CN1053079C - 利用两个扬声器再现多声道声音的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种利用两个扬声器再现多声道声音的装置及其方法，该装置包括：解码接收到的多声道声音信号和恢复频率域的多声道声音数据的数据恢复装置；具有中央声道和立体声环绕声道方向函数的方向性保持处理器，用于将乘以该方向函数后的中央声道和立体声环绕声道声音数据与左右主声道声音数据混合，和将保持方向性的左右主声道声音数据输出到两个主声道；和一个进程域转换器，用于将保持方向性的左右主声道声音数据转换为时间域数据。

Description

利用两个扬声器再现多声道声音的装置及其方法

本发明涉及一种多声道声音再现装置，更具体地说，本发明涉及一种利用两个扬声器再现多声道声音的装置及其方法。

为了更加迅速和更加准确地传输领先于多媒体时代爆炸性增长的各种信息所作的无休止的努力在新的数字通迅技术以及高度集成半导体(VLSI)和信号处理技术(DSP)方面取得了惊人的发展。此外，以往按照不同方式产生和处理的图像、声音、和其它数据现在可以无需考虑完全不同格式的信息源或信息载体的差别进行处理和使用。依照这种趋势，似乎有必要使数字数据的国际传输标准化，以便于发送和共享不同设备之间的信息。因此，形成了一些标准，例如，1990年颁布的ITU-TS规则H.261、1992年为存储和传输静止图像建立的ISO/ITU-TS的JPEG(联合图像专家组)标准、和ISO/IEC的MPEG(动态图像专家组)标准。

纵观当前的音频信号压缩编码器的技术发展趋势，象声音和音乐这样的宽频带音频信号由于在数字化、存储和传输时信息量的增加需要非常大的存储空间和较大的传输带宽。为了解决上述问题，已经开发了许多种方法，这些方法能够对音频信号编码、传输或存储经过压缩的编码信号，并且在使这些音频信号只具有人类无法辨别的误差的水平上恢复所传输的或存储的信号。最近，有关更加有效地再现音频信号的研究已经通过利用人类的听觉特征构成一个数学心理声学模型来对音频信号编码和解码而取得积极的进展。用于上述研究的一种方法基于这样的事实，按照人类的听觉构造，识别各个频率带通中信号的灵敏度和听觉极限因人而异，并且依赖于屏蔽效应，即在任何频率带通中具有较低能量的信号在与具有较高能量的信号相邻的情况下由于高能信号的存在而听不到。根据对上述各种音频信号编码和解码研究的发展，关于对用于最新数字音频设备和多媒体的音频信号进行编码和解码的方法的ISO MPEG国际标准已经顺利地开始建立，关于立体声广播的MPEG1音频标准已经在1993年确立，目前关于5.1声道的MPEG2音频标准也已经开始建立。由美国的Dolby公司开发并且主要应用于美国当代电影工业的一种独立压缩算法AC3，1993年11月被确定为美国的HDTV(高清晰度电视)数字音频标准，这个标准将成为一种国际通用的MPEG标准。

这些算法，例如MPEG2和AC3的作用是以低传输速率压缩多声道音频信号，这些算法被作为HDTV和DVD领域中的算法标准，因而在房间中的人可以听到象在剧院一样的声音效果。但是，它需要至少5个扬声器才能听到采用上述算法构成的多声道声音，并且使用5个放大器驱动这些扬声器。实际上，很难将这些设备安装在同一个房屋中，所以没有人能够欣赏到其中的多声道声音。如果能够利用常规的向下混声方法将经过压缩的多声道声音再现为双声道声音，多声道声音的方向特性就消失了，从而使听者感受到强烈的真实性。

与此同时，尽管由日本的Victor公司发明的Dolby Pro-logic三维声学算法将多声道声音信号向下混声为两个声道，并且再现该下混声道信号，但是，在听这些声音时，仍然具有四个声道的效果。

图1为解释由日本的Victor有限公司发明的Dolby Pro-logic三维声学算法的示意图。参见图1，标号2表示包含一个Dolby Pro-logic功能部件10的处理器，和三维声学处理器12。此外，标号4表示包括一个左放大器(LAMP)14和一个左扬声器(LSP)16的一个左输出装置，标号6表示包括一个右放大器(RAMP)18和一个右扬声器(RSP)20的一个右输出装置。具体地说，图2为图1中所示三维声学处理器12的详细电路图。

以下将参照图1和图2解释该算法的原理。首先，在图1中，输入的双声道声音信号IL和IR被转换成四声道声音信号，即一个左声道信号、一个右声道信号、一个中央声道信号和一个环绕声道信号(L，R，C，S)，然后该经过转换的信号被传输到三维声学处理器12。参照图2，讨论三维声学处理器12的工作原理，通过利用图2中所示的三维声学算法34处理，将左声道信号L和右声道信号R分别输入到一个左加法器30和一个右加法器32，将中央声道信号C同时输入到上述的左加法器30和右加法器32，并将环绕声道信号S也输入到上述的左加法器30和右加法器34中，从而使得听者听到的声音仿佛是从后面产生的。于是，在左加法器30和右加法器32中包含中央声和环绕声方向分量的左声道信号eL和右声道信号eR被分别传输到左输出装置4和右输出装置6。所以，听者可以通过左输出装置4和右输出装置6听到四个声道的声音。

但是，由日本Victor公司开发的Dol Pro-Logic三维声学算法的问题在于，由于对于三维声学信号的滤波和所有数据处理都只能在时间域中进行，因而增大了计算量。此外，需要装备许多信号处理装置以快速处理上述的计算量。

本发明的一个目的是提供仅利用两个扬声器再现按照多声道特性具有各个声道信号的方向性的多声道声音信号，从而使听者感受到强烈的真实性的一种装置和一种方法。

本发明的另一个目的是提供用于保持多声道声音信号在频率域中的各个方向分量的一种装置和一种方法。

本发明的再一个目的是提供用于减少在仅利用两个扬声器再现多声道声音信号时产生的大计算量的一种装置和一种方法。

为了实现这些和其它的目的，本发明提供一种利用两个扬声器再现多声道声音从而使听者感受到就象多声道声音的强烈的真实性的装置，该装置包括：一个用于解码接收到的多声道声音信号和恢复频率域的多声道声音数据的数据恢复装置；一个方向性保持处理器，该处理器具有基于与听者头部相关的传输函数的中央声道方向函数和立体声环绕声道方向函数，所述的传输函数表示中央和立体声环绕方向的声音信号相对于听者头部的频率变化特性，该处理器用于将乘以该方向函数放大的中央声道声音数据和立体声环绕声道声音数据与左右主声道声音数据混合，和将保持方向性的左右主声道声音数据输出到两个主声道；和一个进程域转换器，用于将保持方向性的左右主声道声音数据转换为时间域数据。

通过以下参照附图所作的详细描述可以更好地理解本发明，从而更容易完整地了解本发明及其许多优点，在所述附图中相同的参照标号表示相同或相似的部件，其中：

图1为一示意图，用以解释由日本Victor有限公司开发的Dolby Pro-Logic三维声学算法；

图2为表示图1中所示三维声学处理器12的详细电路图；

图3示意性表示编码和解码声音信号的过程；

图4为表示本发明的一个实施例的方块图；

图5为表示图4中所示方向性保持处理器45中的一个混合器80的详细方块图；

图6为一示意图，用以解释根据本发明的一个实施例确定方向函数的过程。

下面将参照附图具体地解释本发明的一个优选实施例。首先，应当指出，在所有附图中相同的字母标号将用于指示相同的或具有相同功能的等价元件。此外，在下面的说明中，将描述许多具体的细节，例如构成电路和频率部分的具体器件，以使人们能够对本发明有更加完整的理解。但是，很显然，对于本领域的技术人员来说，无需这些细节便可以实现本发明。在本申请中省略了对于不会妨碍理解本发明主题的已知函数和结构的详细描述。

图3示意性表示了编码和解码声音信号的过程，其中图3中的(a)表示通过将在一个麦克风中产生的时间域多声道声音信号转换成频率域多声道声音信号，压缩和打包经过转换的信号，并通过所述声道传输经过压缩和打包的信号，图3中的(b)表示对通过所述声道接收的声音信号进行解码的过程，即通过去打包(depacking)，恢复和逆转换声音信号对声音信号进行逆转换的过程。

根据本发明的一个实施例仅仅使用两个扬声器再现多声道声音信号的这种装置涉及如图3中(b)所示的解码过程中的去打包和恢复过程。应当指出所述去打包和恢复过程是在频率域中处理数据。

图4为本发明的一个实施例的方框示意图，其对应于去打包和恢复过程，并且由一个数据恢复装置40、一个方向性保持处理器45、和一个进程域转换器50(process domain converter)构成。图5为一方块图，详细地表示了图4中所示方向性保持处理器45中的混声器80的结构。

首先，参照图4，所述数据恢复装置40利用MPEG2或AC3算法将接收到的多声道声音信号解码，并将解码的信号恢复成频率域的多声道声音信号。方向性保持处理器45根据与听者头部相关的传输函数得到一个中央声道方向函数和环绕立体声声道方向函数，所述的传输函数表示由于听者头部相对于中央和环绕立体声方向的声音信号的位置不同产生的频率变化特性，所述处理器45将所得到的两个方向函数与两个主声道的声音数据相加，并将相加的数据输出到两个主声道。所述进程域转换器50用于将两个主声道中经过方向性保持处理的声音数据转换成时间域的数据。

现在，将利用诸如MPEG2或AC3算法编码的一串位流(多声道声音信号)输入到数据恢复装置40中。该数据恢复装置40利用诸如MPEG2或AC3算法将经过编码的位流恢复成频率域数据。通常，数据恢复装置40将频率域数据转换成时间域数据并再现该声音。在该数据恢复装置40中恢复的频率域声音数据由于处于多声道中，于是分别通过一个左主声道、一个右主声道、一个子低音扬声器端子、一个中央声道端子、一个左环绕声声道端子、和一个右环绕声声道输出。

两种主声道声音数据为输出到左主声道端子和右主声道端子的左/右主声道声音数据LMN和RMN。将上述左/右主声道声音数据LMN和RMN直接地输入方向性保持处理器45的混声器80中。输出到子低音扬声器端子的子低音扬声器声音数据SWF作为产生低于200Hz的效果声音所需的数据输入到混声器80中。

同时，通过中央声道端子、左环绕声声道端子和右环绕声声道端子输出的中央声道声音数据CNR、右环绕声声道声音数据RSRD、和左环绕声声道声音数据LSRD在乘以预置在方向函数单元70中的方向函数后输入到方向性保持处理器45的混声器80中。

在方向函数单元70中，方向函数C-DF1和C-DF2表示频率域数据中中央声道声音数据CNR的方向函数，方向函数LS-DF1和LS-DF2表示频率域数据中左环绕声声道声音数据LSRD的方向函数。此外，RS-DF1和RS-DF2表示频率域数据中右环绕声声道声音数据RSRD的方向函数。

为了只用两个扬声器再现所有的多声道声音，上述的方向函数C-DF1、C-DF2、LS-DF1、LS-DF2、RS-DF1、RS-DF2表示按照本发明的一个实施例设定的方向函数。前述的方向函数是在HRTF(与头部相关的传输函数)的基础上构成的。该HRTF函数表示听者听到的声音频率相对于听者头部的各个方向(例如，右、左、中央、左环绕或右环绕)的变化特征。就是说，仿佛听者相对于特定方向具有一个特殊的滤波器。所以，在凝听相对于人的一个特定方向的声音信号的情况下，该HRTF函数相当于对声音信号的频率域中特定的频率域进行滤波。

下面参照附图6解释根据本发明的一个实施例得到方向函数的一种方法。

图6为一示意图，解释根据本发明的一个实施例确定方向函数的过程。在图6中，参考标号60表示听者的头部，参照标号62和64表示听者的耳朵，左耳和右耳。

参见图6，按照方向函数DF1和DF2到达图6所示两个耳朵62和64处的信号eL和eR可以用下列表示式1表示。

[表示式1]

eL＝H1L*DF1*X+H2L*DF2*X

eR＝H1R*DF1*X+H2R*DF2*X

其中，X为一个声源，H1L和H1R为左扬声器SP1相对于听者的左耳62和右耳64的HRTF函数，H2L和H2R为右扬声器SP2相对于听者的左耳62和右耳64的HRTF函数，DF1为输入到左扬声器SP1的信号的方向函数，DF2为输入到右扬声器SP2的信号的方向函数。

与此同时，从一个虚拟设置在任意位置y处的一个扬声器66到达听者的两耳62和64处的声源X的信号dL和dR可以用下列表示式2表示。

[表示式2]

dL＝PLy*X

dR＝PRy*X

在上述表示式2中，PLy和PRy为上述扬声器66中到达听者左右耳62和64的HRTF函数。

理论上，上述表示式1和2是相互等价的，即，eL＝dL，eR＝dR。在上述表示式1和2中，由于作为HRTF函数的H1L、H1R、H2L和H2R是根据实验得出的，并且声源X具有一个已知值，位于位置y的虚设扬声器66的方向函数DF1和DF2可以利用表示式1和2之间的关系(eL＝dL，eR＝dR)得到。例如，当将虚设扬声器66视为左环绕声扬声器时，在这种情况下得到的方向函数DF1和DF2在方向函数单元70中成为与左环绕声声道声音数据LSRD有关的传输函数LS-DF1和LS-DF2。

利用上述的方法还可以得到中央声道和环绕立体声声道(左环绕声声道和右环绕声声道)的声音数据的方向函数。

在方向函数单元70中通过乘以方向函数构成的中央声道声音数据CNR1，2、环绕立体声声道声音数据LSRD1，2、和RSRD1，2(左环绕声声道和右环绕声声道)被输入到方向性保持处理器45的混声器80中，分别与左主声道声音数据LMN和右主声道声音数据RMN混合，并且作为两个声道的声音数据MXL和MXR输出。

方向性保持处理器45的混声器80的结构如图5所示。参见图5，该混声器80包括一个预处理器100、一个增益调节器102、和一组加法器104和118。

预处理器100根据确定的算法对从数据恢复装置40输入的左/右主声道声音数据LMN和RMN、子低音扬声器声音数据SWF，和对通过所述方向函数单元70输入到第一和第二中央声道、以及环绕立体声声道(第一和第二左环绕声声道、第一和第二右环绕声声道)的声音数据CNR1，2、LSRD1，2和RSRD1，2执行预处理程序，例如块转换。

输出到预处理器100的子低音扬声器声音数据SWF调节增益，使得在增益调节器102中保留左主声道声音数据和右主声道声音数据的信号，并且输入到加法器104和108中。加法器104将经过增益调节的子低音扬声器声音数据与经过预处理的左主声道声音数据相加，并将加和的数据输出到加法器106中。在预处理器100中经过预处理的第一右环绕声道声音数据和第一左环绕声声道声音数据还在加法器116中彼此相加。加法器116的输出在加法器112中与经过预处理的第一中央声道声音数据相加后输入到加法器106中。所以，加法器106将加法器112和104的输出彼此相加，并将混合的左声道声音数据输出到进程域转换器50中。

同时，在预处理器100中经过预处理的第二右环绕声声道声音数据和第二左环绕声声道声音数据在加法器118中彼此相加。加法器118的输出在加法器114中与经过预处理的第二中央声道声音数据相加后输入到加法器110中。但是，经过预处理的右主声道声音数据和经过增益调节的子低音扬声器声音数据在加法器108中彼此相加，从而在加法器110中与加法器114的输出相加。所以，加法器110的输出变为混合的右声道声音数据。混合的右声道声音数据输出到图4中所示的进程域转换器50中。

参照图5，经过混合器80的混合操作而保持方向性的两个主声道声音数据输入到进程域转换器50中。如图4所示的进程域转换器50将具有保持方向性的两个主声道声音数据转换成时间域的数据TMXL和TMAR，从而输出经过转换的数据。

从前述内容中可以很清楚地看出，在本发明实际应用于现实产品的情况下，最好是将上述函数归并到声音解码器中，从而当使用者需要时，打开/关闭上述函数。

如上所述，本发明通过只用两个扬声器为压缩的多声道声音数据提供各个声道信号的方向性而使使用者感受到强烈的真实性。同时，它还具有减少为实现本发明的目的进行的频率域计算操作所需计算量的效果。

所以，应当理解，本发明不局限于在本申请中公开的作为实现本发明的最佳方式的具体实施例，就是说，本发明不局限于在说明书中所述的具体实施例，而是由所提出的权利要求书确定。

Claims (5)

1.一种利用两个扬声器再现多声道声音的装置，它包括：

一个用于解码接收到的多声道声音信号和恢复频率域的多声道声音数据的数据恢复装置；

一个方向性保持处理器，该保持处理器包括：一个方向函数单元，其中包含中央声道声音数据和环绕立体声声道声音数据的方向函数，该单元将所述中央声道声音数据和所述的环绕立体声声道声音数据分别乘以相应的方向函数，并将相乘后的数据作为第一和第二中央声道声音数据、和第一和第二环绕立体声声道声音数据输出；和一个混声器，该混声器用于将左主声道声音数据与所述的第一中央声道声音数据和所述的第一环绕立体声声道声音数据混合，进而将所述经过混合的数据作为左声道声音数据输出，以及将右主声道声音数据与所述的第二中央声道声音数据和所述的第二环绕立体声声道声音数据混合，进而将经过混合的数据作为右声道声音数据输出，和

一个进程域转换器，用于将所述保持方向性的左右主声道声音数据转换为时间域数据。

2.如权利要求1所述的利用两个扬声器再现多声道声音的装置，其中所述的混声器包括：

一个预处理器，用于根据确定的各种算法对声音数据进行预处理，例如块转换；和

一个加法器，用于将从所述预处理器中输出的所述声音数据的左主声道声音数据与所述第一中央声道声音数据和所述第一环绕立体声声道声音数据相加，进而将其输出，和将所述的右主声道声音数据、所述的第二中央声道声音数据、和所述的第二环绕立体声声道声音数据彼此相加。

3.如权利要求1所述的利用两个扬声器再现多声道声音的装置，其中所述的方向性保持处理器在所述的频率域中根据方向函数处理声音数据。

4.一种利用两个扬声器再现多声道声音的方法，该方法包括以下步骤：

将接收的多声道声音信号解码和恢复频率域的多声道声音数据；

在与头部相关传输函数的基础上得到中央声道方向函数和环绕立体声声道方向函数，其中所述与头部相关传输函数表示中央和立体环绕方向的声音信号相对于听者头部的频率变化特性，并将所述的得到的方向函数应用于中央和立体环绕方向；

分别将应用了所述方向函数的中央声道声音数据和环绕立体声声道声音数据与左主声道和右主声道声音数据混合，并将保持方向性的左主声道和右主声道声音数据输出到两个主声道；和

将所述的保持方向性的左主声道和右主声道声音数据转换为时间域数据。

5.如权利要求4所述的利用两个扬声器再现多声道声音的方法，其中所述的方向函数是借助于下列表示式1和2的关系eL＝dL，eR＝dR得到的；

[表示式1]

eL＝H1L*DF1*X+H2L*DF2*X

eR＝H1R*DF1*X+H2R*DF2*X

其中，X为一个声源，H1L和H1R为左扬声器相对于听者的左耳和右耳的HRTF函数，H2L和H2R为右扬声器相对于听者的左耳和右耳的HRTF函数，DF1为输入到左扬声器的信号的方向函数，DF2为输入到右扬声器的信号的方向函数，eL和eR为应用了方向函数到达听者两耳的信号；

[表示式2]

dL＝PLy*X

dR＝PRy*X

其中，PLy和PRy为虚设扬声器相对于听者左右耳的HRTF函数，dL和dR为从虚设在任意位置y处的所述扬声器到达听者两耳处的所述声源X的信号。

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