本發(fā)明屬于虛擬聲重放技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明提出了一種新的ambisonics解碼方法匹配投影法，解決了ambisonics聲重放系統(tǒng)對揚聲器擺放位置固定的要求。

背景技術(shù)：

3d多媒體的時代已經(jīng)到來，3d音視頻系統(tǒng)也正迅速走向電影院，家庭影院，及手持終端設(shè)備，成為全球各大電子制造商的新焦點。環(huán)繞聲重放技術(shù)在3d音視頻系統(tǒng)占有重要的地位，目前主流的技術(shù)包括vbap(vectorbaseamplitudepanning)、ambisonics，wfs(wavefieldsynthetize)。其中ambisonics方法是1973年由牛津大學(xué)的michaelgerzon提出的，主要是通過基于球諧函數(shù)對原始聲場的分解與重建來控制虛擬聲源的方位。

基于ambisonics聲重放系統(tǒng)技術(shù)特點是編解碼分離，在編碼階段，根據(jù)虛擬聲源的方向得到各球諧基函數(shù)的投影值；在聲場重放階段，根據(jù)重發(fā)揚聲器的數(shù)量、方位和編碼環(huán)節(jié)得到的投影值，得到不同通道信號的輸出增益，把此增益輸送給對應(yīng)的揚聲器重發(fā)，達(dá)到在揚聲器陣列中心位置處重建源聲場的目的。

盡管ambisonics方法編解碼分離的方案給3d聲音錄音和重放帶來了很大的優(yōu)勢，但在走向市場的道路中卻遇到困難，原因之一，ambisonics階數(shù)確定，揚聲器數(shù)量和擺放位置不靈活。本發(fā)明提出一種應(yīng)用于ambisonics聲重放系統(tǒng)的解碼方法，解決揚聲器擺放相對固定的情況。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種面向不規(guī)則揚聲器擺放的ambisonics匹配投影解碼方法。

本發(fā)明的具體思想是根據(jù)聲源位置得出球諧函數(shù)分量即聲源的球諧信號，由揚聲器擺放位置得到球諧函數(shù)分量即揚聲器的球諧信號。將聲源的球諧信號和揚聲器的球諧信號相關(guān)得到各揚聲器的增益gl。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種面向不規(guī)則揚聲器擺放的ambisonics匹配投影解碼方法，其步驟為：

1)根據(jù)聲源位置得到該聲源的球諧信號；根據(jù)揚聲器擺放位置得到揚聲器的球諧信號；

2)將聲源的球諧信號和揚聲器的球諧信號匹配投影，得到各揚聲器的增益。

進(jìn)一步的，根據(jù)各揚聲器球諧信號與聲源球諧信號的相關(guān)系數(shù)，選出最匹配的揚聲器；然后將聲源的球諧信號減去當(dāng)前最匹配的揚聲器的球諧信號，解出殘差信號；然后將該殘差信號賦值給聲源的球諧信號；然后在剩余揚聲器中繼續(xù)挑選最匹配的揚聲器并求解其增益，直至所有揚聲器的增益均被匹配完畢，解碼完成。

進(jìn)一步的，根據(jù)公式將聲源的球諧信號和揚聲器的球諧信號相關(guān)；其中，為聲源的球諧信號，聲源擺放位置為和振幅為s；為揚聲器的球諧信號，揚聲器擺放位置為n為求解所述球諧信號時所用fourier-bessel級數(shù)展開式的階數(shù)，m為求解所述球諧信號時所用fourier-bessel級數(shù)展開式的次數(shù)，l＝1....l，l為揚聲器個數(shù)。

進(jìn)一步的，根據(jù)聲源位置得到該聲源的球諧信號的方法為：首先建立聲源傳播的振幅為s的平面波傳播到內(nèi)部沒有聲源的有限空間的波動方程為其中，為聲源的球諧函數(shù)，為角波數(shù)，λ為波長，θ為所求點的水平角，為所求點的高度角，r為所求點離圓心距離，jm(kr)為一類球貝塞爾函數(shù)；然后求解該波動方程得到聲源的球諧信號

進(jìn)一步的，根據(jù)揚聲器擺放位置得到揚聲器的球諧信號的方法為：首先建立揚聲器傳播的振幅為s的平面波傳播到內(nèi)部沒有聲源的有限空間的波動方程為其中，為聲源的球諧函數(shù)，為角波束，λ為波長，θ為所求點的水平角，為所求點的高度角，r為所求點離圓心距離，jm(kr)為一類球貝塞爾函數(shù)；然后求解該波動方程得到揚聲器的球諧信號

進(jìn)一步的，將當(dāng)前與聲源球諧函數(shù)相關(guān)系數(shù)最大的揚聲器作為最匹配的揚聲器。

進(jìn)一步的，各所述揚聲器為規(guī)則擺放。

進(jìn)一步的，各所述揚聲器為不規(guī)則擺放。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果為：

現(xiàn)有技術(shù)一般采用矩陣求逆方法進(jìn)行解碼，當(dāng)揚聲器擺放不規(guī)則時，現(xiàn)有技術(shù)重構(gòu)出的聲場不穩(wěn)定，而本發(fā)明在揚聲器擺放不規(guī)則時，重構(gòu)聲場穩(wěn)定，具體效果對比數(shù)據(jù)如表1所示。

附圖說明

圖1為空間坐標(biāo)系；

圖2為發(fā)明流程框圖；

圖3為匹配投影解碼方法

圖4為高度角0度時各水平角指向圖；

(a)水平角0度，(b)水平角60度，(c)水平角120度，

(d)水平角180度，(e)水平角240度，(f)水平角300度；

圖5為高度角20度時各水平角指向圖；

(a)水平角0度，(b)水平角60度，(c)水平角120度，

(d)水平角180度，(e)水平角240度，(f)水平角300度；

圖6為被試1主觀測試結(jié)果圖；

(a)仰角0度，(b)仰角20度；

圖7為被試2主觀測試結(jié)果圖；

(a)仰角0度，(b)仰角20度。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述。

圖2為發(fā)明流程圖分為三個步驟

1.已知聲源擺放位置和振幅s，假設(shè)聲源發(fā)出平面波，在中心內(nèi)部無聲源區(qū)域的聲場可以用球諧函數(shù)分量表達(dá)，根據(jù)平面波傳播特性和波動方程fourier-bessel級表達(dá)，球諧信號由球諧函數(shù)分解得到。

2.已知揚聲器擺放位置假設(shè)揚聲器發(fā)出的為平面波，在中心內(nèi)部無聲源區(qū)域的聲場可以用球諧函數(shù)分量表達(dá)，根據(jù)平面波傳播特性和波動方程fourier-bessel級表達(dá)，球諧函數(shù)分量由球諧函數(shù)分解得到

3.將聲源的球諧函數(shù)分量y和各揚聲器球諧函數(shù)分量做相關(guān)的到各揚聲器增益g1,g2，…gl。

步驟1：虛擬聲源的ambisonics編碼

聲源在(x0,y0,z0)處即三維空間中任意一點的波動方程為：

其中是拉普拉斯算子，p是聲壓，t代表時間，c是聲波的傳播速度，r為所求點離圓心距離，θ為所求點的水平角，為所求點的高度角，為角波束，為波長。在如圖1球坐標(biāo)系中，根據(jù)聲波的三維波動方程可以得到聲壓關(guān)于fourier-bessel級數(shù)形式的解：

式中n代表展開式的階數(shù)，m代表展開式的次數(shù)，jm(kr)為一類球貝塞爾函數(shù)；球諧函數(shù)分量即為本發(fā)明所需要的球諧信號，為待求項。為球諧函數(shù)基函數(shù)，它有多種表示形式，在這里本發(fā)明由下式表示：

nmn-斯密特半正則化系數(shù)

式中δ0,n——delta函數(shù)，當(dāng)n＝0時，δ0,0＝1

虛擬聲源在處無源區(qū)域的聲壓可以用上面的公式(2)表示。

假設(shè)聲源傳播的是平面波，根據(jù)平面聲波可以在球坐標(biāo)系中用球諧函數(shù)無限展開的原理，振幅為s的平面波傳播到內(nèi)部沒有聲源的有限空間∩的波動方程可以寫成：

由式(2)與(6)可得

在一維情況下，下列方程展示了處于相位角為θ的聲源發(fā)出的信號s的編碼規(guī)則：

前三行定義了水平面上的一階聲場編碼，由三個成分組成：w,x,y，即為水平面的一階貝塞爾公式。階數(shù)每增加一階，都會有更多的高階立體聲(hoa)編碼方程以及相關(guān)的貝塞爾系數(shù)。由于聲源彼此之間的距離較近，而一階編碼對于相位的分辨率較低，這就導(dǎo)致了編碼的精確度不夠的問題。通過引進(jìn)高階立體聲編碼方程，使分辨率更高的編碼成為可能。

步驟2：揚聲器的ambisonics編碼

假設(shè)揚聲器發(fā)出的波也為平面波，方向為傳播到內(nèi)部沒有聲源的有限空間∩的波動方程可以寫成：

由式(2)與(7)可得

為聲源方向，為聲場中任意位置方向，為球諧函數(shù)分量即球諧信號。

步驟3：利用匹配投影法求解揚聲器增益

匹配投影解碼法的具體做法見圖3，首先根據(jù)聲源方向得到聲源的球諧信號由揚聲器擺放位置得到各揚聲器的球諧信號其次，計算聲源球諧信號與各揚聲器的球諧信號的相關(guān)，選出最匹配的揚聲器并求其增益gl。

然后，將聲源球諧信號減去最匹配揚聲器球諧信號解出殘差信號。

隨后，把殘差信號賦值給聲源的球諧信號，繼續(xù)在剩余揚聲器中挑選最匹配的揚聲器并求解其系數(shù)，重復(fù)執(zhí)行，直至所有揚聲器的系數(shù)均被匹配完畢，解碼完成。

4聲場重構(gòu)評價

客觀評測

本方法針對揚聲器不規(guī)則擺放，擺放規(guī)則與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)繞聲22.2的擺放位置相同。聲源位置選擇仰角0度，20度，水平角0度到360以60度為間隔。用指向圖表示匹配投影法的聲場重構(gòu)效果。指向圖如圖4、5所示。

主觀評測

本方法針對揚聲器不規(guī)則擺放，擺放規(guī)則與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)繞聲22.2的擺放位置相同。聲源位置選擇仰角0度，20度，水平角0度到360以60度為間隔。分別用矩陣求逆法和匹配投影法解碼，2名被試判別方向，總體誤差如表1。

表1為總體誤差表

圖6和圖7中三角形為匹配投影法主觀評測結(jié)果，四角星為矩陣求逆法主觀評測結(jié)果。

綜合主客觀評測結(jié)果，揚聲器擺放不規(guī)則的情況下匹配投影法也能很好復(fù)現(xiàn)原聲場，并且主觀實驗結(jié)果同時表明，匹配投影法的效果好于矩陣求逆法。