CN113615210A - 无上发和环绕扬声器的条形音箱中的虚拟高度和环绕效果 - Google Patents

无上发和环绕扬声器的条形音箱中的虚拟高度和环绕效果 Download PDF

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Abstract

一种用于实现虚拟高度和环绕效果的装置。所述装置至少包括输入源、处理器和前置扬声器。所述输入源在输入到所述处理器的前声道、环绕声道和高度声道上提供输入信号，其中分别对源声道中的每一个应用波束成形、声道分离和/或虚拟高度效果。在处理之后，由所述处理器输出的所有所产生输出声道排列并组合到条形音箱的现有扬声器中。

Description

无上发和环绕扬声器的条形音箱中的虚拟高度和环绕效果
技术领域
一个或多个实施方案涉及用于实现虚拟高度和环绕效果、并且更具体地用于通过在没有上发或环绕扬声器的条形音箱中的前置扬声器实现虚拟高度和环绕效果的装置和方法。
背景技术
目前在家庭影院中，电影的输入源通常包括多个声道，诸如前声道、环绕声道和高度声道。通常，前置扬声器(左、右和中)再现电影的主要内容，而其他扬声器则生成环绕声和沉浸式聆听体验。使用现有技术的扬声器产品，要实现环绕或高度效果，扬声器需要物理放置在房间中的不同位置，诸如位于房间周围和天花板上，这可增加扬声器的安装难度并降低房间的美感。即使是集成声音扬声器，为了增加高度效果，也必须在其中使用上发扬声器，这限制了扬声器设计的厚度，而且此类声音扬声器无法设计成超薄风格来满足审美趋势和实际应用。
如今，条形音箱系统因其简化的扬声器配置而广泛应用于家庭影院。然而，受大小限制，条形音箱通常仅具有前置扬声器，并且它们全部位于小腔体中。因此，声场较窄，并且沉浸式体验很少。条形音箱采用了一些数字信号处理方法，但输入声道中的每一个只是简单地混合而不是单独地处理，因此声场既不自然，也无法改进沉浸式体验。与分立的5.1/7.1声道扬声器系统不同，常规单件式条形音箱几乎听不到或甚至没有环绕效果。与之相比，常规条形音箱无法产生任何高度效果。有些条形音箱可设计为具有一些上发扬声器，但这些扬声器带来许多严格指向性要求，并且产品的外观受限。
发明内容
本公开通过提供用于通过条形音箱中的前置扬声器来实现虚拟高度和环绕效果的装置和方法克服了前述缺点中的一些。特别地，本发明中的条形音箱可包括前发扬声器或侧发扬声器，但不存在任何上发或环绕扬声器。
根据一个方面，用于通过前置扬声器实现虚拟高度和环绕效果的装置包括：输入源，所述输入源包括前声道、环绕声道和高度声道中的至少一者；处理器，所述处理器被配置为分别对来自所述输入源的前声道、环绕声道和高度声道中的所述至少一者的输入信号执行优化处理；以及前置扬声器，所述前置扬声器包括多个扬声器。在通过所述处理器处理之后，来自所述处理器的输出信号馈送到所述前置扬声器。
所述输入源的所述前声道包括左声道/右声道中的至少一者。所述输入源的所述环绕声道包括左环绕声道/右环绕声道中的至少一者。所述输入源的所述高度声道包括左高度声道/右高度声道中的至少一者。
所述处理器包括对所述左声道/右声道中的所述至少一者应用波束成形的波束成形处理器、对左环绕声道/右环绕声道中的所述至少一者应用声道分离的环绕效果处理器以及对所述左高度声道/右高度声道中的所述至少一者应用声道分离和头部相关传递函数(HRTF)两者的高度效果处理器。
替代地，所述处理器还包括用于将所有所产生的虚拟声道排列并组合到所述前置扬声器的现有多个扬声器中的声道-扬声器矩阵。
所述前置扬声器集成到不具有任何上发扬声器或环绕扬声器的条形音箱中。
替代地，所述波束成形器处理器在应用所述波束成形期间进一步应用传递函数。
替代地，所述环绕效果处理器在应用所述声道分离期间进一步应用交叉消除函数。
替代地，所述高度效果处理器即在应用所述声道分离期间进一步应用所述交叉消除函数又在应用所述头部相关传递函数(HRTF)期间应用所测量头部相关传递函数。
根据另一方面，用于通过前置扬声器实现虚拟高度和环绕效果的方法包括以下步骤：从输入源的前声道、环绕声道和高度声道中的至少一者接收输入信号；通过处理器对来自所述输入源的所述信号执行优化处理；以及将在通过所述处理器处理之后由所述处理器输出的输出信号馈送到前置扬声器。
替代地，执行所述优化处理包括对所述左声道/右声道中的所述至少一者应用传递函数，以分别产生虚拟左声道/右声道中的至少一者。
替代地，执行所述优化处理包括通过优选地设置串扰消除函数对所述左环绕声道/右环绕声道中的所述至少一者应用所述声道分离，以分别产生虚拟左环绕声道/右环绕声道中的至少一者。
替代地，执行所述优化处理包括既通过设置所述串扰消除函数对所述左高度声道/右高度声道中的所述至少一者应用所述声道分离处理又通过设置所测量头部相关传递函数对所述至少一者应用所述头部相关传递函数，以分别产生虚拟左高度声道/右高度声道中的至少一者。
替代地，通过声道-扬声器矩阵将至少所有所产生虚拟声道的所述输出信号排列并组合到所述多个扬声器。
附图说明
图1是示出根据本发明的一个实施方案的在输入源的前声道中应用波束成形的虚拟声场的示意图。
图2是示出在图1的波束成形过程中目标波束成形器在1kHz下的指向性图案的图示。
图3是示出根据本发明的另一实施方案的在前声道中应用声道分离的情况下聆听者如何将虚拟声源定位在虚拟声场中的侧面的示意图。
图4是示出当仅输入左信号时关于具有右耳与左耳处接收信号的比率的声道分离的一个示例的图示。
图5是示出根据本发明的另一实施方案的在输入源的前声道中应用虚拟高度效果的虚拟声场的示意图。
图6是用于实现本发明的虚拟高度和环绕效果的装置或方法的示例性框图。
具体实施方式
根据需要，在本文公开本发明的详细实施方案；然而，将理解，所公开的实施方案仅仅例示可以各种和替代形式体现的本发明。附图不一定按比例绘制；一些特征可被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中公开的特定结构细节和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅仅解释为教导本领域技术人员以不同方式采用本发明的代表性基础。
本发明的目的是对不同的输入源声道应用不同的优化处理，以分别产生对应虚拟声道，并且将所有所产生声道合理组合到既没有上发扬声器也没有环绕扬声器的条形音箱的现有扬声器中，使得可扩大虚拟声场并且可产生沉浸式体验。
本发明提供的扬声器仅包括前发扬声器和可能的侧发扬声器，但其中既没有上发扬声器也没有环绕扬声器，这使本发明的扬声器装置可实现为单件式条形音箱，使得条形音箱扬声器在实现虚拟环绕和虚拟高度效果的同时可以超薄形式设计。在本发明中，对每个声道都应用了最合适且有效的处理，以实现高虚拟感和小失真的声音效果。
A.输入源的前声道。
输入源的前声道通常包括左声道、右声道和中央声道。在现有技术中，来自这些声道的信号直接馈送到条形音箱中的前发扬声器，因此聆听者接收来自这些扬声器的直接声音和来自听音室墙壁的相对较低水平的声音反射。由于由聆听者接收的左声道/右声道指示声场的宽度，因此聆听者大多从具有极窄声场的前置扬声器定位声源，这几乎取决于条形音箱的长度。
参考图1-图2，为了扩展声场，在输入源的左声道/右声道上使用一些波束成形处理，如图1所示。让p(r)表示位置r处的总声压，
Figure BDA0003204276170000041
其中qk是条形音箱中的第k个扬声器的扬声器强度，K是扬声器的数量，H(rk)是第k个扬声器与优化位置r之间的传递函数，所述优化位置由想要将声场扩展的宽度决定。传递函数H(rk)可基于理论模型来计算，或在理想条件下测量。优选地，传递函数H(rk)可在实际使用条形音箱的现场进行测量。在一个方面，由所产生的虚拟声道限定的虚拟声场可以是例如具有约3m-4m的半径的目标区域。声压可以矩阵形式重写为
P＝Hq (2)
使用一些波束成形处理(例如，压力匹配方法)，可计算扬声器强度并且可获得波束成形器wk，
q＝HHp (3)
wk＝Akqk (4)
其中Ak是改进的频率响应的调谐参数，并且上标H表示矩阵的共轭转置。
在波束成形之后，产生虚拟左声道/右声道并且其由聆听者接收，这指示具有更宽宽度的虚拟声场，聆听者可从具有更宽虚拟声场的虚拟左声道/右声道定位声源，如图1所示。
图2示出目标波束成形器的一个典型指向性图案，其确定声压p(r)。B.输入源的环绕声道。
传统环绕扬声器设置在聆听者的两侧。当聆听者使用单件式条形音箱时，他们感受到很少或甚至感受不到环绕效果，因为环绕信号也是由前置扬声器再现的，因此，耳间电平差和耳间时间差极小。这两个参数是所感知声音位置的主要线索。
参考图3-图4，为了增强线索，应当获得更高的声道分离，这是按每个输入声道的左耳/右耳之间处所接收信号的差。因此，聆听者可从侧面虚拟地接收声音，因为在更高声道分离下，耳间电平差可更大，并且聆听者将被误导在侧面定位声源。
图3示出聆听者如何在侧面定位声源的理论。理论上，声道分离越高，旋转角可越大，如图3所示。在一个方面，虚拟环绕声道的旋转角可以是例如多达120度。优选地，具有更大虚拟环绕声道的虚拟声场使聆听者感觉声源位于后方。在另一方面，虚拟环绕声道可旋转小于120度的量，但60度-70度的旋转角是必需的。
为了实现更高的声道分离，方法之一是应用串扰消除。让G(rk)成为第k个扬声器与优化位置r之间的串扰消除函数。由两只耳朵接收的信号由s给出，
s＝Hq (5)
q＝Gd (6)
e＝d-s (7)其中G是G(rk)的矩阵，并且d是由聆听者的两只耳朵接收的期望所接收信号。为了使误差信号e最小化，G由以下给出：
G＝[HHH]-1HH (8)
使用声道分离方法，可获得高声道分离，如图4所示。
C.输入源的高度声道。
在现有技术中通常存在两种类型的高度声道扬声器：位于天花板上的下发扬声器和位于条形音箱中的上发扬声器。下发扬声器直接向聆听者回放输入源的高度声道信号，而上发扬声器使声音由天花板反射。无论使用哪种类型的扬声器，都建议聆听者感觉声源来自天花板。
当使用常规单件式条形音箱时，上发扬声器是唯一选择，但可能由于工业设计和系统配置的限制还不允许配置。
参考图5，可在不具有任何上发扬声器的条形音箱中的前发扬声器上使用一些虚拟高度处理。相比方位角差，我们的听力系统对来自声源位置的仰角差的耳间时间差不那么敏感，因为我们的耳朵水平地放置在我们头部的两侧。但是，由于我们的耳朵在竖直方向上不对称而导致的频率响应差异可产生更多的线索来感知声源的位置。因此，当前发扬声器通过应用头部相关传递函数回放高度声道信号时，也可提供虚拟高度效果。
图5展示虚拟高度方法的原理，其中“HRTF”是指天花板与具有仰角的耳朵之间的头部相关传递函数。在一个方面，虚拟高度效果声道的仰角的范围可以是例如从30度-90度。优选地，具有适当虚拟高度效果声道的虚拟声场使聆听者感觉声源位于听音室的天花板上。在另一方面，60度的仰角是优选的。为了增加虚拟高度效果，也使用声道分离方法来减少串扰混淆。HRTF可通过使用期望仰角而在消声室中测量。关于高度声道，方程(8)可修改为：
Gheight＝CHRTF[HHH]-1HH (9)
其中，CHRTF是假设在消声室中理想条件下的所测量头部相关传递函数。
通过应用声道分离处理和HRTF，产生了带来虚拟高度效果的虚拟左高度声道/右高度声道。
D.所有声道的组合
图6示出本发明的框图。“L/R”、“Ls/Rs”、“Lh/Rh”和“C/LFE”分别指示左声道/右声道、左环绕声道/右环绕声道、左高度声道/右高度声道以及中央/低频扩展声道。在虚拟处理之后，声道-扬声器矩阵排列并组合所有这些声道到不同扬声器。由于条形音箱中的扬声器数量有限，因此可能需要将来自不同虚拟声道的输出信号排列并组合到同一扬声器中。例如，条形音箱中存在四个扬声器。在L/R声道上处理波束成形之后，所产生虚拟声道数为每输入声道四个，而对于Ls/Rs和Lh/Rh声道，处理后产生的虚拟声道数为每输入声道两个。声道-扬声器矩阵的一个示例可描述为表1。
由于不同声道信号大多互不相关，因此同一扬声器上不同声道之间的影响将极小。因此，来自不同声道的信号可彼此混合。将这三种方法组合之后，可扩大声场，并可产生具有虚拟高度和环绕效果的沉浸式聆听体验。
表1.声道-扬声器矩阵的一个示例
扬声器1 扬声器2 扬声器3 扬声器4
左 ● ● ● ●
右 ● ● ● ●
左环绕 ● ●
右环绕 ● ●
左高度 ● ●
右高度 ● ●
中央 ● ●
LFE ● ● ● ●
为了完成装置，可设想，从处理器的声道-扬声器矩阵输出之后，在进入扬声器之前，可向经处理的声道进一步依次应用例如至少数模转换器和功率放大器。
虽然上文描述示例性实施方案，但是这些实施方案并不意图描述本发明的所有可能形式。相反，本说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种改变。另外，可对各种实施的实施方案的特征进行组合以形成本发明的其他实施方案。

Claims (20)

1.一种用于通过前置扬声器实现虚拟高度和环绕效果的装置，其包括：
输入源，所述输入源被配置为通过前声道、环绕声道和高度声道中的至少一者来提供输入信号；
处理器，所述处理器被配置为对所述输入源的前声道、环绕声道和高度声道中的所述至少一者执行优化处理；以及
前置扬声器，所述前置扬声器包括多个扬声器；
其中在通过所述处理器处理之后的输出信号馈送到所述前置扬声器。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述输入源的所述前声道包括左声道/右声道中的至少一者，并且所述处理器还包括波束成形处理器，所述波束成形处理器对所述左声道/右声道中的所述至少一者应用波束成形，以分别产生虚拟左声道/右声道中的至少一者。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述波束成形包括设置传递函数。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述输入源的所述环绕声道包括左环绕声道/右环绕声道中的至少一者，并且所述处理器还包括环绕效果处理器，所述环绕效果处理器对所述左环绕声道/右环绕声道中的所述至少一者应用声道分离，以分别产生虚拟左环绕声道/右环绕声道中的至少一者。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述声道分离包括设置串扰消除函数。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述输入源的所述高度声道包括左高度声道/右高度声道中的至少一者，并且所述处理器包括高度效果处理器，所述高度效果处理器对所述左高度声道/右高度声道中的所述至少一者应用声道分离和头部相关传递函数两者，以分别产生虚拟左高度声道/右高度声道中的至少一者。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述声道分离包括设置串扰消除函数，并且所述头部相关传递函数包括设置所测量头部相关传递函数。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述装置还包括声道-扬声器矩阵，所述输出信号由所述声道-扬声器矩阵排列并组合到所述多个扬声器。
9.如权利要求1所述的装置，其中所述前置扬声器集成到条形音箱中。
10.如权利要求1所述的装置，其中包括在所述前置扬声器中的所述多个扬声器既不包括上发扬声器也不包括环绕扬声器。
11.一种用于通过前置扬声器实现虚拟高度和环绕效果的方法，所述方法的步骤包括：
从输入源的前声道、环绕声道和高度声道中的至少一者接收输入信号
由处理器对来自所述输入源的前声道、环绕声道和高度声道中的所述至少一者的所述输入信号分别执行优化处理；以及
将在通过所述处理器处理之后的输出信号馈送到前置扬声器。
12.如权利要求11所述的方法，其中执行所述优化处理还包括对所述输入源的所述前声道的左声道/右声道中的至少一者应用波束成形处理，以分别产生虚拟左声道/右声道中的至少一者。
13.如权利要求12所述的方法，其中应用所述波束成形处理包括设置传递函数。
14.如权利要求11所述的方法，其中执行所述优化处理还包括对所述输入声道的所述环绕声道的左环绕声道/右环绕声道中的至少一者应用声道分离，以分别产生虚拟左环绕声道/右环绕声道中的至少一者。
15.如权利要求14所述的方法，其中应用所述声道分离包括设置串扰消除函数。
16.如权利要求11所述的方法，其中执行所述优化处理还包括对所述输入源的所述高度声道的左高度声道/右高度声道中的至少一者应用声道分离和头部相关传递函数两者，以分别产生虚拟左高度声道/高度声道中的至少一者。
17.如权利要求16所述的方法，其中应用所述声道分离包括应用串扰消除函数，并且应用所述头部相关传递函数包括应用所测量头部相关传递函数。
18.如权利要求11所述的方法，其还包括通过声道-扬声器矩阵将所有所产生的虚拟声道排列并组合到多个扬声器中。
19.如权利要求11所述的方法，其中所述前置扬声器集成到条形音箱中。
20.如权利要求11所述的方法，其中包括在所述前置扬声器中的所述多个扬声器既不包括上发扬声器也不包括环绕扬声器。
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