表示声场的方法和系统的制作方法

专利名称：表示声场的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种从获取装置发出的信号表示声场的方法和设备。
背景技术：
当前用于获取并表示声音环境的方法和系统使用基于物理上无法实现的获取装置的模型，特别就涉及这些获取装置的电声学和/或结构特性而言。
例如获取装置包括一组测量元件或基本传感器，排布在特定的空间位置并有固有的电声学获取特性。
当前的系统受到获取装置的结构特性，诸如基本传感器的物理排布与电声学特性的限制，并发出所获取的声音环境的退化表示。
例如纳入术语“立体混响声”的系统只考虑与包括多个基本传感器的获取装置的中心相对应的声源方向，其结果是获取装置等价于点微音器。
然而，不可能在一单个的点配置所有的基本传感器，这限制了这些系统的功效。
此外，这些系统通过对虚拟声源建模来表示声音环境，这些虚拟声源围绕中心的角度的分布理论上允许获得这类声音环境。
然而，不可能获得具有高方向特性的基本传感器，限制了这些系统达到表示精确度的一定的水平，按称为球谐函数基础的数学基础，其通常称为“一阶”。
在诸如采用专利申请No.WO-01-58209中公开的方法和获取装置的其他系统中，获取基于在一平面中对表示被获取的声音环境的信息的测量。
然而这些系统使用了基于最优基本传感器的模型，这些传感器必须排布在一个圆圈并引起传感器背景噪声的明显的放大。
从而这些系统要求其固有背景噪声极低的传感器，因而是不实际的。
此外，在这些系统中，声音环境只是由二维模型描述，这引起实际声音特性明显降低的近似。
因而看来由当前系统形成的声音环境的表示是不完善且不良的，因而还没有使能获得可靠的表示的系统。

发明内容
本发明的目的是要通过提供一种方法和装置解决这一问题，其发出的声场的表示基本上与获取装置的特性无关。
本发明涉及一种用于表示声场的方法，包括涉及获取由获取装置发出的测量信号的一步骤，该装置包括暴露在所述声场的一个或多个基本传感器，该方法的特征在于包括-涉及确定编码滤波器的步骤，这些滤波器表示至少所述获取装置的结构特性；以及-涉及通过向这些信号使用编码滤波器来处理所述测量信号的步骤，以便确定在时间上和三维空间中表示所述声场的有限数目的系数，所述系数允许获得基本上独立于所述获取装置的特性的所述声场的表示。
根据其他特征-所述结构特性至少包括所述基本传感器相对于所述获取装置的预定基准点的位置特性；-编码滤波器还代表获取装置的电声特性；-所述电声特性至少包括与所述基本传感器的固有电声获取容量相关的特性；-允许要获得的声场的表示的系数是所谓的付立叶-贝塞尔系数和/或付立叶-贝塞尔系数的线性组合；-涉及确定编码滤波器的步骤包括
-涉及确定代表所述获取装置的获取容量的采样矩阵的一子步骤；-涉及确定互相关矩阵的子一步骤，该矩阵代表由形成所述获取装置的基本传感器发出的所述测量信号之间的相似性；以及-一子步骤，该步骤从所述采样矩阵、所述互相关矩阵、代表声场表示可靠性与由获取装置引起的背景噪声最小化之间理想折中的参数，确定编码矩阵，该矩阵代表所述编码滤波器；-涉及矩阵确定的子步骤对有限数目的工作频率进行；-涉及采样矩阵确定的子步骤从以下参数对形成所述获取装置的每一所述基本传感器进行-代表所述传感器相对于所述获取装置中心位置的参数；和/或-代表所述传感器的获取容量的有限数目的系数；-涉及从以下参数至少之一进行采样矩阵(B)确定的步骤-代表所有或某些传感器频率响应的参数；-代表所有或某些传感器方向模式的参数；-代表所有或某些传感器的指向即它们最大敏感方向的参数；-代表所有或某些传感器背景噪声的功率谱密度的参数；-规定表示所进行的阶(order)的参数；-代表其功率必须等于被表示的声场中对应系数的功率的系数列表的参数；-其包括一个定标步骤，允许在涉及确定编码滤波器的所述步骤中使用的所有或某些参数被发出；-定标步骤，对于形成所述获取装置的所述基本传感器至少之一包括-涉及获取代表所述至少一个传感器的获取容量的信号的子步骤；以及-涉及确定代表所述至少一个传感器的电声和/或结构特性的参数的子步骤；
-定标步骤还包括-涉及特定声场向所述至少一个传感器发射的子步骤，所述获取子步骤对应于当传感器暴露在所述特定声场时获取由所述传感器发出的信号；以及-涉及以有限数目的系数对所述特定声场建模的子步骤，以便允许执行涉及确定代表传感器的电声和/或结构特性的参数的步骤；-所述定标步骤包括一个子步骤，其涉及接收代表形成所述获取装置的所述传感器的电声和结构特性的有限数目信号，在涉及确定所述获取装置的电声和/或结构特性的所述子步骤期间这些信号被直接使用；以及-其包括一个输入步骤，允许在所述涉及确定编码滤波器的步骤期间使用的所有或某些参数被确定。
本发明还涉及一种计算机程序，其包括当在计算机上执行所述程序时用于实现上述方法的步骤的程序代码指令。
本发明还涉及包括至少一个操作处理器和一个非易失存储器元件的可移动支撑，其特征在于所述存储器包括一个程序，该程序包含当所述处理器执行所述程序时用于实现上述方法步骤的代码指令。
本发明还涉及一种用于表示声场的设备，该设备可连接到包括一个或多个基本传感器的获取装置，这些传感器当暴露在所述声场时发出测量信号，其特征在于包括通过对这些测量信号应用代表至少所述获取装置的结构特性的编码滤波器用于处理测量信号的一个模块，以便发出包括在时间上和三维空间中代表所述声场的有限数目系数的信号，所述系数允许实质上与所述获取装置特性无关的所述声场表示被获得。
根据本发明的其他特性-编码滤波器还代表所述获取装置的电声特性；-其进而包括用于确定代表所述获取装置的结构和/或电声特性的所述编码滤波器的装置；-用于确定编码滤波器的所述装置在输入接收以下参数至少之一-代表所有或某些传感器相对于所述获取装置中心位置的参数；-代表所有或某些传感器获取容量的有限数目的系数；-代表所有或某些传感器频率响应的参数；-代表所有或某些传感器的方向模式的参数；-代表所有或某些传感器的指向即它们的最大敏感性方向的参数；-代表所有或某些传感器背景噪声的功率谱密度的参数；-代表在声场表示的可靠性与由获取装置引起的背景噪声最大化之间理想折中的参数；-规定编码进行的阶的参数；-代表功率必须等于被表示的声场的对应系数的功率的系数列表的参数；-其与用于确定由用来确定编码滤波器的所述装置接收的所有或某些参数的装置相关联，所述装置包括至少以下元件-用于输入参数的装置；和/或-定标装置；-其与用于格式化所述测量信号的装置相关联，以发出对应的格式化信号。


通过阅读以下只以例子的方式并参照附图给出的描述，将易于更好地理解本发明，其中图1是球面基准图的表示；图2是表示使用的获取装置的图示；图3是本发明方法的总体流程图；图4是本发明方法定标步骤的一个实施例的详细流程图；图5是涉及本发明方法确定的编码滤波器步骤的一个实施例的详细流程图；
图6是涉及采用编码滤波器步骤的一个实施例的详细图示；以及图7是适于执行本发明方法的一个设备的框图。
具体实施例方式
图1示出传统的球面基准图，以表明文本中涉及的坐标系。
这一基准图是正交基准图，有原点O并包括三个轴(OX)，(OY)和(OZ)。
在这基准图中，标记为 的位置借助于球面坐标(γ，θ，φ)描述，其中γ表示相对于原点O的距离，θ是在垂直平面中的指向，φ是在水平平面中的指向。
在这类基准图中，如果在每一点和每一时刻t定义了表示为p(γ，θ，φ，t)的声压，其付立叶变换标记为P(γ，θ，φ，f)，其中f表示频率，则即知道了声场。
本发明的方法基于空间-时间函数的使用，其允许任何声场在时间上和三维空间中被描述。
在所述的实施例中，这些函数称为第一类球面付立叶-贝塞尔函数，以下称之为付立叶-贝塞尔函数。
在没有源和障碍的区域，付立叶-贝塞尔函数对应于波方程的解，并形成生成由位于这一区域之外的源产生的所有声场的基础。
这样，根据以下所表示的付立叶-贝塞尔逆变换，任何三维声场可由付立叶-贝塞尔函数的线性组合表示P(r,θ,φ,f)=4πΣl=0∞Σm=-1lPl,m(f)jljl(kr)ylm(θ,φ)]]>在这方程式中，项Pl，m(f)定义为场p(γ，θ，φ，t)的付立叶-贝塞尔系数，k＝2πf/c，c是空气中的声速(340ms-1)，jl(kr)是由jl(x)=π2xJl+1,2(x)]]>定义的l阶第一类球面贝塞尔函数，其中Jv(x)是v阶第一类球面贝塞尔函数，以及ylm(θ，φ)是l阶和m项的实球谐函数，m的范围从-1到1，由以下定义ylm(θ,φ)=Pl|m|(cosθ)trgm(φ)]]>
其中 在这方程式中，Plm(x)是由以下定义的相关的Legendre函数Plm(x)=2l+12(l-m)!(l+m)!(l-x2)m/2dmdxmPl(x)]]>其中Pl(x)是由以下定义的Legendre多项式Pl(x)=1dl2ll!dxl(x2-1)l]]>付立叶-贝塞尔系数在时间域还由对应于系数Pl，m(x)的逆时间付立叶变换的系数pl，m(t)表示。
在另一实施例中，声场基于一个函数被分解，其中每一个函数由付立叶-贝塞尔函数潜在的有限线性组合表示。
图2在原理上示出包括N个基本传感器21到2N的获取装置。
这些基本传感器在围绕指定为获取装置1的中心的预定点4的空间中排布在规定的点上。
这样，每一基本传感器的位置可在空间中以诸如参照图1所述的以获取装置1中心为中心的球面基准图表示。
当暴露在声场P时，获取装置1的每一传感器2n发出测量信号cn，其对应于由该传感器在声场中进行的测量。
这样获取装置1发出多个信号c1到cN，它们由获取装置1进行的声场P的测量信号。
这样由获取装置1发出的这些测量信号c1到cN直接与基本传感器21到2N的获取容量相关。
图3示出本发明方法的总体流程图。
该方法以涉及参数输入的步骤10以及涉及获取装置定标的步骤20开始，它们允许代表获取装置1的结构和/或电声特性的一组参数被定义。
某些参数，特别是代表电声特性的参数，是与频率相关的。
将在参照图4更为详细说明的输入步骤10与定标步骤20，它们可同时或以任意顺序执行。
同样地，本发明的方法可只包含输入步骤10。
输入步骤10和定标步骤20允许对于一个或多个传感器确定所有或某些下列参数-代表传感器2n相对于获取装置1中心4的位置的参数 它们以球面坐标(γn，θn，φn)书写；-代表传感器2n的方向图的参数dn(f)，其可取0与1之间的任何值，并允许以全向及双向图的组合描述传感器2n的方向如果dn(f)＝0，则传感器是全方向的如果dn(f)＝1/2，则传感器是心形线的如果dn(f)＝0，则传感器是双向的；-代表传感器2n指向即其最大灵敏度方向的参数αn(f)，这参数由角度对(θnα，φnα)(f)给出；代表传感器2n频率响应的参数Hn(f)，对于每一频率f其对应于传感器2n在方向αn(f)的灵敏度；-代表传感器2n背景噪声功率谱密度的参数σ2n(f)；-代表传感器2n的获取容量即传感器2n收集声场P信息方式的参数Bn，l，m(f)。这样，每一个Bn，l，m(f)代表传感器的获取容量，并特别是其在空间中的位置，且所有Bn，l，m(f)代表由获取装置1进行的声场P的采样；-参数μ(f)，其规定了声场P表示的可靠性与传感器21到2N产生的背景噪声最小化之间的折中，并可取0到1之间所有的值-如果μ(f)＝0，则背景噪声最小；-如果μ(f)＝1，则空间的质量最大；-规定表示进行的阶的参数L(f)；以及-代表系数列表的参数{lk，mk}(f)，其功率必须等于被表示的声场中对应的系数的功率。
在简化的实施例中，所有或某些所述的参数认为是频率无关的。
参数μ(f)，L(f)和{lk，mk}(f)代表最优策略，允许从测量信号c1到cN最优抽取声场P的空间-时间信息，并在输入步骤10输入。其他的参数可在输入步骤10期间输入，或在定标步骤20期间确定。
在简化的实施例中，只使用参数μ(f)，L(f)及所有参数 或所有参数Bn，l，m(f)或参数 与Bn，l，m(f)的组合执行本发明的方法，使得每个基本传感器2n有至少一个参数。
当然，使用的所有或某些参数可通过存储器或专用的装置发出，使操作者能够把这些过程与所述的直接输入步骤10视为等同。
在输入步骤10和/或定标步骤20之后，该方法包括一步骤30，其涉及代表获取装置1的至少结构特性并最好是电声特性的编码滤波器的确定。
将参照图5更为详细说明的这一步骤30，允许考虑在输入步骤10和/或定标步骤20期间确定的所有参数。
因而这些编码滤波器至少代表基本传感器2n相对于获取装置1的基准点4的位置特性。
这些滤波器最好还代表获取装置1的其他结构特性，诸如基本传感器21到2N的指向与相互影响，以及它们的电声获取容量，并特别是它们的背景噪声，它们的方向图，它们的频率响应等等。
在步骤30的末尾获得的编码滤波器可被存储，于是步骤10，20及30只在获取装置1的修改或优化策略的情形下重复。
在涉及从基本传感器21到2N取得的信号c1到cN的处理的步骤40期间，使用这些编码滤波器。
该处理引起对信号的滤波并组合滤波的信号。
在涉及通过对其施加编码滤波器而处理测量信号的步骤40之后，发出代表在声场P的时间上和三维空间中有限个数的系数。
这些系数称为付立叶-贝塞尔系数，标记为Pl，m(f)，并对应于声场P的表示，其实质上与获取装置1的特性无关。
因而显然，本发明的方法允许其时间和空间特性正被转录(transcribe)的声场一种可靠的表示，而不论使用什么获取装置。
图4示出定标步骤20一实施例的流程图。
在这一实施例中，定标步骤20允许直接确定代表获取装置1的获取容量的系数Bn，l，m(f)。
这一步骤20以子步骤22开始，其涉及向获取装置1发出特定的声场，并具有子步骤24，其涉及通过暴露在发出的声场的获取装置1获取测量信号。
对于Q个特定的不同声场这些子步骤22和24被重复，并需要产生特定声场的装置，以及移动和/或转动获取装置1的装置。
例如，使用只包含一个固定扬声器的产生声场的装置执行定标步骤20，该扬声器假设为具有平坦频率响应的点扬声器，扬声器与获取装置1放置在无回声的环境中。
在每一产生子步骤22，扬声器发出相同的声场且获取装置1放置在相同的位置，但是它们指向不同且已知的方向。
当然还能够移动扬声器。
因而，在获取装置1的参照图中，对于每一产生的声场q，扬声器处于不同的位置(rqhp，θqhp，φqhp)。
这样获取装置1暴露在声场q，在获取装置1的参照图中其付立叶-贝塞尔系数Pl，m，q(f)已知到给定的阶，标记为L3。
在所述的实施例中，获取子步骤24之后发出的测量信号为有限个数系数，其代表产生的声场q，以及获取装置1的获取容量。
参数L3与Q的选择考虑到条件Q≥(L3+1)2优选地，该方法随后包括一建模子步骤26，以允许确定在子步骤22期间发出的Q个声场的表示。
这样在步骤26期间确定建模矩阵P，其代表获取装置相继对其暴露的所有已知的Q个声场。这一矩阵P是大小为(L3+1)2×Q((L3+1)2over Q)的一个矩阵，其包括元素Pl，m，q(f)，下标(l，m)标记行(l2+l+m)，而下标q标记列q。因而矩阵P有以下形式
P0,0,1(f)P0,0,2(f)······P0,0,Q(f)P1,-1,1(f)P1,-1,2(f)······P1,-1,Q(f)P1,0,1(f)P1,0,2(f)······P1,0,Q(f)P1,1,1(f)P1,1,2(f)······P1,1,Q(f)·········PL3,-L3,1(f)PL3,-L3,2(f)······PL3,-L3,Q(f)·········PL3,0,1(f)PL3,0,2(f)······PL3,0,Q(f)·········PL3,L3,1(f)PL3,L3,2(f)······PL3,L3,Q(f)]]>在所述的实施例中，由扬声器产生的声场按球面辐射建模，使得在获取装置1的参照图中，这样产生的每一声场q的系数Pl，m，q(f)由于以下关系而获知Pl,m,q(f)=1rqhpe-j2πrqhpfcξl(rqhp,f)ylm(θqhp,φqhp)]]>其中ξl(rqhp,f)=Σk=0l(l+k)!2kk!(l-k)!(j2πrqhpfc)-k]]>在子步骤26获得的系数然后用于子步骤28，以便确定代表获取装置1的结构和/或声音特性的参数。
在所述的实施例中，这一子步骤28还使用在子步骤26确定的建模矩阵P。
这一子步骤以确定矩阵C开始，其代表在N个传感器的输出响应Q个已知的场取得的所有信号cn，q(t)。C是一个N×Q的矩阵，包括元素Cn，q(f)，下标n表示行n，下标q表示列q。元素Cn，q(f)是从信号cn，q(t)通过付立叶变换推导的。因而矩阵C有以下形式C1,1(f)C1,2(f)···C1,Q(f)C2,1(f)C2,2(f)···C2,Q(f)·········CN,1(f)CN,2(f)···CN,Q(f)]]>矩阵C代表获取装置1的获取容量及Q个发射的声场。
在所述的实施例中，从矩阵C和B在子步骤28使用施加到链接C到P的关系的一般矩阵求逆的传统方法确定系数Bn，l，m(f)。例如，系数Bn，l，m(f)置于由以下关系确定的矩阵BB＝C PT(P PT)-1
矩阵B是在大小为N×(L3+1)2(N over(L3+1)2)具有系数Bn，l，m(f)的矩阵，下标n标记行n，而下标(l，m)标记列l2+l+m。因而矩阵B有以下形式B1,0,0(f)B1,1,-1(f)B1,1,0(f)B1,1,1(f)···B1,L3,-L3(f)···B1,L3,0(f)···B1,L3,L3(f)B2,0,0(f)B2,1,-1(f)B2,1,0(f)B2,1,1(f)···B2,L3,-L3(f)···B2,L3,0(f)···B2,L3,L3(f)·····················BN,0,0(f)BN,1,-1(f)BN,1,0(f)BN,1,1(f)···BN,L3,-L3(f)···BN,L3,0(f)···BN,L3,L3(f)]]>这些子步骤26和28对每一工作频率执行，且这样确定的系数直接形成代表获取装置1的获取容量的参数。
定标步骤20的子步骤26和28，作为必须被确定的参数的函数，可以各种方式执行。
例如，在定标步骤20允许每一传感器2n的位置 被确定的情形下，子步骤26和28使用由扬声器发射的波到达传感器2n的传播时间。根据三角形测量方法使用至少三个传播时间测量确定每一传感器2n的位置。
在另一种情形下，当扬声器发出给定的脉冲时，子步骤26和28允许从信号cn，q(t)确定每一传感器2n的脉冲响应。
例如在这种情形下使用确定脉冲响应的标准方法，诸如MLS(最大长度序列)。
定标标准20最好允许确定传感器的电声特性。通过对于每一给定的频率f确定每一传感器2n的方向图，例如对于多个方向确定每一传感器2n的频率响应，开始。
在第二阶段，确定以下所有或某些参数-代表每一传感器2n的指向即其最大灵敏度方向的参数αn(f)，由角度(θnα，φnα)(f)给出，对于该角度方向图对于共同的频率f赋予最大值-在最大灵敏度方向代表每一传感器2n频率响应的参数Hn(f)，这样对于方向(θnα，φnα)(f)其对应于方向图的值；以及-代表每一传感器方向图的参数dn(f)，其允许通过包括以方向αn(f)指向的全向和双向图的组合的一模型描述每一传感器的方向性，使用以下方向性模型1-dn(f)+dn(f)cos(αn(f).(θ，φ))其中αn(f)·(θ，φ)指定了方向αn(f)与(θ，φ)之间的数量积。
可使用估计参数的标准方法确定这一参数dn(f)，例如通过采用提供值dn(f)的最小二乘法，该方法使实际的方向图与建模的方向图之间的误差最小。
定标标准20最好还允许确定参数σ2n(f)，其对应于传感器背景噪声的功率谱密度。这样由传感器2n发出的信号在这一步骤20期间在没有声场的情况下取得。使用估计功率谱密度的方法，例如所谓周期图方法确定参数σ2n(f)。
取决于实施例，重复所有或某些子步骤22到28，例如以允许确定多个类型的参数，其中某些子步骤对于各种类型参数的确定可以是共用的。
还可以使用与所述诸如方向测量装置不同的装置，例如使用光学测量每一基本传感器2n相对于获取装置1的中心4的位置的装置，执行定标步骤20。
此外，例如定标步骤20可使用一计算机进行代表基本传感器2n的获取容量的信号的仿真。
因而显然这一定标步骤20允许确定代表获取装置1的结构和/或电声特性的所有或某些参数，在涉及编码滤波器的确定的步骤30期间使用了这些获取装置。
图5示出涉及编码滤波器确定的步骤30的实施例一流程图。
步骤30包括一子步骤32，其涉及代表获取装置1的获取容量的矩阵B或采样矩阵的确定。
在所述的实施例中，从参数 Hn(f)，dn(f)，αn(f)与Bn，l，m(f)确定矩阵B，该矩阵是N×(L(f)+1)2大小的矩阵，具有元素Bn，l，m(f)，下标n指定行n，而下标(l，m)指定列l2+l+m。因而矩阵B具有以下形式B1,0,0(f)B1,1,-1(f)B1,1,0(f)B1,1,1(f)···B1,L,-L(f)···B1,L,0(f)···B1,L,L(f)B2,0,0(f)B2,1,-1(f)B2,1,0(f)B2,1,1(f)···B2,L,-L(f)···B2,L,0(f)···B2,L,L(f)·····················BN,0,0(f)BN,1,-1(f)BN,1,0(f)BN,1,1(f)···BN,L,-L(f)···BN,L,0(f)···BN,L,L(f)]]>
在步骤10或20期间可直接确定矩阵B具体的元素。然后对矩阵B补充从传感器建模确定的元素。
在这一实施例中，对每一传感器n通过放置在位置 的点传感器建模，其显示了由部分dn(f)的全向和双向图组成的方向性，指向方向αn(f)并具有频率响应Hn(f)。
然后根据以下关系确定补充的元素Bn，l，m(f)Bn,l,m(f)=4πHn(f)jl×{(1-dn(f))jl(krn)ylm(θn,φn)-jdn(f)×]]>(j*l(krn)ylm(θn,φn)ur-jl(krn)krnRl|m|(cosθn)trgm(φ)uθ+mjl(krn)krnsinθnyl-m(θn,φn)uφ)}]]>其中j*l(krn)=ljl-1(krn)-(l+1)jl+1(krn)2l+1]]> 且其中ur=sinθnsinθnα(f)cos(φn-φnα(f))+cosθncosθnα(f)]]>uθ=cosθnsinθnα(f)cos(φn-φnα(f))-sinθncosθnα(f)]]>uφ=sinθnα(f)sin(φnα(f)-φn)]]>在传感器辐射指向的情形下，该关系给出较简单的表示Bn,l,m(f)=4πHn(f)jlylm(θn,φn)((1-dn(f))jl(krn)-jdn(f)ljl-1(krn)-(l+1)jl+1(krn)2l+1)]]>这时步骤30包括一子步骤34，其涉及代表由传感器21到2N发出的信号c1到cN之间的相似性的互相关矩阵A的确定，因为这些传感器21到2N对单个声场P进行测量的事实。矩阵A从采样矩阵B确定。A是大小为N×N的借助于以下关系获得的矩阵A＝B BT根据前一步骤的方法，最好使用补充到L2阶的矩阵B更加精确地确定矩阵A。
由于矩阵A只能表示为矩阵B的函数，涉及确定互相关矩阵A的子步骤34可被认为是中间计算步骤，并这样可并入步骤30的另一子步骤。
这时步骤30包含一子步骤36，其涉及代表对于给定频率编码滤波器的编码矩阵E(f)的确定。矩阵E(f)从矩阵A和B以及从参数L(f)，H(f)，{(lk，mk)}(f)与σn2(f)确定。矩阵E(f)是(L(f)+1)2×N大小的矩阵，包括元素El，m，n(f)，下标(l，m)标记行l2+l+m，而下标n标记列n。因而矩阵E(f)有以下形式E0,0,1(f)E0,0,2(f)······E0,0,N(f)E1,-1,1(f)E1,-1,2(f)······E1,-1,N(f)E1,0,1(f)E1,0,2(f)······E1,0,N(f)E1,1,1(f)E1,1,2(f)······E1,1,N(f)·········EL,-L,1(f)EL,-L,2(f)······EL,-L,N(f)·········EL,0,1(f)EL,0,2(f)······EL,0,N(f)·········EL,L,1(f)EL,L,2(f)······EL,L,N(f)]]>矩阵E(f)是逐行被确定的。对于每一工作频率f，矩阵E(f)下标(l，m)的每一行El，m呈现以下的形式[El，m，1(f)El，m，2……El，m，N(f)]行El，m的元素El，m，n(f)通过以下表达式获得-如果(l，m)属于列表{(lk，mk)}(f)，则El,m=μ(f)Bl,mT((μ(f)-λ)A+(1-μ(f))ΣN)-1]]>其中λ满足以下关系(μ(f))2Bl,mT((μ(f)-λ)A+(1-μ(f))ΣN)-1A((μ(f)-λ)A+(1-μ(f))ΣN)-1Bl,m=1]]>且其中使用考察方程根的分析或数值方法，可选地使用矩阵对角化方法确定λ；以及-如果(l，m)不属于列表{(lk，mk)}(f)，则El,m=μ(f)Bl,mT(μ(f)A+(1-μ(f))ΣN)-1]]>这些表达式中，Bl，m是矩阵B的列(l，m)，而∑N是大小N×N的对角矩阵，其代表传感器的背景噪声，其中对角线的元素n是σn2(f)。
对每一工作频率重复涉及确定矩阵A，B及E(f)的子步骤32，34和36。
当然，在简化的实施例中，参数是频率无关的，且子步骤32，34和36只执行一次。这时子步骤36允许直接确定频率无关的矩阵E。
在后继的步骤38期间，从矩阵E(f)确定代表编码滤波器的参数FD。矩阵E(f)的每一元素El，m，n(f)表示编码滤波器的频率响应。每一编码滤波器可通过参数FD以不同的形式描述。
例如，如果代表滤波器El，m，n(f)的参数为-频率响应，则参数FD是对于特定频率f直接计算的El，m，n(f)；-通过El，m，n(f)的逆付立叶变换计算的有限脉冲响应cl，m，n(t)，对每一脉冲响应cl，m，n(t)采样，然后对于每一响应截短为适当的长度；以及-以从El，m，n(f)计算的无限脉冲响应使用适应方法递推滤波器系数。
这样涉及编码滤波器确定的步骤30发出参数FD，其描述代表至少获取装置1的结构和/或电声容量的编码滤波器。
特别地，这些滤波器代表以下特性-传感器21到2N的位置；-传感器21到2N的固有电声特性，特别是背景噪声的特定的功率谱密度以及声场的获取容量；以及-优化策略，特别是声场的获取空间可靠性与由传感器产生的背景噪声最小化之间的折中。
图6详细示出步骤40的一个实施例，涉及通过对这些信号应用编码滤波器和通过对滤波的信号求和，处理由获取装置1发出的测量信号。
在步骤40中，通过按以下方式采用频率响应编码滤波器El，m，n(f)，从基本传感器21到2N得到的信号c1到cN推导代表声场P的系数 P^l,m(f)=Σn=1NEl,m,n(f)Cn(f)]]>其中 是 的付立叶变换，且Cn(f)是cn(t)的付立叶变换。该例子描述了通过有限脉冲响应滤波的情形。这一滤波要求对于每一响应el，m，n(t)首先确定对应于适当数目样本的参数Tl，n，m，其结果为以下卷积表达式p^l,m[t]=Σn=1NΣτ=0Tn,l,m-1en,l,m[τ]cn[t-τ]]]>这些系数 为代表时间上和声场的三维空间中有限个系数，并形成这一声场的可靠表示。
取决于参数FD的性质，根据各种滤波方法由El，m，n(f)可执行其他的滤波过程，诸如-如果参数FD直接提供频率响应El，m，n(f)，则使用频域中的滤波方法进行滤波，诸如块卷积过程；-如果参数FD提供有限个脉冲响应cl，m，n(t)，则通过卷积在时域中进行滤波；以及-如果参数FD提供带有有限脉冲响应的递归滤波器系数，则借助于该递归关系在时域中进行滤波。
因而明显的是，本发明借助于基本上与获取装置特性无关的表示，以付立叶-贝塞尔系数的形式，允许可靠地表示声场。
此外，如上所述，本发明的方法可按简化的实施例执行。
例如，如果所有的传感器21到2N基本上是全向的，并基本上在灵敏度与背景噪声电平方面相同，则本发明的方法可只基于代表传感器2n相对于获取装置1的中心4的位置的参数 以及与优化策略有关的参数μ和L的知识执行。
此外，在这一简化的实施例中，认为参数是频率无关的。
这样在步骤32和34期间，使用这些参数，同时或按任何次序顺序地计算矩阵A和B。
这时按以下方式组织矩阵B的元素Bl，n，m(f)B1,0,0(f)B1,1,-1(f)B1,1,0(f)B1,1,1(f)···B1,L,-L(f)···B1,L,0(f)···B1,L,L(f)B2,0,0(f)B2,1,-1(f)B2,1,0(f)B2,1,1(f)···B2,L,-L(f)···B2,L,0(f)···B2,L,L(f)·····················BN,0,0(f)BN,1,-1(f)BN,1,0(f)BN,1,1(f)···BN,L,-L(f)···BN,L,0(f)···BN,L,L(f)]]>其中
Bn,l,m(f)=4πjljl(krn)ylm(θn,φn)]]>类似地，按以下方式组织矩阵A的元素An1，n2(f)A1,1(f)A1,2(f)···A1,N(f)A2,1(f)A2,2(f)···A2,N(f)·········AN,1(f)AN,2(f)···AN,N(f)]]>在这一实施例中，借助于以下关系从矩阵B获得矩阵AA＝B BT最好借助于以下关系以较大的精确度确定矩阵A的元素An1，n2(f)An1,n2(f)=4πΣl=0L2(2l+1)jl(krn1)jl(krn2)P1(cosθn1cosθn2+sinθn1sinθn2cos(φn1-φn2))]]>其中L2是进行矩阵A的确定的阶并且是大于L的整数。对于L2所选择的值越大，An1，n2(f)的计算将越精确，但计算越长。
在子步骤36中，根据以下表达式从矩阵A和B以及参数μ确定代表编码滤波器的编码矩阵EE＝μBT(μA+(1-μ)IN)-1矩阵E的元素El，m，n(f)按以下方式组织E0,0,1(f)E0,0,2(f)······E0,0,N(f)E1,-1,1(f)E1,-1,2(f)······E1,-1,N(f)E1,0,1(f)E1,0,2(f)······E1,0,N(f)E1,1,1(f)E1,1,2(f)······E1,1,N(f)·········EL,-L,1(f)EL,-L,2(f)······EL,-L,N(f)·········EL,0,1(f)EL,0,2(f)······EL,0,N(f)·········EL,L,1(f)EL,L,2(f)······EL,L,N(f)]]>对于所有的工作频率f，重复涉及矩阵A和B然后E的确定的子步骤32，34和36。
每一元素El，m，n(f)对应于一编码滤波器，其结合了传感器2n的空间分布还有优化策略。
在阶段40中，使用由参数FD描述的编码滤波器滤波从传感器21到2N取得的信号c1到cN。通过按以下方式施加滤波器从信号c1到cN推导发出的每一系数 P^l,m(f)=Σn=1NEl,m,n(f)Cn(f)]]>其中 是 的付立叶变换，而Cn(f)是cn(t)的付立叶变换。
在这实施例中，使用频域中的滤波方法诸如块卷积方法，确定系数 因而声场的表示考虑了传感器的位置及选择的优化参数，并构成声场可靠的估计。
图7是适于执行本发明的方法的一框图。
在这图中，如参照图2所述，用于表示适场P的装置50连接到获取装置1。
装置50或编码装置，还在输入处连接到装置60，其用于确定代表获取装置1的结构和/或电声特性的参数。
这些装置60具体包括用于输入参数的装置62，以及分别适于执行如上所述本发明的方法的步骤10和20的定标装置64。
编码装置50从用于确定参数的装置60接收多个参数，它们代表获取装置1的特性，这些特性分布在用于定义结构特性的信号CL与用于结构和/或电声特性的参数化的信号CP之间。
该装置还接收在用于优化表示的信号OS中与表示策略相关的参数。
在这些信号中，参数按以下方式分布-在定义信号CL中-代表传感器2n的位置的参数 -在参数化信号CP中-代表传感器2n频率响应的参数Hn(f)；-代表传感器2n方向图的参数dn(f)；-代表传感器2n指向的参数αn(f)；-代表传感器2n背景噪声功率谱密度的参数σ2n(f)；以及-代表传感器2n获取容量的参数Bn，l，m(f)；以及-在优化信号OS中
-规定表示声场可靠性与由传感器产生的背景噪声最小化之间的折中的参数μ(f)；-规定表示进行的阶的参数L(f)；以及-代表其功率必须等于被表示的声场P中的对应的系数的功率系数列表的参数{(lk’，mk)}(f)。
这一装置50最好包括用于格式化输入信号的装置51，这些输入信号适于从信号c1到cN发出对应的格式化信号SI。
例如，装置51包括模拟-数字转换器，放大器或均匀滤波系统。
装置50还包括用于确定编码滤波器的装置52，该装置包括用于计算采样矩阵B的模块55，以及用于计算互相关矩阵A的模块56，这两者都连接到用于计算编码矩阵E(f)的模块57。
编码矩阵E(f)由模块58用于确定发出信号SFD的编码滤波器，该信号包含代表编码滤波器的参数FD。
这一信号SFD由处理模块59使用，该模块向信号SI应用编码滤波器，以便发出包含代表声场P的付立叶-贝塞尔系数的信号SIFB。
可选地，装置50包括一非易失存储器，其中存储先前已确定的形成信号SFD的参数。
例如，由它们的制造商对获取装置1测试并定标，以便直接提供包含结合到编码装置中的信号SFD的所有参数的一存储器，以获取声场并发出其可靠的表示。
类似地在一种变形中，这一存储器只包含矩阵B并可选地包含矩阵A，且装置50包括用于输入形成优化信号OS的参数的装置，以便执行编码矩阵E(f)的确定及代表编码滤波器的参数FD的确定。
当然可按需要设想所述各种模块之间的其他分布。
权利要求
1.一种用于表示声场的方法，包括涉及获取由获取装置(1)发出的测量信号(cn)的一步骤，该获取装置包括暴露在所述声场(P)的一个或多个基本传感器(2n)，该方法的特征在于包括-涉及确定编码滤波器的步骤(30)，这些滤波器代表至少所述获取装置(1)的结构特性；以及-涉及通过对所述测量信号(cn)应用编码滤波器来处理所述测量信号(cn)的步骤(40)，以便确定在时间上和三维空间中表示所述声场(P)的有限数目的系数，所述系数允许获得基本上独立于所述获取装置(1)的特性的所述声场(P)的表示。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于所述结构特性至少包括所述基本传感器(2n)关于所述获取装置(1)的预定基准点(4)的位置特性。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于所述编码滤波器还代表获取装置(1)的电声特性。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于所述电声特性至少包括与所述基本传感器(2n)的固有电声获取容量相关的特性。
5.根据权利要求1到4任何之一的方法，其特征在于，允许表示要获得的声场(P)的系数是所谓的付立叶-贝塞尔系数和/或付立叶-贝塞尔系数的线性组合。
6.根据权利要求1到5任何之一的方法，其特征在于，涉及确定编码滤波器的所述步骤包括-涉及确定代表所述获取装置(1)的获取容量的采样矩阵(B)的子步骤(32)；-涉及确定互相关矩阵(A)的子步骤(34)，该矩阵代表由形成所述获取装置(1)的基本传感器(2n)发出的所述测量信号(cn)之间的相似性；以及-子步骤(36)，它涉及从所述采样矩阵(B)、所述互相关矩阵(A)、及代表声场表示的可靠性与由获取装置(1)引起的背景噪声最小化之间的理想折中的参数(μ(f))，确定一编码矩阵(E(f)；E)，该编码矩阵代表所述编码滤波器。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于，涉及矩阵确定的所述子步骤对有限数目的工作频率进行。
8.根据权利要求6或权利要求7的方法，其特征在于，涉及采样矩阵(B)确定的子步骤根据以下参数对形成所述获取装置(1)的每一所述基本传感器(2n)进行-代表所述传感器(2n)相对于所述获取装置(1)中心(4)的位置的参数 和/或-代表所述传感器(2n)的获取容量的有限数目的系数(Bn，l，m(f))。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，涉及采样矩阵(B)确定的步骤根据以下参数至少之一进行-代表所有或某些传感器(2n)频率响应的参数(Hn(f))；-代表所有或某些传感器(2n)方向图的参数(dn(f))；-代表所有或某些传感器(2n)的指向即它们最大灵敏度方向的参数(αn(f))；-代表所有或某些传感器(2n)背景噪声的功率谱密度的参数(σ2n(f))；-规定表示所进行的阶的参数(L(f))；-代表其功率必须等于被表示的声场(P)中对应系数的功率的系数列表的参数({(1k，mk)}(f))；
10.根据权利要求1到9任何之一的方法，其特征在于，其包括一个定标步骤(20)，允许在涉及确定编码滤波器的所述步骤(30)中使用的所有或某些参数被发出。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于，所述定标步骤(20)，对于形成所述获取装置(1)的所述基本传感器(2n)至少之一包括-涉及获取代表所述至少一个传感器(2n)的获取容量的信号的子步骤(24)；以及-涉及确定代表所述至少一个传感器(2n)的电声和/或结构特性的参数的子步骤(28)。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于，所述定标步骤(20)还包括-涉及特定声场向所述至少一个传感器(2n)发射的子步骤，所述获取子步骤(24)对应于当所述传感器暴露在所述特定声场时获取由所述传感器(2n)发出的信号；以及-涉及以有限数目的系数对所述特定声场建模的子步骤(26)，以便允许执行涉及确定代表传感器(2n)的电声和/或结构特性的参数的子步骤(28)。
13.根据权利要求10到12任何之一的方法，其特征在于，所述定标步骤包括一个子步骤，其涉及接收代表形成所述获取装置(1)的所述传感器(2n)的电声和结构特性的有限数目信号，在涉及确定所述获取装置(1)的电声和/或结构特性的所述子步骤期间上述有限数目信号被直接使用。
14.根据权利要求1到13任何之一的方法，其特征在于，其包括一个输入步骤(10)，允许在所述涉及确定编码滤波器的步骤(30)期间使用的所有或某些参数被确定。
15.一种计算机程序，其包括当在计算机上执行所述程序时用于实现根据任何权利要求1到14任何之一方法的步骤的程序代码指令。
16.一种可移动支撑，包括至少一个操作处理器和一个非易失存储器元件，其特征在于所述存储器包括一个程序，该程序包含代码指令，用于当所述处理器执行所述程序时实现根据权利要求1到14任何之一方法的步骤。
17.一种用于表示声场的设备，该设备可连接到包括一个或多个基本传感器(2n)的获取装置(1)，上述传感器当暴露在所述声场时发出测量信号(cn)，其特征在于该设备包括通过对所述这些测量信号(cn)应用代表至少所述获取装置(1)的结构特性的编码滤波器，用于处理测量信号(cn)的一个模块(59)，以便发出包括在时间上和三维空间中代表所述声场(P)的有限数目系数的信号(SIFB)，所述系数允许获得实质上与所述获取装置(1)特性无关的所述声场(P)的表示。
18.根据权利要求17的设备，其特征在于，所述编码滤波器还代表所述获取装置(1)的电声特性。
19.根据权利要求17或权利要求18的设备，其特征在于还包括用于确定代表所述获取装置(1)的结构和/或电声特性的所述编码滤波器的装置(52)。
20.根据权利要求19的设备，其特征在于，用于确定编码滤波器的所述装置(52)在输入处接收以下参数至少之一-代表所有或某些传感器(2n)相对于所述获取装置(1)中心的位置的参数 -代表所有或某些传感器(2n)获取容量的有限数目的系数(Bn，l，m(f))；-代表所有或某些传感器(2n)频率响应的参数(Hn(f))；-代表所有或某些传感器(2n)的方向模式的参数(dn(f))；-代表所有或某些传感器(2n)的指向即它们的最大灵敏度方向的参数(αn(f))；-代表所有或某些传感器(2n)背景噪声的功率谱密度的参数(σ2n(f))；-代表在声场表示的可靠性与由获取装置(1)引起的背景噪声最大化之间的理想折中的参数(μ(f))；-规定编码进行的阶的参数(L(f))；-代表其功率必须等于被表示的声场(P)的对应系数的功率的系数列表的参数({(lk，mk)}(f))。
21.根据权利要求20的设备，其特征在于，它与用于确定由用来确定编码滤波器的所述装置(52)接收的所有或某些参数的装置(60)相关联，所述装置(60)包括至少以下元件-用于输入参数的装置(62)；和/或-定标装置(64)。
22.根据权利要求17到21任何之一的设备，其特征在于，其与用于格式化所述测量信号(c1到cN)的装置(51)相关联，以发出对应的格式化的信号(SI)。
全文摘要
本发明涉及表示声场的一种方法。发明的方法包括涉及获取测量信号(c
文档编号G10K15/00GK1659926SQ03813224
公开日2005年8月24日 申请日期2003年5月6日 优先权日2002年5月7日
发明者雷米·布鲁诺, 阿诺·拉伯里, 塞巴斯蒂安·蒙托亚 申请人:雷米·布鲁诺, 阿诺·拉伯里, 塞巴斯蒂安·蒙托亚