CN102932730A - 一种正四面体结构的扬声器组声场效果增强方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种正四面体结构的扬声器组声场效果增强方法及系统，该方法包括步骤：扩充正四面体结构的扬声器组得到四个扬声器摆放点和四个虚拟扬声器摆放点；将采集到的一阶Ambisonics的四路信号分配到四个扬声器和四个虚拟扬声器；在保证正四面体结构对称中心处声音粒子速度方向和声压大小不变的前提下将四个虚拟扬声器的信号分配到距离该虚拟扬声器最近的三个扬声器；删除虚拟扬声器。本发明可以在采用相同数目扬声器的条件下，提升重建声场的质量。

Description

一种正四面体结构的扬声器组声场效果增强方法及系统

技术领域

本发明属于声学领域，尤其涉及一种正四面体结构的扬声器组声场效果增强方法及系统。

背景技术

2010年1月在我国上映的电影《阿凡达》，全球票房超过26亿美元，中国票房突破13亿元，创造了新的世界票房纪录。《阿凡达》的成功在技术上依赖于3D技术的应用，显现给影院观众的是强烈的视觉震撼，成功摆脱了二维世界的束缚，带领人们走进了充满活力和形象感的三维世界。电影《阿凡达》对电影技术的推进具有里程碑式的意义。不仅如此，它还促进更多的相关影视、录音、播放方面的技术和标准的发展。要想达到更好的视听体验，需要有与三维视频内容相配套的三维声场听觉效果，才能真正达到身临其境的视听感受。

早期的Ambisonics（高保真立体声）三维音频系统中，声场重建的效果与其阶数有关。阶数越高，声场重建效果越好，需要的扬声器数目越多，阶数N与需要的扬声器个数M之间的数学关系为：M≥(N+1)²。但是，扬声器数目越多意味着扬声器摆放越麻烦，不利于实际应用。其中一阶Ambisonics三维音频系统回放阶段最少需要4个扬声器，扬声器数目越多重建声场的效果越好。采用4个扬声器是最简单的Ambisonics三维声场重建系统，摆放也是最为方便的，但是重建的声场质量不高，但若采用多于4个扬声器将会导致摆放困难。

发明内容

针对现有技术不足，本发明针对一阶Ambisonics系统提出了一种正四面体结构的扬声器组声场效果增强方法及系统，上述方法和系统能在采用较少扬声器的同时提高重建声场的质量。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一、一种正四面体结构的扬声器组声场效果增强方法，包括步骤：

步骤一，将四个扬声器摆放形成正四面体结构，将该正四面体结构的对称中心分别与其四个正三角形面的对称中心相连并延长与该正四面体的外接球面相交于四个虚拟扬声器摆放点，并在虚拟扬声器摆放点摆放虚拟扬声器；

步骤二，将采集到的一阶Ambisonics的四路信号分配到四个扬声器和四个虚拟扬声器；

步骤三，在保证所述的正四面体的对称中心处声音粒子速度方向和声压大小不变的前提下，根据各扬声器和各虚拟扬声器的空间位置，将分配到各虚拟扬声器的信号分别分配到距离该虚拟扬声器最近的三个扬声器；

步骤四，删除四个虚拟扬声器。

步骤二采集到的一阶Ambisonics的四路信号是按照Ambisonics解码方法分配到四个扬声器和四个虚拟扬声器。所述的分配到各扬声器和各虚拟扬声器的信号为采集到的一阶Ambisonics的所有声道信号的权重之和，权值因子与各扬声器和各虚拟扬声器的空间位置有关，具体分配方法如下：

设步骤一中所述的正四面体结构的顶点为A、B、C、D，以该正四面体结构的对称中心为原点O建立三维直角坐标系，Z轴垂直于BCD面向上，Y轴与C、D的连线平行且指向ABD面，X轴与C、D连线垂直且指向ACD面，各扬声器和各虚拟扬声器接收到的信号P_j为；

$P_j=\frac{1}{L}(W\frac{1}{\sqrt{2}}+{X\cos \mathrm{\θ}}_j{\cos \mathrm{\φ}}_j+{Y\sin \mathrm{\θ}}_j{\cos \mathrm{\φ}}_j+{Z\sin \mathrm{\φ}}_j)$

其中，

P_j是扬声器或虚拟扬声器j的驱动信号；

θ_j为扬声器或虚拟扬声器j的摆放处和原点O的连线在XOY平面的射影与X轴的夹角；

φ_j为扬声器或虚拟扬声器j的摆放处和原点的连线与XOY平面的夹角；

L为扬声器和虚拟扬声器的总数目，L＝8；

X、Y、Z、W为采集到的一阶Ambisonics的四路信号，X、Y、Z分别指沿X、Y、Z坐标轴的三个八字形麦克风采集到的声音信号，W为全向麦克风声道信号。

步骤三进一步包括子步骤：

3-1在保证所述的正四面体的对称中心处粒子速度方向和声压大小不变的前提下，根据扬声器和虚拟扬声器的空间位置，获得各虚拟扬声器的信号分配到距离该虚拟扬声器最近的三个扬声器的分配因子；

3-2根据分配因子将各虚拟扬声器的信号分别分配到距该虚拟扬声器最近的三个扬声器。

上述子步骤3-1具体为：

设步骤一中所述的正四面体结构的顶点为A、B、C、D，以该四面体结构的对称中心为原点O建立三维直角坐标系，Z轴垂直于BCD面向上，Y轴与C、D的连线平行且指向ABD面，X轴与C、D连线垂直且指向ACD面；设ζ处摆放虚拟扬声器，ζ₁，ζ₂、ζ₃处分别摆放有离ζ处虚拟扬声器最近的三个扬声器，ζ处虚拟扬声器的信号分配到ζ₁、ζ₂、ζ₃处扬声器的分配因子分别为ω₁、ω₂、ω₃：

${\mathrm{\ω}}_1=\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{\mathrm{\ρ}}{e}^{-\mathrm{ik}(\mathrm{\ρ}-{\mathrm{\ρ}}_1)}\frac{D_1}{D}$

${\mathrm{\ω}}_2=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2}{\mathrm{\ρ}}{e}^{-\mathrm{ik}(\mathrm{\ρ}-{\mathrm{\ρ}}_2)}\frac{D_2}{D}$

${\mathrm{\ω}}_3=\frac{{\mathrm{\ρ}}_3}{\mathrm{\ρ}}{e}^{-\mathrm{ik}(\mathrm{\ρ}-{\mathrm{\ρ}}_3)}\frac{D_3}{D}$

其中，

ρ₁、ρ₂、ρ₃、ρ分别为ζ₁、ζ₂、ζ₃、ζ处和原点O的距离；

k为波数，f为声音的频率，c为声音在空气中传播的速度；

θ₁、θ₂、θ₃、θ分别为ζ₁、ζ₂、ζ₃、ζ处和原点O的连线在XOY平面上的射影与X轴的夹角；

分别为ζ₁、ζ₂、ζ₃、ζ处和原点O的连线与XOY平面的夹角；

D＝D₁+D₂+D₃。

二、一种正四面体结构的扬声器组声场效果增强系统，包括扬声器和虚拟扬声器摆放模块、第一信号分配模块、第二信号分配模块和虚拟扬声器删除模块，其中：

扬声器和虚拟扬声器摆放模块进一步包括扬声器摆放模块和虚拟扬声器摆放模块，所述的扬声器摆放模块用来将四个扬声器摆放形成正四面体结构；所述的虚拟扬声器摆放模块用来将所述的正四面体结构的对称中心分别与其四个正三角形面的对称中心相连并延长与该正四面体的外接球面相交于四个虚拟扬声器摆放点，并在虚拟扬声器摆放点摆放虚拟扬声器；

第一信号分配模块用来将采集到的一阶Ambisonics的四路信号分配到四个扬声器和四个虚拟扬声器；

第二信号分配模块用来在保证所述的正四面体的对称中心处声音粒子速度方向和声压大小不变的前提下，根据各扬声器和各虚拟扬声器的空间位置，将分配到各虚拟扬声器的信号分别分配到距离该虚拟扬声器最近的三个扬声器；

虚拟扬声器删除模块用来删除四个虚拟扬声器。

上述第一信号分配模块为基于Ambisonics解码的信号分配模块，该模块用来将采集到的一阶Ambisonics的四路信号按照Ambisonics解码方法分配到四个扬声器和四个虚拟扬声器。所述的分配到各扬声器和各虚拟扬声器的信号为采集到的一阶Ambisonics的所有声道信号的权重之和，权值因子与各扬声器和各虚拟扬声器的空间位置有关。

上述第二信号分配模块进一步包括信号分配因子获取模块和信号分配模块，所述的信号分配因子获取模块用来在保证所述的正四面体的对称中心处粒子速度方向和声压大小不变的前提下，根据扬声器和虚拟扬声器的空间位置，获得各虚拟扬声器的信号分配到距离该虚拟扬声器最近的三个扬声器的分配因子；所述的信号分配模块用来根据分配因子将各虚拟扬声器的信号分别分配到距该虚拟扬声器最近的三个扬声器。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

一阶Ambisonics系统最少需要4个扬声器进行回放，声场重建效果较差；在同阶情况下，扬声器数目越多，声场重建质量越好，因此提高声场重建质量的传统做法是增加扬声器的数目；但是扬声器数目越多，摆放越困难，信号分配处理更麻烦，从而限制了Ambisonics系统的应用。

本发明针对一阶Ambisonics系统提出了一种正四面体结构的扬声器组声场效果增强方法及系统，在采用相同数目扬声器的条件下，本发明可以提升重建声场的质量。因此，本发明可在不增加扬声器数目的前提提升重建声场的质量，克服了扬声器摆放困难问题，而且便利了Ambisonics系统的实际应用。

附图说明

图1是本发明的具体实施中扬声器组在三维直角坐标系中的摆放位置；

图2是本发明的具体实施中虚拟扬声器信号再分配示意图；

图3是本发明的具体实施的流程图。

具体实施方式

本发明针对一阶Ambisonics的正四面体结构的扬声器组，提出了一种声场效果增强方法及系统。下面将结合附图和具体实施情况来详细说明本发明的技术方案。

本发明的正四面体结构的扬声器组声场效果增强方法包括以下步骤：

步骤一，扩充正四面体结构的扬声器组。

将四个扬声器分别摆放至A、B、C、D处形成正四面体结构，其外接球面的半径为2米。以该正四面体的对称中心为原点O建立三维直角坐标系，Z轴垂直于BCD面向上，Y轴水平向右指向ABD面，X轴垂直纸面向外指向ACD面，A点在Z轴上，Y轴与C、D的连线平行，X轴方向垂直于C、D连线，参见图1。

采用极坐标分别计算A、B、C、D在三维直角坐标系中的坐标，依次为A(ρ₁,θ₁,φ₁)、B(ρ₂,θ₂,φ₂)、C(ρ₃,θ₃,φ₃)、D(ρ₄,θ₄,φ₄)，其中，ρ_i为正四面体顶点距原点O的距离，θ_i为正四面体顶点和原点的连线在XOY平面的射影与X轴的夹角，φ_i为正四面体顶点和原点的连线与XOY平面的夹角，i＝1,2,3,4。

取正四面体各面的对称中心，将各面的对称中心分别与原点O连接并延长与正四面体的外接球面相交于点E、F、G、H，该E、F、G、H点即虚拟扬声器的摆放点。采用极坐标分别计算E、F、G、H在三维直角坐标系中的坐标，依次为E(ρ₅,θ₅,φ₅)、F(ρ₆,θ₆,φ₆)、G(ρ₇,θ₇,φ₇)、H(ρ₈,θ₈,φ₈)，其中，ρ_i为虚拟扬声器摆放点距原点O的距离，θ_i为虚拟扬声器摆放点和原点的连线在XOY平面的射影与X轴的夹角，φ_i为虚拟扬声器摆放点和原点的连线与XOY平面的夹角，i＝5,6,7,8。

在传统的Ambisonics三维音频系统中，上述八个点A、B、C、D、E、F、G、H处均应对应放置一个扬声器，但是本发明中只在正四面体的四个顶点A、B、C、D处各放置一个扬声器，设置E、F、G、H四个虚拟扬声器摆放点只是为了回放阶段声场增强处理。

按照上述方法计算本具体实施中A、B、C、D、E、F、G、H八个点的三维极坐标依次为A(2,0°,90°)、B(2,180°,-19°)、C(2,300°,-19°)、D(2,60°,-19°)、E(2,240°,19°)、F(2,120°,19°)、G(2,0°,19°)、H(2,0°,-90°)。

步骤二，将录音采集到的一阶Ambisonics的X、Y、Z、W四路信号按照Ambisonics的解码方法分配到A、B、C、D摆放处的扬声器和E、F、G、H摆放处的虚拟扬声器中，每个扬声器接收到的信号为所有声道信号的权重之和，权重因子依赖于扬声器所在的空间位置。

对于扬声器j，Ambisonics的解码分配方法满足公式：

$P_j=\frac{1}{L}(W\frac{1}{\sqrt{2}}+{X\cos \mathrm{\θ}}_j{\cos \mathrm{\φ}}_j+{Y\sin \mathrm{\θ}}_j{\cos \mathrm{\φ}}_j+{Z\sin \mathrm{\φ}}_j)---\left(1\right)$

其中，

P_j是扬声器j的驱动信号，本实施例中扬声器j分别为A、B、C、D摆放处的扬声器和E、F、G、H摆放处的虚拟扬声器；

θ_j为扬声器j的摆放处和原点的连线在XOY平面的射影与X轴的夹角，j＝1,2,3,4,5,6,7,8；

φ_j为扬声器j的摆放处和原点的连线与XOY平面的夹角，j＝1,2,3,4,5,6,7,8；

L为扬声器数目，本实施例中，L＝8；

X、Y、Z分别指沿X、Y、Z坐标轴的麦克风采集到的信号；

W为全向麦克风声道信号。

根据公式（1）计算分配到A摆放点扬声器的信号：

根据公式（1）计算分配到B摆放点扬声器的信号：

根据公式（1）计算分配到C摆放点扬声器的信号：

根据公式（1）计算分配到D摆放点扬声器的信号：

根据公式（1）计算分配到E摆放点扬声器的信号：

根据公式（1）计算分配到F点摆放点扬声器的信号：

根据公式（1）计算分配到G摆放点扬声器的信号：

根据公式（1）计算分配到H摆放点扬声器的信号：

其中，W、X、Y、Z四路信号为采集阶段获取的已知信号。

步骤三，将分配给E、F、G、H摆放处虚拟扬声器的信号再分配到A、B、C、D摆放处的扬声器。

本步骤是在原点O处声音粒子速度的方向和声压大小不变的前提下，根据各扬声器和虚拟扬声器的位置关系将E、F、G、H摆放处虚拟扬声器的信号分别分配给各自对应的三角形平面的三个顶点处的扬声器。参见图1，在原点O处声音粒子速度的方向和声压大小不变的前提下，将分配给E摆放处虚拟扬声器的信号P_E分配给A、B、C处的三个扬声器，并去掉E处的虚拟扬声器；类似的，将分配给F处虚拟扬声器的信号P_F分配给A、B、D处的三个扬声器，并去掉F处的虚拟扬声器；将分配给G处虚拟扬声器的信号P_G分配给A、C、D处的三个扬声器，并去掉G处的虚拟扬声器；将分配给H处虚拟扬声器的信号P_H分配给B、C、D处的三个扬声器，并去掉H处的虚拟扬声器。

下面将结合图2说明本步骤的信号再分配方法：

设ζ处摆放虚拟扬声器，将分配给该ζ处虚拟扬声器的信号再分配到ζ₁，ζ₂、ζ₃处扬声器，这里ζ表示E、F、G、H摆放处，ζ₁、ζ₂、ζ₃表示和ζ对应的三角形平面的三个顶点，对应的分配因子分别为ω₁、ω₂、ε₃：

${\mathrm{\ω}}_1=\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{\mathrm{\ρ}}{e}^{-\mathrm{ik}(\mathrm{\ρ}-{\mathrm{\ρ}}_1)}\frac{D_1}{D}---\left(2\right)$

${\mathrm{\ω}}_2=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2}{\mathrm{\ρ}}{e}^{-\mathrm{ik}(\mathrm{\ρ}-{\mathrm{\ρ}}_2)}\frac{D_2}{D}---\left(3\right)$

${\mathrm{\ω}}_3=\frac{{\mathrm{\ρ}}_3}{\mathrm{\ρ}}{e}^{-\mathrm{ik}(\mathrm{\ρ}-{\mathrm{\ρ}}_3)}\frac{D_3}{D}---\left(4\right)$

其中，

ω₁、ω₂、ω₃分别为ζ处虚拟扬声器的信号分配到ζ₁、ζ₂、ζ₃处扬声器的分配因子；

ρ₁、ρ₂、ρ₃、ρ分别为ζ₁、ζ₂、ζ₃、ζ摆放处和原点O的距离；

k为波数，

f为声音的频率，c为声音在空气中传播的速度；

θ₁、θ₂、θ₃、θ分别为ζ₁、ζ₂、ζ₃、ζ摆放处和原点O的连线在XOY平面的射影与X轴的夹角；

分别为ζ₁、ζ₂、ζ₃、ζ摆放处和原点O的连线与XOY平面的夹角；

D＝D₁+D₂+D₃。

采用公式（2）~（4）获得E、F、G、H处虚拟扬声器的信号再分配给A、B、C、D处扬声器所对应的分配因子，具体的分配因子见表1。

根据分配因子对信号进行再分配，得到A、B、C、D处扬声器最终输入的信号，并删除虚拟扬声器。

A，B，C，D处扬声器最终输入的信号如下：

A处扬声器最终输入的信号P′_A：P′_A=P_A+0.328P_G+0.328P_F+0.328P_E；

B处扬声器最终输入的信号P′_B：P′_B=P_B+0.336P_F+0.336P_F+0.333P_H；

C处扬声器最终输入的信号P′_C：P′_C=P_C+0.336P_G+0.336P_E+0.333P_H；

D处扬声器最终输入的信号P′_D：P′_D=P_D+0.336P_G+0.336P_F+0.333P_H。

表1信号分配因子

	A(2,0°，90°)	B(2,180°，-19°)	C(2,300°，-19°)	D(2,60°，-19°)
					G（2,0°,19°）	0.328	-	0.336	0.336
F（2,120°,19°）	0.328	0.336	-	0.336
					E（2,240°,19°）	0.328	0.336	0.336	-
H（2°0°-90°）	-	0.333	0.333	0.333

本文中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。所属技术领域的技术人员对具体实施例所做的各种修改、补充或等同替代，均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种正四面体结构的扬声器组声场效果增强方法，其特征在于，包括步骤：

步骤一，将四个扬声器摆放形成正四面体结构，将该正四面体结构的对称中心分别与其四个正三角形面的对称中心相连并延长与该正四面体的外接球面相交于四个虚拟扬声器摆放点，并在虚拟扬声器摆放点摆放虚拟扬声器；

步骤二，将采集到的一阶Ambisonics的四路信号分配到四个扬声器和四个虚拟扬声器；

步骤三，在保证所述的正四面体的对称中心处声音粒子速度方向和声压大小不变的前提下，根据各扬声器和各虚拟扬声器的空间位置，将分配到各虚拟扬声器的信号分别分配到距离该虚拟扬声器最近的三个扬声器；

步骤四，删除四个虚拟扬声器。

2.如权利要求1所述的正四面体结构的扬声器组声场效果增强方法，其特征在于：

步骤二采集到的一阶Ambisonics的四路信号是按照Ambisonics解码方法分配到四个扬声器和四个虚拟扬声器。

3.如权利要求2所述的正四面体结构的扬声器组声场效果增强方法，其特征在于：

所述的分配到各扬声器和各虚拟扬声器的信号为采集到的一阶Ambisonics的所有声道信号的权重之和，权值因子与各扬声器和各虚拟扬声器的空间位置有关。

4.如权利要求1所述的正四面体结构的扬声器组声场效果增强方法，其特征在于：

步骤三进一步包括子步骤：

3-1在保证所述的正四面体的对称中心处粒子速度方向和声压大小不变的前提下，根据扬声器和虚拟扬声器的空间位置，获得各虚拟扬声器的信号分配到距离该虚拟扬声器最近的三个扬声器的分配因子；

3-2 根据分配因子将各虚拟扬声器的信号分别分配到距该虚拟扬声器最近的三个扬声器。

5.一种正四面体结构的扬声器组声场效果增强系统，其特征在于，包括：

扬声器和虚拟扬声器摆放模块、第一信号分配模块、第二信号分配模块和虚拟扬声器删除模块，其中：

扬声器和虚拟扬声器摆放模块进一步包括扬声器摆放模块和虚拟扬声器摆放模块，所述的扬声器摆放模块用来将四个扬声器摆放形成正四面体结构；所述的虚拟扬声器摆放模块用来将所述的正四面体结构的对称中心分别与其四个正三角形面的对称中心相连并延长与该正四面体的外接球面相交于四个虚拟扬声器摆放点，并在虚拟扬声器摆放点摆放虚拟扬声器；

第一信号分配模块用来将采集到的一阶Ambisonics的四路信号分配到四个扬声器和四个虚拟扬声器；

第二信号分配模块用来在保证所述的正四面体的对称中心处声音粒子速度方向和声压大小不变的前提下，根据各扬声器和各虚拟扬声器的空间位置，将分配到各虚拟扬声器的信号分别分配到距离该虚拟扬声器最近的三个扬声器； 

虚拟扬声器删除模块用来删除四个虚拟扬声器。

6.如权利要求5所述的正四面体结构的扬声器组声场效果增强系统，其特征在于：

所述的第一信号分配模块为基于Ambisonics解码的信号分配模块，该模块用来将采集到的一阶Ambisonics的四路信号按照Ambisonics解码方法分配到四个扬声器和四个虚拟扬声器。

7.如权利要求6所述的正四面体结构的扬声器组声场效果增强系统，其特征在于：

所述的分配到各扬声器和各虚拟扬声器的信号为采集到的一阶Ambisonics的所有声道信号的权重之和，权值因子与各扬声器和各虚拟扬声器的空间位置有关。

8.如权利要求5所述的正四面体结构的扬声器组声场效果增强系统，其特征在于：

所述的第二信号分配模块进一步包括信号分配因子获取模块和信号分配模块，所述的信号分配因子获取模块用来在保证所述的正四面体的对称中心处粒子速度方向和声压大小不变的前提下，根据扬声器和虚拟扬声器的空间位置，获得各虚拟扬声器的信号分配到距离该虚拟扬声器最近的三个扬声器的分配因子；所述的信号分配模块用来根据分配因子将各虚拟扬声器的信号分别分配到距该虚拟扬声器最近的三个扬声器。

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