CN109661824A - 广播360°音频信号的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种声音信号的处理方法，该方法包括以下步骤：借助于N个麦克风同步接收输入声音信号（Sinput），N是大于或等于3的自然数；以声音的数据格式（D）对该输入声音信号（Sinput）进行编码，编码包括将输入信号变换为阶数R的环绕声格式的子步骤，R是大于或等于一的自然数；该环绕声格式的子步骤是通过快速傅里叶变换、矩阵乘法、快速傅立叶逆变换和带通滤波器执行；通过数字处理该声音数据（D）来恢复声音信号（Soutput）。本发明还涉及一种声音信号的处理系统。

Description

广播360°音频信号的方法和系统
技术领域
本发明涉及声音信号处理领域。
背景技术
已知现有技术中用于广播360°视频信号的方法和系统。现有技术领域需要能够将音频信号与360°视频信号相结合的技术。
到目前为止，3D音频仍仅供声音技术人员和研究人员使用。此技术的目的是在录制期间获取尽可能多的空间信息，然后将其恢复给听众并提供沉浸在音频场景中的感觉。在视频领域，对于以360°拍摄的视频的兴趣正在增长，并且使用虚拟现实头盔再现完全沉浸在影像中：用户可以转动其头部并探索周围的视觉场景。为了在声音领域获得相同的精确度，最紧凑的解决方案是使用麦克风网络，像例如mh acoustics品牌的Eigenmike、TSLProducts品牌的Soundfield和Core Sound品牌的TetraMic。这些配备了四到三十二个麦克风的产品价格昂贵，因此专供专业用途使用。最近的研究已经允许减少麦克风的数量(Palacino，JD.，&Nicol，R.(2013)。“使用少量麦克风的空间声音拾取。”ICA 2013.加拿大蒙特利尔)，和可以使用更小和较便宜的麦克风，例如移动电话配备的麦克风。然而麦克风网络的形状仍然呈一个标准的多面体，从EigenMike的十二面体到Soundfield和TetraMic的四面体。这种几何形状允许使用简单的公式将来自麦克风的信号转换成环绕声格式，并由Gerzon于1975年开发(Gerzon，M.(1975).“用于立体声和环绕声精确重合的麦克风阵列的设计。”第50届音频工程学会会议。)环绕声格式是一组音频通道，其包含声场空间再现所需的所有信息。本专利提供的一个新颖性是可以使用任何形状的麦克风网络的可能性。因此，完全可以使用诸如360°相机或移动电话的预先存在的形状，来包含一定数量的麦克风。因此，可以获得全面和紧凑的声音记录和360°影像系统。
发明内容
本发明旨在通过提出一种声音信号的处理方法来克服现有技术的缺点，该声音信号处理方法允许在所有方向上获取声音信号，然后恢复该声音信号。
为此目的，本发明在最广泛的意义上涉及一种声音信号的处理方法，其特征在于，其包括以下步骤：
·通过N个麦克风同步获取输入声音信号(Sinput)，N是大于或等于3的自然数；
·以声音数据格式(D)对所述输入声音信号(Sinput)进行编码，该编码包括将该输入信号变换为阶数R的环绕声格式的子步骤，R是大于或等于1的自然数，所述转换成环绕声类型格式的子步骤是通过快速傅立叶变换、矩阵乘法、快速傅里叶逆变换和带通滤波器来实现的；及
·通过数字处理该声音数据(D)来恢复声音信号(Soutput)。
因此，由于根据本发明的方法，可以在所有方向上获取声音信号，然后恢复该声音信号。
有利地，矩阵计算使用通过最小二乘法计算的矩阵H，所述矩阵H来自N个麦克风的方向性测量值和环绕声成分的理想方向性。
根据一个实施例，该麦克风在平面上呈圆形分布，以等于360°/N的角度间隔分布或在移动电话的每个角处。
根据一个实施例，该方法采用与水平方向成90°角间隔的四个麦克风。
根据一个实施例，该方法采用从100Hz到6kHz的带通滤波器滤波频率。
根据一个实施例，所述环绕声格式的阶数R等于1。
有利地，在所述恢复步骤期间，利用与听取声音信号的用户的头部的方向有关的信息。
优选地，获取听取声音信号的用户的头部的方向有关的信息，是通过电话中、耳机或虚拟现实头盔中的一个传感器来实现的。
根据一个实施例，在所述恢复步骤期间，将环绕声格式的数据变换为双耳格式的数据。
本发明涉及一个声音信号处理系统，包括以下用途的装置：
·通过N个麦克风同步获取输入声音信号(Sinput)，N是大于或等于3的自然数；
·以声音数据格式(D)对所述输入声音信号(Sinput)进行编码，以及用于将所述输入信号变换为阶数R的环绕声类型格式的装置，R是大于或等于1的自然数，该转换成环绕声类型格式的子步骤是通过快速傅立叶变换、矩阵乘法、快速傅里叶逆变换和带通滤波器来实现的；和
·通过数字处理所述声音数据(D)来恢复输出声音信号(Soutput)。
附图说明
通过阅读本发明一个实施例的说明书和参考附图，将更好地理解本发明，本说明书仅为解释性的，其中：
-图1和3示出了根据本发明的方法的不同步骤；
-图2示出了在根据本发明方法的第二步骤的范围内应用的处理操作；
-图4a、4b和4c示出了一阶环绕声格式的理想分量W、Y和X(在水平面上)；
-图5a、5b和5c示出了一阶环绕声格式的近似分量W、Y和X；和
-图6示出了八个虚拟扬声器的放置，每个虚拟扬声器以45°间隔围绕用户放置。
具体实施方式
本发明涉及一个声音信号处理系统，包括以下用途的装置：
·通过N个麦克风同步获取输入声音信号(Sinput)，N是大于或等于3的自然数；
·以声音数据格式(D)对所述输入声音信号(Sinput)进行编码，以及用于将所述输入信号变换为阶数R的环绕声类型格式的装置，R是大于或等于1的自然数，该转换成环绕声类型格式的子步骤是通过快速傅立叶变换、矩阵乘法、快速傅里叶逆变换和带通滤波器来实现的；和
·通过数字处理所述声音数据(D)来恢复输出声音信号(Soutput)。
图1和3示出了根据本发明的方法的不同步骤。
根据一个实施例，该麦克风在平面上呈圆形分布，以等于360°/N的角度间隔分布或在移动电话的每个角处。
根据一个实施例，该方法采用与水平方向成90°角间隔的四个麦克风。
根据一个实施例，该方法采用从100Hz到6kHz的带通滤波器滤波频率。
根据一个实施例，所述环绕声格式的阶数R等于1。
根据本发明的方法的第一步骤，包括记录声音信号。使用N个麦克风用于该记录，N是大于或等于3的自然数，该麦克风在平面上呈圆形分布，以等于360°/N的角度间隔分布或在移动电话的每个角处。在下文描述的实施例中，N等于4并且麦克风以90°间隔分布。这些麦克风在平面上分布成圆形。在一个特定实施例中，所述圆的半径为2厘米，麦克风是全向的。
声音信号由所述麦克风接收并数字化。这涉及同步获取。
在第一步骤结束时，获得四个采样数字信号。
根据本发明的方法的第二步骤，包括以R阶的环绕声格式来编码所述的四个采样数字信号，其中R是大于或等于1的自然数。
在此提醒，环绕声格式是多维度的标准音频编码格式。
在下文描述的实施例中，阶数R等于1。此一阶可用于表示具有以下概念的声音：前-后和左-右。
图4a、4b和4c示出了一阶环绕声格式的理想分量W、Y和X(在水平面上)。
图5a、5b和5c示出了一阶环绕声格式的近似分量W、Y和X。
图2示出了在根据本发明的方法的第二步骤的范围内应用的处理操作。
图2显示输入数据在时域中，在快速傅里叶变换(FFT或Fast Fourier Transform)操作之后进入频域，然后输出数据在快速傅里叶逆变换(IFFT或Inverse Fast FourierTransform)操作之后进入时域。
优选地，使用通过实施“重叠相加”型函数而具有重叠的汉宁窗。
图2还示出了使用矩阵乘法修改输入数据频率。该矩阵包括每个麦克风的信号和每个频率的加权系数。
图2还示出了在输出之前对数据执行使用带通滤波器的滤波。
在一个实施例中，根据本发明的方法实施从100Hz到6kHz的带通滤波器进行滤波。因此消除了低音和高音频率。
为了计算加权矩阵的系数，测量N个麦克风的脉冲响应，并且在此情况下测量四个麦克风，其中源在麦克风网络周围每5°或每10°定位一次。
通过使用快速傅里叶变换，获得为所测量的角度的函数的N个麦克风的频率响应，换句话说，获得为频率的函数的N个麦克风的方向性。
在此阶段，可以利用在公开号为WO2015/128160，名为“声学自动均衡的方法和系统”的国际专利申请中公开的用于均衡每个麦克风的轴上频率响应的方法的原理。相同的均衡滤波器应用于所有麦克风和所有源的角度位置。
然后将麦克风响应放置在矩阵C中。
在频域中，对于每个编号为k的频率，有
CDxN.HNxV＝PDxV
其中N是麦克风的数量(在此实施例中为四个)，D是源的角度位置的测量数量(在此实施例中为108)，并且V是环绕声道的数量(在此实施例中为三个)，CDxN表示麦克风的方向性，HNxV表示将麦克风的方向性转换成期望的方向性的矩阵，并且PDxV表示由环绕声格式规定的方向性(在此实施例中为W、X和Y)。
如果CDxN是可逆的，则对于每个编号为k的频率，有HNxV＝PDxV/CDxN。
事实上，CDxN是不可逆的。在一个实施例中，实施最小二乘法以解析C108x4.H4x3＝P108x3。
矩阵H被定义一次以用于所考虑的麦克风网络的未来使用。随后，在每次使用时，在频域中执行矩阵乘法。
所述矩阵H行数与麦克风数量相同，因此在该实施例中具有四行，并且所述矩阵H列数与所使用的环绕声格式的阶数相同，因此在该实施例中为三列，其中一阶用于水平面上。
有Out＝In×H，其中H表示先前计算的矩阵，In表示输入(源自麦克风网络的音频通道，传递到频域)，Out表示输出(Out转换到时域中，以获得环绕声格式)。
在该第二步骤期间，根据本发明的方法针对每个频率实施最小二乘算法，例如含512个频率点。
在该第二步骤结束时，获得环绕声格式的数据(在该实施例中，获得信号W、X和Y)。
由于将环绕声格式的数据转换成双耳格式数据，根据本发明的方法的第三步骤包括恢复声音信号。
在该第三步骤期间，获取并利用与收听声音信号的用户的头部的方向有关的信息。这可以通过电话中、耳机或虚拟现实头盔中的一个传感器来实现。
该方向信息由包括三个角度值的矢量组成，分别为俯仰角、偏航角和翻滚角，英语中分别为“pitch”、“yaw”和“roll”。
在该实施例中，在一个平面上，使用翻滚角的角度值。
将环绕声格式转换为八个音频通道，对应于八个扬声器的虚拟放置，每个扬声器围绕用户以45°间隔分布。
图6示出了八个虚拟扬声器的分布，每个虚拟扬声器围绕用户以45°间隔分布。
每个源自环绕声组件的虚拟扬声器根据以下公式恢复音频信号：
Pn＝W+Xcosθn+Ysinθn (1)
其中W，X和Y是于环绕声格式相关的数据，并且其中θn表示第n个扬声器的水平角度。例如，在该实施例中，θ0＝0°，θ1＝45°，θ2＝90°等。
然后，利用每个扬声器的一对HRTF执行滤波步骤，HRTF即头相关变换函数(英语中的“Head-related transfer function”)。将一对HRTF滤波器(左耳和右耳)与每个虚拟扬声器相关联，然后将(有“左耳”声道和所有“右耳”声道)相加，形成两个输出声道。
在此阶段使用IIR(无限脉冲响应)系数，所述HRTF滤波器以IIR滤波器的形式建模。
当用户转动其头部时，虚拟扬声器的位置改变。例如，对于头转过角度α，虚拟扬声器的角度变为βn＝θn-α。因此，θn由公式(1)中的(θn-α)代替，以计算由第n个虚拟扬声器恢复的信号。
因此，根据本发明的方法，可以在所有方向上获取声音信号，然后恢复该声音信号。
图3显示了根据本发明的方法的不同步骤。
本发明还涉及一种声音信号处理系统，包括以下用途的装置：
·通过N个麦克风同步获取输入声音信号(Sinput)，N是大于或等于3的自然数；
·以声音数据格式(D)编码所述输入声音信号(Sinput)，以及用于将所述输入信号变换为阶数R的环绕声类型格式的装置，R是大于或等于1的自然数，所述转换成环绕声类型格式的子步骤是通过快速傅立叶变换、矩阵乘法、快速傅里叶逆变换和带通滤波器来实现的；和
·通过数字处理所述声音数据(D)来恢复输出声音信号(Soutput)。
该声音信号处理系统包括至少一个计算单元和一个存储单元。
上述描述仅用于说明本发明。本领域普通技术人员可以在不脱离本专利范围的情况下，实现本发明的不同衍生实施例。

Claims (9)

1.声音信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
·获取步骤：通过N个麦克风同步获取输入声音信号（Sinput），N是大于或等于3的自然数；
·编码步骤：以声音数据格式（D）对所述输入声音信号（Sinput）进行编码，所述编码包括将所述输入信号变换为阶数R的环绕声格式的子步骤，R是大于或等于1的自然数，所述转换成环绕声类型格式的子步骤是通过快速傅立叶变换、矩阵乘法、快速傅里叶逆变换和带通滤波器来实现的；及
·恢复步骤：通过数字处理所述声音数据（D）来恢复声音信号（Soutput）；
并且特征在于：所述矩阵计算使用通过最小二乘法计算的矩阵H，所述矩阵H来自N个麦克风的方向性测量值和环绕声成分的理想方向性。
2.根据权利要求1所述的声音信号处理方法，其特征在于，所述麦克风在平面上呈圆形分布，以等于360°/ N的角度间隔分布或者在移动电话的每个角处。
3.根据权利要求2所述的声音信号处理方法，其特征在于，其采用与水平方向成90°角间隔的四个麦克风。
4.根据前述权利要求中任一项所述的声音信号处理方法，其特征在于，其采用从100Hz到6kHz的带通滤波器滤波频率。
5.根据前述权利要求中任一项所述的声音信号处理方法，其特征在于，所述环绕声格式的阶数R等于1。
6.根据前述权利要求中任一项所述的声音信号处理方法，其特征在于，在所述恢复步骤期间，利用与听取声音信号的用户的头部的方向有关的信息。
7.根据权利要求6所述的声音信号处理方法，其特征在于，获取听取声音信号的用户的头部的方向有关的所述信息，是通过电话中、耳机或虚拟现实头盔中的一个传感器来实现的。
8.根据前述权利要求中任一项所述的声音信号处理方法，其特征在于，在所述恢复步骤期间，将环绕声格式的数据变换为双耳格式的数据。
9.声音信号的处理系统，其特征在于，包括以下用途的装置：
·通过N个麦克风同步获取输入声音信号（Sinput），N是大于或等于3的自然数；
·以声音数据格式（D）对所述输入声音信号（Sinput）进行编码，以及用于将所述输入信号变换为阶数R的环绕声类型格式的装置，R是大于或等于1的自然数，所述转换成环绕声类型格式的子步骤是通过快速傅立叶变换、矩阵乘法、快速傅里叶逆变换和带通滤波器来实现的；和
·通过数字处理所述声音数据（D）来恢复输出声音信号（Soutput）；
并且特征在于：所述矩阵计算使用通过最小二乘法计算的矩阵H，所述矩阵H来自N个麦克风的方向性测量值和环绕声成分的理想方向性。
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Application publication date: 20190419

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