CN1565016A - 再生声音信号的方法和声音再生系统 - Google Patents

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Abstract

在一种通过使用具有麦克风的耳机来再生声音信号的方法中，来自至少一个外部声源的无用声音信号被声音信号所补偿，反相模拟来自所述至少一个外部声源的声音信号，响应于在第一滤波装置中从至少一个外部声源的输入信号中所导出的信号，在耳机中产生所述反相声音信号，上述第一滤波装置是由麦克风信号控制的，并且其中响应于从第二滤波装置中的音频输入信号在耳机中产生的有用的声音信号，其中第二滤波装置的传输函数实际上等于第一滤波装置中相应的传输函数。

Description

再生声音信号的方法和声音再生系统
本发明涉及一种再生声音信号的方法和一种应用本方法的使用具有麦克风的耳机的声音再生系统。
当两个或更多的人在同一个房间中想要收听不同的声音信号时，例如在使用双画面电视的时候，典型的是其中一人需要戴上耳机。在这种情况下，完美的是，耳机听众想要获得与收听电视机扬声器的人同样的音质。这就意味着扬声器对于耳机所起的作用应被消除并且应以改进的方式来处理所需要的音频信号。
因此，为了消除来自至少一个诸如扬声器的外部声源的无用信号的作用，并且以耳机听众能与收听扬声器的听众获得同样的音质方式来处理有用的音频信号，根据本发明，提供了一种通过使用具有麦克风的耳机来再生声音信号的方法，其中来自至少一个外部声源的无用声音信号被声音信号所补偿，反相模拟来自所述至少一个外部声源的声音信号，响应于在第一滤波装置中从至少一个外部声源的输入信号中所导出的信号在耳机中产生所述反相声音信号，上述第一滤波装置是由麦克风信号控制的，并且其中响应于从第二滤波装置中的音频输入信号在耳机中产生有用的声音信号，其中第二滤波装置的传输函数实际上等于第一滤波装置中相应的传输函数。
所以简而言之，根据本发明，用于耳机的无用信号或噪声消除系统是与用于耳机的无用声音信号模拟系统相结合的。后者的声音信号是以模拟由扬声器发出声音的方式进行的(虚拟三维声音)。
例如从国际专利申请WO94/30029中可知，用于耳机的无用信号或噪声消除系统实际上已为人所熟悉。在该文献中，噪声消除系统用于消除未知的低频或高频信号，其可迅速改变所述噪声，在其中，具有耳机的麦克风拾取耳机中产生的声音信号。在来自麦克风信号的基础之上评估噪声信号，随后通过噪声消除算法来产生反噪声信号。这些提供给耳机的反噪声信号减小了噪声。该方法的缺陷在于在某种程度上抑制了所有的声音信号。而本发明克服了上述缺陷，因为在优选实施例中，通过放大无用声音信号，而无需通过对无用声音信号(噪声)进行评估，而使已知的无用声音信号(噪声)被消除，其简化了无用信号的消除过程。
还应注意到，国际专利申请WO01/49066中给出了用于模拟来自至少一个外部声源的声音信号再生系统。而该声音再生系统不包括消除无用信号的装置。上述国际专利申请中的系统是以如下两个阶段进行探作的：在第一阶段，第一滤波装置以如下方式调节：根据输入到第一滤波装置的音频输入信号，用于补偿音频输入信号的声音产生装置产生一个信号；然后在第二阶段，将至少一个外部声源不起作用，所以声音产生装置提供模拟至少一个外部声源的声音再生信号。第一阶段用来调节从外部声源(扬声器)到听众耳朵中的耳机麦克风的传输功能。在调节到具有上述传输功能的滤波装置中传输音频信号来产生声音并通过耳机来再生最终的声音信号。
在初始阶段中，根据声源模拟算法来计算第一和第二滤波装置的特性，其中算法控制其特性，这样从麦克风信号中导出的信号以及用于调节滤波装置特性的信号被最小化或实际上为零。
为了防止麦克风信号中的有用信号干扰滤波装置的调节，从第二滤波装置中的有用音频信号所导出的修正信号被应用于麦克风信号。
在优选实施例中，第二滤波装置中的音频输入信号具有用于声音再生的有用输入信号的功能以及具有用于麦克风信号的覆盖信号的功能。
当听众戴上耳机想收听扬声器中的真实的声音信号时，此时第二滤波装置中的音频输入信号实际上等同于外部声源的音频输入信号。所以另外一个可能便是关掉耳机。
本发明还涉及一种声音再生系统，其应用前述任一权利要求中的方法，包括具有声音再生装置和麦克风的耳机，以及控制装置，控制装置具有第一和第二滤波装置，其控制由所述声音再生装置所产生的声音信号，声音再生装置分别根据加在所述至少一个外部声源的相同的无用音频输入信号来反相模拟至少一个外部声源，以及根据作为有用声音信号的音频输入信号来模拟所述至少一个外部声源，控制装置还包括调节装置，用于调节所述第一和第二滤波装置，由此来自麦克风以输出到控制装置的信号被最小化或实际上为零。特别的是，第一和第二滤波装置实质上是相同的。
为了防止在麦克风信号中的有用信号不干扰第一滤波装置的调节，控制装置还包括合并装置和根据由所述有用音频输入信号导出的修正麦克风信号的修正装置，修正装置的传输函数与声音产生装置到麦克风实际上具有相同的传输函数。
可能发生的是，对于第二滤波装置其用于音频输入信号的音频输入频道比第一滤波装置中用于输入信号的外部声源或音频输入频道多。这种情况下，滤波装置中的一些滤波器可能表现为存储在上述滤波器的存储器中的固定表形式。
本发明还涉及一种运用于上述方法中的算法，其用于处理上述第一和第二滤波装置。
根据下面的优选实施例和相应的附图，本发明将更加清楚，其中图1示意出根据本发明的声音再生系统。
在本实施例中，具有形式为扬声器1-5的五个外部声源，即音频中部频道，左部和右部频道以及环绕频道。扬声器的音频输入信号分别由xC，xL，xR，xLs和xRs表示，统称为xi。在图中的中间位置所表示的是一个人的头部。这个人戴着具有声音产生装置7和麦克风8的耳机6。根据本发明，处理过程只考虑这个人的左耳，右耳的处理过程与左耳是相同的。响应于来自扬声器1-5和声音产生装置的声音信号，麦克风8产生一个麦克风信号m。声音产生装置7的输入信号来自控制装置9。控制装置9包括具有滤波器11-15和合并装置16的滤波装置10，以及调节装置17。滤波器11-15的传输函数被分别表示为hC，L，hL，L，hR，L，hLs，L和hRs，L，统称为hi，L。选择上述滤波器输入信号中与扬声器的输入信号相同的输入信号，分别是xC，xL，xR，xLs和xRs。滤波装置10对声音产生装置7提供信号∑xi.hi，L。“点”在其中和接下来的数学计算中表示频域的乘法和相关信号以及函数的时域的卷积。
除了通过线路28和合并装置25提供给声音产生装置的信号，接下来说明由麦克风8产生的声音产生装置7的输出信号，其被表示为gxL.∑xi.hi，L，其中gxL表示从声音产生装置7到左侧麦克风8的传输功能。若从扬声器1-5到左侧麦克风的传输功能表示为gxC，L，gxL，L，gxR，L，gxLs，L和gxRs，L，统称为gxi，L时，来自左侧麦克风的信号m被表示为：
                 m＝∑xi.[hi，L.gxL+gxi，L]
根据调节装置中的声源模拟算法和计算和调节滤波器特性以使得m为最小，其中m＝0是理想状态。这意味着在初始阶段后，来自声音产生装置的信号其实质上等于来自扬声器的信号，但是反相的，并且通过所述滤波器模拟来自扬声器的声音信号。
在初始阶段，当滤波器被调节到麦克风信号m是最小化时，就获得所需要的扬声器信号的消除信号。这样，滤波器11-15的传输功能hi，L＝-gxi，L/gxL是固定的。
当戴着耳机的听众有所移动或到了另一个位置，从扬声器1-5到麦克风的传输函数发生变化，所以滤波器11-15的传输函数不再符合m为最小。虽然在这种情况下可以在新的位置重新进行初始化，但在初始阶段根据一些头部位置和/或相邻位置建立一组滤波特性并存储在调节装置17中是更好的。通过已知的，如可安装在耳机6上的头部跟踪器，则可建立戴耳机的人的头部位置并可选择一组特定的滤波特性。在一些情况下，例如当头部跟踪器的跟踪率不充分时，则使用固定的滤波特性或者是在每次戴耳机时对滤波特性进行不断的升级。
上面说明了声音再生系统中用于无用声音的消除部分。接下来说明声音模拟部分。
为了再生所需的声音信号dC，dL，dR，dLs和dRs，统称为di，使其好像是分别来自扬声器1-5，控制装置9包括一个具有滤波器19-23和合并装置24的第二滤波装置18。上述滤波器19-23实际上与滤波器11-15是相同的，并且调节装置17也是对其采用与后者的滤波器相同的控制。在具体的实施例中，对于滤波器11-15和19-23采用了相同的声源模拟算法。滤波装置18在合并装置25中将信号∑di.hi，L加载到滤波装置10的输出信号上，并输出到声音产生装置7。在此，来自麦克风的信号表示为：∑{xi.[hi，L.gxL+gxi，L]+di.hi，L.gxL)。
为了保持相同的滤波调节：hi，L＝-gxi，L/gxL，麦克风信号就需要被修正。因此滤波装置18的输出信号在传输函数的作用下经过修正装置26，传输函数实际上与从声音产生装置7到麦克风8的传输函数相同。麦克风信号的修正装置26的输出信号∑di.hi，L.gxL在合并装置27中被减小。
在优选实施例中，第一和第二滤波装置可由一个并且相同的滤波装置来实现。这样，滤波装置的输入信号为xi+di，而合并装置25的功能也集成于上述一个并且相同的滤波装置中，由此提供给声音产生装置7的后者的滤波装置的输出信号保持相同。然而，这种情况仅适用于滤波器不在配合模式下。
通过上述声音再生系统，在初始化后，来自扬声器的无用信号被抵消了。在特定的实施例中，虽然独立于戴耳机的人的位置，其中人是位于置有扬声器的房间中，而所提供的有用信号就像是从扬声器中传出的。
第二滤波装置18的输入信号可覆盖残留信号，如从麦克风信号传输到调节装置17在非理想消除的情况下所留下的信号.在没有信号di的情况下会听到干扰信号，而在应用了信号di后就听不见了。因此，音频信号di具有用于声音再生的输入信号和用于麦克风残余信号的覆盖信号的双重功能。
当戴上耳机的人有时想收听扬声器1-5中的真实声音信号时，此时装置将所提供的信号di设定为与信号xi实际上是相同的。另一种可能是增加一个关闭耳机的切换装置，而此时耳机听众只能听到扬声器的声音。
上述方法和实施例可由算法来实现，至少其中的一部分是能以计算机程序的形式在音频装置的信号处理装置中运行或者是与根据本发明包括声音再生系统的音频装置协同工作。就此，部分附图给出了执行某些程序功能的单元，这些单元可以被认为是计算程序的子部分。
值得注意的事，虽然在附图中没有说明，但是已给出了在右耳的扬声器将无用信号进行抵消并且模拟来自扬声器的有用信号的控制装置。
本发明不仅限于所述实施例。可以进行修改。例如，外部声源的个数是不相关的。当音频输入信号比扬声器或用于输入信号xi的音频输入信号具有更多的音频输入信号di时，一些滤波器可以固定表的形式存储在存储器中。
应用于第一滤波装置的无用输入信号不一定等于扬声器的无用输入信号，只有两个音频信号间有一定联系就足够了。而且，其他的无用信号或噪声消除系统可与信号模拟系统相结合。虽然在所述实施例中的无用信号消除系统中的无用信号是已知的，但无用信号消除系统可用于在无用信号是未知的情况下并且需要评估，如国际专利申请WO94/30029。

Claims (15)

1.一种通过使用具有麦克风的耳机来再生声音信号的方法，其中来自至少一个外部声源的无用声音信号被声音信号所补偿，反相模拟来自所述至少一个外部声源的声音信号，响应于在第一滤波装置中从至少一个外部声源的输入信号中所导出的信号在耳机中产生所述反相声音信号，上述第一滤波装置是由麦克风信号控制的，并且其中响应于从第二滤波装置中的音频输入信号在耳机中产生的有用的声音信号，其中第二滤波装置的传输函数实际上等于第一滤波装置中相应的传输函数。
2.根据权利要求1的再生声音信号的方法，其中，在初始阶段，根据声源模拟算法来计算第一和第二滤波装置的特性，其中算法控制其特性，这样从麦克风信号中导出的信号以及用于调节滤波装置特性的信号被最小化或实际上为零。
3.根据权利要求2的再生声音信号的方法，其中，从第二滤波装置中的有用音频信号所导出的修正信号被加在麦克风信号。
4.根据前述任一权利要求中的再生声音信号的方法，其中，第二滤波装置中的音频输入信号具有用于声音再生的有用输入信号的功能并具有用于麦克风信号的覆盖信号的功能。
5.根据前述任一权利要求中的再生声音信号的方法，其中，当听众戴上耳机想收听扬声器中的真实的声音信号时，此时第二滤波装置中的音频输入信号实际上等同于外部声源的音频输入信号。
6.根据权利要求1-4的再生声音信号的方法，其中，当戴着耳机的人想要收听扬声器的真实声音信号时，可以关闭耳机。
7.一种声音再生系统，其应用前述任一权利要求中的方法，包括具有声音再生装置和麦克风的耳机，以及控制装置，控制装置具有第一和第二滤波装置，其控制由所述声音再生装置所产生的声音信号，声音再生装置分别响应应用于所述至少一个外部声源的相同的无用音频输入信号来反相模拟至少一个外部声源，以及响应作为有用声音信号的音频输入信号来模拟所述至少一个外部声源，控制装置还包括调节装置，用于调节所述第一和第二滤波装置，由此来自麦克风以输出到控制装置的信号被最小化或实际上为零。
8.根据权利要求7的声音再生系统，其特征在于，第一和第二滤波装置实际上是相同的。
9.根据权利要求8的声音再生系统，其特征在于，第一和第二滤波装置是由一个并且相同的滤波装置实现的。
10.根据权利要求7，8或9的声音再生系统，其特征在于，控制装置还包括合并装置和根据由所述有用音频输入信号导出的修正信号的修正麦克风信号的装置，修正装置的传输函数与声音产生装置到麦克风的实际上具有相同的传输函数。
11.根据权利要求7-10之一的声音再生系统，其特征在于，当对于第二滤波装置其用于音频输入信号的音频输入频道比第一滤波装置中用于输入信号的外部声源或音频输入频道多时，滤波装置中的一些滤波器可表现为存储在上述滤波器的存储器中的固定表形式。
12.一种处理权利要求7-11之一的滤波装置和应用于权利要求1-6之一的方法中的算法。
13.一种音频装置，其具有根据权利要求7-11之一的声音再生系统。
14.一种可在音频装置的信号处理装置中运行或者是与根据权利要求7-11之一的包括声音再生系统的音频装置协同工作的计算机程序。
15.一种信息载体，其携带可被信号处理装置执行的指令，其中指令可使得所述信号处理装置执行根据权利要求1-6之一的方法。
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