CN104969571B - 用于渲染立体声信号的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于相对于所希望的方向(201)在第一扬声器(401)和第二扬声器(403)上渲染立体声音频信号(402)的方法(500)，所述立体声音频信号(402)包括第一音频信号成分(L)和第二音频信号成分(R)，所述方法(500)包括：(501)为所述第一扬声器(401)提供基于所述第一音频信号成分(L)和第一差信号(diff_L)的组合的第一渲染信号(408)，所述第一差信号是基于在所述第一音频信号成分(L)与所述第二音频信号成分(R)之间的差(diff)而获得；并且为所述第二扬声器(403)提供基于所述第二音频信号成分(R)和第二差信号(diff_R)的组合的第二渲染信号(410)，所述第二差信号是基于在所述第一音频信号成分(L)与所述第二音频信号成分(R)之间的差(diff)而获得，使得这两种差信号(diff_L、diff_R)在标志方面不同，并且一个差信号相比于另一差信号延迟了延迟(τ)以定义偶极信号，其中根据所述所希望的方向(201)调适所述延迟(τ)。

Description

用于渲染立体声信号的方法
技术领域
本发明涉及一种用于相对于所希望的方向在第一扬声器和第二扬声器上渲染立体声信号的方法以及一种用于渲染立体声信号的移动设备。
具体而言，本发明涉及通过使用扬声器系统的声音复制的领域。
背景技术
市场上存在许多具有两个扬声器的便携式设备，例如iPod底座或膝上型轻便电脑。具有内置式立体声扬声器的平板电脑和移动电话可以被看作立体声便携式设备。与具有两个分离的扬声器的传统立体声系统相比，便携式立体声设备的两个扬声器彼此所在的位置非常接近。鉴于设备的大小，它们通常被隔开仅几厘米，所述隔开距离对于智能电话或平板电脑等移动设备在10cm与30cm之间。这导致窄的、几乎“单声道类的”的音乐复制。
在(赫加德F.D.(Heegaard,F.D.)(1992)“听觉立体感中的声音复制和立体声兼容系统(The Reproduction of Sound in Auditory Perspective and a CompatibleSystem of Stereophony)”，《听觉工程学协会会刊(J.Audio Eng.Soc.)》，40(10)，第802到808页)中已经引入了中间/侧边扬声器的概念。目标是仅使用单个扬声器箱复制立体声信号。与播放左侧信号和右侧信号截然相反，使用具有不同特征的两个扬声器复制和信号以及差信号，和信号即左侧信号加上右侧信号，差信号即左侧信号减去右侧信号。使用在低频率下全向且在高频率下单向的传统扬声器播放和信号。使用双向地指向左侧和右侧方向的偶极扬声器复制差信号。在感知上，这使得收听者从扬声器位置听到和信号(独唱者，主要内容)。另外，存在空间效应。通过差信号驱动的偶极激发其中零声朝向收听者传播的空间。
在专利申请案PCT/CN2011/079806中描述了一种用于产生具有增强的空间效应的声学信号的方法。此方法使用偶极渲染的相同原理，应用了普通扬声器系统。原始立体声信号在两个扬声器上放出，并且差信号通过来自相同扬声器系统的偶极渲染放出，即在一侧上直接渲染，并且在另一侧上乘以-1。然而，此类系统要求收听者处于中心收听位置。如果收听者不是精确地位于扬声器系统的前面，那么其声印象会呈现持久衰退。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于复制立体声信号的改进的技术。
此目的通过独立权利要求的特征得以实现。进一步的实施形式通过从属权利要求、说明书以及图式清楚可见。
本发明是基于以下发现：根据收听者的位置改变使用偶极特征复制的差信号和空间信号的渲染允许朝向收听者转向差信号/空间信号的零声传播，由此改进其声印象。通过应用所述技术，本发明不需要收听者位于中心收听位置中。
为了详细描述本发明，将使用以下术语、缩写以及符号：
L：左声道、左侧路径、左侧路径信号成分，
R：右声道、右侧路径、右侧路径信号成分，
BCC：双耳线索编码，
CLD：声道声级差，
ILD：声道间声级差，
ITD：声道间时间差，
IPD：声道间相位差，
ICC：声道间相干/互相关，
STFT：短时傅里叶变换，
QMF：正交镜像滤波器。
根据第一方面，本发明涉及一种用于相对于所希望的方向在第一扬声器和第二扬声器上渲染立体声音频信号的方法，所述立体声信号包括第一音频信号成分和第二音频信号成分，所述方法包括：为第一扬声器提供基于第一音频信号成分和第一差信号的组合的第一渲染信号，第一差信号是基于在第一音频信号成分与第二音频信号成分之间的差而获得；并且为第二扬声器提供基于第二音频信号成分和第二差信号的组合的第二渲染信号，第二差信号是基于在第一音频信号成分与第二音频信号成分之间的差而获得，使得这两种差信号在标志方面不同，并且一个差信号相比于另一差信号延迟了一定延迟以定义偶极信号，其中根据所希望的方向调适所述延迟。
第一和第二音频信号成分可以是传统立体声信号的第一和第二音频声道信号或参数立体声信号的空间线索和下混信号，例如用于每子带的左声道和右声道的第一和第二空间线索。空间线索是声道间线索。扬声器可以是传统扬声器，即不需要偶极扬声器硬件。
所述方法允许提供具有转向收听者所位于的方向等所希望的方向的增强的空间感知的立体声渲染，并且因此提供用于复制立体声信号的改进的技术。
在根据第一方面的方法的第一可能的实施形式中，所述方法包括根据定义关于两个扬声器的相对于中心位置的所希望方向的角度来调适延迟。
中心位置表示零度角或在两个扬声器之间的中心线。
通过根据相对于所希望的方向的角度调适延迟可以为收听者提供最优的声印象。
在根据第一方面的第一实施形式的方法的第二可能的实施形式中，所述方法包括根据扬声器之间的距离调适延迟。
通过根据扬声器之间的距离调适延迟，所述方法可以应用于每种移动设备而不管布置扬声器的位置以及扬声器之间的距离。甚至对于外部扬声器也能保证向收听者提供最优的音质。
在根据第一方面的第一实施形式或根据第一方面的第二实施形式的方法的第三可能的实施形式中，角度的函数是根据：u＝cos(π/2+α)/(cos(π/2+α)-1)，其中α表示定义关于两个扬声器的相对于中心位置的所希望方向的角度并且u表示角度的函数。
此类函数可以通过存储关于角度的函数值的查询表而有效地实现。计算复杂度低。
在根据第一方面的第三实施形式的方法的第四可能的实施形式中，所述方法包括根据下式调适延迟：τ＝ud/(c(1-u))，其中τ表示延迟，d表示扬声器之间的距离，u表示定义关于两个扬声器的相对于中心位置的所希望方向的角度(α)的函数，并且c表示声音传播的速度。
由于针对应用所述方法的移动设备中的扬声器的固定位置参数u、d和c可以预定并且存储于查询表中，因此此类函数可以容易地计算出。对于变化的扬声器位置，例如当使用外部扬声器时，声场参数c和扬声器之间的距离d可以重新计算出并且因此所述方法在扬声器位置的改变方面是灵活的。
在根据第一方面由此或根据第一方面的前述实施形式中的任一者的方法的第五可能的实施形式中，所述方法包括调适延迟使得偶极信号的零声朝向所希望的方向发出。
当零声朝向所希望的方向发出时，例如朝向收听者所位于的方向发出，由于收听者听到从两个不同方向到达的声音，因此增强了收听者的空间印象。
在根据第一方面由此或根据第一方面的前述实施形式中的任一者的方法的第六可能的实施形式中，所述方法包括在与第一和第二信号成分组合之前延迟在第一音频信号成分与第二音频信号成分之间的差并对其进行滤波；其中另外第一音频信号成分和第一差信号的组合包括第一音频信号成分和第一差信号的相加，并且第二音频信号成分和第二差信号的组合包括第二音频信号成分和第二差信号的相加。
通过在与第一和第二信号成分组合之前延迟差信号并对其进行滤波，可以补偿差分声音复制的低频增益损耗。
在根据第一方面的第六实施形式的方法的第七可能的实施形式中，滤波包括使用低通滤波器。
通过使用具有低通倾斜型滤波器进行的滤波，可以仿效混响的谱形，由此增强声印象。
在根据第一方面由此或根据第一方面的前述实施形式中的任一者的方法的第八可能的实施形式中，所述方法包括：获得指示所希望的方向的方向信息；例如通过感测收听者的位置；以及基于所述方向信息调适延迟。
通过感测收听者的位置以用于确定所希望的方向，所述方法可针对收听者位置调节并且所述方法可针对移动的收听者灵活地调节。甚至在可以检测到一个以上收听者的情况下，所述方法也可以指向所希望的收听者，例如在一组收听者中的一个收听者。
在根据第一方面由此或根据第一方面的前述实施形式中的任一者的方法的第九可能的实施形式中，扬声器之间的距离在5cm与40cm的范围内。
当扬声器之间的距离在5cm与40cm的范围内时，所述方法适用于应用于标准移动设备中，例如移动电话、智能电话、平板电脑等。
在根据第一方面由此或根据第一方面的前述实施形式中的任一者的方法的第十可能的实施形式中，定义关于两个扬声器的相对于中心位置的所希望方向的角度在-90度与+90度的范围内。
当角度是在所述范围内时，可以使偶极渲染在应用所述方法的移动设备前方的所有可能方向上转向。在收听者的位置方面不存在限制。
在根据第一方面由此或根据第一方面的前述实施形式中的任一者的方法的第十一可能的实施形式中，定义关于两个扬声器的相对于中心位置的所希望方向的角度在-1°与+1°之间的范围之外、在-5°与+5°之间的范围之外或在-10°与+10°之间的范围之外。
在根据第一方面由此或根据第一方面的前述实施形式中的任一者的方法的第十二可能的实施形式中，立体声信号在作为包括单声道下混信号和至少一个声道间线索的参数立体声信号的经压缩形式中可用，至少一个声道间线索具体来说是声道间声级差、声道间时间差、声道间相位差以及声道间相干/互相关中的一者。
所述方法可以应用于多声道音频信号。因此，所述方法可以应用于经压缩立体声信号。所述方法可以嵌入在参数立体声合成中，由此减少计算的复杂度。
在根据第一方面的第十二实施形式的方法的第十三可能的实施形式中，所述方法包括：在参数立体声信号的子带基础上确定在频域中的第一音频信号成分与第二音频信号成分之间的差；并且通过使用在参数立体声信号的子带方面的相移来确定延迟。
所述差对应于差信号但是不与第一和第二差信号混淆。参数立体声信号可以仅是声道间(空间)线索或是下混信号和声道间线索两者。
在频率子带下实施所述方法降低了计算的复杂度。在频率合成的单独的计算和渲染转向方向方面可以实现协同。
在根据第一方面由此或根据第一方面的前述实施形式中的任一者的方法的第十四可能的实施形式中，以根据所希望的方向的预设方式调适延迟。
经调适的延迟可以是已经固定地调适的延迟和经灵活地或动态地调适的延迟两者。经固定调适的延迟可以是对相对于两个扬声器之间的中心线不同于0°的所希望方向的调适。
在根据第一方面由此或根据第一方面的前述实施形式中的任一者的方法的第十五可能的实施形式中，所述方法包括在与第一和第二信号成分组合之前延迟在第一音频信号成分与第二音频信号成分之间的差并对其进行滤波。
在根据第一方面由此或根据第一方面的前述实施形式中的任一者的方法的第十六可能的实施形式中，第一音频信号成分和第一差信号的组合包括第一音频信号成分和第一差信号的相加，并且第二音频信号成分和第二差信号的组合包括第二音频信号成分和第二差信号的相加。
在根据第一方面由此或根据第一方面的前述实施形式中的任一者的方法的第十七可能的实施形式中，第一音频信号成分和第一差信号的组合包括第一音频信号成分和第一差信号的相加。
在根据第一方面由此或根据第一方面的前述实施形式中的任一者的方法的第十八可能的实施形式中，第二音频信号成分和第二差信号的组合包括第二音频信号成分和第二差信号的相加。
根据第二方面，本发明涉及一种用于相对于所希望的方向在第一扬声器和第二扬声器上渲染立体声音频信号的移动设备，所述立体声信号包括第一音频信号成分和第二音频信号成分，所述移动设备包括渲染装置，其用于为第一扬声器提供基于第一音频信号成分和第一差信号的组合的第一渲染信号，第一差信号是基于在第一音频信号成分与第二音频信号成分之间的差而获得，并且为第二扬声器提供基于第二音频信号成分和第二差信号的组合的第二渲染信号，第二差信号是基于在第一音频信号成分与第二音频信号成分之间的差而获得，使得这两种差信号在标志方面不同，并且一个差信号相比于另一差信号延迟了一定延迟以定义偶极信号，其中所述渲染装置用于根据所希望的方向调适所述延迟。
所述移动设备执行具有转向收听者所位于的方向等所希望的方向的增强的空间感知的立体声渲染，并且因此提供用于复制立体声信号的改进的技术。所述移动设备也可以处理立体声信号的参数表示，例如经压缩立体声信号或者多声道音频信号的单声道或立体声表示。
在根据第二方面的移动设备的第一可能的实施形式中，移动设备包括感测装置，具体来说相机，其用于感测收听立体声信号的收听者的定位信息，其中渲染装置用于基于所述定位信息调适延迟。
通过收听者的感测定位信息以用于确定所希望的方向，移动设备可针对收听者位置调节并且因此针对移动的收听者灵活地调节。甚至在可以检测到一个以上收听者的情况下，移动设备也可以指向所希望的收听者，例如在一组收听者中的一个收听者。
在根据第二方面由此或根据第二方面的第一实施形式的移动设备的第二可能的实施形式中，立体声信号在作为包括单声道下混信号和至少一个声道间线索的参数立体声信号的经压缩形式中可用，至少一个声道间线索具体来说是声道间声级差、声道间时间差、声道间相位差以及声道间相干/互相关中的一者。
移动设备可处理多声道音频信号和经压缩立体声信号。渲染设备可以嵌入在处理参数立体声合成的实体中，由此减少计算的复杂度。
在根据第二方面由此或根据第二方面的前述实施形式中的任一者的移动设备的第三可能的实施形式中，移动设备包括用于在参数立体声信号的子带基础上确定在频域中的差信号的第一确定实体；以及通过使用在参数立体声信号的子带方面的相移来确定延迟的第二确定实体。
处理频率子带降低了计算的复杂度。在频率合成的单独的计算和渲染转向方向方面可以实现协同。
在根据第二方面由此或根据第二方面的前述实施形式中的任一者的移动设备的第四可能的实施形式中，第一扬声器和第二扬声器是整合到移动设备中的内置式扬声器。
根据第三方面，本发明涉及一种方法，其包括：接收具有左声道和右声道的立体声信号；直接使用一对扬声器复制和信号；使用所述两个扬声器复制在左声道与右声道之间的左侧和/或右侧差信号和任选地混响信号使得所述两个扬声器具有一阶方向图，其中控制扬声器的方向图使得其零指向朝向最可能的收听者位置。
在根据第三方面的方法的第一可能的实施形式中，组合复制和信号以及复制左侧和/或右侧差信号以便计算立体声信号。
在根据第三方面由此或根据第三方面的第一实施形式的方法的第二可能的实施形式中，所述方法包括通过扬声器播出立体声信号。
根据第四方面，本发明涉及一种用于在两个扬声器上渲染包括左侧信号和右侧信号的立体声信号的方法，所述方法包括：将立体声信号直接渲染到扬声器；以及添加经渲染的差信号，为此信号提供不同标志以及对两个扬声器的延迟。
在根据第四方面的方法的第一可能的实施形式中，在左侧扬声器上渲染左侧信号并且在右侧扬声器上渲染右侧信号。
在根据第四方面由此或根据第四方面的第一实施形式的方法的第二可能的实施形式中，所述方法包括：将延迟和/或滤波器应用到差信号。
在根据第四方面由此或根据第四方面的前述实施形式中的任一者的方法的第三可能的实施形式中，所述方法包括：根据扬声器所希望的转向方向确定延迟。
在根据第四方面由此或根据第四方面的前述实施形式中的任一者的方法的第四可能的实施形式中，所述方法包括：从移动设备的传感器获得所希望的转向方向。
本文中描述的方法、系统和设备可以实施为在数字信号处理器(DSP)、微控制器或任何其它侧处理器中的软件或实施为专用集成电路(ASIC)内的硬件电路。
本发明可以实施于数字电子电路或计算机硬件、固件、软件或其组合中，例如，实施于传统移动设备的可用硬件或专用于处理本文所描述的方法的新硬件中。
附图说明
本发明的具体实施方式将结合以下附图进行描述，其中：
图1示出根据实施形式的一阶差分扬声器阵列100的示意图；
图2示出具有图1中所描绘的差分扬声器阵列100的零方向的定向响应200的示意图；
图3示出根据实施形式的扬声器系统300的方块图；
图4示出根据实施形式的扬声器系统400的方块图；
图5示出根据实施形式用于渲染立体声信号的方法500的示意图；
图6a、6b、6c、6d示出针对图4的扬声器系统400的不同收听者位置的差信号声音复制的极坐标图；
图7示出应用于根据实施形式的图4的扬声器系统400的滤波器的频率响应的图；
图8示出根据实施形式的用于渲染立体声信号的移动设备800的方块图；以及
图9示出根据实施形式的扬声器系统900的方块图。
具体实施方式
图1示出根据实施形式的一阶差分扬声器阵列100的示意图。扬声器阵列100包括左侧路径扬声器101、右侧路径扬声器103、时间延迟105以及信号变换器109。扬声器101、103是传统扬声器，即，不需要用于实施偶极扬声器的特殊硬件。
如中图1所图示，信号s(t)，例如音频信号，并且具体来说例如差信号diff或如稍后基于图4和9描述的经延迟差信号，给到一个扬声器101，并且对应的经反向和经延迟信号-s(t-τ)给到另一扬声器103。用于偶极渲染的信号是计算为左声道信号减去右声道信号的差信号。两个扬声器101、103通过以下信号驱动
x1(t)＝s(t)
x2(t)＝-s(t-τ)。 (1)
由远区场中的此对经点声源建模的扬声器101、103产生的声场是
在低频率下，(2)可以通过下式得出近似值
从式中可见比率cτ/(cτ+d)对应于确定定向响应形状的参数
方程式(2)和(3)中的参数d表示在如图1中所描绘的扬声器101与103之间的距离。在优选的实施方案中，此距离实际上小并且与移动设备应用相容。其于是在5cm到40cm范围内。
使朝向相对于收听者199的方向201的角度α([0,π/2])的零转向的参数u如下：
u＝cos(π/2+α)/(cos(π/2+α)-1)。 (5)
如从图2可见，角度α相对于扬声器对101、103的中心线方向203而定义，中心线方向203也被称为零方向203。图2示出具有图1中所描绘的差分扬声器阵列100的零方向203的定向响应200的示意图。由在扬声器对101、103的中心线方向203与相对于扬声器阵列100的中心205定位的收听者199的方向201之间的角度形成α。如果收听者199位于中心线方向203，即中心线方向203与如图1中所示的收听者199的方向201一致，那么角度α为零。如果收听者199位于中心线方向203右侧，即朝向如图2中所示的收听者方向201中的右侧扬声器103，那么角度α为正。如果收听者199位于中心线方向203的左侧，即朝向图2中未示出的左侧扬声器101，那么角度α为负。
对于负角度α[-π/2,0]，延迟和反向的是另一扬声器，即如下文描述的图3中所图示的图1的左侧扬声器103，并且针对|α|计算出u(5)。对应于此u的延迟τ为τ＝ud/(c(1-u))。
图3示出根据实施形式的扬声器系统300的方块图。扬声器系统300可以在由范围[-π/2；π/2]中的α指示的方向上，即在从图3中所描绘的零方向203向左以及从所述零方向203向右的方向上，调适偶极渲染转向。
扬声器系统300包括左侧路径扬声器301、右侧路径扬声器303、左侧路径时间延迟307、右侧路径时间延迟305、左侧路径信号变换器311、右侧路径信号变换器309、左侧路径交换机315以及右侧路径交换机313。扬声器301、303是传统扬声器，即不需要用于实施偶极扬声器的特殊硬件。
如图3中所图示，音频信号s(t)，例如差信号diff或如稍后基于图4和9描述的经延迟差信号，给到一个扬声器301，并且对应的经反向和经延迟音频信号-s(t-τ)给到另一扬声器303。取决于交换机315和313的位置，音频信号s(t)给到左侧路径扬声器301并且经反向和经延迟音频信号-s(t-τ)给到右侧路径扬声器303，或音频信号s(t)给到右侧路径扬声器303并且经反向和经延迟音频信号-s(t-τ)给到左侧路径扬声器301。在如通过图3所示的交换机315、313的第一位置中，当左侧路径交换机315直接耦合音频信号s(t)到左侧路径扬声器301而不经过左侧路径信号延迟307和左侧路径信号变换器311并且右侧路径交换机313经由右侧路径信号变换器309和右侧路径信号延迟305将音频信号s(t)耦合到右侧路径扬声器303时，音频信号s(t)给到左侧路径扬声器301并且经反向和经延迟音频信号-s(t-τ)给到右侧路径扬声器303。在交换机313、315的第一位置中，角度α处于范围[π/2；0]中。在未通过图3示出的交换机315、313的第二位置中，当右侧路径交换机313直接耦合音频信号s(t)到右侧路径扬声器303而不经过右侧路径延迟305和右侧路径信号变换器309并且左侧路径交换机315经由左侧路径信号延迟307和左侧路径信号变换器311将音频信号s(t)耦合到左侧路径扬声器301时，音频信号s(t)给到右侧路径扬声器303并且经反向和经延迟音频信号-s(t-τ)给到左侧路径扬声器301。在交换机313、315的第二位置中，角度α处于范围[0；-π/2]中。交换机313、315的此第二位置对应于如上文关于图1和图2所描述的配置。
图4示出根据实施形式的扬声器系统400的方块图。
扬声器系统400包括左侧路径扬声器401、右侧路径扬声器403、右侧路径时间延迟405、右侧路径信号变换器409、右侧路径求和器413、左侧路径求和器415、差路径求和器425、差路径时间延迟423以及差路径乘法器421。扬声器401、403是传统扬声器，即，不需要用于实施偶极扬声器的特殊硬件。
如图4中所图示，向扬声器系统400输入立体声音频信号402，其具有左声道信号成分L 406和右声道信号成分R 404，左声道信号成分L例如左声道音频信号，右声道信号成分R例如右声道音频信号。右声道信号成分R 404给到右侧路径求和器413并给到差路径求和器425，左声道信号成分L 406给到左侧路径求和器415，并且经反向左声道信号成分L 406给到差路径求和器425。差路径求和器425从右声道信号成分R 404中减去左声道信号成分L406从而向差路径时间延迟423提供差信号diff。对应于例如如基于图1和3所描述的信号s或s(t)的差路径时间延迟423的输出信号s被提供到差路径乘法器421，在所述差路径乘法器中乘以例如倾斜型滤波器的系数等滤波器系数414，从而提供经滤波的差信号sf，其还标示为给到左侧路径求和器415并给到右侧路径变换器409的左侧路径差信号diff_L。经反向的经滤波差信号-sf被提供到右侧路径时间延迟405，在所述右侧路径时间延迟中被延迟可调节的时间延迟τ，所述时间延迟通过时间延迟控制参数C 412调节，从而获得提供到右侧路径求和器413的右侧路径差信号diff_R。右侧路径求和器413将右声道信号成分R 404和右侧路径差信号diff_R叠加(或求和)，所述右侧路径差信号即经延迟的经反向的经滤波差信号-sf(τ)，并且向右侧扬声器403提供经叠加的右侧信号R-sf(τ)。左侧路径求和器415将左声道信号成分L 406和左侧路径差信号diff_L叠加(或求和)，所述左侧路径差信号即经滤波的差信号sf，并且向左侧扬声器401提供经叠加的左侧信号L+sf。图4表现根据图2的描述的针对角度α≥0的扬声器系统400的方块图。因此，扬声器系统400相对于角度α≥0调适渲染转向方向。
在图4中未示出的替代实施方案中，右侧路径信号变换器409和右侧路径信号延迟405布置在左侧路径中，即在差路径乘法器421的输出端与左侧路径求和器415之间。在此实施方案中，这些功能块标示为左侧路径信号变换器409和左侧路径信号延迟405。在此实施方案中，左侧路径求和器415将左声道信号成分L 406和左侧路径差信号diff_L叠加(或求和)，所述左侧路径差信号即经延迟的经反向的经滤波差信号-sf(τ)，并且向左侧扬声器401提供经叠加的左侧信号L-sf(τ)。右侧路径求和器413将右声道信号成分R 404和右侧路径差信号diff_R叠加(或求和)，所述右侧路径差信号即经滤波的差信号sf，并且向右侧扬声器403提供经叠加的右侧信号R+sf。此实施方案表现根据图2的描述的针对角度α<＝0的扬声器系统400的方块图。因此，扬声器系统400相对于角度α<＝0调适渲染转向方向。
在另一实施方案中，根据关于图3的描述，通过使用两个交换机315、313，组合其中信号变换器409和信号延迟405布置在右侧路径中的图4中示出的实施方案与其中信号变换器409和信号延迟405布置在左侧路径中的图4的替代实施方案。左侧交换机315布置在差路径乘法器421与左侧路径求和器415之间以用于向左侧路径求和器415提供或者经滤波的差信号sf或者经反向和经延迟型式的经滤波差信号sf。右侧交换机313布置在差路径乘法器421与右侧路径求和器413之间以用于向右侧路径求和器413提供或者经滤波的差信号sf或者经反向和经延迟型式的经滤波差信号sf。交换机315、313两者均根据关于图3的描述进行控制。此类完整系统可在所有方向上调适渲染转向方向。
扬声器系统400提供具有朝向收听者的转向的空间增强。此类具有朝向收听者方向的转向的两个扬声器阵列增强方式的特征可以通过以下项进行求和。使用一对扬声器。由于较小的外形因素，即仅几厘米，例如分离两个扬声器的5到40cm，因此较低频率的偶极处理会不适用。替代地，使用滤波器来控制此方面并且在经调适频带中应用偶极处理。对于差信号，如果收听者位于在阵列的正前方，那么使用普通的偶极渲染。对于收听者的其它位置，通过使偶极变化为拖尾的心形形状来调适渲染方向，使得零指向收听者。
图4中示意性地示出所涉及的信号处理。具体来说，所述处理如下：未经修改立体声输入信号(L，R)402直接给到左侧路径401和右侧路径403的扬声器以避免音色失真。计算出左侧右侧差信号(diff)，对其进行滤波(sf)，并且通过声学“延迟和减去”处理将其给到扬声器401、403两者。根据指示转向方向的控制参数(C)，取决于收听者方向，选择延迟τ405使得朝向收听者直接发出零声以增强空间印象。在优选的实施方案中，此控制参数(C)直接使用转向方向的角度α。图6a、6b、6c、6d中示出针对不同收听者方向的示例性极坐标图。
差信号s通过例如低通倾斜型滤波器等滤波器进行滤波，以弥补差分声音复制的低频增益损耗。低通滤波还应用于仿效混响的谱形。下文图7中示出应用于扬声器系统400的滤波器的示例性频率响应。
图5示出根据实施形式用于渲染立体声信号的方法500的示意图。
方法500用于相对于所希望的方向在第一扬声器和第二扬声器上渲染立体声信号。所述立体声信号包括根据图4的描述的第一信号成分L和第二信号成分R。方法500包括：501为第一扬声器提供基于第一音频信号成分L和第一差信号diff_L的组合的第一渲染信号，第一差信号是基于在第一音频信号成分L与第二音频信号成分R之间的差diff而获得；并且为第二扬声器提供基于第二音频信号成分R和第二差信号diff_R的组合的第二渲染信号，第二差信号是基于在第一音频信号成分L与第二音频信号成分R之间的差diff而获得，使得这两种差信号diff_L、diff_R在标志方面不同，并且一个差信号相比于另一差信号延迟了延迟τ以定义偶极信号，其中根据所希望的方向调适延迟τ。第一音频信号成分L和第二音频信号成分R、差信号diff_L、diff_R以及延迟τ对应于如上文关于图4所描述的第一音频信号成分L和第二音频信号成分R、差信号diff_L、diff_R以及延迟τ。
在一个实施方案中，方法500包括根据定义关于两个扬声器的相对于中心位置的所希望方向的角度(α)来调适延迟。在一个实施方案中，方法500包括根据扬声器之间的距离d来调适延迟τ。在一个实施方案中，角度的函数是根据：u＝cos(π/2+α)/(cos(π/2+α)-1)，其中α表示定义关于两个扬声器的相对于中心位置的所希望方向的角度并且u表示角度的函数。在一个实施方案中，方法500包括根据下式调适延迟τ：τ＝ud/(c(1-u))，其中τ表示延迟，d表示扬声器之间的距离，u表示定义关于两个扬声器的相对于中心位置的所希望方向的角度α的函数，并且c表示声音传播的速度。在一个实施方案中，方法500包括调适延迟τ使得偶极信号的零声朝向所希望的方向发出。在一个实施方案中，方法500包括在与第一信号成分L和第二信号成分R组合之前延迟在第一音频信号成分L与第二音频信号成分R之间的差diff并对其进行滤波；其中另外第一音频信号成分L和第一差信号diff_L的组合包括第一音频信号成分L和第一差信号diff_L的相加，并且第二音频信号成分R和第二差信号diff_R的组合包括第二音频信号成分R和第二差信号diff_R的相加。在一个实施方案中，滤波包括使用低通滤波器。在一个实施方案中，方法500包括：获得指示所希望的方向的方向信息；例如通过感测收听者的位置；以及基于所述方向信息调适延迟τ。在一个实施方案中，扬声器之间的距离在5cm与40cm的范围内。在一个实施方案中，定义关于两个扬声器的相对于中心位置的所希望方向的角度在-90度与+90度的范围内。在一个实施方案中，定义关于两个扬声器的相对于中心位置的所希望方向的角度α在-1°与+1°之间的范围之外、在-5°与+5°之间的范围之外或在-10°与+10°之间的范围之外。在一个实施方案中，立体声信号在作为包括单声道下混信号和至少一个声道间线索的参数立体声信号的经压缩形式中可用，至少一个声道间线索具体来说是声道间声级差、声道间时间差、声道间相位差以及声道间相干/互相关中的一者。在一个实施方案中，方法500包括：在参数立体声信号的子带基础上确定在频域中的第一音频信号成分L与第二音频信号成分R之间的差diff；并且通过使用在参数立体声信号的子带方面的相移来确定延迟τ。在一个实施方案中，以根据所希望的方向的预设方式调适延迟τ。
图6a、6b、6c、6d示出针对图4的扬声器系统400的不同收听者位置的差信号声音复制的极坐标图。图6a示出到零方向203形成角度α＝0°的根据图1和2图示的收听者199的方向201的极坐标图601。图6b示出到零方向203形成角度α＝30°的收听者199的方向201的极坐标图602。图6c示出到零方向203形成角度α＝60°的收听者199的方向201的极坐标图603。图6d示出到零方向203形成角度α＝90°的收听者199的方向201的极坐标图604。
图7示出应用于根据实施形式的图4的扬声器系统400的滤波器的频率响应的图。图7中针对偶极701、倾斜型滤波器702以及倾斜型和低通滤波器703描绘了在频率响应上的量值。低通倾斜型滤波器703补偿了差分声音复制的低频增益损耗。低通滤波应用于仿效混响的谱形。
图8示出根据实施形式的用于渲染立体声信号的移动设备800的方块图。
移动设备800用于相对于所希望的方向811在第一扬声器801和第二扬声器803上渲染立体声信号，其中所述立体声信号包括如关于图4所描述的第一信号成分L和第二信号成分R。移动设备800包括渲染装置821，其用于为第一扬声器801提供基于第一音频信号成分L和第一差信号diff_L的组合的第一渲染信号806，第一差信号是基于在第一音频信号成分L与第二音频信号成分R之间的差diff而获得，并且为第二扬声器803提供基于第二音频信号成分R和第二差信号diff_R的组合的第二渲染信号808，第二差信号是基于在第一音频信号成分L与第二音频信号成分R之间的差diff而获得，使得这两种差信号diff_L、diff_R在标志方面不同，并且一个差信号相比于另一差信号延迟了延迟τ以定义偶极信号。渲染装置821用于根据所希望的方向811调适延迟τ。第一音频信号成分L和第二音频信号成分R、差信号diff_L、diff_R以及延迟τ对应于如上文关于图4所描述的第一音频信号成分L和第二音频信号成分R、差信号diff_L、diff_R以及延迟τ。在一个实施方案中，移动设备800包括感测装置，例如相机，其用于感测收听立体声信号802的收听者199的定位信息C，其中渲染装置821用于基于定位信息C调适延迟τ。扬声器801、803是传统扬声器，即，不需要用于实施偶极扬声器的特殊硬件。
在一个实施方案中，输入立体声信号802由两个声道L和R构成。在另一实施方案中，输入立体声信号802由立体声信号的参数表示构成，例如基于编码/解码方案的经压缩立体声信号。在一个实施方案中，此编码/解码方案使用被称为“双耳线索编码”(BCC)的立体声信号的参数表示，其在2004年瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)哲学博士C.福勒(C.Faller)发表的论文编号3062的“空间音频的参数编码(Parametric Coding ofSpatial Audio)”中详细提出。在此文档中描述了参数空间音频编码方案。此方案是基于对于听觉空间图像的感知相关的声道间线索的选取和编码以及多声道音频信号的单声道或立体声表示的编码。声道间线索是又称为声道声级差(CLD)的声道间声级差(ILD)、也可以声道间相位差(IPD)表示的声道间时间差(ITD)、以及声道间相干/互相关(ICC)。声道间线索通常基于输入信号的子带表示来选取(例如，使用传统短时傅里叶变换(STFT)或经复杂调制的正交镜像滤波器(QMF))。子带以遵循仿效人类听觉系统频率分解的非均匀频率分解的参数带进行分组。通过矩阵化原始多声道音频信号来获得单声道或立体声下混信号。接着使用传统的目前先进技术单声道或立体声音频编码器对此下混信号编码。在此实施例中，通过移动设备800接收单声道下混信号连同立体声参数(CLD、ITD和ICC)。
单声道下混信号可以是左声道和右声道信号的组合。单声道下混信号可以包括用于每子带的左声道和右声道两者的声道间线索。单声道下混信号可以仅是左声道信号或右声道信号。声道间线索可以仅用于每子带的另一声道。
接着转向方向渲染嵌入在参数立体声合成中。因此，基于子带立体声合成，在子带基础上的频域中执行差信号的计算。在一个实施方案中，通过使用子带相移容易地引入延迟并且使用每个子带的不同增益有利地应用滤波器。
在一个实施方案中，从外部跟踪系统或设备中的内置组件获得转向方向控制参数812。在一个实施方案中，角度α为存储于存储器中用以具有固定转向方向的预定参数。在替代实施方案中，角度α为动态地可调节的并且从头部追踪系统获得或由用户使用图形界面来直接控制。
在一个实施方案中，移动设备800为扩展坞。在一个实施方案中，扬声器在移动设备800外部。在一个实施方案中，移动设备800为具有内置式扬声器的智能电话、平板电脑或膝上型电脑。
图9示出根据实施形式的扬声器系统900的方块图。
扬声器系统900包括左侧路径扬声器901、右侧路径扬声器903、右侧路径时间延迟905、右侧路径信号变换器909、右侧路径求和器913、左侧路径求和器915、任选的差路径求和器925、差路径时间延迟923、差路径乘法器921、左侧路径下混乘法器955以及右侧路径下混乘法器953。扬声器901、903是传统扬声器，即，不需要用于实施偶极扬声器的特殊硬件。
如图9中所图示，具有例如声道间线索等第一参数c1904以及例如另一声道间线索等第二参数c2906的参数立体声信号902输入到扬声器系统900。第一参数c1904给到右侧路径求和器913并给到差路径求和器925，第二参数c2906给到左侧路径求和器915，并且经反向第二参数c2906给到差路径求和器925。差路径求和器925从第一参数c1904中减去第二参数c2906从而向任选的差路径时间延迟923提供差或差信号diff。在包含任选的差路径时间延迟923的实施方案中，任选的差路径时间延迟923的或求和器925的对应于例如如基于图1和3所描述的信号s或s(t)的输出信号s作为左侧路径差信号diff_L给到左侧路径求和器915并给到右侧路径变换器909。在不包含任选的差路径时间延迟923替代实施方案中，差信号diff作为左侧路径差信号diff_L给到左侧路径求和器915并给到右侧路径变换器909。经反向左侧路径差信号diff_L被提供到右侧路径时间延迟905，在所述右侧路径时间延迟中被延迟可调节的或经调节的时间延迟τ，所述时间延迟例如通过时间延迟控制参数C 912调节，从而获得提供到右侧路径求和器913的右侧路径差信号diff_R。右侧路径求和器913将第一参数c1904和右侧路径差信号diff_R叠加(或求和)，并且向右侧路径下混乘法器953提供右侧路径和信号，在所述右侧路径下混乘法器中所述右侧路径和信号乘以下混信号950并作为右侧信号R-sf(τ)被提供到右侧扬声器903。左侧路径求和器915将第二参数c2906和左侧路径差信号diff_L叠加(或求和)，并且向左侧路径下混乘法器955提供左侧路径和信号，在所述左侧路径下混乘法器中所述左侧路径和信号乘以下混信号950并作为左侧信号L+sf被提供到左侧扬声器901。图9表现根据图2的描述的针对角度α≥0的扬声器系统900的方块图。因此，扬声器系统900相对于角度α≥0调适渲染转向方向。
在图9中未示出的替代实施方案中，右侧路径信号变换器909和右侧路径信号延迟905替代地布置在左侧路径中，即在任选的差路径乘法器921的输出端与左侧路径求和器915之间。在此实施方案中，这些功能块标示为左侧路径信号变换器909和左侧路径信号延迟905。在此实施方案中，左侧路径求和器915将第二参数c2906和经延迟的经反向左侧路径差信号diff_L叠加(或求和)，并且向左侧扬声器901提供经叠加的左侧信号L-sf(τ)。右侧路径求和器913将第一参数c1904和右侧路径差信号diff_R叠加(或求和)，并且向右侧扬声器903提供经叠加的右侧信号R+sf。此实施方案表现根据图2的描述的针对角度α<＝0的扬声器系统900的方块图。因此，扬声器系统900相对于角度α<＝0调适渲染转向方向。
在另一实施方案中，根据关于图3的描述，通过使用两个交换机315、313，组合其中信号变换器909和信号延迟905布置在右侧路径中的图9中示出的实施方案与其中信号变换器909和信号延迟905布置在左侧路径中的图9的替代实施方案。左侧交换机315布置在差路径时间延迟923与左侧路径求和器915之间以用于向左侧路径求和器915提供或者左侧路径差信号diff_L或者其经反向和经延迟型式。右侧交换机313布置在差路径时间延迟923与右侧路径求和器913之间以用于向右侧路径求和器913提供或者右侧路径差信号diff_R或者其经反向和经延迟型式。交换机315、313两者均根据关于图3的描述进行控制。此类完整系统可在所有方向上调适渲染转向方向。
通过阅读以上内容，所属领域的技术人员将清楚地了解，可提供多种方法、系统、记录媒体上的计算机程序及其类似者等等。
本发明还支持包含计算机可执行代码或计算机可执行指令的计算机程序产品，这些计算机可执行代码或计算机可执行指令在执行时使得至少一台计算机执行本文所述的执行及计算步骤。
通过以上启示，对于所属领域的技术人员来说，许多替代产品、修改及变体是显而易见的。当然，所属领域的技术人员容易意识到除本文所述的应用之外，还存在本发明的众多其它应用。虽然已参考一个或多个特定实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将认识到在不偏离本发明的范围的前提下，仍可对本发明作出许多改变。因此，应理解，只要是在所附权利要求书及其等效文句的范围内，可以用不同于本文具体描述的方式来实践本发明。

Claims (15)

1.一种用于相对于所希望的方向(201)在第一扬声器(401)和第二扬声器(403)上渲染立体声音频信号(402)的方法(500)，所述立体声音频信号(402)包括第一音频信号成分(L)和第二音频信号成分(R)，其特征在于，所述方法(500)包括：
(501)为所述第一扬声器(401)提供基于所述第一音频信号成分(L)和第一差信号(diff_L)的组合的第一渲染信号(408)，所述第一差信号是基于经过时间延迟(423)的差(diff)而获得，所述差(diff)为所述第一音频信号成分(L)与所述第二音频信号成分(R)之间的差(diff)；并且为所述第二扬声器(403)提供基于所述第二音频信号成分(R)和第二差信号(diff_R)的组合的第二渲染信号(410)，所述第二差信号是基于经过所述时间延迟(423)的所述差(diff)而获得，使得这两种差信号(diff_L、diff_R)在标志方面不同，并且一个差信号相比于另一差信号延迟了延迟(τ)以定义偶极信号，其中根据所述所希望的方向(201)调适所述延迟(τ)。
2.根据权利要求1所述的方法(500)，其特征在于，包括：
根据定义关于所述两个扬声器(401、403)的相对于中心位置的所述所希望方向(201)的角度(α)来调适所述延迟(τ)。
3.根据权利要求2所述的方法(500)，其特征在于，包括：
根据所述扬声器(401、403)之间的距离(d)来调适所述延迟(τ)。
4.根据权利要求3所述的方法(500)，
其特征在于，所述角度(α)的函数是根据：
u＝cos(π/2+α)/(cos(π/2+α)-1)，
其中α表示定义关于所述两个扬声器的相对于中心位置的所述所希望方向的所述角度，并且u表示所述角度的所述函数。
5.根据权利要求4所述的方法(500)，其特征在于，包括：
根据下式调适所述延迟(τ)：
τ＝ud/(c(1-u))，
其中τ表示所述延迟，d表示所述扬声器之间的所述距离，u表示定义关于所述两个扬声器(401、403)的相对于中心位置的所述所希望方向的所述角度(α)的所述函数，并且c表示声音传播的速度。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的方法(500)，其特征在于，包括：
调适所述延迟(τ)使得所述偶极信号的零声朝向所述所希望的方向(201)发出。
7.根据权利要求1至5中任意一项所述的方法(500)，其特征在于，包括：
在与所述第一音频信号成分(L)和所述第二音频信号成分(R)组合之前对经过时间延迟(423)后的所述差(diff)进行滤波；其中，另外
所述第一音频信号成分(L)和所述第一差信号(diff_L)的所述组合包括所述第一音频信号成分(L)和所述第一差信号(diff_L)的相加，并且
所述第二音频信号成分(R)和所述第二差信号(diff_R)的所述组合包括所述第二音频信号成分(R)和所述第二差信号(diff_R)的相加。
8.根据权利要求7所述的方法(500)，其特征在于，所述滤波包括使用低通滤波器。
9.根据权利要求1至5中任意一项所述的方法(500)，其特征在于，包括：
获得指示所述所希望的方向(201)的方向信息，具体来说通过感测收听者的位置；并且
基于所述方向信息调适所述延迟(τ)。
10.根据权利要求3至5中任意一项所述的方法(500)，其特征在于，所述扬声器(401、403)之间的所述距离(d)在5cm与40cm的范围内。
11.根据权利要求2至5中任意一项所述的方法(500)，其特征在于，定义关于所述两个扬声器(401、403)的相对于中心位置的所述所希望方向(201)的所述角度(α)在-90度与+90度的范围内。
12.根据权利要求1至5中任意一项所述的方法(500)，其特征在于，所述立体声信号(402)在作为包括单声道下混信号(950)和至少一个声道间线索(904、906)的参数立体声信号(902)的经压缩形式中可用，所述至少一个声道间线索具体来说是声道间声级差、声道间时间差、声道间相位差以及声道间相干/互相关中的一者。
13.根据权利要求12所述的方法(500)，其特征在于，包括：
在所述参数立体声信号(902)的子带基础上确定在频域中的所述第一音频信号成分(L)与所述第二音频信号成分(R)之间的所述差(diff)；并且
通过使用在所述参数立体声信号(902)的所述子带方面的相移来确定所述延迟(τ)。
14.一种用于相对于所希望的方向(811)在第一扬声器(801)和第二扬声器(803)上渲染立体声音频信号(802)的移动设备(800)，所述立体声音频信号(802)包括第一音频信号成分(L)和第二音频信号成分(R)，其特征在于，所述移动设备包括：
渲染装置(821)，其用于为所述第一扬声器(801)提供基于所述第一音频信号成分(L)和第一差信号(diff_L)的组合的第一渲染信号(806)，所述第一差信号是基于经过时间延迟(423)的差(diff)而获得，所述差(diff)为在所述第一音频信号成分(L)与所述第二音频信号成分(R)之间的差(diff)；并且为所述第二扬声器(803)提供基于所述第二音频信号成分(R)和第二差信号(diff_R)的组合的第二渲染信号(808)，所述第二差信号是基于经过所述时间延迟(423)的所述差(diff)而获得，使得这两种差信号(diff_L、diff_R)在标志方面不同，并且一个差信号相比于另一差信号延迟了延迟(τ)以定义偶极信号，其中所述渲染装置(821)用于根据所述所希望的方向(811)调适所述延迟(τ)。
15.根据权利要求14所述的移动设备(800)，其特征在于，包括：
感测装置，具体来说相机，其用于感测收听所述立体声信号(802)的收听者(199)的定位信息(C)，
其中所述渲染装置(821)用于基于所述定位信息(C)调适所述延迟(τ)。
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