CN107018460B - 具有头部跟踪的双耳头戴式耳机呈现 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可增强由头戴式耳机和其他声音***发出的声音的再现的声音增强***(SES)。所述SES通过模拟期望的声音***而不包括通常与声音***模拟相关联的不想要的伪像来改进声音再现。所述SES借助于通过从直接和间接头部相关传递函数(HRTF)导出的一组一个或多个双耳呈现滤波器变换声音***输出来促进此类改进。所述双耳呈现滤波器的参数基于佩戴所述头戴式耳机的用户的头部跟踪角度来更新，以便呈现稳定的立体声像。所述头部跟踪角度可根据从安装在头戴式耳机组件中的数字陀螺仪获得的传感器数据来确定。

Description

具有头部跟踪的双耳头戴式耳机呈现
技术领域
本公开涉及用于增强音频信号的***，并且更具体地涉及用于增强通过头戴式耳机进行的声音再现的***。
背景技术
录音业中的进步包括再现来自多声道声音***的声音，诸如再现来自环绕声***的声音。这些进步已经使收听者能够享受增强的收听体验，尤其是通过环绕声***(诸如5.1和7.1环绕声***)。这些年来，即使双声道立体声***也已经提供增强的收听体验。
通常，环绕声或双声道立体声录音被记录，然后被处理以便通过扬声器再现，这限制了此类录音在通过头戴式耳机再现时的质量。例如，立体声录音通常意在通过扬声器再现，而不是通过头戴式耳机来回放。这导致立体声全景出现在位于两耳中间的线路上或出现在收听者的头部内，这可能是不自然且使人疲劳的收听体验。
为了解决通过头戴式耳机再现声音的问题，设计者已经得到用于头戴式耳机的立体声和环绕声增强***；然而，多数情况下这些增强***已经引入了不想要的伪像，诸如不想要的染色、共振、混响和/或音色失真或声源角度和/或位置。
发明内容
本公开的一个或多个实施方案涉及用于增强声音再现的方法。所述方法可包括：在第一音频信号接口处接收音频输入信号，并且从安装到头戴式耳机组件的数字陀螺仪接收指示头部旋转角的输入。所述方法还可包括：基于头部旋转角来更新一对参数头部相关传递函数(HRTF)模型中的每一个中的至少一个双耳呈现滤波器，并且使用至少一个双耳呈现滤波器将音频输入信号变换成音频输出信号。音频输出信号可包括左头戴式耳机输出信号和右头戴式耳机输出信号。
根据一个或多个实施方案，接收指示头部旋转角的输入可包括：从安装到头戴式耳机组件的数字陀螺仪接收角速度信号，并且在角速度信号超过预定阈值或小于预定阈值持续小于预定样本计数时，根据角速度信号计算头部旋转角。可替代地，接收指示头部旋转角的输入可包括：从安装到头戴式耳机组件的数字陀螺仪接收角速度信号，并且在角速度信号小于预定阈值持续多于预定样本计数时，作为先前头部旋转角测量结果的分数来计算头部旋转角。
根据一个或多个实施方案，音频输入信号是多声道音频输入信号。可替代地，音频输入信号可以是单声道音频输入信号。
根据一个或多个实施方案，基于头部旋转角更新至少一个双耳呈现滤波器可包括：基于头部旋转角从至少一个查找表检索至少一个双耳呈现滤波器的参数。另外，基于头部旋转角从至少一个查找表检索至少一个双耳呈现滤波器的参数可包括：基于头部旋转角生成左表指针索引值和右表指针索引值，并且基于左表指针索引值和右表指针索引值从至少一个查找表检索至少一个双耳呈现滤波器的参数。
根据一个或多个实施方案，至少一个双耳呈现滤波器可包括坡型滤波器(shelving filter)和陷波滤波器。此外，基于头部旋转角更新至少一个双耳呈现滤波器可包括：基于头部旋转角更新坡型滤波器和陷波滤波器中的每一个的增益参数。至少一个双耳呈现滤波器还可包括耳间时间延迟滤波器。此外，基于头部旋转角更新至少一个双耳呈现滤波器可包括：基于头部旋转角更新耳间时间延迟滤波器的延迟值。
本公开的一个或多个附加实施方案涉及用于增强声音再现的***。所述***可包括头戴式耳机组件，所述头戴式耳机组件包括头带、一对头戴式耳机和数字陀螺仪。所述***还可包括用于从音频源接收音频输入信号的声音增强***(SES)。SES可与数字陀螺仪和所述一对头戴式耳机通信。SES可包括微控制器单元(MCU)，所述微控制器单元(MCU)被配置来从数字陀螺仪接收角速度信号并且根据角速度信号计算头部旋转角。SES还可包括与MCU通信的数字信号处理器(DSP)。DSP可包括被配置来将音频输入信号变换成音频输出信号的一对动态参数头部相关传递函数(HRTF)模型。所述一对动态参数HRTF模型可至少具有交叉滤波器，其中交叉滤波器的至少一个参数基于头部旋转角来更新。
根据一个或多个实施方案，交叉滤波器可包括坡型滤波器和陷波滤波器。交叉滤波器的至少一个参数可包括坡型滤波器增益和陷波滤波器增益。所述一对动态参数HRTF模型还可包括具有延迟参数的耳间时间延迟滤波器，其中延迟参数基于头部旋转角来更新。
MCU还可以被配置来基于头部旋转角来计算表指针索引值。此外，交叉滤波器的至少一个参数可使用查找表根据表指针索引值来更新。MCU还可以被配置来在角速度信号超过预定阈值或者小于预定阈值持续小于预定样本计数时，根据角速度信号计算头部旋转角。MCU还可进一步被配置来在角速度信号小于预定阈值持续大于预定样本计数时，逐渐减小头部旋转角。
本公开的一个或多个附加实施方案涉及声音增强***(SES)，所述声音增强***(SES)包括处理器、距离呈现器模块、双耳呈现模块和均衡模块。距离呈现器模块可以可由处理器执行来从音频源接收至少左声道音频输入信号和右声道音频输入信号。距离呈现器模块还可以可由处理器执行来生成至少左声道音频输入信号和右声道音频输入信号的延迟像。
可由处理器执行的双耳呈现模块可与距离呈现器模块通信。双耳呈现模块可包括至少一对动态参数头部相关传递函数(HRTF)模型，其被配置来将左声道音频输入信号和右声道音频输入信号的延迟像变换成左头戴式耳机输出信号和右头戴式耳机输出信号。所述一对动态参数HRTF模型可具有坡型滤波器、陷波滤波器和耳间时间延迟滤波器。来自坡型滤波器、陷波滤波器和时间延迟滤波器中的每一个的至少一个参数可基于头部旋转角来更新。
可由处理器执行的均衡模块可与双耳呈现模块通信。均衡模块可包括固定的一对均衡滤波器，其被配置来使左头戴式耳机输出信号和右头戴式耳机输出信号均衡，以便提供左均衡头戴式耳机输出信号和右均衡头戴式耳机输出信号。
根据一个或多个实施方案，坡型滤波器和陷波滤波器中的每一个的增益参数可基于头部旋转角来更新。此外，时间延迟滤波器的延迟值可基于头部旋转角来更新。
附图说明
图1是示出根据本公开的一个或多个实施方案的连接到头戴式耳机组件以用于改进声音再现的声音增强***的简化示例性示意图；
图2是根据本公开的一个或多个实施方案的声音增强***的简化示例性框图；
图3是根据本公开的一个或多个实施方案的双耳呈现模块的示例性信号流图；
图4A是示出根据本公开的一个或多个实施方案的可变坡型滤波器的一组频率响应的图；
图4B是示出根据本公开的一个或多个实施方案的头部跟踪角度到坡型衰减的映射的图；
图5A是示出根据本公开的一个或多个实施方案的可变陷波滤波器的一组频率响应的图；
图5B是示出根据本公开的一个或多个实施方案的头部跟踪角度到陷波增益的映射的图；
图6是示出根据本公开的一个或多个实施方案的头部跟踪角度到延迟值的映射的图；
图7是根据本公开的一个或多个实施方案的包括距离呈现器模块、双耳呈现模块和均衡模块的声音增强***的示例性信号流图；
图8是示出根据本公开的一个或多个实施方案的用于增强声音再现的方法的流程图；以及
图9是示出根据本公开的一个或多个实施方案的用于增强声音再现的方法的另一个流程图。
具体实施方式
按照需要，本文公开了本发明的详细实施方案；然而，应理解，所公开的实施方案仅仅是可以用各种替代形式体现的本发明的示例。附图不一定按比例绘制；一些特征可能被放大或最小化以便展示特定部件的细节。因此，本文中公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅仅作为教导本领域技术人员以不同方式运用本发明的代表性基础。
参考图1，示出了根据本公开的一个或多个实施方案的用于增强声音再现的声音***100。声音***100可包括连接(例如，通过有线连接或无线连接)到头戴式耳机组件112的声音增强***(SES)110。SES 110可从音频源114接收音频输入信号113，并且可向头戴式耳机组件112提供音频输出信号115。头戴式耳机组件112可包括头带116和一对头戴式耳机118。每个头戴式耳机118可包括定位在用户的耳朵122附近的换能器120或驱动器。头戴式耳机可定位在用户的耳朵顶部上(贴耳式)、环绕用户的耳朵(包耳式)或在耳朵内(入耳式)。SES 110向头戴式耳机组件112提供音频输出信号，所述音频输出信号用于驱动换能器120来向佩戴头戴式耳机组件112的用户126产生呈声波124形式的可听声音。每个头戴式耳机118还可包括定位在换能器120与耳朵122之间的一个或多个麦克风128。根据一个或多个实施方案，SES 110可集成在头戴式耳机组件112内，诸如集成在头带116中或一个头戴式耳机118中。
SES 110可增强头戴式耳机118所发射的声音的再现。SES 110通过模拟期望的声音***而不包括通常与声音***模拟相关联的不想要的伪像来改进声音再现。SES 110借助于通过一组一个或多个加法滤波器和/或交叉滤波器变换声音***输出来促进此类改进，其中此类滤波器已经从已知的直接和间接头部相关传递函数(HRTF)(分别也称为同侧和对侧HRTF)的数据库导出。头部相关传递函数是表征耳朵如何接收来自空间中一点的声音的响应。用于两只耳朵的一对HRTF可用于合成似乎来自空间中特定点的双耳声。例如，HRTF可被设计来呈现在收听者前面±45度处的声源。
在头戴式耳机实现方式中，最终，SES 110的音频输出信号115是直接HRTF和间接HRTF，并且SES 110可将任何单声道或多声道音频输入信号变换成双声道信号，诸如用于直接HRTF和间接HRTF的信号。此外，此输出可维持立体声或环绕声增强并且限制不想要的伪像。例如，SES 110可将音频输入信号(诸如用于5.1或7.1环绕声***的信号)变换成用于头戴式耳机或另一类型的双声道***的信号。此外，SES 110可在维持5.1或7.1环绕声的增强并且限制不想要的伪像量的同时执行这种变换。
如果在用户126处测量的话，声波124表示SES 110所产生的相应的直接HRTF和间接HRTF。多数情况下，用户126通过头戴式耳机118在每个相应耳朵122处接收声波124。从SES 110产生的相应的直接HRTF和间接HRTF具体地是SES 110的一个或多个加法滤波器和/或交叉滤波器的结果，其中一个或多个加法滤波器和/或交叉滤波器从已知的直接HRTF和间接HRTF导出。这些加法滤波器和/或交叉滤波器连同耳间延迟滤波器可统称为双耳呈现滤波器。
头戴式耳机组件112还可包括传感器130，诸如数字陀螺仪。如图1所示，传感器130可安装在头带116的顶部上。可替代地，传感器30可以安装在一个头戴式耳机118中。通过传感器130，SES 110的双耳呈现滤波器可响应于如反馈路径131所指示的头部旋转而得到更新。双耳呈现滤波器可被更新，使得所得的立体声像在转动头部时保持稳定。这向大脑提供指示声像位于前面或后面的重要方向提示。因此，可消除所谓的“前后混淆”。在自然空间听觉情况下，人大多执行无意识的、自发的、小的头部移动以帮助定位声音。将这种效应包括在头戴式耳机再现中可因令人信服的头部外成像而产生大大改进的三维音频体验。
SES 110可包括多个模块。术语“模块”可被定义为包括多个可执行模块。如本文所描述的，模块被定义为包括可由处理器(诸如数字信号处理器(DSP))执行的软件、硬件或硬件和软件的某种组合。软件模块可包括存储在存储器中的可由所述处理器或另一个处理器执行的指令。硬件模块可包括可由处理器执行、引导和/或控制以用于执行的各种装置、部件、电路、门、电路板等。
图2是SES 110的示意性框图。SES 110可包括音频信号接口231和数字信号处理器(DSP)232。音频信号接口231可从音频源114接收音频输入信号113，所述音频输入信号113随后可被馈送到DSP 232。音频输入信号113可以是具有左声道音频输入信号Lin和右声道音频输入信号Rin的双声道立体声信号。一对头部相关传递函数参数模型234可在DSP 232中实现，以便生成左头戴式耳机输出信号LH和右头戴式耳机输出信号RH。如先前解释的，头部相关传递函数(HRTF)是表征耳朵如何接收来自空间中一点的声音的响应。用于两只耳朵的一对HRTF可用于合成似乎来自空间中特定点的双耳声。例如，HRTF 234可被设计来呈现在收听者前面(例如，相对于收听者处于±30度或±45度)的声源。
根据一个或多个实施方案，所述一对HRTF 234还可以响应于头部旋转角u(i)动态地更新，其中i＝采样时间索引。为了动态地更新所述一对HRTF，SES 110还可包括传感器130，所述传感器130可以是如图2所示的数字陀螺仪230。如先前所提出，数字陀螺仪230可安装在头戴式耳机组件112的头带116的顶部上。数字陀螺仪230可使用例如来自陀螺仪测量结果的z轴分量来生成指示用户的头部移动的时间采样的角速度信号v(i)。角速度信号v(i)的典型更新速率可以是5毫秒，这对应于200Hz的采样速率。然而，可采用在0毫秒至40毫秒范围内的其他更新速率。为了维持自然声音并产生期望的头部外体验，对头部旋转的响应时间(即，延迟)应不超过10-20毫秒，所述期望的头部外体验是指对从空间中一点发出的声音的感觉。
SES 110还可包括微控制器单元(MCU)236，以处理来自数字陀螺仪230的角速度信号v(i)。MCU 236可含有对从数字陀螺仪230接收的原始速度数据进行后处理的软件。MCU236还可基于从角速度信号v(i)提取的后处理速度数据，在每个时刻i处提供头部旋转角u(i)的样本。
参考图3，更详细地示出了根据本公开的一个或多个实施方案的动态参数HRTF模型的实现方式。具体地，图3是SES 110的实施方案的双耳呈现模块300的信号流图，所述双耳呈现模块300具有用于变换音频信号的双耳呈现滤波器310。双耳呈现模块300增强通过头戴式耳机118进行的音乐再现的逼真度。双耳呈现模块300包括左输入端312和右输入端314，它们连接到音频源(未示出)以用于接收音频输入信号，分别诸如左声道音频输入信号Lin和右声道音频输入信号Rin。如以下详细描述的，双耳呈现模块300对音频输入信号进行滤波。双耳呈现模块300包括左输出端316和右输出端318以用于提供音频信号(诸如左头戴式耳机输出信号LH和右头戴式耳机输出信号RH)，以便驱动头戴式耳机组件112的换能器120(在图1中示出)向用户126提供可听声音。双耳呈现模块300可与其他音频信号处理模块(诸如距离呈现器模块和均衡模块)组合，以便在将音频信号提供到头戴式耳机组件112之前对音频信号进行进一步滤波。
根据一个或多个实施方案，双耳呈现模块300可包括左声道头部相关滤波器(HRTF)320和右声道头部相关滤波器(HRTF)322。每个HRTF滤波器320、322可分别包括对应于前面声源的耳间交叉函数(Hcfront)324、326和耳间时间延迟(Tfront)328、330，由此模仿收听者前面(例如，相对于收听者处于±30°或±45°)的一对扬声器。在其他实施方案中，双耳呈现模块300还包括对应于侧面声源和后面声源的HRTF。双耳呈现模块300的设计在2012年3月14日提交并且作为美国专利申请公布号2013/0243200A1公布的授予Horbach的美国申请号13/419,806中有所描述，所述申请通过引用整体并入本文。
图3中的信号流类似于在美国申请号13/419,806中针对静态情况描述的信号流，所述静态情况不涉及头部跟踪。每个交叉路径(Hcfront)324、326、可变坡型滤波器332、334和可变陷波滤波器336、338中使用两个二阶滤波器段。坡型滤波器332、334可包括参数“f”(表示转角频率)、“Q”(表示品质因数)和“α”(表示以dB为单位的坡型滤波器增益)。陷波滤波器336、338可包括参数“f”(表示陷波频率)、“Q”(表示品质因数)和“α”(表示以dB为单位的陷波滤波器增益)。耳间时间延迟滤波器(Tfront)328、330被采用来模拟左耳与右耳之间的路径差。确切地，延迟滤波器328、330模拟声波在其首先到达一只耳朵之后到达另一只耳朵所花费的时间。
在相对于收听者处于45度角的固定呈现的静态情况下，如美国申请号13/419,806中提出的参数可以是：
坡型滤波器：Q＝0.7，f＝2500Hz，α＝-14dB；
陷波滤波器：Q＝1.7，f＝1300Hz，α＝-10dB；以及
延迟值：17个样本。
在动态情况下，根据一个或多个实施方案，头部移动范围可限制于±45度以便降低复杂性。例如，使头部朝向处于45度的源移动将使所需的呈现角从45度降低到0度，而使头部移动远离所述源将使角增加至90度。超过这些角，双耳呈现滤波器可以保持在其极限位置，即0度或90度。因为根据本公开的一个或多个实施方案的头部跟踪的主要目的是处理小的、自发的头部移动，由此提供更好的头部外定位，所以此限制是可接受的。
如图3所示，每个坡型滤波器、陷波滤波器和延迟滤波器的参数可基于头部移动根据相应查找表来更新。确切地，动态双耳呈现模块300可包括具有针对不同头部角的滤波器参数的坡型表340、陷波表342和延迟表344。例如，90度HRTF模型可使用相同的坡型滤波器参数Q和f，但是具有增加的衰减(例如，增益α＝-20dB)。这可允许通过表查找平滑地操控滤波器系数，而不需要移动滤波器极点位置(这将引入可听咔嗒声)。根据一个或多个实施方案，坡型滤波器和陷波滤波器可被实现为传递函数是两个二次函数之比的数字双二阶滤波器。坡型滤波器和陷波滤波器的双二阶实现方式含有以分子多项式表示的三个前馈系数和以分母多项式表示的两个反馈系数。分母限定极点的位置，极点的位置在此实施方式中可以是固定的，如先前所陈述。因此，仅需要切换滤波器的三个前馈系数。
一旦被确定，头部旋转角u(i)就可以用于生成左表指针索引(index_left)和右表指针索引(index_right)。左表指针索引值和右表指针索引值随后可用于从相应的滤波器查找表检索坡型、陷波和延迟滤波器参数。对于转向角u＝-45...+45度以及0.5度的角分辨率，左表指针指数和右表指针指数如下：
index_left=round[2*(u+45)] 等式1
index_right＝181-index_left 等式2
因此，如果头部朝向左侧源移动，那么它移动远离右侧源，并且反之亦然。
图4A示出当头部旋转角u(i)从-45度移动到+45度时有效的可变坡型滤波器332、334的一组频率响应(总共180条曲线)。如图4B所示，头部旋转角u(i)到坡型衰减的映射可以是非线性的。在此实例中使用逐步线性函数(多边形)，所述函数通过将感知像与预期像进行比较来凭经验优化。还可以采用诸如线性函数或指数函数的其他函数。
类似地，如图5B所示，陷波滤波器336、338可以仅通过其增益参数“α”来操控。另外两个参数Q和f也可以保持固定。图5A示出当头部旋转角u(i)从-45度移动到+45度时有效的可变陷波滤波器336、338的一组所得频率响应(总共180条曲线)。如图5B所示，陷波滤波器增益“α”可从u＝-45时的0dB变化到u＝0(即，标称头部位置)时的-10dB。随后对于正头部旋转角，陷波滤波器增益“α”可以保持在-10dB。此映射已经凭经验验证。
使用如图6所示的映射，可通过在0个样本与34个样本之间的可变延迟表344来操控延迟滤波器值。非整数延迟值可通过使用缩放系数c和(1-c)(其中c是延迟值的小数部分)来在相邻延迟线抽头之间进行线性内插、并且随后对两个缩放信号求和来呈现。
图7是描绘根据SES 110的一个或多个实施方案的具有头部跟踪的示例性头戴式耳机呈现模块700的框图。模块700可使用另外的距离呈现级，如已经通过引用并入的美国申请号13/419,806中所描述。模块700将距离呈现器模块702与参数双耳呈现模块704(诸如图3的模块300)和头戴式耳机均衡器模块706组合起来。确切地，模块700可以将双声道音频(其中可模拟环绕声信号)变换成头戴式耳机的直接HRTF和间接HRTF。模块700还可被实现用于将音频信号从多声道环绕变换成头戴式耳机的直接HRTF和间接HRTF。在这种情况下，模块700可包括六个初始输入，以及头戴式耳机的右输出和左输出。
关于距离和位置呈现，模块704的双耳模型提供方向信息，但是声源仍可能似乎非常靠近收听者的头部。这在不存在很多关于声源位置的信息(例如，干录音通常被感知为非常靠近收听者的头部或甚至在头部内)的情况下可能尤其如此。距离呈现器模块702可限制此类不想要的伪像。距离呈现器模块702可包括两条延迟线，初始左声道音频输入信号Lin和右声道音频输入信号Rin中的每一个分别对应一条延迟线。在SES的其他实施方案中，可以使用一条或多于两条抽头延迟线。例如，六条抽头延迟线可用于6声道环绕信号。
借助于长的抽头延迟线，可生成左声道音频输入信号L和右声道音频输入信号R的延迟像并将其馈送到模拟源，所述模拟源分别在头部周围位于±90度(左环绕LS和右环绕RS)和±135度(左后环绕LRS和右后环绕RRS)处。因此，距离呈现器模块702可提供六个输出，其表示左声道输入信号L和右声道输入信号R、左环绕信号LS和右环绕信号RS、以及左后环绕信号LRS和右后环绕信号RRS。
双耳呈现模块704可包括动态参数HRTF模型708，用于呈现收听者前面±45度处的声源。另外地，参数双耳呈现模块704可包括另外的环绕HRTF 710、712，用于呈现±90度和±135度处的模拟声源。可替代地，SES 110的一个或多个实施方案可以针对具有其他源角度(诸如80度和145度)的源采用其他HRTF。这些环绕HRTF 710、712可模拟具有离散反射的房间环境，所述房间环境导致被感知为离头部更远的声像(距离呈现)。然而，反射不一定需要通过头部旋转角u(i)来调控。如图7所示，两个选项(静态和动态)是可能的。双耳呈现模块704可使用HRTF来变换从距离呈现器模块702接收的音频信号，以生成左头戴式耳机输出信号LH和右头戴式耳机输出信号RH。
此外，图7示出头戴式耳机均衡模块706，其包括可使HRTF的输出(即左头戴式耳机输出信号LH和右头戴式耳机输出信号RH)均衡的一对固定的均衡滤波器714、716。参数双耳模块704之后的头戴式耳机均衡器模块706还可以减轻染色并且提高所呈现的HRTF和定位的质量。因此，头戴式耳机均衡器模块706可使左头戴式耳机输出信号LH和右头戴式耳机输出信号RH均衡，以便提供左均衡头戴式耳机输出信号LH'和右均衡头戴式耳机输出信号RH'。
图8是示出根据一个或多个实施方案的用于增强声音再现的方法800的流程图。具体地，图8示出可在诸如MCU 236的微控制器中实现的后处理算法。在步骤810处，MCU 236可从数字陀螺仪230接收角速度信号v(i)(其中i＝时间索引)。如先前所解释，仅角速度信号v(i)的z轴分量可用于头部跟踪。除角速度信号v(i)之外，MCU 236还可能接收不想要的偏移v0，所述偏移v0可随时间缓慢漂移。在步骤820处，MCU 236可在启动时执行校准程序。校准程序可在每次头戴式耳机组件通电时执行。可替代地，校准程序可较不频繁地执行，诸如在工厂中在例如通过服务软件由命令触发时执行一次。如果满足“头戴式耳机不在运动中”(即，MCU 236确定头戴式耳机组件112不移动)的条件，那么校准程序可以将偏移作为v(i)的平均值来测量。在校准期间，头戴式耳机组件112必须在通电之后保持静止持续短的时间段(例如，1秒)。
在校准之后，如步骤830所示，可以根据以下等式，在环路中通过累加来自角速度信号v(i)的速度矢量的元素来生成头部旋转角u(i)：
u(i)＝u(i-1)+v(i) 等式3
根据一个或多个实施方案，环路可含有阈值检测器，其将角速度信号v(i)的绝对值与预定阈值THR进行比较。因此，在步骤840处，MCU 236可确定v(i)的绝对值是否大于阈值THR。
如果角速度信号v(i)的绝对值低于阈值持续连续数目的样本(例如，样本计数超过预定限值)，那么MCU 236可假定数字陀螺仪230中的传感器不在运动中。因此，如果步骤840的结果为否，那么所述方法可以转到到步骤850。在步骤850处，样本计数器(cnt)可以递增1。在步骤860处，MCU 236可确定样本计数器是否超过表示连续数目的样本的预定限值。如果满足步骤860处的条件，那么在步骤870处，可通过以下等式将头部旋转角u(i)斜降到零：
u(i)＝a*u(i-1)，其中a＜1(例如，a＝0.995）
等式4
这导致SES 110自动地将声像移回到其在头戴式耳机用户126的头部前面的正常位置，从而忽略数字陀螺仪230中的传感器的任何剩余的长期漂移。根据一个或多个实施方案，保持时间(由限制计数器限定)和衰减时间可以是大约数秒。
在步骤880处，可输出从步骤870所得的头部旋转角u(i)。另一方面，如果未满足步骤860处的条件，那么所述方法可直接转到步骤880，其中可输出在步骤830处计算的头部旋转角u(i)。
返回到步骤840，如果角速度信号v(i)的绝对值高于阈值(THR)，那么MCU 236可确定数字陀螺仪230中的传感器在运动中。因此，如果步骤840处的结果为是，那么所述方法可转到步骤890。在步骤890处，MCU 236可将样本计数器(cnt)重置为零。所述方法随后可转到步骤880，其中可输出在步骤830处计算的头部旋转角u(i)。因此，无论头戴式耳机组件112被确定为在运动中还是不在运动中，头部旋转角u(i)最终可在步骤880处输出，或以其他方式用于更新坡型滤波器332、334、陷波滤波器336、338和延迟滤波器328、330的参数。
现参考图9，描绘了示出根据一个或多个实施方案的用于进一步增强声音再现的方法900的另一个流程图。具体地，图9示出后处理算法，所述后处理算法可在诸如MCU 236的微控制器中、或者在诸如DSP 232的数字信号处理器中、或者在这两种处理装置的组合中实现。图9具体示出用于基于从结合图8描述的方法800探知的头部旋转角u(i)更新HRTF滤波器并且基于更新的HRTF进一步变换音频输入信号的方法。
在步骤910处，SES可在音频信号接口231处接收音频输入信号，所述音频输入信号可被馈送到DSP 232。如相对于图8所解释的，MCU 236可根据从数字陀螺仪230获得的角速度信号v(i)连续地确定头部旋转角u(i)。在步骤920处，MCU 236或DSP 232可检索或接收头部旋转角u(i)。在步骤930处，随后可使用新头部旋转角u(i)来生成左表指针索引(index_left)和右表指针索引(index_right)。如先前所描述的，左表指针索引值和右表指针索引值可分别根据等式1和等式2来计算。左表指针索引值和右表指针索引值可用于查找滤波器参数。例如，在步骤940处，随后可使用左表指针索引值和右表指针索引值来从坡型、陷波和延迟滤波器参数的相应滤波器查找表检索这些参数。
根据一个或多个实施方案，仅坡型滤波器和陷波滤波器的增益参数“α”可随左表指针索引值和右表指针索引值的改变而变化。此外，仅延迟滤波器所取得的样本数目可随左表指针索引值和右表指针索引值的改变而变化。根据一个或多个替代性实施方案，诸如质量因子“Q”或者坡型/陷波频率“f”的其他滤波器参数也可以随左表指针索引值和右表指针索引值的改变而变化。
一旦从坡型、陷波和延迟滤波器参数的查找表检索到这些参数，DSP 232就可在步骤950处更新双耳呈现模块300的动态参数HRTF 320、322的相应坡型滤波器332、334、陷波滤波器336、338和延迟滤波器328、330。在步骤960处，DSP 232可使用更新的HRTF将从音频源114接收的音频输入信号113变换成包括左头戴式耳机输出信号LH和右头戴式耳机输出信号RH的音频输出信号。响应于头部旋转而更新这些双耳呈现滤波器310导致在转动头部时保持稳定的立体声像。这向大脑提供指示声像位于前面或后面的重要方向提示。因此，可消除所谓的“前后混淆”。
虽然上文描述示例性实施方案，但并不意味着这些实施方案描述了本发明的所有可能形式。实际上，在说明书中使用的措词是用于描述而非限制性的措辞，并且应理解，可在不背离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变。另外，各种实现实施方案的特征可加以组合以形成本发明的其他实施方案。

Claims (17)

1.一种用于增强声音再现的方法，其包括：
在第一音频信号接口处接收音频输入信号；
从安装到头戴式耳机组件的数字陀螺仪接收角速度信号；
响应于所述角速度信号小于预定阈值持续超过预定样本计数，将头部旋转角计算成作为先前头部旋转角测量结果的一部分；
基于所述头部旋转角更新一对参数头部相关传递函数(HRTF)模型中的每一个中的至少一个双耳呈现滤波器；以及
使用所述至少一个双耳呈现滤波器将所述音频输入信号变换成音频输出信号，所述音频输出信号包括左头戴式耳机输出信号和右头戴式耳机输出信号。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
当所述角速度信号超过预定阈值或者小于所述预定阈值持续小于预定样本计数时，根据所述角速度信号计算所述头部旋转角。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述音频输入信号是多声道音频输入信号。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述音频输入信号是单声道音频输入信号。
5.如权利要求1所述的方法，其中基于所述头部旋转角更新所述至少一个双耳呈现滤波器包括：基于所述头部旋转角从至少一个查找表检索所述至少一个双耳呈现滤波器的参数。
6.如权利要求5所述的方法，其中基于所述头部旋转角从所述至少一个查找表检索所述至少一个双耳呈现滤波器的参数包括：
基于所述头部旋转角生成左表指针索引值和右表指针索引值；以及
基于所述左表指针索引值和所述右表指针索引值从所述至少一个查找表检索所述至少一个双耳呈现滤波器的所述参数。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个双耳呈现滤波器包括坡型滤波器和陷波滤波器。
8.如权利要求7所述的方法，其中基于所述头部旋转角更新至少一个双耳呈现滤波器包括：基于所述头部旋转角更新所述坡型滤波器和所述陷波滤波器中的每一个的增益参数。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个双耳呈现滤波器还包括耳间时间延迟滤波器。
10.如权利要求9所述的方法，其中基于所述头部旋转角更新至少一个双耳呈现滤波器包括：基于所述头部旋转角更新所述耳间时间延迟滤波器的延迟值。
11.一种用于增强声音再现的***，其包括：
头戴式耳机组件，其包括头带、一对头戴式耳机和一个数字陀螺仪；以及
声音增强***(SES)，其用于从音频源接收音频输入信号，所述SES与所述数字陀螺仪和所述一对头戴式耳机通信，所述SES包括：
微控制器单元(MCU)，其被配置来：
从所述数字陀螺仪接收角速度信号并且根据所述角速度信号计算头部旋转角；
响应于所述角速度信号超过预定阈值或者小于所述预定阈值持续小于预定样本计数，根据所述角速度信号计算所述头部旋转角；
响应于所述角速度信号小于预定阈值持续大于预定样本计数，逐渐减小所述头部旋转角；以及
数字信号处理器(DSP)，其与所述MCU通信并且包括一对动态参数头部相关传递函数(HRTF)模型，所述模型被配置来将所述音频输入信号变换成音频输出信号，所述一对动态参数HRTF模型至少具有交叉滤波器，其中所述交叉滤波器的至少一个参数基于所述头部旋转角来更新。
12.如权利要求11所述的***，其中所述交叉滤波器包括坡型滤波器和陷波滤波器，并且其中所述交叉滤波器的所述至少一个参数包括坡型滤波器增益和陷波滤波器增益。
13.如权利要求11所述的***，其中所述一对动态参数HRTF模型还包括具有延迟参数的耳间时间延迟滤波器，其中所述延迟参数基于所述头部旋转角来更新。
14.如权利要求11所述的***，其中所述MCU还被配置来基于所述头部旋转角计算表指针索引值，并且其中使用查找表根据所述表指针索引值来更新所述交叉滤波器的所述至少一个参数。
15.一种声音增强***(SES)，其包括：
处理器；
距离呈现器模块，其可由所述处理器执行以从音频源接收至少左声道音频输入信号和右声道音频输入信号，并且生成至少所述左声道音频输入信号和所述右声道音频输入信号的延迟像；
双耳呈现模块，其可由所述处理器执行、与所述距离呈现器模块通信并且包括至少一对动态参数头部相关传递函数(HRTF)模型，所述模型被配置来将所述左声道音频输入信号和所述右声道音频输入信号的所述延迟像变换成左头戴式耳机输出信号和右头戴式耳机输出信号，所述一对动态参数HRTF模型具有坡型滤波器、陷波滤波器和耳间时间延迟滤波器，其中来自所述坡型滤波器、所述陷波滤波器和所述时间延迟滤波器中的每一个的至少一个参数基于头部旋转角被更新，其中响应于角速度信号小于预定阈值持续超过预定样本计数，将所述头部旋转角计算成作为先前头部旋转角测量结果的一部分；以及
均衡模块，其可由所述处理器执行、与所述双耳呈现模块通信并且包括一对固定的均衡滤波器，所述均衡滤波器被配置来使所述左头戴式耳机输出信号和所述右头戴式耳机输出信号均衡，以便提供左均衡头戴式耳机输出信号和右均衡头戴式耳机输出信号。
16.如权利要求15所述的声音增强***，其中基于所述头部旋转角来更新所述坡型滤波器和所述陷波滤波器中的每一个的增益参数。
17.如权利要求15所述的声音增强***，其中基于所述头部旋转角来更新所述时间延迟滤波器的延迟值。
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