CN109302660A - 音频信号的补偿方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种音频信号的补偿方法、装置及系统，属于声学技术领域。该方法包括：获取音频播放空间内设置的M个扬声器与该音频播放空间内L个接收点之间的该音频播放空间的房间脉冲响应矩阵；计算该M个扬声器中每个扬声器所播放的声音在该L个接收点中每个接收点处的理论声压值，得到理想声场矩阵；根据该房间脉冲响应矩阵和该理想声场矩阵，计算滤波系数；采用该滤波系数对M路音频信号进行补偿，得到M路补偿信号。利用该计算得到的滤波系数对音频信号进行补偿，可使得经过扬声器输出的音频信号的实际声场在一定程度上逼近理想声场，消除该音频播放空间内反射声带来的声染色问题，从而有效改善音频播放空间内音响系统的音响效果。

Description

音频信号的补偿方法、装置及系统

技术领域

本申请涉及声学技术领域，特别涉及一种音频信号的补偿方法、装置及系统。

背景技术

随着声学技术的快速发展，人们对音响系统的音响效果也越来越关注。除了音响设备自身的性能之外，音响系统所处的声学环境也是影响音响效果的关键因素。

相关技术中，为了改善封闭空间内(例如汽车的车内空间)的音响效果，常用的方法主要是被动补偿法。该方法通过在封闭空间内加装大量吸音材料以吸收音频信号在传播过程中产生的破坏人听觉体验的成分，例如高频噪音或者低频噪音等，从而达到改善音响效果，提升听觉体验的目的。

但是，该加装吸音材料的方法成本较高，并且只能针对噪音进行降噪，对音响效果的改善效果较差。

发明内容

为了解决相关技术中的补偿方法对音响效果的改善效果较差的问题，本申请提供了一种音频信号的补偿方法、装置及系统。所述技术方案如下：

第一方面，提供了一种音频信号的补偿方法，该方法可以包括：

获取音频播放空间内M(M为大于1的整数)个扬声器与该音频播放空间内L(L为大于等于M的整数)个接收点之间的该音频播放空间的房间脉冲响应矩阵；然后计算该M个扬声器中每个扬声器所播放的声音在该L个接收点中每个接收点处的理论声压值，从而得到理想声场矩阵，该理想声场矩阵包括每个扬声器所播放的声音在L个接收点中每个接收点处的理论声压值；之后即可根据房间脉冲响应矩阵和理想声场矩阵计算得到该滤波系数；最后可以采用该滤波系数，对M路音频信号进行补偿，得到M路补偿信号。该M路补偿信号与该M个扬声器一一对应，每路该补偿信号用于通过对应的扬声器进行播放。

通过本申请提供的方法，利用滤波系数对待输出的音频信号进行补偿后，可以使得经过扬声器输出的音频信号的实际声场在一定程度上逼近理想声场，从而有效改善了音频播放空间内音响系统的音响效果。

可选的，该L个接收点中的每个接收点处可以分别设置有一个麦克风；获取该房间脉冲响应矩阵的过程具体可以包括：

控制该M个扬声器中的每个扬声器依次播放测试信号，该测试信号可以为格雷码；获取每个麦克风采集到的对应每个扬声器的收音信号；然后可以根据L个麦克风采集到的共M×L路收音信号，通过截断法得到该房间脉冲响应矩阵。

通过实际测量的方法获取得到的房间脉冲响应矩阵的精度更高，相比于计算机软件建模的方法，更能准确反映出音频播放空间的实际声学环境。

可选的，该M个扬声器中第m个扬声器所播放的声音在该L个接收点中第j个接收点处的理论声压值T_m(x_j；k)满足：

其中，e为自然常数，k为波数，y_m为第m个扬声器在该音频播放空间内的坐标，该坐标可以是由三个坐标值表示的三维空间坐标，x_j为第j个接收点在该音频播放空间内的坐标，该坐标也可以是由三个坐标值表示的三维空间坐标，||y_m-x_j||表示第m个扬声器与第j个接收点之间的欧式距离，该音频播放空间的中心点为坐标原点，并且，m为大于等于1且小于等于M的整数，j为大于等于1且小于等于L的整数。

可选的，在根据房间脉冲响应矩阵R_M×L和理想声场矩阵F_M×L计算滤波系数C_M×M时，可以通过求解公式：C_M×M×R_M×L＝F_M×L，以计算得到该滤波系数C_M×M。例如，可以采用广义奇异值分解的方法求解该公式：C_M×M×R_M×L＝F_M×L。该广义奇异值分解的方法计算复杂度较低，计算效率较高。相应的，采用所述滤波系数C_M×M，对M路音频信号D_1×M进行补偿，得到的M路补偿信号W_1×M可以满足：W_1×M＝D_1×M×C_M×M。

可选的，本申请提供的方法还可以将音频播放空间内的听音效果最佳的区域重建至任一声场重建区域内。因此，在测量房间脉冲响应时，可以将该L个接收点均匀的分布在该声场重建区域内；在该得到理想声场矩阵F_M×L之后，该方法还可以包括：

根据该音频播放空间内声源的坐标S，目标听音区域的中心点的坐标O以及该声场重建区域的中心点的坐标O'，确定重建声源的坐标S'。其中，目标听音区域为音频播放空间中原听音效果最佳的区域，该重建声源的坐标S'可以满足：然后计算该重建声源在该L个接收点中每个接收点产生的理论声压值，得到重建声场矩阵P_1×L，其中，该重建声源在该L个接收点中第j个接收点处的理论声压值满足：之后即可根据该理想声场矩阵F_M×L和该重建声场矩阵P_1×L，得到权值矩阵ω_1×M＝[ω₁，ω₂，...,ω_M]，该权值矩阵ω_1×M满足：ω_1×MF_M×L＝P_1×L，该权值矩阵中，ω_i表示第i个扬声器的权值；最后根据每个扬声器的权重，对每个扬声器待输出的音频信号进行加权，即可使得该M个扬声器输出的音频信号在声场重建区域内的音响效果最好。

在本申请实施例中，该音频播放空间可以为车辆的车内空间，由于车内空间中，驾驶位所在区域的使用频率最高，因此可以将该驾驶位所在区域作为该声场重建区域，使得该驾驶位所在区域的听音效果最佳。

第二方面，提供了一种音频信号的补偿装置，该装置可以包括：

获取模块，用于获取音频播放空间内M个扬声器与该音频播放空间内L个接收点之间的该音频播放空间的房间脉冲响应矩阵，该L为大于等于M的整数，M为大于1的整数；

第一计算模块，用于计算该M个扬声器中每个扬声器所播放的声音在该L个接收点中每个接收点处的理论声压值，从而得到理想声场矩阵，该理想声场矩阵包括每个扬声器所播放的声音在该L个接收点中每个接收点处的理论声压值；

第二计算模块，用于根据该房间脉冲响应矩阵和该理想声场矩阵，计算滤波系数；

补偿模块，用于采用该滤波系数，对M路音频信号进行补偿，得到M路补偿信号，该M路补偿信号与该M个扬声器一一对应，每路该补偿信号用于通过对应的扬声器进行播放。

可选的，该L个接收点中的每个接收点分别设置有一个麦克风；该获取模块，用于：

控制该M个扬声器中的每个扬声器依次播放测试信号；

获取每个麦克风采集到的对应每个扬声器的收音信号；

根据L个麦克风采集到的共M×L路收音信号，得到该房间脉冲响应矩阵。

可选的，该M个扬声器中第m个扬声器所播放的声音在该L个接收点中第j个接收点处的理论声压值T_m(x_j；k)满足：

其中，e为自然常数，k为波数，y_m为第m个扬声器在该音频播放空间内的坐标，x_j为第j个接收点在该音频播放空间内的坐标，||y_m-x_j||表示第m个扬声器与第j个接收点之间的欧式距离，该音频播放空间的中心点为坐标原点，1≤m≤M，1≤j≤L。

可选的，该第二计算模块，用于：根据该房间脉冲响应矩阵R_M×L和该理想声场矩阵F_M×L，求解公式：C_M×M×R_M×L＝F_M×L，以计算该滤波系数C_M×M；

该补偿模块，用于：

采用该滤波系数C_M×M，对该M个扬声器待输出的M路音频信号D_1×M进行补偿，得到M路补偿信号，该M路补偿信号W_1×M满足：W_1×M＝D_1×M×C_M×M。

可选的，该第二计算模块根据该房间脉冲响应矩阵R_M×L和该理想声场矩阵F_M×L，求解公式：C_M×M×R_M×L＝F_M×L，包括：

采用广义奇异值分解的装置求解该公式：C_M×M×R_M×L＝F_M×L。

可选的，该L个接收点位于该音频播放空间中的声场重建区域内，该声场重建区域与该音频播放空间中目标听音区域为不同的区域，该目标听音区域为该音频播放空间中听音效果最佳的区域；该装置还可以包括：

确定模块，用于根据该音频播放空间内声源的坐标S，该目标听音区域的中心点的坐标O以及该声场重建区域的中心点的坐标O'，确定重建声源的坐标S'；

第三计算模块，用于计算该重建声源在该L个接收点中每个接收点产生的理论声压值，得到重建声场矩阵P_1×L，该重建声源在该L个接收点中第j个接收点处的理论声压值满足：

其中，e为自然常数，k为波数，x_j为第j个接收点在该音频播放空间内的坐标，||S'-x_j||表示重建声源与第j个接收点之间的欧式距离，该音频播放空间的中心点为坐标原点；

第四计算模块，用于根据该理想声场矩阵F_M×L和该重建声场矩阵P_1×L，得到权值矩阵ω_1×M＝[ω₁，ω₂，...,ω_M]，该权值矩阵ω_1×M满足：ω_1×MF_M×L＝P_1×L，该权值矩阵中，ω_i表示第i个扬声器的权值；

加权模块，用于根据每个扬声器的权重，对每个扬声器待输出的音频信号进行加权。

可选的，该音频播放空间可以为车辆的车内空间，该声场重建区域可以为驾驶位所在的区域。

第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有指令，当该计算机可读存储介质在计算机上运行时，使得计算机执行第一方面所提供的音频信号的补偿方法。

第四方面，提供了一种包含指令的计算机程序产品，当该计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行第一方面所提供的音频信号的补偿方法。

第五方面，提供了一种音频信号的补偿装置，该装置可以包括：处理器，存储器和总线；该总线用于连接该处理器和该存储器，该处理器用于执行该存储器中存储的程序，该程序可以包括第一方面所提供的音频信号的补偿方法。

第六方面，提供了一种音频信号的补偿系统，该系统包括：设置在音频播放空间内的M个扬声器，以及第二方面或第五方面提供的音频信号的补偿装置，其中，M为大于1的整数。

上述本发明实施例第二到第六方面所获得的技术效果与第一方面中对应的技术手段所获得的技术效果近似，在这里不再赘述。

综上所述，本申请提供了一种音频信号的补偿方法、装置及系统，该方法可以根据音频播放空间内的房间脉冲响应矩阵和理想声场矩阵，计算滤波系数；然后采用该计算得到的滤波系数对该音频播放空间内的M路音频信号进行补偿，得到M路补偿信号。该由滤波系数补偿得到的M路补偿信号经过扬声器输出后，可以消除该音频播放空间内反射声带来的声染色问题，使得该输出的音频信号产生的实际声场可以逼近理想声场，从而有效改善了音频播放空间内音响系统的音响效果。当该音频播放空间为车辆的车内空间时，通过本申请提供的补偿方法，能够为驾乘人员提供高质量的听音感受，有效提升了乘车舒适性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种音频信号的补偿方法的应用场景的示意图；

图2是本发明实施例提供的一种音频信号的补偿方法所应用的系统的系统架构图；

图3是本发明实施例提供的一种音频信号的补偿装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种音频信号的补偿方法的流程图；

图5是本发明实施例提供的一种音频信号的补偿方法的算法框图；

图6是本发明实施例提供的一种确定重建声源位置的示意图；

图7是本发明实施例提供的一种声场重建区域的示意图；

图8是本发明实施例提供的另一种音频信号的补偿装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

图1是本发明实施例提供的一种音频信号的补偿方法的应用场景的示意图，参考图1，该音频信号的补偿方法可以用于对车辆的车内空间进行补偿，该车内空间可以设置有声源设备和多个扬声器。例如图1所示的五座汽车的车内空间中，设置了6个扬声器01和一个声源设备02，该6个扬声器分别位于驾驶位的正前方、副驾驶位的正前方、驾驶位左侧、副驾驶位右侧、以及后排座椅的两侧。声源设备02位于驾驶位和副驾驶位前方居中的位置。该声源设备02用于输出音频信号，该6个扬声器01用于播放该声源设备02输出的音频信号。

图2是本发明实施例提供的一种音频信号的补偿方法所应用的系统的系统架构图，该音频信号的补偿方法可以应用于车辆的控制系统中，参考图2可知，该控制系统具体可以包括：系统微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)、音频控制模块、音频切换模块、收音模组、高密度数字视频光盘(Digital Video Disc，DVD)伺服解码模块、视频切换集成电路(Integrated Circuit，IC)和音频输出模块，该音频控制模块可以在系统MCU的控制下，接收视频切换IC、音频切换模块、收音模组以及DVD伺服解码模块发送的音频信号，并对该音频信号进行处理后输出至音频输出模块、左右声道(L/R)音频输出接口和重低音输出接口等，其中，该音频输出模块可以为扬声器。此外，从图2中还可以看出，该视频切换IC可以与外接复合视频广播信号(Composite Video Broadcast Signal，CVBS)输入接口，后视CVBS输入接口，CVBS输出接口、外接L/R输入接口、DVD伺服解码和视频检测IC连接，该视频切换IC还可以接收电视CVBS(TV.CVBS)信号，该音频切换模块还可以与音频输入(Auxiliary，AUX)接口和蓝牙(Bluetooth，BT)接口连接，且该AUX接口和BT接口均可以包括左右两个声道的接口。进一步的，该控制系统还可以包括主电源管理模块，用于为系统MCU供电，全球定位系统(Global Positioning System，GPS)接收模块、安卓模组、蓝牙模组、薄膜场效应晶体管(Thin Film Transistor，TFT)屏、TFT电源管理模块、TFT屏驱动模块、出入碟控制模块、DVD机芯、动画编辑器(FLASH)、伺服驱动模块、多媒体播放器(IPOD)、电视模组、存储器件(例如系统MCU的可擦除可编程只读寄存器EPROM：24C02，以及DVD的EPROM：24C08)。此外，该系统中还可以包括电源输入、倒车输入、刹车输入、大灯输入、自适应巡航控制(Adaptive Cruise Control，ACC)输入、天线(antenna，ANT)控制、功率放大设备(Amplifier，AMP)控制和喇叭输出等模块。更进一步的，该系统还可以包括多个外接输入组件，例如安全数码卡(Secure Digital Memory Card，SD)、地图卡、通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)接口、编码器和键盘(KEY)按键等。本发明实施例所提供的音频信号的补偿方法主要可以应用于该系统中的音频控制模块中，该音频控制模块可以包括处理器和滤波器，其中处理器可以用于计算滤波系数，该滤波器可以根据该计算得到的滤波系数对音频信号进行补偿；或者，该音频控制模块也可以仅包括一处理器，由该处理器实现滤波系数的计算和音频信号的补偿。此外，该音频控制模块的处理器可以为车辆控制系统中的系统MCU或者中央处理器，也可以为车辆控制系统中单独配置的用于进行音频控制的处理器，本发明实施例对此不做限定。

请参考图3，其示出了本申请示例性实施例涉及的一种音频信号的补偿装置的结构示意图。该装置可以应用于图2所示的系统中。如图3所示，该音频信号的补偿装置可以包括：至少一个处理器201(例如CPU)，存储器202和至少一个通信总线203，该通信总线203用于实现这些器件之间的连接通信。处理器201用于执行存储器202中存储的可执行模块，例如计算机程序。存储器202可能包含高速随机存取存储器(RAM：Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。在一些实施方式中，存储器202存储了程序2021，处理器201可以执行该程序2021来实现下述音频信号的补偿方法。

图4是本发明实施例提供的一种音频信号的补偿方法的流程图，该方法主要用于对音频播放空间内待输出的音频信号进行补偿，该音频播放空间内可以设置有M个扬声器，该M为大于1的整数。示例的，该音频信号的补偿方法可以应用于图1所示的应用场景或图2所示的系统中。参考图4，该方法具体可以包括：

步骤101、控制音频播放空间内M个扬声器中的每个扬声器依次播放测试信号。

音频播放空间内扬声器输出的信号，在该音频播放空间内经过反射等一系列作用后，产生了实际的声场。该过程可以等效为输入信号x(t)经过一个脉冲响应为h(t)的滤波器后得到输出信号y(t)：y(t)＝x(t)×h(t)；为了获得该滤波器的脉冲响应h(t)，可以利用单位冲激信号δ(t)通过该滤波器，即令x(t)＝δ(t)，此时滤波器输出的信号即为其脉冲响应h(t)：h(t)＝δ(t)×h(t)。

因此，在本发明实施例中，为了测量音频播放空间内的房间脉冲响应，可以先控制每个扬声器依次播放测试信号(即单位冲激信号)，该测试信号可以为扫频信号或者格雷(Golay)码等。示例的，该测试信号可以为时长为1.28毫秒，频率范围为0至4千赫兹(kHz)，位深度为16比特(bit)的Golay码。

步骤102、获取音频播放空间内L个接收点中，每个接收点设置的麦克风采集到的对应每个扬声器的收音信号。

在本发明实施例中，可以预先在该音频播放空间内确定L个接收点，并在每个接收点处分别设置一个麦克风，该L个接收点可以均匀分布在音频播放空间内，或者，也可以在该音频播放空间内确定一个需要进行听音效果补偿的待补偿区域(例如驾驶位所在区域)，然后在该待补偿区域选取均匀分布的L个接收点。其中，该L为大于等于M的正整数。在该M个扬声器中的每个扬声器播放测试信号的过程中，L个麦克风中的每个麦克风可以分别采集对应每个扬声器的收音信号。因此，该L个麦克风一共可以采集到M×L路收音信号。

需要说明的是，该L个麦克风可以均为指向性麦克风，指向性麦克风较于全向性麦克风，其针对特定方向的音频信号的敏感度更高，而本发明实施例中采用了多个指向性麦克风进行信号的采集，从而可以有效保证测量的精度。

步骤103、根据L个麦克风采集到的共M×L路收音信号，得到M个扬声器与该L个接收点之间的房间脉冲响应矩阵。

在本发明实施例中，可以采用截断法对该M×L路收音信号进行处理，以得到该房间脉冲响应矩阵。

示例的，假设该音频播放空间内共设置有L＝8个接收点，该8个接收点共设置有8个麦克风。其中，第j个麦克风采集到的第一个扬声器的收音信号可以表示为m_1,j。在采用截断法对该针对第一个扬声器的收音信号进行处理时，可以先将该8个麦克风采集到的8路收音信号均导入至音频编辑软件中，然后记录每一路信号第一个波峰出现时对应的采样时间，其中收音信号m_1,j的采样时间可以表示为t_j。之后可以将该8路收音信号对应的8个采样时间中，采样时间最小的作为起始时间t_始。然后截取每一路收音信号中从m_1,j(t_始)到m_1,j(t_始+n-1)共n个采样点(其中n可以为200)的采样数据，由此即可得到该第一个扬声器与该8个接收点中每个接收点之间的房间脉冲响应数据。

同理，对于其他M-1个麦克风，也可以分别采用上述方法，得到每个麦克风与每个接收点之间的房间脉冲响应数据，最终即可整理得到房间脉冲响应矩阵R_M×L。该房间脉冲响应矩阵R_M×L为一个M行×L列的矩阵，其中第i行第j列的数据可以表示第i个扬声器与第j个接收点之间的房间脉冲响应数据。该实际测量计算得到的房间脉冲响应矩阵R_M×L可以有效反映出音频播放空间内的声学环境以及扬声器的综合特性。

需要说明的是，在实际应用中，为了保证收音信号的有效性，可以控制每个扬声器重复播放多次(例如三次)测试信号；相应的，每个麦克风可以采集到对应每个扬声器的多个收音信号。在采用截断法生成房间脉冲响应矩阵之前，还可以利用方差分析(Analysisof Variance，ANOVA)的方法计算同一麦克风收录的针对同一扬声器的多个收音信号间是否存在显著差异，若不存在显著性差异，则认为该麦克风收录的收音信号为有效信号，可以任选一个收音信号作为后续应用于截断法的信号；若该多个收音信号之间存在显著差异，则需要控制扬声器重新播放测试信号，以便麦克风可以重新收录信号。

还需要说明的是，在计算房间脉冲响应矩阵，除了可以采用上述提到的截断法之外，还可以采用m序列法进行测量和计算，本发明实施例对该获取房间脉冲响应矩阵的算法不做具体限定。

通过上述实际测量的方法获取到的房间脉冲响应矩阵的精度更高，更能准确反映音频播放空间的实际声学环境。特别是对于车内空间，由于其形状不规则，容积小，车内材料特殊且障碍物多，采用传统的计算机软件建模的方法，不仅复杂度高，其计算结果的准确性也较低。

步骤104、计算该M个扬声器中每个扬声器所播放的声音在该L个接收点中每个接收点处的理论声压值，从而得到理想声场矩阵。

在本发明实施例中，可以分别计算每个扬声器所播放的声音在每个接收点产生的理论声压值，由于扬声器播放的声波可以看作球面波，因此可以假设该每个扬声器播放的声音为理想球面波(即球源表面上各点沿着径向作同振幅、同相位的振动的声波)，然后采用球面波公式表示该每个扬声器所播放的声音在每个接收点处产生的声压值(由于人耳对声压比较敏感，一般以声压作为衡量声场的参数)。例如，该M个扬声器中第m个扬声器所播放的声音在该L个接收点中第j个接收点处的理论声压值T_m(x_j；k)可以表示为：

其中，e为自然常数；k为波数，该波数k满足：k＝2πf/c，其中，f为声音的频率，c为声速；y_m为第m个扬声器在该音频播放空间内的坐标，x_j为第j个接收点在该音频播放空间内的坐标，||y_m-x_j||表示第m个扬声器与第j个接收点之间的欧式距离，其中1≤m≤M，1≤j≤L。此外，需要说明的是，每个扬声器和每个接收点的坐标都是以音频播放空间的中心点为坐标原点确定，并且该各个点的坐标可以是由三个坐标值所表示的三维空间坐标。示例的，该每个扬声器的坐标，以及每个接收点的坐标可以是由方位角θ、仰角和距离r表示的球坐标。

在计算得到M个扬声器中每个扬声器所播放的声音在该L个接收点中每个接收点处的理论声压值之后，即可整理得到该理想声场矩阵F_M×L，该理想声场矩阵F_M×L包括每个扬声器所播放的声音在该L个接收点中每个接收点处的理论声压值。具体的，该理想声场矩阵F_M×L可以表示为：

该理想声场矩阵F_M×L中第m行第j列的数值T_m(x_j；k)即为第m个扬声器所播放的声音在第j个接收点处的理论声压值。

需要说明的是，在本发明实施例中，该音频播放空间内L个接收点处设置的L个麦克风是用于测量房间脉冲响应的，在实际应用中，该音频播放空间内可以无需设置该L个麦克风。

步骤105、根据该房间脉冲响应矩阵和该理想声场矩阵，计算滤波系数。

该滤波系数C_M×M满足：C_M×M×R_M×L＝F_M×L。图5是本发明实施例提供的一种音频信号的补偿方法的算法框图，从图5中可以看出，对于设置有M个扬声器的音频播放空间，音频信号补偿装置中的输出信号分配单元30(实际可以为处理器)可以将同一时间点待输出的M路音频信号D_1×M中的每一路信号分别分配至一个声道。其中，该M路音频信号D_1×M可以为输出信号分配单元30对待输出的M路音频信号在时域上进行截取后得到的同一时间点的M个信号值，也即是，该矩阵D_1×M中的第m个数值可以表示第m路音频信号在该时间点处的信号值。

进一步的，在计算滤波系数C_M×M时，可以对待输出的音频信号D_1×M经过理想声场矩阵F_M×L产生的理想输出信号，以及实际听音环境中待输出的音频信号D_1×M经过滤波系数C_M×M补偿以及房间脉冲响应矩阵R_M×L后的实际输出信号(也即是麦克风1至麦克风L对扬声器1至扬声器M发出的信号进行采集后得到的信号)做差，得到误差信号，该误差信号可以满足：

E_1×L＝D_1×M×F_M×L-D_1×M×C_M×M×R_M×L 公式(1)

为了使得实际输出信号逼近理想输出信号，可以将该误差信号最小化，也即是令E_1×L→0；因此上述公式(1)即可简化为：C_M×M×R_M×L＝F_M×L。

进一步的，该滤波系数C_M×M可以表示为：其中为R_M×L的广义逆矩阵。为了计算得到可以将该房间脉冲响应矩阵R_M×L根据广义奇异值分解为两个酉矩阵和一个对角阵：

并将该理想声场矩阵F_M×L根据广义奇异值分解为两个酉矩阵和一个对角阵：

其中X是R_M×L和F_M×L的广义奇异矩阵，V为R_M×L的右奇异矩阵，U为F_M×L的右奇异矩阵，V^H和U^H分别为V和U的共轭转置矩阵；是由R_M×L的奇异值组成的对角矩阵，是由F_M×L的奇异值组成的对角矩阵，其中，每个对角矩阵中奇异值的排布方式需满足以下条件，以为例：

该L个奇异值可以由若干非零奇异值和若干零奇异值组成。例如，该至为的非零奇异值，该非零奇异值的总数B由的秩确定。一般情况下，该非零奇异值的总数B满足：1≤B≤L，剩下的奇异值：至则为零奇异值。

进一步的，根据上述公式(2)可以确定满足：

进一步可以得到：

那么R_M×L的广义逆矩阵可以表示为：

根据公式(2)至公式(4)，即可推导出该滤波系数C_M×M满足：

上述采用广义奇异值分解方法求解滤波系数，可以有效降低计算复杂度。

需要说明的是，通过上述步骤103可知，在测量房间脉冲响应时，每个接收点的脉冲响应数据可以包括n个采样数据，因此该房间脉冲响应矩阵实际可以为一个M×L×n的三维矩阵。在步骤105中计算该滤波系数C_M×M时，一方面，可以从该三维的房间脉冲响应矩阵中，任取一个采样时刻采集到的采样数据作为该房间脉冲响应矩阵R_M×L；另一方面，可以将该理想声场矩阵F_M×L中每个点的声压值重复n次，从而将该理想声场矩阵扩展成一个M×L×n的三维矩阵，然后再根据该三维的房间脉冲响应矩阵和三维的房间脉冲响应矩阵，计算得到一个M×M×n的三维滤波系数。

此外，还需要说明的是，在本发明实施例中，除了可以采用上述基于广义奇异值分解的方法求解滤波系数之外，还可以利用特征空间自适应滤波算法或者波域自适应滤波的方法计算该滤波系数，本发明实施例对该求解滤波系数的算法不作具体限定。

步骤106、采用该滤波系数，对M路音频信号进行补偿，得到M路补偿信号。

参考图5，在计算得到该滤波系数C_M×M之后，即可在实际输出音频信号时，采用该滤波系数C_M×M对M个扬声器待输出的M路音频信号D_1×M进行补偿，得到M路补偿信号，该M路补偿信号W_1×M可以满足：W_1×M＝D_1×M×C_M×M。从图5中可以看出，该M路补偿信号与该M个扬声器一一对应，每路补偿信号用于通过对应的扬声器进行播放。

利用滤波系数对待输出的音频信号进行补偿，可以有效消除音频播放空间内反射声带来的声染色问题，使得经过扬声器输出的音频信号的实际声场逼近理想声场，从而有效改善了音响系统的音响效果。

进一步的，本发明实施例提供的音频信号的补偿方法，除了可以对该音频播放空间内待输出的音频信号进行补偿，还可以根据该音频播放空间的实际应用场景，在该音频播放空间中确定一个声场重建区域，并通过对扬声器输出权值的调整，使得该音频播放空间中听音效果最佳的区域重建在该声场重建区域。其中，该声场重建区域可以为与该音频播放空间中原听音效果最佳的目标听音区域不同的区域。该音频播放空间中原听音效果最佳的目标听音区域是由该音频播放空间所配置的M个扬声器的位置，以及每个扬声器的性能所决定的。通常情况下，对于形状规则的音频播放空间，若该音频播放空间配置的M个扬声器性能相同，且M个扬声器均匀分布，则该听音效果最佳的听音点为该音频播放空间的中心点；相应的，该听音效果最佳的目标听音区域是以该最佳听音点为圆心，以预设长度为半径的球形区域。其中，该球形区域的大小一般与人体头部所占空间的大小接近，因此该预设长度一般可以为8至10厘米。

参考图4，该重建最佳听音区域的方法具体可以包括：

步骤107、根据该音频播放空间内声源的坐标S，目标听音区域的中心点的坐标O以及声场重建区域的中心点的坐标O'，确定重建声源的坐标S'。

其中，该音频播放空间内的声源可以是指该M个扬声器同时播放声音时等效的虚拟声源；该目标听音区域为球形区域，如上文所述，该球形区域的中心点是由音频播放空间所配置的M个扬声器的位置，以及每个扬声器的性能所决定的(通常情况下为音频播放空间的中心点)，该球形区域的半径可以与人体头部的平均半径相等。声场重建区域可以是根据音频播放空间的实际应用需求所确定的一个使用频率较高的区域(例如可以为驾驶员坐在驾驶位上时其头部所在区域)，并且该声场重建区域也可以为球形区域，其大小可以与人体头部的大小接近。

图6是本发明实施例提供的一种确定重建声源位置的示意图，参考图6可知，该重建声源的坐标S'可以满足：也即是，该重建声源与声场重建区域的中心点之间的相对位置，与该音频播放空间内声源与目标听音区域的中心点的坐标O之间的相对位置是相同的，由此即可保证声场重建之后，该声场重建区域成为新的最佳听音区域。相应的，该重建声源也即是声场重建后M个扬声器同时播放声音时等效的新的虚拟声源。

在本发明实施例中，当该音频播放空间为车辆的车内空间时，参考图7，车辆的目标听音区域一般为车内的中心区域，该目标听音区域的中心点即为车内空间的中心点O。在对该车内空间的目标听音区域进行重建时，由于车辆驾驶位处为使用最频繁的区域，因此可以将该驾驶位所在区域确定为该声场重建区域，该声场重建区域的中心点为O'。具体的，可以将驾驶员坐在驾驶位上时，其头部所在区域确定为该声场重建区域。

步骤108、计算该重建声源在该L个接收点中每个接收点产生的理论声压值，得到重建声场矩阵。

在本发明实施例中，当需要对该音频播放空间中的目标听音区域进行重建时，可以在上述步骤102中，在该确定好的声场重建区域内均匀地选取该L个接收点。该重建声源在该L个接收点中第j个接收点处的理论声压值可以满足：

其中，e为自然常数，k为波数，x_j为第j个接收点在该音频播放空间内的坐标，||S'-x_j||表示重建声源与第j个接收点之间的欧式距离。

在计算得到重建声源在该L个接收点中每个接收点处的理论声压值之后，即可整理得到该重建声场矩阵P_1×L，该重建声场矩阵P_1×L满足：P_1×L＝[T(x₁；k)...T(x_L；k)]，该重建声场矩阵P1_×L中第j个值即为该重建声源在L个接收点中第j个接收点的理论声压值T(x_j；k)。

需要说明的是，当该声场重建区域为车内空间的驾驶位所在区域时，为了更加准确的模拟实际应用场景，可以将该L个接收点设置在驾驶员头部所在区域内。示例的，可以将该L个麦克风圆周阵列排布在一个圆形的麦克风支架上。然后可以将该麦克风支架悬挂在驾驶位上方，并控制该L个麦克风位于同一水平面(例如位于驾驶员耳朵所在平面)上，从而精确模拟驾驶员的听音场景。

步骤109、根据该理想声场矩阵和该重建声场矩阵，得到权值矩阵。

该权值矩阵ω_1×M满足：ω_1×MF_M×L＝P_1×L，从该公式可以看出，音频信号经过权值矩阵以及理想声场矩阵F_M×L之后在L个接收点产生的声场效果，与该重建声源在L个接收点产生的声场效果相同。其中，该权值矩阵ω_1×M＝[ω₁，ω₂，...,ω_M]中，ω_i表示第i个扬声器的权值。

步骤110、根据每个扬声器的权重，对每个扬声器待输出的音频信号进行加权。

在确定各个扬声器的权重之后，即可将每个扬声器待输出的音频信号，根据该扬声器的权值进行加权，从而可以使得该M个扬声器输出的信号所产生的声场中，听音效果最佳的区域为该声场重建区域。

通过本发明实施例提供的方法对音频信号进行补偿时，可以先采用滤波系数对待输出的M路音频信号进行补偿，得到M路补偿信号，然后再根据每个扬声器的权值，对每一路补偿信号分别进行加权后输出；或者，也可以先根据每个扬声器的权值，对每一路待输出的音频信号分别进行加权，然后再采用滤波系数对该加权后的M路音频信号进行补偿后输出。

需要说明的是，本发明实施例提供的音频信号的补偿方法的步骤的先后顺序可以进行适当调整，步骤也可以根据情况进行相应增减，例如步骤107至步骤110也可以在步骤106之前执行。任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化的方法，都应涵盖在本申请的保护范围之内，因此不再赘述。

综上所述，本申请提供了一种音频信号的补偿方法，该方法可以根据音频播放空间内的房间脉冲响应矩阵和理想声场矩阵，计算滤波系数；然后采用该计算得到的滤波系数对M路音频信号进行补偿，得到M路补偿信号。该由滤波系数补偿得到的M路补偿信号经过扬声器输出后，可以消除该音频播放空间内反射声带来的声染色问题，使得该输出的音频信号产生的实际声场可以逼近理想声场，从而有效改善了音频播放空间内音响系统的音响效果。当该音频播放空间为车辆的车内空间时，通过本申请提供的补偿方法，能够为驾乘人员提供高质量的听音感受，有效提升了乘车舒适性。

图8是本发明实施例提供的一种音频信号的补偿装置的结构示意图，该音频信号的补偿装置可以应用于图1所示的应用场景中，或者可以部署于图2所示系统的音频控制模块中。该补偿装置用于对音频播放空间内待输出的音频信号进行补偿，该音频播放空间内设置有M个扬声器。参考图8，该装置包括：

获取模块301，用于获取音频播放空间内M个扬声器与该音频播放空间内L个接收点之间的该音频播放空间的房间脉冲响应矩阵，该L为大于等于M的整数，M为大于1的整数。

第一计算模块302，用于实现上述图4所示实施例中步骤104中的方法。

第二计算模块303，用于实现上述图4所示实施例中步骤105中的方法。

补偿模块304，用于实现上述图4所示实施例中步骤106中的方法。

可选的，该L个接收点中的每个接收点分别设置有一个麦克风；该获取模块301具体可以用于实现上述图4所示实施例中步骤101至步骤103中的方法。

可选的，该L个接收点位于该音频播放空间中的声场重建区域内，该声场重建区域与该音频播放空间中目标听音区域为不同的区域，该目标听音区域为音频播放空间中原听音效果最佳的区域；参考图8，该装置还可以包括：

确定模块305，用于实现上述图4所示实施例中步骤107中的方法。

第三计算模块306，用于实现上述图4所示实施例中步骤108中的方法。

第四计算模块307，用于实现上述图4所示实施例中步骤109中的方法。

加权模块308，用于实现上述图4所示实施例中步骤110中的方法。

可选的，该音频播放空间可以为车辆的车内空间，该声场重建区域可为驾驶位所在区域。

综上所述，本发明实施例提供了一种音频信号的补偿装置，该装置可以根据音频播放空间内的房间脉冲响应矩阵和理想声场矩阵，计算滤波系数；然后采用该计算得到的滤波系数对M路音频信号进行补偿，得到M路补偿信号。该由滤波系数补偿得到的M路补偿信号经过扬声器输出后，可以消除该音频播放空间内反射声带来的声染色问题，使得该输出的音频信号产生的实际声场可以逼近理想声场，从而有效改善了音频播放空间内音响系统的音响效果。当该音频播放空间为车辆的车内空间时，通过本申请提供的补偿装置，能够为驾乘人员提供高质量的听音感受，有效提升了乘车舒适性。

本发明实施例还提供了一种音频信号的补偿系统，该系统可以包括：设置在音频播放空间内的M个扬声器，以及如图3或图8所示的音频信号的补偿装置，其中，该M为大于1的整数。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机的可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质，或者半导体介质(例如固态硬盘)等。

以上所述仅为本申请的可选实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种音频信号的补偿方法，其特征在于，所述方法包括：

获取音频播放空间内M个扬声器与所述音频播放空间内L个接收点之间的所述音频播放空间的房间脉冲响应矩阵，所述L为大于等于M的整数，M为大于1的整数；

计算所述M个扬声器中每个扬声器所播放的声音在所述L个接收点中每个接收点处的理论声压值，从而得到理想声场矩阵，所述理想声场矩阵包括所述每个扬声器所播放的声音在所述L个接收点中每个接收点处的理论声压值；

根据所述房间脉冲响应矩阵和所述理想声场矩阵，计算滤波系数；

采用所述滤波系数，对M路音频信号进行补偿，得到M路补偿信号，所述M路补偿信号与所述M个扬声器一一对应，每路所述补偿信号用于通过对应的扬声器进行播放。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述L个接收点中的每个接收点分别设置有一个麦克风；所述获取音频播放空间内M个扬声器与所述音频播放空间内L个接收点之间的所述音频播放空间的房间脉冲响应矩阵，包括：

控制所述M个扬声器中的每个扬声器依次播放测试信号；

获取每个麦克风采集到的对应每个扬声器的收音信号；

根据L个麦克风采集到的共M×L路收音信号，得到所述房间脉冲响应矩阵。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述M个扬声器中第m个扬声器所播放的声音在所述L个接收点中第j个接收点处的理论声压值T_m(x_j；k)满足：

其中，e为自然常数，k为波数，y_m为第m个扬声器在所述音频播放空间内的坐标，x_j为第j个接收点在所述音频播放空间内的坐标，||y_m-x_j||表示第m个扬声器与第j个接收点之间的欧式距离，所述音频播放空间的中心点为坐标原点，1≤m≤M，1≤j≤L。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述房间脉冲响应矩阵和所述理想声场矩阵，计算滤波系数，包括：

根据所述房间脉冲响应矩阵R_M×L和所述理想声场矩阵F_M×L，求解公式：C_M×M×R_M×L＝F_M×L，以计算得到所述滤波系数C_M×M；

所述采用所述滤波系数C_M×M，对M路音频信号D_1×M进行补偿，得到M路补偿信号，包括：

采用所述滤波系数C_M×M，对所述M个扬声器待输出的M路音频信号D_1×M进行补偿，得到M路补偿信号，所述M路补偿信号W_1×M满足：W_1×M＝D_1×M×C_M×M。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述房间脉冲响应矩阵R_M×L和所述理想声场矩阵F_M×L，求解公式：C_M×M×R_M×L＝F_M×L，包括：

采用广义奇异值分解的方法求解所述公式：C_M×M×R_M×L＝F_M×L。

6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，

所述音频播放空间为车辆的车内空间。

7.一种音频信号的补偿装置，其特征在于，所述装置包括：

获取模块，用于获取音频播放空间内M个扬声器与所述音频播放空间内L个接收点之间的所述音频播放空间的房间脉冲响应矩阵，所述L为大于等于M的整数，M为大于1的整数；

第一计算模块，用于计算所述M个扬声器中每个扬声器所播放的声音在所述L个接收点中每个接收点处的理论声压值，从而得到理想声场矩阵，所述理想声场矩阵包括所述每个扬声器所播放的声音在所述L个接收点中每个接收点处的理论声压值；

第二计算模块，用于根据所述房间脉冲响应矩阵和所述理想声场矩阵，计算滤波系数；

补偿模块，用于采用所述滤波系数，对M路音频信号进行补偿，得到M路补偿信号，所述M路补偿信号与所述M个扬声器一一对应，每路所述补偿信号用于通过对应的扬声器进行播放。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述L个接收点中的每个接收点分别设置有一个麦克风；所述获取模块，用于：

控制所述M个扬声器中的每个扬声器依次播放测试信号；

获取每个麦克风采集到的对应每个扬声器的收音信号；

根据L个麦克风采集到的共M×L路收音信号，得到所述房间脉冲响应矩阵。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述M个扬声器中第m个扬声器所播放的声音在所述L个接收点中第j个接收点处的理论声压值T_m(x_j；k)满足：

其中，e为自然常数，k为波数，y_m为第m个扬声器在所述音频播放空间内的坐标，x_j为第j个接收点在所述音频播放空间内的坐标，||y_m-x_j||表示第m个扬声器与第j个接收点之间的欧式距离，所述音频播放空间的中心点为坐标原点，1≤m≤M，1≤j≤L。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，

所述第二计算模块，用于：根据所述房间脉冲响应矩阵R_M×L和所述理想声场矩阵F_M×L，求解公式：C_M×M×R_M×L＝F_M×L，以计算所述滤波系数C_M×M；

所述补偿模块，用于：

采用所述滤波系数C_M×M，对所述M个扬声器待输出的M路音频信号D_1×M进行补偿，得到M路补偿信号，所述M路补偿信号W_1×M满足：W_1×M＝D_1×M×C_M×M。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第二计算模块根据所述房间脉冲响应矩阵R_M×L和所述理想声场矩阵F_M×L，求解公式：C_M×M×R_M×L＝F_M×L，包括：

采用广义奇异值分解的装置求解所述公式：C_M×M×R_M×L＝F_M×L。

12.根据权利要求7至11任一项所述的装置，其特征在于，

所述音频播放空间为车辆的车内空间。

13.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当所述计算机可读存储介质在计算机上运行时，使得计算机执行权利要求1至6任一所述的音频信号的补偿方法。

14.一种包含指令的计算机程序产品，其特征在于，当所述计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行权利要求1至6任一所述的音频信号的补偿方法。

15.一种音频信号的补偿系统，其特征在于，所述系统包括：

设置在音频播放空间内的M个扬声器，以及如权利要求7至12任一所述的音频信号的补偿装置，其中，所述M为大于1的整数。