专利名称：立体声像加宽系统的制作方法
立体声像加宽系统相关申请本申请基于35U.S.C.§ 119(e)要求2010年10月20日递交的题为“Stereo ImageWidening System(立体声像加宽系统)”的美国临时申请N0.61/405, 115的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
背景技术：
可以使用多个麦克风分开记录左音频信号和右音频信号来产生立体声。备选地，可以通过对单声道信号施加双耳合成滤波器来产生左音频信号和右音频信号，从而合成立体声。在通过耳机再现立体声信号时立体声通常具有优越性能。然而，如果通过两个扬声器再现信号，会在两个扬声器与收听者耳朵之间出现串扰，使得劣化立体声感知。因此，通常采用串扰消除器来消除或减小两个信号之间的串扰，使得收听者的右耳不会听到左扬声器信号，而收听者的左耳不会听到右扬声器信号。
发明内容
这里描述了一种立体声加宽系统和关联的信号处理算法，在特定实施例中，利用比现有串扰消除系统少的处理资源来加宽立体声像。有利地，这些系统和算法可以在手持设备或具有紧凑布置的扬声器的其他设备中实现，从而以较低计算成本改进利用这些设备产生的立体声效果。然而，这里描述的系统和算法不限于手持设备，而是可以更一般地在具有多个扬声器的任何设备中实现。为了概述本公开，这里已经描述了本发明的特定方面、优点和新颖特征。应当理解并非根据这里公开的本发明的任何特定实施例均实现所有这些优点。因此，可以实现或执行这里公开的本发明，使得实现和优化这里教导的一个优点或一组优点，而不必实现如这里教导或建议的其他优点。
在特定实施例中，一种虚拟加宽通过扬声器对播放的立体声音频信号的方法包括:接收立体声音频信号，其中，立体声音频信号包括左音频信号和右音频信号。该方法还可以包括:向左声道提供左音频信号并且向右声道提供右音频信号，并且在不采用任何计算密集型的头部相关传递函数(HRTF)或反HRTF来尝试完全消除串扰的情况下，采用声偶极子原理来减轻扬声器对与收听者两侧耳朵之间的串扰的影响。所述采用可以包括(通过一个或多个处理器):至少通过(a)使左音频信号反相来产生反相的左音频信号并且(b)将反相的左音频信号与右音频信号相组合来近似第一声偶极子，并且至少通过(a)使右音频信号反相来产生反相的右音频信号并且(b)将反相的右音频信号与左音频信号相组合来近似第二声偶极子；对第一声偶极子应用单个第一反HRTF，以产生左滤波信号。可以在左声道的第一直接路径而不是从左声道到右声道的第一串扰路径中应用第一反HRTF。该方法还可以包括:对第二声偶极子应用单个第二反HRTF函数，以产生右滤波信号，其中，可以在右声道的第二直接路径而不是从右声道到左声道的第二串扰路径中应用第二反HRTF，并且第一和第二反HRTF提供左滤波信号和右滤波信号之间的耳间强度差(IID)。此外，该方法可以包括提供左滤波信号和右滤波信号以在扬声器对上回放，从而提供配置为被收听者感知为比左扬声器和右扬声器之间的实际距离宽的立体声像。在一些实施例中，一种虚拟加宽通过扬声器对播放的立体声音频信号的系统包括:声偶极子部件，能够接收左音频信号和右音频信号，至少通过(a)使左音频信号反相来产生反相的左音频信号并且(b)将反相的左音频信号与右音频信号相组合来近似第一声偶极子，并且至少通过(a)使右音频信号反相来产生反相的右音频信号并且(b)将反相的右音频信号与左音频信号相组合来近似第二声偶极子。该系统还可以包括:耳间强度差(IID)部件，对第一声偶极子应用单个第一听觉响应函数，以产生左滤波信号；并且对第二声偶极子应用单个第二听觉响应函数，以产生右滤波信号。该系统可以提供左滤波信号和右滤波信号以在扬声器对上回放，从而提供配置为被收听者感知为比左扬声器和右扬声器之间的实际距离宽的立体声像。此外，声偶极子部件和IID部件可以由一个或多个处理器来实现。在一些实施例中，其上存储有处理器可执行指令的非暂时物理电子存储装置，处理器可执行指令在由一个或多个处理器执行时实现用于虚拟加宽通过扬声器对播放的立体声音频信号的部件。这些部件可以包括:声偶极子部件，能够接收左音频信号和右音频信号，至少通过(a)使左音频信号反相来产生反相的左音频信号并且(b)将反相的左音频信号与右音频信号相组合来形成第一仿真声偶极子，并且至少通过(a)使右音频信号反相来产生反相的右音频信号并且(b)将反相的右音频信号与左音频信号相组合来形成第二仿真声偶极子。还部件还可以包括:耳间强度差(IID)部件，配置为对第一仿真声偶极子应用单个第一反头部相关传递函数(HRTF)，以产生左滤波信号；并且对第二仿真声偶极子应用单个第二反HRTF，以产生右滤波信号。
贯穿附图，可以重复使用附图标记来指示所标识的元件之间的对应关系。提供附图来示意这里描述的本发明的实施例，但不限制本发明的范围。图1示出了串扰减小情形的实施例。图2示出了可以用于加宽立体声像的理想声偶极子的原理。图3示出了采用加宽的立体声像来提高收听者的音频体验的示例收听情形。图4示出了立体声加宽系统的实施例。图5示出了图4的立体声加宽系统的更详细实施例。图6示出了示例头部相关传递函数(HRTF)的时域曲线图。图7示出了图6的示例HRTF的频率响应曲线图。图8示出了通过对图7的HRTF取反而获得的反HRTF的频率响应曲线图。图9示出了通过操控图8的反HRTF而获得的反HRTF的频率响应曲线图。图10示出了图9的反HRTF之一的频率响应曲线图。图11示出了立体声加宽系统的实施例的扫频曲线图。
具体实施例方式1.介绍
典型地，便携式电子设备包括紧凑布置的小扬声器。由于被紧凑布置，这些扬声器倾向于提供不良声道分离，导致较窄声像。因此，通过这样的扬声器很难听到立体声和3D声效。当前的串扰消除算法的目的在于通过减小或消除扬声器串扰来减轻这些问题。然而，这些算法实现起来计算成本太高，因为这些算法倾向于采用多个头部相关传递函数(HRTF)。例如，普通串扰消除算法采用四个或更多个HRTF，这利用具有有限计算资源的移动设备执行起来计算成本太高。有利地，在特定实施例中，这里描述的音频系统提供具有与现有串扰消除方法相比降低计算资源消耗的立体声加宽。在一个实施例中，音频系统在每个声道路径采用单个反HRTF而不是多个HRTF。去除在串扰消除中通常使用的HRTF避免了对串扰消除的基本假定，即消除串扰的路径的传递函数应当为零。然而，在特定实施例中，在音频系统中实现声偶极子特征可以有利地允许忽略该假定，而同时仍提供立体声加宽并且潜在地提供至少一些串扰减少。这里描述的音频系统的特征可以在便携式电子设备(例如，电话、膝上型计算机、其他计算机、便携式媒体播放器等)中实现，来加宽由在这些设备内部的扬声器或与这些设备相连的外部扬声器产生的立体声像。对于一些实施例，在移动设备(例如，电话、平板电脑、膝上型计算机或具有紧凑布置的扬声器的其他设备)中，这里描述的系统的优点最显著。然而，可以利用具有与移动设备相比间隔更大的扬声器的设备(例如电视和车载立体声系统等)来实现这里描述的系统的至少一些优点。更一般地，可以在任何音频设备(包括具有多于两个扬声器的设备)中实现这里描述的音频系统。11 示例立体声像加宽特征参考附图，图1示出了串扰减小情形100的实施例。在情形100中，收听者102收听从包括左扬声器104L和右扬声器104R在内的两个扬声器104发出的声音。还不出了传递函数106，表示扬声器104的输出与收听者102的耳朵中接收到的声音之间的关系。这些传递函数106包括同侧路径传递函数(“S”)和交互侧路径传递函数(“A”)。交互侧路径中“A”传递函数106导致每个扬声器与收听者102的对侧耳朵之间的串扰。现有串扰消除技术的目的在于消除“A”传递函数，使得“A”传递函数具有零值。为此，如图1的上半部所示的技术可以执行串扰处理。该处理通常开始于接收左(L)和右(R)音频输入信号，并且向多个滤波器110、112提供这些信号。示出了串扰路径滤波器110和直接路径滤波器112 二者。串扰和直接路径滤波器110、112可以实现HRTF，HRTF操控音频输入信号来消除串扰。串扰路径滤波器110执行大部分串扰消除，其本身可以产生次串扰效应。直接路径滤波器112可以减小或消除这些次串扰效应。一般方案是将每个串扰路径滤波器110设置为等于-A/S(或其估计值)，其中，A和S是上述传递函数106。直接路径滤波器112可以使用各种技术来实现，在1999年6月
4日递交的题为“Method of Synthesizing a Three Dimensional Sound-Field(合成三维声场的方法)”的美国专利N0.6，577，736的`图4中示出和描述所述各种技术的一些示例，其全部内容通过引用合并于此。使用每个相应声道中的组合器块114将串扰路径滤波器110的输出与直接路径滤波器112的输出相组合，来产生输出音频信号。应当注意，例如，可以通过将直接路径滤波器112放置在组合器块114和扬声器104之间来反转滤波阶数。串扰消除器的缺点之一在于需要将收听者的头部精确地放置在两个扬声器104之间的小最有效点(sweet spot)内或中间，以便感知串扰消除效果。然而，收听者对于识别这样的最有效点可能有困难，或者可能自然地走进或走出最有效点，降低了串扰效果。串扰消除的另一缺点在于采用的HRTF与特定收听者的耳朵的实际听觉响应函数不同。串扰消除算法因此可能对于一些收听者而言比对于其他收听者更有效。除了串扰消除有效性的这些缺点以外，串扰路径滤波器110所采用的-A/S计算的计算成本可能较高。在具有相对低计算能力的移动设备或其他设备中，可能期望去除该串扰计算。这里描述的系统和方法实际上去除了该串扰计算。因此用虚线示出串扰路径滤波器110，以指示可以从串扰处理中去除串扰路径滤波器110。去除这些滤波器110是反直觉的，因为这些滤波器110执行大部分串扰消除。没有这些滤波器110，交互侧路径传递函数(A)的值可能不为零。然而，有利地可以去除这些串扰滤波器110，而同时通过采用声偶极子的原理(以及可能的其他特征)仍提供良好立体声分离。在特定实施例中，在串扰减小中使用的声偶极子还可以在现有串扰算法的基础上增大最有效点的尺寸，并且可以补偿与听觉响应函数中的各个差异不精确匹配的HRTF。此夕卜，如在以下更详细描述的，可以调整串扰消除中使用的HRTF以便于去除特定实施例中的串扰路径滤波器110。为了帮助说明这里描述的音频系统如何使用声偶极子原理，图2示出了理想的声偶极子200。偶极子200包括辐射相同声能但相位相反的两个点源210、220。偶极子200产生二维辐射图案,该辐射图案包括沿着第一轴224具有最大声辐射和沿着与第一轴224垂直的第二轴226具有最小声辐射的两个波瓣。最小声辐射的第二轴226位于两个点源210、212之间。因此，位于沿着该轴226在两个点源210、212之间的位置的收听者202可以感知到具有较小或没有串扰的宽立体声像。可以通过背对背地放置两个扬声器、并且通过利用馈送给一个扬声器的信号的反相版本馈送另一个扬声器，来构造理想声偶极子200的物理近似。典型地，尽管在一些实施例中可以设计具有这种配置的扬声器的设备，但是不能按照这种方式重新布置移动设备中的扬声器。然而，可以通过使一个音频输入的极性反相并且将该反相输入与相对声道相组合来在软件或电路中仿真或近似声偶极子。例如，可以使左声道输入反相(180度)，并且与右声道输入相组合。可以向左扬声器提供同相左声道输入，并且可以向右扬声器提供右声道输入和反相左声道输入(R-L)。生成的回放应当包括关于左声道输入的仿真声偶极子。类似地，可以使右声道输入反相，并且与左声道输入相组合(以产生L-R)，从而创建第二声偶极子。因此，左扬声器可以输出L-R信号,而右扬声器可以输出R-L信号。这里描述的系统和处理可以利用一个或两个偶极子(可选地，利用其他处理)来执行该声偶极子仿真，来提高立体声分离。图3示出了示例收听情形300，采用声偶极子技术来加宽立体声像，并从而增强收听者的音频体验。在情形300中，收听者302收听通过移动设备304 (平板计算机)输出的音频。移动设备304包括两个扬声器(未不出)，由于设备的尺寸较小，因此两个扬声器的间隔相对较小。使用这里描述的仿真声偶极子和可能的其他特征的立体声加宽处理可以为收听者302创建立体声的加宽感知。该立体声加宽由两个虚拟扬声器310、312来表示，两个虚拟扬声器310、312是收听者302可以感知为发出声音的虚拟声源。因此，这里描述的立体声加宽特征可以创建对比设备304中的实际扬声器之间的物理距离间隔更大的声源的感知。有利地，利用增大立体声分离的声偶极子，可以忽略将串扰路径设置为等于零的串扰消除假定。在潜在的其他优点之中，HRTF中的个体差异对收听体验的影响比典型的串扰消除算法小。图4示出了立体声加宽系统400的实施例。立体声加宽系统400可以实现上述声偶极子特征。此外，立体声加宽系统400包括用于加宽并另外增强立体声的其他特征。所示的部件包括耳间时间差(ITD)部件410、声偶极子部件420、耳间强度差(IID)部件430以及可选增强部件440。这些部件中的每一个可以以硬件和/或软件来实现。此夕卜，在一些实施例中可以省略所示的至少一些部件，并且在一些实施例中也可以重新布置部件的次序。立体声加宽系统400接收左音频输入和右音频输入402、404。向耳间时间差(ITD)部件提供这些输入402、404。ITD部件可以使用一个或多个延迟来创建左输入402和右输入404之间的耳间时间差。输入402、404之间的该ITD可以创建扬声器输出之间的宽度感或方向。ITD部件410所应用的延迟量可以依赖于左输入402和右输入404中编码的元数据。该元数据可以包括与左输入402和右输入404中声源的位置有关的信息。基于声源位置，ITD部件410可以创建适当的延迟，以使得声源看起来来自所指示的声源。例如，如果声源来自左侧，则ITD部件410可以对右输入404应用延迟，并且不对左输入402应用延迟，或者与左输入402相比对右输入应用更大延迟。在一些实施例中，ITD部件410使用2006年9月13日递交的题为“Systems and Methods for Audio Processing(音频处理的系统和方法)”的美国专利N0.8，027，477( “‘477’专利(其全部公开通过引用合并于此)中描述的一些或所有构思动态地计算ITD。ITD部件410向声偶极子部件420提供左和右声道信号。使用以上关于图3描述的声偶极子原理，声偶极子部件420仿真或近似声偶极子。为了示意，声偶极子部件420可以使左和右声道信号反相，并且将反相信号与相对声道相组合。因此，可以消除或者减小在两个扬声器之间由两个扬声器产生的声波。为了方便，本说明书的其余部分将通过组合反相左声道信号与右声道信号而创建的偶极子称为“左声偶极子”，并且将组合反相右声道信号与左声道信号而创建的偶极子称为“右声偶极子”。在一个实施例中，为了调整声偶极子效果的量，声偶极子部件420可以对要与相对声道信号相组合的反相信号施加增益。该增益可以衰减或增大反相信号幅度。在一个实施例中，声偶极子部件420所施加的增益量可以依赖于两个扬声器的实际物理分离宽度。在一些实施例中，两个扬声器的间隔越小，声偶极子部件420可以施加的增益越小，反之亦然。该增益可以有效地创建两个扬声器之间的耳间强度差。可以调整该效果来补偿不同的扬声器配置。例如，立体声加宽系统400可以提供具有滑动条、文本框的用户界面，或者使得用户能够输入扬声器的实际物理宽度的其他用户界面控制。使用该信息，声偶极子部件420可以相应地调整对反相信号施加的增益。在一些实施例中，可以在图4中表示的处理链中的任何点处应用该增益，并且不仅通过声偶极子部件420。备选地，不施加增益。声偶极子部件420所施加的增益基于所选的扬声器宽度是固定的。然而，在另一实施例中，反相信号路径增益依赖于在左音频输入或右音频输入402、404中编码的元数据，并且可以用于提高对输入402、404的方向性的感测。对左反相输入使用增益可能创建较强的左声偶极子，例如，在左信号中创建比右信号更大的分离，或反之亦然。
声偶极子部件420向耳间强度差(IID)部件430提供经处理的左声道信号和右声道信号。IID部件430可以在两个声道或扬声器之间创建耳间强度差。在一个实现方式中，IID部件430对左声道和右声道之一或二者施加上述增益，而不是由声偶极子部件420执行该增益。IID部件430可以基于在左输入和右输入402、404中编码的声音位置信息来动态地改变这些增益。每个声道中的增益差可以引起用户耳朵之间的IID，使得感觉上一个声道中的声音比另一个声道中的声音更接近收听者。在一些实施例中，IID部件430施加的任何增益也可以补偿对每个声道施加的个体反HRTF中的差异的缺乏。如以下更详细描述的，可以对每个声道应用反HRTF，并且可以应用IID和/或ITD，以产生或增强声道之间的分离感。除了或代替每个声道中的增益，IID部件430可以包括一个或两个声道中的反HRTF0此外，可以选择反HRTF，以减小串扰(以下描述的)。可以向反HRTF分配不同增益，所述增益可以是固定的以增强立体声效果。备选地，如下所述，这些增益可以基于扬声器配置而变化。在一个实施例中，IID部件430可以访问针对每个声道的若干反HRTF之一，IID部件430动态地选择反HRTF来产生期望的方向性。ITD部件、声偶极子部件420和IID部件430可以一起影响声源位置的感知。IID部件也可以使用以上合并的’477专利中描述的IID技术。此外，可以如’ 477专利中所描述的使用简化反HRTF。在特定实施例中，立体声加宽系统400所创建的ITD、声偶极子和/或IID可以补偿不具有零值传递函数的串扰路径(参见图1)。因此，在特定示例中，可以利用比现有串扰消除算法所使用的计算资源更少的计算资源的提供声道分离。然而，应当注意，可以省略所示的一个或多个部件，而同时仍提供某种程度的立体声分离。还示出了可选增强部件440。一个或多个增强部件440可以具备立体声加宽系统400。一般而言，增强分量440可以调整左声道信号和右声道信号的一些特性，以增强这些信号的音频回放。在所描述的实施例中，可选增强部件440接收左声道信号和右声道信号，并且产生左输出信号和右输出信号452、454。可以向左扬声器和右扬声器或用于进一步处理的其他模块馈送左输出信号和右输出信号452、454。增强部件440可以包括用于在频谱上操控音频信号的特征，以改善小扬声器上的回放，以下关于图4描述其一些实施例。更一般地，增强部件440可以包括但不限于SRSLabs, Inc.0f Santa Ana, California的以下美国专利和专利公开中任一个描述的任何音频增强:5, 319，713,5, 333，201,5, 459，813,5, 638，452,5, 912，976,6, 597，791,7, 031，474、7，555，130,7,764，802,7,720，240、2007/0061026、2009/0161883、2011/0038490、2011/0040395，和2011/0066428，上述中的每一个全部内容通过引用合并于此。此外，增强部件440可以插在输入402、404和输出452、454之间所示的信号路径中的任何点处。可以连同用户界面一起在设备上提供立体声加宽系统400，用户界面提供针对用户的功能，以控制系统400的方面。用户可以是设备的制造商或零售商，或者可以是设备的终端用户。控制可以是滑动条等形式，或者可选地可以是可调整的值，使得用户能够(间接或直接)总体上控制立体声加宽效果，或者单独控制立体声加宽效果的方面。例如，滑动条可以用于总体上选择较宽或较窄立体声效果。在另一示例中可以提供更多个滑动条，以允许调整立体声加宽系统的各个单独特性，例如，ITD、针对一个或两个偶极子的反相信号路径增益、或IID，以及其他特征。在一个实施例中，这里描述的立体声加宽系统可以在移动电话在提供左声道与右声道之间高达大约4-6英尺(大约1.2-1.8m)或更大的分离。尽管主要用于立体声，但是立体声加宽系统400的特征也可以在具有多于两个扬声器的系统中实现。例如，在环绕声系统中，声偶极子功能可以用于在左后和右后环绕声输入中创建一个或多个偶极子。也可以在前输入和后输入之间，或者在前输入和中心输入之间，以及许多其他可能配置之中创建偶极子。环绕声设置中使用的声偶极子技术可以提高声场中的宽度感。图5示出了图4的立体声加宽系统400的更详细实施例，即立体声加宽系统500。立体声加宽系统500表示立体声加宽系统400的一个示例实现方式，但是可以实现立体声加宽系统400的任一特征。所示的系统500示出可以由一个或多个处理器(例如，DSP处理器)等(包括基于FPGA的处理器)实现的算法流。系统500还可以表示使用模拟和/或数字电路实现的部件。立体声加宽系统500接收左音频输入和右音频输入52、504，并且产生左音频输出552和右音频输出554。为了便于描述，从左音频输入502到左音频输出552的直接信号路径在这里被称作左声道，从右音频输入504到右音频输出554的直接信号路径在这里被称作右声道。分别向延迟块510提供输入502、504中的每一个。延迟块510表示ITD部件410的示例实现方式。如上所述，延迟510在一些实施例中可以不同，以创建声场的加宽感或方向性。延迟块的输出被输入组合器512。组合器512 (通过负号)使延迟的输入反相，并且将反相延迟输入与每个声道中的左输入和右输入502、504相组合。因此,组合器512用于创建每个声道中的声偶极子。因此，组合器512是声偶极子部件420的示例实现方式。例如，左声道中组合器512的输出可以是L-Rd6lay6d，而右声道中组合器512的输出可以是L-Rd6lay6d。应当注意，实现声偶极子部件420的另一方式是在延迟块510和组合器512之间(或者在延迟块510之前)提供反相器，并且将组合器512变为加法器(而不是减法器)。向反HRTF块520提供组合器512的输出。这些反HRTF块520是上述IID部件430的示例实现方式。以下更详细地描述反HRTF520的示例实现方式的有利特性。反HRTF520各自向组合器522输出经滤波的信号，在所示实施例中，组合器522还从可选增强部件518接收输入。该增强部件518采用左信号502或右信号504 (根据声道)作为输入，并且产生增强的输出。以下描述该增强的输出。组合器522各自向另一可选增强部件530输出组合的信号。在所示实施例中，增强部件530包括高通滤波器532和限幅器534。高通滤波器532可以用于诸如移动电话等一些设备，所述设备具有低音频率再现能力有限的非常小的扬声器。该高通滤波器532可以减小反HRTF 520或其他处理所引起的低频范围的任何提升，从而降低了小扬声器的低频失真。然而，这种低频内容的减少可能引起低频内容和高频内容的不平衡，导致声音质量的音色变化。因此，以上所指的增强部件518可以包括低通滤波器，以至少将原始输入502、504的低频部分与反HRTF 520的输出相混合。向硬限幅器534提供高通滤波器532的输出。硬限幅器534可以对信号施加至少一些增益，而同时还降低对信号的限幅。更一般地，在一些实施例中，硬限幅器534可以强调低频增益，而同时降低高频的限幅或信号饱和。因此，硬限幅器534可以用于帮助创建实质上平坦的频率响应，该频率响应不会实质上改变声音的音色(参见图1)。在一个实施例中，硬限幅器534提升实验确定的阈值以下的较低频率增益，而同时对阈值以上的较高频率施加较小增益或不施加增益。在其他实施例中，硬限幅器534对较低频率施加的增益量大于对较高频率施加的增益。更一般地，可以使用任何动态范围压缩器来代替硬限幅器534。硬限幅器534是可选的，并且在一些实施例中可以省略。任一个增强部件518可以被省略、用其他增强特征来代替、或者与其他增强特征
相组合。II1.示例反HRTF特征现在更详细地描述示例反HRTF520的特性。如所见，可以设计反HRTF 520以进一步有助于去除串扰路径滤波器110(图1)。因此，在特定实施例中，反HRTF、声偶极子和ITD部件的特性的任何组合可以有助于去除对计算量大的串扰路径滤波器110的使用。图6示出了示例头部相关传递函数(HRTF)612、614的时域曲线图600，示例头部相关传递函数(HRTF) 612、614可以用于设计在立体声加宽系统400或500中使用的改进反HRTF0每个HRTF 612、614表示针对收听者耳朵的仿真听觉响应函数。例如，HRTF 612能够针对右耳，并且HRTF 614应当针对左耳，反之亦然。尽管时间对准，但是HRTF 612、614可以彼此延迟，以在一些实施例中创建ITD。典型地，相隔I米测量HRTF。可以购买到这样的HRTF的数据库。然而，用户一般将移动设备握持在距收听者头部25-50cm范围内。为了产生更精确地反映该收听范围的HRTF，在特定实施例中，可以从数据库中选择(或者在Im范围处产生)可购买到的HRTF。然后可以将所选HRTF的幅度按比例减小所选量，例如，减小大约3dB，或者大约2-6dB，或者大约l_12dB，或者一些其他值。然而，在给定手持机到用户耳朵的典型距离大约是针对典型HRTF测量的Im距离的一半(50cm)的情况下，3dB差异在一些实施例中可以提供良好结果。然而，其他范围也可以提供至少一些或全部期望效果。在所示示例中，通过将HRTF 614按比例缩小3dB(或一些其他值)在左声道和右声道之间创建IID。因此，HRTF 614的幅度小于HRTF 612。图7示出了图6的示例HRTF 612、614的频率响应曲线图700。在曲线图700中，分别示出了 HRTF612、614的频率响应712、714。所示的示例频率响应712、714可以引起感知到声源位于25-50cm距离范围处的右方5度。然而，可以调整这些频率响应以创建对来自不同位置的声源的感知。图8示出了通过使图7的HRTF频率响应712、714反相而获得的反HRTF 812,814的频率响应曲线图800。在实施例中，反HRTF 812、814是加性逆元素。反HRTF 812、814对于串扰减小或消除是有用的，这是因为非反HRTF可以表示从扬声器到耳朵的实际传递函数，并且因此该函数的反函数可以用于消除或减小串扰。所示的示例反HRTF 812、814的频率响应尤其在较高频率中是不同的。这些差异通常在串扰消除算法中采用。例如，HRTF 812可以用作图1的直接路径滤波器112，而HRTF 814可以用作串扰路径滤波器110。这些滤波器有利地可以适用于创建直接路径滤波器112，避免或减少使用串扰路径滤波器110来加宽立体声像的需要。图9示出了通过操控图8的反HRTF 812、814而获得的反HRTF 912、914的频率响应曲线图900。通过以实验方式调整反HRTF 812、814的参数并且通过测试若干不同移动设备上的反HRTF并且利用盲收听测试来获得这些反HRTF 912、914。发现在一些实施例中，衰减较低频率可以提供良好的立体声加宽效果，而不会实质上改变声音的音色。备选地，较高频率的衰减也是可能的。利用所示反滤波器912、914进行低频衰减，这是因为反滤波器是扬声器和收听者耳朵之间的示例串扰HRTF的乘性逆元素(对于不同对反HRTF的低频衰减，例如参见图7)。因此，尽管反滤波器912、914强调了所示频率响应曲线图900中的低频，但是不强调串扰的实际低频。如所见，反HRTF 912、914的频率特征相似。在一个实施例中出现该相似性，因为手持设备或其他小设备中的扬声器之间的距离可以相对较小，引起相似反HRTF减小来自每个扬声器的串扰。有利地，因为该相似性，可以从图1中所示的串扰处理中去除反HRTF912、914之一。因此，如图10所示，例如，可以在立体声加宽系统400、500中使用单个反HRTF 1012(可以将所示的反HRTF 1012缩放到任何期望增益级)。具体地，可以从处理中去除串扰路径滤波器110。利用四个滤波器110、112的在前计算可以包括总共4个FFT(快速傅立叶变换)卷积和4个IFFT (反FFT)卷积。通过去除串扰路径滤波器110，可以使FFT/IFFT计算减半，而无需牺牲太多音频性能。取而代之在时域中执行反HRTF滤波。如上所述，IID部件430可以对每个声道中的反HRTF施加不同增益(或者对一个声道施加增益，但是不对另一声道施加增益)，从而补偿对每个声道施加的反HRTF的相似性或相同性。施加增益的处理强度远小于在每个声道中施加第二反HRTF。如这里所使用的，除了具有其普遍通意义以外，术语“增益”在一些实施例中还可以表示衰减。反HRTF 1012的频率特性包括频带中的在大约700至900Hz处开始并且在大约3kHz和4kHz之间处到达波谷的衰减响应。从大约4kHz到大约9kHz和大约IOkHz之间，频率响应的幅度通常增大。在大约9kHz到IOkHz之间处开始并且继续到至少大约IlkHz的范围中，反HRTF 1012具有更大振荡响应，其中两个主峰在IOkHz到IlkHz范围中。尽管未示出，但是反HRTF 1012还可以具有IlkHz以上的频谱特性，包括一直达到大约20kHz的可听频谱的末端。此外，所示的反HRTF 1012对于大约700至900Hz以下的较低频率没有效果。然而，在备选实施例中，反HRTF 1012在这些频率中有响应。优选地，这样的响应是低频处的衰减效果。然而，中性(平坦)或强调效果在一些实施例中也可以是有利的。图11不出了专用于一个不例扬声器配置的立体声加宽系统500的实施例的不例扫频曲线图1100。为了产生曲线图1100，将log扫频1210馈送到立体声加宽系统500的左声道中，而同时右声道不发声。系统500生成的输出包括左输出1220和右输出1222。这些输出中的每一个在从20Hz到20kHz的多数或所有可听频谱上具有实质上平坦的频率响应。这些实质上平坦的频率响应指示不管上述处理如何，声音的音色实质上未变。在一个实施例中，反HRTF 1012和/或硬限幅器534的形状有助于该实质上平坦响应减小声音的音色变化，并且降低来自小扬声器的低频失真。具体地，硬限幅器534可以提升低频，以改善频率响应的平坦度，而无需高频限幅。硬限幅器534在特定实施例中提升低频，以补偿反HRTF 1012所引起的音色变化。在一些实施例中，构造反HRTF以衰减高频而不是低频。在这样的实施例中，硬限幅器534可以强调较高频率，而同时限制或不强调较低频率，以产生实质上平坦的频率响应。IV.附加实施例应当注意，在一些实施例中，可以从诸如计算机可读介质(例如，DVD、蓝光盘、硬盘驱动器等)等数字文件中读取左音频信号和右音频信号。在另一实施例中，左音频信号和右音频信号可以是通过网络接收到的音频流。可以利用圆形环绕编码信息来编码左音频信号和右音频信号，使得解码左音频信号和右音频信号可以产生多于两个输出信号。在另一实施例中，首先从单声道信号合成左信号和右信号。许多其他配置是可能的。此外，在一些实施例中，立体声加宽系统400、500可以使用图8的任一反HRTF来代替图9和10中示出的经修改的反HRTF。V.术语除了这里描述以外的许多其他变型根据本公开应是显而易见的。例如，根据实施例，这里描述的任一算法的特定动作、事件或函数可以按照不同顺序执行，可以添加、合并或全部省去(例如，对于算法的实践不是所有描述的动作或事件都是必要的)。此外，在特定实施例中，可以并发地执行动作或事件，例如，通过多线程处理，中断处理、或多个处理器或处理器核或者在其他并行架构上，而不是顺序地执行动作或事件。此外，可以通过可以一起操作的不同机器和/或计算系统来执行不同任务或处理。结合这里公开的实施例描述的各种示意逻辑块、模块和算法步骤可以实现为电子硬件、计算机软件或二者的组合。为了清楚地示意硬件和软件的这种互换性，各种示意性部件、块、模块和步骤已经在其功能方面总体上进行了描述。这样的功能实现为硬件还是软件取决于特定应用，以及对总体系统施加的设计约束。对于每个特定应用可以按照改变的方式实现描述的功能，但是这样的实现方式决定不应解释为引起与公开范围的背离。结合这里公开的实施例描述的各种示意性逻辑块和模块可以由机器来实现或执行，例如，通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑电路、分立硬件部件或设计为执行这里描述的功能的上述任何组合。通用处理器可以是微处理器，但是在备选方案中，处理器可以是控制器、微控制器、或状态机，它们的组合等。处理器也可以实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核结合的一个或更多微处理器，或者任何其他这样的配置。尽管这里主要关于数字技术描述，但是处理器也可以主要包括模拟部件。例如，这里描述的任一信号处理算法可以在模拟电路中实现。计算环境可以包括任何类型的计算机系统，包括但不限于基于微处理器的计算机系统、主机计算机、数字信号处理器、便携式计算设备、个人组织器、设备控制器和仪器内的计算引擎，仅举几个例子。结合这里公开实施例描述的方法、处理或算法的步骤可以直接用硬件、由处理器执行的软件模块或二者的组合来实现。软件模块可以驻留在RAM存储器、闪速存储器、ROM存储器、EPPOM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可拆卸盘、CD-ROM或任何其他形式的非暂时计算机可读存储介质、媒介或本领域已知的物理计算机存储装置中。示例性存储介质可以耦合至处理器，使得处理器可以从存储介质读取信息和向存储介质写入信息。在备选方案中，存储介质可以集成到处理器。处理器和存储介质可以驻留在ASIC中。ASIC可以驻留在用户终端中，在备选方案中，处理器和存储介质可以作为用户终端中的分立部件驻
&3甶o这里使用的条件语言(例如，“能够”、“可能”、“可以”、“例如”等)除非另外具体陈述或者在所使用的上下文内另外理解，总体上意在传达特定实施例包括而其他实施例不包括特定特征、元件和/或状态。因此这样的条件语言总体上不应暗示该特征、元件和/或状态对于一个或多个实施例无论如何是必要的，或者一个或多个实施例必须包括用于判定的逻辑电路，具有或不具有作者输入或提示，无论是否在任何特定实施例中包括或要执行这些特征、元件和/或状态。术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义的，并且以开放方式包含地使用，并且不排除附加元件、特征、动作、操作等。术语“或”在其包括意义中使用(并且不在其排他意义中使用)，使得例如当使用其连接元件的列表时，术语“或”意味着列表中的一个、一些或所有兀件。尽管上述描述已经示出、描述、并且指出应用于各个实施例的新颖特征，但是应当理解在不背离本公开的精神的前提下可以进行所示意的设备或算法的形式和细节上的各种省略、替换和改变。如应认识到，这里描述的本发明的特定实施例可以在不提供这里提出的所有特征和优点的形式内实现，这是因为一些特征可以彼此分离地使用或实践。
权利要求
1.一种用于虚拟加宽通过扬声器对播放的立体声音频信号的方法，该方法包括: 接收立体声音频信号，立体声音频信号包括左音频信号和右音频信号； 向左声道提供左音频信号并且向右声道提供右音频信号； 在不采用任何计算密集型的头部相关传递函数(HRTF)来尝试完全消除串扰的情况下，采用声偶极子原理来减轻扬声器对与收听者两侧耳朵之间的串扰的影响，包括通过一个或多个处理器: 至少通过(a)使左音频信号反相来产生反相的左音频信号并且(b)将反相的左音频信号与右音频信号相组合来近似第一声偶极子，并且 至少通过(a)使右音频信号反相来产生反相的右音频信号并且(b)将反相的右音频信号与左音频信号相组合来近似第二声偶极子； 对第一声偶极子应用单个第一反HRTF，以产生左滤波信号，在左声道的第一直接路径而不是从左声道到右声道的第一串扰路径中应用第一反HRTF ； 对第二声偶极子应用单个第二反HRTF函数，以产生右滤波信号，在右声道的第二直接路径而不是从右声道到左声道的第二串扰路径中应用第二反HRTF，其中第一和第二反HRTF提供左滤波信号和右滤波信号之间的耳间强度差(IID);并且 提供左滤波信号和右滤波信号以在扬声器对上回放，从而提供配置为被收听者感知为比左扬声器和右扬声器之间的实际距离宽的立体声像。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述近似第一声偶极子还包括对左音频信号应用第一延迟，并且所述近似第二声偶极子还包括对右音频信号应用第二延迟，选择第一和第二延迟以提供耳间时延(ITD)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括: 增强左音频信号以产生增强的左音频信号； 将增强的左音频信号与左滤波信号相组合，以产生增强的左滤波音频信号； 增加右音频信号以产生增强的右音频信号；并且 将增强的右音频信号与右滤波信号相组合，以产生增强的右滤波音频信号。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括:在执行所述提供之前增强左滤波信号和右滤波信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述增强包括: 对左滤波信号进行高通滤波，以产生第二左滤波信号，从而降低左滤波信号的低频失真；并且 对右滤波信号进行高通滤波，以产生第二右滤波信号，从而降低右滤波信号的低频失真。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，所述增强还包括:执行左音频信号和右音频信号之一或二者的动态范围压缩，以相比于较高频率更多地提升较低频率，从而避免对较高频率产生限幅。
7.根据权利 要求6所述的方法，其中，所述执行动态范围压缩包括:对左滤波信号和右滤波信号之一或二者应用限幅器。
8.一种用于虚拟加宽通过扬声器对播放的立体声音频信号的系统，该系统包括: 声偶极子部件，配置为:接收左音频信号和右音频信号， 至少通过(a)使左音频信号反相来产生反相的左音频信号并且(b)将反相的左音频信号与右音频信号相组合来近似第一声偶极子，并且 至少通过(a)使右音频信号反相来产生反相的右音频信号并且(b)将反相的右音频信号与左音频信号相组合来近似第二声偶极子；以及耳间强度差(IID)部件，配置为: 对第一声偶极子应用单个第一听觉响应函数，以产生左滤波信号；并且 对第二声偶极子应用单个第二听觉响应函数，以产生右滤波信号； 其中，该系统配置为提供左滤波信号和右滤波信号以由左扬声器和右扬声器回放，从而提供配置为被收听者感知为比左扬声器和右扬声器之间的实际距离宽的立体声像； 其中，声偶极子部件和IID部件配置为由一个或多个处理器来实现。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述提供包括:向至少一个增强部件提供左滤波信号和右滤波信号，所述至少一个增强部件配置为增强左滤波信号和右滤波信号，以提供增强的左信号和右信号，并且向左扬声器和右扬声器中的相应扬声器提供增强的左信号和右信号。
10.根据权利要求8或9所述的系统，其中，第一和第二反HRTF具有实质上相同的频谱特征。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，第一和第二反HRTF仅在增益上不同。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，增益上的不同提供左扬声器和右扬声器之间的耳间强度差。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的系统，其中，声偶极子部件还配置为对左音频信号和右音频信号之一或二者施加增益。
14.根据权利要求8至12中任一项所述的系统，其中，声偶极子部件和IID部件配置为提供立体声分离，而不完全消除左右扬声器之间的串扰。
15.一种非暂时物理电子存储装置，包括其上存储的处理器可执行指令，当由一个或多个处理器执行时实现用于虚拟加宽通过扬声器对播放的立体声音频信号的部件，所述部件包括: 声偶极子部件，配置为: 接收左音频信号和右音频信号， 至少通过(a)使左音频信号反相来产生反相的左音频信号并且(b)将反相的左音频信号与右音频信号相组合来形成第一仿真声偶极子，并且 至少通过(a)使右音频信号反相来产生反相的右音频信号并且(b)将反相的右音频信号与左音频信号相组合来形成第二仿真声偶极子；以及耳间强度差(IID)部件，配置为: 对第一仿真声偶极子应用单个第一反头部相关传递函数(HRTF)，以产生左滤波信号；并且 对第二仿真声偶极子应用单个第二反HRTF，以产生右滤波信号。
16. 根据权利要求15所述的非暂时物理电子存储装置，其中，第一和第二反HRTF是相同的反HRTF。
17.根据权利要求15或16所述的非暂时物理电子存储装置，其中，第一和第二反HRTF是从相同反HRTF中导出的。
18.根据权利要求18所述的非暂时物理电子存储装置，其中，IID部件配置为对第一反HRTF和第二反HRTF分配不同增益，从而创建耳间强度差。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的非暂时物理电子存储装置，与一个或多个物理处理器相 结合。
全文摘要
这里描述了一种立体声加宽系统和关联的信号处理算法，在若干实施例中利用比现有串扰消除系统少的处理资源来加宽立体声像。这些系统和算法有利地可以在手持设备或具有紧凑布置的扬声器的其他设备中实现，从而以较低计算成本改善了利用这种设备产生的立体声效果。然而，这里描述的系统和算法不限于手持设备，而是可以更一般地在具有多个扬声器的任何设备中实现。
文档编号H04R5/00GK103181191SQ201180050566
公开日2013年6月26日 申请日期2011年10月20日 优先权日2010年10月20日
发明者王文 申请人:Dts有限责任公司