CN107925814B - 生成提升声音印象的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于确定用于驱动扬声器阵列在亮区生成提升声音印象的滤波元件的声场设备，其中，所述声场设备包括：提升线索估计器，用于估计至少一个听众的头相关传输函数(head‑related transfer function，简称HRTF)的提升线索；低频滤波估计器，用于基于所述提升线索估计一个或多个低频滤波元件；高频滤波估计器，用于基于所述提升线索估计一个或多个高频滤波元件；其中，所述低频滤波估计器的估计方法不同于所述高频滤波估计器的估计方法。

Description

生成提升声音印象的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种声场设备、音频系统、确定用于驱动扬声器阵列以在亮区生成提升声音印象的滤波元件的方法，以及计算机可读存储介质。
背景技术
声音是人类与其所处环境进行交互的核心。因此，主要的技术目标是控制在特定物理环境中的声音以用于诸如通信或娱乐的目的。在目前的技术状态下，简单地再现单一声源的声音是很简单的。然而，复杂的音频场景的再现或创建仍然是困难的。对于同时在多个收听区域上渲染各种单独的三维(three-dimensional，简称3D)声音环境的情况尤其如此，这通常需要大量的具有3D设置的扬声器并且会导致高计算复杂度。
独立创建多个声音环境的自然解决方案是在选定区域上创建多组响亮和安静的区域，从而可以最大限度地减少区域间的声音泄漏。这种所谓的多区域声场再现已经得到了研究者的广泛关注。
利用单个二维(two-dimensional，简称2D)扬声器阵列在多个收听区域上再现各种3D声音环境是引起了人们的兴趣。这是通过基于每个扬声器的预定滤波器对每个再现源信号进行放大、衰减和延迟处理中的至少一个来实现的。通常将空间中的声场建模为线性和时间不变的系统。可将时间t处点x上的实际声场sa(x，t)写为由源s(t)发送的信号的线性函数。对于一个固定的来源，位置相关的声脉冲响应h(x；t)可以在每个时间t建模：
sa(x；t)＝h(x，t)*s(t)
对波数k进行傅里叶变换，将声学传递函数H(x；k)定义为源驱动信号s(k)的频域量与实际声场Sa(x；k)之间的复数增益：
Sa(x，k)＝H(x，k)s(k)
如上所述，源驱动信号s(k)是通过放大、衰减和延迟输入信号或采用头相关传输函数(head-related transfer function，简称HRTF)频谱线索对后者进行滤波而得到的。HRTF是一种频率响应，表征了耳朵如何从空间点接收声音。它是一个传递函数，描述了来自特定点的声音如何到达耳朵(一般在耳道的外端)。
当前的环绕声标准(例如，5.1/10.2环绕声)的特征在于单个听众位置或最佳音效效果的最佳听音位置，以及向该位置的听众呈现声场的固定或前向透视图。这些做法无法在任意的收听区域提供多个独立的声音环境。存在一些现有的基于声场合成方法(例如，基于高阶混响法(higher order ambisonics，简称HOA)的方法、平面度控制方法，以及频谱分割方法)的多区域声音渲染系统。但是，这些做法仅限于水平面上的虚拟源定位。
为了实现现有系统中3D提升源(或水平面以下的虚拟源)的感觉，通常需要三维的附加扬声器或需要将再现设置变为3D(例如，22.2环绕和3D球形扬声器阵列)。然而，具有相对较多扬声器的3D阵列在实际应用中是不切实际的。另外，随着扬声器通道数量的增加，计算复杂度也显著增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种声场设备、音频系统以及确定用于驱动扬声器阵列以在亮区生成提升声音印象的滤波元件的方法，其中，声场设备、音频系统以及确定用于驱动扬声器阵列以在亮区生成提升声音印象的滤波元件的方法克服了本文提到的现有技术中一个或多个问题。
HRTF的频谱提升线索可应用于现有的声场再现方法，从而在指定的控制区域内创建提升虚拟源的感觉。可以使用HRTF提升渲染与2D波场合成系统的级联组合，其中，2D波场合成系统控制再现波场的方位角。然而，这种方法不能在多个区域传送各种3D声音内容。
本发明的第一方面提供了一种用于确定用于驱动扬声器阵列在亮区生成提升声音印象的滤波元件的声场设备，其中，所述声场设备包括：提升线索估计器，用于估计至少一个听众的头相关传输函数(head-related transfer function，简称HRTF)的提升线索；低频滤波估计器，用于基于所述提升线索估计一个或多个低频滤波元件；高频滤波估计器，用于基于所述提升线索估计一个或多个高频滤波元件；其中，所述低频滤波估计器的估计方法不同于所述高频滤波估计器的估计方法。
第一方面的声场设备可以驱动2D扬声器阵列，使得在多个收听区域上对源提升对应的期望3D声音进行再现。该设备将头相关传输函数(Head Related Transfer function，简称HRTF)的提升线索的使用与水平多区域声音系统结合起来。使用双频带滤波估计器，可以在考虑亮区HRTF的情况下准确地再现期望的3D提升声音，并且在整个音频频带上减少静区的声音泄漏。
例如，低频滤波估计器使用第一估计方法，其不同于高频滤波估计器的第二估计方法。第一方法和第二方法是不同的，因为他们使用不同类型的计算确定滤波估计器。例如，第一估计方法和第二估计方法不仅使用不同的参数，而且使用不同的计算方法计算低频和高频滤波元件。
例如，每个低频滤波元件对应于扬声器阵列中的一个扬声器。类似地，每个高频滤波元件对应于扬声器阵列中的一个扬声器。
在本发明的实施例中，低频滤波估计器用于估计扬声器阵列中每个扬声器的多个滤波元件，其中，多个滤波元件对应于不同的低频。类似地，高频滤波估计器可以用于估计扬声器阵列中每个扬声器的多个滤波元件，其中，多个滤波元件对应于不同的高频。
在本发明的实施例中，声场设备不仅包括低频滤波估计器和高频滤波估计器，而且包括某些频率范围特定的其他估计器，其使用与低频滤波估计器和/或高频滤波估计器的估计方法不同的估计方法。
在根据第一方面所述的声场设备的第一种实现方式中，所述低频滤波估计器包括优化器，用于通过对所述亮区的一个或多个控制点上期望的声场与表征从所述扬声器阵列到所述亮区的所述一个或多个控制点的通道的传递函数的估值之间的误差测量进行优化，确定所述一个或多个低频滤波元件，其中，所述亮区的一个或多个控制点是通过所述提升线索进行加权的。
例如，可以从声场设备外部的设备提供期望的声场，或者可以在声场设备中对期望的声场进行计算。例如，蓝光播放器可以向声场设备提供关于所期望声场的信息。在本发明的实施例中，声场设备用于根据声场的这个外部信息计算期望的声场。
第一种实现方式中的声场设备的优点在于：对于低频区域，声场设备可以生成或提供可以用于生成多个驱动信号的滤波元件，所述多个驱动信号再次尽可能近地生成与期望的声场相匹配的声场，同时也提供期望的提升声音印象。特别地，可以在预定数量的控制点上指定声场。在根据第一方面所述的声场设备的第二种实现方式中，所述优化器用于将所述一个或多个低频滤波元件u(k)确定为：
Figure GDA0002141782860000031
其中，||u(k)||2≤N1和||Hj(k)u(k)||≤Nj，且针对j≥2的Nj＝αM1||HRTFel(θ，k)||2/Mj中，Hb(k)是预定参数，Hb(k)是从所述扬声器阵列到所述亮区内所述一个或多个亮区控制点的声学传递函数矩阵，Hj(k)是从所述扬声器阵列到至少一个静区内一个或多个静区控制点的声学传递函数矩阵，Pd是所述一个或多个控制点的期望声场，M1是所述亮区内的控制点数量，Mj是第j个静区内的控制点数量，其中，j≥2。
参数N1是预定的(例如，可以由用户调节)，并指定对扬声器阵列努力的约束。
应该注意的是，对于多个亮区，每个亮区都存在多个静区。换句话说，可以针对每个亮区分别计算滤波元件，并且可以将得到的各个滤波元件相加获得整个滤波器。例如，声场设备可以用于反复计算每个亮区的滤波元件，然后计算整个滤波元件。
第二种实现方式中的声场设备对低频滤波元件进行特别准确的计算。
在根据第一方面所述的声场设备的第三种实现方式中，所述低频滤波估计器用于通过利用自由场假定估计一个或多个3D格林函数和/或通过估计房间脉冲响应的一个或多个测量值，估计所述一个或多个控制点的所述传递函数。
对一个或多个3D格林函数进行估计代表了一种特别有效的对传递函数进行估计的方法。对一个或多个测量值(例如，通过位于一个或多个控制点处的一个或多个麦克风)进行估计可以提供更准确的结果，但是可能更复杂。
在根据第一方面所述的声场设备的第四种实现方式中，所述高频滤波估计器包括：扬声器选择单元，用于选择一个或多个有源扬声器，使得所述一个或多个有源扬声器的位置与所述扬声器阵列上所述亮区的投影重叠；扬声器权重分配单元，用于为所述有源扬声器分配一个或多个频率相关的权重。
对于声音的高频分量，第四种实现方式中的声场设备假定声音传播大部分沿着扬声器的投影这一条线。因此，声场设备用于仅选择那些扬声器的投影与选定的扬声器重叠的扬声器。这提供了一种简单而有效的方法来抑制声音泄漏到亮区外的静区。
在根据第一方面所述的声场设备的第五种实现方式中，所述扬声器权重分配单元用于为所述一个或多个有源扬声器分配
Figure GDA0002141782860000032
的权重，其中，P是有源扬声器的数量，N1是预定参数。
有源扬声器的这种加权确保了约束||w||2≤N1。
在优选实施例中，基于扬声器阵列中的扬声器的数量和/或基于亮区的半径选择一个或多个低频滤波元件与高频滤波元件之间的截止频率。
在根据第一方面所述的声场设备的第六种实现方式中，选择所述一个或多个低频滤波元件与所述高频滤波元件之间的截止频率作为(Q-1)c/4πr，其中，Q是所述扬声器阵列中扬声器的数量，r是亮区的半径，c是声速。
根据(Q-1)c/4πr选择截止频率具有以下优点：根据系统中所采用扬声器的数量通过分析找到将低/高通滤波频带分开的最佳截止频率。两种不同的策略适用于高频范围和低频范围，从而可以在整个频率范围内对具有虚拟提升的声场进行准确渲染，并将区域间的声音泄漏最小化。
在根据第一方面所述的声场设备的第七种实现方式中，所述提升线索估计器用于对除相对于所述亮区的所述源的方位角之外的所述提升线索进行估计。
这提供了简化的、更高效的方式对提升线索进行估计。实验表明，这代表了一个精确的近似值。
在根据第一方面所述的声场设备的第八种实现方式中，所述提升线索估计器用于根据以下等式计算所述提升线索：
Figure GDA0002141782860000041
HRTFi(θ，0，k)是第i个人的HRTF。换句话说，只需要中值平面的一组提升线索(即φ＝0)。这是基于以下假设：提升线索在方位角φ上是对称的，并且在任何弧矢平面中都是常见的。对N个人进行平均具有以下优点：可以得到一个更好的不同头部剖析结构的近似值。提升线索的计算可以离线进行，即，可以对它们进行预先计算，然后存储在声场设备上。
本发明第二方面涉及一种音频系统，包括：
-检测器，用于确定相对于听众的虚拟声源的提升；
-根据第一方面或者第一方面任意一种实现方式的声场设备，其中，所述声场设备用于基于所述确定的所述虚拟声源的提升确定多个滤波元件；
-信号生成器，用于生成利用所述确定的多个滤波元件进行加权的驱动信号；
-扬声器阵列。
检测器例如可以用于仅从源规范提供的输入确定虚拟源的提升。例如，蓝光光盘可以包括直升机声音应该随着“从正上方”的声音印象产生的信息。在其他实施例中，检测器可以用于基于源规范并基于听众位置，特别是听众头部的垂直位置的信息，确定虚拟声源的提升。因此，如果听众坐着或站着，则所确定的提升可能不同。为此，检测器可以包括用于检测一个或多个听众的姿势和/或位置的传感器。
检测器、声场设备和/或信号生成器可以是同一装置的一部分。
信号生成器可以用于生成弱驱动信号，在驱动扬声器阵列之前需要将其扩大化。
在第二方面所述的音频系统的第一种实现方式中，将所述扬声器阵列布置在水平面中，优选地放置在汽车中。
本发明的第三方面涉及一种确定用于驱动扬声器阵列在亮区生成提升声音印象的滤波元件的方法，包括：
-估计至少一个听众的头相关传输函数(head-related transfer function，简称HRTF)的提升线索；
-采用第一估计方法基于所述提升线索估计一个或多个低频滤波元件；
-采用与所述第一估计方法不同的第二估计方法，基于所述提升线索估计一个或多个高频滤波元件。
在第三方面所述的方法的第一种实现方式中，针对多个源信号和多个亮区执行所述方法。因此，可以生成多个用户的亮区。该方法可以用于分别计算每个亮区(和相应的静区)的滤波元件，然后添加所有亮区的滤波元件，从而获得反映所有亮区的一组滤波元件。
在第三方面所述的方法的第二种实现方式中，估计所述一个或多个低频滤波元件的所述步骤包括以下步骤：通过对所述亮区的一个或多个控制点上期望的声场与表征从所述扬声器阵列到所述亮区的所述一个或多个控制点的通道的传递函数的估值之间的误差测量进行优化，确定所述一个或多个低频滤波元件，其中，所述亮区的一个或多个控制点是通过所述提升线索进行加权的。
根据本发明第三方面的方法可以由根据本发明第一方面的声场设备执行。根据本发明第三方面的方法的其他特征或实现方式可以执行根据本发明第一方面的声场设备的功能及其不同的实现方式。
本发明的第四方面提供了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第三方面或者第三方面任意一种实现方式提供的方法的指令。
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示出了根据本发明实施例的声场设备的简化框图；
图2示出了根据本发明另一实施例的音频系统的简化框图；
图3示出了根据本发明另一实施例的方法的流程图；
图4示出了根据本发明另一实施例的音频系统的简化框图；
图5示出了根据本发明另一实施例的具有提升线索的双频带多区域声音渲染的简化流程图；图6是根据本发明在汽车中应用声音系统的简化图。
具体实施方式
图1示出了用于确定用于驱动扬声器阵列在亮区生成提升声音印象的滤波元件的声场设备100的简化框图。所述声场设备100包括：提升线索估计器110，用于估计至少一个听众的头相关传输函数(head-related transfer function，简称HRTF)的提升线索；低频滤波估计器120，用于基于所述提升线索估计一个或多个低频滤波元件；高频滤波估计器130，用于基于所述提升线索估计一个或多个高频滤波元件。
提升线索估计器110以及低频和高频滤波估计器120、130可以在相同的物理设备中得以实现。例如，相同的处理器可以用作提升线索估计器110、低频滤波估计器120和/或高频滤波估计器130。
低频滤波估计器的(第一)估计方法不同于高频滤波估计器的(第二)估计方法。例如，第一方法和第二方法可以是不同的，因为他们使用不同的计算方法确定低频和高频滤波元件。声场设备100可以进一步包括信号生成器(图1中未示出)，该信号生成器可以用于基于低频和高频滤波估计器120、130计算的滤波元件生成多个扬声器的驱动信号。例如，信号生成器可以用于通过利用低频和高频滤波元件对输入信号进行加权，为多个扬声器生成多个驱动信号。例如，低频和高频滤波元件可以对应于多个扬声器，即，每个滤波元件对应于其中一个扬声器。
图2示出了音频系统200的简化框图。该音频系统200包括：检测器210，用于确定相对于听众的虚拟声源的提升；声场设备100，例如，图1的声场设备，其中，声场设备用于确定多个滤波元件；信号生成器220，用于生成利用所确定的多个滤波元件进行加权的驱动信号222；扬声器阵列230。
检测器210、声场设备100以及信号生成器220可以是同一装置的一部分。
该系统200还可以包括放大器(图2中未示出)，其对信号生成器220的驱动信号进行放大，从而驱动多个扬声器230。
可以将扬声器阵列布置在水平面中。在其他实施例中，可以将扬声器阵列布置在不同的高度水平。优选地，系统200包括用于确定扬声器的提升水平的单元，从而可以在知道每个扬声器的提升水平的情况下，对滤波元件以及多个驱动信号进行计算。为此，用于确定提升水平的单元可以包括输入单元，其中，用户可以输入扬声器的提升水平的信息。在其他实施例中，用于确定提升水平的单元可以包括传感器，该传感器用于在不需要用户的手动输入情况下，感测扬声器的提升水平。
图3示出了确定用于驱动扬声器阵列在亮区生成提升声音印象的滤波元件的方法300的流程图。在第一步骤310中，估计至少一个听众的头相关传输函数(head-relatedtransfer function，简称HRTF)的提升线索。在第二步骤320中，采用第一估计方法基于所述提升线索估计一个或多个低频滤波元件。在第三步骤330中，采用与所述第一估计方法不同的第二估计方法，基于所述提升线索估计一个或多个高频滤波元件。
该方法可以包括其他步骤(图4中未示出)：获得输入信号，使用滤波元件对输入信号进行加权，从而生成多个驱动信号和/或放大所生成的驱动信号。
图4示出了根据本发明实施例的音频系统400。音频系统400包括多个双频带多区域声音渲染器410a和410b。多个双频带多区域声音渲染器410a和410b中的每一个都包括低频滤波估计器和高频滤波估计器。
如图4所示，每个双频带声音渲染器410a不仅具有n个源信号的信息，而且具有n个提升规范424的信息。提升规范例如可以简单地包括相对于听众的仰角θ。双频带声音渲染器410a还接收亮区422a和静区423a的信息以及线性扬声器阵列430a的设置。基于该信息，双频带声音渲染器410a可以为每个源信号计算滤波元件。然后，可以将各个滤波元件412a、412b进行组合并应用到输入信号(图4中未示出)，从而获得用于驱动多个扬声器430的多个扬声器驱动信号412。
在图4中，用作第一源信号420a的亮区的相同区域422a可以用作另一源信号420b的静区422b。作为第一源信号420a的静区的区域423a目前是另一源信号420b的亮区423b。
图4仅对多个源信号的处理进行了说明。本领域技术人员理解，在实践中，声音渲染设备可以用于重复计算每个源信号的滤波元件，即，只有一个渲染设备可以重复计算多个源信号的滤波元件。
图5示出了具有提升线索的双频带多区域声音渲染的方法500的简化流程图。在第一步骤510中，基于系统规范计算附图标记510a指示的提升线索HRTFel(θ，k)。在另一步骤520中，在倍频程平滑步骤中平滑提升线索。随后，根据频率对处理进行拆分(522)。在步骤530、540中，继续对低通滤波元件和高通滤波元件进行不同的处理。
为了生成低频滤波元件，在步骤532中，对期望的声场Pd和传递矩阵Hb和Hj进行计算。随后，在步骤534中，进行多约束凸优化，从而确定最佳的低频滤波元件u。
针对具有k≤2πf/c(低通滤波)的频率，其中k＝2πf/c，制定了具有多约束的联合优化。为亮区内的控制点定义向量Pd(尺寸：M1×1)中期望的水平声场。期望的声场例如可以是从扬声器阵列到达的平面波函数或者简单地设置为1。声学传递函数矩阵从每个扬声器到亮区Hb(M1×Q)内的某点，声学传递函数矩阵从每个扬声器到静区Hj(Mj×Q)(j＝2...n)内的某点。扬声器的声学传递可以根据具有自由场假设的3D格林函数或基于房间脉冲响应的附加麦克风测量得到。扬声器滤波权重向量w(Q×1)。声学传递函数M1可以表示所选亮区内控制点的数量，Mj是第j个静区内控制点的数量。
多约束优化的目的是在考虑亮区的HRTF提升的情况下，将期望的声场的均方误差最小化：
Figure GDA0002141782860000071
其中，||w||2≤N1和||Hjw||2≤Nj，且
Nj＝αM1||PdHRTFel(θ，k)||2/Mj。
α定义了声音能量泄漏到静区的可接受水平，并且它可以由用户定制。N1指定了扬声器阵列努力上的约束。
将低频滤波元件u和高频滤波元件v进行合并，从而获得附图标记545指示的一组完整的滤波元件w。将滤波元件应用于频域中的信号，将傅里叶逆变换应用在步骤550中。在得到的信号552上，对具有扬声器脉冲响应的卷积560进行应用，从而产生输出。
为了生成高频滤波元件(具有波数k＞(Q-1)/2r，其中，Q是扬声器的数量，r是每个选定区的半径)，在步骤542中，选择扬声器。在步骤544中，将权重分配给所选的有源扬声器。这样，可获得高频滤波元件v。
在高通滤波器滤波中，由于所使用的扬声器数量有限，因此会降低再现精度，并且会影响期望的听觉体验，尤其是对于提升的感觉。因此，应用不同的滤波器设计策略。在高频时，随着活塞尺寸与声音波长的比例增加，扬声器辐射的声场甚至会变窄，出现旁瓣。
因此，通过利用扬声器的天然指向性，可以抑制高频声音泄漏。应当选择激活的扬声器阵列分区，使其与扬声器阵列上亮区的投影重叠。假设所选扬声器的数量是P，则分配给激活的扬声器的扬声器权重为
Figure GDA0002141782860000072
从而满足约束条件。
在使用逐一的方法在频域中得到扬声器滤波增益之后，可以通过执行IFFT获得系统的输出，该系统的输出是对扬声器阵列的有限脉冲响应。需要注意的是，通常可以离线(例如，将每个汽车/会议室及其区域/扬声器设置一次)对扬声器脉冲响应进行推导。
为了实现多区域设置，对于n(n≥2)个源信号(如图4所示)，需要在选定区域上创建了n组一个亮区和(n-1)个静区的滤波器。该系统结合了HRTF提升线索频谱滤波和水平多区域声场渲染系统。目标在于通过2D扬声器阵列采用最小的区域间声音泄漏，将n个输入源信号同时传送到n个不同的具有各种提升感觉的空间区域。
为了实现这个目标，提供了一种双频带渲染系统，其目的在于在考虑HRTF的情况下，在所选择的亮区精确地再现期望的3D提升声音。更具体地，将具有多约束的联合优化系统应用于滤波器设计，从而使得低频率多个收听区域上期望的3D声场的再现最小化。相比之下，声音分离是通过高频率有源扬声器的选择过程实现的，并且在选定区域上保留了HRTF提升线索的特征。
例如，可以从在线公共HRTF数据库(例如，CIPIC数据库)中提取图5中的HRTF提升线索。HRTF提升线索在方位角φ上被认为是对称的，并且在任何弧矢平面中都是常见的。基于此假设，只需要中值平面的一组提升线索(即φ＝0)。其优点在于：消除了暴露于前方声音的头部产生的滤波效果，并且仅保留了由于提升线索引起的滤波效果。为此目的，将HRTF归一化如下：
Figure GDA0002141782860000081
其中，θs是物理源到听众耳朵所在平面的仰角。因此，扬声器阵列不仅限于水平面，而且还可以放置在其他高度水平上(例如，放置在房间的天花板上或车内)。
图5中所提出的双频带渲染系统的动机在于：考虑到HRTF线索，特别是低频和高频范围的HRTF提升线索的特征的情况下，应用不同的策略准确地重建期望的多区域声场。众所周知，在低频范围(即，2kHz以下)和8kHz以上的频率范围都出现了提升线索的重要频谱特征(例如，峰值或缺口)。
图6描述了音频系统如何应用于汽车音频系统。由于车厢的空间限制，在汽车项部(即，乘客的头部上方)放置12个微型扬声器是很方便的。扬声器阵列为驾驶员和副驾驶员座位创建了两个单独的个人区域。将两个不同的输入音频信号(例如，驾驶员的导航语音流和副驾驶员的单声道/立体声音乐)同时传递到两个座位区域。更重要的是，还可以为不同的乘客提供各种虚拟提升。因此，乘客不仅可以听到顶部的声音(这可能会引起混淆)，而且还有声音来自于3D环境中的正前方的感觉。
本发明实施例的优点包括：
-除了水平多区域声音渲染之外，还可以在感兴趣的选定区域内任何位置提供更逼真的提升感觉；
-双频段渲染系统中的联合优化制定更精确地再现了期望的声场，同时考虑了所选区域的HRTF提升，特别是在低频范围；
-本发明能够同时为各个区域渲染不同的提升虚拟源；
-不需要额外的扬声器或更换2D扬声器设置；
-非常有限的额外计算成本。
所描述的声场设备和音频系统可以在许多情况下得以应用，例如：
-带有2D扬声器阵列的任何声音再现系统或环绕声系统(现有产品中最常用的)；
-本发明中的提升渲染克服了由于2D扬声器设置造成的限制，提供了更逼真的3D虚拟声音。
特别地，声场设备和音频系统可以应用于：
-电视扬声器系统；
-汽车娱乐系统；
-电话会议系统；和/或
-家庭影院系统；其中，
一个或多个听众的个人收听环境是令人满意的。
上文所有描述仅仅为本发明的实施方式，本发明所保护的范围并不仅限于此。任何变化或替换都可以通过本领域技术人员轻松地进行。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求的保护范围为准。

Claims (27)

1.一种用于确定用于驱动扬声器阵列(230、430)在亮区(422a、423b)生成提升声音印象的滤波元件的声场设备(100)，其特征在于，所述声场设备包括：
-提升线索估计器(110)，用于估计至少一个听众的头相关传输函数HRTF的提升线索；
-低频滤波估计器(120)，用于基于所述提升线索估计一个或多个低频滤波元件；
-高频滤波估计器(130)，用于基于所述提升线索估计一个或多个高频滤波元件；其中
所述低频滤波估计器(120)的估计方法不同于所述高频滤波估计器(130)的估计方法；
其中，所述低频滤波估计器(120)包括优化器，用于通过对所述亮区(422a、423b)的一个或多个控制点上期望的声场与表征从所述扬声器阵列(230、430)到所述亮区的所述一个或多个控制点的通道的传递函数的估值之间的误差测量进行优化，确定所述一个或多个低频滤波元件，其中，所述亮区(422a、423b)的一个或多个控制点是通过所述提升线索进行加权的。
2.根据权利要求1所述的声场设备(100)，其特征在于，所述优化器用于将所述一个或多个低频滤波元件u(k)确定为：
Figure FDA0002543718780000011
其中，||u(k)||2≤N1和||Hj(k)u(k)||≤Nj，且针对j≥2的Nj＝αM1||PdHRTFel(θ，k)||2/Mj中，N1是预定参数，Hb(k)是从所述扬声器阵列到所述亮区(422a、423b)内所述一个或多个亮区控制点的声学传递函数矩阵，Hj(k)是从所述扬声器阵列到至少一个静区(423a、422b)内一个或多个静区控制点的声学传递函数矩阵，Pd是所述一个或多个控制点的期望声场，M1是所述亮区内的控制点数量，Mj是第j个静区内的控制点数量，其中，j≥2，
其中，HRTF表示头相关传输函数，θ表示相对于听众的仰角，k表示频率，HRTFel(θ，k)表示头相关传输函数的提升线索，α表示声音能量泄漏到静区的可接受水平。
3.根据权利要求1所述的声场设备(100)，其特征在于，所述低频滤波估计器用于通过利用自由场假定估计一个或多个3D格林函数和/或通过估计房间脉冲响应的一个或多个测量值，估计所述一个或多个控制点的所述传递函数。
4.根据权利要求2所述的声场设备(100)，其特征在于，所述低频滤波估计器用于通过利用自由场假定估计一个或多个3D格林函数和/或通过估计房间脉冲响应的一个或多个测量值，估计所述一个或多个控制点的所述传递函数。
5.根据权利要求1至4任意任一项所述的声场设备(100)，其特征在于，所述高频滤波估计器(130)包括：
-扬声器选择单元，用于选择一个或多个有源扬声器，使得所述一个或多个有源扬声器的位置与所述扬声器阵列(230、430)上所述亮区(422a、423b)的投影重叠；
-扬声器权重分配单元，用于为所述有源扬声器分配一个或多个频率相关的权重。
6.根据权利要求5所述的声场设备(100)，其特征在于，所述扬声器权重分配单元用于为所述一个或多个有源扬声器分配
Figure FDA0002543718780000012
的权重，其中，P是有源扬声器的数量，N1是预定参数；
其中，HRTF表示头相关传输函数，θ表示相对于听众的仰角，k表示频率，HRTFel(θ，k)表示头相关传输函数的提升线索。
7.一种用于确定用于驱动扬声器阵列(230、430)在亮区(422a、423b)生成提升声音印象的滤波元件的声场设备(100)，其特征在于，所述声场设备(100)具有权利要求1至6任意一项所述声场设备的全部特征，并且，选择所述一个或多个低频滤波元件与所述高频滤波元件之间的截止频率作为(Q-1)c/4πr，其中，Q是所述扬声器阵列(230、430)中扬声器的数量，r是亮区(422a、423b)的半径，c是声速。
8.一种用于确定用于驱动扬声器阵列(230、430)在亮区(422a、423b)生成提升声音印象的滤波元件的声场设备(100)，其特征在于，所述声场设备(100)具有权利要求1至7任意一项所述声场设备的全部特征，并且，所述提升线索估计器(110)用于对除相对于所述亮区的源的方位角之外的所述提升线索进行估计。
9.一种用于确定用于驱动扬声器阵列(230、430)在亮区(422a、423b)生成提升声音印象的滤波元件的声场设备(100)，其特征在于，所述声场设备(100)具有权利要求1至8任意一项所述声场设备的全部特征，并且，所述提升线索估计器(110)用于根据以下等式计算所述提升线索：
Figure FDA0002543718780000021
其中，HRTFi(θ，0，k)是第i个人的HRTF；
其中，φ表示方位角，θs是物理源到听众耳朵所在平面的仰角，θ表示相对于听众的仰角，k表示频率，N表示输入源信号数量。
10.一种音频系统(200、400、600)，其特征在于，包括：
-检测器(210)，用于确定相对于听众的虚拟声源的提升；
-根据上述权利要求任一项所述的声场设备(100)，用于基于所述确定的所述虚拟声源的提升确定多个滤波元件；
-信号生成器(220)，用于生成利用所述确定的多个滤波元件进行加权的驱动信号；
-扬声器阵列(230、430)。
11.根据权利要求10所述的音频系统(200、400、600)，其特征在于，将所述扬声器阵列(230、430)布置在水平面中。
12.一种确定用于驱动扬声器阵列在亮区生成提升声音印象的滤波元件的方法(300)，其特征在于，包括：
-估计至少一个听众的头相关传输函数HRTF的提升线索；
-采用第一估计方法基于所述提升线索估计一个或多个低频滤波元件；
-采用与所述第一估计方法不同的第二估计方法，基于所述提升线索估计一个或多个高频滤波元件；
其中，针对多个源信号和多个亮区(422a、423b)执行所述方法。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，估计所述一个或多个低频滤波元件的所述步骤包括以下步骤：通过对所述亮区(422a、423b)的一个或多个控制点上期望的声场与表征从所述扬声器阵列(230、430)到所述亮区(422a、423b)的所述一个或多个控制点的通道的传递函数的估值之间的误差测量进行优化，确定所述一个或多个低频滤波元件，其中，所述亮区(422a、423b)的一个或多个控制点是通过所述提升线索进行加权的。
14.一种存储了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13中任一项所述的方法的指令。
15.一种用于确定用于驱动扬声器阵列(230、430)在亮区(422a、423b)生成提升声音印象的滤波元件的声场设备(100)，其特征在于，所述声场设备包括：
-提升线索估计器(110)，用于估计至少一个听众的头相关传输函数HRTF的提升线索；
-低频滤波估计器(120)，用于基于所述提升线索估计一个或多个低频滤波元件；
-高频滤波估计器(130)，用于基于所述提升线索估计一个或多个高频滤波元件；其中
所述低频滤波估计器(120)的估计方法不同于所述高频滤波估计器(130)的估计方法；
其中，所述高频滤波估计器(130)包括：
-扬声器选择单元，用于选择一个或多个有源扬声器，使得所述一个或多个有源扬声器的位置与所述扬声器阵列(230、430)上所述亮区(422a、423b)的投影重叠；
-扬声器权重分配单元，用于为所述有源扬声器分配一个或多个频率相关的权重。
16.根据权利要求15所述的声场设备(100)，其特征在于，所述扬声器权重分配单元用于为所述一个或多个有源扬声器分配
Figure FDA0002543718780000031
的权重，其中，P是有源扬声器的数量，N1是预定参数；
其中，HRTF表示头相关传输函数，θ表示相对于听众的仰角，k表示频率，HRTFel(θ，k)表示头相关传输函数的提升线索。
17.根据权利要求15所述的声场设备(100)，其特征在于，选择所述一个或多个低频滤波元件与所述高频滤波元件之间的截止频率作为(Q-1)c/4πr，其中，Q是所述扬声器阵列(230、430)中扬声器的数量，r是亮区(422a、423b)的半径，c是声速。
18.根据权利要求16所述的声场设备(100)，其特征在于，选择所述一个或多个低频滤波元件与所述高频滤波元件之间的截止频率作为(Q-1)c/4πr，其中，Q是所述扬声器阵列(230、430)中扬声器的数量，r是亮区(422a、423b)的半径，c是声速。
19.根据权利要求15至18任意一项所述的声场设备(100)，其特征在于，所述提升线索估计器(110)用于对除相对于所述亮区的源的方位角之外的所述提升线索进行估计。
20.根据权利要求15至18任意一项所述的声场设备(100)，其特征在于，所述提升线索估计器(110)用于根据以下等式计算所述提升线索：
Figure FDA0002543718780000041
其中，HRTFi(θ，0，k)是第i个人的HRTF；
其中，φ表示方位角，θs是物理源到听众耳朵所在平面的仰角，θ表示相对于听众的仰角，k表示频率，N表示输入源信号数量。
21.根据权利要求19所述的声场设备(100)，其特征在于，所述提升线索估计器(110)用于根据以下等式计算所述提升线索：
Figure FDA0002543718780000042
其中，HRTFi(θ，0，k)是第i个人的HRTF；
其中，φ表示方位角，θs是物理源到听众耳朵所在平面的仰角，θ表示相对于听众的仰角，k表示频率，N表示输入源信号数量。
22.一种用于确定用于驱动扬声器阵列(230、430)在亮区(422a、423b)生成提升声音印象的滤波元件的声场设备(100)，其特征在于，所述声场设备包括：
-提升线索估计器(110)，用于估计至少一个听众的头相关传输函数HRTF的提升线索；
-低频滤波估计器(120)，用于基于所述提升线索估计一个或多个低频滤波元件；
-高频滤波估计器(130)，用于基于所述提升线索估计一个或多个高频滤波元件；其中
所述低频滤波估计器(120)的估计方法不同于所述高频滤波估计器(130)的估计方法；
其中，选择所述一个或多个低频滤波元件与所述高频滤波元件之间的截止频率作为(Q-1)c/4πr，其中，Q是所述扬声器阵列(230、430)中扬声器的数量，r是亮区(422a、423b)的半径，c是声速。
23.根据权利要求22所述的声场设备(100)，其特征在于，所述提升线索估计器(110)用于对除相对于所述亮区的源的方位角之外的所述提升线索进行估计。
24.根据权利要求22至23任意一项所述的声场设备(100)，其特征在于，所述提升线索估计器(110)用于根据以下等式计算所述提升线索：
Figure FDA0002543718780000051
其中，HRTFi(θ，0，k)是第i个人的HRTF；
其中，φ表示方位角，θs是物理源到听众耳朵所在平面的仰角，θ表示相对于听众的仰角，k表示频率，N表示输入源信号数量。
25.一种用于确定用于驱动扬声器阵列(230、430)在亮区(422a、423b)生成提升声音印象的滤波元件的声场设备(100)，其特征在于，所述声场设备包括：
-提升线索估计器(110)，用于估计至少一个听众的头相关传输函数HRTF的提升线索；
-低频滤波估计器(120)，用于基于所述提升线索估计一个或多个低频滤波元件；
-高频滤波估计器(130)，用于基于所述提升线索估计一个或多个高频滤波元件；其中
所述低频滤波估计器(120)的估计方法不同于所述高频滤波估计器(130)的估计方法；
其中，所述提升线索估计器(110)用于对除相对于所述亮区的源的方位角之外的所述提升线索进行估计。
26.根据权利要求25所述的声场设备(100)，其特征在于，所述提升线索估计器(110)用于根据以下等式计算所述提升线索：
Figure FDA0002543718780000052
其中，HRTFi(θ，0，k)是第i个人的HRTF；
其中，φ表示方位角，θs是物理源到听众耳朵所在平面的仰角，θ表示相对于听众的仰角，k表示频率，N表示输入源信号数量。
27.一种用于确定用于驱动扬声器阵列(230、430)在亮区(422a、423b)生成提升声音印象的滤波元件的声场设备(100)，其特征在于，所述声场设备包括：
-提升线索估计器(110)，用于估计至少一个听众的头相关传输函数HRTF的提升线索；
-低频滤波估计器(120)，用于基于所述提升线索估计一个或多个低频滤波元件；
-高频滤波估计器(130)，用于基于所述提升线索估计一个或多个高频滤波元件；其中所述低频滤波估计器(120)的估计方法不同于所述高频滤波估计器(130)的估计方法；
其中，所述提升线索估计器(110)用于根据以下等式计算所述提升线索：
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