CN103220601B - 一种三维多声道音频***扬声器组折半精简方法 - Google Patents

Abstract

一种三维多声道音频***扬声器组折半精简方法，根据原始扬声器排布镜像对称，通过折半法将三维n声道音频***中n个扬声器精简为三维m声道音频***中的m个扬声器，包括获取折半精简前三维n声道音频***中各个扬声器的空间位置信息；通过对称面对精简前三维n声道音频***中扬声器折半，获得初始的待精简对象；对扬声器作镜像分配；分析待精简对象中三角形扬声器组的所有组合，分析得到应被精简的扬声器并剔除；剔除上述被精简扬声器的镜像点，判断当前待精简扬声器数sum是否大于m，若大于m，继续执行简化过程，否则结束迭代，得到m声道精简***扬声器组最优空间位置排布。

Description

一种三维多声道音频***扬声器组折半精简方法

技术领域

本发明属于声学领域，尤其涉及一种三维多声道音频***扬声器组折半精简方法。

背景技术

2009年底上演的三维电影《阿凡达》不仅在全球三十多个国家登上票房榜首，而且到2010年9月初，全球票房累计超过27亿美元。《阿凡达》所展现的绚丽画面与逼真声效不仅震撼了观众，也使得业界有了“电影进入三维时代”的断言。2013年在拉斯维加斯举办的国际消费电子展(CES)上获得的数据显示，2012年全球3D电视销量比上一年度增长67％，其中中国大陆市场的销量为1千万台，占全球3D电视销量的25％；全球知名的市场研究公司iSuppli预测到2015年，全球3D电视机的出货量将达到1.59亿台，占全球平板电视机出货量的一半以上。“3D”无疑已成为二十一世纪第二个十年全球多媒体行业的标志性符号。但要想达到更好的视听体验，需要有与三维视频内容同步的三维声场听觉效果，才能真正达到身临其境的视听感受。因此，世界上先进国家的科研机构和主要多媒体标准化组织纷纷开展相关研究：早期的三维音频***(如Ambisonics***)由于其结构复杂，对采集和回放设备要求较高，难以推广实用；杜比公司(Dolby)推出了带有高置声道的ProLogic IIz多声道三维音频回放***；近年来日本广播协会(NHK)科学技术研究实验室已研发出22.2多声道音频原型***，其结构简单，并能兼容5.1环绕立体声扬声器配置方案；动态图像专家组(Moving PicturesExperts Group，MPEG)的高度重视并在2011年启动了3D音频技术标准的制订，希望在达到一定编码效率的同时能通过比较少的扬声器或耳机来还原三维声场，以便能将该技术推广到普通家庭用户；我国国家自然科学基金委在2012年专门发布了“三维音频基础理论和关键技术研究”重点研究项目指南，重点支持3D音频技术的研究。由此可见三维音视频技术已成为多媒体技术领域的研究热点和进一步发展的重要方向。与此同时，传统声场重建技术(如WFS、Ambisonics等)的思想是将一个如音乐厅现场音乐会所形成的声场在另一个空间重建，其目标是重现音乐厅现场等原始声场。但是受到实际声场采集方法的限制，完全重建原始声场的目标很难实现。然而，将混音室内通过多声道***生成的重建声场在另一个室内环境内进行重建声场的再次重建则比较容易实现，这种在其他环境内再次重建声场的问题可以等效于找寻一种方法将原重建声场中多声道音频信号转换为再次重建声场中多声道音频信号。为方便描述，一般将由原多声道***得到的重建声场称为“原声场”，而通过不同声道数的替代音频***再次重建的声场称为“重建声场”。

传统音频技术在对信号进行采集、编码和播放时通过利用人耳听音的感知特性来提升简化***：如在对声音进行采集时，依据奈奎斯特定理，采样频率应为人耳感知声音最高频率的两倍以上才能无感知失真地还原原始信号；在对信号进行编码时，依据人耳的掩蔽效应去除了声道内的感知冗余，利用人耳对空间参数的感知敏感特性去除了声道间的参数感知冗余；在回放端，根据人耳对正前方定位比较敏感，对后方的环境声感知较敏感的特性，采用在正前方放置用于定位的主声道扬声器，在后方放置环境声扬声器的排布方式。因为人耳对左右方向的感知相互对称，因此需要设计一种方法既能简化原多声道***扬声器组，又能保证重建声场与原声场误差最小，同时保证左右对称。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种将三维n声道音频***中n个扬声器精简为三维m声道音频***中的m个扬声器的折半精简方法，获得精简后左右对称的m声道***中扬声器组最优空间位置信息。

本发明的技术方案为一种三维多声道音频***扬声器组折半精简方法，用于将三维n声道音频***中n个扬声器折半精简为三维m声道音频***中的m个扬声器，包含以下步骤：

步骤1，获取精简前三维n声道音频***中各个扬声器的原始空间位置信息；

步骤2，取精简前三维n声道音频***中位于对称面某一侧的扬声器和位于对称面上的扬声器为初始的待精简对象；

步骤3，对初始的待精简对象作镜像，得到相应的镜像扬声器；

步骤4，分析当前待精简对象中球面三角形扬声器组的所有组合，构成球面三角形扬声器组集合S；

步骤5，根据步骤4所得球面三角形扬声器组集合S，从中挑选仅包含单个扬声器的扬声器组，然后取球面三角形面积最小的扬声器组(ξ₁,ξ₂,ξ₃)，重新分配扬声器组(ξ₁,ξ₂,ξ₃)的信号，将扬声器组(ξ₁,ξ₂,ξ₃)所包含的单个扬声器ζ作为被精简的扬声器剔除；

步骤6，重新分配步骤5所得扬声器组(ξ₁,ξ₂,ξ₃)的镜像扬声器组(ξ′₁,ξ′₂,ξ′₃)的信号，剔除被精简扬声器的镜像扬声器ζ'；

步骤7，判断当前待精简扬声器数sum是否大于预设m值，若大于m，转入执行步骤4重新分析当前待精简对象中球面三角形扬声器组的所有组合进行精简，否则结束迭代，根据剩余的扬声器，得到m声道左右对称的精简***扬声器组最优空间位置排布。

而且，步骤5中重新分配扬声器组(ξ₁,ξ₂,ξ₃)的信号，实现方式如下，

根据扬声器ζ和ξ₁,ξ₂,ξ₃的空间位置信息计算权值分配系数ω₁、ω₂、ω₃如下，

$w_1=\frac{{\tilde{D}}_1}{D},w_2=\frac{{\tilde{D}}_2}{D},w_3=\frac{{\tilde{D}}_3}{D}$

$D={\tilde{D}}_1+{\tilde{D}}_2+{\tilde{D}}_3$

将扬声器ζ的频域信号s_ζ(ω)按照权值分配系数ω₁、ω₂、ω₃分配到扬声器ξ₁、ξ₂、ξ₃的频域信号上，得到新的频域信号公式如下，

$q_{{\mathrm{\ξ}}_1}\left(\mathrm{\ω}\right)=s_{{\mathrm{\ξ}}_1}\left(\mathrm{\ω}\right)+w_1{s}_{\mathrm{\ζ}}\left(\mathrm{\ω}\right)$

$q_{{\mathrm{\ξ}}_2}\left(\mathrm{\ω}\right)=s_{{\mathrm{\ξ}}_2}\left(\mathrm{\ω}\right)+w_2{s}_{\mathrm{\ζ}}\left(\mathrm{\ω}\right)$

$q_{{\mathrm{\ξ}}_3}\left(\mathrm{\ω}\right)=s_{{\mathrm{\ξ}}_3}\left(\mathrm{\ω}\right)+w_3{s}_{\mathrm{\ζ}}\left(\mathrm{\ω}\right)$

最后令s_ζ(ω)＝0。

而且，步骤6中重新分配镜像扬声器组(ξ′₁,ξ′₂,ξ′₃)的信号，实现方式如下，

将镜像扬声器ζ'的频域信号s_ζ'(ω)按照权值分配系数ω₁、ω₂、ω₃分配到扬声器ξ′₁、ξ′₂和ξ′₃的频域信号上，得到新的频域信号公式如下，

$q_{{\mathrm{\ξ}}_1}\left(\mathrm{\ω}\right)=s_{{\mathrm{\ξ}}_1}\left(\mathrm{\ω}\right)+w_1{s}_{\mathrm{\ζ}}\left(\mathrm{\ω}\right)$

$q_{{\mathrm{\ξ}}_2}\left(\mathrm{\ω}\right)=s_{{\mathrm{\ξ}}_2}\left(\mathrm{\ω}\right)+w_2{s}_{\mathrm{\ζ}}\left(\mathrm{\ω}\right)$

$q_{{\mathrm{\ξ}}_3}\left(\mathrm{\ω}\right)=s_{{\mathrm{\ξ}}_3}\left(\mathrm{\ω}\right)+w_3{s}_{\mathrm{\ζ}}\left(\mathrm{\ω}\right)$

最后令s_ζ'(ω)＝0。

采用本发明提供的折半法精简三维多声道音频***扬声器，采集待精简三维多声道音频***中扬声器的空间位置信息，因扬声器呈左右镜像对称，精简过程中，在半面中寻找应剔除扬声器，并将它和它的镜像点一同剔除。经过扬声器组精简迭代算法后可得到精简***扬声器组最优空间配置，最终实现对三维多声道音频***精简扬声器最优空间排布。扬声器组精简迭代算法可以保证精简过程不影响听音中心点处的声音的物理特性。相比较于对整个待精简三维多声道音频***中扬声器寻找应剔除扬声器的做法，本发明技术方案的效率比较高，处理工作量减少，节约***资源。

附图说明

图1为本发明实施例的扬声器组折半精简方法流程图。

图2是本发明实施例的扬声器组折半精简前的扬声器镜像分布图。

具体实施方式

本发明提供了提供一种将三维n声道音频***中n个扬声器精简为三维m声道音频***中的m个扬声器的折半精简方法。具体实施时，可以由本领域技术人员根据需要选择合适的权值计算方法和最佳被精简扬声器选择方法。

本发明技术方案可采用计算机软件技术实现自动运行，以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案，本领域技术人员在实施时不局限于该技术方案。

如图1给出了本发明实施例的流程图，实施例包含以下步骤：

步骤1，采集精简前三维n声道音频***中各个扬声器的空间位置信息；

三维n声道音频***对应有n个扬声器，设以听音区域中心点O为顶点构造三维坐标系XYZ，扬声器与中心点之间的距离记为ρ，扬声器与平面XOZ的角度记为θ，扬声器与平面XOY的角度记为扬声器空间位置参数标记为将n个扬声器排布在与中心点之间距离为ρ的球面上，实施例中设ρ的值为2米。因为重建声场中扬声器与中心点之间距离与原声场中扬声器与中心点距离相等，所以在实施例中采集精简前音频***中扬声器空间位置参数简化标记为令初始的待精简扬声器数sum＝n。

步骤2，对精简前三维n声道音频***中扬声器折半，获得初始的待精简对象；

精简前三维n声道音频***中的扬声器对称分布。以XOZ面为对称面，取一侧(左侧或右侧)的扬声器以及位于对称面上的扬声器，组成待精简对象。

如图2，精简前22个扬声器的镜像分布。水平阴影面XOY为听音区域，垂直阴影面XOZ为对称面，可取对称面左侧黑色实点扬声器(或右侧黑色空心扬声器)和对称面上黑色实点扬声器为初始的待精简对象。

步骤3，对初始的待精简对象作镜像；

每个待精简对象关于对称面XOZ面的对称位置处扬声器是该待精简对象的镜像，对称面上的扬声器镜像是其本身，以第一行为待精简对象，第二行为相应的待精简对象的镜像，构成镜像矩阵A。镜像对称的两扬声器的θ相加的和为π的奇数倍，而高度角相等。

例如，XOZ面左侧三个扬声器ξ₁、ξ₂和ξ₃的空间位置为XOZ面右侧三个扬声器ξ′₁、ξ′₂和ξ′₃的空间位置为若θ₁+θ′₁＝(2n+1)π，其中n＝0,1,2…，则ξ₁和ξ′₁镜像对称。同理若ξ₂和ξ′₂，ξ₃和ξ′₃满足同样条件，则ξ₂和ξ′₂，ξ₃和ξ′₃也均为镜像对称。更多扬声器的情况同理。

则镜像矩阵 $A=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\ξ}}_1& {\mathrm{\ξ}}_2& {\mathrm{\ξ}}_3& ...\\ {\mathrm{\ξ}}_1^{\′}& {\mathrm{\ξ}}_2^{\′}& {\mathrm{\ξ}}_3^{\′}& ...\end{array}\right]$

步骤4，分析当前的待精简对象中三角形扬声器组的所有组合；

在待精简对象的扬声器中任选三个的所有组合中分析能构成球面三角形的所有扬声器组合，构成球面三角形扬声器组集合S；

例如，从n个扬声器的左侧的扬声器中任意挑选三个构成一个扬声器组合(ξ₁,ξ₂,ξ₃)，可以得到三个扬声器ξ₁、ξ₂和ξ₃的空间位置为因为只有在这个扬声器组合中的三个扬声器空间位置不同时共弧线才能将这三个扬声器所对应的空间位置点构成球面三角形，所以若希望扬声器组合(ξ₁,ξ₂,ξ₃)能作为一个球面三角形扬声器组，则必须满足θ₁、θ₂和θ₃不同时相等或和不同时相等。

步骤5，根据步骤4的分析结果得到应被精简的扬声器并剔除；

从上述集合S中挑选仅包含单个扬声器的球面三角形扬声器组，并按其组成的球面三角形面积大小排序，组成集合Q；然后找到球面三角形面积最小的扬声器组(ξ₁,ξ₂,ξ₃)所包含的单个扬声器ζ，重新分配信号；最后剔除扬声器ζ，即分配信号s_ζ(ω)＝0，令当前待精简扬声器数sum＝sum-1。可以从球面三角形扬声器组集合S中剔除与扬声器ζ有关的球面三角形扬声器组元素。

例如：

集合Q中球面三角形面积最小的扬声器组为(ξ₁,ξ₂,ξ₃)，其中所包含的单个扬声器为ζ，空间位置坐标 在由三个扬声器空间构成球面三角形区域内部或在球面三角形的三条边上。

将扬声器ξ₁、ξ₂、ξ₃和ζ的时域信号经傅里叶变换得到对应的频域信号 和s_ζ(ω)，当已知扬声器的空间位置信息：根据公式1计算权值分配。

$w_1=\frac{{\tilde{D}}_1}{D},w_2=\frac{{\tilde{D}}_2}{D},w_3=\frac{{\tilde{D}}_3}{D}$     公式(1)

其中：ω₁、ω₂、ω₃为权值分配系数，其中参数D、的计算公式如下：

$D={\tilde{D}}_1+{\tilde{D}}_2+{\tilde{D}}_3$

根据公式(2)，将扬声器ζ的频域信号按照相应权值大小分配到扬声器ξ₁、ξ₂、ξ₃的频域信号上，得到扬声器ξ₁、ξ₂、ξ₃新的频域信号；

$q_{{\mathrm{\ξ}}_1}\left(\mathrm{\ω}\right)=s_{{\mathrm{\ξ}}_1}\left(\mathrm{\ω}\right)+w_1{s}_{\mathrm{\ζ}}\left(\mathrm{\ω}\right)$

$q_{{\mathrm{\ξ}}_2}\left(\mathrm{\ω}\right)=s_{{\mathrm{\ξ}}_2}\left(\mathrm{\ω}\right)+w_2{s}_{\mathrm{\ζ}}\left(\mathrm{\ω}\right)$

$q_{{\mathrm{\ξ}}_3}\left(\mathrm{\ω}\right)=s_{{\mathrm{\ξ}}_3}\left(\mathrm{\ω}\right)+w_3{s}_{\mathrm{\ζ}}\left(\mathrm{\ω}\right)$     公式(2)

最后令s_ζ(ω)＝0

将扬声器ξ₁、ξ₂、ξ₃的频域信号经过逆傅里叶变换为对应时域信号，从球面三角形扬声器组集合S中剔除与扬声器ζ有关的球面三角形扬声器组元素。

步骤6，剔除被精简扬声器的镜像扬声器；

根据镜像矩阵A，找到步骤5中被剔除扬声器ζ的镜像扬声器ζ'，并按步骤5同样的方法分配信号，剔除镜像扬声器ζ'。令当前待精简扬声器数sum＝sum-1。可以从球面三角形扬声器组集合S中剔除与扬声器ζ'有关的球面三角形扬声器组元素，获取剩余的扬声器数目，即新的当前待精简扬声器数sum。

例如，步骤5中被剔除的扬声器为ζ，步骤6则根据矩阵A，得到其镜像扬声器为ζ'，相应最小三角形扬声器组的元素为ξ′₁、ξ′₂和ξ′₃，将扬声器ξ′₁、ξ′₂和ξ′₃和ζ'的时域信号经傅里叶变换得到对应的频域信号和s_ζ'(ω)，按公式(3)分配得到扬声器ξ′₁、ξ′₂和ξ′₃新的频域信号

$q_{{\mathrm{\ξ}}_1^{\′}}\left(\mathrm{\ω}\right)=s_{{\mathrm{\ξ}}_1^{\′}}\left(\mathrm{\ω}\right)+w_1{s}_{{\mathrm{\ζ}}^{\′}}\left(\mathrm{\ω}\right)$

$q_{{\mathrm{\ξ}}_2^{\′}}\left(\mathrm{\ω}\right)=s_{{\mathrm{\ξ}}_2^{\′}}\left(\mathrm{\ω}\right)+w_2{s}_{{\mathrm{\ζ}}^{\′}}\left(\mathrm{\ω}\right)$

$q_{{\mathrm{\ξ}}_3^{\′}}\left(\mathrm{\ω}\right)=s_{{\mathrm{\ξ}}_3^{\′}}\left(\mathrm{\ω}\right)+w_3{s}_{{\mathrm{\ζ}}^{\′}}\left(\mathrm{\ω}\right)$     公式(3)

最后令s_ζ'(ω)＝0，剔除镜像扬声器ζ'。

其中，权值分配系数ω₁、ω₂、ω₃直接采用步骤5所得结果即可。

步骤7，迭代条件判断；

判断当前待精简扬声器数sum是否大于m，

若大于m，转入执行步骤4重新分析分析当前的待精简对象中三角形扬声器组的所有组合，基于新的球面三角形扬声器组集合S继续精简；

否则结束迭代，取出球面三角形扬声器组集合S中各球面三角形扬声器组元素所对应的扬声器和其相应的镜像扬声器的空间位置信息，得到m声道左右对称的精简***扬声器组最优空间位置排布。

具体实施时，m的取值可由本领域技术人员根据三维n声道音频***中n个扬声器的分布情况预先设置。

相比较于对整个待精简三维多声道音频***中扬声器寻找应剔除扬声器的做法，本发明技术方案的效率比较高，处理工作量减少，节约***资源。

例如，将22声道精简为8声道时，之前的对整个待精简三维多声道音频***中扬声器寻找应剔除扬声器的做法数据处理时间t₁大约为79.354936，而本发明技术方案的数据处理时间t₂约为18.925047。

(t₁-t₂)÷t₁＝(79.354936-18.925047)÷79.354936≈0.76

故，相比较于对整个待精简三维多声道音频***中扬声器寻找应剔除扬声器的做法，本发明技术方案的效率提高了约0.6倍。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种三维多声道音频***扬声器组折半精简方法，用于将三维n声道音频***中n个扬声器折半精简为三维m声道音频***中的m个扬声器，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，获取精简前三维n声道音频***中各个扬声器的原始空间位置信息；

步骤2，取精简前三维n声道音频***中位于对称面某一侧的扬声器和位于对称面上的扬声器为初始的待精简对象；

步骤3，对初始的待精简对象作镜像，得到相应的镜像扬声器；

步骤4，分析当前待精简对象中球面三角形扬声器组的所有组合，构成球面三角形扬声器组集合S；

步骤5，根据步骤4所得球面三角形扬声器组集合S，从中挑选仅包含单个扬声器的扬声器组，然后取球面三角形面积最小的扬声器组(ξ₁,ξ₂,ξ₃)，重新分配扬声器组(ξ₁,ξ₂,ξ₃)的信号，将扬声器组(ξ₁,ξ₂,ξ₃)所包含的单个扬声器ζ作为被精简的扬声器剔除；

所述重新分配扬声器组(ξ₁,ξ₂,ξ₃)的信号，实现方式如下，

根据扬声器ζ和ξ₁,ξ₂,ξ₃的空间位置信息计算权值分配系数ω₁、ω₂、ω₃如下，

$w_1=\frac{{\tilde{D}}_1}{D},w_2=\frac{{\tilde{D}}_2}{D},w_3=\frac{{\tilde{D}}_3}{D}$

$D={\tilde{D}}_1+{\tilde{D}}_2+{\tilde{D}}_3$

将扬声器ζ的频域信号s_ζ(ω)按照权值分配系数ω₁、ω₂、ω₃分配到扬声器ξ₁、ξ₂、ξ₃的频域信号上，得到新的频域信号公式如下，

$q_{{\mathrm{\ξ}}_1}\left(\mathrm{\ω}\right)=s_{{\mathrm{\ξ}}_1}\left(\mathrm{\ω}\right)+w_1{s}_{\mathrm{\ζ}}\left(\mathrm{\ω}\right)$

$q_{{\mathrm{\ξ}}_2}\left(\mathrm{\ω}\right)=s_{{\mathrm{\ξ}}_2}\left(\mathrm{\ω}\right)+w_2{s}_{\mathrm{\ζ}}\left(\mathrm{\ω}\right)$

$q_{{\mathrm{\ξ}}_3}\left(\mathrm{\ω}\right)=s_{{\mathrm{\ξ}}_3}\left(\mathrm{\ω}\right)+w_3{s}_{\mathrm{\ζ}}\left(\mathrm{\ω}\right)$

最后令s_ζ(ω)＝0；

步骤6，重新分配步骤5所得扬声器组(ξ₁,ξ₂,ξ₃)的镜像扬声器组(ξ₁',ξ₂',ξ₃')的信号，剔除被精简扬声器的镜像扬声器ζ'；

所述重新分配镜像扬声器组(ξ′₁,ξ′₂,ξ′₃)的信号，实现方式如下，

将镜像扬声器ζ'的频域信号s_ζ'(ω)按照权值分配系数ω₁、ω₂、ω₃分配到扬声器ξ′₁、ξ′₂和ξ′₃的频域信号上，得到新的频域信号公式如下，

$q_{{\mathrm{\ξ}}_1^{\′}}\left(\mathrm{\ω}\right)=s_{{\mathrm{\ξ}}_1^{\′}}\left(\mathrm{\ω}\right)+w_1{s}_{{\mathrm{\ζ}}^{\′}}\left(\mathrm{\ω}\right)$

$q_{{\mathrm{\ξ}}_2^{\′}}\left(\mathrm{\ω}\right)=s_{{\mathrm{\ξ}}_2^{\′}}\left(\mathrm{\ω}\right)+w_2{s}_{{\mathrm{\ζ}}^{\′}}\left(\mathrm{\ω}\right)$

$q_{{\mathrm{\ξ}}_3^{\′}}\left(\mathrm{\ω}\right)=s_{{\mathrm{\ξ}}_3^{\′}}\left(\mathrm{\ω}\right)+w_3{s}_{{\mathrm{\ζ}}^{\′}}\left(\mathrm{\ω}\right)$

最后令s_ζ'(ω)＝0；

步骤7，判断当前待精简扬声器数sum是否大于预设m值，若大于m，转入执行步骤4重新分析当前待精简对象中球面三角形扬声器组的所有组合进行精简，否则结束迭代，根据剩余的扬声器，得到m声道左右对称的精简***扬声器组最优空间位置排布。