CN105122847B - 利用扬声器阵列的稳健串扰消除 - Google Patents

利用扬声器阵列的稳健串扰消除 Download PDF

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Abstract

本发明描述了一种利用扬声器阵列来执行串扰消除的音频接收器。所述音频接收器检测收听者在房间中的位置并利用一个或多个波束图案矩阵处理一条声音节目内容以通过扬声器阵列输出。根据一个或多个约束生成所述波束图案矩阵。所述约束可以包括：在收听者的右耳处增大右信道并减小左信道，在收听者的左耳处增大左信道并减小右信道，以及减小房间所有其他区域中的声音。这些约束使音频接收器主要向收听者而非房间中的其他区域发射声音，使得由于响应于房间的频率的变化导致的效应最小，从而实现了串扰消除。还描述了其他实施例。

Description

利用扬声器阵列的稳健串扰消除
相关内容
本申请要求2013年3月14日提交的美国临时专利申请61/782,287的较早提交日期的权益。
技术领域
本发明描述了通过实现一个或多个约束来利用扬声器阵列执行串扰消除的音频接收器。还描述了其他实施例。
背景技术
单个扬声器可能在收听者的双耳处都产生声音。例如，收听者的左侧的扬声器将仍然会在收听者右耳处产生一些声音。串扰消除器的目的是允许在收听者一只耳朵处产生声音但不在另一只耳朵处产生声音。这种隔离允许在一只耳朵处产生任何任意的声音而不会溢流到另一只耳朵。独立在每只耳朵处控制声音可用于建立声音来自远离扬声器的位置的印象。
原则上，串扰消除器仅需要两个扬声器(即，两个自由度)来独立控制两只耳朵处的声音。很多串扰消除器通过补偿收听者头部附近衍射的声音所产生的效应来控制收听者耳朵处的声音，这种效应通常被称为头相关传递函数(HRTF)。给定右音频输入信道dR和左音频输入信道dL，可以将串扰消除器表示为：
在这一方程中，由传递函数的反函数H-1补偿由于来自扬声器的声音造成的收听者头部的传递函数H，以分别在收听者的右耳和左耳处产生右输出信道fR和左输出信道fL。很多仅使用两个扬声器的串扰消除器在一些频率下存在条件不佳的问题。例如，这些系统中的扬声器需要利用大信号来驱动以实现串扰的消除，并且对理想条件的变化非常敏感。换句话讲，如果利用表示声音从扬声器向收听者耳朵传播的假定传递函数H来设计系统，H的小变化也可能导致串扰消除器停止工作。这种情况的一个实例是在无回声环境(即，没有声学反射)中测量传递函数H，但然后在有很多反射的实际房间中实施的时候。
发明内容
本发明的一个实施例是一种音频接收器，其利用具有多个换能器的扬声器阵列来执行串扰消除。音频接收器检测收听者在房间或收听区域中的位置，并然后利用与检测到的收听者的位置对应的一个或多个波束图案矩阵处理一条声音节目内容以通过扬声器阵列输出。波束图案矩阵各自对应于特定音频频率，并且是根据一个或多个约束生成的，且可以在音频接收器中预设。约束可以包括(1)在收听者的左耳处最大化/增大一条声音节目内容的左信道并最小化/减小右信道，(2)在收听者的右耳处最大化/增大右信道并最小化/减小左信道，以及(3)最小化/减小房间所有其他区域中的声音。这些约束使得音频接收器主要向收听者发射声波。通过向收听者发射声波而不在房间中的其他区域中发射，实现了串扰的消除，其中由于响应于房间的频率的变化导致的效应最小或影响减小。
以上概述不包括本发明的所有方面的详尽列表。可以预期的是，本发明包括可由上文概述的各个方面以及在下文的具体实施方式中公开并且在随该申请提交的权利要求中特别指出的各个方面的所有合适组合来实施的所有系统和方法。此类组合具有未在上述发明内容中具体阐述的特定优点。
附图说明
本发明的实施例以举例的方式进行说明，而不仅限于各个附图的图示，在附图中类似的附图标号指示类似的元件。应当指出，本公开中提到“一”或“一个”实施例未必是同一实施例，并且这意味着至少一个。
图1A示出了根据一个实施例的具有音频系统的房间或收听区域。
图1B示出了根据另一个实施例的具有音频系统的房间或收听区域。
图2A示出了根据一个实施例的容纳于单个机柜中的扬声器阵列。
图2B示出了根据另一个实施例的容纳于单个机柜中的扬声器阵列。
图3示出了根据一个实施例的音频接收器的功能单元框图和一些构成硬件部件。
图4A示出了房间中第一位置处的收听者。
图4B示出了房间中第二位置处的该收听者。
图5A示出了根据一个实施例的用于利用一组麦克风为单个收听者生成波束图案矩阵的系统。
图5B示出了根据一个实施例的用于利用一组麦克风为多个收听者生成波束图案矩阵的系统。
图6示出了根据一个实施例的用于利用图5A和5B中所示的麦克风配置生成波束图案矩阵的方法。
具体实施方式
现在将解释参考所附附图描述的若干实施例。虽然阐述了许多细节，但应当理解，本发明的一些实施例可在没有这些细节的情况下实施。在其他情况下，未详细示出熟知的电路、结构和技术，以免模糊对本具体实施方式的理解。
图1A示出了音频系统1，其包括外部音频源2、音频接收器3和一个或多个扬声器阵列4。音频系统1向预期收听者6所在的房间或收听区域7中输出声音节目内容。收听者6通常坐在音频系统1主要指向或瞄准的目标位置处。目标位置通常在房间7的中心，但可以在房间7的任何指定区域中。
外部音频源2可以是能够向音频接收器3传输表示声音节目内容的一个或多个音频流以进行处理的任何设备。例如，图1A的系统1中的外部音频源2是膝上型计算机，其通过有线或无线连接向音频接收器3传输表示声音节目内容的一个或多个音频流以进行处理。在其他实施例中，外部音频源2可以是台式计算机、平板电脑、移动设备(例如，移动电话或移动音乐播放器)和远程媒体服务器(例如，互联网流音乐或电影服务)中的一种或多种。
如图1A中所示，音频系统1的部件分布于并容纳于单独的单元中。相反，如图1B的音频系统1的实施例中所示，音频接收器3集成于扬声器阵列4内以提供独立的单元。在该实施例中，扬声器阵列4通过有线或无线连接直接从外部音频源2接收表示声音节目内容的一个或多个音频流。
尽管被描述为从外部音频源2接收音频流，但音频接收器3可以访问存储介质中本地存储的音频流。在该实施例中，音频接收器3从本地存储介质检索音频流以进行处理，无需与外部音频源2交互。
如下文将要更详细所述，音频接收器3可以是用于处理音频流并驱动一个或多个扬声器阵列4的任何类型的设备或设备组。例如，音频接收器3可以是膝上型计算机、台式计算机、平板电脑、移动设备或家庭影院音频接收器。
现在转向扬声器阵列4，图2A示出了具有容纳于单个机柜6中的多个换能器5的一个扬声器阵列4。在该实例中，扬声器阵列4具有在机柜6中均匀排列成八行四列的32个换能器5。在其他实施例中，可以使用间距均匀或不均匀的不同数量的换能器5。例如，如图2B中所示，可以在机柜6中将十个换能器5排列成单行，以形成声音条形式的扬声器阵列4。尽管被示为排列成平面或直线，但可以沿着圆弧将换能器5排列成曲线样式。
换能器5可以是全音域驱动器、中音域驱动器、超低音扬声器、低音扬声器和高音扬声器的任意组合。换能器5中的每个换能器都可以使用轻质膜，或锥体，通过约束线圈(例如音圈)的柔性悬架连接到刚性盆架或框架，以通过圆柱形磁隙沿轴向运动。在向音圈施加音频电信号时，电流在音圈中产生磁场，使其成为可变电磁体。线圈和换能器5的磁性系统交互作用，产生磁力，其使得线圈(从而导致附接的锥体)前后运动，由此在所施加的来自源(例如信号处理器、计算机和音频接收器)的音频电信号控制下再现声音。尽管本文描述的是单个机柜6中容纳了多个换能器5，但在其他实施例中，扬声器阵列4可以包括容纳于机柜6中的单个换能器5。在这些实施例中，扬声器阵列4是独立的扬声器。
每个换能器5可以被逐个独立地驱动，以响应于独立且不同的音频信号产生声音。通过允许根据不同的参数和设置(包括延迟和能量水平)逐个独立地驱动扬声器阵列4中的换能器5，扬声器阵列4可以产生众多方向性模式，以模拟或更好地呈现向收听者6播放的声音节目内容的相应信道。例如，可以由扬声器阵列4发射具有不同宽度和方向性的波束图案。
如图1A中所示，扬声器阵列4可以包括线路或导管，以用于连接到音频接收器3。例如，每个扬声器阵列4可以包括两个布线点，并且音频接收器3可以包括互补的布线点。布线点可以是分别在扬声器阵列4和音频接收器3后方的接线柱或弹簧夹。导线独立缠绕或通过其他方式耦接到相应的布线点，以将扬声器阵列4电耦接到音频接收器3。
在其他实施例中，如图1B中所示，扬声器阵列4可以利用无线协议耦接到音频接收器3，使得阵列4和音频接收器3并不物理地连接但维持射频连接。例如，扬声器阵列4可以包括WiFi接收器，以用于从音频接收器3中的对应WiFi发射器接收音频信号。在一些实施例中，扬声器阵列4可以包括集成放大器，以用于利用从音频接收器3接收的无线音频信号驱动换能器5。如上所述，扬声器阵列4可以是独立的单元，其包括用于根据下述技术进行信号处理和驱动每个换能器5的部件。
尽管图1A中示出的是包括两个扬声器阵列4，但音频系统1可以包括通过无线或有线连接耦接到音频接收器3的任意数量的扬声器阵列4。例如，音频系统1可以包括六个扬声器阵列4，表示左前信道、中前信道、右前信道、右后环绕信道、左后环绕信道和低频信道(例如，超低音扬声器)。在另一个实施例中，音频系统1可以包括单个扬声器阵列4，如图1B中所示。单个扬声器阵列4可以是声音条形式的扬声器阵列。
图3示出了根据一个实施例的音频接收器3的功能单元框图和一些构成硬件部件。图3中所示的部件表示音频接收器3中包括的元件，不应被解释为排除其他部件。下文将通过实例的方式描述图3的每个元件。
音频接收器3可以包括多个输入8，以用于利用来自一个或多个外部音频源2的电、无线电或光信号接收一个或多个声音节目内容信道。输入8可以是一组数字输入8A和8B和模拟输入8C和8D，包括位于音频接收器3的暴露表面上的一组物理连接器。例如，输入8可以包括高清晰度多媒体接口(HDMI)输入、光学数字输入(TOSLINK)、同轴数字输入和声音输入。在一个实施例中，音频接收器3通过与外部音频源2的无线连接接收音频信号。在该实施例中，输入8包括用于利用无线协议与外部音频源2通信的无线适配器。例如，无线适配器可以能够利用BLUETOOTH、IEEE 802.11x、全球移动通信蜂窝系统(GSM)、蜂窝码分多址(CDMA)或长期演进(LTE)通信。
如图1A和图1B中所示和上文所述，外部音频源2可以是膝上型计算机或能够通过无线或有线连接向音频接收器3传输声音节目内容的一个或多个信道的任何设备。在一个实施例中，外部音频源2和音频接收器3集成在一个不可分的单元中。在该实施例中，扬声器阵列4也可以集成到同一单元中。例如，外部音频源2和音频接收器3可以在一个计算单元中，换能器5集成于单元的左右侧中。
返回到音频接收器3，现将描述来自输入8的一般信号流。首先看数字输入8A和8B，在通过输入8A和/或8B接收数字音频信号时，音频接收器3使用解码器9A或9B将电、光或无线电信号解码成表示声音程序内容的一组音频信道。例如，解码器9A可以接收包含六个音频信道的单个信号(例如5.1信号)并将信号解码成六个音频信道。解码器9能够对利用任何编解码器或技术，包括高级音频编码(AAC)、MPEG音频层II、MPEG音频层III和免费无损音频编解码器(FLAC)编码的音频信号解码。
转到模拟输入8C和8D，由模拟输入8C和8D接收的每个模拟信号可以表示声音节目内容的单个音频信道。因此，可能需要多个模拟输入8C和8D以接收每条声音节目内容的每个信道。可以由相应的模/数转换器10A和10B对音频信道进行数字化，以形成数字音频信道。
来自解码器9A和9B以及模/数转换器10A和10B的数字音频信道被输出到复用器12。复用器12基于控制信号13来选择性地输出一组音频信道。可以从音频接收器3中的控制电路或处理器或从外部设备接收控制信号13。例如，用于控制音频接收器3的操作模式的控制电路可以向复用器12输出控制信号13，以选择性地输出一组数字音频信道。
复用器12向阵列处理器14馈送所选择的数字音频信道。复用器12输出的信道由阵列处理器14处理，以产生一组处理的音频信道。该处理可以利用诸如快速傅里叶变换(FFT)的变换在时域和频域中操作。阵列处理器14可以是专用处理器，诸如专用集成电路(ASIC)、通用微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号控制器或一组硬件逻辑结构(例如滤波器、算术逻辑单元和专用状态机)。阵列处理器14基于来自位置估计器15和/或串扰矩阵发生器16的输入来生成一组信号，以用于驱动扬声器阵列4中的换能器5。
位置估计器15确定房间7中一个或多个收听人员的位置。例如，位置估计器15可以确定收听者6在房间7中的物理坐标或收听者6相对于扬声器阵列4的位置(例如，相对于扬声器阵列4的距离和角度或坐标)。图4A示出了房间7中的位置处的收听者6，相对于扬声器阵列4的坐标为xA，yA。位置估计器15在收听者6在房间7中走动且同时扬声器阵列4发射声音的同时，确定收听者6的位置。尽管关于单个收听者6进行描述，但位置估计器15可以确定多个收听者6在房间7中的位置。尽管本文将位置估计器15描述为自适应地确定收听者6在房间7中的位置，但在一个实施例中，位置估计器假定在初始位置确定之后，收听者6的位置是固定的。
位置估计器15可以使用任何设备或算法确定收听者6的位置。在一个实施例中，用户输入设备17耦接到位置估计器15，以用于辅助确定收听者6的位置。用户输入设备17允许收听者6周期性地输入收听者6相对于扬声器阵列4或房间7中另一个已知对象的位置。例如，在观看电影时，收听者6可能一开始坐在相对于扬声器阵列4坐标为xA，yA的座位上，如图4A中所示。收听者6可以利用用户输入设备17向位置估计器15中输入这个位置。在观看电影时，收听者6可能决定挪到相对于扬声器阵列4位于xB，yB的桌子边，如图4B中所示。基于这种移动，收听者6可以利用用户输入设备17向位置估计器15中输入该新的位置。用户输入设备17可以是有线或无线键盘、移动设备或允许收听者6向位置估计器15中输入位置的任何其他类似设备。在一个实施例中，输入的值是非数字或相对值。例如，收听者6可以指出他们位于扬声器阵列4的右侧。
在另一个实施例中，麦克风18可以耦接到位置估计器15，以用于辅助确定收听者6的位置。在该实施例中，麦克风18位于收听者6身上或接近收听者6。音频接收器3驱动扬声器阵列4来发射一组由麦克风18感测的测试声音并馈送到位置估计器15以进行处理。位置估计器15在测试的声音从扬声器阵列4向麦克风18行进时，基于感测的声音确定测试的声音的传播延迟。之后可以使用传播延迟来确定收听者6相对于扬声器阵列4的位置。
麦克风18可以利用有线或无线连接耦接到位置估计器15。在一个实施例中，麦克风18集成于移动设备(例如移动电话)中，并利用一种或多种无线协议(例如BLUETOOTH和IEEE 802.11x)向位置估计器15传输感测的声音。麦克风18可以是任何类型的声电换能器或传感器，包括微机电系统(MEMS)麦克风、压电麦克风、驻极体麦克风或动态麦克风。麦克风18可以提供一定范围的极性图案，诸如心形、全向和8字形。在一个实施例中，麦克风18的极性图案可以随着时间连续变化。尽管被示为和描述为单个麦克风18，但在一个实施例中，可以使用多个麦克风或麦克风阵列来检测房间7中的声音。
在另一个实施例中，相机19可以耦接到位置估计器15，用于辅助确定收听者6的位置。相机19可以是摄像机或静止图像相机，其指向房间7中与扬声器阵列4相同的方向。相机19记录扬声器阵列4前方的区域的视频或一组静止图像。基于这些记录，相机19自身或结合位置估计器15跟踪收听者6的面部或其他身体部位。位置估计器15可以基于这一面部/身体跟踪来确定收听者6的位置。在一个实施例中，相机19在扬声器阵列4输出声音节目内容的同时周期性地跟踪收听者6的特征，使得可以精确更新和保持收听者6的位置。例如，相机19可以在通过扬声器阵列4播放歌曲的同时连续跟踪收听者6。
相机19可以利用有线或无线连接耦接到位置估计器15。在一个实施例中，相机19集成于移动设备(例如移动电话)中，并利用一种或多种无线协议(例如BLUETOOTH和IEEE802.11x)来向位置估计器16传输录制的视频或静止图像。尽管被示为和描述为单个相机19，但在一个实施例中，可以使用多个相机用于面部/身体跟踪。
在另一个实施例中，一个或多个红外(IR)传感器20耦接到位置估计器15。IR传感器20捕获从扬声器阵列4前方的区域中的对象发出的IR光。基于这些感测的IR读数，位置估计器15可以确定收听者6的位置。在一个实施例中，IR传感器20在扬声器阵列4输出声音的同时周期性地操作，使得可以精确更新和保持收听者6的位置。例如，IR传感器20可以在通过扬声器阵列4播放歌曲的同时连续跟踪收听者6。
红外传感器20可以利用有线或无线连接耦接到位置估计器15。在一个实施例中，红外传感器20集成于移动设备(例如移动电话)中，并利用一种或多种无线协议(例如BLUETOOTH和IEEE 802.11x)向位置估计器15传输所感测的红外光读数。
尽管上文相对于单个收听者6进行描述，但在一个实施例中，位置估计器15可以确定多个收听者6的相对于扬声器阵列4的位置。在该实施例中，使用收听者6的每个位置来调节由扬声器阵列4发出的声音。
使用上述技术的任意组合，位置估计器15计算并向串扰矩阵发生器16馈送收听者6的位置以进行处理。串扰矩阵发生器16基于检测到的收听者6的位置来检索波束图案矩阵。检索到的波束图案矩阵为通过扬声器阵列4发出的声音实现一个或多个预定义的约束。在一个实施例中，约束包括(1)在收听者6的左耳处最大化/增大一条声音节目内容的左信道并最小化/减小右信道，(2)在收听者6的右耳处最大化/增大右信道并最小化/减小左信道，(3)以及最小化/减小房间7所有其他区域中的声音。下文将更详细地描述用于生成波束图案矩阵的方法。
在一个实施例中，在一只耳朵处最大化/增大第一信道，同时最小化第二信道可以包括增大在该耳朵处感知到的第一信道声音，同时减小或消除在该耳朵处的第二信道。这种感知可以由第一信道的功率显著大于第二信道的功率来定义。
给定右音频输入信道dR和左音频输入信道dL，波束图案矩阵分别在收听者的右耳和左耳处产生右输出信道fR和左输出信道fL。这可以由以下方程表示，其中G为波束图案矩阵：
在这个方程中，分别在收听者右耳和左耳处产生的右输出信道fR和左输出信道fL基本分别类似于或等同于右音频输入信道dR和左音频输入信道dL。
在一个实施例中，音频接收器3存储与房间7中一个或多个收听者6相对于扬声器阵列4的不同位置对应的多个波束图案矩阵。例如，音频接收器3可以存储针对每个坐标对x，y的独立波束图案矩阵，每个坐标对表示房间7中收听者6相对于扬声器阵列4的位置。如上所述，波束图案矩阵可以与多个收听者6在房间7中的位置相关联。
在一个实施例中，波束图案矩阵可以存储于音频接收器3中的本地介质中。例如，波束图案矩阵可以存储于集成在音频接收器3中的微电子、易失性或非易失性介质中。在另一个实施例中，波束图案矩阵位于远程服务器或系统上，并可以由音频接收器3利用有线或无线网络连接访问。例如，音频接收器3可以利用IEEE 802.11x、IEEE 802.3、全球移动通信蜂窝系统(GSM)、蜂窝码分多址(CDMA)和长期演进(LTE)中的一种或多种访问波束图案矩阵。
如上所述，波束图案矩阵可以基于收听者6的位置使针对收听者6右耳和左耳的声音最大化，同时使房间7的所有其他区域中的声音最小化。在一个实施例中，波束图案矩阵的每个波束图案矩阵由描述针对特定频率的滤波器的一组复数值(例如，大小和相位)构成，该特定频率用于驱动扬声器阵列4中的对应换能器5以产生左音频信道和右音频信道。例如，可以将波束图案矩阵表示为：
在以上样本波束图案矩阵中，每个r对应于复数滤波器值，该复数滤波器值描述针对特定频率用于左音频信道和右音频信道的应用于扬声器阵列4中t个换能器5中的每个换能器的大小和相位。如上所述，串扰消除器16检索针对与所检测的收听者6的位置对应的一个或多个期望频率的每个期望频率的波束图案矩阵。将检索到的波束图案矩阵馈送到阵列处理器14，以用于处理表示一条声音节目内容的一个或多个音频信道。尽管本文使用的方程是在频域中描述的，但波束图案矩阵中的滤波器值可以实现于时域或频域中。
复数滤波器值描述每个换能器5为实现一个或多个预定义的约束而发出的声音的大小和相位，其用于初始计算波束图案矩阵。如上所述，约束可以包括(1)在收听者6的左耳处最大化/增大一条声音节目内容的左信道并最小化/减小右信道，(2)在收听者6的右耳处最大化/增大右信道并最小化/减小左信道，以及(3)最小化/减小房间7所有其他区域中的声音。这些约束使得音频接收器3向收听者6发射声音。通过向收听者6发射声音而不在房间7中的其他区域中发射，由于响应于房间7的频率的变化导致效应最小，从而实现了串扰消除。
在针对与收听者6当前位置对应的一组频率检索一个或多个波束图案矩阵时，串扰消除器16向阵列处理器14馈送波束图案矩阵。阵列处理器14根据波束图案矩阵处理从复用器12接收的一条声音节目内容的每个音频信道。例如，阵列处理器14可以将波束图案矩阵中的每个复数滤波器值用作针对馈送给扬声器阵列中的换能器5的对应音频信号的加权和相位值。阵列处理器14使得换能器5基于波束图案矩阵中的滤波器值发出声音，从而实现每个约束(例如，(1)在收听者6的左耳处最大化一条声音节目内容的左信道并最小化右信道，(2)在收听者6的右耳处最大化右信道并最小化左信道，(3)以及最小化房间7所有其他区域中的声音)。
通过使指向收听者6处的声音最大化，房间7对收听者6几乎没有影响，因为在房间7的大部分区域中声音都最小化了。此外，串扰消除不太可能受到调节不佳的情况影响(例如，换能器5灵敏度变化和房间7效应)，因为有更多控制度(即，扬声器阵列4中的很多换能器5)可用于调节。
阵列处理器14可以利用诸如快速傅里叶变换(FFT)的变换在时域和频域中操作。阵列处理器14可以是专用处理器诸如专用集成电路(ASIC)、通用微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号控制器或一组硬件逻辑结构(例如滤波器、算术逻辑单元和专用状态机)。如图3中所示，将声音节目内容的已处理片段从阵列处理器14传递到一个或多个数/模转换器21以产生一个或多个不同的模拟信号。将数/模转换器21产生的模拟信号馈送到功率放大器22，以驱动扬声器阵列4的所选择的换能器5。
音频接收器3可以基于位置估计器15检测到的收听者6的运动来连续调节扬声器阵列4的输出。例如，在检测到收听者6已移动时，串扰消除器向阵列处理器14馈送更新的一组波束图案矩阵以进行处理。
现在参考图5A和5B，将描述一种用于生成波束图案矩阵的系统。可以由音频接收器3在音频系统1的初始配置期间或由独立单元在制造或实验室设施中生成波束图案矩阵。在以下描述中，将相对于音频接收器3描述波束图案矩阵的生成。然而，在其他实施例中，可以使用独立的设备来计算这些矩阵并向一个或多个音频接收器提供。
串扰消除器16基于收听者6在房间7中的位置为一组频率生成一个或多个波束图案矩阵。在一个实施例中，音频接收器3包括一个或多个麦克风22以用于辅助生成波束图案矩阵。麦克风22可以包括用于确定收听者6的位置的麦克风18，或者麦克风22可以与麦克风18分开。麦克风22用于初始校准音频接收器3和房间6中的扬声器阵列4。一旦生成了波束图案矩阵，就可以移除/存储麦克风22。
如图5A中所示，定位麦克风22A以表示收听者6的右耳，定位麦克风22B以表示收听者6的左耳，将麦克风22C定位在房间7中与麦克风22A和22B分开的其他区域中。在图5B中所示的另一个实施例中，可以定位麦克风以表示多个收听者6。例如，定位麦克风22A1和22B1以表示第一收听者6的右耳和左耳，定位麦克风22A2和22B2以表示第二收听者的右耳和左耳，以及将麦克风22C定位在房间7中与麦克风22A1、22B1、22A2和22B2分开的其他区域中。尽管下文参考单个收听者6描述，但串扰矩阵发生器16可以通过类似方式与多个收听者6一起操作。
麦克风22可以利用有线或无线连接耦接到串扰消除器16。在一个实施例中，麦克风22集成于移动设备(例如移动电话)中，并利用一种或多种无线协议(例如BLUETOOTH和IEEE 802.11x)向串扰消除器16传输感测的声音。麦克风22可以是任何类型的声电换能器或传感器，包括微机电系统(MEMS)麦克风、压电麦克风、驻极体麦克风或动态麦克风。麦克风22可以提供一定范围的极性图案，诸如心形、全向和8字形。在一个实施例中，麦克风22的极性图案可以随着时间连续变化。
在一个实施例中，音频接收器3产生一系列测试声音，其用于驱动扬声器阵列4中的换能器5。测试声音的持续时间、频率和功率可以变化，并可以分成与收听者6左耳和右耳对应的右信道和左信道。利用图5A中所示的麦克风布局，串扰矩阵发生器16针对一组频率中的每个频率来计算波束图案矩阵。生成的波束图案矩阵基于一个或多个约束来驱动扬声器阵列4中的每个换能器5。在一个实施例中，约束包括(1)在麦克风22A处最大化/增大一条声音节目内容的左信道并最小化/减小右信道，(2)在麦克风22B处最大化/增大右信道并最小化/减小左信道，以及(3)在麦克风22C处不产生声音或产生非常低水平的声音。例如，对于右信道测试声音zL和左信道测试声音zR，上述约束会针对麦克风22A和22B产生分别对于右信道测试声音zR和左信道测试声音zL相同的感测声音，而麦克风22C会几乎感测不到声音。利用以上约束，串扰发生器16可以计算在收听者6的左耳和右耳处分别精确产生右信道和左信道的波束图案矩阵，而不允许来自相反信道的声音溢流到左右耳。
图6示出了根据一个实施例的用于利用图5A和图5B中所示的麦克风配置来生成波束图案矩阵的方法23。方法23开始于操作24，其中确定房间7中收听者6的位置。在这一操作中，收听者6可以不是实际收听者6，而是表示收听者6耳朵的麦克风22A和22B的位置。在一个实施例中，位置估计器15可以利用用户输入设备17、麦克风18、相机19和IR传感器20中的一个或多个来确定收听者6的位置。可以将收听者6的位置表示为相对于扬声器阵列4或房间7中任何其他已知固定装置的坐标。
在确定收听者6的位置时，在操作25，由音频接收器3向房间7中发出多个测试声音。测试声音被分成分别与收听者6的右耳和左耳对应的右信道zR和左信道zL。测试声音针对每个信道zR和zL的持续时间、频率和功率可以变化。
在操作26，麦克风22在测试声音弥漫于整个房间7中时感测测试声音并将感测的声音传输到串扰消除器。如上所述，如图5A中所示，定位麦克风22A以表示收听者6的右耳，定位麦克风22B以表示收听者6的左耳，以及将麦克风22C定位在房间7中与麦克风22A和22B分开的其他区域中。可以利用有线或无线连接向串扰消除器传输感测的声音。
在操作27，将从每个麦克风22感测的声音馈送到串扰矩阵发生器16，以生成与收听者6的位置对应的波束图案矩阵。串扰矩阵发生器16计算试图实现一组预定义约束的波束图案矩阵。波束图案矩阵包括一组复数滤波器值，其描述要应用于音频信号的大小/权重和相位，该音频信号应用于扬声器阵列4中的每个换能器5以实现一个或多个约束。在一个实施例中，约束包括(1)在麦克风22A处最大化一条声音节目内容的左信道并最小化右信道，(2)在麦克风22B处最大化右信道并最小化左信道，(3)以及在麦克风22C处不产生声音或产生非常低水平的声音。为了实现这些约束，可以将该问题用公式表示为最小二乘问题，其中向波束图案矩阵中分别与麦克风22A、22B处右和左信道最大化和最小化相关的部分应用大的加权(例如串扰消除)，而向波束图案矩阵中与麦克风22C处声音最小化相关的部分应用相对较小的加权。整体效果是，方法23实现了串扰消除，同时使远离收听者6的声音最小化。
在一个实施例中，确定与收听者6位置对应的针对房间7的传递函数。在生成波束图案矩阵期间使用所确定的传递函数以补偿由于测试声音通过房间7传播引起的效应/干扰。
在操作28，可以存储和/或向一个或多个音频接收器3传输计算的波束图案矩阵，以用于在各种房间和环境中执行上述串扰消除。可以通过有线或无线连接来执行传输。在一个实施例中，在制造设施中产生波束图案矩阵的期间在其他音频接收器3上存储所计算的波束图案矩阵。
可以针对收听者6的多个可能位置连续执行方法23，使得可以针对一组频率生成对应的波束图案矩阵。可以向一个或多个音频接收器3传输针对每个对应位置的波束图案矩阵中的每个波束图案矩阵，以利用一个或多个约束来执行上述串扰消除。利用上述约束，串扰发生器16可以计算在收听者6的左耳和右耳处分别精确产生右信道和左信道的波束图案矩阵，而不允许来自相反信道的声音溢流到收听者6的左右耳。
如上所述，本发明的一个实施例可为其中机器可读介质(诸如微电子存储器)在其上存储指令的一种制品，所述指令对一个或多个数据处理部件(本文中一般称为“处理器”)编程以执行上述操作。在其他实施例中，可通过包含硬连线逻辑部件(例如，专用数字滤波器块和状态机)的特定硬件部件来执行这些操作中的一些。或者，可以由经编程的数据处理部件和固定硬连线电路部件的任意组合来执行这些操作。
虽然已描述并且在附图中示出了某些实施例，但应当理解，此类实施例仅用于说明广义的发明而非对其进行限制，并且本发明并不限于所示和所述的特定构造和布置，因为对于本领域普通技术人员而言可想到各种其他修改。因此要将描述视为例示性的而非限制性的。

Claims (23)

1.一种执行串扰消除的方法，包括：
识别收听者在房间中的位置；
从包含多个波束图案矩阵的存储装置检索与所述收听者的所识别的位置对应的先前存储的一组波束图案矩阵，所述多个波束图案矩阵中的每一个对应于特定音频频率，并且所述多个波束图案矩阵中的每一个在生成所述多个波束图案矩阵期间已经使用针对房间的传递函数针对通过房间传播的测试声音所引起的效应被补偿；以及
基于所检索的波束图案矩阵来驱动扬声器阵列以产生一组波束图案，其中所检索的波束图案矩阵使得所述波束图案(1)在所述收听者的左耳处增大一条声音节目内容的左信道并减小所述一条声音节目内容的右信道，(2)在所述收听者的右耳处增大所述右信道并减小所述左信道，以及(3)减小所述房间的所有其他区域中的声音功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中识别所述收听者在所述房间中的所述位置包括执行面部检测和跟踪。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在持续回放所述一条声音节目内容的同时，反复识别所述收听者在所述房间中的所述位置。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括：
在基于所述反复识别来确定所述收听者已经移动到所述房间中的不同位置时，检索与所述收听者的所述不同位置对应的新的一组波束图案矩阵。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：
基于所检索的新的一组波束图案矩阵来驱动所述扬声器阵列以产生一组波束图案。
6.根据权利要求1所述的方法，其中每个波束图案矩阵是与用于驱动所述扬声器阵列中的每个换能器的频率对应的一组滤波器值。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述存储装置中的所述多个波束图案矩阵各自与音频频率和所述房间中相对于所述扬声器阵列的不同位置对应。
8.根据权利要求7所述的方法，其中在制造所述扬声器阵列期间预设所述多个波束图案矩阵。
9.一种用于生成串扰矩阵的方法，包括：
在房间中定位第一组麦克风，其中定位所述第一组麦克风来模拟收听者的左耳的位置；
在所述房间中定位第二组麦克风，其中定位所述第二组麦克风来模拟所述收听者的右耳的位置；
在所述房间中与所述第一组麦克风和所述第二组麦克风分开定位第三组麦克风；
驱动具有左音频信道和右音频信道的扬声器阵列；
确定一组波束图案，所述一组波束图案(1)在所述第一组麦克风处最大化所述左音频信道并最小化所述右音频信道，(2)在所述第二组麦克风处最大化所述右音频信道并最小化所述左音频信道，(3)以及最小化由所述第三组麦克风感测的声音；
确定针对房间的传递函数；以及
生成所述串扰矩阵以将所述波束图案表示为用于针对特定频率来驱动所述扬声器阵列的一组实数值，在生成所述串扰矩阵期间利用所述传递函数来补偿通过所述房间传播的由所述右音频信道和所述左音频信道引起的效应。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
重新定位所述第一组麦克风、所述第二组麦克风和所述第三组麦克风来模拟所述收听者在所述房间中的新的位置；
确定新的一组波束图案，所述新的一组波束图案(1)在所述第一组麦克风处增大所述左音频信道并减小所述右音频信道，(2)在所述第二组麦克风处增大所述右音频信道并减小所述左音频信道，以及(3)减小由所述第三组麦克风感测的声音；以及
生成新的串扰矩阵以将所述新的一组波束图案表示为用于针对特定频率来驱动所述扬声器阵列的一组实数值。
11.根据权利要求9所述的方法，还包括：
向音频设备提供所述串扰矩阵以用于不同房间中。
12.根据权利要求9所述的方法，其中利用最小二乘算法来确定所述一组波束图案，其中应用大权重以在所述第一组麦克风处和所述第二组麦克风处分别最大化和最小化所述左音频信道和右音频信道，并向所述第三组麦克风应用较小的权重。
13.根据权利要求9所述的方法，其中针对所述房间的传递函数对应于所述收听者的位置被确定。
14.一种用于生成串扰矩阵的系统，包括：
第一组麦克风，所述第一组麦克风表示收听者的左耳，其中所述收听者位于房间中；
第二组麦克风，所述第二组麦克风表示所述收听者的右耳；
第三组麦克风，所述第三组麦克风表示所述收听者所在房间的其他区域；和
音频处理器，所述音频处理器用于确定针对扬声器阵列的一组波束图案，所述一组波束图案在所述第一组麦克风处产生左音频信道，并在所述第二组麦克风处产生右音频信道，同时最小化由所述第三组麦克风感测的声音，其中所述音频处理器确定针对所述房间的传递函数，生成所述串扰矩阵以将所述波束图案表示为用于驱动所述扬声器阵列的一组实数值，并在生成所述串扰矩阵期间利用所述传递函数来补偿通过所述房间传播的由所述右音频信道和所述左音频信道引起的效应。
15.根据权利要求14所述的系统，其中由所述音频处理器利用最小二乘算法来确定所述一组波束图案，其中应用大权重以在所述第一组麦克风处产生所述左音频信道，并在所述第二组麦克风处产生所述右音频信道，同时向所述第三组麦克风应用较小权重。
16.根据权利要求15所述的系统，还包括：
传输单元，所述传输单元用于向外部设备传输所述串扰矩阵以用于不同房间中。
17.根据权利要求14所述的系统，其中所述音频处理器确定对应于所述收听者的位置的针对所述房间的传递函数。
18.一种数据处理系统，包括：
用于识别收听者在房间中的位置的装置；
用于从包含多个串扰矩阵的存储装置检索与所述收听者的所识别的位置对应的先前存储的串扰矩阵的装置，所述多个串扰矩阵中的每一个对应于特定音频频率，并且所述多个串扰矩阵中的每一个在生成所述多个串扰矩阵期间已经使用针对房间的传递函数针对通过房间传播的测试声音所引起的效应被补偿；以及
用于基于所检索的串扰矩阵来驱动扬声器阵列以产生一组波束图案的装置，其中所检索的串扰矩阵使得所述波束图案(1)在所述收听者的左耳处增大一条声音节目内容的左信道并减小所述一条声音节目内容的右信道，(2)在所述收听者的右耳处增大所述右信道并减小所述左信道，以及(3)最小化所述房间的所有其他区域中的声音。
19.根据权利要求18所述的系统，其中利用面部检测和跟踪来识别所述收听者在所述房间中的所述位置。
20.根据权利要求18所述的系统，其中在所述一条声音节目内容的持续期间连续地执行对所述收听者的所述位置的识别。
21.根据权利要求20所述的系统，其中在确定所述收听者移动到所述房间中的新的位置时，检索与所述收听者的所述新的识别的位置对应的新的串扰矩阵。
22.根据权利要求21所述的系统，还包括：
用于基于所检索的新的串扰矩阵来驱动所述扬声器阵列以产生一组波束图案的装置。
23.根据权利要求18所述的系统，其中所述串扰矩阵是一组复数滤波器值，所述一组复数滤波器值用于针对特定频率来驱动所述扬声器阵列中的每个换能器。
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