一种多声道系统中声源方向和距离重建的方法与装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种多声道系统中声源方向和距离重建的方法与装置，根据已知的声源信号计算与声源距离为r的听音点处接收到的声源的粒子速度和声压，再根据粒子速度选择包括该方向的4个扬声器，将声源信号分别乘以4个权值因子后分配到所选的四个扬声器上，然后在回放端计算重建声场中扬声器发出信号后听音点处所感知的声像的粒子速度和声压，最后根据原始声源的粒子速度和声压和重建声场中声像的粒子速度和声压，建立方向、距离等价模型，利用求解模型获得的权值因子进行扬声器的信号分配。本发明相对于现有技术，能够准确的恢复原声源空间中的声源的方向和距离信息，并且操作简单，计算效率高，稳定性好。
【专利说明】一种多声道系统中声源方向和距离重建的方法与装置
【技术领域】
[0001]本发明属于多媒体信号处理领域，尤其涉及音频信号处理方向中声源重建、声场重建、声源空间方位和距离恢复等方向，具体涉及一种多声道系统中声源方向和距离重建的方法与装置。
【背景技术】
[0002]尽管双声道立体声的音质和声场效果大大好于单声道,但它仍然有明显的局限性。双声道立体声系统只能再现人前方一个扇形区域内的声场，并不能让重放的声音给人以包围感。于是，多声道技术也开始发展起来。多声道数字音频系统通过声道数量的扩展，能够恢复多种环境音，给听众带来更好的沉浸感和更高质量的音频享受，远远超越了传统单声道和立体声系统的效果。随着DVD、SA⑶等存储媒介的发展，多声道音频已由最初的独占电影院逐步进入人们生活的多个领域。
[0003]典型的多声道系统有杜比数字AC-3多声道环绕声系统、THX Surround EX系统和22.2多声道立体音响系统。
[0004]杜比数字音频压缩标准(AC-3)是提出的国际性标准，它解决了在一条胶片上数字声和模拟声并存的问题。杜比数字AC-3多声道环绕声系统是由六个独立的声道组成。由于这六个独立声道中的前五个独立声道的频响范围都是音频全频带即20Hz?20kHz，而超低音声道频响范围仅有15Hz?150Hz，只占整个频谱的十分之一，因此杜比数字AC-3多声道环绕声系统又称为5.1声道环绕声系统。
[0005]THX Surround EX系统严格地制订了电影院相关影音器材与环境的标准，只要符合THX标准且经过认证，就能有相当的水准。这样只要消费者选择具有THX认证的影院，就会有绝佳的影音享受。后来THX被移植到家庭影院，用于认证高品质的视听器材，并针对家庭环境的不同有着独特的要求。但是THX并非Dolby Digital和DTS那样为一种音频格式，而是一种音频后处理模式，目的是获得最佳的视听享受。当6.1声道的Dolby Digital EX和DTS ES出来后，THX将其进一步演化成THX Surround EX系统。为了兼容原双向发声的侧声道和再度加强环绕声效包围感，于是在原侧声道的基础上又增加了两只后声道，这就构成了 7.1声道。
[0006]22.2多声道立体音响系统是由NHK作为“超高清”影像用音响而开发的。通过上层9声道、中层10声道、下层3声道三层配置的扬声器，以及双声道低频音效(LFE)扬声器，可较为真实地再现向前后左右及上下方向传播的声音。22.2声道的音响技术需要在与听众耳朵水平的位置、高于和低于听众耳朵的位置分别安放10个、9个和3个喇叭，另外配有由36个小低音单元组成的2个低音炮。整个环绕声系统由三层组成，最底层的声场由三个前方声道和两个LFE声道组成。中层声场由四个前方声道、两个侧环绕声道和三个后环绕声道组成。上层声场由三个前方声道、两个侧环绕声道、四个后环绕声道再加上一个上方声道组成。另外，在主声道方面，为了增强效果，还可以选择两个由36个小喇叭组成的喇叭阵列来确保主声道输出的力度感。[0007]5.1环绕声系统、22.2多声道系统能给听众带来很好的包围感，对声音的重建均基于信号本身的处理，在音质保真方面取得了令人满意的效果，但是缺乏对声源的方位的恢复，无法在重建端恢复出声源的位置信息。
【发明内容】
[0008]为了克服现有多声道系统在重建声源方向和距离信息上存在的不足，本发明提供了一种多声道系统中声源方向和距离重建的方法与装置，在多声道系统中能够准确恢复声源方向和距离。
[0009]本发明的方法采用的技术方案是:一种多声道系统中声源方向和距离重建的方法与装置，其特征在于，包括以下步骤:
[0010]步骤1:根据已知声源的时域信号s (t)，在原始声场中以听音点为原点建立笛卡尔直角坐标系后，计算与声源距离为r的听音点处接收到的声源的粒子速度Pvci和声压Ptl ；
[0011]步骤2:根据步骤I中计算的声源的粒子速度PVtl，选择包括该方向的4个扬声器
L<1、L<2 > > L4 y
[0012]步骤3:由声源信号s (t)和步骤2中的扬声器1^山、1^丄4，将8(0分别乘以4个权值因子Wp W2、W3、W4后分配到所选的四个扬声器上；
[0013]步骤4:在回放端，计算重建声场中扬声器U、L2, L3、L4发出信号后听音点处所感知的声像的粒子速度PV和声压P ;
[0014]步骤5:根据步骤I计算的原始声源的粒子速度Pvci和声压Ptl、步骤4中计算的重建声场中声像的粒子速度PV和声压P，建立方向、距离等价模型；
`[0015]步骤6:在步骤5的方向、距离等价模型，以步骤3中设置的权值因子Wp w2、w3、W4为未知量，求解方向、距离等价模型获得权值因子的值；
[0016]步骤7:利用步骤6中求解的权值因子w1、w2、w3、W4，进行扬声器的信号分配，使重建的声音方向和距离与原声源的方向和距离一致。
[0017]作为优选，步骤I中所述的计算与声源距离为r的听音点处接收到的声源的粒子速度PVtl和声压Po，其具体实现包括以下子步骤:
[0018]步骤1.1:利用傅立叶变换将声源的时域信号s (t)由时域转换到频域，得到频域
信号 S(CO): |.f(r)e m!dt
[0019]步骤1.2:由频域信号s(co)及声源在声场中的位置向量ε=(εχ，ε y, εζ)、听音点位置坐标r=r (rx, ry, rz),根据声学物理属性粒子速度的定义,计算听音点处接收到的粒子速度Pvci:
/ \
(Ψ* — P 1-jA\r-e\1%I X
[0020]/JK0Cr, ω) = G1-r (I + —j-r) X ,-r r - ey b(?)；
It — ￡\ ik\T — ￡\ μ — s\
IIII IIjpt I
X1Z 一~乂
[0021]计算听音点处接收到的声压P。:
【权利要求】
1.一种多声道系统中声源方向和距离重建的方法与装置，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:根据已知声源的时域信号S (t)，在原始声场中以听音点为原点建立笛卡尔直角坐标系后，计算与声源距离为r的听音点处接收到的声源的粒子速度Pvci和声压Ptl ；步骤2:根据步骤I中计算的声源的粒子速度Pvci，选择包括该方向的4个扬声器L1、L2、L3、L4 ； 步骤3:由声源信号s (t)和步骤2中的扬声器L1、L2、L3、L4，将s(t)分别乘以4个权值因子Wl、W2、W3、W4B分配到所选的四个扬声器上； 步骤4:在回放端，计算重建声场中扬声器U、L2, L3, L4发出信号后听音点处所感知的声像的粒子速度PV和声压P ; 步骤5:根据步骤I计算的原始声源的粒子速度Pvci和声压Ptl、步骤4中计算的重建声场中声像的粒子速度PV和声压P，建立方向、距离等价模型； 步骤6:在步骤5的方向、距离等价模型，以步骤3中设置的权值因子?α、、为未知量，求解方向、距离等价模型获得权值因子的值； 步骤7:利用步骤6中求解的权值因子Wl、w2、w3、W4，进行扬声器的信号分配，使重建的声音方向和距离与原声源的方向和距离一致。
2.根据权利要求1所述的多声道系统中声源方向和距离重建的方法与装置，其特征在于:步骤I中所述的计算与声源距离为r的听音点处接收到的声源的粒子速度PVtl和声压P。，其具体实现包括以下子步骤: 步骤1.1:利用傅立叶变换将声源的时域信号s (t)由时域转换到频域，得到频域信号S(CO)
3.根据权利要求1所述的多声道系统中声源方向和距离重建的方法与装置，其特征在于:步骤2中所述的4个扬声器LpLyLyL4,满足如下条件:分别将听音点r (X，y, z)与L1'L2、L3、L4连接，所形成的多面体中，声源的粒子速度Pvci的单位矢量位于该多面体内部。
4.根据权利要求1所述的多声道系统中声源方向和距离重建的方法与装置，其特征在于:步骤4中所述的计算重建声场中扬声器L1、L2、L3、L4发出信号后听音点处所感知的声像的粒子速度pv和声压P，其具体实现包括以下子步骤: 步骤4.1:在回放端，以多声道组成的环绕声系统的正中心为原点，建立笛卡尔坐标系，扬声器Li的坐标记为!^(!^，!^，!^，听音点的坐标为！.^!^!^)； 步骤4.2:将扬声器L1' L2、L3> L4发出的信号Q1 (t)、q2 (t)、q3 (t)、q4 (t)转换至频域:
5.根据权利要求1所述的多声道系统中声源方向和距离重建的方法与装置，其特征在于:步骤5中所述的根据步骤I计算的原始声源的粒子速度Pvci和声压Ptl、步骤4中计算的重建声场中声像的粒子速度pv和声压P，建立方向、距离等价模型，其具体实现包括以下子步骤:步骤5.1:根据步骤I计算的原始声源的粒子速度Pvtl和步骤4中计算的重建声场中声像的粒子速度pv，建立方向等价关系如下:
6.一种利用权利要求1所述的多声道系统中声源方向和距离重建的方法进行多声道系统中声源方向和距离重建的装置，其特征在于，包括:声源空间听音点方向信息计算模块(I)、声源空间听音点距离信息计算模块(2)、扬声器选择模块(3)、信号预分配模块(4)、重建声场声源方向信息计算模块(5)、重建声场声源距离信息计算模块(6)、模型建立模块(7)、模型求解模块(8)、信号分配模块(9)； 所述的声源空间听音点方向信息计算模块(I)用于计算原声源所在的声源空间中听音点感知到的声源的方向，根据声源的信号s(t)计算听音点的粒子速度Pvci，并且将Pvci输出至模型建立模块(7)； 所述的声源空间听音点距离信息计算模块(2)用于计算原声源所在的声源空间中听音点感知到的声源的距离，根据声源的信号s(t)计算听音点的声压Ptl，并且将Ptl输出至模型建立模块(7)；所述的扬声器选择模块(3 )用于建立重建的多声道系统中扬声器的选取原则，确定多声道系统中选择的扬声器U、L2、L3> L4,并将所选择的扬声器输出至信号预分配模块(4)；所述的信号预分配模块(4)用于将原始音频信号s (t)乘以权重因素w1、w2、w3、w4后分配给扬声器选择模块(3)中选择出的扬声器Lp L2> L3> L4,然后将分配后的信号输出至重建声场声源方向信息计算模块(5)和重建声场声源距离信息计算模块(6)； 所述的重建声场声像方向信息计算模块(5)用于计算多声道系统中听音点处接收到声像的方向，根据信号预分配模块(4)中对扬声器预分配的信号，利用声学理论计算重建的多声道系统中听音点处接收到声像的粒子速度pv，并且将pv输出至模型建立模块(7)； 所述的重建声场声像距离信息计算模块(6)用于计算多声道系统中听音点处接收到声像的距离，根据信号预分配模块(4)中对扬声器预分配的信号，利用声学理论计算重建的多声道系统中听音点处接收到声像的声压P，并且将P输出至模型建立模块(7)； 所述的模型建立模块(7)用于建立听音点处方向和距离感知一致性模型，由声源空间听音点方向信息计算模块(I)输出的声源粒子速度Pvtl和重建声场声源方向信息计算模块(4)中输出的声像粒子速度pv建立方向等价关系，由声源空间听音点距离信息计算模块(2)输出的声源声压Ptl和重建声场声源方向信息计算模块(6)中输出的声像声压P建立距离等价关系，根据方向等价关系和距离等价关系建立方向、距离等价模型，并且将该模型输出至模型求解模块(8); 所述的模型求解模块(8)用于求解模型建立模块(7)中建立的模型进而得到四个权值因子WpWyWyW4的值,最后将权值输出至信号分配模块(9)； 所述的信号分配模块(9)用于利用模型求解模块(8)求解的权值因子Wl、W2, W3, W4，进行扬声器的信号分配，使 重建的声音方向和距离与原声源的方向和距离一致。
【文档编号】H04S3/00GK103826194SQ201410071545
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月28日 优先权日:2014年2月28日
【发明者】胡瑞敏, 张茂胜, 姚雪春, 涂卫平, 王晓晨, 姜林, 杨乘 申请人:武汉大学