自动的扬声器极性检测的制作方法

文档序号:9221994
自动的扬声器极性检测的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年1月24日提交的美国临时专利申请第61/756,088号的优先 权,通过引用将其全部内容合并到本文中。
技术领域
[0003] 本发明涉及用于检测音频播放系统中的扬声器的极性的系统及方法。典型的实施 方式是用于自动检测被安装在影院(影剧院)环境中的扬声器的极性的系统及方法。
【背景技术】
[0004] 影院音响行业目前正在经历从广泛使用具有少数声道的多声道扬声器系统(例 如,具有5个或7个全范围声道的5. 1或7. 1声道系统)到使用提供更多个声道(通常,N 个全范围声道,其中,12 <N< 64)的新系统的显著变化。扬声器通常位于听者上方的整个 半球(hemisphere)之上的这种新系统使得声音能够在该半球内精确定位和运动,并且可 以重建更真实的"3D"氛围和混响。在本文中,有时会使用表达"许多声道(many-channel) 系统"(相比于"多声道(multi-channel)"系统)来指代新型系统,在该新型系统中,全范 围声道的数量远大于7。
[0005] 预期的是,在典型使用中,许多声道系统将基于幅度平移(amplitude-panning) 来平移声源,对于给定的声源,幅度平移强烈地依赖于来自参与再现的几个扬声器(一大 组安装的扬声器的子集)的信号的相干性。甚至在与立体声系统一样简单的系统中,如果 两个扬声器的响应(幅度和相位)被错误地匹配,则声音的意在在扬声器之间平移的感知 位置可以模糊地被呈现,或者甚至在扬声器之间的区域外部。
[0006] 因此,对于新的许多声道扬声器系统的目前全球部署而言必要的是,技术上可达 到确保给定的播放场所中的所有声道被正确地匹配。大多数现有的均衡(equalization) 处理关注于对不同声道的幅度响应进行校正,这确保跨声道的音质感知的正确匹配。然而, 为了确保遍及整个系统的正确的声音成像,需要解决每个声道的相位响应的匹配。
[0007] 在许多声道安装中遇到的最常见的问题之一是:大量声道的极性被反转。这通常 是由于在建立阶段期间错误的布线或者音频链的部件之一内部的错误布线。后者更难以由 安装者检测和修理,因为所有可见的布线实际上是正确的。然而,在这两种情况下,当具有 错误的扬声器极性的声道参与声音平移时,将严重地危害声音成像。
[0008] 此外,在多路有源或无源扬声器系统(具有多个驱动器)中,极性反转会影响驱动 器中的仅一个驱动器。当在低音驱动器中发生错误极性时,如心理声学文献中众所周知的, 可以如同在全部扬声器极性系统被反转时一样严重地危害声音成像。因此,重要的是不仅 确保跨声道的正确的极性匹配而且确保跨单个声道中的不同驱动器的正确的极性匹配。
[0009] 重要的是,将扬声器极性检测实现为自动的并且避免花费额外时间。发明人已经 认识到,为了实现快速和自动的扬声器极性检测,应当避免使用声脉冲群(toneburst)或 非对称信号(如在1991年10月4日至8日在纽约举办的第91届音频工程协会会议上 D.B.Keen,Jr?提出的论文"MeasurementofPolarityBand-LimitedSystems(极性带限 系统的测量)")。
[0010] 随着被安装在典型的播放场所中的声道数量的预期增大,错误极性问题的可能性 相应地增大。不幸地,建立许多声道扬声器系统所需要的时间会较长。因此,预期的是,许 多声道系统安装者检查和校正错误极性问题的时间通常将较少。因此,会期望提供以下方 法:一方面,该方法自动执行这种检测,并且另一方面,该方法不对建立所需要的时间具有 显著的影响。后一限制喜好以下方法:不要求针对极性分析具体定制的另外信号的发出和 捕获,而是能够重新使用在新安装的扬声器阵列的常规的初始校准或对准(有时称作均衡 或剧院均衡)期间正常执行的测量。
[0011] 最终,期望用于确定扬声器极性的自动方法对于测量麦克风在播放场所中的类型 和位置的选择是鲁棒的,以及对于由于在场所中存在不同的扬声器模型以及扬声器在场所 中的位置的差异导致的相位响应的细节中的自然差异是鲁棒的。不幸地,延迟、混响和噪声 使常规的极性检查方法不准确和/或具有其他问题。
[0012] 在2006年3月9日公开的美国专利申请公开第2006/0050891号中描述了用于自 动确定扬声器相位的常规方法。该方法包括以下步骤:用脉冲驱动扬声器,使用麦克风捕获 所产生的发出的声音,根据捕获的音频确定脉冲响应(从扬声器至麦克风),并且通过确定 脉冲响应的第一峰(第一峰的幅度的绝对值超过预定阈值)的符号来确定扬声器的极性。 如果第一峰的幅度的符号为正,则该方法确定扬声器具有正极性。然而,该方法受制于如 下限制:该方法不确定测量的脉冲响应的质量,并且从而会不期望地根据错误测量的响应 (例如,仅指示噪声的响应)来确定扬声器极性。

【发明内容】

[0013] 在典型的实施方式中,本发明是用于自动检测音频播放系统的扬声器(例如,安 装在影院环境中的扬声器)的相对极性的方法。本发明的方法的典型实施方式可以在家庭 环境以及影院环境中执行,例如,其中麦克风输出信号的所需要的信号处理在家庭剧院设 备(例如,具有用于执行该方法的麦克风的被运送至用户的AVR或蓝光播放器)中被执行。
[0014] 在第一类实施方式中,本发明是用于使用播放环境中的一组M个麦克风来确定播 放环境中的(例如,许多声道播放系统或其他多声道播放系统的)一组N个扬声器的相对 极性的方法,其中,M是正整数(例如,M= 1或2)并且N是大于1的整数。该方法通常检 测声道间的极性反转,其中每个声道包括扬声器(例如,包括一个或更多个驱动器的全范 围扬声器),并且还可以检测至少一个声道中的特定驱动器间(即,单个多驱动器扬声器的 驱动器间)的极性反转。在第一类的典型实施方式中,该方法包括以下步骤:
[0015] (a)测量脉冲响应,包括每个扬声器麦克风对的脉冲响应。通常,这通过以下操作 来进行:用宽带激励(例如,如果使用脉冲确定算法,脉冲或噪声信号或正弦波扫描)驱动 每个扬声器,获得指示在从每个被驱动的扬声器发出声音期间由每个麦克风捕获的声音的 音频数据,并且通过对音频数据进行处理来确定脉冲响应;
[0016] (b)将扬声器聚类成组的集合(一个组或多个组),该集合中的每个组包括在至少 一个方面彼此相似的至少两个扬声器;以及
[0017] (c)针对每个所述组,确定该组中的扬声器的脉冲响应对的互相关,并且根据互相 关来确定所述组中的扬声器的相对极性。
[0018] 由于各自具有域的两个脉冲响应的互相关是具有相同域的函数,所以在本文中可 相互交换地使用术语"互相关"和"互相关函数"。如果与所比较的脉冲响应对相对应的扬 声器(扬声器或驱动器)同相,则响应的互相关函数的峰值为范围在0与1.0之间的正值 (这假定其正值在指出的范围内的归一化的互相关函数。应当假定本文中提及的互相关函 数是这样被归一化的)。如果与所比较的脉冲响应对相对应的扬声器180°异相,则响应的 互相关函数的峰值是范围在〇与-1.0之间的负值。在典型实施方式中,步骤(c)包括以 下步骤:(针对每个组)确定与该组中的两个扬声器对应的每对脉冲响应的互相关的峰值, 当确定该峰值为正并且超过预定正阈值(通常正阈值的范围为从〇. 3至0. 5)时确定这两 个扬声器同相,而当确定该峰值为负并且其绝对值超过预定正阈值时确定这两个扬声器异 相。
[0019] 通常,每个麦克风生成模拟输出信号,并且通过对每个所述模拟输出信号进行采 样来生成音频数据,优选地,音频数据被组织成具有足以获得足够低的频率分辨率的帧大 小的帧。
[0020] 可选地,在确定和分析互相关之前,对脉冲响应(或对原始麦克风输出信号)执行 处理。通常,该方法的结果是每个组中的具有反转的极性(即,相对于该组中的代表扬声器 的极性)的扬声器的列表,其中该列表指示基于每扬声器(全带)或基于每驱动器(其中, 扬声器包括多驱动器扬声器的驱动器)的反转的极性。该列表不仅可以指示扬声器同相还 是异相,而且还可以指示不与其他扬声器具有清晰的极性关系的扬声器,这可以指示有缺 陷的扬声器。这样的列表可以被自动校正算法使用,或简明地用于给扬声器系统安装者标 记警告。
[0021] 与其他技术(例如,峰检测、时间延迟估计和相位分析)相比,使用互相关分析提 供了若干优点,包括提供连续估计和鲁棒性。
[0022] 对所比较的扬声器进行聚类(在本文中有时被称为分组)是本发明的典型实施方 式的重要步骤。仅当与分组一起使用时,才能够充分开发互相关分析。在不进行分组的情 况下,可以根据迥然不同的扬声器(例如,因为它们具有不同的类型或模型,例如屏幕上扬 声器或环绕扬声器,或者因为它们位于迥然不同的位置)的脉冲响应对来确定互相关,这 将总是产生很低的峰互相关,并且将不提供指示相对极性的有用的结果。对所比较的扬声 器进行聚类使得互相关分析能够受限于相似的扬声器的组,并且从而提高本发明的方法在 确定相对极性时的有效性。
[0023] 在本发明的典型实施方式中执行的聚类通常是以下两种不同类型的聚类中之
[0024] 基于指示扬声器的特性(例如,它们在房间中的位置、每个扬声器的类型、等等) 的数据的聚类。这种类型的聚类有时被称为"类型1聚类"。类型1聚类所基于的数据通常 被预先确定,并且可以按照各种不同的方式中的任意方式,例如通过读取手工编写的文件 或通过从测量的脉冲响应推断(例如,通过从测量的脉冲响应得到房间中的位置,并且从 测量的脉冲响应推断被测量的扬声器是否是全带宽)来生成(或被提供至实现本发明的方 法的处理器);以及
[0025] 根据如下算法的聚类,该算法依赖于根据扬声器对的脉冲响应确定的互相关(例 如,互相关的峰值)。这种类型的聚类在本文中有时被称为"类型2聚类"。类型2聚类的 主要目的是形成具有高的扬声器间相关值的子组。然而,类型1聚类假定相似的扬声器位 置和响应将产生高的互相关值,类型2聚类直接使用测量的互相关值。
[0026] 在本发明的一些实施方式中执行的聚类是类型1聚类和类型2聚类两者的组合 (例如,基于指示扬声器的特性的数据的初始聚类,在此之后是基于测量的互相关值初始确 定的集群的修改,或同时执行的类型1聚类和类型2聚类)。例如,如果互相关分析发现扬 声器相比于初始确定的集群中的其他扬声器不具有清晰的相关,则该扬声器可以从该集群 中去除并且被置于另一集群中。
[0027] 在典型实施方式中,在互相关计算之前,对确定的脉冲响应执行额外的信号处理, 以增加互相关值的鲁棒性和显著性或者使得该算法能够检测单个(多驱动器)扬声器中的 各个驱动器的极性反转。如下面详细地说明的,这样的信号处理通常包括以下处理中至少 之一:带通滤波以选择相关的驱动器;时间加窗(在本文中也称为选通或加窗)以降低房 间影响;以及频带的加权(例如,对数加权)以避免对高频进行过加权。时间加窗可以是频 率相关的时间加窗。时间加窗也可以用于通过去除所获取的记录中的没有信号仅有噪声的 时段来降低噪声影响。
[0028] 通常执行两种时间加窗操作。第一种对原始记录进行选通,原始记录不一定是脉 冲(通常其不是脉冲,因为脉冲通常具有低SNR),并且通常在由房间和麦克风噪声居主导 的激励前后具有"静默"时段。在得到脉冲响应之前,第一选通从记录中去除静默时段。第 一选通通常要求原始麦克风记录与原始激励的时间对准。在得到全长度脉冲响应(其持续 时间可以是几秒)之后,第二选通减小(或以其他方式加窗)脉冲响应的持续时间以去除 另外的噪声和房间影响。
[0029] 在一些实施方式中执行的时间加窗包括将脉冲响应乘以提供淡入和淡出的函数。 时间加窗通常是频率相关的,例如,较长的脉冲响应被保留在低频处而较短的脉冲响应被 保留在尚频处。
[0030] 在一些实施方式中,本发明是用于检测一组扬声器(例如,一组多驱动器扬声器 的每个驱动器)的相对极性的方法,所述方法包括以下步骤:
[0031] 1.依次用宽带激励驱动每个扬声器,并且获得指示在从每个驱动的扬声器发出声 音期间由至少一个麦克风捕获的声音的音频数据。通常,用宽带激励依次驱动每个扬声器, 使用一个或更多个麦克风捕获从每个驱动的扬声器发出的声音,并且与对扬声器序列的驱 动激励的施加时钟同步地记录所捕获的音频(每个麦克风的输出);
[0032] 2.根据音频数据(例如,原始记录)确定从每个扬声器(扬声器或其驱动器)至 每个麦克风的脉冲响应。虽然保持了房间混响,但是在该操作中隐含的求平均有助于抑制 记录中存在的任何噪声;
[0033] 3.优选地,对脉冲响应进行时间加窗以去除由房间反射居主导的部分。通常,针对 宽带扬声器,窗口周期从-1毫秒延伸至2. 5毫秒(相对于初始峰),而针对低音炮为从-10 毫秒延伸至25毫秒;
[0034] 4.对于每个麦克风,针对扬声器(扬声器或驱动器)脉冲响应对来计算互相关函 数,并且根据该互相关函数确定扬声器对的相对相位。可选地,在确定互相关函数之前,脉 冲响应被均衡和/或带通滤波。虽然不同位置的扬声器通常具有不同的不相关的混响尾部 (reverberationtail),但是互相关的确定倾向于抑制混响,并且从而提供极性相关的互 相关结果。通常,确定每对脉冲响应(对应于两个扬声器)的互相关的峰值,并且该方法包 括以下步骤:当确定互相关的峰值为正并且超过预定正阈值(通常正阈值的范围为0. 3至 0. 5)时确定这两个扬声器同相,当确定互相关的峰值为负并且其绝对值超过预定正阈值时 确定这两个扬声器异相。
[0035] 还可选地,还执行以下步骤中至少之一:
[0036] 5.在模棱两可的情况下,遍及至少三个所使用的麦克风测量根据扬声器(扬声器 或驱动器)对而确定的互相关函数,并且使用投票模式(即,执行投票操作或加权平均)来 选择扬声器对的最终极性(例如,其中针对N个麦克风中的每个确定互相关,其中N是大于 2的奇整数,将由N个互相关中的大多数指示的极性选择为扬声器对的极性);以及
[0037] 6.由于当不存在明确定义的宽带极性关系时不相似的模型的扬声器有时会产生 极性的伪正指示(正或负),所以所比较的扬声器(扬声器或驱动器)被分成不同的组,每 个组由其间存在由针对扬声器对确定的互相关函数指示的强相关的扬声器组成(这是类 型2聚类的示例)。通常,如果由针对扬声器(使用任意麦克风)确定的互相关函数不指示 强相关,则扬声器被分配至不同的组。通过在每个扬声器(最初被分配至第一组)与一组 其他扬声器(包括被分配至至少一个其他组的扬声器)中的每个扬声器之间比较互相关, 并且如果从该扬声器与不同组中的扬声器的互相关得到较强,更一致的极性指示,则将该 扬声器重新分配至不同的组中,来降低伪正(正或负相对极性的伪指示)的风险。分组也 可以依赖于观察的频率响应(例如,宽带扬声器或低音炮应当被置于不同的组中)。在一些 情况下,系统配置文件对于关于要比较其极性的扬声器的信息是可用的,然后该信息可以 用于改进扬声器至组的分配。
[0038] 在另一类实施方式(实现类型1聚类)中,本发明是用于检测扬声器的集合中的 每个扬声器的极性的方法,所述方法包括以下步骤:
[0039] 1.用宽带激励驱动每个扬声器,并且获得指示在从每个被驱动的扬声器发出声音 期间由至少一个麦克风捕获的声音的音频数据。通常,用宽带激励依次驱动每个扬声器,使 用一个或更多个麦克风捕获从每个被驱动的扬声器发出的声音,并且与对扬声器序列的宽 带激励的施加时钟同步地记录所捕获的音频(每个麦克风的输出);
[0040] 2.根据音频数据(例如,原始记录)确定从每个扬声器(扬声器或其驱动器)至 每个麦克风的脉冲响应。虽然保持了房间混响,但是在该操作中隐含的求平均有助于抑制 记录中存在的任何噪声;
[0041] 3.优选地,对脉冲响应进行时间加窗以去除由房间反射居主导的部
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