专利名称：通过推导具有高阶角项的信号实现的多信道音频重放系统的声场的提高的空间分辨率的制作方法
技术领域：
本发明 一般地涉及音频，更具体地涉及可以被用来改善多信道音 频重放系统对低空间分辨率音频信号的再现的被感知的空间分辨率 的装置和技术。
背景技术：
多信道音频重放系统通过使用围绕听者的多个扬声器的能力来 提供精确重构诸如演奏或体育赛事这样的声音事件的听觉感觉的潜 力。理想情况下，重放系统产生多维声场，该多维声场重构声音的视
向(apparent direction )感觉、以及预期的伴随这样的声音事件的扩 散混响(diffuse reverberation )。
例如，在体育赛事中，观众通常预期来自运动场上运动员的定向 声音(directional sound)将伴随有来自其他观众的包络声音 (enveloping sound)。没有这些包络声音，就不能实现对事件的听 觉感觉的精确重构。类似地，不重构音乐厅的混响效果，室内音乐会 的听觉感觉就不能被精确地重构。
由重放系统重构的感觉的真实性受到所再生的信号的空间分辨 度影响。重构的精确性一般随着空间分辨率的增加而增加。消费类的 和商用的音频重放系统经常采用大量扬声器，但是遗憾的是，系统所 重放的音频信号可能具有相对低的空间分辨率。许多广播以及被记录 的音频信号具有的空间分辨率比可能期望的空间分辨率低。因此，重 放系统能够实现的真实性可能受到将被重放的音频信号的空间分辨 率限制。所需要的是一种增加音频信号的空间分辨率的方法。
发明内容
本发明的一个目的是提供表示多维声场的音频信号的空间分辨 率的增力口。
该目的是通过在本申请文件中所描述的发明来实现的。根据本发 明的一个方面，通过分析将声场表示为具有零阶和一阶角项的角方向 函数的三个或更多的输入音频信号来推导声场中声能的一个或多个 角方向的统计特性。从这三个或更多的输入音频信号的加权組合推导 两个或更多的处理信号。在组合中根据统计特性来加权这三个或更多 的音频信号。这两个或更多的处理信号将声场表示为具有一个或多个 阶次大于一的角项的角方向函数。这三个或更多的输入音频信号和这 两个或更多的处理信号将声场表示为具有零阶、 一阶和阶次大于一的 角项的角方向的函数。
通过参考下面的讨论和附图可以更好地理解本发明的各种特征 及其优选实施例，在附图中，相似的参考标号表示相似的部件。以下 讨论和附图的内容仅作为示例来阐述，不应被理解为限制本发明的范 围。
图1是由麦克风系统捕获并随后由重放系统再生的声音事件的 示意图。
图2示出了听者以及声音的视方位角。
图3示出了将信号分配给扬声器以重构方向感觉的示例性重放 系统的一部分。
图4是在假想重放系统中两个相邻扬声器的信道的增益函数的 示意曲线。
图5是示出由一阶信号的混合而导致的空间分辨率的退化的增 益函数的曲线示意图。
图6是包括三阶信号的增益函数的曲线示意图。 图7A至7D是假想示例性重放系统的示意框图。
7图8和图9是用于从三信道(W，X，Y) B格式信号推导更高阶项 的方法的示意框图。
图10至图12是可用来推导三信道B格式信号的统计特性的电 路的示意框图。
图13示出了可用来从三信道B格式信号的统计特性产生二阶和 三阶信号的电路的示意框图。
图14是结合本发明各方面的麦克风系统的示意框图。
图15A和图15B是麦克风系统中的换能器的可替换布置的示意图。
图16是重放系统中的扬声器信道的假想增益函数的示意曲线。 图17是可用来实施本发明各个方面的装置的示意框图。
具体实施方式
A简介
图l提供了声音事件10和结合本发明各个方面的解码器17的示 意图，解码器17接收表示由麦克风系统15所捕获的声音事件的声音 的音频信号18。解码器17处理所接收的信号以产生具有提高的空间 分辨率的处理信号。处理信号被系统重放，以提供在声音事件处能够 感受到的听觉感觉的精确重构，该系统包括靠近一个或多个听者12 布置的扬声器19的阵列。麦克风系统15捕获直接声波13和在从诸 如房间或音乐厅这样一些声音环境16中的一个或多个表面反射后到 达的间接声波14。
在一个实施例中，麦克风系统15提供符合被称作B格式的 Ambisonic(高保真立体声)四信道信号格式(W，X，Y，Z)的音频信号。 由英格兰Wakefield的SoundField公司所提供的SPS422B麦克风系 统和MKV麦克风系统是可以使用的两个示例。下面将描述使用 SoundField麦克风系统的实施细节。如果希望，可以使用其他麦克风 系统和信号格式，而不背离本发明的范围。
四信道(W，X，Y，Z ) B格式信号可以从四个共射的(co-incident)声换能器的阵列获得。理论上， 一个换能器是全方向的，三个换能器
具有互相垂直的偶极形的方向灵敏度模式。许多B格式麦克风系统由 四个方向声换能器的四面阵列和响应于这四个换能器的输出而产生 四信道B格式信号的信号处理器构成。W信道信号表示全方向声波， X、 Y和Z信道信号表示沿三个互相垂直轴取向的声波，它们通常被
表示为具有一阶角项e的角方向的函数。x轴相对于听者从后至前水
平布置，Y轴相对于听者从右至左水平布置，Z轴相对于听者向上垂 直布置。X和Y轴在图2中示出。图2还示出了声音的视方位角e， 其可以被表示为矢量(x, y)。通过将该矢量限制为具有单位长度， 其可以表示为
<formula>formula see original document page 9</formula>四信道B格式信号可以传送关于声场的三维信息。仅需要关于 声场的二维信息的应用可以使用省略Z信道的三信道(W，X，Y) B格 式信号。本发明的各个方面可以被应用于二维和三维重放系统，但是 以下描述更关注二维应用。
B信号扫移(signal panning )
图3示出了具有环绕听者12的8个扬声器的一个示例性重放系 统的一部分。该图示出了系统正响应于分别表示具有视向P，和Q，的 两个声音的两个输入信号P和Q产生声场的情形。扫移器(panner) 部件33处理输入信号P和Q，以在扬声器信道中分配或扫移(pan) 处理信号来重构方向感觉。扫移器部件33可以使用多个处理。可以 被使用的一个处理被称作最近扬声器振幅扫移(NSAP: Nearest Speaker Amplitude Pan )。
NSAP处理通过响应于声音的视向以及扬声器相对于听者或聆
听区域的位置调节每个扬声器信道的增益，来将信号分配给扬声器信 道。例如，在二维系统中，从该信号所表示的声音的视向的方位角&
和分别位于视向6^两侧的两个扬声器SF和S五的方位角~和&的 函数获得信号户的增益。在一个实施例中，除了这最近的两个扬声器的信道之外的所有扬声器信道的增益被设置为零，并且根据下式计算
这两个最近扬声器的信道的增益
G ,{^|} (3a)
(3b)
类似的计算被用来获取其他信号的增益。信号2表示其中其所 表示的声音的视向&与一个扬声器5*(7排成一条直线的特定情况。扬 声器S丑或5^可以被选择作为第二最近扬声器。如可以从等式la和 lb看出的那样，扬声器5T的信道的增益等于1，所有其他扬声器信 道的增益为零。
扬声器信道的增益可以被绘制为方位角的函数。图4中所示的曲 线示出了图3中所示系统中的扬声器&和5V的信道的增益函数，其 中扬声器^和^f彼此分开，并且与其紧邻的相邻扬声器成45度角。 根据图2中示出的坐标系表示方位角。当诸如由信号户所表示的声音 这样的声音具有在135度至180度之间的视向时，扬声器S五和 的增益将在零和l之间，并且系统中所有其他扬声器的增益将被设置 为零。
C麦克风增益模式
系统可以对表示具有离散方向的声音的信号应用NSAP处理，以 产生能够精确重构原始声音事件的听觉感觉的声场。遗憾的是，麦克 风系统不提供表示具有离散方向的声音的信号。
当声音事件IO被麦克风系统15捕获时，声波13、 14通常从大 量不同的方向到达麦克风系统。上面提到的由SoundField公司提供的 麦克风系统产生符合B格式的信号。可以产生四信道(W， X， Y， Z) B格式信号来传送被表示为角方向的函数的声场的三维特性。通过忽 略Z信道信号，可以获取三信道(W, X， Y) B格式信号，来表示 也被表示为角方向的函数的声场的二维特性。需要一种方式来处理这 些信号，从而可以以与在应用于表示具有离散方向的声音的信号时NSAP处理所实现的空间精确度类似的空间精确度重构听觉感觉。实 现该程度的空间精确度的能力受到由麦克风系统15所提供的信号的 空间分辨率阻碍。
从麦克风系统所获取的信号的空间分辨率取决于麦克风系统的 灵敏度的实际方向模式与某理想模式相符合的程度，而这又取决于麦 克风系统内各个声换能器的灵敏度的实际方向模式。实际换能器的灵 敏度的方向模式(pattern)可能显著地背离于某理想模式，但是信号 处理可以补偿这些与理想模式的偏差。信号处理还可以将换能器输出 信号转换为期望的格式，诸如B格式。包括换能器/处理器系统的信 号格式的有效方向模式是换能器方向灵敏度和信号处理的组合结果。 上述来自SoundField公司的麦克风系统是该方法的示例。这个实施细 节对于本发明来说不是关键性的，因为如何实现有效方向模式并不重 要。在下面的讨论中，诸如"方向模式"和"方向性"这样的术语指的是 用于捕获声场的换能器或换能器/处理器组合的有效方向灵敏度。
换能器的灵敏度的二维方向模式可以被描述为作为角方向0的 函数的增益模式，其可以具有可由以下等式中任一等式表示的形式
GW"(a, 0) = (1-。)+".咖0 (4a) G。i'"(a,0) = (l—o) + flf'shie (4b)
其中对于全向增益模式，a=0; 对于心形增益模式，a=0.5; 对于8字形增益模式，a-l。 这些模式被表示为具有一阶角项6>的角方向的函数，并在此被称 作一阶增益模式。
在典型的实施方式中，麦克风系统15使用具有一阶增益模式的 三个或四个换能器来提供传送关于声场的二维或三维信息的三信道 (W, X， Y) B格式信号或四信道(W, X, Y， Z)B格式信号。参 考等式4a和4b，三个B格式信号信道(W， X， Y)中每一个的增益 模式可以表示为Go'/v (0) - (o = 0，= 1 (5a) Gw"A, (。 - C ai." (。 -1 ， 0) - cos S = ;c (5b) (0) = GWm (a = 1,0) - sin 0 = ;; (5C)
其中，W信道具有由a=0指示的全方向零阶增益模式，X和Y 信道具有由a=l指示的8字形一阶增益模式。
D重放系统分辨率
重放阵列中扬声器的数量和布置可能影响所重构的声场的被感
知的空间分辨率。在此示出并讨论具有八个等距的扬声器的系统，但
是该布置仅是一个示例。需要至少三个扬声器来重构环绕听者的声
场，但是通常五个或更多个扬声器是优选的。在重放系统的优选实施
方式中，解码器17产生用于每个扬声器的输出信号，该输出信号尽
可能与其他输出信号去相关。更高的去相关程度有助于稳定更大收听 区域中声音的被感知的方向，从而避免了众所周知的位于所谓最佳听
音位置之外的听者的定位问题。
在根据本发明的重放系统的一个实施方式中，解码器17处理将 声场表示为仅具有零阶和一阶角项的方向的函数的三信道(W， X,
Y) B格式信号，来导出将声场表示为具有被分配给一个或多个扬声 器的更高阶角项的方向的函数的处理信号。在传统系统中，解码器n 使用基于扬声器位置所选择的增益系数来将来自这三个B格式信道 中每一个的信号混合成用于扬声器中每一个的相应处理信号。遗憾的 是，这种混合处理不提供如上述典型系统的NSAP处理中所使用的增 益函数那么高的空间分辨率。例如，图5中所示的曲线示出了由一阶 B格式信号的线性混合所得到的增益函数的空间分辨率的退化。
通过观察到幅值为及的声音户的准确方位角^没有被麦克风系 统15测量到，可以解释这个空间分辨率退化的原因。相反，麦克风 系统15记录将声场表示为具有零阶和一阶角项的方向的函数的三个 信号W-及，X-及.cos6^和Y-W.sin/V例如，为扬声器5"五产生的处理 信号由W、 X和Y信道信号的线性组合构成。
该混合处理的增益曲线可以被看作为对于所期望的NSAP增益函数的低阶傅里叶逼近。例如，图4中所示的用于S五扬声器信道的 NSAP增益函数可以由傅里叶级数表示
GW"坊(0) = n0 + fl, cos" 6, sin - + 。3 cos 2- + 62 sin 2( + n， cos+ 6， sin 3"... (6) 但是，典型解码器的混合处理省略了一阶以上的项，其可以被表
示为
C a (0) - a0 + o, cos 0+6, sin 6> (7)
解码器17的处理函数的空间分辨率可以通过包括将声场表示为 具有更高阶项的方向的函数的信号而被增加。例如，包括直到三阶的 项的S五扬声器信道的增益函数可以被表示为
(-) - "0 + a, cos0 + fc, sin (9 + a2 cos 20+62 sin+ 。3 cos 30 + &3 sin 36> (8)
如图6所示，包括三阶项的增益函数可以提供对所期望的NSAP 增益曲线的更接近的逼近。
通过使用捕获二阶和三阶声场分量的麦克风系统可以得到二阶 和三阶角项，但是这会需要具有二阶和三阶方向模式灵敏度的声换能 器。具有更高阶方向灵敏度的换能器非常难以制造。此外，该方法不 能提供任何方案用于对先前使用具有一阶方向模式灵敏度的换能器 所记录来信号的重放。
图7A至7D所示的示意框图示出了可以被用来响应于不同类型 的输入信号产生多维声场的不同假想(hypothetical)重放系统。图 7A中示出的重放系统响应于8个离散输入信号驱动8个扬声器。图 7B和7C中所示的重放系统使用执行适于输入信号格式的解码处理的 解码器17来响应于一阶和三阶B格式输入信号分别驱动8个扬声器。 图7D所示的重放系统结合了本发明的各特征，其中解码器17处理三 信道(W，X，Y) B格式零阶和一阶信号，以导出接近于能够已经从使 用具有二阶和三阶增益模式的换能器的麦克风系统获取的信号的处
理信号。下面的讨论描述可以被用来导出这些处理信号的不同方法。 E推导更高阶项
下面描述推导更高阶角项的两个基本方法。第一方法推导用于宽带信号的角项。第二方法是第一方法的变体，其推导用于频率子带的 角项。这些技术可以被用来产生具有更高阶分量的信号。此外，这些
技术可以被应用于用于三维应用的四信道B格式信号。 1.宽带方法
图8是用于从三信道(W，X，Y ) B格式信号推导较高阶项的宽带 方法的示意框图。如下表示的四个统计特性
d= cos6Y"的估计值； S尸sin0(^的估计值； C尸cos26Y^的估计值；以及
S尸sin26Y"的估计值
是从对B格式信号的分析而导出的，并且这些特性可以被用来 产生二阶和三阶项的估计值，二阶和三阶项的估计值表示为 X2-信号.cos26^" YH言号.sin2, X产信号.cos3^^ YH言号.sin3,
用于获取这四个统计特性的一种技术假设在任何特定时刻"入 射在麦克风系统15上的声能的大部分从单个角方向到达，这使方向 角为时间的函数，其可以被表示为6>(,)。因此，W、 X和Y信道信号 被假设为基本上具有以下形式
W-信号
X-信号'cos^y)
Y-信号'sin6^)
声能的角方向的四个统计特性的估计值可以从如下所示的等式 9a至9d中导出，其中符号爿v(jc)表示信号A:的平均值。该平均值可以 在与信号特性显著改变的间隔相比相对较短的时间段上被计算。
<formula>formula see original document page 14</formula>A(^) + /fv(:X2)+/iv(Y2
_v ( SYgwa/ 57g加/' sin 0 )_
力v(忍^7Jfl/1 + 5"fg w/2 .cos2 0 +忍^n。/2 'sin2 S)
'Jv(W2) + 4v(X2)+^v(Y2)
4/4v (57gna/2. cos 6. sin 0)
(9b)
(9c)
:cos2 0 — sin2 0 - cos 26
(9d)
,2cosS.sin- = sin 2-
如下所讨论的，其他技术可以被来获取这四个统计特性A、 G、 &、 G的估计值。
通过使用以下三角恒等式，可以以多种方式中任何一种利用这四 个统计特性作为权重而从W、 X和Y信道信号的加权组合产生上述 四个信号X2、 Y2、 X3、 Y3:
cos 29 s cos2 0 — sin2 0
sin 2^s2cos0*sinP
cos 3夕s cos 0 cos 20 - sin 0 sin 20
sin 3^9 s cos ^ sin+sin P cos
A^信号可以从下面的加权组合中任一个获取
X2 - . cos 20 = W' C2
X2 -岭。/. cos 20 - Sfgn。/ '(cos2 0—sin2 0) = X, C, - Y. S， Xz = Kw. c2 + X. C, - Y- S )
等式10c中所计算的值是前两个等式的平均值 面的加权组合中任一个获取
Y2 = <S/gw。/ sin 26 = W. S2
Y2 =及gwaf' siri 20 - 5Vgn。/' (2 cos 0. sin 0) = X' <S, + Y' C, Y2 =古(W. J2 +》S + Y. C,)
等式lie中所计算的值是前两个等式的平均值
下面的加权组合中获取
(10a) (10b) (0c)
!^信号可以从下
(11a) (lib) (He)
三阶信号可以从X， - 5^wa/' cos 35 = X' C2 — Y A (12)
Y3 = 5Ygrt。/ 咖30 - X' S2 + Y' C2 (13)
其他加权组合可以被用来计算四个信号X2、 F2、 Aj、 K。上面所 示的等式仅是可以被使用的计算的示例。
其他技术可以被用来推导这四个统计特性。例如，如果足够的处
理资源可用，则从下面的等式获取Cl可能是实用的
22W(")'X("-" C,(")-TrT7_i=2-r 04a)
￡( W (" - fc)2 + X(w - A:)2 + Y (")2) *。o 、 Z
该等式通过分析前2T个样本上的W、 X和Y信道信号来计算样 本w处的C;的值。
可以被用来获取CI的另 一技术是使用 一 阶递归平滑滤波器代替 等式14a中的有限和的计算，如下面的等式所示
2tw("_fc).X("-A)-(l-a)*
C,(") = ^——S=2-^- (14b)
g(W("-A:)2 + X("-"2 + Y("-;i)2).(1-a)*
平滑滤波器的时间常数由系数a确定。可以如图IO中的框图所 示地执行该计算。当等式14b中的表达式的分母等于零时可能发生的 除以零的错误可以通过如图所示的将微小值s加到分母来避免。这就 如下所示稍微地改变了等式
2jw("-A:).X(rt-A:).(卜a)'
C,(")-"^-4=2-;- (14c)
S(W(w-)fc)2+X("-Ar)2+Y(w-A:)2+ff),(l-cr)4
除以零的错误也可用通过使用如图11所示的反馈回路来避免。
该技术使用前一估计值G 来计算下面的误差函数
￡/v(")-2W(rt).X(rt)-C,("-l).(W(")2+X(")2+Y(")2+f) (15)
如果误差函数的值大于零，则前一估计值CV太小，signum(￡>r(/i)) 的值等于l，并且估计值被增加等于a;的调节量。如果误差函数的值 小于零，则G的前一估计值太大，函数signum(jE:/T("))等于负1，并 且估计值被减少等于a,的调节量。如果误差函数的值等于零，则 的前一估计值是正确的，函数signum(^r("))等于零，并且不改变估计值。G估计值的粗糙版本在图11中所示的框图的左下部分中所示 的存储或延迟元件中产生，并且该估计值的平滑后版本在该框图的右
下部分中被标记为<:7的输出处产生。平滑滤波器的时间常数由系数《2 决定。
可以使用对应于图12中所示框图的电路和处理获得这四个统计
特性C/、 A、 G、 &。根据等式10c、 llc、 12和13，通过使用对应 于图13中所示框图的电路和处理可以得到具有更高阶项的信号X2、 Y2、 X3、 Y3。
用来从W、 X和Y信道输入信号推导这四个统计特性的处理在 这些处理使用时间平均技术的情况下将发生 一定延迟。在实时系统 中，向如图9所示的输入信号路径添加一定延迟以补偿统计推导中的 延迟可能是有利的。在许多实施方式中用于统计分析的典型延迟值在 10ms和50ms之间。被插入到输入信号路径中的延迟一般应该小于或 等于统计分析延迟。在许多实施方式中，信号路径延迟可以被省略， 而不显著降低系统的整体性能。
2.多频带方法
上述技术推导可以被表示为随时间改变、但不随频率改变的标量 值的宽带统计特性。推导技术可以被延伸到推导可以被表示为具有与 多个不同频率或不同频率子带相对应的项的矢量的频带相关的统计 特性。可选地，每个频率相关的统计特性C7、 A、 C2和&可以被表 示为脉冲响应。
如果G、 &、 G、 &矢量中每一个中的分量被看作频率相关的 增益值，则通过对具有基于这些矢量中的增益值的频率响应的W、 X 和Y信道信号应用适当的滤波器，可以产生X" Y2、 X3和Y3信号的 加权组合。在前面的等式和图表中所示出的乘法运算被诸如巻积这样 的滤波运算代替。
统计分析W、 X和Y信道信号可以在频域或时域中执行。如果 在频域中执行分析，则可以使用分块(block)傅里叶变换或类似变换 将输入信号转换到短时频域中，以产生频域系数，并且可以为每个频域系数或为定义频域子带的频域系数组计算这四个统计特性。用于产
生X" Y2、 乂3和Y3信号的处理可以以逐个频率或逐个频带为基础来 执4亍该处理。
F麦克风系统中的实施
上面讨论的技术可以被结合到换能器/处理器布置中，以形成可
以提供具有改进的空间精确度的输出信号的麦克风系统15。在图14
中所示意性示出的一个实施方式中，麦克风系统15包括三个具有心
形方向模式灵敏度的共射或近共射的(near co-incident)声换能器A、
B、 C，它们被布置在等边三角形的顶点处，其中每个换能器面向远离
三角形中心的外部。换能器方向增益模式可以被表示为
G^/"^ (e) = 士+士 cos 0 (16a)
GW"fl(e) = +++cos(5>-120。) (16b)
GW/ic(e) = +++cos("120。) ^ (6c)
其中，换能器A沿X轴面向上，换能器B面向后部并以与X轴 成120度角地在左侧，换能器C面向后部并以与X轴成120度角地 在右侧。
来自这些换能器的输出信号可以被转换为如下的三信道 (W，X，Y) —阶B格式信号
W =(0) + C7。f"8 (0)十G。!'MC (-)]
r* , (17a)
=i[*+*cose ++++cos(< -:i20。)+++*cos(<9+1200)]-
。普[士+jcos列-礼士+士cos(P—12O。)]-f[++*cos(0 + 12O。)] = cos0 (1 b)
=*[士+士咖(<9-12Oo)]-*[++*cos("2O。)] = sin0
需要三个换能器的最小值来捕获三信道B格式信号。在实践中， 当使用低成本换能器时，使用四个换能器可能是优选的。图15A和 15B中所示出的示意图示出两个可选布置。三换能器阵列可以被布置 为换能器面向不同角度，诸如60度、-60度、和180度。四换能器阵 列可以被布置成所谓的"T形"结构，其中换能器面向0度、90度、-90度和180度，或者被布置为所谓的"交叉"结构，其中换能器面向45 度、-45度、135度和-135度。用于交叉结构的增益模式是
CW"^(0)-士 + 士cos(/9-45。) (18a)
GW"^((9)-女+士cos((9 + 45。) (18b)
G。'."w (S W + + cos (" - U5" (18c)
Ga/"M(e)=4++cos(0+l35。) (18d)
其中下标zf、及f、 和及A表示面向左前、右前、左后和右
后方向的换能器的增益。
来自交叉结构的换能器的输出信号可以被转换为如下的三信道
(W，X，Y) —阶B格式信号
W = 士[C m/v (6) + Gflf/v (0) + (6) + = 1 (19a)
X =(。 + G。/"^ (。 - G。i'"上a (。 - (0)] - cos S (19b)
Y -古[G""i/r ~ Ga/w^ ((9) + C7加'/J丄a (< ) _ G^/"M = sin < (19c)
在实际实践中，用于每个换能器的方向增益模式偏离理想心形模 式。上面所示的转换等式可以被调节以考虑这些偏离。此外，换能器
可以在较低频率处具有较差的方向灵敏度；然而，该特性在许多应用 中可以被容忍，因为听者一般对较低频率处的方向误差不敏感。
G混合等式
七个一阶、二阶和三阶信号(『，x，k&，iv^，;^)集合可以通过 矩阵而被混合或组合，以驱动期望数量的扬声器。下面的混合等式集
定义可以被用来驱动按典型环绕声配置的5个扬声器的7x5矩阵，该 典型环绕声配置包括左(L)、右(R)、中心(C)、左环绕(LS) 和右环绕(RS)信道
=
0.2144 0.1533 0.3498 -0.1758 0,1971 ~0.1266 —0.0310 0.1838 0.3378 0.0000 0.2594 0.0000 0.1598 0.0000 0.2144 0,1533 ~0,3498 -0.1758 -0.1971 -0.1266 0.0310 0.2451 "C.3227 0.2708 0.04^48 ~0.2539 0.0467 0.0809 0.2451 ~0.3227 ~0.2708 0.0448 0.2539 0.0467 -0.0809
W X Y
X,由这些混合等式所提供的扬声器增益函数在图16中以曲线示 出。这些增益函数假设混合矩阵被供给以理想的输入信号集。
H实施
结合本发明各方面的装置可以以多种方式被实施，包括由计计算 机执行的软件或其他的一些包括耦接到与在通用计算机中类似的都 件的诸如数字信号处理(DSP)电路的更专用的部件的装置。图17 是可以被用来实施本发明多个方面的装置70的示意框图。处理器72 提供计算资源。RAM 73是由处理器72使用用于处理的系统随机存取 存储器(RAM) 。 ROM74代表用于存储操作装置70所需的程序并 可能用于实现本发明各个方面的某种形式的持久存储器，例如只读存 储器(ROM)或闪存。1/0控制器75表示通过通信信道76、 77接收 和发送信号的接口电路。在所示出的实施例中，所有主要系统部件连 接到总线71，总线可以表示不止一条的物理或逻辑总线，然而，实施
本发明并不要求总线结构。
存储装置78是可选的。实施本发明各方面的程序可以被记录在 具有诸如磁带或磁盘这样的存储介质、或光学介质的存储装置78上。 存储介质也可以被用来记录用于操作系统、实用程序和应用程序的指 令的程序。
实施本发明各种方面所需的功能可以由以各种方式实施的部件 执行，这些部件包括独立逻辑部件、集成电路、 一个或多个ASIC和/ 或程序控制的处理器。这些部件的实施方式对于本发明不重要。
本发明的软件实施可以通过各种机器可读介质传送，机器可读介 质例如是基带或贯穿包括从超声频到紫外线频率的整个频谱的调制 通信路径、或本质上使用任何记录技术传送信息的存储介质，包括磁 带、磁卡或磁盘、光学卡或光盘，以及在包括纸张的介质上的可检测 才示卡己。
权利要求
1.一种用于增加表示声场的音频信号的空间分辨率的方法，所述方法包括接收将所述声场表示为具有零阶和一阶角项的角方向的函数的三个或更多个输入音频信号；分析所述三个或更多个输入音频信号，以导出所述声场中声能的一个或多个角方向的统计特性；从所述三个或更多个音频信号的加权组合导出两个或更多个处理信号，其中所述三个或更多个音频信号根据所述统计特性被加权，其中所述两个或更多个处理信号将所述声场表示为具有一个或多个阶次大于一的角项的角方向的函数；提供将所述声场表示为具有零阶、一阶和阶次大于一的角项的角方向的函数的五个或更多输出音频信号，其中所述五个或更多输出音频信号包括所述三个或更多个输入音频信号以及所述两个或更多个处理信号。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中从多个声换能器接收所述 三个或更多个输入音频信号，其中每个所述声换能器具有阶次不大于 一的角项的方向灵敏度。
3. 根据权利要求1或2所迷的方法，所述方法从所述统计特性 导出将所述声场表示为具有二阶角项的角方向的函数的两个或更多 个信号。
4. 根据权利要求1或2所述的方法，所述方法从所述统计特性 导出将所述声场表示为具有二阶和三阶角项的角方向的函数的四个 或更多个处理信号。
5. 根据权利要求1或2所述的方法，所述方法从所述统计特性 导出将所述声场表示为具有两个或更多个阶次大于一的角项的角方 向的函数的四个或更多处理信号。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述统计特性至少部分地是从所述三个或更多个输入音频信号在时间间隔上所 计算的平均值而导出的。
7. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中每个所述输 入音频信号通过样本来表示，并且所述统计特性至少部分地是从相应 输入音频信号的多个样本的和而导出的。
8. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述统计特 性至少部分地是通过将平滑滤波器应用于从所述三个或更多个输入 音频信号所导出的值来导出的。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述统计特 性代表被表示为角方向的一阶项的正弦函数或余弦函数的所述声场 的特性。
10. 根据权利要求1至9中任一项所述的方法，所述方法导出用 于所述三个或更多个输入音频信号的频率相关的统计特性。
11. 根据权利要求IO所述的方法，包括将分块变换应用于所述三个或更多个输入音频信号，以产生频域系数；从各个频域系数或频域系数组导出所述频率相关的统计特性；以及通过将滤波器应用于具有基于所迷频率相关的统计特性的频率 响应的所述三个或更多个输入音频信号，来导出所迷两个或更多个处 理信号。
12. 根据权利要求10所述的方法，包括通过将滤波器应用于具有基于所述频率相关的统计特性的脉沖 响应的所述三个或更多个输入音频信号，来导出所述两个或更多个处理信号。
13. —种用于增加表示声场的音频信号的空间分辨率的设备，所 述设备包括用于接收将所述声场表示为具有零阶和一阶角项的角方向的函 数的三个或更多个输入音频信号的装置；用于分析所述三个或更多个输入音频信号以导出所述声场中声能的一个或多个角方向的统计特性的装置；用于从所述三个或更多个音频信号的加权组合导出两个或更多 个处理信号的装置，其中所述三个或更多个音频信号根据所述统计特 性被加权，其中所述两个或更多个处理信号将所述声场表示为具有一 个或多个阶次大于一的角项的角方向的函数；用于提供将所述声场表示为具有零阶、 一阶和阶次大于一的角项 的角方向的函数的五个或更多输出音频信号的装置，其中所述五个或 更多输出音频信号包括所述三个或更多个输入音频信号以及所述两 个或更多个处理信号。
14. 根据权利要求13所述的设备，其中从多个声换能器接收所 述三个或更多个输入音频信号，其中每个所述声换能器具有阶次不大 于一的角项的方向灵敏度。
15. 根据权利要求13或14所述的设备，所述设备从所述统计特 性导出将所述声场表示为具有二阶角项的角方向的函数的两个或更 多信号。
16. 根据权利要求13或14所述的设备，所述设备从所述统计特 性导出将所述声场表示为具有二阶和三阶角项的角方向的函数的四 个或更多处理信号。
17. 根据权利要求13或14所述的设备，所述设备从所述统计特 性导出将所述声场表示为具有两个或更多阶次大于一的角项的角方 向的函数的四个或更多处理信号。
18. 根据权利要求13至17中任一项所述的设备，其中所述统计 特性至少部分地是从所述三个或更多个输入音频信号在时间间隔上 计算出的平均值而导出的。
19. 根据权利要求13至17中任一项所述的设备，其中每个所述 输入音频信号通过样本来表示，并且所述统计特性至少部分地是从相 应输入音频信号的多个样本之和而导出的。
20. 根据权利要求13至17中任一项所述的设备，其中所述统计特性至少部分地是通过将平滑滤波器应用于从所述三个或更多个输 入音频信号所导出的值而导出的。
21. 根据权利要求13至20中任一项所述的设备，其中所述统计 特性代表被表示为角方向的一阶项的正弦函数或余弦函数的所述声 场的特性。
22. 根据权利要求13至21中任一项所述的设备，所述设备导出 用于所述三个或更多个输入音频信号的频率相关的统计特性。
23. 根据权利要求22所述的设备，包括用于将分块变换应用于所述三个或更多个输入音频信号以产生 频域系数的装置；用于从各个频域系数或频域系数组导出所述频率相关的统计特 性的装置；以及用于通过将滤波器应用于具有基于所述频率相关的统计特性的 频率响应的所述三个或更多个输入音频信号来导出所述两个或更多 个处理信号的装置。
24. 根据权利要求22所述的设备，包括用于通过将滤波器应用 于具有基于所述频率相关的统计特性的脉冲响应的所述三个或更多 个输入音频信号来导出所述两个或更多个处理信号的装置。
25. —种记录可由设备执行的指令的程序的存储介质，其中所述 指令的程序的执行使所述设备执行根据权利要求1至12任一项所述 的方法。
全文摘要
通过导出用高阶角项表示声场的信号来获取表示具有提高空间分辨率的声场的音频信号。这是通过分析用零阶和一阶角项表示声场的输入音频信号以导出声场中声能的一个或多个角方向的统计特性来实现的。从输入音频信号的加权组合导出处理信号，在加权组合中输入音频信号根据统计特性被加权。输入音频信号和处理信号将声场表示为具有一阶或多个大于一阶的阶的角项的角方向的函数。
文档编号H04S3/02GK101518101SQ200780035631
公开日2009年8月26日 申请日期2007年9月19日 优先权日2006年9月25日
发明者D·S·迈克格拉斯 申请人:杜比实验室特许公司