TWI714962B - 聲音訊號的能量分布修正方法及其系統 - Google Patents

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Abstract

一種聲音訊號的能量分布修正方法及其系統，此方法適用於具有動作感測器、左揚聲器及右揚聲器的頭戴裝置，並且包括下列步驟。利用動作感測器偵測頭戴裝置的轉動角度，並且取得對應於左揚聲器及右揚聲器的雙聲道訊號。將雙聲道訊號轉換成聲道數量大於或等於5的多聲道訊號。定義左揚聲器及右揚聲器的四軸聲源位置，以將多聲道訊號轉換至左揚聲器的四聲道訊號及右揚聲器的四聲道訊號。根據轉動角度以及四軸聲源位置，修正左揚聲器及右揚聲器的四聲道訊號的能量分布，以分別產生對應於左揚聲器及右揚聲器的左輸出訊號及右輸出訊號。

Description

聲音訊號的能量分布修正方法及其系統
本發明是有關於一種聲音訊號的能量分布修正技術。
虛擬實境(virtual reality，VR)創造出具有真實影音以及其它感官上的擬真世界，以複製出真實環境或虛構場景。使用者得以融入、探索以及操控虛擬實境環境而感覺彷彿身歷其境。然而，一般市面上的VR頭戴裝置的螢幕畫面隨著使用者的移動而旋轉時，耳機的聲音訊號並沒有同步改變，而將造成使用者的頭部移動與聲音訊號的能量分布無法達到良好的匹配。
本發明提供一種聲音訊號的能量分布修正方法及其系統，其可讓使用者的頭部移動與聲音訊號的能量分布達到良好的匹配。
在本發明的一實施例中，上述的方法適用於具有動作感測器、左揚聲器以及右揚聲器的頭戴裝置，並且包括下列步驟。利 用動作感測器偵測頭戴裝置的轉動角度，並且取得對應於左揚聲器以及右揚聲器的雙聲道訊號。將雙聲道訊號轉換至多聲道訊號，其中多聲道訊號的聲道數量大於或是等於5。定義左揚聲器以及右揚聲器的四軸聲源位置，以將多聲道訊號轉換至左揚聲器的四聲道訊號以及右揚聲器的四聲道訊號。根據轉動角度以及四軸聲源位置，修正左揚聲器以及右揚聲器的四聲道訊號的能量分布，以分別產生對應於左揚聲器的左輸出訊號以及對應於右揚聲器的右輸出訊號。
在本發明的一實施例中，上述的系統包括頭戴裝置以及處理裝置。頭戴裝置包括動作感測器、左揚聲器以及右揚聲器。處理裝置用以利用動作感測器偵測頭戴裝置的轉動角度，取得對應於左揚聲器以及右揚聲器的雙聲道訊號，將雙聲道訊號轉換至聲道數量大於或是等於5多聲道訊號，定義左揚聲器以及右揚聲器的四軸聲源位置，以將多聲道訊號轉換至左揚聲器的四聲道訊號以及右揚聲器的四聲道訊號，以及根據轉動角度以及四軸聲源位置，修正左揚聲器以及右揚聲器的四聲道訊號的能量分布，以分別產生對應於左揚聲器的左輸出訊號以及對應於右揚聲器的右輸出訊號。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
200:系統
210:頭戴裝置
212:左揚聲器
214:右揚聲器
216:動作感測器
220:處理裝置
S302~S312:步驟
eL:左聲道訊號
eR:右聲道訊號
P11~P15、P41L~P44L、P41R~P44R、P51L~P54L、P51R~P54R:聲源位置
θ SL 、θ L 、θ C 、θ R 、θ SR :角度
θ:旋轉角度
sL:左聲道訊號
sC:中央聲道訊號
sR:右聲道訊號
Figure 108104026-A0305-02-0013-25
:左環繞訊號
Figure 108104026-A0305-02-0013-26
:右環繞訊號
GL:左增益曲線
GR:右增益曲線
Figure 108104026-A0305-02-0013-30
、
Figure 108104026-A0305-02-0013-31
、
Figure 108104026-A0305-02-0013-32
、
Figure 108104026-A0305-02-0013-33
、
Figure 108104026-A0305-02-0013-34
、
Figure 108104026-A0305-02-0013-35
、
Figure 108104026-A0305-02-0013-36
、
Figure 108104026-A0305-02-0013-37
:增益值
圖1為一般立體聲場的五聲道訊號的示意圖。
圖2為根據本發明一實施例所繪示的聲音訊號的能量分布修正系統的方塊圖。
圖3為根據本發明一實施例所繪示的聲音訊號的能量分布修正方法的流程圖。
圖4A以及圖4B分別為根據本發明一實施例所繪示的左揚聲器以及右揚聲器的四軸聲源位置與訊號的示意圖。
圖5A以及圖5B分別為根據本發明一實施例所繪示的左揚聲器以及右揚聲器的增益曲線的示意圖。
一般立體聲場是先以雙聲道訊號設計出新位置的五聲道訊號，並且透過每個新聲道與舊聲道的相對位置關係，利用兩耳間強度差(interaural intensity difference，IID)的技術，合成新五聲道訊號，最後再將五聲道訊號轉成雙聲道訊號輸出。以圖1根據所繪示立體聲場的五聲道訊號的示意圖為例，雙聲道訊號eL、eR將合成出對應於聲源位置P11、P12、P13、P14、P15(或是對應於角度θ SL 、θ L 、θ C 、θ R 、θ SR )的五聲道訊號sL、sC、sR、
Figure 108104026-A0305-02-0005-23
、
Figure 108104026-A0305-02-0005-24
。然而，此是在假設使用者面向正前方時(即，θ=0)的最佳設定，因此當θ=0時，左右聲道訊號的能量分布將與原始訊號一致。當使用者於原地往後旋轉時(即，θ=180°)，左右聲道訊號的能量分布 並不會僅是與原始訊號左右相反，其大小數值還會更具有明顯差異。基此，本發明將會動態地依據使用者頭部的轉動角度來修正聲音訊號的能量分布，以讓使用者的頭部移動與聲音訊號的能量分布達到良好的匹配。
本發明的部份實施例接下來將會配合附圖來詳細描述，以下的描述所引用的元件符號，當不同附圖出現相同的元件符號將視為相同或相似的元件。這些實施例只是本發明的一部份，並未揭示所有本發明的可實施方式。更確切的說，這些實施例只是本發明的專利申請範圍中的方法以及系統的範例。
圖2為根據本發明一實施例所繪示的聲音訊號的能量分布修正系統的方塊圖。首先圖2先介紹系統的所有構件以及配置關係，詳細功能將配合圖3一併揭露。
請參照圖2，系統200至少包括頭戴裝置210以及處理裝置220，其中處理裝置220可以是內建於頭戴裝置210，或者是以無線、有線、或電性連接於顯示器頭戴裝置210。
詳細來說，頭戴裝置210可以是具有左揚聲器212、右揚聲器214、動作感測器216的頭戴顯示器或是眼鏡，其可例如實作為虛擬實境頭戴裝置、擴增實境頭戴裝置、混合實境頭戴裝置。左揚聲器212以及右揚聲器214用以播放聲音訊號。動作感測器216可以是加速度計(例如：重力感測器)、陀螺儀(例如：陀螺儀感測器)或任何可偵測頭戴裝置210的線性移動、線性移動方向以及旋轉移動(例如旋轉角速度或旋轉角度)的感測器。
處理裝置220用以控制系統200的作動，其包括記憶體以及處理器。記憶體可以例如是任意型式的固定式或可移動式隨機存取記憶體(random access memory，RAM)、唯讀記憶體(read-only memory，ROM)、快閃記憶體(flash memory)、硬碟或其他類似裝置、積體電路及其組合。處理器可以例如是中央處理單元(central processing unit，CPU)、應用處理器(application processor，AP)，或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器(microprocessor)、數位訊號處理器(digital signal processor，DSP)、聲音處理器或其他類似裝置、積體電路及其組合。舉例而言，處理器可包括中央處理單元以及聲音處理器，其中聲音處理器更可包括數位訊號處理器以及音效編解碼器(Sound Codec)。
在本實施例中，處理裝置220可以是具有運算能力並且具有處理器的運算裝置，例如是檔案伺服器、資料庫伺服器、應用程式伺服器、工作站、個人電腦等，並且頭戴裝置210以及處理裝置220並且透過各自的通訊介面以習知有線或是無線的方式傳輸資訊。在另一實施例中，處理裝置220可以是內建於頭戴裝置210而成為單一整合(all-in-one)系統。
圖3為根據本發明一實施例所繪示的聲音訊號的能量分布修正方法的流程圖，而圖3的方法流程可以圖2的系統200來實現。
請同時參照圖2以及圖3，處理裝置220將透過頭戴裝置210的動作感測器216偵測頭戴裝置210的轉動角度(步驟S302)， 並且取得對應於左揚聲器212以及右揚聲器214的雙聲道訊號(步驟S304)。對於固定聲源來說，由於使用者在戴著頭戴裝置210時，抬頭與低頭對於聲音訊號的感知是相同的，而左右旋轉才會具有影響。因此，在此的轉動角度可以是指頭戴裝置210相對於水平軸向的轉動，而雙聲道訊號為一般遊戲、影音所採用的具有左聲音訊號以及右聲音訊號的雙聲道立體聲訊號(stereo signal)。
接著，處理裝置220會將雙聲道訊號轉換至多聲道訊號(步驟S306)。在本實施例中，處理裝置220可以是以習知的杜比數位演算法(Dolby digital algorithm)來將雙聲道訊號轉換成原始多聲道訊號，再來根據雙聲道訊號的特性，針對各個原始多聲道訊號進行動態增益調節，以產生多聲道訊號。在此的多聲道訊號的聲道數量將大於或是等於5，例如五聲道訊號、七聲道訊號等。以下將針對五聲道訊號來進行說明。
處理裝置220將定義左揚聲器212以及右揚聲器214的四軸聲源位置，以將多聲道訊號轉換至左揚聲器212的四聲道訊號以及右揚聲器214的四聲道訊號(步驟S308)，從而將多聲道訊號轉換成對稱的四軸聲源，其中左揚聲器212的四軸聲源將不同於右揚聲器214的四軸聲源。也就是說，處理裝置220可以是分配多聲道訊號的其中四個聲道訊號至左揚聲器212以及右揚聲器214的四軸聲源位置，而兩個揚聲器所分配到的四個聲道訊號將不完全相同。以五聲道訊號為例，左揚聲器212以及右揚聲器214可以是各自取消一個環繞聲源。
具體來說，圖4A以及圖4B分別為根據本發明一實施例所繪示的左揚聲器212以及右揚聲器214的四軸聲源位置與訊號的示意圖。首先，假設雙聲道訊號可以分為左聲道訊號eL以及右聲道訊號eR，而雙聲道訊號可轉成原始五聲道訊號，再依照左聲道訊號eL以及右聲道訊號eR的相關特性做各軸的動態增益調節，進而產生左聲道訊號sL、中央聲道訊號sC、右聲道訊號sR、左環繞訊號
Figure 108104026-A0305-02-0009-2
以及右環繞訊號
Figure 108104026-A0305-02-0009-1
。
請先參照圖4A，假設雙聲道訊號可以分為左聲道訊號eL以及右聲道訊號eR，四軸聲源位置將會設定在第一聲源位置P41L、第二聲源位置P42L、第三聲源位置P43L以及第四聲源位置P44L，其中第一聲源位置P41L與第三聲源位置P43L的連線將與第二聲源位置P42L與第四聲源位置P44L的連線相互垂直。以另一觀點來說，以對應於雙聲道訊號的左聲道訊號eL的左揚聲器212而言，第一聲源位置P41L、第二聲源位置P42L、第三聲源位置P43L以及第四聲源位置P44L可以是對應於0度角、90度角、180度角以及270度角的位置，其可分別以θ L =0°、θ C =90°、θ R =180°、θ S =270°來表示，而左聲道訊號sL、中央聲道訊號sC、右聲道訊號sR以及左環繞訊號
Figure 108104026-A0305-02-0009-27
將會分別分配至此四個聲源位置。以左揚聲器212來說，右環繞訊號將會被取消。
請再參照圖4B，類似地，四軸聲源位置將會設定在第一聲源位置P41R、第二聲源位置P42R、第三聲源位置P43R以及第四聲源位置P44R，其中第一聲源位置P41R與第三聲源位置P43R的 連線將與第二聲源位置P42R與第四聲源位置P44R的連線相互垂直。以另一觀點來說，以對應於雙聲道訊號的左聲道訊號eR的左揚聲器214而言，第一聲源位置P41R、第二聲源位置P42R、第三聲源位置P43R以及第四聲源位置P44R可以是對應於0度角、90度角、180度角以及270度角的位置，其可分別以θ L =0°、θ C =90°、θ R =180°、θ S =270°來表示，而左聲道訊號sL、中央聲道訊號sC、右聲道訊號sR以及右環繞訊號
Figure 108104026-A0305-02-0010-28
將會分別分配至此四個聲源位置。以右揚聲器214來說，左環繞訊號將會被取消。
請再回到圖3，處理裝置220在轉換多聲道訊號至四聲道訊號後，將根據所偵測到的頭戴裝置210的轉動角度以及四軸聲源位置，修正左揚聲器212以及右揚聲器214的四聲道訊號的能量分布(步驟S310)，以產生左輸出訊號以及右輸出訊號(步驟S312)。詳細來說，處理裝置220將會根據頭戴裝置210的轉動角度來適應性地調整左揚聲器212以及右揚聲器214的能量分布，以讓使用者的頭部在轉動時，可與聲音訊號的能量分布達到良好的匹配。針對左揚聲器212，處理裝置220將根據轉動角度以及四軸聲源位置，設定左揚聲器212的四聲道訊號的左增益曲線，而針對右揚聲器，處理裝置220將根據轉動角度以及所述四軸聲源位置，設定右揚聲器的四聲道訊號的右增益曲線，其中右增益曲線與左增益曲線不同。以五聲道訊號轉換成四聲道訊號為例，左增益曲線中對應於左聲道訊號的增益值以及對應於左環繞訊號的增益值皆大於左增益曲線中對應於中央聲道訊號的增益值以及對應於 右環繞訊號的增益值，而右增益曲線中對應於左聲道訊號的增益值以及對應於左環繞訊號的增益值皆小於右增益曲線中對應於左聲道訊號的增益值以及對應於左環繞訊號的增益值。之後，處理裝置220將根據左增益曲線，合成左揚聲器212的四聲道訊號，以產生左輸出訊號，並且根據右增益曲線，合成右揚聲器214的四聲道訊號，以產生右輸出訊號。左輸出訊號以及右輸出訊號將分別以左揚聲器212以及右揚聲器214來輸出。
在本實施例中，左增益曲線以及右增益曲線可以是分別呈現心形分布(Cardioid distribution)，並且分別朝向不同方向。具體來說，圖5A以及圖5B分別為根據本發明一實施例所繪示的左揚聲器212以及右揚聲器214的增益曲線的示意圖。
請同時參照圖5A以及圖5B，假設頭戴裝置210的轉動角度為θ，左揚聲器212的四軸聲源位置將會設定在P51L、P52L、P53L、P54L，右揚聲器214的四軸聲源位置將會設定在P51R、P52R、P53R、P54R。左增益曲線GL以及右增益曲線GR將呈現心形分布，給定i=C,L,S,R，當0
Figure 108104026-A0305-02-0011-40
180，
Figure 108104026-A0305-02-0011-3
以及
Figure 108104026-A0305-02-0011-4
；否則，
Figure 108104026-A0305-02-0011-6
以及
Figure 108104026-A0305-02-0011-5
。以對應於左揚聲器212(使用者的左耳)的圖5A來說，左聲道訊號sL的增益值
Figure 108104026-A0305-02-0011-8
以及左環繞訊號
Figure 108104026-A0305-02-0011-9
的增益值
Figure 108104026-A0305-02-0011-7
皆大於中央聲道訊號sC的增益值
Figure 108104026-A0305-02-0011-10
以及右聲道訊號sR的增益值
Figure 108104026-A0305-02-0011-11
。以對應於右揚聲器214(使用者的右耳)的圖5B來說，右聲道訊號sR的增益值
Figure 108104026-A0305-02-0011-13
以及對應於右環繞訊號
Figure 108104026-A0305-02-0011-14
的增益值
Figure 108104026-A0305-02-0011-12
皆大於對應於左聲道訊號sL的增益值
Figure 108104026-A0305-02-0011-15
以及對應於中央聲道訊號sC的 增益值
Figure 108104026-A0305-02-0012-16
。之後，將以各個增益值
Figure 108104026-A0305-02-0012-21
、
Figure 108104026-A0305-02-0012-22
來調整左聲道訊號sL、中央聲道訊號sC、右聲道訊號sR、左環繞訊號
Figure 108104026-A0305-02-0012-17
以及右環繞訊號
Figure 108104026-A0305-02-0012-18
的大小，以產生調整後的訊號
Figure 108104026-A0305-02-0012-19
、
Figure 108104026-A0305-02-0012-20
。之後，再針對各個聲道訊號以任何合成的方式來產生左輸出訊號XL以及右輸出訊號XR。
綜上所述，本發明所提出的聲音訊號的能量分布修正方法及其系統，其是先將雙聲道訊號轉換成的多聲道訊號，再將多聲道訊號轉換成對應於左揚聲器以及右揚聲器的四聲道訊號，並且根據頭戴裝置的轉動角度，適應性地修正四聲道訊號的能量分布。本發明可實際應用於一般市面上的VR頭戴裝置，當螢幕畫面隨著使用者的移動而旋轉時，耳機聲音訊號的能量分布可因應同步改變，以讓使用者對於螢幕畫面中所觀看到的影像內容以及所聽到的聲音達到良好的匹配。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
S302~S312:步驟

Claims (9)

  1. 一種聲音訊號的能量分布修正方法，適用於具有動作感測器、左揚聲器以及右揚聲器的頭戴裝置，包括：利用該動作感測器偵測該頭戴裝置的轉動角度，並且取得對應於該左揚聲器以及該右揚聲器的雙聲道訊號；轉換所述雙聲道訊號至多聲道訊號，其中所述多聲道訊號的聲道數量大於或是等於5；定義該左揚聲器以及該右揚聲器的四軸聲源位置，以轉換所述多聲道訊號至該左揚聲器的四聲道訊號以及該右揚聲器的四聲道訊號；以及根據該轉動角度以及所述四軸聲源位置，修正該左揚聲器以及該右揚聲器的所述四聲道訊號的能量分布，以分別產生對應於該左揚聲器的左輸出訊號以及對應於該右揚聲器的右輸出訊號，其中根據該轉動角度以及所述四軸聲源位置，修正該左揚聲器以及該右揚聲器的所述四聲道訊號的所述能量分布的步驟包括：針對該左揚聲器，根據該轉動角度以及所述四軸聲源位置，設定該左揚聲器的所述四聲道訊號的左增益曲線；以及針對該右揚聲器，根據該轉動角度以及所述四軸聲源位置，設定該右揚聲器的所述四聲道訊號的右增益曲線，其中該右增益曲線與該左增益曲線不同。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中轉換所述雙聲道訊號至所述多聲道訊號的步驟更包括： 轉換所述雙聲道訊號至原始多聲道訊號；以及根據所述雙聲道訊號的特性，針對各所述原始多聲道訊號進行動態增益調節，以產生所述多聲道訊號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中定義該左揚聲器以及該右揚聲器的所述四軸聲源位置的步驟包括：針對該左揚聲器以及該右揚聲器每一者，設定所述四軸聲源位置中的第一聲源位置與第三聲源位置的連線與所述四軸聲源位置中的第二聲源位置與第四聲源位置的連線相互垂直。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中轉換所述多聲道訊號至該左揚聲器的所述四聲道訊號以及該右揚聲器的所述四聲道訊號的步驟包括：分配所述多聲道訊號的其中四者至該左揚聲器的各所述四軸聲源位置；以及分配所述多聲道訊號的其中四者至該右揚聲器的各所述四軸聲源位置，其中分配至該左揚聲器的所述多聲道訊號與分配至該右揚聲器的所述多聲道訊號不完全相同。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的方法，其中所述多聲道訊號為包括左聲道訊號、右聲道訊號、中央聲道訊號、左環繞訊號以及右環繞訊號的五聲道訊號，其中該左聲道訊號、該右聲道訊號、該中央聲道訊號以及該左環繞訊號分別分配至該左揚聲器的所述四軸聲源位置，該左聲道訊號、該右聲道訊號、該中央聲道訊號以及該右環繞訊號分別分配至該右揚聲器的所述四軸聲源位置。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該左增益曲線以及該右增益曲線分別呈現心形分布並且朝向不同方向。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中所述多聲道訊號為包括左聲道訊號、右聲道訊號、中央聲道訊號、左環繞訊號以及右環繞訊號的五聲道訊號，其中該左增益曲線中對應於左聲道訊號的增益值以及對應於該左環繞訊號的增益值皆大於該左增益曲線中對應於中央聲道訊號的增益值以及對應於該右聲道訊號的增益值，其中該右增益曲線中對應於該右聲道訊號的增益值以及對應於該右環繞訊號的增益值皆大於對應於左聲道訊號的增益值以及對應於中央聲道訊號的增益值。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中產生對應於該左揚聲器的該左輸出訊號以及對應於該右揚聲器的該右輸出訊號的步驟包括：根據該左增益曲線，合成該左揚聲器的所述四聲道訊號，以產生該左輸出訊號；以及根據該右增益曲線，合成該右揚聲器的所述四聲道訊號，以產生該右輸出訊號。
  9. 一種聲音訊號的能量分布修正系統，包括：頭戴裝置，包括動作感測器、左揚聲器以及右揚聲器；處理裝置，用以：利用該動作感測器偵測該頭戴裝置的轉動角度；取得對應於該左揚聲器以及該右揚聲器的雙聲道訊號； 轉換所述雙聲道訊號至多聲道訊號，其中所述多聲道訊號的聲道數量大於或是等於5；定義該左揚聲器以及該右揚聲器的四軸聲源位置，以轉換所述多聲道訊號至該左揚聲器的四聲道訊號以及該右揚聲器的四聲道訊號；根據該轉動角度以及所述四軸聲源位置，修正該左揚聲器以及該右揚聲器的所述四聲道訊號的能量分布，以分別產生對應於該左揚聲器的左輸出訊號以及對應於該右揚聲器的右輸出訊號，其中根據該轉動角度以及所述四軸聲源位置，修正該左揚聲器以及該右揚聲器的所述四聲道訊號的所述能量分布的步驟包括：針對該左揚聲器，根據該轉動角度以及所述四軸聲源位置，設定該左揚聲器的所述四聲道訊號的左增益曲線；以及針對該右揚聲器，根據該轉動角度以及所述四軸聲源位置，設定該右揚聲器的所述四聲道訊號的右增益曲線，其中該右增益曲線與該左增益曲線不同；以及利用該左揚聲器以及該右揚聲器分別輸出該左輸出訊號以及該右輸出訊號。
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