CN110099351B - 一种声场回放方法、装置和*** - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种声场回放的方法、装置和***，声音采集模块采集源声音信号，并将通过编码得到数字声音信号发送给声音采集模块的滤波子模块；该滤波子模块将数字声音信号分离为低频声音信号和高频声音信号；解码子模块分别对该低频声音信号和高频声音信号进行解码，得到10个音箱对应的10个低频子声音信号和10个高频子声音信号；每个音箱分别对接收到的低频子声音信号和高频子声音信号进行叠加回放，以便还原采集的源声音的声场。这样，通过滤波将采集的声音信号分为高、低频声音信号，再进行分别解码，引入了包括10个音箱特殊位置关系的声场回放***，提高声场回放的精度，扩大声场回放的覆盖区域，从而提高听音者的听音体验。

Description

一种声场回放方法、装置和***

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，特别是涉及一种声场回放方法、装置和***。

背景技术

随着需求的不断提高以及声场回放技术的发展，声场回放时更多的考虑到听音者的主观感受。目前，常用的声场回放技术包括：基于球面坐标系的3D声音渲染技术，但由于该技术只能营造三维虚拟声源，不能实现对源声场的精确回放，营造出与源声场高度相似的声场，因此，该基于球面坐标系的3D声音渲染技术，只是被应用于商业演出、影院、歌剧院、演唱会等场合下人工环境效果音的回放，而不适用于有声场精确回放需求的场合。

目前，可以将录制的双耳录声音信号，采用声音空间化技术以及头位相关传递函数的3D声音回放技术，通过双声道耳机或者2.1声道扬声器，进行较为精确的立体声场回放。但是，该回放方式只能保证一个点的回放精确，即，只有一个最佳听音点，只要听音者的头部位置偏离该最佳听音点，就会出现现场感缺乏、三维空间感缺乏等感受，影响声场回放效果；而将听音者头部固定在最佳听音点，可能由于长时间佩戴耳机且不能活动等限制，给听音者带来较差的听音体验。

基于此，亟待提出一种声场回放方法，在提供各种声场高还原度的回放的基础上，可以扩大最佳听音范围，提高用户的听音体验。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种声场回放的方法、装置和***，以使得即使能够在较大的范围内，准确的回放各种频段的声场，从而提高听音者的听音体验。

第一方面，提供了一种声场回放的方法，应用于声音回放的***，该***包括声音采集模块、声音处理模块、声卡、数字模拟DA转换器和10个音箱；其中，所述声音采集模块和所述声音处理模块中的滤波子模块相连，所述滤波子模块与所述声音处理模块中的解码子模块相连，所述解码子模块与所述声卡相连；所述声卡与所述DA转换器相连，所述DA转换器与放置在半消音室的所述10个音箱分别相连；所述方法包括：

所述声音采集模块采集源声音信号，并将通过编码得到数字声音信号发送给所述声音采集模块的所述滤波子模块；

所述滤波子模块对所述数字声音信号进行分频处理，分离出低频声音信号和高频声音信号；

所述解码子模块分别对所述低频声音信号和所述高频声音信号进行解码，得到所述10个音箱对应的10个低频子声音信号和10个高频子声音信号；

所述DA转换器接收所述声卡转发的所述10个低频子声音信号和所述10个高频子声音信号，并对其分别进行DA转换后对应发送至所述10个音箱；

所述10个音箱中的每个音箱分别对接收到的1个低频子声音信号和1个高频子声音信号进行叠加回放，以便还原源声音的声场。

可选地，所述10个音箱包括2个低音炮音箱和8个有源监听音箱；

所述8个有源监听音箱中的4个有源监听音箱均匀分布在以半消音室的参考点为圆心，预设长度为半径的圆周上，通过支架安装在距离地面第一预设高度，且不相邻的两个所述有源监听音箱的播放面相对放置；另4个有源监听音箱均匀分布在以所述参考点为圆心，预设长度为半径的圆周上，通过支架安装在距离地面第二预设高度，且不相邻的2个所述有源监听音箱的播放面相对放置；

所述2个低音炮音箱对称的放置在所述圆周的中心线的两侧，距离所述参考点的距离大于所述预设长度，且放置在所述半消音室的地面上；

其中，所述预设长度根据源声音信号的频率确定，所述第一预设高度和所述第二预设高度根据听音者的双耳距地面的距离确定。

可选地，所述第一预设高度为0.53米，所述第二预设高度为1.6米，所述听音者的双耳距地面的距离为1.1米；所述预设长度为2.5米。

可选地，其特征在于，所述解码子模块采用Ambisonic解码算法进行解码。

可选地，所述解码子模块对所述低频声音信号进行解码，得到所述10个音箱对应的10个低频子声音信号，包括：

所述解码子模块根据每个音箱的增益、方向角、仰角，计算该音箱对应的速度向量；

所述解码子模块基于每个音箱对应的速度向量和所有音箱的增益，采用迭代优化的方式，确定每个音箱对应的第一指向性因子；

所述解码子模块基于每个音箱对应的第一指向性因子和该音箱的增益、方向角、仰角、所述数字声音信号，计算出每个音箱对应的低频子声音信号；

所述解码子模块对所述高频声音信号进行解码，得到所述10个音箱对应的10个高频子声音信号，包括：

所述解码子模块根据每个音箱的增益、方向角、仰角，计算该音箱对应的能量向量；

所述解码子模块基于每个音箱对应的能量向量和所有音箱的增益，采用迭代优化的方式，确定每个音箱对应的第二指向性因子；

所述解码子模块基于每个音箱对应的第二指向性因子和该音箱的增益、方向角、仰角、所述数字声音信号，计算出每个音箱对应的高频子声音信号。

可选地，所述2个低音炮音箱适用的频率范围均为19赫兹到100赫兹，所述8个有源监听音箱适用的频率范围均为48赫兹到20000赫兹；所述声音回放的***适用的频率范围为19赫兹到20000赫兹。

第二方面，还提供了一种声场回放的装置，应用于声音回放的***，该***包括声音采集模块、声音处理模块、声卡、数字模拟DA转换器和10个音箱；其中，所述声音采集模块和所述声音处理模块中的滤波子模块相连，所述滤波子模块与所述声音处理模块中的解码子模块相连，所述解码子模块与所述声卡相连；所述声卡与所述DA转换器相连，所述DA转换器与放置在半消音室的所述10个音箱分别相连；所述装置包括：

采集单元，用于所述声音采集模块采集源声音信号，并将通过编码得到数字声音信号发送给所述声音采集模块的所述滤波子模块；

分频单元，用于所述滤波子模块对所述数字声音信号进行分频处理，分离出低频声音信号和高频声音信号；

解码单元，用于所述解码子模块分别对所述低频声音信号和所述高频声音信号进行解码，得到所述10个音箱对应的10个低频子声音信号和10个高频子声音信号；

转换单元，用于所述DA转换器接收所述声卡转发的所述10个低频子声音信号和所述10个高频子声音信号，并对其分别进行DA转换后对应发送至所述10个音箱；

回放单元，用于所述10个音箱中的每个音箱分别对接收到的1个低频子声音信号和1个高频子声音信号进行叠加回放，以便还原源声音的声场。

可选地，所述10个音箱包括2个低音炮音箱和8个有源监听音箱；

所述8个有源监听音箱中的4个有源监听音箱均匀分布在以半消音室的参考点为圆心，预设长度为半径的圆周上，通过支架安装在距离地面第一预设高度，且不相邻的两个所述有源监听音箱的播放面相对放置；另4个有源监听音箱均匀分布在以所述参考点为圆心，预设长度为半径的圆周上，通过支架安装在距离地面第二预设高度，且不相邻的2个所述有源监听音箱的播放面相对放置；

所述2个低音炮音箱对称的放置在所述圆周的中心线的两侧，距离所述参考点的距离大于所述预设长度，且放置在所述半消音室的地面上；

其中，所述预设长度根据源声音信号的频率确定，所述第一预设高度和所述第二预设高度根据听音者的双耳距地面的距离确定。

可选地，所述第一预设高度为0.53米，所述第二预设高度为1.6米，所述听音者的双耳距地面的距离为1.1米；所述预设长度为2.5米。

可选地，所述解码子模块采用Ambisonic解码算法进行解码。

可选地，所述解码单元，包括第一解码子单元和第二解码子单元，

所述第一解码子单元，包括：

第一计算子单元，用于所述解码子模块根据每个音箱的增益、方向角、仰角，计算该音箱对应的速度向量；

第一确定子单元，用于所述解码子模块基于每个音箱对应的速度向量和所有音箱的增益，采用迭代优化的方式，确定每个音箱对应的第一指向性因子；

第二计算子单元，用于所述解码子模块基于每个音箱对应的第一指向性因子和该音箱的增益、方向角、仰角、所述数字声音信号，计算出每个音箱对应的低频子声音信号；

所述第二解码子单元，包括：

第三计算子单元，用于所述解码子模块根据每个音箱的增益、方向角、仰角，计算该音箱对应的能量向量；

第二确定子单元，用于所述解码子模块基于每个音箱对应的能量向量和所有音箱的增益，采用迭代优化的方式，确定每个音箱对应的第二指向性因子；

第四计算子单元，用于所述解码子模块基于每个音箱对应的第二指向性因子和该音箱的增益、方向角、仰角、所述数字声音信号，计算出每个音箱对应的高频子声音信号。

可选地，所述2个低音炮音箱适用的频率范围均为19赫兹到100赫兹，所述8个有源监听音箱适用的频率范围均为48赫兹到20000赫兹；所述声音回放的***适用的频率范围为19赫兹到20000赫兹。

第三方面，还提供了一种声场回放的***，包括：声音采集模块、声音处理模块、声卡、数字模拟DA转换器和10个音箱；

其中，所述声音处理模块包括滤波子模块和解码子模块，所述10个音箱包括2个低音炮音箱和8个有源监听音箱；所述8个有源监听音箱中的4个有源监听音箱均匀分布在以半消音室的参考点为圆心，预设长度为半径的圆周上，通过支架安装在距离地面第一预设高度，且不相邻的两个所述有源监听音箱的播放面相对放置；另4个有源监听音箱均匀分布在以所述参考点为圆心，预设长度为半径的圆周上，通过支架安装在距离地面第二预设高度，且不相邻的2个所述有源监听音箱的播放面相对放置；所述2个低音炮音箱对称的放置在所述圆周的中心线的两侧，距离所述参考点的距离大于所述预设长度，且放置在所述半消音室的地面上；其中，所述预设长度根据源声音信号的频率确定，所述第一预设高度和所述第二预设高度根据听音者的双耳距地面的距离确定；

所述声音采集模块，用于采集源声音信号，并将通过编码得到数字声音信号发送给所述声音采集模块的所述滤波子模块；

所述声音处理模块，用于通过所述滤波子模块对所述数字声音信号进行分频处理，分离出低频声音信号和高频声音信号；通过所述解码子模块分别对所述低频声音信号和所述高频声音信号进行解码，得到所述10个音箱对应的10个低频子声音信号和10个高频子声音信号；

所述声卡，用于接收所述10个低频子声音信号和所述10个高频子声音信号，并转发所述DA转换器；

所述DA转换器，用于将所述10个低频子声音信号和所述10个高频子声音信号进行DA转换并对应的发送给所述10个音箱；

所述10个音箱，分别用于对接收到的1个低频子声音信号和1个高频子声音信号进行叠加回放，以便还原源声音的声场。

在本发明实施例中，通过声音回放的***进行准确的声场回放，该***具体包括：声音采集模块、声音处理模块、声卡、数字模拟DA转换器和10个音箱；其中，声音采集模块和声音处理模块中的滤波子模块相连，滤波子模块与声音处理模块中的解码子模块相连，解码子模块与声卡相连；声卡与DA转换器相连，DA转换器与放置在半消音室的10个音箱分别相连。该***进行声音回放的方法具体可以包括：声音采集模块采集源声音信号，并将通过编码得到数字声音信号发送给声音采集模块的滤波子模块；该滤波子模块对数字声音信号进行分频处理，分离出低频声音信号和高频声音信号；解码子模块分别对该低频声音信号和高频声音信号进行解码，得到10个音箱对应的10个低频子声音信号和10个高频子声音信号；DA转换器接收声卡转发的该10个低频子声音信号和10个高频子声音信号，并对其分别进行DA转换后对应发送至10个音箱；每个音箱分别对接收到的1个低频子声音信号和1个高频子声音信号进行叠加回放，以便还原采集的源声音的声场。可见，通过本发明实施例提供的声场回放的方法，通过对源声音信号对应的数字声音信号进行滤波，并分别对得到的高频声音信号和低频声音信号进行解码，提高了声场回放的精度，另外，引入了包括10个音箱的声场回放***，可以扩大声场回放的覆盖区域，克服了只有一个最佳听音点，实现了在较大的范围内，准确的回放各种频段声场的效果，从而提高听音者的听音体验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种声场回放的***的结构示意图；

图2为本发明实施例中半消音室的俯视示意图；

图3为本发明实施例中一种声场回放的方法的流程示意图；

图4为本发明实施例中10个音箱的摆放位置的示意图；

图5为本发明实施例中一种声场回放的装置的结构示意图。

具体实施方式

目前，一种常用的声场回放方式为：基于球面坐标系的3D声音渲染技术，由于该方式只能营造三维虚拟声源，营造出与源声场高度相似的声场，因此，该基于球面坐标系的3D声音渲染技术，只是被应用于商业演出、影院、歌剧院、演唱会等场合下人工环境效果音的回放，而由于不能实现对源声场的精确回放，不适用于有声场精确回放需求的场合。另一种声场回放的方式为：将录制的双耳录声音信号，采用声音空间化技术以及头位相关传递函数的3D声音回放技术，通过双声道耳机或者2.1声道扬声器，进行较为精确的立体声场回放，但是只能保证一个点的回放精确，即，只存在一个最佳听音点，只要听音者的头部位置偏离该最佳听音点，就会出现现场感缺乏、三维空间感缺乏等感受，影响声场回放效果；而将听音者头部固定在最佳听音点，可能由于长时间佩戴耳机且不能活动等限制，给听音者带来较差的听音体验。

基于此，本发明实施例提出了一种声场回放方法，通过声音回放的***进行准确的声场回放，该***具体包括：声音采集模块、声音处理模块、声卡、数字模拟DA转换器和10个音箱；其中，声音采集模块和声音处理模块中的滤波子模块相连，滤波子模块与声音处理模块中的解码子模块相连，解码子模块与声卡相连；声卡与DA转换器相连，DA转换器与放置在半消音室的10个音箱分别相连。该***进行声音回放的方法，一方面，通过对源声音信号对应的数字声音信号进行滤波，并分别对得到的高频声音信号和低频声音信号进行解码，提高了声场回放的精度；另一方面，引入包括10个音箱的声场回放***，可以扩大声场回放的覆盖区域，克服了只有一个最佳听音点，实现了在较大的范围内，准确的回放各种频段声场的效果。可见，本发明实施例提供的声场回放的方法，在提供各种声场高还原度的回放的基础上，可以扩大最佳听音范围，从而提高听音者的听音体验。

在介绍本发明实施例提供的声场回放的方法之前，先对该方法应用的、本发明实施例提供的声场回放的***进行说明。

参见图1，示出了本发明实施例提供的生产回放的***的结构示意图。该***100具体包括：声音采集模块110、声音处理模块120、声卡130、数字模拟DA转换器140和10个音箱150～159；其中，声音处理模块120包括滤波子模块121和解码子模块122，所述10个音箱包括2个低音炮音箱158和159、8个有源监听音箱150～157；音箱150、152、154和156均匀分布在以半消音室的参考点O为圆心，预设长度为半径的圆周上，通过支架安装在距离地面第一预设高度，且不相邻的两个所述有源监听音箱的播放面相对放置；音箱151、153、155和157均匀分布在以所述参考点O为圆心，预设长度为半径的圆周上，通过支架安装在距离地面第二预设高度，且不相邻的2个所述有源监听音箱的播放面相对放置；音箱158和159对称的放置在所述圆周的中心线的两侧，距离所述参考点O的距离大于所述预设长度，且放置在所述半消音室的地面上。其中，所述预设长度根据源声音信号的频率确定，所述第一预设高度和所述第二预设高度根据听音者的双耳距地面的距离确定。

例如：假设半消音室的俯视图如图2所示，半消音室的地面存在反射，其他五个面没有反射的房间。其中，参考点O距离该半消声室左边墙壁3.24米，距离半消声室前方墙壁4.2米，参考点O距离地面高度为1.1米，即，听音者坐在常规座椅上耳朵距离地面的高度。第一预设高度为0.53米，所述第二预设高度为1.6米；音箱150～157分别的圆周的半径(即，预设长度)为2.5米。

该***100的连接关系为：声音采集模块110和声音处理模块120中的滤波子模块121相连，滤波子模块121与声音处理模块120中的解码子模块122相连，解码子模块122与声卡130相连；声卡130与所述DA转换器140相连，DA转换器140与放置在半消音室的10个音箱分别相连。需要说明的是，在DA转换器140和音箱之间，还可以通过限位器160，限制传输到音箱的信号，避免超出限制的信号损坏音箱。

为了提高该***100回放声场的范围，其中，2个低音炮音箱158和159适用的频率范围可以均为19赫兹到100赫兹，8个有源监听音箱150～157适用的频率范围可以均为48赫兹到20000赫兹，这样，该声音回放的***100适用的频率范围即可以为19赫兹到20000赫兹，满足人耳能够接收到的所有频段。

作为一个示例，该***100中的声音采集模块110，用于采集源声音信号，并将通过编码得到数字声音信号发送给声音采集模块120的滤波子模块121；声音处理模块120，用于通过滤波子模块121对数字声音信号进行分频处理，分离出低频声音信号和高频声音信号；通过解码子模块122分别对低频声音信号和高频声音信号进行解码，得到10个音箱150～159对应的10个低频子声音信号和10个高频子声音信号；声卡130，用于接收10个低频子声音信号和10个高频子声音信号，并转发所述DA转换器140；DA转换器140，用于将10个低频子声音信号和10个高频子声音信号进行DA转换并对应的发送给10个音箱；10个音箱，分别用于对接收到的1个低频子声音信号和1个高频子声音信号进行叠加回放，以还便原所述源声音的声场。这样，实现了在较大的范围内，准确的回放各种频段声场的效果，从而提高听音者的听音体验。

下面结合附图，通过实施例来详细说明本发明实施例中声场回放的方法的具体实现方式。

图3示出了本发明实施例提供的声场回放的方法的流程示意图，该声场回放的方法应用于图1所示的声场回放的***中。参见图3，本发明实施例具体可以包括下述步骤301～步骤305：

步骤301，声音采集模块采集源声音信号，并将通过编码得到数字声音信号发送给所述声音采集模块的所述滤波子模块。

可以理解的是，为了提高听音者的主观感受，需要从源头上提高精度，即，可以改变传统的双耳声音数据采集录制方式，采用3D立体声音采集录制方式。由于该声音采集模块中采用3D立体声音采集方法，可以采集到源声音的更多信息，故，采集到的源声音信息更加丰富，更加贴近源声音，一定程度上可以提高回放时的还原度。

可以理解的是，声音采集模块采集到的源声音信号为模拟信号，由于模拟方式记录声音相比数字方式记录声音，具体如下很多不足，例如：传输时抗噪声能力弱、音频动态范围较小、多次翻录信号衰减严重等，因此，需要将源声音信号进行编码。

具体实现时，对源声音信号S进行编码，得到编码后的数字声音信号B，该数字声音信号B＝[W X Y Z]，其中，信号W是无方向的因子，主要用于体现源声音信号的强度；信号X、Y、Z为方向因子，主要用于天线源声音信号在上-下、左-右、前-后的定位信息。可以通过数字声音信号B中的从而通过这四个信号(即，W、X、Y和Z)还原出源声音信号在3D空间的强度及位置信息。具体的，编码可以参见下述公式：

B＝[B X Y Z]

W＝0.707×S

X＝x×S x＝cosθcosβ

Y＝y×S y＝sinθcosβ

Z＝z×S z＝sinβ

其中，S表示源声音信号，θ表示声源的方向角，β表示声源的仰角。

在一些实现方式中，步骤301中对源声音信号进行编码之前，还可以对该模拟的源声音信号进行采样和量化处理。

需要说明的是，编码后的数字声音信号B必须经过音频解码和空间化处理，才可以被每个音箱识别并播放。

步骤302，滤波子模块对所述数字声音信号进行分频处理，分离出低频声音信号和高频声音信号。

可以理解的是，为了优化该声场回放时的精度，需要考虑听音者的心理声学因素，而心理声学与两耳效应及空间定位有关，并且对高频声波和低频声波，人双耳对声音的定位方法是两种不同的机制。在低频声波(即，频率低于700赫兹(Hz)的声波)，双耳定位声音依赖于声波的速度，因为对于低频率带，声波较长，故，两耳间收到声音的强度没有显著差别，但两耳收到声音的时间有差别，即，声音定位依赖于两耳间的时间差。在高频声波(即，频率大于700Hz的声波)，双耳定位声音依赖于声音的强度，因为对于高频率带，声波较短，头部会阻隔声波，导致距离声源较远的一端耳朵收到的声音强度会比较弱，故，定位的线索依赖声音的强度。

具体实现时，为了更好的对数字声音信号进行解码处理，本发明实施例在解码之前，加入滤波子模块，对该数字声音信号进行分频，分离出高频声音信号和低频声音信号。

作为一个示例，可以设置滤波子模块的分频阈值为700Hz，那么，将数字声音信号输入到该滤波子模块后，该滤波子模块将频率高于700Hz的声音信号确定为高频声音信号，将频率低于700Hz的声音信号确定为低频声音信号。

这样，通过滤波手段可以将数字声音信号的高频部分和低频部分提取出来，以便解码过程中进行分别处理，提高解码精度。

步骤303，解码子模块分别对所述低频声音信号和所述高频声音信号进行解码，得到所述10个音箱对应的10个低频子声音信号和10个高频子声音信号。

可以理解的是，由于高、低频声波在双耳定位时参考的量不同，低频声波依赖于声波的速度，而高频声波依赖于声音的强度，因此，对于高频声音信号和低频声音信号要由该解码子模块进行分别解码。解码的过程实质上是为每个音箱优化分配的低频信号和高频信号。

其中，解码具体可以基于矢量合成法的Ambisonic解码算法实现，该解码方式是多扬声器基于聆听位置处(即参考点O处)合成的虚拟声像的方向，可根据频率域的不同，分别由速度向量V和能量向量E合成得到。

具体实现时，对于低频声音信号，解码子模块对其进行解码，得到10个音箱对应的10个低频子声音信号，具体实现方式可以包括：

S11，解码子模块根据每个音箱的增益、方向角、仰角，计算该音箱对应的速度向量。

可以理解的是，假设各音箱轴线正对参考点O，则每个音箱发出的声波速度都具有一个方向，沿着其轴线指向O点的速度向量V，每个V又可分解为x轴方向的Vx、y轴方向的Vy和z轴方向的Vz，在多个音箱的声波速度向量叠加后，根据向量合成法，即可得到多个音箱重发于O点处的总合成声波速度向量，其反方向即为多声源合成的虚拟声像的方向。

作为一个示例，假设S11中计算每个音箱对应的速度向量分量均可以参见如下公式(1)：

其中，Vx为音箱沿着其轴线指向O点的速度向量V在x轴方向分量，Vy为速度向量V在y轴方向分量，Vz为速度向量V在z轴方向分量；i指第i个音箱，N为音箱的数量，在本发明实施例中N＝10；g_i表示每个音箱分配的声音比例，也称为第i个音箱的增益；

指第i个音箱的仰角；θ_i指第i个音箱的方向角。

具体实现时，还可以根据公式(2)得到虚拟声像的方向角和仰角对应的正切值：

其中，θ_VI指低频段虚拟声像对应的方向角，

指低频段虚拟声像对应的仰角。

可以参见下述公式(3)计算音箱对应的速度向量矢量r_V：

其中，V的指向角度为θ_VI和

其长度r_V≥0，在数值上等于用矢量合成方式在参考点O处产生的合成速度增益值除以所有音箱在参考点O处直接叠加的声压增益值P。

S12，解码子模块基于每个音箱对应的速度向量和所有音箱的增益，采用迭代优化的方式，确定每个音箱对应的第一指向性因子。

理想状态下，应该满足如下公式(4)：

其中，1为源声音信号的速度矢量，θ_orig为源声音信号的方向角，

为源声音信号的仰角。

这样，对于10个音箱中的每个音箱，可以通过不断的迭代优化，计算出满足公式(4)的最优解，记作该音箱在低频段对应的第一指向性因子，用于后续计算该音箱在低频段对应的低频子声音信号。

需要说明的是，对于每个音箱，可以得到一个低频段对应的第一指向性因子，从而可以根据S13计算出该音箱对应的低频子声音信号。

S13，解码子模块基于每个音箱对应的第一指向性因子和该音箱的增益、方向角、仰角、数字声音信号，计算出每个音箱对应的低频子声音信号。

可以理解的是，对于每个音箱，可以得到该音箱对应的第一指向性因子d_i和该音箱的增益g_i、方向角θ_i、仰角φ_i、数字声音信号B，即可通过下述公式(5)计算该音箱对应的低频子声音信号：

S_i＝g_i*[(2-d_i)*g_w*W+d_i*(g_x*X+g_y*Y+g_z*Z)]……公式(5)

其中，

S_i即为第i个音箱对应的低频子声音信号。

这样，对该声场回放***中的10个音箱，可以得到低频段对应的10个低频子声音信号，分别与这10个音箱一一对应。

同理，对于高频声音信号，解码子模块对其进行解码，得到10个音箱对应的10个高频子声音信号，具体实现方式可以包括：

S21，解码子模块根据每个音箱的增益、方向角、仰角，计算该音箱对应的能量向量。

可以理解的是，高频声波主要依赖声音的强度，可以天线为这个频段声波在人头部附近的声能量流动的方向。根据矢量合成法，对于多个重发音箱作为声源来说，在参考点O处，其虚拟声像的方向由不同声源指向参考点O的不同能量向量E，每个E又可分解为x轴上的分量E_X，y轴上的分量E_Y和z轴方向上的分量E_Z。

作为一个示例，假设S21中计算每个音箱对应的能量向量分量均可以参见如下公式(6)：

其中，Ex为音箱沿着其轴线指向O点的能量向量E在x轴方向分量，Ey为能量向量E在y轴方向分量，Ez为能量向量E在z轴方向分量；i指第i个音箱，N为音箱的数量，在本发明实施例中N＝10；g_i表示每个音箱分配的声音比例，也称为第i个音箱的增益；

指第i个音箱的仰角；θ_i指第i个音箱的方向角。

具体实现时，还可以根据公式(7)得到虚拟声像的方向角和仰角对应的正切值：

其中，θ_EI指高频段虚拟声像对应的方向角，

指高频段虚拟声像对应的仰角。

可以参见下述公式(8)计算音箱对应的能量向量矢量r_E：

其中，E的指向角度为θ_EI和

其长度r_E≥0，在数值上等于用矢量合成方式在参考点O处产生的合成速度增益值除以所有音箱在参考点O处直接叠加的声压增益值E。

S22，解码子模块基于每个音箱对应的能量向量和所有音箱的增益，采用迭代优化的方式，确定每个音箱对应的第二指向性因子。

理想状态下，应该满足如下公式(9)：

其中，1为源声音信号的能量矢量，θ_orig为源声音信号的方向角，

为源声音信号的仰角。

这样，对于10个音箱中的每个音箱，可以通过不断的迭代优化，计算出满足公式(9)的最优解，记作该音箱在高频段对应的第二指向性因子，用于后续计算该音箱在高频段对应的高频子声音信号。

需要说明的是，对于每个音箱，可以得到一个高频段对应的第二指向性因子，从而可以根据S23计算出该音箱对应的高频子声音信号。

S23，解码子模块基于每个音箱对应的第二指向性因子和该音箱的增益、方向角、仰角、数字声音信号，计算出每个音箱对应的高频子声音信号。

可以理解的是，对于每个音箱，可以得到该音箱对应的第二指向性因子b_i和该音箱的增益g_i、方向角θ_i、仰角φ_i、数字声音信号B，即可通过下述公式(10)计算该音箱对应的高频子声音信号：

T_i＝g_i*[(2-b_i)*g_w*W+b_i*(g_x*X+g_y*Y+g_z*Z)]…公式(10)

其中，

T_i即为第i个音箱对应的高频子声音信号。

这样，对该声场回放***中的10个音箱，可以得到高频段对应的10个高频子声音信号，分别与这10个音箱一一对应。

需要说明的是，第一指向性因子和第二指向性因子的取值范围0～2。

可见，通过步骤303中解码子模块分别对所述低频声音信号和所述高频声音信号进行解码，得到了10个音箱对应的10个低频子声音信号和10个高频子声音信号，为后续声场的精确回放提高了数据基础。

需要说明的是，本发明实施例详细说明了采用Ambisonic解码算法进行解码的过程，但是，其他的解码算法只要可以实现将高低频声音信号针对10个音箱解码为10对高低频子声音信号，均可以作为本发明实施例中解码子模块采用的解码算法，其他解码算法下步骤303的实现方式，在此不再赘述。

在解码之后，还可以对解码结果进行空间化处理，具体的处理过程不再赘述。

步骤304，DA转换器接收所述声卡转发的所述10个低频子声音信号和所述10个高频子声音信号，并对其分别进行DA转换后对应发送至所述10个音箱。

可以理解的是，通过步骤303解码后得到的高频子声音信号和低频子声音信号，可以经过声卡，转发到DA转换器。由于高频子声音信号和低频子声音信号均为数字信号，在进行回放前，需要将数字信号转换为模拟信号，故，经过DA转换器后输出的信号为：20个模拟声音信号，分别为10个高频子声音信号对应的模拟信号和10个低频子声音信号对应的模拟信号。

具体实现时，可以将DA转换后的10个高频子声音信号对应的模拟信号和10个低频子声音信号对应的模拟信号，分别发送至对应的音箱，以便后续每个音箱对接收到的1个低频子声音信号和1个高频子声音信号进行叠加回放，10个音箱将播放的声音信号再次叠加，可以实现高精度对源声音的回放。

需要说明的是，在DA转换器在将转换后的模拟声音信号发送至音箱之前，还可以通过限位器，限制传输到音箱的信号，避免超出限制的信号损坏音箱，起到对音箱的保护作用，可以提高音箱的使用寿命以及听音者的体验。

步骤305，10个音箱中的每个音箱分别对接收到的1个低频子声音信号和1个高频子声音信号进行叠加回放，以便还原所述源声音的声场。

可以理解的是，10个音箱中包括2个低音炮音箱和8个有源监听音箱；为了覆盖20Hz到20kHz的频率范围，2个低音炮音箱适用的频率范围可以为19Hz到100Hz，8个有源监听音箱适用的频率范围可以为48Hz到20kHz。

作为一个示例，图4示出了10个音箱的分布方式示意图。如图4所示，4个有源监听音箱1、3、5、7均匀分布在以参考点O为圆心，2.5米为半径的圆周上，通过支架安装在距离地面0.53米的位置，且1和5、3和7的播放面相对放置；另4个有源监听音箱2、4、6、8均匀分布在以O为圆心，2.5为半径的圆周上，通过支架安装在距离地面1.6米的位置，且2和6、4和8的播放面相对放置；2个低音炮音箱9和10对称的放置在圆周的中心线的两侧，距离所述参考点的距离大于2.5米，且放置在所述半消音室的地面上。其中，图4中a图为俯视图，图4中b图为空间结构图。

其中，圆周半径可以根据源声音信号的频率确定，2.5米指示一个示例，也可以是与20Hz到20kHz的频率范围适应的任意值。需要说明的是，本发明实施例实现了不同的频率段的声音可以在以参考点为中心的空间球形区域内进行精确的声音回放，但回放区域大小跟频率范围有关，区域半径的尺寸是对应声波频率波长的1/4。例如：对于200Hz声源，波长wl＝C/F＝340/200＝1.7m，区域半径为wl/4＝42.5cm，即，频率为200Hz的声源，回放区域为以O为球心，半径为42.5厘米的空间球形区域。

放置音箱的两个高度值可以根据听音者的双耳距地面的距离确定，一般听音者通过座椅坐在参考点O处，左右耳位置大致距离地面1.1米，由此可以确定关于1.1米大致对称的两个高度作为布置8个有源监听音箱的圆周高度。

需要说明的是，借助声场回放***的特殊布置音箱的方式，通过本发明实施例提供的声场回放的方法，可以保证立体声回放精度可以达到：20Hz到20kHz范围内，倍频程误差小于±1dB；声音总量级误差小于±0.5dB A声压等级(英文：Sound Pressure Levels，简称：SPL)。

这样，通过本发明实施例提供的声场回放的方法，通过对源声音信号对应的数字声音信号进行滤波，并分别对得到的高频声音信号和低频声音信号进行解码，提高了声场回放的精度，另外，引入了包括10个音箱的特殊声场回放***，可以扩大声场回放的覆盖区域，克服了只有一个最佳听音点，实现了在较大的范围内，准确的回放各种频段声场的效果，那么，听音者的头部即可在该较大的范围内活动，不影响其收听到的声场效果，从而提高听音者的听音体验。

此外，本发明实施例还提供了一种声场回放的装置，参见图5示出的一种声场回放的装置的结构示意图，应用于声音回放的***，该***包括声音采集模块、声音处理模块、声卡、数字模拟DA转换器和10个音箱；其中，所述声音采集模块和所述声音处理模块中的滤波子模块相连，所述滤波子模块与所述声音处理模块中的解码子模块相连，所述解码子模块与所述声卡相连；所述声卡与所述DA转换器相连，所述DA转换器与放置在半消音室的所述10个音箱分别相连；所述装置包括：

采集单元501，用于所述声音采集模块采集源声音信号，并将通过编码得到数字声音信号发送给所述声音采集模块的所述滤波子模块；

分频单元502，用于所述滤波子模块对所述数字声音信号进行分频处理，分离出低频声音信号和高频声音信号；

解码单元503，用于所述解码子模块分别对所述低频声音信号和所述高频声音信号进行解码，得到所述10个音箱对应的10个低频子声音信号和10个高频子声音信号；

转换单元504，用于所述DA转换器接收所述声卡转发的所述10个低频子声音信号和所述10个高频子声音信号，并对其分别进行DA转换后对应发送至所述10个音箱；

回放单元505，用于所述10个音箱中的每个音箱分别对接收到的1个低频子声音信号和1个高频子声音信号进行叠加回放，以便还原源声音的声场。

可选地，所述10个音箱包括2个低音炮音箱和8个有源监听音箱；

所述8个有源监听音箱中的4个有源监听音箱均匀分布在以半消音室的参考点为圆心，预设长度为半径的圆周上，通过支架安装在距离地面第一预设高度，且不相邻的两个所述有源监听音箱的播放面相对放置；另4个有源监听音箱均匀分布在以所述参考点为圆心，预设长度为半径的圆周上，通过支架安装在距离地面第二预设高度，且不相邻的2个所述有源监听音箱的播放面相对放置；

所述2个低音炮音箱对称的放置在所述圆周的中心线的两侧，距离所述参考点的距离大于所述预设长度，且放置在所述半消音室的地面上；

其中，所述预设长度根据源声音信号的频率确定，所述第一预设高度和所述第二预设高度根据听音者的双耳距地面的距离确定。

可选地，所述第一预设高度为0.53米，所述第二预设高度为1.6米，所述听音者的双耳距地面的距离为1.1米；所述预设长度为2.5米。

可选地，所述解码子模块采用Ambisonic解码算法进行解码。

可选地，所述解码单元503，包括第一解码子单元和第二解码子单元，

所述第一解码子单元，包括：

第一计算子单元，用于所述解码子模块根据每个音箱的增益、方向角、仰角，计算该音箱对应的速度向量；

第一确定子单元，用于所述解码子模块基于每个音箱对应的速度向量和所有音箱的增益，采用迭代优化的方式，确定每个音箱对应的第一指向性因子；

第二计算子单元，用于所述解码子模块基于每个音箱对应的第一指向性因子和该音箱的增益、方向角、仰角、所述数字声音信号，计算出每个音箱对应的低频子声音信号；

所述第二解码子单元，包括：

第三计算子单元，用于所述解码子模块根据每个音箱的增益、方向角、仰角，计算该音箱对应的能量向量；

第二确定子单元，用于所述解码子模块基于每个音箱对应的能量向量和所有音箱的增益，采用迭代优化的方式，确定每个音箱对应的第二指向性因子；

第四计算子单元，用于所述解码子模块基于每个音箱对应的第二指向性因子和该音箱的增益、方向角、仰角、所述数字声音信号，计算出每个音箱对应的高频子声音信号。

可选地，所述2个低音炮音箱适用的频率范围均为19赫兹到100赫兹，所述8个有源监听音箱适用的频率范围均为48赫兹到20000赫兹；所述声音回放的***适用的频率范围为19赫兹到20000赫兹。

需要说明的是，上述描述为一种声场回放的装置的相关描述，其中，具体实现方式以及达到的效果，可以参见上述声场回放的方法实施例的描述，这里不再赘述。

本发明实施例中提到的“第一指向性因子”、“第一确定单元”等名称中的“第一”只是用来做名字标识，并不代表顺序上的第一。该规则同样适用于“第二”等。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法中的全部或部分步骤可借助软件加通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如只读存储器(英文：read-onlymemory，ROM)/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者诸如路由器等网络通信设备)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置和***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置和***实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种声场回放的方法，其特征在于，应用于声音回放的***，该***包括声音采集模块、声音处理模块、声卡、数字模拟DA转换器和10个音箱；其中，所述声音采集模块和所述声音处理模块中的滤波子模块相连，所述滤波子模块与所述声音处理模块中的解码子模块相连，所述解码子模块与所述声卡相连；所述声卡与所述DA转换器相连，所述DA转换器与放置在半消音室的所述10个音箱分别相连；所述方法包括：

所述声音采集模块采集源声音信号，并将通过编码得到数字声音信号发送给所述声音处理模块的所述滤波子模块；

所述滤波子模块对所述数字声音信号进行分频处理，分离出低频声音信号和高频声音信号；

所述解码子模块分别对所述低频声音信号和所述高频声音信号进行解码，得到所述10个音箱对应的10个低频子声音信号和10个高频子声音信号；

所述DA转换器接收所述声卡转发的所述10个低频子声音信号和所述10个高频子声音信号，并对其分别进行DA转换后对应发送至所述10个音箱；

所述10个音箱中的每个音箱分别对接收到的1个低频子声音信号和1个高频子声音信号进行叠加回放，以便还原源声音的声场；

所述10个音箱包括2个低音炮音箱和8个有源监听音箱；

所述8个有源监听音箱中的4个有源监听音箱均匀分布在以半消音室的参考点为圆心，预设长度为半径的圆周上，通过支架安装在距离地面第一预设高度，且不相邻的两个所述有源监听音箱的播放面相对放置；另外4个有源监听音箱均匀分布在以所述参考点为圆心，预设长度为半径的圆周上，通过支架安装在距离地面第二预设高度，且不相邻的2个所述有源监听音箱的播放面相对放置；

所述2个低音炮音箱对称的放置在所述圆周的中心线的两侧，距离所述参考点的距离大于所述预设长度，且放置在所述半消音室的地面上；

其中，所述预设长度根据源声音信号的频率确定，所述第一预设高度和所述第二预设高度根据听音者的双耳距地面的距离确定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一预设高度为0.53米，所述第二预设高度为1.6米，所述听音者的双耳距地面的距离为1.1米；所述预设长度为2.5米。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述解码子模块采用Ambisonic解码算法进行解码。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述解码子模块对所述低频声音信号进行解码，得到所述10个音箱对应的10个低频子声音信号，包括：

所述解码子模块根据每个音箱的增益、方向角、仰角，计算该音箱对应的速度向量；

所述解码子模块基于每个音箱对应的速度向量和所有音箱的增益，采用迭代优化的方式，确定每个音箱对应的第一指向性因子；

所述解码子模块基于每个音箱对应的第一指向性因子和该音箱的增益、方向角、仰角、所述数字声音信号，计算出每个音箱对应的低频子声音信号；

所述解码子模块对所述高频声音信号进行解码，得到所述10个音箱对应的10个高频子声音信号，包括：

所述解码子模块根据每个音箱的增益、方向角、仰角，计算该音箱对应的能量向量；

所述解码子模块基于每个音箱对应的能量向量和所有音箱的增益，采用迭代优化的方式，确定每个音箱对应的第二指向性因子；

所述解码子模块基于每个音箱对应的第二指向性因子和该音箱的增益、方向角、仰角、所述数字声音信号，计算出每个音箱对应的高频子声音信号。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述2个低音炮音箱适用的频率范围均为19赫兹到100赫兹，所述8个有源监听音箱适用的频率范围均为48赫兹到20000赫兹；所述声音回放的***适用的频率范围为19赫兹到20000赫兹。

6.一种声场回放的装置，其特征在于，应用于声音回放的***，该***包括声音采集模块、声音处理模块、声卡、数字模拟DA转换器和10个音箱；其中，所述声音采集模块和所述声音处理模块中的滤波子模块相连，所述滤波子模块与所述声音处理模块中的解码子模块相连，所述解码子模块与所述声卡相连；所述声卡与所述DA转换器相连，所述DA转换器与放置在半消音室的所述10个音箱分别相连；所述装置包括：

采集单元，用于所述声音采集模块采集源声音信号，并将通过编码得到数字声音信号发送给所述声音处理模块的所述滤波子模块；

分频单元，用于所述滤波子模块对所述数字声音信号进行分频处理，分离出低频声音信号和高频声音信号；

解码单元，用于所述解码子模块分别对所述低频声音信号和所述高频声音信号进行解码，得到所述10个音箱对应的10个低频子声音信号和10个高频子声音信号；

转换单元，用于所述DA转换器接收所述声卡转发的所述10个低频子声音信号和所述10个高频子声音信号，并对其分别进行DA转换后对应发送至所述10个音箱；

回放单元，用于所述10个音箱中的每个音箱分别对接收到的1个低频子声音信号和1个高频子声音信号进行叠加回放，以便还原源声音的声场；

所述10个音箱包括2个低音炮音箱和8个有源监听音箱；

所述8个有源监听音箱中的4个有源监听音箱均匀分布在以半消音室的参考点为圆心，预设长度为半径的圆周上，通过支架安装在距离地面第一预设高度，且不相邻的两个所述有源监听音箱的播放面相对放置；另外4个有源监听音箱均匀分布在以所述参考点为圆心，预设长度为半径的圆周上，通过支架安装在距离地面第二预设高度，且不相邻的2个所述有源监听音箱的播放面相对放置；

所述2个低音炮音箱对称的放置在所述圆周的中心线的两侧，距离所述参考点的距离大于所述预设长度，且放置在所述半消音室的地面上；

其中，所述预设长度根据源声音信号的频率确定，所述第一预设高度和所述第二预设高度根据听音者的双耳距地面的距离确定。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一预设高度为0.53米，所述第二预设高度为1.6米，所述听音者的双耳距地面的距离为1.1米；所述预设长度为2.5米。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述解码子模块采用Ambisonic解码算法进行解码。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述解码单元，包括第一解码子单元和第二解码子单元，

所述第一解码子单元，包括：

第一计算子单元，用于所述解码子模块根据每个音箱的增益、方向角、仰角，计算该音箱对应的速度向量；

第一确定子单元，用于所述解码子模块基于每个音箱对应的速度向量和所有音箱的增益，采用迭代优化的方式，确定每个音箱对应的第一指向性因子；

第二计算子单元，用于所述解码子模块基于每个音箱对应的第一指向性因子和该音箱的增益、方向角、仰角、所述数字声音信号，计算出每个音箱对应的低频子声音信号；

所述第二解码子单元，包括：

第三计算子单元，用于所述解码子模块根据每个音箱的增益、方向角、仰角，计算该音箱对应的能量向量；

第二确定子单元，用于所述解码子模块基于每个音箱对应的能量向量和所有音箱的增益，采用迭代优化的方式，确定每个音箱对应的第二指向性因子；

第四计算子单元，用于所述解码子模块基于每个音箱对应的第二指向性因子和该音箱的增益、方向角、仰角、所述数字声音信号，计算出每个音箱对应的高频子声音信号。

10.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述2个低音炮音箱适用的频率范围均为19赫兹到100赫兹，所述8个有源监听音箱适用的频率范围均为48赫兹到20000赫兹；所述声音回放的***适用的频率范围为19赫兹到20000赫兹。

11.一种声场回放的***，其特征在于，包括：声音采集模块、声音处理模块、声卡、数字模拟DA转换器和10个音箱；

其中，所述声音处理模块包括滤波子模块和解码子模块，所述10个音箱包括2个低音炮音箱和8个有源监听音箱；所述8个有源监听音箱中的4个有源监听音箱均匀分布在以半消音室的参考点为圆心，预设长度为半径的圆周上，通过支架安装在距离地面第一预设高度，且不相邻的两个所述有源监听音箱的播放面相对放置；另外4个有源监听音箱均匀分布在以所述参考点为圆心，预设长度为半径的圆周上，通过支架安装在距离地面第二预设高度，且不相邻的2个所述有源监听音箱的播放面相对放置；所述2个低音炮音箱对称的放置在所述圆周的中心线的两侧，距离所述参考点的距离大于所述预设长度，且放置在所述半消音室的地面上；其中，所述预设长度根据源声音信号的频率确定，所述第一预设高度和所述第二预设高度根据听音者的双耳距地面的距离确定；

所述声音采集模块，用于采集源声音信号，并将通过编码得到数字声音信号发送给所述声音处理模块的所述滤波子模块；

所述声音处理模块，用于通过所述滤波子模块对所述数字声音信号进行分频处理，分离出低频声音信号和高频声音信号；通过所述解码子模块分别对所述低频声音信号和所述高频声音信号进行解码，得到所述10个音箱对应的10个低频子声音信号和10个高频子声音信号；

所述声卡，用于接收所述10个低频子声音信号和所述10个高频子声音信号，并转发所述DA转换器；

所述DA转换器，用于将所述10个低频子声音信号和所述10个高频子声音信号进行DA转换并对应的发送给所述10个音箱；

所述10个音箱，分别用于对接收到的1个低频子声音信号和1个高频子声音信号进行叠加回放，以便还原源声音的声场。

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