CN106454685A - 一种声场重建方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种声场重建方法及系统，获取所有扬声器的位置信息和原始多声道系统中扬声器的原始信号，设中心听音点和非中心听音点，计算重建多声道系统中扬声器组替换原始多声道系统中单个扬声器的初始分配权重，计算重建多声道系统中扬声器组的初始分配信号并删除原始多声道系统中被替换的单个扬声器，计算得到重建多声道系统中全部扬声器的最终信号。本发明充分考虑听音点所在位置和声场物理性对非中心听音点处声场的影响，构建非中心听音点声场重建模型并求解，可以使得听音者在非中心听音点处可以获得和中心听音点处同样的听音体验，提升了现有多声道系统声音回放的灵活性，具有重要的市场价值。

Description

一种声场重建方法及系统

技术领域

本发明属于三维音频技术领域，尤其涉及一种声场重建方法及系统。

背景技术

随着三维电视和三维电影技术的发展，三维音频技术迫切需要跟上三维视频技术发展的步伐。近年来，三维音频技术取得了一些进展，出现了若干三维音频再现技术。在这些三维音频技术中，基于向量的幅度平移技术(vector based amplitude panning简记为VBAP)由于操作简单使用方便，得到了许多应用。VBAP技术使用三个扬声器合成一个虚拟声源，可以在中心听音点处高效重建虚拟声源在中心听音点处产生的三维声场。5.1声道系统包含中央声道，前置左、右声道，后置左、右环绕声道，及所谓的0.1声道重低音声道。一套系统总共可连接6个喇叭。5.1声道已广泛运用于各类传统影院和家庭影院中，一些比较知名的声音录制压缩格式，譬如杜比AC-3(Dolby Digital)、DTS等都是以5.1声音系统为技术蓝本的，其中“0.1”声道，则是一个专门设计的超低音声道，这一声道可以产生频响范围20～120Hz的超低音。7.1声道系统它在5.1的基础上又增加了中左和中右两个发音点，一共使用4个环绕音箱，以求达到更加完美的境界。7.1环绕其实是虚拟的，实际上只有5个音区(左前方环绕、右前方环绕、中置环绕、左后方环绕、右后方环绕)。剩余2个音区(左环绕、右环绕)是从主音区分配来的。2012年法国电信研究院给出了不同维度音频技术的定义：声像固定称为零维音频；声像可在人耳所在水平面的定距离圆周上移动称为一维音频；声像在人耳为中心定距离球面上移动称为二维音频；声像在人耳为中心的球体内移动称为三维音频。根据法国电信研究院给出的定义，三维音频应该保证重建的声像拥有水平、垂直和距离三个自由度，而现有家庭影院的立体声或环绕声系统重建的声像仅能有水平自由度，无法让声像脱离扬声器所在的平面，属于一维范畴。为了进一步提升传统立体声或环绕声的重建效果，日本广播协会实验室在VBAP技术的基础之上，提出一种包24个扬声器的22.2多声道系统，包含2个低频效果声道。其余22个扬声器分三层摆放，上层摆放9个扬声器，中层摆放10个扬声器，下层摆放3个扬声器。22.2多声道系统相较于传统多声道系统可以给人们带来更加逼真的听音感受。但是22.2多声道系统仅能在中心听音点或者中心听音区域完美重建三维声场，非中心听音点或非中心听音区域听音效果较差。随后，日本广播协会实验室基于一种类似于VBAP的理论，提出了一种高效下混方法，该方法可以将22.2多声道系统的声道数目减少12-14个，同时不会给人们造成三维听音效果很大的下降。但是，该下混方法也仅能在中心听音点或中心听音区域较好的恢复原始声场，在非中心听音点或者非中心听音区域声场重建效果未能得到很好的保证。在实际听音环境中，人们有时候处于多声道系统的中心听音点或者中心听音区域，但是有时候可能发生位置移动，导致人们不是一直都待在中心听音点或者中心听音区域，此时，22.2多声道系统以及其精简系统就不能在非中心听音点或者非中心听音区域为人们提供良好的听音体验，具有一定的技术局限性。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种声场重建方法及系统。

本发明提供一种声场重建方法，包括以下步骤，

步骤1，获得原始多声道系统中m个待替换的扬声器speko1、speko2、…、spekom分别的位置信息原始信号κ₁(ω)、κ₂(ω)、…、κ_m(ω)，重建多声道系统中n个替换扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn分别的位置信息设中心听音点为O，三维直角坐标为非中心听音点为L，三维直角坐标为

设待替换扬声器组speko1、speko2、…、spekom的扬声器原始信号分别为κ₁(ω)、κ₂(ω)、…、κ_m(ω)，替换扬声器组扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn的信号为要求解的信号，记为λ₁(ω)、λ₂(ω)、…、λ_n(ω)；

步骤2，计算确定重建系统中n个扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn替换原始系统中m个扬声器speko1、speko2、…、spekom的初始分配权重，计算公式如下，

s.t.AW_h＝B

其中，

A表示替换扬声器在听音点L处产生的质子速度方向衍生变量和声压中间变量构成的矩阵；

B表示待替换扬声器在听音点O处产生的质子速度方向衍生变量和声压中间变量构成的矩阵；

W_h＝(w_h1 w_h2 … w_hn)^T，是信号分配权重系数w_hj构成的向量；w_hj表示待替换扬声器spekoh分配给替换扬声器spekr j的信号分配权重系数，将相应计算结果作为初始分配权重；

表示质子速度中间变量构成的矩阵；

H₁表示质子速度中间变量构成的向量；

步骤3，将单个待替换扬声器spekoh的信号分别乘以步骤2所得初始分配系数后分配到相应扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn中，删除待替换扬声器spekoh，计算公式如下，

其中，

λ_h1(ω)、λ_h2(ω)、…、λ_hn(ω)为待替换扬声器spekoh分配给替换扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn的初始分配信号；

κ_h(ω)为待替换扬声器spekoh的信号；

w_h1,w_h2,…,w_hm为待替换扬声器spekoh分配给替换扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn的信号分配权重系数；

步骤4，计算得到重建多声道系统中扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn分别的最终信号，实现方式为将步骤3中所得扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn初始分配信号求和，扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn的最终分配信号λ₁(ω)、λ₂(ω)、…、λ_n(ω)的计算公式为，

其中，j＝1，2，…，n。

而且，n和m为正整数，n大于等于3、m大于3，并且m大于n。

而且，步骤2中，矩阵A和B建立方式如下，

其中，k为波数。

而且，步骤2中，矩阵和向量H₁建立方式如下，

其中，k为波数。

本发明相应提供一种声场重建系统，包括以下模块，

第一模块，用于获得原始多声道系统中m个待替换的扬声器speko1、speko2、…、spekom分别的位置信息原始信号κ₁(ω)、κ₂(ω)、…、κ_m(ω)，重建多声道系统中n个替换扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn分别的位置信息设中心听音点为O，三维直角坐标为非中心听音点为L，三维直角坐标为

设待替换扬声器组speko1、speko2、…、spekom的扬声器原始信号分别为κ₁(ω)、κ₂(ω)、…、κ_m(ω)，替换扬声器组扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn的信号为要求解的信号，记为λ₁(ω)、λ₂(ω)、…、λ_n(ω)；

第二模块，用于计算确定重建系统中n个扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn替换原始系统中m个扬声器speko1、speko2、…、spekom的初始分配权重，计算公式如下，

s.t.AW_h＝B

其中，

A表示替换扬声器在听音点L处产生的质子速度方向衍生变量和声压中间变量构成的矩阵；

B表示待替换扬声器在听音点O处产生的质子速度方向衍生变量和声压中间变量构成的矩阵；

W_h＝(w_h1 w_h2 … w_hn)^T，是信号分配权重系数w_hj构成的向量；w_hj表示待替换扬声器spekoh分配给替换扬声器spekr j的信号分配权重系数，将相应计算结果作为初始分配权重；

表示质子速度中间变量构成的矩阵；

H₁表示质子速度中间变量构成的向量；

第三模块，用于将单个待替换扬声器spekoh的信号分别乘以步骤2所得初始分配系数后分配到相应扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn中，删除待替换扬声器spekoh，计算公式如下，

其中，

λ_h1(ω)、λ_h2(ω)、…、λ_hn(ω)为待替换扬声器spekoh分配给替换扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn的初始分配信号；

κ_h(ω)为待替换扬声器spekoh的信号；

w_h1,w_h2,…,w_hm为待替换扬声器spekoh分配给替换扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn的信号分配权重系数；

第四模块，用于计算得到重建多声道系统中扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn分别的最终信号，实现方式为将步骤3中所得扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn初始分配信号求和，扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn的最终分配信号λ₁(ω)、λ₂(ω)、…、λ_n(ω)的计算公式为，

其中，j＝1，2，…，n。

而且，n和m为正整数，n大于等于3、m大于3，并且m大于n。

而且，第二模块中，矩阵A和B建立方式如下，

其中，k为波数。

而且，第二模块中，矩阵和向量H₁建立方式如下，

其中，k为波数。

本发明充分考虑听音点所在位置和声场物理性质对非中心听音点处声场的影响，构建非中心听音点声场重建模型并求解，使得听音者在非中心听音点处可以获得和中心听音点处同样的听音体验，提升了现有多声道系统声音回放的灵活性。

采用本发明提供的包含n个扬声器的重建多声道系统重建包含m个扬声器的原始多声道系统的技术方案，相较于日本广播协会实验室提出的22.2多声道系统及其简化系统仅能在中心听音点或者中心听音区域重建原始的三维声场，本发明的技术方案既可以在中心听音点或者中心听音区域重建原始的三维声场，还可以在任意的非中心听音点或者非中心听音区域低失真地重建声场，提供与原始系统中中心听音点或者中心听音区域一样的听音感受，提高了多声道系统在实际使用中的灵活性，给人们的听音娱乐带来了便利。

本发明可以对包含任意摆放的任意多个扬声器的多声道系统进行信号调配处理，在重建声场中的任意听音点低失真重建三维声场，具备很好的普适性，具有重要的市场价值。

附图说明

图1为本发明的基本流程图。

图2是本发明实施例的原始多声道系统的扬声器摆放位置图。

图3是本发明实施例的重建多声道系统的扬声器摆放位置图。

具体实施方式

本发明针对任意摆放的多声道系统，提出了一种多声道系统的声场重建技术方案，该重建技术方案可以在重建声场中的任意点还原原始声场，使得听音者可以在非中心听音点获得在中心听音点同样的听音效果。该技术方案的核心技术是在保证原始系统中中心听音点处的声音物理性质与重建系统中指定的任意非中心听音点处的声音物理性质一致的前提下，利用任意多个扬声器替换一个待替换扬声器。以下结合附图和具体实施例详细说明本发明技术方案。

为了实现用任意多个扬声器对包含任意多个扬声器的多声道系统进行重建处理，并且原始系统与重建系统中的扬声器可以进行任意位置摆放。本发明提供使用包含n个扬声器的多声道系统重建包含m个扬声器的多声道系统的方法，n、m可以根据具体情况进行取值，设为正整数，实施方式相同。一般，n大于等于3、m大于3，并且m大于n。

实施例的目标是利用包含10个扬声器spekr1、spekr2、…、spekr10的多声道系统重建包含22个扬声器speko1、speko2、…、speko22的原始多声道系统，保证重建系统中选定的非中心听音点处的声场效果与原始系统中中心听音点处的声场效果一致，即n＝10、m＝22。。原始多声道系统中的22个扬声器speko1、speko2、…、speko22被称为待替换扬声器组，22个扬声器的原始信号假设分别为κ₁(ω)、κ₂(ω)、…、κ₂₂(ω)，重建多声道系统中的10个扬声器spekr1、spekr2、…、spekr10被称为替换扬声器组，10个扬声器的信号假设为λ₁(ω)、λ₂(ω)、…、λ₁₀(ω)，为待求的信号。因此本发明主要利用重建多声道系统中的10个扬声器spekr1、spekr2、…、spekr10替换原始多声道系统中的一个待替换扬声器，最终用重建系统中的10个扬声器spekr1、spekr2、…、spekr10全部替换原始多声道系统中的22个扬声器speko1、speko2、…、speko22。本实施例为了处理的方便假设替换扬声器组和待替换扬声器组均位于同一球面上，实际上替换扬声器组和待替换扬声器组可以任意摆放，不一定必须位于同一球面上，球面半径为2米，球面的球心位置为中心听音点或者最佳听音点，记为O，三维直角坐标为球面的非球心位置为非中心听音点，记为L，三维直角坐标为ω表示角频率。

实施例采用10个扬声器系统重建22.2多声道系统，拟实现在重建系统中非中心听音点处声场低失真恢复的过程，参见图1，实施例所提供流程包含以下步骤：

步骤1，获得原始多声道系统中m个待替换的扬声器speko1、speko2、…、spekom分别的位置信息，原始信号，重建多声道系统中n个替换扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn分别的位置信息，设中心听音点为O，三维直角坐标为非中心听音点为L，三维直角坐标为可将最佳听音点设为中心听音点，非最佳听音点为非中心听音点，任意选取一个非中心听音点。

设以中心听音点为坐标原点O，建立三维直角坐标系XYZ，本发明采用直角坐标形式，如点D的坐标(x_D,y_D,z_D)中，x_D表示点D在XOY平面的投影到Y轴的距离，y_D表示点D在XOY平面的投影到X轴的距离，z_D表示点D到XOY平面的垂直距离。假设原始多声道系统中m个扬声器speko1、speko2、…、spekom的坐标分别为： 重建多声道系统中n个扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn的坐标分别为：一般对于球面摆放的多声道系统，球面的球心即为最佳听音点，也为中心听音点，非球心位置为非中心听音点；而任意摆放的多声道系统，最佳听音点位置即为中心听音点，非最佳听音点位置即为非中心听音点。中心听音点记为O，非中心听音点记为L。

设待替换扬声器组speko1、speko2、…、spekom的扬声器原始信号分别为κ₁(ω)、κ₂(ω)、…、κ_m(ω)，替换扬声器组扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn的信号为要求解的信号，记为λ₁(ω)、λ₂(ω)、…、λ_n(ω)。

假设本实施例中，中心点为O，三维直角坐标为非中心听音点为L，三维直角坐标为本实施例选定待替换扬声器组speko1、speko2、…、speko22分别位于球O表面的点，参见图2，扬声器主要分布于高角度Elevation＝45°、0°、-30°处，(高度角表示表示点D与原点O之间连线与XOY平面之间的夹角，水平角表示表示点D与原点O之间连线在XOY平面上的投影与X轴之间的夹角)，坐标分别为： 假设待替换扬声器组speko1、speko2、…、speko22的扬声器原始信号分别为κ₁(ω)、κ₂(ω)、…、κ₂₂(ω)。

替换扬声器spekr1、spekr2、…、spekr10分别位于球O表面的点，参见图3，扬声器主要分布于高角度Elevation＝45°、0°、-30°处，坐标分别为： 替换扬声器组扬声器spekr1、spekr2、…、spekr10的信号为要求解的信号，为了后续处理的方便，假设它们的最终分配信号分别为λ₁(ω)、λ₂(ω)、…、λ₁₀(ω)。

步骤2，计算确定重建系统中n个扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn替换原始系统中m个扬声器speko1、speko2、…、spekom的初始分配权重。

按照原始多声道系统中单个待替换的扬声器spekoh(h＝1，2，…，m)在中心听音点处产生的声压大小和质子速度方向与重建多声道系统中n个替换扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn在非中心听音点处产生的声压大小和质子速度方向相等，原始多声道系统中单个待替换扬声器spekoh(h＝1，2，…，m)在中心听音点处产生的质子速度大小与重建多声道系统中n个替换扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn在非中心听音点处产生的质子速度大小的误差尽可能小的原则，本发明提出初始分配权重计算方案。本实施例取m＝22，n＝10。

单个待替换扬声器spekoh(h＝1，2，…，22)在听音点处产生的声压p_oh为：

10个替换扬声器spekr1、spekr2、…、spekr10在听音点处产生的声压p_rh为：

其中：

表示中心听音点O的坐标

表示非中心听音点L的坐标本实施例选定

表示原始多声道系统中待替换扬声器spekoh(h＝1，2，…，22)的三维直角坐标

表示重建多声道系统中替换扬声器spekrj(j＝1，2，…，10)的三维直角坐标(η_jx,η_jy,η_jz)；

G表示在与一个扬声器单位距离处该扬声器的声压与扬声器处产生声压之比例系数；

e为数学常数；

i为虚部单位；

k为波数，f为声音信号频率；

c为声音在空气中的传播速度；

w_hj表示待替换扬声器spekoh(h＝1，2，…，22)分配给替换扬声器spekr j的信号分配权重系数，j＝1，2，…，10；

κ_h(ω)，h＝1，2，…，22表示扬声器输入信号的傅里叶变换。

由p_oh＝p_rh相等，可以得到：

其中：

W_h＝(w_h1 w_h2 … w_hn)^T，实施例中为W_h＝(w_h1 w_h2 … w_h10)^T，是信号分配权重系数w_hj构成的向量，T表示矩阵转置。将相应计算结果作为初始分配权重。

单个待替换扬声器spekoh(h＝1，2，…，22)在听音点处产生的质子速度u_oh为：

10个替换扬声器spekr1、spekr2、…、spekr10在听音点处产生的质子速度u_rh：

其中：

表示中心听音点O的坐标

表示非中心听音点L的坐标本实施例选定

表示原始多声道系统中待替换扬声器spekoh(h＝1，2，…，22)的三维直角坐标

表示重建多声道系统中替换扬声器spekrj(j＝1，2，…，10)的三维直角坐标(η_jx,η_jy,η_jz)；

G表示在与一个扬声器单位距离处该扬声器的声压与扬声器处产生声压之比例系数；

e为数学常数；

i为虚部单位；

k为波数，f为声音信号频率；

c为声音在空气中的传播速度；

λ为空气密度；

κ_h(ω)，h＝1，2，…，22表示扬声器输入信号的傅里叶变换。

由u_oh＝u_rh相等，可以得到：

表示质子速度中间变量构成的矩阵；

H₁表示质子速度中间变量构成的向量；

其中：

W_h＝(w_h1 w_h2 … w_h10)^T，T表示矩阵转置。

在方程(6)中，第一行到第五行分别除以第六行，可以得到：

(7)、(8)、(9)、(10)、(11)式经过化简可以得到：

t_1,j、t_2,j、t_3,j、t_4,j、t_5,j表示质子速度方向衍生变量，j＝1，2，…，10。

其中：

W_h＝(w_h1 w_h2 … w_h10)^T，T表示矩阵转置。

由式(3)和(12)，可以得到：

AW_h＝B (13)

A表示替换扬声器在听音点L处产生的质子速度方向衍生变量和声压中间变量构成的矩阵；

B表示待替换扬声器在听音点O处产生的质子速度方向衍生变量和声压中间变量构成的矩阵；

其中：

W_h＝(w_h1 w_h2 … w_h10)^T；

T表示矩阵转置。

中心听音点O处的质子速度与非中心听音点L处的质子速度大小的误差C(w_h1,w_h2,…,w_h10)为：

对于一个给定信号κ_h(ω)，为一个常数。因此要使得质子速度大小的误差最小，即使得式(14)中中括号内部式子取值最小即可，令(14)中中括号内部式子为C₂(w_h1,w_h2,…,w_h10)：

则使用重建多声道系统中10个替换扬声器spekr1、spekr2、…、spekr10在非中心点处恢复原始多声道系统中单个待替换扬声器spekoh(h＝1，2，…，22)在中心点处的声场等价于求解：

s.t.AW_h＝B

其中，

W_h＝(w_h1 w_h2 … w_h10)^T；

表示中心听音点O的坐标

表示非中心听音点L的坐标本实施例选定

表示原始多声道系统中待替换扬声器spekoh(h＝1，2，…，22)的三维直角坐标 表示重建多声道系统中替换扬声器spekrj(j＝1，2，…，10)的三维直角坐标(η_jx,η_jy,η_jz)；

k为波数，f为声音信号频率；

c为声音在空气中的传播速度；

w_h,j表示待替换扬声器spekoh(h＝1，2，…，22)分配给替换扬声器spekr j的信号分配权重，j＝1，2，…，10。

求解方程(16)可采用现有技术，本实施例使用高斯-牛顿算法求解。

不失一般性，计算确定重建系统中n个扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn替换原始系统中m个扬声器speko1、speko2、…、spekom的初始分配权重，计算公式如下，

s.t.AW_h＝B

其中，

W_h＝(w_h1 w_h2 … w_hn)^T；

表示中心听音点O的坐标

表示非中心听音点L的坐标

表示原始多声道系统中待替换扬声器spekoh(h＝1，2，…，m)的三维直角坐标

表示重建多声道系统中替换扬声器spekrj(j＝1，2，…，n)的三维直角坐标(η_jx,η_jy,η_jz)；

k为波数，f为声音信号频率；

c为声音在空气中的传播速度；

w_h,j表示待替换扬声器spekoh(h＝1，2，…，m)分配给替换扬声器spekr j的信号分配权重，j＝1，2，…，n。

步骤3，将单个待替换扬声器spekoh(h＝1，2，…，m)的信号分别乘以步骤2所得初始分配权重(即w_h1,w_h2,…,w_hm)后分配到相应扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn中，删除待替换扬声器spekoh(h＝1，2，…，m)；

本实施例中，将待替换扬声器spekoh(h＝1，2，…，22)的信号κ_h(ω)(h＝1，2，…，22)乘以替换扬声器spekr1、spekr2、…、spekr10初始分配权重w_h1,w_h2,…,w_h10，即可得到扬声器spekr1、spekr2、…、spekr10的初始分配信号，删除待替换扬声器spekoh(h＝1，2，…，22)。假设待替换扬声器spekoh(h＝1，2，…，22)分配给替换扬声器spekr1、spekr2、…、spekr10初始分配信号分别为λ_h1(ω)、λ_h2(ω)、…、λ_h10(ω)，则其计算公式为：

步骤4，计算得到重建多声道系统中扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn分别的最终信号。将步骤3中所得扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn初始分配信号求和，扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn的最终分配信号λ₁(ω)、λ₂(ω)、…、λ_n(ω)的计算公式为:

其中，j＝1，2，…，n。

本实施例中按照公式：

其中，j＝1，2，…，10。可以计算得到重建多声道系统中扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn的最终分配信号λ₁(ω)、λ₂(ω)、…、λ₁₀(ω)。

具体实施时，本发明所提供方法可基于软件技术实现自动运行流程，也可采用模块化方式实现相应系统。本发明实施例相应提供一种声场重建系统，包括以下模块，

第一模块，用于获得原始多声道系统中m个待替换的扬声器speko1、speko2、…、spekom分别的位置信息原始信号κ₁(ω)、κ₂(ω)、…、κ_m(ω)，重建多声道系统中n个替换扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn分别的位置信息设中心听音点为O，三维直角坐标为非中心听音点为L，三维直角坐标为

设待替换扬声器组speko1、speko2、…、spekom的扬声器原始信号分别为κ₁(ω)、κ₂(ω)、…、κ_m(ω)，替换扬声器组扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn的信号为要求解的信号，记为λ₁(ω)、λ₂(ω)、…、λ_n(ω)；

第二模块，用于计算确定重建系统中n个扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn替换原始系统中m个扬声器speko1、speko2、…、spekom的初始分配权重，计算公式如下，

s.t.AW_h＝B

其中，

A表示替换扬声器在听音点L处产生的质子速度方向衍生变量和声压中间变量构成的矩阵；

B表示待替换扬声器在听音点O处产生的质子速度方向衍生变量和声压中间变量构成的矩阵；

W_h＝(w_h1 w_h2 … w_hn)^T，是信号分配权重系数w_hj构成的向量；w_hj表示待替换扬声器spekoh分配给替换扬声器spekr j的信号分配权重系数，将相应计算结果作为初始分配权重；

表示质子速度中间变量构成的矩阵；

H₁表示质子速度中间变量构成的向量；

第三模块，用于将单个待替换扬声器spekoh的信号分别乘以步骤2所得初始分配系数后分配到相应扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn中，删除待替换扬声器spekoh，计算公式如下，

其中，

λ_h1(ω)、λ_h2(ω)、…、λ_hn(ω)为待替换扬声器spekoh分配给替换扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn的初始分配信号；

κ_h(ω)为待替换扬声器spekoh的信号；

w_h1,w_h2,…,w_hm为待替换扬声器spekoh分配给替换扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn的信号分配权重系数；

第四模块，用于计算得到重建多声道系统中扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn分别的最终信号，实现方式为将步骤3中所得扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn初始分配信号求和，扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn的最终分配信号λ₁(ω)、λ₂(ω)、…、λ_n(ω)的计算公式为，

其中，j＝1，2，…，n。

各模块具体实现可参见相应步骤，本发明不予赘述。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种声场重建方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1，获得原始多声道系统中m个待替换的扬声器speko1、speko2、…、spekom分别的位置信息原始信号κ₁(ω)、κ₂(ω)、…、κ_m(ω)，重建多声道系统中n个替换扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn分别的位置信息设中心听音点为O，三维直角坐标为非中心听音点为L，三维直角坐标为

设待替换扬声器组speko1、speko2、…、spekom的扬声器原始信号分别为κ₁(ω)、κ₂(ω)、…、κ_m(ω)，替换扬声器组扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn的信号为要求解的信号，记为λ₁(ω)、λ₂(ω)、…、λ_n(ω)；

步骤2，计算确定重建系统中n个扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn替换原始系统中m个扬声器speko1、speko2、…、spekom的初始分配权重，计算公式如下，

$min\frac{1}{2}\left|\right|\stackrel{\‾}{H_1}{W}_h-H_1|{|}_2^2$

s.t.AW_h＝B

其中，

A表示替换扬声器在听音点L处产生的质子速度方向衍生变量和声压中间变量构成的矩阵；

B表示待替换扬声器在听音点O处产生的质子速度方向衍生变量和声压中间变量构成的矩阵；

W_h＝(w_h1 w_h2 … w_hn)^T，是信号分配权重系数w_hj构成的向量；w_hj表示待替换扬声器spekoh分配给替换扬声器spekr j的信号分配权重系数，将相应计算结果作为初始分配权重；

表示质子速度中间变量构成的矩阵；

H₁表示质子速度中间变量构成的向量；

步骤3，将单个待替换扬声器spekoh的信号分别乘以步骤2所得初始分配系数后分配到相应扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn中，删除待替换扬声器spekoh，计算公式如下，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_{h1}\left(\mathrm{\ω}\right)={\mathrm{\κ}}_h\left(\mathrm{\ω}\right)w_{h1}\\ {\mathrm{\λ}}_{h2}\left(\mathrm{\ω}\right)={\mathrm{\κ}}_h\left(\mathrm{\ω}\right)w_{h2}\\ ...\\ {\mathrm{\λ}}_{hn}\left(\mathrm{\ω}\right)={\mathrm{\κ}}_h\left(\mathrm{\ω}\right)w_{hn}\end{array}\right.$

其中，

λ_h1(ω)、λ_h2(ω)、…、λ_hn(ω)为待替换扬声器spekoh分配给替换扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn的初始分配信号；

κ_h(ω)为待替换扬声器spekoh的信号；

w_h1,w_h2,…,w_hm为待替换扬声器spekoh分配给替换扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn的信号分配权重系数；

步骤4，计算得到重建多声道系统中扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn分别的最终信号，实现方式为将步骤3中所得扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn初始分配信号求和，扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn的最终分配信号λ₁(ω)、λ₂(ω)、…、λ_n(ω)的计算公式为，

${\mathrm{\λ}}_j\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{h=1}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{hj}\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{h=1}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{\κ}}_h\left(\mathrm{\ω}\right)w_{hj}$

其中，j＝1，2，…，n。

2.根据权利要求1所述声场重建方法，其特征在于：n和m为正整数，n大于等于3、m大于3，并且m大于n。

3.根据权利要求1或2所述声场重建方法，其特征在于：步骤2中，矩阵A和B建立方式如下，

$A=\left(\begin{array}{cccc}{t}_{1,1}& t_{1,2}& \mathrm{...}& t_{1,n}\\ t_{2,1}& t_{2,2}& \mathrm{...}& t_{2,n}\\ t_{3,1}& t_{3,2}& \mathrm{...}& t_{3,n}\\ t_{4,1}& t_{4,2}& \mathrm{...}& t_{4,n}\\ t_{5,1}& t_{5,2}& \mathrm{...}& t_{5,n}\\ \frac{\cos \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}\left|\right)}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}|}& \frac{\cos \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_2}\left|\right)}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_2}|}& \mathrm{...}& \frac{\cos \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}\left|\right)}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}|}\\ \frac{\sin \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}\left|\right)}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}|}& \frac{\sin \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_2}\left|\right)}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_2}|}& \mathrm{...}& \frac{\sin \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}\left|\right)}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}|}\end{array}\right);$

其中，k为波数。

4.根据权利要求1或2所述声场重建方法，其特征在于：步骤2中，矩阵和向量H₁建立方式如下，

$\stackrel{\‾}{H_1}=\left(\begin{array}{ccc}\frac{\cos \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}\left|\right)(l_x-{\mathrm{\η}}_{1x})}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}{|}^2}& \mathrm{...}& \frac{\cos \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}\left|\right)(l_x-{\mathrm{\η}}_{nx})}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}{|}^2}\\ \frac{\cos \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}\left|\right)(l_y-{\mathrm{\η}}_{1y})}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}{|}^2}& \mathrm{...}& \frac{\cos \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}\left|\right)(l_y-{\mathrm{\η}}_{ny})}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}{|}^2}\\ \frac{\cos \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}\left|\right)(l_z-{\mathrm{\η}}_{1z})}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}{|}^2}& \mathrm{...}& \frac{\cos \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}\left|\right)(l_z-{\mathrm{\η}}_{nz})}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}{|}^2}\\ \frac{\sin \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}\left|\right)(l_x-{\mathrm{\η}}_{1x})}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}{|}^2}& \mathrm{...}& \frac{\sin \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}\left|\right)(l_x-{\mathrm{\η}}_{nx})}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}{|}^2}\\ \frac{\sin \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}\left|\right)(l_y-{\mathrm{\η}}_{1y})}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}{|}^2}& \mathrm{...}& \frac{\sin \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}\left|\right)(l_y-{\mathrm{\η}}_{ny})}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}{|}^2}\\ \frac{\sin \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}\left|\right)(l_z-{\mathrm{\η}}_{1z})}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}{|}^2}& \mathrm{...}& \frac{\sin \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}\left|\right)(l_z-{\mathrm{\η}}_{nz})}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}{|}^2}\end{array}\right);$

其中，k为波数。

5.一种声场重建系统，其特征在于：包括以下模块，

第一模块，用于获得原始多声道系统中m个待替换的扬声器speko1、speko2、…、spekom分别的位置信息原始信号κ₁(ω)、κ₂(ω)、…、κ_m(ω)，重建多声道系统中n个替换扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn分别的位置信息设中心听音点为O，三维直角坐标为非中心听音点为L，三维直角坐标为

设待替换扬声器组speko1、speko2、…、spekom的扬声器原始信号分别为κ₁(ω)、κ₂(ω)、…、κ_m(ω)，替换扬声器组扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn的信号为要求解的信号，记为λ₁(ω)、λ₂(ω)、…、λ_n(ω)；

第二模块，用于计算确定重建系统中n个扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn替换原始系统中m个扬声器speko1、speko2、…、spekom的初始分配权重，计算公式如下，

$min\frac{1}{2}\left|\right|\stackrel{\‾}{H_1}{W}_h-H_1|{|}_2^2$

s.t.AW_h＝B

其中，

A表示替换扬声器在听音点L处产生的质子速度方向衍生变量和声压中间变量构成的矩阵；

B表示待替换扬声器在听音点O处产生的质子速度方向衍生变量和声压中间变量构成的矩阵；

W_h＝(w_h1 w_h2 … w_hn)^T，是信号分配权重系数w_hj构成的向量；w_hj表示待替换扬声器spekoh分配给替换扬声器spekr j的信号分配权重系数，将相应计算结果作为初始分配权重；

表示质子速度中间变量构成的矩阵；

H₁表示质子速度中间变量构成的向量；

第三模块，用于将单个待替换扬声器spekoh的信号分别乘以步骤2所得初始分配系数后分配到相应扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn中，删除待替换扬声器spekoh，计算公式如下，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_{h1}\left(\mathrm{\ω}\right)={\mathrm{\κ}}_h\left(\mathrm{\ω}\right)w_{h1}\\ {\mathrm{\λ}}_{h2}\left(\mathrm{\ω}\right)={\mathrm{\κ}}_h\left(\mathrm{\ω}\right)w_{h2}\\ ...\\ {\mathrm{\λ}}_{hn}\left(\mathrm{\ω}\right)={\mathrm{\κ}}_h\left(\mathrm{\ω}\right)w_{hn}\end{array}\right.$

其中，

λ_h1(ω)、λ_h2(ω)、…、λ_hn(ω)为待替换扬声器spekoh分配给替换扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn的初始分配信号；

κ_h(ω)为待替换扬声器spekoh的信号；

w_h1,w_h2,…,w_hm为待替换扬声器spekoh分配给替换扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn的信号分配权重系数；

第四模块，用于计算得到重建多声道系统中扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn分别的最终信号，实现方式为将步骤3中所得扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn初始分配信号求和，扬声器spekr1、spekr2、…、spekrn的最终分配信号λ₁(ω)、λ₂(ω)、…、λ_n(ω)的计算公式为，

${\mathrm{\λ}}_j\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{h=1}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{hj}\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{h=1}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{\κ}}_h\left(\mathrm{\ω}\right)w_{hj}$

其中，j＝1，2，…，n。

6.根据权利要求5所述声场重建系统，其特征在于：n和m为正整数，n大于等于3、m大于3，并且m大于n。

7.根据权利要求5或6所述声场重建系统，其特征在于：第二模块中，矩阵A和B建立方式如下，

$A=\left(\begin{array}{cccc}{t}_{1,1}& t_{1,2}& \mathrm{...}& t_{1,n}\\ t_{2,1}& t_{2,2}& \mathrm{...}& t_{2,n}\\ t_{3,1}& t_{3,2}& \mathrm{...}& t_{3,n}\\ t_{4,1}& t_{4,2}& \mathrm{...}& t_{4,n}\\ t_{5,1}& t_{5,2}& \mathrm{...}& t_{5,n}\\ \frac{\cos \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}\left|\right)}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}|}& \frac{\cos \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_2}\left|\right)}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_2}|}& \mathrm{...}& \frac{\cos \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}\left|\right)}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}|}\\ \frac{\sin \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}\left|\right)}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}|}& \frac{\sin \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_2}\left|\right)}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_2}|}& \mathrm{...}& \frac{\sin \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}\left|\right)}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}|}\end{array}\right);$

其中，k为波数。

8.根据权利要求5或6所述声场重建系统，其特征在于：第二模块中，矩阵和向量H₁建立方式如下，

$\stackrel{\‾}{H_1}=\left(\begin{array}{ccc}\frac{\cos \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}\left|\right)(l_x-{\mathrm{\η}}_{1x})}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}{|}^2}& \mathrm{...}& \frac{\cos \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}\left|\right)(l_x-{\mathrm{\η}}_{nx})}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}{|}^2}\\ \frac{\cos \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}\left|\right)(l_y-{\mathrm{\η}}_{1y})}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}{|}^2}& \mathrm{...}& \frac{\cos \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}\left|\right)(l_y-{\mathrm{\η}}_{ny})}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}{|}^2}\\ \frac{\cos \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}\left|\right)(l_z-{\mathrm{\η}}_{1z})}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}{|}^2}& \mathrm{...}& \frac{\cos \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}\left|\right)(l_z-{\mathrm{\η}}_{nz})}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}{|}^2}\\ \frac{\sin \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}\left|\right)(l_x-{\mathrm{\η}}_{1x})}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}{|}^2}& \mathrm{...}& \frac{\sin \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}\left|\right)(l_x-{\mathrm{\η}}_{nx})}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}{|}^2}\\ \frac{\sin \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}\left|\right)(l_y-{\mathrm{\η}}_{1y})}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}{|}^2}& \mathrm{...}& \frac{\sin \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}\left|\right)(l_y-{\mathrm{\η}}_{ny})}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}{|}^2}\\ \frac{\sin \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}\left|\right)(l_z-{\mathrm{\η}}_{1z})}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}{|}^2}& \mathrm{...}& \frac{\sin \left(k\right|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}\left|\right)(l_z-{\mathrm{\η}}_{nz})}{|\stackrel{\→}{l}-\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_n}{|}^2}\end{array}\right);$

其中，k为波数。