CN101422054B

CN101422054B - 声像定位装置

Info

Publication number: CN101422054B
Application number: CN2007800127227A
Authority: CN
Inventors: 伊藤元邦
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Corp of America
Priority date: 2006-03-13
Filing date: 2007-03-12
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2027-03-12
Also published as: US8135137B2; EP1995993A1; EP1995993B1; JPWO2007119330A1; JP4846790B2; WO2007119330A1; EP1995993A4; CN101422054A; US20090046865A1

Abstract

提供一种声像定位装置，可抑制声像定位信号的音量下降同时防止发生削波，并且不使声像定位信号中所包含的用于声像定位的分量劣化。该声像定位装置包括：频率分量分析单元(104)，进行从音源信号获得的频率分量的分析；频率分量分析单元(103)，进行从对应于目标位置的头部传递函数获得的频率分量的分析；频率分量比较校正单元(105)，比较已被分析过的从音源信号获得的频率分量和从头部传递函数获得的频率分量，根据特定的频带判断是否发生削波；以及声像定位处理单元(106)，在由频率分量比较校正单元(105)判定为发生削波的情况下，将与音源信号或头部传递函数的特定的频带对应的振幅分量受到抑制的声像定位信号输出到音响重放装置。

Description

声像定位装置

技术领域

本发明涉及使声像定位在三维空间的任意位置的声像定位装置。

背景技术

如图20所示，以往的声像定位装置包括：头部传递函数存储单元901，存储对使声像定位的每个位置生成的头部传递函数；头部传递函数选择单元902，基于用于使声像定位的目标位置信息选择头部传递函数；以及声像定位处理单元903，基于选择出的头部传递函数进行音源信号的滤波处理，将进行了声像定位处理的声像定位信号输出。

此外，在上述以往的声像定位装置中，所输入的音源信号使用基于所设定的目标位置信息的头部传递函数被卷积，作为进行过声像定位的声像定位信号被输出到头戴耳机(head phone)或扬声器等的音响重放装置。在声像定位信号被输出到音响重放装置时，如图21所示，在头部传递函数H(f)的振幅分量中所包含的峰(peak)(山)的频带超过0dB的情况下，有时在所输出的声像定位信号中产生被称为削波(clipping)的失真。

因此，如图22所示，在以往的声像定位装置中，使用头部传递函数，以降低全频带的增益，并且使作为峰(peak)的频带不超过0dB。此外，在另一个以往的声像定位装置中，使用被称为限幅器和压缩器的音量压缩方法，对声像定位信号进行不引起削波的处理。

另一方面，作为控制从扬声器等的音响重放装置输出的声音的音质的装置，已知通过随着音量增大而抑制音质调整的功能，从而能够防止在声音中发生削波的装置(例如，参照专利文献1)。

专利文献1：特开平07-059187号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，在上述声像定位装置中，有以下问题：在使用如图22所示的头部传递函数进行了声像定位处理，以使峰不超过0dB的情况下，所输出的声像定位信号的音量与所输入的原来的音源信号相比显著地变小。

此外，限幅器和压缩器等的方法是将信号在时间轴上非线性地进行操作的压缩方法，所以有以下问题：在所输出的信号的频率特性上也造成非线性的变化，使头部传递函数的振幅分量的峰(山)或谷(dip)(谷)的声像定位信号中所包含的用于声像定位的分量劣化。

此外，如专利文献1所示，在将抑制音质调整的功能的方法应用于声像定位装置的情况下，由于使头部传递函数的振幅分量的峰或谷变小，所以同样地存在使声像定位信号中所包含的用于声像定位的分量劣化的问题。

本发明为了解决以往的问题而完成，提供可在抑制声像定位信号的音量下降的同时防止发生削波，并且不使声像定位信号中所包含的用于声像定位的分量劣化的声像定位装置。

用于解决课题的方案

本发明的声像定位装置使用头部传递函数进行声像定位处理，它包括：频率分量比较校正单元，通过比较从音源信号获得的频率分量和从与目标位置对应的头部传递函数获得的频率分量，判断是否存在发生削波的频带，并在发生所述削波的情况下，校正所述音源信号的频率分量或所述头部传递函数的频率分量；以及声像定位处理单元，使用由所述频率分量比较校正单元校正后的音源信号和头部传递函数进行运算处理，输出声像定位信号，所述频率分量比较校正单元以所述头部传递函数的每个峰或谷为单位进行振幅分量的抑制处理。

根据该结构，在判定为发生削波的情况下，以头部传递函数的每个峰或谷为单位进行振幅分量的抑制处理，所以可在抑制声像定位信号的音量下降的同时防止发生削波，并且不使声像定位信号中所包含的用于声像定位的分量劣化。

此外，本发明的声像定位装置使用头部传递函数进行声像定位处理，它包括：声像定位处理单元，使用与目标位置对应的头部传递函数对音源信号进行运算处理，从而输出声像定位信号；以及频率分量校正单元，以所述声像定位信号判断是否存在发生削波的频带，并在发生所述削波的情况下，校正所述声像定位信号的频率分量，所述频率分量校正单元以所述头部传递函数的每个峰或谷为单位进行振幅分量的抑制处理。

根据该结构，在发生削波的情况下，以头部传递函数的每个峰或谷为单位进行振幅分量的抑制处理，所以可在抑制声像定位信号的音量下降的同时防止发生削波，并且不使声像定位信号中所包含的用于声像定位的分量劣化。

发明的效果

如上所述，本发明提供可在抑制声像定位信号的音量下降的同时防止发生削波，并且不使声像定位信号中所包含的用于声像定位的分量劣化的声像定位装置。

附图说明

图1是本发明第1实施方式的声像定位装置的方框图。

图2是表示进行音源信号和头部传递函数之间的比较分析的例子的图。

图3是表示进行音源信号和头部传递函数之间的比较分析的例子的图。

图4是表示进行头部传递函数的校正的例子的图。

图5是表示用于进行头部传递函数的校正的IIR滤波器的结构例子的图。

图6是表示用于进行头部传递函数的校正的IIR滤波器的结构例子的图。

图7是表示进行头部传递函数的校正的例子的图。

图8是表示用于进行头部传递函数的校正的IIR滤波器的结构例子的图。

图9是表示用于进行头部传递函数的校正的IIR滤波器的结构例子的图。

图10是表示用于进行头部传递函数的校正的IIR滤波器的结构例子的图。

图11是本发明第1实施方式的其他形态的声像定位装置的方框图。

图12是表示双二阶型IIR滤波器的结构例子的图。

图13是表示双二阶型IIR滤波器的结构例子的图。

图14是表示双二阶型IIR滤波器的结构例子的图。

图15是本发明第2实施方式的声像定位装置的方框图。

图16是表示本发明第2实施方式的削波判定的例子的图。

图17是表示本发明第2实施方式的削波判定的例子的图。

图18是本发明第2实施方式的第1其他形态的声像定位装置的方框图。

图19是本发明第2实施方式的第2其他形态的声像定位装置的方框图。

图20是以往的声像定位装置的方框图。

图21是表示在头部传递函数中有可能引起削波的频带的图。

图22是表示抑制发生削波的头部传递函数的例子的图。

标号说明

101 头部传递函数存储单元

102 头部传递函数选择单元

103 频率分量分析单元

104 频率分量分析单元

105 频率分量比较校正单元

106 声像定位处理单元

111 头部传递函数存储单元

112 头部传递函数选择单元

201 声像定位处理单元

202 频率分量分析单元

203 频率分量校正单元

211 声像定位处理单元

901 头部传递函数存储单元

902 头部传递函数选择单元

903 声像定位处理单元

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明实施方式的声像定位装置。

(本发明第1实施方式)

图1是本发明第1实施方式的声像定位装置的方框图。

图1所示的声像定位装置包括：头部传递函数存储单元101，存储对使声像定位的每个位置生成的头部传递函数；头部传递函数选择单元102，基于使声像定位的目标位置信息选择头部传递函数；频率分量分析单元103，进行头部传递函数的频率分量的分析；频率分量分析单元104，进行构成音源信号的频率分量的分析；频率分量比较校正单元105，判定已进行了声像定位处理的声像定位信号是否产生削波，并在发生削波的情况下，校正头部传递函数的频率分量；以及声像定位处理单元106，基于头部传递函数进行滤波处理，将已进行了声像定位处理的声像定位信号输出到未图示的头戴耳机或扬声器等的音响重放装置。

再有，头部传递函数存储单元101将对想要使声像定位的每个位置生成的头部传递函数作为FIR(Finite Impulse Response；有限脉冲响应)滤波器的系数预先存储。

这里，在所输入的音源信号使用头部传递函数存储单元101中所存储的头部传递函数被卷积时，与音源信号比较，具有不产生音量的下降的特性。即，该头部传递函数也可以是图21所示的峰的频带超过0dB的头部传递函数。

构成图1所示的声像定位装置的这些结构元素，可以由集成电路实现，如果声像定位装置是由CPU等的处理器驱动的声像定位装置，则这些结构元素可由程序的模块实现。

以下说明如上那样构成的本发明第1实施方式的声像定位装置的动作。

首先，在设定了目标位置信息时，头部传递函数选择单元102从头部传递函数存储单元101中，根据所设定的目标位置信息选择头部传递函数，并将选择出的头部传递函数输出到频率分量分析单元103。

此时，在不存在与目标位置对应的头部传递函数的情况下，例如，也可以基于接近的目标位置的头部传递函数，使用一般的插补处理等，生成与目标位置对应的头部传递函数。

接着，频率分量分析单元103将所输出的头部传递函数用傅立叶变换等方法变换为频率分量，并将变换后的频率分量输出到频率分量比较校正单元105。

另一方面，频率分量分析单元104使用傅立叶变换等方法，将输入的音源信号变换为频率分量，并将变换后的频率分量输出到频率分量比较校正单元105。

频率分量比较校正单元105通过将头部传递函数的频率分量和音源信号的频率分量进行比较，根据特定的频带而判定是否发生削波，并在发生削波的情况下，对头部传递函数的频率分量进行校正并将其输出到声像定位处理单元106。

作为具体的频率分量比较校正单元105的动作，如图2所示，将取得了归一化后的音源信号的频率分量的绝对值的振幅分量|S(f)|和将取得了头部传递函数的频率分量的绝对值的振幅分量的正负反转后的分量-|H(f)|进行比较。

例如，在整个频带中，在-|H(f)|>|S(f)|的情况下，即使原封不动进行卷积运算，也判定为未发生削波，不进行头部传递函数的校正而直接在声像定位处理单元106中被处理。

此外，如图3所示，在存在-|H(f)|<|S(f)|的频带的情况下，根据该频带而判定为发生削波，通过对该频带校正头部传递函数以使-|H(f)|>|S(f)|，并输出到声像定位处理单元106，从而可以抑制发生削波。

此时，不是仅校正-|H(f)|<|S(f)|的频带，而是如图4所示，以包含该频带的每个峰为单位，通过校正头部传递函数H(f)，以抑制相当于该差分部分的△L，从而可以不使声像定位的分量劣化。

作为校正的具体的例子，如图5所示，作为进行重放的方向的HRTF的辅助信息而预先准备峰的两端的频率fl、fu，或根据所提供的HRTF而自动地计算。然后，基于这些频率，构成IIR滤波器，并适用HRTF，以将发生削波的频率分量抑制△L。

或者，如图6所示，对进行重放的方向的每个HRTF预先准备峰的中心频率fc和带宽w，或者根据所提供的HRTF而自动地计算。然后，基于这些频率，构成IIR滤波器，以将发生削波的频率分量抑制△L，并适用HRTF。

而且，本发明人清楚地知道，在与头部传递函数的振幅分量中所呈现的峰对应的频带的两端部之中，即使通过抑制至少一方频带的振幅分量，也可使声像定位在目标位置(参照特愿2004-270316)。

因此，如图4所示，除了抑制头部传递函数H(f)的峰以外，例如，如图7所示，通过将与峰对应的频带的两端部之中至少一方的谷(谷)增强，或者进行校正以生成谷，即使将峰抑制，也可以不使声像定位信号中所包含的用于声像定位的分量劣化，而且可以抑制发生削波。

作为这种情况下的校正的具体的例子，如图8所示，将位于峰两端的谷的频率、或生成谷的频率设为fl、fu，作为进行重放的方向的HRTF的辅助信息而预先准备，或者根据所提供的HRTF而自动地计算。然后，基于这些频率，构成IIR滤波器，并适用HRTF，以将发生削波的频率分量抑制△L。

或者，如图9所示，以包含位于峰两端的谷或要生成的谷来对进行重放的方向的每个HRTF预先准备峰的中心频率fc和带宽w，或者根据所提供的HRTF而自动地计算。然后，基于这些频率，构成IIR滤波器，并适用HRTF，以将发生削波的频率分量抑制△L。

无论哪种情况，只要是峰两端的谷不能充分地增强的情况，或不能生成新的谷，则如图10所示，也可以对于该频带，追加IIR滤波器而构成。

声像定位处理单元106对于音源信号的频率分量和头部传递函数的频率分量，进行与时间轴的波形下的卷积运算相当的频率分量之间的相乘运算，使用傅立叶逆变换等方法，输出已变换为时间轴的波形的声像定位信号。

如以上说明，在本发明的第1实施方式中，通过比较音源信号和头部传递函数的频率分量，对于发生削波的频带和其周边频带，以每个峰或谷为单位来校正头部传递函数，从而进行声像定位处理，可以在抑制声像定位信号的音量下降的同时防止发生削波，并且不使声像定位信号中所包含的用于声像定位的分量劣化。

再有，在本发明的第1实施方式中，频率分量比较校正单元105通过校正头部传递函数，抑制了削波的发生，但即使校正音源信号，也可以获得同样的效果。

作为本发明第1实施方式的其他形态，取代图1中说明过的结构，如图11所示，在头部传递函数存储单元111中，不是存储FIR(Finite ImpulseResponse)滤波器的系数，而是预先存储已被使用傅立叶变换等方法变换为频率分量的头部传递函数，头部传递函数选择单元112根据输入的目标位置信息而选择并输出在头部传递函数存储单元111中所存储的头部传递函数。通过这样构成，可以省去图1中说明过的对头部传递函数进行频率分析的时间，以更少的运算量进行声像定位。

作为本发明第1实施方式的其他形态，首先，如图12所示，由多个IIR滤波器构成HRTF。再有，在图12中，示出了双二阶型(biquad)型IIR滤波器的例子，但也可以使用其他类型的IIR滤波器。

而且，在图1中说明过的结构中，头部传递函数存储单元101保存用于构成各个IIR(Infinite Impulse Response)滤波器的参数、即中心频率fc、电平L、清晰度Q，频率分量分析单元103对由头部传递函数选择单元102输出的头部传递函数进行频率分析。

与图2或图3同样，频率分量比较校正单元105比较从头部传递函数获得的频率分量和由音源信号获得的频率分量，在发生削波的情况下，如图13所示，对构成该峰的IIR滤波器的电平L进行校正，以使产生削波的频率分量被抑制△L。

此时，如图14所示，除了将构成该峰的IIR滤波器的电平进行抑制以外，也可以对IIR滤波器的电平(level)进行校正，以将位于该两端的谷增强，或者以追加方式来构成IIR滤波器，以生成新的谷。

声像定位处理单元106基于校正后的IIR滤波器的参数，对音源信号进行滤波处理，输出声像定位信号。

通过这样构成，与使用FIR滤波器的情况相比，可以用更少的运算量进行声像定位处理。

(本发明第2实施方式)

图15是本发明第2实施方式的声像定位装置的方框图。

图15所示的声像定位装置包括：头部传递函数存储单元101，存储对使声像定位的每个位置生成的头部传递函数；头部传递函数选择单元102，基于使声像定位的目标位置信息选择头部传递函数；声像定位处理单元201，对于所输入的音源信号，基于头部传递函数进行滤波处理，进行声像定位处理；频率分量分析单元202，对构成由声像定位处理单元201运算处理后的声像定位信号的频率分量进行分析；以及频率分量校正单元203，在声像定位信号中发生削波的情况下，校正频率分量。

再有，在构成本发明第2实施方式的声像定位装置的结构元素中，对与构成本发明第1实施方式的声像定位装置的结构元素相同的部分，附加相同的标号。

以下说明以上那样构成的本发明第2实施方式的声像定位装置的动作。

图15所示的声像定位处理单元201对输入的音源信号，使用由头部传递函数选择单元102输出的头部传递函数进行卷积运算，将运算处理后的声像定位信号作为输出信号输出到频率分量分析单元202。再有，由于必须使输出信号不引起削波，所以将输出信号的值的范围扩大地选取。例如，在声像定位处理单元201进行数字信号处理的情况下，作为一例，在其输出信号为16位以上时，将输出信号用16位以上的整数表示，或者用浮点等表示。

频率分量分析单元202将由声像定位处理单元201运算处理后的声像定位信号使用傅立叶变换等方法变换为频率分量并输出到频率分量校正单元203。

频率分量校正单元203根据特定的频带判定是否发生削波，并在判定为发生削波的情况下，与本发明第1实施方式中说明过的频率分量比较校正单元105同样，例如通过预先准备头部传递函数的峰两端的频率，或者自动地计算，以头部传递函数的每个峰或谷为单位进行声像定位信号的校正，使用傅立叶逆变换等方法，输出已变换为时间轴的波形的声像定位信号。

作为削波判定的具体的例子，如图16所示，在取得了声像定位信号的频率分量的绝对值的振幅分量|P(f)|在整个频带中没有超过0dB的情况下，判定为没有发生削波。

此外，如图17所示，在存在|P(f)|超过0dB的频带的情况下，根据该频带而判定为发生削波。

如以上说明，在本发明第2实施方式中，对于在音源信号中卷积了头部传递函数的信号，通过仅抑制与发生削波的频带和该周边频带对应的振幅分量来输出，可抑制声像定位信号的音量下降，也不发生削波，并且不使声像定位信号中所包含的用于声像定位的分量劣化。

如图18所示，作为本发明第2实施方式的其他形态，取代本发明第2实施方式中说明过的声像定位处理单元201和频率分量分析单元202，设置频率分量分析单元103、104和声像定位处理单元211，对于已变换为频率分量的音源信号和头部传递函数，进行与时间轴的波形下的卷积运算相当的频率分量的相乘运算。

而且，如图19所示，作为本发明第2实施方式的其他形态，取代图18所示的头部传递函数存储单元101、头部传递函数选择单元102和频率分量分析单元103，设置头部传递函数存储单元111和头部传递函数选择单元112，使用预先被变换为频率分量的头部传递函数进行声像定位处理。

再有，在上述各个实施方式中，在可以限定用于判定是否发生削波的频带的情况下，不需要在整个频带进行判定，即使只对于对应的频带进行判定，也可以获得同样的效果。

例如，如图21所示，在头部传递函数的增益没有超过0dB的频带中，由于没有引起削波的可能性，所以即使将用于判定是否发生削波的频带限定为头部传递函数的增益超过0dB的频带，也可以获得同样的效果，而且，还可以减少与声像定位有关的运算量。

此外，频率分量分析单元103将头部传递函数或音源信号变换为频率分量时的时间长度可以与所输入的音源信号的时间长度相同，时间长度也可以比其短。

此外，在同时使用以往的声像定位装置中所使用的限幅器和压缩器的情况下，在上述各个实施方式中，与发生削波的频带对应的振幅分量的抑制量也可以减少一些。这样的话，可以降低因限幅器和压缩器的处理所引起的频率分量的非线性的变化，可以不使声像定位信号中所包含的用于声像定位的分量劣化。

此外，根据Blauert(ブラウエルト)所著的‘空间音响’(鹿岛出版会)，可知在作为听觉现象之一的‘方向决定频带’和声像定位的线索之间有较深的关联。基于这种见解，在发生削波的峰没有与目标方向的方向决定频带一致的情况下，也可以改变处理的内容。

例如，在与目标方向的方向决定频带一致的情况下，由于该峰是用于声像定位的重要的分量，所以除了抑制峰以外，也可以将位于该两端部之中至少一方的谷(谷)增强，或者进行校正以生成谷。另一方面，在与目标方向的方向决定频带不一致的情况下，由于该峰不是用于声像定位的重要的分量，所以也可以进行仅抑制峰的校正。

以上说明了本发明第1和第2实施方式，而本发明的实施方式的声像定位装置由头部传递函数存储单元101存储头部传递函数作为频率分量的数据，所以省去用于进行头部传递函数的频率分析的处理，可以用更少的运算量实现声像定位。

而且，本发明实施方式的声像定位装置只对与头部传递函数的频率分量对应的振幅分量超过0dB等的规定的大小的频带判定是否发生削波，所以可以限定用于判定是否发生削波的频带，可以用更少的运算量实现声像定位。

工业上的可利用性

如上所述，本发明具有在抑制声像定位信号的音量下降的同时防止发生削波，并且不使声像定位信号中所包含的用于声像定位的分量劣化的效果，在进行声像定位处理的移动电话、声音重放装置、声音记录装置、信息终端装置、游戏机、会议装置、通信和广播系统等进行声音重放等的所有装置中是有用的。

Claims

1.一种声像定位装置，使用头部传递函数进行声像定位处理，其特征在于，包括：

频率分量比较校正单元，通过比较从音源信号获得的频率分量和从与目标位置对应的头部传递函数获得的频率分量，判断是否存在发生削波的频带，并在发生所述削波的情况下，校正所述音源信号的频率分量或所述头部传递函数的频率分量；以及

声像定位处理单元，使用由所述频率分量比较校正单元校正后的音源信号和头部传递函数进行运算处理，输出声像定位信号，

所述频率分量比较校正单元以所述头部传递函数的每个峰或谷为单位进行振幅分量的抑制处理。

2.如权利要求1所述的声像定位装置，其特征在于，

所述频率分量比较校正单元校正所述音源信号的频率分量或所述头部传递函数的频率分量，以在按峰单位抑制振幅分量的同时，在峰的周边频带形成新的谷。

3.如权利要求1或权利要求2所述的声像定位装置，其特征在于，

还包括：头部传递函数存储单元，将所述头部传递函数作为频率分量的数据来存储。

4.如权利要求1或权利要求2所述的声像定位装置，其特征在于，

仅对于所述头部传递函数的振幅分量超过0分贝的频带，判定是否发生所述削波。

5.如权利要求1或权利要求2所述的声像定位装置，其特征在于，

根据发生所述削波的频带是否为方向决定频带，变更振幅分量的抑制方法。

6.一种声像定位装置，使用头部传递函数进行声像定位处理，其特征在于，包括：

声像定位处理单元，使用与目标位置对应的头部传递函数对音源信号进行运算处理，从而输出声像定位信号；以及

频率分量校正单元，以所述声像定位信号判断是否存在发生削波的频带，并在发生所述削波的情况下，校正所述声像定位信号的频率分量，

所述频率分量校正单元以所述头部传递函数的每个峰或谷为单位进行振幅分量的抑制处理。

7.如权利要求6所述的声像定位装置，其特征在于，

所述频率分量校正单元校正所述声像定位信号的频率分量，以在按峰单位抑制振幅分量的同时，在峰的周边频带形成新的谷。