CN112005558B - 扬声器系统中的声音的定位 - Google Patents

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Abstract

一种用于扬声器系统中的声音的定位的方法，包括：确定扬声器系统中的多个扬声器的扬声器位置；确定房间内的用户的用户位置；以及相对于所述扬声器位置中的对应一个基于所述房间中的所述用户位置来修改要传输到所述多个扬声器中的每一个的音频信号。针对所述多个扬声器中的每一个的所述音频信号的最佳修改包括消除所述房间内的所述用户位置的位置影响。

Description

扬声器系统中的声音的定位
技术领域
本公开涉及音频信号处理。更具体地，本公开涉及基于在扬声器系统中的检测到的扬声器位置以及用户位置的音频信号修改。
背景技术
环绕声允许用来自环绕收听者的扬声器的多个音频通道对音频源进行立体声再现。环绕声系统不仅常见地安装在商业设施(例如，电影院)中，而且普遍地用于家庭娱乐用途。该系统通常包括多个扬声器(诸如，5.1扬声器系统有五个扬声器，或者7.1扬声器系统有七个扬声器)和一个低音扬声器(即，重低音音箱)。
图1示出了用于与娱乐系统170一起使用以提供立体声的5.1环绕声系统100的常见设置。娱乐系统170包括显示装置(例如，LED监视器或电视机)、娱乐控制台(例如，游戏控制台、DVD播放器或机顶盒/电缆盒)以及外围装置(例如，图像捕获装置或用于控制娱乐控制台的遥控器172)。用于环绕声系统的配置包括三个前置扬声器(即，左扬声器110、中央扬声器120和右扬声器130)、两个环绕扬声器(即，左环绕扬声器140和右环绕扬声器150)以及重低音音箱160。每个扬声器播放不同音频信号，使得向收听者呈现来自不同方向的不同声音。环绕声系统100的这种配置被设计成使位于该系统的中心的收听者(就像如图1所示的收听者190)得到最佳立体声体验。换句话说，该系统中的每个单独的扬声器必须安装(例如，位置和定向)在特定的位置，或者按距听众的距离和彼此间的距离精确地安装，以便提供最佳声音。然而，由于安装室的布局或其他情况，通常很难根据需要布置扬声器。另外地，收听者可能并不总是在该系统的中心。图2示出了偏离5.1扬声器系统的中心的收听者290的示例。与在该系统的中心的收听者相比，图2中的收听者290将具有更差的收听体验。
本公开的各方面正是在该背景内产生的。
附图说明
通过结合附图考虑下面的详细描述可容易地理解本公开的各方面，在附图中：
图1是5.1扬声器系统中环绕一个用户的示例的示意图。
图2是5.1扬声器系统中环绕一个用户的示例的示意图。
图3是根据本公开的各方面的用于扬声器系统中的声音的定位的方法的流程图。
图4是根据本公开的一方面的用于确定扬声器位置的方法的流程图。
图5是根据本公开的各方面的示出扬声器系统中环绕两个用户的示例的示意图。
图6是根据本公开的各方面的示出信号处理设备的框图。
具体实施方式
尽管下面的详细描述包含用于说明目的的许多具体细节，但是本领域的任何普通技术人员应当明白，对以下细节的许多变化和更改在本发明的范围内。因此，下面描述的本发明的示例性实施方案在不失一般性并且未暗示对要求保护的本发明的限制的情况下进行阐述。
引言
由于用户对来自环绕声系统的声音的体验取决于使用相对于系统的扬声器的位置，因此在本领域中需要一种确定扬声器系统的扬声器相对于用户位置的相对位置并相应地修改来自扬声器的音频信号以使用户享受高品质立体声的方式。
相对于用户位置确定扬声器位置
根据本公开的各方面，提供了一种用于相对于用户位置确定扬声器系统中的扬声器位置并相应地修改音频信号的方法。该方法包括：确定扬声器系统中的多个扬声器的扬声器位置；确定房间内的用户位置；以及相对于扬声器位置中的对应一个基于房间中的用户位置来修改要传输到多个扬声器中的每一个的音频信号。针对多个扬声器中的每一个的音频信号的最佳修改包括消除房间内的用户位置的位置影响。
图3是根据本公开的各方面的用于扬声器系统中的声音的定位的方法的流程图。根据本公开的各方面，该方法适用于具有以如图1所示的标准形式布置的扬声器的扬声器系统以及具有以非标准形式布置的扬声器的扬声器系统。每个扬声器都被配置为经由有线或无线通信接收音频以进行播放。
如图3所示，在310处可确定扬声器系统中的多个扬声器的每个扬声器位置。确定用户位置和定向信息，如在320处所指示。然后可基于扬声器和用户的相对位置来修改来自扬声器的音频信号，如在330处所指示。在一些实现方式中，确定扬声器位置可涉及使用至少两个麦克风以根据来自扬声器的信号到达不同麦克风的时间延迟来确定麦克风与多个扬声器中的每一个之间的距离。在其他实现方式中，确定扬声器位置可涉及用图像捕获单元获得扬声器所在的房间的图像并分析该图像。
图4示出了根据本公开的一方面的用于使用麦克风来确定扬声器位置的示例性方法的详细流程图。在所示的示例中，以一波形驱动每个扬声器，如在410处所指示。驱动扬声器的波形有许多不同可能配置。作为示例而非限制，波形可为具有高于用户的可听范围的频率的正弦信号。作为示例而非限制，波形可由通信地耦合到扬声器的波形发生器产生。所生成的这种波形可为诸如游戏控制台、电视机系统或音频系统的装置的部分。作为示例而非限制，用户可通过按下与耦合到扬声器系统的游戏控制台耦合的游戏控制器上的按钮来发起波形生成过程。在这样的实现方式中，游戏控制器向游戏控制台发送发起信号，该游戏控制台进而向扬声器系统发出指令以向扬声器发送波形。如在420处所指示，从多个扬声器发出的声音的混合由具有两个或更多个麦克风的麦克风阵列接收。麦克风相对于彼此处于固定位置，其中相邻麦克风以已知的几何形状(例如，麦克风的已知的距离和/或已知的布局)分离。在一个实施方案中，麦克风阵列设在由用户握持或附着到用户的物体中(例如，由用户握持的游戏控制器或远程控制器，或者安装在用户身上的耳机或虚拟现实头戴耳机)。
每个麦克风可包括将接收到的声音转换成对应的电信号的换能器。电信号可以多种不同方式中的任一种进行分析。作为示例而非限制，由每个麦克风产生的电信号可从模拟电信号转换成数字值，以便于通过数字计算机上的数字信号处理进行分析。
在430处，可应用独立分量分析(ICA)以从在麦克风处接收到的声音的混合提取信号。一般来讲，ICA是解决源分离问题的方法，该方法将混合过程建模为原始源信号的线性混合，并且应用尝试将混合过程反转以产生对应于原始源信号的一组估计的信号的去混合操作。基本ICA假定独立非高斯源信号的线性瞬时混合，其中混合的数量等于源信号的数量。由于假定原始源信号是独立的，因此ICA通过使用统计方法从混合提取一组独立(或至少最大程度上独立)信号来估计原始源信号。换句话说，可通过ICA从麦克风信号分离或提取对应于源于扬声器系统中的扬声器的声音的信号。ICA的一些示例在例如美国专利9,099,096、美国专利8,886,526、美国专利8,880,395和美国专利申请公开2013/0294611中详细地描述，这四个专利的全部内容以引用方式并入本文。
如在440处所指示，然后可基于对应于给定的扬声器的声音到达麦克风的时间的差异来确定每个提取的信号的源相对于麦克风的位置。具体地，来自给定的扬声器的每个提取的信号在不同时间到达不同麦克风。到达阵列中的不同麦克风的时间的差异可用于得出关于源的方向或位置的信息。常规的麦克风方向检测技术分析来自不同麦克风的信号之间的相关性，以确定至源的位置的方向。也就是说，可基于由两个或更多个麦克风接收到的信号之间的到达时间差来计算每个提取的信号相对于麦克风的位置。
在450处，将每个提取的信号的计算的位置与扬声器系统的已知的布局相关，以识别对应于特定的提取的信号的扬声器。例如，已知在如图1所示的5.1扬声器系统中，存在相对地在麦克风(即，用户位置)的左前面的左前扬声器、在用户位置的前面的中央扬声器、相对地在用户位置的右前面的右前扬声器、相对地在用户位置的左后面的左后扬声器以及相对地在用户位置的右后面的右后扬声器。这种已知的扬声器配置可与来自步骤440的提取的信号的计算的位置相关，以确定哪些扬声器通道对应于哪个提取的信号。也就是说，可确定扬声器中的每一个相对于麦克风(即，用户位置)的位置。
在一些实现方式中，可能期望确定扬声器所在的房间的尺寸，使得这个信息可用于补偿来自不同扬声器的从该房间的墙壁和/或地板和/或天花板回响的声音的效果。尽管确定这个信息的方式有很多，但是一旦确定了麦克风距每个扬声器的距离，就可能通过进一步分析来自扬声器的被麦克风捕获的声音来确定这个信息，如在460处所指示。例如，可分析对应于源于给定的扬声器的声音的隔离的信号(例如，如根据ICA确定)，以检测因从扬声器直接地行进到麦克风的声音和来自扬声器的从墙壁、地板或天花板反射的声音而引起的到达不同麦克风的时间的差异。可使用扬声器相对于麦克风的先前确定的相对位置将时间延迟转换为距离差。可分析距离差以确定墙壁、天花板和地板的相对位置。
返回参考图3，根据本公开的各方面的方法还包括在步骤320处确定房间中的用户的用户位置。用于检测用户位置的步骤可在结合图4所讨论的确定扬声器位置的步骤之前或之后执行。应注意，房间内的用户位置包括用户的头部的位置和/或定向。可使用安装在用户身上或安装在附着到用户身上的物体(诸如游戏控制器或远程控制器)的一个或多个惯性传感器来检测或跟踪用户位置。在一个实施方案中，由用户握持的游戏控制器包括可经由惯性信号提供位置和/或定向信息的一个或多个惯性传感器。定向信息可包括角信息，诸如游戏控制器的倾斜、侧倾或摇摆，从而包括用户的定向。作为示例，惯性传感器可包括任何数量的加速度计、陀螺仪或倾斜传感器和/或其组合。在另一个实施方案中，可使用用于检测一个或多个光源的位置的图像捕获单元(例如，相机)来跟踪用户位置。
在确定了扬声器位置和用户位置之后，在步骤330处，可相应地修改要传输到多个扬声器中的每一个以进行播放的音频信号。相对于特定扬声器位置，基于确定的用户位置(即，用户的头部的位置和/或用户的头部的定向)，可通过延迟要传输到该扬声器的对应的信号以改变其信号延迟时间或通过调整其信号幅度以使声道均衡来修改该对应的信号。在一个实施方案中，修改步骤包括基于用户位置的信息和房间尺寸来修改音频信号以消除位置声音效果(例如，回声效果)，以便消除回声或位置相关声音效果。根据本公开的各方面的方法使用户能够欣赏高品质立体声，即使扬声器系统中的扬声器没有根据需要精确地安装和/或用户不在扬声器系统中的中心时也是如此。
应注意，在检测到如图5所示的房间中的第二用户后，消除在步骤330处进行的修改。在一个实施方案中，检测第二用户包括检测来自第二控制器的信号。
根据本公开的各方面，如上所述那样操作的上面关于图3和图4描述的类型的信号处理方法可被实现为信号处理设备600的部分，如在图6中所描绘。设备600可结合在诸如TV、视频游戏控制台、DVD播放器或机顶盒/电缆盒的娱乐系统中。设备600可包括处理器601和存储器602(例如，RAM、DRAM、ROM等)。另外，如果要实现并行处理，则信号处理设备600可具有多个处理器601。存储器602包括如上所述那样配置的数据和代码指令。
设备600还可包括所熟知的支持功能610，诸如输入/输出(I/O)元件611、电源(P/S)612、时钟(CLK)613和高速缓存614。设备600可任选地包括大容量存储装置615，诸如磁盘驱动器、CD-ROM驱动器、磁带驱动器等，以存储程序和/或数据。控制器还可任选地包括显示单元616。显示单元616可为显示文本、数字、图形符号或图像的阴极射线管(CRT)或平板屏幕的形式。处理器601、存储器602以及600的其他部件可经由系统总线620彼此交换信号(例如，代码指令和数据)，如图6所示。
如本文所使用，术语I/O一般是指将数据传输到系统600或从该系统传输和传输到外围装置或从该外围装置传输的任何程序、操作或装置。每个数据传输都可被视为来自一个装置的输出和向另一个装置中的输入。外围装置包括仅输入装置(诸如键盘和鼠标)、仅输出装置(诸如打印机)以及可充当输入装置和输出装置两者的装置(诸如可写CD-ROM)。术语“外围装置”包括外部装置(诸如鼠标、键盘、打印机、监视器、扬声器、麦克风、游戏控制器、相机、外部Zip驱动器或扫描仪)以及内部装置(诸如CD-ROM驱动器、CD-R驱动器或内部调制解调器)，或者其他外围设备(诸如快闪存储器读取器/写入器、硬盘驱动器)。
根据本公开的各方面，任选的图像捕获单元623(例如，数字相机)可通过I/O功能611耦合到设备600。另外地，多个扬声器624可例如通过I/O功能611耦合到设备600。在一些实现方式中，多个扬声器可为一组环绕声扬声器，该组环绕声扬声器可例如如上面关于图1描述的那样进行配置。
在本公开的某些方面，设备600可为视频游戏单元。视频游戏或标题可实现为可存储在存储器602或诸如与大容量存储装置615相关联的其他处理器可读介质中的处理器可读数据和/或指令。视频游戏单元可包括经由I/O功能611通过有线(例如，USB电缆)或无线地耦合到处理器的游戏控制器630。具体地，游戏控制器630可包括通信接口，该通信接口可操作以与处理器602、游戏控制器630或这两者中的至少一个进行数字通信。通信接口可包括通用异步收发器(“UART”)。UART可操作以接收控制信号来用于控制跟踪装置的操作或用于传输来自跟踪装置的信号以与另一个装置通信。可选地，通信接口包括通用串行总线(“USB”)控制器。USB控制器可操作以接收控制信号来用于控制跟踪装置的操作或用于传输来自跟踪装置的信号以与另一个装置通信。在一些实施方案中，用户在游戏期间握持游戏控制器630。在一些实施方案中，游戏控制器630可安装到用户的身体。根据本公开的一些方面，游戏控制器630可包括用于确定扬声器位置的两个或更多个麦克风631的麦克风阵列。另外，游戏控制器630可包括一个或多个惯性传感器632，该一个或多个惯性传感器可经由惯性信号将位置和/或定向信息提供到处理器601。另外，游戏控制器630可包括一个或多个光源634，诸如发光二极管(LED)。光源634可用于将一个控制器与另一个控制器区分开。例如，一个或多个LED可通过闪烁或保持LED图案代码来实现此目的。此外，LED图案代码还可用于在玩游戏期间确定游戏控制器630的定位。例如，LED可帮助识别控制器的倾斜、摇摆和侧倾。图像捕获单元623可捕获包含游戏控制器630和光源634的图像。分析此类图像可确定游戏控制器的位置和/或定向，从而确定用户的位置和/或定向。这种分析可通过存储在存储器602中并由处理器601执行的程序代码指令604来实现。
处理器601可将来自惯性传感器632的惯性信号与由图像捕获单元623检测到的来自光源634的光信号和/或来自由麦克风阵列631检测到的声信号的声源位置和表征信息结合使用，以推断出关于游戏控制器630和/或其用户的位置和/或定向的信息。
处理器601可响应于由存储器602存储和检索并由处理器模块601执行的数据606和程序604的程序代码指令而对信号数据606执行数字信号处理。程序604的代码部分可符合诸如Assembly、C++、JAVA或多种其他语言的多种不同编程语言中的任一种。处理器模块601形成通用计算机，该通用计算机在执行诸如程序代码604的程序时成为专用计算机。尽管程序代码604在本文中被描述为在软件中实现并在通用计算机上执行，但是本领域技术人员将认识到，任务管理的方法能够可选地使用诸如专用集成电路(ASIC)或其他硬件电路的硬件来实现。因此，应理解，本发明的实施方案可全部或部分地在软件、硬件或两者的某种组合中实现。
程序代码可包括一个或多个指令，该一个或多个指令在被执行时致使设备600执行图3的方法300和/或图4的方法400。此类指令可致使设备至少确定扬声器系统中的多个扬声器的扬声器位置、确定房间内的用户的用户位置以及相对于扬声器位置中的对应一个基于房间中的用户位置来修改要传输到多个扬声器中的每一个的音频信号。程序代码604还可包括关于针对多个扬声器中的每一个的音频信号的最佳修改的一个或多个指令，以包括消除房间内的用户位置的位置影响。
尽管以上是本发明的优选实施方案的完整描述，但是使用各种替代、修改和等同物是可能的。因此，本发明的范围不应参考以上描述确定，而是应替代地参考随附权利要求以及其完整范围的等效物来确定。本文所述的任何特征(不论是否优选)可与本文所述的任何其他特征(不论是否优选)组合。在所附的权利要求中，除非另有明确陈述，否则不定冠词“一个(A/An)”是指冠词后面跟随的物品的一项或多项的数量。随附权利要求不应被理解为包括手段加功能限制，除非这种限制在给定的权利要求中使用短语“用于……的手段”来明确陈述。

Claims (12)

1.一种用于扬声器系统中的声音的定位的方法，所述方法包括：
a) 确定扬声器系统中的多个扬声器的扬声器位置，其中确定所述扬声器位置包括：
使用用户握持的控制器中包括的至少两个麦克风来确定所述至少两个麦克风与所述多个扬声器中的每一个之间的距离；
使用独立分量分析以从在所述至少两个麦克风处接收到的声音的混合确定原始信号以及计算每个原始信号相对于所述至少两个麦克风的位置；
将每个原始信号的所述计算的位置与已知的扬声器通道配置相关；
b) 使用所述控制器中包括的传感器确定房间内的所述用户的用户位置；
c) 基于所述至少两个麦克风和所述多个扬声器中的每一个扬声器之间的距离来确定所述房间的尺寸；
d) 相对于所述扬声器位置中的对应一个基于所述房间中的所述用户位置和所述房间的尺寸来修改要由所述多个扬声器中的每一个传输的音频信号；以及
e) 检测来自第二控制器的信号以检测第二用户，并且响应于检测到所述第二用户而消除在d)中进行的所述修改，
其中修改要由所述多个扬声器中的每一个传输的所述音频信号包括消除所述房间内的所述用户位置的位置影响；并且
其中修改要传输到所述多个扬声器中的每一个的音频信号包括基于所述用户位置和所述房间的尺寸来改变要传输的所述音频信号的信号延迟时间和信号幅度。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述房间内的所述用户位置包括所述用户的头部的位置和/或定向。
3.如权利要求1所述的方法，其中确定所述用户位置包括使用安装在所述用户身上的至少一个加速度计和/或陀螺仪传感器。
4.如权利要求1所述的方法，其中确定所述用户位置包括使用联接到附着到所述用户身上的物体的至少一个加速度计和/或陀螺仪传感器。
5.如权利要求1所述的方法，其中确定所述用户位置包括使用图像捕获单元来检测一个或多个光源的位置。
6.如权利要求1所述的方法，其中确定所述扬声器位置包括用图像捕获单元获得包含所述扬声器的房间的图像并分析所述图像。
7.一种非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质上嵌入有指令，其中所述指令在被执行时致使处理器执行用于扬声器系统中的声音的定位的方法，所述方法包括：
a) 确定扬声器系统中的多个扬声器的扬声器位置，其中确定所述扬声器位置包括：
使用用户握持的控制器中包括的至少两个麦克风来确定所述至少两个麦克风与所述多个扬声器中的每一个之间的距离；
使用独立分量分析以从在所述至少两个麦克风处接收到的声音的混合确定原始信号以及计算每个原始信号相对于所述至少两个麦克风的位置；
将每个原始信号的所述计算的位置与已知的扬声器通道配置相关；
b) 使用所述控制器中包括的传感器确定房间内的所述用户的用户位置；
c) 基于所述至少两个麦克风和所述多个扬声器中的每一个扬声器之间的距离来确定所述房间的尺寸；以及
d) 相对于所述扬声器位置中的对应一个基于所述房间中的所述用户位置和所述房间的尺寸来修改要由所述多个扬声器中的每一个传输的音频信号；以及
e) 检测来自第二控制器的信号以检测第二用户，并且响应于检测到所述第二用户而消除在d)中进行的所述修改，
其中修改要由所述多个扬声器中的每一个传输的所述音频信号包括消除所述房间内的所述用户位置的位置影响；并且
其中修改要传输到所述多个扬声器中的每一个的音频信号包括所述用户位置和所述房间的尺寸来改变要传输的所述音频信号的信号延迟时间和信号幅度。
8.如权利要求7所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述用户位置包括所述用户的头部的位置和/或定向。
9.如权利要求7所述的非暂时性计算机可读介质，其中确定所述用户位置包括使用安装在所述用户身上的至少一个加速度计和/或陀螺仪传感器。
10.如权利要求7所述的非暂时性计算机可读介质，其中确定所述用户位置包括使用联接到附着到所述用户身上的物体的至少一个加速度计和/或陀螺仪传感器。
11.如权利要求7所述的非暂时性计算机可读介质，其中确定所述用户位置包括使用图像捕获单元来检测一个或多个光源的位置。
12.如权利要求7所述的非暂时性计算机可读介质，其中确定所述扬声器位置包括将参考图像投影到所述房间中以及用图像捕获单元检测所述参考图像。
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