CN1849844B - 确定声场的表示的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种确定声场(P)的表示的系统包括：包含多个分布在空间中并且各传送一个测量信号(c₁至c_Q)的元传感器(2₁至2_Q)的声波捕获装置(1)；以及对所述测量信号(c₁至c_Q)施加代表所述捕获装置(1)的结构特性的滤波组合以便传送多个声信号(sc₁至sc_N)的处理装置(8)，其中每个声信号和一个相对于空间中的一给定点(14)定义的预定广义再现方向关联。该声信号组(sc₁至sc_N)形成所述声场(P)的表示。本发明的特征在于，所述元传感器(2₁至2_Q)在空间中实质上按不规则方式分布并且所述滤波组合代表所述分布。

Description

确定声场的表示的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种以多个声信号或语音信号的形式确定声场的表示的方法、设备和系统，这些声信号或语音信号各关联着一个相对于空间中的一个给定点定义的预定广义再现方向。

背景技术

这种表示的确定基于使用声波捕获装置，该装置包括多个排列在空间中的并且各发送测量信号的元传感器。

通过应用尤其代表该捕获装置的结构特征和预定的广义再现方向的滤波组合处理这些测量信号，以得到多个声信号。

这样的多个信号通常称为“多通道信号”并且对应于称为“通道”、彼此并行地或多路复用地发送的多个信号。每个信号充当再现元或一组再现元以形成一个排列在相对于空间中的一个给定点预定义的一个广义方向上的理想源。

例如，称为“5.1ITU-R BF 775-1”的常规多通道标准包括五个用于再现元的通道，它们分布在相对于收听中心按0°、+30°、-30°、+110°和-110°的角度定义的五个预定广义方向上。

从而这样的布局对应于一个扬声器或一组扬声器的布局，其中一个位于中心的前方、左右前方各一个以及左右后方各一个。

把声信号施加到按适当预定广义方向排列的再现元上理论上能再现声场。

在再现质量上捕获和处理构成关键性的因素。

一此现有捕获装置是通过一组定向元传感器形成的，其中每个传感器直接传送一个和预定的广义再现方向之一对应的通道。在此情况下，每个传感器大致定向在对应于它的关联通道的方向上。

由于传感器的固有方向性利用这种捕获装置得到的再现质量是有限的，由于不进行处理这种表示不是高质量的表示。

其它技术，例如用术语“环境声”归类的技术，基于对以定向元传感器的点集为形式的捕获装置的建模，从而只考虑声音起源相对于捕获装置的中心的方向。

但是，不能把该组的元传感器定位在同一个点上、缺少方向特性提高的元传感器以及简单进行的处理例如增益矩阵限制了这些技术，从而它们的表示质量限制在基于球面谐波通常称为“一阶”的精度水平上。

最后，于2003年3月在第114届AES会议上提交的标题为“Circular microphone array for discrete multichannel audiorecording”一文中说明的系统使用288个单向传声器的圆形规则网。几个步骤对该传感器网传送的所有信号的复杂处理能得到声场的高品质表示。

从而看来为了在多通道格式下得到声场的高品质表示，现有捕获和处理装置需要大量规则分布的元传感器以及复杂的处理。

这大大降低这些系统的轻便性并且增加实现成本和计算时间。

发明内容

本发明的目的是通过提供一种用于在多通道格式下确定声场的高品质表示并且提高轻便性和快速性而且便宜的方法、设备和系统解决这些问题。

为此，本发明涉及一种确定声场的表示的系统，其包括：

包含多个分布在空间中并且各传送一个测量信号的元传感器的声波捕获装置；以及

对测量信号施加代表该捕获装置的结构特性的滤波组合以便传送多个声信号的处理装置，其中每个声信号和一个相对于空间中的一给定点定义的预定广义再现方向关联，该声信号组形成该声场的表示，

其特征在于，在空间中这些元传感器实质上按不规则方式分布并且这些滤波组合代表这种分布。

根据其它特征：

-对于所有常用的坐标系统，对于坐标系统的至少一个坐标，该捕获装置是这样的，所有元传感器的位置的坐标值是按离散值并且间距不为常数分布的；

-该捕获装置包括至少一个全向元传感器；

-该捕获装置包括至少一个其方向性是全向和双向模式的组合的元传感器；

-该捕获装置包含的元传感器的数量是预定的广义再现方向数量的一到五倍；

-该处理装置包括接收测量信号作为输入并且传送信号多个声信号作为输出的单个矩阵滤波级；

-为了形成各个声输出信号，该处理装置形成这些测量信号的加权线性组合；

-该处理装置允许施加随处理的测量信号的频率变化的滤波组合。

本发明还涉及一种确定声场的表示的设备，该设备包括处理由包含多个分布在空间中的元传感器的声波捕获装置传送的信号的装置，该处理装置施加表示该捕获装置的结构特性的滤波组合，以传送多个各和一个相对于空间中的一个给定点定义的预定广义再现方向关联的声信号，这些声信号形成声场的表示，其特征在于，该处理装置适于处理由在空间中以实质不规则方式分布的传感器组构成的捕获装置传送的信号。

本发明还涉及一种用于确定声场的表示的方法，其特征在于该方法包括：

在空间中按实质上以不规则方式分布的多个点上通过声波捕获装置捕获声场的步骤以便传送多个在各个点上按幅值和相位表示该声场的测量信号；

对这些测量信号施加代表该捕获装置的结构特性的滤波组合以传送多个各关联着一个相对空间中的一给定点规定的预定广义再现方向的声信号的处理步骤，这组声信号形成该声场的表示。

依据本发明的该方法的其它特征，

    该处理步骤对应于：

    对各测量信号施加滤波组合以生成多个处理后的信号，这些

信号以数量有限的傅里叶-贝塞尔系数的形式构成实质上和该捕

获装置的结构特性无关的该声场和表示；以及

    对处理后的信号施加专用线性组合以产生对应的多个声信

号；

    该处理步骤对应于根据从下面的组中选取的一种技术施加

滤波组合：

        频域滤波技术；

        时域中通过脉冲响应的滤波技术，以及

        时域中通过无限脉冲响应递归滤波器的滤波技术。

本发明还涉及一种检查元传感器网络的不规则特性的方法，其特征在于它：

-在第一常用坐标系统中研究该网络；

-根据该坐标系统的第一坐标检查所有传感器的位置值；

-如果这些第一坐标值既不是常数也不按规则间隔分布，把该网称为在当前坐标系统中是不规则的并且在另一个坐标系统中重复该方法；

-如果第一坐标的值是常数或者按规则间隔分布，根据该坐标系统的第二坐标检查这些传感器的位置值；

-如果这些第二坐标值既不是常数也不按规则间隔分开，该网络在当前坐标系统中是不规则的并且在另一个坐标系统中重复该方法；

-如果第二坐标的值是常数或者按规则间隔分布，根据该坐标系统的第三坐标检测这些传感器的位置值；

-如果这些第三坐标值既不是常数也不按规则间隔分布，该网络在当前坐标系统中是不规则的并且在另一个坐标系统中重复该方法；

-如果对于第一、第二和第三坐标，所有传感器的位置的各个坐标的值是常数或者按规则间隔分布，该网络在该当前坐标系统中是规则的；

-如果在任何一个常用的坐标系统中，该网络是规则的，它称为规则的；以及

-如果在每个常用的坐标系统中，该网络是不规则的，它称为不规则的。

附图说明

通过阅读下面只作为例子给出的说明并且参照附图会更好地理解本发明，附图中：

图1表示球坐标系统；

图2是依据本发明的再现系统的方块图；

图3是本发明的方法的流程图；以及

图4详细表示本发明完成的处理。

具体实施方式

为了理解本文引用的坐标系统，图1示出常规球坐标系统。

该坐标系统是一个正交坐标系统，其具有原点O并且包括三个轴(OX)、(OY)和(OZ)。用表示的位置通过它的球坐标(r，θ，φ)描述，其中r代表至原点O的距离，θ代表垂直面中的取向而φ代表水平面中的取向。

在这种坐标系统中，如果在每个时刻t定义所有点的用p(r，θ，φ，t)表示的声压，则声场是知道，声压的傅里叶变换用P(r，θ，φ，f)表示，其中f代表频率。

本发明的方法基于利用能在时间上和三个空间维度上描述声场的时空函数。

在各说明的实施例中，这些函数是称为第一类的球傅里叶-贝塞尔函数，以下把它们称为傅里叶-贝塞尔函数。

在没有源和没有障碍的区域中，傅里叶-贝塞尔函数对应波方程的解并且构成用来生成位于该区域外面的源产生的所有声场的基础。

从而根据下面的傅里叶-贝塞尔逆变换可以利用傅里叶-贝塞尔函数的线性组合表示任何三维声场：

$P(r,\mathrm{\θ},\mathrm{\φ},f)=4\mathrm{\π}\underset{l=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=-1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{l,m}\left(f\right)j^l\mathrm{jl}\left(\mathrm{kr}\right)y_l^m(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})$

在该方程中，项P_l，m(f)是按场p(r，θ，φ，t)的傅里叶-贝塞尔系数定义的， $k=\frac{2\mathrm{\πf}}{c},$ c是空气中的声速(340米/秒)，j_l(kr)是通过 $j_l\left(x\right)=\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{2x}}{J}_{l+1/2}\left(x\right)$ 定义的第一类、l阶贝塞尔球函数，其中J_v(x)是第一类v阶贝塞尔函数，而且y_l ^m(θ，φ)是m项的l阶真实球面谐波，其中m范围在-l到l内，并定义为：

$y_l^m(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})=P_l^{\left|m\right|}\left(\cos \mathrm{\θ}\right){\mathrm{trg}}_m\left(\mathrm{\φ}\right)$

其中：

${\mathrm{trg}}_m\left(\mathrm{\&phi;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}}\cos \left(\mathrm{m\&phi;}\right)& m>0\\ \frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}& m=0\\ \frac{1}{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}}\sin \left(\mathrm{m\&phi;}\right)& m<0\end{array}\right.$

在该式中，P_l ^m(x)是关联的勒让德函数并定义为：

$P_l^m\left(x\right)=\sqrt{\frac{2l+1}{2}}\sqrt{\frac{(l-m)!}{(l-m)!}}{(1-x^2)}^{m/2}\frac{d^m}{{\mathrm{dx}}^m}{P}_l\left(x\right)$

其中P_l(x)代表勒让德多项式并定义为：

$P_l\left(x\right)=\frac{1}{2^{l}l!}\frac{d^l}{{\mathrm{dx}}^l}{(x^2-1)}^l$

还可以在时域利用和系数P_l，m(f)的傅里叶逆时域变换对应的系数P_l，m(t)表示傅里叶-贝塞尔系数。

在其它实施例中，以函数为基分解声场，其中每个函数用傅里叶-贝塞尔函数的任意无限线性组合表达。

图2示意示出依据本发明的系统。

该系统包括由Q个传送测量信号c₁(t)到c_Q(t)(也表示为c₁到c_Q)的Q个元传感器2₁至2_Q构成的捕获装置1，这些信号引入到用来确定声场的表示的设备6。

设备6包括适于对测量信号c₁至c_Q施加代表捕获装置1的结构特性的滤波组合以便传送多个各和一个相对于空间中的给定点定义的预定广义再现方向相关的声信号作为输出。

由设备6传送的声信号sc₁(t)至sc_N(t)，也用sc₁至sc_N表示，接着发送到包含N个空间上相对于给定点14按预定方向排列的再现元12₁至12_N的再现装置10，给定点14对应于该再现装置10的中心。

通过声信号sc₁至sc_N控制这些再现元12₁至12_N能再现捕获装置1拾取的声场。

最好事先配置设备6的处理装置8并且尤其和形成捕获装置1的一组元传感器2₁至2_Q以及和形成再现装置10的一组再现元关联。

但是，处理装置8包括多个滤波组合是有益的，这些滤波组合对应于不同的获取装置和/或不同的输出格式并且可以由用户例如直接借助开关或通过控制接口来选择。

设备6可以以专用于实现本发明的电子设备为形式或者以通过包含处理器以及用来和捕获装置和再现装置接口的装置的设备执行的由程序码指令构成的软件为形式。

例如，通过关联着适当接口卡的计算机形成设备6。

元传感器2₁至2_Q围绕指定成获取装置1的中心的预定点4在空间上位于已知的点上。

这样，每个元传感器2_q的位置(r_q，θ_q，φ_q)空间上被在球坐标系统，例如参照图1、以获取装置1的中心4为中心的球坐标系统，上表达。

依据本发明，空间上以实际上不规则的方式分布元传感器2₁至2_Q。

对于空间上看成是不规则的一给定配置或一个网，它必须对所有使用的三维坐标系统，不论是直角、柱还是球坐标系统，对于该坐标系统的至少一个坐标所有元传感器的位置的坐标值既不是常数也不按固定间距分布，即按不同值和按不固定的间距分布。

或者，对于所有使用的坐标系统，在坐标系统的三个坐标的至少一个上，如果所有传感器的位置的坐标值分布在非零的空间域或间隔上并且坐标连续地可变偏移，该配置是不规则的。

由此，其中传感器在直线或圆上、在想象的平面网格的交点上或者在想象的立体网格的交点上规则间隔排列的配置是规则配置。

应理解，对这种不规则分布的评估必须考虑物理生成限制以及和所使用的元传感器的定尺寸关联的限制所产生的容差。

从而，各感器的坐标必须分布在比容差间隔大的间隔上并且必须具有超过容差间隔的偏差。

通常，传感器的位置对应于它的敏感部位中心的位置并且围绕该位置在每个空间方向上定义容差间隔。

对于一组构成捕获装置的元传感器，容差间隔最好对应于二个靠得最近的元传感器之间的距离的四分之一。例如，这种距离为2cm量级，则容差间隔大致对应于0.5cm。

相反，如果对于一个常用的坐标系统在该系统的三个坐标上所有传感器位置的坐标值为常数或者按固定间距分布，则配置看成是规则的。

或者，如果对于一个常用的坐标系统在该系统的所有坐标上所有传感器位置的坐标值实际上按零间距分布或者带有实际上固定的相继偏差，则配置是规则的。

另外，具有实质上非零的物理空间要求并且彼此分布成点集或者几乎点集的传感器组看成是规则分布。

下面的方法能判定给定的元传感器配置是规则的还是不规则的。

参照三种常用坐标系统中的第一种，例如三维直角坐标系统，研究上面提到的配置。

然后根据该坐标系统的第一坐标例如横坐标检查所有传感器的位置值。如果在考虑容差间隔下这些值既不是常数而且不按规则间隔分布，则该配置在该坐标系统中是不规则的并且重新对另一个坐标系统开始该进程。

如果这些第一坐标值是固定的或者按规则间隔分布，则根据该坐标系统的第二坐标例如纵坐标检查各传感器的位置值。

如果这些第二坐标的值既不是常数而且不按规则间隔分布，该配置在该坐标系统中是不规则的并且重新对另一个坐标系统开始该进程。

相反，如果这些坐标值是常数或者按规则间隔分布，则根据该坐标系统的第三和最后一个坐标，例如根据称为天顶坐标的垂直轴，检查这些传感器的位置值。

如果这些第三坐标的值既不是常数或者不按规则间隔分布，该配置在该坐标系统中是不规则的并且重新对另一个坐标系统开始该进程。

在相反的情况下，在该坐标系统中，对于所有的坐标，所有传感器位置的各个坐标值或者是常数或者按规则间隔分布。从而，在该坐标系统中该配置是规则的。

在结束对这三种常用坐标系统的检查时，如果该配置在这三个坐标系统之一中是规则的，它称为是规则的。相反，如果在这三个坐标系统中该配置是不规则的，它称为是不规则的。

这种实质上的不规则分布避免元传感器在声场中采样的数据的冗余，冗余会造成必须减少传感器的数量。

元传感器的最大数量Q最好小于或等于处理运算结束时用来表示声场的声信号数量的五倍。

另外，元传感器2_q在空间中的分布可以遵循特定的规则并且同时遵循上面定义的不规则性准则。

捕获装置1最好再现再现装置10的总体几何特征，例如平面布局和给定的对称性，同时遵守该不规则性准则。

现参照图3和4说明本发明系统的操作。

在实现本发明之前，空间上按实质上不规则的方式设置捕获装置1。

在进行捕获的第一步骤20期间，本发明的系统对声场P暴露并且捕获装置1的每个传感器2_q发送和该传感器在该声场P中进行的测量相对应的测量信号c_q(t)。

从而捕获装置1发送多个直接和元传感器2₁至2_Q的捕获能力关联的声场测量信号c₁(t)至c_Q(t)。

接着该方法包括通过对捕获装置1传送的测量信号c₁至c_Q施加滤波组合进行处理的步骤30。

如前面指出那样，这些滤波组合代表捕获装置1的结构特性并且适应于发送多个各关联着一个相对于空间中的一给定点定义的预定广义再现方向的声信号sc₁至sc_N。

更具体地，借助涉及N×Q个滤波器的作为频率的函数并用T_n，q(f)表示的单个矩阵滤波，从Q个测量信号c₁(t)至c_Q(t)得到N个通道sc₁(t)至sc_N(t)。通过对测量信号c₁(t)至c_Q(t)中的每一个进行滤波并且对这样滤过波的信号施加线性组合，得到每个输出通道sc_n(t)。

从而每个滤波器T_n，q(f)代表测量信号c_q(t)在构成通道sc_n(t)上的贡献。这些通道是根据下面的关系式得到的：

${\mathrm{SC}}_n\left(f\right)=\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{T}_{n,q}\left(f\right)C_q\left(f\right)$

在该关系式中，SC_n(f)是sc_n(t)的傅里叶变换而C_q(f)是c_q(t)的傅里叶变换。

可以按下面的方式把各滤波器T_n，q(f)组织到一个尺寸为N×Q的矩阵T中：

$T=\left[\begin{array}{cccc}{T}_{\mathrm{1,1}}\left(f\right)& T_{\mathrm{1,2}}\left(f\right)& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& T_{1,Q}\left(f\right)\\ T_{\mathrm{2,1}}\left(f\right)& T_{\mathrm{2,2}}\left(f\right)& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& T_{2,Q}\left(f\right)\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ T_{N,1}\left(f\right)& T_{N,2}\left(f\right)& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& T_{N,Q}\left(f\right)\end{array}\right]$

在所说明的实施例中，矩阵T是通过下面的矩阵关系得到的：

T＝DE

在该式中，E是表示捕获装置1的特性尤其它的空间配置的编码矩阵。矩阵E使得能通过傅里叶-贝塞尔系数得到声场的表示，其中

对应于根据测量信号c₁(t)至c_Q(t)其中浸入元传感器c₁(t)至c_Q(t)的声场P的估计。矩阵E的尺寸为(L+1)²×Q，系数L对应于进行编码的阶数以及该编码能达到的最大分辨率。矩阵E通过下面的关系式得到：

E＝μB^T(μBB^T+(1-μ)I_N)^-1

在该式中，系数μ规定声场的表示的逼真度和元传感器2₁至2_Q引入的背景噪声的最小化之间的折衷，并且可以假定为0到1之间的任何值。这样，若μ＝0，背景噪声最小而若μ＝1，空间品质最高。

有益的是，参数L和μ可随频率改变。

在该关系式中，B是尺寸为Q×(L+1)²的空间采样矩阵，其中的元素B_q，l，m(f)按如下方式组织：

$\left[\begin{array}{cccccccccc}{B}_{\mathrm{1,0,0}}\left(f\right)& B_{\mathrm{1,1},-1}\left(f\right)& B_{\mathrm{1,1,0}}\left(f\right)& B_{\mathrm{1,1,1}}\left(f\right)& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& B_{1,L,-L}\left(f\right)& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& B_{1,L,0}\left(f\right)& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& B_{1,L,L}\left(f\right)\\ B_{\mathrm{2,0,0}}\left(f\right)& B_{\mathrm{2,1},-1}\left(f\right)& B_{\mathrm{2,1,0}}\left(f\right)& B_{\mathrm{2,1,1}}\left(f\right)& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& B_{2,L,-L}\left(f\right)& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& B_{2,L,0}\left(f\right)& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& B_{2,L,L}\left(f\right)\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& \&CenterDot;& \&CenterDot;& & \&CenterDot;& & \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& \&CenterDot;& \&CenterDot;& & \&CenterDot;& & \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& \&CenterDot;& \&CenterDot;& & \&CenterDot;& & \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ B_{Q,\mathrm{0,0}}\left(f\right)& B_{Q,1,-1}\left(f\right)& B_{Q,\mathrm{1,0}}\left(f\right)& B_{Q,\mathrm{1,1}}\left(f\right)& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& B_{Q,L,-L}\left(f\right)& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& B_{Q,L,0}\left(f\right)& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& B_{Q,L,L}\left(f\right)\end{array}\right]$

如果所有元传感器2₁至2_Q是全向型传感器，项B按下述方式表达：

$B_{q,l,m}\left(f\right)=4\mathrm{\&pi;}{j}^l{j}_l\left({\mathrm{kr}}_q\right)y_l^m({\mathrm{\&theta;}}_q,{\mathrm{\&phi;}}_q)$

在该式中，(r_q，θ_q，φ_q)是传感器2_q在参照图1说明的球坐标系统中的位置。

在其它实施例中，每个传感器2_q位于其方向性是由全向和双向模式的比例为d_q的组合并且定向在方向(θ_q ^α，φ_q ^α)的位置(r_q，θ_q，φ_q)上，从而传感器2_q在方向(θ_q ^α，φ_q ^α)上具有最大灵敏度。在此情况下，按如下方式得到元素B_q，l，m(f)：

$B_{n,l,m}\left(f\right)=4j^l\&times;\{(1-d_q)j_l\left({\mathrm{kr}}_q\right)y_l^m({\mathrm{\&theta;}}_q,{\mathrm{\&phi;}}_q)-{\mathrm{jd}}_q\&times;$

$({j^{*}}_l\left({\mathrm{kr}}_q\right)y_l^m({\mathrm{\&theta;}}_q,{\mathrm{\&phi;}}_q)u_r-\frac{j_l\left({\mathrm{kr}}_q\right)}{{\mathrm{kr}}_q}{R}_l^{\left|m\right|}\left({\cos \mathrm{\&theta;}}_q\right){\mathrm{trg}}_m\left({\mathrm{\&phi;}}_q\right)u_{\mathrm{\&theta;}}+\frac{{\mathrm{mj}}_l\left({\mathrm{kr}}_q\right)}{{\mathrm{kr}}_q{\sin \mathrm{\&theta;}}_q}{y}_l^{-m}({\mathrm{\&theta;}}_q,{\mathrm{\&phi;}}_q)u_{\mathrm{\&phi;}})\}$

其中：

${j^{*}}_l\left({\mathrm{kr}}_q\right)=\frac{{\mathrm{lj}}_{l-1}\left({\mathrm{kr}}_q\right)-(l+1)j_{l+1}\left(\mathrm{kr}\right)q}{2l+1}$

$R_l^m\left({\cos \mathrm{\&theta;}}_q\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{l(l+1)}{P}_l^1\left({\cos \mathrm{\&theta;}}_q\right)& m=0\\ \frac{\sqrt{(l-m)(l+m+1)}}{2}{P}_l^{m+1}\left({\cos \mathrm{\&theta;}}_q\right)-\frac{\sqrt{(l+m)(l-m+1)}}{2}{P}_l^{m-1}\left({\cos \mathrm{\&theta;}}_q\right)& 1\&le;m\&le;l-1\\ -\sqrt{\frac{l}{2}}{P}_l^{l-1}\left({\cos \mathrm{\&theta;}}_q\right)& m=l\end{array}\right.$

并且其中：

$u_r={\sin \mathrm{\&theta;}}_q{\sin \mathrm{\&theta;}}_q^{\mathrm{\&alpha;}}\cos ({\mathrm{\&phi;}}_q-{\mathrm{\&phi;}}_q^{\mathrm{\&alpha;}})+{\cos \mathrm{\&theta;}}_q{\cos \mathrm{\&theta;}}_q^{\mathrm{\&alpha;}}$

$u_{\mathrm{\&theta;}}={\cos \mathrm{\&theta;}}_q{\sin \mathrm{\&theta;}}_q^{\mathrm{\&alpha;}}\cos ({\mathrm{\&phi;}}_q-{\mathrm{\&phi;}}_q^{\mathrm{\&alpha;}})-{\sin \mathrm{\&theta;}}_q{\cos \mathrm{\&theta;}}_q^{\mathrm{\&alpha;}}$

$u_{\mathrm{\&phi;}}={\sin \mathrm{\&theta;}}_q^{\mathrm{\&alpha;}}\sin ({\mathrm{\&phi;}}_q^{\mathrm{\&alpha;}}-{\mathrm{\&phi;}}_q)$

如果捕获装置1只包括单向传感器，对这Q个传感器假定参数d_q的值为1/2。

从而通常该用E表示的矩阵代表元传感器2₁至2_Q的位置。

E的确定不对传感器的位置施加任何限制而是能考虑不规则分布。这种不规则配置是更有效的，因为它们去掉规则配置引入的冗余能在初始场P中对更多的数据采样。

在该表达T的方程式中，滤波矩阵D是代表选取的预定广义再现方向的解码矩阵。矩阵D使得能够确定可高精细地再现估算声场

并且从而再现声场P的控制信号。矩阵D的尺寸为N×(L+1)²并可通过下面的矩阵关系得到：

D＝(W^TWM)^-1M^TW

W是和定义其中进行再现的体积的空间窗口对应的矩阵。它是一个尺寸为(L+1)²的对角矩阵，其含有加权系数W_l并且每个系数W_l相继地在对角线上出现2l+1次。从而W具有下面的形式：

在所说明的实施例中，对系数W_l假定的值对应于某函数例如在l下计算的尺寸为2L+1的汉明窗口的值，从而在0到L的范围内为l确定参数W_l。

M是一个和预定广义再现方向组对应的矩阵，换言之和输出多通道格式对应的矩阵。它是元素M_l，m，n构成的尺寸为(L+1)²×N的矩阵，下标l、m代表直线l²+l+m，而n代表列。从而矩阵M具有下面的形式：

$\left[\begin{array}{cccc}{M}_{\mathrm{0,0,1}}& M_{\mathrm{0,0,2}}& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& M_{\mathrm{0,0},N}\\ M_{1,-\mathrm{1,1}}& M_{1,-\mathrm{1,2}}& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& M_{1,-1,N}\\ M_{\mathrm{1,0,1}}& M_{\mathrm{1,0,2}}& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& M_{\mathrm{1,0},N}\\ M_{\mathrm{1,1,1}}& M_{\mathrm{1,1,2}}& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& M_{\mathrm{1,1},N}\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ M_{L,-L,1}& M_{L,-L,2}& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& M_{L,-L,N}\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ M_{L,\mathrm{0,1}}& M_{L,\mathrm{0,2}}& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& M_{L,0,N}\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ M_{L,L,1}& M_{L,L,2}& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& M_{L,L,N}\end{array}\right]$

在所说明的实施例中，根据下面的关系从多通道格式开始得到元素M_l，m，n：

M_l，n＝yl^m(θ_n，φ_n)其中(θ_n，φ_n)对应于该多通道格式中和通道sc_n(t)关联的广义方向。

从而处理步骤30对应于对测量信号组c₁至c_Q施加滤波组合以产生多个构成声场P的表示

的处理信号，该表示以有限数量的傅里叶-贝塞尔系数为形式并且实质上和捕获装置1的结构特性无关。

步骤30还对应于对处理过的信号施加特定的线性组合以产生对应的多个声信号sc₁至sc_N。

图4示意示出通过上面说明的装置8进行的处理步骤30。

对测量信号c₁(t)至c_N(t)施加滤波T_n，q(f)是通过常用滤波方法进行的，例如：

-频域中的滤波，例如分块卷积技术；

-通过脉冲响应的时域中的滤波；以及

-时域中的通过无限脉冲响应递归滤波器的滤波。

本发明的处理结束时得到的N个输出信号sc₁(t)至sc_N(t)表示声场它是根据多通道格式的要求把每个通道sc_N(t)连接到发出平面方向波(θ_n，φ_n)的再现元12_n上而再现的。分别由通道sc₁(t)至sc_N(t)控制的N个再现元12₁至12_N的同时动作使得能再现声场

由于进行的处理并且和滤波矩阵T对应，多通道格式的声场

的表示接近其中浸入各传感器2_q的声场P。矩阵T看起来是通过操作高阶分解的声场表示得到的并且导致高质量地表示该声场。

从而看起来使用实质上不规则分布的元传感器能屏蔽每个传感器并且能在声场上采样更多的空间数据。

由于本发明的处理，可以在最可能好的方式下再现所有这些数据以利用少量的元传感器在多通道格式下得到高质量的再现。

具体地，在前面说明的称为5.1类型的再现情况下，元传感器数据例如少于25并且最好少于10。

应理解各种实施例是可能的。

尤其，可以通过根据传感器的性质修改这些方程而使用其它类型的传感器。例如，所有或者部分元传感器可以是全向和/或单向传感器。

Claims (22)

1.一种确定声场的再现信号的系统，包括：

多个传送测量信号的元传感器，每个元传感器具有一个三维位置；

根据元传感器的三维位置处理测量信号以便传送形成该声场的表示的多个再现信号的处理设备，其中每个再现信号与一个相对于空间中的一给定点的再现方向关联；

其中，当将每个再现信号被传送到根据与再现信号关联的再现方向而取向的相应再现元时，再现信号意图使再现元再现声场；

其中，这些元传感器在空间中根据实质上不规则的分布而被分布在相对于元传感器的中心的各自位置处，在其中对于所有常用的三维坐标系统，无论它们是直角坐标、柱坐标还是球坐标系统，对于该坐标系统的至少一个坐标，所有元传感器的位置的坐标值是按离散值并且间距不为常数地分布的；

其中，该处理设备包括单个滤波矩阵T，其接收测量信号作为输入并且传送再现信号作为输出。

2.根据权利要求1的系统，其中在具有从测量信号导出的系数的声场的基于系数的估计中，每个再现信号表示沿着关联方向传播的波。

3.根据权利要求2的系统，其中所述波是平面波。

4.根据权利要求1的系统，其中T＝DE，其中：

E是表示捕获装置的空间配置的编码矩阵，E以系数形式给出声场的基于系数的估计，以及

D是表示预定的广义再现方向的解码矩阵。

5.根据权利要求2的系统，其中所述基于系数的估计通过能够在时间上和三维上描述任何声场的时空函数来构成。

6.根据权利要求5的系统，其中所述时空函数是傅里叶-贝塞尔函数。

7.根据权利要求1的系统，其包括的元传感器的数量是预定的广义再现方向的数量的一到五倍。

8.根据权利要求1的系统，其中，该处理设备意图对测量信号施加随测量信号的频率变化的处理。

9.根据权利要求1的系统，还包括多个再现元，每个再现元意图接收各自的再现信号并且根据各自的再现信号的再现方向而排列。

10.一种用于设计确定声场的再现信号的系统的方法，该方法包括：

在空间中根据实质上不规则的分布将元传感器分布在相对于元传感器的中心的各自位置处，在其中对于所有常用的三维坐标系统，无论它们是直角坐标、柱坐标还是球坐标系统，对于该坐标系统的至少一个坐标，所有元传感器的位置的坐标值是按离散值并且间距不为常数地分布的，其中该元传感器意图传送测量信号；

选择基于系数的模型；

计算滤波器E，该滤波器E意图从测量信号来提供所述基于系数的模型的系数，其中所述基于系数的模型和所述系数形成声场的基于系数的估计；

计算滤波器D，该滤波器D意图从所述系数来提供形成声场表示的再现信号；

由滤波器E和滤波器D来提供处理设备，其用于处理测量信号以便传送形成该声场的表示的多个相应的再现信号，其中每个再现信号与一个相对于空间中的一给定点的再现方向关联；

其中，当将每个再现信号传送到各自的再现元时再现信号意图使再现元再现声场，该再现元根据与再现信号关联的再现方向而取向。

11.根据权利要求10的方法，其中在具有从测量信号导出的系数的声场的基于系数的估计中，每个再现信号表示沿着关联方向传播的波。

12.根据权利要求11的方法，其中所述波是平面波。

13.根据权利要求10的方法，其中提供处理设备的步骤包括计算单个滤波矩阵T，其接收测量信号作为输入并且传送再现信号作为输出。

14.根据权利要求13的方法，其中T＝DE，其中：

E是表示捕获装置的空间配置的编码矩阵，E以系数形式给出声场的基于系数的估计，以及

D是表示预定的广义再现方向的解码矩阵。

15.一种用于确定声场的再现信号的方法，其包括：

接收由多个元传感器传送的测量信号；

其中这些元传感器在空间中根据实质上不规则的分布而被分布在相对于元传感器的中心的各自位置处，在其中对于所有常用的三维坐标系统，无论它们是直角坐标、柱坐标还是球坐标系统，对于该坐标系统的至少一个坐标，所有元传感器的位置的坐标值是按离散值并且间距不为常数地分布的；

根据元传感器的三维位置处理测量信号以便传送形成该声场的表示的多个再现信号，其中每个再现信号与一个相对于空间中的一给定点的再现方向关联，其中，当将每个再现信号传送到各自的再现元时再现信号意图使再现元再现声场，该再现元根据与再现信号关联的再现方向而取向。

16.根据权利要求15的方法，其中在具有从测量信号导出的系数的声场的基于系数的估计中，每个再现信号表示沿着关联方向传播的波。

17.根据权利要求16的方法，其中所述波是平面波。

18.根据权利要求15的方法，其中处理步骤包括由滤波矩阵T进行的单个滤波级，其接收测量信号作为输入并且传送再现信号作为输出。

19.根据权利要求18的方法，其中T＝DE，其中：

E是表示捕获装置的空间配置的编码矩阵，E以系数形式给出声场的基于系数的估计，以及

D是表示预定的广义再现方向的解码矩阵。

20.根据权利要求16的方法，其中所述基于系数的估计通过能够在时间上和三维上描述任何声场的时空函数来构成。

21.根据权利要求20的方法，其中所述时空函数是傅里叶-贝塞尔函数。

22.一种检查根据权利要求1至8中任一项所述的系统的元传感器网络(2₁至2_Q)的不规则特性的方法，其包括：

在第一常用坐标系统中研究该网络；

根据该坐标系统的第一坐标通过计算机来检查所有传感器(2₁至2_Q)的位置值；

如果这些第一坐标值既不是常数也不按规则间隔分布，则该网络在该当前坐标系统中称为是不规则的并且在另一个坐标系统中重复该方法；

如果第一坐标的值是常数或者按规则间隔分布，则根据该坐标系统的第二坐标检查这些传感器的位置值；

如果这些第二坐标值既不是常数也不按规则间隔分布，则该网络在当前坐标系统中是不规则的并且在另一个坐标系统中重复该方法；

如果第二坐标的值是常数或者按规则间隔分布，则根据该坐标系统的第三坐标检查这些传感器的位置值；

如果这些第三坐标值既不是常数也不按规则间隔分布，则该网络在当前坐标系统中是不规则的并且在另一个坐标系统中重复该方法；

如果对于第一、第二和第三坐标，所有传感器的位置的各个坐标的值是常数或者按规则间隔分布，则该网络在该当前坐标系统中是规则的；

如果在任何一个常用的坐标系统中，该网络是规则的，则它被称为规则的；以及

如果在每个常用的坐标系统中，该网络是不规则的，则它被称为不规则的。

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