CN102272840B - 分布式空间音频解码器 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了一种通过广播原始的经编码数据并且在多个接收单元之间分布解码处理而对多声道音频信号进行分散解码的方法。这允许了对具有任意数目的输出声道的可缩放多声道音频再现系统的设计和制造，该系统包括各自生成更少输出声道的多个通用解码器和扬声器单元。利用分布式解码，制造者可以在每个通用解码模块中使用“现成的”立体声或单声道信号处理器、数模转换器和放大器组件，从而降低了每个模块的制造成本和复杂性要求，同时在输出声道的总数方面提供了无限制的缩放性。
Description
技术领域
本发明涉及环绕声音解码和分布技术。
背景技术
多声道音频再现通常使用分布在收听者或一群收听者周围的多个扬声器传达来自所再现的音频记录或音轨或者人工演奏的声学事件的沉浸或环绕的感觉。多声道音频首先在电影音轨中普及。电影院使用分布在整个表演空间中的扬声器的网络来围绕观众。随着可在DVD和蓝光光盘上获得的多声道电影和音乐音轨记录以及来自游戏机和个人计算机的交互式多声道音轨的出现，多声道音频也在家庭中变得普及。
多声道音频通常被压缩，使得适应高质量音轨再现所需的数据量被充分减少，以能够置于给定的物理存储介质上或者能够在给定的比特流带宽中对该数据进行流传输。这样的压缩方案包括用于DVD、蓝光光盘和HDTV的杜比数字或DTS。这些经编码数据流通常被传递到家庭影院接收机上的外部解码器，并且经解码的PCM音轨通过导线被引导至多个输出声道以在收听室周围分布。也可以通过控制台或者PC游戏引擎来实时产生并混合多声道音频。也可以通过利用诸如杜比专业逻辑(Dolby Pro Logic)之类的算法或者基于序号为12/246,491的美国专利申请中概述的理论的算法对经过矩阵编码的立体声音轨进行专门解码来创建多声道音频。也可以通过利用诸如创新CMSS-3D环绕(Creative CMSS-3DSurround)、DTS Neo 6和SRS环绕声(SRS Circle Surround)之类的算法将传统的立体声音轨“上混合”(upmix)成多声道混合物来产生多声道音轨。
如图1所示，多声道音频信号102(例如通过SPDIF连接而传输)通常在单个设备中被解码和放大，这单个设备通常是通过有线扬声器连接106来分发每个个体再现声道的家庭影院接收机104或机顶盒。目前可用的多数较新多声道放大器将最高支持7.1声道输出(即，7个主扬声器声道和一个重低音声道)。较新的无线技术允许利用例如蓝牙高级音频分布协定(A2DP)来进行对音频声道的无线传输。该方法减轻了对将主放大器与后方扬声器相连的不雅观连线的需求。
通常，家庭无线音频传输的数据速率是有限的，并且例如仅允许两个声道的音频数据的传输。因此，在许多无线多声道音频回放方案中，只有音频声道的子集可被无线传输，而其他声道需要有线扬声器连接。
在音频声道信号被离散传输的任何无线多声道音频再现系统中，增加无线扬声器的数目需要无线传输带宽的成比例增加。这最终限制了无线多声道音频系统的灵活性和缩放性。此外，增加声道的数目可能需要用专门的(非一般的)组件来取代诸如信号处理器、数模转换器或放大器之类的常用组件，并且需要共享的多声道解码器或放大器单元具有更大的成本、功耗和大小。因此，需要用于多声道音频解码和分发的改进的技术和系统。
发明内容
本发明描述了一种通过广播原始的经编码数据并且在多个接收单元之间分布解码处理而对多声道音频信号进行分散解码的方法。这允许了对具有任意数目的输出声道的可缩放多声道音频再现系统的设计和制造，该系统包括各自生成更少输出声道的多个通用解码器和扬声器单元。利用分布式解码，制造者可以在每个通用解码模块中使用“现成的”立体声或单声道信号处理器、数模转换器和放大器组件，从而降低了每个模块的制造成本和复杂性要求，同时在输出声道的总数方面提供了无限制的缩放性。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于再现多声道音频的方法。该方法包括向多个解码器处理单元发送多声道音频经编码源信号，每个解码器处理单元具有位置在收听环境中的输出声道。来自输出声道的输出信号是由输出声道位置确定的，而源信号独立于收听环境中的输出声道位置。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于多声道音频再现的系统。该系统包括多声道音频解码器的分布式网络，其中每个解码器可操作来接收同一经编码音频数据流并且仅仅再现来自经编码音频数据流的如下音频信号：这些音频信号对于通过相关联扬声器相对于基准位置的位置而识别出的相关联扬声器信号输出而言是相关的。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于再现多声道音频信号的方法。该方法包括：经由无线立体声音频发送机来广播二声道相位-幅度经编码音频信号；经由多个立体声无线接收机接收所述经编码音频信号；以及经由相位-幅度立体声解码器来处理接收到的音频信号，其中该处理仅对对于预定位置而言相关的音频信号解码。
下面参考附图描述了本发明的这些和其他特征和优势。
附图说明
图1是示出DVD播放器利用单个SPDIF连接与多声道接收机相连的有线5.1声道环绕声再现系统的简化功能图。
图2A是示出DVD播放器与无线SPDIF信号发送机和多个无线SPDIF信号接收机相连的无线5.1声道环绕声再现系统的功能图，其中各个信号接收机将接收到的SPDIF信号引导至杜比数字解码器并且将与所连接的扬声器驱动器相关联的经解码声道引导通过单声道DAC和功率放大器。
图2B是示出DVD播放器与无线SPDIF信号发送机和多个无线SPDIF信号接收机相连的无线5.1声道环绕声再现系统的功能图，其中各个信号接收机将接收到的SPDIF信号引导至杜比数字解码器并且将与一对所连接的扬声器驱动器相关联的一对经解码声道引导通过立体声DAC和功率放大器。
图3是示出通过两个无线重低音器和一组八个直立扬声器棒来实现对无线传输的相位-幅度经编码立体声信号的分布式解码的多声道解码器系统的示图，每个直立扬声器棒处理同一经编码立体声信号，但是仅对与沿着每个直立扬声器棒分布的四个扬声器驱动器的位置相关联的四个声道进行解码。
图4是示出通过具有内置无线接收机的重低音器和三个立体声扬声器单元来实现对无线传输的相位-幅度经编码立体声信号的分布式解码的多声道解码器系统的示图，每个立体声扬声器单元包含无线接收机和实现多声道相位-幅度解码器的信号处理器以及扬声器虚拟化滤波器的网络，它们各自对与个体立体声扬声器的放置相关联的扬声器位置进行解码和虚拟化。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的优选实施例。优选实施例的示例在附图中示出。虽然将结合这些优选实施例来描述本发明，但是将会了解，并不意图将本发明限制于这样的优选实施例。相反，意图覆盖可包括在如所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的备选、修改和等同物。在下面的描述中，给出了许多具体细节以提供对本发明的透彻理解。可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施本发明。在其他实例中，公知的机制未被详细描述，以免不必要地模糊本发明。
这里应当注意，在各幅图中，相似的标号指代相似的部分。这里示出并描述的各幅图用于说明本发明的各种特征。在特定特征在一幅图中示出但未在另一幅图中示出的情况下，除了另外指明或者该结构固有地禁止了该特征的并入之外，将会了解到这些特征可适用于包括在其他图中表示的实施例中，就如同它们在这些图中被完全示出一样。除非另外指明，否则附图不一定是按比例的。图上提供的任何尺寸并不意图对本发明的范围进行限制，而是只是说明性的。
一般而言，本发明提供了一种多声道扬声器系统，其中每个扬声器知道其相对于某个基准的位置并且对与该位置最相关的音频信号进行解码。每个扬声器接收同一经编码数据流，但是仅对该流中与其位置相关联的一些部分进行解码/输出。具体而言，每个解码器可被配置成产生特定输出声道而不得出任何其他声道。经编码的音频流可以是模拟的、数字的、压缩的、立体声的、多声道的等等。
根据本发明的一个实施例，提供了一种包括多个多声道音频解码器的方法和系统，其中每个解码器接收同一经编码数据流，并且仅仅再现如下音频信号：这些音频信号对于通过(一个或多个)相关联扬声器相对于某个基准位置的位置而识别出的相关联扬声器信号输出(或者扬声器输出的子集)而言是相关的。
根据本发明的另一实施例，提供了一种用于多声道音频再现的方法和系统，其包括无线立体声音频发送机，该发送机广播例如用序号为12/246,491的美国专利申请中描述的编码器的实施例生成的二声道相位-幅度经编码音频信号。该广播被多个分离的立体声无线接收机接收。接收到的立体声音频进一步被相位-幅度立体声解码器处理，该解码器例如是序号为12/246,491的美国专利申请中描述的解码器的实施例，该解码器仅对对于预定位置或者预定位置子集而言最相关的音频信号进行解码，这些位置通常是由至少一个扬声器相对于基准位置的位置确定的。
根据本发明的另一实施例，多个无线立体声扬声器单元各自包含立体声无线接收机、解码器(例如，诸如在序号为12/246,491的美国专利申请中描述的解码器的实施例之类的相位-幅度解码器)以及转听(transaural)扬声器虚拟化滤波器的网络，这些转听扬声器虚拟化滤波器提供比对进行再现的立体声扬声器的物理位置周围附近所物理存在的扬声器更多的扬声器的感受。
首先，图2A示出了5.1声道“家庭影院”设置，DVD播放器202利用该设置以SPDIF格式202输出杜比数字流。在本具体实施例中，SPDIF数据流202被利用无线数据发送机204而“广播”。该数据流被各自包括无线SPDIF接收机208的重低音器单元206a和五个扬声器单元206b接收，无线SPDIF接收机208对执行杜比数字解码器210的音频信号处理器进行馈给。解码器210的输出被适配成使得只有与扬声器216(即216a、216b)位置相关的音频声道被输出到相关联的数模转换器(DAC)212和功率放大器214。可以使用任何技术来使得解码器210知道扬声器位置。例如，可以由解码器210实现手动或自动扬声器位置检测技术。进行接收的扬声器单元206(即206a、206b)可以是电池供电的，或者可以由墙壁电源插座来供电。
在一些实施例中，在一些DSP和放大单元中再现两个或更多个声道。这允许对将用在该系统中的常见/日常立体声音频部件(例如立体声DAC和放大器)的可能更加经济的使用。这样的实施例在图2B中示出。可以将此扩展到包括如下重低音器216a：该重低音器216a可被附接到接收机扬声器单元206中的一个或多个。
在一些实施例中，经编码音频流的传输是有线的，并且是在中央分发的或者通过SPDIF信号转发器(repeater)以菊花链的方式分发到逐个解码器。
在一些实施例中，每个扬声器单元包括重新校准经解码输出信号以补偿不适当的扬声器设置的后期处理。
多声道音频编码格式可以是任何模拟或数字格式，例如DTS、杜比数字、MP3环绕、MPEG环绕、微软WAV可扩展、WMA等等。
在一些实施例中，音轨被广播到作为公共表演设施(例如电影院)的一部分的多个接收机和解码器。用于无线信号的广播和接收的可能数字协议可以包括SPDIF、HDMI、蓝牙AD2P，卫星或HD无线电、802.11x、2.4GHz等等。
在另一优选实施例中，源资料表示序号为12/246,491的美国专利申请中描述的相位-幅度3D立体声矩阵编码器的流式或所存储的输出。经编码的资料可能源自离散的多声道电影、游戏或音乐音轨，或者编码器可能是诸如交互式游戏之类的应用中的实时多声道混合引擎的一部分。得到的立体声信号被无线传输到接收机的网络，每个接收机具有解码器、放大器和扬声器的相关联子集。立体声信号可以利用模拟或数字传输方法来发送和接收。也可以利用诸如AAC、MP3或WMA之类的算法在传输之前对数字表示进行压缩。每个无线接收机的输出端之后是实现频域相位-幅度立体声解码器的DSP，该解码器例如是序号为12/246,491的美国专利申请中描述的方法的一个实施例。如序号为12/246,491的美国专利申请所述，这样的解码器能够呈现任意数目的输出声道，针对相关联的扬声器的位置来对每个经解码的输出进行适配。解码器的这种属性引起了可缩放的、自配置的多声道扬声器回放系统，该系统采用根据本发明的分布式解码方法。
如图3所示，经过相位-幅度编码的资料302的无线立体声广播信号被多个扬声器单元306(即，八个无线、垂直站立的扬声器棒306b和两个无线重低音器306a的网络)接收。每个扬声器棒306a包含四个独立的扬声器驱动器316b，扬声器驱动器316b可以位于沿着棒的长度的任何位置处。在接收到立体声无线信号的情况下，嵌入在每个直立扬声器棒的基底处的信号处理器实现频域相位-幅度立体声解码器310，例如在序号为12/246,491的美国专利申请中描述的方法的一个实施例。每个解码器310生成一组四个输出信号318，这些输出信号适应于相对于收听者的每个扬声器316(即，316a、316b)位置。DSP系统因此需要在对立体声无线信号解码之前知道这些个体扬声器位置。这可以通过使用中央放置的麦克风的手动或自动校准测量的某种方法来完成。在其他实施例中可以使用检测每个扬声器定位位置的备选方法。如果扬声器位置被修改或者更少或更多的直立扬声器棒被引入，则用户可以重新校准系统以考虑这些改变。在本实施例中，两个重低音器306a还接收无线立体声流，仅对相关的低频信号解码。
在一些实施例中，在每个扬声器棒306b上存在更少或更多的扬声器元件316b，可能是单个元件。在一些实施例中，系统包括更少或更多的重低音器306a、316a。
在一些实施例中，再现系统是自配置的：它可以感测解码器/扬声器单元的初始设置、增加、去除或误动作，并且作为结果而指定或者重新指定系统中每个单元的参数。也就是说，系统可以基于存在的扬声器的位置和数目来进行自配置。DSP系统可以使用任何技术来检测扬声器位置。例如，扬声器位置检测技术可以包括使用声学校准测试、机器视觉技术、IR、相机、无线接收机三角测量或者简单声道标记(FL、C、FR、SR、SL等)。
在源资料是例如序号为12/246,491的美国专利申请中描述的相位-幅度3D立体声矩阵编码器的输出的另一实施例(在图4中示出)中，广播立体声信号402被一个或多个立体声扬声器单元406接收，每个立体声扬声器单元406包含立体声无线接收机408、实现频域相位-幅度解码器410(例如在序号为12/246,491的美国专利申请中描述的)的嵌入式信号处理器以及转听扬声器虚拟化滤波器420的网络，这些转听扬声器虚拟化滤波器420总地提供比对进行再现的立体声扬声器的物理位置周围附近所物理存在的扬声器更多的扬声器的感受。转听滤波器的网络可以利用序号为11/835,403的美国专利申请中描述的方法来设计和实现。这样的系统在图4中示出。在本示例中，与前方扬声器单元406相关联的相位-幅度解码器410对左前(FL)、右前(FR)、中前(FC)、侧左(SL)和侧右(SR)声道解码，并且相关联的处理器执行以下附加处理：利用两个物理前方扬声器换能器将每个经解码声道信号虚拟化成坐在“最佳点”(sweet spot)422处的单个收听者的希望位置。与顶部扬声器单元406相关联的频域相位-幅度解码器410对左上(TL)、右上(TR)和中上(TC)声道解码，并且相关联的处理器执行以下附加处理：利用收听者头上的两个物理扬声器换能器将每个经解码声道虚拟化成坐在最佳点处的单个收听者的希望位置。与后方扬声器单元406相关联的频域相位-幅度解码器410对左后(BL)、右后(BR)、中后(BC)、侧左和侧右声道解码，并且相关联的处理器执行以下附加处理：利用收听者头部后方的两个物理扬声器换能器将每个经解码声道虚拟化成坐在“最佳点”422处的单个收听者的希望位置。虚拟扬声器的该整个网络的结果产生了被比物理存在的扬声器更多的个体扬声器的阵列所围绕的感觉。由于前方和后方扬声器单元都对侧左和侧右扬声器位置进行了虚拟化，因此前方和后方解码器的侧方声道输出的增益可在每个相应解码器中被进行功率规格化。
在一些实施例中，顶部扬声器单元是不存在的，并且予前方和后方扬声器单元406相关联的相位-幅度解码器410都呈现左上、右上和中上声道信号。用于前方和后方扬声器单元的虚拟扬声器虚拟化块现在可以实现虚拟的左上、右上和中上扬声器。由于前方和后方扬声器单元都对顶部扬声器位置进行了虚拟化，因此解码器的顶部声道输出的增益可被进行功率规格化。在一些实施例中，存在更多或更少的扬声器单元406，每个扬声器单元呈现更多或更少的虚拟扬声器位置。
虽然为了理解的清楚而以某种细节描述了前面的发明，但是显然，可以在所附权利要求的范围内实行某些改变和修改。因此，当前的实施例被认为是说明性的而不是限制性的，本发明不限于这里给出的细节，而是可以在所附权利要求的范围和等同物内修改。
Claims (19)
1.一种用于再现多声道音频的方法，包括：
向多个解码器处理单元发送多声道音频经编码源信号，每个解码器处理单元具有对应于收听环境中的不同位置的至少两个不同输出声道，其中提供给每个输出声道的输出信号是由输出声道位置确定的，而所述源信号独立于所述收听环境中的输出声道位置，并且其中所述多个解码器处理单元实现自动位置检测技术以自动地确定所述输出声道位置。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
由所述多个解码器处理单元接收所述多声道音频经编码源信号；以及
在确定和生成所述输出信号时对所述多声道音频经编码源信号解码。
3.如权利要求2所述的方法，还包括：
将所述输出信号转换成不同的信号类型。
4.如权利要求3所述的方法，还包括：
对经转换的输出信号进行放大。
5.如权利要求2所述的方法，还包括：
对所述输出信号进行虚拟化。
6.如权利要求1所述的方法，其中，每个输出声道位置对应于所述收听环境中的扬声器位置。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述多声道音频经编码源信号是2声道经编码资料。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述2声道经编码资料是2声道相位-幅度经编码资料。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述多声道音频经编码源信号是模拟信号类型。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述多声道音频经编码源信号是数字信号类型。
11.一种用于多声道音频再现的系统，包括：
多声道音频解码器的分布式网络，其中每个解码器可操作来接收同一经编码音频数据流并且仅仅再现来自所述经编码音频数据流的如下音频信号：这些音频信号对于具有相对于基准位置而识别出的不同位置以及不同的对应声道的至少两个相关联扬声器而言是相关的，其中识别出的位置是以自动位置检测技术自动地确定的。
12.如权利要求11所述的系统，还包括：
用于对所再现的音频信号进行虚拟化的转听滤波器的网络，所述转听滤波器的网络耦合到所述多声道音频解码器的分布式网络。
13.如权利要求11所述的系统，其中，所述多声道音频解码器的分布式网络是以无线设置方式实现的。
14.如权利要求11所述的系统，其中，所述多声道音频解码器的分布式网络是以有线设置方式实现的。
15.如权利要求11所述的系统，其中，所识别出的位置是在再现所述音频信号之前确定的。
16.如权利要求11所述的系统，其中，所述多声道音频解码器是频域相位-幅度解码器。
17.如权利要求11所述的系统，其中，所述经编码音频数据流是2声道经编码资料。
18.一种用于再现多声道音频信号的方法，包括：
经由无线立体声音频发送机来广播二声道相位-幅度经编码音频信号；
经由多个立体声无线接收机接收所述经编码音频信号；以及
经由相位-幅度立体声解码器来处理接收到的音频信号，其中所述处理仅对对于以针对所述相位-幅度立体声解码器的自动位置检测技术自动地确定的位置而言相关的音频信号解码，其中所解码的音频信号是通过两个不同的扬声器相对于基准位置的位置而确定的。
19.如权利要求18所述的方法，其中，每个解码器耦合到转听扬声器虚拟化处理器的网络。
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