CN1792117A - 用于波场合成系统中的级别纠正的设备 - Google Patents

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Abstract

在具有波场合成模块和用于将声音提供到呈现区域的扬声器阵列的波场合成系统中的级别纠正，确定(100)基于呈现区域中的设定振幅状态的纠正值(104)，所述设定振幅状态取决于虚拟源的位置或虚拟源的类型，并且所述呈现区域中的实际振幅状态取决于由虚拟源所产生的用于扬声器的分量信号。所确定的纠正值(104)被馈入处理装置(106)，处理装置在将与虚拟源相关联的音频信号馈入波场合成模块之前对其进行处理，或者处理由虚拟源所产生的用于单独扬声器的分量信号，以便在呈现区域中的一个或多个点减小设定振幅状态和实际振幅状态之间的偏差。因此，至少减少了由波场合成系统中的有限数量的扬声器所造成的级别伪像，以使得收听者获得更合意的声音体验。

Description

用于波场合成系统中的级别纠正的设备
技术领域
本发明涉及波场合成(wave field synthesis)系统，并更具体地涉及在波场合成系统中减少或消除级别伪像(artifact)。
背景技术
在娱乐电子领域存在对于新技术和创新产品的日益增加的需求。因此，对于新的多媒体系统的成功，提供优选功能和/或属性是重要的先决条件。这通过使用数字技术以及具体地使用计算机技术而达到。它的例子是提供了改进的逼真的视听印象的应用。在现有的音频系统中，其主要缺点在于自然的、但却虚拟的环境的空间声音再现的质量。
用于音频信号的多信道扬声器再现的方法多年前就已经知道了并被标准化。所有常规的技术具有的缺点在于，已经在传输格式上施加了安置扬声器的位置和收听者的位置。在相对于收听者错误地安置扬声器的情况下，会显著地影响音频质量。优选的声音可能将仅处于再现空间的一个小区域中，即所谓的最佳听音位置(sweet spot)。
可以使用新技术获得音频再现中的改进的自然空间印象和更强的围绕。被称为波场合成(WFS)的这种技术的基础首先在代尔夫特技术大学(Technical University of Delft)被研究，并首次在二十世纪八十年代晚期(1993年，JASA 93，A.J.Berkhout；D.de Vries；P.Vogel：通过波场合成的声音控制(Acoustic control by Wave fieldSynthesis))出现。
由于这种方法对计算机性能和传输速率的庞大需求，结果，在实践中仅极少地使用过波场合成。只有微处理器技术和音频编码的领域中的发展才允许这种技术被用于实际应用中。在下一年可期待有在专业领域中的首批产品。也可期待将在今后数年内于市场上投放用于消费领域的首批波场合成应用。
WFS的基本思想是基于应用Huygen的波动理论的原理：
波所检测的每个点是以圆形球面的形式传播的元波的起始点。
应用到声学，可以通过彼此相邻的许多扬声器(所谓的扬声器阵列)来模仿任何形式的输入的波前。在将被再现的单点源和直线安置的扬声器的最简单情况下，必需通过时间延迟和振幅调节来馈送每个扬声器的音频信号，以使单独扬声器的发射的声场被正确地彼此叠加。在具有多个声源的情况下，为每个源分别地计算每个扬声器的贡献，并且添加得到的信号。在具有反射墙的房间里，也可通过扬声器阵列将反射再现为额外的源。于是计算的复杂度极大地取决于声源的数量、记录空间的反射特性和扬声器的数量。
具体地，这种技术的优点在于，自然空间声音印象有可能是在大的再现空间的区域上的。与已知技术相反，精确地再现了声源的方向和距离。相对于有限的范围，虚拟声源甚至可以被安置于真实的扬声器阵列和收听者之间。
尽管很好地用于环境的波场合成功能的质量是已知的，但当质量改变时或当基于不匹配环境实际质量的环境质量来执行声场合成时，仍然可能出现不规则性。
然而，也可有利地使用波场合成技术以通过相应的空间音频感知而补充视觉感知。迄今为止，在虚拟演播室里的制作中，已经对于获得虚拟场面的可信的视觉印象给出了特别的强调。通常随后在所谓的后期制作中通过人工步骤将与图像有关的声音印象施加于音频信号上，或将其分类为在其实现中太过复杂和时间过于紧张，从而将其省略。因此，结果通常是，在所设计空间即所设计的场面中所得到的单独的感觉感知的矛盾状态将被感知为是较不真实的。
在2002年5月10日到13日的慕尼黑的AES大会文献5582的W.de Bruijn和M.Boone的专家出版物“在视听系统中结合空间化的音频和2D视频投影的效果的主观实验(Subjective experiments on theeffects of combining spatialized audio and 2D video proj ection inaudio-visual systems)”中，讨论了关于在视听系统中结合空间音频和二维视频投影的效果的主观实验。具体地，强调了，当使用波场合成将前后排列的两个人检测和重建为不同的虚拟声源时，观察者能够更好地理解在离摄像机的距离不同的彼此几乎前后安置的两个说话者。在此情况下，通过主观测试发现，当两个同时说话的说话者被分开时，收听者能够在二者之间更好地进行理解和区分。
在从2001年9月24日到27日于Ilmenau的第46届国际科学讨论会的会议的一篇论文中，即U.Reiter、F.Melchior和C.Seidel的“Automatisierte Anpassung der Akustik an virtuelle Rume”中，提供了自动化声音后期处理过程的一种方法。这里，关于其声音相关性来检查可视化所需的电影布景的参数，例如空间大小、表面纹理或摄像机位置以及演员的位置，在其上生成相应的控制数据。然后，此数据可自动化地影响用于后期制作的效果和后期处理过程，例如，调节说话者的音量与到摄像机的距离的相关性或者根据空间大小和墙质量调节混响时间。这里，目的是增强虚拟场景的虚拟印象，以增加真实的感觉。
将使“用摄像机的耳朵来听”成为可能，以呈现更真实的场景。这里，旨在达到在图像中的声音事件位置和环绕场中的收听事件位置之间最大可能的相关性。这意味着应该针对图像连续调节声源位置。当设计声音时将考虑例如变焦的摄像机参数，以及两个扬声器L和R的位置。对于这种情况，通过系统将虚拟演播室的跟踪数据连同相关的时间码写到文件中。同时，通过磁带录制品记录图像、声音和时间码。将摄像转储文件(camdump)传输到计算机，计算机由它生成用于音频工作站的控制数据，并经由MIDI接口同步地将它和来自于磁带录制品的图像一同输出。在音频工作站内进行实际的音频处理，例如在环绕场中安置声源和插入现有的反射和混响。该信号准备用于5.1环绕扬声器系统。
可以通过真实的电影布景记录在录制布景中的摄像机跟踪参数和声源位置。也可以在虚拟演播室中生成这种数据。
在虚拟演播室中，演员或演播员独自在录制房间中。具体地，他或她站在蓝墙前面，所述蓝墙也被称为蓝盒子或蓝面板。在此蓝墙上应用蓝色或淡蓝色条纹的图案。关于此图案的特性在于，条纹具有不同宽度并从而给出了多种条纹组合。由于蓝墙上的独特的条纹组合，在后期处理中，当将蓝墙替换为虚拟背景时能够精确地确定使摄像机指向哪个方向。通过使用此信息，计算机能够找到对于摄像机的当前视角的背景。此外，在摄像机中评估检测和输出额外的计算机参数的传感器。通过传感器技术检测的典型的摄像机参数是三个转换角度x、y、z；也被称为转动、倾斜、摇摄的三个旋转角度；以及等同于关于摄像机的开放角度的信息的焦距和变焦。
为了确定摄像机的精确位置而无需图像识别以及无需复杂的传感器技术，可以使用包括多个红外摄像机的跟踪系统，其确定安装于摄像机上的红外传感器的位置。这样，也就确定了摄像机的位置。通过使用由传感技术提供的摄像机参数和由图像识别评估的条纹信息，实时计算机能够计算用于当前图像的背景。随后，从图像中移除背景所具有的蓝色，以便引入虚拟背景来代替蓝色背景。
在大多数情况下，旨在得到关于获得视觉上成像的布景的声音的总印象的概念。通过来自于图像设计的术语“全景”而很好地描述了此概念。对于场景的各种布景，这种“全景”声音印象总是经常是保持不变，尽管通常对于目标的视觉视角已显著地改变了。这样，视觉细节被强调，或通过相应的调节使其进入背景中。甚至对话的电影设计中的反向拍摄也不会被声音所跟踪。
因此，存在对于使观众在听觉上融入视听场景的需求。这里，屏幕或图像区域形成了观众的视线和视角。这意味着，将以声音总是匹配所看到的图像的方式使声音跟随图像。对于虚拟演播室，这甚至尤其重要，因为典型地，在例如表演的声音和演播者当时所处的环境之间没有相关性。为了获得场景的视听总印象，必须模拟匹配所呈现图像的空间印象。本上下文中的这种声音概念里的基本主观特征是声源的位置与例如电影院屏幕的观察者所感知的相同。
在音频范围中，能够通过波场合成(WFS)技术为大的收听者范围实现好的空间声音。如已经解释过的，波场合成是基于Huygens的原理的，根据Huygens的原理，可以通过元波的叠加来形成和设置波前。根据数学上精确的理论描述，为了生成元波将不得不使用在无限小的距离中的无限个源。然而，在实践中，使用了彼此位于有限小的距离内的有限个扬声器。根据WFS原理，由来自于虚拟源的具有某种延迟和某种级别的音频信号来控制这些扬声器中的每一个。
如已经解释过的那样，波场合成系统是基于Huygens的原理进行操作的，并通过多个独立的波来重新构成例如安置于到显示或呈现区域或者呈现区域中的收听者有某种距离的虚拟源的给定波形。因此，波场合成算法从扬声器阵列接收关于单独扬声器的实际位置的信息，以便随后为此单独扬声器计算此扬声器为了给收听者将来自于一个扬声器的扬声器信号叠加到其它活动扬声器的扬声器信号上以执行重新构成而最终必需发射的分量信号，其中收听者具有这样的印象，即他或她不是通过许多单独的扬声器，而仅是通过位于虚拟源的位置处的单个扬声器而“被声音辐射到”的。
对于波场合成布景中的几个虚拟源，计算对于每个扬声器的每个虚拟源的贡献，即，对于第一扬声器的第一虚拟源的分量信号、对于第二扬声器的第二虚拟源的分量信号等，以便随后将所述分量信号加起来以最后获得实际扬声器信号。例如，在三个虚拟源的情况下，对于收听者的所有活动扬声器的扬声器信号的叠加将导致收听者不会具有这种印象，即他或她是通过大型扬声器阵列而被声音辐射到的，而是他或她所听到的声音仅来自于等同于虚拟源的特定位置处的三个声源。
在实践中，通常根据在特定时间点的虚拟源的位置和扬声器的位置通过与虚拟源相关联的音频信号而执行对分量信号的计算，为所述音频信号提供了延迟和调节因子，以便当仅存在一个虚拟源时，获得直接表示扬声器信号的虚拟源的延迟的和/或调节的音频信号，或者在将所述音频信号添加到来自于其它虚拟源的相应扬声器的其它分量信号之后，所述音频信号为相应扬声器的扬声器信号做出贡献。
典型的波场合成算法与在扬声器阵列中存在多少扬声器无关地进行操作。波场合成所基于的理论是，可以通过无限大数量的独立扬声器而准确地重新构成任何声场，其中，将这些独立的扬声器安置为彼此无限接近。然而，在实践中，既无法实现无限大的数量，也无法实现无限接近的安置。代替地，有限数量的扬声器被安置在彼此相距在某种预定的距离内。结果是，在真实系统中，仅能够获得实际波形的近似，其将导致虚拟源真实地存在，即虚拟源为真实的源。
此外，存在不同的布景，其中当考虑电影院大厅时将扬声器阵列安置于例如电影院屏幕侧。在这种情况下，波场合成模块将生成用于这些扬声器的扬声器信号，其中所述扬声器的扬声器信号通常将是相同的信号，扬声器阵列中的相应扬声器不仅延伸到电影院的所述侧，例如屏幕被安置的一侧，而且延伸到观众空间的左侧、右侧和后面。当然，比起例如只在观众前面的仅单边阵列，这种“360°”扬声器阵列将提供对于精确波场的更好的近似。然而，在两种情况下，对于安置于观众前面的扬声器的扬声器信号都是相同的。这意味着波场合成模块典型地不获得关于存在多少扬声器或者是否存在单边或多边或甚至360°的阵列的反馈。换句话说，波场合成装置根据扬声器的位置而与是否存在其它的扬声器无关地计算对于该扬声器的扬声器信号，。
这是波场合成算法的基本能力，其中通过简单地指明存在于完全不同的表演空间中的扬声器的坐标，它可以优选地被模块化地调节以适应不同情况。然而，它的缺点在于由当前波场的较差的重新构成所产生相当高的级别伪像，这在某些条件下可以被接受。其不仅对于处于与收听者相关的虚拟源的方向上的真实印象是决定性的，而且对于收听者能够以多么大声听到虚拟源，即对于特定虚拟源哪一级别“到达”了收听者，也是决定性的。通过叠加扬声器的单独信号而得到与所考虑的虚拟源相关的到达收听者的级别。
例如，如果考虑这种情况，即，50个扬声器的扬声器阵列位于收听者前面，并且通过波场合成装置将虚拟源的音频信号映射到对于50个扬声器的分量信号以使得由50个扬声器通过不同延迟和不同调节同时发射音频信号，则虚拟源的收听者将感知到从单独扬声器信号中的虚拟源的分量信号的单独级别中得到的源的级别。
当将这种波场合成装置用于简化的阵列中时，其中例如仅10个扬声器位于收听者前面，应当理解，在收听者的耳朵得到的来自于虚拟源的信号级别降低了，因为在某种程度上，“缺少”了现在缺少的扬声器的40个分量信号。
也可以存在其它情况，其中例如首先有在收听者左边和右边的扬声器，所述扬声器在某种星座中以相位相对的方式而被控制，以使得两个相对扬声器的扬声器信号由于波场合成装置所计算的某种延迟而彼此抵消。如果例如在简化系统中省略在收听者一侧的扬声器，则虚拟源将突然显得比它实际应有的声音更响。
尽管对于静止的源可以考虑固定的因子用于级别纠正，但当虚拟源不是静止的而在移动时，这种解决方案就不再是可接受。波场合成的基本特征在于，它还能够并且尤其能够处理移动的虚拟源。在这里具有固定因子的纠正将是不够的，因为固定因子对于一个位置是正确的，但对于虚拟源的另一位置将有增加了伪像的效果。
此外，波场合成装置能够模仿多个不同种类的源。一种主要形式的源是点源，其中级别以1/r的比例而降低，r是收听者和虚拟源的位置之间的距离。另一形式的源是发射平面波的源。这里，所述级别与到收听者的距离无关地保持不变，因为可以通过安置于无限距离内的点源生成平面波。
根据波场合成理论，在二维扬声器布置中，根据r的级别改变除了可忽略的误差之外匹配自然的级别改变。根据源的位置，在绝对级别中可能有不同的、有时相当大的误差，其是由于使用有限数量的扬声器代替理论上所需的无限数量的扬声器而产生的，如以上已经解释的那样。
发明内容
本发明的目的是提供适合用于移动的源的对于波场合成系统进行级别纠正的概念。
通过根据权利要求1的设备、根据权利要求17的方法或根据权利要求18的计算机程序而实现此目的。
本发明基于这样的发现，即，可以通过执行级别纠正而至少减少具有有限数量(其在实践中可以被实现)扬声器的波场合成系统的缺陷，其中，在波场合成之前处理与虚拟源相关联的音频信号，或者在波场合成之后使用纠正值处理回到虚拟源的不同扬声器的分量信号，以便减少在呈现区域中的设定振幅状态和在呈现区域中的实际振幅状态之间的偏差。由作为根据虚拟源的位置和例如根据收听者或呈现区域中的优选点到虚拟源的距离以及可能考虑到波的类型而确定的设定振幅状态的例子的设定级别，以及另外作为在收听者处所确定的真实振幅状态的例子的真实级别，而得到设定振幅状态。尽管仅基于虚拟源或其位置，而与单独扬声器的实际分组或种类无关地来确定设定振幅状态，但是考虑了扬声器阵列的单独扬声器的定位、类型和控制而计算实际的情况。
因此，在本发明的一实施例中，可以确定由于经由单独扬声器所发射的虚拟源的分量信号的在呈现区域内的优选点中的收听者耳朵处的声音级别。相应地，可以对于回到虚拟源的且由其它扬声器所发射的其它分量信号来确定呈现区域内的优选点中的收听者耳朵处的级别，以通过将这些级别加起来而获得在收听者耳朵处的真实实际级别。为此，可以考虑每个单独扬声器的传递函数以及在扬声器处的信号的级别和在呈现区域内所考虑的点中的收听者到单独扬声器的距离。为了更简单的设计，可以假定扬声器的传输特性为如同理想的点源一样操作。然而，对于更复杂的实现，甚至可以考虑单独扬声器的方向特性。
本发明的显著优势在于，在考虑了声音级别的实施例中，仅相乘的调节发生，其中，对于设定级别和指示纠正值的实际级别之间的商(quotient)，既不需要收听者处的绝对级别也不需要虚拟源处的绝对级别。代替地，纠正因子仅取决于虚拟源的位置(并从而取决于单独扬声器的位置)和呈现区域中内的优选点的位置。然而，对于优选点的位置和单独扬声器的位置及传输特性，这些量是固定预定的而不取决于所再现的部分。
因此，本发明的概念可以用计算上时间高效的方式而被实现为查找表，其中，对于所有的虚拟位置或大部分的可能的虚拟位置，生成和使用包括位置纠正因子对的值的查找表。在此情况下，不需要执行在线设定的值确定、实际值确定和设定值/实际值比较的算法。当基于虚拟源的位置访问查找表时，可以省略这些在计算上可能时间紧张的算法，以由此确定应用于所述虚拟源的位置的纠正因子。为了进一步增加计算和存储效率，优选地，仅将相对粗略筛选的用于位置的支持值对和相关纠正因子存储在表中，以及以单边、双边、线性、立方等方式在两个支持值之间内插用于位置值的纠正因子。
可选地，在一种情况或另一种情况下，使用一种其中执行级别度量的经验方法是明智的。在这样的情况下，将具有某种确定标定级别的虚拟源安置于某个虚拟位置。接着，波场合成模块将针对真实的波场合成系统计算对于单独扬声器的扬声器信号，以最终度量到达收听者的由于虚拟源所产生的实际级别。接着将确定纠正因子，其中它至少减少了从设定级别到实际级别的偏差或优选地使其为零。接着将此纠正因子存储在和虚拟源的位置相关联的查找表中，以便逐步地，即对于虚拟源的许多位置，生成用于特定呈现空间中的某种波场合成系统的完整查找表。
有几种用于基于纠正因子进行处理的方式。在一实施例中，优选的是，通过纠正因子，对例如来自于声音演播室的音轨中所记录的信号的虚拟源的音频信号进行处理，以便接着仅将所处理的信号馈入到波场合成模块中。在某种意义上，这自动具有这样的结果，即，与不执行根据本发明的纠正的情况相比，返回所述处理的虚拟源的所有分量信号相应地被加权。
另外，本发明对于应用不干涉虚拟源的原始音频信号，而是干涉由波场合成模块产生的分量信号，以便优选地通过相同纠正因子来处理所有这些分量信号的某些情况也是有利的。这里应当指出，纠正因子无需对于所有分量信号都是同样的。然而，这在很大程度上是优选的，以便不会强烈地影响重新构成实际的波状况所需要的分量信号关于彼此的相对调节。
本发明的一个优点在于，至少在操作期间可以通过相对简单的装置来执行级别纠正，其中，至少关于收听者所感知的虚拟源的音量级别，他或她将不会认识到，不存在实际所需要的无限个扬声器，而是仅存在有限个扬声器。
本发明的另一个优点在于，甚至当虚拟源在相对于观众保持相同的一距离(例如，从左到右)内进行移动时，所述源对于例如坐在屏幕前面中央的观察者将总是具有相同的音量级别，并且将不会在一个距离上比较响而在另一个距离上比较轻，该情况是没有经过纠正的情况。
本发明的另一个优点在于，其提供了选择，即，提供具有少量扬声器的便宜的波场合成系统的选择，但是所述系统尤其是在移动源的情况下不会引起级别伪像，即，关于级别问题，所述系统对于收听者具有和具有许多扬声器的更复杂的波场合成系统相同的正面效果。甚至对于阵列中的空洞，根据本发明可以纠正可能过低的级别。
附图说明
随后参考附图将详述本发明的优选实施例，在附图中：
图1示出了用于在波场合成系统中的级别纠正的本发明的设备的电路框图；
图2示出了可以被用于本发明的波场合成环境的原理电路图；
图3是图2中所示的波场合成模块的详细说明；
图4示出了用于根据具有查找表的实施例来确定纠正值的本发明的装置以及适当情况下的内插装置的电路框图；
图5示出了用于包括设定值/实际值确定及随后的比较的图1中的确定的装置的另一实施例；
图6a示出了具有用于处理分量信号的嵌入式处理装置的波场合成模块的电路框图；
图6b示出了具有上行流处理装置的本发明的另一实施例的电路框图；
图7a示出了用于解释位于呈现区域中的优选点的设定振幅状态的略图；
图7b示出了用于解释位于呈现区域中的优选点的实际振幅状态的略图；以及
图8示出了具有波场合成模块和在呈现区域中的扬声器阵列的波场合成系统的基本电路框图。
具体实施方式
在将详述本发明之前，将随后参考图8说明波场合成系统的基本设置。波场合成系统包括相对于呈现区域802安置的扬声器阵列800。具体地，图8中示出的为360°阵列的扬声器阵列包括四个阵列边800a、800b、800c和800d。当呈现区域802例如是电影院大厅时，关于前/后或右/左的惯例，假定电影院屏幕位于子阵列800c被安置在的呈现区域802的所述边。在此情况下，坐在呈现区域802中的所谓优选点P的观察者将向前看，即向着屏幕看。在观察者后面将是子阵列800a，而子阵列800b将位于观察者的左边，以及子阵列800d将位于观察者的右边。每个扬声器阵列包括多个不同的单独扬声器808，所述单独扬声器每个通过由波场合成模块810经由数据总线812所提供的其本身的扬声器信号而被控制，在图8中仅示意性地示出了所述数据总线812。波场合成模块被构建成根据已知的波场合成算法，使用例如关于呈现区域802的扬声器的类型和位置的信息，即扬声器信息(LS信息)以及在适当的情况下使用其它输入，而计算对于单独扬声器808的扬声器信号，所述扬声器信号每个从还与位置信息相关联的用于虚拟源的音轨中得到。波场合成模块还可接收其它输入，例如呈现区域的房间音质的信息等。
可以主要针对呈现区域中的任何点P执行本发明的随后解释。从而优选点可以位于呈现区域802中的任何位置。也可以有例如在一条优选线上的多个优选点。为了获得在呈现区域802中有尽量多的点的最可能情况，优选地，假定优选点或优选线位于由扬声器子阵列800a、800b、800c、800d定义的波场合成系统的中央或重心。
参考图2和3，分别关于图2中的波场合成模块200和图3中详细说明的部件，将在下面更详细地说明波场合成模块800。
图2示出了其中可实现本发明的波场合成环境。波场合成环境的中心是波场合成模块200，其包括各种输入202、204、206和208，以及各种输出210、212、214、216。将虚拟源的不同音频信号经由输入202到204提供给波场合成模块。例如，输入202接收虚拟源1的音频信号以及虚拟源的相关位置信息。例如在电影院布景中，音频信号1例如是从屏幕左边移动到屏幕右边并可能还向着观察者移动或远离观察者移动的演员的语音。那么音频信号1将是该演员的实际语音，作为时间的函数的位置信息表示在某个时间点的记录布景中的第一演员的当前位置。与此相对比，音频信号n例如是以与第一演员相同的方式或不同的方式移动的另一个演员的语音。通过与音频信号n同步的位置信息将与音频信号n相关联的其他演员的当前位置传递到波场合成模块200。在实践中，根据记录布景存在不同的虚拟源，其中将每个虚拟源的音频信号馈入波场合成模块200作为单独的音轨。
如以上所解释的那样，波场合成模块通过经由输出210到216将扬声器信号输出到单独的扬声器而馈入多个扬声器LS1、LS2、LS3、LSn。经由输入206将例如电影院大厅的再现布景中的单独扬声器的位置传递给波场合成模块200。在电影院大厅中，存在围绕电影院观众而分组的许多单独的扬声器，所述扬声器被优选地安置成阵列，以使得在观众前面有扬声器，即例如在屏幕之后有扬声器，而且在观众的后面以及观众的左边和右边也有扬声器。此外，例如关于房间音质的信息等的其它输入也被传递给波场合成模块200，以便能够在电影院大厅中的记录布景期间模拟实际的房间音质。
一般而言，例如经由输出210被馈入到扬声器LS1的扬声器信号是虚拟源的分量信号的叠加，其中扬声器LS1的扬声器信号包括返回虚拟源1的第一分量、返回虚拟源2的第二分量以及返回虚拟源n的第n分量。以线性方式叠加单独的分量信号，即在被计算之后被加起来，以模拟在收听者耳朵处的线性叠加，所述收听者在真实布景中将听到他或她能够感知的声源的线性叠加。
随后，参考图3将说明波场合成模块200的详细设计。波场合成模块200具有非常平行的结构，其中，从每个虚拟源的音频信号开始，以及从相应的虚拟源的位置信息开始，首先计算根据位置信息和例如具有标号j的扬声器，即LSj，的所考虑的扬声器的位置的延迟信息Vi和调节因子SFi。通过在装置300、302、304、306中实现的已知算法进行由于虚拟源的位置信息和所考虑的扬声器j的位置所引起的延迟信息Vi和调节因子SFi的计算。基于延迟信息Vi(t)和调节因子SFi(t)以及基于和单独虚拟源相关联的音频信号ASi(t)，对于当前时间点tA计算在最终获得的扬声器信号中的分量信号Kij的离散值ASi(tA)。这通过装置310、312、314、316来执行，如图3中所示意说明的那样。在某种意义上，图3还示出了在时间点tA用于单独分量信号的“闪光镜头(flash shot)”。通过加法器320将所述单独的分量信号加起来，以确定对于扬声器j的扬声器信号的当前时间tA的离散值，接着可将所述离散值馈入用于输出的扬声器(例如，当扬声器j为扬声器LS3时的输出214)。
如能够从图3中所看到的那样，首先将计算由于延迟的有效值和通过在当前时间点的调节因子的调节，在其上对由不同虚拟源产生的对于扬声器的分量信号求和。例如，如果只有一个虚拟源，则将省略加法器，并且如果虚拟源1是唯一的虚拟源，则在图3中的加法器的输出的信号例如将对应于由装置310输出的信号。
这里将指出，在图3的输出322获得扬声器信号的值，所述信号是由不同的虚拟源1、2、3、...、n所产生的对于此扬声器的分量信号的叠加。如图3中所示，将主要为波场合成模块810中的每个扬声器地提供部件，除非例如总是由相同的扬声器信号控制彼此相邻的2、4或8个扬声器，这出于实践的原因是优选的。
图1示出了用于参考图8所讨论的波场合成系统中的级别纠正的本发明的设备的电路框图。所述波场合成系统包括波场合成模块810和用于向呈现区域802提供声音的扬声器阵列800，所述波场合成模块810被构建成接收与虚拟声源相关联的音频信号和与虚拟声源相关联的源位置信息，以及在考虑扬声器位置信息的情况下计算由虚拟源所产生的对于扬声器的分量信号。本发明的设备包括用于基于呈现区域中的设定振幅状态而确定纠正值的装置100，所述设定振幅状态取决于虚拟源的位置或虚拟源的类型，并且纠正值也是基于根据由虚拟源所产生的对于扬声器的分量信号的在呈现区域中的设定振幅状态的。
所述装置100具有输入102，其用于当例如具有点源特征时接收虚拟源的位置，或者用于当源例如是用于生成平面波的源时接收关于源的类型的信息。在这种情况下，不需要收听者到源的距离用于确定实际状态，因为根据所述模型，无论如何，由于所生成的平面波，所述源位于到收听者的无限距离处，并且所述源具有与位置无关的级别。装置100被构建成在输出侧输出被馈入装置106的纠正值104，用于处理与虚拟源相关联的音频信号(经由输入108所接收的)或用于处理由于虚拟源所产生的对于扬声器的分量信号(经由输入110所接收的)。如果执行了对经由输入108所提供的音频信号进行处理的可选方案，则在输出112的结果将是发明性地被馈入波场合成模块200的已处理的音频信号，而不是在输入108所提供的、用于生成单独的扬声器信号210、212、...、216的原始音频信号。
然而，如果使用了用于处理的其它可选方案，即在某种意义上，使用了经由输入110接收的分量信号的嵌入式处理，则将在输出侧接收已处理的分量信号，所述分量信号可能使用经由其它输入118所提供的来自于其它虚拟源的已处理分量信号，必需逐个扬声器地被求和(装置116)。在输出侧，装置116提供扬声器信号210、212、...、216。需要指出的是，可彼此选择地使用图1中所示的上行流处理的可选方案(输出112)或嵌入式处理(输出114)。根据设计，也可存在这种情况，即在某种意义上，经由输入104被提供给装置106的加权因子或纠正因子被拆分，以使得部分地执行上行流处理和部分地执行嵌入式处理。
关于图3，上行流处理将是，馈入装置310、312、314或316的虚拟源的音频信号在被馈入之前被处理。然而，嵌入式处理将是，由装置310、312、314或316所输出的分量信号在被求和之前被处理以获得实际的扬声器信号。
在图6a和图6b中说明了可以选择地或累积地被使用的这两种方式。图6a示出了通过处理装置106的嵌入式处理，所述处理装置在图6中被说明为乘法器。例如包括图3中的块300、310或302、312或304、314以及306或316的波场合成装置分别提供了对于扬声器LS1的分量信号K11、K12、K13以及对于扬声器LSn的分量信号Kn1、Kn2、Kn3。
在图6a中所选择的表示中，Kij的第一个下标表示扬声器，而第二个下标表示分量信号所来自于的虚拟源。例如，虚拟源1产生分量信号K11、...、Kn1。为了根据虚拟源1的位置信息选择性地影响虚拟源1的级别(不影响其它虚拟源的级别)，在图6a中所示的嵌入式处理中将属于源1的分量信号与纠正因子F1相乘，所述属于源1的分量信号也就是其下标j指示虚拟源1的分量信号。为了对虚拟源2执行相应的振幅或级别纠正，返回虚拟源2的所有分量信号与为此虚拟源所确定的纠正因子F2相乘。最后，甚至返回虚拟源3的分量信号通过相应的纠正因子F3而被加权。
应当指出，如果所有其它几何参数都相等，则纠正因子F1、F2和F3仅取决于相应虚拟源的位置。例如，如果所有三个虚拟源都是点源(即，属于相同类型的)，并位于相同的位置，则对于这些源的纠正因子将是相同的。这将参考图4而更详细地被讨论，因为使用具有位置信息和各自相关联的纠正因子的查找表能够简化计算时间，所述查找表必须确保同时被建立，但是其可以在操作中容易地被访问，而无需持续地执行原理也有可能的在操作中的设定值/实际值的计算及比较操作。
图6b示出了本发明的源处理的可选方案。这里的处理装置是波场合成装置的上行流，并且通过相应的纠正因子有效地纠正源的音频信号，以便获得所处理的用于虚拟源的音频信号，接着将所述音频信号馈入波场合成装置以获得分量信号，接着通过相应的分量求和装置对所述分量信号求和，以获得对于例如扬声器LSi的相应扬声器的扬声器信号LS。
在本发明的优选实施例中，用于确定方向值的装置100被形成作为存储位置-纠正因子值对的查找表400。也优选地给装置100提供内插装置402，以便一方面将查找表400的表大小保持为有限的程度，以及另一方面至少使用查找表中存储的一个或多个临近的位置-纠正因子值对，同样针对经由输入404被馈入内插装置的虚拟源的当前位置，在输出408产生内插的当前纠正因子，所述一个或多个临近的位置-纠正因子值对经由输入406被馈入到内插装置402。然而，在较简单的形式中，可以省略内插装置402，以便图1中用于确定的装置100使用被馈输入410的位置信息而执行对查找表的直接访问，以及在输出412提供相应的纠正因子。如果与虚拟源的音轨相关联的当前位置信息不精确地对应于将在查找表中找到的位置信息，则可将简单的下/上舍入函数与查找表相关联，以取得在表中存储的最接近的支持值来代替当前的支持值。
这里应当指出，不同的表可被设计用于不同类型的源，或者不仅一个纠正因子而且多个纠正因子与一个位置相关联，每个纠正因子与一种类型的源相连。
另外，代替查找表或对于“填入”图4中的查找表，用于确定的装置可以被设计用于实际执行设定值-实际值的比较。在这种情况下，图1的装置100包括设定振幅状态确定装置500和实际振幅状态确定装置502，以提供设定振幅状态504和实际振幅状态506，将所述两种状态馈入比较装置508，所述比较装置508例如根据设定振幅状态504和实际振幅状态506来计算商，以生成被馈入图1中所示的用于处理的装置106的纠正因子510，用于进一步使用。另外，也可将纠正值存储在查找表中。
设定振幅状态计算被形成以确定对于在某个位置和/或以某种类型所形成的虚拟源的优选点的设定级别。为了计算设定振幅状态，设定振幅状态确定装置500自然不需要分量信号，因为设定振幅状态与分量信号无关。然而，如从图5中能够看到的那样，分量信号被馈入实际振幅确定装置502，根据本实施例，所述装置502也可获得关于扬声器位置的信息和关于扬声器传输函数的信息和/或关于扬声器的指向特征的信息，以便以可能的最佳方式确定实际情况。另外，确定实际振幅状态的装置502还可被形成为实际度量系统，以确定对于某个位置的某个虚拟源的优选点的实际级别状况。
随后，参考图7a和7b说明实际振幅状态和设定振幅状态。图7a示出了用于在预定点确定设定振幅状态的图，在图7a中，所述预定点被称为“优选点”，并且其位于图8的呈现区域802内。在图7a中，仅作为例子，将虚拟源700表示为生成具有同心波前的声场的点源。此外，由于虚拟源700的音频信号，虚拟源700的级别Lv是已知的。通过点P的级别LP容易地获得设定振幅状态，或者当振幅状态是级别状态时获得呈现区域中的点P处的设定级别，所述级别LP等于Lv和从点P到虚拟源700的距离r的商。因此，通过计算虚拟源的级别Lv，以及通过计算从优选点到虚拟源的距离r，可以容易地确定设定振幅状态。为计算距离r，典型地必需执行从虚拟坐标到呈现空间坐标的坐标变换或者从点P的呈现空间坐标到虚拟坐标的坐标变换，所述坐标变换对于波场合成领域中的技术人员是已知的。
然而，如果虚拟源是在点P生成平面波的位于无限距离的虚拟源，则不需要点P和源之间的距离用于确定设定振幅状态，因为无论如何其同样是接近于无限的。在这种情况下，仅需要关于源类型的信息。那么点P处的设定级别等于和由位于无限距离的虚拟源所生成的平面波场相关联的级别。
图7b示出了用于解释实际振幅状态的图。具体地，在图7b中指明了全部被馈入由例如图8的波场合成模块810所生成的单独扬声器信号的不同扬声器808。此外，将每个扬声器模拟为输出同心波场的点源。同心波场的规律是用于根据1/r而降低的级别。因此，为了计算实际振幅状态(无需度量)，可基于扬声器特性和返回所考虑的虚拟源的扬声器信号LSn中的分量信号来由计算扬声器808在扬声器膜上直接生成的信号或者此信号的级别。此外，可以使用点P的坐标和关于扬声器LSn的位置的位置信息来计算P和扬声器LSn的扬声器膜之间的距离，以便可以获得由分量信号所产生的对于点P的级别，所述分量信号返回所考虑的虚拟源并已经通过扬声器LSn而被发射。
对于扬声器阵列的其它扬声器，也可执行相应的过程，以便对于点P产生多个“子级别值”，表示从单独扬声器传播到位于点P的收听者的所考虑的虚拟源的信号贡献。通过概括这些子级别值，获得点P的总的实际振幅状态，接着，如已解释过的那样，能够将所述实际振幅状态与设定振幅状态进行比较，以获得纠正值，其优选地是乘法的，但是，其在原理上可以具有加法的或减法的特性。
根据本发明，基于某些源的形式来计算对于点的期望级别，即设定振幅状态。优选地，优选点或所考虑的呈现区域中的点实际上位于波场合成系统的中间。这里应当指出，甚至在被当作用于计算设定振幅状态的基础的点不直接和已经用于确定实际振幅状态的点相匹配时，也可以进行改进。由于旨在达到为呈现区域中的尽可能多的点尽量减少级别伪像，因此，设定振幅状态被确定用于呈现区域中的任何点，以及实际振幅状态也被确定用于呈现区域中的任何点，这就基本足够的，然而，其中，优选地，实际振幅状态所涉及的点处于围绕为其确定设定振幅状态的点周围的地带(zone)中，其中，对于通常的电影应用，此地带优选地小于2米。这些点应当基本上与最好的结果一致。
根据本发明，在根据常规的波场合成算法计算了扬声器的单独级别之后，计算通过在此点上的叠加而实际得到的级别，所述点被称为呈现区域中的优选点。接着根据本发明通过所述因子来纠正单独的扬声器和/或源的级别。优选地，计算时间高效的应用为某种阵列部件中的所有位置而一次计算并存储纠正因子，以在操作中访问表，从而节省计算时间。
根据情况，如图1中已说明的那样，可以用硬件或软件来实现用于级别纠正的本发明的方法。所述实现可以是在数字存储媒介上的，尤其是在具有可被电子读出的控制信号的盘或CD上的，所述数字存储媒介可与可编程的计算机系统合作以便执行本发明的方法。一般地，本发明还存在于具有存储于机器可读载体上的程序代码的计算机程序产品中，当所述计算机程序产品在计算机上运行时，所述程序代码执行所述用于级别纠正的方法。换句话说，本发明还可以被实现为具有程序代码的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，所述程序代码用于执行本分明的方法。

Claims (18)

1.一种用于在波场合成系统中进行级别纠正的设备，所述波场合成系统具有波场合成模块(810)和用于将声音提供到呈现区域(802)的扬声器(808)的阵列(800)，所述波场合成模块被构建成接收与虚拟声源相关联的音频信号和与虚拟声源相关联的源位置信息，以及在考虑了扬声器位置信息的情况下计算由虚拟源所产生的用于扬声器的分量信号，所述设备包括：
用于确定纠正值(104)的装置(100)，所述纠正值是基于呈现区域中的设定振幅状态的，所述设定振幅状态取决于虚拟源的位置或虚拟源的类型，以及所述纠正值还是基于呈现区域中的实际振幅状态的，所述实际振幅状态是基于由虚拟源所产生的用于扬声器的分量信号的；以及
用于使用纠正值(104)来处理与虚拟源相关联的音频信号或分量信号以便减小在设定振幅状态和实际振幅状态之间的偏差的装置(106)。
2.根据权利要求1的设备，其中用于确定纠正值(104)的装置(100)被构建成针对呈现区域中的预定点来计算设定振幅状态(500)，以及确定对于呈现区域中的地带的实际振幅状态(502)，所述地带等于预定点或者围绕预定点在容限范围内进行延伸。
3.根据权利要求2的设备，其中所述预定的容限范围是围绕预定点、半径小于2米的球。
4.根据前述权利要求之一的设备，其中所述虚拟源是用于平面波的源，并且其中所述用于确定纠正值的装置(100)被构建成确定纠正值，其中与虚拟源相关联的音频信号的振幅状态等于设定振幅状态。
5.根据前述权利要求之一的设备，其中所述虚拟源是点源，并且其中所述用于确定纠正因子的装置(100)被构建成基于设定振幅状态而进行操作，所述设定振幅状态等于和虚拟源相关联的音频信号的振幅状态和呈现区域与虚拟源的位置之间的距离的商。
6.根据前述权利要求之一的设备，其中所述用于确定纠正值的装置(100)被构建成基于实际振幅状态进行操作，扬声器(808)的扬声器传输函数被考虑用于所述实际振幅状态的确定。
7.根据前述权利要求之一的设备，其中所述用于确定纠正因子的装置(100)被构建成根据扬声器的位置和在呈现区域中将被考虑的点来为每个扬声器计算衰减值，并且其中所述用于确定的装置(100)还被构建成通过扬声器的衰减值对扬声器的分量信号进行加权，以获得加权的分量信号，以及另外基于纠正值(104)对来自于其它扬声器的分量信号或相应加权的分量信号进行求和，以获得在所考虑的点上的实际振幅状态。
8.根据前述权利要求之一的设备，其中所述用于处理的装置(106)被构建成使用纠正值(104)作为纠正因子，所述纠正因子等于实际振幅状态和设定振幅状态的商。
9.根据权利要求8的设备，其中所述用于处理的装置(106)被构建成在通过波场合成模块(810)计算分量信号之前通过纠正因子调节与虚拟源相关联的音频信号。
10.根据权利要求8或9的设备，其中所述用于处理的装置(106)被构建成通过纠正因子(104)调节在波场合成装置的输出上的分量信号。
11.根据权利要求10的设备，其中返回到相同虚拟源的每个分量信号是由相同的纠正因子所调节的。
12.根据前述权利要求之一的设备，其中所述设定振幅状态是设定的声音级别，并且其中所述实际振幅状态是实际的声音级别。
13.根据权利要求12的设备，其中所述设定声音级别和所述实际声音级别是分别基于设定的声强和实际的声强的，其中所述声强是在一段时间内和参考面积相关联的能量的度量。
14.根据权利要求12或13的设备，其中所述用于确定纠正值的装置(100)被构建成通过逐个抽样地对和虚拟源相关联的音频信号的抽样进行平方以及通过对一定数量所平方的抽样求和来计算所述设定振幅状态，所述数量是观察时间的度量，以及
其中所述用于确定纠正值的装置(100)还被构建成通过逐个抽样地对每个分量信号进行平方以及通过将一定数量所平方的抽样加起来而计算所述实际振幅状态，所述平方的抽样的数量和用于计算设定振幅状态的所求和的平方的抽样的数量相等，并且其中还对来自于分量信号的相加结果进行相加，以获得实际振幅状态的度量。
15.根据前述权利要求之一的设备，其中所述用于确定纠正值(104)的装置(100)包括查找表(400)，在所述查找表中存储了位置-纠正因子值对，其中，值对中的纠正因子取决于扬声器阵列中扬声器的安排和虚拟源的位置，并且其中，所述纠正因子被选择，以使得当通过用于处理的装置(106)使用纠正因子时，至少减小了在相关位置处由虚拟源所产生的实际振幅状态和设定振幅状态之间的偏差。
16.根据权利要求15的设备，其中所述用于确定的装置(100)还被构建成从来自于位置-纠正因子值对的一个或几个纠正因子中内插(402)用于虚拟源的当前位置的当前纠正因子，所述一个或几个纠正因子的位置或若干位置是与当前位置邻近的。
17.一种用于在波场合成系统中进行级别纠正的方法，所述波场合成系统具有波场合成模块(810)和用于将声音提供到呈现区域(802)的扬声器(808)的阵列(800)，所述波场合成模块被构建成接收与虚拟声源相关联的音频信号和与虚拟声源相关联的源位置信息，以及在考虑了扬声器位置信息的情况下计算由虚拟源所产生的用于扬声器的分量信号，所述方法包括以下步骤：
确定(100)纠正值(104)，所述纠正值是基于呈现区域中的设定振幅状态的，所述设定振幅状态取决于虚拟源的位置或虚拟源的类型，以及所述纠正值还是基于呈现区域中的实际振幅状态的，所述实际振幅状态是基于由虚拟源所产生的用于扬声器的分量信号的；以及
使用纠正值(104)来处理(106)与虚拟源相关联的音频信号或分量信号，以便减小在设定振幅状态和实际振幅状态之间的偏差。
18.一种具有程序代码的计算机程序，当在计算机上运行所述程序时，所述程序代码用于执行根据权利要求17的方法。
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