CN102435139A

CN102435139A - 对头部旋转的检测被改进的头部跟踪***

Info

Publication number: CN102435139A
Application number: CN2011102647243A
Authority: CN
Inventors: W.赫斯; T.迈耶
Original assignee: Harman Becker Automotive Systems GmbH
Current assignee: Harman Becker Automotive Systems GmbH
Priority date: 2010-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2031-09-08
Also published as: US9075127B2; US20120057150A1; EP2428813A1; EP2428813B1; CN102435139B

Abstract

本申请涉及确定使用者头部位置的头部跟踪***，该***包括将光线发射到设置在支撑构件(200)上的矩形位置敏感器件(100)上的光源(10)。由光源发射的光线在位置敏感器件上产生光斑，并且提供了头部位置确定模块(170)，其使用光斑在位置敏感器件上的位置确定头部的位置，其中支撑构件(200)被设计成以使得头部旋转导致光斑向矩形位置敏感器件的角移位的方式支撑位置敏感器件(100)。

Description

对头部旋转的检测被改进的头部跟踪***

技术领域

本申请涉及确定使用者头部位置的头部跟踪***，并涉及使用该头部跟踪***为所述使用者生成虚拟环绕声的音响***。

背景技术

头部跟踪***是已知的，其检测不同类型的头部运动。例如，使用陀螺仪(gyroscope)检测头部围绕该头部的纵向轴(即在头部水平面上)的转动。使用这样的陀螺仪检测角加速度。

EP 2012170A1揭示了一种头部跟踪***，其中使用了位置敏感器件和诸如LED的光源校准在陀螺仪中出现的偏差。利用该专利申请中使用的几何布置只能检测到大致+/-20°的较小的头部旋转。使用如在EP 2012170A1中描述的实施例，不可能在足以覆盖使用者平常头部运动的范围内(例如在车辆中)，仅使用一个单独的位置敏感器件来确定头部的位置。

据此，存在对提供一种头部跟踪***的需求，利用这样头部跟踪***，能够用单独的位置敏感器件在大致+/-45°的范围内进行头部跟踪。

发明内容

提供了一种确定使用者头部位置的头部跟踪***，该***包括将光线发射到设置在支撑构件中的平面矩形位置敏感器件上的光源，该光源发射的该光线在位置敏感器件上生成光斑。此外，提供了头部位置确定模块，其使用光斑在位置敏感器件上的位置确定头部位置。支撑构件被设计成支撑位置敏感器件，使得在平面矩形位置敏感器件表面法向指向光源的头枕位置(headrest position)，在位置敏感器件(100)的一对相对的角之间的对角线被水平定向，使得头部在水平面上的旋转，导致光斑朝矩形位置敏感器件的一个角移位。利用由支撑构件改进的位置敏感器件的定向，能够检测到更大范围的头部旋转或头部的点头运动。在EP 2102170A1中描述的实施例中，位置敏感器件被定向成使得头部旋转导致光斑向位置敏感器件边缘移位。通过将位置敏感器件相对于在EP2102170A1中使用的定向转动45°角扩大了检测范围。光斑在位置敏感器件上的位置是对头部旋转的量度。因为矩形位置敏感器件的两个相对角之间的距离大于该矩形位置敏感器件两个边缘之间的距离，所以能够检测更大的头部旋转的范围。使用经改进的位置敏感器件的位置，能够检测相对于直视前方的位置(参考位置)大约成+/-45°的头部旋转。

位置敏感器件可以是正方形的位置敏感器件，支撑构件以使得头部在水平面或垂直面上的转动导致光斑在正方形位置敏感器件对角线上移位的方式，支撑该正方形位置敏感器件。以使得在使用者向前直视时光斑位于该正方形位置敏感器件的中心的方式相对于该位置敏感器件布置光源。这定义出头枕位置(head rest position)，在该处该平面位置敏感器件的表面法向指向光源。当使用者在水平面上以一个方向旋转头部时，该光斑以一个方向沿对角线移动；反之，当使用者以其它方向旋转头部时，该光斑在对角线上以其它方向移动。

支撑构件能够在其顶点上支撑位置敏感器件。

头部位置确定模块可被配置成确定与该头部在水平面上的转向相对应的头部偏转角，其中以使得头部的转动会引起光斑在该位置敏感器件的对角线上移位的方式相对于位置敏感器件放置光源。于是该位置敏感器件根据光斑相对于所述对角线的位置确定偏转角。而且，除偏转角以外，位置确定模块可进一步配置成确定头部的对应于该头部的点头运动的俯仰角(pitchangle)，其中相对于位置敏感器件以使得头部的点头动作导致光斑在该位置敏感器件的另一条对角线上移位的方式放置光源，该位置敏感器件根据光源相对于所述另一条对角线的位置确定出俯仰角。在此实施例中，头部位置确定模块对描述该头部在水平面上相对于头部的直视位置的旋转的角进行确定，并且额外确定了描述使用者是否正在向上或向下看的角。换言之，确定了头部旋转的方位角(azimuth angle)和仰角(elevation angle)。

尤其地，当头部跟踪***连同为使用者生成虚拟环绕声的基于耳机的音响***的一起使用时，对方位角确定，偏转角是最重要的角，因为方位角的变化改变了双耳间时间差异和双耳间水平差异，这些是被人类大脑用于定位声源所使用的最主要的定位提示。因此，点头的运动，即仰角并不是必须要确定的，因为仅确定出方位角便足够了。

此外本申请涉及使用标准耳机向使用者生成虚拟环绕声的音响***，该***包括如上所述的头部跟踪***和含有多个滤波元素的滤波器数据库，每个滤波元素对应经限定的头部位置。此外，提供了音频信号处理模块，以接收音频输入信号和为耳机生成虚拟环绕声。接收被确定的头部位置的音频信号处理模块被配置成选择已确定的头部位置的滤波元素，并且被配置成用所选择的滤波元素对音频输入信号进行滤波，以便为使用者生成虚拟环绕声。该音响***能够使用任何市面上能够买到的耳机。该耳机不必是专用的耳机，即，在耳机的每侧只需要一个扬声器，但是也可以使用多于一个的扬声器。

另外，提供了用于确定使用者头部位置的方法，该方法包括通过光源向设置在支撑构件中的矩形位置敏感器件上发光的步骤，由光源发射的光线在位置敏感器件上产生光斑。此时以使得头部的旋转导致光斑向矩形位置敏感器件的角移位的方式将位置敏感器件布置在该支撑构件上。因此光斑在位置敏感器件上的位置被用于确定头部位置。

位置敏感器件可以是通过支撑构件以这样一种方式支撑的正方形位置敏感器件，使得头部的旋转导致光斑在正方形位置敏感器件的对角线上移位。

附图说明

以下，参考附图进一步详细描述了头部跟踪***，其中

图1示出了使用耳机为使用者生成虚拟环绕声的头部跟踪***的示意图；

图2示出了具有如EP 2102170A1中描述的位置敏感器件的布置的位置敏感器件；

图3示出了本申请中使用的位置敏感器件；

图4示出了具有用于生成虚拟环绕声的头部跟踪***的音频***的示意图；

图5示出了对使用耳机生成虚拟环绕声进行解释的示意图；

图6示出了为了生成用于生成虚拟环绕声的滤波元素而记录的左右声道音频信号；

图7是解释位置敏感器件的工作的图解；以及

图8示出了描述用于向使用者生成虚拟环绕声的主要步骤的流程图。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了头部跟踪***。该头部跟踪***包括一个或多个光源10，这些光源10向安装在耳机20上的位置敏感器件100发射光线。该光源10可以是发光二极管(LED)，发射预定频率范围内的光，例如脉冲方式的红外线。为了不干扰佩戴耳机20的使用者，可使用红外频率范围。正如以下参考图2到图4进一步详细的解释，LED 10发射的光线在位置敏感器件100上生成光斑。该光斑在位置敏感器件上的位置被用于确定佩戴耳机的使用者的头部的位置。LED 10可以布置在固定的位置处，并且可以以佩戴耳机的使用者的方向发送光线。图1中示出的***可以是车辆后座的娱乐***的一部分，在其中，坐在汽车的后部座椅上的使用者收听音乐或收看电影，该***的音频信号通过使用耳机20来使用。使用本揭示内容，为佩戴耳机的使用者生成虚拟环绕声成为可能，正如将参照图5解释的那样。

为生成虚拟环绕声，必须确定头部位置。通过使用耳机的虚拟环绕声，产生了仿佛使用者使用图5中示出的5.1或7.1扬声器音响***似的听觉体验(listening impression)，图5示出了5个扬声器50的***。虚拟环绕声场给出了仿佛声源稳定设置在虚拟空间中似的体验。这种现象被称为声学室内恒定性(acoustical room-constancy)，这种现象使得使用耳机的使用者能够稳定地确定声音来自的方向。并且因为可以使用正确的前/后位置定位出头部以外稳定的声源，所以当头部转动的时候，对应于真实世界的情况，使用者使用该***也经历了交互式收听过程。

通过标准耳机20进行收听，完美具体化的、真实的定位成为可能。这是仅通过跟踪头部的位置和通过确定对于确定出的头部位置的滤波器导致的，该滤波器可被用于用滤波器实时地对声音信号执行低延迟块卷积。

这些滤波元素可以下面的方式产生，在该方式中使用在每个耳朵中具有麦克风的仿真头部测量两耳房间脉冲响应。为达到此目的，放置在人体模型上或架子上的仿真头部被放置在例如在使用该***的汽车中的位置上。仿真头部的不同位置(例如不同旋转)被采用，并且对于每个头部位置如图5所示出的扬声器50输出声音，该声音被仿真头部中的麦克风检测到。该处理可为不同的头部旋转进行重复，例如以1°为步长直到+/-45°的方位角被测量为止。在图6中，示出了对于所定义的头部位置在仿真头部的两耳处测量到的脉冲响应，信号61示出了左声道/左耳的脉冲响应，信号62示出了右声道/右耳的脉冲响应。图6中所示的信号描述了从图5的其中一个扬声器向仿真头部的左耳和右耳输出的信号。针对扬声器50中的每一个扬声器和产生多个脉冲响应的不同头部位置，检测音频信号。基于这些脉冲响应，为每个头部位置确定滤波元素。因此当使用对于确定出的头部位置的滤波器通过使用该滤波元素确定音频信号的实时卷积来对立体声信号进行滤波时，能够获得虚拟环绕声，其中，使用耳机的使用者能够获得仿佛音频信号来自图5示出的音响***似的体验。

将参考图2到图4以及图7来更详细地解释被用于通过使用耳机生成虚拟环绕声的头部跟踪***。

在图2中示出了如EP 2012170A1所示的定向的位置敏感器件100’。通过使用透镜(未显示)将诸如LED 10的光源发射的光线聚焦到位置敏感器件100’上。光源发射的光线被位于该透镜焦平面上的位置敏感器件接收，并且在该位置敏感器件上生成光斑。此时以使得当使用者向前直视时光斑位于图2所示的x-y轴的中央这样的方式放置中间光源10。这对应于头枕位置，在此处，平面矩形位置敏感器件的表面法向指向光源。参考图7将更详细地解释位置敏感器件100’的实现。

在图7的上部部分中示出了位置敏感器件的截面视图。该器件100’包含延伸管脚结构(extending pin structure)，P指示P型杂质半导体层，I指示在标准状态下无杂质或低杂质的(绝缘)半导体层，并且N指示N型杂质半导体层。后接触器k₀大致在N型杂质半导体层中部与其耦接，在相反侧接触器k₁和k₂接触P型杂质层。为了提供二维感测，在垂直于所示出的接触器的方向上提供有附加接触器(未显示)。

这样的器件使用了所谓的横向光电效应(lateral photo effect)，用于位置感测。经由接触器k₀供应总电流。标注为Φ的箭头指示出光线落在传感器上的位置。在光线落到传感器上的区域处，器件变成在横向方向(图7中的上下方向)上导电。在图7中部的p轴上，该位置被指定为P₁。

假设N型杂质层的电阻较低，从k₀到k₁的电阻(分别为Rq1和Rq2，如图7下部所示)由光线落到传感器上的位置P₁决定。分别在k₁、k₂处检测到的电流I₁、I₂指示出了该位置。尤其是，在所示的维度上，相对于传感器中部的位置p₁与(I₁-I₂)/(I₁+I₂)成正比。

类似的见解对于二维传感器成立。对于上述位置敏感器件，以上给出的电流比不取决于传感器接收的光线强度，使得从光源到相对的敏感器件的距离并不影响结果。

返回参考图2，这意味着在长度为L的传感器的激活区域中的光斑仅描述了头部旋转(在一维情况下)，或者在二维传感器的情况下描述了该头部的头部旋转和“点头位置”。然而，在图2的实施例中，光斑的位置在x和y方向上被限制在+/-L/2。

图3中示出了在本申请中使用时的位置敏感器件的定向。通过与图2中示出的实施例相比，可以看出，该器件旋转了45°。该位置敏感装置由支撑构件200以这样一种方式支撑，即使得头部在水平面上的旋转会引起光斑沿着X’轴或Y’轴其中之一移位；反之，头部的点头运动会引起光斑在位置敏感器件100上沿着X’轴或Y’轴之中的另一个移位。同样可以推论，当将X’轴与x轴比较时，获得了较大的检测范围，使得能够检测更大的头部运动。

正如相对于图7所描述的，相对的敏感器件的输出在一维情况下为电流I₁、I₂，而在二维情况下为I₁、I₂、I₃和I₄。使用如图2所示的坐标系，可按如下这样计算光斑的位置：

X = \frac{(I_{2} + I_{3}) - (I_{1} + I_{4})}{I_{1} + I_{2} + I_{3} + I_{4}} \cdot \frac{L}{2} - - - (1)

Y = \frac{(I_{2} + I_{4}) - (I_{1} + I_{3})}{I_{1} + I_{2} + I_{3} + I_{4}} \cdot \frac{L}{2} - - - (2)

使用如图3所示的具有X’和Y’的***，从X到X’以及从Y到Y’的变换如下：

X^{'} = (Y + X) \cdot \frac{\sqrt{2}}{2} - - - (3)

Y^{'} = (Y - X) \cdot \frac{\sqrt{2}}{2} - - - (4)

结合图4更详细地解释了怎样计算头部位置。在图1中示出而在图4中未示出的光源10发出在红外光谱中的光。此外，可提供用于依据预定模式调制LED发射的光线的调制电路，来调制所发射出的光线。利用这样的调制，可区别由LED发射出的光线和其它源发射出的光线。该光线穿过透镜110，透镜用于将该光线聚焦到位置敏感装置100上。在透镜110的前面，可提供光学过滤器，用于过滤所接收到的光线。该过滤器可以是能让红外光透过，但其它波长的光(诸如可见光)不能透过的过滤器。

位置敏感器件100被放置在透镜110的聚焦平面上，在此处光线被聚焦成光斑。器件100被安装到耳机上，并且，取决于头部的位置，固定安装的光源的光线被聚焦在位置敏感器件的表面上。

如以上结合图6所解释的，产生四个电流I₁到I₄。这4个电流被供应给将电流转换为电压的电流电压转换器120。这可例如通过测量相应电流流过的具有已知电阻的电阻器的压降来实现。然后使用高通滤波器130对这样产生的电压进行滤波，以便滤除直流分量和其它低频分量。在高通滤波器之后，经高通滤波的信号在放大器140中被放大，之后在低通滤波器150中被低通滤波。低通滤波器与高通滤波器一起构建了带通滤波器，其仅传送来自经调制的脉冲红外光源的信号。

该信号然后穿过模数转换器160，在模数转换器处在数字领域中生成信号。该信号被从该转换器160供应给头部位置确定模块，在头部位置确定模块处确定了头部的方位角和仰角。该头部位置确定模块包括转换单元，在此单元中电流被转换成X’、Y’位置，X’、Y’位置描述了光斑在X’、Y’***中的位置。在出现点头运动(俯仰角)的情况下，则该位置将被转换成方位角(偏转角)和仰角。

对于虚拟环绕声的生成，仅确定偏转角可能就是足够的，因为头部旋转对从虚拟声源到左耳和右耳的信号路径产生主要影响。该偏转角是最重要的角，因为偏转角的改变对被使用者用于两耳定位感知的两耳间时间差(ITD)和两耳间能级差(ILD)具有最大的影响。因此，头部位置确定模块输出一个或两个角，该角或者是单独的偏转角，或者是偏转角与俯仰角。通过使用反正切实现位置X’、Y’到角的转换。对于光斑在相对的敏感器件上的侧偏差(lateral deviation)，透镜110到器件100的距离应该是已知的。使用在其中存储了不同位置X’、Y’与不同角之间的对应关系的表，(偏转角、俯仰角)角或(偏转角)角可被确定出，并被发送到音频信号处理器180。

音频信号处理器接收例如立体声音频输入信号的输入。使用确定出的一个角或确定出的多个角，音频信号处理器访问滤波器数据库190，在滤波器数据库190中为不同的角存储了相应的滤波器。正如结合图5和图6所讨论的，滤波器数据库是通过使用仿真头部预先确定的。对于每个头部位置，检索出一对用于左部和右部音频信号的滤波器对，并且通过使用用于确定出的头部位置的滤波元素对音频输入信号进行滤波。通过使用来自滤波器数据库190的滤波器对音频输入信号执行卷积产生音频输出信号，然后将该信号供应给耳机。

图8中概括了为佩戴耳机的使用者确定虚拟环绕声而执行的不同步骤。该方法从步骤80开始。在步骤81中，如图1中所示的并如在图3中进一步详细示出的那样将位置敏感器件(PSD)放置在的耳机上。光源发射的光线在位置敏感器件上生成光斑。在步骤82中，正如结合图7所解释的，使用电流I₁到I₄确定这些光斑的位置。当光斑在x’、y’坐标系中的位置已知时，在步骤83中可计算头部的旋转。此时，无论是使用者头部的方位角，还是方位角及仰角都已被确定。在步骤84中，使用已知的头部位置，确定了来自滤波器数据库190的相应的滤波元素，并且在步骤85中，在音频信号处理器180中对音频输入信号进行滤波，以便为用户产生虚拟环绕声。该方法在步骤86结束。

正如从以上讨论中能够推论出的，本揭示内容允许使用单个位置敏感器件来在大致+/-45°的范围内确定头部位置。在现有技术领域中，陀螺仪、罗盘和加速计对于确定头部位置而言是必须的。然而，使用本申请，通过仅使用一个诸如器件100的位置敏感装置可极大地减少传感器的数量，该位置敏感装置被定向成如图3和图4中示出的那样，以便具有改进的检测范围。

Claims

1.一种确定使用者的头部位置的头部跟踪***，包括：

-光源(10)，其被固定地安装，以及

-平面矩形位置敏感器件(100)，其设置在所述使用者的头部上的支撑构件(200)中，

其中由所述光源(10)发射的光线照射到所述位置敏感器件上，并在所述位置敏感器件(100)上生成光斑，

-头部位置确定模块(170)，其使用所述光斑在所述位置敏感器件上的位置确定所述头部位置，其中

所述支撑构件(200)被设计成支撑所述平面位置敏感器件(100)，使得在所述平面矩形位置敏感器件的表面法向指向所述光源的头枕位置上，所述位置敏感器件(100)的一对相对角之间的对角线被水平地定向，使得在水平平面上远离所述头枕位置的头部旋转，导致所述光斑朝所述矩形位置敏感器件的一个角移位。

2.如权利要求1所述的头部跟踪***，其中所述位置敏感器件(100)是正方形位置敏感器件，所述支撑构件(200)以使得在水平面上远离头枕位置的头部转动导致所述光斑在所述正方形位置敏感器件的对角线上移位的方式，在所述使用者的头部上支撑所述正方形位置敏感器件，。

3.如权利要求1或2所述的头部跟踪***，其中所述支撑构件(200)在其顶点上支撑所述位置敏感器件(100)。

4.如前述权利要求中的任一项所述的头部跟踪***，其中所述头部位置确定模块(170)配置成确定与所述头部在水平面上远离所述头枕位置的转动相对应的所述头部的偏转角，其中以这样一种方式相对于所述位置敏感器件(100)设置所述光源(10)，即使得所述头部的所述转动导致所述光斑在所述位置敏感器件(100)的一条对角线上移位，所述头部位置确定模块(170)根据所述光斑在所述一条对角线上的位置确定所述偏转角。

5.如权利要求1至3中的任一项所述的头部跟踪***，其中所述头部位置确定模块(170)配置成确定与所述头部在水平面上远离所述头枕位置的转动相对应的所述头部的偏转角，其中以这样一种方式相对于所述位置敏感器件(100)设置所述光源(10)，即使得所述头部的所述转动导致所述光斑在所述位置敏感器件的一条对角线上移位，所述头部位置确定模块(170)根据所述光斑相对于所述一条对角线的位置确定所述偏转角，其中所述头部位置确定模块(170)进一步配置成确定与所述头部在垂直平面上远离所述头枕位置的点头相对应的所述头部的俯仰角，其中以这样一种方式相对于所述位置敏感器件(100)设置所述光源(10)，即使得所述头部的所述点头导致所述光斑在所述位置敏感器件的另一条对角线上移位，所述头部位置确定模块(170)根据所述光斑相对于所述另一条对角线的位置确定所述俯仰角。

6.一种使用耳机为使用者生成虚拟环绕声的音响***，所述***包括：

-依据权利要求1的头部跟踪***，

-包括多个滤波元素的滤波器数据库(190)，每个滤波元素对应于定义的头部位置，

-音频信号处理模块(180)，其接收音频输入信号，并生成所述耳机的所述虚拟环绕声，

其中接收确定的头部位置的所述音频信号处理模块(180)配置成选择出所述确定的头部位置的滤波元素，并配置成使用所选择的滤波元素对所述音频输入信号进行滤波，以便向所述使用者生成所述虚拟环绕声。

7.一种用于确定使用者的头部位置的方法，该方法包括步骤：

-将光线发射到设置在支撑构件(200)中的矩形平面位置敏感器件(100)上，其中由所述光源发射的所述光线照射到所述位置敏感器件上，并在所述位置敏感器件上生成光斑，其中所述支撑构件以这样一种方式支撑所述平面位置敏感器件，使得在所述平面矩形位置敏感器件的表面法向指向所述光源的头枕位置上，在所述位置敏感器件(100)的一对相对角之间的对角线被水平地定向成，使得头部在水平平面上远离所述头枕位置的旋转，导致所述光斑朝所述矩形位置敏感器件(100)的一个角移位，

-基于所述光斑在所述位置敏感器件(100)上的位置确定所述头部位置。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述位置敏感器件为正方形位置敏感器件，其由所述支撑构件以这样一种方式支撑，即使得远离所述头枕位置的所述头部旋转，导致所述光斑在所述正方形位置敏感器件的所述对角线上移位。

9.一种使用耳机为使用者生成虚拟环绕声的方法，该方法包括步骤：

-如权利要求7所述确定所述使用者的头部位置，

-确定与所确定的头部位置相对应的滤波元素，

-接收音频输入信号，以及

-用所确定的滤波元素对所述音频输入信号滤波，以便向所述使用者生成所述虚拟环绕声。