CN110049429A - 一种用于视听设备的跟随式动态立体声系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于视听设备的跟随式动态立体声系统，包括扬声器阵列系统、人脸位置获取系统、扬声器延时系统；人脸位置获取系统可识别人脸并获取人脸的位置，经过预设的程序计算可以获得人脸的坐标位置以及扬声器阵列系统中指向性声波波束的偏转角度和相邻声阵元的延时信号差值，通过扬声器延时系统改变声波波束的指向性，以实现声音对人脸的动态跟随。

Description

一种用于视听设备的跟随式动态立体声系统

技术领域

本发明涉及一种用于视听设备的跟随式动态立体声系统。

背景技术

目前的立体声设备众多，使用较多的设备主要有三种：一是采用声阵列的方式形成固定方向的立体声波束；二是采用左右两声道的立体声音箱；三是采用多声道输出的环绕音箱。

虽然现在的立体声视听设备使用广泛，但是无论是上述三种立体声设备方式中的哪一种，都只能在固定的角度或区域内有良好的立体声效果，也就是说，听众必须要在指定的区域内才能享受较好的收听效果；当听众离开了指定区域或者在区域内走动时，收听的效果会大打折扣，甚至获得很差的视听体验。

现有的专利：组合式线阵音箱系统CN206024074U和一种线阵列控制系统及其组成的线阵列音响系统CN101242686A都在空间中只有音响系统的正前方的一定区域内才能获得良好的视听体验，离开该区域后声音会减弱变小，视听体验效果会在一定程度上变差。非阵列式立体声设备无法实现指向性的改变，而阵列式立体声设备如果要改变扬声器的指向角度，就必须对每个扬声器结构做出改变，不仅给整个扬声器系统的安装、调试带来了非常大的难度，导致系统的安装，调试的工作量增大，难以获得令人满意的声场音效，为使用带来了一定的限制和不便。当前的视听设备都在一定程度上存在着此类问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于视听设备的跟随式动态立体声系统，能够对人脸进行识别并获取坐标，实现动态的立体声跟随。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于视听设备的跟随式动态立体声系统，包括扬声器阵列系统、人脸位置获取系统、扬声器延时系统；

所述扬声器阵列系统，由多个扬声器按照需要的结构排列组合形成，用于产生立体声；

所述人脸位置获取系统，用于识别人脸并获取人脸位置，还用于根据人脸位置计算扬声器阵列波束的偏转角度以及相邻声阵元的延时信号差值；

所述扬声器延时系统，用于根据相邻声阵元的延时信号差值改变所述扬声器阵列系统的相位，使扬声器阵列波束改变方向，形成对人脸的动态跟随；

当扬声器阵列波束的偏转角度为θ时，相邻声阵元的波程差为：

l＝d×sinθ；其中d为相邻声阵元中心间距；

相邻声阵元的相位差为：

其中λ为声波波长；

为了实现相邻声阵元的同相偏转，需满足：

其中w为声波频率，Δτ₀为相邻声阵元的延时信号差值；

联立以上三式，得到相邻声阵元的延时信号差值为：

Δτ₀＝d×sinθ/c；其中c为声速。

优选地，当多个扬声器依次排列成一横行时，所述人脸位置获取系统通过以下方法计算扬声器阵列波束的偏转角度θ₀和每个声阵元的延时信号τ_n：

以视听设备的图像中心为坐标原点，采集人脸位置的坐标为x，采集到画面边缘的坐标为x₀、采集人脸与所述扬声器阵列系统的平均距离为d₀，采集到画面所对应的实际图像的空间长度为l₀，相邻声阵元中心间距为d；

Δτ₀＝d×sinθ₀/c；

从一侧的声阵元开始编号，依次为1，2，……，n；则第n个声阵元的延时信号为τ_n＝n×Δτ₀；

所述延时信号，用于输入所述扬声器延时系统，以改变所述扬声器阵列系统的相位，使扬声器阵列波束改变方向，形成对人脸的动态跟随。

优选地，所述人脸位置获取系统包括用于识别人脸并获取人脸位置的定位器，所述定位器位于所述扬声器阵列系统的中心。

更优选地，所述定位器为光学摄像头。

更优选地，所述定位器为激光雷达。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明一种用于视听设备的跟随式动态立体声系统，人脸位置获取系统可识别人脸并获取人脸的位置，经过预设的程序计算可以获得人脸的坐标位置以及扬声器阵列系统中指向性声波波束的偏转角度和相邻声阵元的延时信号差值，通过扬声器延时系统改变声波波束的指向性，以实现声音对人脸的动态跟随。

附图说明

附图1为扬声器阵列系统偏转示意图；

附图2为单通道音箱摆放示意图；

附图3为实施例1中位置关系图。

其中：1、采集到画面；2、实际图像。

具体实施方式

下面结合附图来对本发明的技术方案作进一步的阐述。

上述一种用于视听设备的跟随式动态立体声系统，包括扬声器阵列系统、人脸位置获取系统、扬声器延时系统。

扬声器阵列系统由多个扬声器按照需要的结构排列组合形成，用于产生立体声。每个扬声器产生的声波可以在整个声场中产生耦合，就可以在空间中的一定范围内产生品质一致的声音，即产生声波波束在一个方向上传播，也就是声场所具有的指向性。利用扬声器阵列的性质，可以将音箱设备按照一定的结构排列组合成一个阵列系统，产生立体声的指向性。

人脸位置获取系统用于识别人脸并获取人脸位置，还用于根据人脸位置计算扬声器阵列波束的偏转角度以及相邻声阵元的延时信号差值。人脸位置获取系统可识别人脸并获取人脸的位置，经过预设的程序计算可以获得人脸的坐标位置以及扬声器阵列系统中指向性声波波束的偏转角度和相邻声阵元的延时信号差值。

扬声器延时系统用于根据相邻声阵元的延时信号差值改变扬声器阵列系统的相位，使扬声器阵列波束改变方向，随着人脸的移动而移动，形成对人脸的动态跟随。

参见图1所示，当扬声器阵列波束的偏转角度为θ时，相邻声阵元的波程差为：

l＝d×sinθ；其中d为相邻声阵元中心间距；

相邻声阵元的相位差为：

其中λ为声波波长；

为了实现相邻声阵元的同相偏转，需满足：

其中w为声波频率，Δτ₀为相邻声阵元的延时信号差值；

联立以上三式，得到相邻声阵元的延时信号差值为：

Δτ₀＝d×sinθ/c；其中c为声速。

通过将相邻声阵元的延时信号差值Δτ₀输入扬声器延时系统中，可以改变扬声器阵列系统的相位，使扬声器阵列波束改变方向，随着人脸的移动而移动，形成对人脸的动态跟随。

上述人脸位置获取系统包括用于识别人脸并获取人脸位置的定位器，定位器位于扬声器阵列系统的中心。

参见图2所示，对于单通道音箱，可根据系统设计需求，将音箱阵列设置成一横行，调整好音箱的高度与角度之后使音箱阵列形成的波束与常人身高相近。将定位器置于声阵列中点处，再通过一些现有的普适性的程序对人脸进行识别后进行方向定位。

对于多通道的立体声音箱，根据需要设置多行声阵列后按照单通道音箱的方式进行具体实施即可，并在每个声阵列中点设置一个定位器，采用多通道的立体声音箱可使空间产生的声场为立体声声场，听众可获得更佳的视听体验。

实施例1：

参见图3所示，可采用光学摄像头作为人脸位置的捕捉设备，将光学摄像头置于音箱阵列的中点处。利用OpenCV对光学摄像头所捕获到的画面进行人脸识别，当多个扬声器依次排列成一横行时，人脸位置获取系统通过以下方法计算扬声器阵列波束的偏转角度θ₀和每个声阵元的延时信号τ_n：

以视听设备的图像中心为坐标原点，采集人脸位置的坐标为x，采集到画面1边缘的坐标为x₀、采用景深传感器采集人脸与扬声器阵列系统的平均距离为d₀，采集到画面1所对应的实际图像2的空间长度为l₀，相邻声阵元中心间距为d；

Δτ₀＝d×sinθ₀/c；

从一侧的声阵元开始编号，依次为1，2，……，n；则第n个声阵元的延时信号为τ_n＝n×Δτ₀。

通过将每个声阵元的延时信号τ_n输入扬声器延时系统中，也可以改变扬声器阵列系统的相位，使扬声器阵列波束改变方向，随着人脸的移动而移动，形成对人脸的动态跟随。显然，也可以将相邻声阵元的延时信号差值Δτ₀直接输入扬声器延时系统中，以改变扬声器阵列波束方向，随着人脸的移动而移动，形成对人脸的动态跟随。

实施例2：

采取激光雷达作为人脸位置的捕捉设备，使激光雷达对人脸位置、速度等特征量进行探测与采集，经过适当处理后可直接获取到人脸的距离与方位角，再通过应用实例1中的公式计算可得到每个扬声器声阵元所需要的延时信号τ_n。

采用本发明的跟随式动态立体声系统可使听众突破空间上的限制，不再局限于音箱设备或声音阵列的正前方也可享受到同样的视听体验。听众可在更大的区域内自由移动，同时享受到与静止时相同的收听体验。应用于视听长廊或展览画廊等场景的参观讲解或介绍活动中时，听众可不受到移动的影响而获得声音一致的视听感受。相较传统的视听设备的定向定点播放立体声，有了较大的改进创新。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于视听设备的跟随式动态立体声系统，其特征在于：包括扬声器阵列系统、人脸位置获取系统、扬声器延时系统；

所述扬声器阵列系统，由多个扬声器按照需要的结构排列组合形成，用于产生立体声；

所述人脸位置获取系统，用于识别人脸并获取人脸位置，还用于根据人脸位置计算扬声器阵列波束的偏转角度以及相邻声阵元的延时信号差值；

所述扬声器延时系统，用于根据相邻声阵元的延时信号差值改变所述扬声器阵列系统的相位，使扬声器阵列波束改变方向，形成对人脸的动态跟随；

当扬声器阵列波束的偏转角度为θ时，相邻声阵元的波程差为：l＝d×sinθ；其中d为相邻声阵元中心间距；

相邻声阵元的相位差为：

其中λ为声波波长；

为了实现相邻声阵元的同相偏转，需满足：

其中w为声波频率，Δτ₀为相邻声阵元的延时信号差值；

联立以上三式，得到相邻声阵元的延时信号差值为：

Δτ₀＝d×sinθ/c；其中c为声速。

2.根据权利要求1所述的一种用于视听设备的跟随式动态立体声系统，其特征在于：当多个扬声器依次排列成一横行时，所述人脸位置获取系统通过以下方法计算扬声器阵列波束的偏转角度θ₀和每个声阵元的延时信号τ_n：

以视听设备的图像中心为坐标原点，采集人脸位置的坐标为x，采集到画面边缘的坐标为x₀、采集人脸与所述扬声器阵列系统的平均距离为d₀，采集到画面所对应的实际图像的空间长度为l₀，相邻声阵元中心间距为d；

Δτ₀＝d×sinθ₀/c；

从一侧的声阵元开始编号，依次为1，2，……，n；则第n个声阵元的延时信号为τ_n＝n×Δτ₀；

所述延时信号，用于输入所述扬声器延时系统，以改变所述扬声器阵列系统的相位，使扬声器阵列波束改变方向，形成对人脸的动态跟随。

3.根据权利要求1所述的一种用于视听设备的跟随式动态立体声系统，其特征在于：所述人脸位置获取系统包括用于识别人脸并获取人脸位置的定位器，所述定位器位于所述扬声器阵列系统的中心。

4.根据权利要求3所述的一种用于视听设备的跟随式动态立体声系统，其特征在于：所述定位器为光学摄像头。

5.根据权利要求3所述的一种用于视听设备的跟随式动态立体声系统，其特征在于：所述定位器为激光雷达。