CN105308989A - 回放数字音频信号的声音的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于回放数字音频信号的声音的方法。该方法包括过采样的步骤，所述过采样的步骤包括：从以频率F采样的信号产生以频率N×F采样的信号，其中N对应于大于1的整数；以及，对与参考声音空间的音响范围的获取相对应的以频率N×F进行采样的第一数字文件、与参考回放装备的噪声覆盖范围的获取相对应的以频率N×F进行采样的第二数字文件、与均衡器的噪声覆盖范围的获取相对应的以频率N×F进行采样的第三数字文件、以及与所述过采样的音频文件对应的第四文件施加卷积处理，然后作为结果得到的数字分组经历以与收听装备的工作频率相对应的采样频率F/M进行的数字变换处理。

Description

回放数字音频信号的声音的方法
技术领域
本发明涉及用于在回放时提高认知的音频信号处理的领域。
国际专利申请WO2012088336作为示例被知晓，该国际专利申请描述了处理音频声源以创建四维空间化声音的方法。
可以在指定的时间段内在三维空间沿着路径移动虚拟声源以获取四维声音的位置。
其中所描述的各种实施例提供了用于将存在的单声道，双通道和/或多通道的音频信号转换为具有两个或更多个音频通道的空间音频信号的方法和***。
所述各种实施例还描述了用于产生低频效应，以及来自拥有一个或者更多个通道的输入音频信号的中心通道的方法，***以及装置。
从专利申请WO9914983中知晓了一种设备，该设备使得创建以及使用一组对立的耳机扬声器成为可能，其中，能够感知被从所述一组耳机扬声器之间的区域移开的声源。所述设备包括：
-一系列代表从距理论***远距离安置的理论声源投射的音频信号的音频输入；
-连接至所述音频输入以及一系列反馈输入的第一混合矩阵，所述第一混合矩阵产生构成中间输出信号的上述音频输入的预定组合；
-对上述中间输出信号进行滤波以及产生过滤后的中间输出信号和所述一系列反馈输入的滤波器***，所述滤波器***包括用于对直接响应、快速响应以及回响响应的近似值进行滤波，以及用于对反馈响应进行滤波以生成反馈输入的分离滤波器；以及
-组合经滤波后的中间输出信号以产生右通道和左通道立体声输出的第二混合矩阵。
欧洲专利EP2119306描述了用于处理音频声源以创建四维空间化声音的设备。可以在指定的时间段内在三维空间沿着路径移动虚拟声源以获取四维声音的位置。
用于所需空间点的双耳滤波器被实施到音频波形上以产生空间化波形，使得当所述空间化波形通过一对扬声器播放时，声音就像是来自选定空间点处而不是扬声器处。
用于空间点的双耳滤波器通过从多个预定的双耳滤波器中选择的双耳滤波器中最近的一个的内插来模拟。
所述音频波形可以通过利用短时傅立叶变换交叠数据块而被数字化处理。
定位的声音可以后续被处理用于室模拟和多普勒偏移模拟。
本发明涉及用于处理具有N.x通道的原始音频信号的方法，N大于1并且x大于或者等于0，所述方法包括利用具有预定义的覆盖范围(footprint)的多通道卷积来多通道处理上述输入音频信号的步骤，所述覆盖范围由通过安置于参考空间的扬声器***捕获参考声音开发，其特征在于，所述方法包括从在不同声音环境中预先开发的多个覆盖范围中选择至少一个覆盖范围的附加步骤。
专利申请WO2012172264公开了用于处理具有N.x个通道的原始音频信号的方法，N大于1并且x大于或者等于0，所述方法包括利用具有预定义的覆盖范围的多通道卷积来多通道处理上述输入音频信号的步骤，所述覆盖范围由通过安置于参考空间的扬声器***捕获参考声音开发，其特征在于，所述方法包括从在不同声音环境中预先开发的多个覆盖范围中选择至少一个覆盖范围的附加步骤。
专利申请WO9725834提供了用于处理多通道音频信号的另一种方法和设备，每个通道对应安置于房间特定点处的扬声器从而使得通过耳机造成多个“幽灵”扬声器分布于所述房间内的效果。在考虑到每个被考虑的扬声器相对于听众的高度和方位角的情况下，相对于头选择HRTF(头相关传递函数)传递函数。每个通道经受HRTF滤波，使得当这些通道被组合为左和右通道并且由耳机输出时，听众有声音实际上来自分布于虚拟房间的幽灵扬声器的感觉。输入数据库的HRTF系数的集合来自大量的个体并且对于相关的听众而言，使用最佳的HRTF集合提供给他/她与一个孤立的听众如果听分布于整个房间中的多个扬声器会有的感觉类似的听觉印象。在左和右通道的输出应用HRTF函数使得在用耳机听时，给予没有用耳机听的感觉成为可能。
现有技术的缺陷
现有技术解决方案受限于回放手段(耳机或者扬声器)的固有品质以及实施于所述音频信号的处理的适宜性。
此外，现有技术的一些处理需要与平板电脑、电话或者便携式播放器的性能不兼容的重要计算能力。
本发明提供的解决方案
本发明的目的在于改善感知到的品质以及特别地空间化的范围，包括诸如平板电脑或者移动电话的扩展坞之类的媒体品质回放手段。
为了该目标，本发明最广义地说涉及用于回放数字音频信号的声音的方法，其特征在于，过采样的步骤被执行，所述过采样的步骤包括：从以频率F采样的信号产生以频率N×F采样的信号，其中N对应于大于1的整数；以及，对与参考声音空间的音响范围的获取相对应的以频率N×F进行采样的第一数字文件、与参考回放装备的噪声覆盖范围的获取相对应的以频率N×F进行采样的第二数字文件、与均衡器的噪声覆盖范围的获取相对应的以频率N×F进行采样的第三数字文件、以及与所述过采样的音频文件对应的第四文件施加卷积处理，然后作为结果得到的数字分组经历以与收听装备的工作频率相对应的采样频率F/M进行的数字变换处理。
所述处理基于数学卷积操作，并且使用模式化的空间以及均衡器和回放装备的脉冲响应的多个事先录制的音频样本。
在可选的实施例中，所述方法包括重新计算与所述参考声音空间的所述噪声覆盖范围相对应的所述文件以改变所述噪声覆盖范围的空间通道之间的平衡的附加步骤。
示例性非限制实施例的具体描述
参照与非限制实施例相对应的附图，本发明在阅读下述描述的情况下将会更好地被理解，其中：
-图1代表本发明的信号处理方法的原理图。
根据本发明的处理方法包括产生声源的不同声学覆盖范围，以便实现这些不同噪声覆盖范围的卷积。
所述卷积技术是被用户实施的已知的捕获技术，然后是位置或者装置的声学行为的复制。例如，卷积混响使得建议使用许多真实地点，著名音乐厅或其它地点的音响效果成为可能：这些预先采样的音响效果可以在程序中随意地被重新使用。
对于图片上的声音而言，这种可能性的第一考虑过的开发是电影拍摄集合上音响效果的捕捉，从而获得直接声音与后期处理(后期同步录制，声音特效)增加的声音之间的直接声学链接。
所述原理然后包括为了能够简单地将这样的音响效果应用于后来被记录的元素，以便它们与直接声音记录中的声音完美契合，执行在其中电影的场景已经被拍摄的集合上的音响效果的采样。
用以获取形成噪声覆盖范围的房间或者装置的脉冲响应的脉冲响应传感器是基于“去卷积”。它使用通过已知信号(此处表示为f(t))的***激励。此类信号是这样的：如果在所述信号上施加变换(去卷积函数)，结果就是狄拉克函数。
所述去卷积函数是这样被选取的，使得对于激励信号f(t)和任意函数h(t)：
G[f(t)]＝δ(t)
G[f(t)＊h(t)]＝G[h(t)]＊f(t)＝G[f(t)]＊h(t)
利用该去卷积函数，***的脉冲响应信号从***对与所述狄拉克脉冲不同的激励信号的响应生成的。
在听时，用于捕捉脉冲响应的信号的类型听起来像是高斯噪声或者“白噪声”。激励序列通过确定性算法生成并且是周期性的(对于本申请而言，周期是几秒或者数十秒)并且形成伪随机信号。
这样的序列通过线性反馈移位寄存器(LFSR)生成。此类寄存器结构(所述寄存器结构的阶数是由寄存器的数量决定的)是这样的：在其周期内，它将产生对于它的阶数而言所有可能的二进制数值(如果该结构是4阶的，2n的数值是可能的)。此类序列作为“最大长度序列(MLS，MaximumLengthSequence)”被本领域技术人员知晓：在相同的数值不重复两次的情况下二进制数字的最长可能序列。
MLS的最初的流行是基于去卷积方法的简易性。
实际上，所述MLS信号是这样的：对于它的去卷积，被称为哈达玛变换的变换可以被使用，所述哈达玛变换简化了计算并且具有计算机使用很少资源计算的优势。
另一个激励信号解决方案是基于所谓的“对数扫描”或者“指数扫描”技术，正如名称所示的那样，其对应于偏移正弦(shiftingsinus)，该偏移正弦的频率按照指数定律与时间相关。这意味着相比于在低频处，所述偏移在高频处更加快，并且因此，它的频率是粉红噪声(由于较少的时间被使用，在高频处较少的能量被释放)。
测量可以以两种途径进行去卷积。第一种在返回时间域之前利用频率域的通道来执行计算。第二种包括不定期地将记录的信号与时间上返回的激励信号进行卷积处理：
h(t)＝r(t)＊s(T-t)
其中T是扫描时程。
通过该过程，两个优势显现了：
-完全拒绝了***的非线性失真并且没有打扰***的线性脉冲响应的测量；
-所述方法容忍微小的音视频分割：在两个机器没有由时钟进行同步的情况下，扫描可以从装置处被广播并且可以由另一个装置记录。
在本发明中，三个噪声覆盖范围或者脉冲响应被捕获，其对应着：
-收听手段(例如头戴式受话器)的噪声覆盖范围；
-均衡器的噪声覆盖范围；
-参考声音空间的噪声覆盖范围。
这些脉冲响应中的每个均利用比回放设备的标称采样频率高的高采样率从参考信号捕获。
例如，在大于500毫秒，优选地在1秒至2秒之间的长时间，房间覆盖范围3从白噪声中被获取，从而每个扬声器产生6兆字节文件。对应于脉冲响应的文件然后被无损压缩(例如ZIP压缩)以及被加密。
耳机1(或者一系列扬声器)的覆盖范围利用具有大约200毫秒，优选地在100毫秒和500毫秒之间的持续时间的白信号或者粉信号以同样的方式被获取。
对于每个均衡器设置，均衡器2的覆盖范围利用具有大约200毫秒，优选地在100毫秒和500毫秒之间的持续时间的白信号或者粉信号以同样的方式被获取。
这三个脉冲响应文件1至3以及音频信号的数字文件4经历基于通过快速傅立叶变换FFT的处理的卷积处理5。
为了减少计算时间，步骤6被执行，这使得基于回放设备的特性以及如果恰当，基于听众的感觉特征而动态地重新计算左右覆盖范围成为可能。例如，一种使得改变虚拟空间位置成为可能的调整手段是可获取的。在这种设定下的改变控制从通过变形如下内容而初始地提供的覆盖范围计算新的一对噪声覆盖范围：
-考虑了中心虚拟扬声器以及用于右扬声器和左扬声器的两个覆盖范围；
-左/右覆盖范围被实时地重新计算以移动声音点。
该功能可以通过陀螺仪传感器被控制以创建基于用户移动的声音点的动态移动。
这使得能够相对于头部实时地将语音居于中心。

Claims (2)

1.一种用于回放数字音频信号的声音的方法，其特征在于，过采样的步骤被执行，所述过采样的步骤包括：从以频率F采样的信号产生以频率N×F采样的信号，其中N对应于大于1的整数；以及，对与参考声音空间的音响范围的获取相对应的以频率N×F进行采样的第一数字文件、与参考回放装备的噪声覆盖范围的获取相对应的以频率N×F进行采样的第二数字文件、与均衡器的噪声覆盖范围的获取相对应的以频率N×F进行采样的第三数字文件、以及与所述过采样的音频文件对应的第四文件施加卷积处理，然后作为结果得到的数字分组经历以与收听装备的工作频率相对应的采样频率F/M进行的数字变换处理。
2.根据权利要求1所述的用于回放数字音频信号的声音的方法，其特征在于，所述方法包括重新计算与所述参考声音空间的所述噪声覆盖范围相对应的所述文件以改变所述噪声覆盖范围的空间通道之间的平衡的附加步骤。
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