環(huán)繞技術(shù)100包括一個左音頻增益 估算器110， 一個右音頻增益估算器120， 一個左音頻延遲估算器130， 一 個右音頻延遲估算器140.所有上述4種估算器的計算都基于方向參數(shù) "theta"，即方位。若一種三維環(huán)繞音效方法或設(shè)備是實用的，它應(yīng)該具備(l)簡單因為該方法要用于消費電子設(shè)備上，如手機、PDA等；(2)準(zhǔn)確因為該方法必須要逼真地再建真實的聲音環(huán)境。目前尚無這樣可用的三維環(huán)繞音效方法 和設(shè)備。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的第一目標(biāo)是提供一種能再建三維環(huán)繞音效系統(tǒng)的三維環(huán)繞音 效方法和設(shè)備。本發(fā)明的第二目標(biāo)是提供一種適用于任何消費電子設(shè)備，如手機、PDA 等，并且能有效重建三維環(huán)繞音效的方法和設(shè)備。本發(fā)明的第三目標(biāo)是在不需要大量系統(tǒng)資源的條件下，包括CPU和存儲 器，能夠提供一種準(zhǔn)確的三維環(huán)繞音效環(huán)境的方法和設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明實例原則，通過提供三維環(huán)繞引擎，以其最寬的涵蓋形式， 基于聽者相對兩個揚聲器的位置，來確定左右聲道的振幅增益和時間延遲， 以實現(xiàn)上述目標(biāo)。本發(fā)明實例將傳入的音頻信號運用濾波技術(shù)，分為寬帶(低頻)和窄帶 (高頻)兩種頻帶。延遲環(huán)繞應(yīng)用于高頻頻帶的音頻信號。對低頻頻帶，本 發(fā)明三維環(huán)繞技術(shù)先將一個聲道的輸入音頻信號和另一聲道經(jīng)高通濾波的 音頻信號相混合，隨后，將混合信號輸入低通濾波器，輸出結(jié)果再經(jīng)過增益 處理。最后，將振幅環(huán)繞輸出和延遲環(huán)繞輸出進(jìn)行混合并經(jīng)過增益處理后的 信號輸出到相應(yīng)的揚聲器屮。本發(fā)明三維環(huán)繞音效技術(shù)能高度準(zhǔn)確地模擬三維環(huán)繞環(huán)境是因為，本方法在建立人體聽覺系統(tǒng)主觀感知的模型時，考慮到了以下三個因素(l)人 體聽覺系統(tǒng)通過振幅變化來辨別低頻聲源的聽覺位置；(2)人體聽覺系統(tǒng)通 過延遲和相位變化來辨別高頻聲源的聽覺位置；(3)人的聽覺系統(tǒng)對先輸入 聲波的方向十分敏感，受此影響，后續(xù)聲源就可能被忽略。由于本發(fā)明應(yīng)用PCM音頻信號，故可對任何音頻和語音編解碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn) 行信號地后處理，以提供三維環(huán)繞音效。


圖1傳統(tǒng)三維環(huán)繞音效法的方法示意圖； 圖2真實的雙聲道音響環(huán)境；圖3根據(jù)本發(fā)明原理建立的三維環(huán)繞音效結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4振幅環(huán)繞和延遲環(huán)繞的研究結(jié)果。(a)針對低頻音頻信號的振幅環(huán) 繞；(b)針對高頻音頻信號的延遲環(huán)繞。
具體實施方式
如圖3所示，本發(fā)明是通過三維環(huán)繞引擎實現(xiàn)的，適用于任何消費電子 設(shè)備。三維環(huán)繞引擎300由高通濾波器315/355，低通濾波器330/370，左 聲道增益估算器335，右聲道增益估算器375，左聲道延遲估算器325和右 聲道延遲估算器365組成.傳統(tǒng)的三維環(huán)繞音效法，在音頻信號輸入的整個 過程中都應(yīng)用振幅環(huán)繞和延遲環(huán)繞，而不區(qū)分對哪種信號該用哪種環(huán)繞方 式，而木發(fā)明三維環(huán)繞音效則不然。本發(fā)明三維環(huán)繞音效法是將傳入的信號 分成高頻和低頻兩個頻帶信號，并對不同的頻帶信號應(yīng)用相應(yīng)的環(huán)繞技術(shù)， 即對低頻帶采用振幅環(huán)繞技術(shù)，對高頻帶采用延遲環(huán)繞技術(shù)。此外，還考慮 了人體聽覺系統(tǒng)的領(lǐng)先效應(yīng)。因此，本發(fā)明三維環(huán)繞技術(shù)的準(zhǔn)確性要遠(yuǎn)高于 傳統(tǒng)三維環(huán)繞系統(tǒng)。為了 了解本發(fā)明三維環(huán)繞音效技術(shù)，有必要先了解一些三維環(huán)繞音效的 一些基本原理，即如何對雙聲道信號的兩個輸入音頻流實施處理。當(dāng)多個聲 源在傳播相關(guān)的或部分相關(guān)的信號時，有差異的、有時甚至是互相干擾的聲 源就會混疊，尤其是當(dāng)聽者聽到的不同聲源信號僅有微小振幅差異和微小時 間差異時。這種情況下，不同的聲源會合成為一個單音，這個單音的位置與 源聲源的實際位置會有很大不同。當(dāng)傳入的聲源差異較大時，虛擬的聲源鏡
像會混入其中的一個真實聲源中，這是領(lǐng)先效應(yīng)現(xiàn)象的結(jié)果。圖4所示曲線， 是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)雙聲道音響設(shè)計試驗結(jié)果所繪制的。試驗場景是，聽者在中央并 使用兩個揚聲器和低頻脈沖作為試驗的輸入信號(如圖5所示)。圖4 a和 圖4 b所示分別為給定振幅差異和時間差異下主觀感覺的聲源移動。從圖4 可以看出，對不同的聲源頻帶，人體聽覺系統(tǒng)感知的聲源位置所依據(jù)的參數(shù) 大不相同(l)人體聽覺系統(tǒng)根據(jù)振幅變化來判斷低頻音信號的位置；(2) 人體聽覺系統(tǒng)依據(jù)延遲變化來感知高頻音信號的位置。在雙聲道音響揚聲裝置中，如果我們走到中央位置的一側(cè)，去聽單個聲 道傳出的音頻信號，我們會認(rèn)為聲音是由離我們最近的一個揚聲器發(fā)出的， 盡管另一側(cè)聲道的聲音也足夠大，但我們感知的聲源位置沒有變化。人的聽 覺系統(tǒng)會將外來的聲源混入一個揚聲器上的現(xiàn)象，我們稱之領(lǐng)先效應(yīng)。人體 聽覺系統(tǒng)對先傳入的聲波非常敏感，以致受此影響，可能忽略后續(xù)聲源所發(fā) 出的音頻信號。由于領(lǐng)先效應(yīng)，空間環(huán)繞處理應(yīng)延遲幾十毫秒。顯然，人體 聽覺系統(tǒng)所捕捉到的聲波與聲音重建的瞬變相關(guān)，瞬變是由一個頻響范圍所 激勵出的寬帶信號形成，外耳的方向特性可根據(jù)這個頻響范圍判斷出聲波傳 入的方向。傳統(tǒng)的三維環(huán)繞音效技術(shù)對所有信號頻帶同時應(yīng)用振幅環(huán)繞和延遲環(huán) 繞技術(shù)。由于人體聽覺系統(tǒng)基于頻帶變化接收主觀感覺的音頻聲源移動，故 這樣的模型不能很好地模擬三維環(huán)繞音效。尤其是在雙聲道音響系統(tǒng)中，人 的每個耳朵都會接收到來自兩個揚聲器的音頻信號。由于沒有模擬這種交叉 效應(yīng)，傳統(tǒng)的三維環(huán)繞音效技術(shù)在再建真實三維環(huán)繞場景時就缺乏準(zhǔn)確性。好的三維環(huán)繞音效法應(yīng)能夠準(zhǔn)確、有效地在三維空間中再建聲源的移 動。本發(fā)明三維環(huán)繞音效技術(shù)通過下列步驟來實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)(l)將傳入的
音頻信號分成高頻帶和低頻帶音頻信號；(2)對低頻帶音頻信號應(yīng)用振幅環(huán) 繞技術(shù)，對高頻帶音頻信號應(yīng)用延遲環(huán)繞技術(shù)；(3)在重建虛擬三維環(huán)繞音 效場景時考慮了交叉效應(yīng)和領(lǐng)先效應(yīng)。在雙聲道音響系統(tǒng)中，有兩個音源或兩個聲道。所發(fā)明的三維環(huán)繞音效 技術(shù)的實現(xiàn)包括以下7個步驟(1)每個聲道的音頻信號都經(jīng)"中心偏移 參數(shù)"處理，"中心偏移參數(shù)"反映聽者在兩個揚聲器之間的相對位置；(2) 將每個聲道經(jīng)步驟1處理后的信號通過高通濾波器，獲取高頻帶信號；(3) 將一個聲道中經(jīng)步驟1處理后的音頻信號與另一聲道中經(jīng)步驟2處理后的音 頻信號進(jìn)行混合，以再建交叉和領(lǐng)先效應(yīng)；(4)將步驟3的輸出信號通過低 通濾波器，獲取低頻帶信號；(5)將步驟4的輸出信號經(jīng)振幅參數(shù)處理以實 現(xiàn)振幅環(huán)繞，振幅參數(shù)由聲源的虛擬位置確定；(6)步驟2的輸出信號經(jīng)延 遲系統(tǒng)處理以實現(xiàn)延遲環(huán)繞，延遲環(huán)繞也是由聲源的虛擬位置來確定的；(7) 將步驟5和步驟6的輸出信號合成，發(fā)送到相應(yīng)的揚聲器。如圖3所示，所發(fā)明的三維環(huán)繞音效技術(shù)有九要素與圖1所示傳統(tǒng)三維 環(huán)繞音效方法無對應(yīng)項，它們是，中心偏移處理器310/350，左聲道音頻輸 入混合器320，右聲道音頻輸入混合器360，左聲道高通濾波器315，右聲 道高通濾波器355，左聲道低通濾波器330，右聲道低通濾波器370，左聲 道音頻輸出混合器340，右聲道音頻輸出混合器380.業(yè)內(nèi)人士應(yīng)該可以看出，發(fā)明三維環(huán)繞音效的首要目的是再建雙聲道音 響系統(tǒng)的虛擬三維環(huán)繞音效場景。由于整個方法的設(shè)計都基于人體聽覺系統(tǒng) 的主觀感覺以及人體聽覺系統(tǒng)的精確建模，故本發(fā)明三維環(huán)繞音效法能夠生 動再建真實的三維環(huán)繞音效場景。由于本發(fā)明的三維環(huán)繞音效實例不需要專門的硬件支持，只通過軟件即
可實現(xiàn)其功能，但不排除專門的硬件實現(xiàn)方式，因此該技術(shù)可容易地應(yīng)用于任何類型的消費電子產(chǎn)品上，如手機，PDA等。此外，本發(fā)明可用于任何音 頻和語音編解碼系統(tǒng)，如MC， AAC+, MP3， WMA， RA， AMR等。前面已經(jīng)十分詳細(xì)地描述了本發(fā)明所提請的技術(shù)，使業(yè)內(nèi)人士能夠了解 和使用本發(fā)明，但是，還要提請注意的是，在不偏離本發(fā)明實質(zhì)的前提下， 還可以對所提請的技術(shù)發(fā)明進(jìn)行變更和改進(jìn)，并且本發(fā)明不受以上說明或附 圖的限制，而是按照所附權(quán)利要求來予以限定。
權(quán)利要求
1.雙聲道音響系統(tǒng)三維環(huán)繞音效法，其特征是，所述方法包括a.將輸入每個聲道的音頻信號都經(jīng)中心偏移參數(shù)處理，中心偏移參數(shù)由聽者在兩個揚聲器之間的相對位置來確定；b.將步驟a的輸出信號經(jīng)高通濾波處理，以獲取高頻帶音頻信號；c.將步驟a和步驟b的輸出信號混合；d.將步驟c的輸出信號進(jìn)行低通濾波處理，以獲取低頻帶音頻信號；e.將步驟d的輸出信號經(jīng)振幅參數(shù)處理以實現(xiàn)對低頻帶的振幅環(huán)繞，振幅參數(shù)由聲源的虛擬位置決定；f.將步驟b的輸出信號經(jīng)延遲參數(shù)處理，以實現(xiàn)對高頻帶的延遲環(huán)繞，延遲參數(shù)由聲源的虛擬位置決定；g.將步驟e和步驟f的輸出信號混合，并發(fā)送到相應(yīng)的揚聲器。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟a還包括確定基于聽者在兩 個揚聲器間的虛擬相對位置來確定中心偏移參數(shù)的方法。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟b還包括設(shè)計具有指定截止 頻率的高通濾波器的技術(shù)。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟c還包括混合步驟a和步驟 b的輸出信號。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟d還包括設(shè)計具有指定截止 頻率的低通濾波器的技術(shù)。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟e還包括步驟，基于聽者在 兩個揚聲器間的虛擬相對位置找出振幅參數(shù)的技術(shù)。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟f還包括步驟，基于聽者在兩個揚聲器間的虛擬相對位置找出延遲參數(shù)的技術(shù)。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟g還包括混合步驟e和步驟 f的輸出信號的技術(shù)。
9. 根據(jù)聽者的位置，三維環(huán)繞音效設(shè)備包括以下步驟a. 獲得由聽者在兩揚聲器間相對位置決定的中心偏移參數(shù)；b. 通過高通濾波器，獲得的高頻帶音頻信號；c. 將步驟a和步驟b的輸出信號混合；d. 通過低通濾波器，獲得低頻帶音頻信號；e. 根據(jù)聽者在兩揚聲器間的相對位置，獲得振幅參數(shù)；f. 根據(jù)聽者在兩揚聲器間的相對位置，獲得延遲參數(shù)；g. 將步驟e和步驟f的輸出信號混合。
10. 如權(quán)利要求9所述設(shè)備，步驟a所提的中心參數(shù)，是由基于聽者 在兩揚聲器間的相對位置決定的。
11. 如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，步驟b所提高通濾波器是用來獲得輸 入音頻信號的高頻組分。
12. 如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，步驟c所提的信號混合方法已經(jīng)確定。
13. 如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，步驟d所提低通濾波器是用來獲得輸 入音頻信號的低頻組分。
14. 如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，步驟e所提振幅參數(shù)是根據(jù)聽者在兩 揚聲器間的相對位置確定的。
15. 如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，步驟f所提延遲參數(shù)是根據(jù)聽者在兩 揚聲器間的相對位置確定的。
16.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，步驟g所提信號混合方法已經(jīng)確定。
全文摘要
一種三維環(huán)繞音效方法和設(shè)備，能夠使雙聲道的音頻信號擴展為多聲道三維環(huán)繞的音頻信號。本發(fā)明依據(jù)人體聽覺的主觀感知原理建立了一個新模型。聽者在兩揚聲器間的相對位置可通過以下3個參數(shù)進(jìn)行反映(1)中心偏移參數(shù)聽者在兩揚聲間的相對位置；(2)振幅參數(shù)映射聽者感知的低頻音信號的虛擬方向；(3)延遲參數(shù)映射聽者感知的高頻音信號的虛擬方向。聽覺系統(tǒng)對低頻和高頻聲源方向有不同的主觀感知，本發(fā)明在應(yīng)用三維環(huán)繞音效法之前，先將輸入的音頻信號分為高頻音頻信號和低頻音頻信號，并根據(jù)人體聽覺系統(tǒng)對不同頻帶聲音信號的主觀感知對音頻信號進(jìn)行混合。本發(fā)明所設(shè)計的三維環(huán)繞音效方法既便于實施又能高效重建雙聲道音響的三維環(huán)繞效果。
文檔編號H04R5/04GK101155440SQ20071012184
公開日2008年4月2日 申請日期2007年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月17日
發(fā)明者高成偉 申請人:昊迪移通(北京)技術(shù)有限公司;高成偉