CN1116784C - 将声源投影到扬声器的方法和装置 - Google Patents

Abstract

为了在空间重现一个声信号，声信号必须被投影到现有扬声器的位置。在这种情况下，对声信号的发送来说，就希望扬声器不要固定于一个特定的布局。但这里的问题就是存在多种可能的组合。根据本发明的方法，声源(3)被解释为声目标。这个声目标要被投影到任意的扬声器布局(2)。这里，声目标的要素在于：除了声信号以外，声源被赋予一个空间信息项，这个空间信息项确定声源虚拟的空间位置。为了重现声目标，声源的空间信息和扬声器的实际位置被用来计算从声源经过扬声器到听者的虚拟距离。在重现之前，对每个声目标，分别为每个扬声器进行声信号处理(7、8、9)。

Description

将声源投影到扬声器的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种将声源投影到扬声器的方法和装置，具体说是为了使声源能够在空间重现。

背景技术

MPEG-2标准ISO 13818的目标是通过多通道立体声也叫做环绕声在空间上表现出来，以实现声音的重现。这样的多声道系统，设有六个通道，其中，三个通道(左、中心、右)安排在听者的前方空间。两个通道(左环绕，右环绕)安排在听者的后方空间，第六个通道用于重现低音调，以取得特殊效果。多个声道排列为矩阵，一方面，是为了反过来与MPEG-1声信号兼容，另一方面，也是为了当现有的配置不是完全的环绕声扬声器，而是仅用一对扬声器时，有可能给出令人满意的重现效果。在这种情况下，所计算的立体声信号作为可与MPEG-1兼容的立体声信号发送，保留的信号作为外加的数据。

发明内容

本发明的目的是确定虚拟声空间重现的一种方法。

本发明的进一步的目的是确定适用于根据本发明的方法的一种装置。

为了重现一个声信号，通常要将信号投影到现有扬声器的位置。这里列举几个投影的例子：

a)单声道信号投影到一对立体声扬声器。

b)3/2-信号(前方3个扬声器/后方2个扬声器)投影到2/2扬声器的布局。

c)在一个扬声器环左侧30°、上方10°并离它有3米距离的一位置上的一个信号，投影到该扬声器环，这个扬声器环是分别以2米距离并成45°角间隔的8个扬声器环绕而成。

d)房间中的2个声源投影到2个扬声器。

对声信号的发送来说，不希望被固定在一个特定的设置位置。然而，这样就引起一个问题，即有无限多的组合可能性。

在原则上，根据本发明的将声源投影到扬声器的方法是：接收表示声源的声目标，声目标的要素在于：除了声信号以外，声源被赋予一个空间信息项，这个空间信息项确定声源的虚拟空间位置；根据各个声源的空间信息项和各个扬声器的位置信息，计算声源与扬声器之间的虚拟距离；以及为每个扬声器，分别地处理所述声目标的声信号，作为所计算的虚拟距离的函数。

进一步说，有利的是在处理声信号时，考虑下列参数中的一个或多个：

-幅度衰减，例如通过阻尼或折射，

-各个声目标和扬声器之间的不同的传播时间，

-借助于外耳函数装置，考虑扬声器电平对空间布局的依赖关系。

既是这样，如果也考虑与频率有依从关系的参数，则声信号的处理会得到进一步改善。

在考虑这些参数例如衰减函数时，所需要的数学函数最好作为距离和/或反向角的函数发送和/或存储。

当声目标的数据是用根据MPEG-4标准的压缩数据流方法存储和/或发送时，将是特别有利的。

在原则上，根据本发明的将声源投影到扬声器的装置，包括：接收装置，用于接收表示声源的声目标，声目标的要素在于：除了声信号以外，声源被赋予一个空间信息项，这个空间信息项确定声源的虚拟空间位置；一个算法单元，这个算法单元根据各个声源的空间信息项以及各个扬声器的实际位置信息，计算虚拟的声目标到各个扬声器的距离。

在这种情况下，最好提供一个存储器，在其中存储考虑各种参数用的各个扬声器的位置和/或数学函数。

较为有利的是为n个声目标和k个扬声器提供n×k个调节器，一个调节器参照扬声器中的一个，作为所计算的虚拟距离的函数，对一个声信号进行处理。

既然如此，调节器最好也考虑那些频率依赖参数，信号首先被一个分离式滤波器(10)分解为各个频带，然后各个频带被单独处理，处理后的频带再被一个合并式滤波器(12)重新组合。

如果分离式滤波器和/或合并式滤波器是无论如何总是声译码器的组合部分，则是特别有利的。

再有，最好提供一个或多个定向传声器，用来测量扬声器的位置。

定向传声器最好组合于一个摇控装置中。

附图说明

下面将借助于附图，描述本发明的实施例，其中：

图1表示虚拟声源，它们将要被投影到存在的一对扬声器；

图2表示说明计算声路径的模型的图形；

图3是表示所设想的模型的电路方块图；以及

图4表示根据本发明的声译码器部分。

具体实施方式

图1提出一个常见的疑问。两个虚拟声源3，小提琴和小号，被投影到现有的一对扬声器，如何使听者1能感觉到小提琴和小号处于图1所示的空间位置。

对于这个投影，基于下列观察可建立一个模型：一个人处于有多个全部开着的窗户的房间里。房间外面有各种声源下面也叫做声目标，例如街头音乐家，汽车喇叭等等。人可能处在声学意义上的各种各样的声源之中，即使这些声源是看不见的。这是基于这样的事实，即经过各个窗户的声路径是不同的。下面描述的模型基于以一个扬声器代替一扇窗户。假定扬声器被正确地驱动，应该引起同样的声场，因此，分别地寻找声目标的位置也应该是可能的。

图2表示以图形说明的模型。听者、处于任意形状的房间里面，房间的墙壁5由隔声材料组成，使声音不能透入，房间内部也不会产生反射。声源3定位在房间外面。房间内部也不会产生反射。声源3定位在房间外面。房间墙壁上的洞孔6被视为扬声器或窗户。这样的布置产生从声源3，经各个扬声器或窗口6，到听者1的各个不同的声路径4。声音就这样经过所有的扬声器或窗口进入房间，虽然各个声路径有其自己的特征。

图3以方块图说明由模型转变成的表示电路。两个声目标3，小提琴和小号，被投影到三个现有的扬声器2。对于每个声目标来说，声信号现在被处理为这个声目标的虚拟空间位置和每个扬声器的实际位置的函数，这是为了能按照各个虚拟的声路径激励。广义化为n个声目标和k个扬声器，这意味着使用n×k个调节器。在这种情况下，每个调节器按照虚拟的声路径考虑下列参数7、8、9中的一个或几个。为了正确地激励幅度，首先要将幅度作为路径长度的函数进行计算。另外，也能够考虑空气的衰减和隔声作用。在这种情况下，可以根据声源的类型或空气的衰减，考虑不同的函数。因此，球形声源的功率损失与距离的平方有关，也就是说，接收功率由下列公式给出：

接收功率(r)：＝发射功率/r²

相反，圆筒形声源例如一列火车或一条街道，其功率损失只简单地与距离有关。在这种情况下，各种函数可以被存储在表示电路中，但也能和信号一起被发送和存储。它们同样也可以由各个应用系统或用户确定。此外，也有可能考虑发生在扬声器或窗口的折射。为了精确地考虑这些折射的效果，必须就有声路径的总和，利用一个特定的孔轮廓，并把频率和相位考虑进去，对折射进行计算。这就在近似意义上得出这样的事实：即低频的传播在所有的独自角度方向上是一致的，而对于较高的频率，声信号的幅度是对有关孔的入射和出射方向夹角的函数。用一个近似公式可以减少计算的费用。这种公式也能(如在衰减情况下叙述过的)同时被发送，或由应用系统或用户设定。因为折射效果与频率有依从关系，所以必须考虑这种频率依从性，以便精确在计算折射衰减。为在技术上实现这一点，必须或者使用一些具有确定的群组延迟时间的滤波器，或者将信号分解到各个频带并分别处理它们。

图4所示的就是这样的情况，利用一个分离式滤波器10可以对信号进行分解，然后用各个调节器11对它进行处理。最后用一个合并式滤波器12将处理后的信号重新组合。对于MPEG，AC-3或ATRAC信号来说，可以特别好地组合到典型的声译码器中去，因为那里的处理是在频率域进行的，为此目的，那里已经提供了一个分离滤波器，所以就不需要再提供另外的分离滤波器了。

另一个参数是信号的传播时间(延迟)。这里认为最初冲击到耳朵上的声音，最重要的是涉及对方向的感觉。声路径的长度设为r，平均声速c近似为340米/秒，则可认为：

      延迟(r)：＝r/c

这样，由扬声器和听者之间的最短距离，可以缩短长度r。这可以减少所提出的电路单元对存储量的需求。

在声源和人耳的鼓膜之间，有一个依赖于方向和频率的传递函数，也叫做外耳函数。用简单的术语说，耳肌对来自前方的声音的滤波，不同于对来自后方的声音的滤波。

如果希望通过设置在角度Z上的扬声器播送位于角度X上的一个声源，就要考虑外耳函数。这就要求在所确定的虚拟声源和扬声器位置之间有不同电平的信号，并且信号要被适当地滤波。因为对所有的人来说，外耳函数是不相同的，可以想到，应使使用者能在不同的外耳函数中选择，以达到特定的良好校正的目的。

这里，调节器在声译码器的频率层面，也能实现滤波器作用。

实际扬声器位置必须确定，以便确定虚拟声目标和实际扬声器位置之间的路径长度。为此可以想到各种方法。因此，使用者可以用米尺或类似物测量各个扬声器箱的空间坐标，并将相应的距离数据输到一个输入装置，这个输入装置向表示电路传输这些数据。通过适当的设备健盘或者摇控，可以完成这种输入，如果合适，也有可能监控输入数据，或者使用者利用显示装置或可视屏幕的在屏显示，对数据进行引导；并由算法单元根据各个声源的空间信息项以及各个扬声器的实际位置信息，计算虚拟的声目标到各个扬声器的距离。

也可以借助于一个或多个定向传声器，测量扬声器系统，使用者便可免去对距离的机械测量。在这种情况下，通过重现经过扬声器的脉冲测试序列，或者通过测量传播时间，可以确定特性，也就可以确定各个扬声器的角度。然后，就有可能自动地测量扬声器的布局。特别是显然可以将传声器集成到遥控系统中。

然后，如上所述的，由虚拟声目标的位置和上述为各个扬声器的确定的位置，产生整个虚拟路径长度。显然有各种可能性表示这两个位置，因此，可以这样来做：例如，利用笛卡儿坐标，也就是说，有空间所有三个方向上的距离特征，或者利用球坐标，也就是说，有距离特征和水平，以及在适当情况下的垂直角度特征。

尽管在多数情况下扬声器的位置应当保持不变，但声目标的虚拟位置却是频繁地改变的。特别是在这种情况，即无论何时声信号都将伴随视频信号而被重现的情况。因此，例如在影片中，动作者或车辆在可视屏幕上运动或从屏幕上消失，因此而改变其空间位置。同样可以想见，在有声输出的计算游戏中，游戏中的角色被游戏者利用例如操纵杆操纵而活动，被指配给游戏角色的声音，按照规定的或被游戏者改变的位置而适应地重现。

本发明可被用于发送，但也可例如根据MPEG-4，MPEG-3或AC-3标准应用于数字声信号的记录和重现。这可以是两种完美的声信号重现，例如通过CD光碟机，DAB接收机的声信号重现，例如DVD影碟机或数字电视接收机。再者，也可以想像应用于交互作用系统，例如电视电话或计算机游戏机。

Claims (12)

1.一种将声源投影到扬声器的方法，其特征在于：

接收表示声源的声目标，声目标的要素在于：除了声信号以外，声源被赋予一个空间信息项，这个空间信息项确定声源的虚拟空间位置；

根据各个声源的空间信息项和各个扬声器的位置信息，计算所述声源与所述扬声器之间的虚拟距离；以及

为每个扬声器，分别地处理声目标的声信号，作为所计算的虚拟距离的函数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在处理声信号时，考虑下列参数中的一个或多个：

幅度衰减，例如通过阻尼或折射，

各个声目标和扬声器之间的不同的传播时间，

借助于外耳函数，考虑扬声器电平对空间布局的依赖关系。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在处理声信号时也考虑与频率有依从关系的参数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：在考虑参数例如衰减函数时，所需要的数学函数作为距离和/或反向角的函数发送和/或存储。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：声目标的数据，用根据MPEG-4标准的压缩数据流方法存储和/或发送。

6.将声源投影到扬声器的装置，其特征在于包括：

接收装置，用于接收表示声源的声目标，声目标的要素在于：除了声信号以外，声源被赋予一个空间信息项，这个空间信息项确定声源的虚拟空间位置；

算法单元，用于根据各个声源的空间信息项和各个扬声器的位置信息，计算所述虚拟声源与所述扬声器之间的距离；以及

为n个声目标和k个扬声器提供的n×k个调节器，一个调节器参照扬声器中的一个，作为所计算的虚拟距离的函数，对一个声目标进行处理。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：一个调节器至少包含下列单元之一：

用于幅度匹配的单元，

用于校正不同的传播时间的延时单元，

用于考虑外耳函数的一单元。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：调节器也考虑那些频率依赖参数，信号首先被一个分离式滤波器分解到各个频带，然后各个频带被单独处理，处理后的频带再被一个合并式滤波器重新组合。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：分离式滤波器和/或合并式滤波器在任何情况下总是声译码器的组合部分。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：提供一个存储器，在其中存储考虑各种参数用的各个扬声器的位置和/或数学函数。

11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：设置用来测量扬声器的位置的一个或多个定向传声器。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于：一个定向传声器或多个定向传声器被组合在一个遥控装置中。

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