CN100586228C - 双声道立体声重放装置、方法和记录媒介 - Google Patents

双声道立体声重放装置、方法和记录媒介 Download PDF

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Abstract

一种双声道立体声声音重放装置，包括：校正滤波器，用来对适用双声道立体声录音麦克风录制的输入声音信号进行滤波，并把滤波后的信号提供给耳机；自适应滤波器，输入声音信号提供至自适应滤波器；差异检测装置，用于确定两种声音信号之间的差异，其中一个声音信号是通过使用与双声道立体声录音麦克风相同或者具有与双声道立体声录音麦克风类似特征的声音收集麦克风来收集由耳机重放的声音而获得的，另一个声音信号是由自适应滤波器输出的，差异检测装置将差异传输给自适应滤波器，其中，自适应滤波器基于声音输入信号和所述差异，确定从耳机到声音收集麦克风的合成特征的逆特征，并将所确定的特征为校正滤波器的特征。

Description

双声道立体声重放装置、方法和记录媒介
相关申请的交叉引用
本发明包括有关2004年4月27日在日本专利局申请的日本专利申请JP2004-131067的主题，该申请的全部内容引入于此供参考。
技术领域
本发明涉及音频信号处理领域，具体涉及一种双声道立体声重放装置和方法。
背景技术
一种已知的采用保持进入声音方向的有关信息来录制来自放置于声空间的声源的声音和重放该声音的方法是双声道立体声方法。
在双声道立体声方法中，使用放置在左右耳道周围或其中的小麦克风(原则上说是这些麦克风)来录音的立体声录音方法所录下来的声音信号，通过放置在耳道周围或者麦克风放置处的具有高保真度的耳机等重放出来。该双声道立体声方法允许声场在录音地点高保真重放。该方法由一种简单的录音和重放装置所实现，并且经常作为一种简便的立体声录音和重放方法用于现场录音。
最有效的双声道立体声体验是真实头部(real-head)录音和把记录在耳中的声音在耳中重放。该方法提供了对所谓的头部相关转移函数(HRTF)的良好匹配，而且考虑到了自然音调(或者最佳频率幅度特征)、最佳声像定位、高声像质量等等。
日本未经审查的专利申请刊物No 6-217400公开了一种双声道立体声声音录制和重放方法，该方法是在收听者前面用自然音调定位声源的同时允许收听者在三维声音感觉中接受声音收集系统中的混响声。
发明内容
真实头部录音和重放似乎是理想的，但是实际上可能会失效，因为没有实现自然音调重放，声音带有声扩散地重放，以及声音没有清晰地定位等。
这些问题的产生是因为双声道立体声声音录制和重放的隐含需求，即在左右通道中从录音系统到重放系统具有平稳且相等的转移特征没有得到满足。具体地说，用来录音的麦克风的特征是不平稳的，左右麦克风特征互不相同，用来重放声音的耳机的特征是不平稳的，或者耳机中的左右声转换器的特征相互不同，因而减弱了双耳效应。
举例来说，声像的上下定位和前后定位在某种程度上是由音调引起的。左右耳之间在声级和时间上(包括相位)的差异很大程度上影响左右定位。
事实上，这个问题并不简单，原因是比如说一个用户拿掉耳机后又再次戴上同样的耳机，那么到耳朵的传输特征就会发生变化。特别地，大的头戴护耳式耳机，比如封闭式耳机，有更多的功能，因此在听的过程中在传输特征上会有变化。一般不昂贵的耳机在左右声道上没有一致的特征。一般不昂贵的麦克风没有一致的特征和灵敏性。
即使在真人录放中，从录音系统到重放系统的传输特征是不平稳的，而且左右声道的传输特征相互不同，因此也有要改进双耳效应。
根据本发明的实施例，提供了一个双声道立体声声音重放装置，包含校正滤波器，用来对适用双声道立体声录音麦克风录制的输入声音信号进行滤波，并把滤波后的信号提供给耳机；自适应滤波器，所述输入声音信号提供至所述自适应滤波器；差异检测装置，用于确定两种声音信号之间的差异，其中一个声音信号是通过使用与双声道立体声录音麦克风相同或者具有与双声道立体声录音麦克风类似特征的声音收集麦克风来收集由耳机重放的声音而获得的，另一个声音信号是由所述自适应滤波器输出的，所述差异检测装置将所述差异传输给所述自适应滤波器，其中，所述自适应滤波器基于声音输入信号和所述差异，确定从耳机到声音收集麦克风的合成特征的逆特征，并将所确定的特征为校正滤波器的特征。
用户佩戴一种用作双声道立体声录音的麦克风或者一种麦克风，其特征相似于在用户耳中以相似于录音期间的方式用于双声道立体声录音的麦克风，同时也佩戴耳机。当一个声测量信号，比如说一个脉冲，从耳机重放并且被麦克风收集，从麦克风输出的信号特征是由耳机特征，从耳机位置到麦克风位置的声传输特征(空间传输特征)和麦克风特征合成的特征。
确定与合成特征类似的特征和合成特征的逆特征的特征(在下文中称为逆合成特征)。逆合成特征用来校正耳机特征，从耳机位置到麦克风位置的声传输特征和麦克风特征。
明确地说，校正滤波器把逆合成特征叠加到由录音麦克风录制的双声道立体声信号中。双声道立体声信号原来就具有叠加在其上面的录音麦克风的特征。因为逆合成特征包括录音麦克风特征的逆特征和叠加在双声道立体声信号上的录音麦克风的特征，加以校正以产生如同由特征平稳的麦克风所录出的同样的双声道立体声信号。
逆合成特征也包括耳机特征的逆特征，因此要取得一个由特征平稳的耳机所重放的信号作为重放信号。
逆合成特征也包括从耳机到麦克风的声传输特征的逆特征，因此声音以平稳的传输特征从耳机传输到麦克风。因而，当使用头戴护耳式耳机时，取决于个人耳朵形状的空间传输特征可以被校正。
在双声道立体声重放装置中，即使使用了在左右声道中没有显示平稳特征或者一致特征的麦克风和耳机，校正滤波器也把逆合成特征叠加到由录音麦克风获得的双声道立体声信号中来产生最佳化的双声道立体声重放信号。
只要录音麦克风和声音收集麦克风(用来重放声音的麦克风)具有相似的特征，那么他们就不必完全相同。
双声道立体声录制材料的用户和双声道立体声重放声音的用户(或者是收听者)不必一样。理想的是，这些用户应该是一样的，不一样的话，只要麦克风和耳机的特征以上述的方式加以校正，双耳效应可以得到改进。
此外，一个用作双声道立体声信号的普通声音信号可以在不使用特殊声测量信号比如脉冲的情况下重放。自适应滤波器确定从耳机位置到麦克风位置的合成特征的逆特征，校正滤波器把逆合成特征叠加到作为双声道立体声信号的普通声音信号。因而，可以校正麦克风和耳机的特征。
因此，双声道立体声声音重放能在收听者负担很小的情况下实现。而且，校正滤波器的特征能连续地被更新。在重放和收听过程中由于收听者所戴的耳机的移动而导致的特征上的变化能被处理好。
据此，即使在真人录音和重放中，从录音系统到重放系统的传输特征是不平稳的，并且左右声道的传输特征相互不同，双耳效应也可以被改进。而且，双耳效应能在不使用特殊的声测量信号的情况下得到改进。此外，在重放和收听过程中由于收听者所戴的耳机移动而导致的特征上的变化能被处理好。
附图说明
图1是双声道立体声录音装置示图；
图2是在双声道立体声声音重放中佩戴麦克风和耳机的收听者的图解；
图3是根据本发明实施例，双声道立体声重放装置的框图；
图4是根据本发明实施例，更新校正滤波器和自适应滤波器特征的自适应算法；
图5是根据本发明实施例，显示自适应滤波器的估算和会聚的示图。
具体实施方式
根据本发明实施例，在双声道立体声声音重放方法前的双声道立体声录音方法将在图1中描述。
在这个双声道立体声录音方法中，在录音的地方，用户1在左耳道2L和右耳道2R戴上小型的录音麦克风3L和3R。麦克风3L和3R在录音处用来从声空间中的声源来录制立体声。
如下所述，只要麦克风3L和3R的特征和那些用来重放声音的麦克风的特征相似，录音麦克风3L和3R就不必和用来重放声音的麦克风完全一样。用户1(双声道立体声录制材料的人)可能不是收听者(双声道立体声重放材料的人)。举例来说，可能会使用人造头或者模拟人头的模拟头。
声音信号SL和SR作为双声道立体声信号从麦克风3L和3R输入到录音设备10中，然后被录制到录音媒介4中，比如磁盘媒介或者存储卡。
具体的说，在录音设备10中，输入声音信号SL和SR通过声音放大线路11L和11R分别被放大，然后由模数转换器(AD)12L和12R分别转换到数字声音数据DL和DR。形成的数字声音数据DL和DR输入到录音处理器13，如果有必要的话，具有预定格式的声音数据在压缩和编码之后，然后记录在录音媒介中。
在录音装置10中，系统控制器15控制录音处理器13和媒介驱动器14。
相应地，到达人耳或者人工头上的耳朵的声音在录音地方被录下来。根据麦克风3R，3L和声源之间位置或者方向上的关系，在右耳道和左耳道中或者麦克风3R和3L处的右声道声音和左声道声音在声级，时间和特征上的差异被记录下来。
为了重放以上述方式录制的双声道立体声信号，如图2所示，收听者5分别在右耳和左耳耳道6R和6L处佩戴麦克风7R和7L，也佩戴耳机9。
麦克风7L和7R小而且不是头戴护耳的。麦克风7L，7R和图1所示的录音麦克风3L，3R最好是一样的，但是只要麦克风7L，7R的特征和麦克风3L，3R的特征相似，也可和麦克风3L，3R有所不同。
如图2所示，耳机9可能是那种右耳道声转换器9R和左耳道声转化器9L分别盖住收听者5右耳6R和左耳6L的头戴护耳式耳机。耳机9也可能是开放式耳机或者半开放式耳机。
图3显示了允许收听者5重放使用麦克风7L，7R和耳机9以上述方式录制成的双声道立体声信号的双声道立体声声音重放装置。
在声音重放装置20中，录制好的双声道立体声信号从录音媒介4中读出。读出的双声道立体声信号，如有需要，则用声音重放处理器23进行处理，比如扩展和解码。数字声音数据DL和DR，这些双声道立体声信号，从声音重放处理器23输出。
在声音重放装置20中，媒介驱动器24和声音重放处理器23是由系统控制器25控制的。
来自声音重放装置20的声音重放处理器23输出的声音数据DL和DR提供给双声道立体声声音重放装置30。
双声道立体声声音重放装置30是由一个左声道系统和一个右声道系统组成的。声音数据DL提供给左声道系统，同时声音数据DR提供给右声道系统。
在左声道系统中，声音数据DL作为输入声音数据x(k)提供给校正滤波器31L和自适应滤波器34L。从校正滤波器31L输出的声音数据由数模转换器(DA)32L转换成模拟声音信号，最后得到的声信号提供给左声道耳机声转换器9L。因此，左声道声音被重放。
重放的左声道声音通过使用左声道耳机声转换器9L附近的麦克风7L来收集。从麦克风7L输出的声音信号由模数转换器33L转换到数字声音数据d(k)。加法器电路35L从模数转换器33L输出的声音数据d(k)中减去从自适应滤波器中输出的声音数据y(k)，然后从加法器电路输出的差值数据e(k)传输到自适应滤波器34L。
自适应滤波器34L是由有限脉冲响应(FIR)滤波器式自适应线性耦合器(滤波单元)和自适应算法计算单元(滤波器系数更新计算单元)组成的。根据以下描述的自适应算法(滤波器系数更新算法)，自适应滤波器34L可用来估计传输特征。该传输特征是校正滤波器31L的特征，左声道耳机声转换器9L的特征，从左声道耳机声转换器9L到麦克风7L的空间传输特征(声传输特征)，和麦克风7L特征的合成。如果校正滤波器31L的特征是平稳的，自适应滤波器34L估计传输特征，该传输特征是左声道耳机声转换器9L的特征，从左声道耳机声转换器9L到麦克风7L的空间传输特征，和麦克风7L特征的合成。
校正滤波器31L是由如FIR滤波器组成。校正滤波器31L的滤波器系数由自适应滤波器34L修改，然后更新滤波器特征。
右声道系统包括右声道耳机声转换器9R，麦克风7R，校正滤波器31R，数模转换器32R，模数转换器33R，自适应滤波器34R，加法器电路35R，并且处理输入的声音数据DR。
在自适应滤波器34L执行的理想的估计和对校正滤波器31L的特征更新中。首先，校正滤波器31L的特征设置为平稳，自适应滤波器34L估计传输特征，该特征是左声道耳机声转环器9L的特征，从左声道耳机声转换器9L到麦克风7L的空间传输特征和麦克风7L的特征的合成。然后，更新校正滤波器31L的滤波器系数使得校正滤波器31L的特征是传输特征的逆特征。自适应滤波器34L的特征也设置为平稳，因此可以通过自适应滤波器34L完成估算。
然而，实际上，传输特征是由左声道耳机声转换器9L的特征，从左声道耳机声转换器9L到麦克风7L的空间传输特征和麦克风7L的特征合成的，传输特征以倾斜的方式，包含一个低信号电平的频率区域。这样的一个传输特征的逆特征有一个增益大的频率区域，因此不适合滤波器。
更可取地，通过使用一个限制器或类似器件把信号电平限制在某一段范围内的方法来更新校正滤波器31L的特征以致不含有这样大增益的频率区域。没有在校正滤波器31L的特征中反映的那部分保留在自适应滤波器34L的特征中。因此，自适应滤波器34L是收敛的。
现描述一种情况即，当一个校正滤波器31L的特征在自适应滤波器34L执行估算而且是收敛之前未被更新的情况下，校正滤波器31L的特征可以在自适应滤波器34L进行估算和收敛之前的任何时候予以更新。
图4显示了校正滤波器31L在任何时候都可以更新的情况下，对左声道系统的自适应算法。尽管图4只是显示了电平特征(在图4中所示的各个特征图表，x轴指示频率(f)，y轴指示分贝等级(dB))，但是自适应滤波器34L的估算和收敛及校正滤波器31L的特征的更新也在相对于相位特征(包括延迟)下实行。该自适应算法也能应用到右声道系统。
当声音重放开始，如图4中初始状态所示，校正滤波器31L的电平特征是0dB而且是平稳的，也就是说输入信号在传输，且自适应滤波器34L的电平特征更低。因此，如果输入声音数据x(k)恒定地具有一个低电平的频率区域，则自适应滤波器34L能轻易地执行估算。尽管在图4中自适应滤波器34L的电平特征在初始状态也是平稳的，但是自适应滤波器34L的电平特征可能会不平稳。
然后，自适应滤波器34L的系数在不更改校正滤波器31L的情况下更新到了某个程度。因此，就如图4的″更新自适应滤波器之后″所指示的一样，自适应滤波器34L的电平特征会变化。在这个阶段，自适应滤波器34L没有完成估算或收敛。
这时，校正滤波器31L的特征更新了。如图4的″特征比率计算″所示一样，计算特征比率(自适应滤波器电平特征)/(校正滤波器电平特征)。因为校正滤波器31L的电平特征是0dB而且平稳，所以特征比率(自适应滤波器电平特征)/(校正滤波器电平特征)和自适应滤波器34L的电平特征相等。
所得到的特征分成与阀值电平A dB相邻的非校正区域和校正区域。一个小于或等于A dB的频率区域被称作非校正区域，一个大于A dB的频率区域被称作校正区域。
如在图4中″滤波器特征更新″所示，自适应滤波器34L的电平特征和校正滤波器31L的电平特征都被更新。自适应滤波器34L的电平特征被更新使得在非校正区域中以前的电平特征得以保留，同时在校正区域的电平特征设置为A dB。校正滤波器31L的电平特征被更新使得在非校正区域的电平维持在0dB，同时在校正区域的电平设置为通过从A dB中减去(自适应滤波器的电平特征)/(校正滤波器的电平特征)的特征电平比所获得的电平。
类似于″自适应滤波器更新之后″，″特征比计算″和″滤波器特征更新″所指出的操作被不断地执行以形成校正滤波器31L，即一个具有波峰受到抑制的电平特征的实际的校正滤波器，和一个自适应滤波器34L将要完成估算和收敛。
而且，自适应滤波器34L和校正滤波器31L的特征被连续地更新。如果在重放和收听过程中从左声道耳机声转换器9L到麦克风7L的空间传输特征由于佩戴耳机9的移动而发生变化，自适应滤波器34L和校正滤波器31L的特征将被更新，自适应滤波器34L完成估算和收敛。
图5是显示自适应滤波器34L的估算和收敛的图。声音重放在ts处开始。在ts处，自适应滤波器34L和34R处在估算/收敛不完全状态。上述的特征更新允许自适应滤波波器34L和34R在ts之后立即变成估算/收敛完全状态。在ta处，如果在双声道立体声声音重放系统中由于如佩戴耳机9的移动发生了一些干扰，自适应滤波器34L和34R会在短期内处于估算/收敛不完全状态。然而，在上述的特征更新后，自适应滤波器34L和34R会重新处于估算/收敛完全状态。
在图4所示的例子中，在非校正区域和校正区域中的阀值电平A dB是固定的。声音频率区域可能被分成多个频率子区域，在每个频率子区域中非校正区域和校正区域之间的阀值电平可能会不同，或者说非校正区域和校正区域间的阀值电平会根据情况而变化，比如说在声音重放的开始，声音重放的过程中等等。
尽管如图3所示的双声道立体声声音重放装置30完整地包括了耳机声转换器9L和9R，麦克风7L和7R，一个只包括信号处理器的双声道立体声声音重放装置也可以被使用。该信号处理器与耳机声转换器9L和9R，麦克风7L和7R是分开的。因此，收听者可以用一个现成的耳机与麦克风7L，7R和包括信号处理器的双声道立体声声音重放装置结合来取得稳定的双声道立体声声音重放。
根据本发明的实施例，在双声道立体声声音重放装置中的信号处理可以由数字信号处理器(DSP)或者中央处理单元(CPU)执行的软件来实现。举例来说，收听者佩戴的耳机可以连接到个人电脑(PC)的标准耳机输出端，在收听者耳道附近的麦克风可以连接到PC的标准麦克风输入端，使得上述的信号处理可以由PC中的CPU或者类似装置来执行。信号处理可以通过在PC或者类似装置上执行的软件(程序)的方式来获得。因而，根据本发明的实施例，收听者可以实现双声道立体声声音重放。
该领域内已被专家理解，各种修正，合并，子合并和改动将有可能出现，取决于设计的需求或其他因素，但它们仍在附加声明或其等效物范围内。

Claims (3)

1.一种双声道立体声声音重放装置，其特征在于，包括：
校正滤波器，用来对使用双声道立体声录音麦克风录制的输入声音信号进行滤波，并把滤波后的信号提供给耳机；
自适应滤波器，所述输入声音信号提供至所述自适应滤波器；
差异检测装置，用于确定两种声音信号之间的差异，其中一个声音信号是通过使用与双声道立体声录音麦克风相同或者具有与双声道立体声录音麦克风类似特征的声音收集麦克风来收集由耳机重放的声音而获得的，另一个声音信号是由所述自适应滤波器输出的，所述差异检测装置将所述差异传输给所述自适应滤波器，
其中，所述自适应滤波器基于所述输入声音信号和所述差异，确定从耳机到声音收集麦克风的合成特征的逆特征，并将所确定的所述合成特征的逆特征设置为所述校正滤波器的特征。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述声音收集麦克风放置在佩戴所述耳机的收听者的耳道附近。
3.一种双声道立体声声音重放方法，包含以下步骤：
把使用双声道立体声录音麦克风录制的输入声音信号经过校正滤波器提供给耳机，并且提供给自适应滤波器；
通过使用与所述双声道立体声录音麦克风相同或具有与所述双声道立体声麦克风相似特征的声音收集麦克风来收集由耳机重放的声音，获得声音信号；
将来自声音收集麦克风的声音信号和从自适应滤波器输出的声音信号之间的差异传输到自适应滤波器；
所述自适应滤波器根据所述输入声音信号和所述差异确定从耳机到声音收集麦克风的合成特征的逆特征，其中，将所确定的所述合成特征的逆特征设置为所述校正滤波器的特征。
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