CN108476371A - 声波场生成 - Google Patents

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Abstract

为了在目标房间中围绕收听位置生成声波场，生成待在以任意方式分布在所述目标房间中的多个位置处再现的声音信号。此外，根据模态波束形成算法处理环境立体声输入信号以提供所述声音信号。所述模态波束形成算法包括根据多输入多输出滤波算法进行矩阵化。

Description

声波场生成
技术领域
本公开涉及一种用于生成声波场的系统和方法。
背景技术
二维或三维音频可借助称为高阶环境立体声的技术使用声场描述来实现。环境立体声是一种全球面型环绕声技术，除了水平平面之外，其还可覆盖位于收听者上方和下方的声音源。不同于其它多通道环绕格式，其传输通道不载送扬声器信号。而是，它们含有声场的扬声器无关表示，所述扬声器无关表示接着针对收听者的扬声器设置来解码。这个额外步骤允许音乐制作人依据源方向而非扬声器位置来考虑，并且向收听者提供关于用于重放的扬声器的布局和数目的极大程度的灵活性。环境立体声可被理解为中/侧(M/S)立体声的三维扩展，针对高度和深度添加额外差分通道。依据一阶环境立体声，所得信号集称为B格式。一阶环境立体声的空间分辨率非常低。在实践中，这转化为稍微模糊源，还转化为比较小的可用收听区域或悦耳点(sweet spot)。
可通过向B格式添加更具选择性的定向部件的群组来增大分辨率并放大悦耳点。依据二阶环境立体声，这些不再对应于常规麦克风极性图案，而是看起来像(例如)苜蓿叶。所得信号集接着称为二阶、三阶或统称为高阶环境立体声(HOA)。然而，HOA技术的常见应用依据处理二维(2D)还是三维(3D)波场而需要特定空间配置，而不管是测量还是再现波场：处理2D波场需要圆柱形配置，而处理3D波场需要球形配置，其各自具有麦克风或扬声器的规则分布。
发明内容
一种被配置为在目标房间中围绕收听位置生成声波场的音频系统包括以任意方式分布在目标房间中的多个扬声器。所述系统还包括至少一个模态波束形成器模块，其连接在所述多个扬声器的上游并且在接收至少一个环境立体声输入信号的至少一个输入信号路径的下游。所述至少一个模态波束形成器模块包括矩阵化模块，其包括多输入多输出滤波器模块。
一种被配置为在目标房间中围绕收听位置生成声波场的音频再现方法包括生成待在以任意方式分布在目标房间中的多个位置处再现的声音信号。所述方法还包括根据模态波束形成算法处理环境立体声输入信号以提供声音信号。所述模态波束形成算法包括根据多输入多输出滤波器算法进行矩阵化。
一种计算机程序产品被配置为致使处理器执行音频再现方法以在目标房间中围绕收听位置生成声波场。所述方法包括生成待在以任意方式分布在目标房间中的多个位置处再现的声音信号。所述方法还包括根据模态波束形成算法处理环境立体声输入信号以提供声音信号。所述模态波束形成算法包括根据多输入多输出滤波算法进行矩阵化。
本领域的技术人员在查看以下附图和具体实施方式后将明白或将变得明白其它系统、方法、特征和优点。希望所有此类额外系统、方法、特征和优点均包括在这个描述内，属于本发明的范围内，并且受所附权利要求书保护。
附图说明
可参考以下附图和描述来更好地理解所述系统和方法。附图中的部件未必按比例绘制，而是重点在于说明本发明的原理。此外，在附图中，相同参考标号贯穿不同视图标示对应部分。
图1是示出具有M个记录通道(麦克风)和K个输出通道(扬声器)的简单声学多输入多输出(MIMO)系统的流程图，其包括多误差最小均方(MELMS)系统或方法。
图2是示出适用于图1所示的MIMO系统的1×2×2MELMS系统或方法的流程图。
图3是用于使用经过修改的MELMS算法在目标房间中在相异位置处生成球谐函数的系统和方法的流程图。
图4是示出采用多输入多输出滤波器模块用于矩阵化的示例性模态波束形成器的信号流程图。
具体实施方式
HOA技术可增强诸如家用音频系统等常用音频系统的性能。然而，如上文提到，HOA技术依据处理二维(2D)还是三维(3D)波场而需要麦克风或扬声器的特定空间配置，而不管是测量(解码)还是再现(编码)波场。因此，处理2D波场需要圆柱形配置，而处理3D波场需要球形配置，其各自具有麦克风或扬声器的规则分布。这显著降低了采用HOA的音频系统的通用性。本文所述的通用音频系统结合高阶环境立体声(HOA)系统/方法利用多输入多输出(MIMO)滤波系统/方法(还称为MIMO系统)来关于(例如)家庭应用使用任意扬声器布置近似于所需声场。因此，可通过基于以通用方式适于任意波场的MIMO和HOA技术的组合使用高级信号处理框架来增强已有家庭立体声系统的声学性能。
室内声学的多输入多输出(MIMO)技术在一端处采用多个发射器并且在另一端处采用多个接收器。在简单的音频系统中，在源处使用单个变换器(例如，麦克风、扬声器)，并且在目的地处使用另一个单个变换器(例如，扬声器、麦克风)。在一些情况下，这对于多路径效应引起问题。当诸如墙壁、窗户、门和家具等障碍物遇到声学波场时，波前被散射并且因此采取许多路径来到达目的地。声音的散射部分的迟到造成诸如回声、混响、抵消和间歇接收等问题。在源和目的地处使用两个或更多个变换器连同传输多个信号(针对每个变换器传输一个信号)消除了由多路径波传播造成的积压。已经发现，当以特定方式与HOA组合时，MIMO算法提供呈球谐函数形式的方向性，明确地说，其基本函数，并且允许克服HOA算法所设置的限制，诸如基本变换器配置的限制形式和规则分布变换器的必要性，而不减少HOA算法的好处。
图1是均衡多输入多输出(MIMO)系统和方法(通常称为“系统”)的信号流程图，所述系统可具有多个输出端(例如，用于向Q≥1个扬声器群组供应输出信号的输出通道)和多个(误差)输入端(例如，用于从K≥1个麦克风群组接收输入信号的记录通道)。一个群组包括连接到单个通道(即，一个输出通道或一个记录通道)的一个或多个扬声器或麦克风。假设对应房间或扬声器-房间-麦克风系统(其中布置至少一个扬声器和至少一个麦克风的房间)是线性且时不变的，并且可由(例如)其房间声学脉冲响应描述。此外，可将N个原始输入信号(诸如或包括单声道输入信号x(n))馈送到MIMO系统的(原始信号)输入端中。MIMO系统可使用多误差最小均方(MELMS)算法(例如，多滤波输入最小均方算法)用于滤波(例如，均衡)，但可采用任何其它自适应控制算法，诸如(经过修改的)最小均方(LMS)、递归最小二乘法(RLS)等。输入信号x(n)由K个主要路径101滤波，所述主要路径由在其路上从(例如)一个扬声器到位于不同位置处的K个麦克风的主要路径滤波器矩阵P(z)表示，并且在主要路径101的末端处(即，在所述K个麦克风处)提供K个所需信号d(n)。
借助于MELMS算法(其可在MELMS处理模块106中实施)，控制滤波器矩阵W(z)(其由均衡滤波器模块103实施)改变原始输入信号x(n)，使得所得Q个输出信号(其被供应到Q个扬声器并且由具有次要路径滤波器矩阵S(z)的滤波器模块104滤波)匹配所需信号d(n)。因此，MELMS算法评估使用次要通带滤波器矩阵(其在滤波器模块102中实施并且输出Q×K个滤波输入信号)滤波的输入信号x(n)和K个误差信号e(n)。所述误差信号e(n)由减法器模块105提供，所述减法器模块105从K个所需信号d(n)减去K个麦克风信号y'(n)。具有K个麦克风信号y'(n)的K个记录通道是具有使用次要路径滤波器矩阵S(z)(其在滤波器模块104中实施)滤波的Q个扬声器信号y(n)的Q个输出通道，其表示声学场景。模块和路径被理解为硬件、软件和/或声学路径中的至少一者。
MELMS算法是用于获得最佳最小均方(LMS)解的迭代算法。MELMS算法的自适应方法允许滤波器的现场设计并且还提供用于每当在电声传递函数中发生变化时重新调整滤波器的便利方法。MELMS算法采用最速下降法来搜索性能指数的最小值。这通过连续地将滤波器系数更新与梯度的负数成比例的量来实现，据此其中μ是控制收敛速度和最终失调的步长。可在此类LMS算法中使用近似以便使用梯度的瞬时值而不是其预期值来更新向量w，从而导致LMS算法。
图2是示例性N×Q×K MELMS系统和方法(通常称为“系统”)的信号流程图，其中N为1，Q为2，且K为2，并且其被调整以在麦克风215处创建亮区并在麦克风216处创建暗区；即，出于各个声区目的来对其进行调整。“亮区”表示与几乎寂静的“暗区”形成对比的生成声波场的区域。将输入信号x(n)供应到四个滤波器模块201至204(其形成具有传递函数和的2×2次要路径滤波器矩阵)以及两个滤波器模块205和206(其形成具有传递函数W1(z)和W2(z)的滤波器矩阵)。滤波器模块205和206由最小均方(LMS)模块207和208控制，借此模块207接收来自模块201和202的信号以及误差信号e1(n)和e2(n)，并且模块208接收来自模块203和204的信号以及误差信号e1(n)和e2(n)。模块205和206为扬声器209和210提供信号y1(n)和y2(n)。信号y1(n)通过扬声器209分别经由次要路径211和212辐射到麦克风215和216。信号y2(n)通过扬声器210分别经由次要路径213和214辐射到麦克风215和216。麦克风215从接收信号y1(n)、y2(n)和所需信号d1(n)生成误差信号e1(n)和e2(n)。具有传递函数和的模块201至204建模各种次要路径211至214，其具有传递函数S11(z)、S12(z)、S21(z)和S22(z)。
参看图3，上文结合图1和图2所描述的系统/方法可用于生成任意波场。为了实现这点，图1所示的系统/方法已被修改以使得主要路径101为可控的。可根据所需收听房间(例如，源房间107)控制主要路径101。次要路径104可被实施为目标房间，诸如家庭内部。在简单设置中，在特定收听位置处(即，在家庭内部的实际收听位置或悦耳点处)建立(建模)所需收听房间(诸如音乐厅，即源房间107)的声学。实际收听位置可为收听者耳朵的位置、在收听者双耳之前和之间的点或目标房间中的其特定位置处的围绕头部的区域。待再现的信号可为在如图4所示的模块(系统、方法或其组合)(其为(例如)用于环境立体声淘选的模态波束形成器)中处理的环境立体声信号。
简单的环境立体声淘选(或编码)采用源信号s和两个参数(水平角θ和仰角)。它通过在用于对应环境立体声信号 和的具有不同增益的环境立体声部件上分布信号来以所需角度定位所述源：
以及
在全向的情况下，W通道总是传递相同信号，而不管收听角度如何。因此，它或多或少具有与其它通道相同的平均能量。W被衰减w，即，约3dB(精确地说，除以2的平方根)。用于X,Y,Z的项实际上产生8字形的极性图案。采用其在角度θ和处的所需加权值(x,y,z)，并且将结果乘以对应环境立体声信号(X,Y,Z)，输出总和导致现在指向所需方向的8字形辐射图案，给定方位角θ和仰角使用在加权值x、y和z的计算中，具有应付W分量的能量含量，由w加权。
可组合B格式分量以导出应付指向任何三维方向的任何一阶极性图案(全向、心形、超心形、8字形或介于之间的任何一切)的虚拟辐射图案。可同时导出具有不同参数的若干此类波束图案以创建重合的立体对或环绕阵列。
简单的环境立体声解码类似地使用一组虚拟麦克风。对于完全规则的布局，可通过使虚拟心形麦克风指向每个扬声器的方向来生成简化解码器。此处是正方形：
以及
X和Y分量的符号是基本部分，剩余是增益因数。Z分量在本示例性情况下被丢弃，因为不可能使用位于一个平面中的仅四个扬声器再现高度线索。除上文概述的理论之外，真实环境立体声解码器可包括许多心理声学优化。
上述示例性一阶环境立体声的空间分辨率非常低。在实践中，这转化为稍微模糊源，还转化为比较小的可用收听区域或悦耳点。可通过向B格式添加更具选择性的定向部件的群组来增大分辨率并放大悦耳点。所得信号集接着称为二阶、三阶或统称为高阶环境立体声。对于给定阶l，全球面型系统需要(l+1)2个信号分量，并且需要2l+1个分量用于仅水平再现。
图3是借助于MIMO系统/方法300在目标房间中生成前N＝3个球谐函数的应用的流程图。例如，三个固定、可调整或自适应均衡滤波器矩阵301至303提供虚拟声音源的前三个球谐函数(W、X和Y)用于在驱动器位置处从输入信号x(n)进行近似声音再现。均衡滤波器矩阵301至303提供三组均衡滤波器系数Wcw(z)、Wcx(z)、Wcy(z)，其中每个组包括Q个均衡滤波器并且因此提供Q个输出信号。在自适应均衡滤波器的情况下，均衡滤波器矩阵301至303可被构造为与图1和图2所示的均衡滤波器矩阵相似。借助于加法器304至309计算滤波器矩阵的对应输出信号的总和，并且接着将其供应到布置在目标房间313中的三个扬声器310至312。例如，计算q＝1的输出信号的总和并将其供应到右前方(Rf)扬声器311，计算q＝2的输出信号的总和并将其供应到左前方(Lf)扬声器310，并且计算q＝Q的最后一个输出信号的总和并将其供应到右后方(Rs)312。接着在收听位置(由麦克风阵列314表示)处，生成前三个固有模式X、Y和Z，其一起形成一个虚拟源的所需波场。
在目标房间313中，可安装另外扬声器，例如，左后方(Ls)扬声器315、低音炮(Sub)扬声器316和中心(C)扬声器317。目标房间313在声学上是非常不利的，因为其在左侧墙壁中包括窗户318和玻璃门319并且在右侧墙壁中包括门320，它们呈不平衡配置。此外，沙发321设置在左侧墙壁处并大致延伸到目标房间313的中心，并且桌子322布置在沙发321的前面。电视机323布置在前方墙壁处并且在沙发321的视线中。左前方(Lf)扬声器310和右前方(Rf)扬声器311布置在电视机323的两侧，并且中心(C)扬声器317布置在电视机323下方。低音炮(Sub)扬声器316设置在前方墙壁与左侧墙壁之间的角落中。后方墙壁上的包括左后方(Ls)扬声器315和右后方(Ls)扬声器312的扬声器布置不共享与前方墙壁上的包括左前方(Lf)扬声器310、右前方(Ls)扬声器311和中心(C)扬声器317的扬声器布置相同的中心线。示例性悦耳点324在沙发321上，其中桌子322和电视机323在前方。如图可见，图3所示的扬声器设置不是基于圆柱形或球形基础配置，而是采用不规则分布。
可以能够从以下实例看到的方式做出对波场的修改，其中在解码时引入旋转元件：
其中是在所需方向上转动球谐函数的模态加权系数，是环境立体声系数(第N个球谐函数的加权系数)，是第m阶第n级的复合球谐函数(实数部分σ＝1，虚数部分σ＝-1)，P(r,)是在位置处的声压的频谱，S(jω)是谱域中的输入信号，j是复数的虚数单位，并且jm(kr)是第1阶第n级的球面贝塞尔函数。可接着通过MIMO系统/方法在目标房间中建模复合球谐函数即，通过对应均衡滤波器系数。从源房间或房间模拟中的波场的分析导出环境立体声系数
图3所示的示例性MIMO系统/方法提供HOA技术所需要的基本函数(球谐函数)。在所示实例中，针对一阶2D波场提供基本函数，其根据ITU标准5.1使用用于相应扬声器位置的六个输入信号(例如，C、FL、FR、SL、SR和Sub)再现多通道系统(诸如环绕声系统)的中心通道C。然而，以类似方式，可实施3D波场、较高阶波场和/或其它通道。上述示例性灵活系统/方法集成在自适应处理框架(其可在波场域中进行操作)中，使得可建立自动调整音频系统，其能够不依赖于扬声器和/或麦克风定位在目标房间中的何处来建模目标房间中的任意波场。例如，环境立体声解码器可连接在麦克风(阵列)314与根据目标房间自适应地实施次要路径的均衡滤波器矩阵301至303之间。MIMO系统/方法300允许不需要麦克风和扬声器的特定基本配置或规则分布的麦克风和扬声器配置。
MIMO系统/方法300可集成在如图4所描绘的示例性模态波束形成模块400中。波束形成模块400依据(环境立体声)输入信号402控制具有Q个扬声器401(或Q个扬声器群组，其各自具有多个扬声器，诸如高音扬声器、中频范围扬声器和/或低音扬声器)的扬声器组件。波束形成模块400可包括模态加权子模块403、旋转子模块405和矩阵化子模块407。模态加权子模块403被供应输入信号402其在模态加权子模块403中使用模态加权系数C0(ω)、C1(ω)…CM(ω)来加权以提供N个球谐函数(模式)404 球谐函数404由旋转子模块405使用N×1个加权系数转换以生成N个旋转球谐函数406 所述N个旋转球谐函数406由矩阵化子模块407使用Q×N滤波器矩阵(其包括MIMO系统/方法300或由MIMO系统/方法300形成)转换[Y+＝(YTY)-1YT]为Q个扬声器信号408
请注意，上文针对适应或在自适应过程或程序中使用的任何软件、固件、算法和方法可根据情况在时域、频域或波域中执行或应用。
已经出于说明和描述的目的来呈现对实施方案的描述。可鉴于以上描述执行对所述实施方案的合适修改和变化。所描述的系统和方法在本质上为示例性的，并且可包括额外元件或步骤和/或省略元件或步骤。如本申请中所使用，以单数形式陈述并且前面带有词“一(a)”或“一(an)”的元件或步骤应当理解为不排除多个所述元件或步骤，除非陈述此类排除。此外，对本公开的“一个实施方案”或“一个实例”的参考不希望解释为排除也并入有所陈述的特征的额外实施方案的存在。术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标签，而不希望对其对象强加数值要求或特定位置次序。信号流程图可依据实现类型将系统、方法或由处理器执行用于实施所述方法的软件描述为(例如)硬件、软件或其组合。模块可被实施为硬件、软件或其组合。

Claims (15)

1.一种音频系统，其被配置为在目标房间中围绕收听位置生成声波场，所述音频系统包括：
多个扬声器，其以任意方式分布在所述目标房间中；以及
至少一个模态波束形成器模块，其连接在所述多个扬声器的上游并且在接收至少一个环境立体声输入信号的至少一个输入信号路径的下游，所述至少一个模态波束形成器模块包括具有多输入多输出滤波器模块的矩阵化模块。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述模态波束形成器模块还包括模态加权模块和模态旋转模块。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述多输入多输出滤波器模块具有固定或可调整传递特性。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述传递特性是基于所述目标房间中的测量值或所述目标房间的计算模拟。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述多输入多输出滤波器模块具有自适应传递特性。
6.根据权利要求5所述的系统，其中：
所述多输入多输出均衡模块包括多个自适应滤波器，其各自具有可控滤波器和滤波器控制器；
所述滤波器控制器被配置为接收至少一个误差信号；以及
所述至少一个误差信号由设置在所述目标房间中的具有多个麦克风的麦克风阵列提供。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述麦克风阵列被配置为提供环境立体声检测信号。
8.一种音频再现方法，其被配置为在目标房间中围绕收听位置生成声波场，所述音频再现方法包括：
生成待在以任意方式分布在所述目标房间中的多个位置处再现的声音信号；以及
根据模态波束形成算法处理环境立体声输入信号以提供所述声音信号，所述模态波束形成算法包括根据多输入多输出滤波算法进行矩阵化。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述模态波束形成器算法还包括模态加权算法和旋转算法。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述多输入多输出滤波算法具有固定或可调整传递特性。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述传递特性是基于所述目标房间中的测量值或所述目标房间的计算模拟。
12.根据权利要求8或9所述的方法，其中所述多输入多输出滤波算法具有自适应传递特性。
13.根据权利要求12所述的方法，其中：
所述多输入多输出滤波算法包括多个自适应滤波算法，其各自具有可控滤波算法和滤波器控制算法；
所述滤波器控制算法被配置为接收至少一个误差信号；以及
所述至少一个误差信号由设置在所述目标房间中的具有多个麦克风的麦克风阵列提供。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述麦克风阵列被配置为提供环境立体声检测信号。
15.一种计算机程序产品，其被配置为使处理器执行根据权利要求8至14中任一项所述的方法。
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