专利名称：对于通过扬声器的音频的频谱不着色的优化串扰消除的制作方法
对于通过扬声器的音频的频谱不着色的优化串扰消除相关申请的交叉引用本申请要求在2010年9月3日提交的、名为“OPTIMAL CROSSTALK CANCELLATIONFOR BINAURAL AUDIO WITH TWO LOUDSPEAKERS”的美国临时申请号61/379，831 的美国临时申请的权益且该专利内容通过参考并入此处。
背景技术：
采用扬声器的双耳音频(BAL),也称为贯通听觉化(transauralization),意在在听者的耳道出口处再现仅在立体声信号的同侧通道内记录的声压信号。即，在左耳仅再现左立体声通道的声音信号且在右耳仅再现右立体声通道的声音信号。例如，如果用听者的头部相关变换函数(HRTF)来编码源信号、或者源信号包括合适的双耳间时间差(ITD)和双耳间强度差(ILD)线索，则在立体声信号的每一个通道上将信号传递至同侧的耳，且仅传递至该耳，将理想地确保耳-脑系统接收到它所需的线索，从而听到所记录的声场的准确的3-维(3-D)再现。然而，通过扬声器的双耳音频回放的非故意序列是串扰。当左耳(右耳)听到来自右(左)声道的、源自右扬声器(左扬声器)声音时，发生串扰。换言之，当在立体声通道之一上的声音被听者的对侧的耳朵所听到时，发生串扰。串扰破坏HRTF信息和ITD或ILD线索，从而听者可能未合适地或完整地理解被包含在记录中的声场的双耳线索。因此，接近BAL的目标要求有效地消除这个非故意的串扰，即串扰消除，或简称为XTC。尽管存在用于对双扬声器系统能实现某种程度的串扰消除的各种技术，它们全都具有如下一个或多个缺陷:Dl:即使听者正坐在预期的甜区(sweet spot),也有对于听者所听到的声音的数个频谱着色。D2:仅在音频带的有限频率范围内达到有用的XTC级别。D3:当声音经过XTC滤波器或处理器处理(同时避免扭曲和/或削波)时的严重的动态范围损失。通过使用XTC问题的最基本表达式来分析XTC-即通过查看描述从扬声器到听者的耳朵的声音传播的系统转移矩阵(如下所示且在下文描述)的逆(inverse)，可看到上述缺陷。尽管，通常用在使得系统转移矩阵的逆矩阵表现显著较好的XTC滤波器设计中的恒定参数(非频率相关的)正则化的技术，可消除缺陷D3的其中一些，但是它固有地引入其自身的频谱伪像(特定地，以减少逆转移矩阵中的频谱峰值的振幅为代价，恒定参数正则化导致在扬声器的较高频率处的不期望的窄带伪像和较低频率处的衰减(rolloff))，且几乎没有消除另外两个缺陷(Dl和D2)。现有技术的频率相关的正则化，即使当与有效的优化方案结合时，也不足以处理掉缺陷D1、D2、和D3。
基于系统转换矩阵逆矩阵(带有或不带有正则化)的以前的XTC滤波器设计方法，通过在扬声器处施加不平坦的振幅相对频率响应(如下所述)，在听者的耳朵处争取维持平坦的振幅相对频率响应，这引起所处理的声音的动态范围中的损失，且基于如下所述的理由，即使听者坐在所预计的甜区，导致听者所听到的声音的频谱着色。因此，尽管之前的方法对于设计可固有地校正回放硬件和扬声器的振幅相对频率响应的不理想度的XTC滤波器时是有用的，它们没有解决所有的缺陷Dl、D2、和D3。
发明内容
描述了一种用于计算频率相关的正则化参数(FDRP)的方法和系统，所述频率相关的正则化参数(FDRP)被用于对于分析导出或实验测得的系统分析矩阵求逆以用于串扰消除(XTC)滤波器设计。本方法依赖于计算导致在扬声器处的平坦的振幅相对频率响应(而非如现有技术方法中原本所做的那样，导致在听者的耳朵处的平坦的振幅相对频率响应)的FDRP，因此强迫XTC仅在相位域中实现且减轻XTC滤波器在可听频谱着色和动态范围损失方面的缺陷。当与任何有效的优化方案一起使用本方法时，其导致这样的XTC滤波器，其在音频带的任何期望部分上获得最佳XTC大小、在所处理的声音上不施加超出回放硬件和/或扬声器中固有的频谱着色的频谱着色、且不引起任何动态范围损失。采用这个方法设计、且被用在该系统中的XTC滤波器不仅是最佳的，且由于不存在缺陷D1、D2、和D3，允许通过扬声器对于双耳或立体声音频的最自然的和频谱通透的3D音频再现。本发明和系统并不企图校正回放硬件的频谱特性、且因此最为适用于与被设计为在不需要用于频谱校正的附加信号处理的情况下满足期望的频谱保真度的音频回放硬件和扬声器。
在下文详细描述中可看到本发明的更为详细的理解，该描述要在对照相应附图情况下阅读，在附图中:图1是听者和双源模型的示图；图2是在扬声器处的完美的XTC滤波器的频率响应曲线；图3是示出对于在扬声器处的包络频谱的正则化的效果的曲线，图4示出对于串扰消除频谱的正则化的效果，图5是示出扬声器处的包络频谱的示图，图6是本发明的方法的流程图。图7示出代表时域中的转换函数的四个(加窗的)测得的脉冲响应(IR)。图8是示出与完美的XTC滤波器关联的所测得的频谱的图。图9是示出本发明的XTC滤波器的测得的频谱的图。详细说明为了解释本发明的方法和系统的优势，将描述在理想化情况下的基本XTC问题的分析表达式，且将定义“完美的XTC滤波器”，它将作为基准，说明所有XTC滤波器固有的可听频谱着色的严重问题。在以下描述中，为了清楚以及允许分析观察，将使用在自由空间(没有声音反射)的两个点源(理想的扬声器)12、14以及对应于理想的听者20(没有)的耳朵位置的两个接听点16、18构成的理想化环境。然而，在本发明的下文描述中给出的示例中，将使用对应于在仿真头部的耳道入口处测得的在真实房间中的真实扬声器的脉冲响应的实际数据。基本XTC问题的表达式在频域中，在自由场(从听者或任何其他物理对象的头部或外耳壳，没有衍射或反射)中发生声音传播、且扬声器如同点源般辐射的理想化假设的情况下，在自辐射频率ω的声波的点源(单极)相距r处的自由场点处的空气压力，由下式给出:
权利要求
1.一种用于过滤音频信号来消除音频系统中的串扰的方法，所述方法包括如下步骤 对于所述音频系统的转移矩阵或函数求逆； 使用来自所述逆转移矩阵或函数的信息来计算频率相关的正则化参数，当所述正则化参数被应用于音频信号时在所述音频系统的任何扬声器处在整个音频带或音频带一部分上产生平坦的频率响应； 使用所述经计算的频率相关的正则化参数来计算所述转移矩阵的伪逆。
2.如权利要求1的用于过滤音频信号来消除串扰的方法，其特征在于，所述平坦的频率响应在整个所述音频带或所述音频带的一部分上仅通过相位效应起效。
3.如权利要求1的用于过滤音频信号来消除串扰的方法，其特征在于，当所述频率相关的正则化参数被施加至音频信号时，所述频率相关的正则化参数对于被平移至左和右通道之间的任意处的期望图像在扬声器的其中一个或多个处产生平坦的频率响应。
4.如权利要求1的用于过滤音频信号来消除串扰的方法，其特征在于，所述音频系统是双耳音频系统。
5.如权利要求1的用于过滤音频信号来消除串扰的方法，其特征在于，所述音频系统是立体声音频系统。
6.一种用于为i音频应用设计串扰消除滤波器的方法，所述方法包括如下步骤 对于音频系统的转移矩阵或函数求逆； 使用来自所述逆转移矩阵或函数的信息来计算频率相关的正则化参数，当所述正则化参数被应用于音频信号时在所述音频系统的任何扬声器处在整个音频带或音频带一部分上产生平坦的频率响应； 使用所述经计算的频率相关的正则化参数来计算所述转移矩阵的伪逆矩阵。
7.如权利要求6的用于为音频应用设计串扰消除滤波器的方法，其特征在于，频率相关的正则化使得串扰消除在整个所述音频带或所述音频带的一部分上仅通过相位效应起效。
8.如权利要求6的用于为音频应用设计串扰消除滤波器的方法，其特征在于，计算所述频率相关的正则化参数的所述步骤得到滤波器，当该滤波器被应用于音频信号时，对于被平移至左和右通道之间的任意处的期望图像在扬声器的其中一个或多个处产生平坦的频率响应。
9.如权利要求6的用于过滤音频信号以消除串扰的方法，其特征在于，所述音频系统是双耳音频系统。
10.如权利要求6的用于过滤音频信号以消除串扰的方法，其特征在于，所述音频系统是立体声音频系统。
11.一种用于过滤音频信号来消除音频系统中的串扰的系统，所述系统包括: 音频输入级； 处理器，用于 对于所述音频系统的转移矩阵求逆； 计算频率相关的正则化参数，当所述正则化参数被应用于音频信号时在所述音频系统的任何扬声器处在整个音频带或音频带一部分上产生平坦的频率响应； 使用所述经计算的频率相关的正则化参数来计算所述转移矩阵的伪逆。
12.如权利要求11的用于过滤音频信号来消除音频系统中的串扰的系统，其特征在于，所述平坦的频率响应在所述音频带或所述音频带的一部分上仅通过相位效应由所述处理器起效。
13.如权利要求11的用于过滤音频信号来消除音频系统中的串扰的系统，其特征在于，所述处理器具有这样的能力:施加所述频率相关的正则化参数来过滤音频信号从而对于被平移至左和右通道之间的任意处的期望图像在扬声器的其中一个或多个处产生平坦的频率响应。
14.一种用于为音频应用产生串扰消除滤波器的系统，所述系统包括: 音频输入级； 处理器，用于 对于所述音频系统的转移矩阵求逆； 计算频率相关的正则化参数，所述正则化参数导致滤波器，当所述滤波器被应用于音频信号时，在所述音频系统的任何扬声器处在整个音频带或音频带一部分上产生平坦的频率响应； 使用所述经计算的频率相关的正则化参数来计算所述转移矩阵的伪逆。
15.如权利要求14的用于对音频应用产生串扰消除滤波器的系统，其特征在于，使用相关音频的正则化从而串扰消除在整个所述音频带或所述音频带的一部分上仅通过相位效应起效。
16.如权利要求14的用于过滤音频信号以消除音频系统中的串扰的系统，其特征在于，所述处理器具有这样的能力:施加所述频率相关的正则化参数来产生滤波器，当该滤波器被应用于所述音频信号时，对于被平移至左和右通道之间的任意处的期望图像在扬声器的其中一个或多个处产生平坦的频率响应。
全文摘要
一种用于计算频率相关的正则化参数(FDRP)的方法和系统，所述频率相关的正则化参数(FDRP)被用于分析地导出或实验地测得的系统转移矩阵求逆以用于设计和/或生产串扰消除(XTC)过滤器，该方法和系统依赖于计算导致在扬声器处平坦的振幅相对频率响应(对比于如之前的方法中固有地所做地，在听者耳朵处的平坦的振幅相对频率响应)的FDRP，因此迫使XTC仅在相位域内起效并消除了XTC滤波器的音频频谱着色和动态范围损失的缺陷。当该方法和系统被与任何有效的优化技术一起使用时，其导致这样的XTC滤波器，其在音频带的任何期望部分上获得最佳XTC大小、在所处理的声音上不施加超出回放硬件和/或扬声器中固有频率着色的频谱着色、且不引起任何(或非常低的)动态范围损失。这样的XTC滤波器不仅优化且允许通过扬声器的对于双耳或立体声声音的最为自然和频谱通透的3D音频重现。
文档编号H03B29/00GK103222187SQ201180042554
公开日2013年7月24日 申请日期2011年9月1日 优先权日2010年9月3日
发明者E·Y·舒埃里 申请人:普林斯顿大学托管会