CN104703111B - 一种房间混响合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种房间混响合成方法，通过利用房间混响镜像合成法合成早期反射，并以合成的早期反射为输入，在每个临界频带内利用参数方法计算出早期反射随时间衰减的曲线，并将每个频带内的曲线合并为一个所有频带范围内的曲面作为早期反射的EDR，利用该早期反射的EDR通过频域逼近方法求出逼近滤波器的系数作为FDN参数，通过反馈延时网络法对该FDN参数进行后期混响合成，进而合成房间混响，使本发明房间混响合成的方法具有了基于物理特性合成方法能够准确合成早期反射和基于感知合成方法的计算速度快的优点。

Description

一种房间混响合成方法

技术领域

本发明涉及房间声学、虚拟声场和声场控制等领域，主要面向三维音频重放提出一种高效的房间混响合成方法。

背景技术

房间混响描述了房间的声学特性，能够为声信号的感知增加空间属性。通过信号处理的方法对房间混响进行建模与合成，该方法具有很强的理论研究价值和广阔的应用前景。典型的应用包括：房间声学可视化、音效处理、虚拟声场重建和三维音频重放、影视后期制作等。房间混响合成方法粗略地可以分为旨在合成房间中声波传输物理特性的方法和基于听觉感知特性的房间混响合成方法。前者方法能够较为准确的合成房间的物理声学特性，然而计算量一般比较大，不能够实时实现；后者方法克服了前者的计算量大的问题，但是从物理特性上来讲，此种方法只是利用了房间声学效应，而非声信号传播的精确模拟，故合成的房间混响不够准确。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有的房间混响合成方法存在计算量大、混响不准确的技术问题，提供一种房间混响合成方法，从而为虚拟声场实时重建和三维音频实时重放提供重要的技术支撑。

为实现上述目的，本发明提供一种房间混响合成方法，所述的方法包括：

步骤1)设定房间声学环境的物理参数；

步骤2)根据步骤1)中获得的物理参数计算空气对声音的吸收值；

步骤3)利用步骤2)中获得的空气对声音的吸收值，通过下述计算公式求出声音在空气中传输时的声压衰减因子：

p＝exp(-a)

其中，p表示声压衰减因子，a表示空气对声音的吸收值；

步骤4)根据房间混响镜像合成法计算每个声像到接收位置的距离，然后依据步骤3)获得的声压衰减因子求出空气对声音吸收后的声压，该声压作为合成的早期反射，该声压的计算公式表示为：

p(d)＝p₀exp(-ad)

其中，p₀为原声源在空气中经过传输距离d之后的声压；

步骤5)以步骤4)中合成的早期反射为输入，在每个临界频带内利用参数方法计算出早期反射随时间衰减的衰减曲线，将每个频带内的衰减曲线合并为一个所有频带范围内的曲面作为早期反射的EDR，进而利用该早期反射的EDR通过频域逼近方法求出逼近滤波器的系数作为FDN参数；

步骤6)利用反馈延时网络法对步骤5)中获得的FDN参数进行后期混响合成；

步骤7)将测得的直达声、步骤4)中获得早期反射和步骤6)中获得的后期混响进行相加从而合成房间混响。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的吸收值通过下述公式计算：

$\begin{array}{c}a=f^2\[1.84\×{10}^{-11}{\left(\frac{p_s}{p_{s0}}\right)}^{-1}{\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{1/2}+{\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{-5/2}\\ \{\frac{1.278\×{10}^{-2}\exp (-2239.1/T)}{f_{r,O}+f^2/f_{r,O}}+\frac{1.068\×{10}^{-1}\exp (-3352/T)}{f_{r,N}+f^2/f_{r,N}}\}\]\end{array}$

其中，a为空气对声音的吸收值，f为声音的频率，p_s为大气压，p_s0为参考大气压，T为环境温度，T₀为参考空气温度，f_r,O、f_r,N分别为氧气与氮气的截止频率。

作为上述技术方案的进一步改进，所述房间声学环境的物理参数包括：房间大小、墙面吸声系数、空气湿度参数、空气温度参数、声源位置和声音的接收位置。

作为上述技术方案的进一步改进，所述FDN参数包括：增益和延时。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤5)中的衰减曲线的计算公式表示为:

${\hat{h}}_p\left(t\right)=\frac{\exp (-ad)}{8dr}\left\{\begin{array}{ccc}\frac{B_z}{\log \left(\frac{B_y}{B_x}\right)}\{Ei\[\log \left(\frac{B_z}{B_x}\right)\]+\log \[\log \left(\frac{B_z}{B_x}\right)\]-Ei\[\log \left(\frac{B_z}{B_y}\right)\]-\log \[\log \left(\frac{B_z}{B_y}\right)\]\},& if& B_x\≠B_y\≠B_z\\ \frac{B_z}{\log \left(\frac{B_z}{B}\right)}\{Ei\[\log \left(\frac{B_z}{B}\right)\]+\log \[\log \left(\frac{B_z}{B}\right)\]+r\},& ir& B_z=B_y\≠B_x\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}Bor{B}_z=B_x\≠B_y\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}B\\ \frac{B-B_z}{\log \left(\frac{B}{B_z}\right)}& if& B_z\≠B_x=B_y\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}B\\ B,& if& B_x=B_y=B_z\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}B\end{array}\right.$

其中，r＝0.57721，Ei表示一阶指数积分，d表示声音从声源到观测点的距离，t表示时间；且满足β为墙面的吸声系数，L_x、L_y和L_z分别表示房间的每一边长度，B_x、B_y和B_z表示不同墙面吸声系数的函数，表示“定义为”，x、y、z表示房间的三个维度。

本发明的一种房间混响合成方法的优点在于：

本发明通过利用房间混响镜像合成法(一种基于声物理传输特性的房间混响合成方法)合成早期反射，并以合成的早期反射为输入，在每个临界频带内利用参数方法计算出早期反射随时间衰减的曲线，并将每个频带内的曲线合并为一个所有频带范围内的曲面作为早期反射的EDR，利用该早期反射的EDR通过频域逼近方法求出逼近滤波器的系数作为FDN参数，通过反馈延时网络法(一种基于听觉感知特性的房间混响合成方法)对该FDN参数进行后期混响合成，进而合成房间混响，使本发明房间混响合成的方法具有了基于物理特性合成方法能够准确合成早期反射和基于感知合成方法的计算速度快的优点。

附图说明

图1是本发明的一种房间混响合成方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的房间混响合成方法进行详细说明。

房间混响主要包括三个部分：直达声、早期反射和后期混响。由于早期反射一般仅包括少数反射声成分，因此本发明通过利用房间混响镜像(image)合成法(一种基于声物理传输特性的房间混响合成方法)来合成早期反射；采用反馈延时网络(feedback delay network，FDN)合成后期反射。这种房间混响合成的方法具有了基于物理特性合成方法能够准确合成早期反射和基于感知合成方法的计算速度快的优点。

如图1所示，基于上述改进的房间混响合成方法的原理，本发明提供一种房间混响合成方法，所述的方法包括：

步骤1)设定房间声学环境的物理参数；

步骤2)根据步骤1)中获得的物理参数计算空气对声音的吸收值；

步骤3)利用步骤2)中获得的空气对声音的吸收值，通过下述计算公式求出声音在空气中传输时的声压衰减因子：

p＝exp(-a)

其中，p表示声压衰减因子，a表示空气对声音的吸收值；

步骤4)根据房间混响镜像合成法计算每个声像到接收位置的距离，然后依据步骤3)获得的声压衰减因子求出空气对声音吸收后的声压，该声压作为合成的早期反射，该声压的计算公式表示为：

p(d)＝p₀exp(-ad)

其中，p₀为原声源在空气中经过传输距离d之后的声压；

步骤5)以步骤4)中合成的早期反射为输入，在每个临界频带内利用参数方法计算出早期反射随时间衰减的衰减曲线，将每个频带内的衰减曲线合并为一个所有频带范围内的曲面作为早期反射的EDR，进而利用该早期反射的EDR通过频域逼近方法求出逼近滤波器的系数作为FDN参数；

步骤6)利用反馈延时网络法对步骤5)中获得的FDN参数进行后期混响合成；

步骤7)将测得的直达声、步骤4)中获得早期反射和步骤6)中获得的后期混响进行相加从而合成房间混响。

上述的镜像房间混响合成方法是通过将原声源经墙面反射的点用原声源的声像来模拟表示，而声像又作为新的声源进行映像，因此接收位置的声压是所有声源(包括映像声源)经过空气吸收、墙面的反射和吸收之后到达接收位置的声压之和。

如图1所示，基于上述实施例，本发明可以通过听感知测听选择合适的直达声增益控制参数和混响增益控制参数，从而来控制直达声和合成混响的比例，以调节音频信号输出的强弱。另外，所述的吸收值可以通过下述公式计算得出：

$\begin{array}{c}a=f^2\[1.84\×{10}^{-11}{\left(\frac{p_s}{p_{s0}}\right)}^{-1}{\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{1/2}+{\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{-5/2}\\ \{\frac{1.278\×{10}^{-2}\exp (-2239.1/T)}{f_{r,O}+f^2/f_{r,O}}+\frac{1.068\×{10}^{-1}\exp (-3352/T)}{f_{r,N}+f^2/f_{r,N}}\}\]\end{array}$

其中，a为空气对声音的吸收值，f为声音的频率，p_s为大气压，p_s0为参考大气压，T为环境温度，T₀为参考空气温度，f_r,O、f_r,N分别为氧气与氮气的截止频率。

另外，所述步骤5)中的衰减曲线的计算公式可表示为:

${\hat{h}}_p\left(t\right)=\frac{\exp (-ad)}{8dr}\left\{\begin{array}{ccc}\frac{B_z}{\log \left(\frac{B_y}{B_x}\right)}\{Ei\[\log \left(\frac{B_z}{B_x}\right)\]+\log \[\log \left(\frac{B_z}{B_x}\right)\]-Ei\[\log \left(\frac{B_z}{B_y}\right)\]-\log \[\log \left(\frac{B_z}{B_y}\right)\]\},& if& B_x\≠B_y\≠B_z\\ \frac{B_z}{\log \left(\frac{B_z}{B}\right)}\{Ei\[\log \left(\frac{B_z}{B}\right)\]+\log \[\log \left(\frac{B_z}{B}\right)\]+r\},& ir& B_z=B_y\≠B_x\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}Bor{B}_z=B_x\≠B_y\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}B\\ \frac{B-B_z}{\log \left(\frac{B}{B_z}\right)}& if& B_z\≠B_x=B_y\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}B\\ B,& if& B_x=B_y=B_z\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}B\end{array}\right.$

其中，r＝0.57721，Ei表示一阶指数积分，d表示声音从声源到观测点的距离，t表示时间；且满足β为墙面的吸声系数，L_x、L_y和L_z分别表示房间的每一边长度，B_x、B_y和B_z表示不同墙面吸声系数的函数，表示“定义为”，x、y、z表示房间的三个维度。

所述房间声学环境的物理参数包括：房间大小、墙面吸声系数、空气湿度参数、空气温度参数、声源位置和声音的接收位置。所述FDN参数包括：增益和延时。

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 (4)

1.一种房间混响合成方法，其特征在于，所述的方法包括：

步骤1)设定房间声学环境的物理参数；

步骤2)根据步骤1)中获得的物理参数计算空气对声音的吸收值；

步骤3)利用步骤2)中获得的空气对声音的吸收值，通过下述计算公式求出声音在空气中传输时的声压衰减因子：

p＝exp(-a)

其中，p表示声压衰减因子，a表示空气对声音的吸收值；

步骤4)根据房间混响镜像合成法计算每个声像到接收位置的距离，然后依据步骤3)获得的声压衰减因子求出空气对声音吸收后的声压，该声压作为合成的早期反射，该声压的计算公式表示为：

p(d)＝p₀exp(-ad)

其中，p₀为原声源在空气中经过传输距离d之后的声压；

步骤5)以步骤4)中合成的早期反射为输入，在每个临界频带内利用参数方法计算出早期反射随时间衰减的衰减曲线，将每个频带内的衰减曲线合并为一个所有频带范围内的曲面作为早期反射的EDR，进而利用该早期反射的EDR通过频域逼近方法求出逼近滤波器的系数作为FDN参数；

步骤6)利用反馈延时网络法对步骤5)中获得的FDN参数进行后期混响合成；

步骤7)将测得的直达声、步骤4)中获得早期反射和步骤6)中获得的后期混响进行相加从而合成房间混响；

所述步骤5)中的衰减曲线的计算公式表示为:

${\hat{h}}_p\left(t\right)=\frac{\exp (-ad)}{8dr}\left\{\begin{array}{cc}\frac{B_z}{\log \left(\frac{B_y}{B_x}\right)}\{Ei\[\log \left(\frac{B_z}{B_x}\right)\]+\log \[\log \left(\frac{B_z}{B_x}\right)\]-Ei\[\log \left(\frac{B_z}{B_y}\right)\]-\log \[\log \left(\frac{B_z}{B_y}\right)\]\},& if{B}_x\≠B_y\≠B_z\\ \frac{B_z}{\log \left(\frac{B_z}{B}\right)}\{Ei\[\log \left(\frac{B_z}{B}\right)\]+\log \[\log \left(\frac{B_z}{B}\right)\]+r\},& if{B}_z=B_y\≠B_x\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}Bor{B}_z=B_x\≠B_y\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}B\\ \frac{B-B_z}{\log \left(\frac{B}{B_z}\right)}& if{B}_z\≠B_x=B_y\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}B\\ B,& if{B}_x=B_y=B_z\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}B\end{array}\right.$

其中，r＝0.57721，Ei表示一阶指数积分，d表示声音从声源到观测点的距离，t表示时间；且满足β为墙面的吸声系数，L_x、L_y和L_z分别表示房间的每一边长度，B_x、B_y和B_z表示不同墙面吸声系数的函数，表示“定义为”。

2.根据权利要求1所述的房间混响合成方法，其特征在于，所述的吸收值通过下述公式计算：

$\begin{array}{c}a=f^2\[1.84\×{10}^{-11}{\left(\frac{p_s}{p_{s0}}\right)}^{-1}{\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{1/2}+{\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{-5/2}\\ \left\{\frac{1.278\×{10}^{-2}\exp (-2239.1/T)}{f_{r,O}+f^2/f_{r,O}}+\frac{1.068\×{10}^{-1}\exp (-3352/T)}{f_{r,N}+f^2/f_{r,N}}\right\}\]\end{array}$

其中，a为空气对声音的吸收值，f为声音的频率，p_s为大气压，p_s0为参考大气压，T为环境温度，T₀为参考空气温度，f_r,O、f_r,N分别为氧气与氮气的截止频率。

3.根据权利要求1所述的房间混响合成方法，其特征在于，所述房间声学环境的物理参数包括：房间大小、墙面吸声系数、空气湿度参数、空气温度参数、声源位置和声音的接收位置。

4.根据权利要求1所述的房间混响合成方法，其特征在于，所述FDN参数包括：增益和延时。