CN105792075A - 一种串声消除滤波器的生成方法及三维声音重放方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种串声消除滤波器的生成方法，所述方法包括：步骤101)将线性扬声器阵列中的所有扬声器进行配对组合；步骤102)利用离散傅里叶变换将声音信号从时域转换到频域上，频点个数为M；步骤103)选定M个频率对应的M个最优扬声器组；步骤104)根据M个频率对应的M个最优扬声器组，采用规则化方法生成串声消除滤波器。基于上述方法生成的串声消除滤波器，本发明还提供了一种三维声音重放方法，所述方法包括：将听者的双耳声信号通过离散傅里叶变换从时域转换到频域；将频域信号输入到所述步骤104)中的串声消除滤波器和线性扬声器阵列后，传入听者的双耳，实现三维声音重放。

Description

一种串声消除滤波器的生成方法及三维声音重放方法

技术领域

本发明涉及三维音频技术领域，尤其涉及一种串声消除滤波器的生成方法及三维声音重放方法。

背景技术

线性扬声器阵列的声音重放系统，由于在实际应用中的便捷性而被广泛采用。它通过设计串声消除系统，使包含有空间信息的双耳声信号经过扬声器阵列后准确地传输至相应的左(右)耳，从而使听者感知到声音中包含的三维空间信息(文献[1]:B.S.Atal,andM.R.Schroeder.ApparentSoundSourceTranslator",U.S.Patent3236949,1966.)。但串声消除系统的设计是以听者在空间中的某一固定位置为对象，而当听者的头部转动或位置发生变化时，听者感知到的三维音效会急剧的下降，这也就是最佳听音区域(sweetspot)较窄的问题。

文献[2](DarrenB..Ward,andGaryW.Elko.EffectofLoudspeakerPositionontheRobustnessofAcousticCrosstalkCancellation",IEEETrans.SignalProcessingletters6,106-108,1999.)和文献[3](MingsianR.Bai,andChih-ChungLee.Objectiveandsubjectiveanalysisofeffectsoflisteningangleoncrosstalkcancellationinspatialsoundreproduction",J.Acoust.Soc.Am.120,1976-1989,2006.)指出声音信号的不同频率成分的重放效果与扬声器的摆放位置有关，也就是与扬声器和听者之间的夹角有关。

为提高扬声器三维重放系统的鲁棒性，当前串声消除系统的设计方法主要是将对称的两个扬声器配对使用(文献[4]:T.Takeuchi,andPhilipA.Nelson.Optimalsourcedistributionforbinauralsynthesisoverloudspeakers",J.Acoust.Soc.Am.Vol.112,2786-2797,2002.)，这在一定程度上可以提高串声消除系统的鲁棒性。

如图1所示，线性扬声器阵列的重放系统包含N个扬声器，每个扬声器是等间隔排列；θ_n为扬声器L_n与听者的夹角。P_L和P_R分别表示听者左耳和右耳接收到的声压信号。配对的扬声器组为：

总共有组。

根据各对称扬声器组(不同角度)对信号不同频率成分的鲁棒性影响，将信号分解为若干个子带信号，然后将其各子带信号反馈给配对的扬声器。

上述方法存在一定的局限性，将对称扬声器配对成扬声器组，会对扬声器组的选择产生限制；因为对于各子带信号，对称的扬声器组不一定是使其鲁棒性最强的扬声器组；因此利用该方法实现三维声音重放，无法达到最强的鲁棒性和最优的声音重放效果。

发明内容

本发明的目的在于克服目前线性扬声器阵列的声音重放系统中，将线性扬声器阵列的对称扬声器配对成扬声器组，致使系统无法达到最强的鲁棒性和最优的声音重放效果；提出了针对信号不同频率成分从所有配对扬声器组中选出对应的最优扬声器组的方法，极大地提高三维声音重放系统的鲁棒性和效果。

为了实现上述目的，本发明提供了一种串声消除滤波器的生成方法，包括：

步骤101)将线性扬声器阵列中的所有扬声器进行配对组合；

步骤102)利用离散傅里叶变换将声音信号从时域转换到频域上，频点个数为M；

步骤103)选定M个频率对应的M个最优扬声器组；

步骤104)根据M个频率对应的M个最优扬声器组，采用规则化方法生成串声消除滤波器。

上述技术方案中，所述步骤103)进一步包括：

步骤103-1)对所有的配对扬声器组进行编号；

$\{(n,L_i,L_j),n=1...C_N^2,i\≠j,i=1...N,j=1...N\};$

其中，n为扬声器组的序号，L_i,L_j为对应的扬声器序号；

步骤103-2)将第m个频率信号输入所有的扬声器组；计算对应的鲁棒性大小；

将第m个频率输入至第n个扬声器组；采用条件数标识信号频率通过扬声器组的鲁棒性大小；具体的计算公式为：

$\mathrm{cond}\left(c_{n,m}\right)=\left|\right|c_{n,m}\left|\right|\left|\right|c_{n,m}^{-1}\left|\right|,m=1...M,n=1...C_N^2;$

其中，c_n,m为第m个频率对应的第n个扬声器组到听者双耳之间的头部相关传输函数矩阵，为2×2矩阵；cond(c_n,m)为c_n,m的条件数；

步骤103-3)选取第m个频率对应的最小条件数的扬声器组作为最优扬声器组；

首先选取使第m个频率达到最小条件数的头部相关传输函数矩阵，n_m满足：

$n_m={\min }_n\{\mathrm{cond}\left(c_{n,m}\right),n=1...C_N^2\}$

为第m个频率对应的最优头部相关传输函数矩阵；从集合 $\{(n,L_i,L_j),n=1...C_N^2,i\≠j,i=1...N,j=1...N\}$ 中查询n_m序号对应的扬声器组为(L_i,L_j)，这就是第m个频率对应的最优扬声器组。

基于上述方法生成的串声消除滤波器，本发明还提供了一种三维声音重放方法，所述方法包括：将听者的双耳声信号通过离散傅里叶变化从时域转换到频域；将频域信号输入到所述步骤104)中的串声消除滤波器和线性扬声器阵列后，传入听者的双耳，实现三维声音重放。

与现有技术相比，本发明的方法考虑了线性扬声器阵列的所有扬声器组对三维声音重放系统鲁棒性的影响，在相同扬声器个数的条件下，本发明的方法极大地提高三维声音重放系统的鲁棒性和效果。

附图说明

图1为现有的线性扬声器阵列的三维声音重放方法示意图；

图2为本发明的串声消除滤波器的生成方法流程图；

图3为通过本发明的方法实现的信号不同频率的鲁棒性与扬声器组的关系。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图2所示，一种串声消除滤波器的生成方法，包括：

步骤101)将线性扬声器阵列中的N个扬声器进行配对组合，共有个扬声器组；

步骤102)利用离散傅里叶变换将声音信号从时域转换到频域上，频点个数为M；

M根据离散傅里叶变换选取的频率长度确定，在本实施例中，M＝1024。

步骤103)选定M个频率对应的M个最优扬声器组，包括：

步骤103-1)对所有的配对扬声器组进行编号；

$\{(n,L_i,L_j),n=1...C_N^2,i\≠j,i=1...N,j=1...N\};$

其中，n为扬声器组的序号，L_i,L_j为对应的扬声器序号。

步骤103-2)将第m个频率信号输入所有的扬声器组；计算对应的鲁棒性大小；

将第m个频率输入至第n个扬声器组；采用条件数标识信号频率通过扬声器组的鲁棒性大小；具体的计算公式为：

$\mathrm{cond}\left(c_{n,m}\right)=\left|\right|c_{n,m}\left|\right|\left|\right|c_{n,m}^{-1}\left|\right|,m=1...M,n=1...C_N^2;$

其中，c_n,m为第m个频率对应的第n个扬声器组到听者双耳之间的头部相关传输函数矩阵，为2×2矩阵；cond(c_n,m)为c_n,m的条件数。

步骤103-3)选取第m个频率对应的最小条件数的扬声器组作为最优扬声器组；

首先选取使第m个频率达到最小条件数的头部相关传输函数矩阵，n_m满足：

$n_m={\min }_n\{\mathrm{cond}\left(c_{n,m}\right),n=1...C_N^2\}$

为第m个频率对应的最优头部相关传输函数矩阵；从集合 $\{(n,L_i,L_j),n=1...C_N^2,i\≠j,i=1...N,j=1...N\}$ 中查询n_m序号对应的扬声器组为(L_i,L_j)，这就是第m个频率对应的最优扬声器组。

步骤104)根据M个频率对应的M个最优扬声器组，采用规则化方法生成串声消除滤波器。

串声消除滤波器对应的串声消除矩阵H满足：

H＝[C^TC+βI]^-1C^T

其中，β为正则化参数，为常数，在本实施例中，β＝10^-4；C为M个最优头部相关传输函数矩阵矩阵组成的矩阵；H为2×2矩阵。

基于上述方法生成的串声消除滤波器，本发明还提供了一种三维声音重放方法，所述方法包括：

将听者的双耳声信号通过离散傅里叶变化从时域转换到频域；将频域信号输入到所述串声消除滤波器和线性扬声器阵列后，传入听者的双耳，实现三维重放；具体为：

假设t时刻频域信号为X＝(X₁,X₂)^T，与所述串声消除滤波器对应的串声消除矩阵H做乘积，得到新的信号Y＝(Y₁,Y₂)^T：

Y＝H·X；

Y₁和Y₂传入听者的双耳。

下面对本发明的方法进行仿真实现。

线性扬声器阵列包含14个扬声器，取定一个夹角为θ₈＝5°的右扬声器，与夹角为θ₇，…，θ₁的左扬声器配成不同的扬声器组。

在图3中，横坐标表示左扬声器的位置；纵坐标表示系统的条件数≤5dB时对应的频率范围。可以看出，当横坐标为1时，左右扬声器是对称的(夹角都为5°)；随着左扬声器位置的改变，对应系统的高鲁棒性的信号频率成分发生变化。

从以上仿真结果可以看出，本发明的方法综合考虑所有扬声器组对不同频率信号的影响，充分利用不同频率信号的重放效果与扬声器摆放位置的关系，在扬声器个数相同的条件下，最大程度地增强了系统的鲁棒性和三维声音重放效果。

Claims (3)

1.一种串声消除滤波器的生成方法，所述方法包括：

步骤101)将线性扬声器阵列中的所有扬声器进行配对组合；

步骤102)利用离散傅里叶变换将声音信号从时域转换到频域上，频点个数为M；

步骤103)选定M个频率对应的M个最优扬声器组；

步骤104)根据M个频率对应的M个最优扬声器组，采用规则化方法生成串声消除滤波器。

2.根据权利要求1所述的串声消除滤波器的生成方法，其特征在于，所述步骤103)进一步包括：

步骤103-1)对所有的配对扬声器组进行编号；

$\{(n,L_i,L_j),n=1...C_N^2,i\≠j,i=1...N,j=1...N\};$

其中，n为扬声器组的序号，L_i,L_j为对应的扬声器序号；

步骤103-2)将第m个频率信号输入所有的扬声器组；计算对应的鲁棒性大小；

将第m个频率输入至第n个扬声器组；采用条件数标识信号频率通过扬声器组的鲁棒性大小；具体的计算公式为：

$\mathrm{cond}\left(c_{n,m}\right)=\left|\right|c_{n,m}\left|\right|\left|\right|c_{n,m}^{-1}\left|\right|,m=1...M,n=1...C_N^2;$

其中，c_n,m为第m个频率对应的第n个扬声器组到听者双耳之间的头部相关传输函数矩阵，为2×2矩阵；cond(c_n,m)为c_n,m的条件数；

步骤103-3)选取第m个频率对应的最小条件数的扬声器组作为最优扬声器组；

首先选取使第m个频率达到最小条件数的头部相关传输函数矩阵，n_m满足：

$n_m={\min }_n\{\mathrm{cond}\left(c_{n,m}\right),n=1...C_N^2\}$

为第m个频率对应的最优头部相关传输函数矩阵；从集合 $\{(n,L_i,L_j),n=1...C_N^2,i\≠j,i=1...N,j=1...N\}$ 中查询n_m序号对应的扬声器组为(L_i,L_j)，这就是第m个频率对应的最优扬声器组。

3.一种三维声音重放方法，该方法基于权利要求1-2之一所述的串声消除滤波器的生成方法，该方法包括：将听者的双耳声信号通过离散傅里叶变换从时域转换到频域；将频域信号输入到所述步骤104)中的串声消除滤波器和线性扬声器阵列后，传入听者的双耳，实现三维声音重放。