专利名称：针对多个收听者的三维声音再生设备及其方法
技术领域：
本发明涉及三维(3D)声音再生设备，特别地，涉及对多个收听者并行地提供相同的3D声音的3D声音再生设备及其方法。
在音频产业中，人们进行了很多的努力以期在一维的点或者二维的平面上排列音箱以便再生具有完全临场感的声音。即，在最初开发时期的单声道系统、后来的立体声系统以及最新的杜比环绕声系统都是用于再生具有临场感觉的信号。然而，伴随着多媒体产业的发展，有关记录和再生听觉信息(即声音信号以及视觉信息)的技术的目的已经从忠实地再生具有临场感觉的信号变化到再生3D声音空间中的信号，在这样的3D声音空间中音箱能够放在任意位置。
今天，大部分音频设备可以实现立体声信号而不是单声道信号的再现。当立体声信号再生时，感受再生信号的临场感觉范围受限于扬声器的安装位置。相应地，为了改善临场感觉范围，人们对于改善扬声器性能和使用信号处理产生虚拟信号进行了大量的研究。
基于上述研究结果的一个典型系统是应用一组5个扬声器的环绕再生方法的杜比环绕立体声系统。在该系统中，独立地处理输出到后置扬声器的虚拟信号，即按照信号的空间环境把信号进行延迟并且把降低了幅度的信号传输到背部的扬声器来生成虚拟的信号。目前，大多数家庭盒式录像机和激光影碟机都使用一种被称为“Dolby Pro Logic(杜比专业逻辑)”系统的技术。由于使用了上述技术的设备，因此在家里能够再生感觉像影院中一样的声音质量。
如上所述，尽管通过增加声道的数量能够获得更忠实于临场感觉的声音，但却需要与声道数量相同的扬声器，相应地，将产生成本以及安装空间的问题。
这些问题能够通过使用人是如何收听和感觉存在于3D空间中的声音的研究结果得到改善。特别是，在对人耳声音辨别的研究方面，发明者们研究了有关人的两个耳朵极大地影响3D空间中音源辨别的问题。
上述研究涉及输入到两个耳朵中的输入信号的互相作用，即，由传输声音中听觉时间的差别产生的由右耳和左耳感觉到的信号幅度的听觉强度差别或者输入到右耳和左耳的声音相位的差别。根据对于人的双耳的研究结果，模拟了由人辨别存在于空间某点的音源的特性。这样的辨别特性被称为头部相关传递函数(以下称为“HRTF”)。
HRTF是一个滤波系数，该滤波系数用于模拟从音源到耳鼓的路径，其特征在于具有随着音源和头部之间的相对位置而变化的一个值。这种情况下，HRTF描述为在有关人体一部分的中耳中的脉冲响应或者传递函数，其中，当音源存在于空间的一个点时信号被传送到两个耳朵中。通过使用HRTF，能够进行把声音从其存在的位置传送到3D空间中其它任意位置的处理。
同时，人们还就人的听觉感觉是如何能够辨别3D声音空间的问题进行了大量的研究。对此，最近提出了一种虚拟音源并且调查了其实际应用场合。
通常，在具有作为底边连接两个扬声器的直线的等边三角形顶点的位置，听众能够最佳地收听到立体声。然而，由于不能够把收听者的位置限制在该点，因此将产生空间的问题。另外，按照收听者的位置调节声音的平衡是非常困难的。
日本的Aiwa(爱华)公司通过在一般的扬声器设备中加入一个能够产生朝向收听者的强烈声音的“单定向”扬声器解决了这个问题。上述扬声器的最大特点是收听者在朝向扬声器设备的任何位置都能够欣赏到平衡的立体声。在一般的扬声器系统中，如果收听者相对于扬声器设备移动到左方，则由右端扬声器产生的声音将减弱。然而，由于扬声器设备中包含的单定向扬声器在内部倾斜45°，因此右端扬声器将向左产生一个强烈的声音并且向右产生一个微弱的声音。反之，左端扬声器设备中的单定向扬声器将产生一个微弱的声音到达左端并且产生一个强烈的声音到达右端。因而，当收听者位于左边或者右端时由左右两端扬声器产生的声音平衡。
1993年，由日本的另一个公司JVC开发了一种提供虚拟现实声音的扬声器系统，应用该系统，能够仅用两个布置在正面的扬声器从实际不存在扬声器的背部收听到声音。上述扬声器使用了人的听觉特性。人无意识地使用两个耳朵搜索声音的方向。声音传输速度是340m/s，而且两个耳朵间的距离大约是20cm。因而，声音传输到两个耳朵的时间差别最大是1/500s。到达两个耳朵的声音音量的差别还是辨别声音方向的一个重要参数。人用从两个耳朵的差别和眼睛得到的信息辨别声音的来源。这样，如果能够对于声音传输到两个耳朵的时间进行控制，则仅从两个扬声器产生的声音就能够充满整个房间，使得收听者感觉到他/她好像坐在影院里一样。
然而，至今为止所开发的所有有关3D声音的技术都是以单个收听者为对象的。即，当前的音频再生系统当单个收听者位于其底边为连接两个扬声器的直线的等边三角形顶点处时将提供立体声效果。然而，在多个收听者情况下不能够提供相同的和同时的立体声效果。
这样的问题在家庭影院系统的情况下将变得很严重。如
图1所示，当所有的家庭成员围坐在一个音源周围时，一般的家庭影院系统不能够向所有的家庭成员提供良好的立体声。
最近，又有人提出了通过装备“杜比专业逻辑”系统使用较多的扬声器代替两个声道再生而提供临场感觉和空间的建议。然而，在上述的系统中，多个收听者将被限位在连接每一个扬声器的圆的中心去欣赏完整的3D效果。进而，为了提供多声道音频，要提供相应的多个扬声器以及驱动各扬声器的放大器。这样，将产生成本和安装空间的问题。
为了解决上述问题，本发明的目的是提供对于多个收听者不管他们的位置如何，都能够在相同的时间向他们提供相同的3D声音的3D声音再生设备及其方法。
相应地，为了实现上述目的，本发明提供的对于多个收听者的3D声音再生设备包括把输入信号进行滤波以便使各个收听者能够具有相同的虚拟音源的反向滤波器模块，在预定的时间间隔顺序地选择由上述反向滤波器模块滤波了的一个声音信号的时分多路模块，以及把由上述时分多路设备选择了的声音信号输出为声音的多个扬声器。
本发明的另一个方面是提供一种用于再生输入声音信号并通过两个或多个固定数量的扬声器把相同的3D声音提供给多个收听者的方法，该方法包括以下步骤(a)获得模拟上述扬声器和每个收听者的一个耳朵之间路径的扬声器传递函数，(b)通过把扬声器传递函数的逆矩阵与模拟有效音源和收听者一个耳朵之间路径的有效音源传递函数相乘而获得滤波器值的步骤，(c)在预定的间隔内顺序地选择一个滤波器值的步骤，以及(d)使用所选择的滤波器值把输入声音信号进行卷积处理并且把卷积处理的结果输出到扬声器的步骤。
本发明的上述目的和优点将通过参考附图对优选实施例所进行的详细说明而进一步显示出来。
图1是多个收听者位于一个通常立体再生系统中的情况的说明图。
图2是示出本发明的对于多个收听者的3D声音再生系统的结构框图。
图3示出在一个虚拟空间中的音源和双声道再生系统中所包含的两个扬声器之间的关系例。
图4是示出对于生成用传递函数概念描述的双声道再生系统中的虚拟音源的扬声器位置补偿关系。
图5示出双声道再生系统中的虚拟音源和被反向滤波了的实际音源之间的关系例。
图6是示出用滤波器矩阵构成的图4的扬声器位置补偿系统的结构框图。
图7示出用于在多个收听者位置准确地模拟HRTF的试验中的扬声器的布置和头部。
下面结合附图对本发明进行详细描述。
如图2所示，本发明的针对多个收听者的3D声音再生设备包括一个反向滤波器模块100，一个时分多路装置200和多个扬声器300。
反向滤波器模块100为了对于多个收听者400具有相同的有效音源把输入声音信号进行滤波，该模块包括多个反向滤波器部分10、20和30。时分多路装置200选择由反向滤波器模块100滤波了的声音信号中的一个声音信号以便符合预定的周期。扬声器300把由时分多路装置200选择了的声音信号作为声音输出。
本发明的方法中需要一个对应多个收听者的各个位置的HRTF测量模型。这是因为与在两个扬声器中间的一个收听者的标准位置相比较，预想多个收听者的位置变化很大并远离标准位置。因而，对于扬声器和每一个收听者都需要精确的HRTF模型。
本发明中所使用的HRTF描述如下。
HRTF是通过模拟从音源到人的耳鼓的传输路径得到的滤波系数。另外，它还指在显示自由空间中从1个音源到人耳道的声音传输的频率平面上的一个传递函数，另外它还指与人的头部、耳廓和身体有关的频率失真程度。
由于耳朵的结构，信号的频谱在信号达到耳道之前将由于耳朵的不规则形状产生畸变。因为失真量与声音的方向和距离有关，因此，这种频率成分的变化在由人辨别声音方向方面将作为一个重要的因数。HRTF表示了频率失真的程度。
因而，HRTF由音源的位置确定，而且左耳和右耳的HRTF对于相同位置的音源相互不同。另外，由于每个人的脸和耳廓的形状都互不相同，因此HRTF随每个人体而不同。
通过使用HRTF能够再生3D声音。即，当HRTF位于特殊位置并且把输入音频信号进行了卷积处理时，声音好像是在特殊位置产生的。y[n]＝h[n]*x[n]＝IFFT{H[k]·X[k]}如公式1所示，通常，两个信号h[n]和x[n]在时域中的卷积与被进行了FFT(快速付立叶变换)处理的两个信号H[k]和X[k]在频域中乘法的IFFT(逆快速付立叶变换)相同。预先把给定的HRTF进行FFT处理。一般，选择上述方法是由于频域中乘法的处理速度远快于时域中的卷积运算。
首先，得到与扬声器的最初位置信息相对应的HRTF，然后得到另一个与虚拟声源相对应的HRTF，并且执行矩阵运算。该矩阵运算提供了扬声器的位置和有效音源位置之间的相互关系。这样，由于在任何位置的扬声器能够通过矩阵运算获得彼此的关系，因此，再生声音的质量能够与扬声器的位置无关。
首先，叙述只有一个信号收听者情况下的3D声音再生方法。
如图3所示，假设一个收听者的位置处于把作为所需数据再生3D声音的两个扬声器连接起来的圆的中心，则需要6个HRTF从每一个扬声器到收听者两个耳朵的4个HRTFs和从一个虚拟音源到收听者的两个耳朵的两个HRTF。图3中，L和R表示左右两个扬声器各自的位置，vs表示收听者希望从该处收听到声音的虚拟位置。
尽管全部声音实际上是从两个扬声器产生的，然而收听者感觉到声音好像产生于3D空间中的特殊位置。通过改变由两个扬声器产生的声音自身，把输入信号以及收听者希望从该处收听到声音的特殊位置的HRTF进行卷积处理，这是可以实现的。
为了改变两个扬声器和两个耳朵之间的HRTF，使用了一个反向滤波器。这里，从左端扬声器输出的信号不被传输到左边的耳朵，并且从右端扬声器输出的信号不被传输到右边的耳朵中。这是交叉干扰消除方法。在消除了由两个扬声器产生的信号以后，对于收听者希望收听到声音的方向的HRTF与输入信号一起被进行卷积处理。这样，收听者感觉到声音好像不是从扬声器而是从特殊位置产生的。
参照图4，方框C110是用于模拟从两个扬声器到人的两个耳朵的声音传输路径的滤波器矩阵，方框D120是模拟从虚拟音源传输的收听者希望收听到两个耳朵中的声音的路径的滤波器矩阵。方框H130是用于对虚拟音源和两个被设置的扬声器之间的关系进行补偿的反向滤波器矩阵，其中，在输出到扬声器之前对输入信号进行卷积处理。图5示出了以上关系的概念。
图6示出了反向滤波器H的计算方法。即，在两个输入信号分别是L和R时，从扬声器传输到两个耳朵的最终输出信号YL和YR能够描述如下[公式2]YLYR=CLLCRLCLRCRR·HLLHRLHLRHRR·LR]]>另外，绐定收听者希望从该处收听到声音的位置中的虚拟输出值是VL和VR，则以上关系能够描述如下[公式3]VLVR=DLLDRLDLRDRR·LR]]>作为结果，在理想的状态下，公式2和公式3将相同。实际上，如果两个公式之间的差别很小则一致性相当好。假设以上两个公式相同，则反向滤波器H矩阵能够从以下公式获得。[公式4]HLLHRLHLRHRR=CLLCRLCLRCRR-1·DLLDRLDLRDRR]]>=1CLLCRR-CLRCRLCRR-CRL-CLRCLL1·DLLDRLDLRDRR]]>以下说明对于多个收听者的再生方法。
在对于多个收听者情况下的再生方法中，首先应该提出一个对应于各听收者的位置的精确的HRTF模型。因为像用MIT提供的Kemar这样典型的HRTF模型模拟的是当一个收听者位于中心时的传递函数，所以事实上它不能够应用于本发明中。因而，测量符合收听者位置的HRTF，必须如图7所示那样排列试验设备。这里，每个收听者之间的距离设定为30cm并且两个扬声器的位置向左、右各偏离30°，这是一个标准的立体声再生位置。通过使用上述得到的每个收听者位置的HRTF，重新计算各反向滤波器，以便获得与各个收听者相对应的包括多个反向滤波器部分10、20和30的反向滤波器模块100。
以下将描述本发明核心部分的时分方法。
以一定的时间间隔顺序地选择对于各个收听者独立进行处理的反向滤波器，并且通过两个扬声器再生由被选择的反向滤波器部分处理了的声音信号。因为尽管实际的切换组成的场景并不连续，然而，由于视觉暂留现象，我们的眼睛感觉到好像是在一定时间间隔内连续的一个连续场景，因而上述方法是可行的。即，尽管每个滤波器处理的结果是与各个收听者的位置相互独立的，但当该处理结果在预定的时间间隔内顺序地输出到扬声器时，每个收听者都能够感觉到在他/她的位置他/她听到了连续的声音。
这里，最重要的事情是对于各个位置的再生时间间隔。如果对于某个位置的再生时间间隔设置得过长，则在其它位置的其他收听者收听不到声音。另外，如果再生时间间隔过短，则收听者不能够具有充分的时间去收听一个完整的声音。
本发明的作用如下。
为了通过两个扬声器再生所输入的声音信号，使得对于多个收听者提供相同的3D声音，要获得对每一个收听者模拟从两个扬声器到每一个收听者的两个耳朵之间的路径的扬声器传递函数。这里，收听者的位置能够被确定在一个特殊的范围内，而不必限定在中心位置。
另外，通过模拟虚拟音源和收听者的一个耳朵之间路径的虚拟音源传递函数与扬声器传递函数的逆矩阵相乘得到滤波器值。输入声音信号用一个滤波器值进行卷积处理。
在预定的间隔顺序地选择一个滤波器值并且输出到扬声器。由于对于收听者需要至少20ms的时间间隔去辨别声音，因此本发明中每个收听者位置的再生间隔至少大于20ms。另外，如果有大量的收听者，则由于对于所有的收听者将占用很多时间去处理信号，因此本发明的时分多路方法在收听者数量方面存在限制。
在所介绍的本发明实施例中，能够按照收听者的全部数量可变地调整构筑时分间隔。
另外，以上叙述中扬声器的数量限制为两个，然而，本发明也可以使用多个扬声器。因而，值得注意的是本发明并不局限于上述实施例，在本发明的精神和由附加的权利要求确定的范围内能够产生用公知技术进行的变化和更改。
如上所述，根据本发明，则能够仅使用两个扬声器就欣赏3D声音并且能够同时把相同的3D声音效果提供给多个收听者。
特别是，当在房间内欣赏音频/视频家庭影院系统时，自由地坐在扬声器之前的所有家庭成员都能够同时收听到相同的3D声音并且欣赏逼真的声音。
权利要求
1.一种针对多个收听者的3D声音再生设备，其特征在于包括反向滤波器模块，用于把输入声音信号进行滤波使得每一个收听者能够具有相同的虚拟音源；时分多路模块，用于在预定的间隔顺序地选择由上述反向滤波器模块滤波了的一个声音信号；多个扬声器，用于把由上述时分多路设备选择了的声音信号作为声音输出。
2.如权利要求1中所述的设备，其特征在于上述反向滤波器模块包括与收听者的数量相同的多个反向滤波器部分，每个上述滤波器部分都具有一个滤波特性，该滤波特性是通过把模拟上述扬声器和对应于反向滤波器部分的收听者的一个耳朵之间路径的扬声器传递函数C的逆矩阵C-1与模拟一个虚拟音源和收听者耳朵之间路径的虚拟音源传递函数D相乘得到的值。
3.一种通过两个或多个固定数量的扬声器再生输入声音信号以便向多个收听者提供相同的3D声音的方法，该方法的特征在于包括以下步骤(a)获得扬声器传递函数，该传递函数模拟上述扬声器和每个收听者的一个耳朵之间的路径；(b)获得滤波器值，该滤波器值通过把扬声器传递函数的逆矩阵与模拟虚拟音源和收听者一个耳朵之间路径的虚拟音源传递函数相乘获得；(c)在有效的间隔内顺序地选择一个滤波器值的步骤；(d)使用被选择的滤波器值把输入声音信号进行卷积处理并且把卷积处理的结果输出到扬声器。
4.如权利要求3中记述的方法，其特征在于上述步骤(c)中的上述预定间隔与上述收听者的数量成比例地变化。
全文摘要
本发明为一种对于多个收听者的3D声音再生设备,包括:用于把输入声音信号进行滤波以便使收听者能够具有相同的虚拟音源的反向滤波器模块,用于在一定的间隔内顺序地选择用反向滤波器模块滤波了的一个声音信号的时分多路模块,用于把由时分多路设备选择了的声音信号输出为声音的多个扬声器。因而,该3D声音再生设备能够同时地把相同的3D声音提供给多个收听者。
文档编号H04R3/12GK1253464SQ98123678
公开日2000年5月17日 申请日期1998年10月30日 优先权日1998年10月15日
发明者金度亨, 徐亮锡 申请人:三星电子株式会社