TW201914315A - 穿戴式音訊處理裝置及其音訊處理方法 - Google Patents

Abstract

一種穿戴式音訊處理裝置，包括：一定位單元，偵測一使用者的一偏移角度；一音場定位調整單元，包括：一聽覺幾何單元，用以預先計算一空間幾何關係；一音源模型單元，在複數位置分別建立複數虛擬音場；一途徑產生單元，產生該等虛擬音場傳播至該使用者之複數傳播途徑；一聽覺化單元，接收一音訊資料及該等傳播途徑，產生具有該等虛擬音場之三維音景；一校正單元，接收該偏移角度，根據該偏移角度校正該空間幾何關係及該等虛擬音場之方位，使該等虛擬音場不隨著該使用者轉向而改變方位；以及一音訊輸出單元，輸出該三維音景。

Description

穿戴式音訊處理裝置及其音訊處理方法

本發明是有關於音訊處理裝置，特別是有關於不隨著使用者轉向而改變音場方位的穿戴式音訊處理裝置及其音訊處理方法。

由於電競耳機的市場蓬勃發展，傳統的立體聲耳機除了音質音色要好之外，消費者對於音場的效果、聲音位置的準確性有著更多的期待。如圖式第1圖所示，使用者100帶著一般頭戴式耳機110之示意圖，舉例而言，使用者100可以透過主機及銀幕(圖未繪示)玩電玩遊戲，而使用者感受到的音場120分別產生在使用者100的雙耳、及頭部位置(以虛線同心圓表示)，當使用者100向順時針分別轉向90度、180度及270度時，該等音場120隨著使用者100轉向而跟著改變方位，導致使用者100對於電玩遊戲中聲音位置的掌握度不是這麼精準。

本發明提供一種不隨著使用者轉向而改變音場方位的穿戴式音訊處理裝置及其音訊處理方法。

本發明之一實施例提供一種穿戴式音訊處理裝置，包括：一定位單元，偵測一使用者的一偏移角度；一音場 定位調整單元，包括：一聽覺幾何單元，用以預先計算一空間幾何關係；一音源模型單元，根據該空間幾何關係，在複數位置分別建立複數虛擬音場；一途徑產生單元，根據該使用者位置，產生該等虛擬音場傳播至該使用者之複數傳播途徑；一聽覺化單元，接收一音訊資料及該等傳播途徑，產生具有該等虛擬音場之三維音景；一校正單元，接收該偏移角度，根據該偏移角度校正該空間幾何關係及該等虛擬音場之方位，使該等虛擬音場不隨著該使用者轉向而改變方位；以及一音訊輸出單元，電性連接該音場定位調整單元，用以輸出該三維音景。

本發明亦提供一種音訊處理方法，用於包括一定位單元及一音場定位調整單元之一穿戴式音訊處理裝置，該方法包括：藉由該定位單元，偵測一使用者的一偏移角度；藉由該音場定位調整單元，進行以下操作：預先計算一空間幾何關係；根據該空間幾何關係，在複數位置分別建立複數虛擬音場；根據該使用者位置，產生該等虛擬音場傳播至該使用者之複數傳播途徑；接收一音訊資料及該等傳播途徑，產生具有該等虛擬音場之三維音景；根據該偏移角度校正該空間幾何關係及該等虛擬音場之方位，使該等虛擬音場不隨著該使用者轉向而改變方位；以及輸出該三維音景。

100‧‧‧使用者

110‧‧‧頭戴式耳機

120‧‧‧音場

200‧‧‧穿戴式音訊處理裝置

210‧‧‧輸入介面單元

220‧‧‧定位單元

230‧‧‧音場定位調整單元

231‧‧‧聽覺幾何單元

232‧‧‧音源模型單元

233‧‧‧途徑產生單元

234‧‧‧聽覺化單元

235‧‧‧校正單元

240‧‧‧音訊輸出單元

250‧‧‧個人電腦

260‧‧‧音效切換單元

280‧‧‧等化器模組

281‧‧‧音樂模式

282‧‧‧電影模式

283‧‧‧運動模式

284‧‧‧切換指令

290‧‧‧混和器

291‧‧‧選擇指令

300、400‧‧‧使用者

310、410‧‧‧穿戴式音訊處理裝置

320、420‧‧‧虛擬音場

501、502、503、504、505、506、507‧‧‧步驟

601、602、603、604、605、606、607、608‧‧‧步驟

第1圖係顯示使用者使用一般頭戴式耳機之示意圖。

第2A、2B圖係根據本發明第一實施例之穿戴式音訊處理裝置之方塊圖。

第2C圖係根據本發明第二實施例之穿戴式音訊處理裝置之方塊圖。

第3A、3B圖係使用者使用穿戴式音訊處理裝置之示意圖。

第4圖係使用者使用穿戴式音訊處理裝置之示意圖。

第5圖係根據本發明第一實施例之音訊處理方法流程圖。

第6圖係根據本發明第二實施例之音訊處理方法流程圖。

為使本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

第2A圖係根據本發明第一實施例所述之穿戴式音訊處理裝置200之方塊圖。穿戴式音訊處理裝置200主要包括輸入介面單元210、定位單元220、音場定位調整單元230及音訊輸出單元240。穿戴式音訊處理裝置200透過有線或無線(wireless)的方式，接收來自個人電腦(PC)250之影音資料或音訊資料，經過穿戴式音訊處理裝置200處理後，由音訊輸出單元240輸出至一使用者(圖未繪示)。穿戴式音訊處理裝置200可以是頭戴式耳機、電競耳機、虛擬實境裝置等頭戴式裝置。

在此實施例中，個人電腦250依據使用者所播放的影音內容，經由通用序列匯流排(USB)或高畫質多媒體介面(High Definition Multimedia Interface，HDMI)或其他可傳輸影音資料之傳輸介面，傳送影音資料至穿戴式音訊處理裝置200，個人電腦250亦可直接傳送音訊資料(audio data)至穿戴式音訊處理裝置200。在其他實施例中，穿戴式音訊處理裝置200 亦可接收來自遊戲機、多媒體播放器(例如：DVD播放器、藍光光碟播放器)、隨身聽、智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦之影音資料或音訊資料，本發明實施例不限定於此。

輸入介面單元210接收來自個人電腦250之影音資料，並將影音資料轉換為音訊資料，傳送至音場定位調整單元230，音訊資料可以是雙聲道(multi-channel)或單聲道(single channel)之音訊資料。當個人電腦250傳送音訊資料時，輸入介面單元210不經轉換直接將該音訊資料傳送至音場定位調整單元230。音訊資料可經由I²S(Integrated Interchip Sound)、HAD(High Definition Audio)、PCM(Pulse-Code Modulation)等任何聲音格式介面傳送至音場定位調整單元230。

定位單元220可以是九軸感應器、眼球追蹤器或頭部追蹤器。定位單元220用以偵測使用者的偏移角度及位置，並傳送至音場定位調整單元230。九軸感應器由三軸加速度感測器(Accelerometer)、三軸磁場感測器(Magnetometer)及三軸陀螺儀感測器(Gyroscope)所構成，用以偵測使用者的偏移角度及位置。該眼球追蹤器或頭部追蹤器可以設置在使用者使用的銀幕上(圖未繪示)，利用攝影機捕捉使用者之眼球或頭部，用以偵測使用者的偏移角度，並回傳至音場定位調整單元230。

音場定位調整單元230可以是數位訊號處理器(Digital Signal Processor，DSP)，電性連接輸入介面單元210及定位單元220，接收音訊資料用以產生具有複數虛擬音場之三維音景(3D soundscape)。舉例而言，音場定位調整單元230可產生出不同位置的三個虛擬音場，並可針對不同位置之虛擬 音場向外擴張一預定距離，使得使用者聆聽時感受到三維音景，該預定位置可以是10公分~100公分，本發明實施例不限定此預定距離。在本實施例中，音場定位調整單元230接收定位單元220回傳之偏移角度，根據該偏移角度校正複數個虛擬音場之方位，使該等虛擬音場不隨著該使用者轉向而改變方位(位置)。此外，音場定位調整單元230還包括數位類比轉換單元及音訊放大器(圖未繪示)，用以將三維音景轉換為類比訊號並放大輸出至後級的音訊輸出單元240。

音訊輸出單元240可以是具有雙/多聲道揚聲器的輸出裝置，具有左/右聲道或多聲道輸出。音訊輸出單元240接收音場定位調整單元230處理過的三維音景類比訊號，將三維音景透過揚聲器撥放給使用者聆聽。

關於音場定位調整單元230接收音訊資料產生具有複數虛擬音場之三維音景，以及根據使用者之偏移角度校正該等虛擬音場方位之方法，詳細說明如下。請參考圖式第2B圖，音場定位調整單元230還包括聽覺幾何單元231、音源模型單元232、途徑產生單元233、聽覺化單元234及校正單元235。音場定位調整單元230係透過模擬聲音定位的方法，利用人耳聽音原理的效應，製造出環繞聲源來自使用者後方或側面等多個虛擬音場的效果。其模擬方法包括使用聲音強度、相位差、時間差以及透過頭部相關轉換函數(Head Related Transfer Function，HRTF)等方法產生出具有複數虛擬音場之三維音景。

舉例而言，聽覺幾何單元231，可以是一空間分割單元(spatial subdivision unit)但並非限定於此。聽覺幾何單元 231，在一空間環境(spatial environment)中，預先計算一空間幾何關係，該空間環境可以是三維空間中的一組具有多個表面的多邊形(例如：相連接的房間)，或是將該空間環境簡單化為以使用者頭部為中心的立體球。聽覺幾何單元231預先計算描述該空間環境中固有的空間幾何關係，並設定該多邊形或該立體球表面的吸收、反射係數傳送至音源模型單元232。

音源模型單元232，可以是一波束追蹤單元(beam tracing unit)，但是並非限定於此。音源模型單元232，根據該空間幾何關係，在複數位置分別建立複數虛擬音場，例如在使用者的雙耳及頭部的中心分別建立三個虛擬聲音場，並決定該等虛擬音場相較於使用者頭部中心的方位、距離、角度等發射特性，並將上述性質傳送至途徑產生單元233。音源模型單元232係藉由產生虛擬聲音源(sound source)的方式建立該等虛擬音場。在一實施例中，音源模型單元232位於使用者的雙耳及頭部產生該等虛擬音場，該等虛擬音場係相對於使用者的雙耳及頭部向外擴張一預定距離，該預定位置可以是10公分~100公分，本發明實施例不限定此預定距離。

途徑產生單元233，接收來自定位單元220之使用者位置，前述使用者位置可以是使用者的頭部中心位置，利用波束追蹤(beam tracing)之方法，根據該使用者位置，產生該等虛擬音場傳播至該使用者之複數傳播途徑，並傳送至聽覺化單元234。該等傳播途徑係針對各個虛擬音場所在位置、方位及角度，根據該空間幾何關係產生至使用者雙耳之聲音傳播途徑。

聽覺化單元234，接收音訊資料及該等傳播途徑，產生具有該等虛擬音場之三維音景(3D soundscape)。聽覺化單元234接收來自輸入介面單元210之音訊資料以及該等傳播途徑，經由設定個人化的頭部相關轉換函數(Head Related Transfer Function，HRTF)，產生出具有複數虛擬音場之三維音景，並將該三維音景傳送至音訊輸出單元240。此外，聽覺化單元234還接收來自定位單元220之使用者之偏移角度，用以回傳至校正單元235。

校正單元235，接收使用者轉向之偏移角度，根據該偏移角度產生回饋校正參數，用以校正聽覺幾何單元231之空間幾何關係及音源模型單元232之該等虛擬音場之方位，使該等虛擬音場相對於使用者之頭部中心相對距離保持不變，但不隨著使用者轉向而改變方位(位置)。

第2C圖係根據本發明第二實施例所述之穿戴式音訊處理裝置200之方塊圖。在此實施例中，和第一實施例中相同名稱的元件，其功能亦如前所述，在此不再贅述。第2C圖和第2A圖的主要差異在於穿戴式音訊處理裝置200還包括音效切換單元260、等化器模組280、混和器290等單元。音效切換單元260接收來自輸入介面單元210的音訊資料，將該音訊資料分別輸入至及音場定位調整單元230等化器模組280做後續的處理。音場定位調整單元230接收該音訊資料產生具有複數虛擬音場之三維音景，此外，音場定位調整單元230電性連接定位單元220，接收定位單元220回傳之偏移角度，根據該偏移角度校正複數個虛擬音場之方位，使該等虛擬音場不隨著該使用者 轉向而改變方位。

等化器模組280接收音訊資料用以產生複數情境模式之等化器音場。等化器模組280接收音訊資料進行等化處理，提供使用者不同的優化情境等化器(Equalizer，EQ)模式可選擇，使得使用者可依據場景或自身喜好挑選不同的音場EQ。舉例而言，複數情境模式可包括：音樂模式281、電影模式282及運動模式283，該等情境模式係針對不同的音譜頻率分別加重比例做調整，例如音樂模式281較強調中、高音頻的清脆聲響，更強調音樂展現的細節，電影模式282強調重低音的部分，以達到親臨實境的效果，而運動模式強調高音頻部分，展現動態音樂的美感。等化器模組280還接收了來自使用者的一切換指令(trigger control)284，用以切換各種不同的情境模式，該切換指令284可設置於穿戴式音訊處理裝置200設置一按鈕或於個人電腦250之軟體介面設置輸入選項，以供使用者輸入切換指令284，並傳送至等化器模組280。

最後，混和器(mixer)290接收音場定位調整單元230之三維音景及等化器模組280之等化器音場，根據來自使用者之一選擇指令291將三維音景及等化器音場切換傳送至該音訊輸出單元240。該選擇指令291可設置於穿戴式音訊處理裝置200設置一按鈕或於個人電腦250之軟體介面設置輸入選項，以供使用者輸入選擇指令291，並傳送至混和器290。音訊輸出單元240電性連接該混和器290，輸出該三維音景或該等化器音場以供使用者聆聽。

接者，請參考圖式第3A圖、第3B圖，使用者300 例如在看影片、玩電玩遊戲、進行虛擬實境遊戲等時，使用穿戴式音訊處理裝置310聆聽音效，穿戴式音訊處理裝置310產生三個虛擬音場320分別位於使用者300之雙耳及頭部位置(以虛線同心圓表示)。請參考第3A圖，穿戴式音訊處理裝置310所產生的三個虛擬音場320可以如一般雙聲道耳機所產生的音場相同，位於雙耳及/或頭部的正中央。請參考第3B圖，穿戴式音訊處理裝置310所產生的三個虛擬音場320也可以由使用者300之雙耳及頭部位置向外擴張一預定距離，所述向外擴張可以是朝頭部後方或上方的任意方位角度向外擴張，該預定位置可以是10公分~100公分，本發明實施例不限定此預定距離。穿戴式音訊處理裝置310針對不同位置之虛擬音場向外擴張一預定距離，使得使用者300可以更加地感受到聲音的細膩度與方向性，更提升了對聲音位置的掌握度。

更進一步地，請參考圖式第4圖，使用者400使用穿戴式音訊處理裝置410聆聽音效，穿戴式音訊處理裝置410在使用者400的雙耳及頭部位置向外擴張產生三個虛擬音場420(以虛線同心圓表示)，當使用者400向順時針方向轉向90度、180度、270度時，穿戴式音訊處理裝置410的定位單元取得使用者之偏移角度(亦即90度、180度、270度)，並根據該偏移角度校正所述三個虛擬音場之方位，使該等虛擬音場保持原來的位置，以達到該等虛擬音場不隨著使用者轉向而改變方位的效果，藉此使用者400可以更精確地掌握聲音位置的方向性。可以理解的是，當使用者400向逆時針方向轉向時，亦會有不隨著使用者轉向而改變方位的效果。

第5圖係根據本發明第一實施例之音訊處理方法流程圖，用於包括一定位單元及一音場定位調整單元之一穿戴式音訊處理裝置。配合參考本發明第一實施例之第2A圖及第2B圖，在步驟501中，藉由穿戴式音訊處理裝置200之定位單元220，偵測使用者的偏移角度。在步驟502中，藉由該音場定位調整單元230之一聽覺幾何單元231，用以預先計算一空間幾何關係。在步驟503中，藉由音場定位調整單元230之一音源模型單元232，根據該空間幾何關係，在複數位置分別建立複數虛擬音場。在步驟504中，藉由音場定位調整單元230之一途徑產生單元233，根據該使用者位置，產生該等虛擬音場傳播至該使用者之複數傳播途徑。在步驟505中，藉由音場定位調整單元230之一聽覺化單元234，接收一音訊資料及該等傳播途徑，產生具有該等虛擬音場之三維音景。在步驟506中，藉由音場定位調整單元230之一校正單元235，接收該偏移角度，根據該偏移角度校正該空間幾何關係及該等虛擬音場之方位，使該等虛擬音場不隨著該使用者轉向而改變方位。在步驟507中，藉由該穿戴式音訊處理裝置200之音訊輸出單元240，電性連接該音場定位調整單元230，用以輸出該三維音景。

其中，在步驟503中，藉由音源模型單元232位於該使用者的雙耳及/或頭部產生該等虛擬音場，該等虛擬音場係相對於該使用者的雙耳及/或頭部向外擴張一預定距離。另外，在步驟501之前，還包括藉由穿戴式音訊處理裝置200之輸入介面單元210，接收一影音資料，將該影音資料轉換為該音訊資料，傳送至該音場定位調整單元230。

第6圖係根據本發明第二實施例之音訊處理方法流程圖。在此方法流程圖中，和第5圖之第一實施例之方法流程圖相同步驟如前所述，在此不再贅述。配合參考本發明第二實施例之第2C圖，第6圖和第5圖的主要差異在於，在步驟605中，藉由穿戴式音訊處理裝置200之等化器模組280，對所接收的該音訊資料進行等化處理，用以產生複數情境模式之等化器音場。本方法更包括步驟607，藉由混和器290，接收音場定位調整單元230之三維音景及等化器模組280之等化器音場，並根據使用者之選擇指令將該三維音景及該等化器音場切換傳送至該音訊輸出單元240。在步驟608中，音訊輸出單元240電性連接混和器290，輸出該三維音景或該等化器音場。

更進一步地，在步驟605中，藉由音效切換單元260，用以將音訊資料輸入至音場定位調整單元230及等化器模組280。此外，在步驟605中，複數情境模式包括音樂模式、電影模式及運動模式，等化器模組280根據使用者之切換指令切換該等情境模式。

因此，透過本發明之不隨著使用者轉向而改變音場方位的穿戴式音訊處理裝置及其方法，將音場的空間、定位以及豐富的音色等重新加以詮釋，重新定義消費者對電競耳機聲音的不同感官享受。再者，本發明將音場與聲音位置向外擴張，使得使用者可以更加的感受到聲音的細膩度與方向性。

值得注意的是，本發明之穿戴式音訊處理裝置200的音場定位調整單元230所包括的聽覺幾何單元231、音源模型單元232、途徑產生單元233、聽覺化單元234以及校正單元235 可以由硬體元件分別實現，或是可以利用數位訊號處理器或特殊應用積體電路(Application-Specific Integrated Circuit，ASIC)實作該音場定位調整單元230，以提供前述各單元(231~235)之操作功能。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (9)

1. 一種穿戴式音訊處理裝置，包括：一定位單元，偵測一使用者的一偏移角度；一音場定位調整單元，包括：一聽覺幾何單元，用以預先計算一空間幾何關係；一音源模型單元，根據該空間幾何關係，在複數位置分別建立複數虛擬音場；一途徑產生單元，根據該使用者位置，產生該等虛擬音場傳播至該使用者之複數傳播途徑；一聽覺化單元，接收一音訊資料及該等傳播途徑，產生具有該等虛擬音場之三維音景；一校正單元，接收該偏移角度，根據該偏移角度校正該空間幾何關係及該等虛擬音場之方位，使該等虛擬音場不隨著該使用者轉向而改變方位；以及一音訊輸出單元，電性連接該音場定位調整單元，用以輸出該三維音景。
2. 如申請專利範圍第1項所述之穿戴式音訊處理裝置，其中該音源模型單元位於該使用者的雙耳及/或頭部產生該等虛擬音場，該等虛擬音場係相對於該使用者的雙耳及/或頭部向外擴張一預定距離。
3. 如申請專利範圍第1項所述之穿戴式音訊處理裝置，還包括：一等化器模組，接收該音訊資料用以產生複數情境模式之等化器音場。
4. 如申請專利範圍第3項所述之穿戴式音訊處理裝置，其中該等情境模式包括音樂模式、電影模式及運動模式，且該等化器模組根據該使用者之一切換指令切換該等情境模式。
5. 如申請專利範圍第3項或第4項所述之穿戴式音訊處理裝置，還包括：一音效切換單元，用以將該音訊資料輸入至該音場定位調整單元及該等化器模組；一混和器，接收該音場定位調整單元之該三維音景及該等化器模組之該等化器音場，並根據該使用者之一選擇指令將該三維音景及該等化器音場切換傳送至該音訊輸出單元；該音訊輸出單元電性連接該混和器，輸出該三維音景或該等化器音場。
6. 如申請專利範圍第1項所述之穿戴式音訊處理裝置，還包括一輸入介面單元，接收一影音資料，將該影音資料轉換為該音訊資料，傳送至該音場定位調整單元。
7. 一種音訊處理方法，用於包括一定位單元及一音場定位調整單元之一穿戴式音訊處理裝置，該方法包括：藉由該定位單元，偵測一使用者的一偏移角度；藉由該音場定位調整單元，進行以下操作：預先計算一空間幾何關係；根據該空間幾何關係，在複數位置分別建立複數虛擬音場；根據該使用者位置，產生該等虛擬音場傳播至該使用者之複數傳播途徑； 接收一音訊資料及該等傳播途徑，產生具有該等虛擬音場之三維音景；根據該偏移角度校正該空間幾何關係及該等虛擬音場之方位，使該等虛擬音場不隨著該使用者轉向而改變方位；以及輸出該三維音景。
8. 如申請專利範圍第7項所述之音訊處理方法，還包括：對所接收的該音訊資料進行等化處理，用以產生複數情境模式之等化器音場。
9. 如申請專利範圍第8項所述之音訊處理方法，其中該等情境模式包括音樂模式、電影模式及運動模式，且該等化器模組根據該使用者之一切換指令切換該等情境模式。