CN1879450A - 音频信号处理系统和方法 - Google Patents

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Abstract

用于处理多个输入音频信号(15－19)的方法、装置和软件产品。该装置接受多个输入信号(15－19)，并且包括多输入多输出混响器(14)，其被布置成生成一组输出信号(35－39)，该组输出信号包括模拟在收听环境中收听者可能听到的混响的经延迟的混响成分。该装置还包括多输入两输出滤波器(20－24)，其接受混响器和多个输入端子的输出，提供用于左耳和右耳的输出，并且被配置成实现与收听环境和收听环境中收听者的一组方向相对应的一组与头部有关的转移函数。该装置使得通过头戴受话器(47－48)收听输出的收听者具有收听好像源自在空间上位于收听环境中并且位于相应的多个方向处多个扬声器的多个输入音频信号的感觉。

Description

音频信号处理系统和方法
相关申请
本发明要求2003年11月12日递交的、发明人为Reilly等人、标题为AUDIO SIGNAL PROCESSING SYSTEM AND METHOD(音频信号处理系统和方法)、律师/案卷号为LAKE041-P的美国临时专利申请序列号60/519,786的优先权。这里通过引用将美国临时专利申请序列号60/519,786结合进来。
技术领域
本发明涉及经由头戴受话器(headphone)等模拟收听者周围的空间化的3维(3D)音频效果的领域，尤其公开了用于音频模拟的小型系统。
背景技术
已经提出了各种系统，用于模拟头戴受话器收听者的“头部外”音频效果。许多传统的头戴受话器配置并不包括这种处理，从而当收听者在头戴受话器上收听被设计为经由立体声扬声器或多格式扬声器播放的音频轨道时，声音听起来是发源于收听者头部之内的。
已经提出并且公知许多种系统，用于提供使音频信号空间化的效果，其中包括让使用头戴受话器的收听者产生他或她正在收听位于收听者周围的声音源的幻觉。这种系统的示例可以在2003年6月3日颁发给发明人McGrath的美国专利6,574,649以及1999年1月6递交的发明人为McGrath等人的美国专利申请09/647,260中找到。
已经了解到真实的收听室会产生混响(reverberation)。希望头戴受话器空间化系统包括对发生在收听环境中的混响的模拟。还希望以合理的成本，例如以具有相对较低的计算要求的处理，来提供头戴受话器空间化和对混响的逼真模拟。
例如，当收听者收听由空间化系统所生成的并且由标准头戴受话器发射的经适当处理的音频信号时，应当使收听者产生这样的印象：在相对于收听者的头部的适当的位置处，有一个扬声器-这被称为“虚拟”扬声器。还应当使收听者产生这样的印象：他或她正在所需要的收听环境中进行收听。从而，由空间化系统所实现的空间化过程应当提供听起来自然的对所需收听环境中的回声的模拟。例如，由该过程所产生的回声的模式应当具有对于多个虚拟信号中的每一个不相关的不同到达时间，以提供房间音响效果的逼真并且自然的感觉。此外，希望这种空间化系统提供多个虚拟扬声器位置，这些位置将由接受多个音频输入信号的系统同时模拟，这些信号中的每一个将在不同的位置处被“虚拟化”。
发明内容
本发明的一个方面是在使用头戴受话器设备等时对收听者周围的音频的空间化，所述空间化包括模拟在收听环境中可能产生的回波。
这里所公开的是被布置成处理多个输入音频信号的装置。该装置包括多个输入端子，用于接受多个输入信号。该装置还包括多输入多输出混响器，其接受多个输入信号，并被布置成生成一组输出信号，该组输出信号包括所形成的模拟在收听环境中收听者可能听到的混响的经延迟的混响成分。该装置还包括多输入两输出滤波器，其具有耦合到混响器的输出的输入。滤波器的输入还耦合到多个输入端子。滤波器提供两个输出，一个用于左耳，一个用于右耳，并且被布置成实现与收听环境和收听环境中收听者的一组方向相对应的一组与头部有关的转移函数。两个输出可以通过头戴受话器播放。通过头戴受话器在收听环境中收听左输出信号和右输出信号的收听者具有收听多个输入音频信号的感觉，好像源自在空间上位于收听环境中的多个扬声器以对收听者形成相应的多个方向。
在混响器的一个实施例中，混响器被布置成形成混响成分，并且混响成分中的至少一个的形成包括组合多个所接受的输入信号。在这种实施例中，混响器被配置成以不同方式处理输入信号中的每一个。
这里还公开了一种用于处理多个输入音频信号的方法。该方法包括接受多个输入信号，并且从多个输入信号生成一组混响器输出信号。生成步骤包括形成模拟在收听环境中收听者可能听到的混响的经延迟的混响成分。该方法还包括对输入信号和混响器输出信号的组合进行滤波以产生两个输出，一个用于左耳，一个用于右耳。滤波器实现与收听环境和收听环境中收听者的一组方向相对应的一组与头部有关的转移函数。两个输出可以通过头戴受话器播放。通过头戴受话器在收听环境中收听左输出信号和右输出信号的收听者具有收听多个输入音频信号的感觉，好像源自在空间上位于收听环境中的多个扬声器以对收听者形成相应的多个方向。
此外，这里公开了一种承载用于指示处理系统的至少一个处理器实现一种方法的至少一个代码段的承载介质，该方法用于处理多个输入音频信号。该方法包括以上段落中描述的步骤。
附图说明
现将参考附图描述本发明的优选实施例。
图1是收听环境的示意性图示，并且描述了收听来自某个位置的声音的收听者的某些与头部有关的转移函数。
图2示出对于图1的布置当声源是冲击声时收听者的耳朵处的声音的一系列冲击响应函数。
图3是本发明的一个实施例的简化框图。
图4是第二简化实施例的简化框图。
图5是图3的实施例的简化框图混响器。
图6更详细地示出图3的实施例的与头部有关的转移函数(HRTF)滤波过程。
图7示出与头部有关的转移函数滤波的实施例。
图8示出图5的实施例中的延迟和滤波器结构。
图9示出实现图8的延迟和滤波器结构的一个实施例的框图。
图10示出由例如图9的延迟和滤波器结构完成的滤波的示例。
图11是处理立体声信号的一个实施例的简化框图。
图12示出本发明的具有模拟输入和输出的DSP处理器实施例。
具体实施方式
这里描述了一种方法和装置，其用于产生可以经由头戴受话器或经由扬声器播放的信号，并且用于例如通过头戴受话器向收听者提供收听位于房间中的一组位置处的一组扬声器的感觉，其中包括模拟房间中的混响。虽然本发明的实施例被设计成用于在头戴受话器上重放，但是这种实施例也可以用于扬声器重放系统中，作为产生多声道环境中的逼真氛围的方法。
图1示出本领域的技术人员所熟知的音频投射概念。当收听者7暴露到来自声源3的声音时，直接辐射信号分别经由两个通道2-L和2-R被传播到收听者的左耳和右耳。注意参考数字或字符中的“-R”或“-L”分别是指收听者的左耳和右耳。在直达声音成分到达之后，其他反射的声音可能到达收听者的耳朵。图1示出被壁4反射的到达5-L和5-R。壁4的声学属性一般影响回波5-L和5-R的声学属性，例如频率响应。图1代表希望经由头戴受话器进行双耳收听的收听者所希望经历的收听环境。希望为在头戴受话器上进行收听的收听者产生在房间中收听在空间上位于收听者周围的不同位置处的一组扬声器的体验。
图2示出在图1的收听环境中从源到收听者的左耳和右耳的冲击响应的示例。即，图1示出耳朵处来自冲击声源3的到达。左耳处的到达声波被示为2-L、5-L和8-L，右耳处的到达声波被示为2-R、5-R和8-R。冲击响应2-L和5-L对应于图1所示的相应的直达和反射传播通道。8-L的波形指示另一回波到达，它可能是从房间中的另一表面反射的。图2中所示的这三个回波到达指示前三个离散的声音到达。一般这一系列声音到达在时间上连续，并且回波到达的时间密度随着时间流逝而迅速增大，而回波到达的强度随时间减小。
图2所示的波形的形状是作为示例绘出的，但却希望代表在真实收听体验中一般会出现的形状。例如，左耳2-L处的直达声音到达比起右耳2-R处的直达声音到达表现出更早的到达时间和更高的峰值。这与图1所示的声源3更靠近收听者的左耳的情形一致。类似地，图2示出了左耳和右耳响应，并且包括了在图1中示为回波5的回波的成分到达用户的右耳(由冲击响应部分5-R所示)比到达左耳(冲击响应部分5-L)的时间更早，并且具有更大的幅度。
与一个声音到达(例如图2中的2-L)相对应的冲击响应的形状通常被称为收听者的耳朵相对于声音位置的“与头部有关的冲击响应”(HRIR)。HRIR通常在频域中指定，在这种情况下它被称为与头部有关的转移函数(HRTF)。这两个术语可以互换使用。一般，HRTF是成对指定的，这是因为一个HRTF，例如收听者左耳的2-L，如果不与收听者右耳的相应2-R HRTF一起使用，用处就很小。这个规则通常有一个例外，这发生在声音到达从位于收听者的中央平面中的方向达到收听者从而左耳和右耳听到相同的声音的情况下。对于这些中央平面声音到达，左HRTF信号和右HRTF信号一般是相同的，从而只有一个HRTF被指定，除非系统想模拟特定收听者的非对称解剖特征。
本发明的一个实施例包括模拟包括混响的声学环境的方法，其中混响也就是回波的生成。另一个实施例是一种包括模拟该环境的装置。本发明的另一个实施例是生成用于例如经由头戴受话器重放的信号的方法。该方法包括模拟声学环境，以便当经由头戴受话器向收听者重放所生成的信号时，会使得收听者产生他或她处于收听环境中的印象。这包括收听者拥有以下印象：虚拟扬声器位于相对于收听者的头部的适当位置处的空间中。另一个实施例是用于生成用于重放的信号的装置。
本发明的实施例还接受多个输入音频信号，其中每个信号对应于空间中的不同位置；并且处理用于经由头戴受话器重放的信号，以便使收听者产生以下印象：他或她正在收听来自多个虚拟扬声器的多个音频信号，其中每个虚拟扬声器位于空间中的不同的相应位置处。从而，产生了多个虚拟扬声器位置。
本发明的实施例还提供了音频信号的重放，这种重放包括模拟可能发生在房间中的回声，并且听起来很自然。一个方法实施例包括产生多个虚拟扬声器位置并且为每个虚拟扬声器位置产生回波到达模式。对于每个虚拟扬声器位置，这些模式可以是不同的。在另一个版本中，使得对于相对于收听者的每个虚拟扬声器方向，这些模式是不相关的。发明人已经发现，为不同虚拟扬声器方向提供基本上不相关的回波模式提供了房间音响效果的逼真并且自然的感觉。
虚拟扬声器位置是根据关于每个位置的HRTF对的知晓或假设来产生的。定向处理使用HRTF滤波器对。
本发明的一个方面是用于处理输入以生成用于重放的信号的装置的适度的计算功率和存储器要求。为实现这一点进行了多个设计选择。一个方面是限制声音到达方向的数目。通过限制方向数目，考虑到所有方向所需要的所有定向处理都可以利用多输入、多输出滤波器HRTF来实现，所述滤波器HRTF使用一小组滤波器实现一组HRTF滤波器对。在一个实施例中，每个直达声音以及每个分离的回波到达经由HRTF滤波器组中的HRTF滤波器对之一被馈送。提供适度计算和存储器要求的另一个方面是在该装置中使用多输入/多输出混响器以产生回波到达。该混响器使用递归滤波器结构，例如包括反馈的结构，以提供多输入/多输出混响器，以产生回波到达。
本发明的一个装置实施例在图12中示出，并且是用数字信号处理器(DSP)设备实现的，尤其是用包括DSP设备153和存储器155的DSP系统实现的，所述存储器155包含编程指令。该装置包括用于接受一组音频信号的一组输入端子，以及两个输出，一个用于左耳，一个用于右耳。发明人已经发现，一种尤其合适的DSP系统是由Motorola，Inc(Schaumburg，IL)制造的Motorola 56000DSP板。可以假定本领域的技术人员很容易熟悉这种板的操作和编程。从而，本发明的一个实施例采取承载一组计算机可读代码段的承载介质的形式，例如采取存储器或存储设备的形式，其指示处理系统的一个或多个处理器实现包括这里所述的方法步骤的方法。此外，一个实施例是针对5声道输入以及针对经由一组头戴受话器重放而设计的。该实施例包括所需要的模数转换器和数模转换器，用于在输入和输出是模拟信号的情况下对输入进行数字化并生成模拟输出。采样模数转换器157和采样数模转换器158在图12中示出。在一个实施例中，输入已经是数字的，其采取5.1-声道Dolby Digital信号的形式，从而对于输入不需要模数转换器。
一个装置实施例在图3中示意性地示出。该装置包括一组输入端子，用于接受一组输入音频信号。该组输入信号包括5声道数字输入，其中分别包括左、右、中央、左环绕(也称为左后)和右环绕(也称为右后)声道15-19。该组信号分别经由相应的求和单元35-39被耦合到多输入多输出的与头部有关的转移函数滤波器的相应输入端子。多输入多输出滤波器具有两组输出，一个用于左耳，一个用于右耳。在一个版本中，信号15-19中的每一个分别经由相应的求和单元35-39被耦合到相应的HRTF滤波器20、21、22、23和24的输入。HRTF滤波器中的每一个提供一个左滤波器输出和一个右滤波器输出，例如滤波器20的输出30和31。该装置假定固定数目的声音到达方向15-19，在这个情况是5个。HRTF滤波器20-24被用于提供所有的定向处理。每个HRTF对限定例如消声室中收听者的从各位置方向(例如所假定的虚拟扬声器的位置方向)的HRTF。
除了输入信号之外，多声道混响器14生成也由HRTF滤波器所处理的回波。多输入多输出混响器14接受该组输入信号并生成一组输出信号，其中每个信号用于一组方向中的一个方向，每个输出信号包括经延迟的混响成分，其模拟收听者在收听环境中可能听到的混响。
从而，每个直达声音和每个单独的回波到达是经由滤波器组中的HRTF滤波器之一馈送的。在一个实施例中，每个HRTF滤波器由单独的左子滤波器和右子滤波器构成，以分别提供左耳输出和右耳输出。每个左HRTF滤波器和右HRTF滤波器被实现为FIR滤波器。
多声道混响器的一个实施例是接受多个输入并生成多个输出以模拟回波到达的递归(反馈)滤波器。
滤波器结构20-24中每一个的左输出和右输出分别被左求和器和12-L和右求和器12-R单独求和，以分别产生左输出47和右输出48。相分离的输出47和48是用于利用头戴受话器的左头戴受话器输出信号和右头戴受话器输出信号。
图3的配置的各种替换实施例也在本发明的范围内。例如，在一个实施例中，中央声道17可以通过在进一步处理之前“混和进”左声道和右声道15、16中从而被消除。这可以通过将中央声道的一半添加到左声道和右声道中的每一个来实现。这种替换实施例在图4中示出，其中中央声道52经由除法器(0.5衰减器)59分别被求和电路(加法器)56和57添加到左声道50和右声道51。这种简化降低了整体计算需求。装置的剩余部分是4声道(L′、R′、左环绕53和右环绕54)到2声道双耳化器(binauralizer)。
多声道混响器14的一个实施例在图5中示出。该混响器对于多输入两输出HRTF滤波器中的每个方向包括一个反馈信号通道。每个反馈信号通道包括一个延迟器和滤波器，在一个实施例中其被实现为组合的延迟和滤波器，在另一个实施例中被实现为单独的延迟线后跟一个滤波器。
参考图5，5输入声道60中的每一个分别被加法器61、86、87、88和89与反馈信号相加，以形成五声道反馈通道。求和后的信号被输入到5乘5混合器62，以形成一组五个混合后的信号，其中每一个用于混响器的一个反馈信号通道。五个混合后的信号被输入到一组五个延迟和滤波器单元，这在图5中被示为分别实现为五个延迟线63-67和五个滤波器70-74。如下所述，一个实施例组合每个延迟和滤波器，以便滤波器使用延迟线的一部分。
五个延迟线63-67中的每一个使其各自的输入延迟不同的量(“延迟长度”)。五个延迟63-67各自的输出被馈送到该组五个滤波器70-74中相应的一个，这些滤波器在每个信号被反馈回多个求和器中与其相应的一个求和器(例如求和器61)时对其进行滤波和衰减。在一个实施例中，滤波器的输出还被一组增益元件放大，以形成多声道混响器的一组输出80。增益元件，例如增益元件81，具有可设置的增益，这些增益被施加以确保在目标收听环境中正确地模拟混响级别。每个相应的滤波器为由相应的反馈信号通道产生的回波产生随着频率变化的所需的延迟率，每个相应的延迟被选择成为所模拟的目标收听环境提供一个所需的混响模式。
图5所示的实施例的替换实施例是可能实现的。这种替换实施例除其他变化外还包括以下变化：
·输入数目可以变化，例如对于四输入系统，只施加四个输入。
·该组输入60可以具有在求和之前施加的增益。这对于定点DSP设备可能是重要的，在这种设备中，反馈信号通道85内的信号的级别需要被控制，以防止溢出以及/或者优化混响器的噪声性能。如何实现按比例缩放是信号处理领域的技术人员已知的。
·可以省略输出增益元件，例如81。例如，如果输入增益元件提供正确增益，则这可能就是适当的。
可以通过就简单地省略求和器61、86-89中的一个或多个来修改如图5所示的混响器，以使用较少的输入。
图3的HRTF滤波器组20-24的一个实施例在图6中更详细地示出。例如，滤波器20在图6中被示为两个滤波器30、31。用于HRTF的符号是HRTF(source，out)，其中source是分别用于左、中央、右、左环绕和右环绕的输入信道LF、C、RF、LS或RS之一，out是分别用于左和右的L或R之一。
一个实施例假设左右对称性。当进行这种假设时，以下规则成立：
HRTF(LF，L)＝HRTF(RF，R)
HRTF(JF，R)＝HRTF(RF，L)
HRTF(C，L)＝HRTF(C，R)
HRTF(LS，L)＝HRTF(RS，R)
HRTF(LS，R)＝HRTF(RS，L)
当对称性成立时，简化的实施例可以用于滤波器组。一个这种实施例在图7中示出。在这种情况下，输入到滤波器组的L前、R前、L后、R后信号各自被“扰乱器(shuffler)”单元所处理，例如用于前信号的扰乱器单元90和用于环绕(后)信号的扰乱器单元100。每个扰乱器计算和信号以及差信号。例如，扰乱器90分别计算和信号92以及差信号93，其中差信号是左信号与右信号之和的一半，而差信号是左信号减右信号的差的一半。
使用这种扰乱器允许了图6的实施例的10个滤波器组被仅仅5个滤波器所取代，这5个滤波器即图7所示的滤波器94-98。滤波器数目的这一减少，从而计算要求的降低，是以在分别连接到L、R、LS和RS输入的输入端上具有附加求和/差块90和100的相对适度的计算成本为代价的。此外，使用了求和点102和103。例如，求和点103被用于计算右输出信号，并且包括减去滤波器95和98的输出。
再次参考图5所示的混响器，混合器62具有5个输入和5个输出，从而具有25个增益值。这些增益可以根据以下矩阵方程由5×5矩阵G来指定：
Out L Out R Out C Out LS Out RS = G In L In R In C In LS In RS ,
其中G是5×5非对角矩阵，从而至少一个输出组合了多个输入。在示例性实施例中，G的元素被选择成使得G是幺正矩阵(unitarymatrix)。由于将混合矩阵左乘以对角矩阵等同于在混合之前应用一组增益因子，而将混合矩阵右乘以对角矩阵等同于在混合之后应用一组增益因子，对于这里的意图，幺正矩阵是在混合的输入和/或输出处的比例因子的范围内具有幺正性的矩阵。
本发明的一个方面是混响特性的选择，该选择又包括选择图5的延迟线63-67的延迟和滤波器70-74的属性。
已知许多用于创建幺正矩阵的方法。一个方法使用以下Matlab代码：
＞＞X＝randn(5)；
＞＞[U，S，V]＝svd(X)；
＞＞M＝U*VT；
其中*是矩阵乘法，T是转置运算符(假设是实值矩阵)。该代码开始于创建随机的5×5矩阵X，其中每个元素例如具有随机的高斯分布。然后该方法执行矩阵X的奇异值分解(SVD)，以生成具有以下属性的三个矩阵(U、S和V)：矩阵U和V都是幺正矩阵，并且X＝USVT。因此矩阵G＝UVT是从随机矩阵X得出的幺正矩阵。5×5矩阵G可以用作混响器中的混合器的系数。
如前所述，通过左乘对角矩阵以及/或者右乘对角矩阵而从严格幺正矩阵得出的任何矩阵都被视为“幺正”的，这是因为这种矩阵可以通过输入和/或输出处的增益而变得幺正。在另一种实施例中，例如利用以上MATLAB代码中描述的随机化器生成一组候选矩阵，并且基于收听测试选择最佳的。
图8示出单个延迟110和滤波器块111组合。图9示出延迟和滤波器组合的一个实施例。该实施例中的滤波器是一阶(2抽头)FIR滤波器，它通过接入到延迟线中来使用延迟线。从而，在一个实施例中，滤波和延迟由单个设备完成。延迟缓冲器121使音频输入数据延迟预定数目的采样周期。延迟线的最后两个抽头122和123分别被系数乘法器124和125所乘(加权)，这两个系数乘法器分别将两个抽头乘以a1和a2。经加权的抽头信号被加法器126相加，以形成经延迟的滤波后输出。
五个这样的结构可以被用于实现图5的延迟和滤波器。
选择系数a1和a2以便在反馈信号通道中提供所需的音频衰减。
图10示出图9中实现的2抽头滤波器的典型的所需频率响应。为了使得增益矩阵G为幺正的，每个滤波器的总增益应当在所有频率下都小于单位1。
图5中的滤波器70-74中的每一个使用其各自的系数a1和a2的不同组值。另一种实施例对每个滤波器使用相同的a1和a2值。
现在描述计算a1和a2的一种方法。本发明并不局限于此方法，并且发明人发现此方法提供令人满意的结果。
根据此方法，每个滤波器被选择为在低频下实现所需的混响时间并在高频下实现所需的混响时间。典型实施例的混响时间的典型值是本领域的技术人员已知的或者是本领域的技术人员可以获得的。为了使用本发明的实现方式，用户选择适合于所模拟的环境的类型的混响时间。
选择低频下所需的混响时间RT_low。还选择高频下所需的混响时间DecayRate_high。在一个实施例中，然后选择滤波器，以使得低频所需混响时间是混响器中音频信号的低频衰减60dB所花的时间，所需高频混响时间是混响器中高频衰减60dB所花的时间。RT_low的典型值可以是从200ms到5秒，甚至更长的时间也是可能的，而RT_high的典型值可以是从50ms到100ms。
然后两个RT值被转换成相应的衰减速率，它们分别被表示为DecayRate_low和DecayRate_high，并且以dB/秒为单位，如下：
DecayRate_low＝60/RT_low，并且
DecayRate_high＝60/R_high。
对于混响器中的每个延迟和滤波器对，a1和a2的值的可按下式计算：
a1＝(LowFreqGain+HighFreqGain)/2并且
a2＝(LowFreqGain-HighFreqGain)/2
其中
LowFreqGain＝10(DecayRate_loe×DelayTime)/20，并且
HighFreqGain＝10(DecayRate_high×DelayTime)/20，
其中DelayTime是以秒为单位的相应延迟长度。关于如何选择每个延迟线的长度，请见下文。
从而，滤波器系数a1和a2是DelayTime(以秒为单位的延迟长度)的函数。这确保了混响音频信号的所有成分都被相同的每秒衰减因子所衰减。从而，滤波器的衰减是根据相应延迟的长度的。
延迟线最好被设置为某个范围的长度。对于5声道混响，将此表示为L0、L1、...、L5。一个实施例将这些长度设置成使得集合L0、L1、...、L5中没有公因数。否则，混响器将无法获得高密度的混响冲击响应。在一个实施例中，一般而言，每个延迟长度被设置成大致等于所模拟的房间中的第一回波到达的延迟时间。在一个优选实施例中，延迟为2.5至4.5毫秒长。延迟长度被选择成使得对于每个HRTF方向所产生的回波模式是不相关的。
以上实施例中使用的一个方面是只有相对少量的HRTF方向能被用于提供混响的空间化。发明人已发现，只用相对少量的空间化方向就发生混响的“完全环绕”效果。
在所示的一个实施例中，这种HRTF方向的数目与多个输入信号的虚拟方向相对应。这并不是必要的。例如，可以使用比输入方向数目更少或更多的方向。以上所示的一个实施例消除了中央声道，因此它使用四个HRTF方向，而五个输入方向被提供。还可以使用比输入信号更多的方向。
从而，虽然上述实施例是用于对例如具有4或5个输入的环绕声信号进行双耳化的，但是该方法也适用于其他配置中。
作为示例，图11示出了适用于处理与两个输入方向相对应的两个(立体声)输入131和132以产生一组立体声输出47和48的装置实施例。两输入5输出多声道混响器134生成五个方向的一组环绕声信号，这五个方向中包括两个输入方向。一对加法器135、136将混响器的左声道输出和右声道输出与输入信号相加。左信号、右信号以及混响器134的中央输出、左环绕输出和右环绕输出被输入到HRTF滤波器组对，其中每一个生成左输出和右输出。相应的左HRTF滤波器输出和右HRTF滤波器输出被加起来，以分别形成左输出47和右输出48。HRTF滤波器组137和138例如可以用图7的结构来实现。混响器与先前参考图5所描述的类似，具有五个反馈信号通道，其中每一个用于多输入两输出HRTF滤波器的一个方向，只不过只接受两个输入，即左(前)声道和右(前)声道。HRTF滤波器的HRTF对是根据所需环境选择的。
从而已经公开了一种用于生成可以在头戴受话器上播放的一组信号的方法和装置，这些信号为收听者提供在一组位置处的一组虚拟扬声器的感觉。该装置结合使用多声道混响和HRTF滤波器组对。多声道混响器包括用于虚拟扬声器的每个位置的内部反馈信号通道。每个反馈信号通道耦合到相应的HRTF滤波器对。混响器包括可以由混合矩阵描述的混合器。发明人已发现，在混响器中使用幺正混合矩阵以及在反馈信号通道中使用滤波器以在低频和高频下提供所需的衰减速率产生了非常令人满意的环绕声体验，其具有收听室典型的混响，但只使用相对少量的HRTF方向。
注意，在以上描述中，省略了许多细节，因为这些对于本领域的技术人员来说是很清楚的。例如，没有示出公共的比例因子。从而，例如，当说到幺正矩阵对于混合矩阵G是优选的时，本领域的技术人员将会理解这意味着在左乘和/或右乘对角矩阵的程度内是幺正的。此外，例如当定点算术被用于实现元件时，在实现时可能需要某些进一步的缩放。
注意，虽然对于特定收听环境，例如每个收听室，需要不同的诸如滤波器系数、延迟线长度、混合器矩阵元素之类的依赖于环境的参数组，但是实际上收听环境分成一些类型。对于任何特定类型的所有房间，可以使用相同的参数。从而，实现本创造性方法的信号处理器将会在DSP系统的存储器中包括用于各自的不同类型的环境的不同参数组，例如，一组用于大型音乐厅，一组用于具有软家饰的小型起居室，等等。用户将会根据类型选择合适的收听环境。
这里所描述的方法中的每种方法的一个实施例是采取在处理系统上执行的计算机程序的形式的，所述处理系统例如是作为DSP系统的一部分的一个或多个DSP设备。本领域的技术人员将会清楚如何对DSP编程以实现上述结构中的每一个。或者，每个元件可以以诸如Verilog这样的语言来编码，并且被编码在实现所示结构的集成电路设计中。从而，正如本领域的技术人员将会意识到的，本发明的实施例可以实现为方法、诸如专用装置这样的装置、诸如数据处理系统这样的装置，或者承载介质，例如计算机程序产品。承载介质承载用于控制处理系统实现方法的一个或多个计算机可读代码段。因此，本发明的方面可以采取方法、纯硬件实施例、纯软件实施例或者结合了软件和硬件方面的实施例的形式。此外，本发明可以采取承载包含在介质中的计算机可读程序代码段的承载介质(例如计算机可读存储介质上的计算机程序产品)的形式。可以使用任何合适的计算机可读介质，其中包括诸如磁盘或硬盘这样的磁存储设备，或者诸如CD-ROM这样的光存储介质。
软件还可以经由网络接口设备在网络上发送和接收。虽然在示例性实施例中，承载介质被示为单个介质，但是“承载介质”这个术语应当被理解成包括存储一组或多组指令的单个介质或多个介质(例如集中式或分布式数据库，和/或相关联的缓存和服务器)。术语“承载介质”还应当被理解为包括任何能够存储、编码或承载供机器执行并致使机器执行本发明的任何一种或多种方法的一组指令的介质。承载介质可以采取许多形式，其中包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质例如包括光盘、磁盘和磁光盘。易失性介质包括动态存储器，例如主存储器。传输介质包括同轴电缆、铜线和光纤，其中包括包含总线子系统的导线。传输介质还可以采取声波或光波的形式，例如在无线电波和红外数据通信期间生成的那种。例如，术语“承载介质”因而应当被理解为包括但不限于固态存储器、光介质和磁介质以及载波信号。
将会理解，在一个实施例中，所讨论的方法步骤是由执行存储在存储装置中的指令(代码段)的处理(即计算机)系统的(一个或多个)适当的处理器来执行的。还将理解，本发明并不局限于任何特定的实现方式或编程技术，并且本发明可以用任何适当的用于实现这里所描述的功能的技术来实现。本发明并不局限于任何特定的编程语言或操作系统。
本说明书中各处提到“一个实施例”或“实施例”是指联系该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。从而，本说明书中各处出现短语“在一个实施例中”或“在实施例”不一定全都是指相同的实施例。此外，正如本领域的普通技术人员可以从本公开中清楚看到的，在一个或多个实施例中，特定的特征、结构或特性可以以任何合适的方式相组合。
类似地，应当理解，在以上对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各种特征有时被聚集在其单个实施例、附图或描述中，以便简化本公开并帮助理解各种创造性方面中的一个或多个。但是，这种公开方法不应当被解释为反映了以下意图：所要求保护的发明要求比每个权利要求中明确阐述的特征更多的特征。更确切地说，正如以下权利要求所反映的，创造性方面存在于少于单个以上公开的实施例的所有特征的特征中。从而，具体实施方式之后的权利要求书在此被明确地结合到具体实施方式中，其中每条权利要求独立地作为本发明的单独的实施例。
此外，虽然这里所描述的某些实施例包括其他实施例中包括的某些特征但不包括其他特征，但是，正如本领域的技术人员将会理解的，不同实施例的特征的组合是打算处于本发明的范围内的，并且形成不同的实施例。例如，在以下权利要求书中，可以按任何组合使用所要求保护的任何实施例。
此外，某些实施例在这里被描述为可以由计算机系统的处理器或由实现功能的其他装置所实现的方法或方法的元素的组合。从而，具有用于实现这种方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实现方法或方法元素的装置。此外，这里所描述的装置实施例的元素是用于实现该元素为实现本发明而执行的功能的装置的示例。
在此通过引用将这里所引用的所有公布、专利和专利申请都结合进来。
在以下权利要求书和这里的描述中，术语“comprising(包括)”或“comprised of(由...构成)”或“which comprises(其包括)”是一个“开放”术语，其意指至少包括以下元素/特征，但不排除其他。这里所使用的术语“including(包括)”或“which includes(其包括)”或“thatinclude(其包括)”也是一个“开放”术语，它也意指至少包括该术语之后的元素/特征，但不排除其他。从而，including与comprising同义，其含义就是comprising。
从而，虽然已经描述了认为是本发明的优选实施例的实施例，但是本领域的技术人员将会意识到可以在不脱离本发明的精神的情况下对其进行其他进一步修改，并且希望要求所有这种变化和修改都落在本发明的范围内。例如，以上给出的任何式子都只代表所使用的过程。可以向框图添加功能或从中删除功能，并且在功能块之间可以交换操作。可以向在本发明的范围内描述的方法添加步骤，或从中删除步骤。此外，单词comprising和comprise的含义是“including”和“include”，因此描述了至少包括所述元素或步骤，并且不排除更多的元素或步骤。

Claims (52)

1.一种用于处理多个输入音频信号的装置，包括：
多个输入端子，用于接受多个输入信号；
多输入多输出混响器，其接受所述多个输入信号，并被配置成生成一组输出信号，其中包括模拟在收听环境中收听者可能听到的混响的经延迟的混响成分；以及
多输入两输出滤波器，其具有耦合到所述混响器的输出的输入，所述输入还耦合到所述多个输入端子，所述滤波器具有两个输出，一个用于左耳，一个用于右耳，所述滤波器被配置成实现与一个收听环境和在所述收听环境中收听者的一组方向相对应的一组与头部有关的传递函数，所述两个输出可以通过头戴受话器播放，
从而使得通过头戴受话器在所述收听环境中收听所述左输出信号和右输出信号的收听者具有收听多个输入音频信号的感觉，其好像源自在空间上位于所述收听环境中的多个扬声器以对所述收听者形成相应的多个方向。
2.如权利要求1所述的装置，其中在形成所述混响成分中的至少一个时，所述混响器被配置成组合多个所接受的输入信号，并且其中所述混响器还被配置成以不同方式处理所述输入信号中的每一个。
3.如前述权利要求中任何一条所述的装置，还包括：
第一组组合器，其耦合到所述混响器的输出和所述输入端子，被配置成将所述多个输入与所述混响器输出组相组合，以生成用于所述多输入多输出滤波器的一组输入。
4.如前述权利要求中任何一条所述的装置，其中所述滤波器被配置成生成两组输出，一组用于左耳，一组用于右耳，并且其中所述滤波器包括第二组组合器，其被配置成将所述左耳输出组与所述右耳输出组相组合，以分别形成所述左耳输出信号和所述右耳输出信号。
5.如前述权利要求中任何一条所述的装置，其中所述混响器被配置成使得所述混响成分包括所接受的输入信号的一系列经混合、经延迟和经滤波的版本。
6.如前述权利要求中任何一条所述的装置，其中所述混响器包括多输入多输出混合器，其具有耦合到所述输入端子的输入，所述混合器被配置成对所述多个输入信号进行混合，所述混合可由一个非对角矩阵描述，从而使得至少一个混合器输出是通过组合多个混合器输入来生成的。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述矩阵是在左乘对角矩阵和/或右乘对角矩阵的程度内的幺正矩阵。
8.如权利要求4-6之一中所述的装置，其中所述混合器输入与所述输入端子的耦合是经由第三组组合器的，所述第三组组合器被配置成将所述输入与所述混合器输出的经延迟且经滤波的版本相组合，从而使得所述混响器包括多个反馈信号通道，其中至少一个反馈信号通道包括延迟器和滤波器。
9.如前述权利要求中任何一条所述的装置，其中所述多输入两输出滤波器被配置成针对相应的多个HRTF方向实现多个HRTF滤波器对，每一对用于所述收听者的一个所形成的方向，并且其中所述混响器包括多个反馈信号通道，每个通道用于所述收听者的一个所形成的方向，从而使得所述混响器输出与所述多输入两输出滤波器的耦合将所述反馈信号通道中的每一个耦合到所述HRTF滤波器对中相应的一个。
10.如权利要求9所述的装置，其中所述混响器还包括多输入多输出混合器，其具有耦合到所述输入端子和所述反馈信号通道的输出的输入，所述混合器被配置成对所述多个输入进行混合，所述混合器输出耦合到所述反馈信号通道，所述混合可以由一个非对角矩阵描述，从而使得至少一个混合器输出是通过组合多个混合器输入生成的。
11.如权利要求9或10所述的装置，其中所述反馈信号通道中的每一个包括延迟和滤波器，每个滤波器用于为由各自的反馈信号通道所产生的回波产生随频率变化的所需衰减速率，并且每个延迟被选择成为所述收听环境提供所需的混响模式。
12.如权利要求11所述的装置，其中每个滤波器被选择成实现低频下的所需混响时间和高频下的所需混响时间。
13.如权利要求11或12所述的装置，其中不同反馈信号通道的延迟被选择成不同的，并且没有公因数。
14.如权利要求11、12或13所述的装置，其中不同反馈信号通道的诸个延迟中的每一个被选择成大致等于所述收听环境中的第一回波到达的延迟时间。
15.如权利要求11、12、13或14所述的装置，其中不同反馈信号通道的诸个延迟中的每一个被选择成使得回波模式相对于每个反馈信号通道是不相关的。
16.如权利要求9、10、11、12、13、14或15所述的装置，其中HRTF方向的数目小于所述多个音频输入信号中的输入信号的数目。
17.如权利要求9、10、11、12、13、14或15所述的装置，其中HRTF方向的数目大于所述多个音频输入信号中的输入信号的数目。
18.如前述权利要求中任何一条所述的装置，其中所述装置还包括存储器，其被配置成存储用于至少一个收听环境的至少一组参数，每组参数足以模拟一个收听环境。
19.如权利要求18所述的装置，其中所述存储器利用多组收听环境的多组参数被加载。
20.如前述权利要求中任何一条所述的装置，其中所述滤波器和混响器是由具有存储器的DSP系统实现的。
21.一种用于处理多个输入音频信号的方法，包括：
接受多个输入信号；
从所述多个输入信号生成一组混响器输出信号，所述生成步骤包括形成模拟在收听环境中收听者可能听到的混响的经延迟的混响成分；以及
对所述输入信号和混响器输出信号的组合进行滤波以产生两个输出，一个用于左耳，一个用于右耳，所述滤波器实现与一个收听环境和所述收听环境中收听者的一组方向相对应的一组与头部有关的传递函数，所述两个输出可以通过头戴受话器播放，
从而使得通过头戴受话器在所述收听环境中收听所述左输出信号和右输出信号的收听者具有收听多个输入音频信号的感觉，其好像源自在空间上位于所述收听环境中的多个扬声器以对所述收听者形成相应的多个方向。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述混响成分中的至少一个的形成步骤包括组合多个所接受的输入信号，并且其中所述生成一组混响器输出信号的步骤以不同方式处理不同的输入信号。
23.如权利要求21或22所述的方法，还包括：
将所述多个输入与所述混响器输出组相组合，以生成用于混响的一组输入。
24.如权利要求21、22或23所述的方法，其中所述混响器成分包括所接受的输入信号的一系列经混合、经延迟和经滤波的版本。
25.如权利要求21、22、23或24所述的方法，其中所述生成混响器输出信号组的步骤包括对所述多个输入信号进行混合，所述混合可由一个非对角矩阵描述，从而使得至少一个混合输出是通过组合多个混合输入来生成的。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述矩阵是在左乘对角矩阵和/或右乘对角矩阵的程度内的幺正矩阵。
27.如权利要求21、22、23、24、25或26所述的方法，其中所述生成混响器输出信号组的步骤包括将所接受的输入与所述混合器输出的经延迟且经滤波的版本相组合，从而使得所述混响器输出信号组的生成包括提供多个反馈信号通道，其中至少一个反馈信号通道包括延迟和滤波。
28.如权利要求21、22、23、24、25或26所述的方法，
其中所述滤波步骤实现针对相应的多个HRTF方向的多个HRTF滤波器对，每一对用于所述收听者的一个所形成的方向，
其中所述生成混响器输出的步骤包括提供多个反馈信号通道，每个通道用于所述收听者的一个所形成的方向，
并且其中所述方法还包括将所述反馈信号通道中的每一个耦合到所述HRTF滤波器对中相应的一个。
29.如权利要求27或28所述的方法，其中所述生成一组混响器输出信号的步骤还包括将所述所接受的输入和所述反馈信号通道的输出进行混合以产生所述反馈信号通道的输入，所述混合可以由非对角矩阵描述，从而使得至少一个混合输出是通过组合多个混合输入生成的。
30.如权利要求27、28或29所述的方法，其中所述反馈信号通道中的每一个包括延迟和滤波，其中每个滤波器步骤用于为由各自的反馈信号通道所产生的回波产生随频率变化的所需衰减速率，并且其中每个延迟步骤包括应用各自的被选择的为所述收听环境提供所需的混响模式的延迟。
31.如权利要求30所述的方法，其中每个反馈信号通道中的滤波被选择成实现低频下的所需混响时间和高频下的所需混响时间。
32.如权利要求30或31所述的方法，其中不同反馈信号通道的延迟被选择成不同的，并且没有公因数。
33.如权利要求30、31或32所述的方法，其中不同反馈信号通道的诸个延迟中的每一个被选择成大致等于所述收听环境中的第一回波到达的延迟时间。
34.如权利要求30、31、32或33所述的方法，其中不同反馈信号通道的诸个延迟中的每一个被选择成使得回波模式相对于每个反馈信号通道是不相关的。
35.如权利要求28、29、30、31、32、33或34所述的方法，其中HRTF方向的数目小于所述多个音频输入信号中的输入信号的数目。
36.如权利要求28、29、30、31、32、33或34所述的方法，其中HRTF方向的数目大于所述多个音频输入信号中的输入信号的数目。
37.一种承载用于指示处理系统的至少一个处理器实现一种方法的至少一个代码段的承载介质，所述方法用于处理多个输入音频信号，所述方法包括：
接受多个输入信号；
从所述多个输入信号生成一组混响器输出信号，所述生成步骤包括形成模拟在收听环境中收听者可能听到的混响的经延迟的混响成分；以及
对所述输入信号和混响器输出信号的组合进行滤波以产生两个输出，一个用于左耳，一个用于右耳，所述滤波器实现与一个收听环境和所述收听环境中收听者的一组方向相对应的一组与头部有关的转移函数，所述两个输出可以通过头戴受话器播放，
从而使得通过头戴受话器在所述收听环境中收听所述左输出信号和右输出信号的收听者具有收听多个输入音频信号的感觉，好像源自在空间上位于所述收听环境中的多个扬声器以对所述收听者形成相应的多个方向。
38.如权利要求37所述的承载介质，其中所述混响成分中的至少一个的形成步骤包括组合多个所接受的输入信号，并且其中所述生成一组混响器输出信号的步骤以不同方式处理不同的输入信号。
39.如权利要求37或38所述的承载介质，其中所述混响器成分包括所述所接受的输入信号的一系列经混合、经延迟和经滤波的版本。
40.如权利要求37、38或39所述的承载介质，其中所述生成混响器输出信号组的步骤包括对所述多个输入信号进行混合，所述混合可由非对角矩阵描述，从而使得至少一个混合输出是通过组合多个混合输入来生成的。
41.如权利要求37、38、39或40所述的承载介质，其中所述生成混响器输出信号组的步骤包括将所接受的输入与所述混合器输出的经延迟且经滤波的版本相组合，从而使得所述混响器输出信号组的生成步骤包括提供多个反馈信号通道，其中至少一个反馈信号通道包括延迟和滤波。
42.如权利要求37、38、39或39所述的承载介质，
其中所述滤波步骤实现针对相应的多个HRTF方向的多个HRTF滤波器对，每一对用于所述收听者的一个所形成的方向，
其中所述生成混响器输出的步骤利用多个反馈信号通道，每个通道用于所述收听者的一个所形成的方向，
并且其中所述方法还包括将所述反馈信号通道中的每一个耦合到所述HRTF滤波器对中相应的一个。
43.如权利要求41或42所述的承载介质，其中所述生成一组混响器输出信号的步骤还包括将所述所接受的输入和所述反馈信号通道的输出进行混合以产生所述反馈信号通道的输入，所述混合可以由非对角矩阵描述，从而使得至少一个混合输出是通过组合多个混合输入生成的。
44.如权利要求41、42或43所述的承载介质，其中所述反馈信号通道中的每一个包括延迟和滤波，其中每个滤波步骤用于为由各自的反馈信号通道所产生的回波产生随频率变化的所需衰减速率，并且其中每个延迟步骤包括应用各自的被选择成为所述收听环境提供所需的混响模式的延迟。
45.如权利要求44所述的承载介质，其中每个反馈信号通道中的滤波被选择成实现低频下的所需混响时间和高频下的所需混响时间。
46.如权利要求44或45所述的承载介质，其中不同反馈信号通道的延迟被选择成不同的，并且没有公因数。
47.如权利要求44、45或46所述的承载介质，其中不同反馈信号通道的诸个延迟中的每一个被选择成大致等于所述收听环境中的第一回波到达的延迟时间。
48.如权利要求44、45、46或47所述的承载介质，其中不同反馈信号通道的诸个延迟中的每一个被选择成使得回波模式对于每个反馈信号通道是不相关的。
49.如权利要求42所述的承载介质，其中HRTF方向的数目小于所述多个音频输入信号中的输入信号的数目。
50.如权利要求42所述的承载介质，其中HRTF方向的数目大于所述多个音频输入信号中的输入信号的数目。
51.一种用于处理多个输入音频信号的装置，包括：
用于接受多个输入信号的装置；
用于从多个输入信号生成一组混响器输出信号的装置，其包括形成模拟在收听环境中收听者可能听到的混响的经延迟的混响成分；以及
用于对所述输入信号和混响器输出信号的组合进行滤波以产生两个输出的装置，一个用于左耳，一个用于右耳，所述滤波器实现与一个收听环境和所述收听环境中收听者的一组方向相对应的一组与头部有关的转移函数，所述两个输出可以通过头戴受话器播放，
从而使得通过头戴受话器在所述收听环境中收听所述左输出信号和右输出信号的收听者具有收听多个输入音频信号的感觉，好像源自在空间上位于所述收听环境中的多个扬声器以对所述收听者形成相应的多个方向。
52.如权利要求51所述的装置，其中所述混响成分中的至少一个的形成步骤包括组合多个所接受的输入信号，并且其中所述生成一组混响器输出信号的步骤以不同方式处理不同的输入信号。
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