一種揚(yáng)聲器陣列的立體聲回放方法
【專利摘要】本申請(qǐng)公開了一種揚(yáng)聲器陣列的立體聲回放方法，包括：預(yù)先確定揚(yáng)聲器對(duì)的位置和頻率范圍，再根據(jù)頻率范圍對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行分頻處理，并對(duì)應(yīng)每個(gè)揚(yáng)聲器，將相應(yīng)頻率范圍內(nèi)的分頻信號(hào)經(jīng)過與該揚(yáng)聲器對(duì)應(yīng)的串?dāng)_消除濾波器進(jìn)行濾波，并將濾波后的結(jié)果信號(hào)通過該揚(yáng)聲器進(jìn)行播放。其中，串?dāng)_消除濾波器是根據(jù)最優(yōu)聲源分布方式確定的。通過本申請(qǐng)，能夠獲得較好的立體聲環(huán)繞效果。
【專利說明】-種揚(yáng)聲器陣列的立體聲回放方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請(qǐng)涉及音頻處理技術(shù)，特別涉及一種揚(yáng)聲器陣列的立體聲回放方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有的環(huán)繞聲回放陣列技術(shù)包括如下三種：（1) Wave Field Synthesis，簡稱WFS ;
[2] High Order Ambisonics，簡稱 H0A;(3)環(huán)繞立體聲。
[0003] 其中，WFS是一種利用大量揚(yáng)聲器在寬廣的范圍內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)虛擬聽覺場景的空間 聲場重放技術(shù)。理論上，使用WFS技術(shù)，揚(yáng)聲器陣列可以產(chǎn)生幾乎所有符合物理規(guī)律的虛擬 聲場，而且產(chǎn)生的虛擬聲源可以在陣列后方，也可以在陣列前方。
[0004] Η0Α是聲音空間化技術(shù)的一種，整個(gè)系統(tǒng)分為編碼器和解碼器兩部分。它將原始聲 音編碼成多個(gè)聲音信號(hào)進(jìn)行保存?zhèn)鬏?，最終將這些聲道解碼，在用戶終端不同數(shù)量及擺放 形狀的揚(yáng)聲器陣列上回放，實(shí)現(xiàn)聲音的高保真和精確定位回放。Η0Α的實(shí)現(xiàn)可先將測得或模 擬出的聲場分解為一系列球面諧波函數(shù)（編碼），隨后在基于揚(yáng)聲器設(shè)置的幾何方位上獲 得揚(yáng)聲器信號(hào)（解碼）。
[0005] WFS和Η0Α技術(shù)雖然可以重放出比較精確的聲場，但由于需要的揚(yáng)聲器數(shù)量非常 多，導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜度上升和可操作性降低，另一方面，支持WFS和Η0Α的音頻節(jié)目源嚴(yán)重 匿乏。
[0006] 環(huán)繞立體聲是目前最為成功的商用重放系統(tǒng)，其典型應(yīng)用案例包括Dolby公司的 5. 1聲道環(huán)繞系統(tǒng)、7. 1聲道環(huán)繞系統(tǒng)和最新的Atmos系統(tǒng)等。環(huán)繞立體聲所使用的聲源可 擴(kuò)展到整個(gè)水平面乃至垂直面，可以較好地營造聽音的臨場感。環(huán)繞立體聲技術(shù)需要較少 的揚(yáng)聲器，可操作性高，并且其有豐富的節(jié)目源，因此得到了廣泛的應(yīng)用，但由于其必須配 置后置揚(yáng)聲器，因此不適用于線性陣列。為了利用線陣列獲得立體聲聽音效果，需要借助虛 擬三維音效技術(shù)。虛擬三維音效最早應(yīng)用于耳機(jī)，現(xiàn)在逐漸推廣到揚(yáng)聲器陣列，目的是用任 意分布的揚(yáng)聲器陣列在聽音者雙耳處獲得立體聲回放效果。由于立體聲信號(hào)使用揚(yáng)聲器播 放后，會(huì)產(chǎn)生所謂的串?dāng)_影響，因此有大量文獻(xiàn)討論串?dāng)_消除的問題。
[0007] 當(dāng)節(jié)目源是立體聲信號(hào)時(shí)，理論上使用耳機(jī)回放可以讓聲信號(hào)完美地在使用者雙 耳重現(xiàn)。但是，當(dāng)使用揚(yáng)聲器陣列重放立體聲信號(hào)時(shí)，卻難以達(dá)到相同的效果。因此，使用 揚(yáng)聲器陣列營造立體聲聲場的理想目標(biāo)就是讓聽音者雙耳接收的信號(hào)與原始立體聲信號(hào) 幾乎一致。通常情況下，使用揚(yáng)聲器陣列重放立體聲信號(hào)時(shí)，由于每個(gè)揚(yáng)聲器產(chǎn)生的信號(hào)都 會(huì)到達(dá)兩個(gè)耳道，這就導(dǎo)致了所謂的揚(yáng)聲器串?dāng)_問題。
[0008] 為了解決串?dāng)_影響，有大量的文獻(xiàn)和專利討論了這方面的問題。串?dāng)_消除技術(shù)的 出現(xiàn)可以讓揚(yáng)聲器陣列發(fā)揮出其空間上的優(yōu)勢，讓聽者能獲得更好的立體感，但是串?dāng)_消 除技術(shù)往往會(huì)帶來立體聲環(huán)繞感和音質(zhì)的下降。這種效果的下降往往在原始立體聲信號(hào)沒 有經(jīng)過人工頭錄音時(shí)更為明顯，因?yàn)槔硐氲碾p耳時(shí)間差和強(qiáng)度差信息很容易受人頭散射的 影響而顯著惡化。另一方面，人頭的轉(zhuǎn)動(dòng)和最佳聽音位置的大小限制，和揚(yáng)聲器陣列中的 單元分布，都會(huì)對(duì)經(jīng)串?dāng)_消除后的信號(hào)有所影響。因此也有不少改進(jìn)的串?dāng)_消除技術(shù)，如增 加聲源個(gè)數(shù)來擴(kuò)大最佳聽音區(qū)域大小，提供多個(gè)最佳聽音位置或者根據(jù)人頭的位置自動(dòng)調(diào) 整最佳聽音位置。
[0009] 使用串?dāng)_消除技術(shù)往往還會(huì)帶來一個(gè)重要的問題：頻譜的染色。受到聲場求逆算 法的影響，揚(yáng)聲器激勵(lì)信號(hào)頻率響應(yīng)會(huì)在不同的頻率點(diǎn)上出現(xiàn)各種變化，有些頻點(diǎn)上的響 應(yīng)會(huì)顯著增加，進(jìn)而使得整個(gè)聲場的聲信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離期望值。此外，串?dāng)_消除的求逆過程很 可能出現(xiàn)病態(tài)矩陣，這樣會(huì)使系統(tǒng)的魯棒性降低，而且魯棒性下降的頻點(diǎn)往往聲染色較為 嚴(yán)重，這會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致聲場的惡化。由于聲染色的存在，為確保揚(yáng)聲器在最大增益頻點(diǎn)不失 真，需要約束揚(yáng)聲器的動(dòng)態(tài)范圍。
[0010] 最優(yōu)聲源分布技術(shù)（Optimal source distribution,最優(yōu)聲源分布）最早由 Takeuchi等人提出。最優(yōu)聲源分布技術(shù)可以較好地避免了動(dòng)態(tài)范圍的減少，而且還能繼續(xù) 保持良好的立體聲環(huán)繞效果，較強(qiáng)的魯棒性，較寬的頻響特性和較好的串?dāng)_消除效果。該技 術(shù)基于環(huán)狀揚(yáng)聲器陣列，沒有應(yīng)用于線性陣列，不適用于平面電視墻，也沒考慮陣列單元的 不一致性，同時(shí)其頻帶劃分方法與揚(yáng)聲器單元夾角大小設(shè)定并不合理。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N揚(yáng)聲器陣列的立體聲回放方法，能夠增強(qiáng)立體聲回放的環(huán)繞效 果，并具有較好的串?dāng)_消除效果。
[0012] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本申請(qǐng)采用如下的技術(shù)方案：
[0013] -種揚(yáng)聲器陣列的立體聲回放方法，包括：
[0014] 根據(jù)立體聲音頻的頻率與Θ的關(guān)系曲線，確定揚(yáng)聲器陣列中各個(gè)揚(yáng)聲器對(duì)與最 佳聽音位置連線間的夾角2 Θ和各個(gè)揚(yáng)聲器對(duì)的頻率范圍；按照所述夾角2 Θ和預(yù)設(shè)的揚(yáng) 聲器陣列中心點(diǎn)與最佳聽音位置間的距離確定各個(gè)揚(yáng)聲器對(duì)的位置；所述揚(yáng)聲器陣列包括 對(duì)稱排列的一個(gè)或多個(gè)揚(yáng)聲器對(duì)構(gòu)成；
[0015] 將雙聲道立體聲音頻信號(hào)進(jìn)行分頻，生成與每個(gè)揚(yáng)聲器對(duì)的頻率范圍相對(duì)應(yīng)的雙 聲道分頻信號(hào)；
[0016] 對(duì)應(yīng)每個(gè)揚(yáng)聲器，將相應(yīng)的雙聲道分頻信號(hào)中的左右耳信號(hào)分別經(jīng)過與該揚(yáng)聲器 對(duì)應(yīng)的兩個(gè)串?dāng)_消除濾波器進(jìn)行濾波；將經(jīng)過串?dāng)_消除濾波器濾波后的雙聲道分頻信號(hào)通 過相應(yīng)的揚(yáng)聲器進(jìn)行播放；其中，每個(gè)揚(yáng)聲器對(duì)所對(duì)應(yīng)的四個(gè)串?dāng)_消除濾波器是根據(jù)最優(yōu) 聲源分布方法確定的。
[0017] 較佳地，所述立體聲音頻的頻率與的關(guān)系曲線為

【權(quán)利要求】
1. 一種揚(yáng)聲器陣列的立體聲回放方法，其特征在于，包括： 根據(jù)立體聲音頻的頻率與Θ的關(guān)系，確定揚(yáng)聲器陣列中各個(gè)揚(yáng)聲器對(duì)與最佳聽音位 置連線間的夾角2 Θ和各個(gè)揚(yáng)聲器對(duì)的頻率范圍；按照所述夾角2 Θ和預(yù)設(shè)的揚(yáng)聲器陣列 中心點(diǎn)與最佳聽音位置間的距離確定各個(gè)揚(yáng)聲器對(duì)的位置；所述揚(yáng)聲器陣列包括對(duì)稱排列 的一個(gè)或多個(gè)揚(yáng)聲器對(duì)構(gòu)成； 將雙聲道立體聲音頻信號(hào)進(jìn)行分頻，生成與每個(gè)揚(yáng)聲器對(duì)的頻率范圍相對(duì)應(yīng)的雙聲道 分頻信號(hào)； 對(duì)應(yīng)每個(gè)揚(yáng)聲器，將相應(yīng)的雙聲道分頻信號(hào)中的左右耳信號(hào)分別經(jīng)過與該揚(yáng)聲器對(duì)應(yīng) 的兩個(gè)串?dāng)_消除濾波器進(jìn)行濾波；將經(jīng)過串?dāng)_消除濾波器濾波后的雙聲道分頻信號(hào)通過相 應(yīng)的揚(yáng)聲器進(jìn)行播放；其中，每個(gè)揚(yáng)聲器對(duì)所對(duì)應(yīng)的四個(gè)串?dāng)_消除濾波器是根據(jù)最優(yōu)聲源 分布方法確定的。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述立體聲音頻的頻率與的關(guān)系曲線 為
其中，ΔΓ = ΔΓ(ι(1+2 Θ/ji)，ΔΓ(Ι為人頭實(shí)際的雙耳距離，c為聲速， 0· 2 彡 η 彡 1. 8。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在自由場中，當(dāng)所述揚(yáng)聲器陣列 中的各揚(yáng)聲器對(duì)以線性方式排列時(shí)，每個(gè)揚(yáng)聲器對(duì)應(yīng)兩個(gè)串?dāng)_消除濾波器，分別為
用 于對(duì)分頻信號(hào)中揚(yáng)聲器同側(cè)的信號(hào)和揚(yáng)聲器異側(cè)的信號(hào)進(jìn)行濾波；其中：
* IFFTU，1，…，1}，
L為揚(yáng)聲器陣列的中心與最佳聽音位置間的距 離； 當(dāng)所述揚(yáng)聲器陣列中的各揚(yáng)聲器對(duì)以弧形方式排列時(shí)，每個(gè)揚(yáng)聲器對(duì)應(yīng)兩個(gè)串?dāng)_消 除濾波器，分別戈
用于對(duì)分頻信號(hào)中的揚(yáng)聲器同側(cè)的信號(hào)和揚(yáng)聲器異側(cè)的信號(hào)進(jìn)行濾波；其中，
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法進(jìn)一步包括：預(yù)先以所述揚(yáng)聲器陣 列中的指定揚(yáng)聲器為基準(zhǔn)，對(duì)其他各個(gè)揚(yáng)聲器進(jìn)行頻響校準(zhǔn)，并確定相應(yīng)的補(bǔ)償濾波器； 在經(jīng)過所述串?dāng)_消除濾波器進(jìn)行濾波后、通過相應(yīng)的揚(yáng)聲器對(duì)進(jìn)行播放前，該方法進(jìn) 一步包括：對(duì)所述串?dāng)_消除濾波器濾波后的信號(hào)，利用相應(yīng)的補(bǔ)償濾波器進(jìn)行濾波。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在確定所述夾角2 Θ和各個(gè)揚(yáng)聲器對(duì)的頻 率范圍時(shí)，進(jìn)一步根據(jù)揚(yáng)聲器對(duì)與最佳聽音位置間的自由場傳遞函數(shù)矩陣C與揚(yáng)聲器對(duì)對(duì) 應(yīng)的四個(gè)串?dāng)_消除濾波器構(gòu)成的串?dāng)_消除矩陣Η間的乘積矩陣R = CH的仿真結(jié)果和揚(yáng)聲 器對(duì)的頻率響應(yīng)曲線進(jìn)行。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一所述的方法，其特征在于，所述分頻和濾波的處理通過軟 件或硬件實(shí)現(xiàn)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述將雙聲道立體聲音頻信號(hào)進(jìn)行分頻 時(shí)，利用2N個(gè)播放器對(duì)相同的2N個(gè)雙聲道立體聲音頻信號(hào)分別進(jìn)行分頻處理，每個(gè)播放器 生成一個(gè)與一揚(yáng)聲器對(duì)的頻率范圍相對(duì)應(yīng)的雙聲道分頻信號(hào)；其中，N為揚(yáng)聲器陣列包括 的揚(yáng)聲器對(duì)數(shù)； 2N個(gè)播放器與其中的主控播放器進(jìn)行時(shí)鐘同步，并在每個(gè)播放器生成的雙聲道分頻信 號(hào)進(jìn)行濾波處理后通過相應(yīng)的揚(yáng)聲器進(jìn)行播放時(shí)，以所述主控播放器對(duì)濾波處理后的信號(hào) 的播放時(shí)間為基準(zhǔn)進(jìn)行同步播放。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述將雙聲道立體聲音頻信號(hào)進(jìn)行分頻 時(shí)，利用一個(gè)播放器將所述雙聲道音頻信號(hào)進(jìn)行分頻處理，生成與N個(gè)揚(yáng)聲器對(duì)的頻率范 圍分別對(duì)應(yīng)的2N個(gè)雙聲道分頻信號(hào)；其中，N為揚(yáng)聲器陣列包括的揚(yáng)聲器對(duì)數(shù)； 在所述播放器中，將2N個(gè)雙聲道分頻信號(hào)利用與2N個(gè)揚(yáng)聲器對(duì)應(yīng)的濾波器進(jìn)行濾波 處理后，同步發(fā)送給2N個(gè)揚(yáng)聲器進(jìn)行播放。
【文檔編號(hào)】H04R5/02GK104219604SQ201410510730
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月28日
【發(fā)明者】鄭劍文, 盧晶, 張志飛, 劉洋, 朱春波 申請(qǐng)人:三星電子（中國）研發(fā)中心, 三星電子株式會(huì)社