本发明涉及扬声器技术领域，具体为一种五扬声器系统精简为四扬声器系统的方法。
背景技术：
随着三维电视和三维电影技术的发展，三维音频技术成为了多媒体领域的一个研究热点。三维平移是一种在三维声场中使用若干扬声器制造虚拟声源的技术。在三维平移方法中，基于向量的幅度平移技术(vectorbasedamplitudepanning简记为vbap)被广泛认可。在三维vbap中，虚拟声源用三个扬声器合成，起点在听音点，终点在虚拟声源所在位置的单位向量可以用另外三个向量线性表示(每个向量起点在听音点，终点在每个向量所对应扬声器所在位置，长度为1)。三个向量表示的系数经过归一化之后，作为权重系数使得虚拟声源的信号分配到表示向量所对应的三个扬声器。如果表示虚拟声源使用的扬声器数目多于三个，vbap技术将整个重建扬声器空间按三个扬声器一组分为若干个子空间，在每个子空间中按照vbap进行信号分配。
5.1多声道系统曾经是非常流行的家庭影院声音系统。但是随着3d视频技术的发展，对音频技术提出了更高的要求，现在多声道音频研究专注于更加先进的带有更多声道的系统，可以为人们提供更好的沉浸感。例如，日本广播协会实验室的22.2多声道系统已经被用于超高清电视转播。这一先进的多声道系统要求按照自己独特的扬声器摆放方法放置扬声器才能产生最好的声音效果。尽管24个扬声器可以按照最优的方法摆放在剧院，但是在家庭应用时摆放麻烦。“下混”是多声道系统中很好的减少扬声器声道的方法。从5.1下混到两声道立体声或单声道已经被itu-rrecommendation标准化，并被用于一些电视接收器。尽管这一下混方法十分高效，但是它并不适用于任意数量的扬声器配置。为了使得多个系统之间的下混变得可行，人们迫切需要一种新的声场重建或转化技术。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种五扬声器系统精简为四扬声器系统的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种五扬声器系统精简为四扬声器系统的方法，包括以下步骤：
s1：提取信息：设原始五扬声器系统中包括5个扬声器ldo1、ldo2、ldo3、ldo4、ldo5，重建四扬声器系统中包括4个扬声器ldr1、ldr2、ldr3、ldr4，设待替换扬声器组ldo1、ldo2、ldo3、ldo4、ldo5的扬声器原始信号分别为替换扬声器组扬声器ldr1、ldr2、ldr3、ldr4的信号为要求解的信号，记为：
获取原始五扬声器系统中扬声器组位置信息和信号信息，重建四扬声器系统中扬声器组位置信息听音区域采样点位置信息；
其中，听音区域采样点位置信息包括中心听音区域采样点的位置信息，d＝1,2,…s和非中心听音区域采样点的位置信息d＝1,2,…s，s为预设的采样点数目；
s2：用于计算得到五扬声器系统中每个扬声器分配给重建四扬声器系统中4个扬声器ldr1、ldr2、ldr3、ldr4的分配系数矩阵d，计算公式如下，
d＝(vr1hvr1+γi)-1vr1hvr0；
其中，h表示厄密共轭转置；γ表示规则化因子；i表示单位矩阵；-1表示矩阵求逆运算；其中，表示扬声器ldoh在采样点上相应径向质子速度成分中间变量，h＝1，2，…，m；表示扬声器ldoq在采样点上相应径向质子速度成分中间变量，q＝1，2，…，n；dqh表示扬声器ldoh信号分配给扬声器ldrq的信号分配系数；vr0、vr1表示原始五扬声器系统和重建四扬声器系统分别的径向质子速度成分中间变量构成的矩阵；
s3：用于求解得到四扬声器系统中4个扬声器ldr1、ldr2、ldr3、ldr4最终分配的信号，分别为fs1、fs2、fs3、fs4。
更进一步地，s1具体为：设原始五扬声器系统中的扬声器组和重建四扬声器系统中的扬声器组均位于同一球面上，球面的球心位置为中心听音点o；听音区域采样点位置信息获取方式如下：
以中心听音点o为中心，构建三维球形的中心听音区域，并在中心听音区域的球面上均匀采样，获取中心听音区域采样点的位置信息d＝1,2,…s；以非中心听音点n为中心，构建三维球形的非中心听音区域，并在非中心听音区域的球面上均匀采样，获取非中心听音区域采样点的位置信息d＝1,2,…s，s为预设的采样点数目。
更进一步地，中心听音区域半径f为声音信号频率，c为声音在空气中的传播速度，n为重建重建四扬声器系统中的扬声器数目；中心听音区域与非中心听音区域具有相同的半径。
更进一步地，s2中原始五扬声器系统中单个扬声器ldoh，h＝1，2，…，m在中心听音区域v0的采样点d＝1,2,…s上产生的径向质子速度成分为，
其中，表示扬声器ldoh在采样点上相应径向质子速度成分；
表示扬声器ldoh在采样点上相应径向质子速度成分中间变量；
表示扬声器ldoh信号；
表示扬声器ldoh在采样点上相应质子速度中间变量；
表示中心听音区域v0中径向朝内的单位向量；
h＝1，2，…，m表示内积；e为数学常数；j为虚部单位；k为波数，f为声音信号频率；c为声音在空气中的传播速度；
重建四扬声器系统中单个扬声器ldrq，q＝1，2，…，n在非中心听音区域v1的采样点d＝1,2,…s上产生的径向质子速度成分为：
其中，表示扬声器ldoq在采样点上相应径向质子速度成分；
表示扬声器ldoq在采样点上相应径向质子速度成分中间变量；
表示扬声器ldrq信号；
表示扬声器ldoq在采样点上相应质子速度中间变量；
表示非中心听音区域v1中径向朝内的单位向量；
q＝1，2，…，n表示内积；e为数学常数；j为虚部单位；k为波数，f为声音信号频率；c为声音在空气中的传播速度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种五扬声器系统精简为四扬声器系统的方法，既保证了替换前后听音点处声压大小和质子速度的方向不变，又保证替换前后质子速度大小的误差最小，有利于提升合成虚拟声源的效果，可以对包含任意多个扬声器的多声道系统进行精简处理，具备很好的普适性，具有重要的市场价值。
具体实施方式
以下将详细说明本发明实施例，然而，本发明实施例并不以此为限。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
本发明实施例中：提供一种五扬声器系统精简为四扬声器系统的方法，包括以下步骤：
第一步：提取信息：设原始五扬声器系统中包括5个扬声器ldo1、ldo2、ldo3、ldo4、ldo5，重建四扬声器系统中包括4个扬声器ldr1、ldr2、ldr3、ldr4，设待替换扬声器组ldo1、ldo2、ldo3、ldo4、ldo5的扬声器原始信号分别为替换扬声器组扬声器ldr1、ldr2、ldr3、ldr4的信号为要求解的信号，记为：
获取原始五扬声器系统中扬声器组位置信息和信号信息，重建四扬声器系统中扬声器组位置信息听音区域采样点位置信息；
其中，听音区域采样点位置信息包括中心听音区域采样点的位置信息，d＝1,2,…s和非中心听音区域采样点的位置信息d＝1,2,…s，s为预设的采样点数目；
第二步：用于计算得到五扬声器系统中每个扬声器分配给重建四扬声器系统中4个扬声器ldr1、ldr2、ldr3、ldr4的分配系数矩阵d，计算公式如下，
d＝(vr1hvr1+γi)-1vr1hvr0；
其中，h表示厄密共轭转置；γ表示规则化因子；i表示单位矩阵；-1表示矩阵求逆运算；其中，表示扬声器ldoh在采样点上相应径向质子速度成分中间变量，h＝1，2，…，m；表示扬声器ldoq在采样点上相应径向质子速度成分中间变量，q＝1，2，…，n；dqh表示扬声器ldoh信号分配给扬声器ldrq的信号分配系数；vr0、vr1表示原始五扬声器系统和重建四扬声器系统分别的径向质子速度成分中间变量构成的矩阵；
第三步：用于求解得到四扬声器系统中4个扬声器ldr1、ldr2、ldr3、ldr4最终分配的信号，分别为fs1、fs2、fs3、fs4。
在上述实施例中，第一步具体为：设原始五扬声器系统中的扬声器组和重建四扬声器系统中的扬声器组均位于同一球面上，球面的球心位置为中心听音点o；听音区域采样点位置信息获取方式如下：
以中心听音点o为中心，构建三维球形的中心听音区域，并在中心听音区域的球面上均匀采样，获取中心听音区域采样点的位置信息d＝1,2,…s；以非中心听音点n为中心，构建三维球形的非中心听音区域，并在非中心听音区域的球面上均匀采样，获取非中心听音区域采样点的位置信息d＝1,2,…s，s为预设的采样点数目。
在上述实施例中，中心听音区域半径f为声音信号频率，c为声音在空气中的传播速度，n为重建重建四扬声器系统中的扬声器数目；中心听音区域与非中心听音区域具有相同的半径。
在上述实施例中，第二步中原始五扬声器系统中单个扬声器ldoh，h＝1，2，…，m在中心听音区域v0的采样点d＝1,2,…s上产生的径向质子速度成分为，
其中，表示扬声器ldoh在采样点上相应径向质子速度成分；
表示扬声器ldoh在采样点上相应径向质子速度成分中间变量；
表示扬声器ldoh信号；
表示扬声器ldoh在采样点上相应质子速度中间变量；
表示中心听音区域v0中径向朝内的单位向量；
h＝1，2，…，m表示内积；e为数学常数；j为虚部单位；k为波数，f为声音信号频率；c为声音在空气中的传播速度；
重建四扬声器系统中单个扬声器ldrq，q＝1，2，…，n在非中心听音区域v1的采样点d＝1,2,…s上产生的径向质子速度成分为：
其中，表示扬声器ldoq在采样点上相应径向质子速度成分；
表示扬声器ldoq在采样点上相应径向质子速度成分中间变量；
表示扬声器ldrq信号；
表示扬声器ldoq在采样点上相应质子速度中间变量；
表示非中心听音区域v1中径向朝内的单位向量；
q＝1，2，…，n表示内积；e为数学常数；j为虚部单位；k为波数，f为声音信号频率；c为声音在空气中的传播速度。
实施例二：
基于上述实施例一，提供一种五扬声器系统精简为四扬声器系统的方法，包括以下步骤：
步骤1，设替换的四扬声器系统中包括四个扬声器sp1、sp2、sp3、sp4，将四个扬声器sp1、sp2、sp3、sp4合成一个虚拟声源所分配得到的信号，使用一个扬声器sp0模拟虚拟声源，四个扬声器sp1、sp2、sp3、sp4和虚拟声源sp0均位于同一球面上，球面的球心位置为接收点；包括：
步骤101，判断虚拟声源与替换扬声器组的位置关系，确认虚拟声源sp0位于四个扬声器sp1、sp2、sp3、sp4所构成球面多边形区域内部；
步骤102，获得虚拟声源sp0与四个扬声器sp1、sp2、sp3、sp4的位置信息；
步骤103，计算确定四个扬声器sp1、sp2、sp3、sp4分别的初始分配系数，并确定相应最终分配系数c1,c2,c3,c4；
步骤104，将虚拟声源sp0的信号分别乘以步骤103所得最终分配系数c1,c2,c3,c4后分配到相应扬声器sp1、sp2、sp3、sp4中，删除虚拟声源sp0；
步骤2，对包含四个扬声器sp1、sp2、sp3、sp4的四扬声器系统，分别计算得到扬声器sp1、sp2、sp3、sp4的信号，计算方法为用单个扬声器的原始信号加上步骤1中所得该扬声器分配得到的相应信号。
综上所述：本发明提供的一种五扬声器系统精简为四扬声器系统的方法，既保证了替换前后听音点处声压大小和质子速度的方向不变，又保证替换前后质子速度大小的误差最小，有利于提升合成虚拟声源的效果，可以对包含任意多个扬声器的多声道系统进行精简处理，具备很好的普适性，具有重要的市场价值。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。