CN104023304B - 一种五扬声器系统精简为四扬声器系统的方法 - Google Patents

Abstract

一种五扬声器系统精简为四扬声器系统的方法，包括设替换扬声器组包括四个扬声器，获得四个扬声器合成一个虚拟声源所分配得到的信号，使用一个扬声器模拟虚拟声源，所述四个扬声器和虚拟声源均位于同一球面上，球面的球心位置为接收点，包括计算四个扬声器的初始分配系数并确定最终分配系数；对包含四个扬声器的多声道系统，用单个扬声器的原始信号加上步骤1中所得该扬声器分配得到的相应信号。传统Ando的四个扬声器合成一个虚拟声源的方法给出一系列扬声器的分配系数，但未给出最优的扬声器的分配系数，本专利的方法可以获得四个扬声器合成一个虚拟声源的最优分配系数，有利于提升合成虚拟声源的效果。

Description

一种五扬声器系统精简为四扬声器系统的方法

技术领域

本发明属于声学领域，尤其涉及一种五扬声器系统精简为四扬声器系统的方法。

背景技术

随着三维电视和三维电影技术的发展，三维音频技术成为了多媒体领域的一个研究热点。三维平移是一种在三维声场中使用若干扬声器制造虚拟声源的技术。在三维平移方法中，基于向量的幅度平移技术(vectorbasedamplitudepanning简记为VBAP)被广泛认可。在三维VBAP中，虚拟声源用三个扬声器合成，起点在接收点，终点在虚拟声源所在位置的单位向量可以用另外三个向量线性表示(每个向量起点在接收点，终点在每个向量所对应扬声器所在位置，长度为1)。三个向量表示的系数经过归一化之后，作为权重系数使得虚拟声源的信号分配到表示向量所对应的三个扬声器。如果表示虚拟声源使用的扬声器数目多余三个，VBAP技术将整个重建扬声器空间按三个扬声器一组分为若干个子空间，在每个子空间中按照VBAP进行信号分配。当替代扬声器组数目为四个时，为了避免每三个扬声器分组，2009年日本广播协会实验室的AkioAndo提出了一种三维平移方法，其基本思想是在多声道系统中，实现单个扬声器(视作虚拟声源)在接收点处的声音物理性质与取代虚拟声源的四个扬声器在接收点处的声音物理性质不变。他所使用的物理性质是时间平均声音强度和声压。条件是被替代扬声器(虚拟声源)与接收点构成的向量(起点在接收点，终点在被替代扬声器所在位置)的方向在四个替代扬声器组构成球面四边形的内部(球面对应的中心为接收点)。但是使用该方法时可以得到无数多种取正值的扬声器的分配系数，并不能得到唯一的或最优的扬声器分配系数，不利于扬声器分配系数的选择使用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种五扬声器系统精简为四扬声器系统的方法。

本发明技术方案提供一种五扬声器系统精简为四扬声器系统的方法，包括以下步骤，

步骤1，设替换扬声器组包括四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4，获得四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4合成一个虚拟声源所分配得到的信号，使用一个扬声器Sp0模拟虚拟声源，所述四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4和虚拟声源Sp0均位于同一球面上，球面的球心位置为接收点；包括以下子步骤，

步骤101，判断虚拟声源与替换扬声器组的位置关系，确认虚拟声源Sp0位于四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4所构成球面多边形区域内部；

步骤102，获得虚拟声源Sp0与四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4的位置信息；

步骤103，计算确定四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4分别的初始分配系数，并确定相应最终分配系数c₁,c₂,c₃,c₄；

步骤104，将虚拟声源Sp0的信号分别乘以步骤103所得最终分配系数c₁,c₂,c₃,c₄后分配到相应扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4中，删除虚拟声源Sp0；

步骤2，对包含四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4的多声道系统，分别计算得到扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4的信号，计算方法为用单个扬声器的原始信号加上步骤1中所得该扬声器分配得到的相应信号。

而且，步骤103包括以下子步骤，

步骤1031，按照虚拟声源在接收点处产生的声压大小和质子速度大小、方向与四个替换扬声器在接收点处产生的声压大小和质子速度大小、方向严格相等的原则，计算虚拟声源的信号分配到四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4的初始分配系数f₁,f₂,f₃,f₄如下，

$f=\frac{F_1}{F_4},f_2=\frac{F_2}{F_4},f_3=\frac{F_3}{F_4},f_4=1-f_1-f_2-f_3$

其中，中间变量F₁、F₂、F₃、F₄如下，

其中，

θ表示虚拟声源Sp0所在位置与原点O之间连线在XOY平面的射影与X轴之间的夹角；

表示虚拟声源Sp0所在位置与原点O之间连线与XOY平面之间的夹角；

θ_j表示替换扬声器j所在位置与原点O之间连线在XOY平面的射影与X轴之间的夹角，j＝1,2,3,4；

表示替换扬声器j所在位置与原点O之间连线与XOY平面之间的夹角，j＝1,2,3,4；

步骤1032，判断步骤1031得到的初始分配系数f₁,f₂,f₃,f₄的符号，若初始分配系数f₁,f₂,f₃,f₄全为正值，则得到了四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4的最终分配系数c₁＝f₁，c₂＝f₂，c₃＝f₃，c₄＝f₄，并进入步骤104，否则进入步骤1033计算四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4的最终分配系数；

步骤1033，按照虚拟声源在接收点处产生的声压大小和质子速度方向与四个替换扬声器在接收点处产生的声压大小和质子速度方向相等的原则，计算得到多组虚拟声源的信号分配到四个替换扬声器信号的候选分配系数w₁,w₂,w₃,w₄如下，

$w_1=\frac{D_1}{D},w_2=\frac{D_2}{D},w_3=\frac{D_3}{D},w_4=g=1-w_1-w_2-w_3$

其中，中间变量D₁、D₂、D₃、D如下，

令参数g的变化范围是0～1，根据g的每个取值得到对应的一组候选分配系数w₁,w₂,w₃,w₄；

步骤1034，从步骤1033得到的多组虚拟声源的信号分配到四个替换扬声器信号的候选分配系数w₁,w₂,w₃,w₄中，取w₁,w₂,w₃,w₄全为正数的各组候选分配系数，从中取使得质子速度大小误差M0最小的一组作为最终分配系数c₁,c₂,c₃,c₄，进入步骤104。

而且，步骤1034中，从w₁,w₂,w₃,w₄全为正数的各组候选分配系数中，取使得质子速度大小误差M0最小的一组，通过以下方式实现，

计算各组候选分配系数的变量M1如下，

取变量M1最小值相应的一组作为使得质子速度大小误差M0最小的一组。

而且，当存在多个替换扬声器组时，对每个替换扬声器组分别执行步骤1和步骤2。

采用本发明提供的五扬声器系统精简为四扬声器系统的方法，相较于Ando的四个扬声器的平移方法合成一个虚拟声源的方法给出一系列扬声器的分配系数，但未给出最优的扬声器的分配系数，本专利的方法得到了四个扬声器合成一个虚拟声源的最优分配系数，有利于提升合成虚拟声源的效果。本发明不仅可用于一个虚拟声源被四个替换扬声器替换的情形，还可用于包含更多扬声器的系统中，将其中五个扬声器一组进行分组，每组作为一个单独的五扬声器系统按照本专利使用的方法进行替换的情形，可以实现多声道系统的精简。

附图说明

图1为本发明的主要流程图。

图2是本发明实施例的扬声器和虚拟声源相对位置图。

图3是本发明实施例的所选择的替换扬声器组构成球面多边形示意图。

具体实施方式

本发明针对摆放在同一球面上的五扬声器系统，提出了一种五扬声器系统精简为四扬声器系统的方法，该方法的核心技术是利用四个扬声器合成一个虚拟声源，以下结合附图和具体实施例详细说明本发明技术方案。

实施例的目标是将包含五个扬声器Sp0，Sp1、Sp2、Sp3、Sp4的多声道系统精简到包含四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4的多声道系统。如果五个扬声器位于同一个球面上，五个扬声器中存在四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4构成的球面四边形包含一个扬声器Sp0，四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4具有相同的物理特性，则可以使用四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4替换掉它们包围的一个扬声器Sp0。因此本发明主要利用四个扬声器合成一个虚拟声源，其中虚拟声源可以使用单个扬声器Sp0模拟。四个扬声器和虚拟声源均位于同一球面上，球面的球心位置为接收点。

实施例采用四个扬声器合成一个虚拟声源的方法实现四个扬声器替换一个虚拟声源(可使用单个扬声器模拟)的过程，包含以下步骤：

步骤1，获得四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4合成一个虚拟声源所分配得到的信号。参见图1，包括以下子步骤，

步骤101，判断虚拟声源与替换扬声器组的位置关系，确认虚拟声源位于四个替换扬声器所构成球面多边形区域内部。若确认是位于内部，则进入步骤102，若虚拟声源不是位于四个替换扬声器所构成球面多边形区域内部，则无法替换，结束流程。

替换扬声器的数目为四个，即替换扬声器组包括四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4。虚拟声源需要位于四个替换扬声器构成球面多边形区域内部，否则不能替换，并且四个替换扬声器构成球面多边形区域的面积越小越好；参见图2，空心点表示虚拟声源的位置，实心点表示替换扬声器所在位置：替换扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4分别位于球O表面的点C(330°,45°)、D(330°,10°)、E(30°,10°)、F(20°,45°)处，虚拟声源Sp0位于球O表面的点B(15°,35°)处，且点B位于球面四边形CDEF区域内部。替换扬声器所在点处构成的球面多边形应是替换扬声器所在点处构成的球面多边形中相对较小的球面多边形，如图3所示，其中空心点表示虚拟声源的位置，实心点表示替换扬声器所在位置。阴影区域表示扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4可以合成阴影区域(Sp1、Sp2、Sp3、Sp4所在点构成的球面四边形区域)内部任意点处的虚拟声源。

步骤102，获得扬声器位置信息：根据所述替换扬声器组，获得虚拟声源与四个替换扬声器的位置信息；

设以接收点为坐标原点O建立三维直角坐标系XYZ，本专利采用极坐标形式，如点A(ρ_A,θ_A,)坐标中，ρ_A表示点A与坐标原点之间的距离，θ_A表示点A与原点O之间连线在XOY平面的射影与X轴之间的夹角，表示点A与原点O之间连线与XOY平面之间的夹角。假设得到的虚拟声源Sp0坐标为B(ρ,θ,)，其余四个替换扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4的坐标分别为C(ρ,θ₁,)、D(ρ,θ₂,)、E(ρ,θ₃,)、F(ρ,θ₄,)。

本实施例中虚拟声源Sp0坐标为B(2,15⁰,35⁰)，其余四个替换扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4的坐标分别为C(2,330⁰,45⁰)、D(2,330⁰,10⁰)、E(2,30⁰,10⁰)、F(2,20⁰,45⁰)。

步骤103，分配系数计算：计算四个替换扬声器的初始分配系数，并确定最终分配系数。实施分为四个子步骤：步骤1031，1032，1033，1034。

步骤1031，按照虚拟声源在接收点处产生的声压大小和质子速度大小、方向与四个替换扬声器在接收点处产生的声压大小和质子速度大小、方向严格相等的原则，计算虚拟声源的信号分配到四个替换扬声器信号的初始分配系数f₁,f₂,f₃,f₄。

虚拟声源在接收点处产生的质子速度u_B为：

其中：

ρ表示虚拟声源Sp0所在位置与坐标原点O之间的距离；

θ表示虚拟声源Sp0所在位置与原点O之间连线在XOY平面的射影与X轴之间的夹角；

表示虚拟声源Sp0所在位置与原点O之间连线与XOY平面之间的夹角；

G表示在与一个扬声器单位距离处该扬声器的声压与扬声器处产生声压之比例系数；

e为数学常数；

i为虚部单位；

k为波数，f为声音信号频率；

c为声音在空气中的传播速度；

λ为空气密度；

s(ω)表示扬声器输入信号的傅里叶变换。

四个替换扬声器在接收点处产生的质子速度为：

其中：

θ_j表示替换扬声器j所在位置与原点O之间连线在XOY平面的射影与X轴之间的夹角，j＝1,2,3,4；

表示替换扬声器j所在位置与原点O之间连线与XOY平面之间的夹角，j＝1,2,3,4；

w_j分别表示替换扬声器j的信号分配系数，j＝1,2,3,4。

由(1)与(2)式相等得到：

虚拟声源Sp0在接收点处产生的声压p_B为：

$p_B=G\frac{e^{-ik\mathrm{\ρ}}}{\mathrm{\ρ}}s\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(4\right)$

四个替换扬声器在接收点处产生的声压为

$\tilde{p}=G\underset{j=1}{\overset{4}{\Σ}}\frac{e^{-ik\mathrm{\ρ}}}{\mathrm{\ρ}}{w}_{j}s\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(5\right)$

由(4)与(5)式相等计算得到：

w₁+w₂+w₃+w₄＝1(6)

由(3)与(6)式得到：

求解(7)式得到四个扬声器信号的初始分配系数，并记为f₁,f₂,f₃,f₄：

$f_1=\frac{F_1}{F_4},f_2=\frac{F_2}{F_4},f_3=\frac{F_3}{F_4},f_4=1-f_1-f_2-f_3---\left(8\right)$

其中，中间变量F₁、F₂、F₃、F₄如下，

步骤1032，判断步骤1031得到的初始分配系数f₁,f₂,f₃,f₄的符号。若初始分配系数f₁,f₂,f₃,f₄全为正值，则得到了四个替换扬声器信号的最终分配系数c₁＝f₁，c₂＝f₂，c₃＝f₃，c₄＝f₄，并进入步骤104，否则进入步骤1033继续获取计算四个替换扬声器的最终分配系数。

本实施例中按照公式(8)(9)(10)(11)(12)计算得到f₁＝-1.5284，f₂＝1.0180，f₃＝-0.7677，f₄＝2.2781不全为正数，因此需要进入步骤1033。

步骤1033，按照虚拟声源在接收点处产生的声压大小和质子速度方向与四个替换扬声器在接收点处产生的声压大小和质子速度方向相等的原则，计算得到一系列虚拟声源的信号分配到四个替换扬声器信号的分配系数w₁,w₂,w₃,w₄，为表示是另外的候选取值情况，采用w_l，l＝1,2,3,4表示。然后在后续步骤1034会从得到的四个替换扬声器信号的候选分配系数中选取使得质子速度误差最小的一组正数分配系数作为最终的四个扬声器信号分配系数。

(3)式中第一行，第二行分别除以第三行得到：

(13)式保证虚拟声源在接收点处产生的的声压和质子速度方向与四个替换扬声器在接收点处产生的声压和质子速度方向相等。(13)式联立(6)式可以求解得到：

$w_1=\frac{D_1}{D},w_2=\frac{D_2}{D},w_3=\frac{D_3}{D},w_4=g=1-w_1-w_2-w_3---\left(14\right)$

其中，中间变量D₁、D₂、D₃、D如下，

令参数g为第四个(Sp4，F处)替换扬声器的预设分配因子，可以由本领域技术人员自行预先设定调整方式，g的变化范围是0～1，g的变化将会引起w₁,w₂,w₃的变化，即根据g的每个取值得到对应的一组候选分配系数w₁,w₂,w₃,w₄。

本实施例中假设g的变化步长为0.01，取值如表1从0、0.01…0.99、1。当然在实际应用中也可以在0～1范围内任意设定，本实施例只是为了简化说明的方便。根据公式(14)(15)(16)(17)(18)，可以计算得到四个扬声器分配系数w₁,w₂,w₃,w₄的一系列候选值，参见表1。

表1信号分配系数

w1	w2	w3	w4＝g
				0.6282	-0.2305	0.6024	0
0.6187	-0.2251	0.5964	0.01
				0.6092	-0.2196	0.5904	0.02
...	...	...	...
				0.0507	0.1038	0.2355	0.61
0.0412	0.1093	0.2295	0.62

0.0318	0.1148	0.2235	0.63
				0.0223	0.1202	0.2175	0.64
0.0128	0.1257	0.2115	0.65
				0.0034	0.1312	0.2054	0.66
...	...	...	...
				-0.3185	0.3175	0.0010	1

步骤1034，从表1得到的四个替换扬声器信号的候选分配系数中，选取w₁,w₂,w₃,w₄全为正数的各组候选分配系数，分别带入公式(19)计算得到M0的值，使得M0最小(即使得质子速度大小误差最小)的一组正数分配系数作为最终的四个扬声器信号分配系数c₁,c₂,c₃,c₄，然后进入步骤104。

质子速度大小误差M0的求取公式如下：

其中：

u_B是虚拟声源在接收点处产生的质子速度；

u_j是第j个替换扬声器在接收点处产生的质子速度，j＝1,2,3,4；

对于一个给定的信号，给定的虚拟声源位置，四个替换扬声器的位置，是一个常数。因此要使M0最小，只需要使得(19)式中变量M1最小即可。因此具体实施时，可以无需对w₁,w₂,w₃,w₄全为正数的各组候选分配系数分别计算M0，直接分别计算变量M1，取M1最小的一组作为最终分配系数c₁,c₂,c₃,c₄即可。

本实施例中表1中使得(19)式的值最小的正数分配系数是w₁＝0.0034，w₂＝0.1312，w₃＝0.2054，w₄＝0.66，则将c₁＝0.0034，c₂＝0.1312，c₃＝0.2054，c₄＝0.66作为最终的四个扬声器信号分配系数，并进入到步骤104。

步骤104，分配信号，删除虚拟声源Sp0，将虚拟声源Sp0的信号乘以步骤3中的分配系数c₁＝0.0034，c₂＝0.1312，c₃＝0.2054，c₄＝0.66分配到四个替换扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4中。即获得四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4合成一个虚拟声源所分配得到的信号，实现使用一个扬声器Sp0模拟虚拟声源。

步骤2，计算得到包含四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4的多声道系统各个扬声器的信号，计算方法为第j个扬声器的原始信号加上步骤1中合成扬声器Sp0时第j个扬声器分配得到的信号，j＝1,2,3,4。

本发明还可扩展应用，当存在多个替换扬声器组时，对每个替换扬声器组分别执行步骤1和步骤2。这样本发明不仅可用于一个虚拟声源被四个替换扬声器替换的情形，还可用于包含更多扬声器的系统中，将其中五个扬声器一组进行分组，每组作为一个单独的五扬声器系统进行精简。例如是十个扬声器分为两组，精简为八个扬声器。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种五扬声器系统精简为四扬声器系统的方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1，设替换扬声器组包括四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4，获得四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4合成一个虚拟声源所分配得到的信号，使用一个扬声器Sp0模拟虚拟声源，所述四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4和虚拟声源Sp0均位于同一球面上，球面的球心位置为接收点；包括以下子步骤，

步骤101，判断虚拟声源与替换扬声器组的位置关系，确认虚拟声源Sp0位于四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4所构成球面多边形区域内部；

步骤102，获得虚拟声源Sp0与四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4的位置信息；

步骤103，计算确定四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4分别的初始分配系数，并确定相应最终分配系数c₁,c₂,c₃,c₄；

步骤104，将虚拟声源Sp0的信号分别乘以步骤103所得最终分配系数c₁,c₂,c₃,c₄后分配到相应扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4中，删除虚拟声源Sp0；

步骤2，对包含四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4的多声道系统，分别计算得到扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4的信号，计算方法为用单个扬声器的原始信号加上步骤1中所得该扬声器分配得到的相应信号；

所述步骤103包括以下子步骤，

步骤1031，按照虚拟声源在接收点处产生的声压大小和质子速度大小、方向与四个替换扬声器在接收点处产生的声压大小和质子速度大小、方向严格相等的原则，计算虚拟声源的信号分配到四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4的初始分配系数f₁,f₂,f₃,f₄如下，

$f=\frac{F_1}{F_4},f_2=\frac{F_2}{F_4},f_3=\frac{F_3}{F_4},f_4=1-f_1-f_2-f_3$

其中，中间变量F₁、F₂、F₃、F₄如下，

其中，

θ表示虚拟声源Sp0所在位置与原点O之间连线在XOY平面的射影与X轴之间的夹角；

表示虚拟声源Sp0所在位置与原点O之间连线与XOY平面之间的夹角；

θ_j表示替换扬声器j所在位置与原点O之间连线在XOY平面的射影与X轴之间的夹角，j＝1,2,3,4；

表示替换扬声器j所在位置与原点O之间连线与XOY平面之间的夹角，j＝1,2,3,4；

步骤1032，判断步骤1031得到的初始分配系数f₁,f₂,f₃,f₄的符号，若初始分配系数f₁,f₂,f₃,f₄全为正值，则得到了四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4的最终分配系数c₁＝f₁，c₂＝f₂，c₃＝f₃，c₄＝f₄，并进入步骤104，否则进入步骤1033计算四个扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4的最终分配系数；

步骤1033，按照虚拟声源在接收点处产生的声压大小和质子速度方向与四个替换扬声器在接收点处产生的声压大小和质子速度方向相等的原则，计算得到多组虚拟声源的信号分配到四个替换扬声器信号的候选分配系数w₁,w₂,w₃,w₄如下，

$w_1=\frac{D_1}{D},w_2=\frac{D_2}{D},w_3=\frac{D_3}{D},w_4=g=1-w_1-w_2-w_3$

其中，中间变量D₁、D₂、D₃、D如下，

令参数g的变化范围是0～1，根据g的每个取值得到对应的一组候选分配系数w₁,w₂,w₃,w₄；

步骤1034，从步骤1033得到的多组虚拟声源的信号分配到四个替换扬声器信号的候选分配系数w₁,w₂,w₃,w₄中，取w₁,w₂,w₃,w₄全为正数的各组候选分配系数，从中取使得质子速度大小误差M0最小的一组作为最终分配系数c₁,c₂,c₃,c₄，进入步骤104。

2.根据权利要求1所述五扬声器系统精简为四扬声器系统的方法，其特征在于：步骤1034中，从w₁,w₂,w₃,w₄全为正数的各组候选分配系数中，取使得质子速度大小误差M0最小的一组，通过以下方式实现，

计算各组候选分配系数的变量M1如下，

取变量M1最小值相应的一组作为使得质子速度大小误差M0最小的一组。

3.根据权利要求1或2所述五扬声器系统精简为四扬声器系统的方法，其特征在于：当存在多个替换扬声器组时，对每个替换扬声器组分别执行步骤1和步骤2。