使用支持扬声器的可变集合的音频预补偿控制器设计的制作方法

使用支持扬声器的可变集合的音频预补偿控制器设计的制作方法
【专利摘要】基本思路是为相关联的声音生成系统确定音频预补偿控制器，该相关联的声音生成系统包括总共N≥2个扬声器，每一个都具有扬声器输入。所述音频预补偿控制器具有针对L个输入信号的数量为L≥1的输入以及针对N个控制器输出信号的N个输出，每个扬声器对应一个输出。相关的是，针对N个扬声器输入的至少子集中的每一个，估计每个测量位置处的脉冲响应。同样重要的是，针对L个输入信号中的每一个，指定N个扬声器中所选择的一个作为主扬声器，以及指定包括N个扬声器中至少一个的所选择子集S作为（一个或多个）支持扬声器。一个关键点是，针对每个主扬声器，指定在每个测量位置处的目标脉冲响应，其中目标脉冲响应具有声学传播延迟，其中声学传播延迟基于从主扬声器到相应测量位置的距离确定。然后，思路是，针对L个输入信号中的每一个，基于所选择的主扬声器和所选择的（一个或多个）支持扬声器，确定音频预补偿控制器的滤波器参数，使得在音频预补偿控制器的动态稳定性的约束下优化准则函数。
【专利说明】使用支持扬声器的可变集合的音频预补偿控制器设计

【技术领域】
[0001]本发明一般地涉及数字音频预补偿，更具体而言涉及数字音频预补偿控制器的设计，该数字音频预补偿控制器产生几个信号到声音生成系统，其目的是为了修改在听音环境中所关注空间区域内的几个测量位置中所测得的被补偿系统的动态响应。
[0002]发明背景
一种用于产生或再现声音的系统(包括放大器、电缆、扬声器以及房间声学)将总是影响，经常以不希望的方式，再现声音的频谱、瞬态和空间属性。特别是，放置设备的房间的声学混响对系统的感知音频质量具有相当大并且经常是不利的影响。根据所考虑的频率范围，混响的影响经常有不同的描述。在低频率，混响通常根据共振、驻波或所谓的房间模式进行描述，这些通过在频谱低端中的不同频率处引入强峰和深零点(null)来影响再现声音。在较高频率，混响一般被认为是在来自扬声器自身的直达声之后一段时间到达听者耳朵的反射。
[0003]具有很高质量的声音再现一般可以通过使用高质量的电缆、放大器和扬声器的套件,并通过使用例如声学扩散器、亥姆霍兹(Helmholtz)共振器以及声学吸收材料来修改房间的声学属性来获得。然而，这种用于改善声音质量的被动方式繁琐、昂贵，有时甚至不可行。
[0004]用于改善声音再现系统的质量的其它方式包括基于数字滤波的主动解决方案，通常被称为预补偿、均衡或反混响。预补偿滤波器(图1中的K)随后被放置在原始音频信号源和音频设备之间。声音生成系统的动态属性可以通过记录系统在房间内一个或几个位置对已知测试信号的响应而被测量和建模。然后，计算和实现滤波器》，以补偿系统的测量属性，在图1中用符号靈表示。特别是，在所有测量位置，期望受补偿系统的相位和振幅响应接近于预先指定的理想响应，在图1中用符号表示。换言之，需要被补偿的声音再现y(t)匹配理想yMf(t)达到某个给定的准确度:由预补偿器π所产生的预失真意在抵消因系统《而产生的失真，以使所产生的声音再现具有》的声音特性。为了获得可靠且在实践中有用的预补偿器，重要的是要认识到模型觀可能不是真实系统的完美描述，并且系统响应的记录可能包含因例如背景噪声而产生的干扰。例如，这样的测量和建模误差可以通过向系统添加噪声信号(图1中的e(t))来表示，产生被测量的系统输出ym(t)。如将在下文中进行描述的，关于系统的建模误差和不确定性也可以被包括在模型《中，模型《随后部分地由具有指定概率分布的随机变量进行参数化。
[0005]由于系统的物理限制，所以至少在理论上，在没有使用极度高端音频设备的高成本的情况下，可以实现改善的声音再现质量。例如，该设计的目的可能在于消除由不完美制造的扬声器箱所引起的声共振和衍射效应。另一种应用可能是最小化房间模式在听音房间不同位置的影响(即，低频共振峰值和零点)。再另一个目的可能是获得愉快的音调平衡和详细的感知立体图像。
[0006]到目前为止，在商业市场上和科学文献中存在的用于音频系统的数字预补偿的已建立的方法主要是单通道方法，参见例如[17]。单通道预补偿是指到扬声器的输入信号由单个滤波器进行处理的原理。当单通道预补偿被应用于包含多于一个扬声器通道的声音系统时(例如具有五个宽带通道和一个低音喇叭的5.1家庭影院系统)，这意味着用于不同扬声器通道的滤波器被个别确定并且彼此独立。每个受补偿扬声器在所有测量位置实际达到其指定的理想目标响应的程度主要取决于以下两个因素:
1.如果扬声器与房间的脉冲响应不是完全的最小相位特征，则补偿滤波器必须是所谓的混合相位类型，以便校正不是最小相位的失真分量。由于几乎所有扬声器-房间脉冲响应都包含非最小相位分量[23]，因此最小相位滤波器将不足以补偿系统以使其完全达到目标响应。由于与最小相位滤波器的设计相比，供音频使用的混合相位滤波器的设计相当复杂，所以用于数字预补偿的大多数现有产品使用局限于最小相位类型的滤波器。
2.如果扬声器的脉冲响应在不同的测量位置之间变化，如通常在房间内的情况一样，则由于在不同位置相互冲突的要求，单个滤波器将不能够完全校正扬声器在所有测量位置的响应。在平均意义上，受补偿系统的响应可以更加接近于目标，但由于系统的空间变化性，在每个测量位置总会有剩余误差。此外，如果使用混合相位补偿器，则误差可能以所谓的“预振铃”的形式发生，除非非常谨慎地设计补偿器[5]。预振铃误差被认为在感知上比后振铃更加令人反感。在[5，6]中，示出了如何设计混合相位补偿器，混合相位补偿器通过仅对所有测量位置所共有的非最小相位失真进行校正，减轻预振铃误差的问题。
[0007]因此，单通道补偿的方法的潜在限制在于:当考虑多个测量位置时，其只能在平均意义上校正脉冲和频率响应。在扬声器的原始响应在测量位置之间变化很大的声学环境中，这种变化性也将保留在受补偿扬声器的响应中，虽然就平均来说受补偿系统的性能更接近于目标性能。此外，仅关于一个测量位置设计补偿器不是现实的选项，因为众所周知单点设计产生极端不可靠并且在房间内所有其它位置使系统性能降级的滤波器[13，14]。
[0008]由此可以总结单通道预补偿方法对于校正在所关注空间区域上系统化的(B卩，失真分量对于所有测量位置是共有的，或至少是接近共有的)降级是最有效的。通常，这种系统降级是由扬声器自身，或由非常接近于扬声器的反射表面，或由处于波长比所关注区域的波长大的低频率的房间声学所引起。如果一种声音再现系统，包括其声学环境，是如下那样，即其空间上变化的失真超过其空间上的共有失真，则很遗憾由单通道方法所提供的声音质量改善会相当小。
[0009]考虑上述情况，人们可能会问是否可以获得更高性能的预补偿策略，例如通过按照比由已建立的单通道方法所提出的更灵活的方式使用扬声器和滤波器结构。在声学相关的研究文献中，已经标识了一些超越传统单通道滤波的不同策略[2，7，9，10，11，12，18，21，22，24，25，29，33，34]。总之，已知的方法可以分组为以下几类。
1.第一类中的方法基于关于房间声学，并且特别是扬声器和房间的低频共振模式之间的声学耦合的物理认识。众所周知，谨慎选择扬声器的物理放置以及使用几个低音喇叭有助于降低房间模式的影响[34]。
2.另一个原理是源汇法[7，8，33]，其中通过在房间中对称放置多个低音喇叭来降低房间模式，随后延迟调整、增益调整和相位调整被应用于不同的低音喇叭通道。根据该方法，在房间前壁处的低音喇叭作为声源，而在后壁处受延迟调整、增益调整和相位调整的低音喇叭作为汇点，即声音的吸收器，其消除来自后壁的低频反射。但是，该方法局限于只能工作在频谱的最低部分(低于150 Hz)，并且对低音喇叭信号做出调整的类型是非常初级的。
3.第三个重要方法是模态均衡[16，21]，其中模态共振及其衰减时间由数字预滤波器进行均衡。该方法涉及单室模式的中心频率和衰减时间的明确标识，并且其被局限于工作在非常低的频率(通常只在200 Hz以下)，其中假定房间共振是明显的并且在频率轴上良好分离。参考文献[16]讨论了两种可能的方法，类型I和类型II，类型I是单通道均衡器，类型II使用两个或更多通道用于消除房间模式。在[16]中确认的是，当使用两个以上的通道时，用于类型II模态均衡的滤波器设计并不简单，并且没有提出对于多通道设计情况的明确解决方案。总之，该方法不令人满意，因为其依赖于在典型房间中一般无法实现的假定，例如，所有经过均衡的模式被良好分离并且可以以高精度进行估计。
4.第四类方法基于在各种目标下的多通道滤波器设计。一个目标是主动噪声控制，其中来自一个或几个扬声器的声音被用于消除不需要的声学干扰，参见例如[11]。第二个目标是获得特定声压在少量空间位置(通常是人类听者耳朵的位置)的精确再现。该方法通常被称为串音消除、虚拟声学成像或听觉传输立体声[2，22，24，25]。这种方法的缺点是其性能对于听者的小的移动极端敏感，并且其在正常的混响房间中特别不可靠。第三个常见目标涉及“全息声(holophonic)”音频渲染技术，例如波场合成(WFS)和高阶环境立体混合声(HOA) [10，28，30]，其使用50个或更多扬声器的大规模扬声器阵列，目的在于在二维或三维中的大型区域上重现任意声场。许多多通道滤波器的设计已被提出，以改进WFS、HOA和相关技术的性能，参见例如[9，12，18，29]。第四个目标涉及在采用所谓的低音管理的声音系统[3]中的低音喇叭和卫星扬声器之间的交叉频率区域中破坏性相位交互作用的最小化。这些提及的多通道滤波器设计并不适于作为一般扬声器预补偿问题的解决方案。首先，与单通道预补偿方法相比，它们在其目标方面显著不同。第二，所提出计算方法产生具有无法令人满意属性的滤波器。例如，大多数方法在频域中设计滤波器，而不考虑宽带滤波器性能，例如因果关系、通过系统的最大允许延迟以及预振铃误差的水平和持续时间。
[0010]针对用于立体声或多通道音频再现的现有扬声器设置的可靠宽频带扬声器/房间补偿的目的，现有技术中没有多通道滤波器设计方法是有用的。


【发明内容】

[0011]总的目标是提供一种扩展的预补偿策略，用于改善两个或更多扬声器上立体声或多通道音频材料的再现。
[0012]特定的目标是提供一种方法，用于为相关联的声音生成系统确定音频预补偿控制器。
[0013]另一个特定的目标是提供一种系统，用于为相关联的声音生成系统确定音频预补偿控制器。
[0014]又一个特定的目标是提供一种计算机程序产品，用于为相关联的声音生成系统确定音频预补偿控制器。
[0015]同样一个特定的目的是提供一种改进的音频预补偿控制器，和包括这种音频预补偿控制器的音频系统以及由这种音频预补偿控制器所产生的数字音频信号。这些和其它目的由所附专利权利要求所定义的本发明来满足。
[0016]基本思路是为相关联的声音生成系统确定音频预补偿控制器，该相关联的声音生成系统包括总共N ^ 2个扬声器，每一个都具有扬声器输入。所述音频预补偿控制器具有针对L个输入信号的数量为L ^ I的输入以及针对N个控制器输出信号的N个输出，每个声音生成系统的扬声器对应一个输出，并且所述音频预补偿控制器通常具有多个可调整滤波器参数。相关的是，针对N个扬声器输入的至少子集中的每一个，基于在M ^ 2个测量位置的声音测量，估计分布在听音环境中所关注区域内的所述M个测量位置中每一个处的脉冲响应。还重要的是，针对所述L个输入信号中的每一个，指定所述N个扬声器中选择的一个作为主扬声器，以及指定包括所述N个扬声器中至少一个的选择的子集S作为支持扬声器，其中所述主扬声器不是这个子集的部分。关键点是，针对每个主扬声器，指定在所述M个测量位置中每一个处的目标脉冲响应，其中所述目标脉冲响应具有声学传播延迟，其中所述声学传播延迟基于从主扬声器到相应测量位置的距离来确定。然后思路是，针对所述L个输入信号中的每一个，基于选择的主扬声器和选择的(一个或多个)支持扬声器，确定所述音频预补偿控制器的滤波器参数，以使得在所述音频预补偿控制器的动态稳定性的约束下优化准则函数，其中所述准则函数包括在所述M个测量位置上补偿估计脉冲响应与目标脉冲响应之间差值的幂(power )的加权求和。
[0017]本发明的不同方面包括用于确定音频预补偿控制器的方法、系统和计算机程序，这样被确定的预补偿控制器，包含这种音频预补偿控制器的音频系统，以及由这种音频预补偿控制器所产生的数字音频信号。
[0018]本发明提供下列优点:
?用于音频预补偿控制器的改进设计方案。
?对两个或更多扬声器上的立体声或多通道音频材料的改善的再现。
?在扬声器的脉冲响应随着空间位置变化的房间或听音环境中的更好的性能。
?更高的灵活性，其中性能改进不局限于低频率。
?对问题例如因果性和预振铃人为现象的控制。
[0019]通过阅读本发明实施例的后继描述时将理解本发明所提供的其它优点和特征。

【专利附图】

【附图说明】
[0020]通过参考连同附图一起做出的后面的描述可以最好地理解本发明，连同其另外的目的和优点，其中:
图1描述了单通道补偿器K,其具有信号作为输入信号。补偿器产生控制信号入控制信号作为对声学系统的稳定线性动态单输入多输出(SIMO)模型《的输入。模型?具有一个输入和M个输出，其中M个输出表不M个测量位置。在M个测量位置处的声学信号由列向量y(t)来表示。所期望的动态系统属性由稳定的SMO模型P指定，其具有一个输入和M个输出。当信号被用作对Φ的输入时，所产生的输出是所期望的具有M个元素的信号向量M维信号向量Λ/?)表示_7幻的测量值，而信号向量人其也具有维度Μ，表示可能的测量干扰。
图2描述了多通道补偿器π,其具有信号作为输入信号。补偿器产生具有N个元素的多通道控制信号《“入控制信号作为向声学系统的稳定线性动态多输入多输出(MIMO)模型对的输入。模型具有N个输入和M个输出，其中N个输入表不对N个扬声器的输入，而M个输出表示M个测量位置。在M个测量位置处的声学信号由列向量y(t)来表示。所期望的动态系统属性由稳定的SMO模型U指定，SIMO模型，具有一个输入和M个输出。当信号被用作对1>的输入时，所产生的输出是所期望的具有M个元素的信号向量M维信号向量ym(t)表示y(t)的测量，而信号向量e(t)，其也具有维度M，表示可能的测量干扰。
图3是图示了包括声音生成系统和音频预补偿控制器的音频系统的示例的示意图。
图4是适于实现本发明的基于计算机的系统的示例的示意框图。
图5是图示了根据示例性实施例用于确定音频预补偿控制器的方法的示意流程图。
图6是在64个位置测量的房间中扬声器的频率响应(灰线)，以及其均方根(RMS)平均(黑线)。
图7是在单通道预补偿滤波器已被应用于其输入之后，与图6中相同的扬声器的频率响应。该图示出了在64个位置所测量的频率响应(灰线)，以及其均方根(RMS)平均(黑线)。
图8示出了多通道预补偿的结果，其中图6的扬声器被用作主扬声器，并且附加的15个扬声器被用作支持扬声器。该图示出了在64个位置测量的频率响应(灰线)，以及其均方根(RMS)平均(黑线)。
图9示出了当还未应用预补偿时,与图6中相同的扬声器的瀑布图(waterfall plot)或累积频谱衰减。图中所示的瀑布是在64个位置上扬声器的脉冲响应的平均累积频谱衰减。
图10示出了与图7中相同的扬声器的瀑布图或累积频谱衰减，其中已经应用了单通道预补偿滤波器。图中所示的瀑布是在64个位置上受补偿扬声器的脉冲响应的平均累积频谱衰减。
图11示出了与图8中相同的扬声器的瀑布图或累积频谱衰减，其中已经应用了多通道预补偿策略以使用15个附加的支持扬声器来补偿主扬声器。图中所示的瀑布是在64个位置上受补偿扬声器的脉冲响应的平均累积频谱衰减。

【具体实施方式】
[0021 ] 贯穿整个附图，相同的标号被用于类似或相对应的元素。
[0022]所提技术基于这样的认识，即动态系统的数学模型，以及对数字预补偿滤波器的基于模型的优化，为设计通过修改对设备的输入信号来改善各种类型音频设备的性能的滤波器提供了强大的工具。此外要指出的是，适当的模型可以通过在分布于听音环境中所关注区域内的多个测量位置处进行测量来获得。
[0023]如所提到的，基本思想是为相关联的声音生成系统确定音频预补偿控制器。如图3的不例中所不,声音生成系统包括总共Ar > 2个扬声器,每一个都具有扬声器输入。音频预补偿控制器具有数量i: 2 I个输入用于L个输入信号和N个输出用于N个控制器输出信号，声音生成系统的每个扬声器一个。应当理解的是，控制器输出信号被导向到扬声器，即在扬声器的输入路径中。经由可选的电路(由虚线所指示)(诸如数模转换器、放大器和附加的滤波器)，控制器输出信号可以被传送到扬声器输入。可选的电路还可以包括无线链路。
[0024]一般而言，音频预补偿控制器具有在滤波器设计方案中确定的多个可调整的滤波器参数。因此，当进行设计时，音频预补偿控制器应当产生N个控制器输出信号到声音生成系统，其目的是修改在分布于听音环境中所关注区域内的多个(# > 2)测量位置所测得的受补偿系统的动态响应。
[0025]图5是图示了根据示例性实施例用于确定音频预补偿控制器的方法的示意性流程图。步骤SI涉及:基于在M个测量位置的声音测量，针对N个扬声器输入的至少一子集中的每一个，估计分布在听音环境中所关注区域内的多个(if > 2)测量位置中每一个测量位置处的脉冲响应。步骤S2涉及:针对L个输入信号中的每一个，指定N个扬声器中所选择的一个作为主扬声器，以及包括N个扬声器中至少一个的所选择子集S作为支持扬声器，其中主扬声器不是该子集的部分。步骤S3涉及:针对每个主扬声器指定在M个测量位置中每一个测量位置处的目标脉冲响应，其中目标脉冲响应具有声学传播延迟，其中声传播延迟基于从主扬声器到相应测量位置的距离来确定。步骤S4涉及:针对L个输入信号中的每一个，基于所选择的主扬声器和所选择的(一个或多个)支持扬声器，确定音频预补偿控制器的滤波器参数，以便在音频预补偿控制器的动态稳定性的约束下优化准则函数。准则函数包括在M个测量位置上的补偿估计脉冲响应与目标脉冲响应之间差值的幂的加权求和。
[0026]换言之，音频预补偿控制器被配置用于:通过合并使用P个主扬声器以及针对每个主扬声器的N个扬声器的附加数量的支持扬声器I I S S I,来控制P个主扬声器的声学响应，其中PiL和Pm
[0027]如果有两个或更多输入信号，即i 2 2,则方法还可以包括可选步骤S5:将针对L个输入信号所确定的所有滤波器参数合并到音频预补偿控制器的合并滤波器参数集中。具有合并滤波器参数集的音频预补偿控制器被配置用于对L个输入信号进行操作，以产生N个控制器输出信号到扬声器，从而实现目标脉冲响应。
[0028]借助于示例，可以期望音频预补偿控制器具有如下能力:针对其可调整滤波器参数中的某个设定产生到N个扬声器中的某些的零输出。
[0029]优选地，目标脉冲响应非零，并且包括可以在规定限制内进行修改的可调整参数。例如，以优化准则函数为目的，目标脉冲响应的可调整参数以及音频预补偿控制器的可调整参数可以共同进行调整。
[0030]在特定的示例实施例中，确定音频预补偿控制器的滤波器参数的步骤基于稳定、线性和因果关系的多变量前馈控制器的参数的线性二次型高斯(LQG)优化，线性二次型高斯(LQG)优化基于给定的目标动态系统以及声音生成系统的动态模型。如所提到的，控制器输出信号可以经由可选的电路被传送到扬声器输入。例如，音频预补偿控制器的N个控制器输出信号中的每一个都可以经由包括相位补偿组件和延迟组件的全通滤波器被馈送到相应的扬声器，产生N个滤波控制器输出信号。
[0031]可选地，准则函数包括惩罚(penalty)项，其中该惩罚项使得通过优化准则函数所得到的音频预补偿控制器产生预补偿控制器输出的所选择子集上的约束量值(magnitude)的信号水平，从而产生所选择扬声器输入上的约束信号水平到用于指定的频带的N个扬声器。
[0032]可以多次不同地选择该惩罚项，并且针对该惩罚项的每个选择重复确定音频预补偿控制器的滤波器参数的步骤，以导致音频预补偿控制器的多个实例，其中每一个都产生具有个别约束量值的信号水平到S个用于指定的频带的支持扬声器。
[0033]在另外的可选实施例中，准则函数包含估计脉冲响应中可能误差的表示。该误差表示被设计为描述误差假定范围的模型的集合。在该特定的实施例中，准则函数还包含聚合运算，其可以是在模型的所述集合上的求和、加权求和或统计期望。
[0034]在特定的示例中，确定音频预补偿控制器的滤波器参数的步骤还基于调整音频预补偿控制器的滤波器参数，以至少在M个测量位置的子集中达到包括该音频预补偿控制器的声音生成系统的目标量值频率响应。
[0035]借助于示例，调整音频预补偿控制器的滤波器参数的步骤基于至少在M个测量位置的子集中评估量值频率响应，以及随后确定包括音频预补偿控制器的声音生成系统的最小相位模型。
[0036]优选地，针对N个扬声器输入的至少子集中的每一个估计多个测量位置(M)中每一个测量位置处的脉冲响应的步骤基于描述在M个测量位置处声音生成系统的动态响应的模型。
[0037]如技术人员所理解的，音频预补偿控制器可以通过在音频滤波器结构中实现滤波器参数来创建。然后，该音频滤波器结构通常连同声音生成系统体现为实现目标脉冲响应在听音环境中的M个测量位置处的生成。
[0038]所提出的技术可以被用在许多音频应用中。例如，声音生成系统可以是汽车音频系统或移动演播室音频系统，而听音环境可以是汽车或移动演播室的部分。声音生成系统的其它示例包括电影院音频系统、音乐厅音频系统、家庭音频系统或者专业音频系统，其中对应的听音环境是电影院、音乐厅、家、演播室、礼堂或任何其它处所的部分。
[0039]现在将参考各种非限制性的示例性实施例，对所提出的技术进行更详细描述。
[0040]通过线性动态预补偿的声场控制
可以具有多个输入和/或多个输出的线性滤波器、动态系统或模型在下文中由/#遂廣慶矩A车来表示，并且由粗体书法体字母来表示，例如祝{q、或仅仅《。传递函数矩阵的特殊情况是仅包括FIR滤波器作为元素的矩阵。这样的矩阵将被称为多现式矩A车，并由粗斜体大写字母表示，例如Afo-1)或仅仅儿此处f1是向后移位算子，当对信号s (t)进行运算时，其产生 s (t -1), BP, <7_1s(t)= s (t -1)。类似地，qs(t) = s(t + I)。当在频域中计算多项式或有理矩阵时，复变量z或^^被交换为q。FIR滤波器的因果矩阵(多项式矩阵)B{ql)仅对相对于目前时间指标t是当前或过去的输入信号进行运算。因此，其将仅具有在向后移位算子f1中是多项式的矩阵元素。类似地，多项式矩阵，Q-1)将对未来和过去的信号二者进行运算，而AG?)将仅对未来信号进行运算。上标(.)τ例如妒(f1)或V，表示转置，并且当被用于向量、有理或多项式矩阵时，其表示转置的行向量变为列向量，而有理或多项式矩阵的第j行变为相同矩阵的第j列。类似地，下标(.)*表示复共轭转置。如上面所解释的，其表示向量、有理或多项式矩阵将被转置，并且将对其元素进行复共轭。例如，有理矩阵^ (f1)的复共轭转置表示为(7)。单位矩阵是在对角线上为I的常数矩阵。其表示为I或如果维度是NXN，则表示为1#，。另一个常数矩阵，例如，0#表示维度为NXN的零矩阵。此外,diag (.,.Fn]t )表示…Fn在对角线上的对角矩阵,而tr/7表示矩阵P的迹，其是P的对角元素的和。
[0041]，要被修改的声音生成或再现系统将如图2中那样由线性时不变和稳定的动态模型祝来表示，其描述了在离散时间中N个输入信号的集合u(t)与M个模型输出信号的集合y (t)之间的关系:

【权利要求】
1.一种用于为相关联的声音生成系统确定音频预补偿控制器的方法，所述声音生成系统包括总共N > 2个扬声器，每一个都具有扬声器输入，所述音频预补偿控制器具有针对L个输入信号的数量为L ^ I的输入以及针对N个控制器输出信号的N个输出，所述声音生成系统的每个扬声器对应一个输出，所述音频预补偿控制器具有多个可调整滤波器参数，其中所述方法包括以下步骤: ?针对所述N个扬声器输入的至少子集中的每一个，基于在M > 2个测量位置的声音测量，估计分布在听音环境中所关注区域内的所述M个测量位置中每一个处的脉冲响应； ?针对所述L个输入信号中的每一个，指定所述N个扬声器中选择的一个作为主扬声器，以及指定包括所述N个扬声器中至少一个的选择的子集S作为支持扬声器，其中所述主扬声器不是所述子集的部分； ?针对每个主扬声器，指定在所述M个测量位置中每一个处的目标脉冲响应，其中所述目标脉冲响应具有声学传播延迟，其中所述声学传播延迟基于从主扬声器到相应测量位置的距离来确定； ?针对所述L个输入信号中的每一个，基于选择的主扬声器和选择的(一个或多个)支持扬声器，确定所述音频预补偿控制器的滤波器参数，以使得在所述音频预补偿控制器的动态稳定性的约束下优化准则函数，其中所述准则函数包括在所述M个测量位置上补偿估计脉冲响应与目标脉冲响应之间差值的幂的加权求和。
2.如权利要求1所述的方法，其中，L^ 2，并且所述方法包括以下步骤:将针对所述L个输入信号所确定的所有所述滤波器参数合并到用于所述音频预补偿控制器的滤波器参数的合并集合中，其中具有滤波器参数的所述合并集合的所述音频预补偿控制器被配置用于对所述L个输入信号进行操作，以产生所述N个控制器输出信号到所述扬声器，从而实现所述目标脉冲响应。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述音频预补偿控制器被配置用于:通过合并使用所述P个主扬声器以及针对每个主扬声器的所述N个扬声器中附加数量S的支持扬声器，I彡S彡N-1，来控制P个主扬声器的声学响应，其中P〈L且P彡N。
4.如前述任一权利要求所述的方法，其中，所述音频预补偿控制器具有如下能力:针对其可调整滤波器参数的某些设定，产生输出零到所述N个扬声器中的一些。
5.如前述任一权利要求所述的方法，其中，确定所述音频预补偿控制器的滤波器参数的所述步骤基于稳定、线性和因果关系的多变量前馈控制器的参数的线性二次型高斯(LQG)优化，线性二次型高斯优化基于给定的目标动态系统以及声音生成系统的动态模型。
6.如前述任一权利要求所述的方法，其中，所述音频预补偿控制器的所述N个控制器输出信号中的每一个，通过包括相位补偿组件和延迟组件的全通滤波器，被馈送到相应的扬声器，产生N个滤波的控制器输出信号。
7.如前述任一权利要求所述的方法，其中，所述准则函数包括惩罚项，其中所述惩罚项使得通过优化所述准则函数所获得的所述音频预补偿控制器产生在所述预补偿控制器输出的选择的子集上的约束量值的信号水平，以产生选择的扬声器输入上的约束信号水平给指定频带的所述N个扬声器。
8.如权利要求7所述的方法，其中，可以多次不同地选择所述惩罚项，并且针对所述惩罚项的每个选择，确定所述音频预补偿控制器的滤波器参数的所述步骤被重复，从而导致所述音频预补偿控制器的多个实例，其中每一个都产生具有个体约束量值的信号水平给指定频带的所述S个支持扬声器。
9.如前述任一权利要求所述的方法，其中，所述准则函数首先包括模型的集合，其描述估计脉冲响应中可能误差的范围，并且其次，包括聚合运算，其中所述聚合运算是在所述模型的集合上的求和、加权求和或统计期望。
10.如前述任一权利要求所述的方法，其中，确定所述音频预补偿控制器的滤波器参数的所述步骤还基于调整所述音频预补偿控制器的滤波器参数，以至少在所述M个测量位置的子集中，达到包括所述音频预补偿控制器的所述声音生成系统的目标量值频率响应。
11.如权利要求10所述的方法，其中，调整所述音频预补偿控制器的滤波器参数的所述步骤基于至少在所述M个测量位置的子集中评估量值频率响应，以及随后确定包括所述音频预补偿控制器的所述声音生成系统的最小相位模型。
12.如前述任一权利要求所述的方法，其中，目标脉冲响应非零，并且包括能够在规定限制内进行修改的可调整参数。
13.如权利要求12所述的方法，其中，对目标脉冲响应的可调整参数以及音频预补偿控制器的可调整参数进行共同调整，目的是为了优化所述准则函数。
14.如前述任一权利要求所述的方法，其中，针对所述N个扬声器输入的至少子集中的每一个，估计M个测量位置中每一个处的脉冲响应的所述步骤基于描述所述M个测量位置处的所述声音生成系统的动态响应的模型。
15.如权利要求1所述的方法，其中，所述音频预补偿控制器通过在音频滤波器结构中实现所述滤波器参数来创建。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述音频滤波器结构连同所述声音生成系统一起被体现以实现所述目标脉冲响应在所述听音环境中的所述M个测量位置处的生成。
17.如前述任一权利要求所述的方法，其中，所述声音生成系统是汽车音频系统或移动演播室音频系统，并且所述听音环境是汽车或移动演播室的部分。
18.如前述任一权利要求所述的方法，其中，所述声音生成系统是电影院音频系统、音乐厅音频系统、家庭音频系统或专业音频系统，并且所述听音环境是电影院、音乐厅、家、演播室、礼堂或任何其它处所的部分。
19.一种用于为相关联的声音生成系统确定音频预补偿控制器的系统,所述声音生成系统包括总共N > 2个扬声器，每一个都具有扬声器输入，所述音频预补偿控制器具有针对L个输入信号的数量为L ^ I的输入以及针对N个控制器输出信号的N个输出，所述声音生成系统的每个扬声器对应一个输出，所述音频预补偿控制器具有多个可调整滤波器参数，其中所述系统包括: ?用于针对所述N个扬声器输入的至少子集中的每一个，基于在M >2个测量位置的声音测量，估计分布在听音环境中所关注区域内的所述M个测量位置中每一个处的脉冲响应的装置； ?用于针对所述L个输入信号中的每一个，指定所述N个扬声器中选择的一个作为主扬声器，以及指定包括所述N个扬声器中至少一个的选择的子集S作为支持扬声器的装置，其中所述主扬声器不是所述子集的部分； ?用于针对每个主扬声器，指定在所述M个测量位置中每一个处的目标脉冲响应的装置，其中所述目标脉冲响应具有声学传播延迟，其中所述声学传播延迟基于从主扬声器到相应测量位置的距离来确定； ?用于针对所述L个输入信号中的每一个，基于选择的主扬声器和选择的(一个或多个)支持扬声器，确定所述音频预补偿控制器的滤波器参数，以使得在所述音频预补偿控制器的动态稳定性的约束下优化准则函数的装置，其中所述准则函数包括在所述M个测量位置上补偿估计脉冲响应与目标脉冲响应之间差值的幂的加权求和。
20.如权利要求19所述的系统，其中，L^ 2，并且所述系统包括:用于将针对所述L个输入信号所确定的所有所述滤波器参数合并到用于所述音频预补偿控制器的滤波器参数的合并集合中的装置，其中具有滤波器参数的所述合并集合的所述音频预补偿控制器被配置用于对所述L个输入信号进行操作，以产生所述N个控制器输出信号到所述扬声器，从而实现所述目标脉冲响应。
21.如权利要求19或20所述的系统，其中，用于确定所述音频预补偿控制器的滤波器参数的所述装置被配置为基于稳定、线性和因果关系的多变量前馈控制器的参数的线性二次型高斯(LQG)优化进行操作，线性二次型高斯优化基于给定的目标动态系统以及声音生成系统的动态模型。
22.一种用于当在计算机系统上运行时为相关联的声音生成系统确定音频预补偿控制器的计算机程序产品，所述声音生成系统包括总共N ^ 2个扬声器,每一个都具有扬声器输入，所述音频预补偿控制器具有针对L个输入信号的数量为LS I的输入以及针对N个控制器输出信号的N个输出，所述声音生成系统的每个扬声器对应一个输出，所述音频预补偿控制器具有多个可调整滤波器参数，其中所述计算机程序产品包括: ?用于针对所述N个扬声器输入的至少子集中的每一个，基于在M > 2个测量位置的声音测量，估计分布在听音环境中所关注区域内的所述M个测量位置中每一个处的脉冲响应的程序装置； ?用于针对所述L个输入信号中的每一个，指定所述N个扬声器中选择的一个作为主扬声器，以及指定包括所述N个扬声器中至少一个的选择的子集S作为支持扬声器的程序装置，其中所述主扬声器不是所述子集的部分； ?用于针对每个主扬声器，指定在所述M个测量位置中每一个处的目标脉冲响应的程序装置，其中所述目标脉冲响应具有声学传播延迟，其中所述声学传播延迟基于从主扬声器到相应测量位置的距离来确定； ?用于针对所述L个输入信号中的每一个，基于选择的主扬声器和选择的(一个或多个)支持扬声器，确定所述音频预补偿控制器的滤波器参数，以使得在所述音频预补偿控制器的动态稳定性的约束下优化准则函数的程序装置，其中所述准则函数包括在所述M个测量位置上补偿估计脉冲响应与目标脉冲响应之间差值的幂的加权求和。
23.如权利要求22所述的计算机程序产品，其中，L^ 2，并且所述计算机程序产品包括:用于将针对所述L个输入信号所确定的所有所述滤波器参数合并到用于所述音频预补偿控制器的滤波器参数的合并集合中的程序装置，其中具有滤波器参数的所述合并集合的所述音频预补偿控制器被配置用于对所述L个输入信号进行操作，以产生所述N个控制器输出信号到所述扬声器，从而实现所述目标脉冲响应。
24.如权利要求22或23所述的计算机程序产品，其中，用于确定所述音频预补偿控制器的滤波器参数的所述装置被配置为基于稳定、线性和因果关系的多变量前馈控制器的参数的线性二次型高斯(LQG)优化进行操作，线性二次型高斯优化基于给定的目标动态系统以及声音生成系统的动态模型。
25.通过使用权利要求1至18中的任一项的方法所确定的音频预补偿控制器。
26.如权利要求24所述的音频预补偿控制器，其中，所述音频预补偿控制器为线性稳定因果关系前馈控制器。
27.一种包括声音生成系统和通向所述声音生成系统的输入路径中的音频预补偿控制器的音频系统，其中，所述音频预补偿控制器通过使用权利要求1至18中任一项的方法来确定。
28.由音频预补偿控制器产生的数字音频信号，所述音频预补偿控制器通过使用权利要求I至18中任一项的方法来确定。
【文档编号】H04R3/04GK104186001SQ201280068508
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2012年3月22日 优先权日:2012年3月22日
【发明者】L-J.布雷恩马克, A.阿伦, A.巴內 申请人:迪拉克研究公司