專利名稱：多聲道信號的模擬裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聲信號處理裝置及方法，特別是一種多聲道信號的模擬裝置及方法。
多功能數(shù)字盤(Digital Versatile Disk，DVD)，影像及聲音質(zhì)量皆勝過VCD與LD，所以數(shù)字化高質(zhì)量影片已逐漸走入家庭。一般而言，DVD所采用的AC-3數(shù)字聲源壓縮標(biāo)準(zhǔn)，須有左，右，中間，左環(huán)繞(Left Surround)，右環(huán)繞(Right Surround)，重低音(LowFrequency Effects)等六個聲源頻道，所以需用六個揚(yáng)聲器作相對的輸出設(shè)備，其中重低音揚(yáng)聲器的擺放位置可隨意，用數(shù)字表示即為5.1或5+1，而不用6。然而，一般個人電腦或家庭音響，因空間的限制，僅配備兩個揚(yáng)聲器，無法體驗(yàn)六個聲源頻道的高質(zhì)量聲音。若想享受高質(zhì)量聲音而又要另外再加一套音響設(shè)備，實(shí)又過度浪費(fèi)。
本發(fā)明主要目的在于提供一種使用一對揚(yáng)聲器或一副耳機(jī)即可模擬多聲道的臨場效果的聲信號模擬裝置及方法。主要原理是采用3D聲源定位技術(shù)，于空間中產(chǎn)生若干個虛擬聲源(即多聲道系統(tǒng)的各個揚(yáng)聲器)，稱為虛擬揚(yáng)聲器，故能模擬多聲道效果。至于3D聲源定位的原理，是將空間中某個方向的聲源導(dǎo)入人左右耳的物理系統(tǒng)，以一個數(shù)字模型來描述，稱為人體頭部相關(guān)轉(zhuǎn)換函數(shù)HRTF(headrelated transfer function)。將聲源信號與HRTF作回旋積分(convolution)運(yùn)算后再經(jīng)由一對揚(yáng)聲器或一副耳機(jī)播放出來，即可產(chǎn)生聲音來自各方向的效果。由于不同位置的聲源所相對應(yīng)的轉(zhuǎn)換函數(shù)(HRTF)參數(shù)均不同，故于存儲器中須存放多組不同方向的轉(zhuǎn)換函數(shù)(HRTF)，以產(chǎn)生各個不同方向的虛擬揚(yáng)聲器。
本發(fā)明的再一目的在于應(yīng)用3D聲源定位技術(shù)以提供一種利用兩個揚(yáng)聲器以模擬出類似5.1個揚(yáng)聲器效果的方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是采用3D聲源定位技術(shù)，由兩個揚(yáng)聲器直接模擬出類似5.1個聲源的效果，而且將此技術(shù)以硬件實(shí)施，內(nèi)建在通用數(shù)字盤DVD中，故可適用于家電或個人電腦。
結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明詳細(xì)說明如下


圖1為本發(fā)明的多聲道模擬裝置的示意圖；圖2為本發(fā)明的多聲道聲信號模擬裝置的方法流程圖；圖3為利用3D聲源定位技術(shù)作聲源處理的示意圖；圖4為本發(fā)明的多聲道聲源定位模擬裝置的電路方框圖。
請參考圖1，圖1為本發(fā)明的多聲道模擬裝置。一經(jīng)AC標(biāo)準(zhǔn)編碼的音頻信號首先由AC-3解碼器(1)加以解碼成為六個音頻信號，亦即左聲道、右聲道、中間聲道、左環(huán)繞聲道、右環(huán)繞聲道及重低音聲道。這六個經(jīng)解碼的音頻信號再送至3D聲源定位to AC-3模擬器(2)以進(jìn)行信號處理，將六個信號分別定位在其應(yīng)有的方位上。例如，把原本六個聲源頻道中的中間聲道，定位在聽者正前方，左聲道定位在左前方等。等六個聲源頻道全部定位后再混音，最后通過一對揚(yáng)聲器或耳機(jī)播出，而把原本應(yīng)有六個不同方位的揚(yáng)聲器才能形成的臨場方向感，重現(xiàn)出來。其中3D聲源定位技術(shù)是用人體頭部相關(guān)轉(zhuǎn)換函數(shù)HRTF(Head Related Transfer Function)，將一個聲源定位，也就是把聲源處理成為具有人耳用來判別方位的兩耳之間的時間差(Interaural Time Difference)與兩耳之間的強(qiáng)度差(Interaural Intensity Difference)的左右兩個聲道，再用耳機(jī)或揚(yáng)聲器傳入我們的耳朵，使人耳聽起來誤以為此聲音是從空間中某一方位所傳來，此外更可加入都卜勒效應(yīng)、反射、混晌、消除交互干擾等，而達(dá)到真正的立體空間效果。
如圖2所示，對實(shí)施本發(fā)明的方法所需的步驟加以說明首先，進(jìn)行步驟21，計(jì)算聽者與AC-3規(guī)格中5+1個揚(yáng)聲器分別的相對位置向量，以取得多聲道系統(tǒng)中各聲源(揚(yáng)聲器)的位置。由于不同的多聲道系統(tǒng)各有不同的輸出聲源(揚(yáng)聲器)配置方式，本步驟的目的是藉由使用者所選取不同的多聲道系統(tǒng)，以設(shè)定系統(tǒng)中各聲源(揚(yáng)聲器)的位置。接著進(jìn)行步驟22，根據(jù)上述位置向量拾取所需的頭部相關(guān)轉(zhuǎn)換函數(shù)(Head Related Transfer Function，HRTF)系數(shù)。本步驟接續(xù)上個步驟所得的各聲源位置，于存儲器中取得相對應(yīng)的HRTF系數(shù)。然后進(jìn)行步驟23，讀取輸入的AC-3六個聲道的聲源數(shù)據(jù)。然后執(zhí)行HRTF 3D運(yùn)算步驟，根據(jù)讀入的各聲源數(shù)據(jù)，及其相對應(yīng)的HRTF參數(shù)作3D運(yùn)算(回旋積分)，以求得其左右輸出信號。其中聲源的HRTF 3D處理的示意圖，如圖3所示，其中h(0)，h(1)，…h(huán)(N-1)為HRTF系數(shù)，Z-1為單位時間延遲(unittime delay)。然后判斷是否使用揚(yáng)聲器25。由于只有使用揚(yáng)聲器時才有交互干擾現(xiàn)象，本步驟判別是否使用揚(yáng)聲器以決定接續(xù)的步驟是否要執(zhí)行交互干擾消除運(yùn)算。如果是使用揚(yáng)聲器則執(zhí)行交互干擾消除運(yùn)算步驟26以消除左右揚(yáng)聲器交互干擾現(xiàn)象。最后即時輸出3D定位處理后的結(jié)果到一對揚(yáng)聲器或耳機(jī)以藉由一對揚(yáng)聲器或耳機(jī)的左右輸出信號，虛擬出AC-3所需的5+1個揚(yáng)聲器的多聲道系統(tǒng)中各聲源(揚(yáng)聲器)的位置。
請參考圖4，藉一實(shí)施例來說明本發(fā)明的的模擬裝置。經(jīng)AC-3編碼的音頻信號在經(jīng)過AC-3解碼器1解碼還原成六個聲道，后送至本發(fā)明的模擬裝置以進(jìn)行信號處理，其中六個聲道的音頻信號由提供控制信號以控制及協(xié)調(diào)整個裝置運(yùn)作的控制器42發(fā)出控制信號而送至一輸入緩沖器43，由于重低音聲道信號的定位效果并非可被人耳非常明顯的感受，因此，重低音聲道信號也可不必送入輸入緩沖器43以進(jìn)行后續(xù)的信號處理，而是在其余五個聲道的音頻信號進(jìn)行信號處理后，再與之合成，以送至輸出裝置(揚(yáng)聲器或耳機(jī))。送至輸入緩沖器43的五個聲道的音頻信號被送至一由第一乘法器46及第一加法器48所組成的第一信號處理器54。一儲存有多組HRTF系數(shù)及交互干擾消除濾波器系數(shù)的存儲器41。亦會將一組預(yù)先儲存的HRTF系數(shù)送至第一暫存器44，然后再送至第一信號處理器54。第一乘法器46包括多個并行乘法器以將輸入的多聲道信號與HRTF系數(shù)相乘，然后將相乘結(jié)果送至包括有多個并行及串行加法器的第一加法器48進(jìn)行相加運(yùn)算。亦即，第一信號處理器(54)所作的運(yùn)算即是作回旋積分(卷積)(convolution)運(yùn)算。經(jīng)HRTF 3D運(yùn)算處理后的左及右聲道信號再分別送至輸出緩沖器50儲存。如果輸出裝置是一副耳機(jī)時，則此左、右聲道的信號即可與重低音信號經(jīng)合成器53合成后直接輸出至耳機(jī)，而達(dá)到以一副耳機(jī)模擬六個聲道的立體聲效果。
如所使用的輸出裝置為一對揚(yáng)聲器時，則將左、右聲道的輸出信號再進(jìn)行交互干擾消除處理，以消除交互干擾信號，而使音質(zhì)更好。該交互干擾消除處理運(yùn)算將由以下實(shí)施例說明。
為消除左、右聲道信號的交互干擾，一交互干擾消除濾波器55(由第二暫存器45、第二乘法器47及第二加法器49所組成)被用來進(jìn)行進(jìn)一步的信號處理。第二暫存器45用以儲存運(yùn)算過程的暫態(tài)系數(shù)，其與第二乘法器47及第二加法器49形成回授回路，其中第二加法器49的輸出耦合至第二暫存器45的輸入端，第二暫存器45的輸出耦合至第二乘法器47的輸入端。第二乘法器47包括多個并行乘法器以將來自存儲器41的交互干擾消除濾波器系數(shù)及HRTF(即上述左、右聲道信號)的輸出結(jié)果相乘，然后再將相乘結(jié)果送至包括多個并行及串行加法器的第二加法器49進(jìn)行相加運(yùn)算。經(jīng)交互干擾消除濾波處理后的左、右聲道信號再分別送至第二輸出緩沖器51儲存。此經(jīng)交互干擾消除濾波處理后的信號與重低音信號經(jīng)合成器53合成后直接輸出至一對揚(yáng)聲器，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)以一對揚(yáng)聲器模擬六個聲道的立體環(huán)繞效果。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下效果本發(fā)明亦可在上述實(shí)施例中再加入一數(shù)據(jù)選擇器(52)，用以選擇輸出裝置為一副耳機(jī)或一對揚(yáng)聲器。
本發(fā)明僅利用一副耳機(jī)或一對揚(yáng)聲器即可模擬通用數(shù)字盤DVD的六個聲道。本發(fā)明的模擬裝置及方法可利用現(xiàn)有的家庭音響或個人電腦的一對揚(yáng)聲器來形成六個聲源頻道的高音質(zhì)聲音，因而節(jié)省了額外四個揚(yáng)聲器的費(fèi)用及擺置空間。此外，本發(fā)明的模擬裝置及方法可以一晶片來完成而內(nèi)建于DVD Player、DVD-Rom或其他具有多聲道環(huán)場音響效果的裝置中，因此并不會增加整個裝置的額外空間。
上述實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的原理及其功效，而非限制本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種多聲道信號的模擬裝置，其特征在于，包括一輸入緩沖器，用以接收音頻信號；一存儲器，儲存有至少二組系數(shù)；一信號處理器，耦合至輸入緩沖器及存儲器的輸出端，并對所接收的輸入音頻信號及存儲器輸出的系數(shù)作回旋積分處理以產(chǎn)生一輸出信號；一輸出緩沖器，耦合至信號處理器的輸出端，用以接收其輸出信號，再將該輸出信號輸出至一輸出裝置；一控制器，耦合至輸入緩沖器、存儲器、信號處理器及輸出緩沖器，用以控制及協(xié)調(diào)模擬裝置的運(yùn)作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬裝置，其特征在于，所述輸入音頻信號為經(jīng)解碼器解碼的音頻信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬裝置，其特征在于，所述輸入音頻信號包括左聲道、右聲道、中間聲道、左環(huán)繞聲道、右環(huán)繞聲道及重低音聲道的信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模擬裝置，其特征在于，所述重低音聲道信號未經(jīng)所述信號處理器處理直接送至所述輸出裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬裝置，其特征在于，所述存儲器儲存的系數(shù)為人體頭部相關(guān)轉(zhuǎn)換函數(shù)系數(shù)及交互干擾消除濾波器系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬裝置，其特征在于，所述信號處理器包括一乘法器及一加法器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬裝置，其特征在于，所述輸出裝置為一副耳機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬裝置，其特征在于，所述輸出裝置為一對揚(yáng)聲器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬裝置，其特征在于，所述模擬裝置制作于一晶片內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模擬裝置，其特征在于，還包括一合成器，用以接收所述輸出緩沖器的輸出信號及重低音聲道信號，并將這些信號合成以輸出至所述輸出裝置。
11.一種多聲道信號的模擬裝置，包括一模擬器及一控制器，控制器連接至模擬器，用以提供控制信號以控制及協(xié)調(diào)模擬器的運(yùn)作，其特征在于，還包括一輸入緩沖器，用以接收輸入的音頻信號；一存儲器，儲存有數(shù)組系數(shù)；一第一信號處理器，耦合至輸入緩沖器及存儲器的輸出端，并對所接收的輸入音頻信號及存儲器輸出的系數(shù)作回旋處理以產(chǎn)生一第一輸出信號；一第一輸出緩沖器，耦合至第一信號處理器的輸出端，用以接收第一輸出信號；一交互干擾消除濾波器，耦合至第一輸出緩沖器的輸出端及第一暫存器的輸出端，用以接收來自第一輸出緩沖器的第一輸出信號及存儲器輸出的系數(shù)以作回旋積分處理以產(chǎn)生第二輸出信號；及一數(shù)據(jù)選擇器，耦合至第一輸出緩沖器及第二輸出緩沖器，用以選擇輸出第一輸出信號或第二輸出信號至一輸出裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的模擬裝置，其特征在于，所述輸入音頻信號為經(jīng)解碼器解碼的音頻信號。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的模擬裝置，其特征在于，所述輸入音頻信號包括左聲道、右聲道、中間聲道、左環(huán)繞聲道、右環(huán)繞聲道及重低音聲道的信號。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的模擬裝置，其特征在于，所述重低音聲道信號未經(jīng)所述信號處理器處理即送至所述輸出裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的模擬裝置，其特征在于，所述存儲器所儲存的系數(shù)為人體頭部相關(guān)轉(zhuǎn)換函數(shù)系數(shù)及交互干擾消除濾波器系數(shù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的模擬裝置，其特征在于，所述第一及第二信號處理器各包括一乘法器及一加法器。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的模擬裝置，其特征在于，所述輸出裝置為一副耳機(jī)。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的模擬裝置，其特征在于，所述輸出裝置為一對揚(yáng)聲器。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的模擬裝置，其特征在于，模擬裝置制作于一晶片內(nèi)。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的模擬裝置，其特征在于，還包括一合成器，用以接收所述輸出緩沖器的輸出信號及所述重低音聲道信號，并將這些信號合成以輸出至所述輸出裝置。
21.根據(jù)權(quán)利要求11所述的模擬裝置，其特征在于，還包括一形成回授回路的第二暫存器、第二乘法器及第二加法器。
22.一種多聲道信號的模擬方法，其特征在于，包括下列步驟輸入音頻信號于一輸入緩沖器；儲存頭部相關(guān)轉(zhuǎn)換函數(shù)的系數(shù)于一存儲器中；以一信號處理器對所接收的輸入音頻信號及存儲器輸出的頭部相關(guān)轉(zhuǎn)換函數(shù)的系數(shù)作回旋積分處理以產(chǎn)生一輸出信號；以及輸出所述輸出信號至一輸出裝置。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的模擬裝置，其特征在于，所述音頻信號為經(jīng)解碼器解碼的音頻信號。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的模擬裝置，其特征在于，所述音頻信號包括左聲道、右聲道、中間聲道、左環(huán)繞聲道、右環(huán)繞聲道及重低音聲道信號。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的模擬裝置，其特征在于，所述重低音聲道信號未經(jīng)所述信號處理器處理，直接送至所述輸出裝置。
26.根據(jù)權(quán)利要求22所述的模擬裝置，其特征在于，所述存儲器所儲存的系數(shù)為人體頭部相關(guān)轉(zhuǎn)換函數(shù)系數(shù)及交互干擾消除濾波器系數(shù)。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的模擬裝置，其特征在于，包括一合成器，以接收所述處理后的音頻信號及未處理的重低音聲道信號，并將這些信號合成以輸出至所述輸出裝置。
28.根據(jù)權(quán)利要求22所述的模擬裝置，其特征在于，所述輸出裝置為一對揚(yáng)聲器。
29.根據(jù)權(quán)利要求22所述的模擬裝置，其特征在于，所述輸出裝置為一副耳機(jī)。
全文摘要
一種多聲道信號的模擬裝置及方法,模擬裝置包括;一輸入緩沖器;一存儲器;一信號處理器,耦合至輸入緩沖器及存儲器的輸出端,并輸入音頻信號及存儲的系數(shù)作回旋積分處理;一輸出緩沖器,耦合至信號處理器的輸出端;一控制器,耦合至輸入緩沖器、存儲器、信號處理器及輸出緩沖器。模擬方法,包括下列步驟:輸入音頻信號于一輸入緩沖器;儲存頭部相關(guān)的系數(shù)于存儲器中;對所接收的輸入音頻信號及存儲器輸出的頭部相關(guān)系數(shù)作回旋積分處理。
文檔編號H04N5/60GK1244084SQ9811683
公開日2000年2月9日 申請日期1998年7月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月30日
發(fā)明者韋至修, 劉培森, 林進(jìn)為 申請人:財(cái)團(tuán)法人資訊工業(yè)策進(jìn)會