CN113196805B - 用于获得及再现双声道录音的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种向具有头部(38)的收听者(34)提供双声道录音的方法，应用于听力系统(12)，其中，双声道录音是使用听力装置(36)来收听的，并且双声道录音由用于收听者的左耳的左耳双声道信号(34)和用于收听者的右耳的右耳双声道信号(34)组成，该方法包括以下方法步骤：确定头部取向(18)；相对于头部取向(18)确定双声道录音的声源方向(24)；检测头部取向(28)向新的头部取向(30)的变化；考虑双声道录音的声源方向(24)和新的头部取向(30)来调整双声道录音。本发明还提供了一种用于录制双声道录音的方法，应用于听力系统(12)，其中，双声道录音是使用录音者(10)的头部(20)上携带的录音装置(14)来录制的，该方法包括与上述方法相同的方法步骤。本发明还提供了上述方法的组合。此外，本发明提供了配置成执行上述方法的听力系统(12)。

Description

用于获得及再现双声道录音的方法
听众擅长于在方向和距离上识别检测到的声音的位置或声源。为此，人们通过获取源自于一只耳朵的信息(单声道信息)，并通过比较在两只耳朵处收到的信息(差异信息或双声道信息)来估算声源的位置。这些信息包括两只耳朵之间的时间及电平差异、频谱信息、时序分析、相关性分析和模式匹配。
头部相关传递函数(head-related transfer function,HRTF)是一种响应，该响应表征了耳朵如何从空间中的某个点接收声音。当声音遇到收听者时，头部、耳朵、耳道的大小和形状、头部的密度都会改变声音并影响声音的感知方式，从而提高某些频率并使其他频率衰减。HRTF可能在人与人之间显著不同。用于两只耳朵的一对HRTF可以用于合成似乎来自空间中的特定点的双声道声音。因此，对于使用耳机收听双声道录音的收听者而言，会产生3D立体声音感，而收听者感知到的是如收听者实际上在有声源的房间里所感知到的声音。
用人工头部或入耳式麦克风制作并用耳机回放的双声道录音是一种成熟的技术，该技术可以捕获及重现人类在声学场景中感知到的许多空间信息。然而，在普通的头戴式电话收听的情况下，信号不会随着头部运动而改变，使得声学场景中的声源似乎会随着收听者的头部旋转，从而削弱了听觉体验。这样的效果是，收听者在定位声源方面遇到问题，并且将声源感知为位于头部内部。
当使用两个扬声器回放双声道录音时，一个扬声器的信号也会被对侧耳朵听到(串扰)，从而降低了双声道录音的预期效果。因此，可以使用串扰消除滤波器来减轻这种影响并建立逼真的音感。原则上，串扰消除方法采用左扬声器的一部分信号并将其馈送至右扬声器的信号，以使左扬声器的一部分信号与右扬声器的信号相结合，使得消除由左耳听到的左扬声器的一部分信号，并且采用右扬声器的一部分信号并将其馈送至左扬声器的信号，以使右扬声器的一部分信号与左扬声器的信号相结合，使得消除由右耳听到的右扬声器的一部分信号。然而，类似于耳机收听，信号不会随着收听者的头部运动而改变，考虑到收听体验，这会导致相当的不利影响。
此外，如果双声道录音是用入耳式麦克风进行的，则录音者在录音时的头部运动会结合在双声道录音中。因此，由于这种双声道录音被认为不是静态的，所以这种双声道录音的收听者在定位声源方面遇到问题。
US 9,848,273 B1描述了一种听力系统，该听力系统包括配置成由用户佩戴的一个或更多个听力装置。每个听力装置包括信号源，该信号源提供表示虚拟源的声音的输入电信号。滤波器实现头部相关传递函数(HRTF)，以将与虚拟源的虚拟位置相关联的空间化信息添加至电信号，并输出包括空间化信息的经滤波的电信号。
US 7,333,622 B2描述了一种用于捕获及再现实况或录音的三维声音的不同方法。该方法采用若干麦克风、头部跟踪器和特殊的信号处理程序来组合由麦克风拾取的信号。
本发明的目的是为收听者创造出对双声道录音更加真实且改善的听觉体验。特别地，本发明的目的是克服现有技术的局限性，即有限的声源定位以及外部化的缺乏，即将声源感知为在收听者的头部内部。
该目的通过独立权利要求来实现。在从属权利要求中给出了有利的实施方式。
特别地，本发明提供了一种方法，该方法应用于听力系统，用于向具有头部的收听者提供双声道录音，其中，双声道录音是使用听力装置收听的，并且双声道录音由预期用于收听者的左耳的左耳双声道信号以及预期用于收听者的右耳的右耳双声道信号组成，该方法包括以下方法步骤：确定头部取向；相对于头部取向确定双声道录音的声源方向；检测头部取向向新的头部取向的变化；以及考虑双声道录音的声源方向和新的头部取向来调整双声道录音。简而言之，该方法确定收听者的头部的取向和取向变化并相应地调整双声道录音。
本发明还提供了一种用于录制双声道录音的方法，应用于听力系统，其中，双声道录音是使用录音者的头部上携带的录音装置来录制的，并且双声道录音由录音装置在录音者的左耳附近和/或在录音者的左耳处所接收的左耳双声道信号以及录音装置在录音者的右耳附近和/或在录音者的右耳处所接收的右耳双声道信号组成，该方法包括以下方法步骤：确定头部取向；相对于头部取向确定双声道录音的声源方向；检测头部取向向新的头部取向的变化；以及考虑双声道录音的声源方向和新的头部取向来调整双声道录音。简而言之，该方法确定录音者的头部的取向和取向变化并相应地调整双声道录音。
此外，本发明还提供了一种用于向收听者提供双声道录音的方法，其中，通过前述的第二种方法录制双声道录音，并且通过前述的第一种方法来向收听者提供双声道录音。换言之，该方法是上述方法的组合。
本发明的基本思想是分析双声道录音以确定原始场景中的声源方向。然后，在考虑声源方向的情况下，修改双声道录音，以考虑收听者和/或录音者的头部取向变化。
可以将这种基本思想结合到收听双声道录音的过程中，从而带来更真实、更改善的收听体验。对于收听者而言，即使收听者在收听的同时移动头部，感知到的声源方向仍相对于环境是固定的。因此，改善了双声道录音的声源定位、外部化和真实性。
此外，该基本思想可以结合到使用在录音者的头部上携带的录音装置来录制双声道录音的过程中。替代性地，录音装置也可以被携带在可移动和/或可旋转的虚拟头部上。在这种情况下，该方法提供了消除录音者的头部的运动和/或旋转的痕迹或伴随的方法。对于这样的双声道录音的收听者而言，即使录音者在录音的同时移动了录音者的头部/虚拟头部，感知到的声源方向仍相对于环境是固定的。这改善了收听体验。此外，该方法为更简单且更便宜的双声道录音技术铺平了道路。
也可以将基本思想结合到录制双声道录音的过程以及收听双声道录音的过程中，因此结合了两个优点。即使使用了简单且便宜的录音技术，也可以产生改进的且更逼真的收听体验。
该方法在计算方面是简单的，并且可以实时应用。由于上述方法在正录音的时刻和/或在收听者正收听双声道的时刻调整双声道录音，因此该方法不会引起录音过程与收听过程之间的特殊的信号处理或存储技术。在录制与收听之间不需要特殊的声卡、数据格式、软件和/或计算机平台。双声道录音可以以常见的立体声格式、例如MP3存储，可以在常见电子设备如智能手机或其他存储介质—如USB闪存驱动器、存储卡或光盘—上使用。因此，也可以经由网站和/或服务器共享双声道录音。此外，上述方法不需要特殊的录音技术，特殊的录音技术包括具有用于在录音期间对声场进行采样的多于两个的麦克风的麦克风阵列。因此，上述方法易于应用并且不会产生额外的成本。上述方法实现改善的收听体验。收听体验是收听者感知声音的一种方式。其可以涉及确定声源的位置。收听者的大脑利用两只耳朵之间在响度、音调和定时方面的细微差异以允许对声源的定位。与在听力装置—如耳机或立体声音响—上听音乐会的录音相比，通常更喜欢真实环境中的收听体验、如在音乐厅听音乐会。
根据本发明的收听者可以是收听声音—例如，音乐、语音或噪音—的任何种类的人。
双声道录音是声音信号的录音，在收听双声道录音时会产生逼真的收听体验。逼真的收听体验可以包括对声源的定位。根据本发明的双声道录音可以是任何种类的声音的录音。例如，根据本发明的双声道录音可以是音乐如音乐会的录音录制、语音如有声读物或电话会议、噪音或其组合，如电影的配音。
双声道录音由左耳双声道信号和右耳双声道信号组成。双声道录音可以通过收听者的头部上携带的听力装置来收听。因此，可以为收听者的右耳和左耳提供不同的声音信号，从而允许收听者感知现实的收听体验。收听者的头部上携带的典型的听力装置是耳机、耳塞、入耳式或挂耳式电话等。听力装置也可以是头戴式耳机、例如用于电话的头戴式耳机的一部分，或者是虚拟现实头戴式耳机的一部分。此外，可以通过使用串扰消除滤波器的扬声器收听双声道录音。串扰消除滤波器可以直接应用于双声道录音。在收听双声道录音时，左耳双声道信号是被馈送至左扬声器和/或收听者的左耳附近的耳塞的信号，因此左耳双声道信号用于收听者的左耳。右耳双声道信号是被馈送至右扬声器和/或收听者的右耳附近的耳塞的信号，因此右耳双声道信号用于收听者的右耳。
双声道录音可以通过不同的双声道录音技术，例如使用虚拟头部、杰克林盘(jecklin disc)和/或一对入耳式或挂耳式麦克风来产生。根据本发明，不必使用具有多于两个的麦克风的特殊的录音技术。在录制双声道录音时，左耳双声道信号是由录音装置在录音者或虚拟头部的左耳附近和/或左耳处或者从杰克林盘的左侧麦克风接收的信号。右耳双声道信号是由录音装置在录音者或虚拟头部的右耳附近和/或右耳处或者从杰克林盘的右侧麦克风接收的信号。
根据本发明的录音者可以是通过录音者的头部上携带的录音装置来录制双声道录音的任何类型的人。根据本发明的录音者也可以是附有录音装置的虚拟头部，或者是具有两个麦克风的杰克林盘。虚拟头部或杰克林盘可以安装在三脚架、机架或旋转装置上。重要特征在于：录音者的头部或虚拟头部/杰克林盘上的录音装置可以与头部一起移动和/或旋转。在虚拟头部或杰克林盘的情况下，可以通过分别使虚拟头部或杰克林盘移位或旋转来实现旋转/运动。
录音者的头部携带的典型的录音装置是入耳式或挂耳式麦克风。录音装置也可以是摄像机的一部分，该摄像机安装在虚拟头部上和/或安装在安装有虚拟头部的三脚架上。替代性地，可以在杰克林盘的每一侧使用两个麦克风。
根据本发明，头部取向是在收听时收听者的头部的取向和/或在录音时录音者的头部、虚拟头部或杰克林盘的取向。取向可以指头部相对于头部的外部环境或相对于另一参考系的任何轴线。优选地，头部取向是与头部的耳间连接垂直的轴线的取向。对于人的头部而言，该轴线对应于视线。对于虚拟头部和杰克林盘，耳间连接是指用于录制的两个麦克风之间的连接。
声源方向是声源的方向。在录制双声道录音时，环境中的声源方向对应于双声道录音的声源方向。在收听双声道录音时，声源方向是声音的感知方向。声源方向可以是单个声源的方向，其中，只有一个声源正发出声音。声源方向也可以是多声源场景的组合方向，其中，多个声源正发出声音。通常，声源能够独立于收听者和/或录音者放置。因此，声源可以在收听者和/或录音者的后面、在收听者和/或录音者的旁边或者在收听者和/或录音者的前面。
优选地，声源在收听者和/或录音者的前面。
该方法包括确定头部取向的步骤。该头部取向可以是相对于收听者或录音者的外部环境的取向。然而，确定头部取向的步骤也可以是对头部的内部参考系的定义。优选地，初始头部取向限定原点。可以相对于该取向测量所有其他头部取向。替代性地，在特定时间间隔内不同头部取向的平均值可以用来定义原点。
在该方法的另一步骤中，相对于头部取向确定双声道录音的声源方向。在收听者的情况下，声源方向是感知到的声源方向。在录音者的情况下，双声道录音的声源方向对应于环境中的声源方向。可以通过分析双声道录音来确定双声道录音的声源方向。对声源方向的确定与是否知晓录音者的环境或收听者的环境无关。在该步骤之后，相对于头部取向的声源方向是已知的。
然后，该方法检测头部取向向新的头部取向的变化。通常，这可以是改变的小变化，也可以是大变化。变化可以是快速的也可以是缓慢的。头部取向的变化可以在每个方向上发生。在经过固定的时间间隔段之后，可以通过测量头部取向来检测变化。在该步骤之后，相对于头部的内部参考系的头部取向的变化量和新的头部取向是已知的。替代性地或附加地，相对于先前头部取向的头部取向的变化量和新的头部取向是已知的。在该步骤之后，相对于外部参考系的头部取向的变化量和新的头部取向也是已知的。
在进一步的步骤中，该方法考虑到双声道录音的声源方向和新的头部取向来调整双声道录音。该步骤的作用是根据头部的运动和已确定的声源方向来修改双声道录音。
在录音过程中执行这些步骤的情况下，效果如下：如果录音者在录音的同时正移动其头部，或者如果携带录音装置的虚拟头部在录音的同时移动，则该移动将反映在双声道录音中。该方法的最后一步允许考虑双声道录音中的这种运动。通过调整双声道录音，可以消除运动对双声道录音的影响。因此，会产生听起来像录音者的头部在录音的同时没有移动的双声道录音。
在收听过程中执行这些步骤的情况下，效果如下：在收听者移动其头部时，声音通常与头部一起移动，从而产生声音在收听者的头部内部的印象。该方法的最后一步允许考虑头部运动并将该运动反映在双声道录音中。通过调整双声道录音，可以考虑运动的影响。因此，会产生听起来像声源方向在收听者的环境中固定的双声道录音，并且确保了增强的收听体验。
根据本发明的优选实施方式，检测头部取向向新的头部取向的变化的步骤包括检测头部的旋转运动。收听者或录音者的头部原则上可以侧向移动或旋转。然而，与头部的侧向运动相比，头部的旋转对双声道录音的影响更大。优选地，头部的旋转是围绕与地面垂直的轴线的旋转。换言之，与当穿越交通繁忙的道路时或者当由于不同意而摇头时的头部的运动相当的是头部的旋转。替代性地或附加地，也可以考虑围绕另一轴线的旋转，例如头部的点头。
根据本发明的优选实施方式，相对于头部取向确定双声道录音的声源方向的步骤以及考虑双声道录音的声源方向和新的头部取向来调整双声道录音的步骤包括：查询将头部取向与针对给定声源方向的左耳双声道信号和右耳双声道信号之间的差异相关的映射表。确定双声道录音的声源方向的步骤以及考虑双声道录音的声源方向和新的头部取向来调整双声道录音的步骤都涉及查询映射表。根据本发明的映射表可以是多维表或复杂结构中的数据排列。映射表生成头部取向与双声道录音之间的链接。双声道录音由彼此不同的左耳双声道信号和右耳双声道信号组成。左耳双声道信号和右耳双声道信号彼此不同的方式取决于头部相对于声源方向的取向。该信息可以存储在映射表中。映射表可以提供与幅度或电平差(称为耳间电平差的
Figure BDA0003018240290000051
)、和/或相位差(称为耳间相位差
Figure BDA0003018240290000052
)有关的信息。因此，映射表允许对相对于头部取向的声源方向的确定与是否知晓录音者的环境或收听者的环境无关。其仅涉及双声道录音和映射表。
为此，根据本发明的优选实施方式，相对于收听者或录音者的头部取向确定双声道录音的声源方向的步骤包括：确定左耳双声道信号与右双声道耳信号之间的差异；以及将此差异与映射表进行比较，该映射表将头部取向与针对给定声源方向的左耳双声道信号和右耳双声道信号之间的差异相关。为了确定声源方向，该方法确定左耳双声道信号与右耳双声道信号之间的差异。这可以是双声道录音的耳间电平差(ILD)和/或双声道录音的耳间相位差(IPD)。然后可以将该差异与映射表中的
Figure BDA0003018240290000061
和/或
Figure BDA0003018240290000062
进行比较。由此，可以实现对声源方向的确定。优选地，对声源方向的这种确定涉及最小化方法，其中，确定映射表中的最适配双声道录音的ILD和/或IPD的
Figure BDA0003018240290000063
和/或
Figure BDA00030182402900000625
这允许快速且可靠地确定声源方向。
考虑双声道录音的声源方向和新的头部取向来调整双声道录音的步骤优选地涉及查询映射表。为此，根据本发明的优选实施方式，考虑双声道录音的声源方向和新的头部取向来调整双声道录音的步骤包括：相对于双声道录音的声源方向确定新的头部取向；以及将该头部取向的值与映射表进行比较，该映射表将头部取向与针对给定声源方向的左耳双声道信号和右耳双声道信号之间的差异相关。为了确定双声道录音的调整方式以考虑录音者或收听者的头部的运动，相对于双声道录音的声源方向确定新的头部取向。然后可以将该值与映射表进行比较，以确定对双声道录音的调整方式。映射表可以包含针对不同头部取向的
Figure BDA0003018240290000065
和/或
Figure BDA00030182402900000626
因此包含与如何调整双声道录音以考虑头部运动有关的信息。
根据本发明的优选实施方式，将头部取向与针对给定声源方向的左耳双声道信号和右耳双声道信号之间的差异相关的映射表将头部取向与针对左耳双声道信号和右耳双声道信号的一频率范围以及针对给定声源方向的左耳双声道信号与右耳双声道信号之间的幅度差和/或相位差相关。优选地，映射表建立头部取向与左耳双声道信号和右耳双声道信号之间的幅度差
Figure BDA0003018240290000067
和/或相位差
Figure BDA0003018240290000068
之间的链接。优选地，映射表包含信息
Figure BDA0003018240290000069
和
Figure BDA00030182402900000610
两者，从而允许更好地确定声源方向并且还更好地调整双声道录音。对于双声道耳信号的不同频率，
Figure BDA00030182402900000611
和/或
Figure BDA00030182402900000612
可以是不同的，因此，映射表包含一定频率范围(例如从10Hz到20kHz)的
Figure BDA00030182402900000613
和/或
Figure BDA00030182402900000627
以覆盖大多数人的声音范围。映射表包含作为针对给定声源方向的头部取向的函数的
Figure BDA00030182402900000615
和/或
Figure BDA00030182402900000628
可以相对于收听者或录音者的头部的内部参考系来给出声源方向。例如，映射表可以是针对0度的声源方向，这意味着声源与头部的内部参考系的原点重合。对于接近0度的头部取向，映射表中的
Figure BDA00030182402900000617
和/或
Figure BDA00030182402900000618
的值较小。对于0度的头部取向，
Figure BDA00030182402900000619
和/或
Figure BDA00030182402900000620
的值是零。这意味着，在考虑新的头部取向来调整双声道录音的步骤中，如果新的头部取向与在该方法的第一步骤中确定的头部取向相同，则根本不修改双声道录音。换言之，如果收听者或录音者不移动头部，则不修改双声道录音。
根据本发明的优选实施方式，将头部取向与针对给定声源方向的左耳双声道信号和右耳双声道信号之间的差异相关的映射表能够针对收听者或录音者的头部和/或收听者或录音者的耳朵和/或收听者或录音者的环境进行调整。该方法中有两个步骤涉及查询映射表。存储在映射表中的与
Figure BDA00030182402900000621
和
Figure BDA00030182402900000622
有关的信息对于确定声源方向和调整双声道录音是重要的。存储在映射表中的
Figure BDA00030182402900000623
和
Figure BDA00030182402900000624
的特定值可以通过解析球形头部模型和/或通过先前测量的头部相关传递函数来生成。可以在虚拟头部上和/或在录音者和/或收听者的头部上实现对头部相关传递函数的测量。这提供了使映射表适配于收听者或录音者的特定的头部和/或耳朵形状的可能性。特别是外耳(耳廓)的形状是重要的，并且影响对声音的感知。因此，如果映射表中的信息特别适配于收听者或录音者，则收听体验将大大改善。也可以使映射表适配于收听者或录音者的环境，从而实现更逼真的收听体验。
本发明还提供一种配置成执行上述方法的听力系统，该听力系统包括：听力装置和/或录音装置；以及头部运动跟踪装置，该头部运动跟踪装置配置成确定收听者和/或录音者的头部取向和/或头部取向的变化。听力装置可以是适合于收听双声道录音的任何种类的听力装置。例如，听力装置是应用串扰消除滤波器的扬声器、耳机、耳塞、入耳式或挂耳式电话。录音装置可以是可以在录音者的右耳和左耳附近和/或在右耳和左耳处录制不同声音信号的任何种类的录音装置。录音者可以是附有录音装置的人或虚拟头部，或者是带有两个麦克风的杰克林盘。例如，录音装置是入耳式或挂耳式麦克风。替代性地，录音装置是安装在虚拟头部上的摄像机的一部分，或者录音装置由杰克林盘的两侧上的两个麦克风组成。
听力系统还包括头部运动跟踪装置。例如，头部运动跟踪装置可以是6自由度电磁跟踪系统、消费者虚拟现实耳机或基于惯性测量单元的跟踪装置。也可以使用光学头部运动跟踪装置，例如摄像机或一组摄像机。头部运动跟踪装置中的一些头部运动跟踪装置确定绝对位置，通过该绝对位置可以计算出头部的取向，而另一些头部运动跟踪装置确定头部的取向。头部运动跟踪装置也可以是声学头部跟踪装置。
声学头部跟踪装置由具有若干麦克风的头戴式麦克风阵列组成。优选地，该阵列具有四个麦克风，四个麦克风定位成位于四面体的顶点上。声学头部跟踪装置在声学域中跟踪头部的运动，这意味着声学头部跟踪装置使用由麦克风接收的声学信号的差异来确定头部方向。声学信号的差异可以是麦克风的不同信号之间的时间延迟。连同与麦克风阵列的几何结构有关的信息一起，可以确定声学信号的声源位置和头部取向。
根据本发明的优选实施方式，听力装置和/或录音装置配置成由收听者和/或录音者佩戴。听力装置可以是可以由收听者佩戴的任何种类的听力装置，并且可以为收听者的右耳和左耳提供不同的声音信号。例如，听力装置是耳机、耳塞、入耳式或挂耳式电话。录音设备的示例是入耳式或挂耳式麦克风。录音装置和听力装置也可以集成在同一装置中。此外，录音者和收听者可以是同一个人。
根据本发明的优选实施方式，听力系统包括用于存储映射表的存储装置，该映射表将头部取向与针对给定声源方向的左耳双声道信号和右耳双声道信号之间的差异相关。前述方法中有两个步骤可能涉及查询映射表。存储在映射表中的与
Figure BDA0003018240290000071
和
Figure BDA0003018240290000072
有关的信息可以用于确定声源方向和调整双声道录音。因此，听力系统包括用于存储该映射表的存储装置。也可以存储若干不同的映射表。使用听力系统，不同的映射表可以特定于收听者和/或录音者。替代性地或附加地，不同的映射表可以特定于录制和/或收听双声道录音的不同环境。映射表也可以存储在服务器上，并且听力系统经由无线通信技术连接至该服务器。
参考下文描述的实施方式，本发明的这些及其他方面将变得显而易见并得以阐明。实施方式中公开的各个特征可以单独地或组合地构成本发明的一方面。不同实施方式的特征可以从一个实施方式延续至另一实施方式。
在附图中：
图1示出了根据本发明的优选实施方式的方法的步骤的流程图；
图2示出了根据本发明的优选实施方式的具有录音装置的录音者，录音装置录制具有两种不同头部取向的双声道录音；
图3示出了根据本发明的优选实施方式的具有听力装置的收听者，听力装置收听具有两种不同头部取向的双声道录音；
图4示出了根据本发明的优选实施方式的方法的功能图；以及
图5示出了根据本发明的优选实施方式的两个不同的映射表的图示。
图1示出了根据本发明的优选实施方式的方法步骤流程图，该方法应用于听力系统中，用于向收听者提供双声道录音。此外，图1示出了根据本发明的优选实施方式的应用于听力系统中的用于录制双声道录音的方法步骤。两种方法的步骤是相同的，独立于在收听双声道录音的过程中的结合或在录制双声道录音的过程中的结合。
图2示出了根据本发明的优选实施方式的具有听力系统12的录音者10。听力系统12包括录音装置14，在本发明的该实施方式中，录音装置14是具有两个入耳式麦克风的头戴式耳机。结合在头戴式耳机中的是头部跟踪装置16，头部跟踪装置16配置成确定录音者10的头部20的取向18。录音者10正处于利用听力系统12录制由声源22发出的声音的双声道录音的过程中。图2中的录音者10具有头部20的两个不同取向。
在下文中，将参考图1中的流程图和图2中的录音者10简要描述用于录制双声道录音的方法的各个步骤。
该方法的第一步骤S100是确定录音者10的头部20的取向18。图2的左侧示出了录音者10的头部20的取向18。在本发明的该优选实施方式中，取向18定义了参考系的原点并且因此为零度。
在该方法的下一步骤S200中，相对于录音者10的头部取向18确定双声道录音的声源方向24。声源方向24是朝向声源22的方向。无需知晓录音者10的环境，通过分析双声道录音来确定声源方向24。在该步骤之后，录音者10的头部20的取向18与声源方向24之间的角度26是已知的。
在该方法的另一步骤S300中，检测到头部取向28的改变。头部取向28的这种改变导致录音者10的头部20的新的取向30。录音者10的头部20的该新的方向30在图2的右侧示出。
在该方法的最后步骤S400中，考虑双声道录音的声源方向24和新的头部取向30来调整双声道录音。因此，此步骤涉及确定新的头部取向30与声源方向24之间的角度32。
图3示出了根据本发明的另一优选实施方式的具有听力系统12的收听者34。听力系统12包括听力装置36，听力装置36在本发明的该实施方式中为头戴式耳机。结合到头戴式耳机中的是头部跟踪装置16，头部跟踪装置16配置成确定收听者34的头部38的取向18。收听者34正处于收听双声道录音的过程中。图3中的收听者34具有头部38的两个不同取向。
在下文中，将参考图1中的流程图、图3中的收听者34、图4中的功能图和图5中的映射表来描述向收听者34提供双声道录音的方法的各个步骤。
在方法的第一步骤S100中确定收听者34的头部38的取向18之后，如图3的左侧所示，在下一步骤S200中，相对于收听者34的头部取向18确定双声道录音的声源方向24。声源方向24是朝向感知到的声源22的方向。声源方向24是通过分析双声道录音而确定的。
参照图4，出于分析双声道录音的目的，首先通过离散傅立叶变换(DFT)将用于收听者34的左耳的时域信号x1(k)和用于收听者34的右耳的时域信号xr(k)转换为频域信号。频域中的信号表示为Xr(λ，μ)和Xl(λ，μ)。
分析涉及确定双声道录音的耳间电平差(ILD)和耳间相位差(IPD)：
Figure BDA0003018240290000091
Figure BDA0003018240290000092
其中，Xr，l(λ，μ)表示在时间点λ处在频率区间(bin)μ中的双声道耳信号。
可以将ILD(λ，μ)和IPD(λ，μ)与映射表40中的
Figure BDA0003018240290000093
和
Figure BDA0003018240290000094
进行比较。
参照图5，映射表40建立头部取向18、30与幅度差
Figure BDA0003018240290000095
和相位差
Figure BDA0003018240290000096
之间的链接。可以通过解析球形头部模型和/或通过先前测量的头部相关传递函数(HRTF)来生成存储在映射表40中的用于
Figure BDA0003018240290000097
和
Figure BDA0003018240290000098
的特定值。HRTF描述了取决于声音入射方向通过收听者34的头部38和/或耳朵对信号的修改：
Xl(λ，μ)＝Hl(λ，μ)·S(λ，μ)
Xr(λ，μ)＝Hr(λ，μ)·S(λ，μ)，
其中，Hi(λ，μ)和i∈{l，r}代表左耳和右耳的HRTF，可以将HRTF分为幅度分量和相位分量：
Figure BDA0003018240290000101
映射表40包含测量和/或分析计算出的HRTF的信息，其作为
Figure BDA00030182402900001014
即头部的取向18、30与声源方向24之间的角度的函数：
Figure BDA0003018240290000102
Figure BDA0003018240290000103
不仅所得的
Figure BDA0003018240290000106
和
Figure BDA0003018240290000107
可以存储在映射表40中，而且HRTF也可以存储在映射表40中。
图5示出了映射表40的两个示例。左侧是根据测量的HRTF确定的
Figure BDA0003018240290000108
(顶部)和
Figure BDA0003018240290000109
(底部)。右侧是根据分析模型确定的
Figure BDA00030182402900001010
(顶部)和
Figure BDA00030182402900001011
(底部)。
对声源方向24的确定S200涉及最小化方法，其中，确定映射表40中的最适配双声道录音的ILD和IPD的
Figure BDA00030182402900001012
和
Figure BDA00030182402900001015
特别地，最小化具有以下形式：
Figure BDA0003018240290000104
其中，
Figure BDA0003018240290000105
对应于收听者34的头部38的取向18与声源方向24之间的角度26。
在该方法的另一步骤S300中，检测到头部取向28向收听者34的头部38的新的取向30的变化。因此，新的头部取向30与声源方向24之间的角度32是已知的。在图3的右侧示出了收听者34的头部38的新的取向30。
在该方法的最后步骤S400中，考虑双声道录音的声源方向24和新的头部取向30来调整双声道录音。由此，还查询映射表40。双声道录音修改如下：
Yi(λ，μ)＝Xi(λ，μ)·Gi(λ，μ)，
其中，Gi(λ，μ)是复数系数，其根据以下公式操纵双声道录音Xi(λ，μ)的ILD和IPD：
Figure BDA0003018240290000111
相位修改为：
Figure BDA0003018240290000112
Figure BDA0003018240290000113
其中，ΔIPD(λ，μ)的值是通过查询映射表40来确定的：
Figure BDA0003018240290000114
φdest表示在方法的前一步骤(S300)中确定的新的头部取向30与声源方向24之间的角度32。
复数系数的大小修改了双声道录音的ILD，并根据下式通过映射表中的HRTF直接获得：
Figure BDA0003018240290000115
对于较小的
Figure BDA0003018240290000116
值，修改的变化性较小，并且对于
Figure BDA0003018240290000117
信号完全不被修改。
在调整双声道信号之后，通过应用离散傅立叶逆变换(IDFT)将修改后的信号Yi(λ，μ)变换回时域。
附图标记
10 录音者
12 听力系统
14 录音装置
16 头部跟踪装置
18 头部的取向
20 录音者的头部
22 声源
24 声源方向
26 头部取向与声源方向之间的角度
28 头部取向的变化
30 新的头部取向
32 新的头部取向与声源方向之间的角度
34 收听者
36 听力装置
38 收听者的头部
40 映射表

Claims (18)

1.一种用于向具有头部(38)的收听者(34)提供双声道录音的方法，应用于听力系统(12)，其中，所述双声道录音是使用听力装置(36)收听的，并且其中，所述双声道录音由用于所述收听者(34)的左耳的左耳双声道信号和用于所述收听者(34)的右耳的右耳双声道信号组成，所述方法包括以下方法步骤：
向所述听力系统(12)提供双声道录音，所述双声道录音由所述左耳双声道信号和所述右耳双声道信号组成；
确定所述收听者(34)的头部取向(18)，
通过分析所提供的双声道录音，相对于所述头部取向(18)确定所提供的所述双声道录音的声源方向(24)，
检测所述头部取向(18)向新的头部取向(30)的变化，以及
基于所述新的头部取向(30)与针对给定声源方向(24)的左耳双声道信号和右耳双声道信号之间的差异之间的关系并考虑所确定的所述双声道录音的声源方向(24)和所检测的所述新的头部取向(30)与所确定的声源方向(24)之间的角度
Figure FDA0003975720340000011
来调整所提供的所述双声道录音。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，检测所述头部取向(18)向新的头部取向(30)的变化的步骤包括检测所述头部(38)的旋转运动。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，相对于所述头部取向(18)确定所提供的所述双声道录音的声源方向(24)的步骤以及考虑所确定的所述双声道录音的声源方向(24)和所检测的所述新的头部取向(30)来调整所提供的所述双声道录音的步骤包括查询映射表(40)，所述映射表将所述头部取向(18、30)与针对给定声源方向(24)的所述左耳双声道信号和所述右耳双声道信号之间的差异相关。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，相对于所述头部取向(18)确定所提供的所述双声道录音的声源方向(24)的步骤包括确定所述左耳双声道信号与所述右耳双声道信号之间的差异并将该差异与映射表(40)进行比较，所述映射表将所述头部取向(18、30)与针对给定声源方向(24)的所述左耳双声道信号与所述右耳双声道信号之间的差异相关。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，考虑所确定的所述双声道录音的声源方向(24)和所检测的所述新的头部取向(30)来调整所提供的所述双声道录音的步骤包括相对于所述双声道录音的声源方向(24)确定所述新的头部取向(30)并将此头部取向的值与映射表(40)进行比较，所述映射表将所述头部取向(18、30) 与针对给定声源方向(24)的所述左耳双声道信号与右耳双声道信号之间的差异相关。
6.根据权利要求3至5中的任一项所述的方法，其特征在于，将所述头部取向(18、30)与针对给定声源方向(24)的所述左耳双声道信号与所述右耳双声道信号之间的差异相关的所述映射表(40)将所述头部取向(18、30)与针对所述右耳双声道信号和所述左耳双声道信号的一频率范围以及针对给定声源方向(24)的、所述左耳双声道信号与所述右耳双声道信号之间的幅度差和/或相位差相关。
7.根据权利要求3至5中的任一项所述的方法，其特征在于，将所述头部取向(18、30)与针对给定声源方向(24)的所述左耳双声道信号与所述右耳双声道信号之间的差异相关的所述映射表(40)能够针对所述收听者(34)的所述头部(38)和/或所述收听者(34)的耳朵和/或所述收听者(34)的环境进行调整。
8.一种用于录制双声道录音的方法，应用于听力系统(12)，其中，所述方法包括以下方法步骤：
由录音者(10)的头部(20)上携带的录音装置(14)录制双声道录音,所述双声道录音由左耳双声道信号和右耳双声道信号组成，其中所述左耳双声道信号由所述录音装置(14)在所述录音者(10)的左耳附近和/或在所述录音者(10)的左耳处接收到，所述右耳双声道信号由所述录音装置(14)在所述录音者(10)的右耳处和/或所述录音者(10)的右耳附近接收到，
确定所述录音者(10)的头部取向(18)，
通过分析所提供的双声道录音，相对于所述头部取向(18)确定所录制的所述双声道录音的声源方向(24)，
检测所述头部取向(18)向新的头部取向(30)的变化，以及
基于所述新的头部取向(30)与针对给定声源方向(24)的左耳双声道信号和右耳双声道信号之间的差异之间的关系并考虑所确定的所述双声道录音的声源方向(24)和所检测的所述新的头部取向(30)与所确定的声源方向(24)之间的角度
Figure FDA0003975720340000021
来调整所录制的所述双声道录音。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，检测所述头部取向(18)向新的头部取向(30)的变化的步骤包括检测所述头部(20)的旋转运动。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，相对于所述头部取向(18)确定所录制的所述双声道录音的声源方向(24)的步骤以及考虑所确定的所述双声道录音的声源方向(24)和所检测的所述新的头部取向(30)来调整所录制的所述双声道录音的步骤包括查询映射表(40)，所述映射表将所述头部取向(18、30)与针对给定声源方向(24)的所述左耳双声道信号和所述右耳双声道信号之间的差异相关。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，相对于所述头部取向(18)确定所录制的所述双声道录音的声源方向(24)的步骤包括确定所述左耳双声道信号与所述右耳双声道信号之间的差异并将该差异与映射表(40)进行比较，所述映射表将所述头部取向(18、30)与针对给定声源方向(24)的所述左耳双声道信号与所述右耳双声道信号之间的差异相关。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，考虑所确定的所述双声道录音的声源方向(24)和所检测的所述新的头部取向(30)来调整所录制的所述双声道录音的步骤包括相对于所述双声道录音的声源方向(24)确定所述新的头部取向(30)并将此头部取向的值与映射表(40)进行比较，所述映射表将所述头部取向(18、30)与针对给定声源方向(24)的所述左耳双声道信号与右耳双声道信号之间的差异相关。
13.根据权利要求10至12中的任一项所述的方法，其特征在于，将所述头部取向(18、30)与针对给定声源方向(24)的所述左耳双声道信号与所述右耳双声道信号之间的差异相关的所述映射表(40)将所述头部取向(18、30)与针对所述右耳双声道信号和所述左耳双声道信号的一频率范围以及针对给定声源方向(24)的、所述左耳双声道信号与所述右耳双声道信号之间的幅度差和/或相位差相关。
14.根据权利要求10至12中的任一项所述的方法，其特征在于，将所述头部取向(18、30)与针对给定声源方向(24)的所述左耳双声道信号与所述右耳双声道信号之间的差异相关的所述映射表(40)能够针对所述录音者(10)的所述头部(20)和/或所述录音者(10)的耳朵和/或所述录音者(10)的环境进行调整。
15.一种用于向收听者(34)提供双声道录音的方法，其中，所述双声道录音是通过根据权利要求8至14中任一项所述的方法来录制的，并且所述双声道录音是通过根据权利要求1至7中的任一项所述的方法向所述收听者(34)提供的。
16.一种听力系统(12)，所述听力系统(12)配置成执行根据权利要求1-7中的任一项所述的方法和/或根据权利要求8-14中的任一项所述的方法，所述听力系统(12)包括听力装置(36)和/或录音装置(14)以及头部跟踪装置(16)，所述头部跟踪装置配置成确定收听者(34)和/或录音者(10)的头部取向(18、30)和/或所述头部取向(18、30)的变化。
17.根据权利要求16所述的听力系统(12)，其特征在于，所述听力装置(36)和/或录音装置(14)配置成由收听者(34)和/或录音者(10)佩戴。
18.根据权利要求16或17所述的听力系统(12)，其特征在于，所述听力系统(12)包括用于存储映射表(40)的存储装置，所述映射表将所述头部取向(18、30) 与针对给定声源方向(24)的所述左耳双声道信号与所述右耳双声道信号之间的差异相关。
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