CN101155440A - 针对双声道音频信号的三维环绕音效技术 - Google Patents

Abstract

一种三维环绕音效方法和设备，能够使双声道的音频信号扩展为多声道三维环绕的音频信号。本发明依据人体听觉的主观感知原理建立了一个新模型。听者在两扬声器间的相对位置可通过以下3个参数进行反映：(1)中心偏移参数：听者在两扬声间的相对位置；(2)振幅参数：映射听者感知的低频音信号的虚拟方向；(3)延迟参数：映射听者感知的高频音信号的虚拟方向。听觉系统对低频和高频声源方向有不同的主观感知，本发明在应用三维环绕音效法之前，先将输入的音频信号分为高频音频信号和低频音频信号，并根据人体听觉系统对不同频带声音信号的主观感知对音频信号进行混合。本发明所设计的三维环绕音效方法既便于实施又能高效重建双声道音响的三维环绕效果。

Description

针对双声道音频信号的三维环绕音效技术

技术领域

本发明涉及一种能够将双声道音频声源扩展为三维环绕音效的方法和设备，尤其涉及能够增强手持设备音效的方法和设备。

根据本发明实例，三维环绕音效技术提供了一种多声道音频再建系统，只需将同一声源信号输送到多个声道中，经过滤波系统，并对一些可调参数进行调整，就能够改变这些重建虚拟声源的听觉位置。三维环绕音效技术的正常工作基于以下三项发现：

●振幅环绕：人的听觉系统根据相对振幅的强弱来确定低频音信号(低于1000赫兹)的声源位置；

●延迟环绕：人的听觉系统根据时间差来确定高频音信号(高于1000赫兹)的声源位置；

●领先特效：人的听觉系统对先传入的声波方向十分敏感，受此影响，同一时刻由后续声源发出的声音就被掩蔽或忽略。

本发明三维环绕技术是将音频信号经过滤波处理分为高、低两个频带，并对低频信号和高频信号分别采用振幅环绕和延迟环绕技术。在双声道音响扬声系统中，从一个扬声器里发出的声音必定混有另一个扬声器发出的声音。本发明三维环绕音效技术通过将在一个声道的音频信号与另一声道的高频信号进行混合的方法来模拟这种交叉音效。这里需说明的是，本方法在信号混音过程中，不包括低频信号，因为低频信号能量巨大，会被领先效应所掩蔽。

原则上讲，本发明方法和设备所提供三维环绕音效引擎可用于多种不同类型的电子设备，如手机，PDA，MP3/MP4播放器，LCD和数字电视等。

背景技术

本发明致力于寻求扩展和增强双声道音响扬声系统的音效，意在解决双声道音响扬声系统声音不够饱满，和手持设备固有的窄带频响限制及相关的问题。

传统的三维环绕音效法，如图1所示，不区分高低频带地应用振幅环绕和延迟环绕，此外，该方法也没有考虑到领先效应和交叉效应。故这种方法不能为真实的双声道音响扬声系统提供准确的模型，无法模拟优质的三维环绕音效。

根据上述方法，传统的三维环绕技术假设听者位于图2所示的中心位置，由于振幅环绕，他会首先确定左右两侧的音频增益，随后，由于延迟环绕，三维环绕技术会预测左右两侧声道的延迟情况。这种方法对所有频带的音频信号同时采用振幅环绕和延迟环绕，而没有区分考虑对哪种信号要用哪种方法。

更具体地说，如图1所示，传统三维环绕技术100包括一个左音频增益估算器110，一个右音频增益估算器120，一个左音频延迟估算器130，一个右音频延迟估算器140.所有上述4种估算器的计算都基于方向参数“theta”，即方位。

若一种三维环绕音效方法或设备是实用的，它应该具备：(1)简单：因为该方法要用于消费电子设备上，如手机、PDA等；(2)准确：因为该方法必须要逼真地再建真实的声音环境。目前尚无这样可用的三维环绕音效方法和设备。

发明内容

本发明的第一目标是提供一种能再建三维环绕音效系统的三维环绕音效方法和设备。

本发明的第二目标是提供一种适用于任何消费电子设备，如手机、PDA等，并且能有效重建三维环绕音效的方法和设备。

本发明的第三目标是在不需要大量系统资源的条件下，包括CPU和存储器，能够提供一种准确的三维环绕音效环境的方法和设备。

根据本发明实例原则，通过提供三维环绕引擎，以其最宽的涵盖形式，基于听者相对两个扬声器的位置，来确定左右声道的振幅增益和时间延迟，以实现上述目标。

本发明实例将传入的音频信号运用滤波技术，分为宽带(低频)和窄带(高频)两种频带。延迟环绕应用于高频频带的音频信号。对低频频带，本发明三维环绕技术先将一个声道的输入音频信号和另一声道经高通滤波的音频信号相混合，随后，将混合信号输入低通滤波器，输出结果再经过增益处理。最后，将振幅环绕输出和延迟环绕输出进行混合并经过增益处理后的信号输出到相应的扬声器中。

本发明三维环绕音效技术能高度准确地模拟三维环绕环境是因为，本方法在建立人体听觉系统主观感知的模型时，考虑到了以下三个因素：(1)人体听觉系统通过振幅变化来辨别低频声源的听觉位置；(2)人体听觉系统通过延迟和相位变化来辨别高频声源的听觉位置；(3)人的听觉系统对先输入声波的方向十分敏感，受此影响，后续声源就可能被忽略。

由于本发明应用PCM音频信号，故可对任何音频和语音编解码标准进行信号地后处理，以提供三维环绕音效。

附图说明

图1传统三维环绕音效法的方法示意图；

图2真实的双声道音响环境；

图3根据本发明原理建立的三维环绕音效结构示意图；

图4振幅环绕和延迟环绕的研究结果。(a)针对低频音频信号的振幅环绕；(b)针对高频音频信号的延迟环绕。

具体实施方式

如图3所示，本发明是通过三维环绕引擎实现的，适用于任何消费电子设备。三维环绕引擎300由高通滤波器315/355，低通滤波器330/370，左声道增益估算器335，右声道增益估算器375，左声道延迟估算器325和右声道延迟估算器365组成.传统的三维环绕音效法，在音频信号输入的整个过程中都应用振幅环绕和延迟环绕，而不区分对哪种信号该用哪种环绕方式，而本发明三维环绕音效则不然。本发明三维环绕音效法是将传入的信号分成高频和低频两个频带信号，并对不同的频带信号应用相应的环绕技术，即对低频带采用振幅环绕技术，对高频带采用延迟环绕技术。此外，还考虑了人体听觉系统的领先效应。因此，本发明三维环绕技术的准确性要远高于传统三维环绕系统。

为了了解本发明三维环绕音效技术，有必要先了解一些三维环绕音效的一些基本原理，即如何对双声道信号的两个输入音频流实施处理。当多个声源在传播相关的或部分相关的信号时，有差异的、有时甚至是互相干扰的声源就会混叠，尤其是当听者听到的不同声源信号仅有微小振幅差异和微小时间差异时。这种情况下，不同的声源会合成为一个单音，这个单音的位置与源声源的实际位置会有很大不同。当传入的声源差异较大时，虚拟的声源镜像会混入其中的一个真实声源中，这是领先效应现象的结果。图4所示曲线，是根据标准双声道音响设计试验结果所绘制的。试验场景是，听者在中央并使用两个扬声器和低频脉冲作为试验的输入信号(如图5所示)。图4a和图4b所示分别为给定振幅差异和时间差异下主观感觉的声源移动。从图4可以看出，对不同的声源频带，人体听觉系统感知的声源位置所依据的参数大不相同：(1)人体听觉系统根据振幅变化来判断低频音信号的位置；(2)人体听觉系统依据延迟变化来感知高频音信号的位置。

在双声道音响扬声装置中，如果我们走到中央位置的一侧，去听单个声道传出的音频信号，我们会认为声音是由离我们最近的一个扬声器发出的，尽管另一侧声道的声音也足够大，但我们感知的声源位置没有变化。人的听觉系统会将外来的声源混入一个扬声器上的现象，我们称之领先效应。人体听觉系统对先传入的声波非常敏感，以致受此影响，可能忽略后续声源所发出的音频信号。由于领先效应，空间环绕处理应延迟几十毫秒。显然，人体听觉系统所捕捉到的声波与声音重建的瞬变相关，瞬变是由一个频响范围所激励出的宽带信号形成，外耳的方向特性可根据这个频响范围判断出声波传入的方向。

传统的三维环绕音效技术对所有信号频带同时应用振幅环绕和延迟环绕技术。由于人体听觉系统基于频带变化接收主观感觉的音频声源移动，故这样的模型不能很好地模拟三维环绕音效。尤其是在双声道音响系统中，人的每个耳朵都会接收到来自两个扬声器的音频信号。由于没有模拟这种交叉效应，传统的三维环绕音效技术在再建真实三维环绕场景时就缺乏准确性。

好的三维环绕音效法应能够准确、有效地在三维空间中再建声源的移动。本发明三维环绕音效技术通过下列步骤来实现设计目标：(1)将传入的音频信号分成高频带和低频带音频信号；(2)对低频带音频信号应用振幅环绕技术，对高频带音频信号应用延迟环绕技术；(3)在重建虚拟三维环绕音效场景时考虑了交叉效应和领先效应。

在双声道音响系统中，有两个音源或两个声道。所发明的三维环绕音效技术的实现包括以下7个步骤：(1)每个声道的音频信号都经“中心偏移参数”处理，“中心偏移参数”反映听者在两个扬声器之间的相对位置；(2)将每个声道经步骤1处理后的信号通过高通滤波器，获取高频带信号；(3)将一个声道中经步骤1处理后的音频信号与另一声道中经步骤2处理后的音频信号进行混合，以再建交叉和领先效应；(4)将步骤3的输出信号通过低通滤波器，获取低频带信号；(5)将步骤4的输出信号经振幅参数处理以实现振幅环绕，振幅参数由声源的虚拟位置确定；(6)步骤2的输出信号经延迟系统处理以实现延迟环绕，延迟环绕也是由声源的虚拟位置来确定的；(7)将步骤5和步骤6的输出信号合成，发送到相应的扬声器。

如图3所示，所发明的三维环绕音效技术有九要素与图1所示传统三维环绕音效方法无对应项，它们是，中心偏移处理器310/350，左声道音频输入混合器320，右声道音频输入混合器360，左声道高通滤波器315，右声道高通滤波器355，左声道低通滤波器330，右声道低通滤波器370，左声道音频输出混合器340，右声道音频输出混合器380.

业内人士应该可以看出，发明三维环绕音效的首要目的是再建双声道音响系统的虚拟三维环绕音效场景。由于整个方法的设计都基于人体听觉系统的主观感觉以及人体听觉系统的精确建模，故本发明三维环绕音效法能够生动再建真实的三维环绕音效场景。

由于本发明的三维环绕音效实例不需要专门的硬件支持，只通过软件即可实现其功能，但不排除专门的硬件实现方式，因此该技术可容易地应用于任何类型的消费电子产品上，如手机，PDA等。此外，本发明可用于任何音频和语音编解码系统，如AAC，AAC+，MP3，WMA，RA，AMR等。

前面已经十分详细地描述了本发明所提请的技术，使业内人士能够了解和使用本发明，但是，还要提请注意的是，在不偏离本发明实质的前提下，还可以对所提请的技术发明进行变更和改进，并且本发明不受以上说明或附图的限制，而是按照所附权利要求来予以限定。

Claims (16)

1.双声道音响系统三维环绕音效法，其特征是，所述方法包括：

a.将输入每个声道的音频信号都经中心偏移参数处理，中心偏移参数由听者在两个扬声器之间的相对位置来确定；

b.将步骤a的输出信号经高通滤波处理，以获取高频带音频信号；

c.将步骤a和步骤b的输出信号混合；

d.将步骤c的输出信号进行低通滤波处理，以获取低频带音频信号；

e.将步骤d的输出信号经振幅参数处理以实现对低频带的振幅环绕，振幅参数由声源的虚拟位置决定；

f.将步骤b的输出信号经延迟参数处理，以实现对高频带的延迟环绕，延迟参数由声源的虚拟位置决定；

g.将步骤e和步骤f的输出信号混合，并发送到相应的扬声器。

2.如权利要求1所述的方法，其中步骤a还包括确定基于听者在两个扬声器间的虚拟相对位置来确定中心偏移参数的方法。

3.如权利要求1所述的方法，其中步骤b还包括设计具有指定截止频率的高通滤波器的技术。

4.如权利要求1所述的方法，其中步骤c还包括混合步骤a和步骤b的输出信号。

5.如权利要求1所述的方法，其中步骤d还包括设计具有指定截止频率的低通滤波器的技术。

6.如权利要求1所述的方法，其中步骤e还包括步骤，基于听者在两个扬声器间的虚拟相对位置找出振幅参数的技术。

7.如权利要求1所述的方法，其中步骤f还包括步骤，基于听者在两个扬声器间的虚拟相对位置找出延迟参数的技术。

8.如权利要求1所述的方法，其中步骤g还包括混合步骤e和步骤f的输出信号的技术。

9.根据听者的位置，三维环绕音效设备包括以下步骤：

a.获得由听者在两扬声器间相对位置决定的中心偏移参数；

b.通过高通滤波器，获得的高频带音频信号；

c.将步骤a和步骤b的输出信号混合；

d.通过低通滤波器，获得低频带音频信号；

e.根据听者在两扬声器间的相对位置，获得振幅参数；

f.根据听者在两扬声器间的相对位置，获得延迟参数；

g.将步骤e和步骤f的输出信号混合。

10.如权利要求9所述设备，步骤a所提的中心参数，是由基于听者在两扬声器间的相对位置决定的。

11.如权利要求9所述的设备，步骤b所提高通滤波器是用来获得输入音频信号的高频组分。

12.如权利要求9所述的设备，步骤c所提的信号混合方法已经确定。

13.如权利要求9所述的设备，步骤d所提低通滤波器是用来获得输入音频信号的低频组分。

14.如权利要求9所述的设备，步骤e所提振幅参数是根据听者在两扬声器间的相对位置确定的。

15.如权利要求9所述的设备，步骤f所提延迟参数是根据听者在两扬声器间的相对位置确定的。

16.如权利要求9所述的设备，步骤g所提信号混合方法已经确定。

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