CN100396162C - 三扬声器虚拟5.1通路环绕声的信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三扬声器虚拟5.1通路环绕声的信号处理方法，它先输入5.1通路信号L₀、R₀、C₀、LS₀、RS₀和LFE₀；然后将信号L₀、R₀分别馈给左、右扬声器，将信号C₀、LS₀、RS₀和LFE₀经过处理后馈给扬声器；最后分别对馈给左、右扬声器和高频中置扬声器的信号进行混合，得到L″、R″、C″三个信号，然后分别馈给布置在±30°的左、右扬声器和0°的高频中置扬声器重发。本发明用左、右扬声器和一个高频中置扬声器进行重发，产生整个前半平面的环绕声效果，节省了重发扬声器；另外还将左、右扬声器布置在±30°的位置，并采用高频中置扬声器，扩大了听音区域，信号处理简单，并且与双通路立体声的扬声器布置兼容，特别适用于电视和多媒体计算机。

Description

三扬声器虚拟5.1通路环绕声的信号处理方法

技术领域

本发明涉及5.1通路环绕声技术领域，具体涉及一种三扬声器虚拟5.1通路环绕声的信号处理方法。

背景技术

5.1通路系统已被推荐为环绕声的国际标准，并已被广泛应用于家用声重发。它采用前方左L₀、中C₀、右R₀以及左环绕LS₀、右环绕RS₀共五个独立的全频带通路及扬声器，再加上一路可选择的低频效果通路LFE₀，从而重发出环绕倾听者的声音听觉效果。按国际电信联盟(ITU)推荐的标准，各扬声器的方位角分别为(水平面内坐标选取为-180°＜θ≤180°，θ＝0°为正前方，θ＝90°为正左方)：

θ_L＝30°θ_R＝-30°θ_C＝0°θ_LS＝110°θ_RS＝-110°(1)

但是5.1通路系统需要多个独立的扬声器，较为复杂。而对于电视及多媒体计算机等应用，以及由于室内条件的限制，有时并不一定适合布置环绕声的多个扬声器。

近年，国外有人提出了5.1通路环绕声的两扬声器虚拟重发系统，如图1所示。其基本原理是：将(来自DVD等的)5.1通路信号经过头相关传输函数(HRTF)进行信号处理和混合后(这里略去了低频效果通路LFE₀，事实上，对LFE通路信号的处理和C₀信号是类似的)，变成两通路信号，再利用一对布置在前方±30°的真实左、右扬声器进行重发，从而将多通路系统的其它扬声器虚拟出来，达到节省扬声器，简化系统的目的。这类系统普遍存在一定的缺陷，特别是听音区域较窄。

为了扩大听音区域，O.Kirkeby提出一种称为“立体声偶极”的虚拟重发系统，它的基本原理和两扬声器虚拟重发系统一样，但将左、右扬声器布置在±5°的位置上。由于“立体声偶极”需要对信号的低频部分作较大的提升，信号处理较为困难。

而J.L.Bauck和D.H.Copper提出采用前方左、中、右三个全频带扬声器的三扬声器虚拟重发系统，如图2所示。其基本原理是：将(来自DVD等的)5.1通路信号经过头相关传输函数(HRTF)进行信号处理和混合后，变成三通路信号，再利用前方布置在±30°和0°的真实的左、右、中置扬声器进行重发。虽然三扬声器系统可提高虚拟声像的稳定性，但在实际应用中，由于正前方已放置了电视机(或计算机的显示器)，再布置一个全频带的中置扬声器较困难，通常只能将中置扬声器布置在电视机的上方。但这经常会导致中置与左右扬声器不在同一水平面上，以及中置扬声器系统的高低音单元不在正前方的位置，这些都会影响重发声像的定位。

J.L.Bauck提出采用两对不同张角的扬声器的虚拟重发系统，如图3所示。其中张角较大(如布置在电视机两边)的一对扬声器重发低频虚拟声信号，另一对体积较小(布置在电视机上方)的“立体声偶极”重发高频虚拟声信号。虽然这种重发方法改善了高频声像的稳定性，但信号处理和扬声器布置较为复杂，且不易与普通立体声兼容。

发明内容

本发明为解决上述现有技术中存在的缺陷，提供一种三扬声器虚拟5.1通路环绕声的信号处理方法，本发明采用高频中置扬声器，该方法能扩大重发时的听音区域，在电视、多媒体计算机等实际应用中扬声器也易于布置，同时也和普通立体声兼容。

本发明的三扬声器虚拟5.1通路环绕声的信号处理方法，包括如下步骤：

第一步：输入原始的5.1通路信号：左通路信号L₀、右通路信号R₀、中心通路信号C₀、左环绕通路信号LS₀、右环绕通路信号RS₀、低频效果通路信号LFE₀；

第二步：将原始的左、右通路信号L₀、R₀分别直接馈到左、右全频带扬声器的信号混合器；

第三步：将原始的中心通路信号C₀经传输函数为H_HP的高通滤波后馈到高频中置扬声器的信号混合器，以直接产生高频的前方声像；而中心通路信号C₀经过传输函数为H_LP的低通滤波和-3dB衰减后，同时馈给左、右全频带扬声器的信号混合器，以合成低频的前方声像；

第四步：原始的左环绕通路信号LS₀经过虚拟处理，也就是分别与三个从水平面90°头相关传输函数得到的函数A’(90°，ω)、B’(90°，ω)、D’(90°，ω)进行频域相乘，得到三个信号A’(90°，ω)LS₀、B’(90°，ω)LS₀、D’(90°，ω)LS₀，然后分别馈到左、右全频带扬声器和高频中置扬声器的信号混合器，虚拟出90°方向的左环绕扬声器；

第五步：原始的右环绕通路信号RS₀经过虚拟处理，也就是分别与三个从水平面-90°头相关传输函数得到的函数A’(-90°，ω)、B’(-90°，ω)、D’(-90°，ω)进行频域相乘，得到三个信号A’(-90°，ω)RS₀、B’(-90°，ω)RS₀、D’(-90°，ω)RS₀，然后分别馈到左、右全频带扬声器和高频中置扬声器的信号混合器，虚拟出-90°方向的右环绕扬声器；

第六步：原始的低频效果通路信号LFE₀经-3dB衰减后，同时馈给左、右全频带扬声器的信号混合器；

第七步：分别对馈给左、右全频带扬声器和高频中置扬声器的输入信号进行混合(相加)，得到L″、R″、C″三个信号，然后分别馈给布置在±30°的左、右全频带扬声器和0°的高频中置扬声器重发。

其中，A’(90°，ω)、B’(90°，ω)和D’(90°，ω)是从90°声源到左耳的头相关传输函数H_lLS、90°声源到右耳的头相关传输函数H_rLS、30°声源到左耳的头相关传输函数α、30°声源到右耳的头相关传输函数β、0°声源到左耳的头相关传输函数γ、分频点为300Hz的六阶高通滤波的传输函数H_HP(ω，ω0)、分频点为300Hz的六阶低通滤波传输函数H_LP(ω，ω₀)通过以下的信号处理得到；

D(90°，ω)＝Z(H_lLS+H_rLS)H_HP(ω，ω₀)

A’(-90°，ω)、B’(-90°，ω)和D’(-90°，ω)是从-90°声源到左耳的头相关传输函数H_lRS、-90°声源到右耳的头相关传输函数H_rRS、30°声源到左耳的头相关传输函数α、30°声源到右耳的头相关传输函数β、0°声源到左耳的头相关传输函数γ、分频点为300Hz的六阶高通滤波的传输函数H_HP(ω，ω0)、教育分频点为300Hz的六阶低通滤波传输函数H_LP(ω，ω0)，通过以下的信号处理得到：

D(-90°，ω)＝Z(H_lRS+H_rRS)H_HP(ω，ω₀)

ω₀＝2π×300(rad/s)

$X=\frac{{\mathrm{M\α}}^{*}-P{\mathrm{\β}}^{*}}{M^2-P^2}$ $Y=\frac{{\mathrm{M\β}}^{*}-P{\mathrm{\α}}^{*}}{M^2-P^2}$ $Z=\frac{{\mathrm{Q\γ}}^{*}}{M^2-P^2}$

M＝|α|²+|β|²+|γ|²  P＝|γ|²+αβ^*+βα^*  Q＝|α|²+|β|²-αβ^*-βα^*。

本发明的原理是：

在采用扬声器的虚拟声重发中，倾听者偏离理想的听音位置时，双耳处的迭加声压将会改变。但对一定偏离距离，由于低频声波的波长较长，双耳处迭加声压的相位改变较少，因而引起的声像畸变较少；反之高频声波的波长较短，声像畸变较大。本发明提出对高频部分信号，采用左、中、右三个扬声器重发，以提高声像的稳定性，扩大听音区域。低频部分信号是由左、右两扬声器重发，由于低频声像随倾听者的位置漂移较少，所以也可以接受。实际应用中，可采用两个全频带的左、右扬声器，而中置扬声器可采用体积较小的高频扬声器，这样也容易布置(如中置扬声器布置在电视机的上方)。同时，对于低频信号，由于左、右扬声器之间的张角不至于太小(相对立体偶极而言)，因而不会给信号处理带来太大的困难，并且与普通的双通路立体声的扬声器布置兼容。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1.本发明对来自DVD等的5.1通路环绕声的5+1个独立原始(也可以是Dolby Surround的四路)信号进行处理后，用前方一对真实的左、右全频带扬声器和一个高频中置扬声器进行重发，可产生整个前半平面的环绕声效果，从而达到节省重发扬声器的目的；

2.本发明将重发虚拟环绕声的一对左、右全频带扬声器布置在±30°的位置，并采用高频中置扬声器，该布置可扩大听音区域，方便于实际应用，信号处理也简单可行，并且与普通的双通路立体声的扬声器布置兼容，这种新的扬声器布置特别适用于电视和多媒体计算机的应用；

3.本发明可采用通用信号处理芯片(DSP硬件)电路或专用的集成电路实现，也可采用算法语言(如VC++)编制的软件在多媒体计算机上实现；

4.本发明可作为算法写入专用硬件芯片，用于DVD、电视(包括DTV和HDTV)、家庭影院等方面的声音重发，也可作为硬件或软件用在多媒体计算机的声音重发。

附图说明

图1是5.1通路环绕声的两扬声器虚拟重发系统；

图2是三扬声器虚拟声重发系统；

图3是两对不同张角的扬声器的虚拟重发系统；

图4是本发明的三扬声器虚拟5.1通路环绕声的信号处理方法的原理图；

图5是图4中5.1通路环绕声的扬声器布置及扬声器到双耳的传输示意图；

图6是采用高频中置扬声器虚拟声的原理图；

图7是本发明的信号处理流程和扬声器布置图；

图8是信号处理软件的流程图；

图9是声像定位的实验结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步地说明。

图4是本发明的三扬声器虚拟5.1通路环绕声的信号处理方法的原理图，它对输入的5.1通路环绕声信号进行虚拟处理后，用一对布置在前方±30°的左、右全频带扬声器和一个布置在正前方0°的高频中置扬声器重发。

对于5.1通路环绕声原始的左、右通路信号L₀和R₀，本发明是分别直接馈给左、右全频带扬声器，以产生前方范围的立体声像分布。

对于5.1通路环绕声原始的中心通路信号C₀，本发明利用高通和低通滤波器将其高频和低频部分分开。其中高频部分是直接馈给高频中置扬声器重发，而低频部分经-3dB衰减后同时馈给左、右全频带扬声器重发(衰减-3dB是为保证信号的功率守恒)，以产生正前方的虚拟声像。

对于5.1通路环绕声原始的低频效果通路信号LFE₀，本发明是经-3dB衰减后同时馈给左、右全频带扬声器重发。

对于5.1通路环绕声原始的左、右环绕通路信号LS₀、RS₀，本发明提出利用高通和低通滤波器将其高频和低频部分分开。对信号的低频部分，采用左、右两真实的全频带扬声器进行虚拟重发；对信号的高频部分，采用左、右全频带扬声器和高频中置扬声器进行虚拟重发，也就是利用左、右全频带扬声器和高频中置扬声器将两个环绕扬声器虚拟出来。由于左、右环绕通路信号LS₀、RS₀的低频和高频部分分别用两个和三个扬声器进行虚拟重发，因而信号的高、低频部分的处理是不同的。

图5是图4中5.1通路环绕声的扬声器布置及扬声器到双耳的传输示意图。以左环绕通路信号LS₀为例，在真实的5.1通路环绕声重发中，布置在θ＝θ_LS方向的左环绕扬声器到双耳的频域传输函数(HRTF)分别为H_lLS、H_rLS，它产生的双耳声压P_L，P_R分别为：

P_L＝H_lLSLS₀    P_R＝H_rLSLS₀         (2)

本发明中，左环绕通路信号LS₀的低频部分由布置在±30°的左、右全频带扬声器虚拟重发。设左、右全频带扬声器到倾听者双耳的四个频域传输函数(HRTF)分别为H_ll、H_rl、H_lr、H_rr(如图1所示)，左、右全频带扬声器的信号分别为L、R，那么倾听者双耳处的声压为：

P_L′＝H_llL+H_lrR   P_R′＝H_rlL+H_rrR  (3)

如果适当选择L和R，使得全频带扬声器重发时的双耳声压与单声源时的情况相等，也就是(2)式与(3)式相等，就可在听觉中虚拟出θ_LS方向的左环绕扬声器(声像)。考虑到扬声器布置和人类听觉器官的左右对称性，可设：H_ll＝H_rr＝α，H_lr＝H_rl＝β，由此可得：

$L=\frac{\mathrm{\α}{H}_{\mathrm{lLS}}-\mathrm{\β}{H}_{\mathrm{rLS}}}{{\mathrm{\α}}^2-{\mathrm{\β}}^2}{\mathrm{LS}}_0$ $R=\frac{\mathrm{\α}{H}_{\mathrm{rLS}}-\mathrm{\β}{H}_{\mathrm{lLS}}}{{\mathrm{\α}}^2-{\mathrm{\β}}^2}{\mathrm{LS}}_0---\left(4\right)$

因而在两扬声器重发中，只要对输入的左环绕通路信号LS₀的低频部分按上式进行处理即可得到相应方向的(低频)虚拟扬声器。

本发明中，左环绕通路信号LS₀的高频部分由左、右、中三个真实扬声器进行虚拟重发。设新增加的高频中置扬声器到倾听者左、右耳的传输函数为H_lC＝H_rC＝γ(如图2所示)，和(4)式的推导类似，可以证明，当输入的左环绕通路信号LS₀的高频部分按下式处理(式中α，β同(4)式，*号表示复数共轭)，并馈给三个扬声器，即可在听觉中产生θ_LS方向的虚拟左环绕扬声器：

L′＝(XH_lLS+YH_rLS)LS₀    C′＝Z(H_lLS+H_rLS)LS₀    R′＝(YH_lLS+XH_rLS)LS₀  (5)

$X=\frac{{\mathrm{M\α}}^{*}-P{\mathrm{\β}}^{*}}{M^2-P^2}$ $Y=\frac{{\mathrm{M\β}}^{*}-P{\mathrm{\α}}^{*}}{M^2-P^2}$ $Z=\frac{{\mathrm{Q\γ}}^{*}}{M^2-P^2}---\left(6\right)$

M＝|α|²+|β|²+|γ|²     P＝|γ|²+αβ^*+βα^*    Q＝|α|²+|β|²-αβ^*-βα^*

图6是采用高频中置扬声器虚拟声的原理图。输入的左环绕通路信号LS₀经低通和高通滤波器后，分别按(4)和(5)式进行两扬声器和三扬声器虚拟声信号处理，分别得到两组信号L、R和L’、R’、C’，再把它们混合后馈给扬声器。设低通和高通滤波器的频域传输函数分别为H_LP(ω，ω₀)、H_HP(ω，ω₀)，ω₀为滤波器的分频角频率。由图5和(4)、(5)两式，实际重发中馈给左、右和中置三个扬声器的信号分别为：

$L^{\′\′}=L+L^{\′}=[\frac{{\mathrm{\αH}}_{\mathrm{lLS}}-\mathrm{\β}{H}_{\mathrm{rLS}}}{{\mathrm{\α}}^2-{\mathrm{\β}}^2}{H}_{\mathrm{LP}}(\mathrm{\ω},{\mathrm{\ω}}_0)+(X{H}_{\mathrm{lLS}}+Y{H}_{\mathrm{rLS}})H_{\mathrm{HP}}(\mathrm{\ω},{\mathrm{\ω}}_0)]{\mathrm{LS}}_0$

$R^{\′\′}=R+R^{\′}=[\frac{{\mathrm{\αH}}_{\mathrm{rLS}}-\mathrm{\β}{H}_{\mathrm{lLS}}}{{\mathrm{\α}}^2-{\mathrm{\β}}^2}{H}_{\mathrm{LP}}(\mathrm{\ω},{\mathrm{\ω}}_0)+(Y{H}_{\mathrm{lLS}}+X{H}_{\mathrm{rLS}})H_{\mathrm{HP}}(\mathrm{\ω},{\mathrm{\ω}}_0)]{\mathrm{LS}}_0$

C″＝C′＝[Z(H_lLS+H_rLS)H_HP(ω，ω₀)]LS₀

                                                (7)

其中，X、Y、Z由(6)式给出。

低通和高通滤波器的设计与通常的扬声器系统的分频网络类似。它们的传输函数为：

$\left|H_{\mathrm{LP}}\right|=\frac{1}{\sqrt{1+{(\mathrm{\ω}/{\mathrm{\ω}}_0)}^{2n}}}$ $\left|H_{\mathrm{HP}}\right|=\frac{{(\mathrm{\ω}/{\mathrm{\ω}}_0)}^n}{\sqrt{1+{(\mathrm{\ω}/{\mathrm{\ω}}_0)}^{2n}}}$ |H_LP|²+|H_HP|²＝1

                       (8)

n为滤波器的阶数(这里取n＝6)，在ω＝ω₀时，滤波器有-3dB衰减，而右边的式表明滤波器的输出总功率与频率无关。

(7)式还可以写成以下的形式：

L″＝A(θ_LS，ω)LS₀    R″＝B(θ_LS，ω)LS₀    C″＝D(θ_LS，ω)LS₀

                                                                (9)

其中A(θ_LS，ω)、B(θ_LS，ω)和D(θ_LS，ω)分别表示(7)式给出的三个公式中方括号内的量。

(9)式表明，输入的左环绕通路信号LS₀分别与A(θ_LS，ω)、B(θ_LS，ω)、D(θ_LS，ω)三个函数进行频域相乘后即可得到L″、R″和C″，将它们分别馈给左、右全频带扬声器和高频中置扬声器后，即可虚拟出θ_LS方向的左环绕扬声器。而A、B、D三个函数是和拟产生的虚拟环绕扬声器方向θ_LS有关的。事实上，(9)式相当于把图4的信号处理的频率分频、两扬声器和三扬声器虚拟处理、信号混合等步骤合在一起进行。由于图4的系统是线性系统，这显然是可行的。

用类似的方法，只要将输入的右环绕通路信号RS₀分别与A(θ_RS，ω)、B(θ_RS，ω)、D(θ_RS，ω)三个函数进行频域相乘后可得到L″、R″和C″，将它们分别馈给左、右全频带扬声器和高频中置扬声器后，即可虚拟出θ_RS方向的右环绕扬声器。而A、B、C三个函数只要在(7)式方括号内的量中，将H_lLS、H_rLS换为H_lRS、H_rRS(布置在θ＝θ_RS方向的右环绕扬声器到双耳的频域传输函数)即可。

至于虚拟环绕扬声器布置角度θ_LS、θ_RS的选择，由于在虚拟重发中，利用前半平面的扬声器布置是不可能产生稳定的后半平面声像的，后半平面声像会出现在前半平面的镜像位置上。作为一种妥协的方法，本发明为确保前半平面±90°范围内的声像，将两个环绕扬声器虚拟在±90°的方向而不是±110°方向上。事实上，按Dolby实验室的标准，在实际的5.1通路环绕声重发中，当房间条件受到限制时，是可以将两个环绕扬声器前移到±90°的方向的。

但是(9)式的信号处理是和频率有关的，因而会引起重发的音色改变。为了减少重发中音色的改变，本发明还引入了对音色进行重新均衡的信号处理。由于在立体声的扬声器重发中，声像位置只是由通路信号间的相对振幅和相对相位所决定的，各通路的信号同时乘(除)以一个频率的函数并没有改变信号的相对振幅和相位关系，因而不会引起虚拟声像位置的改变。但这种处理改变了系统输出的总功率谱，因而就改变了音色。可利用这种方法对音色进行重新均衡。以左环绕通路信号LS₀为例，在(9)式的信号处理中，如果各式同时除以一个因子(|A|²+|B|²+|D|²)^1/2，则可得到经过均衡后的重发信号：

L″＝A′(θ_LS，ω)LS₀    R″＝B′(θ_LS，ω)LS₀    C″＝D′(θ_LS，ω)LS₀  (10)

其中：

$A^{\′}({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LS}},\mathrm{\ω})=\frac{A({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LS}},\mathrm{\ω})}{\sqrt{{\left|A({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LS}},\mathrm{\ω})\right|}^2+{\left|B({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LS}},\mathrm{\ω})\right|}^2+{\left|D({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LS}},\mathrm{\ω})\right|}^2}}---\left(11\right)$

$B^{\′}({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LS}},\mathrm{\ω})=\frac{B({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LS}},\mathrm{\ω})}{\sqrt{{\left|A({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LS}},\mathrm{\ω})\right|}^2+{\left|B({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LS}},\mathrm{\ω})\right|}^2+{\left|D({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LS}},\mathrm{\ω})\right|}^2}}$

可以看出，(10)式的信号满足：

|L″|²+|R″|²+|C″|²＝|LS₀|²

$D^{\′}({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LS}},\mathrm{\ω})=\frac{D({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LS}},\mathrm{\ω})}{\sqrt{{\left|A({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LS}},\mathrm{\ω})\right|}^2+{\left|B({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LS}},\mathrm{\ω})\right|}^2+{\left|D({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LS}},\mathrm{\ω})\right|}^2}}---\left(12\right)$

所以经过均衡后，各通路信号的总功率将等于或正比于原始左环绕通路信号LS₀的功率|LS₀|²，而信号处理不会引起音色的改变。

类似地，也可对右环绕通路信号RS₀的信号处理进行音色均衡。只要在(10)和(11)式中，将参数θ_LS换为θ_RS即可。

图7是本发明的信号处理流程和扬声器布置图。本发明可以利用通用的信号处理芯片所做成的硬件电路实现，也可以设计成专用的集成电路芯片实现，还可以设计成软件在多媒体计算机上实现。本发明可用于DVD、电视、家庭影院、多媒体计算机等方面。

实施例一DVD与电视的应用

将DVD解码输出或从数字电视广播得到的5.1通路环绕声(数字)信号按图7的方法进行虚拟处理后，得到三路信号L″、R″和C″，然后分别馈给一对前方±30°的全频带扬声器和一个布置在正前方(电视机上方)的高频中置扬声器，重发出环绕声的效果。其中，虚拟信号处理可作为DVD机内的一部分硬件电路，也可作为电视机的一部分硬件电路。

实施例二家庭影院的应用

将DVD解码输出的5.1通路环绕声(数字)信号馈给家庭影院的放大器，图7的虚拟信号处理是作为放大器内的一部分功能电路。得到三路信号L″、R″和C″，然后分别馈给外接的全频带左、右和高频中置扬声器进行重发。

实施例三多媒体计算机的应用

由计算机的DVD-ROM读取，并经解码得到5.1通路环绕声(数字)信号，然后用计算机软件实行图7的虚拟信号处理，也可以在计算机的声卡上用专用的硬件电路实现，得到三路信号L″、R″和C″，由声卡输出到外接的全频带左、右和高频中置扬声器进行重发。

本发明具体介绍用软件在多媒体计算机上的实现：信号处理所用的头相关传输函数HRTF可通过理论计算或实验测量得到，这里所用的HRTF函数采样频率为是44.1kHz，长度512点(也可以是256点或128点)，分辨率16bit，自由场均衡。

图8是信号处理软件的流程图，信号处理过程就是(从DVD-ROM或硬盘)读入原始的5.1通路环绕声信号，在对它进行虚拟处理后，馈给扬声器重发。假定5.1通路环绕声的原始信号是时域的数字信号：

第一步：在DVD-ROM中读入原始的5.1通路时域信号，记为l₀、r₀、c₀、ls₀、rs₀、lfe₀。

第二步：利用FFT算法将5.1通路时域信号转换为原始的频域信号：左通路信号L₀、右通路信号R₀、中心通路信号C₀、左环绕通路信号LS₀、右环绕通路信号RS₀、低频效果通路信号LFE₀，并存入缓存器。

第三步：将原始的中心通路信号C₀与高通滤波器的传输函数H_HP相乘，得到H_HPC₀；将原始的中心通路信号C₀与低通滤波器的传输函数H_LP相乘，并乘0.707，得到0.707H_LPC₀。

第四步：将原始的低频效果通路信号LFE₀乘0.707，得到0.707LFE₀。

第五步：将原始的左环绕通路信号LS₀分别与频域函数A’(90°，ω)、B’(90°，ω)、D’(90°，ω)进行相乘，得到A’(90°，ω)LS₀、B’(90°，ω)LS₀、D’(90°，ω)LS₀。

第六步：将原始的右环绕通路信号RS₀分别与频域函数A’(-90°，ω)、B’(-90°，ω)、D’(-90°，ω)进行频域相乘，得到A’(-90°，ω)RS₀、B’(90°，ω)RS₀、D’(90°，ω)RS₀。

第七步：将左通路信号L₀、0.707H_LPC₀、A’(90°，ω)LS₀、A’(-90°，ω)RS₀、0.707LFE₀相加，得到L″。

第八步：右通路信号R₀、0.707H_LPC₀、B’(90°，ω)LS₀、B’(-90°，ω)RS₀、0.707LFE₀相加，得到R″。

第九步：将H_HP C₀、D’(90°，ω)LS₀、D’(-90°，ω)RS₀相加，得到C″。

第十步：将L″、R″、C″三个信号分别用IFFT变换到时域，并经D/A变换为模拟信号，馈给扬声器。

如上所述，即可较好地实现本发明。

用声像定位实验验证本发明的实际效果。用软件(Cooledit Pro 1.2)在计算机声频工作站中产生原始的5.1通路信号，信号采样频率为44.1kHz，量化精度为16bit，并存在硬盘上。由于在原始的5.1通路系统中，信号是通过分立--对的方法馈给扬声器的，也就是将信号只馈给某一扬声器而其它扬声器的信号为零，利用单一扬声器产生其方向上的声像。而将信号(同相位)馈给一对相邻的扬声器，利用信号的声级差产生这对扬声器之间的声像。例如将信号馈给图5的前方C₀扬声器(0°)和L₀扬声器(30°)，而其它扬声器信号为零，通过调节中心通路信号C₀和左通路信号L₀的振幅比(声级差)，就可以得到这对扬声器之间的声像。因此，在本发明中也是按分立--对的方法产生具有不同的通路声级差的原始5.1通路信号。

将原始的5.1通路信号按图7进行虚拟信号处理后，馈给左、右和高频中置三个真实扬声器进行重发。实验在一混响时间为0.15s的听音室内进行，扬声器布置在半径为2.0m的圆周上，其中左、右扬声器布置张角分别取±15°和±30°两种情况。信号处理所用的HRTF采用的刚球模型计算所得的数据。而高通和低通滤波器的分频点f₀＝300Hz。实验所用的是语言信号(普通话男声)，信号时间长度为20秒。

实验时，让倾听者判断具有不同的通路声级差的5.1原始通路信号在虚拟重发时的声像位置，取八名倾听者的平均值作为最后的实验结果，并算出相应的均方差σ。

由于重发虚拟声的左、右全频带扬声器的位置与原始的5.1通路系统的标准完全一致(见(1)式)，并不需要虚拟的方法。因而对于前方(0°≤θ_I≤30°)声像，是由两个±30°真实扬声器和一个正前方(0°)的高频(真实)扬声器产生，其原理和普通的声级差型立体声类似，并且过去研究已有相应的实验结果，在此就不再重复。

5.1通路环绕声的侧向声像是通过左通路和左环绕通路产生的，在原始的5.1通路信号中，左通路信号L₀、左环绕通路信号LS₀不为零，而其他通路的信号R₀＝C₀＝RS₀＝0。而对虚拟重发的情况，侧向声像是由位于30°的真实扬声器和90°的虚拟扬声器共同产生。通过调节原始通路信号的声级差d＝20log(LS₀/L₀)(dB)，可产生不同方向的侧向声像。图9是声像定位的实验结果图，它给出了虚拟重发的侧向声像方向θ_I的实验值和均方差。为比较，图9中还给出了用以下的多通路环绕声声像定位公式计算所得到的，把左通路信号L₀、左环绕通路信号LS₀馈给假设布置于30°和90°扬声器的声像位置的理论值。

${\sin \mathrm{\θ}}_I=\frac{0.5L_0+{\mathrm{LS}}_0}{L_0+{\mathrm{LS}}_0}---\left(13\right)$

由图9可以看出，在原始通路信号声级差d＝20log(LS₀/L₀)由-24dB变化到24dB的过程中，声像位置的实验值和(13)式的理论值(理想值)的变化趋势是一致的(当d由-∞dB连续变化到+∞dB时，θ_I的理论值由+30°连续变化到+90°)，但数值上有一定的差别。特别是侧向声像，实验值较理论值向前方偏移。例如，对d＝24dB，θ_I的理论值为76.2°，实验值为64.0°。侧向声像位置畸变主要是由实际的倾听者的头部尺寸与虚拟声信号处理所用头部模型的尺寸的差别引起的。

对真正的5.1通路环绕声重发，后方声像是通过布置在±110°左、右环绕扬声器产生。但在虚拟重发中，布置在前半平面的真实扬声器是不能产生稳定的后半平面的声像的。事实上，在真正的5.1通路环绕声重发中，如果将两个环绕扬声器布置在±90°的方向上，也不能产生稳定的后半平面声像。因此这里没有给出虚拟重发时后方声像的定位结果。

本发明用前方一对真实的左、右全频带扬声器和一个高频中置扬声器进行重发，可产生整个前半平面的环绕声效果，从而达到节省重发扬声器的目的；另外本发明将重发虚拟环绕声的一对左、右全频带扬声器布置在±30°的位置，并采用高频中置扬声器，该布置可扩大听音区域，方便于实际应用，信号处理也简单可行，并且与普通的双通路立体声的扬声器布置兼容，这种新的扬声器布置特别适用于电视和多媒体计算机的应用。

本发明的研究得到《国家自然科学基金，编号：10374031》的资助。

Claims (3)

1.一种三扬声器虚拟5.1通路环绕声的信号处理方法，其特征是，包括如下步骤：

第一步：输入原始的5.1通路信号：左通路信号L₀、右通路信号R₀、中心通路信号C₀、左环绕通路信号LS₀、右环绕通路信号RS₀、低频效果通路信号LFE₀；

第二步：将原始的左、右通路信号L₀、R₀分别直接馈到左、右全频带扬声器的信号混合器；

第三步：将原始的中心通路信号C₀经传输函数为H_HP的高通滤波后馈到高频中置扬声器的信号混合器，以直接产生高频的前方声像；中心通路信号C₀经过传输函数为H_LP的低通滤波和-3dB衰减后，同时馈给左、右全频带扬声器的信号混合器，以合成低频的前方声像；

第四步：原始的左环绕通路信号LS₀经过虚拟处理，得到三个信号A’(90°，ω)LS₀、B’(90°，ω)LS₀、D’(90°，ω)LS₀，然后分别馈到左、右全频带扬声器和高频中置扬声器的信号混合器，虚拟出90°方向的左环绕扬声器；

第五步：原始的右环绕通路信号RS0经过虚拟处理，得到三个信号A’(-90°，ω)RS0、B’(-90°，ω)RS0、D’(-90°，ω)RS0，然后分别馈到左、右全频带扬声器和高频中置扬声器的信号混合器，虚拟出-90°方向的右环绕扬声器；

第六步：原始的低频效果通路信号LFE0经-3dB衰减后，同时馈给左、右全频带扬声器的信号混合器；

第七步：分别对馈给左、右全频带扬声器和高频中置扬声器的输入信号进行混合，得到L″、R″、C″三个信号，然后分别馈给布置在±30°的左、右全频带扬声器和0°的高频中置扬声器重发；

其中，A’(90°，ω)、B’(90°，ω)和D’(90°，ω)是从90°声源到左耳的头相关传输函数H_lLS、90°声源到右耳的头相关传输函数H_rLS、30°声源到左耳的头相关传输函数α、30°声源到右耳的头相关传输函数β、0°声源到左耳的头相关传输函数γ、分频点为300Hz的六阶高通滤波的传输函数H_HP(ω，ω0)、分频点为300Hz的六阶低通滤波传输函数H_LP(ω，ω₀)通过以下的信号处理得到；

D(90°，ω)＝Z(H_lLS+H_rLS)H_HP(ω，ω₀)

A’(-90°，ω)、B’(-90°，ω)和D’(-90°，ω)是从-90°声源到左耳的头相关传输函数H_lRS、-90°声源到右耳的头相关传输函数H_rRS、30°声源到左耳的头相关传输函数α、30°声源到右耳的头相关传输函数β、0°声源到左耳的头相关传输函数γ、分频点为300Hz的六阶高通滤波的传输函数H_HP(ω，ω0)、教育分频点为300Hz的六阶低通滤波传输函数H_LP(ω，ω0)，通过以下的信号处理得到：

D(-90°，ω)＝Z(H_lRS+H_rRS)H_HP(ω，ω₀)

ω₀＝2π×300(rad/s)

$X=\frac{{\mathrm{M\α}}^{*}-{\mathrm{P\β}}^{*}}{M^2-P^2}$ $Y=\frac{{\mathrm{M\β}}^{*}-{\mathrm{P\α}}^{*}}{M^2-P^2}$ $Z=\frac{Q{\mathrm{\γ}}^{*}}{M^2-P^2}$

M＝|α|²+|β|²+|γ|²  P＝|γ|²+αβ^*+βα^*  Q＝|α|²+|β|²-αβ^*-βα^*。

2.根据权利要求1所述的三扬声器虚拟5.1通路环绕声的信号处理方法，其特征是，第四步中对原始的左环绕通路信号LS₀的虚拟处理，就是将左环绕通路信号LS₀分别与三个从水平面90°头相关传输函数得到的函数A’(90°，ω)、B’(90°，ω)、D’(90°，ω)进行频域相乘。

3.根据权利要求1所述的三扬声器虚拟5.1通路环绕声的信号处理方法，其特征是，第五步中对原始的右环绕通路信号RS₀的虚拟处理，就是将原始的右环绕通路信号RS₀分别与三个从水平面-90°头相关传输函数得到的函数A’(-90°，ω)、B’(-90°，ω)、D’(-90°，ω)进行频域相乘。

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