CN103945308B - 一种基于波场合成和波场分析的声重放方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于波场合成和分析的声重放方法及系统，所述方法包含：分别利用波场分析记录录音房间的第一声场和听音房间的第二声场；采用波域变换公式对测量到的第一声场和第二声场进行空域分解，得到第一波域分解后的信号和第二波域分解后的信号；将第一波域分解后的信号传递至声场重建一端，采用波场合成初步重建录音房间所录制的声场；依据第二波域分解后的信号采用单通道逆滤波补偿听音房间反射信号对初步录音房间所录制的声场的影响，得到最终重建的录音房间所录制的声场。本发明具有宽阔的听音区域并不局限于某几个听音位置，通过波域变换将多输入多输出系统解耦合为若干单输入单输出系统，进而降低了计算复杂度。

Description

一种基于波场合成和波场分析的声重放方法及系统

技术领域

本发明涉及声场重放领域，特别涉及录音、重放以及房间补偿的方法，具体涉及一种基于波场合成和波场分析的声重放方法及系统。

背景技术

多通道声重现系统的主要目的是给予听众一种最优的听觉感受，因此在设计这些系统时要求重放的声音尽量逼真，使得听众浑然不知声音是由扬声器阵列重放出来的。对了达到这个目的，只了解音频信号的时域信息显然是不够的，空域信息也尤为重要。进一步讲，自从发明了立体声技术以来，众所周知为了重建声像的空间位置至少需要两个扬声器。然而，立体声技术也是非常有限的，它的最优听音位置只局限于一点“sweetspot”。从这一点出发，目前科研人员着力于研究利用大量的扬声器能够重建整个声场的重放技术。其中，最热门的技术当属基于惠更斯原理的波场合成（WaveFieldSynthesis-WFS）。波场合成于上个世纪八十年代由Berkhout最先提出。波场合成的基本原理主要是基于基尔霍夫积分，即已知闭合边界上的声压和声压梯度就可以计算出边界所包围区域的声压场，而波场合成的核心思想是利用扬声器阵列来重建声场。同样地，波场分析（WaveFieldAnalysis-WFA）实际上是一种基于传声器阵列的声场录音技术。现有方法利用波场分析技术在录音房间记录整个声场，进而利用波场合成技术在听音房间重建出原始声场。

基于波场合成与波场分析的声重放技术是通过扬声器阵列和传声器阵列来实现的，与传统的声重放技术不同，这是一种基于物理实现的模拟声场技术，目的在于以物理方法还原原始声场而不依赖于任何心理声学的知识，此外，由于阵列技术使重建声场具有广阔的听音区域，而不局限于某一个位置。

与传统的声重放系统一样，为了使这些技术能在实际情况中应用起来，需将自适应滤波算法应用到WFS/WFA中来，实际应用中自适应算法的应用实例为声回波抵消、主动噪声控制和主动房间补偿等等。由于输入/输出通道数目极多导致计算复杂度过高，以至于在WFS/WFA系统中直接执行这些算法变得不可行。

发明内容

本发明的目的在于，为克服上述问题，本发明提出了一种基于波场分析、波场合成和波域自适应滤波的准确的声重放系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于波场合成和分析的声重放方法，所述方法包含：

步骤101）分别利用波场分析记录录音房间的第一声场和听音房间的第二声场；

步骤102）采用波域变换公式对测量到的第一声场和第二声场进行空域分解，得到第一波域分解后的信号和第二波域分解后的信号；

步骤103）将第一波域分解后的信号传递至声场重建一端，采用波场合成初步重建录音房间所录制的声场；

步骤104）依据第二波域分解后的信号采用单通道逆滤波补偿听音房间反射信号对初步录音房间所录制的声场的影响，得到最终重建的录音房间所录制的声场；

其中，所述波域变换公式为：

其中，表示P(α,R,ω)关于方位角α的傅里叶分解系数；表示V_r(α,R,ω)关于方位角α的傅里叶分解系数；表示入射波场圆谐函数展开系数；表示出射波场圆谐函数展开系数；和分别为v阶第一类、第二类汉克尔函数；为v阶第一类、第二类汉克尔函数的导数；c表示空气中声速。

上述步骤101）进一步包含：

步骤101-1）采用录音房间录音区域的圆环阵列测量环绕听音区域的闭合曲线上声压和声压梯度得到第一声场；

步骤101-2）采用听音房间重建区域的圆环阵列测量环绕听音区域的闭合曲线上声压和声压梯度得到第二声场。

上述步骤103）所述波域合成进一步包含：

步骤201）用于将第一波域分解后的信号转化为平面波域信号，具体为依据圆环阵列采集的声压和振速计算圆谐分解系数，再依据圆谐分解系数获得平面波分解系数获得平面波域信号；

步骤202）将平面波域信号转化为激励信号；

步骤203）将激励信号作用于扬声器阵列进行播放。

上述步骤104）进一步包含：

步骤104-1）利用单通道自适应逆滤波对第一声场重建的初步录音所录制的声场进行单通道逆滤波，从而抵消听音房间对依据第一声场初步重建的声场的影响，得到优化的重建波域信号；

步骤104-2）将优化重建的波域信号转化为扬声器的激励信号利用扬声器阵列进行重新播放。

可选的，采用延迟补偿filtered-X滤波器结构对波域变换所得到的单通道信号进行逆滤波。

基于上述方法本发明提供了一种基于波场合成和分析的声重放系统，该系统包含位于录音房间录音区域的第一传声器阵列，及位于听音房间重建区域的扬声器阵列，其特征在于，所述系统包含：

位于所述重建区域扬声器阵列内部的第二传声器阵列，该传声器阵列用于测量听音房间的声场得到第二声场信息；

第二波场分析模块，用于分析听音房间的整个声场情况；

第二波域分解模块，用于将第二波场分析模块得到的整个声场进行波域分解，得到第二波域分解信号，将传声器阵列测量得到的声场进行解耦合；

主动补偿模块，用于采用延迟补偿filtered-X滤波器对第二波域变换后所得到的单通道信号进行逆滤波，并将逆滤波结果输入波场合成模块；

所述第一传声器阵列用于测量录音房间的声场得到第一声场信息；

第一波场分析模块，用于分析录音房间中声场的变化；

第一波域分解模块，用于将录音房间所测量到的波场信号分解为波域信号之后传输到听音房间来重放；

和

波场合成模块，用于基于第一波域分解信号分解后的信号采用波场合成方法重建录音房间所录制的声场，并用主动补偿模块输出的逆滤波信号调整重建声场信号，得到最终准确重建的录音房间所录制的声场。

上述第一传声器阵列和第二传声器阵列为圆形传声器阵列。

上述第一传声器阵列和第二传声器阵均进一步包含：声压传声器和声压梯度传声器，且所述声压传声器与声压梯度传声器放置于圆环的等角位置，同时声压梯度传声器的主轴应与圆环径向方向的法向量相重合。

与现有的声重放系统相比，本发明的技术优势在于：

本发明是一种基于物理实现的声场重建方法，不依赖于心理声学，并且具有宽阔的听音区域并不局限于某几个听音位置。通过波域变换将多输入多输出系统解耦合为若干单输入单输出系统，进而降低了计算复杂度。总之，本发明将波域自适应滤波（WaveDomainAdaptiveFiltering-WDAF）引入听音房间的声场重建，采用波域自适应滤波进行滤波不仅可以在时频域实现，也可以在空域实现。

附图说明

图1是本发明的录音和重建系统的场景图；

图2是本发明的基于波场合成和波场分析的主动听音房间补偿方法场景图；

图3是本发明的基于圆环阵列连续的声压和振速计算圆谐分解系数的组成框图；

图4是本发明的圆谐波分解系数与平面波分解系数之间的关系转化框图；

图5是本发明的适用于主动房间补偿的延迟补偿修正filtered-X结构；

图6是本发明提供的基于波场合成和波场分析的声重放方法流程图；

图7是本发明提供的基于波场合成和波场分析的声重放系统的组成框图。

具体实施方式

下面结合附图详细阐述本发明的技术方案。

波场分析和波场合成是基于传声器阵列和扬声器阵列的技术，由传声器信号推广到扬声器阵列所包围的声场称为“声场外推”，声场外推可以通过将波场合成和波场分析结合而得到，如图1所示，利用波场分析技术来记录录音房间整个声场而在听音房间当中利用波场合成技术来重建，重建声场的准确程度大致依赖于扬声器/传声器数目。

为了听音房间引入的额外反射，准确地重建出需要对整个听音区域内的房间反射进行补偿。主动房间补偿方法则需在听音区域内布置大量的传声器来测量波场，并利用控制设备、放大器和扬声器来产生能够抵消听音房间反射的声波。这些硬件要求与WFS声重放系统基本一致，即现有的WFS系统的硬件设备也可用于主动房间补偿系统。在主动房间补偿中的波场合成和波场分析与图1中声重放系统是相同的，但是为了分析重建声场需将圆形传声器阵列放置在重建区域当中。

波场分析部分：

测量环绕听音区域的闭合曲线上声压和声压梯度就可以充分分析整个区域内的波场。为了分析来自所有方向的平面波，将圆形阵列选为波域分析阵列拓扑。基于圆形传声器阵列对测量到的波场进行波域分解：

其中为v阶第一类和第二类汉克尔函数，在远场假设条件下（k_rr>>1），汉克尔函数可以近似为 $H_v^{\left(1\right)}\left(k_{r}r\right)\≈\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\π}{k}_{r}r}}{e}^{j(k_{r}r-\frac{1}{2}\mathrm{v\π}-\frac{1}{4}\mathrm{\π})},$ $H_v^{\left(2\right)}\left(k_{r}r\right)\≈\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\π}{k}_{r}r}}{e}^{-j(k_{r}r-\frac{1}{2}\mathrm{v\π}-\frac{1}{4}\mathrm{\π})},$ 图3该算法的框图其中：

P(α,R,ω)表示半径为R的圆环上某点的声压；

V_r(α,R,ω)表示半径为R的圆环上某点沿径向方向的振速；

表示关于α逆傅里叶级数，α表示传声器的方位角；

表示P(α,R,ω)关于方位角α的傅里叶分解系数；

表示V_r(α,R,ω)关于方位角α的傅里叶分解系数；

M(kR)表示两维滤波操作符；

表示入射波场圆谐函数展开系数；

表示出射波场圆谐函数展开系数。

前文已经介绍了基于圆环阵列上连续的声压和振速进行波域分解方法，而在实际应用中，连续测量是不现实的，声压和振速的测量必须离散化，也就是将传声器的位置离散化，即使得声压传声器与声压梯度传声器放置于圆环的等角位置，同时声压梯度传声器的主轴应与圆环径向方向的法向量相重合。

在实际工程中，需要对测量得到的圆环阵列连续的声压P_P(φ，R,ω)和圆环阵列连续的振速V_P,r(φ，R,ω)做关于角度φ的离散傅里叶变换（DFT）。

最后，时域离散化也要被考虑进来。因此，对于传声器阵列测量到的空时域离散信号p_P(φ，R,k)和v_P,r(φ，R,k)需分别在时域和空间域上进行离散傅里叶变换，即对传声器信号进行二维离散傅里叶变换。同时，滤波器M(kR)也必须是时域离散的。

在实际工程中，空域离散化会引入角频率域限带的问题，需满足空域抗混叠条件：

值得注意的是，v与采样点数无关而与区域大小有关，重建区域越大v的阶数越高，对给定的区域v也存在上限；在v的值相等的情况下，区域的宽度与频率成反比，频率越低分析区域越大。因此，分析波场的宽度取决于时频率ω和角频率v。

波域分解利用空时变换来对图1和图2中传声器阵列所测量到的波场系统进行近似地解耦合，与奇异值分解的方法相比理论上并不能实现对系统最充分的解耦合，但是无需已知房间转移矩阵的先验信息，也摆脱了对左右奇异矩阵的复杂计算，显然对多通道重放系统的主动听音补偿问题来讲，波域变换是一种更有效的也更适用的方法。

波域分解利用空时变换来对图1和图2所示的MIMO系统进行近似地解耦合，波域变换可以看作是傅里叶变换的扩展：滤波不仅可以在时频域实现，也可以在空域实现。

波场合成部分：

波域分解后的信号不能直接用于扬声器阵列播放，要将其转化为平面波域信号进而转化成每个扬声器的激励信号。平面波分解系数可以直接由圆谐分解系数的傅里叶级数给出：

两者之间的关系可以归纳为图4。

对于角度离散的情况：

傅里叶级数可由关于角频率v的逆离散傅里叶变换（IDFT）来实现，得出的结果是波场的离散平面波分解。进而将平面波信号转化为每个扬声器的激励信号：

$D(x,\mathrm{\ω})=-\frac{{\mathrm{jk}}^2}{{\left(2\mathrm{\π}\right)}^2}{\∫}_{\mathrm{\γ}-\frac{\mathrm{\π}}{2}}^{\mathrm{\γ}+\frac{\mathrm{\π}}{2}}\stackrel{\‾}{P}(\mathrm{\θ},\mathrm{\ω})\cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\γ})e^{{-\mathrm{jkr}}_0\cos (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\α}}_0)}\mathrm{d\θ}---\left(4\right)$

其中，[r₀α₀]^T为某个扬声器的极坐标位置，对于离散的平面波信号积分自然转化为求和。

主动听音补偿算法意义为：

波域变换的目的是对期望波场进行时域和空域的正交分解。波域变换实现了将MIMO系统时域和空域解耦合，将MIMO自适应逆滤波问题转化为一系列的单通道逆滤波问题。在主动房间补偿问题中，选用如图5所示的延迟补偿filtered-X滤波器结构对波域变换所得到的单通道信号进行逆滤波。图中涉及的各符号的含义为：x(n)n时刻输入信号的数值；y(n)n时刻输出信号的数值；d(n)n时刻原始声场期望信号的数值；e(n)n时刻误差传声器测量到信号的数值；d(n)的估计，由延迟补偿修正filtered-X结构计算；由延迟补偿修正filtered-X结构计算的误差信号；w_t(n)x(n)与y(n)之间的自适应滤波器第l个系数。h_m(n)y(n)与e(n)之间的声场模型（确定的滤波器）第m个系数；v(n)将x(n)通过声场模型h_m(n)滤波之后所得的信号。如图6所示，该图为本发明提供声重放方法的流程图，具体包含如下步骤：

步骤301）分别利用波场分析记录录音房间的第一声场和听音房间的第二声场；

步骤302）采用波域变换公式对测量到的第一声场和第二声场进行空域分解，得到第一波域分解后的信号和第二波域分解后的信号；

步骤303）将第一波域分解后的信号传递至声场重建一端，采用波场合成初步重建录音房间所录制的声场；

步骤304）依据第二波域分解后的信号采用单通道逆滤波补偿听音房间反射信号对初步录音房间所录制的声场的影响，得到最终重建的录音房间所录制的声场；

其中，所述波域变换公式为：

其中，表示P(α,R,ω)关于方位角α的傅里叶分解系数；表示V_r(α,R,ω)关于方位角α的傅里叶分解系数；表示入射波场圆谐函数展开系数；表示出射波场圆谐函数展开系数；和分别为v阶第一类、第二类汉克尔函数；为v阶第一类、第二类汉克尔函数的导数；c表示空气中声速。

如图7所示，该图为本发明提供的声重放系统的组成框图，具体结构为：

本发明提供了一种基于波场合成和分析的声重放系统，该系统包含位于录音房间录音区域的第一传声器阵列，及位于听音房间重建区域的扬声器阵列，其特征在于，所述系统包含：

位于所述重建区域扬声器阵列内部的第二传声器阵列，该传声器阵列用于测量听音房间的声场得到第二声场信息；

第二波场分析模块，用于分析听音房间的整个声场情况；

第二波域分解模块，用于将第二波场分析模块得到的整个声场进行波域分解，得到第二波域分解信号，将传声器阵列测量得到的声场进行解耦合；

主动补偿模块，用于采用延迟补偿filtered-X滤波器对第二波域变换后所得到的单通道信号进行逆滤波，并将逆滤波结果输入波场合成模块；

所述第一传声器阵列用于测量录音房间的声场得到第一声场信息；

第一波场分析模块，用于分析录音房间中声场的变化；

第一波域分解模块，用于将录音房间所测量到的波场信号分解为波域信号之后传输到听音房间来重放；

和

波场合成模块，用于基于第一波域分解信号分解后的信号采用波场合成方法重建录音房间所录制的声场，并用主动补偿模块输出的逆滤波信号调整重建声场信号，得到最终准确重建的录音房间所录制的声场。

总之，本发明基于波场合成和波场分析的准确声重放系统。通过利用圆形传声器阵列测量环绕听音区域的闭合曲线上声压和声压梯度来分析重建后的波场，通过波域分解对多输入多输出系统进行近似地解耦合，选用延迟补偿filtered-X滤波器结构对波域变换所得到的单通道信号进行逆滤波，空域滤波后再经过波场合成技术来重建。

波场合成（WaveFieldSynthesis-WFS）是一种能够控制整个听音区域内波场的空间声重放技术，利用上百个独立通道所组成的扬声器阵列，在给定的听音房间中重建出录音房间的空间感。同样的，波场分析（WaveFieldAnalysis-WFA）实际上是一种基于传声器阵列的声场录音技术。由听音房间引入的额外反射会破坏原始的空间感，影响WFS系统的重建效果。为了消除或消减这种不利影响，本专利提出一种基于波场分析与波场合成的准确声重放系统。该方法利用波场分析技术来记录录音房间整个声场，通过波域变换对测量到的波场进行空域分解，波域分解后的信号传递到声场重建一端，经过单通道逆滤波来抵消听音房间反射会重建声场的影响，在听音房间利用波场合成技术来准确地重建录音房间所录制的声场，声场外推通过将波场合成和波场分析结合而得到，重建声场的准确程度大致依赖于扬声器/传声器数目。这种情况下扬声器可以放置在任意位置而且扬声器与传声器的数目无需相同，经过信号处理过程增加了计算负荷，但是这些技术在实际应用中更灵活也更适用。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于波场合成和分析的声重放系统，该系统包含位于录音房间录音区域的第一传声器阵列，及位于听音房间重建区域的扬声器阵列，其特征在于，所述系统包含：

位于所述重建区域扬声器阵列内部的第二传声器阵列，该传声器阵列用于测量听音房间的声场得到第二声场信息；

第二波场分析模块，用于分析听音房间的整个声场情况；

第二波域分解模块，用于将第二波场分析模块得到的整个声场进行波域分解，得到第二波域分解信号，将第一传声器阵列和第二传声器阵列测量得到的声场进行解耦合；

主动补偿模块，用于采用延迟补偿filtered-X滤波器对第二波域变换后所得到的单通道信号进行逆滤波，并将逆滤波结果输入波场合成模块；

所述第一传声器阵列用于测量录音房间的声场得到第一声场信息；

第一波场分析模块，用于分析录音房间中声场的变化；

第一波域分解模块，用于将录音房间所测量到的波场信号分解为波域信号之后传输到听音房间来重放；

和

波场合成模块，用于基于第一波域分解信号分解后的信号采用波场合成方法重建录音房间所录制的声场，并用主动补偿模块输出的逆滤波信号调整重建声场信号，得到最终准确重建的录音房间所录制的声场。

2.根据权利要求1所述的基于波场合成和分析的声重放系统，其特征在于，所述第一传声器阵列和第二传声器阵列为圆形传声器阵列。

3.根据权利要求2所述的基于波场合成和分析的声重放系统，其特征在于，所述第一传声器阵列和第二传声器阵均进一步包含：声压传声器和声压梯度传声器，且所述声压传声器与声压梯度传声器放置于圆环的等角位置，同时声压梯度传声器的主轴应与圆环径向方向的法向量相重合。