CN105451152A - 基于听者位置跟踪的实时声场重建系统和方法 - Google Patents

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蒋三新
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Abstract

本发明公开了一种基于听者位置跟踪的实时声场重建系统和方法，其特征在于，采用了摄像头来采集听者的位置，并通过计算机来计算出听者的位置坐标，采用时间反演法计算得到对应通道的脉冲响应，再通过离散傅里叶变化以及离散傅里叶反变化得到音频滤波器的滤波系数，原声源音频流通过与该滤波系数进行卷积，经过多通道声卡传输给对应扬声器阵列输出声音。在听者移动时，重复以上步骤，实现声场的实时更新，确保声场输出的虚拟声源位于听者身边，给听者带来更好的视听效果。

Description

基于听者位置跟踪的实时声场重建系统和方法
技术领域
本发明涉及声场重放领域，具体涉及一种基于听者位置跟踪的实时动态的声场重建的方法和系统。
背景技术
互联网时代的来临使得人类的交流采用了新的方式，进入了新的领域。虚拟现实(VR)技术成为了近年来科技圈相当火热的技术。虚拟现实技术通过构造一个虚拟的、不同于现实的3D环境，带给人身临其境的视觉感受。而利用声场重建方法合成虚拟声源的技术也能创造身临其境的听觉感受。这或许会成为未来虚拟现实技术发展的重要组成部分。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于听者位置跟踪的实时的动态声场重建的方法和系统。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于听者位置跟踪的实时声场重建方法，包括听音室控制系统和扬声器阵列，扬声器阵列包括N个扬声器和N个音频滤波器，N为大于1的整数；其特征在于，包括以下步骤：
获取听者位置；
先根据听者位置处理得到听者的位置坐标；然后
根据听者的位置坐标以及扬声器的位置信息计算得到其中M个扬声器的驱动信号；M为大于或等于1且小于或等于N的自然数；再
根据听者的位置、扬声器的位置信息以及音频信号的采样频率，得到M个音频滤波器的滤波系数；之后
将原始音频信号经过各个通道的音频滤波器滤波，得到处理后的音频信号；最后
将处理得到的音频信号输出到对应通道的扬声器播放，叠加每个扬声器的声场，得到总声场；
摄像头拍摄到听者移动时，重复上述步骤，得到新的总声场。
作为优选的，控制系统采用时间反演法计算得到对应通道的音频滤波器的驱动信号。
作为优选的，单个扬声器产生的声场表示为
Pi(x，ω)＝D(xi，ω)G(x-xi，ω)。
作为优选的，声场表示为
P ( x , ω ) = Σ i = 1 K P i ( x , ω ) .
作为优选的，原始音频信号为听音室外的音源；
外部音频采集系统录音采集听音室外的初始声源，输入到外部上位机或输入到各个通道的音频滤波器。
本发明还提供了一种基于听者位置跟踪的实时声场重建系统，包括听音室、控制系统以及设于听音室内的图像采集组件和扬声器阵列，扬声器阵列包括N个扬声器和N个音频滤波器，N为大于1的整数；
控制系统分别与N个音频滤波器相连接，每个音频滤波器与一个扬声器相连接；图像采集组件与控制系统相连接；
控制系统用于：
根据图像采集组件采集到的听者位置处理得到听者的位置坐标；
根据听者的位置坐标以及扬声器的位置信息计算得到其中M个扬声器的驱动信号；M为大于或等于1且小于或等于N的自然数；
根据听者的位置、扬声器的位置信息以及音频信号的采样频率，得到M个音频滤波器的滤波系数；
控制原始音频信号输入N个音频滤波器。
作为优选的，图像采集组件的可视范围覆盖整个听音室。
作为优选的，扬声器均匀地分布在听音室的四周。
作为优选的，还包括音源采集组件；音源采集组件与控制系统相连接；
音源采集组件用于采集听音室外的音源。
进一步的，音源采集组件还与外部上位机相连接；
外部上位机用于记录音源采集组件采集到的音源。
本发明的技术优势在于：
本发明是一种基于物理实现的声场重建方法，不依赖于心理声学，并且具有的听音区域并不局限于某几个听音位置，并且系统可实时侦测听者位置的移动、实时处理数据、实时更新声场，从而实现一种实时的动态声场重建方法。本发明可应用于如远程演讲等场景，并可与虚拟现实技术结合，为观者带来独特的视听感受。
附图说明
图1为本发明声场重建方法的步骤流程图；
图2为本实施例听音房间扬声器阵列布置的示意图；
图3为本实施例中虚拟声源重建在某一位置的声场分布图；
图4为本实施例中虚拟声源重建在另一位置的声场分布图；
图5为本实施例中虚拟声源重建在另一位置的声场分布图；
图6为本发明的软件部分设计的框架图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。
为解决上述技术问题，本发明的第一实施方式提供了一种基于听者位置跟踪的实时声场重建系统，包括听音室、控制系统以及设于听音室内的图像采集组件和扬声器阵列，扬声器阵列包括N个扬声器和N个音频滤波器，N为大于1的整数；控制系统分别与N个音频滤波器相连接，每个音频滤波器与一个扬声器相连接；图像采集组件与控制系统相连接；控制系统用于：根据图像采集组件采集到的听者位置处理得到听者的位置坐标；根据听者的位置坐标以及扬声器的位置信息计算得到其中M个扬声器的驱动信号；M为大于或等于1且小于或等于N的自然数；根据听者的位置、扬声器的位置信息以及音频信号的采样频率，得到M个音频滤波器的滤波系数；控制原始音频信号输入N个音频滤波器。
在本实施例中，图像采集组件是一个摄像头，其可视范围覆盖整个听音室；扬声器阵列包括90个扬声器均匀地分布在听音室的四周，形成闭环。
在本实施例中，该基于听者位置跟踪的实时声场重建系统还包括音源采集组件；音源采集组件与控制系统相连接；音源采集组件用于采集听音室外的音源。该音源采集组件还能够与外部上位机相连接；外部上位机用于记录音源采集组件采集到的原始音频信号。
本发明还提供了一种基于听者位置跟踪的实时声场重建方法，利用了上述的基于听者位置跟踪的实时声场重建系统，该方法包括以下步骤：
获取听者位置；
控制系统先根据听者位置处理得到听者的位置坐标；然后根据听者的位置坐标以及扬声器的位置信息计算得到其中M个扬声器的驱动信号；M为大于或等于1且小于或等于N的自然数；根据听者的位置、扬声器的位置信息以及音频信号的采样频率，得到M个音频滤波器的滤波系数；之后将原始音频信号经过各个通道的音频滤波器滤波，得到处理后的音频信号；最后将处理得到的音频信号输出到对应通道的扬声器播放，叠加每个扬声器的声场，得到总声场；
摄像头拍摄到听者移动时，重复上述步骤，得到新的总声场。
其中，将摄像头安装在听音室屋顶中央，使其可视范围覆盖整个听音室，摄像头所拍摄的连续图像经计算机程序处理得到听者的位置坐标。扬声器阵列均匀分布在听音室四周，并将各个扬声器的具体坐标存储于计算机中；
扬声器阵列作为一组次级声源，对于第i个扬声器，其重建的次声源波场可表示为
Pi(x，ω)＝D(xi，ω)G(x-xi，ω)。
其中xi＝[xiyizi]T表示第i个次级声源的位置，即第i个扬声器的位置；为第i个次级声源的点源影响函数(格林函数)，其中c表示空气中的声速；D(xi,ω)第i个次级声源的驱动函数。
根据时间反演法， D ( x i , ω ) = P f s ( ω ) ( 1 4 π e - j ω c | x f s - x i | | x f s - x i | ) * , 其中Pfs(ω)表示原声源信号的频率响应，xfs表示所要重建的虚拟声源的位置，*表示共轭。令则可知原声源信号经Hi(ω)表示的滤波器滤波之后即可得到第i个扬声器的驱动信号。
令ω分别取这N个频点(fs为音频信号的采样频率)，假设N取1024，即可得到长度为1024的离散傅里叶变换Hi(k)，对其做离散傅里叶反变换得到一个1024点的脉冲响应hi(n)，即各个扬声器对应通道的音频滤波器的滤波系数。
对听音室之外的声源进行录音采集(采样频率为fs)，经AD转换为数字信号输入到计算机中，或者原声源来源于其他远程传输或计算机中的声源，将处理得到的音频信号输出到对应几个通道的扬声器进行播放，即可在听音房间建立声场，而所建立声场的虚拟声源在听者的位置附近，如图3、4、5所示，图中的小圆圈表示扬声器，小正方形表示听者的位置。
各扬声器对应通道的音频信号vi(n)可表示为原音频信号v(n)与脉冲响应hi(n)的卷积，即
vi(n)＝v(n)*hi(n)
将音频信号经过各个通道的滤波器hi(n)进行处理，将处理得到的音频信号输出到多通道声卡中进行DA转换，最后由各通道所对应的扬声器进行播放；即可在听音房间建立声场，而所建立声场的虚拟声源在听者的位置附近；
当听者位置移动时，系统会实时重复上述所有的步骤更新各个扬声器对应通道的音频滤波器的脉冲响应，且系统处理速度足够快使得建立的声源随听者位置的移动而平滑地移动，从而实现实时动态的声场重建。
上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，本领域的普通技术人员可以理解，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于听者位置跟踪的实时声场重建方法，包括听音室控制系统和扬声器阵列，所述扬声器阵列包括N个扬声器和N个音频滤波器，所述N为大于1的整数；其特征在于，包括以下步骤：
获取听者位置；
先根据听者位置处理得到听者的位置坐标；然后
根据听者的位置坐标以及扬声器的位置信息计算得到其中M个扬声器的驱动信号；所述M为大于或等于1且小于或等于N的自然数；再
根据听者的位置、扬声器的位置信息以及音频信号的采样频率，得到M个音频滤波器的滤波系数；之后
将原始音频信号经过各个通道的音频滤波器滤波，得到处理后的音频信号；最后
将处理得到的音频信号输出到对应通道的扬声器播放，叠加每个扬声器的声场，得到总声场；
检测到听者移动时，重复上述步骤，得到新的总声场。
2.根据权利要求1所述的基于听者位置跟踪的实时声场重建方法，其特征在于，所述控制系统采用时间反演法计算得到对应通道的音频滤波器的驱动信号。
3.根据权利要求1所述的基于听者位置跟踪的实时声场重建方法，其特征在于，单个扬声器产生的声场表示为
Pi(x，ω)＝D(xi，ω)G(x-xi，ω)。
4.根据权利要求1所述的基于听者位置跟踪的实时声场重建方法，其特征在于，所述声场表示为
P ( x , ω ) = Σ i = 1 K P i ( x , ω ) .
5.根据权利要求1所述的基于听者位置跟踪的实时声场重建方法，其特征在于，所述原始音频信号为听音室外的音源；
外部音频采集系统录音采集听音室外的初始声源，输入到外部上位机或输入到各个通道的音频滤波器。
6.一种基于听者位置跟踪的实时声场重建系统，其特征在于，包括听音室、控制系统以及设于所述听音室内的图像采集组件和扬声器阵列，所述扬声器阵列包括N个扬声器和N个音频滤波器，所述N为大于1的整数；
所述控制系统分别与N个所述音频滤波器相连接，每个所述音频滤波器与一个扬声器相连接；所述图像采集组件与所述控制系统相连接；
所述控制系统用于：
根据所述图像采集组件采集到的听者位置处理得到听者的位置坐标；
根据听者的位置坐标以及扬声器的位置信息计算得到其中M个扬声器的驱动信号；所述M为大于或等于1且小于或等于N的自然数；
根据听者的位置、扬声器的位置信息以及音频信号的采样频率，得到M个音频滤波器的滤波系数；
控制原始音频信号输入N个所述音频滤波器。
7.根据权利要求6所述的基于听者位置跟踪的实时声场重建系统，其特征在于，所述图像采集组件的可视范围覆盖整个听音室。
8.根据权利要求6所述的基于听者位置跟踪的实时声场重建系统，其特征在于，所述扬声器均匀地分布在所述听音室的四周。
9.根据权利要求6所述的基于听者位置跟踪的实时声场重建系统，其特征在于，还包括音源采集组件；所述音源采集组件与所述控制系统相连接；
所述音源采集组件用于采集听音室外的音源。
10.根据权利要求9所述的基于听者位置跟踪的实时声场重建系统，其特征在于，所述音源采集组件还与外部上位机相连接；
所述外部上位机用于记录所述音源采集组件采集到的音源。
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