专利名称：产生用于双声道头戴耳机的立体声的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明总体构思涉及一种立体声产生系统，更具体地讲，涉及一种从诸如DVD的记录介质再现的多声道音频信号产生用于双声道头戴耳机的立体声的方法和设备。
背景技术：
近来，已经实现了允许收听者在没有5.1声道扬声器的情况下使用头戴耳机来收听三维声音的技术。
家庭影院系统使用5个扬声器输出声音。然而，不是所有的声音都直接到达收听者的耳朵。部分声音在从房间中的墙壁或家具反射之后到达收听者的耳朵。当声音信号到达收听者的耳朵时，收听者的大脑接收所有的声音信号并且感觉它们像立体声一样。
为了仅使用普通的头戴耳机实现立体声，已经开发了一种基于对音频信息进行编码的处理器的立体声产生系统。
关于传统的立体声再现系统的技术公开在WO 99/49574(1999年1月6日提交的标题为“AUDIO SIGNAL PROCESSING METHOD ANDAPPARATUS”的PCT/AU99/00002)中。
在关于传统的立体声再现系统的技术中，使用头部相关传递函数(HRTF)将多声道音频信号下混频为双声道音频信号。
图1是示出传统的立体声再现系统的方框图。
参照图1，5.1声道音频信号被输入到传统的立体声再现系统1。5.1声道音频信号包括左前声道、右前声道、中前声道、左环绕声道、右环绕声道和低频声道13。左脉冲响应函数和右脉冲响应函数被施加到每个声道。用于左耳的左前脉冲响应函数4和从左前声道2输出的左前信号3进行卷积。该卷积操作由标号6来表示。左前脉冲响应函数4使用HRTF作为将由左耳接收的脉冲响应，所述左前脉冲响应函数4是从位于理想位置的左前声道扬声器输出的理想尖峰脉冲(spike)。输出信号7被混频以用于头戴耳机的左声道信号10。相似地，用于右耳的左前脉冲响应函数5和从左前声道2输出的左前信号3进行卷积。该卷积操作由标号8来表示。输出信号9被混频以用于头戴耳机的右声道信号11。因此，图1的系统1需要12个用于5.1声道音频信号的卷积操作。因此，即使通过使用测量的HRTF的组合对5.1声道音频信号进行下混频来将该5.1声道音频信号再现为双声道音频信号，也能获得与当5.1声道音频信号被再现为多声道音频信号时相同的环绕效果。
然而，应用于图1中所示的系统的非个人化HRTF(例如，左前脉冲响应函数4)在高频带中具有与个人化HRTF不同的频率响应。即，自由空间中的HRTF可定义为从声源到人的鼓膜的传递函数。因为人耳具有独特的形状和引起共鸣的不同频率特性，所以由HRTF和耳间级别差(ILD)表示的一只耳朵中的声音信号的频率分量在大于约5KHz的高频带中对收听者的耳朵形状非常敏感。
HRTF表示几个峰值(peak)和谷值(dip)，特别是在高频带中的几个峰值和谷值。因为峰值和谷值主要由于人耳中的共鸣而形成，所以峰值和谷值的位置由于人们不同的耳朵形状而在不同人之间是不同的。因此，HRTF是因人而异的。
如上所述，图1中所示的传统的立体声再现系统具有由于非个人化HRTF与个人化HRTF之间的不同而引起的声音的音质失真和不正确的定位的问题。另外，图1中所示的传统的立体声再现系统具有由于执行每一信号和非个人化HRTF之间的卷积而引起的计算量增加的问题。
发明内容
本发明总体构思提供一种通过在每一声道信号上反映立体声效果和虚拟房间效果来产生用于双声道头戴耳机的立体声的方法和设备。
在下面的描述中将部分地阐明本发明总体构思另外的方面和优点，部分地通过描述会将变得清楚，或者通过实施本发明总体构思可以了解。
本发明总体构思的上述和/或其他方面和效用可通过提供一种从多个声道信号产生用于双声道头戴耳机的立体声的方法来实现，该方法包括通过使用与直达声和反射声相应的多个不同的延迟系数将多个声道信号中的一个信号延迟来产生直达声和反射声；将延迟的声音和与所述延迟的声音相应的预定的不同增益值相乘；通过在每一相乘的声音上反映收听者两耳之间的时间差将相乘的声音划分为左声道声音和右声道声音；通过在左声道声音和右声道声音的每一个上反映两耳之间的级别差对划分的左声道声音和右声道声音进行低通滤波；和分别将低通滤波的左声道声音和低通滤波的右声道声音加在一起。
该方法还可包括产生低频声道信号；产生补偿信号以补偿所述低频声道信号与所述多个声道的信号之间的强度和延迟时间中的差；和将所述补偿信号添加到左声道声音和右声道声音。该方法可不包括使用头部相关传递函数。
本发明总体构思的上述和/或其他方面和效用还可通过提供一种头戴耳机立体声产生设备来实现，该设备包括立体声滤波器单元，通过反映收听者两耳之间的声压差、虚拟房间中的延迟时间和每一声道信号上的声源的强度来输出左声道声音和右声道声音；和加法器单元，分别将从立体声滤波器单元输出的左声道声音和从立体声滤波器单元输出的右声道声音加在一起。
本发明总体构思的上述和/或其他方面和效用还可通过提供一种产生用于双声道头戴耳机的立体声的方法来实现，该方法包括计算用于直达声和多个反射声的每一个的耳间时间差；和计算用于直达声和多个反射声的每一个的耳间级别差。该方法还可包括将与所述直达声和反射声的每一个的耳间时间差相应的不同的延迟系数分配给所述直达声和反射声的每一个；和将与所述直达声和反射声的每一个的耳间级别差相应的不同的增益值分配给所述直达声和反射声的每一个。
本发明总体构思的上述和/或其他方面和效用还可通过提供一种立体声产生设备来实现，该设备包括产生单元，通过使用与直达声和反射声相应的多个不同的延迟系数将多个声道信号中的一个信号延迟来产生直达声和反射声；乘法器单元，将产生的声音和与产生的声音相应的预定的不同增益值相乘；划分器单元，通过在每一相乘的声音上反映收听者两耳之间的时间差将相乘的声音划分为左声道声音和右声道声音；滤波器单元，通过在左声道声音和右声道声音的每一个上反映两耳之间的级别差对划分的左声道声音和右声道声音进行低通滤波；和加法器单元，分别将低通滤波的左声道声音和右声道声音加在一起。
本发明总体构思的上述和/或其他方面和效用还可通过提供一种立体声产生设备来实现，该设备包括立体声滤波器单元，通过使用在虚拟房间中预先测量的多个不同的时间延迟系数将多个声道信号中的至少一个信号延迟，所述立体声滤波器单元包括多个虚拟器滤波器；和信号补偿滤波器单元，产生补偿信号以补偿低频声道信号与所述多个声道的信号之间的强度和延迟时间中的差。所述虚拟器滤波器可拥有具有时间延迟系数不同的基本相似的结构。该设备还可包括滤波器单元，用于对来自立体声滤波器单元的多个声道信号进行低通滤波。该设备还可包括至少一个加法单元，用于将多个声道信号和补偿信号加在一起。该设备还可包括至少一个放大器，用于对来自所述至少一个加法单元的相加的信号进行放大并将放大的信号输出到至少一个双声道头戴耳机。所述立体声滤波器单元可包括削减单元，用于计算用于所述多个声道信号的每一个的耳间时间差，并基于该耳间时间差将不同的时间延迟系数之一分配给所述多个声道信号。
通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明总体构思的这些和/或其他方面和优点将会变得清楚和更易于理解，其中图1是示出传统的立体声再现系统的方框图；图2是示出根据本发明总体构思的实施例的产生用于双声道头戴耳机的立体声的方法的概念示图；图3是示出在虚拟房间中产生反射声的概念示图；图4是示出传播到收听者两耳的声音的时间差的概念示图；图5是示出根据本发明总体构思的实施例的头戴耳机立体声产生设备的方框图；和图6是示出用于图5中所示的立体声滤波器单元的虚拟器滤波器的详细示图。
具体实施例方式
现在对本发明总体构思的实施例进行详细的描述，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。下面通过参照附图对实施例进行描述以解释本发明总体构思。
图2是示出根据本发明总体构思的实施例的产生用于双声道头戴耳机的立体声的方法的概念示图。
参照图2，多声道虚拟扬声器L、C、R、Ls和Rs基于再现多声道音频的标准扬声器的位置被布置在虚拟房间中。例如，当5.1声道虚拟扬声器被布置时，从5.1声道虚拟扬声器输出的左声道信号被加在一起以用于头戴耳机的左装置，而从5.1声道虚拟扬声器输出的右声道信号被加在一起以用于头戴耳机的右装置。
图3是示出在虚拟房间中产生反射声的概念示图，图4是示出传播到收听者两耳的声音的时间差的概念示图。
当虚拟扬声器被设置在具有预定形状和预定边界的虚拟房间中并且收听者处于最佳位置时，直达声从虚拟扬声器被直接传送到收听者，并且从虚拟房间的虚拟墙壁反射的反射声也被传送到收听者。直达声和反射声在收听者的两耳上具有不同的延迟时间、声压量和入射角。
当在头戴耳机立体声产生系统中立体声没有被再现或者没有被正确再现时，容易发生声像被定位在头中的现象，即所谓的“头内定位”(in-headlocalization)现象。通过将虚拟房间中产生的反射声添加到头戴耳机中再现的声音，可消除“头内定向”现象，并且声像可被定位在收听者头外的理想的位置(例如，在声音被传送到收听者的耳朵之前)。
可使用房间的简单结构模型来产生反射声。图3示出在假设的虚拟房间350中的一个声源320的镜像源。镜像源310是通过声源320从作为对称面的墙壁反射而获得的虚拟源。从声源320且从虚拟墙壁反射而到达收听者330耳朵的反射声的延迟时间可以用从声源320直接到达收听者330耳朵的直达声的延迟时间来代替。反射声的强度可基于根据墙壁的吸声率的镜像源310的强度来计算。最初，除了声源320以外的虚拟声源由于被虚拟房间350的墙壁反射的声音而被重新产生为无限数量的虚拟声源。从所述无限数量的虚拟声源中选择适当的有限数量的虚拟声源。计算每一选择的虚拟声源的延迟时间和强度。根据每一选择的虚拟声源相对于收听者330的入射角来计算每一选择的虚拟声源的耳间时间差(ITD)和耳间级别差(ILD)。计算的ITD和ILD参数根据虚拟房间的形状和边界以及收听者330和声源320的位置而变化。因此，需要适当地设计虚拟房间350以便产生有效的反射声。
在根据本发明总体构思的实施例的产生头戴耳机立体声的方法中，测量从虚拟房间中的虚拟扬声器到达收听者所花费的直达声和反射声的延迟时间。与所述延迟时间相应的延迟系数m0到mn取决于虚拟房间的大小。假设反射声的数量是n，则直达声和该n个反射声的延迟系数m0到mn不同。测量与声音的强度相应的增益值g0到gn以用于直达声和n个反射声。测量ITD值和ILD值，所述ITD值和ILD值允许从在收听者两耳上入射的声音信号之间的声压差感受声源的相对位置。即，ITD是如图4所示的从声源到收听者两耳的声音信号之间的时间差，所述时间差由于路径之间的差而发生。ITD可由等式1来表示ITD＝r(θ+sinθ)/C0(1)其中，r是从最接近声源的耳朵到收听者头部中央的距离，C0是空气中约344m/s的声速。
ITD可以在约700Hz或更低的低频带中被有效地感觉到。假设有n个声音，则左ITD值itdL0、itdL1、...、itdLn和右ITD值itdR0、itdR1、...、itdRn互不相同。例如，当虚拟扬声器位于收听者右侧时，因为从虚拟扬声器到收听者左耳的距离大于从虚拟扬声器到收听者右耳的距离，所以直达声的itdL0值大于itdR0值。
ILD是传送到收听者两耳的声音信号之间的幅度差、强度差或级别差。ILD主要由于在收听者的头部和耳朵中发生的声音频散效应而发生。ILD可由等式2来表示ILD＝20log10(|HRTFR|/|HRTFL|) (2)ILD可以在高频带(例如，大于约5KHz)中被有效地感觉到。ILD取决于收听者头部或耳朵的形状，因此因人而异。收听者的头部引起的频散效应表现为频谱中的峰值，在所述频谱中，作为对远离声源的耳朵中的声压进行低通滤波的结果，高声调音的幅度被削减；收听者的耳朵引起的频散效应表现为由于引起共鸣的耳朵中的频率特性而引起的高频带中的峰值和谷值，例如，像在HRTF中一样。因为收听者耳朵的不同形状引起的收听者之间的ILD小于他们头部的不同形状引起的ILD，所以仅通过低通滤波获得的ILD较少地取决于收听者。
假设有n个声音，则左ILD值ildL0、ildL1、...、ildLn和右ILD值ildR0、ildR1、...、ildRn互不相同。例如，当虚拟扬声器位于收听者右侧时，因为从虚拟扬声器到收听者左耳的距离大于从虚拟扬声器到收听者右耳的距离，所以直达声的ildL0值的高声调声比ildR0值的高声调声被更多地削减。
图5是示出根据本发明总体构思的实施例的头戴耳机立体声产生设备的方框图。
参照图5，所述头戴耳机立体声产生设备包括立体声滤波器单元500、信号补偿滤波器单元560、左声道加法器570和右声道加法器580。立体声滤波器单元500包括左前(LF)虚拟器滤波器(virtualizer filter)510、中前(CF)虚拟器滤波器520、右前(RF)虚拟器滤波器530、左环绕(LS)虚拟器滤波器540和右环绕(RS)虚拟器滤波器550。
5.1声道音频信号可被输入到所述头戴耳机立体声产生设备。5.1声道音频信号可包括LF声道、RF声道、CF声道、LS声道、RS声道和低频效果(LFE)声道。另外，诸如7.1声道的不同的多声道音频信号可被输入。
立体声滤波器单元500通过反映在虚拟房间中获得的延迟系数m0到mn、增益值g0到gn以及与在收听者两耳上入射的声音之间的声压差相应的ITD值和ILD值来产生用于双声道头戴耳机的立体声。对于立体声滤波器单元500，滤波器系数根据虚拟扬声器的位置以及虚拟房间的类型和条件而变化。立体声滤波器单元500包括分别处理LF声道、CF声道、RF声道、LS声道和RS声道音频信号的立体声的LF虚拟器滤波器510、CF虚拟器滤波器520、RF虚拟器滤波器530、LS虚拟器滤波器540和RS虚拟器滤波器550。滤波器510到550具有相同的结构，但是延迟系数不同。
信号补偿滤波器单元560补偿LFE声道信号和其他声道信号之间的级别和时间延迟中的差。即，因为LFE声道信号是具有大于收听者头部宽度的波长的信号，所以LFE声道信号不经过立体声滤波器单元500并且应该与其他声道信号的级别和时间延迟相匹配。
左声道加法器570将从立体声滤波器单元500输出的左声道信号LL、CL、RL、LsL和RsL与从信号补偿滤波器单元560输出的左声道信号相加。
右声道加法器580将从立体声滤波器单元500输出的右声道信号LR、CR、RR、LsR和RsR与从信号补偿滤波器单元560输出的右声道信号相加。
最后，从左声道加法器570和右声道加法器580输出的左声道信号和右声道信号经过放大器并被输入到双声道头戴耳机。
图6是示出用于图5中所示的立体声滤波器单元500的虚拟器滤波器的详细示图。
参照图6，所述虚拟器滤波器包括延迟滤波器单元610、乘法器单元620、ITD滤波器单元630、ILD滤波器单元640、左声道加法器650和右声道加法器660。
延迟滤波器单元610通过使用在虚拟房间中预先测量的多个不同的延迟系数m0到mn将多个声道中的一个声道的信号延迟以产生直达声和反射声。
乘法器单元620将由延迟滤波器单元610延迟的声音与在虚拟房间中预先测量的预定的不同增益值g0到gn相乘。
ITD滤波器单元630通过在相乘的声音上反映预先测量的收听者两耳之间的时间差将由乘法器单元620相乘的声音划分为左声道声音L0、...、Ln和右声道声音R0、...、Rn。
ILD滤波器单元640通过在左声道声音和右声道声音上反映预先测量的收听者两耳之间的级别差对由ITD滤波器单元630划分的左声道声音和右声道声音执行低通滤波。
左声道加法器650将经过ILD滤波器640的左声道声音加在一起。
右声道加法器660将经过ILD滤波器640的右声道声音加在一起。
如上所述，根据本发明总体构思的实施例，通过仅使用时间延迟和低通滤波而不使用HRTF来产生头戴耳机立体声，几乎没有音质中的失真并且减少了音频处理计算量。另外，在没有5.1声道扬声器系统的情况下通过仅使用双声道头戴耳机可从DVD或PC接收与由家庭影院再现的一样的声音质量。当本发明总体构思应用于家庭影院系统时，可仅使用双声道头戴耳机而不管收听者的位置来收听从5.1声道编码的记录介质再现的立体声。另外，即使当具有不同形状的头部和/或耳朵的个人使用他们的双声道头戴耳机来接收声音时，他们也能感受到相同的立体声。
虽然已经表示和描述了本发明总体构思的一些实施例，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明总体构思的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改，本发明总体构思的范围由权利要求及其等同物限定。
权利要求
1.一种从多个声道信号产生用于双声道头戴耳机的立体声的方法，该方法包括通过使用与直达声和反射声相应的多个不同的延迟系数将多个声道信号中的一个信号延迟来产生直达声和反射声；将延迟的声音和与所述延迟的声音相应的预定的不同增益值相乘；通过在每一相乘的声音上反映收听者两耳之间的时间差将相乘的声音划分为左声道声音和右声道声音；通过在左声道声音和右声道声音的每一个上反映两耳之间的级别差对划分的左声道声音和右声道声音进行低通滤波；和分别将低通滤波的左声道声音和低通滤波的右声道声音加在一起。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述多个不同的延迟系数根据虚拟房间的大小而变化。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述不同增益值根据虚拟房间的吸声率而变化。
4.如权利要求1所述的方法，其中，在每一相乘的声音上反映的收听者两耳之间的时间差根据声音到耳朵的入射角而变化。
5.如权利要求1所述的方法，其中，在左声道声音和右声道声音的每一个上反映的两耳之间的级别差根据声音到耳朵的入射角而变化。
6.一种头戴耳机立体声产生设备，该设备包括立体声滤波器单元，通过反映收听者两耳之间的声压差、虚拟房间中的延迟时间和每一声道信号上的声源的强度来输出左声道声音和右声道声音；和加法器单元，分别将从立体声滤波器单元输出的左声道声音和从立体声滤波器单元输出的右声道声音加在一起。
7.如权利要求6所述的设备，其中，所述立体声滤波器单元根据输入信号和虚拟房间的大小来提供不同的输出级别和不同的时间延迟特性。
8.如权利要求6所述的设备，还包括增益和延迟滤波器单元，用于补偿低频效果声道信号与其他声道信号之间的级别和时间延迟中的差。
9.如权利要求6所述的设备，其中，所述立体声滤波器单元包括延迟滤波器单元，通过使用在虚拟房间中测量的与直达声和反射声相应的多个不同的延迟系数将多个声道中的至少一个声道的信号延迟以产生直达声和多个反射声；乘法器单元，将由延迟滤波器单元产生的直达声和多个反射声与在虚拟房间中测量的与产生的声音相应的预定的不同增益相乘；ITD滤波器单元，通过在每一相乘的声音上反映收听者两耳之间的时间差将由乘法器单元相乘的声音划分为左声道声音和右声道声音；ILD滤波器单元，通过在左声道声音和右声道声音的每一个上反映两耳之间的级别差对由ITD滤波器单元划分的左声道声音和右声道声音进行低通滤波；左声道加法器单元，将由ILD滤波器单元低通滤波的左声道声音加在一起；和右声道加法器单元，将由ILD滤波器单元低通滤波的右声道声音加在一起。
10.如权利要求1所述的方法，还包括产生低频声道信号；产生补偿信号以补偿所述低频声道信号与所述多个声道的信号之间的强度和延迟时间中的差；和将所述补偿信号添加到左声道声音和右声道声音。
11.如权利要求1所述的方法，其中，该方法不包括使用头部相关传递函数。
12.一种产生用于双声道头戴耳机的立体声的方法，该方法包括计算用于直达声和多个反射声的每一个的耳间时间差；和计算用于直达声和多个反射声的每一个的耳间级别差。
13.如权利要求12所述的方法，还包括将与所述直达声和反射声的每一个的耳间时间差相应的不同的延迟系数分配给所述直达声和反射声的每一个；和将与所述直达声和反射声的每一个的耳间级别差相应的不同的增益值分配给所述直达声和反射声的每一个。
14.一种立体声产生设备，该设备包括产生单元，通过使用与直达声和反射声相应的多个不同的延迟系数将多个声道信号中的一个信号延迟来产生直达声和反射声；乘法器单元，将产生的声音和与产生的声音相应的预定的不同增益值相乘；划分器单元，通过在每一相乘的声音上反映收听者两耳之间的时间差将相乘的声音划分为左声道声音和右声道声音；滤波器单元，通过在左声道声音和右声道声音的每一个上反映两耳之间的级别差对划分的左声道声音和右声道声音进行低通滤波；和加法器单元，分别将低通滤波的左声道声音和右声道声音加在一起。
15.一种立体声产生设备，该设备包括立体声滤波器单元，通过使用在虚拟房间中预先测量的多个不同的时间延迟系数将多个声道信号中的至少一个信号延迟，所述立体声滤波器单元包括多个虚拟器滤波器；和信号补偿滤波器单元，产生补偿信号以补偿低频声道信号与所述多个声道的信号之间的强度和延迟时间中的差。
16.如权利要求15所述的设备，其中，所述虚拟器滤波器具有时间延迟系数不同的基本相似的结构。
17.如权利要求15所述的设备，还包括滤波器单元，用于对来自所述立体声滤波器单元的多个声道信号进行低通滤波。
18.如权利要求17所述的设备，还包括至少一个加法单元，用于将所述多个声道信号和所述补偿信号加在一起。
19.如权利要求18所述的设备，还包括至少一个放大器，用于对来自所述至少一个加法单元的相加的信号进行放大并将放大的信号输出到至少一个双声道头戴耳机。
20.如权利要求15所述的设备，其中，所述立体声滤波器单元包括削减单元，用于计算用于所述多个声道信号的每一个的耳间时间差，并基于该耳间时间差将不同的时间延迟系数之一分配给所述多个声道信号。
全文摘要
一种从记录介质再现的多声道音频信号产生用于双声道头戴耳机的立体声的方法和设备。该方法可包括通过使用多个不同的延迟系数将多个声道信号中的一个信号延迟来产生直达声和反射声；将产生的声音和预定的不同增益值相乘；通过在每一相乘的声音上反映收听者两耳之间的时间差将相乘的声音划分为左声道声音和右声道声音；通过在左声道声音和右声道声音的每一个上反映收听者两耳之间的级别差，对左声道声音和右声道声音进行低通滤波；和分别将低通滤波的左声道声音和低通滤波的右声道声音加在一起。
文档编号H04R5/033GK1829393SQ20061005838
公开日2006年9月6日 申请日期2006年3月3日 优先权日2005年3月3日
发明者千仁圭 申请人:三星电子株式会社