CN102611966A - 用于虚拟环绕渲染的扬声器阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于生成具有双路通路的虚拟环绕声的装置和方法。所述装置和方法使用了与头部相关的一阶模型，以模拟各频带中的耳间时间差定位提示和耳间声级差定位提示，同时避免了成像幻影和染色过度。

Description

用于虚拟环绕渲染的扬声器阵列
技术领域
本发明涉及虚拟扬声器音响***，更具体地，涉及用于渲染后置环绕声道的数字信号处理和扬声器阵列。
背景技术
通常，空间增强技术已经应用于只使用几个扬声器来播放环绕声中。目前，可从很多不同的厂家获得允许通过放置在听众前方的几个扬声器来播放环绕声的空间增强技术。这种应用的例子包括：不需要安装后置扬声器的家庭影院***中的3D声音重现，以及使用多媒体监视器或者便携式电脑中的小型集成换能器渲染的环绕电影和计算机游戏。通常，听觉体验不那么令人叹服，这是因为出现了明显的问题，诸如：(i)最佳听音位置非常狭窄，甚至不允许幅度较大的头部动作；(ii)严重的图像和音调离轴失真；(iii)当听众转头时会感觉到相位失真和耳压。
一种只使用几个扬声器来提供环绕声的方法是在空间增强期间使用多路串音消除器方法。然而，该方法需要高阶逆滤波器矩阵，目的是基于准确的头部模型生成精确的耳信号，这会导致在听众的头部没有处于精确的预定位置处时，声音质量离轴下降。
还有一种已应用的信号处理方法，其中，传统的串音消除器电路用在连接到两对换能器的分频滤波器之前。因为串音消除滤波器并没有针对任何一对换能器对进行优化，所以该方法的成效有限。
因此，我们需要能够实现虚拟环绕渲染并可以改进环绕声播放的扬声器阵列。特别是，我们希望改进虚拟环绕声的鲁棒性和离轴染色。
发明内容
鉴于以上所述，提供了一种数字信号处理器，以处理渲染虚拟环绕声的立体声或者环绕声音频信号。该过程只使用设置于听众前面的扬声器，并产生虚拟环绕声，所述虚拟环绕声对头部运动具有鲁棒性，并具有低离轴染色。该数字信号处理器通过具有与头部有关的一阶滤波器、上混合矩阵和延迟线阵列的分频电路生成早期反射，延长了前置立体声道的宽度和深度，并以此来渲染扬声器阵列的后置环绕声道。应当理解的是，不仅可以以所指出的各个组合来使用上面所提到的特征和下面要解释的特征，并且还可以在不脱离本发明的范围的情况下，以其他组合或者独立地使用所述特征。
在研究下面的附图和详细说明的基础上，本发明的其他装置、设备、***、方法、特征和优点对本领域技术人员来说将会或者将会变得显而易见。本发明旨在将所有该附加的***、方法、特征和优点都包括在该说明书之内、包括在本发明的范围之内，并由附随的权利要求书所保护。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更好的理解下面的说明。附图中的部件不需按照实际尺寸来绘制，而是将重点放在了示出本发明的原理上。在附图中，相同的参考数字表示不同的视图中的相对应的零件。
图1是根据本发明的实施方式的一个例子的扬声器阵列的示图。
图2是根据本发明的实施方式的一个例子的数字信号处理器的简化框图。
图3是实现位于图2的信号处理器中并连接到图1的扬声器阵列的5声道环绕渲染器的一个例子的框图。
图4是可用于图3的5声道环绕渲染器的环绕渲染器的一个例子的框图；
图5是图3的5声道环绕渲染器的12度离轴和在中心位置处的响应和的曲线图。
图6是图3的2进4出上混合器的一个例子的框图。
图7是用于早期反射的图6的雪弗式滤波器(shelving filter)的输出的曲线图。
图8是示出根据本发明的实施方式的一个例子的、虚拟环绕渲染的示例步骤的流程图。
具体实施方式
应当理解的是，对下面所给出的的各种例子的描述仅仅是为了示出的目的，而不应该理解为限制。不能将附图中示出的功能块、模块或者单元的分割的例子解释为表示这些功能块、模块或者单元必须实现为物理上分开的单元。示出或者描述的功能块、模块或者单元可实现为分开的单元、电路、芯片、功能元件、模块或者电路元件。也可在共用电路、芯片、电路元件或单元中实现一个或多个功能块或单元。
在图1中，描述了根据本发明的实施方式的一个例子的扬声器阵列或者条形音箱102的示图100。扬声器阵列102可具有两个或者更多个扬声器，例如，扬声器和相关的换能器104、106、108和110。所述换能器可为两个小的内部换能器106和108以及两个较大的外部换能器104和110。通常将扬声器阵列102放置在听众的前面。安装该扬声器阵列的一个例子是将其置于电视机(例如，平板电视机)的上方或者下方。
转向图2，其示出了可根据本发明实施的数字信号处理器(DSP)202的一个例子的简化框图200。该数字信号处理器可具有控制器204，该控制器204连接到一个或多个存储器(例如，存储器206)、模数(A/D)转换器(例如，208)、时钟210、分立元件212以及数模(D/A)转换器214。可通过A/D转换器208接收一个或者多个模拟信号，并将其转换为数字信号，该数字信号由控制器204、存储器206和分立元件212处理。处理的信号通过D/A转换器214输出，并可将该处理的信号进一步地放大或者传递给其他装置，例如，条形音箱102。
在图3中，示出了虚拟环绕声处理器(VSSP)202的一个例子的框图300。示出的VSSP 202具有4声道环绕渲染器302，所述4声道环绕渲染器302可在图2的DSP202中实现并连接到图1的扬声器阵列102。所述VSSP 202可具有用来接收左声道L 302、中置声道C 304、右声道R 306音频的连接器。组合器308将中置声道C 304的音频和左声道L 302的音频进行组合，组合器310将中置声道C 304的音频与右声道R 306的音频进行组合。将组合器308和310的输出传入到2进4出上混合器312。2进4出上混合器312的输出为4个输出信号：Out_L 314、Out_R 316、Surr_out_L 318和Surr_out_R 320。组合器324将Surr_out_L信号318与左侧信号322进行组合，组合器328将Surr_out_R信号320与右侧信号326进行组合。组合器324和328的输出被传入到环绕渲染器302。将环绕渲染器302的输出示为：A_L 330、A_R 332、B_L 334和B_R 336。组合器338可将A_L信号330与Out_L信号314进行组合，并将其连接到条形音箱102中的扬声器104。组合器340可将Out_R信号316与A_R信号332进行组合，并将其连接到条形音箱102中的扬声器110。B_L信号334和B_R信号336分别连接到条形音箱102中的扬声器106和108。
中置声道C 304经过衰减系数h1分别加入到左输入声道L 302和右输入声道R306。通常，可将h1设置为h1＝0.4，并且在当前的例子中，其大约为-8dB。相加的信号连接到2进4出上混合器312的输入端IN_L和IN_R(组合器308和310的输出端)，该2进4出上混合器312生成主要的立体声输出Out_L 314、Out_R 316和环绕声输出Surr_out_L 318、Surr_out_R 320。通过两个加法节点或者组合器338和340，将所述主要的立体声输出直接加入到馈给外部换能器对104和110的信号。2进4出上混合器312的环绕声输出分别乘以系数h3，并通过组合器324和328被加入到乘以缩放系数h2的环绕输入声道LS 322和RS 326。产生的相加的输入信号连接到环绕渲染器302的输入端，该环绕渲染器302生成4个信号：第一对A_L 330和A_R 332通过加法节点(组合器338和340)连接到外部换能器对104和110，第二对B_L 334和B_R 336连接到内部换能器对106和108。
在2进4出混合器312中所使用的缩放系数的标准值可为h2＝2.3，h3＝1.9，但是根据应用和用户喜好，可在其他实施方式中使用其他值。如果是计算机监视器应用，那么外部换能器104和110之间的距离可为(40...50)cm，内部换能器对106和108之间的距离可为(6...10)cm。这对应于：在收听距离80cm处，外部换能器对104和110对于听众头部的角度范围为+/-(14...17)度，内部换能器对106和108对于听众头部的角度范围为+/-(2...4)度。在家庭影院***中，外部换能器104和110位于大TV屏幕的边缘，该外部换能器104和110之间的距离可例如为150cm，并且，内部换能器106和108之间的距离可例如为30cm，这导致在收听距离250-300cm处，角度范围类似。设计参数主要取决于角度范围，因此，该设计的参数对于两个应用的例子来说都可保持不变。
转到图4，描述了实现图3的环绕渲染器302的一个例子的框图400。首先由分频网络以规定的交叉频率fc410，将2声道输入信号Surr_In_L(来自组合器324)、Surr_In_R(来自组合器328)按照频谱划分为两个信号对，所述分频网络包括一对低通滤波器LP 402和404以及一对高通滤波器HP406和408。选择交叉频率fc，以使得简单的头部模型有效(通常，fc＝500Hz...2000Hz)。分频滤波器可为低阶递归滤波器，例如，二阶巴特沃斯(BW)滤波器或者四阶林克威治-瑞利(LR)滤波器。通过系数g1412对低通部分进行进一步缩放。
经过低通滤波后的信号对随后通过非递归(一阶)串音消除器部，该串音消除器部具有由延迟部HD 414和416模拟的交叉路径，该延迟部HD 414和416代表d1样本的纯延迟，在该延迟部HD 414和416之后分别跟随有增益g2418。组合器420和422从各直接路径中减去交叉通道输出，从而消除了从右换能器到达左耳的信号，反之亦然。在低于700Hz的低频，耳间时间差(ITD)是主要的定位提示(localizationcue)，但是在高于700Hz的频率范围，耳间声级差(ILD)变得更为主导。在特定的收听角度，串音路径中的路径差对应于采样率为48kHz的d1＝(4...8)样本的延迟值。
经高通滤波的信号对通过第二串音消除器部来处理，该第二串音消除器部具有交叉路径中的一阶低通滤波器HC 424和426，该一阶低通滤波器HC 424和426的特征是-3dB截止频率为ft428。在当前的实施方式中，根据经验确定的HC 424和426的值为ft＝(3...4)kHz。在该部中不需要另外的延迟或者增益系数。组合器430从HP 408的输出中减去HC 424的输出，并产生输出信号B_R。类似地，组合器428从HP 406的输出中减去HC 426的输出，并产生输出信号B_L。
在描述的双路方法中，已经使用了一阶与头部相关的模型，其模拟在各频带中的ITD和LTD定位提示。因此，避免了使用如在现有技术中教导的与头部相关的高阶滤波器，这可导致较少的离轴染色、相位失真以及耳压带来的不愉快感觉。
交叉路径增益系数的有用范围通常为g2＝(0.3...0.9)。接近1的值产生最大分离(沿着横穿听众的耳朵的轴的虚拟图像)，但是需要最大的低音提升，通过选择增益系数g1，能够设置低音提升的数量。用于计算机监视器***的一个典型设计的例子可为：
LP，HP＝二阶巴特沃斯(BW)部，fc＝800Hz，
g1＝-3.0，
HD＝延迟d1的频率响应＝4个样本，
g2＝0.7，
HC＝一阶低通滤波器，ft＝3.5kHz。
在单一输入的情况下，中心位置处的频率响应为：
g1·LP·(1-g2·HD)+HP·(1-HC)。
在离轴位置，由左侧和右侧的外部换能器之间的附加路径长度差HD1得出频率响应公式：
g1·LP·(1-g2·HD)·(1+HD1)/2+HP·(1-HC)。
在图5中，根据本发明的实施方式的一个例子示出了中心位置处的响应和以及5声道环绕渲染器302(图3)的12度离轴的曲线图500。在假设的12度离轴角度处(导致左侧和右侧的外部换能器之间的路径长度差HD1＝13个样本延迟)，通过轴上响应502获得曲线图500中示出的结果，所述轴上响应502足够平坦且不需要进一步的均衡，而离轴响应504只显示了大约在1.5kHz处的干扰下降，由于染色和主立体声信号L 302、R306和C 304进一步地屏蔽，所以不会强烈地感觉到该干扰下降。
转向图6，其描述了图3的2进4出上混合器312的框图600。2进4出上混合器312的目的是提供扩展的立体声宽度和正面的声舞台的可调感知距离，并在只有2声道信号源的情况下(传统的信号源)，创造增强的空间体验。
可在具有两个线性2×2矩阵的立体声宽度调整部601中完成立体声宽度调整，所述两个线性2×2矩阵分别含有用于主要立体声对Out_L 314、Out_R 316的负交叉系数b1602和用于虚拟环绕对Surr_out_L 318、Surr_out_R 320的b2604。该参数的有用范围是区间[0...1]，取值接近1时得到最大分离。为当前例子的实施所选择的值是：b1＝0.04，b2＝0.03。
通过加上距离调整部605中的离散反射能量，感知到的声场的距离可增加到超过扬声器基部。反射的幅度越高，反射离直达声越近(较小的延迟值)，就可在更远的距离处感知到声音。在当前的例子中，已经创造出了4个反射(直达声的延迟的重复)，并将所述4个反射加到2进4出上混合器312的4个输出。参数是4个延迟值(d1 606，d2 608，d3 610和d4 612)以及它们各自的幅度(c1 614，c2 616，c3 618，c4 620)。通过分配随机值，可实现反射信号之间的充分的解相关，从而避免了成像幻影(将2个或者更多个反射合并为一个)和染色过度。当前实施方式的设置参数的一个例子可为：c1＝0.62，c2＝0.50，c3＝0.71，c4＝0.5(分别对应于-4dB、-6dB、-3dB和-5dB)和d1＝564，d2＝494，d3＝776，d4＝917个样本。
此外，可将一对一阶高雪弗式滤波器622和624***到反射路径中，以模拟自然界中墙壁的吸收并削弱模拟出的周围声场的瞬变。图7描述了高雪弗式滤波器622和624的典型参数。在图7中，示出了用于早期反射的图6的雪弗式滤波器622和624的输出702的曲线图700。
转到图8，示出了根据本发明的实施方式的一个例子的虚拟环绕声渲染的步骤的流程图800。在2进4出上混合器312接收多个音频信号，例如，IN_L和IN_R(802)。响应于接收第一多个音频声道信号，该2进4出上混合器312生成上混合的输出信号(例如，Out_L 314和Out_R 316)和关联的输出环绕信号(例如，Surr_out_L 318和Surr_out_R 320)(804)。在环绕渲染器302接收第二多个音频声道信号，例如LS 322和RS 326(806)。响应于在环绕渲染器302接收第二多个音频声道信号，由组合器324和328将每一个第二多个音频声道信号与关联的输出环绕信号进行组合(808)。生成作为环绕渲染器302的输出的多个换能器信号，例如，B_L 334和B_R 336，并且通过组合器将所述多个换能器信号中的一部分与相关的上混合输出信号进行组合，以生成附加的换能器信号，例如，分别通过组合器338和340来将A_L 330与Out_L 314、A_R 332与Out_R 316进行组合(810)。
所描述的关于图8的方法可包括另外的在信号处理期间经常执行的步骤或者模块，例如，移动存储器内的数据和生成时序信号时。图8所描述的示图的步骤还可与更多的步骤或者功能一起执行，或者并行执行。
本领域技术人员将会理解并且意识到，可通过硬件和/或软件来执行所描述的与图8有关的一个或者多个进程、子进程或者进程步骤或者模块。如果通过软件来执行所述进程，所述软件可位于软件存储器(未示出)中，也可位于合适的电子处理元件或者***中，例如，在图1-7中示意性地描述或者标记的一个或者多个功能元件或者模块。在软件存储器中的软件可包括用于执行逻辑功能(也就是说，既可以以例如数字电路的数字的形式来执行“逻辑”，也可以以源代码的形式执行“逻辑”)的一系列有序的可执行指令，并且可选择性地将所述软件嵌入到任何计算机可读的介质中，以供指令执行***、设备或者装置使用，或者与该指令执行***、设备或者装置相连，例如，该***、设备或者装置可为基于计算机的***、包含处理器的***，或者可从该指令执行***、设备或者装置中选择性地取出指令并执行所述指令的其他***。在本公开的上下文中，“计算机可读介质”是任何有形的设备，该有形的设备可以包含、存储或者传输程序，以供指令执行***、设备或者装置使用，或者与该指令执行***、设备或者装置相连。该计算机可读介质可选择性地为，例如但不限于，电的、磁的、光学的、电磁的、红外线的或者半导体***、设备或装置。更多计算机可读介质的具体的例子将会包括下述内容(但是，这并不是一个穷举的清单)：便携式计算机磁盘(磁的)、RAM(电的)、只读存储器“ROM”(电的)、可擦可编程只读存储器(EPROM或者闪存)(电的)和便携式只读光盘存储器“CDROM”(光学的)。需要指出的是，计算机可读介质甚至可以为印有程序的纸张或者另一种合适的介质，从所述纸张或者介质捕获程序，并随后编译、解释，或者如果需要，以合适的方式对所述程序进行处理，并随后将其存储到计算机存储器中。
以上对实施方式的描述的目的仅是为了举例说明或者描述。前述的说明不是详尽的，并且不应将请求保护的发明限制到所公开的精确范围。根据上述说明，对本发明进行修改或者变更是可能的，或者通过实行本发明的例子，对本发明进行修改或者变更。权利要求书及其等价物限定本发明的范围。

Claims (26)

1.一种虚拟环绕渲染音频装置，包括：
上混合器，其接收第一多个音频声道信号，并生成上混合的输出信号及相关的输出环绕信号；以及
环绕渲染器，其接收第二多个音频声道信号，其中，将所述第二多个音频信号中的每一个与相关的输出环绕信号相组合，并生成多个换能器信号，其中，所述多个换能器信号中的至少一部分逐个与相关的上混合输出信号相组合。
2.如权利要求1所述的虚拟环绕渲染音频装置，其中，所述第一多个音频声道信号至少包括左声道信号、右声道信号和中置声道信号。
3.如权利要求2所述的虚拟环绕渲染音频装置，其中，既将所述中置声道信号与左声道信号组合，又将所述中置声道信号与右声道信号组合。
4.如权利要求1所述的虚拟环绕渲染音频装置，其中，所述上混合器包括立体声宽度调整部和距离调整部。
5.如权利要求4所述的虚拟环绕渲染音频装置，其中，所述立体声宽度调整部包括第一负交叉系数的参数。
6.如权利要求5所述的虚拟环绕渲染音频装置，其中，所述立体声宽度调整部进一步包括：与所述相关的输出环绕信号相关的第二负交叉系数的参数。
7.如权利要求5所述的虚拟环绕渲染音频装置，其中，所述立体声宽度调整部进一步包括：与在所述上混合器接收到的所述多个音频声道信号中的每一个都相关的搁架式滤波器。
8.如权利要求4所述的虚拟环绕渲染音频装置，其中，所述距离调整部包括与每一个所述输出信号及相关的输出环绕信号相关的延迟参数。
9.如权利要求8所述的虚拟环绕渲染音频装置，其中，每一个延迟都具有各自的幅度参数。
10.如权利要求1所述的虚拟环绕渲染音频装置，其中，所述环绕渲染器进一步包括：每一个所述输出环绕信号都经过分离并通过低通滤波器和高通滤波器。
11.如权利要求10所述的虚拟环绕渲染音频装置，进一步包括第一多个组合器，所述第一多个组合器从第一低通滤波器的输出中减去每个其他低通滤波器的延迟输出。
12.如权利要求10所述的虚拟环绕渲染音频装置，进一步包括第二多个组合器，所述第二多个组合器从第一高通滤波器的输出中减去每个高通滤波器的串音消除器输出。
13.如权利要求12所述的虚拟环绕渲染音频装置，其中，所述串音消除器的交叉频率的范围是500Hz到2000Hz。
14.一种虚拟环绕渲染方法，包括以下步骤：
在上混合器接收第一多个音频声道信号；
响应于接收所述第一多个音频声道信号，生成上混合的输出信号和相关的输出环绕信号；
在环绕渲染器接收第二多个音频声道信号；
响应于在所述环绕渲染器接收所述第二多个音频声道信号，将每一个所述第二多个音频声道信号与相关的输出环绕信号进行组合；以及
生成多个换能器信号，其中，所述多个换能器信号中的至少一部分逐个与相关的上混合输出信号相组合。
15.如权利要求14所述的虚拟环绕渲染方法，其中，接收所述第一多个音频声道信号包括：至少接收左声道信号、右声道信号和中置声道信号。
16.如权利要求15所述的虚拟环绕渲染方法，包括：既将所述中置声道信号与所述左声道信号组合，又将所述中置声道信号与右声道信号组合。
17.如权利要求14所述的虚拟环绕渲染方法，其中，所述上混合器包括立体声宽度调整部和距离调整部。
18.如权利要求17所述的虚拟环绕渲染方法，包括：在所述宽度调整部中，将第一负交叉系数的参数应用到所述第一多个音频声道信号。
19.如权利要求18所述的虚拟环绕渲染方法，其中，所述立体声宽度调整部进一步包括：应用与所述相关的输出环绕信号相关的第二负交叉系数的参数。
20.如权利要求18所述的虚拟环绕渲染方法，其中，所述立体声宽度调整部进一步包括：利用与相关的搁架式滤波器相关的搁架式滤波器对在所述上混合器接收到的所述多个音频声道信号中的每一个进行滤波。
21.如权利要求17所述的虚拟环绕渲染方法，其中，所述距离调整部包括：利用延迟参数延迟每个所述输出信号及相关的输出环绕信号。
22.如权利要求21所述的虚拟环绕渲染方法，其中，每个延迟都具有各自的幅度参数。
23.如权利要求14所述的虚拟环绕渲染方法，其中，所述环绕渲染器进一步包括：在分离每个所述输出环绕信号后，通过低通滤波器和高通滤波器对每个所述输出环绕信号进行滤波。
24.如权利要求23所述的虚拟环绕渲染方法，进一步包括：用第一多个组合器从第一低通滤波器的输出中减去每个其它低通滤波器的延迟输出。
25.如权利要求23所述的虚拟环绕渲染方法，进一步包括：用第二多个组合器从第一高通滤波器的输出中减去每个高通滤波器的串音消除器输出。
26.如权利要求25所述的虚拟环绕渲染方法，其中，所述串音消除器的交叉频率的范围是500Hz到2000Hz。
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