CN1219414C - 两扬声器虚拟5.1通路环绕声的信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种两扬声器虚拟5.1通路环绕声的信号处理方法，它是首先输入原始的5.1通路环绕声时域信号l、r、c、ls、rs、lfe；再将左、右环绕信号ls、rs进行加减处理，并分别与两个脉冲响应σ₁、δ₁进行卷积；同时对左、右信号l、r也作加减处理，并分别与两个脉冲响应σ₃、δ₃进行卷积；然后将(ls+rs)*σ₁、(l+r)*σ₃以及c信号、低频效果通路信号lfe混合，另将(ls-rs)*δ₁与(l-r)*δ₃混合；将相加得到的两信号进行加减处理，并乘0.707；最后将所得信号馈给一对布置在前方±15°的扬声器进行重发。本发明可产生整个前半平面的环绕声效果，节省了重发扬声器。本发明扩大了听音区域，且声音重发时没有明显的音色改变。

Description

两扬声器虚拟5.1通路环绕声的信号处理方法

(一)技术领域

本发明涉及电声技术领域，具体是指一种两扬声器虚拟5.1通路环绕声的信号处理方法。

(二)背景技术

目前，各种多通路环绕声系统已被广泛用于电视、DVD、家庭影院、多媒体计算机等家用声音重发方面，但它们需要较多的重发扬声器，较为复杂。例如，被推荐为环绕声的国际标准的5.1通路环绕声系统，采用前方左L、中C、右R以及左环绕LS、右环绕RS共五个独立的全频带通路及扬声器，再加上一路可选择的低频效果通路LFE，从而重发出环绕倾听者的声音听觉效果。但在一些实际的应用中，如电视、多媒体计算机以及由于房间条件的限制等，并不一定适合布置多个全频带扬声器。近年，国外也提出了多通路环绕声的虚拟重发系统，它可利用较少数量的扬声器重发环绕声的效果。它通过头相关传输函数(HRTF)进行信号处理的方法，利用前方一对真实的左右扬声器将多通路系统的其他扬声器虚拟出来，从而达到节省扬声器，简化系统的目的。国外已有这类系统的技术和产品(如SRS、Qsurround等)，但普遍存在以下的缺陷：(1)听音区域窄；(2)声像位置畸变；(3)重发音色改变等。

由于在通常家庭影院等的应用中，5.1通路环绕声信号是分别馈给相应的五个全频带扬声器进行重发的。在现有的国际标准中，五个扬声器分别布置在以下的位置(坐标选取为：-180°＜θ≤180°，θ＝0°为正前方，θ＝90°为正左方)：θ_L＝30°，θ_R＝-30°，θ_C＝0°，θ_LS＝110°，θ_RS＝-110°。

现有的虚拟环绕声信号处理的基本原理是：将(来自DVD等的)5.1通路信号经适当处理和混合后(这里略去了低频效果通路LFE，事实上，对LFE通路信号的处理和C信号是类似的)，变成两通路信号，再利用前方一对布置在±30°真实的左、右扬声器进行重发，从而达到节省扬声器的目的。馈给真实扬声器的重发信号为(采用频域表示，如果用时域表示，只需将信号的频域相乘改为时域卷积)：

L′＝L+0.707C+α₁LS+β₁RS             (1)

R′＝R+0.707C+β₂LS+α₂RS

其中的信号处理的过程为：

(1)L、R信号是分别直接混合到L’、R’信号而馈给左、右扬声器，以产生前方范围的立体声像分布。

(2)C信号经-3dB衰减后，同时混合到L’、R’信号馈给左、右扬声器。当其他信号L＝R＝LS＝RS＝0时，输出信号L’＝R’＝0.707C，系统产生正前方θ＝0°的声像，从而达到虚拟前方扬声器的目的。

(3)环绕声信号LS和RS，经过虚拟处理后再馈给扬声器，即LS与RS信号分别乘以与频率有关的系数α₁、β₁后，同时混合到L’信号。同样，LS与RS信号分别乘以与频率有关的系数β₂、α₂后，同时混合到R’信号。当其它信号L＝R＝C＝0时，重发信号变成：

L’＝α₁LS+β₁RS     R’＝β₂LS+α₂RS            (2)

其中的第(3)步中，α₁、β₁、α₂、β₂四个系数的选择，应该使LS、RS信号经过虚拟处理后，用L’、R’扬声重发时所产生的双耳声压与LS、RS信号直接用一对环绕扬声器重发时的双耳声压相等，因而取：

${\mathrm{\α}}_1={\mathrm{\α}}_2=\frac{A\left({\mathrm{\θ}}_L\right)A\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LS}}\right)-B\left({\mathrm{\θ}}_L\right)B\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LS}}\right)}{A^2\left({\mathrm{\θ}}_L\right)-B^2\left({\mathrm{\θ}}_L\right)}$ ${\mathrm{\β}}_1={\mathrm{\β}}_2=\frac{A\left({\mathrm{\θ}}_L\right)B\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LS}}\right)-B\left({\mathrm{\θ}}_L\right)A\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LS}}\right)}{A^2\left({\mathrm{\θ}}_L\right)-B^2\left({\mathrm{\θ}}_L\right)}---\left(3\right)$

式中，假设布置在±θ_L(标准布置取θ_L＝30°)左、右扬声器到倾听者的左、右耳的频域传输函数(即头相关传输函数HRTF)分别为H_ll、H_rl、H_lr、H_rr，布置在±θ_LS(通常取±θ_LS＝±110°)方向的左、右环绕扬声器到倾听者的双耳的传输函数分别为H_lLS、H_rLS、H_lRS、H_rRS，并有左右对称性，可设H_ll＝H_rr＝A(θ_L)，H_lr＝H_rl＝B(θ_L)，H_lLS＝H_rRS＝A(θ_LS)，H_rLS＝H_lRS＝B(θ_LS)。因而，将LS、RS信号经过(2)式的信号处理后，再经L、R扬声器重发，就可以得到和LS、RS扬声器重发相同的双耳声压。也就是利用位于前方±θ_L扬声器对，可虚拟出位于±θ_LS环绕扬声器对的声音。

但上面的虚拟环绕声的信号处理会带来以下的问题：

(1)听音区域窄

由于头相关传输函数是和声源(扬声器)与倾听者的相对位置密切相关的。由(1)至(3)式，对特定的前方左、右扬声器的布置，虚拟处理只能对特定的听音位置有效，也就是说系统的听音区域是窄的，这是系统的普遍缺陷。

(2)声像位置畸变

人类的听觉中，耳壳对声波的散射所引起的梳状滤波效应对区分水平面内前、后镜像位置以及中垂面上的声源定位是重要的。因此，很容易误认为在5.1通路环绕声的虚拟重发中，如果用作信号处理的HRTF考虑了耳壳效应，就可以用前方一对扬声器产生水平面内360°范围的声像。而事实上，耳壳效应也仅在高频(f＞5～6kHz)，当耳壳的尺度与声波的波长可以比拟时才开始起作用。在f＜3kHz的中低频段(实际节目的能量主要集中在这一频段)，人头可简化成一刚性球体，双耳简化为球面上相对的两点，这时，HRTF是近似前后对称的。在实际的单声源和多通路环绕声的倾听中，是通过头部的转动所引起的双耳时间差和声级差的改变，而区分前后镜像位置的声像的，而虚拟声重发时并没有考虑这一点。因而，即使用HRTF进行信号处理时考虑了耳壳效应，也仅在高频(短的波长)有效，只要倾听者偏离半个波长的位置，双耳处的声波就完全改变。系统在实际重发中是不能产生稳定的后方声像的，后方声像会出现在前方的镜像位置上，所以声像最多能分布在前半平面±90°(正左到正右)的范围内，而不是一些资料所说的360°水平面(有些带有商业性质的文章对此问题作了大量夸大的、不科学的宣传)。如果在上面的虚拟处理中，两环绕扬声器是以±110°的标准方位的HRTF进行虚拟重发的，在实际倾听中，两虚拟扬声器将最多能出现在前方±70°的镜像位置，使声像分布在前方±70°的范围内。

(3)音色的改变

由于各种虚拟环绕声的信号处理都涉及HRTF，而HRTF是明显与频率有关的。所以，信号处理会改变原立体声信号的频谱，改变了信号在不同频率的能量之间的平衡，从而引起频率失真，使音色改变。

(三)发明内容

本发明就是为了解决上述现有技术中存在的缺陷，提供一种两扬声器虚拟5.1通路环绕声的信号处理方法。该方法能扩大重发时的听音区域，减少声像位置畸变，同时不会有明显的音色改变。

本发明所述的一种两扬声器虚拟5.1通路环绕声的信号处理方法，其特征是，它包括如下步骤和处理条件：

第一步  输入原始的5.1通路环绕声时域信号，包括左通路信号l、右通路信号r、中心通路信号c、左环绕通路信号ls、右环绕通路信号rs、低频效果通路信号lfe；

第二步  将左、右环绕信号ls、rs混合成它们的和信号(ls+rs)以及差(ls-rs)信号，并对它们进行虚拟处理，得到信号(ls+rs)*σ₁和(ls-rs)*δ₁；

第三步  对左、右信号l、r也混合成它们的和信号(l+r)以及差信号(l-r)，并对它们进行虚拟处理，得到信号(l+r)*σ₃和(l-r)*δ₃；

第四步  将中心信号c以及低频效果信号lfe与(ls+rs)*σ₁、(l+r)*σ₃两信号混合相加；另将(ls-rs)*δ₁与(l-r)*δ₃信号混合相加；

第五步  将第四步得到的两信号混合成它们的和信号以及差信号，并分别衰减-3dB，即得到l′、r′信号；

第六步  将一对扬声器布置在前方±15°的位置，并将信号l′、r′馈给它们重发。

其中，第二步中对和信号(ls+rs)以及差(ls-rs)信号的虚拟处理，就是上述两信号分别与两个从±90°头相关传输函数得到的脉冲响应σ₁、δ₁进行卷积处理；第三步中对和信号(l+r)以及差信号(l-r)的虚拟处理，就是上述两信号分别与两个从±30°头相关传输函数得到的脉冲响应σ₃、δ₃进行卷积处理。

本发明的原理包括以下三点：

(1)±15°扬声器布置与听音区域的扩大

在现有的虚拟系统中，左、右重发扬声器是布置在±30°的标准位置(张角60°)。国外最近在对一种称为“立体声偶极子”的声重发系统的研究中，从理论和实验上证明了，当前方左、右扬声器布置的张角缩窄时，双耳处的声信号随倾听者的位置变化减小，听音区域将会扩大。因而，在“立体声偶极子”的声重发系统中，采用了布置在前方±5°的扬声器重发(张角10°)。但由于扬声器之间的张角过窄，信号处理相当困难(信号的低频部分要作很大的提升)。本发明结合实际应用的需要，提出将左、右重发扬声器布置在±15°(张角30°)，这样既可扩大听音区域，同时信号处理也简单。并且在电视机和多媒体计算机的声重发中，左、右扬声器布置的半张角本来就达不到30°的标准，因而这种扬声器布置正好适合电视机和多媒体计算机的应用，非常有现实意义的。

但扬声器布置缩窄后，就会引起前方立体声像分布缩窄到±15°的范围内，从而引起声像位置畸变。为解决这问题，本发明利用虚拟扬声器的方法，用布置在±15°的真实扬声器对，虚拟出±30°的扬声器对，也就是用信号处理的方法使前方立体声像分布扩展。

(2)对声像位置畸变的改善

由于在虚拟声重发中，两个前方扬声器最多能重发出前半平面±90°范围内的声像。企图用两个前方扬声器重发出后半平面的声像是不实际的，后半平面声像会出现在前半平面的镜像位置。作为一种妥协的方法，本发明提出确保±90°范围内的声像，而将两个环绕扬声器虚拟在±90°的方向上。事实上，按Dolby实验室的标准，在实际的5.1通路环绕声重发中，当房间条件受到限制时，是可以将两个环绕扬声器前移到±90°的方向的。

(3)音色的均衡

由于在立体声重发中，声像位置只是由通路信号间的相对振幅和相对相位所决定的。左、右通路的信号同时乘(除)以一频率的函数并没有改变信号的相对振幅和相位关系，因而不会引起虚拟声像位置的改变。但这种处理改变了系统输出的总功率谱，因而就改变了音色。本发明利用这方法对音色进行重新均衡，使得虚拟声重发信号的功率谱等于原始的5.1通路环绕声信号的功率谱，从而使重发的音色保持不变。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1.本发明对来自DVD等的多通路环绕声的5+1个独立原始(也可以是Dolby Surround的四路)信号进行处理后，用前方一对真实的左、右扬声器重发，可产生整个前半平面的环绕声效果，从而达到节省重发扬声器的目的。

2.为了扩大听音区域，本发明将重发虚拟环绕声的一对前方的真实扬声器之间的张角缩窄，布置在±15°的位置(而不是现有双通路立体声和虚拟声系统的±30°的位置)。这种新的扬声器布置特别适用于电视和多媒体计算机的应用。

3.本发明引入了新的音色均衡的信号处理方法，从而使重发时没有明显的音色改变。

4.本发明可采用通用DSP硬件电路或专用的集成电路实现，也可采用算法语言(如VC++)编制的软件在多媒体计算机上实现。

5.本发明可作为专用硬件电路而用在DVD、电视(包括DTV和HDTV)、家庭影院等方面的声音重发，也可作为硬件或软件用在多媒体计算机的声音重发。

(四)附图说明

图1是本发明的方框图；

图2是5.1通路环绕声的扬声器布置及扬声器到双耳的传输示意图；

图3是现有的5.1通路环绕声虚拟重发系统的原理图；

图4是本发明信号处理流程和扬声器布置图；

图5是信号处理软件的流程图；

图6至8是声像定位的实验结果。

(五)具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。

本发明的系统方框图如图1所示，它可对输入的5.1通路环绕声信号进行虚拟处理后，用一对布置在前方±15°的扬声器重发。图2是5.1通路环绕声的扬声器布置及扬声器到双耳的传输示意图。

图3是现有的5.1通路环绕声虚拟重发系统的原理图，它是将L、R信号分别直接混合到L’、R’信号，C信号经-3dB衰减后，同时混合到L’、R’，环绕声信号LS和RS经过虚拟处理后，再混合到L’、R’信号，而L’、R’信号是馈给一对布置在前方±30°的扬声器重发。

为了扩大听音区域，本发明提出将左、右重发扬声器布置在±15°(张角30°)。为了补偿扬声器布置缩窄后所引起的前方立体声像分布缩窄(从而引起声像位置畸变)，可利用布置在±15°的真实扬声器对，虚拟出±30°的扬声器对，也就是用信号处理的方法使前方立体声像分布扩展。本发明提出的虚拟声重发(频域)信号为：

L′＝α₃L+β₃R+0.707C+α₁LS+β₁RS            (4)

R′＝β₄L+α₄R+0.707C+β₂LS+α₂RS

或写成矩阵形式：

$\left[\begin{array}{c}{L}^{\′}\\ R^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\α}}_3& {\mathrm{\β}}_3\\ {\mathrm{\β}}_4& {\mathrm{\α}}_4\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}L\\ R\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0.707\\ 0.707\end{array}\right]C+\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\α}}_1& {\mathrm{\β}}_1\\ {\mathrm{\β}}_2& {\mathrm{\α}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{LS}\\ \mathrm{RS}\end{array}\right]---\left(5\right)$

与现有方法(图3或(1)式)不同的是，5.1通路系统的L、R信号不是直接混合到L’、R’信号而馈给左、右扬声器，而是经过(2×2矩阵)虚拟处理后，再混合到L’、R’信号馈给扬声器。当其它信号LS＝RS＝C＝0时，由(4)式可得：

L′＝α₃L+β₃R    R′＝β₄L+α₄R            (6)

或写成：

$\left[\begin{array}{c}{L}^{\′}\\ R^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\α}}_3& {\mathrm{\β}}_3\\ {\mathrm{\β}}_4& {\mathrm{\α}}_4\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}L\\ R\end{array}\right]---\left(6a\right)$

即L与R信号分别乘以与频率有关的系数α₃、β₃后，同时混合到L’信号。同样，L与R信号分别乘以与频率有关的系数β₄、α₄后，同时混合到R’信号。

设布置在±θ_L(本发明建议取±15°)的左、右扬声器到倾听者的左、右耳的频域传输函数(即头相关传输函数HRTF)分别为H_ll、H_rl、H_lr、H_rr(它们是频率的函数，并且和扬声器与倾听者之间的相对位置有关)，由(6a)式，L、R信号在双耳处所产生的声压为：

$\left[\begin{array}{c}{P_L}^{\′}\\ {P_R}^{\′}\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}{H}_{\mathrm{ll}}& H_{\mathrm{lr}}\\ H_{\mathrm{rl}}& H_{\mathrm{rr}}\end{array}\right]}_{{\mathrm{\θ}}_L}\left[\begin{array}{c}{L}^{\′}\\ R^{\′}\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}{H}_{\mathrm{ll}}& H_{\mathrm{lr}}\\ H_{\mathrm{rl}}& H_{\mathrm{rr}}\end{array}\right]}_{{\mathrm{\θ}}_L}\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\α}}_3& {\mathrm{\β}}_3\\ {\mathrm{\β}}_4& {\mathrm{\α}}_4\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}L\\ R\end{array}\right]---\left(7\right)$

矩阵的下标表明是±θ_L扬声器布置的传输函数。另一方面，在实际的环绕声重发中，设布置在±30°方向的左、右扬声器到倾听者的双耳的传输函数分别为H_lL、H_rL、H_lR、H_rR，左、右扬声器在双耳处产生的声压为：

矩阵的下标表明±30°扬声器布置的传输函数。如果在上两式中，令P_L’＝P_L，P_R’＝P_R，即虚拟重发与实际重发时的双耳声压相等，就可达到虚拟±30°扬声器的目的。由此可以解出：

由左右对称性，可设H_ll＝H_rr＝A(θ_L)，H_lr＝H_rl＝B(θ_L)，H_lL＝H_rR＝A(30°)，H_rL＝H_lR＝B(30°)，可得：

这时，原来用于张角为±30°的扬声器布置的信号L、R，经过(5)式的虚拟处理后，得到新的信号L′、R′，将它们馈给张角为±15°的扬声器布置进行重发，就可以虚拟出原扬声器布置所产生的双耳声压，使声像分布得到扩展，得到和原来相同的重发效果。

用完全类似于上面的分析，设实际的环绕声重发中，布置在±θ_LS方向的左、右环绕扬声器到倾听者的双耳的传输函数分别为H_lLS、H_rLS、H_lRS、H_rRS，利用左右对称性，可设H_lLS＝H_rRS＝A(θ_LS)，H_rLS＝H_lRS＝B(θ_LS)，可以得到：

${\mathrm{\α}}_1={\mathrm{\α}}_2=\frac{A\left({\mathrm{\θ}}_L\right)A\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LS}}\right)-B\left({\mathrm{\θ}}_L\right)B\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LS}}\right)}{A^2\left({\mathrm{\θ}}_L\right)-B^2\left({\mathrm{\θ}}_L\right)}$ ${\mathrm{\β}}_1={\mathrm{\β}}_2=\frac{A\left({\mathrm{\θ}}_L\right)B\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LS}}\right)-B\left({\mathrm{\θ}}_L\right)A\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LS}}\right)}{A^2\left({\mathrm{\θ}}_L\right)-B^2\left({\mathrm{\θ}}_L\right)}---\left(11\right)$

这时，原来用于±θ_LS的环绕扬声器布置的信号LS、RS，经过(4)式的虚拟处理后，混合到信号L′、R′，将它们馈给张角为±θ_L的扬声器布置进行重发，虚拟出原扬声器布置所产生的双耳声压，得到和原来相同的重发效果。在图3所示的现有系统，也是采用类似的方法进行虚拟环绕扬声器处理的，但它取重发扬声器的张角±θ_L＝±30°，虚拟环绕扬声器位于±θ_LS＝±110°。而为了扩大听音区域和减少声像位置畸变，本发明取±θ_L＝±15°，虚拟环绕扬声器位于±θ_LS＝±90°。

为了减少重发中音色的改变，本发明还加入了对音色进行重新均衡的信号处理。

在(4)式中，当L＝R＝LS＝RS＝0时，有|L′|²+|R′|²＝|C|²。因而虚拟系统输出的总功率等于原来5.1通路系统的C通路的输出功率，它与频率无关。因而，虚拟信号处理没有引起C通路信号音色的改变。但对其他通路，由于α₁、β₁等是和频率有关的，因而就会引起音色的改变。

由于在立体声重发中，声像位置只是由通路信号间的相对振幅和相对相位所决定的。左、右通路的信号同时乘(除)以一频率的函数并没有改变信号的相对振幅和相位关系，因而不会引起虚拟声像位置的改变。但这种处理改变了系统输出的总功率谱，因而就改变了音色。本发明利用这方法对音色进行重新均衡。在(4)或(5)式给出的信号处理中，因为L、R信号与LS、RS信号是作不同的虚拟处理的，因而对它们应分别作音色均衡。均衡后的信号可成：

$\left[\begin{array}{c}{L}^{\′}\\ R^{\′}\end{array}\right]=\frac{1}{\sqrt{{\left|{\mathrm{\α}}_3\right|}^2+{\left|{\mathrm{\β}}_3\right|}^2}}\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\α}}_3& {\mathrm{\β}}_3\\ {\mathrm{\β}}_3& {\mathrm{\α}}_3\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}L\\ R\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0.707\\ 0.707\end{array}\right]C+\frac{1}{\sqrt{{\left|{\mathrm{\α}}_1\right|}^2+{\left|{\mathrm{\β}}_1\right|}^2}}\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\α}}_1& {\mathrm{\β}}_1\\ {\mathrm{\β}}_1& {\mathrm{\α}}_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{LS}\\ \mathrm{RS}\end{array}\right]---\left(12\right)$

与(5)式相比较，上式在L、R和LS、RS的信号处理矩阵前，分别除以一个用于音色均衡的因子。不难验证，在(12)式中，令原来的五通路信号中任意四个为零，虚拟系统输出的总功率|L′|²+|R′|²正好等于原来的五通路信号中相应的不为零的信号的功率(如R＝C＝LS＝RS＝0时，有|L′|²+|R′|²＝|L|²)，它与频率无关。因而经过均衡后，虚拟信号处理没有引起各通路信号音色的改变。

虽然可以直接用(12)式设计出系统的流程图，但为了更有效地实现信号处理，可对(12)式的方法进行进一步的简化。在(12)式中，总共需要进行八次频域相乘(等价于时域卷积)运算。可以验证，(12)式是和下式完全等价的：

$\left[\begin{array}{c}{L}^{\′}\\ R^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0.707& 0.707\\ 0.707& -0.707\end{array}\right]\{\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]C+\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Σ}}_3& 0\\ 0& {\mathrm{\Δ}}_3\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}L\\ R\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Σ}}_1& 0\\ 0& {\mathrm{\Δ}}_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{LS}\\ \mathrm{RS}\end{array}\right]\}---\left(13\right)$ 其中：

${\mathrm{\Σ}}_3=\frac{0.707({\mathrm{\α}}_3+{\mathrm{\β}}_3)}{\sqrt{{\left|{\mathrm{\α}}_3\right|}^2+{\left|{\mathrm{\β}}_3\right|}^2}}$ ${\mathrm{\Δ}}_3=\frac{0.707({\mathrm{\α}}_3-{\mathrm{\β}}_3)}{\sqrt{{\left|{\mathrm{\α}}_3\right|}^2+{\left|{\mathrm{\β}}_3\right|}^2}}$

${\mathrm{\Σ}}_1=\frac{0.707({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\β}}_1)}{\sqrt{{\left|{\mathrm{\α}}_1\right|}^2+{\left|{\mathrm{\β}}_1\right|}^2}}$ ${\mathrm{\Δ}}_1=\frac{0.707({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\β}}_1)}{\sqrt{{\left|{\mathrm{\α}}_1\right|}^2+{\left|{\mathrm{\β}}_1\right|}^2}}$

(13)式也可以等价地写成时域形式：

$\left[\begin{array}{c}{l}^{\′}\\ r^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0.707& 0.707\\ 0.707& -0.707\end{array}\right]\{\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]c+\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\σ}}_3& 0\\ 0& {\mathrm{\δ}}_3\end{array}\right]*\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}l\\ r\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\σ}}_1& 0\\ 0& {\mathrm{\δ}}_1\end{array}\right]*\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{ls}\\ \mathrm{rs}\end{array}\right]\}---\left(14\right)$

式中，各小写字母代表时域的物理量，与(13)式对应的量互为付立叶变换对。符号*表示卷积运算。在(13)或(14)式中从右向左看，总共需要四次频域的信号相乘(或时域的卷积)，信号处理得到简化，有利于该实时处理的硬件系统开发。在实际应用中，可通过设计各种有限脉冲响应(FIR)或无限脉冲响应(IIR)数字滤波器，来实现上面的卷积。

本发明的流程图如图4所示，本发明可以利用通用的信号处理芯片所做成的硬件电路实现，也可以设计成专用的集成电路芯片实现，还可以设计成软件在多媒体计算机上实现。本发明可用于DVD、电视、家庭影院、多媒体计算机等方面。

实施例一  DVD与电视的应用

将DVD解码输出或从数字电视广播得到的5.1通路环绕声(数字)信号按图4的方法进行虚拟处理后，得到两路信号l’、r’，然后馈给电视机上的一对立体声扬声器重发，重发出环绕声的效果。其中，虚拟信号处理可作为DVD机内的一部份硬件电路，也可作为电视机的一部分硬件电路。

实施例二  家庭影院的应用

将DVD解码输出的5.1通路环绕声(数字)信号馈给家庭影院的放大器，图4的虚拟信号处理是作为放大器内的一部份功能电路。得到两路信号l’、r’馈给外接的左、右扬声器对进行重发。

实施例三  录音与制作CD、VCD等的应用

将原始录音得到的5.1通路环绕声信号用图4的方法(用硬件或软件)处理后，得到两路信号l’、r’，然后直接把它们记录到CD、VCD或录音磁带的两个通路中。用一般的双通路立体声设备(±15°扬声器布置)重放，即可得到虚拟环绕声的效果。

实施例四  多媒体计算机的应用

由计算机的DVD-ROM读取，并经解码得到5.1通路环绕声(数字)信号，然后用计算机软件实行图4的虚拟信号处理(也可以在计算机的声卡上用专用的硬件电路实现)，得到的l’、r’信号，由声卡输出到一对外接扬声器重发。

本发明具体介绍用软件在多媒体计算机上的实现。信号处理所用的头相关传输函数HRTF可通过理论计算或实验测量得到，这里所用的HRTF函数采样频率为48kHz(也可以是44.1kHz)，长度512点(也可以是256点或128点)，分辨率16bit，自由场均衡。

如图5所示，事实上，信号处理过程就是(从DVD-ROM或硬盘)读入原始的5.1通路环绕声信号，再对它进行虚拟处理后，馈给扬声器重发。假定5.1通路环绕声的原始信号是数字信号：

第一步  分别对l、r、c、ls、rs、lfe各读入512点时域信号，存入缓存器。

第二步  分别对512点的时域l、r和ls、rs进行加减(MS)运算，得到(l+r)、(l-r)和(ls+rs)、(ls-rs)。

第三步  利用分段快速卷积算法，分别将512点时域(l+r)、(l-r)、(ls+rs)、(ls-rs)与时域512点的σ₃、δ₃、σ₁、δ₁卷积，分别得到(l+r)*σ₃、(l-r)*δ₃、(ls+rs)*σ₁、(ls-rs)*δ₁。

第四步  将(l+r)*σ₃、(ls+rs)*σ₁、c、lfe相加，得到m’，将(l-r)*δ₃、(ls-rs)*δ₁相加得到s’。

第五步  对m’、s’进行加减运算，并乘以0.7，得到l’、r’，它们经声卡的D/A变换后，输出到扬声器重发。

第六步  重复上述过程，直到处理完为止。

如上所述，即可较好地实现本发明。

声像定位实验验证了本发明的实际效果。首先，在声频工作站中用软件产生原始的5.1通路信号(48kHz采样，16bit量化)，并以三个双通路WAVE文件的形式存在硬盘上。由于在原始的5.1通路系统中，信号是通过分立——对的方法馈给扬声器的，也就是将信号只馈给某一扬声器而其它扬声器的信号为零，利用单一扬声器产生其方向上的声像。而将信号(同相位)馈给一对相邻的扬声器，利用信号的声级差产生这对扬声器之间的声像。例如，将信号馈给前方C扬声器(0°)和L扬声器(30°)，而其它扬声器信号为零，通过调节C和L信号的振幅比(声级差)，就可以得到这对扬声器之间的声像。因此，在实验中也是按分立——对的方法产生具有不同的通路声级差的原始5.1通路信号。

将原始的5.1通路信号用图4所示的流程进行虚拟信号处理后，得到的双通路虚拟信号经D/A变换和放大后，馈给扬声器进行重发。

实验是在一间混响时间为0.3s的听音室内进行。扬声器按±15°的方位布置在一半径为2.0m的圆周上，高度为1.2m。圆周上每隔5°放置标记物。实验采用语言(普通话男声)作为信号，信号长20秒。共8个倾听者，年龄18至35岁，听力正常，都经过一定的听音训练。要求倾听者判断声像的方向。将所有倾听者的结果取平均后作为最后的实验结果，并算出相应的均方差。由于左右对称性，这里只给出左半平面的实验结果。

图6给出了前方声像的定位实验结果。可以看出，在原始的5.1通路信号中，当L和C通路信号的声级差20log(L/C)由-24dB变化到+24dB时，虚拟重发的声像位置θ_I由0°连续变化到30°，与真正的5.1通路重发的效果相同，并没有因为前方扬声器布置在±15°而使前方立体声像分布缩窄。由此也验证了本发明所提出的利用信号处理的使前方立体声像分布扩展的方法是有效的。

图7给出了侧向声像的声像定位实验结果。在原始的5.1通路信号中，当LS和L通路信号的声级差20log(LS/C)由-24dB变化到+24dB时，虚拟重发的声像位置由θ_I≈30°连续变化到θ_I≈80°，也就是利用布置在±15°的扬声器可重发出侧向范围的声像。这结果和真正的5.1通路重发时，当两环绕扬声器前移到±90°效果相类似，而较环绕扬声器布置在后方±110°(或±120°)时为佳(真正的5.1通路重发中，当扬声器布置在后方时，在侧向范围存在声像的“死区”)。

如前所述，利用前方两扬声器是不能虚拟出后半平面的声像的。图8给出了在原始的5.1通路信号中，当LS和RS通路信号的声级差由20log(RS/LS)由-24dB变化到0dB时，虚拟重发的声像位置。可以看出，声像在前半平面θ_I≈80°到0°之间变化。事实上，在真正的5.1通路重发时，当两环绕扬声器前移到±90°的位置时，也是不能产生出后半平面的声像的。并且布置在两侧的(真实)扬声器有时会产生一种“压迫感”，造成不自然的听觉效果，而虚拟重发则不存在此问题。

另外，实际的试听表明，经过(12)式所示的音质均衡后，虚拟系统重发时没有明显的音色改变现象。

本发明的研究得到《国家自然科学基金，编号：19974012》、《广州市科技项目计划，编号：98-J-01-010》和TCL王牌电子(深圳)有限公司的资助。

Claims (3)

1.一种两扬声器虚拟5.1通路环绕声的信号处理方法，其特征是，它包括如下步骤和处理条件：

第一步  输入原始的5.1通路环绕声时域信号，包括左通路信号l、右通路信号r、中心通路信号c、左环绕通路信号ls、右环绕通路信号rs、低频效果通路信号lfe；

第二步  将左、右环绕信号ls、rs混合成它们的和信号(ls+rs)以及差(ls-rs)信号，并对它们进行虚拟处理，得到信号(ls+rs)*σ₁和(ls-rs)*δ₁，其中σ₁、δ₁是从90°声源到左和右耳的头相关传输函数A(90°)、B(90°)、15°扬声器到左和右耳的头相关传输函数A(15°)、B(15°)通过以下的信号处理及逆傅立叶变换方法得到：

${\mathrm{\σ}}_1=\mathrm{IFFT}\left[\frac{0.707({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\β}}_1)}{\sqrt{|{\mathrm{\α}}_1{|}^2+|{\mathrm{\β}}_1{|}^2}}\right]$ ${\mathrm{\δ}}_1=\mathrm{IFFT}\left[\frac{0.707({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\β}}_1)}{\sqrt{|{\mathrm{\α}}_1{|}^2+|{\mathrm{\β}}_1{|}^2}}\right]$

第三步  对左、右信号l、r也混合成它们的和信号(l+r)以及差信号(l-r)，并对它们进行虚拟处理，得到信号(l+r)*σ₃和(l-r)*δ₃，其中σ₃、δ₃是从30°声源到左和右耳的头相关传输函数A(30°)、B(30°)、15°扬声器到左和右耳的头相关传输函数A(15°)、B(15°)通过以下的信号处理及逆傅立叶变换方法得到：

${\mathrm{\σ}}_3=\mathrm{IFFT}\left[\frac{0.707({\mathrm{\α}}_3+{\mathrm{\β}}_3)}{\sqrt{|{\mathrm{\α}}_3{|}^2+|{\mathrm{\β}}_3{|}^2}}\right]$ ${\mathrm{\δ}}_3=\mathrm{IFFT}\left[\frac{0.707({\mathrm{\α}}_3+{\mathrm{\β}}_3)}{\sqrt{|{\mathrm{\α}}_3{|}^2+|{\mathrm{\β}}_3{|}^2}}\right]$

第四步  将中心信号c以及低频效果信号lfe与(ls+rs)*σ₁、(l+r)*σ₃两信号混合相加；另将(ls-rs)*δ₁与(l-r)*δ₃信号混合相加；

第五步  将第四步得到的两信号混合成它们的和信号以及差信号，并分别衰减-3dB，即得到l′、r′信号；

第六步  将一对扬声器布置在前方±15°的位置，并将信号l′、r′馈给它们重发。

2.根据权利要求1所述的一种两扬声器虚拟5.1通路环绕声的信号处理方法，其特征是，第二步中对和信号(ls+rs)以及差(ls-rs)信号的虚拟处理，就是上述两信号分别与两个从±90°头相关传输函数得到的脉冲响应σ₁、δ₁进行卷积处理。

3.根据权利要求1所述的一种两扬声器虚拟5.1通路环绕声的信号处理方法，其特征是，第三步中对和信号(l+r)以及差信号(l-r)的虚拟处理，就是上述两信号分别与两个从±30°头相关传输函数得到的脉冲响应σ₃、δ₃进行卷积处理。

Images