一种三维环绕声重放系统的扬声器环境自适应校准方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于三维环绕声重放技术领域，本发明提出了一种扬声器环境自适应校准 方法，解决了三维环绕声重放系统对扬声器摆放位置固定，幅频特性一致的要求。
【背景技术】
[0002] 3D多媒体的时代已经到来，3D音视频系统也正迅速走向电影院，家庭影院，及手 持终端设备，成为全球各大电子制造商的新焦点。环绕声重放技术在3D音视频系统占有 重要的地位，目前主流的技术包括VBAP(VectorBaseAmplitudePanning)、Ambisonics， WFS(WaveFieldSynthetize)。其中Ambisonics方法是 1973 年由牛津大学的Michael Gerzon提出的（参考：GerzonM."Periphony:With_HeightSoundReproduction,"Journal oftheAudioEngineeringSociety,vol. 21(1)，pp. 2-10, 1973)，主要是通过基于球谐函数 对原始声场的分解与重建来控制虚拟声源的方位。以Ambisonics声重放系统为例，基于 Ambisonics声重放系统技术特点是编解码分离，在编码阶段，根据虚拟声源的方向得到各 球谐基函数的投影值；在声场重放阶段，根据重发扬声器的数量、方位和编码环节得到的投 影值，得到不同通道信号的输出增益，把此增益输送给对应的扬声器重发，达到在扬声器阵 列中心位置处重建源声场的目的。
[0003] 尽管Ambisonics方法编解码分离的方案给3D声音录音和重放带来了很大的优 势，但在走向市场的道路中却遇到困难，原因之一就是Ambisonics是基于声场重构方法通 过复杂的数学计算得到的，它假设复现声场为自由声场，播放设备各通道幅频特性一致，扬 声器大致均匀分布在一个以听者为中心的球面上。而这些条件在影院尤其是家庭影院等实 际应用中很难满足，导致基于Ambisonics重建的声场出现较大重构误差，无法满足听音需 求。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种应用于三维环绕声 重放系统的环境自适应扬声器校准方法，可均衡非自由声场，非一致性信道，以及扬声器非 球面分布带来的影响。
[0005] 本发明的具体思想是，首先测出听音环境中各通道扬声器到听音位置的冲击响应 函数（冲击响应函数记录了播放系统及扬声器的幅频特性，声场中扬声器位置到预先设定 的听音位置的混响特性），其次求出冲激响应函数的逆系统，最后将计算得到的理想三维环 绕声重放系统中各扬声器应播放的音频信号卷积上此逆系统的冲激响应，可均衡非自由声 场，非一致性信道，以及扬声器非球面分布带来的影响，解决三维环绕声重放系统中虚拟声 源定位不准的问题。
[0006] 图1为本发明流程框图，分为四个步骤，
[0007] 1、测量各通道扬声器到听音位置的传递函数Un)，M为扬声器总数。
[0008] 2、计算传递函数hiOi)的逆函数区?，使i=1…M。式中5 (n) 为单位冲击函数，n代表时间，n= 0时，该函数值为1，其他均为0。
[0009] 3、已知信号S，测量信号源的虚拟方位（0，S)以及各扬声器的摆放位置（0i， S;)，依据三维环绕声算法（比如Ambisonics算法），计算各扬声器理想输出信号tyi= 1…M〇
[0010] 4、把各通道扬声器理想的输出信号与相应通道的逆函数gi(n)进行卷积得到各 扬声器的实际输出信号t'；，i= 1…M。
[0011] 与现有技术相比，本发明的积极效果为：
[0012] 本发明在听者的位置放置一个麦克风，用MLS序列测量各扬声器的传递函数，再 求其逆函数，最后，把逆函数作用于基于三维环绕声技术求出的各音箱播放信号，此方法可 均衡由扬声器性能、非球面均匀分布、传输信道的不一致性，以及室内混响带来的影响，通 过对理想系统、未均衡系统以及均衡后系统的球谐函数分解系数进行比较可得，均衡后系 统优于未均衡系统。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明方法流程图；
[0014] 图2为传递函数测量系统图；
[0015] 图3为基于MLS序列测量传递函数的流程图；
[0016] 图4为扬声器摆放位置图；
[0017] 图5为二维空间三阶球谐函数分解系数图；其中，
[0018] (a)为理想系统系数图，（b)为未均衡系统為g系数图，（c)为均衡后系统4& 系数图，
[0019] (d)为理想系统』II系数图，（e)为未均衡系统鐵I.系数图，（f)为均衡后系统J截系 数图，
[0020] (g)为理想系统巧A系数图，（h)为未均衡系统d系数图，⑴为均衡后系统,4= 系数图，
[0021] (j)为理想系统系数图，（k)为未均衡系统系数图，⑴为均衡后系统』:|1 系数图；
[0022] 图6为三种系统的空间系数相关图；其中，
[0023] (a)为理想系统的相关系数，（b)未均衡系统的相关系数，（c)为均衡后系统的相 关系数；
[0024] 图7为空间指向图；其中，
[0025] (a)为理想系统水平角10度，（b)为未均衡系统水平角10度，（c)为均衡后系统 水平角10度，（d)为理想系统水平角20度，（e)为未均衡系统水平角20度，（f)均衡化系 统水平角20度。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，本发明的流程如图1所示。
[0027] 步骤1 :各通道扬声器到听音位置传递函数测量：
[0028] 传递函数测量方法的激励信号包括最大长度伪随机序列（MLS:MaXimumLength Sequence)，Gelay码及扫频信号等，本发明中采用最大长度伪随机序列（MLS)作为激励信 号，测量听音环境内各扬声器到听音位置的传递函数。具体方法为：
[0029] 声源到达听音者的位置在音量不是很大时可近似满足线性时不变的条件，我们可 以将这个过程看成是一个线性时不变系统，任何系统都有自己的传输特性，即传递函数。我 们把输入激励信号用x(n)表示，测试系统的传递函数用h(n)表示，输出信号用yi(n)表 示，则常用的测量问题总是通过测量x(n)和yi (n)，来求解二者之间的关系h(n)，如图2所 示。其中，yi(n)Shjn)与x(n)的卷积。在测量传递函数时，测试信号x(n)作为输入信号 进入系统，通过测量最后得到的输出信号yi(n)。根据二者关系求得整个系统的传递函数， 即为我们想得到的传递函数。
[0030] 理想的测量传递函数的激励信号应满足的特点：激励信号的序列可重复再生；激 励信号是确定信号，激励信号是宽带信号，具有最大的信噪比SNR，具有最小的非线性时变 误差。可选用MLS序列，Golay码和扫频彳目号。本发明米用MLS序列，但不限于MLS序列。
[0031] 首先，假设测量系统是线性时不变系统。长度为L的MLS序列x(n)的圆自相关函 数为：
[0032]
[0033] 以上性质说明，x(n)的自相关函数若除以序列长度，则近似于一个脉冲信号。利 用MLS序列的以上性质，我们可以推导出MLS序列测量传递函数的原理：
[0036] 其中，h'Jn)为实际测量得到的传递函数，hjn)为待测系统的传递函数，x(n) 为输入系统的MLS序列，y(n)为系统测量得到的输出信号。
[0037] 系统得到的输出信号y(n)与输入的MLS序列x(n)计算互相关后，除以序列长度 L。当序列长度L足够时，f近似于一个脉冲信号。这样的方法得到的h'Jn)近似为 h(n)。在测量时需要注意，MLS序列的长度L需要大于室内环境的混响时间，否则x(n)与 互相关中的圆卷积和线性卷积并不相等，会出现时间混叠的问题。测试流程如图3。
[0038] 所以利用MLS序列测量传递函数的具体过程如下：
[0039] 1)生成N阶长度为L= 2N1的MLS序列x(n);
[0040] 2)测量得到系统的输出信号y(n);
[0041] 3)计算x(n)与y(n)的互相关，并除以序列长度L得到h' ? ;
[0042] 4)多次测量取平均值。
[0043] 步骤2 :传递函数的逆系统计算
[0044] 步骤1测量的传递函数包含了播放系统及扬声器的幅频特性，声场中扬声器位置 到听音位置的混响特性，本发明第二步采用最小二乘方法，但不限于最小二乘方法，估计步 骤1中得到传递函数的逆系统的传递函数，来均衡非自由声场，非一致性信道，以及扬声器 非球面分布带来的影响。具体方法描述为，
[0045] 测得的传递函数h(n)，则逆函数gi(n)应满足
[0046] gj(/?) 0 /v,-(n)-S(n-J") i4)
[0047] 式中T为系统延迟，如果直接对此式求解，解得的gl(n)会出现不稳定的情况，因 此本发明采用最小二乘算法，在最小均方意义上解得gl (n)的稳定近似解。
[0048] 引入w(n)为随机白噪声序列，得到序列f(n)满足下式，
[0049] /(/?) =uin)?g, (/?) ?h：in) (s)
[0050] 式中h(n)为传递函数，gdn)为传递函数(n)的逆函数。
[0051] 理想情况下f(n) =w(n-T)，将上式展开：
[0052]
_
[0053] 式中= d为逆滤波器的长度，n的取值限定值为e，应大于等于 d，保证方程超定。
[0054] 转化为矩阵形式，
[0055] F=B