专利名称：根据角度工作的装置和获得伪立体声音频信号的方法
技术领域：
本发明涉及音频信号(尤其是声变换信号)及用于获得、传输、变换与再现该音频 信号的装置和方法。
背景技术：
通常，这些系统尝试为人耳投射或提示可分解的空间信息。这要么通过添加人工 的第一反射或人工的扩散声而再现两个或多个不同地获得的最终信号来实现，要么通过借 助于HRTF模拟与人头有关的声学场景来实现。这些解决措施尤其被用来将单声音频信号 变换成给耳朵传授实际空间性或虚空间性的音频信号。这些方法被称为“伪立体声”。相较于常规立体声信号，伪立体声信号通常具有缺点。尤其是，由于心理声学的 原因，声源的可定位性譬如在将频谱经不同的移相后分配到最终信号的方法中是受到限制 的。因同样的缘故，采用传播时间差也通常会导致矛盾的定位。同样由于心理声学的原因， 人工消音在听筒上会引起疲劳现象。尤其是Gerzon (见下文)已经给出了一系列的建议， 应该在声源的立体声投射中克服这种矛盾性。然而，即便在复杂的应用中，通常也不象它们 能投射传统立体声信号那样进行原始空间场景的再现。尤其是，以强度立体声方法的仿真为基础的伪立体声学存在特别的问题，即以 8字形方向特性为基础的单声音频信号不能被立体声化，这是因为没有投射旁面入射的声
曰O下面的文献构成了现有技术
US5173944考虑了在恒定90度、120度、240度和270度方位角下借助于HRTF从被不同 延迟的但统一放大的基信号中获得的信号，该信号与所述基信号叠加。这里，电平和传播时 间校正与原录音情况无关。US6636608建议了要被立体声化的单信号的根据频率确定的相移，该相移在不同 的(同样与录音情况无关的！)增益的情况下既在左信道又在右信道与原单声音频信号叠 加。上面已提到的文献US567U87 (Gerzon)改善了 Orban所建议的方法(该方法从单 声音频信号中获取具有依赖于频率的相移的和信号和差信号-与录音情况无关)，其中所述 的改善同样是基于依赖于频率的相移或在容易改变求和或求差信号的情况下基于(与录音 情况无关的！)增益。本人的欧洲申请号06008455. 5通过采用依赖于角Φ的传播时间差和电平差，建 议了有计划地考虑用人工或测量技术获得的、包围了主轴和声源的角Φ。只要角度Φ等于 0，无论如何也不能实现兼容的立体声投射。下文阐述的发明体现了单声投射的声源的立体声再现的明显改善，这考虑了录音 情况。同时，针对上面讲述的迄今对于强度立体声仿真存在问题的8字形方向特性，应提供 立体声化的可靠方法。另外，对于包围主轴和声源的角Φ等于0时，也应能实现兼容的立 体声投射。
发明内容
本发明主题被描述如下
(本人的欧洲申请号06008455. 5所建议的)通过采用依赖于角Φ的传播时间差和电平 差而有计划地考虑包围了主轴和声源的角Φ的技术方案，包括MS矩阵化，其中对于输入信 号M和S以及结果信号L和R适用以下关系
权利要求
1.用于对单信号进行立体声化的装置，其特征在于，(a)结合以下各项分析用人工或测量技术求出的包围声源和传声器主轴的角Φ (aa)任意地或按算法确定的虚开角α，该虚开角在左边连接到传声器主轴，且不为0附近的元素或等于0，并且对于该虚开角，只要角Φ为正，便满足角Φ小于或等于角α的 条件；(bb)任意地或按算法确定的虚开角β，该虚开角在右边连接到传声器主轴，且不为0 附近的元素或等于0，并且对于该虚开角，只要角Φ为负，便满足角Φ的值小于或等于角 β的条件；(cc)用人工或测量技术确定的、要立体声化的单信号的方向特性，其可在极坐标中被 描述；(b)计算依赖于角Φ、角α以及要立体声化的单信号的方向特性(可在极坐标中被描 述)的增益系数Ρ( α)；(c)计算依赖于角Φ、角β以及要立体声化的单信号的方向特性(可在极坐标中被描 述)的增益系数Ρ( β)；(d)计算依赖于角Φ、角α以及要立体声化的单信号的方向特性(可在极坐标中被描 述)的延迟时间L( α)；(e)计算依赖于角Φ、角β以及要立体声化的单信号的方向特性(可在极坐标中被描 述)的延迟时间L( β)；(f)直接采用要立体声化的单信号作为主信号；(g)把要立体声化的单信号延迟所述的延迟时间L(α)，把被延迟的信号放大所述的 增益系数P ( α )；或者替代地，把要立体声化的单信号放大所述的增益系数P ( α )，把被放 大的信号延迟所述的延迟时间L( α)；(h)把要立体声化的单信号延迟所述的延迟时间L(i3)，把被延迟的信号放大所述的 增益系数P ( β )；或者替代地，把要立体声化的单信号放大所述的增益系数P ( β )，把被放 大的信号延迟所述的延迟时间L(i3)；(i)把在(g)和(h)获得的信号相加以得到旁信号；(j)把主信号和旁信号进行立体声转换成立体声信号(
图15)。
2.用于对单信号进行立体声化的方法，其特征在于，(a)结合以下各项分析用人工或测量技术求出的包围声源和传声器主轴的角Φ (aa)任意地或按算法确定的虚开角α，该虚开角在左边连接到传声器主轴，且不为0附近的元素或等于0，并且对于该虚开角，只要角Φ为正，便满足角Φ小于或等于角α的 条件；(bb)任意地或按算法确定的虚开角β，该虚开角在右边连接到传声器主轴，且不为0 附近的元素或等于0，并且对于该虚开角，只要角Φ为负，便满足角Φ的值小于或等于角 β的条件；(cc)用人工或测量技术确定的、要立体声化的单信号的方向特性，其可在极坐标中被 描述；(b)计算依赖于角Φ、角α以及要立体声化的单信号的方向特性(可在极坐标中被描 述)的增益系数Ρ( α)；(C)计算依赖于角Φ、角β以及要立体声化的单信号的方向特性(可在极坐标中被描 述)的增益系数Ρ( β)；(d)计算依赖于角Φ、角α以及要立体声化的单信号的方向特性(可在极坐标中被描 述)的延迟时间L( α)；(e)计算依赖于角Φ、角β以及要立体声化的单信号的方向特性(可在极坐标中被描 述)的延迟时间L( β)；(f)直接采用要立体声化的单信号作为主信号；(g)把要立体声化的单信号延迟所述的延迟时间L(α)，把被延迟的信号放大所述的 增益系数P ( α )；或者替代地，把要立体声化的单信号放大所述的增益系数P ( α )，把被放 大的信号延迟所述的延迟时间L( α)；(h)把要立体声化的单信号延迟所述的延迟时间L(i3)，把被延迟的信号放大所述的 增益系数P ( β )；或者替代地，把要立体声化的单信号放大所述的增益系数P ( β )，把被放 大的信号延迟所述的延迟时间L(i3)；(i)把在(g)和(h)获得的信号相加以得到旁信号；(j)把主信号和旁信号进行立体声转换成立体声信号(图19. 1和19. 2)。
3.根据权利要求1的用于对单信号进行立体声化的装置，其特征在于，(a)所述的增益系数Ρ(α)等于“角为α时的极距的平方”除以“用4乘以α的正弦 的平方”，加上“角为Φ时的极距的平方”，减去“由角为α时的极距、角为Φ时的极距和 Φ的正弦所形成的乘积除以α的正弦”；(b)所述的增益系数Ρ(β)等于“角为β时的极距的平方”除以“用4乘以β的正弦 的平方”，加上“角为Φ时的极距的平方”，加上“由角为β时的极距、角为Φ时的极距和 Φ的正弦所形成的乘积除以β的正弦”；(C)所述的延迟时间L(ci)等于“角为α时的极距的负数”除以“α的正弦的两倍”， 再加上(a)所表示的增益系数Ρ(α)的平方根；(d)所述的延迟时间L(i3)等于“角为β时的极距的负数”除以“β的正弦的两倍”， 再加上(b)所表示的增益系数Ρ( β)的平方根。
4.根据权利要求2的用于对单信号进行立体声化的方法，其特征在于，(a)所述的增益系数Ρ(α)等于“角为α时的极距的平方”除以“用4乘以α的正弦 的平方”，加上“角为Φ时的极距的平方”，减去“由角为α时的极距、角为Φ时的极距和 Φ的正弦所形成的乘积除以α的正弦”；(b)所述的增益系数Ρ(β)等于“角为β时的极距的平方”除以“用4乘以β的正弦 的平方”，加上“角为Φ时的极距的平方”，加上“由角为β时的极距、角为Φ时的极距和 Φ的正弦所形成的乘积除以β的正弦”；(C)所述的延迟时间L(ci)等于“角为α时的极距的负数”除以“α的正弦的两倍”， 再加上(a)所表示的增益系数Ρ(α)的平方根；(d)所述的延迟时间L(i3)等于“角为β时的极距的负数”除以“β的正弦的两倍”， 再加上(b)所表示的增益系数Ρ( β)的平方根。
5.用于从单信号获得与按照权利要求1所获得的立体声信号等效的立体声信号的装 置，其特征在于，(a)结合以下各项分析用人工或测量技术求出的包围声源和传声器主轴的角Φ(aa)任意地或按算法确定的虚开角α，该虚开角在左边连接到传声器主轴，且不为0附近的元素或等于0，并且对于该虚开角，只要角Φ为正，便满足角Φ小于或等于角α的 条件；(bb)任意地或按算法确定的虚开角β，该虚开角在右边连接到传声器主轴，且不为0 附近的元素或等于0，并且对于该虚开角，只要角Φ为负，便满足角Φ的值小于或等于角 β的条件；(cc)用人工或测量技术确定的、要立体声化的单信号的方向特性，其可在极坐标中被 描述；(dd)满足条件“角为α时的极距的平方”除以“用4乘以α的正弦的平方”，加上 “角为Φ时的极距的平方”，再减去“由角为α时的极距、角为Φ时的极距和Φ的正弦所 形成的乘积除以α的正弦”，不为0附近的元素或等于0 ；(b)计算依赖于角Φ、角α以及要立体声化的单信号的方向特性(可在极坐标中被描 述)的增益系数ΡΜ，；(C)计算依赖于角Φ、角α、角β以及要立体声化的单信号的方向特性(可在极坐标 中被描述)的增益系数Ρ(β)’ ；(d)计算依赖于角Φ、角α以及要立体声化的单信号的方向特性(可在极坐标中被描 述)的延迟时间L( α)；(e)计算依赖于角Φ、角β以及要立体声化的单信号的方向特性(可在极坐标中被描 述)的延迟时间L( β)；(f)把要立体声化的单信号放大所述的增益系数PM’，以便获得主信号；(g)把要立体声化的单信号延迟所述的延迟时间L(α)；(h)把要立体声化的单信号延迟所述的延迟时间L(i3)，把被延迟的信号放大所述的 增益系数P ( β ) ’ ；或者替代地，把要立体声化的单信号放大所述的增益系数P ( β ) ’，把被放 大的信号延迟所述的延迟时间L(i3)；(i)把在(g)和(h)获得的信号相加以得到旁信号；(j)把主信号和旁信号进行立体声转换成立体声信号(图16)。
6.用于从单信号获得与按照权利要求2所获得的立体声信号等效的立体声信号的方 法，其特征在于，(a)结合以下各项分析用人工或测量技术求出的包围声源和传声器主轴的角Φ (aa)任意地或按算法确定的虚开角α，该虚开角在左边连接到传声器主轴，且不为0 附近的元素或等于0，并且对于该虚开角，只要角Φ为正，便满足角Φ小于或等于角α的 条件；(bb)任意地或按算法确定的虚开角β，该虚开角在右边连接到传声器主轴，且不为0 附近的元素或等于0，并且对于该虚开角，只要角Φ为负，便满足角Φ的值小于或等于角 β的条件；(cc)用人工或测量技术确定的、要立体声化的单信号的方向特性，其可在极坐标中被 描述；(dd)满足条件“角为α时的极距的平方”除以“用4乘以α的正弦的平方”，加上“角为Φ时的极距的平方”，再减去“由角为α时的极距、角为Φ时的极距和Φ的正弦所 形成的乘积除以α的正弦”，不为0附近的元素或等于0;(b)计算依赖于角Φ、角α以及要立体声化的单信号的方向特性(可在极坐标中被描 述)的增益系数ΡΜ，；(C)计算依赖于角Φ、角α、角β以及要立体声化的单信号的方向特性(可在极坐标 中被描述)的增益系数Ρ(β)’ ；(d)计算依赖于角Φ、角α以及要立体声化的单信号的方向特性(可在极坐标中被描 述)的延迟时间L( α)；(e)计算依赖于角Φ、角β以及要立体声化的单信号的方向特性(可在极坐标中被描 述)的延迟时间L( β)；(f)把要立体声化的单信号放大所述的增益系数PM’，以便获得主信号；(g)把要立体声化的单信号延迟所述的延迟时间L(α)；(h)把要立体声化的单信号延迟所述的延迟时间L(i3)，把被延迟的信号放大所述的 增益系数P ( β ) ’ ；或者替代地，把要立体声化的单信号放大所述的增益系数P ( β ) ’，把被放 大的信号延迟所述的延迟时间L( β)；(i)把在(g)和(h)获得的信号相加以得到旁信号；(j)把主信号和旁信号进行立体声转换成立体声信号。
7.根据权利要求5的用于对单信号进行立体声化的装置，其特征在于，(a)所述增益系数PM’等于以下结果的倒数值，该结果通过以下方式计算“角为α时 的极距的平方”除以“用4乘以α的正弦的平方”，加上“角为Φ时的极距的平方”，再减去 “由角为α时的极距、角为Φ时的极距和Φ的正弦所形成的乘积除以α的正弦”；(b)所述增益系数Ρ(β)’等于(a)所表示的增益系数PM’与权利要求3中的(b)所表 示的增益系数Ρ( β)之积；(c)所述延迟时间L(a)等于“角为α时的极距的负数”除以“α的正弦的两倍”，再 加上以下结果的平方根，该结果由以下方式计算“角为α时的极距的平方”除以“用4乘 以α的正弦的平方”，加上“角为Φ时的极距的平方”，再减去“由角为α时的极距、角为 Φ时的极距和Φ的正弦所形成的乘积除以α的正弦”；(d)所述延迟时间L(i3)等于“角为β时的极距的负数”除以“β的正弦的两倍”，再 加上以下结果的平方根，该结果由以下方式计算“角为β时的极距的平方”除以“用4乘 以β的正弦的平方”，加上“角为Φ时的极距的平方”，再加上“由角为β时的极距、角为 Φ时的极距和Φ的正弦所形成的乘积除以β的正弦”。
8.根据权利要求6的用于对单信号进行立体声化的方法，其特征在于，(a)所述增益系数PM’等于以下结果的倒数值，该结果通过以下方式计算“角为α时 的极距的平方”除以“用4乘以α的正弦的平方”，加上“角为Φ时的极距的平方”，再减去 “由角为α时的极距、角为Φ时的极距和Φ的正弦所形成的乘积除以α的正弦”；(b)所述增益系数Ρ(β)’等于(a)所表示的增益系数PM’与权利要求3中的(b)所表 示的增益系数Ρ(β)之积；(c)所述延迟时间L(Ci)等于“角为α时的极距的负数”除以“α的正弦的两倍”，再 加上以下结果的平方根，该结果由以下方式计算“角为α时的极距的平方”除以“用4乘以α的正弦的平方”，加上“角为Φ时的极距的平方”，再减去“由角为α时的极距、角为 Φ时的极距和Φ的正弦所形成的乘积除以α的正弦”；(d)所述延迟时间L(i3)等于“角为β时的极距的负数”除以“β的正弦的两倍”，再 加上以下结果的平方根，该结果由以下方式计算“角为β时的极距的平方”除以“用4乘 以β的正弦的平方”，加上“角为Φ时的极距的平方”，再加上“由角为β时的极距、角为 Φ时的极距和Φ的正弦所形成的乘积除以β的正弦”。
9.用于从单信号获得与按照权利要求1所获得的立体声信号等效的立体声信号的装 置，其特征在于，(a)结合以下各项分析用人工或测量技术求出的包围声源和传声器主轴的角Φ(aa)任意地或按算法确定的虚开角α，该虚开角在左边连接到传声器主轴，且不为0附近的元素或等于0，并且对于该虚开角，只要角Φ为正，便满足角Φ小于或等于角α的 条件；(bb)任意地或按算法确定的虚开角β，该虚开角在右边连接到传声器主轴，且不为0 附近的元素或等于0，并且对于该虚开角，只要角Φ为负，便满足角Φ的值小于或等于角 β的条件；(cc)用人工或测量技术确定的、要立体声化的单信号的方向特性，其可在极坐标中被 描述；(dd)满足条件“角为β时的极距的平方”除以“用4乘以β的正弦的平方”，加上 “角为Φ时的极距的平方”，再减去“由角为β时的极距、角为Φ时的极距和Φ的正弦所 形成的乘积除以β的正弦”，不为0附近的元素或等于0 ；(b)计算依赖于角Φ、角β以及要立体声化的单信号的方向特性(可在极坐标中被描 述)的增益系数PM' ’ ；(c)计算依赖于角Φ、角α、角β以及要立体声化的单信号的方向特性(可在极坐标 中被描述)的增益系数Ρ(α)’ ；(d)计算依赖于角Φ、角α以及要立体声化的单信号的方向特性(可在极坐标中被描 述)的延迟时间L( α)；(e)计算依赖于角Φ、角β以及要立体声化的单信号的方向特性(可在极坐标中被描 述)的延迟时间L( β)；(f)把要立体声化的单信号放大所述的增益系数PM’，，以便获得主信号；(g)把要立体声化的单信号延迟所述的延迟时间L(α)，把被延迟的信号放大所述的 增益系数P ( α ) ’ ；或者替代地，把要立体声化的单信号放大所述的增益系数P ( α ) ’，把被放 大的信号延迟所述的延迟时间L( α)；(h)把要立体声化的单信号延迟所述的延迟时间L(i3)；(i)把在(g)和(h)获得的信号相加以得到旁信号；(j)把主信号和旁信号进行立体声转换成立体声信号(图17)。
10.用于从单信号获得与按照权利要求2所获得的立体声信号等效的立体声信号的方 法，其特征在于，(a)结合以下各项分析用人工或测量技术求出的包围声源和传声器主轴的角Φ (aa)任意地或按算法确定的虚开角α，该虚开角在左边连接到传声器主轴，且不为0附近的元素或等于0，并且对于该虚开角，只要角Φ为正，便满足角Φ小于或等于角α的 条件；(bb)任意地或按算法确定的虚开角β，该虚开角在右边连接到传声器主轴，且不为0 附近的元素或等于0，并且对于该虚开角，只要角Φ为负，便满足角Φ的值小于或等于角 β的条件；(cc)用人工或测量技术确定的、要立体声化的单信号的方向特性，其可在极坐标中被 描述；(dd)满足条件“角为β时的极距的平方”除以“用4乘以β的正弦的平方”，加上 “角为Φ时的极距的平方”，再减去“由角为β时的极距、角为Φ时的极距和Φ的正弦所 形成的乘积除以β的正弦”，不为0附近的元素或等于0;(b)计算依赖于角Φ、角β以及要立体声化的单信号的方向特性(可在极坐标中被描 述)的增益系数PM' ’ ；(c)计算依赖于角Φ、角α、角β以及要立体声化的单信号的方向特性(可在极坐标 中被描述)的增益系数Ρ(α)’ ；(d)计算依赖于角Φ、角α以及要立体声化的单信号的方向特性(可在极坐标中被描 述)的延迟时间L( α)；(e)计算依赖于角Φ、角β以及要立体声化的单信号的方向特性(可在极坐标中被描 述)的延迟时间L( β)；(f)把要立体声化的单信号放大所述的增益系数PM’，，以便获得主信号；(g)把要立体声化的单信号延迟所述的延迟时间L(α)，把被延迟的信号放大所述的 增益系数P ( α ) ’ ；或者替代地，把要立体声化的单信号放大所述的增益系数P ( α ) ’，把被放 大的信号延迟所述的延迟时间L( α)；(h)把要立体声化的单信号延迟所述的延迟时间L(i3)；(i)把在(g)和(h)获得的信号相加以得到旁信号；(j)把主信号和旁信号进行立体声转换成立体声信号。
11.根据权利要求9的用于对单信号进行立体声化的装置，其特征在于，(a)所述增益系数PM’’等于以下结果的倒数值，该结果通过以下方式计算“角为β 时的极距的平方”除以“用4乘以β的正弦的平方”，加上“角为Φ时的极距的平方”，再加 上“由角为β时的极距、角为Φ时的极距和Φ的正弦所形成的乘积除以β的正弦”；(b)所述增益系数Ρ(α)’等于(a)所表示的增益系数PM”与权利要求3中的(a)所 表示的增益系数Ρ( α)之积；(c)所述延迟时间L(a)等于“角为α时的极距的负数”除以“α的正弦的两倍”，再 加上以下结果的平方根，该结果由以下方式计算“角为α时的极距的平方”除以“用4乘 以α的正弦的平方”，加上“角为Φ时的极距的平方”，再减去“由角为α时的极距、角为 Φ时的极距和Φ的正弦所形成的乘积除以α的正弦”；(d)所述延迟时间L(i3)等于“角为β时的极距的负数”除以“β的正弦的两倍”，再 加上以下结果的平方根，该结果由以下方式计算“角为β时的极距的平方”除以“用4乘 以β的正弦的平方”，加上“角为Φ时的极距的平方”，再加上“由角为β时的极距、角为 Φ时的极距和Φ的正弦所形成的乘积除以β的正弦”。
12.根据权利要求10的用于对单信号进行立体声化的方法，其特征在于，(a)所述增益系数PM’’等于以下结果的倒数值，该结果通过以下方式计算“角为β 时的极距的平方”除以“用4乘以β的正弦的平方”，加上“角为Φ时的极距的平方”，再加 上“由角为β时的极距、角为Φ时的极距和Φ的正弦所形成的乘积除以β的正弦”；(b)所述增益系数Ρ(α)’等于(a)所表示的增益系数PM”与权利要求3中的(a)所 表示的增益系数Ρ( α)之积；(c)所述延迟时间L(a)等于“角为α时的极距的负数”除以“α的正弦的两倍”，再 加上以下结果的平方根，该结果由以下方式计算“角为α时的极距的平方”除以“用4乘 以α的正弦的平方”，加上“角为Φ时的极距的平方”，再减去“由角为α时的极距、角为 Φ时的极距和Φ的正弦所形成的乘积除以α的正弦”；(d)所述延迟时间L(i3)等于“角为β时的极距的负数”除以“β的正弦的两倍”，再 加上以下结果的平方根，该结果由以下方式计算“角为β时的极距的平方”除以“用4乘 以β的正弦的平方”，加上“角为Φ时的极距的平方”，再加上“由角为β时的极距、角为 Φ时的极距和Φ的正弦所形成的乘积除以β的正弦”。
13.根据权利要求1或3或5或7或9或11的扩展装置，其特征在于，每次获得的立体 声信号被另外转换成通过多于两个扬声器再现的立体声信号。
14.根据权利要求2或4或6或8或10或12的扩展方法，其特征在于，每次获得的立 体声信号被另外转换成通过多于两个扬声器再现的立体声信号。
全文摘要
本发明表现为对伪立体声的贡献。通过参数化包围声源(1204)主轴(1203)和入射方向的角φ(1205)、左虚开角α(1206)、右虚开角β(1207)、以及要立体声化的单信号的方向特性(在极坐标中描述)，任意方向特性的单声音频信号被有目的性地经历传播时间差(1210，1211)和电平校正(由1212和1213导出)。结果得到能进行MS矩阵化的M信号和S信号(并由此用立体声再现原单声音频信号)。技术构造简单且因此可小型化的本发明的主要应用是，有目的地对电话信号进行立体声化，对被单声录音的声源进行空间分散，以及对声源处于不同位置时的单录音进行立体声化。
文档编号H04S5/00GK102100089SQ200980127212
公开日2011年6月15日 申请日期2009年5月12日 优先权日2008年5月13日
发明者帕尔 C. 申请人:斯托明瑞士有限责任公司