建立最佳化扬声器声场的方法
【专利摘要】本发明是有关于一种建立最佳化扬声器声场的方法，是以第一封闭几何形状包围人头区域的表面，于第一封闭几何形状外以至少一对应其几何形状的第二封闭几何形状包围，再于第一、二封闭几何形状上分别产生对应的多个参考点，接着使用第二封闭几何形状上的参考点的信号强度，以及第一、二封闭几何形状上相对应参考点的梯度分别建构虚拟与真实扬声器到声场内任一点的转移函数，根据所述转移函数分别产生虚拟与真实声场，并于一边界条件下求解虚拟声场与真实声场其误差的最小化，以得到真实扬声器的最佳信号。通过本发明的方法，无论是头部轻微转动或是身体方向改变，甚至于稍许的移动，只要头仍在倾听范围内，倾听者感受到虚拟扬声器的方向并不会改变。
【专利说明】建立最佳化扬声器声场的方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明有关于一种建立最佳化扬声器声场的方法,尤其是指一种在所想要的声场外围建立参考点，用以取得声场边界的声音信号以及其梯度，并以最佳化方法计算各扬声器的输出信号来产生所需要的声场，以达到聆听者头部既使轻微转动或是身体方向改变，依然可具有最佳聆听声音的功效者。
【背景技术】
[0002]按，传统的立体声研究始于blumlein,而随着时间的演进，已发展出通过多组扬声器建立一个完整多层面的环境，例如杜比数位或数位剧院系统(digitaltheatersystem, DTS)环绕技术以追求虚拟实境系统和要求更好的听觉环境；一般而言，立体声信号可以被解译成多声道音讯，聆听者通过多个扬声器感受该多声道音讯时，即可获得身历其境的真实听觉，而目前剧院或电影院等大型场所通常包含多个大型扬声器遍布于该电影(剧)院大厅周围，使得大厅座位上的听众能感受到空间立体音效，此通过于边界放置多个扬声器产生所需声场的技术称之声波声场合成(wave field synthesis, WFS)。
[0003]此外，由于科技的进步以及生活水准的提升，人们对于同时具有显示与音效功能的电子装置(例如电视机等)，已经不单单要求其所显示出的影像品质，也开始要求各电子装置所表现出声场效果的品质；然，将多个大型扬声器排列成一宽广扬声器布局的形式，不仅所费不赀，且对于一般人家中客厅或房间等较为窄小的区域更因常碰到环境条件无法符合扬声器阵列所限定的摆设要求而无法实施；于是，1992年杜比研究室发展出数位式的编码方式，也就是于一般家庭中常见到的5.1声道杜比环绕音响；该5.1声道杜比环绕音响是包含左声道喇叭、右声道喇叭、左后声道喇叭、右后声道喇叭、正前声道喇叭，以及重低音喇叭；其中该左声道、右声道、左后声道、右后声道、正前声道喇叭具有方向性，故可形成一环绕声场，当使用者处于环绕声场中时，即可享受5.1多声道环绕喇叭所输出的震撼及立体环绕声音，犹如身处于电影(剧)院般可感受到身历其境的听觉感受；而上述5.1声道杜比环绕音响为了拥有一个较佳的声场，对于多通的扬声器摆放位置皆具有要求特殊的最佳角度范围；然，如此却产生一个问题:当环境限制造成扬声器最佳摆放位置要求无法达成，例如像是车子的小空间或是房间的格局限制而导致扬声器无法放置时，聆听者即无法拥有一个最佳的听觉感受声场。
[0004]因此，利用小型扬声器阵列单元重现空间最佳立体音效的技术油然而生；其原理是因人类能够定位(localize)声音到左边或右边是根据每只耳朵所辨识到的到达时间与声音等级差异性；而一种头部相关转换函数(head relatedtransfer function, HRTF)即是利用固定的扬声器位置来模拟位置与虚拟立体声音，通过调整头部相关转换函数的声音信号频率与延迟，立体的声音可以从固定的扬声器位置中模拟出；而习知的头部相关转换函数描述加诸于一聆听者对任何声音事件的双耳响应的时间及振幅差异，该等差异是归因于聆听者的头部及外耳壳(pinnae)结构，且被双耳用以检测声音来自何处，此通过双耳时间差及强度差，辅以回响及合声产生听觉上的感知称之双工原理(duplex theory)技术，请参阅图4所示，为双工原理于聆听者两耳建立声场的示意图；然，此技术有两大缺点:(a)由于双工原理假设人头是一颗圆球，其对称性导致前方和后方定位的感觉是相同的，造成聆听者无法分辨前后方的差别；以及(b)双工原理系将最佳声场合成于聆听者的双耳，然头部系拥有高自由度，导致当聆听者头部轻微转动或是身体方向改变时，双耳即离开了原有的最佳声场范围，而影响听觉的感受效果，甚至导致聆听者在听觉上产生不适的感受。
【发明内容】
[0005]今，发明人即是鉴于上述现有重建声场的方法在实际实施上仍具有多处的缺失，于是乃一本孜孜不倦的精神，并通过其丰富的专业知识及多年的实务经验所辅佐，而加以改善，并据此研创出本发明。
[0006]本发明主要目的为提供一种在所想要的声场外围建立参考点，用以取得声场边界的声音信号以及其梯度，并以最佳化方法计算各扬声器的输出信号来产生所需要的声场，以达到聆听者头部既使轻微转动或是身体方向改变，依然可具有最佳聆听声音的功效者。
[0007]为了达到上述实施目的，本发明人提出一种建立最佳化扬声器声场的方法，至少包括下列步骤:首先，以一第一封闭几何形状(例如:三角形、四角形、圆形以及椭圆形等)包围人头区域的表面；之后，于人头外以至少一第二封闭几何形状包围第一封闭几何形状，且第一封闭几何形状与第二封闭几何形状系呈对应的几何形状；接着，于第一封闭几何形状与第二封闭几何形状上分别产生多个参考点，且第一封闭几何形状的参考点是对应第二封闭几何形状的参考点；然后，使用第二封闭几何形状上的参考点的信号强度，以及第一、二封闭几何形状上相对应参考点的梯度分别建构虚拟扬声器和真实扬声器到声场内任一点的转移函数；接续，根据虚拟扬声器的转移函数与真实扬声器的转移函数分别产生虚拟声场与真实声场；最后，于一边界条件下求解虚拟声场与真实声场其误差的最小化，以得到真实扬声器的最佳信号。
[0008]优选的，其中求解真实扬声器的最佳信号方式包括一伪逆矩阵求解方式。
[0009]优选的，其中边界条件为真实扬声器到声场内任一点的转移函数与真实扬声器声源信号的折积等同于真实声场。
[0010]优选的，其中真实扬声器的数目系小于参考点的数量。
[0011]优选的，其中参考点的间距为相同。
[0012]优选的，其中第一、二封闭几何形状为半径不同的同心圆。
[0013]藉此，于聆听者头部附近的小范围合成出虚拟扬声器并呈现正确的虚拟扬声器方向，无论是头部轻微转动或是身体方向改变，甚至于稍许的移动，只要头仍在倾听范围内，倾听者感受到虚拟扬声器的方向并不会改变。
[0014]此外，本发明无须于边界放置多个大型扬声器以产生所需声场，不仅解决一般家中环境无法符合扬声器阵列所限定的摆设要求，且可省下一大笔添购扬声器的费用，藉此提高消费者使用的接受度及使用率，以达到可普遍实施的目的。
【专利附图】
【附图说明】[0015]图1是本发明较佳实施例的方法步骤流程图；[0016]图2是本发明较佳实施例于聆听者头部周围声场的参考点取点示意图；
[0017]图3是本发明较佳实施例针对聆听者双耳转动时与现有双工原理的误差比较结果示意图；
[0018]图4是现有双工原理于聆听者两耳建立声场的示意图。
[0019]附图标号:
[0020]I第一封闭几何形状2第二封闭几何形状
[0021]SI步骤一S2步骤二
[0022]S3步骤三S4步骤四
[0023]S5步骤五S6步骤六
[0024]P参考点。
【具体实施方式】
[0025]本发明的目的及其结构功能上的优点，将依据以下图面所示的结构，配合具体实施例予以说明，俾使审查委员能对本发明有更深入且具体的了解。
[0026]首先，请参照图1所示，为本发明的建立最佳化扬声器声场的方法其较佳实施例的步骤流程图，是主要包括有如下步骤:
[0027]步骤一 S1:以一第一封闭几何形状I包围人头区域的表面；其中，第一封闭几何形状I可为三角形、四角形、圆形以及椭圆形等，于本实施例中，为一包围人头区域的圆形，请一并参阅图2所示；
[0028]步骤二 S2:于人头外以至少一第二封闭几何形状2包围第一封闭几何形状1，且第一封闭几何形状I与第二封闭几何形状2呈对应的几何形状；于本实施例中，第一、二封闭几何形状1、2为半径不同的同心圆；
[0029]步骤三S3:于第一封闭几何形状I与第二封闭几何形状2上分别产生多个参考点P，且第一封闭几何形状I的参考点P是对应第二封闭几何形状2的参考点P;
[0030]步骤四(S4):使用第二封闭几何形状2上的参考点P的信号强度，以及第一、二封闭几何形状1、2上相对应参考点P的梯度分别建构虚拟扬声器和真实扬声器到声场内任一点的转移函数；
[0031]步骤五S5:根据虚拟扬声器的转移函数与真实扬声器的转移函数分别产生虚拟声场与真实声场；以及
[0032]步骤六S6:于一边界条件下求解虚拟声场与真实声场其误差的最小化，以得到真实扬声器的最佳信号。
[0033]再者，本发明建立最佳化扬声器声场的方法其真实扬声器的数目是小于参考点P的数量；且通过下述的具体实施例，可进一步证明本发明的步骤流程可实际应用的范围，但不意欲以任何形式限制本发明的范围:
[0034]由于包覆人头区域表面的声音信号以及其梯度可以表示人听到的声音，因此于本实施例中一共取了三圈(一个第一封闭几何形状1，以及二个第二封闭几何形状2)，并利用有限差分近似(finite-difference approximations)计算出中间那一圈的梯度，再者，由于可以离散化，所以取了人头附近的几个参考点P来做近似；其中，第一封闭几何形状I的半径可介于6~8.5公分，且二个第二封闭几何形状2的半径可分别介于9.5^13公分与11.5^18公分之间，而参考点P之的数量可为12~36个；而于本具体实施例是以一半径7.5公分的第一封闭几何形状I包围人头区域，而于第一封闭几何形状I外再以一半径为12.5公分的第二封闭几何形状2包围，且上述第二封闭几何形状2外可以一半径为
17.5公分的第二封闭几何形状2包围，且于第一封闭几何形状I以及二个第二封闭几何形状2分别各取24个参考点P，且每个参考点P间距是相同，为间隔15度；值得注意的，吾人应了解上述第一、二封闭几何形状1、2的半径以及参考点P的数量仅为一较佳实施例，而非以本例所举为限，且熟此技艺者当知道本发明的第一、二封闭几何形状1、2半径以及参考点P数量可与上述较佳实施例不同，而并不会影响本发明的实施。
[0035]接着，我们以下述数学方程式表示本发明建立最佳化扬声器声场的整个过程；假设将虚拟声场SFv的声源信号表不成V、虚拟扬声器到声场内任意点的转移函数则表不成G，真实声场SF1^的声源信号为O、真实扬声器到声场内任意点的转移函数为H, M是虚拟扬声器的个数、N是真实扬声器的个数、L是参考点P的个数；因此，虚拟声场和真实声场可分别表示成SFv=VG以及SFr = ΟΗ，这里的向量V e Rixs^P 0 e Rixn代表虚拟和真实扬声器输入信号，而矩阵G e rmm和H e RN>^代表虚拟和真实扬声器到声场内任意点的转移函数，由于无音源声场中的声音信号可完全由边界的信号及其梯度来决定，因此本实施例使用中间那一圈参考点P的信号强度和梯度组成虚拟和真实扬声器到声场内任意点的转移函数，V、
O、G、H的函数则表示如下:
【权利要求】
1.一种建立最佳化扬声器声场的方法，其特征是，所述建立最佳化扬声器声场的方法包括下列步骤: 步骤一:以一第一封闭几何形状包围人头区域的表面； 步骤二:于人头外以至少一第二封闭几何形状包围所述第一封闭几何形状，且所述第一封闭几何形状与所述第二封闭几何形状是呈对应的几何形状； 步骤三:于所述第一封闭几何形状与所述第二封闭几何形状上分别产生多个参考点，且所述第一封闭几何形状的参考点是对应所述第二封闭几何形状的参考点； 步骤四:使用所述第二封闭几何形状上的参考点的信号强度，以及所述第一、二封闭几何形状上相对应参考点的梯度分别建构虚拟扬声器和真实扬声器到声场内任一点的转移函数； 步骤五:根据所述虚拟扬声器的转移函数与所述真实扬声器的转移函数分别产生虚拟声场与真实声场；以及 步骤六:于一边界条件下求解所述虚拟声场与所述真实声场其误差的最小化，以得到真实扬声器的最佳信号。
2.如权利要求1所述的建立最佳化扬声器声场的方法，其特征是，所述步骤六的求解方式包括一伪逆矩阵求解方式。
3.如权利要求1所述的建立最佳化扬声器声场的方法，其特征是，所述边界条件为真实扬声器到声场内任一点的转移函数与真实扬声器声源信号的折积等同于真实声场。
4.如权利要求1所述的建立最 佳化扬声器声场的方法，其特征是，所述真实扬声器的数目是小于所述参考点的数量。
5.如权利要求1所述的建立最佳化扬声器声场的方法，其特征是，所述第一、二封闭几何形状是选自三角形、四角形、圆形以及椭圆形所构成的群组。
6.如权利要求5所述的建立最佳化扬声器声场的方法，其特征是,所述第一、二封闭几何形状为半径不同的同心圆。
7.如权利要求6所述的建立最佳化扬声器声场的方法，其特征是，所述第二封闭几何形状的数量是二个，其半径分别为9.5^13公分与11.5^18公分，而所述第一封闭几何形状的半径为6~8.5公分。
8.如权利要求1所述的建立最佳化扬声器声场的方法，其特征是，所述参考点之间距为相同。
9.如权利要求8所述的建立最佳化扬声器声场的方法，其特征是，于所述参考点为12~36个，每个参考点间隔10-15度。
【文档编号】H04R1/20GK103546838SQ201210449307
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年11月12日 优先权日:2012年7月11日
【发明者】王大中 申请人:王大中