CN101171882A - 借助于图形用户界面来产生并处理声音效果的设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明基于以下发现：当可以用图形表示与相对于再现环境的空间方向相关联的脉冲响应时(12)，以及当用户可以通过图形表示来改变脉冲响应时(14)，可以依靠图形用户界面来有效并直观地控制声音再现系统，该声音再现系统能够在再现环境下产生空间声音印象，因此基于用户输入的改变，可以用图形表示改变的脉冲响应，并且可以检测到改变的图形表示(16)，以便控制该声音再现系统。由于该系统在理论上可以通过脉冲响应来描述所有已知的线性信号处理操作，以本发明的图形用户界面，可以通过图形表示来为混声器提供对声音效果的直观访问，该声音效果取决于方向。
Description
技术领域
本发明涉及现代音频技术，更具体地涉及声音再现系统的空间声音印象(spatial sound impression)的产生和处理。
背景技术
在可以实现的现代声音再现系统中，通过使用若干个扬声器，可以在空间中精确地定位各个声源，并且在再现环境下制造出在仿真区域内(例如体育场或大教堂)的效果。可以从理论上区分两种不同的再现概念。在传统的环绕再现中(通常也是在家庭娱乐方面有用)，在声音混合处理期间已经将定位和空间信息混合到将要离散传送的各个通道中，将由多个扬声器构成的再现系统用于再现各个通道。该再现扬声器应该位于相对于再现环境的预定位置处，以便实现最佳空间印象。
诸如基于波长合成的空间仿真之类的更先进系统，基于声源相对于再现空间的位置信息以及所要仿真的再现环境的空间信息，仅在再现过程中产生针对各个扬声器的控制信号。由于在再现过程中可以考虑这里所设置的各个扬声器，以便在再现环境中产生最好地表示了所要仿真的空间印象的波前，因此实质上可以对于定位和空间印象实现更加可靠的结果。
为了更好地理解本发明，现在将要对波场合成技术进行更加详细的描述。
在声音再现过程中，可以借助于一种新技术来实现更自然的空间印象以及更强的包络(enveloping)。这项技术(所谓的波场合成(WFS：WFS＝波场合成))的基础已经在Delft TU得以研究，并于80年代末期首次提出(Berkhout，A.J.；de Vries，D.；Vogel，P.：Acoustic controlby Wave-field Synthesis，JASA 93，1993)。
由于这种方法对于计算机能力以及传输速率的巨大需求，直到现在该波场合成也极少在实际当中使用。现在，仅微处理器技术和音频编码领域中的发展允许在具体应用中使用此项技术。
WFS的基本思想是基于波动理论中的Huygens原理的应用：
波所检测到的每个点都是元波(elementary wave)的起始点，元波以球形和/或圆形轨迹传播。
在声学应用中，通过多个彼此相邻排列的扬声器(所谓的扬声器阵列)，可以再现任意形式的输入波前。在最简单的示例中，对于一个待再现的点状源以及线性排列的扬声器，必须给每个扬声器的声音信号提供时间延迟和幅度调制，使得各个扬声器的辐射声场正确地交迭。在多个声源的情况下，针对每个源单独计算每个扬声器的贡献，并将产生的信号相加。如果待再现的源都位于具有反射墙的虚拟空间中，则必须由扬声器阵列将该反射再现为附加源。因此，计算的复杂度很大程度上取决于声源的数量、空间的反射性质、以及扬声器的数量。
这项技术的优点具体在于：在大范围的再现空间中，自然的空间声音印象是可能的。与公知技术不同，非常准确地再现了声源的方向和距离。在限制范围内，虚拟声源甚至可以位于真实的扬声器阵列和听众之间。
因此，该波场合成允许对较大再现范围内的虚拟声源的正确再现。与此同时，该波场合成为混声器和录音师提供了新技术以及同样在产生复杂声音景观时的创造性潜力。如80年代在Delft TU所开发的，该波场合成(WFS或者也称为声场合成)代表了声音再现的一种全息方法。Kirchhoff-Helmholtz积分作为基础。这表示可以借助于在闭合体的表面上的单极和双极声场(扬声器阵列)的分布而在这个体的内部产生任意声场。关于这些的详细描述可以在M.M.Boone，E.N.G.Verheijen，P.F.v.Tol，“Spatial Sound-Field Reproduction by Wave-FieldSynthesis”，Delft University of Technology Laboratory of Seismics andAcoustics，Journal of J.Audio Eng.Soc.，vol.43，no.12，December 1995和Diemer deVries，“Sound Reinforcement by Wavefield Synthesis：Adaptation of the Synthesis Operator to the Loudspeaker DirectivityCharacteristics”，Delft U niversity of Technology Laboratory of Seismicsand Acoustics，Journal of J.Audio Eng.Soc.，vol.44，no.12，December1996中找到。
在波场合成中，根据声音信号来计算针对扬声器阵列中的每个扬声器的合成信号，该声音信号由虚拟位置处的虚拟源所发送，该合成信号是关于其幅度和相位所形成的，因此，如果虚拟位置处的这个虚拟源曾经是具有真实位置的真实源，由扬声器阵列中存在的扬声器所输出的各个声波的交迭所产生的波与来自虚拟位置处的虚拟源的波相对应。
典型地，若干个虚拟源位于不同的虚拟位置处。针对每个虚拟位置处的每个虚拟源，执行对合成信号的计算，因此虚拟源典型地产生针对多个扬声器的合成信号。就扬声器而言，此扬声器因此接收来自不同虚拟源的多个合成信号。可能是由于线性叠加原理，这些源的交迭产生实际由扬声器所发送的再现信号。
当扬声器阵列越靠近时，即越多个别扬声器尽可能彼此靠近地排列时，可以最大限度地穷尽波场合成的可能性。然而，按照这种方式，由于典型地必须将通道信息也考虑进去，波场合成单元所需的计算性能也必须提高。这具体表示在原理上存在从每个虚拟源到每个扬声器的特有通道，以及表示在原理上可以发生以下情况：每个虚拟源导致针对每个扬声器的合成信号，或者每个扬声器接收等于虚拟源数量的多个合成信号。
此外，这里应该指出声音再现的质量随着可用扬声器的数量而增加。这表示：扬声器阵列中存在的扬声器越多，声音再现质量变得越好并且越逼真。
因此，诸如波场合成之类的空间声音再现系统允许在听众席周围360度内产生具有最佳空间分辨率的声音。迄今为止，这些系统主要用于定位离散声源以及用于直接的声音再现。此外，可以将由此所产生的声源中的信号应用到所有公知的线性信号处理操作，例如增加混响。在诸如波场合成(WFS)之类的空间声音再现系统中，还可以基于直达声来产生空间效果。例如，这发生在空间仿真中，其中出于效率考虑，将再现简化到有限数目的空间方向(平面波)。
在一个非常简单的空间仿真情况下，将相同参数用于描述所有空间方向的空间(散射混响)，以及自动产生取决于方向(早期反射)的空间部分。由于这种信号处理的基本可能性还可以用于其它创造性方法，只有在将要再现自然的空间效果时，产生空间效果是明智的。
在波场合成中，通过尽可能多的扬声器来为将要具有声音的空间提供声音，以允许具有最佳精确度的波前的重现。为了为声音信号定向并产生空间印象，通常使用多个参数，该参数是在声音信号的下混音期间针对每个扬声器分别确定的。
如上所述，多通道声音再现系统的特征在于其非常高的复杂度，因此在声音的下混音期间的空间信息或定向信息的附加产生需要产生多个参数，这些参数针对每个扬声器分别描述了定向信息或附加线性信号处理步骤(用于产生声音效果)的特征。借助于没有直接且直观的可检测含义多个抽象数学参数来进行说明是很难控制的，特别是在波场合成系统中。
例如，波场合成提供了在二维收听音级自由地定位声源的可能性。这是通过根据声源的位置来合成不同的波前而产生的。诸如用户当前所使用的用户表面(surface)使用二维收听音级的平面图上的点来定位声源，该点表示声源的位置。由于在这种方法中声源的空间位置毫无疑问地充分可视，但是在理论上声音深度印象(空间印象)无法在视觉上同时表示出来，在真实的认知和表征之间出现了偏差，因此仅在少数例外情况下可视图像是可用的，该可视图像与真实的声音印象相对应，或允许推断出相同的真实的声音印象。
发明内容
本发明的目的是建立一种图形用户界面，其允许更有效地控制用于产生空间声音印象的声音再现系统。
这个目的由根据权利要求1或2所述的设备以及由根据权利要求25或26所述的方法来解决。
本发明基于以下发现：当可以用图形来表示与关于再现环境的空间方向或者与来自图形表示的图形表示相关联的脉冲响应时，以及当用户可以通过图形表示来改变此表示时，可以依靠图形用户界面来有效并直观地控制声音再现系统，该声音再现系统能够在再现环境下产生空间声音印象，基于用户输入的改变，可以用图形表示改变的脉冲响应，并且可以检测到改变的图形表示，以便控制该声音再现系统。
由于该系统在理论上可以通过脉冲响应来描述所有已知的线性信号处理操作，因此可以利用根据本发明的图形用户界面通过图形表示来为声音生成器提供对基于方向的声音效果的直观访问，以便在声音再现系统的控制过程中提高效率和质量。
通过将原始信号与脉冲响应混叠，可以表示出所有线性信号处理算法。作为示例，在基于波场合成的空间仿真中，可以通过与相应的空间脉冲响应混叠来产生针对平面波的信号，该空间脉冲响应与相应的空间方向相关联。按照这种方式，还可以再现空间，根据本发明，除了通过它们所基于的参数的描述以外，还可以直接对所使用的脉冲响应进行可视化。根据本发明的新的声音生成工具包括根据与源相对应的方向对所有脉冲响应的同时可视化。通过与此可视化的直接交互，使得声音生成发生。将对该直观表示的处理转化成参数描述，并根据后者产生关联的脉冲响应。
因此，通过数学上与脉冲响应混叠，来向声音信号提供方向信息或空间特性，现在将对此进行详细说明以便更好地理解本发明的精髓。
通过与脉冲响应g(x)混叠，来向声音信号f(y)提供空间印象或反射模式或定位信息，因此根据以下混叠积分得到所合成的声音信号F(x)：
脉冲响应g(x)通常描述了系统对Dirac脉冲δ(x)的响应，因此将以下应用于无穷小长度的脉冲：
因此，这意味着理想Dirac脉冲的特征在于无穷小长度以及在于其上述积分是有限的。在声音信号的情况下，这意味着Dirac脉冲为任意小，但携带固定声能。
如果我们使用Dirac脉冲来测试空间，我们再次获得Dirac脉冲最为最简单的脉冲响应，在发送测试脉冲的位置处，以相对于测试脉冲的发送的传播延迟t来记录该脉冲响应。这恰好是当理想反射物位于发射测试脉冲方向上的情况，该理想反射物没有衰减地反射声学测试信号，因此源的发射位置和反射物之间的传播时间刚好为t/2。
这里应注意的是，在实际中不可能产生理想的Dirac脉冲，而是从现在开始，也将宽度有限并且强度为A的脉冲称为Dirac脉冲。
作为例证，例如可以根据具有面积A的高斯形状的小宽度曲线来设想这样的真实脉冲。
如果上述反射物将吸收部分声能，那么测试信号被削弱，在传播时间t之后所接收到的反射Dirac脉冲将在曲线之下具有小于原始脉冲的面B(B＜A)。
除了就此所描述的脉冲响应的理想化简单示例以外，还可以获得任意的复杂脉冲响应。例如，如果两个反射物位于相对于发送测试信号的位置的相互不同的距离处(与声传播时刻t1和t2相对应)，该脉冲响应将包括在时刻2*t1和2*t2处接收到的两个Dirac脉冲。声场景通常非常复杂，因此真实的脉冲响应将是在时间上变得更加密集的一连串脉冲，真实的脉冲响应该从早期反射开始，其在时间上随后到达的分量描述了例如混响。
如上所述，脉冲响应以Dirac脉冲的形式描述了延迟或回声。同样地，例如，可以由Dirac形状的脉冲之和来表示多个回声。为了逼真的空间仿真，与声音信号相混叠的脉冲响应通常是连续的，例如在时刻t0处剧烈上升然后渐渐消失的信号，该脉冲响应描述了多个反射，在随后时刻反射的信号的衰减更加严重。
在真实场景中，声音信号另外受到频率选择性衰减，例如来自地毯和墙面涂料的大声音信号比小声音信号的衰减更加严重。例如，为了处理这些环境，可以针对若干频率范围来使用并可视化不同的脉冲响应，或者脉冲响应的可视化必须包括时间和频率范围。
在本发明的另一个示例性实施例中，图形用户界面用于表示声源相对于声音再现系统的空间位置，以及用于对所产生的脉冲响应可视化，针对再现系统中的每个扬声器，该脉冲响应分别表示声音信号相对于再现扬声器的空间定向。
用户可以清楚地通过图形改变源相对于再现环境的位置，从点状声学信号源的已表示波前中自动获得各个扬声器的脉冲响应或者用于控制扬声器的参数。因此，录音师可以直观地产生需要用以控制声音再现系统的复杂参数。
基本方面在于：另外存在通过与用户界面的图形交互来直接改变脉冲响应的可能性，按照这种方式，此改变影响对直接表示的声源位置的感知。通过使用根据本发明的图形用户界面，可以有利地选择是想要基于物理现实来直接放置声源还是想要创造性地使用改变脉冲响应的可能性。在后一情形中，可以另外获得对如何以听众的感知来解释脉冲响应的手动改变的估计。因此，录音师可以在用于在视觉上处理声音的两种可能性之间进行选择，并遵循针对期望声音结果或者必须要实现的空间声音印象的最有利的方法。
在本发明的另一个示例性实施例中，根据本发明的图形用户界面用于表示脉冲响应，该脉冲响应包括关于所要仿真的空间的信息。显示装置表示关于在再现环境中也携带空间信息的空间方向上的固定点的脉冲响应。
因此，显示装置同时表示针对全部空间印象的所有相关数据(脉冲响应)，后者可可视化为环境中的三维图像。因此，用户具有同时接收关于空间声音印象的所有信息或者能够同时改变这些信息的优点，由此可以随时表示并估计修改的空间声音印象。
因此，可以直观地获得具有混响或期望衰减的声音印象以及其它信号操作，而无需手动地改变脉冲响应的底层参数，这个过程需要大量提取。
此外，图形表示允许独立于技术上的基本条件来执行设计过程。因此，通常离散地存储脉冲响应函数，即关联幅度值针对离散的时间段而存在。这在图形用户界面的直观使用期间必须考虑，因为相关参数是基于所显示的脉冲响应的图形改变而产生的。
另一个优点在于：可以很容易地增加系统的复杂度，而不会降低在参数增加情况下操做的直观性。
在本发明的另一个示例性实施例中，可以使用频率选择方式来表示或处理关于多个空间方向的脉冲响应。因此，例如，可以通过采用根据不同空间方向的频率的不同的衰减曲线来增加空间印象的逼真度，这在一方面增加了所实现的声音印象的真实性，而另一方面导致了参数产生的复杂度增加。然而，在直观表示中，可以预测所能够实现的声音体验(experience)，此外可以通过在针对自由选择的空间方向的预定频率处引入较高的人造衰减来创造性地改变声音体验。这些改变是立即可见的，并且可以在整个系统的上下文内可靠地预测对整个现象的影响。
在简单的示例中，可以将相同的参数用于描述所有空间方向的空间，该空间与散射混响相对应。依赖于方向(先前反射)的空间部分只能在后面应用。这导致针对每个空间方向的特定空间脉冲响应，可以根据空间方向的参数来立即识别并校正非期望偏差。
根据本发明的三维表示的另一个优点在于：可以通过简单扫描来容易地将每个方向上的频率选择性脉冲响应表示变换成矩阵表示，其进一步处理可以使用非常有效的方式来进行。
在本发明的另一个示例性实施例中，对给定数量的空间方向分别设定延迟时间，将该延迟时间表示为Dirac形状的脉冲响应。相对于以立体视图的再现环境中的固定点来表示后者。特别有利的是，允许相对于基准点来移动Dirac形状的脉冲响应的图形操作直接在视觉上反射出空间效果。事实上，与延迟相对应的Dirac形状的脉冲响应描述了对象的反射，脉冲响应相对于图形表示中的基准点的距离的增加与反射信号的传播时间的增加相对应。由于该图形表示直接与模拟的真实性相对应，例如因此可以使用最有效的方式来模拟再现环境所位于的空间。
这种简化类型的空间布置的具体优点是表示的高直观性以及在声音再现系统的控制过程中的相关的减少的错误概率。
在本发明的另一个示例性实施例中，针对具有信号发生器的声音再现系统来执行图形用户界面，该信号发生器产生针对位于不同空间位置处的多个扬声器的扬声器信号。高直观性以及该图形用户界面的灵活使用允许实时操纵信号源的再现，因此声音信号的声学可定向性(例如台上的歌手)与光学印象一致。在这种情况下，只需要根据本发明来调整图形用户界面内的移动声源，这无法依靠针对要控制的扬声器系统的参数的经典输入来执行。
附图说明
现在将参考附图，对本发明的优选示例性实施例进行详细描述，在附图中：
图1是用于说明用户图形界面的操作的方框图；
图2是用于固定并处理声源的位置的方框图；
图3a示出了用于处理参数的脉冲响应的图形用户界面的示例，该参数描述了声源的位置；
图3b示出了图形用户界面的另一个示例；
图4示出了空间声音印象加到声源；
图5示出了空间声音印象加到各个扬声器信号；
图6示出了用于显示并修改脉冲响应的图形用户界面；
图7示出了用于显示并修改频率选择性脉冲响应的图形用户界面；
图8示出了用于显示并修改针对不同空间方向的时间延迟的图形用户界面；以及
图9示出了用于使用图形用户界面来控制声音再现系统的系统。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的图形用户界面10的操作的方框图，图形用户界面10具有：显示装置12，用于以图形来显示脉冲响应；用于允许改变图形显示的装置14；用于接收改变的用户输入的装置16；以及用于检测修改后的脉冲响应的装置18。
显示装置12用图形表示针对用户所准备的脉冲响应，因此可以直观地解释并预测所表示的脉冲响应的改变的效果。
用于允许改变图形显示的装置14可以访问显示装置12以及显示装置12所可视化的数据。
为了允许改变脉冲响应，存在对由用于接收改变的用户输入的装置16所接收到的用户输入的需要，由此可以依靠例如计算机鼠标、触摸板、或来自虚拟现实的系统的交互和可视化技术来产生改变。
此时基于改变的用户输入，显示装置12可以用图形表示出改变的脉冲响应。
通过显示装置12和用于允许改变的装置14以及用于接收改变的用户输入的装置16之间的交互，来自用户输入的重现改变处理以及以下图形更新变成可能。这具有以下优点：可以使用图形表示或在声学上直接控制改变的用户输入的效果。因此，可以省略通过声音再现系统内的测试听觉来对改变和连续控制的显式执行，这大大有助于节约成本和时间。
用于检测修改后的脉冲响应的装置18，检测修改后的脉冲响应，并将其存储起来，例如用于进一步使用。有利地，可以将存储脉冲响应的可能性用于将已产生的脉冲响应重新用于其它投射，该脉冲响应描述了要仿真的特定空间。
应注意的是，可以设想不同的可能性来显像脉冲响应。最简单的可能性是根据其关于再现系统的中心的方向来排列脉冲响应。在所表示的合成“山脉”中，可以执行对脉冲响应的幅度演变(evolution)的频率无关的处理。以可视化方法为例，参考以下附图，在其中描述了以下四个可视化的变形：
-波场合成点状源
-脉冲响应时间表示
-脉冲响应时间-频率表示
-多拍延迟(multi-tap delay)
图2示意性地示出了如何可以基于图3a或图3b中所示的图形用户界面的可视化来依靠根据本发明的图形用户界面来确定声源的位置，或者改变现有位置以便实现期望的位置印象。
在定位步骤20中，首先通过图形表示来确定声源相对于再现环境的位置。
在第二步骤22中，图形用户界面通过图形来表示脉冲响应，该脉冲响应表示声源的位置，这可以由用户直接改变。
应注意的是，如下文中参考图3a或3b可知，两个源位置都发生变化，并且可以直接操纵所计算的脉冲响应的演变(evolution)。此外，这允许实现无法直接与“真实”的位置信息联系起来的创造性的声音效果。
图3a或3b示出了根据本发明的用于确定声源位置或用于改变表示声源的脉冲响应的图形用户界面的实施例。
示出了球形的点状声源30，以及与该点状源相对应的再现环境32和波前34。
球的位置描述了声源30在空间的位置。基于点状源30的位置，表示了波前34，波前34是由点状信号源的声音辐射产生的。例如，如果将点状源30移到空间中较为远离再现环境32的某一点上，则该波前34将变得更加平坦。
根据本发明，可以直接依靠两个指针36a和36b来改变波前的曲率。这直接影响到点状源30的感知位置，该位置由根据本发明的图形用户界面自动表示。
此外，图3a或图3b中的图形用户界面示出了延迟半径38，该延迟半径38用于避免基于波场合成的系统再现过程中的无关联条件，波前34的位置由该延迟半径确定。延迟半径38与波场合成系统所需要的基本延迟相对应，并且该基本延迟与扬声器和系统中心的最远距离相对应。由于基本延迟，可以将源任意地定位于扬声器系统/重构区域或再现环境32的内部和外部。
如图3a或3b所示，波前的位置由系统中心与声源30的位置之间的连接线与延迟半径的交叉点来定义。由于延迟半径38在实际上确定了所要保持的最小延迟周期，因此据此所确定的波前34的位置与消失延迟相同。通过使用根据本发明的图形用户界面，可以任意地定位声源，并且可以改变其波前或表示波前的脉冲响应。
关于传播延迟，应注意的是，根据声源与试听室之间的距离，真实的声场的延迟变成真实的信号传播时间。这是由声源位置和再现系统的中心之间的距离所确定的。由于这个传播时间限制了定位源的可能性，以及由于可以在例如音乐记录过程中改变时间关系，当建立虚构声学场景时，通常不需要这个传播时间。因此，可以消除声场合成系统中的延迟，这对于可靠的声音印象是必要的。将这个重要的附加参数表示为根据本发明的图形用户界面中的圆40，圆40在系统中心和声源30之间的连接线上的位置可视化了所设置的延迟。
在图3a或3b中所示的情况下，圆40直接位于延迟半径38的边缘上，所表示的传输时间具有其最低的可能值，这个值与波场合成系统中的基本延迟相对应。如果在将要再现真实的声音传播时间/延迟的情况下，圆40的位置将直接位于表示声源30的球体下，在这种情况下，自然可以另外地表示并调整所有的中间值。依靠根据本发明的图形用户界面，可以据此直观地调整并改变重要的延迟参数，这进一步增加了构造的自由度，此外增加了针对空间声音再现的设计操作的效率。
此外，根据本发明的图形用户界面具有以下优点：具有极其重要的灵活性，因此可以很容易增加另外的参数，例如圆40的表面可以描述散射声和直达声之间的关系，这可被听众理解为声源和收听位置之间的距离的另一个特征，由此例如可以通过移位圆40或改变其表面来实现对这个关系的修改。
根据虚声源S相对于各个扬声器位置L1..n的位置，声场系统算法计算针对所涉及的每个扬声器的脉冲响应IRL1..Ln(幅度，延迟)。如果我们认为这些脉冲响应在时间t处排成一行，则峰值将导致虚声源所输出的波前的扫描版本。在另一个图形处理步骤中(见图3a)，据此可以使用简化方式来表示该波前，并使用交互元素(element)来表示该波前。如果用户与这些元素交互，则波前的图形表示改变。在下一步骤中，可以将表示方面的改变提供给各个脉冲响应IRL1..Ln。
一般而言，通过图形用户界面，可以操纵脉冲响应，优选地该脉冲响应是针对每个单独扬声器所计算的，该扬声器将声音传送至再现体(reproduction volume)32。
在图3b所示的示例性实施例中，图形用户界面允许对脉冲响应的操纵，该脉冲响应是针对每个单独扬声器所计算的，该扬声器将声音传送至再现体32。脉冲响应的表示直接由图形用户界面的表示产生，为此作为示例示出了声源30与再现体32的边缘上的预期扬声器之间的连接线42。要计算的脉冲响应直接处于连接线42与波前34交叉的位置处的波前的形式给定。在图3a或3b中可以看出，针对每个单独的扬声器，将声源30的空间位置转换成时间延迟和幅度。该幅度直接从波前34的图形表示的高度而来，该时间延迟也由直线42与波前34的交叉点确定，直线42的剖面部分的长度对于时间延迟的确定是决定性的。
作为已描述的在图形用户界面中所实现的操纵的备选形式，很容易实现一系列其它备选场景。
因此，例如附图中的波前表示34受限于两个球或指针36a和36b。这些点上的波前的操纵最终影响合成所涉及的波场合成系统中的扬声器的时间延迟。例如，可以将所表示的波前34上的其它指针用于改变扬声器的幅度。因此，为避免边界效应，可以对加窗进行简单的调整，以及可以以最大幅度来定义该点。因此，这个点可以为声源提供频率无关但至少与强度相关的定向特性。
可以使用声源的响度的表示，例如描述声源的球30的大小。这里还示出了对直达声/散射声之比的上述操纵。如果直达声的音量与球30的大小相对应，例如较远的声源音量较小，因此与较小的球相对应。因此，通过这种表示，可以很容易地执行对声源的响度的距离相关的计算。
通过使用图3a或3b中的根据本发明的图形用户界面，可以据此直观地且以通常可读的方式来表示包含脉冲响应的数学函数，由此可以根据获得期望方向感的目的来操纵该脉冲响应。
当来自图3a或3b的图形用户界面的可能性与声源的定位相关时，为了确定用于再现声源位置的声音印象，将参考图4-8进行说明，根据本发明的图形用户界面还适用于可视化脉冲响应，以及允许提供与所要仿真的空间(例如大教堂)相对应的声音印象的改变。
为此，存在两种基本可能性，下面将参考图4和图5对此进行描述。
图4示出了首先在空间中布置声源的可能性(在定位步骤50中)，如参考图3a或3b所述。脉冲响应与针对每个声源的扬声器相关联。
由于该声源位于关于再现环境的预定空间位置处，当后者位于关于再现环境的空间方向上时，可以直接向声源提供空间声音印象，应针对该再现环境来仿真确定的空间声音印象。
按照这种方式，在空间仿真步骤52中，产生针对每个声源和空间方向的脉冲响应信号，在传送步骤54中，必须将该脉冲响应信号传送给再现系统和声源，以便在再现过程中实现期望的空间声音印象。
如图5所示，备选地，也可以先通过产生针对每个声源的扬声器的脉冲响应来确定声源的位置(在定位步骤60中)，该脉冲响应描述了位置。由于再现系统中所使用的扬声器还与固定空间方向相关联，还可以产生应该形成收听方向的空间印象，其中针对每个扬声器，还产生包含关于扬声器所位于的空间方向的信息的脉冲响应(空间仿真步骤62)。
在传送或存储步骤64中，声源必须将针对每个单独扬声器的位置脉冲响应和空间脉冲响应传送至声音再现系统。由于根据本发明的图形用户界面的灵活性，据此可以分别对每个声源或者一组声源(这些声源以相对于再现环境的相似空间方向进行排列，并且可以分组成表示多个离散空间方向)进行空间声音印象的联合，由此降低了再现过程中的必要计算能力。
根据本发明的图形用户界面的实施例如图6所示，其使用对脉冲响应的时间表示示出了对脉冲响应的操纵。
为此，将关于再现环境70的空间方向分成8个离散扇形区72a-72h。因此，依靠对脉冲响应的时间表示来获得针对扇形区72a-72h中的每一个的公共空间印象。为了可视化目的，将用于空间仿真的8个脉冲响应的包络转换成表面。以八边形的形状来排列这些表面，以便形成公共表面。该表面的高度与由扇形区72a-72h所定义的表面上的脉冲响应的幅度相对应。与再现环境70的中心的距离表示时间，为此恰好在脉冲响应的结束时所发生的事件距离再现环境70的较远处。
通过使用这种表示，可以根据空间方向在时间上表示空间脉冲响应的幅度演变。备选地，通过移动互动元素76a、b和c(这里作为示例进行表示)交互地发生变化。因此，可以马上检测到整个空间声音情况，以及根据期望行为来识别并消除偏差。
例如，对于现实空间而言，来自所有方向的混响时间通常几乎相同。然而，在图6所示的示例中，对于扇形区72h的混响时间减少，该时间可以很容易地由整个表面72的不对称性来识别，因此可以立即识别现实空间相对于均匀混响的差别。
图7描述了时间-频率再现中的空间脉冲响应的表示。示出了再现环境80和脉冲响应的8个时间-频率表示82a-82h，这8个表示与相对因再现环境80的8个离散空间方向相关联。
通过使用图7中的根据本发明的示例性实施例，通常可以可视化与其空间方向相关联的脉冲响应的时间和频率分量，并使得能够操纵这些分量。可视化的时间轴在表面上从再现环境80的中心开始延伸，因此位于较远距离处的点描述了稍后发生的事件。例如，可以基于交互元素86a-86c来改变以级联图的形式所表示脉冲响应的8个表面82a-82h。这里在脉冲响应的开始处所表示的示例中，作为示例所表示的交互元素86a-86c允许对给定时间处的幅度频率响应的操纵。在这里所表示的示例中，将低频布置在左边，高频布置在右边，可以根据以下来识别高低频：在空间仿真中低频具有较高幅度，比高频的消失时间段更长。例如，这里应该对这种复杂的关系进行直观的检测并改变，可以通过描述元素82a-82h来将该关系存储为矩阵形式。
此外，该表示的类型允许表示附加效果或者识别其效果，例如以这种表示，来自确定空间方向的强反射可视为相应的空间脉冲响应的表面上的正视图。
因此，通过同时观察时间和频率分量，可以看到所反射的频率部分。通过将交互元素86a-86c移向脉冲响应中的相应位置，可以在时间和频率上处理这种反射，因此使用有利且有效的方式来扫描并存储关于可视化所基于的大量参数。
图8示出了根据本发明的图形用户界面的另一个示例，其中各个空间方向上的脉冲响应包括离散峰值。示出了再现环境90、8个离散的空间方向92a-92i以及5个示例性Delta形状的脉冲响应94a-94e。
由于峰值或Delta形状的脉冲响应与声音信号的时间延迟相对应，因此可以建立依赖于方向的多拍延迟。波前94a-94e表示来自与相同多拍延迟相关联的空间方向的回波。它们与再现体中心的距离表示原始信号的重现时间。根据本发明，例如可以依靠球形交互元素96通过脉冲响应从或到系统中心的径向运动来影响重现位置。同时，可以由波前在垂直方向上的高度来影响重现幅度。
根据本发明的图形用户界面的高直观性的优点在这里尤其清楚，因为Delta形状的峰值的位置描述了回波的延迟时间，该回波在声学上相当于具有预定衰减的位于脉冲响应的位置处的反射墙。
根据本发明的图形用户界面的扩展变形也可以使用时间-频率来表示，以便另外给每个回波提供单独的频率分量。
图9描述了用于显像并处理空间声音效果的系统100，该系统包括信号处理部分102和可视化以及交互部分104。
根据本发明，该信号处理包括依靠数学混叠108来将输入音频信号106进行混叠，由此依靠可视化和交互部分104来确定混叠的脉冲响应，以便从后者中产生用于携带要仿真的空间的声音印象的音频信号110。可视化和交互部分104具有：显示装置，用于显示所计算的脉冲响应112；用于接收改变的用户输入的装置114；用于允许改变图形显示的装置116；以及用于检测改变的脉冲响应的装置118。用于接收改变的用户输入的装置114包括交互设备120以及用于转换交互的装置122。用于允许改变脉冲响应的图形显示的装置116包括：输出装置124，用于表示原始脉冲响应；以及图像计算单元126，用于可视化原始脉冲响应。
用于接收改变的用户输入的装置114和用于允许改变脉冲响应的图形显示的装置116基于描述脉冲响应的参数产生可视模型112，并由此包括关于要仿真的空间的信息。如果通过多次交互和可视化建立了适当的可视模型，则用于检测改变的脉冲响应的装置118提取可视化所基于的参数，并将其作为脉冲响应传输至信号处理102。
在本发明的优选示例性实施例中，该信号处理包括将N个输入信号与n个脉冲响应混叠，以获得n个输出信号。这里，例如N可以从当产生波场合成再现的Hall效果的8个信号变成当产生完整的波场时的非常大的数。如果同时产生多个效果或源，则最后必须把针对每种效果或每个源的输出信号都加到一起。
因此，依靠该系统的可视化和交互部分来产生需要用于信号处理的脉冲响应。可以根据脉冲响应产生声音相关的参数。应该对是涉及空间信号还是直达信号进行区别。
在空间信号的情况下，可以使用不同的方法。可以象在关于可视化的段落中所描述的那样将所获得的值用图形表示出来。可以依靠图形和合并的交互元素来修改并处理该参数，以获得新的脉冲响应。
在对直达声进行定位的情况下，也是从界面中获得参数。然而，通过应用波场合成算法，只能将这些参数转换成针对扬声器通道的脉冲响应。因此，这些参数处于更加抽象的水平。然而，这不会改变图9中的方框图的结构。
因此，依靠这个系统可以可视化并编辑从空间仿真到多拍延迟的所有空间声音效果。可以将这个概念用于所有传统多通道系统直到波场合成。它提供了针对空间声音效果的传统解决方案及其针对用于的直观可用性。
如所描述的示例性实施例所解释的，根据本发明的图形用户界面的实质优点在于使得复杂的数学参数变得直观地可访问。这允许产生或调整这些参数，由此特别地随时注视整个声音事件。在所描述的基于3D显像的示例性实施例中，特别有利的是，可以改变再现环境中的方向，由此从不同空间方向来访问该声音印象，因此甚至可以更好地预测所产生的声音印象。
在图1的表示中，尽管图形用户界面具有单独的离散功能块，只应将这种分离理解为示例，原则上对各个功能块的任意组合和分组都是可能的。因此，例如可以使用显而易见的方式来将显示装置1 2与用于允许改变图形显示的装置14相结合，对于所示出的示例性实施例中的部分同样如此，其中，已经将修改的可能性实现为显示的一部分，例如，以图3a或3b中的指针36a和36b的形式。
原则上，还可以使用除了示例性实施例中所示的那些以外的方法来设想用于接收改变的用户输入的装置。可以依靠鼠标、触摸屏、或可以移动屏幕上的指针的任何其它的事物来进行用户输入。还可以依靠键盘来表示离散改变步骤中的直接输入，例如以脉冲响应的离散表示，其中可以在预定时间段内将脉冲响应的值设置为离散级，例如，这可以依靠传统键盘很容易地实现的。
仅将波前或脉冲响应的表示以及操纵这些表示的可能性理解为示例，对脉冲响应函数的任何其它适当的表示也可以，以允许根据本发明来调整或产生空间印象。例如，考虑不同的空间方向时，可以设想表示公共脉冲响应函数，该公共脉冲响应函数以某些方式预定了对于所有空间方向都相同的空间基本特性。有利地，依靠方向的声音特性可以如下表示：针对每个空间方向，仅表示出关于公共脉冲函数的差别，以便容易地获得关于所考虑的空间方向在空间属性方面如何不同于整个声音图像(平均声音图像)的印象。
描述声源位置或空间印象的脉冲响应函数的处理顺序不是预定的。可以先将所有声源定位于空间中，然后产生空间印象，以及可以先定义要仿真的区域，以便将声源定位于空间中。
因此，针对用于控制声音再现系统的系统的处理步骤是不同的，该系统具有根据本发明的图形用户界面以及用于提供扬声器信号的信号发生器。一方面，可以通过与空间脉冲响应函数混叠来向预定空间方向上的每个声源提供空间信息，以便在进一步的步骤中分别针对每个扬声器进行与脉冲响应的混叠，该脉冲响应描述了声源相对于再现体的位置。
备选地，可以首先处理分别针对每个扬声器的声源，即通过将声音信号与描述声源位置的脉冲响应相混叠来产生各个扬声器信号，以便分别针对每个扬声器来执行进一步的混叠，从而产生了空间印象，按照关于再现环境的固定几何方向进行排列的扬声器与空间脉冲响应相混叠，该空间脉冲响应与要在扬声器的方向上仿真的空间印象相对应。
在示例性实施例中所表示的用于显像各个主要分量(诸如声源的位置或脉冲响应的形状)的图形元件的形状将被理解为优选示例性实施例，然而，当几何表示的类型关于形状而不同时，无论如何也要保证根据本发明的操作，根据应用，不同形状甚至具有功能特性，即描述了例如声源的不同属性。
可以连续且离散地实现对信号的处理，该信号是针对每个扬声器通过将声音信号与脉冲响应函数混叠来分别表示的，用于向声源提供由脉冲响应所描述的空间印象的备选数学方法也可以。
在上述所示的示例性实施例中，将用于产生空间印象的再现环境周围的空间分成8个离散的空间方向，由此可以分别针对每个空间方向来确定空间声音特性。这仅作为示例来理解，当然任意其它数量的空间方向也可以，原则上方向的数量没有上限，因此根据本发明可以很容易进一步改善总的声音印象。
根据环境，根据本发明的用于应用图形用户界面来使用声音再现系统的方法可以实现为硬件或软件。该实现可以发生在数字存储介质上，具体为具有电可读控制信号的盘或CD，该数字存储介质可以与可编程计算机系统合作，以便执行根据本发明的用于检查除芯操作(de-coring operation)是否成功的方法。通常地，本发明还包括具有存储于机器可读载体上的程序代码的计算机程序产品，当在计算机上执行该计算机程序产品时，该程序代码用于执行根据本发明的方法。换言之，本发明可以实现为具有程序代码的计算机程序，在计算机上执行该计算机程序时，该程序代码用于执行该方法。
Claims (22)
1.一种用于声音再现系统的图形用户界面(10)，所述声音再现系统形成为在再现环境(32；70；80；90)中产生空间声音印象，所述图形用户界面(10)包括：
显示装置(12)，用于以图形来显示脉冲响应(34；74；82a-82h；94a-94e)，所述脉冲响应(34；74；82a-82h；94a-94e)与所述再现环境(32；70；80；90)中的空间方向相关联；
用于允许用户改变所述脉冲响应(34；74；82a-82h；94a-94e)的图形显示的装置(14)；
用于接收改变的用户输入以便由所述显示装置(12)用图形来表示改变的脉冲响应的装置(16)；以及
用于检测改变的脉冲响应的装置(18)。
2.如权利要求1所述的图形用户界面，其中，所述显示装置(12)形成为将所述脉冲响应(74；82a-82h；94a-94e)表示为强度值的时间相关演变。
3.如权利要求2所述的图形用户界面，其中，所述显示装置(12)形成为表示所述脉冲响应(74；82a-82h；94a-94e)的时间相关演变，使得所述时间相关演变被分成离散的时间段，强度值与每个时间段相关联。
4.如前述任一权利要求所述的图形用户界面，其中，所述显示装置(12)形成为将所述脉冲响应(82a-82h)表示为频率的函数。
5.如权利要求4所述的图形用户界面，其中，所述显示装置(12)形成为表示所述脉冲响应(74；82a-82h；94a-94e)的频率演变，使得所述频率演变被分成离散的频率段，强度值与每个频率段相关联。
6.如前述任一权利要求所述的图形用户界面，其中，所述显示装置(12)形成为用图形将所述脉冲响应(82a-82h)表示为三维表示的时间函数和频率函数，所述函数值表示为二维表面以上的高度，所述二维表面的一边以时间为度量，紧接着第一边的第二边以频率为度量。
7.如前述任一权利要求所述的图形用户界面，其中，所述显示装置(12)形成为另外显示三维表示的再现环境(32；70；80；90)，在与所述脉冲响应(34；74；82a-82h；94a-94e)相关联的空间方向上表示关于所述再现环境(32；70；80；90)的所述脉冲响应(34；74；82a-82h；94a-94e)。
8.如前述任一权利要求所述的图形用户界面，其中，所述用于允许改变所述脉冲响应(34；74；82a-82h；94a-94e)的图形显示的装置(14)形成为允许在所述脉冲响应(34；74；82a-82h；94a-94e)的图形表示的任意点处改变所述脉冲响应(34；74；82a-82h；94a-94e)的图形表示。
9.如权利要求1到7中的任一权利要求所述的图形用户界面，其中，所述用于允许改变所述脉冲响应(34；74；82a-82h；94a-94e)的图形显示的装置(14)形成为允许在预定点处改变所述脉冲响应(34；74；82a-82h；94a-94e)的图形显示。
10.如权利要求1到8中的任一权利要求所述的图形用户界面，其中，所述用于允许改变所述脉冲响应(34；74；82a-82h；94a-94e)的图形显示的装置(14)形成为允许随着所述脉冲响应(94a-94e)的图形显示的改变而在时间上移动所述脉冲响应(94a-94e)。
11.如前述任一权利要求所述的图形用户界面，其中，所述用于接收改变的用户输入的装置(16)形成为接收计算机鼠标、触摸板、触摸屏、跟踪球或键盘的信号。
12.如前述任一权利要求所述的图形用户界面，其中，所述用于检测改变的脉冲响应的装置(18)形成为扫描用图形表示的改变的脉冲响应用于检测，以及将所扫描的值存储在存储器中。
13.如前述任一权利要求所述的图形用户界面，其中，所述显示装置(12)形成为用图形显示脉冲响应(74；82a-82h；94a-94e)，所述脉冲响应(74；82a-82h；94a-94e)包含关于要仿真的空间的信息。
14.如前述任一权利要求所述的图形用户界面，其中，所述显示装置(12)形成为用图形显示脉冲响应(34)，所述脉冲响应(34)包含关于声源(30)相对于再现环境(32)的位置。
15.一种用于声音再现系统的控制设备，所述声音再现系统形成为在再现环境中产生空间声音印象，所述控制设备包括：
显示装置(112)，用于以图形显示与所述再现环境的空间方向相关联的脉冲响应；
用于允许用户改变脉冲响应的图形显示的装置(116)；
用于接收改变的用户输入的装置以便由所述显示装置(112)用图形表示改变的脉冲响应(114)；
用于检测改变的脉冲响应的装置(118)，以及
信号发生器(102)，用于为放置于不同空间位置处的多个扬声器中的扬声器提供扬声器信号(110)。
16.如权利要求15所述的控制设备，其中，所述信号发生器(102)具有组合装置(108)，用于将至少一个声音信号(106)与改变的脉冲响应进行组合，以获得扬声器信号(110)，所述声音信号(106)旨在针对布置于与空间方向相对应的空间位置处的扬声器，所述空间方向与所述脉冲响应相关联，所述组合装置(108)形成为进行组合，使得所述扬声器信号(110)包含关于要仿真的空间的信息。
17.如权利要求15所述的控制设备，其中，所述信号发生器(102)具有组合装置(108)，用于将至少一个声音信号(106)与改变的脉冲响应进行组合，以获得扬声器信号(110)，所述组合装置(108)形成为进行组合，使得所述扬声器信号(110)包含关于与所述声音信号(106)相关联的声源的相对位置的信息。
18.如权利要求16或17之一所述的控制设备，其中，所述组合装置(108)形成为在组合过程中将所述声音信号(106)与所述改变的脉冲响应进行混叠。
19.一种用于应用图形用户界面来使用声音再现系统的方法，所述声音再现系统形成为在再现环境(32；70；80；90)中产生空间声音印象，所述方法包括：
用图形显示与所述再现环境(32；70；80；90)的空间方向相关联的脉冲响应(34；74；82a-82h；94a-94e)；
允许用户改变所述脉冲响应(34；74；82a-82h；94a-94e)的图形显示；
接收改变的用户输入，以表示改变的脉冲响应；以及
检测所述改变的脉冲响应。
20.一种用于控制声音再现系统的方法，所述声音再现系统形成为在再现环境(32；70；80；90)中产生空间声音印象，所述方法包括：
用图形显示与所述再现环境(32；70；80；90)的空间方向相关联的脉冲响应(34；74；82a-82h；94a-94e)；
允许用户改变所述脉冲响应(34；74；82a-82h；94a-94e)的图形显示；
接收改变的用户输入，以便用图形表示改变的脉冲响应；
检测所述改变的脉冲响应；以及
给多个扬声器提供扬声器信号，基于所述改变的脉冲响应来将所述多个扬声器放置在不同的空间方向上。
21.一种具有程序代码的计算机程序，当在计算机上执行所述计算机程序时，所述程序代码用于执行根据权利要求19所述的方法。
22.一种具有程序代码的计算机程序，当在计算机上执行所述计算机程序时，所述程序代码用于执行根据权利要求20所述的方法。
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