CN107251579A - 驱动扬声器阵列的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种使用驱动信号驱动扬声器阵列以在一个或多个音频区产生一个或多个本地波场的本地波场合成装置(200)，所述装置包括：确定模块(40、210)，用于确定多个控制点处的所需声压和所需粒子速度向量；计算模块(60、212)，用于基于一组滤波参数计算所述多个控制点处的声压和粒子速度向量；优化模块(220)，用于通过以下方式计算一组最佳滤波参数：将计算出的声压向所述所需声压以及将计算出的粒子速度向量向所述所需粒子速度向量联合优化；以及生成器模块(224)，用于基于所述一组最佳滤波参数产生所述驱动信号，其中所述多个控制点位于所述一个或多个音频区周围的一个或多个等值线上。

Description

驱动扬声器阵列的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种使用驱动信号驱动扬声器阵列以在一个或多个音频区产生一个或多个本地波场的装置和方法。本发明还涉及一种存储程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括用于执行这种方法的指令。

背景技术

多区声音再现的目的是同时为多个听众提供个性化的空间声音。在文献中，存在不同的多区声音再现方法，这些方法可以划分为两大类：一类是基于以下事实：任意声场都可以用空间基函数，即平面波或柱谐/球谐函数来表示。其它专业基函数也是可能的，但是它们还需要近似为声波方程式的基本解以便允许它们经由扬声器进行物理再现。基于柱谐/球谐函数的声音再现的一个突出示例称为(高阶)立体声。在其它应用中，使用术语模态处理或波域处理，其本质上是利用通过基函数描述声场的同一概念。这些技术的基本缺点是，通常需要换能器的规则几何形排列，例如均匀间隔的圆形阵列。此外，真实3D波场的分析描述通常使用无限长线源，当使用仅在2D平面上排列的真实扬声器实施物理设置时，这需要附加校正。

第二类包括多点方法，在多点方法中，通常在最小二乘意义下，在听音区域内的众多所谓的控制点处优化声场。在大多数情况下，声场随后以扬声器与所用控制点之间的脉冲响应或传递函数来表示。这提高了关于换能器设置的灵活性，并且利用测量的房间脉冲响应(Room Impulse Response，RIR)支持两个真实扬声器的声学特性与再现环境的简单合并。这些概念旨在仅最大化声能或两个区域之间的差(声学对比度)。该方法的缺点是无法控制声音强度的方向。该问题可以使用压力匹配来避免，在压力匹配中，优化声压而不是其量级平方(能量)。已提出压力匹配与能量优化的组合，其中对声能施加约束以便获得各个听音区域之间的所需声学对比度。所有这些方法的共同点是，在本地听音区域的整个内部分布控制点。这对于实际设置似乎不切实际，在实际设置中，自由场假设不适用且物理麦克风用作控制点。此外，已提出用于合成静区的分析方法，但是多区发声问题尚未得到满意解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用驱动信号驱动扬声器阵列以在一个或多个音频区产生一个或多个本地波场的装置和方法，其中所述装置和所述方法解决了现有技术的一个或多个上述问题。

本发明的第一方面提供了一种使用驱动信号驱动扬声器阵列以在一个或多个音频区产生一个或多个本地波场的本地波场合成装置，所述装置包括：

-确定模块，用于确定多个控制点处的所需声压和所需粒子速度向量，

-计算模块，用于基于一组滤波参数计算所述多个控制点处的声压和粒子速度向量，

-优化模块，用于通过以下方式计算一组最佳滤波参数：将计算出的声压向所述所需声压以及将计算出的粒子速度向量向所述所需粒子速度向量联合优化，以及

-生成器模块，用于基于所述一组最佳滤波参数产生所述驱动信号，

其中所述多个控制点位于所述一个或多个音频区周围的一个或多个等值线上。

第一方面的装置继续采用压力匹配的概念，旨在联合优化位于音频区周围的等值线上，而不是音频区内，的控制点处的声压和粒子速度向量，音频区可以视为本地听音区域。该方法可以理解为是基于Kirchhoff-Helmholtz积分，Kirchhoff-Helmholtz积分声明音量中的声场完全由周围表面上的声场决定。

可以理解，波场合成装置无需包括放大器，即，波场合成装置产生的驱动信号在强得足以直接驱动扬声器之前可能需要通过外部放大器进行放大。此外，波场合成装置产生的驱动信号可能是数字信号，这些数字信号在用于驱动扬声器之前需要转换成模拟信号并进行放大。

根据所述第一方面，未必只存在一组最佳滤波参数。在实施例中，还可以存在若干组取得同样好的结果的滤波参数，即，它们都是“最佳”滤波参数。

确定模块可以包括数字或模拟输入，波场合成装置通过该数字或模拟输入接收所需声压和/或所需粒子速度向量。这样，所需声压和/或所需粒子速度向量可以由外部设备计算并提供。例如，该外部设备可以是媒体播放器，例如用于使用关于虚拟声源位置和所需声压的信息解码蓝光光盘的蓝光播放器。

所需声压、所需粒子速度向量、计算出的声压和/或计算出的粒子速度向量可以是脉冲响应，例如，它们可以对应于虚拟声源处的有限脉冲。由于脉冲响应可以是信号频率等的函数，所以其也可以称为传递函数。

在实施例中，所需声压和/或所需粒子速度向量是虚拟源的位置和/或范围的函数。具体而言，所需声压和/或所需粒子速度向量可以是虚拟声源相对于音频区控制点的位置的函数。

计算模块可以用于基于虚拟声源的假设和/或测量、扬声器阵列的排列、扬声器的特性、位于扬声器周围或之间的物体和/或在扬声器附近的人的位置和/或姿势来计算声压和/或粒子速度向量。例如，可以使用光学追踪设备等来追踪一个或多个听众的位置和/或姿势。关于听众位置和/或姿势的了解可以用于计算从扬声器到控制点的传递函数。

滤波参数可以是扬声器的权重，例如，每个扬声器可以有一个权重。此外，权重可以与频率相关。例如，每个扬声器和每个频率范围可以有一个权重。滤波参数还可以是频率和/或扬声器的(分析或计算确定的)函数。可以使用正则化来确保相似频率对应相似滤波参数。

另外，本发明基于压力匹配。压力匹配的目的是将一组预定义的控制点处的再现声压与所需目标声场的再现声压匹配。也就是，目的是实现：

H(ω)w(ω)≡g_des(ω)， (1)

其中w(ω)和g_des(ω)分别是提供扬声器预滤器和目标源到控制点的声学传递函数的列向量。从扬声器到控制点的传递函数通过矩阵H(ω)捕获。对于通常会遇到的超定系统，方程式(1)可以通过w(ω)的最小二乘解来近似求解。在现有技术中，优化了声压的控制点分布在(本地)听音区域内部。在最简单的情况下，它们排列在密集网格上——先进方法的目的在于更复杂的分布。例如，采用一种压缩感知方法以最佳方式放置控制点，结果是听音区域内部的不规则排列。

另一种现有技术方法是仅控制(本地)听音区域周围的等值线上的声压。这对于实际应用尤其适用，在实际应用中，物理麦克风需要放置在控制点处以便捕获房间的属性。然而，根据Kirchhoff-Helmholtz积分，仅优化等值线上的声压是不够的，还需要考虑粒子速度，以便充分描述和控制等值线内的声场。

因此，本发明提供了一种联合优化一个或多个本地听音区域周围的等值线上的声压和粒子速度向量(即，声音强度)的系统。具体而言，如下文详述，提议一种用于个性化多区声音再现的系统，其中在本地听音区域(“亮区”)内合成所需声压，同时将第二(第三、第四……)本地听音区域(“暗区”)中的声音强度最小化。本发明还可针对单个本地听音区域(即，不存在其它本地听音区域)实施。

这可以通过同时优化所有本地听音区域周围的等值线上的声压和粒子速度向量(即，声音强度)来实现。亮区周围的等值线上的所需声压和粒子速度向量可以由要合成的虚拟源决定，而所有暗区周围的所需声音和粒子速度向量可以要求等于0。

为了合成剩余本地听音区域中的单独声场，可以针对每个本地听音区域重复该过程，其中先前的一个暗区现在已经成为亮区，反之亦然。然后通过叠加所有单独声场贡献来获得多个用户的整体声场。

根据所述第一方面，在所述装置的第一实施方式中，所述确定模块用于基于虚拟声源的虚拟位置确定所述所需声压。在所述实施方式中，所述波场合成装置可以包括电路以基于所述虚拟声源相对于所述一个或多个控制点的所述位置的位置计算所需声压。可以使用已知的计算所需声压的方法，例如以便在听众位置处实现某些音效。

在其它实施例中，另外还可以提供基于虚拟声源相对于扬声器阵列的扬声器的相对位置计算所需声压的电路。如果装置确切了解扬声器阵列的设置，那么这具有以下优势：能够更准确地确定所需声压。

根据所述第一方面，在所述装置的第二实施方式中，所述确定模块用于通过计算不同控制点处的声压之间的差来确定所述所需粒子速度向量。这代表计算所述波场合成装置中的所需粒子速度向量的一种有效方式。

根据所述第一方面，在所述装置的第三实施方式中，所述优化模块用于针对不同频率分别计算所述一组最佳滤波参数。由于声音传播属性通常取决于声音信号的频率，所以最好针对不同频率分别执行所述滤波参数计算。例如，可以针对不同频率范围分别执行所述计算。具体而言，可以使用等距频率范围。可以使用正则化来确保这不会对相似频率产生完全不同的滤波参数。

根据所述第一方面，在所述装置的第四实施方式中，所述优化模块用于通过优化以下成本函数来计算所述一组最佳滤波参数：

其中，w是包括所述一组滤波参数的向量，ω是频率，κ是相对权重，其中0≤κ≤1，H是包括从所述扬声器到所述控制点的传递函数的矩阵，g_des是指示所述所需声压的向量，v_des是指示所述所需粒子速度向量的向量，是差分矩阵。换言之，对于每个频率和/或频率范围，可以确定一组将上述成本函数最小化的滤波参数。差分矩阵是用于基于有限差分法近似导数的矩阵。在实施例中，差分矩阵包括0和1，乘以常数因子，常数因子包括控制点之间的距离的倒数、角频率、传播介质的密度和/或虚数单位。

实验已表明，这种优化以上成本函数的方法代表计算最佳滤波参数的一种特别有效且准确的方式。

根据所述第一方面，在所述装置的第五实施方式中，所述控制点以多个L形组排列在所述一个或多个等值线上。具体而言，所述控制点可以按三个控制点一组进行排列，每组包括一个主控制点和两个次控制点，其中从所述主控制点到所述两个次控制点的向量在它们之间建立一个90°角。这具有以下优势：所述粒子速度向量的两个分量可以准确地计算。

根据所述第一方面，在所述装置的第六实施方式中，所述装置还包括输入模块，用于从一个或多个麦克风接收输入信号，其中所述计算模块用于基于一个或多个传递函数计算所述声压和所述粒子速度向量，所述一个或多个传递函数基于所述输入信号确定。具体而言，所述一个或多个麦克风可以排列在所述控制点位置处和/或附近。使用麦克风具有以下优势：可以使用反映从所述扬声器到所述控制点的传递的实际测量来得到矩阵H的更准确估计，而不是使用关于所述传递函数的理论假设。在实施例中，一个或多个所述麦克风可以位于所述一个或多个音频区中的一个或多个所述控制点的所述位置处。

根据本发明的又一实施例，计算和/或估计矩阵H是基于房间脉冲响应测量(例如使用一个或多个控制点处的麦克风)与房间脉冲响应计算的组合，房间脉冲响应计算是例如基于扬声器假设、房间大小、房间内的物体和人等的计算。

根据所述第一方面，在所述装置的第七实施方式中，所述一个或多个音频区包括一个或多个亮区以及一个或多个暗区，其中位于所述一个或多个暗区周围的一个或多个等值线上的暗区控制点处的所需声压和/或所需粒子速度向量为0。这代表针对一个或多个暗区计算滤波参数的一种特别简单且计算效率高的方式。

根据所述第一方面，在所述装置的第八实施方式中，所述一个或多个音频区包括两个或更多亮区，其中，所述优化模块用于确定每个所述亮区的单独的一组最佳滤波参数，所述生成器模块用于基于所述单独的一组最佳滤波参数产生所述驱动信号。在本实施方式中，可以有效地计算多个亮区的驱动信号，这支持为多个听众提供个性化的收听体验。

根据所述第一方面，在所述装置的第九实施方式中，所述一个或多个音频区包括圆形音频区，其中所述一个或多个等值线包括所述圆形音频区周围的内圆和外圆。将所述控制点排列在内圆和外圆中具有以下优势：可以使用所述内圆和所述外圆上的所述控制点之间的压力差计算粒子速度向量的径向分量。通常，所述径向分量对应于指向所述音频区的中心的所述粒子速度向量的分量。优选地，所述控制点可以在所述内圆和所述外圆上等距排列。具体而言，对于所述内圆上的每个控制点，在所述外圆上可以有一个对应的控制点。

根据所述第一方面，在所述装置的第十实施方式中，所述多个控制点包括分布在所述外圆上的第一和第二组控制点，其中，所述第二组中的所述控制点与所述第一组中的所述控制点之间相隔一个预先确定的距离，和/或所述多个控制点还包括分布在所述内圆上的第三组控制点，其中特别来说所述第一、第二和第三组控制点包括相同数量的控制点。在该排列中，可以有效且高精度地计算所述粒子速度向量的径向分量和切向分量。

本发明的第二方面涉及一种使用驱动信号驱动扬声器阵列以在一个或多个音频区产生一个或多个本地波场的方法，所述方法包括以下步骤：

-确定多个控制点处的所需声压，

-基于所述所需声压确定所述多个控制点处的所需粒子速度向量，

-基于一组滤波参数计算所述多个控制点处的声压和粒子速度向量，

-通过改变所述一组滤波参数来联合优化计算出的声压和计算出的粒子速度向量以确定一组最佳滤波参数，以及

-基于所述一组最佳滤波参数产生所述驱动信号，

其中所述多个控制点位于所述一个或多个音频区周围的一个或多个等值线上。

可以理解，所述第一方面的所述装置的上述实施方式可以以相同的方式应用于所述第二方面的所述方法。

在所述第二方面的在所述方法的第一实施方式中，通过将差分矩阵乘以所述所需声压的向量来确定所述所需粒子速度向量。这是基于用于估计导数的有限差分法。

在所述第二方面的所述方法的第二实施方式中，所述扬声器排列在汽车中，其中特别来说确定所述所需声压、确定所述所需粒子速度向量和/或计算所述声压和粒子速度向量是基于所述汽车的乘客室的模型。在汽车中，其他乘客要听音乐而驾驶员不受音乐干扰等情况可能特别重要。在汽车中应用所述第二方面的所述方法还具有以下优势：所述扬声器和/或一个或多个听众的位置是已知的或者可以以高精度估计。例如，听众的位置，特别是听众头部的位置，可以简单地通过知晓该听众所占据的座位来以高精度预测。所占据的座位可以例如通过检测哪些安全带被使用来确定。

本发明的第三方面涉及一种存储程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括用于执行所述第二方面的所述方法或所述第二方面的一种实施方式的指令。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术特征，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，这些实施例在不违背本发明如权力要求书中所定义的保护范围的情况下，可以进行修改。

图1所示为根据本发明一实施例的包括本地波场合成装置的多音频区声音再现系统的总览方框图；

图2所示为图1的波场合成装置的内部结构的示意图；

图3所示为扬声器阵列、亮区、暗区，以及粒子速度向量的分量的示例性定义的示意图；

图4所示为排列在(本地)音频区周围的两个L形组中的控制点的示意图；

图5所示为根据一实施例的使用驱动信号驱动扬声器阵列以在一个或多个音频区产生一个或多个本地波场的方法的图。

具体实施方式

图1所示为根据本发明的包括本地波场合成装置200的多区声音再现系统100的总览方框图。该系统用于在亮区10产生感知的高音，在暗区12产生感知的静音或低音。例如，亮区可以位于想听音乐的听众1的位置处。听众的位置可以使用光学追踪系统(未在图1中示出)等来追踪。音频区的位置可以基于检测到的听众位置周期性地或连续更新。暗区12可以位于不想听音乐的第二个人(未在图1中示出)的位置处。第二个人的位置也可以追踪，暗区位置相应地更新。

第一多个控制点11位于亮区10的等值线处。第二多个控制点13位于暗区12的等值线处。

从扬声器到第一和第二多个控制点11、13的的箭头101指示从扬声器到在传递函数矩阵H(见下文)中捕获的控制点的传递函数。从虚拟源单元40(其可以是确定模块的单元)到亮音频区10的控制点11之一的虚线箭头102指示在传递函数向量g_des(ω)中捕获的脉冲响应44对应于虚拟源40处的有限脉冲信号所引起的控制点之一处的脉冲响应。线102示为虚线是因为这仅反映从虚拟源40到亮区的控制点11的所需传递。从虚拟源40到控制点11不直接发生真实物理声学或物理信号传输。

从部分控制点11到用于计算房间脉冲响应60的单元(其可以是计算模块的单元)的线50指示从控制点到该单元的直接反馈。例如，可以使用控制点11的位置处的麦克风(未在图1中示出)来获得在传递函数矩阵H(t)中捕获的真实声脉冲响应62。在这类实施例中，输入模块60a可以从一个或多个麦克风接收输入信号。真实声脉冲响应62传送到波场合成装置200。

在图1所示的示例中，扬声器32排列为矩形阵列30并由驱动信号20驱动。图1示出波场合成装置产生的驱动信号20直接驱动扬声器32，但是可以理解，波场合成装置实施例包括不包含放大器但是会产生驱动信号的实施例，这些驱动信号在可以提供给扬声器之前首先需要进行放大。在其它实施例中，波场合成装置可以输出数字信号，这些数字信号在可以用于驱动扬声器之前需要进行D/A转换。

要针对亮区12合成的虚拟声源信号的特点是从虚拟源40到亮区10周围的控制点11的在传递函数向量g_des(ω)中捕获的所需(声)脉冲响应44和源信号42。换言之，所需脉冲响应可以基于声源相对于控制点的虚拟位置和虚拟范围确定。

传递函数矩阵H(t)捕获从所有扬声器32到所有控制点11、13的真实(声)脉冲响应62。在向量w中捕获的扬声器预滤器基于矩阵H计算。在向量s_L(t)中捕获的扬声器驱动信号20与在标量函数s(t)中捕获的源信号42一起确定。矩阵H(t)中的脉冲响应62反映对扬声器处的脉冲到达控制点的方式有影响的物理属性。矩阵H(t)中的脉冲响应62是已知的或者可以通过一个单独的算法估计。

图2示出了图1的波场合成装置200的结构。亮区控制点处的所需脉冲响应44和从扬声器到全部控制点的脉冲响应函数62通过第一和第二快速傅里叶变换单元202、204变换为在频域传递函数向量g_des(ω)和频域传递函数矩阵H(ω)中捕获的频域脉冲响应44a、62a，其中ω表示角频率。它们被送入处理阶段，在处理阶段中，对关于粒子速度的传递函数进行近似。这可以通过，例如沿着本地听音区域周围的等值线上的径向和切向方向，使用差商近似声压(其与粒子速度成比例)的空间导数来实现。相应地，关于粒子速度的传递函数可以通过计算H(ω)中的传递函数之间的差来近似求值，这通过将“差分矩阵”乘以g_des(ω)或H(ω)来实现。在差分矩阵计算单元210(其可以是确定模块的单元)、212(其可以是计算模块的单元)中，计算差分矩阵并将其乘以频域脉冲响应44a、62a，以便产生在所需频域粒子速度传递函数向量v_des(ω)中捕获的频域所需粒子速度传递函数45和在矩阵V(ω)中捕获的粒子速度向量传递函数63，其实际上是由再现系统获取。

然后，将所需声压的频域传递函数向量g_des(ω)、再现系统的频域传递函数矩阵H(ω)、所需频域粒子速度向量传递函数向量v_des(ω)和再现系统的频域粒子速度向量传递函数矩阵V(ω)送入滤波器设计单元220(优化模块)。然后，在滤波器设计单元中，通过将以下成本函数最小化来联合优化多个本地听音区域周围的等值线上的声压和粒子速度向量：

其中0≤κ≤1在优化过程中调整声压和粒子速度向量的相对权重。然后将在向量w(ω)中捕获的所产生的频域扬声器预滤器70乘以源信号的频谱42a，从而实现快速卷积。在S(ω)中捕获的频谱S(ω)作为第三快速傅里叶变换单元222的输出获取，第三快速傅里叶变换单元222获取在标量源信号函数s(t)中捕获的源信号42作为输入。

将频谱42乘以频域扬声器预滤器70产生了驱动信号的光谱20a。最后，快速傅里叶逆变换单元224(其可以是生成器模块的单元)中的逆FFT为特定亮区提供在向量s_L(t)中捕获的扬声器信号20。

方程式(2)中的优化可以针对每个虚拟源和每个亮区单独执行，针对每个亮区获取的所产生的扬声器信号被叠加。

图3所示为扬声器阵列30、亮区310、暗区320、粒子速度向量322的示意图。粒子速度向量322反映位置处的控制点P处的粒子速度。控制点P在图3中以参考编号321表示。

粒子速度向量322可以例如沿着本地听音区域周围的等值线上的径向和切向方向定义，如图3所示。换言之，粒子速度向量322包括切向分量和径向分量角φ表示粒子速度向量的方向与沿着相应音频区的等值线的切向方向之间的角度偏差。

在本示例中，控制点以多个L形组排列在等值线上，如图4所指示，在图4中替代性排列也是可能的。

图4示出了以L形组分组的控制点的排列。主控制点401排列在音频区(未在图4中示出)周围的外圆420上。紧挨着主控制点401的是位于音频区周围的内圆421上的第一次控制点402和位于音频区周围的外圆420上的第二次控制点403。第一和第二次控制点402、403与主控制点401之间的距离相同。从主控制点401到第一次控制点402的第一向量411与从主控制点401到第二次控制点403的第二向量412相对于彼此成90°角。

对于具有如图3所示一个亮区和一个暗区以及根据图4排列的控制点的系统的示例性实现，捕获从扬声器到控制点的传递函数的矩阵如下组成：

其中上标^B和^D分别指示亮音频区310和暗音频区320。表示本地听音区域周围的内圆上的第n个控制点的位置，其中n＝1，…，N，N是内圆上的控制点的数量。表示本地听音区域周围的外圆上的第m个控制点的位置，其中n＝1，…，M，M是外圆上的控制点的数量(这里：M＝2N)。扬声器的位置表示为其中l＝1，…，NL，NL是扬声器数量。然后，差分矩阵由以下方程式给出：

其中表示传播介质(通常是空气)的密度，Δx是控制点之间的距离(参见图4)，j是虚数单位。零矩阵和单位矩阵分别表示为0和I，其中下标指示矩阵大小。此外，引入大小为N×1的单位向量e_i以便定义D＝[-e₁，e₁，-e₂，e₂，...，-e_N，e_N]和I＝[e₁，0_N×1，e₂，0_N×1，...，e_N，0_N×1]。

最后，通过使用具有正则化参数β的正则化伪逆法对方程式(2)求解来计算扬声器预滤器，结果如下：

其中，上标^H表示复共轭转换。

注意，通过相应地扩大矩阵H(ω)、g_des(ω)和v_des(ω)，暗区数量可以从上文示例中给出的1扩展为任意数。

图5所示为根据一实施例的使用驱动信号驱动扬声器阵列以在一个或多个音频区产生一个或多个本地波场的方法的图。在步骤500中，确定多个控制点处的所需声压。

在步骤502处，基于所需声压确定多个控制点处的所需粒子速度向量。所需粒子速度向量可以通过将差分矩阵乘以所需声压的向量来确定。

在步骤504处，基于一组滤波参数计算多个控制点处的声压和粒子速度向量。在步骤506处，通过改变该组滤波参数来联合优化计算出的声压和计算出的粒子速度向量以确定一组最佳滤波参数。在步骤508处，基于该组最佳滤波参数产生驱动信号，其中多个控制点位于一个或多个音频区周围的一个或多个等值线上。

上述方法可应用于汽车设置，例如排列在汽车中的扬声器。例如，步骤502可确定所需粒子速度向量和/或步骤504可基于汽车乘客室的模型计算声压和粒子速度向量。

关于各个步骤的进一步细节，还参考图1至图4的阐述。

总而言之，提议了一种用于个性化多区声音再现的系统和方法。这是基于多个或单个本地听音区域周围的等值线上的声压和粒子速度向量(即，声音强度)的联合优化。因此，可以在再现空间的不同区域中产生多个单独的本地声场，这支持个性化音频。该系统在扬声器几何结构方面是灵活的，并且测量到的房间脉冲响应可以很容易地合并以便补偿真实扬声器和再现房间的非理想特性(例如混响)。

本发明已结合本文中的各种实施例进行描述。但本领域技术人员通过实践本发明，研究附图、本发明以及所附的权利要求，能够理解并获得公开实施例的其它变体。在权利要求书中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，不定冠词“一”不排除多个。单个处理器或其它单元可以实现权利要求中列举的若干项目的功能。在仅凭某些措施被记载在通常不同的从属权利要求书中这个单纯的事实并不意味着这些措施的结合不能被有效地使用。

本发明实施例可以在用于在计算机系统上运行的计算机程序中实现，至少包括当在诸如计算机系统等的可编程装置上运行时用于执行根据本发明的方法步骤的代码部分，或者使得可编程装置执行根据本发明的设备或系统的功能的代码部分。

计算机程序是指令列表，例如，特定的应用程序和/或操作系统。计算机程序例如可以包括以下中的一个或多个：子例程、函数、流程、对象方法、对象实现、可执行应用、小程序、服务器小程序、源代码、目标代码、共享库/动态加载库和/或设计用于在计算机系统上执行的其它指令序列。

计算机程序可以存储在计算机可读存储介质内部或通过计算机可读传输介质传输到计算机系统。全部或部分计算机程序可以在永久地、可移除地或远程地耦合至信息处理系统的瞬时性或非瞬时性计算机可读介质上提供。计算机可读介质可以包括，例如但不限于，任意数量的以下示例：磁存储介质，包括磁盘和磁带存储介质；光存储介质，例如光盘介质(例如，CD-ROM、CD-R等)和数字视频光盘存储介质；非易失性存储器存储介质，包括基于半导体的存储器单元，例如闪存、EEPROM、EPROM、ROM；铁磁数字存储器；MRAM；易失性存储介质，包括寄存器、缓冲器或缓存、主存储器、RAM等；以及数据传输介质，包括计算机网络、点对点电信设备、载波传输介质，此处仅举几例。

计算机进程通常包括执行(运行)程序或程序的一部分、当前程序值和状态信息，以及操作系统用来管理进程的执行的资源。操作系统(Operating System，简称OS)是管理计算机资源共享的软件，并为程序员提供用于访问这些资源的接口。操作系统处理系统数据和用户输入，并通过分配及管理任务和内部系统资源作为服务对系统的用户和程序进行响应。

计算机系统例如可以包括至少一个处理单元、关联存储器和多个输入/输出(input/output，简称I/O)设备。当执行计算机程序时，计算机系统根据计算机程序处理信息并通过I/O设备生成合成的输出信息。

此处讨论的连接可以是适用于例如通过中间设备从或向相应节点、单元或设备传递信号的任意类型的连接。因此，除非另有所指或所述，该连接例如可以是直接连接或间接连接。可以结合单个连接、多个连接、单向连接或双向连接对该连接进行说明或描述。然而，不同的实施例可能会使该连接的实现发生变化。例如，可以使用单独的单向连接而不是双向连接，反之亦然。此外，多个连接可以被替换为以串行或时间复用方式传递多个信号的单个连接。同样地，携带多个信号的单个连接可以被分离成携带这些信号的子集的各种不同的连接。因此，存在许多用于传递信号的选择。

本领域技术人员将意识到，各逻辑块之间的界限仅仅是说明性的，并且替代实施例可以合并逻辑块或电路元件，或者可以在各种逻辑块或电路元件上实行功能的替代分解。因此，应当理解，此处所描述的架构仅仅是示例性的，并且实际上，许多其它实现相同功能的架构也能够实现。例如，本地波场合成装置200可包括单元40、60和60a。

此外，本领域技术人员将意识到，以上所描述的操作之间的界限仅仅是说明性的。多个操作可以组合成单个操作，单个操作可以分布在附加操作中，操作可以以在时间上至少部分重叠的方式来执行。另外，替代实施例可以包括某个特定操作的多个示例，在各种其它实施例中可以改变操作的顺序。

此外，例如，其中的示例或部分可以，例如以任意合适类型的硬件描述语言，实现为物理电路的或可转换成物理电路的逻辑表示的软或代码表示。

此外，本发明不限于在不可编程硬件中实现的物理设备或单元，也可以应用于能够通过根据合适的程序代码进行操作来执行所期望的设备功能的可编程设备或单元，例如，大型主机、小型计算机、服务器、工作站、个人计算机、记事本、个人数字助理、电子游戏、汽车和其它嵌入式系统、蜂窝电话和各种其它无线设备，在本申请中通常表示为‘计算机系统’。

Claims (15)

1.一种使用驱动信号驱动扬声器阵列以在一个或多个音频区产生一个或多个本地波场的本地波场合成装置(200)，其特征在于，所述装置包括：

确定模块(40、210)，用于确定多个控制点处的所需声压和所需粒子速度向量，

计算模块(60、212)，用于基于一组滤波参数计算所述多个控制点处的声压和粒子速度向量，

优化模块(220)，用于通过以下方式计算一组最佳滤波参数：将所述计算出的声压向所述所需声压以及将所述计算出的粒子速度向量向所述所需粒子速度向量联合优化，以及

生成器模块(224)，用于基于所述一组最佳滤波参数产生所述驱动信号，

其中所述多个控制点位于所述一个或多个音频区周围的一个或多个等值线上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述确定模块用于基于虚拟声源的虚拟位置确定所述所需声压。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述确定模块用于通过计算不同控制点处的声压之间的差来确定所述所需粒子速度向量。

4.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述优化模块用于针对不同频率分别计算所述一组最佳滤波参数。

5.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述优化模块用于通过优化以下成本函数来计算所述一组最佳滤波参数：

其中，w是包括所述一组滤波参数的向量，ω是频率，κ是相对权重，其中0≤κ≤1，H是包括从所述扬声器到所述控制点的传递函数的矩阵，g_des是指示所述所需声压的向量，v_des是指示所述所需粒子速度向量的向量，是差分矩阵。

6.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述控制点以多个L形组排列在所述一个或多个等值线上。

7.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述装置还包括输入模块(60a)，用于从一个或多个麦克风接收输入信号，其中所述计算模块用于基于一个或多个传递函数计算所述声压和所述粒子速度向量，所述一个或多个传递函数基于所述输入信号确定。

8.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述一个或多个音频区包括一个或多个亮区以及一个或多个暗区，其中位于所述一个或多个暗区周围的一个或多个等值线上的暗区控制点处的所需声压和/或所需粒子速度向量为0。

9.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述一个或多个音频区包括两个或更多亮区，其中，所述优化模块用于确定每个所述亮区的单独的一组最佳滤波参数，所述生成器模块用于基于所述单独的一组最佳滤波参数产生所述驱动信号。

10.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述一个或多个音频区包括圆形音频区，其中所述一个或多个等值线包括所述圆形音频区周围的内圆和外圆。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述多个控制点包括分布在所述外圆上的第一和第二组控制点，其中，所述第二组中的所述控制点与所述第一组中的所述控制点之间相隔一个预先确定的距离，和/或所述多个控制点还包括分布在所述内圆上的第三组控制点，其中特别来说所述第一、第二和第三组控制点包括相同数量的控制点。

12.一种使用驱动信号驱动扬声器阵列以在一个或多个音频区产生一个或多个本地波场的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

确定(500)多个控制点处的所需声压，

基于所述所需声压确定(502)所述多个控制点处的所需粒子速度向量，

基于一组滤波参数计算(504)所述多个控制点处的声压和粒子速度向量，

通过改变所述一组滤波参数来联合优化(506)所述计算出的声压和所述计算出的粒子速度向量以确定一组最佳滤波参数，以及

基于所述一组最佳滤波参数产生(508)所述驱动信号，

其中所述多个控制点位于所述一个或多个音频区周围的一个或多个等值线上。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述所需粒子速度向量通过将差分矩阵乘以所述所需声压的向量来确定。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述扬声器排列在汽车中，其中特别来说确定所述所需声压、确定所述所需粒子速度向量和/或计算所述声压和粒子速度向量是基于所述汽车的乘客室的模型。

15.一种存储程序代码的计算机可读存储介质，其特征在于，所述程序代码包括用于执行权利要求12至14之一所述的方法的指令。