TWI498014B - 建立最佳化揚聲器聲場之方法 - Google Patents

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Description

建立最佳化揚聲器聲場之方法
本發明係有關於一種建立最佳化揚聲器聲場之方法，尤其是指一種在所想要的聲場外圍建立參考點，用以取得聲場邊界的聲音訊號以及其梯度，並以最佳化方法計算各揚聲器之輸出訊號來產生所需要之聲場，以達到聆聽者頭部既使輕微轉動或是身體方向改變，依然可具有最佳聆聽聲音之功效者。
按，傳統的立體聲研究始於Blumlein，而隨著時間的演進，已發展出藉由多組揚聲器建立一個完整多層面的環境，例如杜比數位或數位劇院系統(digital the ater system，DTS)環繞技術以追求虛擬實境系統和要求更好的聽覺環境；一般而言，立體聲信號可以被解譯成多聲道音訊，聆聽者藉由複數個揚聲器感受該多聲道音訊時，即可獲得身歷其境的真實聽覺，而目前劇院或電影院等大型場所通常包含複數個大型揚聲器遍佈於該電影(劇)院大廳周圍，使得大廳座位上的聽眾能感受到空間立體音效，此藉由於邊界放置多個揚聲器產生所需聲場之技術稱之聲波聲場合成(wave field synthesis，WFS)。
此外，由於科技的進步以及生活水準的提升，人們對於同時具有顯示與音效功能的電子裝置(例如電視機等)，已經不 單單要求其所顯示出的影像品質，也開始要求各電子裝置所表現出聲場效果之品質；然，將複數個大型揚聲器排列成一寬廣揚聲器佈局之形式，不僅所費不貲，且對於一般人家中客廳或房間等較為窄小之區域更因常碰到環境條件無法符合揚聲器陣列所限定之擺設要求而無法實施；於是，1992年杜比研究室發展出數位式的編碼方式，也就是於一般家庭中常見到的5.1聲道杜比環繞音響；該5.1聲道杜比環繞音響係包含左聲道喇叭、右聲道喇叭、左後聲道喇叭、右後聲道喇叭、正前聲道喇叭，以及重低音喇叭；其中該左聲道、右聲道、左後聲道、右後聲道、正前聲道喇叭係具有方向性，故可形成一環繞聲場，當使用者處於環繞聲場中時，即可享受5.1多聲道環繞喇叭所輸出的震撼及立體環繞聲音，猶如身處於電影(劇)院般可感受到身歷其境的聽覺感受；而上述5.1聲道杜比環繞音響為了擁有一個較佳之聲場，對於多通的揚聲器擺放位置皆具有要求特殊的最佳角度範圍；然，如此卻產生一個問題：當環境限制造成揚聲器最佳擺放位置要求無法達成，例如像是車子的小空間或是房間的格局限制而導致揚聲器無法放置時，聆聽者即無法擁有一個最佳的聽覺感受聲場。
因此，利用小型揚聲器陣列單元重現空間最佳立體音效之技術油然而生；其原理係因人類能夠定位(localize)聲音到左邊或右邊是根據每隻耳朵所辨識到的到達時間與聲音等級差異性；而一種頭部相關轉換函數(head rel ated transfer function，HRTF)即是利用固定的揚聲器位置來模擬位置與虛擬立體聲音，藉由調整頭部相關轉換函數的聲音信號頻率與延遲，立體的聲音可以從固定的揚聲器位置中模擬出；而習知之頭部相關轉換函數描述加諸於一聆聽者對任何聲音事件的雙耳響應之時間及振幅差異，該等差異係歸因於聆聽者的頭部及外耳殼(pinnae)結構，且被雙耳用以偵測聲音來自何處，此藉由雙耳時間差及強度差，輔以迴響及合聲產生聽覺上的感知稱之雙工原理(duplex theory)技術，請參閱第四圖所示，為雙工原理於聆聽者兩耳建立聲場之示意圖；然，此技術有兩大缺點：(a)由於雙工原理假設人頭是一顆圓球，其對稱性導致前方和後方定位的感覺是相同的，造成聆聽者無法分辨前後方的差別；以及(b)雙工原理係將最佳聲場合成於聆聽者之雙耳，然頭部係擁有高自由度，導致當聆聽者頭部輕微轉動或是身體方向改變時，雙耳即離開了原有之最佳聲場範圍，而影響聽覺之感受效果，甚至導致聆聽者在聽覺上產生不適之感受。
今，發明人即是鑑於上述現有重建聲場之方法在實際實施上仍具有多處之缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富之專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。
本發明主要目的為提供一種在所想要的聲場外圍建立參考點，用以取得聲場邊界的聲音訊號以及其梯度，並以最佳化方法計算各揚聲器之輸出訊號來產生所需要之聲場，以達到聆聽者頭部既使輕微轉動或是身體方向改變，依然可具有最佳聆聽聲音之功效者。
為了達到上述實施目的，本發明人提出一種建立最佳化揚聲器聲場之方法，係至少包括下列步驟：首先，以一第一封閉幾何形狀(例如：三角形、四角形、圓形以及橢圓形等)包圍人頭區域之表面；之後，於人頭外以至少一第二封閉幾何形狀包圍第一封閉幾何形狀，且第一封閉幾何形狀與第二封閉幾何形狀係呈對應之幾何形狀；接著，於第一封閉幾何形狀與第二封閉幾何形狀上分別產生複數個參考點，且第一封閉幾何形狀之參考點係對應第二封閉幾何形狀之參考點；然後，使用第二封閉幾何形狀上之參考點的訊號強度，以及第一、二封閉幾何形狀上相對應參考點之梯度分別建構虛擬揚聲器和真實揚聲器到聲場內任一點的轉移函數；接續，根據虛擬揚聲器之轉移函數與真實揚聲器之轉移函數分別產生虛擬聲場與真實聲場；最後，於一邊界條件下求解虛擬聲場與真實聲場其誤差之最小化，以得到真實揚聲器之最佳訊號。
如上所述的建立最佳化揚聲器聲場之方法，其中求解真實揚聲器之最佳訊號方式係包括一偽逆矩陣求解方式。
如上所述的建立最佳化揚聲器聲場之方法，其中邊界條件 係為真實揚聲器到聲場內任一點的轉移函數與真實揚聲器聲源訊號的摺積等同於真實聲場。
如上所述的建立最佳化揚聲器聲場之方法，其中真實揚聲器之數目係小於參考點之數量。
如上所述的建立最佳化揚聲器聲場之方法，其中參考點之間距係為相同。
如上所述的建立最佳化揚聲器聲場之方法，其中第一、二封閉幾何形狀較佳係為半徑不同之同心圓。
藉此，於聆聽者頭部附近的小範圍合成出虛擬揚聲器並呈現正確的虛擬揚聲器方向，無論是頭部輕微轉動或是身體方向改變，甚至於稍許的移動，只要頭仍在傾聽範圍內，傾聽者感受到虛擬揚聲器的方向並不會改變。
此外，本發明無須於邊界放置多個大型揚聲器以產生所需聲場，不僅解決一般家中環境無法符合揚聲器陣列所限定之擺設要求，且可省下一大筆添購揚聲器之費用，藉此提高消費者使用之接受度及使用率，以達到可普遍實施之目的。
本發明之目的及其結構功能上的優點，將依據以下圖面所示之結構，配合具體實施例予以說明，俾使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解。
首先，請參照第一圖所示，為本發明之建立最佳化揚聲器聲場之方法其較佳實施例的步驟流程圖，係主要包括有如下步 驟：步驟一(S1)：以一第一封閉幾何形狀(1)包圍人頭區域之表面；其中，第一封閉幾何形狀(1)可為三角形、四角形、圓形以及橢圓形等，於本實施例中，係為一包圍人頭區域之圓形，請一併參閱第二圖所示；步驟二(S2)：於人頭外以至少一第二封閉幾何形狀(2)包圍第一封閉幾何形狀(1)，且第一封閉幾何形狀(1)與第二封閉幾何形狀(2)係呈對應之幾何形狀；於本實施例中，第一、二封閉幾何形狀(1)、(2)係為半徑不同之同心圓；步驟三(S3)：於第一封閉幾何形狀(1)與第二封閉幾何形狀(2)上分別產生複數個參考點P，且第一封閉幾何形狀(1)之參考點P係對應第二封閉幾何形狀(2)之參考點P；步驟四(S4)：使用第二封閉幾何形狀(2)上之參考點P的訊號強度，以及第一、二封閉幾何形狀(1)、(2)上相對應參考點P之梯度分別建構虛擬揚聲器和真實揚聲器到聲場內任一點的轉移函數；步驟五(S5)：根據虛擬揚聲器之轉移函數與真實揚聲器之轉移函數分別產生虛擬聲場與真實聲場；以及步驟六(S6)：於一邊界條件下求解虛擬聲場與真實聲場其誤差之最小化，以得到真實揚聲器之最佳訊號。
再者，本發明建立最佳化揚聲器聲場之方法其真實揚聲器 之數目係小於參考點P之數量；且藉由下述之具體實施例，可進一步證明本發明之步驟流程可實際應用之範圍，但不意欲以任何形式限制本發明之範圍：由於包覆人頭區域表面的聲音訊號以及其梯度可以表示人聽到的聲音，因此於本實施例中一共取了三圈(一個第一封閉幾何形狀(1)，以及二個第二封閉幾何形狀(2))，並利用有限差分近似(finite-difference a pproximations)計算出中間那一圈的梯度，再者，由於可以離散化，所以取了人頭附近的幾個參考點P來做近似；其中，第一封閉幾何形狀(1)之半徑可介於6~8.5公分，且二個第二封閉幾何形狀(2)之半徑可分別介於9.5~13公分與11.5~18公分之間，而參考點P之數量可為12~36個；而於本具體實施例係以一半徑7.5公分之第一封閉幾何形狀(1)包圍人頭區域，而於第一封閉幾何形狀(1)外再以一半徑為12.5公分之第二封閉幾何形狀(2)包圍，且上述第二封閉幾何形狀(2)外可以一半徑為17.5公分之第二封閉幾何形狀(2)包圍，且於第一封閉幾何形狀(1)以及二個第二封閉幾何形狀(2)分別各取24個參考點P，且每個參考點P間距係相同，為間隔15度；值得注意的，吾人應瞭解上述第一、二封閉幾何形狀(1)、(2)之半徑以及參考點P之數量僅為一較佳實施例，而非以本例所舉為限，且熟此技藝者當知道本發明之第一、二封閉幾何形狀 (1)、(2)半徑以及參考點P數量可與上述較佳實施例不同，而並不會影響本發明的實施。
接著，我們以下述數學方程式表示本發明建立最佳化揚聲器聲場之整個過程；假設將虛擬聲場SF v 的聲源訊號表示成v、虛擬揚聲器到聲場內任意點的轉移函數則表示成G，真實聲場SF r 的聲源訊號為O、真實揚聲器到聲場內任意點的轉移函數為H，M是虛擬揚聲器的個數、N是真實揚聲器的個數、L是參考點P的個數；因此，虛擬聲場和真實聲場可分別表示成SF v =v G 以及SF r =o H ，這裡的向量v R 1×M 和o R 1×N 代表虛擬和真實揚聲器輸入訊號，而矩陣G R M ×L 和H R N ×L 代表虛擬和真實揚聲器到聲場內任意點的轉移函數，由於無音源聲場中的聲音訊號可完全由邊界的訊號及其梯度來決定，因此本實施例使用中間那一圈參考點P的訊號強度和梯度組成虛擬和真實揚聲器到聲場內任意點的轉移函數，v、o、G、H的函數則表示如下：v =b e -jωt ,o =e e -jω (t -φ ) ,G =[G 1 G 2 ],H =[H 1 H 2 ], ；其中，G 1 和H 1 是虛擬和真實揚聲器到聲場內任意點訊號強度的轉移函數，G 1 (l ,r )和H 1 (l ,r )是各自的元素；G 2 和H 2 是虛擬和真實揚聲器到聲場內任意點梯度的轉移函數，G 2 (l ,r )和H 2 (l ,r )是各自的元素，l v 是虛擬揚聲器所在的位置、l r 是真實揚聲器所在的位置、b R 1×M 和e R 1×N 虛擬和真實揚聲器向量形式的振幅、φ是每個真實揚聲器要重現聲場所需的相位差、c是聲音的速度，是第一封閉幾何形狀(1)的參考點P位置、是較內圈之第二封閉幾何形狀(2)其參考點P位置、是最外圈第二封閉幾何形狀(2)的參考點P位置，△r 是每圈參考點P之間所差的距離，而ω是聲源的角速度；欲使真實的聲場近似於虛擬聲場，因此在邊界條件係為真實揚聲器到聲場內任一點的轉移函數與真實揚聲器聲源訊號的摺積等同於真實聲場下，將真實聲場與虛擬聲場求解最小化： s .t .o H =SF r 由於H是奇異的(singular)，無法直接求得H的反矩陣，因此我們利用偽逆矩陣H + 取得最小平方誤差，對H進行奇異值分解如下述：，取得偽逆矩陣： 將邊界條件兩邊同時乘上H的共軛轉置矩陣如下述：，再將兩邊同時乘上的反轉移函數： 即可得到最佳的真實訊號：o * =v A ，其中矩陣A就表示成：A =GH T (HH T )-1 ；藉此，我們可以觀察到能產生近似虛擬聲場的真實揚聲器的時間和強度差；最後，利用最小化公式：得到真實揚聲器的訊號；綜合上述之數學計算式，虛擬聲源訊號輸入至虛擬揚聲器到聲場內任意點的轉移函數可形成虛擬聲場，而真實揚聲器訊號則可以從虛擬聲場和真實揚聲器到聲場內任意點的反轉移函數取得，藉由最小化傾聽者附近範圍真實聲場和虛擬聲場的誤差以計算真實揚聲器的訊號，即可於任何環境得到最小平方誤差的最佳聲場；藉此，當聆聽者在揚聲器覆蓋的聲場範圍內，能具有最佳聲場效果位置之功效，既使頭部輕微轉動或是身體方向改變，依然可擁有最佳聆聽聲音之功效；此外，本發明不僅可應用於家庭劇院，亦可譬如被應用於汽車音響，使得揚聲器能在聆聽者身邊建立聲場，以產生所想要聽的聲音訊號。
請參閱第三圖所示，為上述較佳實施例針對聆聽者雙耳轉動時與現有雙工原理的誤差比較結果示意圖，其中實心圓形虛線段表示以本發明實施例進行實驗之數據，叉形實線段表示以雙工原理進行實驗之數據，而空心圓形點線段表示聆聽者頭向逆時針轉15度且以雙工原理進行實驗之數據，橫軸為虛擬揚聲器移動之角度(deg)，縱軸為誤差百分比(%)；從圖中可清楚看出，頭部的轉動對於以雙工原理方式重現聲場的誤差的確有很大影響，當聆聽者頭部轉動15度，即超過本發明實施例於頭部附近的範圍的模擬誤差，可證明當頭部轉動時，以傳統雙工原理於雙耳建立聲場之方式將產生巨大的聲場誤差。
由上述建立最佳化揚聲器聲場之方法與實施說明可知，本發明具有以下優點：
1.本發明建立最佳化揚聲器聲場之方法其聲音訊號參考點的範圍設置相較於傳統之雙工原理僅針對兩個耳朵來觀察係不相同，本發明使用頭部附近的小範圍合成出虛擬揚聲器並呈現正確的虛擬揚聲器方向，無論是頭部輕微轉動或是身體方向改變，甚至於稍許的移動，只要頭仍在傾聽範圍內，傾聽者感受到虛擬揚聲器的方向並不會改變。
2.本發明於所想要的聲場外圍建立參考點，用以取得聲場邊界的聲音訊號以及其梯度，再以最佳化方法計算各揚聲器之輸出訊號來產生所需要之聲場，相較於傳統之聲波聲場合成技術，本發明無須於邊界放置多個大型揚聲器以產生 所需聲場，不僅解決一般家中環境無法符合揚聲器陣列所限定之擺設要求，且可省下一大筆添購揚聲器之費用，藉此提高消費者使用之接受度及使用率，以達到可普遍實施之目的。
綜上所述，本發明建立最佳化揚聲器聲場之方法，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。
(1)‧‧‧第一封閉幾何形狀
(2)‧‧‧第二封閉幾何形狀
(S1)‧‧‧步驟一
(S2)‧‧‧步驟二
(S3)‧‧‧步驟三
(S4)‧‧‧步驟四
(S5)‧‧‧步驟五
(S6)‧‧‧步驟六
P‧‧‧參考點
第一圖：本發明較佳實施例之方法步驟流程圖
第二圖：本發明較佳實施例於聆聽者頭部周圍聲場之參考點取點示意圖
第三圖：本發明較佳實施例針對聆聽者雙耳轉動時與現有雙工原理的誤差比較結果示意圖
第四圖：現有雙工原理於聆聽者兩耳建立聲場之示意圖
(1)‧‧‧第一封閉幾何形狀
(2)‧‧‧第二封閉幾何形狀
P‧‧‧參考點

Claims (8)

  1. 一種建立最佳化揚聲器聲場之方法，其包括下列步驟：步驟一：以一第一封閉幾何形狀包圍人頭區域之表面；步驟二：於人頭外以至少一第二封閉幾何形狀包圍該第一封閉幾何形狀，且該第一封閉幾何形狀與該第二封閉幾何形狀係呈對應之幾何形狀；步驟三：於該第一封閉幾何形狀與該第二封閉幾何形狀上分別產生複數個參考點，且該第一封閉幾何形狀之參考點係對應該第二封閉幾何形狀之參考點；步驟四：使用該第二封閉幾何形狀上之參考點的訊號強度，以及該第一、二封閉幾何形狀上相對應參考點之梯度分別建構虛擬揚聲器和真實揚聲器到聲場內任一點的轉移函數；步驟五：根據該虛擬揚聲器之轉移函數與該真實揚聲器之轉移函數分別產生虛擬聲場與真實聲場；以及步驟六：於一邊界條件下求解該虛擬聲場與該真實聲場其誤差之最小化，以得到真實揚聲器之最佳訊號，其中該邊界條件係為真實揚聲器到聲場內任一點的轉移函數與真實揚聲器聲源訊號的摺積等同於真實聲場。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之建立最佳化揚聲器聲場之方法，其中該步驟六之求解方式包括一偽逆矩陣求解方式。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之建立最佳化揚聲器聲場之方 法，其中該真實揚聲器之數目係小於該參考點之數量。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之建立最佳化揚聲器聲場之方法，其中該第一、二封閉幾何形狀係選自三角形、四角形、圓形以及橢圓形所構成之群組。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之建立最佳化揚聲器聲場之方法，其中該第一、二封閉幾何形狀係為半徑不同之同心圓。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之建立最佳化揚聲器聲場之方法，其中該第二封閉幾何形狀之數量係二個，其半徑分別為9．5~13公分與11．5~18公分，而該第一封閉幾何形狀之半徑係為6~8．5公分。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之建立最佳化揚聲器聲場之方法，其中該參考點之間距係為相同。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之建立最佳化揚聲器聲場之方法，其中於該參考點係為12~36個，每個參考點間隔10~15度。
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