CN101981944A - 麦克风阵列的环绕声产生 - Google Patents

Abstract

分析来自麦克风阵列的各麦克风的信号。对于麦克风信号的至少一个子集，估计表征该子集中的信号之间的相对时间延迟的时间差。至少部分地基于估计的时间差，估计麦克风输入从一个或多个声源到达的方向。以关于一个或多个滤波器的至少一个滤波器传递函数，对麦克风信号进行滤波。第一传递函数分量具有与到达方向的第一空间定向有关的值，并且第二分量具有关于与第一空间定向大体正交的第二空间定向的值。第三滤波器函数可以具有固定值。基于滤波计算用于至少两个扩音器的驱动信号。

Description

麦克风阵列的环绕声产生

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2008年4月7日的美国专利临时申请No.61/042,875的优先权，通过引用将其完整结合在此。

技术领域

本发明涉及音频信号处理。更具体地，本发明的实施例涉及通过麦克风阵列产生环绕声。

背景技术

用于声音再现的声道典型地可以包括与特定源方向相关联的通道。单音(“单声”)声道可被使用单个扩音器再现。因此，单声道声音可被感知为源自扬声器相对于收听者放置的方向。立体声(“stereo”)使用至少两个通道和扩音器，并且因此可比单声道声音增加声场(sound stage)。

立体声可以在“左”和“右”两个通道的每个通道上包括不同的音频内容，每个通道可被感知为源自每个扬声器的方向。立体声(或单声)通道可与诸如电视、电影屏幕等的观看屏幕相关联。如此处使用的，术语“屏幕通道”可指的是被感知为源自屏幕方向的音频通道。可以在具有左右立体声屏幕通道的同时包括“中央”屏幕通道。

如此处使用的，术语“多通道音频”可以指通过为了在附加扬声器上再现而被记录的附加声道扩展声场或丰富音频回放。如此处使用的，术语“环绕声”可以指使用具有这样的声道的多通道音频，该声道关于该声道被感知到的方向或维度方面基本环绕(例如，包围、围绕)收听者或多个收听者的较大听众群体。

环绕声使用附加声道以扩展或丰富声场。除了左、右和中央屏幕通道之外，环绕声可以从可被定位在收听者“身后”的附加扬声器再现不同的音频内容。因此，环绕声通道的内容可被感知为源自“环绕”收听者，例如“在收听者四周”的来源。Dolby Digital^TM(也被称为AC-3)是公知的成功的环绕声应用。可以使用5个扩音器产生环绕声，这5个扩音器可以包括左、中、右3个屏幕通道以及可在与屏幕通道相关联的屏幕的视线之后的左环绕通道和右环绕通道。另外，单独的通道也可例如以较低的位速率用以再现低频效果(LFE)。

这个部分描述的方法可被实行，但是不必以前已被构想或实行。除非另外指出，否则不应当认为这个部分中描述的任何方法仅仅由于被包括在此处而被限定为是现有技术。类似地，除非另外指出，否则不应当基于这个部分认为关于一个或多个方法识别出的问题已经在任何现有技术中被认识到。

附图说明

在附图中以示例方式而不是以限制方式示出了本发明，并且在附图中类似附图标记指示类似元件，其中：

图1示出了可以实施本发明的实施例的示例性摄像记录器(摄像放像机)；

图2示出了具有另一个特征的示例性摄像放像机；

图3示出了在麦克风阵列中心处具有原点的相对彼此正交布置的轴线；

图4示出了一种示例性麦克风布置，本发明的实施例可以通过该布置起作用；

图5示出了一种示例性信号处理技术，可以通过该技术产生扩音器驱动信号；

图6示出了根据本发明的实施例的示例性信号处理技术，可以通过该技术产生扩音器驱动信号；

图7示出了根据本发明的实施例的示例性可变滤波器元件；

图8示出了根据本发明的实施例的示例性滤波器元件；

图9示出了根据本发明的实施例的示例性滤波器元件；

图10示出了根据本发明的实施例的具有变换后的麦克风信号的示例性滤波器；

图11示出了根据本发明的实施例的示例性信号处理器；

图12示出了根据本发明的实施例的可变滤波器；和

图13、图14、图15和图16示出了根据示例性实施例实现的滤波器的示例性脉冲响应。

具体实施方式

此处描述了关于通过麦克风阵列产生环绕声的示例性实施例。在下面的描述中，出于解释目的，阐述了若干具体的细节以便实现对本发明的透彻理解。然而很清楚，可以不使用这些具体细节实现本发明。在其它情况下，没有详尽地描述公知结构和设备，以便避免不必要地遮蔽、模糊或搅乱本发明。

概述

本发明的实施例涉及通过麦克风阵列产生环绕声。分析来自麦克风阵列的每个麦克风的信号。对于麦克风信号的至少一个子集，估计表征该子集中的信号之间的相对时间延迟的时间差。至少部分地基于估计的时间差估计麦克风输入从一个或多个声源到达的方向。以与一个或多个滤波器相关的至少一个滤波器传递函数对麦克风信号进行滤波。第一滤波器传递函数分量具有与到达方向的第一空间定向相关的值，并且第二分量具有关于与第一空间定向大体正交的空间定向的值。第三滤波器函数可以具有固定值。基于所述滤波，计算用于至少两个扩音器的驱动信号。

估计到达可以包括基于麦克风信号中的各信号之间的时间延迟差，确定与到达方向相关的到达矢量的主方向。到达矢量的主方向与该第一空间定向和第二空间定向有关。滤波器传递函数可以与关于一个或多个滤波器的脉冲响应有关。对麦克风信号进行滤波或计算扬声器驱动信号可以包括基于方向信号修改一个或多个滤波器的滤波器传递函数，以及基于修改后的滤波器传递函数将麦克风输入映射到一个或多个扩音器驱动信号。第一方向信号可以与相对于麦克风基本上具有前后方向的源有关。第二方向信号可以与相对于麦克风基本上具有左右方向的源有关。

对麦克风信号进行滤波或计算扬声器驱动信号可以包括对可具有固定传递函数值的第一滤波器的输出和可以具有相对于前后方向被修改的传递函数的第二滤波器的输出进行求和。第二滤波器输出被前后方向信号加权。对麦克风信号进行滤波或计算扬声器驱动信号还可以包括对第一滤波器的输出和可具有相对于左右方向被修改的传递函数的第三滤波器的输出求和。第三滤波器输出被左右方向信号加权。

对麦克风信号进行滤波可以包括第一滤波操作。麦克风信号可被修改。修改后的麦克风信号可例如通过相对于第一滤波步骤减少的一组可变滤波器被进一步滤波。因此，可以产生中间(例如，“第一”)输出信号。可对中间输出信号进行变换。可以至少部分地基于对中间输出变换来计算扩音器驱动信号。修改麦克风信号可以涉及通过基本线性的混合操作来混合麦克风信号。对中间输出信号进行变换可以涉及基本线性的混合操作。此处描述的方法(例如，处理、过程、算法等)可以与包括滤波的数字信号处理(DSP)有关。此处描述的方法可通过计算机系统平台执行，该计算机系统平台可以在计算机可读存储介质的控制下工作。此处描述的方法可通过电路或电子电路、集成电路(IC)、专用IC(ASIC)或微控制器、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)或另一种可编程或可配置IC执行。

示例实施例

图1示出了可用于实施本发明的实施例的示例性摄像记录器(摄像放像机)10。摄像放像机10具有例如布置在摄像放像机10的上表面上的麦克风阵列11。图2示出了具有覆盖与阵列11相关联的麦克风舱的透声栅格12的摄像放像机10。在阵列11的物理布置中，麦克风舱可以具有基本全方向的特性。一个实施例处理来自麦克风的信号，以便产生适合于在诸如5通道扬声器组的环绕声扬声器系统上回放的多通道环绕声记录。5通道环绕声扬声器系统可以大体符合国际电信同盟(ITU)的一个或多个标准或规范。术语“扬声器”和“扩音器”在此处可被互换地使用。摄像放像机10可以包括能够执行诸如滤波的DSP功能的计算机系统。可替换地或附加地，摄像放像机10可具有能够执行诸如滤波的DSP功能的IC组件。

一个实施例分析来自麦克风阵列11的信号(例如，麦克风信号)以估计各个麦克风信号之间的时间延迟差。时间延迟估计被用于估计到达方向估计。到达方向可被估计为大体彼此正交的一组方向分量，例如前后(X)和左右(Y)分量。可以通过应用一组滤波器从麦克风信号计算用于驱动扬声器的信号(例如，扬声器驱动信号)。在一个实施例中，该组中的每个滤波器具有这样的传递函数，即该传递函数包括与X成比例地改变的传递函数部分(例如，分量)和与Y成比例地改变的传递函数部分，并且还可以具有固定传递函数部分。可替换地，该组中的每个滤波器具有可作为X或Y的函数或作为X和Y两者的非线性函数非线性改变的传递函数。

一个实施例可以将多于一个的麦克风信号组合在一起以创建时间延迟估计。例如，可以实现这样的实施例，其中麦克风阵列11具有三个(3)舱。可以处理来自三个或更多麦克风舱的信号以得出X、Y到达方向矢量。来自三个或更多麦克风舱的信号可被以各种方式混合，以便得出二维(2D)坐标系统内的方向估计。

图3示出了在麦克风阵列11的中心处具有原点的相对于彼此正交布置的轴线。这些轴线布置在相对于麦克风阵列11大体水平的平面内。轴线X相对于麦克风阵列11具有前后方向定向。轴Y相对于麦克风阵列11具有左右方向定向。可以用方位角θ(thera)或以单位矢量(X，Y)描述达到麦克风阵列11的特定声音。下面的等式1和2可以描述单位矢量(X，Y)。

X²+Y²＝1        (等式1)

(X，Y＝(cos(θ)，sin(θ))        (等式2)

在以公式表示环绕输出信号时，一个实施例可以创建对应于公共的麦克风模式的中间信号，该公共的麦克风模式包括大体全方向的麦克风模式W、面向前的双极模式X和面向左的双极模式Y。可以参考下面的等式3A-3C，依据θ或(X，Y)描述这些中间信号的麦克风模式特性。

${\mathrm{Cain}}_W=1/\sqrt{2}$

Gain_X＝cos(θ)＝X

Gain_Y＝sin(θ)＝Y      (等式3A、3B、3C)

W、X和Y麦克风增益可以基本对应于一阶B形式麦克风模式。可以参考下面的等式4A-4B描述中间信号的二阶B形式麦克风模式。

Gain_X2＝cos(2θ)

Gain_Y2＝sin(2θ)        (等式4A、4B)

在某些情况下，麦克风阵列11所接收的音频信号可以包含从多个方向到达的声音。例如，到达麦克风阵列11的声音的一部分可以是漫射声。如此处使用的，术语“漫射声”可指的是基本从所有方向到达的声音，诸如背景噪声或混响。在麦克风信号不具有特定(例如，单个、隔离的、指定的)到达方向时，分析麦克风信号的音频特性可以得到具有单位量值的到达方向矢量(X，Y)。例如，分析对应于具有未指明的到达方向的声源的麦克风信号所得到的到达方向矢量可以具有小于1的量值。在没有主要到达方向(例如，在基本是漫射的声域(sound field)内)的情况下，到达方向矢量(X，Y)的量值可以近似为0。在实际上完全漫射的声域内，到达方向矢量的量值基本上等于0(例如，X＝0，Y＝0)。

图4示出了麦克风阵列11的示例布置，本发明的实施例可通过该布置起作用。麦克风阵列具有布置成基本上为菱形的图案的4个(4)全方向麦克风舱，前舱和后舱(F和B)间隔开距离2d，并且左舱和右舱(L和R)间隔开相同的距离2d。这些实施例很适合通过3个或更多个麦克风舱的其它布置起作用。可以处理来自F、B、L和R舱的麦克风信号以产生5个(5)扬声器驱动信号。如此处使用的，术语“扬声器信号”、“扩音器信号”、“扬声器驱动信号”和“扩音器驱动信号”可被互换地使用，并且可指的是响应于对麦克风信号的分析和/或处理(例如，滤波)而产生的、并且可以驱动一个或多个扩音器的信号。

图5示出了示例性信号处理技术50，可以采用该技术产生扩音器驱动信号。来自四个麦克风舱中的每一个的输入可通过一组20个(20)(例如，4×5)滤波器51以及5个加法器52被映射到用于驱动扬声器53L、53C、53R、53Ls和53Rs的5个(5)输出信号，每个滤波器具有传递函数H(m，s)。变量“m”指麦克风输入之一，并且变量“s”指扬声器信号之一。如此处使用的，例如，如涉及音频、听力学、声学、心理声学、声音记录和再现、信号处理、音频电子设备等领域的技术人员可以熟悉、认可和/或使用的，关于扩音器(例如，扬声器)或滤波器元件(例如，滤波器分量)的标识符‘L’、‘C’、‘R’、‘Ls’和‘Rs’可被分别用于描述相对方向定向“左”、“中”、“右”、“左环绕”和“右环绕”。麦克风阵列11的舱之间的间隔(d)(图4)相对于长声音波长可以是小的，它可以影响由低频声音得到的麦克风信号到扬声器驱动器输出信号的映射。

可以参考下面的等式5A-5E描述通过滤波器组51和加法器52执行的信号处理。

${\mathrm{Speaker}}_L=\underset{m\∈\mathrm{Mics}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Mic}}_m\⊗h_{m,L}$

${\mathrm{Speaker}}_C=\underset{m\∈\mathrm{Mics}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Mic}}_m\⊗h_{m,C}$

${\mathrm{Speaker}}_R=\underset{m\∈\mathrm{Mics}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Mic}}_m\⊗h_{m,R}$

${\mathrm{Speaker}}_{\mathrm{Ls}}=\underset{m\∈\mathrm{Mics}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Mic}}_m\⊗h_{m,\mathrm{Ls}}$

${\mathrm{Speaker}}_{\mathrm{Rs}}=\underset{m\∈\mathrm{Mics}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Mic}}_m\⊗h_{m,\mathrm{Rs}}$

(等式5A、5B、5C、5D、5E)

在上面的等式5A-5E和此处其它等式中，运算符

指示卷积，并且对于每个滤波器，表达式‘h_m，s’对应于将麦克风‘m’映射到扬声器‘s’的滤波器元件的脉冲响应‘h_m，s’。

图6示出了根据本发明的实施例的示例性信号处理技术60，可以通过该技术产生扩音器驱动信号。可变滤波器61包括一组20个(20)滤波器(例如，滤波器元件)，每个滤波器的传递函数涉及变量X和Y的函数(例如，作为X和Y的函数改变)。在一种实现中，可变滤波器61可以至少部分地或在概念上类似于滤波器51(图5)。延迟线路64给麦克风输入11L、11R、11F和11B增加延迟。增加的延迟的持续时间可以涉及(例如，补偿)可被通过群延迟估计模块66和67增加的延迟值。延迟线路64可以例如在阵列11的麦克风舱和可变滤波器61的输入之间与麦克风信号串联。

群延迟估计(GDE)模块66和67分别产生GDE输出信号X和Y。群延迟估计模块66和67的输出信号X和Y可以在范围(-1，...，+1)内。因此，GDE输出对(X，Y)可以对应于到达矢量的方向。对应于X和Y的值可以随时间平滑地改变。例如，可每个采样间隔更新X和Y值。可替换地或附加地，可以更不频繁(或更频繁)地更新X和Y值，诸如，每10ms(或另一个离散的或预先指定的时间值)进行一次更新。本发明的实施例适合以几乎任意的X和Y值更新频率高效地起作用。一个实施例可以使用更新的来自群延迟估计模块66和67的X和Y值，随时间的改变调整、调节或修改可变滤波器块61的特性、行为、滤波器函数、脉冲响应等。一个实施例还可以基本忽略可与X和Y值相关联的时变特性。

可变滤波器61可以如参考下面的等式6A-6E所述地起作用。

${\mathrm{Speaker}}_L=\underset{m\∈\mathrm{Mics}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Mic}}_m\⊗h_{m,L}(X,Y)$

${\mathrm{Speaker}}_C=\underset{m\∈\mathrm{Mics}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Mic}}_m\⊗h_{m,C}(X,Y)$

${\mathrm{Speaker}}_R=\underset{m\∈\mathrm{Mics}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Mic}}_m\⊗h_{m,R}(X,Y)$

${\mathrm{Speaker}}_{\mathrm{Ls}}=\underset{m\∈\mathrm{Mics}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Mic}}_m\⊗h_{m,\mathrm{Ls}}(X,Y)$

${\mathrm{Speaker}}_{\mathrm{Rs}}=\underset{m\∈\mathrm{Mics}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Mic}}_m\⊗h_{m,\mathrm{Rs}}(X,Y)$

(等式6A、6B、6C、6D、6E)

滤波器61的配置或功能可以类似于滤波器51(图5)的配置和功能，因此，等式6A-6E可以至少部分地类似于等式5A-5E。然而，可变滤波器61的脉冲响应h是与到达方向矢量的分量有关的X和Y的函数。因此，滤波器61的滤波器响应h_m，s(X，Y)描述了用于从麦克风m到扬声器s的映射的脉冲响应，其中脉冲响应可以作为X和Y两者的函数改变。

在一个实施例中，可变滤波器61的滤波器响应可例如根据下面的等式7被描述为X和Y的一阶函数。

$h_{m,s}(X,Y)=h_{m,s}^{\mathrm{FIxed}}+X\×h_{m,s}^X+Y\×h_{m,s}^Y$ (等式7)

表达式h^Fixed、h^X和h^Y描述了可被组合在一起以形成滤波器61的可变脉冲响应的分量脉冲响应。基于可变脉冲响应的这个一阶形式，等式6A-6E可被基本上重写为下面的等式8A-8E。

${\mathrm{Speaker}}_L=\underset{m\∈\mathrm{Mics}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Mic}}_m\⊗h_{m,L}^{\mathrm{Fixed}}+X\×\underset{m\∈\mathrm{Mics}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Mic}}_m\⊗h_{m,L}^X+Y\×\underset{m\∈\mathrm{Mics}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Mic}}_m\⊗h_{m,L}^Y$

${\mathrm{Speaker}}_C=\underset{m\∈\mathrm{Mics}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Mic}}_m\⊗h_{m,C}^{\mathrm{Fixed}}+X\×\underset{m\∈\mathrm{Mics}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Mic}}_m\⊗h_{m,C}^X+Y\×\underset{m\∈\mathrm{Mics}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Mic}}_m\⊗h_{m,C}^Y$

${\mathrm{Speaker}}_R=\underset{m\∈\mathrm{Mics}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Mic}}_m\⊗h_{m,R}^{\mathrm{Fixed}}+X\×\underset{m\∈\mathrm{Mics}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Mic}}_m\⊗h_{m,R}^X+Y\×\underset{m\∈\mathrm{Mics}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Mic}}_m\⊗h_{m,R}^Y$

${\mathrm{Speaker}}_{\mathrm{Ls}}=\underset{m\∈\mathrm{Mics}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Mic}}_m\⊗h_{m,\mathrm{Ls}}^{\mathrm{Fixed}}+X\×\underset{m\∈\mathrm{Mics}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Mic}}_m\⊗h_{m,\mathrm{Ls}}^X+Y\×\underset{m\∈\mathrm{Mics}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Mic}}_m\⊗h_{m,\mathrm{Ls}}^Y$

${\mathrm{Speaker}}_{\mathrm{Rs}}=\underset{m\∈\mathrm{Mics}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Mic}}_m\⊗h_{m,\mathrm{Rs}}^{\mathrm{Fixed}}+X\×\underset{m\∈\mathrm{Mics}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Mic}}_m\⊗h_{m,\mathrm{Rs}}^X+Y\×\underset{m\∈\mathrm{Mics}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Mic}}_m\⊗h_{m,\mathrm{Rs}}^Y$

(等式8A、8B、8C、8D、8E)

实施例可以用一种或多种方式将可变滤波器61实现为一阶可变滤波器组。例如，可以不时地从群延迟估计模块66和67获得X和Y的新值。在更新值X和Y之后，可以根据上面的等式7重新计算与到达方向相关的可变滤波器61的脉冲响应h_m，s(X，Y)。因此，实施例可以在可变滤波器61的20个滤波器元件上处理来自麦克风阵列11的舱的4个麦克风输入信号，以产生用于驱动扬声器53的5个扬声器输出信号。

图7示出了根据本发明的实施例的示例性可变滤波器元件70。滤波器元件70可以是滤波器(例如，滤波器组)61(图6)的一个组分，滤波器61还可以包括在功能或结构上可以与滤波器元件70类似的其它19个滤波器元件。来自滤波器元件70和两个或更多其它滤波器元件的输出可被求和以得到用于驱动扬声器(例如，滤波器53)的输出信号。可变滤波器61可被实现为具有附加的固定滤波器。

图8示出了根据本发明的实施例的示例性滤波器元件80。滤波器元件80可以具有固定脉冲响应分量h^fixed、与X的值有关的脉冲响应分量h^X以及与Y的值有关的脉冲响应分量h^Y。例如在滤波器元件80的处理之前，滤波器元件80的一个或多个麦克风输入信号可以根据对应于X或Y的值被乘法器88和89预先缩放。

图9示出了根据本发明的实施例的示例性滤波器元件90。滤波器元件90可以具有固定脉冲响应分量h^fixed、与X的值有关的脉冲响应分量h^X以及与Y的值有关的脉冲响应分量h^Y。例如在滤波器元件80上的处理之后、在加法器72处被求和以得到用于驱动扬声器s 53的输出之前，滤波器元件80的一个或多个输出可根据对应于X或Y的值被乘法器88和89后缩放。

一个实施例可以对4个麦克风输入实施与如参考图8或9所述的预先缩放或后缩放有关的信号处理，以通过60个滤波器元件(例如，不同的脉冲值)产生5个扬声器驱动输出。另一个实施例可以对4个麦克风输入实施与参考图8或9所述的预先缩放或后缩放有关的信号处理，以便通过少得多的滤波器元件产生5个扬声器驱动输出。例如，可以使用更少的麦克风输入，或可以使用可以表征中间输出信号的特性的对称性，以通过少得多的滤波器元件产生5个扬声器驱动输出。

来自阵列11的各舱F、B 、L和R的4个麦克风信号可根据下面的等式9被变换为3个变换后的麦克风信号。

MicFBLR ＝Mic_F+Mic_B+Mic_L+Mic_R

MicFB＝Mic_F-Mic_B

MicLR＝Mic_L-Mic_R    (等式9)

此得到的3个变换后的麦克风信号的简化集合包含足以允许可变滤波器61近似与处理4个原始麦克风信号时一样有效地起作用的信息。因此，可以简化可变滤波器61。例如，将4个麦克风信号变换为3个麦克风信号允许通过15个滤波器元件实现可变滤波器61，这节省了与可变滤波器61相关联的计算资源。

图10示出了根据本发明的实施例的具有变换后的麦克风信号的示例性滤波器61。对应于麦克风阵列11的舱F、B、L和R的4个输入信号通过麦克风混合器101被变换为3个变换后的麦克风信号Mic_FBLR、Mic_FB和Mic_LR。群延迟估计模块66和67可以在麦克风混合器101“上游”从4个麦克风信号F、B、L和R采样群延迟。3个变换后的麦克风信号FBLR、FB和LR通过延迟线路64给可变滤波器61提供输入，延迟线路64可以串联在麦克风混合器101和可变滤波器61之间。在可替换实施例中，群延迟估计模块可以适合于通过获取来自麦克风混合器101的输出的变换后的麦克风信号操作。

一个实施例可以使用中间输出信号的对称特性，通过少得多的滤波器元件产生5个扬声器驱动输出。例如，可以产生中间信号Speaker_W、Speaker_X、Speaker_Y、Speaker_X2和Speaker_Y2。中间信号Speaker_W、Speaker_X、Speaker_Y、Speaker_X2和Speaker_Y2可以包括声域的二阶B形式表示。根据中间信号Speaker_W、Speaker_X、Speaker_Y、Speaker_X2和Speaker_Y2，可以通过诸如以下面的等式10描述的简单线性映射计算“最终”扬声器驱动器输出。

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{Speaker}}_L\\ {\mathrm{Speaker}}_C\\ {\mathrm{Speaker}}_R\\ {\mathrm{Speaker}}_{\mathrm{Ls}}\\ {\mathrm{Speaker}}_{\mathrm{Rs}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}0.2828& 0.1138& 0.3503& -0.2330& 0.1693\\ 0.2828& 0.3684& 0& 0.2880& 0\\ 0.2828& 0.1138& -0.3503& -0.2330& -0.1693\\ 0.2828& -0.2980& 0.2165& 0.0890& -0.2739\\ 0.2828& -0.2980& -0.2165& 0.0890& 0.2739\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{\mathrm{Speaker}}_W\\ {\mathrm{Speaker}}_X\\ {\mathrm{Speaker}}_Y\\ {\mathrm{Speaker}}_{X2}\\ {\mathrm{Speaker}}_{Y2}\end{array}\right]$

(等式10)

等式10描述5×5矩阵，它是一个实施例的二阶B形式解码器的例子。在其它实施例中可以使用一个或多个其它矩阵。

图11示出了根据本发明的实施例的示例性信号处理器110。信号处理器110具有解码器112，该解码器可以根据上面的等式10在可变滤波器61的“下游”工作，并且提供扬声器53的驱动器信号输出。

在信号处理器110中，可变滤波器61接收通过延迟线路64来自麦克风混合器101的3个中间输入，以及来自群延迟估计模块66和67的两个群延迟估计输入X和Y。可变滤波器61产生5个输出，解码器112处理这些输出以便驱动扩音器53。可变滤波器61包括15个可变滤波器元件，它们中的每一个可以作为X和Y的函数改变。通过诸如上面分别参考图8和图9描述的预先缩放或后缩放实现滤波器组61使用45个滤波器，其中使用3个固定滤波器实现每个可变滤波器。实际上，这45个滤波器中的大部分可被在各种应用中排除，并且因此可被忽略。例如，一个实施例可以使用45个滤波器元件中的9个，它们可被用下面等式11中描述的脉冲响应实现。

${\mathrm{Filter}}_A=h_{\mathrm{LRFB},W}^{\mathrm{Fixed}}$

${\mathrm{Filter}}_B=h_{\mathrm{LRFB},X}^X=h_{\mathrm{LRFB},Y}^Y$

${\mathrm{Filter}}_C=h_{\mathrm{FB},X}^{\mathrm{Fixed}}=h_{\mathrm{LR},Y}^{\mathrm{Fired}}=h_{\mathrm{FB},Y2}^Y=h_{\mathrm{FB},Y2}^X$

${\mathrm{Filter}}_D=h_{\mathrm{FB},X2}^X=-h_{\mathrm{LR},X2}^Y$ (等式11)

在等式11中，滤波器元件

表示从L+R+F+B麦克风输入映射到Speaker_W中间输出信号的固定分量，并且

表示从F-B麦克风输入映射到Speaker_X2中间输出信号的X变量分量。应当理解，虽然(例如，总共45个元件中的)9个滤波器元件是非零的，但是它们可被以4个脉冲响应Filter_A、Filter_B、Filter_C和Filter_D的集合表示或表征。因此，一个实施例允许以减少的滤波器元件的集合实现可变滤波器61。

图12示出了根据本发明的实施例的可变滤波器1261。滤波器1261可通过以脉冲响应Filter_A、Filter_B、Filter_C1、Filter_C2和Filter_D为特征的5个滤波器元件实现。Filter_C1和Filter_C2中的每一个具有可被以上面等式11中的表达式“Filter_C”描述的脉冲响应。分别通过乘法器121、122以及群延迟估计X和Y对变换后的麦克风信号FB和LR执行的缩放被在加法器120中混合(例如，相减)，以便形成滤波器元件Filter_D的输入。通过乘法器124对滤波器元件Filter_B、Filter_C1、Filter_C2和Filter_D的输出执行的缩放被通过加法器125混合，以便产生用于中间信号53中的4个的驱动器信号。可以从滤波器元件Filter_A的输出取得中间信号Speaker_W。因此，一个实施例可以使用B形式中间信号(Speaker_W、Speaker_X、Speaker_Y、Speaker_X2和Speaker_Y2)和/或重新混合的麦克风信号(Mic_FBLR、Mic_FB和Mic_LR)的对称属性。

一个实施例可以使用用于执行群延迟估计的一个或多个方法。例如，可以配置或实现群延迟估计模块66和67(图6、10、11)以产生两个麦克风输入信号之间的时间偏移量的运行中(running)估计(例如，被周期地更新、时时地更新等)。例如，可以通过确定麦克风信号Mic_F和Mic_B之间的时间偏移量，产生估计的到达方向矢量的X分量。对于从前面入射到麦克风阵列11的声学信号，X的值可能接近一(1)，这是由于到达方向单位矢量应沿着X轴线指向或接近在X轴线上。当X＝1时，可以预计Mic_B信号可以基本包括Mic_F信号的延时副本或实例，这是由于两个麦克风舱可以基本上是全方向的，并且因此以不同的时间延迟接收基本上相同或接近相同的信号。

一个实施例连续地更新对两个音频信号之间的相对时间偏移量的估计。例如，在到达麦克风阵列11的声学信号包括来自方位角θ的有效分量的情况下，Mic_B信号可近似于Mic_F信号，但是具有以下面的等式12描述的附加时间延迟。

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{FB}}=\frac{2d}{c}\cos \mathrm{\θ}$ (等式12)

在等式12中，前后麦克风舱之间的物理距离被以表达式2d(例如，图4)表示，并且c是声音在空气(例如，标准温度和压力的干燥空气)中的速度。对于θ的某些角度，时间差可能是负的。例如，声音可以从麦克风阵列11的后面(例如，到阵列的背面)到达阵列。因此，Mic_B信号可能超前于Mic_F信号。

一个实施例估计“相对群延迟”X。相对群延迟X包括被乘以因子c/2d的实际群延迟的估计。因此，相对群延迟X可以基本估计cosθ。一个实施例可以实现以对相对群延迟X的初始(例如，起始)估计开始的群延迟估计。然后，可以对两个信号MicF和MicB执行带通滤波。带通滤波可以包括例如在1,000赫兹(hz)的高通滤波以及例如，在8,000赫兹的低通滤波。然后可以对带通滤波后的MicB信号进行相移，例如90度相移。然后，带通滤波后的、相移后的MicB信号可被延迟等于Delay＝-2Xd/c的量。

然后，可以确定带通滤波后的、相移后的、延迟后的MicB信号和经带通滤波的MicF信号之间的相关性级别。确定带通滤波后的、相移后的、延迟后的MicB信号和经带通滤波的MicF信号之间的相关性级别可以包括将这两个信号的样本相乘以产生相关性值。可以根据下面的等式13使用该相关性值计算相对群延迟的新的估计。

$X^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{clip}(X+\mathrm{\&delta;})& \mathrm{correlation}>0\\ \mathrm{clip}\left(X\right)& \mathrm{correlation}=0\\ \mathrm{clip}(X-\mathrm{\&delta;})& \mathrm{correlation}<0\end{array}\right\}$ (等式13)

可以周期地重复群延迟估计。因此，相对群延迟估计X可以随时间改变，这允许实施例形成cosθ的时变估计。可以选择更新常数δ以提供X的迭代更新的适当收敛速率。例如，小的δ值可以允许信号X作为时间的函数平滑地改变。在一个实施例中，δ可以近似或等于0.001。δ可以使用其它值。

当经90度相移的信号和无相移信号保持时间对齐时，经90度相移的信号可以与无相移信号不相关。因此，如下这样的实施例可以起作用，在该实施例中，相移信号和无相移信号之间的相关度指示这些信号不是时间对齐的。另外，相关性的符号(正或负)可以指示信号之间的时间延迟偏移量是正还是负。因此，一个实施例使用相关性的符号来调整相对群延迟估计X。

再次参考图4，由于F和B麦克风舱沿着X轴(例如，如图3中所述)相对于彼此位移，可以由F和B麦克风信号之间的时间延迟估计形成到达方向的X分量的估计。一个实施例可以使用多于两个的麦克风信号以形成群延迟估计。例如，在没有单个麦克风被定向在所希望的分量的方向上的情况下，多于两个的麦克风信号可以形成群延迟估计。

可以用其中舱被以距离d＝7mm(7毫米)间隔开的麦克风阵列11实现一个实施例。可以采用对以48kHz的速率采样的音频信号进行操作的数字信号处理(DSP)执行信号处理。在示例性实施例中，滤波器Filter_A、Filter_B、Filter_C和Filter_D可被实现为23阶有限脉冲响应(FIR)滤波器。图13、图14、图15和图16示出了根据示例性实施例实现的FIR滤波器的示例性脉冲响应。

列举的示例实施例

因此，本发明的示例实施例可以涉及下面列举的描述中的一个或多个：

1.一种方法，包括步骤：

分析来自麦克风阵列的各麦克风的信号；

对于麦克风信号的至少一个子集，估计表征该子集中的信号之间的相对时间延迟的时间差；

至少部分地基于估计的时间差，估计麦克风输入从与麦克风信号有关的一个或多个声源到达各麦克风的方向；

以与一个或多个滤波器相关的至少一个滤波器传递函数对麦克风信号进行滤波；

其中该滤波器传递函数包括以下分量中的一个或多个：

第一传递函数分量，其具有关于与声源的方向有关的第一空间定向的值；和

第二传递函数分量，其具有关于与声源的方向有关的第二空间定向的值；

其中第二空间定向与第一空间定向大体正交；以及

基于滤波步骤，计算用于驱动至少两个扩音器的信号。

2.如列举的示例实施例1所述的方法，其中该滤波器传递函数还包括具有基本固定的值的第三传递函数分量。

3.如列举的示例实施例1所述的方法，其中估计麦克风输入从一个或多个声源到达各麦克风的方向的步骤包括：

基于各麦克风信号之间的时间延迟差，确定与到达方向相关的到达矢量的主方向；

其中到达矢量的主方向与第一空间定向和第二空间定向有关。

4.如列举的示例实施例3所述的方法，其中滤波器传递函数与一个或多个滤波器相关的脉冲响应有关。

5.如列举的示例实施例3所述的方法，其中滤波步骤或计算步骤中的一个或多个包括步骤：

基于方向信号修改一个或多个滤波器的滤波器传递函数；和

基于修改后的滤波器传递函数，将麦克风输入映射到扩音器驱动信号中的一个或多个。

6.如列举的示例实施例5所述的方法，其中方向信号中的第一方向信号涉及相对于麦克风具有基本上前后方向的源；和

其中方向信号中的第二方向信号涉及相对于麦克风具有基本上左右方向的源。

7.如列举的示例实施例6所述的方法，其中滤波步骤或计算步骤中的一个或多个包括步骤：

对具有固定传递函数值的第一滤波器的输出和第二滤波器的输出求和；

其中第二滤波器的传递函数被选择为对应于关于前后信号方向的修改；和

其中第二滤波器的输出被前后方向信号加权；以及

还对第一滤波器的输出和第三滤波器的输出进行求和；

其中第三滤波器的传递函数被选择为对应于关于左右方向的修改；和

其中第三滤波器的输出被左右方向信号加权。

8.如列举的示例实施例1所述的方法，其中滤波步骤包括第一滤波步骤，该方法还包括步骤：

修改麦克风信号；

通过第二滤波步骤对修改后的麦克风信号进行滤波；

其中第二滤波步骤包括相对于第一滤波步骤减少的可变滤波器的集合；

基于第二滤波步骤产生一个或多个第一输出信号；以及

对第一输出信号进行变换；

其中扩音器驱动信号包括第二输出信号；和

其中计算扩音器驱动信号的步骤至少部分地基于该变换步骤。

9.如列举的示例实施例8所述的方法，其中修改步骤包括通过大体线性的混合操作混合麦克风信号的步骤。

10.如列举的示例实施例9所述的方法，其中变换步骤包括通过大体线性的混合操作混合第一输出信号的步骤。

11.一种系统，包括：

用于分析来自麦克风阵列的各麦克风的信号的装置；

用于对于麦克风信号的至少一个子集，估计表征该子集中的信号之间的相对时间延迟的时间差的装置；

用于至少部分地基于估计的时间差，估计麦克风输入从与麦克风信号有关的一个或多个声源到达各麦克风的方向的装置；

用于以与一个或多个滤波器相关的至少一个滤波器传递函数对麦克风信号进行滤波的装置，该一个或多个滤波器与该滤波装置相关联；

其中该滤波器传递函数包括以下分量中的一个或多个：

第一传递函数分量，其具有关于与声源的方向有关的第一空间定向的值；和

第二传递函数分量，其具有关于与声源的方向有关的第二空间定向的值；

其中第二空间定向与第一空间定向大体正交；以及

用于基于滤波装置的功能计算用于驱动至少两个扩音器的信号的装置。

12.如列举的示例实施例11所述的系统，其中该滤波器传递函数还包括具有基本固定的值的第三传递函数分量。

13.如列举的示例实施例11所述的系统，其中用于估计麦克风输入从一个或多个声源到达各麦克风的方向的装置包括：

用于基于各麦克风信号之间的时间延迟差，确定与到达方向相关的到达矢量的主方向的装置；

其中到达矢量的主方向与第一空间定向和第二空间定向有关。

14.如列举的示例实施例13所述的系统，其中滤波器传递函数与一个或多个滤波器相关的脉冲响应有关。

15.如列举的示例实施例13所述的系统，其中滤波装置或计算装置中的一个或多个包括：

用于基于方向信号修改一个或多个滤波器的滤波器传递函数的装置；和

用于基于修改后的滤波器传递函数，将麦克风输入映射到扩音器驱动信号中的一个或多个的装置。

16.如列举的示例实施例15所述的系统，其中方向信号中的第一方向信号涉及相对于麦克风具有基本上前后方向的源；和

其中方向信号中的第二方向信号涉及相对于麦克风具有基本上左右方向的源。

17.如列举的示例实施例16所述的系统，其中滤波装置或计算装置中的一个或多个包括：

用于对与滤波装置相关联的具有固定传递函数值的第一滤波器的输出和与滤波装置相关联的第二滤波器的输出求和的装置；

其中第二滤波器的传递函数被选择为对应于关于前后信号方向的修改；和

其中第二滤波器的输出被前后方向信号加权；以及

用于还对第一滤波器的输出和第三滤波器的输出进行求和的装置；

其中第三滤波器的传递函数被选择为对应于关于左右方向的修改。

18.如列举的示例实施例11所述的系统，其中滤波装置包括第一滤波装置，该系统还包括：

用于修改麦克风信号的装置；

用于通过第二滤波步骤对修改后的麦克风信号进行滤波的装置；

其中第二滤波装置包括相对于第一滤波装置减少的可变滤波器的集合；

用于基于第二滤波步骤产生一个或多个第一输出信号的装置；以及

用于对第一输出信号进行变换的装置；

其中扩音器驱动信号包括第二输出信号；和

其中计算扩音器驱动信号的步骤至少部分地基于该变换装置的功能。

19.如列举的示例实施例18所述的系统，其中修改装置包括用于通过大体线性的混合操作混合麦克风信号的装置。

20.如列举的示例实施例19所述的系统，其中变换装置包括通过大体线性的混合操作混合第一输出信号的装置。

21.一种包括指令的计算机可读存储介质，当所述指令被一个或多个处理器执行时，所述指令控制一个或多个处理器，以执行包括列举的示例实施例1-10所述的任意步骤的方法。

22.一种包括指令的计算机可读存储介质，当所述指令被一个或多个处理器执行时，所述指令控制一个或多个处理器，以配置包括列举的示例实施例11-20所述的任意装置的系统。

23.一种用于将来自全方向麦克风舱阵列的麦克风输入信号处理为适合于在环绕扬声器系统上回放的扬声器输出信号的方法，该方法包括步骤：

估计一个或多个前麦克风信号和一个或多个后麦克风信号之间的前后时间差，将该前后时间差归一化为在近似-1到+1的范围内的值；

估计一个或多个左麦克风信号和一个或多个右麦克风信号之间的左右时间差，将所述左右时间差归一化为在近似-1到+1的范围内的值；

通过一个或多个可变滤波器对各麦克风输入信号进行滤波；

对一个或多个可变滤波器的输出进行求和；和

基于求和的可变滤波器输出，产生各扬声器输出信号；

其中一个或多个可变滤波器具有作为前后时间差或左右时间差中的一个或多个的函数改变的传递函数。

24.如列举的示例实施例23所述的方法，其中各可变滤波器包括固定滤波器分量、被以前后时间差加权的前后可变滤波器分量或被以左右时间差加权的左右可变滤波器分量中的一个或多个的总和。

25.一种用于将来自全方向麦克风舱阵列的麦克风输入信号处理为适合于在环绕扬声器系统上回放的扬声器输出信号的方法，该方法包括步骤：

估计一个或多个前麦克风信号和一个或多个后麦克风信号之间的前后时间差，将所述前后时间差归一化为在近似-1到+1的范围内的值；

估计一个或多个左麦克风信号和一个或多个右麦克风信号之间的左右时间差，将所述左右时间差归一化为在近似-1到+1的范围内的值；

形成预处理的麦克风信号的集合，各预处理的麦克风信号被形成为一个或多个麦克风输入信号的总和，各麦克风输入信号被以输入加权因子进行缩放；

通过一个或多个滤波器对各预处理的麦克风信号进行滤波；

形成中间输出信号的集合，各中间输出信号包括一个或多个滤波器的输出的总和，各输出被以输出加权因子进行缩放；和

根据所述中间输出信号的加权总和，产生各扬声器输出信号；

其中所述输入加权因子或输出加权因子中的一个或多个包括所述前后时间差或左右时间差中的一个或多个的函数。

等同物、扩展、替换和其它

因此，描述了涉及通过麦克风阵列产生环绕声的示例实施例。在前面的说明书中，已经参考可以随着实现的不同而改变的若干具体细节描述了本发明的实施例。因此，关于本发明是什么以及申请人意欲本发明是什么的唯一并且排它的指示为这样的权利要求，即以包括任何后续校正的提出这些权利要求的特定形式从本申请中提出该权利要求。为这些权利要求中包含的术语在文中明确提出的任何定义决定在这些权利要求中使用的这些术语的含义。因此，未被在权利要求中明确说明的限制、元素、性质、特征、优点或属性不应以任意方式限制这些权利要求的范围。因此，说明书和附图被认为是说明性的，而不是约束性的。

Claims (10)

1.一种方法，包括步骤：

分析来自麦克风阵列的各麦克风的信号；

对于麦克风信号的至少一个子集，估计表征所述子集中的信号之间的相对时间延迟的时间差；

至少部分地基于估计的时间差，估计麦克风输入从与麦克风信号有关的一个或多个声源到达各麦克风的方向；

以与一个或多个滤波器相关的至少一个滤波器传递函数，对麦克风信号进行滤波；

其中所述滤波器传递函数包括以下分量中的一个或多个：

第一传递函数分量，其具有关于与声源方向有关的第一空间定向的值；和

第二传递函数分量，其具有关于与声源方向有关的第二空间定向的值；

其中第二空间定向与第一空间定向大体正交；和

基于滤波步骤，计算用于驱动至少两个扩音器的信号。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述滤波器传递函数还包括具有基本固定的值的第三传递函数分量。

3.如权利要求1所述的方法，其中估计麦克风输入从一个或多个声源到达各麦克风的方向的步骤包括：

基于各麦克风信号之间的时间延迟差，确定与到达方向相关的到达矢量的主方向；

其中到达矢量的主方向与第一空间定向和第二空间定向有关。

4.如权利要求3所述的方法，其中滤波器传递函数与关于一个或多个滤波器的脉冲响应有关。

5.如权利要求3所述的方法，其中所述滤波步骤或计算步骤中的一个或多个包括步骤：

基于方向信号修改一个或多个滤波器的滤波器传递函数；和

基于修改后的滤波器传递函数，将麦克风输入映射到一个或多个扩音器驱动信号。

6.如权利要求5所述的方法，其中方向信号中的第一方向信号与相对于麦克风具有基本上前后方向的源有关；和

其中方向信号中的第二方向信号与相对于麦克风具有基本上左右方向的源有关。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述滤波步骤或计算步骤中的一个或多个包括步骤：

对具有固定传递函数值的第一滤波器的输出和第二滤波器的输出进行求和；

其中第二滤波器的传递函数被选择为对应于关于前后信号方向的修改；和

其中第二滤波器的输出被以前后方向信号加权；和

还对第一滤波器的输出和第三滤波器的输出进行求和；

其中第三滤波器的传递函数被选择为对应于关于左右方向的修改；和

其中第三滤波器的输出被以左右方向信号加权。

8.如权利要求1所述的方法，其中滤波步骤包括第一滤波步骤，该方法还包括步骤：

修改麦克风信号；

通过第二滤波步骤对修改后的麦克风信号进行滤波；

其中第二滤波步骤包括相对于第一滤波步骤减少的可变滤波器的集合；

基于第二滤波步骤产生一个或多个第一输出信号；和

对第一输出信号进行变换；

其中扩音器驱动信号包括第二输出信号；和

其中计算扩音器驱动信号的步骤至少部分地基于变换步骤。

9.一种包括指令的计算机可读存储介质，当所述指令被一个或多个处理器执行时，所述指令控制所述一个或个处理器以执行包括下列步骤的方法：

分析来自麦克风阵列的各麦克风的信号；

对于麦克风信号的至少一个子集，估计表征所述子集中的信号之间的相对时间延迟的时间差；

至少部分地基于估计的时间差，估计麦克风输入从与麦克风信号有关的一个或多个声源到达各麦克风的方向；

以与一个或多个滤波器相关的至少一个滤波器传递函数，对麦克风信号进行滤波；

其中所述滤波器传递函数包括以下分量中的一个或多个：

第一传递函数分量，其具有关于与声源方向有关的第一空间定向的值；和

第二传递函数分量，其具有关于与声源方向有关的第二空间定向的值；

其中第二空间定向与第一空间定向大体正交；和

基于滤波步骤，计算用于驱动至少两个扩音器的信号。

10.一种系统，包括：

用于分析来自麦克风阵列的各麦克风的信号的装置；

用于对于麦克风信号的至少一个子集，估计表征该子集中的信号之间的相对时间延迟的时间差的装置；

用于至少部分地基于估计的时间差，估计麦克风输入从与麦克风信号有关的一个或多个声源到达各麦克风的方向的装置；

用于以与一个或多个滤波器有关的至少一个滤波器传递函数对麦克风信号进行滤波的装置，所述一个或多个滤波器与所述滤波装置相关联；

其中所述滤波器传递函数包括下列分量中的一个或多个：

第一传递函数分量，其具有关于与声源方向有关的第一空间定向的值；和

第二传递函数分量，其具有关于与声源方向有关的第二空间定向的值；

其中第二空间定向与第一空间定向大体正交；和

用于基于滤波装置的功能，计算用于驱动至少两个扩音器的信号的装置。

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