CN107534813B - 再现多信道音频信号的装置和产生多信道音频信号的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于从一个或更多个声音对象信号产生多信道音频信号的方法，其中对于每个声音对象信号产生多个宽度信号，宽度信号的幅度遵循实质上的高斯分布。宽度信号被处理以产生映射到至少一个信道的多个平移信号。音频信号中的每个信道通过组合来自每个声音对象的平移信号来产生。还公开了用于再现这种多信道音频信号的装置(10)，其中多个第一扬声器(12)围绕在预定收听区(16)的前面的第一弧(14)间隔开设置，第一扬声器(12)中的每个面向收听区(16)并且基本上与其等距。多个第二扬声器(18)围绕在收听区(16)后面的第二弧(20)间隔开设置，第二扬声器(18)中的每个面向收听区(16)。放大器(28)从音频信号中每个信道产生放大信号，每个放大信号被提供给相应的第一或第二扬声器(12、18)，由此在使用中，每个声音对象由一个或更多个扬声器(12、18)再现，使得与装置(10)间隔开的点处的SPL小于收听区(16)处的SPL。

Description

再现多信道音频信号的装置和产生多信道音频信号的方法
发明领域
本发明涉及多信道音频系统。
背景和现有技术
多信道音频系统通过音频信息的信道数量和用于播放的相应扬声器数量而区别于立体声音频系统。虽然立体声系统由两个信道表征，但是通常的多信道音频系统具有5个或更多个信道。
多信道音频系统的目标之一是为收听者提供舞台上的指挥家或艺术家的沉浸式体验。
对这种体验而言重要的一个因素是产生逼真的“声音舞台(sound stage)”的能力，其中在产生的声音内的每个对象(例如乐器)被收听者感知为来自一个位置。当混合多信道音频信号时，录音师将每个声音对象通常放置在两个信道之间的虚拟位置处。然后使用幅度平移来确定两个信道中的每个声音对象的分量。当通过对应的扬声器再现每个信道时，收听者感知到声音是从由扬声器的位置和幅度平移确定的位置向收听者发出。
对这种体验而言重要的另一个因素是系统能够在收听者被定位的地方产生的声压级(SPL)。音乐会和类似的现场表演可能会包含超过120dB的峰值SPL。
大多数多信道音频系统都有放置在房间的墙壁附近的扬声器，其中收听者面向房间的中心定位。为了以这样的布置在收听者处提供120dB的SPL，沿着房间本身的墙壁的大部分位置处的SPL大于120dB，这在住宅环境中是不可取的。
发明概述
根据本发明的第一方面，提供了一种用于再现由一个或更多个声音对象构成的多信道音频信号的装置，其中每个声音对象存在于多个(a plurality of)信道中，该装置包括：
多个第一扬声器，其围绕在预定收听区的前面的第一弧间隔开设置，该第一扬声器中的每个面向收听区并且基本上与其等距；
多个第二扬声器，其围绕在收听区后面的第二弧间隔开设置，该第二扬声器中的每个面向收听区；
放大器，其被布置成从音频信号中的每个信道中产生放大信号，每个放大信号被提供给对应的第一或第二扬声器；
由此在使用中，每个声音对象由一个或更多个扬声器再现，使得与装置间隔开的点处的SPL小于收听区处的SPL。
优选地，与装置间隔开的距离与每个第一扬声器与收听区间隔开的距离相等的点处的SPL比收听区处的SPL小15dB。
优选地，第一和第二扬声器的数量至少为13个，第一扬声器的数量大于第二扬声器的数量。
优选地，多个第二扬声器被设置为比第一扬声器更靠近收听区。
优选地，该装置还包括设置在收听区后面的外壳，放大器和第二扬声器被容纳在外壳内。
优选地，该装置还包括容纳在外壳内的低音炮。
优选地，每个第一扬声器设置在相应的外壳内，相邻的第一扬声器的外壳被耦接在一起。
优选地，多信道音频信号通过权利要求5至8中任一项所述的方法产生。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于从一个或更多个声音对象信号产生多信道音频信号的方法，包括：
对于每个声音对象信号：
产生多个去相关宽度信号，其中所述宽度信号的幅度遵循实质上的高斯分布；
处理多个宽度信号以产生多个平移信号，每个平移信号被映射到至少一个信道；
对于音频信号中的每个信道，组合来自该信道的每个声音对象的平移信号。
优选地，使每个宽度信号的相位去相关的步骤包括向每个宽度信号添加不同的相位偏移，并且以周期T改变每个宽度信号的相位偏移。
优选地，实质上的高斯分布遵循用户可配置的标准偏差。
优选地，用户可配置的标准偏差对于每个声音对象信号可配置。
优选地，该方法还包括对宽度信号的幅度进行归一化使得宽度信号的和的幅度等于声音对象信号的幅度的步骤。
优选地，该方法还包括处理每个声音对象信号以产生深度校正信号，并且从深度校正信号产生多个宽度信号。
附图简述
现在将参考附图以示例的方式描述本发明，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的用于再现多信道音频信号的装置的部分切掉的顶视图；
图2是图1中的装置的透视后视图；
图3是图1中的装置的透视前视图；
图4示出了当图1的装置在使用时的房间声压级(SPL)；
图5示出了使用常规立体声扬声器和音频系统的可比较的房间SPL；
图6示出了使用常规多信道扬声器和音频系统的可比较的房间SPL；以及
图7是根据本发明的一个实施例示出用于产生多信道音频信号的方法的信号处理图。
优选实施例的描述
图1至图3示出了根据实施例的用于再现多信道音频信号的装置10。装置10包括围绕第一弧14间隔开设置的多个第一扬声器12。第一扬声器12中的每个面向设置在装置10内的收听区16。第一扬声器12优选地各自与收听区16基本上等距。第一弧14优选地为圆形，如图所示；然而，也可以使用椭圆形或其它弓形曲线。
多个第二扬声器18围绕第二弧20间隔开设置。第二扬声器18中的每个面向收听区16。
收听者22在图1中被示出为在收听区16中面向第一扬声器12。在整个说明书中，术语“前面”和“后面”根据图1所示的收听者22的定向来相对于收听区16使用。
如图1所示，第一扬声器12位于收听区16的前面并且从收听区16环绕前面的180°。第二扬声器18位于收听区16的后面。在实施例中，使用十三(13)个第一扬声器12和五(5)个第二扬声器18，但是可以使用其他数量。然而，优选的是，第一和第二扬声器的数量应至少为十三个。
两个低频驱动器24在收听区16的两侧且在收听区16的后面设置在外壳26中。低频驱动器24被配置为低音炮。第二扬声器18也设置在外壳26中。
图1所示的第二弧20具有比第一弧14更大的半径。扬声器18比扬声器12更靠近收听者22。这减小了装置10的尺寸，使得能够安装在较小的房间中，而不影响收听者所体验的声音再现。
放大器28从音频信号中的每个信道产生放大信号。优选地，音频信号对于每个扬声器12、18和24具有单独的信道。因此，放大器28向每个扬声器且向低音炮提供单独的放大信号。放大器28在收听区16的后面容纳在外壳26中。术语放大器28包括多信道放大器、多个单信道放大器或两者的组合。D类放大器对于效率是优选的，但是可以使用其他类。
装置10具有在其上安装外壳26的基座30。每个第一扬声器12设置在安装到基座30的外壳32中。相邻的外壳32经由在其顶表面之间延伸的板34连接。当以这种方式安装时，外壳32形成连续弧。
多信道音频信号由一个或更多个声音对象组成。每个声音对象存在于音频信号的多个信道中，如将在下面更详细描述的。
当音频信号被装置10再现时，每个声音对象通过一个或更多个扬声器12、18再现。来自每个扬声器的声音汇聚于收听区16。由于每个扬声器12与收听区16基本上等距，因此来自再现声音对象的相邻扬声器12的声音同时到达收听区16，并且将在收听区16处相长地相加(add constructively)。
当装置10再现音频信号时，与装置10间隔开的点处的SPL小于在收听区16处的SPL。两个因素有助于这一效果。首先，收听区16与扬声器12基本上等距，使得扬声器12的声音输出在收听区16内组合，而在其它位置处将存在来自每个扬声器的不同路径长度，导致一些相消干涉。其次，扬声器位于收听区16附近并且朝向收听区16定向，而在装置10的外部，距扬声器的平均距离随着与装置的距离的增加而增加，导致SPL减小。
图4至图6示出了在50m2的房间中建模的SPL的结果。在这些附图的每个中，模型被设置为在收听区处产生125dB的SPL，然后计算整个房间的SPL。
图4示出了使用装置10的SPL，其中在房间的墙壁处的SPL低于收听区的SPL至少10dB并且高达15-20dB。图5示出了使用传统立体声布置的SPL。在这种布置中在紧邻扬声器和相邻墙壁中SPL是最大的。图6示出了在房间周界处具有扬声器的典型多信道系统中的SPL。如图所示，整个房间和墙壁的SPL相对均匀。
常规音频信号的产生涉及布置单声道音轨(monaural track)，其中每个音轨表示声音对象；这样的音轨也被称为声音对象信号。对于录音室录音，对于每个乐器和声乐歌手都会有一个音轨。录音师布置这些音轨，调整相对幅度。音轨然后被混合在一起，并使用幅度平移技术被减少为信道数量。
根据实施例的产生音频信号的优选方法包括下面参考图7描述的、对于每个声音对象应用于音轨的三个处理级——深度、宽度和平移。
深度：
每个音轨或声音对象信号经由低通二阶IIR滤波器102、低架二阶IIR滤波器104和高架二阶IIR滤波器106进行滤波。这些滤波器102、104和106被应用以便表示当与声源的距离增加时发生的频率变化。设置在滤波器106的输出端处的增益级108产生被称为直达信号和混响信号的两个深度校正的输出信号。
以下给出了对于具有0和1之间的值的深度参数d的滤波器102、104和106以及增益级108的示例，其中0是接近收听者，而1是远离收听者：
滤波器102可以是具有截止频率fc的巴特沃斯二阶低通滤波器，其中如果d<＝0.2则fc＝20kHz，而如果d>0.2则fc＝20kHz-15kHz*(d-0.2)/0.8。
滤波器104可以是低架二阶IIR滤波器，其中转角频率为80Hz，Q＝0.5，并且如果d<＝0.2则增益(dB)＝3.0*(1.0-5*d)2，而如果d>0.2则增益(dB)＝-6.0*((d-0.2)/0.8)2。
滤波器106可以是高架二阶IIR滤波器，其中转角频率为16kHz，Q＝0.5，并且如果d<＝0.2则增益(dB)＝6.0*(1.0-5*d)2，而如果d>0.2则增益(dB)＝0.0。
增益级108可以是简单增益控制，其中如果d<＝0.2则增益(dB)＝3.0*(1.0-5*d)2，而如果d>0.2则增益(dB)＝-12.0*((d-0.2)/0.8)2。
应当认识到，以上的值仅是一个示例，并且可以使用其他值。
直达信号传递到下面描述的宽度级。使用声学空间模拟器110处理混响信号。模拟器110添加可配置量的混响。例如在增益级108中平衡直达信号和混响信号的幅度提供了额外的深度感。模拟器110使用1个输入、n个输出的算法。n个输出具有相似的能含量，但是对于每个输出使用具有不同时间常数的反馈延迟网络进行去相关。
n个输出的去相关性质使得它们能够由相邻的扬声器播放，而不影响收听者22对声音对象的定位(由直达信号定位)，同时有助于在收听区16处聚集声能并提供深度感。通常，n<13，并且n个输出可以映射到音频信号中的所有信道，其中它们中的几个由相同的输出端馈送。可选地，可以使用例如标准音频平移技术将n个输出映射到这些信道的子集。
宽度：
来自深度级的直达信号被输入到四阶分离滤波器(fourth order crossoverfilter)112，其将信号分为两个频段：低频(LF)部分和高频(HF)部分。滤波器112的分离频率被选择使得它低于空间混叠频率fa＝2c/d扬声器，其中fa是空间混叠频率，c是声音在空气中的传播速度，d扬声器是两个相邻扬声器的中心之间的距离。在实施例中，fa约为500Hz，但是不会阻止使用更低的频率。
信号的HF部分通过k个并行增益级114传递以产生k个信号，其中图7绘制对于k＝5的实例。增益级114对遵循高斯分布的k个信号中的每一个应用增益，高斯分布的标准偏差由可调宽度参数控制。优选地，增益级114的增益被归一化，使得k个增益级114输出的和不显示与HF输入信号的任何幅度偏差。宽度参数的值越大，由增益级114应用的增益的分布越均匀。这导致对装置10外部的SPL的更多控制。
优选地，k为奇数，使得k个信号的中间具有比k个信号中的其他信号更大的幅度，这有助于收听者22来定位声音对象。在其他实施例中，可以被使用除了5以外的k的值。
k个信号中的每一个通过k个全通FIR滤波器116中的一个被传递。与其他FIR滤波器116相比较，每个FIR滤波器116以频谱周期T和不同的初始相位偏移改变输入信号的相位，以产生k个宽度信号中的一个，如图7中118所示。由于滤波器116的作用，k个宽度信号在相位上被去相关。可以使用诸如正弦波的相位振荡模式以及其它相位振荡模式。
宽度处理级的作用是产生具有相对相位特性的k个宽度信号，以使它们能够在装置10的k个相邻扬声器上播放，而不会在收听区16中产生频率相消。
图7示出了LF部分被加到k个信号的中间信号。在其他实施例中，LF部分可以应用于k个信号中的多于一个信号，或者遵循与上述HF部分相同的增益/平移分布。
平移：
k个宽度信号各自通过二阶IIR低架滤波器120和增益级122传递，以产生k个平移信号。滤波器120提供低频增益校正，其减小在被平移通过扬声器12、18时声音对象的音调变化。通常，当对象与其两个最接近的扬声器等距时，滤波器120的增益为-3dB。
接下来，使用标准幅度平移技术将k个平移信号映射到音频信号中的信道。根据声音对象的位置，k个平移信号以对应于扬声器12、18之间的角距离的角度步长进行平移。这导致在音频信号中的信道的k或k+1个中的一组信号，具有相似的能含量，但是在相位上去相关。这有助于在收听区处聚集声能。收听者定位声音对象的能力不受影响：收听者将基于最响亮的明显声源(apparent source of sound)来确定声音对象的位置；由于去相关的声音不具有对收听者的明显位置，因此对于每个声音对象，最响亮的信号的任一侧的去相关信号不影响收听者对声音对象的定位。
对每个声音对象执行上述处理，并且组合信道的输出以产生多信道音频信号。该处理技术提供了具有优异三维性的声音舞台，提高了用户精确定位每个声音对象的能力，同时保持对声能如何在装置外部传播的精确控制。
虽然已经参考上述实施例具体示出和描述了本公开的各方面，但是本领域技术人员将理解，可以通过修改所公开的装置、系统和方法来预期各种额外的实施例，而不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种用于从一个或更多个声音对象信号产生多信道音频信号的方法，包括：
对于每个声音对象信号：
通过复制所述声音对象信号的一部分从所述声音对象信号产生多个去相关宽度信号，并对每个复制的信号应用增益，其中所应用的增益遵循实质上的高斯分布；
处理所述多个宽度信号以产生多个平移信号，每个平移信号被映射到至少一个信道；
对于所述音频信号中的每个信道，组合来自对于该信道的每个声音对象的平移信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，产生多个去相关宽度信号的步骤包括向每个声音对象信号加上不同的相位偏移，并且以周期T改变每个所述声音对象信号的所述相位偏移。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述实质上的高斯分布遵循用户可配置的标准偏差。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述用户可配置的标准偏差对于每个声音对象信号可配置。
5.根据权利要求3所述的方法，还包括对所述宽度信号的幅度进行归一化使得所述宽度信号的和的幅度等于所述声音对象信号的幅度的步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述产生多个去相关宽度信号的步骤还包括使用分离滤波器处理每个声音对象信号以产生低频部分和高频部分，所述多个去相关宽度信号产生自所述高频部分。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，产生奇数个去相关宽度信号，其中所述低频部分被应用于所述奇数个去相关宽度信号的中间信号。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括处理每个声音对象信号以产生深度校正信号，并且从所述深度校正信号产生所述多个宽度信号。
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