聲場(chǎng)合成近似方法、單極貢獻(xiàn)確定裝置及聲音渲染系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開總體涉及生成空間聲場(chǎng)的方法、裝置W及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 用于生成空間聲場(chǎng)（如，波場(chǎng)合成）的當(dāng)前系統(tǒng)需要相對(duì)大量的隔聲罩，大多W- 組揚(yáng)聲器的形式獲得。用于推論該些系統(tǒng)的等式的資金都是基于希望盡可能精確地再現(xiàn)聲 場(chǎng)。
[0003] 當(dāng)前實(shí)例是所謂的5. 1或7. 1系統(tǒng)，其由5個(gè)或7個(gè)揚(yáng)聲器箱和一個(gè)或多個(gè)額外 的亞低音揚(yáng)聲器組成，它們被設(shè)計(jì)成能再現(xiàn)具有較高能量的低頻范圍的聲音。該些系統(tǒng)的 主要缺點(diǎn)是所謂的受限的最佳聽音位置，其中，收聽器必須處于相對(duì)中屯、區(qū)域W享受收聽 體驗(yàn)。
[0004] 為了解決該個(gè)問題，其他系統(tǒng)試圖W同樣的方式物理地再創(chuàng)造聲場(chǎng)，好像真正的 聲源會(huì)存在一樣。最知名的系統(tǒng)是所謂的波場(chǎng)合成。該里，聲場(chǎng)的再現(xiàn)是基于惠更斯原理 并且用許多隔聲罩與其近似。該方法的主要的問題是相對(duì)較高的計(jì)算復(fù)雜性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 根據(jù)第一方面，公開了一種基于被放置在相應(yīng)合成位置處的預(yù)定義數(shù)量的合成單 極的貢獻(xiàn)近似目標(biāo)聲場(chǎng)的合成的方法，該方法包括將目標(biāo)聲場(chǎng)仿造成被放置在定義的目標(biāo) 位置的至少一個(gè)目標(biāo)單極。
[0006] 根據(jù)另一方面，公開了一種裝置，包括處理器，被配置為接收對(duì)應(yīng)被放置在目標(biāo)位 置的目標(biāo)單極的目標(biāo)源信號(hào)，并且基于目標(biāo)源信號(hào)確定被放置在相應(yīng)合成位置的預(yù)定義數(shù) 量的合成單極的貢獻(xiàn)，合成單極被配置為合成目標(biāo)源信號(hào)。
[0007] 根據(jù)又一方面，公開了一種系統(tǒng)，包括處理器，被配置為接收對(duì)應(yīng)被放置在目標(biāo)位 置的目標(biāo)單極的目標(biāo)源信號(hào)，并且基于目標(biāo)源信號(hào)確定被放置在相應(yīng)合成位置的預(yù)定義數(shù) 量的合成單極的貢獻(xiàn)，合成單極被配置為合成目標(biāo)源信號(hào)，系統(tǒng)進(jìn)一步包括一組揚(yáng)聲器，每 個(gè)揚(yáng)聲器與相應(yīng)合成單極相關(guān)聯(lián)并且被配置為擅染與相應(yīng)合成單極相關(guān)聯(lián)的貢獻(xiàn)。
[000引另外的方面在從屬權(quán)利要求、W下描述和附圖中進(jìn)行闡述。
【附圖說明】
[0009] 參照附圖通過示例的方式說明實(shí)施方式，其中：
[0010] 圖1示出了在笛卡爾坐標(biāo)系中的點(diǎn)的球極坐標(biāo)；
[0011] 圖2給出了使用球諧函數(shù)的格林函數(shù)的近似值的兩個(gè)實(shí)例；
[001引圖3提供了函數(shù)G(z，1，P)與F(z，U的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖，且從屬于階1 = 5和PG[0... 1]的Z ;
[0013] 圖4示出了在具有2個(gè)第二單極的一個(gè)單極的合成的情況下的單極之間的相對(duì)距 離和位置；
[0014] 圖5提供了從球諧函數(shù)分解（階I= 24)得出的數(shù)值表達(dá)式與僅使用正弦函數(shù)的 近似值之間的比較；
[0015]圖6提供了振幅與球諧函數(shù)分解（階1 = 24)、在球體上的數(shù)值積分W及正弦的近 似值的計(jì)算結(jié)果；
[0016] 圖7示出了不同的計(jì)算步驟，從而得出M= 64的最終脈沖響應(yīng)和與（M/4+0. 25)*T 對(duì)應(yīng)的非整數(shù)延遲；
[0017] 圖8示出了增益因數(shù)如何隨著距離r的函數(shù)減??；
[0018] 圖9示出了映射函數(shù)的不同的實(shí)施方式；
[0019] 圖10提供了在整數(shù)延時(shí)的情況下應(yīng)用數(shù)字化單極綜合算法的系統(tǒng)的示意圖；
[0020] 圖11用特定接收器的射線的實(shí)例示出了一階的聲源和鏡像；
[0021] 圖12示意性地描述了在圖11的鏡像源分布的情況下獲得的理論脈沖響應(yīng)的示 圖；
[0022] 圖13示意性地示出了W高度（Z)尺寸創(chuàng)造虛擬源的聲學(xué)設(shè)置的實(shí)例；
[0023] 圖14示意性地示出了包括使用無源反射器生成鏡像源的實(shí)施方式；
[0024] 圖15示出了在示出現(xiàn)有揚(yáng)聲器的原處和它們?cè)趬ι系南鄳?yīng)一階鏡像的水平面中 的聲學(xué)設(shè)置的實(shí)施方式；
[0025] 圖16示意性地示出了與耳機(jī)擅染相結(jié)合的立體聲系統(tǒng)的一般原理；
[0026] 圖17示意性地示出了串?dāng)_效應(yīng)；
[0027] 圖18示意性地示出了串?dāng)_消除原理；
[0028] 圖19示意性地描述了借助于左前方揚(yáng)聲器、右前方揚(yáng)聲器和亞低音揚(yáng)聲器使用 前置聲場(chǎng)生成的全球聲學(xué)設(shè)置描述；W及
[0029] 圖20提供了用于實(shí)現(xiàn)圖19中描述的聲場(chǎng)生成的信號(hào)處理模塊的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 公開了一種基于被放置在相應(yīng)合成位置的預(yù)定義數(shù)量的合成單極的貢獻(xiàn)近似目 標(biāo)聲場(chǎng)的合成的方法，該方法包括將目標(biāo)聲場(chǎng)仿造成被放置在定義的目標(biāo)位置的至少一個(gè) 目標(biāo)單極。
[0031] 通常，目標(biāo)聲場(chǎng)能夠通過任何任意聲源的組合產(chǎn)生的聲音。例如，可W通過壓為場(chǎng) 根據(jù)位置和時(shí)間描述聲場(chǎng)?？商鎿Q地，在時(shí)域中的傅里葉變換之后，例如，可W根據(jù)位置和 頻率通過壓為場(chǎng)描述聲場(chǎng)。
[0032] 在如下描述的一些實(shí)施方式中，目標(biāo)聲場(chǎng)對(duì)應(yīng)用于將目標(biāo)聲場(chǎng)呈現(xiàn)給收聽者的揚(yáng) 聲系統(tǒng)要再現(xiàn)的聲場(chǎng)。例如，收聽者可W位于家庭環(huán)境、影院、或者汽車中。例如，可W由一 群音樂家（諸如，樂團(tuán)）、管弦樂隊(duì)、流行音樂樂隊(duì)、一個(gè)或多個(gè)歌手等生成的聲場(chǎng)定義目標(biāo) 聲場(chǎng)。也可由聲音、給電影場(chǎng)景伴奏的音樂和/或語音定義目標(biāo)聲場(chǎng)。也可由計(jì)算機(jī)、計(jì)算 機(jī)游戲、游戲機(jī)、平板電腦、移動(dòng)電話等定義目標(biāo)聲場(chǎng)。
[0033] 根據(jù)描述如下的實(shí)施方式，目標(biāo)聲場(chǎng)被仿造成被放置在定義目標(biāo)位置的至少一個(gè) 目標(biāo)單極。在一個(gè)實(shí)施方式中，目標(biāo)聲場(chǎng)被仿造成一個(gè)單目標(biāo)單極。在其他實(shí)施方式中，目 標(biāo)聲場(chǎng)被仿造成被放置在相應(yīng)定義目標(biāo)位置處的多個(gè)目標(biāo)單極。例如，每個(gè)目標(biāo)單極可W 表示包含在樂團(tuán)中并且被放置在房間、音樂廳等內(nèi)的特定位置的樂器。另一目標(biāo)單極可W 表示樂團(tuán)的聽眾產(chǎn)生的聲音，諸如，拍手的聲音?？商鎿Q地，目標(biāo)單極可W表示電影里的演 員的聲音或者新聞廣播員的聲音。
[0034] 在又一可替換實(shí)施方式中，目標(biāo)單極的位置可W移動(dòng)。例如，目標(biāo)單極可W表示聲 源在收聽者上方移動(dòng)的飛機(jī)。
[0035] 如果多個(gè)目標(biāo)單極被用于表示目標(biāo)聲場(chǎng)，那么基于如下描述的一組定義合成單極 來合成目標(biāo)單極的聲音的方法進(jìn)而單獨(dú)應(yīng)用于每個(gè)目標(biāo)單極，并且可W總計(jì)每個(gè)目標(biāo)單極 獲得的合成單極的貢獻(xiàn)W重建目標(biāo)聲場(chǎng)。
[0036] 在如下描述的實(shí)施方式中，基于通過應(yīng)用最小二乘法已得出的計(jì)算確定合成單極 的貢獻(xiàn)。在實(shí)施方式中，可由通過應(yīng)用最小二乘法得出的化學(xué)式來表示計(jì)算。在該些實(shí)施 方式中，在它們通過預(yù)定義數(shù)量的合成單級(jí)的貢獻(xiàn)最小化近似目標(biāo)單極的聲場(chǎng)時(shí)導(dǎo)致的錯(cuò) 誤的意義上，化學(xué)式反應(yīng)了最小二乘法的結(jié)果。由于實(shí)施方式是基于在最小二乘意義上重 新考慮聲場(chǎng)的生成，相應(yīng)等式可能會(huì)導(dǎo)致近似值，與一些先前已知技術(shù)相比，該變得更容易 用于與任何種類的位置結(jié)合。
[0037] 在實(shí)施方式中實(shí)現(xiàn)的技術(shù)在概念上可能與使用限制數(shù)量的隔聲罩來生成定義聲 場(chǎng)的波場(chǎng)合成相似。然而，實(shí)施方式的生成原理的基本依據(jù)是特定的，因?yàn)楹铣刹粫?huì)試圖精 確地仿造聲場(chǎng)但卻基于最小二乘法。
[0038] 在如下描述的實(shí)施方式中，預(yù)定義數(shù)量的合成單極對(duì)應(yīng)在音響系統(tǒng)中用來呈現(xiàn)目 標(biāo)聲場(chǎng)的揚(yáng)聲器的數(shù)量。在該種情況下，每個(gè)合成單極與相應(yīng)揚(yáng)聲器相關(guān)聯(lián)。合成單極的 數(shù)量可W是固定的或者變化的。例如，根據(jù)情況，合成可W排除具體揚(yáng)聲器（例如，后置揚(yáng) 聲器、天花反向致動(dòng)器等）和相關(guān)聯(lián)的合成單極。
[0039] 如在實(shí)施方式中公開的目標(biāo)聲場(chǎng)的生成方法可基于限制數(shù)量的揚(yáng)聲器的組合，限 制數(shù)量的揚(yáng)聲器是按它們最簡(jiǎn)單的聲學(xué)形式仿造，也就是單極來源。
[0040] 所公開的方法可W應(yīng)用于通過放置在某個(gè)位置的源創(chuàng)造的目標(biāo)聲場(chǎng)的生成。數(shù)量 有限的音箱可被用W再創(chuàng)造通過該聲源生成的聲場(chǎng)。該些音箱的每一個(gè)可被仿造成單源、 單極。因此，可通過一組單極合成聲場(chǎng)。
[0041] 在實(shí)施方式中，其中揚(yáng)聲器箱包括幾個(gè)致動(dòng)器，例如，對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)左前方揚(yáng)聲器的一 個(gè)致動(dòng)器和引起天花板反向的咖趴形的一個(gè)附加致動(dòng)器，揚(yáng)聲器箱中的每個(gè)致動(dòng)器可由單 獨(dú)的合成單極表示。
[0042] 與合成單極相關(guān)聯(lián)的合成位置可W表示與合成單極相關(guān)聯(lián)的揚(yáng)聲器（或致動(dòng)器） 實(shí)際上位于房間內(nèi)的位置。例如，與左前方揚(yáng)聲器相關(guān)聯(lián)的合成單極的合成位置可W對(duì)應(yīng) 于電視裝置左邊的位置，與右前方揚(yáng)聲器相關(guān)聯(lián)的合成單極的合成位置可W對(duì)應(yīng)于電視裝 置右邊的位置，并且與中央揚(yáng)聲器相關(guān)聯(lián)的合成單極的合成位置可W對(duì)應(yīng)于電視裝置下方 或電視裝置中的位置。
[0043] 根據(jù)在W下實(shí)施方式中所描述的方法，對(duì)于每個(gè)合成單極，確定貢獻(xiàn)表示合成單 極對(duì)目標(biāo)單極的聲場(chǎng)的合成的貢獻(xiàn)。
[0044] 可W基于要在合成中生成的目標(biāo)單極的聲場(chǎng)定義的輸入信號(hào)計(jì)算合成單極的貢 獻(xiàn)。
[0045] 可W在與聲音擅染系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的處理裝置中執(zhí)行在該里公開的方法。
[0046] 在如下更詳細(xì)地描述的一些實(shí)施方式中，合成單極的貢獻(xiàn)取決于合成單極與目標(biāo) 單極之間的相對(duì)距離。該相對(duì)距離可W表示與合成單極相關(guān)聯(lián)的揚(yáng)聲器（或致動(dòng)器）與目 標(biāo)源之間的相對(duì)距離。
[0047] 根據(jù)一些實(shí)施方式，基于等式確定合成單極的貢獻(xiàn)
[0049] 其中Sp(W)是根據(jù)角速度《WP為索引的合成單極的壓為傳遞函數(shù)，k是對(duì)應(yīng)角 頻率W的波數(shù)，Rp。= |r"-rp|是在目標(biāo)位置r。處的目標(biāo)單極與在位置rp處的被索引為P 的合成單極之間的距離，P表示空氣的平均密度，W及C表示空氣中聲音的波速。
[0050] 角速度W表示聲波震蕩的頻率。可W根據(jù)具體需求選擇參數(shù)P和C。例如，它們 可W對(duì)應(yīng)于空氣的平均密度和在室溫20°C下空氣中的聲音的波速。
[0051] 在其他實(shí)施方式中，應(yīng)用執(zhí)行離散時(shí)間的數(shù)值實(shí)現(xiàn)。技術(shù)人員已知該種離散是'采 樣'。
[0052] 基于在該里公開的近似值近似目標(biāo)聲場(chǎng)的合成可允許實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。
[0053] 在離散化之后，例如，可W根據(jù)等式確定WP為索引的合成單極的貢獻(xiàn)Sp(n)
[0055] 其中，T是采樣周期，Dp=tp/T、Rp。=Irq-rpl是在目標(biāo)位置r。處的目標(biāo)單極與在 位置rp處的被索引為P的合成單極之間的距離，巧是距離RP。的聲音傳播延遲，M是數(shù)字濾 波器所使用的樣本的數(shù)量，n是樣本號(hào)碼，P表示空氣的平均密度，W及C表示空氣中聲音 的波速。
[005引貢獻(xiàn)Sp(n)可被視為合成單極的壓為傳遞函數(shù)。
[0057] 在如下更詳細(xì)地描述的一些實(shí)施方式中，合成單極的貢獻(xiàn)取決于放大因數(shù)和延 遲。
[0058] 例如，可W選擇合成單極的放大因數(shù)為與目標(biāo)單極和合成單極之間的相對(duì)距離成 反比。
[0059] 在其他實(shí)施方式中，由映射因子進(jìn)一步修改放大因數(shù)。
[0060] 在一些實(shí)施方式中，對(duì)于相對(duì)距離的較大值，合成單極的放大因數(shù)選擇成與目標(biāo) 單極和合成單極之間的相對(duì)距離成反比，但對(duì)于相對(duì)距離的較小值收斂于一。該可能會(huì)避 免當(dāng)合成與目標(biāo)單極之間的相對(duì)距離接近0時(shí)振幅接近無窮大。
[0061] 根據(jù)實(shí)施方式，根據(jù)等式確定放大因數(shù)ap
[006引其中r=Rp。= |r"-rp|是在目標(biāo)位置r。處的目標(biāo)單極與在位置rp處的被索引為P的合成單極之間的相對(duì)距離。
[0064] 根據(jù)另一實(shí)施方式，根據(jù)等式確定延遲Dp
[0065] Dp= tp/T
[0066]其中，T是采樣周期，tp是在目標(biāo)位置r。處的目標(biāo)單極與在位置rP處的被索引為 P的合成單極之間的相對(duì)距離Rpo=Ir。-rpI的聲音傳播延遲。
[0067] 根據(jù)一些實(shí)施方式，在離散化之后，根據(jù)等式確定被索引為P的每個(gè)合成單極的 貢獻(xiàn)Sp(n)
[0068] Sp (n) = P cap 8 (n-rip)
[0069]其中，ap是放大因數(shù)，rip是延遲，n是樣本號(hào)碼，6表示狄拉克A函數(shù)，P表示空 氣的平均密度，W及C表示空氣中聲音的波速。
[0070] 根據(jù)一些實(shí)施方式，可根據(jù)等式近似目標(biāo)單極的聲場(chǎng)
[0072] 其中p(r|ra，《)是目標(biāo)單極的聲場(chǎng)，作為位置r和角頻率《的函數(shù)，r