CN103250431B - 优化来自用于音频再现的装置的音频信号再现的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种优化来自用于音频再现的装置的音频信号再现的方法，该装置具有可变数目的扬声器。该方法包括：确定所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器的性能特性；对所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器的性能特性进行相互比较；在有或者没有人工干预的情况下从所述可变数目的扬声器中指定主扬声器。

Description

优化来自用于音频再现的装置的音频信号再现的方法

技术领域

本发明涉及一种用于音频信号的再现的方法，主要涉及对来自具有可变数目个扬声器的装置的音频信号的再现进行优化。

背景技术

当前在市场中的多扬声器音频系统可以是有线的、无线的、或者前述组合的混合物。有线音频系统依赖于线缆来在源与放大器以及源与扬声器之间传输信号。然而，线缆的使用产生了与由线缆引起的杂波（clutter）和不期望的美学有关的问题，这已经抬高了希望避免前述问题的消费者对无线扬声器系统的需求。

当前存在已被引入到市场上的若干形式的无线扬声器系统。然而，这些各种形式的无线扬声器系统各自具有对这种无线扬声器系统的可用性不利的局限。

第一种形式的无线扬声器系统是直接回放型，其中单个扬声器被无线连接到音频源。在直接回放型无线扬声器系统中，音频源必须要么具有兼容的无线收发器要么与兼容的无线收发器相耦合以使能与扬声器的通信。兼容的无线收发器的典型示例涉及使用像蓝牙一样的射频波。

第二种形式的无线扬声器系统是多室（multi-room）回放型，其中发射器单元把从音频源发出的相同音频信号中继到多于一室中的一个或多个扬声器以无线地接收音频信号，使得在各室中听到的音频内容是相同的。第二种形式的无线扬声器系统的无线发射器单元的典型示例涉及使用具有合理部署范围的2.4GHz的射频波。

第三种形式的无线扬声器系统是多声道回放型，其中无线发射器将不同音频流发射到单个室中的多个扬声器。这通常被称为环绕声扬声器系统并且当消费具有多声道音轨的电影内容时得到最佳利用。第三种形式的无线扬声器系统的无线发射器单元的典型示例涉及使用具有合理部署范围的2.4GHz的射频波。

在前述形式的无线扬声器系统中，无线扬声器系统通常使用诸如发射器、无线后置扬声器、无线重低音扬声器（subwoofer）等针对特定无线扬声器系统定制的硬件，正因如此，无线扬声器系统的单独组件当被单独部署时没有多少功能。

这对多声道回放型无线扬声器系统尤其有问题，因为后置扬声器由于其对内部装饰美学的负面影响而常常要么就位置而言被错误安装要么被放弃。在这种情况下，针对无线扬声器系统定制的后置扬声器和发射器两者都变得冗余。虽然消费者意识到多声道扬声器设施给电影和音乐回放带来的切实益处，但是这种情况的流行已经遗憾地导致用户和市场对多声道扬声器设置的广泛厌恶。

最后，鉴于低成本、大存储容量且支持网络的媒体回放设备的普遍性以及多室回放型无线扬声器系统的单独扬声器的外观不太可能能够匹配各室中的室内装饰美学的事实，多室回放型无线扬声器系统的流行性已经受到猛击。

本发明旨在解决与无线扬声器系统有关的前述问题。

发明内容

提供了一种用于对音频信号的再现进行优化的方法，这些音频信号来自用于音频再现的装置，该装置具有可变数目的扬声器。该方法包括：确定所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器的性能特性；对所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器的性能特性进行相互比较；在有或者没有人工干预的情况下从所述可变数目的扬声器中指定主扬声器。所述人工干预可包括激活所指定的主扬声器上的特定模式。

该方法还可以包括：识别所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器的位置；如果所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器在单个室中，则确定所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器之间的距离；确定所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器的位置周围的物理特征；确定所述可变数目的扬声器的累积输出电平和设置被添加到所述可变数目的扬声器中的重低音扬声器的性能特性；利用麦克风来校准所述用于音频再现的装置，所述麦克风与所指定的主扬声器相耦合，使得能够从所述可变数目的扬声器中除所指定的主扬声器之外的每一个扬声器接收到音频脉冲。

可变数目的扬声器中的每一个扬声器包括双向收发器是有利的。

可变数目的扬声器中的每一个扬声器的性能特性指至少一个参数，例如频率响应、最大声压水平、增益、压缩设定等。

优选的是基于扬声器位置或者上游（upstream）处理能力的任意参数将来自所述可变数目的扬声器的扬声器指定为所述主扬声器。优选地，参考所指定的主扬声器的位置来定义所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器的位置。优选的是所指定的主扬声器控制并协调所述用于音频再现的装置中的可变数目的扬声器。麦克风可被内建于能够连接到所指定的主扬声器的设备中。

确定所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器是否在单个室中可以包括至少一种方式，例如光束的使用、音频信号的使用等。确定所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器的位置的物理特征也可以包括至少一种方式，例如信息的直接输入、光束的使用、音频信号的使用等。

优选的是，当所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器之间的距离超过某个范围（该范围适合于所述可变数目的扬声器中的至少一个扬声器的性能特性）或者所述可变数目的扬声器被室边界分开时，所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器独立地工作。有利地，当所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器独立地工作时，所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器能够在彼此之间中继音频信号。

附图说明

为了能够完全理解本发明并将其容易地使其具有实际效果，现在将仅通过非限制性示例方式描述本发明的优选实施例，该描述参考了所附的例示性附图：

图1示出了本发明的方法的处理流程。

图2示出了在图1的方法中使用的主扬声器与从扬声器之间的数据流的示意图。

图3示出了在图1的方法中使用的任何扬声器的示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种将按照处理流程来描述的方法。应当注意到，该方法的处理流程要落入本发明的范围内无需严格坚持其次序。

参考图1，提供了一种用于对来自用于音频再现的装置的音频信号的再现进行优化的方法20。用于音频再现的装置可以是具有可变数目个扬声器的扬声器系统。这可变数目个扬声器中的每一个扬声器不一定要相同。参考图3，示出了能够在用于音频再现的装置中使用的扬声器80的概括示意图。每个扬声器80是具有至少一个声换能器84的完全自主的单元，它要么包含有双向收发器82，要么耦合到双向收发器82。当无线地连接到音频源时，无需介于中间的发射器单元，每个扬声器80可以具有在单个室内或者跨多个室分布地独立工作或者共同工作的能力。

方法20包括确定可变数目的扬声器中的每一个扬声器的性能特性（22）。可变数目的扬声器中的每一个扬声器的性能特性指至少一个参数，例如频率响应、最大声压水平、增益、压缩设定等。该至少一个参数可以涉及每个扬声器的物理或声学属性。

可变数目的扬声器中的每一个扬声器的性能特性随后被相互比较（24），并且在有人工干预或者没有人工干预的情况下从可变数目的扬声器中指定主扬声器（26）。应当注意到，人工干预可以包括激活所指定的主扬声器上的特定模式。可以基于诸如扬声器位置、上游处理能力等任意参数从可变数目的扬声器中把某扬声器指定为主（master）扬声器。主扬声器可以降低其自己的增益并且改变频率响应以向从（slave）扬声器产生基本相等的声波输出。所指定的主扬声器以如在图2中示出的方式控制并协调用于音频再现的装置中的可变数目的扬声器。

参考图2，具有优越性能特性的扬声器被指定为主扬声器60，而其他一个或多个扬声器是从扬声器62。应当注意到，这些主扬声器60和从扬声器62的指定不一定类似于典型的发射器—接收器配对。主扬声器60控制并协调系统，但是在用于音频再现的装置的设置完成之后也能够用作音频信号的接收或发射单元。主从扬声器60和62之间的无线连接此后将被描述为“扬声器链接”并且在图2中未被表示，因为“扬声器链接”固有地存在以在主60和从62扬声器之间传送数据。

在主从扬声器60和62之间传送的数据被分为四类，即命令64、查询66、音频传输68和事件70。数据一般可被认为包括属性（每个扬声器的永久参数）、状态信息（每个扬声器的工作参数）以及寄存器信息（属性的切换（toggling）指令）。这四类数据可被描述如下：

-命令64：主扬声器60单独地或者普遍地向从扬声器62发送指令，以实现从扬声器62的设定变化。

-查询66：主扬声器60单独地轮询从扬声器62，并且接收每个从扬声器62的性能特性和位置。

-音频传输68：主扬声器60向从扬声器62广播音频信号。

-事件70：从扬声器62向主扬声器60发送中断以指示例如用户输入（例如，从扬声器62的切换控制）、状态变化等。

方法20还包括识别可变数目的扬声器中的每一个扬声器的位置（28）。可变数目的扬声器中的每一个扬声器的位置是参考所指定的主扬声器的位置来定义的。可变数目的扬声器中的每一个扬声器的位置可以以这样的方式来感知：即，室是密封的矩形盒。门、走廊、通道以及其他建筑特征可能导致该室偏离矩形盒的形式。为了解决这一问题，一系列的重叠盒可被组合在一起以更好地表示该室，并且相应地也更好地表示可变数目的扬声器中的每一个扬声器的位置。

方法20还包括确定可变数目的扬声器中的每一个扬声器之间的距离以及可变数目的扬声器中的每一个扬声器是否在单个室内（30）。这可以通过以下方式执行：

-光学组件（例如在UV、可见、IR光谱等中工作），每个扬声器中的光学组件被用于确定扬声器之间的距离以及扬声器是否在单个室内。然而，应当注意到，鉴于视线操作的要求，单独使用光学组件会是不利的。

-音频检测（可听的或超声波的范围内），音频信号被用于确定扬声器之间的距离以及扬声器是否在单个室内。然而，应当注意到，音频检测对视线操作没有要求。

当扬声器被确定为被室边界（例如墙/隔离物）分开或者对于可变数目的扬声器中的每一个扬声器的单独性能特性而言过于遥远（超过适合于可变数目的扬声器中的至少一个扬声器的性能特性的范围）以至于无法作为单个系统有效工作时，这些扬声器可以独立工作。应当注意到，当可变数目的扬声器中的每一个扬声器独立工作时，可变数目的扬声器中的每一个扬声器能够在彼此之间中继音频信号。

例如，当扬声器位于不同室内时，每个扬声器可被配置为使得其在独立工作时再现输入音频信号的所有声道。当扬声器仅能够再现立体声时，该扬声器可以被配置为使得输入的多声道音频信号可以被要么混合成立体声要么虚拟化，使得该信号通过仅两个声道就能被可听见地再现。但是当扬声器被重新定位使得它们现在位于单个室内时，这些扬声器可以被相应地重新配置以使得每个扬声器仅再现输入音频信号的一部分。为了进一步举例说明先前所述，当有输入的立体声音频信号并且单个室内有三个扬声器时，这些扬声器中的一个可被用来回放左声道信号，另一个可被用来回放右声道信号，而第三个扬声器可被用来回放从左和右音频信号得到的合成低频声道。

在单一室系统中，扬声器之间的距离可以被用作音频信号处理的输入参数，以确保不管该系统的实体布置如何都能保持最佳收听体验。例如，当收听立体声设置时，当扬声器被间隔一定距离设置以使得两个扬声器和收听者位于由等边三角形定义的区域的顶点处时，最佳收听体验是可能的。遗憾的是，空间和美学约束通常导致扬声器被比预期的放置得更近。然而，这种问题可利用音频信号处理来解决，其中多数丢失的立体声分离可被利用合适量的串扰抵消和中频（1-4kHz）均衡来复原——其量根据扬声器间隔设置的距离而变化。

方法20中还包括对可变数目的扬声器中的每一个扬声器的位置周围的物理特征的确定（32）。可以向用于音频再现的装置输入信息，该信息与该装置所位于的环境的物理布局有关。诸如室尺寸、布局、楼层平面图等信息经由在外部计算设备上运行的转换软件可被输入到装置中，或者每个扬声器经由从使用光束和使用音频信号中选择的至少一种方式（如在先前段落中描述的）可以包含检测能力，使得环境的物理特征（诸如室尺寸、进入和离开点、扬声器相对于彼此的位置、室边界等）可以被确定。确定可变数目的扬声器中的每一个扬声器的位置周围的物理特征还允许用于音频再现的装置针对由扬声器重新定位产生的音频输出进行调整，而无需人工干预。

在用于音频再现的装置包括重低音扬声器（34）时的情况下，方法20还可以包括确定可变数目的扬声器的累积输出电平（cumulativeoutputlevels）以及设置被添加到可变数目的扬声器中的重低音扬声器的性能特性（36）。重低音扬声器通常通过增强小型全频（FR）扬声器中缺失的低频声音来改善用于音频再现的装置的性能。通过把FR扬声器从产生低频声音的负担中解放出来，也可获得系统声压水平（SPL）的额外改善。当重低音扬声器被添加时，该重低音扬声器的电平、交叉（crossover）频率和相位设定必须被调节以匹配用于音频再现的装置中的其他扬声器的设定。在方法20中，鉴于如前所述使主扬声器知晓所有扬声器的性能特性，重低音扬声器和FR扬声器的设定可以被相应地得到并通过算法方式优化，而无需用户干预或者直接测量。

在最基本的实现方式中，主扬声器将确定FR扬声器的累积输出电平，并且相应地设置重低音扬声器的累积输出电平。出于在方法20中能够对更低成本的重低音扬声器和FR扬声器进行使用的实际原因，重低音扬声器和FR扬声器两者的交叉频率和斜率可以被标准化，例如利用80Hz宁克-锐4阶方法（Linkwitz-Riley4^thorder）。对于在容忍更低交叉频率和更低的最大系统SPL的用于音频再现的装置中使用，方法20是有利的。

最后，方法20还可以包括利用麦克风来校正用于音频再现的装置，该麦克风与所指定的主扬声器相耦合，使得能够从可变数目的扬声器中除所指定的主扬声器之外的每个扬声器接收到音频脉冲（38）。这使得用于音频再现的装置能够检测收听者的位置，并因而允许针对收听者的位置而优化扬声器系统的性能。

FR扬声器和重低音扬声器应当具有可编程的响应特性。主扬声器将FR扬声器的低频SPL能力与（一个或多个）重低音扬声器的相应低频SPL相比较，以得到最佳的交叉频率和适当的电平设定。更多参数，例如到达时间差（TDOA）、频率响应等，可以在收听者的位置处经由校准麦克风获得。

当单个扬声器被匹配到重低音扬声器时，系统的最大SPL最有可能受FR扬声器的低频输出能力限制。通过为该场景选择更高的交叉点，可以实现整体系统SPL的极大改善。

代表性的小型全频扬声器可包含密封外壳内的由40w放大驱动的2x2.75"的驱动器，并且覆盖80-20,000Hz（-3dB）的范围。这提供了100dB/1M的最大中频SPL，但是在扬声器驱动单元用完线性驱动器偏移（excursion）之前在80Hz/1M处仅有80dBSPL。如果这样的扬声器由在80Hz处交叉的重低音扬声器增强，可以看到该系统仍然被全频扬声器的低频SPL限制为80+6dB（来自重低音扬声器的贡献）=86dB，无论重低音扬声器的SPL能力如何。

为了实现SPL限制的改善，交叉可被更高地设置在180Hz处，其中全频扬声器被其线性驱动器偏移限制限制为94dB。重低音扬声器和全频扬声器的组合现在产生94+6dB=100dB。与系统在中频所能实现的相比，系统现在可以播放到SPL处的低频中。针对SPL优化的主扬声器遵循匹配SPL以设置180Hz的交叉频率的相同逻辑。然而，在该更高的交叉频率处，到全频扬声器和重低音扬声器之间的收听位置的TDOA变得在听觉上极其重要，并且如果要实现平坦响应则必须被考虑在内。在如先前提到的180Hz交叉频率处，相应的波长是1.9m。如果飞行时间差是半波长的奇数倍（例如0.95m、2.85m…），则FR扬声器和重低音扬声器的输出在收听者的位置处变为抵消。

在多数情况下，该抵消将不是完全的，但是显然时间对准（timealignment）对于使用更高交叉频率的系统相当重要。为了测量各种扬声器的TDOA，麦克风被连接到主扬声器，并且诸如脉冲之类的合适信号被顺序地发送到每个扬声器以供回放。比较接收到的信号提供了TDOA的直接读出。除了具有相当宽的带宽之外，对于麦克风无需特别平坦的中频和三倍响应（trebleresponse），因此麦克风单元被内建于便携式数字回放设备或者蜂窝电话，该设备可以连接到主扬声器。

在重低音-RF扬声器设置中，TDOA信息可被用来以各种方式校正由不希望的时间对准引起的响应不规则。首先，可以通过调节重低音扬声器或者FR扬声器中的可变延迟的方式使TDOA复原。这需要两个单元中的延迟能力都完全发挥功能。其次，可以在发射扬声器（通常是主FR扬声器）中实现依赖于频率的延迟，使得由FR扬声器和重低音扬声器覆盖的频段受不同延迟影响。这相应地将时间校正的负担置于支持该处理能力的发射扬声器上，并且重低音扬声器可以不需要可变延迟块。第三，交叉单元的梯度和极性以及重叠的量可被考虑到测量到的TDOA而被操纵，使得由此得到的响应是平坦的。因此，在交叉频率180Hz、TDOA=1.25m的情况下，可以使4阶宁克-锐交叉斜率以通过使重低音扬声器或FR扬声器的极性反转来测量收听者位置处的平坦。此外，增加重叠区域、减小或者增大斜率或者每个扬声器的过滤的Q也可被用来补偿响应不规则。

麦克风也可被用来验证校正性测量的结果，以确保平坦响应被产生。这可以包括在交叉点以下、交叉点处和交叉点以上的低频区域中测量用于音频再现的装置。扫频音调信号可被使用，通过在收听位置处和在收听者区域的若干位置处单独测量而在空间上平均，或者可以包括当正在进行单个测量时收听者围绕收听者区域在物理上移动麦克风。

应当注意到，当方法20被用于用于音频再现的装置时，用户在购买时不需要受预先配置的多室系统或者预先配置的多声道系统约束，因为另外的扬声器可以在需要时被添加，或者随着要求的改变而被以不同方式使用。例如，用户可以以连接到作为基本声音系统的源设备的单个扬声器开始。当需要更高的响度级和/或更好的环绕声电影体验时，另外的一个或多个扬声器可被添加。如果用户希望不同的音频体验，则另外的扬声器可被用作另一室内的独立扬声器。应当注意到，随着配置变化不使任何事物变得冗余。

虽然已经在前面的描述中描述了本发明的优选实施例，但是相关领域技术人员将会明白，在不脱离本发明的情况下可以做出设计或构造的细节的许多变更或修改。

Claims (14)

1.一种用于对音频信号的再现进行优化的方法，这些音频信号来自用于音频再现的装置，所述用于音频再现的装置具有可变数目的扬声器，该方法包括：

确定所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器的性能特性；

对所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器的性能特性进行相互比较；以及

在有或者没有人工干预的情况下从所述可变数目的扬声器中指定主扬声器，所述主扬声器的指定是基于相对于其它可变数目的扬声器的优越性能特性，所述优越性能特性是基于增益和频率响应中的至少一个被确定的，

其中，所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器包括双向收发器。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：

识别所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器的位置；

如果所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器在单个室中，则确定所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器之间的距离；以及

确定所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器的位置周围的物理特征。

3.如权利要求1所述的方法，还包括：确定所述可变数目的扬声器的累积输出电平，以及设置被添加到所述可变数目的扬声器中的重低音扬声器的性能特性。

4.如权利要求2所述的方法，还包括：利用麦克风来校准所述用于音频再现的装置，所述麦克风与所指定的主扬声器相耦合，使得能够从所述可变数目的扬声器中除所指定的主扬声器之外的每一个扬声器接收到音频脉冲。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器的性能特性指的是从包括以下项的组中选择的至少一个参数：频率响应、最大声压水平、增益、压缩设定。

6.如权利要求1所述的方法，其中，基于扬声器位置或者上游处理能力的任意参数，从所述可变数目的扬声器中把扬声器指定为所述主扬声器。

7.如权利要求2所述的方法，其中，参考所指定的主扬声器的位置，来定义所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器的位置。

8.如权利要求2所述的方法，其中，确定所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器是否在单个室中的步骤包括从使用光束和使用音频信号中选择的至少一种方式。

9.如权利要求2所述的方法，其中，确定所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器的位置的物理特征的步骤包括从以下项中选择的至少一种方式：直接输入信息、使用光束、使用音频信号。

10.如权利要求1所述的方法，其中，所指定的主扬声器控制并协调所述用于音频再现的装置中的所述可变数目的扬声器。

11.如权利要求2所述的方法，其中，当所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器之间的距离超过适合于所述可变数目的扬声器中的至少一个扬声器的性能特性的范围或者所述可变数目的扬声器被室边界分开时，所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器独立地工作。

12.如权利要求11所述的方法，其中，当所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器独立地工作时，所述可变数目的扬声器中的每一个扬声器能够在彼此之间中继音频信号。

13.如权利要求4所述的方法，其中，所述麦克风内建于能够连接到所指定的主扬声器的设备中。

14.如权利要求1所述的方法，其中，所述人工干预包括激活所指定的主扬声器上的特定模式。