基于双耳效应的汽车空间虚拟环绕声音频系统及设计方法与流程

本发明涉及车载扩声领域，尤其涉及一种基于双耳效应的汽车空间虚拟环绕声音频系统及设计方法。

背景技术：

1、环绕声系统能够给用户一种从收听环境周围不同位置来接收声音的印象，其通过处理发送到各种/各处扬声器的音频信号，使听众感觉被空间立体音乐环绕。这种效果是通过接收音频信号并在信号传输到扬声器或扬声器组之前修改信号来实现的，调整后的声音信号给收听者一种感觉，即其自身位于正在产生声音活动的中间。

2、在车内观影或者听音乐时，环绕声的实现对于车内人员的感官体验至关重要。传统的车载环绕声系统通常采用多个扬声器来实现声音的环绕效果，但是这种方法存在着成本高、安装复杂、维护困难等问题。且现有的车载立体声音响系统播放立体声音源时提供逼真的环绕声效果方面存在一定的限制。

3、以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，也不必然会给出技术教导；在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日之前已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本技术的新颖性和创造性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种改进的汽车空间虚拟环绕声音频系统，改善真实的空间音频体验。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于双耳效应的汽车空间虚拟环绕声音频系统，包括音频处理器以及分布在汽车内部多个位置的多个扬声器，其中，所述音频处理器集成有hrtf算法，所述hrtf算法为hrtf响应相关于声音信号源频率、声耳相对方位参数的函数；所述音频处理器被配置为通过以下步骤确定对所述扬声器的控制策略：

4、基于汽车空间的同一坐标系，确定目标左耳、目标右耳及各扬声器的方位信息；

5、确定各个扬声器分别相对于目标左耳、目标右耳的方位参数的值；

6、根据所述各个扬声器分别相对于目标左耳、目标右耳的方位参数的值，确定各个扬声器的hrtf响应相关于声音信号源频率的函数；

7、以求和的方式，计算全部扬声器产生的左耳hrtf响应总和及右耳hrtf响应总和；

8、利用优化算法，确定各个扬声器对应的信号源优化目标频率；

9、所述音频处理器基于所述信号源优化目标频率控制各个扬声器的工作频率。

10、进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述确定各个扬声器对应的信号源优化目标频率包括：

11、在所述左耳hrtf响应总和与右耳hrtf响应总和的差值不超过预设阈值的情况下，确定在介于20hz至20khz范围内、使所述左耳hrtf响应总和、右耳hrtf响应总和均达到预设响应优值的声音信号源频率集合，或者，使所述左耳hrtf响应总和、右耳hrtf响应总和达到最大值的声音信号源频率集合，以作为所述信号源优化目标频率。

12、进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，通过以下方式确定目标左耳、目标右耳的方位信息：

13、配置与所述音频处理器通讯连接的人机交互装置，在所述人机交互装置上输入、选择或调节左耳的方位信息、右耳的方位信息。

14、进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述人机交互装置以触摸屏为终端，其配置有乘坐位置信息模块和/或乘坐人员信息模块，其中，所述乘坐位置信息模块用于输入目标左耳、目标右耳对应在汽车空间内的座位信息，所述乘坐人员信息模块用于输入目标左耳、目标右耳对应的用户性别、身高、头围、体重信息中的一种或多种，所述人机交互装置根据所述乘坐位置信息模块和/或乘坐人员信息模块输入的信息预估目标左耳的方位信息、目标右耳的方位信息。

15、进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述人机交互装置还包括调节模块和/或存储模块，所述调节模块被配置为对预估得到的目标左耳的方位信息、目标右耳的方位信息进行人工调节；

16、所述存储模块被配置为响应指令而存储不同身份对应的左耳的方位信息、右耳的方位信息。

17、进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，通过以下方式确定目标左耳、目标右耳的方位信息：

18、配置可穿戴式采样传感器，并将所述采样传感器佩戴在左耳和/或右耳，利用所述采样传感器采样左耳、右耳的所在位置信息；

19、结合各个扬声器的所在位置信息，得到左耳的方位信息、右耳的方位信息，其中，所述各个扬声器的所在位置信息由人工预先录入或者通过配置安装在各个扬声器处的定位传感器来进行检测以获取各个扬声器的所在位置信息。

20、进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述声耳相对方位参数包括声音信号源与耳朵之间的直线距离、声音信号源相对于耳朵的水平方位角、声音信号源相对于耳朵的俯仰角中的一种或多种。

21、进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，通过以下方式计算全部扬声器产生的左耳hrtf响应总和及右耳hrtf响应总和：

22、 hl_sum = hl1( r1 , θ1 , φ1 , w1) + hl2( r2 , θ2 , φ2 , w2) + …+ hln( rn , θn ,  φn , wn)，其中， hl_sum为左耳hrtf响应总和， r1 , r2 , rn分别为第1、2、n个扬声器至目标左耳的距离， θ1 , θ2 , θn分别为第1、2、n个扬声器相对于目标左耳的水平方位角， φ1 , φ2 ,  φn分别为第1、2、n个扬声器相对于目标左耳的俯仰角， w1 , w2 , wn分别为第1、2、n个扬声器对应的声音信号源角频率； hl1、 hl2、 hln分别为第1、2、n个扬声器产生的左耳hrtf响应；

23、 hr_sum = hr1( r1’ , θ1’ , φ1’ , w1) + hr2( r2’ , θ2’ , φ2’ , w2) + …+ hrn( rn’ ,  θn’ , φn’ , wn)，其中， hr_sum为右耳hrtf响应总和， r1’ , r2’ , rn’分别为第1、2、n个扬声器至目标右耳的距离， θ1’ , θ2’ , θn’分别为第1、2、n个扬声器相对于目标右耳的水平方位角， φ1’ , φ2’ , φn’分别为第1、2、n个扬声器相对于目标右耳的俯仰角； hr1、 hr2、 hrn分别为第1、2、n个扬声器产生的右耳hrtf响应。

24、根据本发明的另一方面，本发明提供了一种基于双耳效应的汽车空间虚拟环绕声音频系统的设计方法，包括以下步骤：

25、建立汽车空间的坐标系，确定目标左耳、目标右耳及各扬声器的方位信息；

26、确定各个扬声器分别相对于目标左耳、目标右耳的方位参数的值；

27、根据所述各个扬声器分别相对于目标左耳、目标右耳的方位参数的值，确定各个扬声器的hrtf响应相关于声音信号源频率的函数；

28、以求和的方式，计算全部扬声器产生的左耳响应总和及右耳响应总和；

29、利用优化算法，确定各个扬声器对应的信号源优化目标频率，所述信号源优化目标频率作为控制各个扬声器工作频率的依据。

30、进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，通过以下方式计算全部扬声器产生的左耳hrtf响应总和及右耳hrtf响应总和：

31、 hl_sum = hl1( r1 , θ1 , φ1 , w1) + hl2( r2 , θ2 , φ2 , w2) + …+ hln( rn , θn ,  φn , wn)，其中， hl_sum为左耳hrtf响应总和， r1 , r2 , rn分别为第1、2、n个扬声器至目标左耳的距离， θ1 , θ2 , θn分别为第1、2、n个扬声器相对于目标左耳的水平方位角， φ1 , φ2 ,  φn分别为第1、2、n个扬声器相对于目标左耳的俯仰角， w1 , w2 , wn分别为第1、2、n个扬声器对应的声音信号源角频率； hl1、 hl2、 hln分别为第1、2、n个扬声器产生的左耳hrtf响应；

32、 hr_sum = hr1( r1’ , θ1’ , φ1’ , w1) + hr2( r2’ , θ2’ , φ2’ , w2) + …+ hrn( rn’ ,  θn’ , φn’ , wn)，其中， hr_sum为右耳hrtf响应总和， r1’ , r2’ , rn’分别为第1、2、n个扬声器至目标右耳的距离， θ1’ , θ2’ , θn’分别为第1、2、n个扬声器相对于目标右耳的水平方位角， φ1’ , φ2’ , φn’分别为第1、2、n个扬声器相对于目标右耳的俯仰角； hr1、 hr2、 hrn分别为第1、2、n个扬声器产生的右耳hrtf响应；

33、在所述左耳hrtf响应总和与右耳hrtf响应总和的差值不超过预设阈值的情况下，确定在介于20hz至20khz范围内、使所述左耳hrtf响应总和、右耳hrtf响应总和均达到预设响应优值的声音信号源频率集合，或者，使所述左耳hrtf响应总和、右耳hrtf响应总和达到最大值的声音信号源频率集合，以作为所述信号源优化目标频率。

34、进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，通过以下方式计算全部扬声器产生的左耳hrir总和及右耳hrir总和：

35、 hl_sum = hl1( r1 , θ1 , φ1 , w1) + hl2( r2 , θ2 , φ2 , w2) + …+ hln( rn , θn ,  φn , wn)，其中， hl_sum为左耳hrir总和， r1 , r2 , rn分别为第1、2、n个扬声器至目标左耳的距离， θ1 , θ2 , θn分别为第1、2、n个扬声器相对于目标左耳的水平方位角， φ1 , φ2 , φn分别为第1、2、n个扬声器相对于目标左耳的俯仰角， w1 , w2 , wn分别为第1、2、n个扬声器对应的声音信号源角频率； hl1、 hl2、 hln分别为第1、2、n个扬声器产生的左耳hrir；

36、 hr_sum = hr1( r1’ , θ1’ , φ1’ , w1) + hr2( r2’ , θ2’ , φ2’ , w2) + …+ hrn( rn’ ,  θn’ , φn’ , wn)，其中， hr_sum为右耳hrir总和， r1’ , r2’ , rn’分别为第1、2、n个扬声器至目标右耳的距离， θ1’ , θ2’ , θn’分别为第1、2、n个扬声器相对于目标右耳的水平方位角， φ1’ , φ2’ , φn’分别为第1、2、n个扬声器相对于目标右耳的俯仰角； hr1、 hr2、 hrn分别为第1、2、n个扬声器产生的右耳hrir。

37、进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述扬声器产生的hrir与所述扬声器产生的hrtf响应互为傅里叶变换对；通过以下公式计算第i个扬声器产生的左耳hrir和右耳hrir：

38、

39、其中， hli为第i个扬声器产生的左耳hrir， hli为第i个扬声器产生的左耳hrtf响应； hri为第i个扬声器产生的右耳hrir， hri为第i个扬声器产生的右耳hrtf响应； ri为第i个扬声器至目标左耳的距离， θi为第i个扬声器相对于目标左耳的水平方位角， φi为第i个扬声器相对于目标左耳的俯仰角， wi分别为第i个扬声器对应的声音信号源角频率； ri’为第i个扬声器至目标右耳的距离， θi’为第i个扬声器相对于目标右耳的水平方位角， φi’为第i个扬声器相对于目标右耳的俯仰角。

40、进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，通过以下方式确定目标左耳、目标右耳的方位信息：

41、在预配置的人机交互装置上输入乘坐位置信息和/或乘坐人员信息，或从预存储的方位选项中进行选择，所述人机交互装置输出与之相适配的目标左耳的方位信息、目标右耳的方位信息；

42、或者，目标左耳、目标右耳分别佩戴采样传感器，结合已知的各个扬声器的所在位置信息，得到左耳的方位信息、右耳的方位信息。

43、进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，hrtf响应被定义为：

44、 hli( ri , θi , φi , wi) = pli( ri , θi , φi , wi) / p0i( ri’’ , wi)，

45、 hri( ri’ , θi’ , φi’ , wi) = pri( ri’ , θi’ , φi’ , wi) / p0i( ri’’ , wi)，

46、其中， hli为第i个扬声器产生的左耳hrtf响应， ri为第i个扬声器至目标左耳的距离， θi为第i个扬声器相对于目标左耳的水平方位角， φi为第i个扬声器相对于目标左耳的俯仰角， wi分别为第i个扬声器对应的声音信号源角频率；

47、 pli为第i个扬声器在左耳产生的复数声压， p0i为人头不在时，第i个扬声器在目标左耳和目标右耳中点处的复数声压， ri’’为第i个扬声器至目标左耳和目标右耳中点处的距离；

48、 hri为第i个扬声器产生的右耳hrtf响应， ri’为第i个扬声器至目标右耳的距离， θi’为第i个扬声器相对于目标右耳的水平方位角， φi’为第i个扬声器相对于目标右耳的俯仰角； pri为第i个扬声器在右耳产生的复数声压。

49、进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，本发明提供的基于双耳效应的汽车空间虚拟环绕声音频系统的设计方法还包括：

50、将所述声音信号源分类为多种类型，为不同类型的声音信号源确定不同的声音信号源频率范围；

51、针对不同类型的声音信号源，在所述左耳响应总和与右耳响应总和的差值不超过预设阈值的情况下，确定在介于其对应的声音信号源频率范围内、使所述左耳响应总和、右耳响应总和均达到预设响应优值的声音信号源频率集合，或者，使所述左耳响应总和、右耳响应总和达到最大值的声音信号源频率集合，以作为所述信号源优化目标频率；

52、存储和调用各个不同类型的声音信号源对应的信号源优化目标频率。

53、本发明提供的技术方案带来的有益效果如下：

54、a. 基于hrtf技术，使空间音频渲染可以解析立体声信号中的空间音频信息，利用hrtf对声场进行建模和渲染，改善沉浸式的空间音频环绕声体验；

55、b. 个性化配置目标双耳方位信息，使用相同的算法对不同方位的对象提供个性化立体声音频环绕效果，使每个乘客都能够享受到个性化的音频立体环绕效果；

56、c. 无需增加额外的物理扬声器，在保留原有物理声道基础上，模拟出更加沉浸的环绕声效果；

57、d. 乘客可以根据自己的喜好和需求通过人机交互装置对音频效果进行调整，包括音量、音频均衡器和环绕声效果等。