CN104270693A - 虚拟耳机 - Google Patents

Abstract

虚拟耳机，包括位置传感器和音频处理系统，以及与音频处理系统连接的扬声器阵列，所述扬声器阵列包括至少四个扬声器；所述位置传感器能够对目标收听者的耳廓进行定位，并将定位信息发送至音频处理系统；所述音频处理系统由依次信号连接的音频信号接收头、AD转换器、处理器和与处理器连接的多个音频发射通道组成，所述音频发射通道由DA转换器和音频放大器组成，所述DA转换器连接处理器，音频放大器连接扬声器。本发明还公开了一种虚拟耳机音频聚焦方法。本发明给收听者提供了一个隐秘的私人声音环境，既保护了隐私又不会对其他人员形成干扰。

Description

虚拟耳机

技术领域

本发明属于电子通信领域，涉及一种无线音频信号传输装置，特别是涉及一种虚拟耳机。

背景技术

在某些特殊场合如室内环境、车载环境等，有时需要为个人创造私人的听觉空间。如驾驶员驾车过程中接听电话时，为安全起见必须免提接听电话，现有的车载免提设备均使用车载音响设备，实际使用中，这些车载免提设备虽然能免提通话，却无法提供隐秘通话功能，如果通话内容涉及隐私而不想为车内其他成员听到，驾驶员只能使用有线耳机或者蓝牙耳机接听电话，佩戴不舒适，操作繁琐，而且使用过程中存在一定的安全隐患。再如一些老年人家庭中，有听力障碍的老年人在收听收音机或者看电视的时候总是需要很大的音量，而这么大的音量超出其他听力正常的人的接受范围，从而带来很多负面影响。类似的场景不一一列举，使用传统扬声器装置均不能很好的解决问题。

发明内容

为克服传统扬声器所存在的缺陷，本发明公开了一种虚拟耳机。

本发明所述虚拟耳机，包括位置传感器和音频处理系统，以及与音频处理系统连接的扬声器阵列，所述扬声器阵列包括至少两个扬声器；

所述位置传感器能够对目标收听者的耳廓进行定位，并将定位信息发送至音频处理系统；

所述音频处理系统由依次信号连接的音频信号接收头、AD转换器、处理器和与处理器连接的多个音频发射通道组成，所述音频发射通道由DA转换器和音频放大器组成，所述DA转换器连接处理器，音频放大器连接扬声器；

所述处理器与位置传感器连接，所述处理器根据定位信息控制扬声器阵列中每一扬声器对应的音频发射通道的输入信号的延时长短与幅度大小，使不同扬声器发出的声信号到达耳廓所处位置的时间和幅度均相同。

优选的，所述位置传感器为双目视觉图像定位装置。

进一步的，所述双目视觉图像定位装置还包括照明装置，所述照明装置上设置有光线传感器，所述照明装置的控制端与光线传感器和处理器连接。

优选的，所述扬声器阵列为共形阵。

优选的，扬声器阵列的物理口径尺寸D>(R×λ/2)^1/2；

其中D为阵列物理口径尺寸，R为目标收听者与扬声器阵列中心位置的距离，λ为音频信号波长。

具体的，所述音频处理系统为具备多通道输出的音频处理器，包括但不限于 LM48901、LM48903、ADAU1701、CS47048。

优选的，所述扬声器阵列包括至少四个扬声器。

本发明还公开了一种虚拟耳机音频聚焦方法，包括如下步骤:

S1位置传感器对目标收听者的耳廓进行定位，并将定位信息发送至音频处理系统中的处理器；

S2处理器根据定位信息计算扬声器阵列中每一扬声器与目标收听者耳廓的距离，并控制对应音频发射通道的输入音频信号的延时长短与幅度大小，使不同扬声器发出的声信号到达耳廓所处位置的时间相同、幅度相同。

优选的，所述位置传感器对目标收听者的耳廓进行定位的方法采用双目视觉图像定位方法。

优选的，所述步骤S2具体为：

S21处理器根据耳廓定位信息计算出每一扬声器与目标收听者的耳廓距离分别为R₁、R₂、……R_N，对应的声波传播延时分别为t₁、t₂、……t_N，N为扬声器总数；

S22根据α=e^-β×R/2计算各个扬声器到达耳廓的声波传输衰减α₁、α₂、……α_N，其中β为声波距离衰减因子；

S23找出声波传输延时中的最大值t_max和声波传输衰减中的最大值α_max，则处理器对各音频通道的延时量为τ_i=t_max-t_i，i=1，……N，幅度加权值为A_i=α_max/α_i，i=1，……N。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过位置传感器获取收听者耳廓位置，并由音频处理系统控制各个不同声音通道的延时和幅度，从而使得扬声器阵列中不同声音通道的能量准确在收听者耳廓处聚焦，而在场景内其他位置处均不能聚焦。由此给收听者提供了一个隐秘的私人声音环境，既保护了隐私又不会对其他人员形成干扰。

附图说明

图1为本发明所述虚拟耳机内部结构示意图；

图2为实施例1示出的虚拟耳机在车内安装的平面示意图；

图3为双目视觉图像定位原理图

图4为实施例1所述虚拟耳机的内部结构示意图；

图5为具体实施例1的效果曲线图；

图6为实施例2示出虚拟耳机在车内安装的平面示意图；

图7为实施例2所述虚拟耳机的内部结构示意图；

图8为具体实施例2的效果曲线图；

图9为实施例3示出虚拟耳机在室内安装示意图；

图10为具体实施例3的效果曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明所述虚拟耳机，如图1所示，包虚拟耳机，其特征在于，包括位置传感器和音频处理系统，以及与音频处理系统连接的扬声器阵列，所述扬声器阵列包括至少四个扬声器；

所述位置传感器能够对目标收听者的耳廓进行定位，并将定位信息发送至音频处理系统；

所述音频处理系统由依次信号连接的音频信号接收头、AD转换器、处理器和与处理器连接的多个音频发射通道组成，所述音频发射通道由DA转换器和音频放大器组成，所述DA转换器连接处理器，音频放大器连接扬声器；

所述处理器与位置传感器连接，所述处理器根据定位信息，计算扬声器阵列中每一扬声器与目标收听者耳廓的距离，并控制对应音频发射通道的输入音频信号的延时长短与幅度大小，使不同扬声器发出的声信号到达耳廓所处位置的时间相同、幅度相同。

扬声器阵列由至少两个普通小型扬声器单元组成，但当阵元数小于四个时，目标位置与空间其它位置的声音强度差别不大，不能保证虚拟耳机发出的声音仅能被目标位置的人听到，因此优选设置为四个扬声器单元。扬声器阵列安装在较开阔的位置，只要是能够直接在虚拟耳机目标收听者左耳或者右耳处产生聚焦效果而不受物体遮挡的位置均可。扬声器阵列优选为共形阵，即各扬声器单元安装在载体表面，其排列与载体表面形状一致，载体可以是任何物体，如墙壁或天花板某片区域、壁画边框、汽车车顶、汽车车门边框等。扬声器阵列可以是线状阵列，也可以是面状阵列，所有扬声器单元可以在一个平面上，也可以不在同一个平面，其阵列单元可以均匀分布也可以非均匀分布。扬声器阵列的尺寸不能过小，须保证目标收听者可能活动的区域均处于扬声器阵列的近场，根据天线的近场条件，可知阵列物理口径尺寸需满足D>(R×λ/2)^1/2，其中R为在本发明装置作用区域内目标收听者与扬声器阵列中心位置的最大距离，λ为音频信号波长，发明装置保证在语音信号频率范围（300Hz~3.4KHz）内正常使用，因此取语音信号波长的最大值，即λ=1.13m进行近似计算。扬声器阵列中的每个扬声器单元相互独立，但功能相同，都是将音频电信号转换成声音信号。扬声器阵列的信号输入端与音频处理系统的信号输出端相连，各扬声器单元的输入音频电信号分别由音频处理系统的各音频通道给出。

音频处理系统中的音频信号接收头与音频信号源（如车载电话、收音机、电视机）的信号输出端相连。其输入音频电信号经过AD转换器转换成数字音频信号，并发送至处理器。处理器根据位置传感器对目标收听者耳廓进行定位得到的信息，对数字音频信号进行不同延时和幅度加权处理得到多路数字音频信号，并输入到各个音频发射通道，分别经过DA转换器转换成模拟音频信号并由音频放大器进行放大，最后传输给扬声器阵列中的特定扬声器单元。

扬声器阵列中各个扬声器均与对应的音频发射通道连接，其作用是将不同的声音通道的音频电信号转换成声音能量。为实现声音聚焦，声波从不同扬声器单元到达目标收听者耳朵的时间应该相同，信号幅度也应该相同。由于各个扬声器单元到达的传播距离不同，因此不同通道的声波从发出到接收的延时和幅度衰减都不同。扬声器阵列产生的能量要能够准确地在目标收听者耳廓处聚焦，则需要处理器对不同通道的音频信号进行精确的延时和幅度加权控制。

具体而言，设扬声器阵列中阵元数目为N，处理器根据位置传感器提供的位置信息和扬声器阵元位置信息（已知）计算出N个扬声器阵元与目标收听者的耳廓距离分别为R₁、R₂、……R_N，其对应的声波传播延时分别为t₁、t₂、……t_N（利用公式t=R/v获得，其中v为声波传播速度，可以取v=340m/s），对应的声波传播衰减分别为α₁、α₂、……α_N（利用公式α=e^-β×R/2获得，其中β为声波距离衰减因子，可以取β=0.25dB/m）。找出t₁~t_N中的最大值t_max，α₁~α_N中的最大值α_max，则处理器对各音频通道的延时量为τ_i=t_max-t_i，i=1，……N，幅度加权值为A_i=α_max/α_i，i=1，……N。

不同通道的音频信号经过不同延时和不同幅度加权，传输到各个对应的扬声器单元转换成声波，声波经过不同路径的传播，产生不同的延时和幅度衰减最终到达目标收听者耳廓。经过处理器对各声音通道的延时和幅度加权处理，以及声信号经过不同路径传播实际产生的延时和幅度衰减，最终效果是不同声音通道发出的声信号在到达目标收听者耳廓处时的总延时相同，幅度也相同，因此能够能量聚焦，所有扬声器单元的声音能量在目标位置叠加达到最佳收听效果，而在场景内的其他位置，声音能量均无以上聚焦效果，因此通过控制整体音量，可以使得其他人员无法听到声音而只有目标人员能接收扬声器阵列播放的内容。

实际环境中，由于目标收听者头部位置并不固定，如人员走动或晃动均使得收听者耳廓位置的不是固定在某一特定位置，而是在一片区域内无规律分布。为了使目标收听者在任何位置均能正常使用本发明装置，发明装置中还包括位置传感器，它能够实时获取收听者耳廓的三维位置信息。当收听者头部移动时，位置传感器向处理器实时地提供收听者耳廓的位置，处理器根据当前耳廓的位置控制不同音频通道的延时量与幅度加权值，使得声音能量始终刚好在收听者的耳廓处聚焦，实现一种声波束自动跟踪收听者耳朵的效果。使得不论收听者如何移动，其始终能准确接收扬声器阵列所发出的声音。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：使用共形扬声器阵列传播声音能量，通过位置传感器获取收听者耳廓位置，并由音频处理系统控制各个不同声音通道的延时和幅度，从而使得扬声器阵列中不同音频通道的能量准确在收听者耳廓处聚焦，而在场景内其他位置处均不能聚焦。由此给收听者提供了一个隐秘的私人声音环境，既保护了隐私又不会对其他人员形成干扰。

    以下给出本发明的三个具体实施例，

实施例一

本实施例是本发明的一种实现方式，应用场景在汽车中。图2是车载虚拟耳机在车内安装的平面图。卡车、公交车、轮船、飞机等其他类型的交通工具也可以安装本发明的虚拟耳机，在本实施例中，该交通工具是汽车。虚拟耳机包括独立的的小型扬声器阵列201、位置传感器202、203和音频处理系统205。

该扬声器阵列201包括多个扬声器单元。扬声器阵列分布在位于车内驾驶员一侧的A柱以及A柱向上延伸（前车窗与车顶结合部位）所构成的弧形区域，扬声器阵列沿着该弧形区域呈线形非均匀排列，按行车方向从后往前由稀变密。扬声器阵列中的扬声器是宽带的，频率范围为300Hz到3.4KHz。此外，扬声器单元的直径可以很小，本实施例采用直径大约12.5mm的扬声器单元，扬声器单元数目为16个，扬声器阵列的物理孔径必须足够大，保证目标收听者可能活动的区域均在扬声器阵列的近场内，本实施例中的扬声器阵列孔径D为1.26m，目标收听者与扬声器阵列中心的距离R的范围为0.3~1m，音频信号波长λ为0.1~1.13m，分别取最大值进行计算R=1m、λ=1.13m，则(R×λ/2)^1/2≈0.75m，可知阵列孔径始终满足条件 D>(R×λ/2)^1/2，即目标收听者的耳廓始终在扬声器阵列的近场范围内。

本实施例中，位置传感器为双目视觉图像定位装置，具体包括两个微型摄像头202和203，其中一个摄像头203位于B柱与车顶结合的部位，另一个摄像头202位于A柱与车顶结合的部位。两个微型摄像头均对准驾驶员头部左侧进行成像，由处理器进行图像处理并计算出驾驶员左耳廓的三维位置信息，并发送至音频处理系统中的处理器。本实施例中图像处理获取位置信息的功能由音频处系统中的处理器完成，即摄像头202和203直接与音频处理系统中的处理器相连。

下面具体阐述双目视觉图像定位装置定位方法：设两个摄像机采用交向摆放对称姿态，即两光轴不平行，如图3所示。设两摄像机坐标系分别为O₁X₁Y₁Z₁、O₂X₂Y₂Z₂,轴Z₁与轴Z₂相交于P，两坐标系原点间距为L。世界坐标系O_wX_wY_wZ_w与O₁X₁Y₁Z₁重合。轴Z与轴Z与对称轴偏角为θ。设两摄像头完全相同，焦距均为f。设目标收听者耳廓处于点Q（x,y,z），其对应的像点坐标分别为（x₁,y₁）、（x₂,y₂）。根据小孔成像原理及坐标变换理论可得耳廓的三维坐标分别为【参考文献：1.机器人双目视觉定位技术研究.林琳.西安电子科技大学硕士学位论文.2. 基于CMOS的双目视觉定位系统的设计.郑志强.国防科技大学学报】：

为了保证在夜间行车时本发明装置仍能正常使用，虚拟耳机还需要一个照明装置204，具体包括一个低亮度的光源，和一个自动开关，当有来电且摄像头的图像亮度不足时自动打开，本实施例中照明光源位于车内靠驾驶员一侧的B柱与前车门结合的部位，对准驾驶员左耳可能的活动区域。

音频处理系统205包括AD转换器、处理器以及多个DA转换器和音频放大器组成的音频发射通道。AD转换器由一个ADC芯片构成，设采样率为1MHz，将手机输出的音频信号采集成数字音频信号并传输给处理器。所述处理器用现场可编程门阵列（FPGA）或者数字信号处理器（DSP）实现。音频发射通道中的DA转换器使用多片DAC芯片，其采样率为1MHz，用于将对应音频通道中的数字音频信号转换成模拟音频信号。音频放大器组采用多片音频放大芯片实现。对应音频通道与扬声器阵列中的对应扬声器单元相连。

实施例所示出的装置的具体结构如图4所示。处理器接收双目视觉图像定位装置得到的驾驶员左耳廓的三维位置信息，结合事先已知的各个扬声器单元的位置信息，计算出各个扬声器单元与驾驶员耳廓的距离，从而确定各个音频通道延时的时间，通过多个数字延时滤波器，对ADC输出的数字音频信号进行对应的延时处理，产生多路数字音频信号，各路数字音频信号经过DAC转换芯片和音频放大芯片处理，最终传输给对应扬声器单元转换成声音能量。

对于驾驶员而言，每一个扬声器单元发出的声波相当于从一个声源发出并经过不同路径传播后同时等幅到达耳廓，其效果相当于同时收听到16个扬声器单元叠加的声音能量，可以通过调整音量达到正常入耳式耳塞的音量大小。此时，车内其他位置均只能接收到单个扬声器单元的声音能量，因此不足以听到通话内容。当驾驶员头部位置移动时，双目视觉图像定位装置实时捕获其耳廓的新的位置发送给处理器，处理器通过调整各个音频通道的延时量，使得声波束自动跟踪驾驶员耳廓，不论驾驶员头部如何移动，都能准确接收虚拟耳机发送的内容。当在夜间行车有来电时，照明装置自动打开，照亮驾驶员头部左侧，使得发明装置在夜间也能正常工作。

使用Matlab对本实施例的效果进行的仿真，设车内空间在水平面的投影为1.5×2.5米的矩形，如图建立直角坐标系，设驾驶员左耳的位置坐标为（0.27，1.50，-0.2）（单位：米，下同），16个扬声器阵元的坐标及各扬声器阵元的延时与幅度加权值如下表所示。

如图5所示，图中三条曲线表示三个位置处的声音强度随频率变化的曲线，其中三个位置分别为驾驶员左耳处（虚拟耳机的目标位置）、副驾左耳处（坐标为（1，1.5，-0.2））以及后排乘客中间位置（坐标为（0.65，0.3，-0.2）），后两个位置是随机选取的车上乘客可能的位置。频率范围覆盖语音信号频率300KHz~3.4KHz。从图中易看出目标位置处的声音强度曲线平稳，而在后两个位置处的声音强度有较大衰减，而且不同频率衰减程度不同，存在明显的失真。仿真中选取的副驾左耳处以及后排乘客中间位置是车上乘客具有代表性的位置，选择其他可能的位置得到的效果相同，均存在明显的失真现象，可见只有驾驶员左耳处能正常接收虚拟耳机播放的内容。

实施例二

本实施例是本发明的另一种实现方式。在本实施例中，应用场景仍然是汽车。车载虚拟耳机包括独立的小型扬声器阵列401、位置传感器402、403、406和音频处理系统405，图6是虚拟耳机在车内安装的平面示意图。

与实施例一中所示出的车载虚拟耳机不同的是本实施例中的装置的位置不同，本实施例中所有装置均针对驾驶员右侧耳廓安装。扬声器单元与实施例一相同，但是所组成的扬声器阵列为方阵，布置位置为驾驶员右耳对应的车内顶部，扬声器单元共16个，采用均匀分布形式，照明装置紧靠着扬声器阵列。位置传感器与实施例一相同，采用双目视觉图像定位装置，具体包括两个摄像头402、403，且仍然需要照明装置404来保证夜晚行车时正常使用，其位置位于扬声器阵列的前后两侧（沿行车方向）。本实施例中的负责图像处理并计算出耳廓位置的处理器是一个独立的处理器406，其计算出驾驶员耳廓位置信息并传输给音频处理系统。

发明装置中的音频处理系统可以直接使用立体声空间阵列集成电路通过级联构成，所述立体声空间阵列集成电路为具备多通道输出的音频处理器，现有的多款集成电路芯片可以实现，例如LM48901、LM48903、ADAU1701、CS47048等。

本实施例中的音频处理系统采用4片LM48901组成，如图7所示。LM48901是内建4通道音频空间阵列芯片，它整合空间处理DSP、4通道D类放大器、18位元立体声类比/数位转换器(ADC)、锁相回路(PLL)，采用菊花链结构可以轻松产生多通道音频信号。本实施例中采用一片LM48901作为主控芯片，主控芯片通过I2C接口挂接其余3片LM48901。主控芯片中的ADC对手机输出的音频信号进行采样变换成数字音频信号，并传输给DSP模块，同时DSP模块接收双目视觉图像定位装置发送的驾驶员右耳廓的三维位置信息，对其进行处理后得到扬声器阵列中不同扬声器单元到驾驶员右耳廓的距离，再计算出所有扬声器单元的延时量和幅度衰减量，并利用数字延时滤波器对ADC所采集的数字音频信号进行对应的延时处理和幅度加权处理，最终得到16路音频信号，分别传送给对应的扬声器单元。

本实施例与实施例一所示出的装置不同，但是其最终效果相同。不论是白天还是夜晚，不论驾驶员身高如何，体形如何，驾车姿势如何，虚拟耳机均能自动将声波束对准其右耳廓，保证其在正常驾车的同时，准确接收手机通话内容，舒适的通信。

使用Matlab对本实施例的效果进行的仿真，设车内空间在水平面的投影为1.5×2.5米的矩形，如图建立直角坐标系，设驾驶员右耳的位置在坐标为（0.47，1.5，-0.2）的位置，16个扬声器阵元的坐标分别为（0.55，1.25，0）、（0.625，1.25，0）、（0.70，1.25，0）、（0.775，1.25，0）、（0.55，1.40，0）、（0.625，1.40，0）、（0.70，1.40，0）、（0.775，1.40，0）、（0.55，1.55，0）、（0.625，1.55，0）、（0.70，1.55，0）、（0.775，1.55，0）、（0.55，1.70，0）、（0.625，1.70，0）、（0.70，1.70，0）、（0.775，1.70，0）。

如图8所示，图中三条曲线表示三个位置处的声音强度随频率变化的曲线，其中三个位置分别为驾驶员右耳处（虚拟耳机的目标位置）、副驾左耳处（坐标为（1，1.5，-0.2））以及后排乘客中间位置（坐标为（0.65，0.3，-0.2））。同实施例一，易从图中看出在其他位置处的声音强度有较大衰减，而且不同频率衰减程度不同，存在明显的失真，而只有目标位置（驾驶员右耳）处的声音强度曲线平稳，能正常接收虚拟耳机播放的内容。

实施例三

本实施例与前两个实施例不同的是应用场景是在室内，针对有特殊需求的个人，如听力有障碍的老年人等。如图9所示，虚拟耳机包括独立的的小型扬声器阵列601、位置传感器602、603和音频处理系统605。

扬声器阵列601包含至少4个扬声器单元，安装的载体可以是室内的任何物体表面，如墙壁或天花板、壁画边框等。本实施例示出的虚拟耳机采用16个扬声器单元，其均匀分布在室内客厅天花板的正方形灯具外壳边缘，呈矩形均匀分布，每条边布置4个扬声器单元，扬声器单元采用直径12.5mm的小型扬声器。

位置传感器采用双目视觉图像定位装置，具体包括两个摄像头602、603位于室内同一面墙角两侧，镜头对准室内空间，采集室内图像。

本实施例中的音频处理系统605与实施例一中的音频处理系统205的结构和功能均相同，安装位置位于扬声器阵列所在的灯具内部。考虑到本实施例的场景是室内家居环境，发明装置的信号输入可能是电视机或收音机等家电输出的音频信号，其频率范围为20Hz~20KHz，为了保证虚拟耳机的性能，音频处理系统需要对输入信号进行额外的带通滤波处理，仅保留语音信号频率范围300Hz~3.4KHz。处理后音频信号的频率范围与前两个实施例完全相同，音频信号波长λ为0.1~1.13m。本实施例中取目标收听者与扬声器阵列中心的距离R的范围为1.3~4.3m。分别取最大值进行计算R=4.3m、λ=1.13m，则(R×λ/2)^1/2≈1.56m，可知要保证目标收听者的耳廓始终在扬声器阵列的近场范围内，阵列孔径需满足条件 D>1.56m。本实施例中取扬声器阵列孔径D为1.92m即满足要求。 

利用Matlab对本实施例进行仿真，设房间长6米，宽5米，高3米，如图9所示以房间的某底角为坐标原点建立XYZ三坐标直角坐标系，设虚拟耳机的目标收听者某时刻处于某位置，其面向两个摄像头的耳朵耳廓坐标为（3，3.5，1.55），选取房间内其他任意两个位置，其位置坐标分别为位置1（4.5，1.5，1.55）和位置2（1.1，1.4，1.55）。假设16个扬声器单元均匀分布在房间天花板正中间位置的灯具之四周，相邻单元的间距约0.4米。设扬声器输入信号为电视机的音频输出信号，通过音频处理系统605控制各扬声器单元输入信号的延时和幅度，使得所有扬声器单元发出的声音在目标收听者耳廓处聚焦，且仅在这一位置处聚焦。仿真结果如图10所示，图中三条曲线分别反映了房间内三个位置接收虚拟耳机声音的情况，易知房间内其他两个位置相比目标收听者位置接收到的声音衰减很大，而且衰减程度与频率有关，部分频率衰减到接近0。当目标收听者在室内走动时，双目视觉图像定位装置实时采集室内图像数据并进行处理得出目标收听者耳廓位置信息，音频处理系统利用该信息改变各音频通道的延时和幅度，使得各扬声器单元发出的声音始终在目标收听者位置处聚焦。

本发明中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。 

Claims (10)

1.虚拟耳机，其特征在于，包括位置传感器和音频处理系统，以及与音频处理系统连接的扬声器阵列，所述扬声器阵列包括至少两个扬声器；

所述位置传感器能够对目标收听者的耳廓进行定位，并将定位信息发送至音频处理系统；

所述音频处理系统由依次信号连接的音频信号接收头、AD转换器、处理器和与处理器连接的多个音频发射通道组成，所述音频发射通道由DA转换器和音频放大器组成，所述DA转换器连接处理器，音频放大器连接扬声器；

所述处理器与位置传感器连接，所述处理器根据定位信息控制扬声器阵列中每一扬声器对应的音频发射通道的输入信号的延时长短与幅度大小，使不同扬声器发出的声信号到达耳廓所处位置的时间和幅度均相同。

2.如权利要求1所述的虚拟耳机，其特征在于，所述位置传感器为双目视觉图像定位装置。

3. 如权利要求2所述的图像定位装置，其特征在于，所述双目视觉图像定位装置还包括照明装置，所述照明装置上设置有光线传感器，所述照明装置的控制端与光线传感器和处理器连接。

4.如权利要求1所述的虚拟耳机，其特征在于，所述扬声器阵列为共形阵。

5. 如权利要求1所述的虚拟耳机，其特征在于，扬声器阵列的物理口径尺寸D>(R×λ/2)^1/2；

其中D为阵列物理口径尺寸，R为目标收听者与扬声器阵列中心位置的距离，λ为音频信号波长。

6.如权利要求1所述的虚拟耳机，其特征在于，所述音频处理系统为具备多通道输出的音频处理器，包括但不限于 LM48901、LM48903、ADAU1701、CS47048。

7.如权利要求1所述的虚拟耳机，其特征在于，所述扬声器阵列包括至少四个扬声器。

8.虚拟耳机音频聚焦方法，其特征在于，包括如下步骤:

S1位置传感器对目标收听者的耳廓进行定位，并将定位信息发送至音频处理系统中的处理器；

S2处理器根据定位信息计算扬声器阵列中每一扬声器与目标收听者耳廓的距离，并控制对应音频发射通道的输入音频信号的延时长短与幅度大小，使不同扬声器发出的声信号到达耳廓所处位置的时间相同、幅度相同。

9.如权利要求8所述的虚拟耳机音频聚焦方法，其特征在于，所述位置传感器对目标收听者的耳廓进行定位的方法采用双目视觉图像定位方法。

10.如权利要求8所述的虚拟耳机音频聚焦方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

S21处理器根据耳廓定位信息计算出每一扬声器与目标收听者的耳廓距离分别为R₁、R₂、……R_N，对应的声波传播延时分别为t₁、t₂、……t_N，N为扬声器总数；

S22根据α=e^-β×R/2计算各个扬声器到达耳廓的声波传输衰减α₁、α₂、……α_N，其中β为声波距离衰减因子；

S23找出声波传输延时中的最大值t_max和声波传输衰减中的最大值α_max，则处理器对各音频通道的延时量为τ_i=t_max-t_i，i=1，……N，幅度加权值为A_i=α_max/α_i，i=1，……N。