CN110191392A - 一种虚拟现实扩声实现方法 - Google Patents

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CN110191392A CN201910377453.9A CN201910377453A CN110191392A CN 110191392 A CN110191392 A CN 110191392A CN 201910377453 A CN201910377453 A CN 201910377453A CN 110191392 A CN110191392 A CN 110191392A
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王恒
李子强
高韦涵
朱镇熙
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    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
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Abstract

本发明公开了一种虚拟现实扩声实现方法，包括：对需要实施的空间进行基础测量，并根据测量信息建立三维模型；在所述三维模型中确定四周边界音箱的摆放位置；在所述三维模型中确定顶部音箱的摆放位置；在所述三维模型中确定中底部音箱的摆放位置；对确定位置的音箱进行调节音响参数及输出；本发明针对会议、教学、舞台表演等应用场景，解决听众感知的声像方位与实际声源不一致的问题，实现不同位置的听众都感知到声音来自实际声源，且音量大小接近；当声源位置变化时听众感知到的声像方位随之变化；并且本***可用于回放与实时场景，无需复杂的后期制作，使用方法简单；具有很强的可移植性，在不同环境与场合进行对应的测试与调试即可。

Description

一种虚拟现实扩声实现方法
技术领域
本发明涉及声音控制技术领域，尤其涉及一种虚拟现实扩声实现方法。
背景技术
现有扩声***一般包含传声器(又称话筒)、声音信号处理设备、功率放大器和扬声器。传声器捡拾声源(发言、演讲、唱歌、乐器演奏等)发出的声音，声音信号处理设备对其进行放大、处理(均衡、分频、压限等等)，然后由功率放大器进行功率放大，最后通过扬声器播放。扬声器通常布置在***台(舞台、讲台)两侧或上方，为使后方听众席也有足够大的声压级，可能还需要在后方布置补声扬声器。为了使得听众席声场更均匀，有时也采样分散布置的方式，将扬声器分散布置在听众席上方天花上。
《厅堂、体育场馆扩声***设计规范》(GB/T 28049-2011)规定扩声***的声学特性指标包括最大声压级、传输频率特性、传声增益、稳态声场不均匀度、语言传输指数、***总噪声级、总噪声级、早后期声能比。这些客观指标对保证扩声***的性能有很重要的作用。在此基础上，人们对主观听音效果也有要求，例如视听一致性，希望听众感觉声音是从声源位置发出来的，但在GB/T28049-2011中没有要求。
现有扩声***采用的技术都存在听众感知到的声音与声源(发言、演讲、唱歌、乐器演奏等)方位不一致的问题，主要表现在：
1.对静止声源，不同位置的听众感知的声像方位不一样；
2.对运动声源，听众感知的声像方位不变。
将扬声器布置在听众席天花上的扩声***，在使用时会让每个人听众感知到声音来自离其最近的扬声器，不同区域的人听到的声音都是来自头部上方，无法准确定位声源的方位。
将扬声器布置在***台(舞台、讲台)两侧的扩声***，听众感知到声音来自前方，但同一排的听众感知到的声音方向不同。中间的听众感知到声音来自舞台中部，左边的听众由于离左边扬声器距离更近，因此感知声音来舞台左边，类似的右边的听众感知声音来自舞台右边。这类扩声***为使后方听众席也有足够大的声压级，有时会在后方布置补声扬声器，馈给这些扬声器的信号会有适当延时，从而可以使得后排听众能感知到声音从前方来，而不是从补声扬声器来。但仍然存在同一排听众感知到的声音方向不同这个问题。
将扬声器布置在***台(舞台、讲台)上方的扩声***，听众感知到声音来自前上方，特别是前排听众感觉声音来自头顶。对这种扩声***虽然有的也在主扬声器下方加拉声像扬声器，这种办法虽然会使得前方部分区域听众感知到声音不是来自头顶，但有的区域听众反而感觉声像不稳定，因此并不能解决听众感知的声像方位与实际声源不一致的问题。
发明内容
本发明提供了一种虚拟现实扩声实现方法，针对会议、教学、舞台表演等应用场景，解决听众感知的声像方位与实际声源不一致的问题，实现不同位置的听众都感知到声音来自实际声源，且音量大小接近；当声源位置变化时听众感知到的声像方位随之变化；并且本***可用于回放与实时场景，无需复杂的后期制作，使用方法简单；具有很强的可移植性，在不同环境与场合进行对应的测试与调试即可。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种虚拟现实扩声实现方法，包括：
对需要实施的空间进行基础测量，并根据测量信息建立三维模型；
在所述三维模型中确定四周边界音箱的摆放位置；
在所述三维模型中确定顶部音箱的摆放位置；
在所述三维模型中确定中底部音箱的摆放位置；
对确定位置的音箱进行调节音响参数及输出。
作为优选方案，所述对需要实施的空间进行基础测量，并根据测量信息建立三维模型，包括：
确定空间边界，测量空间尺寸；
确定声源与听众区域，测量每个声源与听众的位置坐标；
确定有效区域，所述有效区域为包含所有声源、听众的多边形向外扩张0.8米后的范围，若有效区域和空间边界线接触，则接触部分以空间边界线为有效区域边界；
根据测量信息对空间进行三维建模，所述模型包含空间立体形状，声源与听众位置，以及有效区域。
作为优选方案，所述在所述三维模型中确定四周边界音箱的摆放位置，包括：
确定边界音箱高度h；
测量确定各个听众后侧180°范围内一个或多个空间边界面上h高度处与该听众距离最短的点，并记录其距离，得到最近点，标注在模型上；
合并各个边界面的最近点，得到音箱的摆放位置点；
将边界面音箱朝向与水平面平行，并与该边界面音箱连线垂直，指向有效区域作为音箱的摆放方向。
作为优选方案，在所述确定边界音箱高度h时：当有椅凳时，h＝椅凳面高度+0.7m；当无椅凳需站立时，h＝1.7m。
作为优选方案，所述合并各个边界面的最近点，得到音箱的摆放位置点，包括：
在边界面上h高度处，以与边界面某一侧距离最小的最近点为圆边，做直径为d米的圆，将圆内包含的最近点合并为圆心上的点，若作为该边界面音箱的位置点；
若相邻位置点距离大于d米，在其中间点增加位置点；
若靠近侧边音箱距离侧边大于d米时，可在该音箱与侧边之间均匀增加位置点。
作为优选方案，所述在所述三维模型中确定顶部音箱的摆放位置，包括：
确定有效区域在空间顶部的投影区域，均匀布置多排或单排的多个音箱；
在投影区域之外均匀布置音箱，间隔同前；
设置音箱朝向正下方。
作为优选方案，所述均匀布置多排或单排的多个音箱的音箱间隔为1.2-1.5米。
作为优选方案，所述在所述三维模型中确定中底部音箱的摆放位置，包括：
将声源朝向有效区域中心50cm处定为主音箱点，并将距离低于60cm的主音箱点合并至中间点；
通过合并最近点对主音箱点进行合并，此时合并圆半径不得大于30cm；
针对狭长型的桌台，可以采用单排点，此时主音箱点根据声源位置均匀分布在桌台中轴线或者附近；
处理后的主音箱点即为音箱摆放点。
作为优选方案，所述对确定位置的音箱进行调节音响参数及输出，包括：
计算各个声源与所有音箱的距离；
在单声源情况下，声源声音通过话筒，进入音频处理设备，声信号经过降噪和自动增益控制处理后，复制为N路相同信号，其中N为音箱总数，对每路信号进行不同的延时与增益处理，N路信号输出至N个音箱；
在多人同时讲话情况下，先对不同声源的声信号进行前两步骤的处理，得到Q×N路处理过的信号，其中Q为同时讲话的人数，N为音箱总数；再将对应同一个音箱的Q路信号输入至音频处理设备，对Q路信号进行相加与动态范围控制处理，处理后输出至原Q路信号对应的音箱。
作为优选方案，所述在单声源情况下，距离其最近的中底部音箱对应信号的延时为n ms，增益为t dB；
其他中底部音箱对应信号的延时为增益为(-20log(sa)-t1)dB；
边界面音箱对应信号的延时为增益为(-20log(sa)-t2)dB；
顶部音箱对应信号的延时为增益为(-20log(Sa)-t3)dB；
其中，sa为该音箱与声源的距离(m)，v0为该环境温度下的声速(一般取340m/s)，nx(x∈{1,2,3})为延时控制量，一般取[3,10]，tx(x∈{1,2,3})为增益控制量，一般取[2,6]。
相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：
本发明解决在会议、教学、舞台等场景下，听音者距离发声者较远时，听到声音小或不清晰、无法准确定位发声者方位的问题，不会产生声场混乱，声音大小不一的情况；并且本方法可用于回放与实时场景，无需复杂的后期制作，使用方法简单；具有很强的可移植性，在不同环境与场合进行对应的测试与调试即可。
本发明在扩大讲话者声音的过程中，声场均匀，听众可以辨别声源的具体方位，从而将讲话内容与声源完美的结合在一起，增强听众的参与感，创造良好的讲听氛围。
附图说明
图1：为本发明方法实施例中的步骤流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，本发明优选实施例提供了一种虚拟现实扩声实现方法，包括：
S1，对需要实施的空间进行基础测量，并根据测量信息建立三维模型；
S2，在所述三维模型中确定四周边界音箱的摆放位置；
S3，在所述三维模型中确定顶部音箱的摆放位置；
S4，在所述三维模型中确定中底部音箱的摆放位置；
S5，对确定位置的音箱进行调节音响参数及输出。
在本实施例中，所述对需要实施的空间进行基础测量，并根据测量信息建立三维模型，包括：
S11，确定空间边界，测量空间尺寸；
S12，确定声源与听众区域，测量每个声源与听众的位置坐标；
S13，确定有效区域，所述有效区域为包含所有声源、听众的多边形向外扩张0.8米后的范围，若有效区域和空间边界线接触，则接触部分以空间边界线为有效区域边界；
S14，根据测量信息对空间进行三维建模，所述模型包含空间立体形状，声源与听众位置，以及有效区域。
在本实施例中，所述在所述三维模型中确定四周边界音箱的摆放位置，包括：
S21，确定边界音箱高度h；
S22，测量确定各个听众后侧180°范围内一个或多个空间边界面上h高度处与该听众距离最短的点，并记录其距离，得到最近点，标注在模型上；
S23，合并各个边界面的最近点，得到音箱的摆放位置点；
S24，将边界面音箱朝向与水平面平行，并与该边界面音箱连线垂直，指向有效区域作为音箱的摆放方向。
在本实施例中，在所述确定边界音箱高度h时：当有椅凳时，h＝椅凳面高度+0.7m；当无椅凳需站立时，h＝1.7m。
在本实施例中，所述合并各个边界面的最近点，得到音箱的摆放位置点，包括：
S231，在边界面上h高度处，以与边界面某一侧距离最小的最近点为圆边，做直径为d米的圆，将圆内包含的最近点合并为圆心上的点，若作为该边界面音箱的位置点；
S232，若相邻位置点距离大于d米，在其中间点增加位置点；
S233，若靠近侧边音箱距离侧边大于d米时，可在该音箱与侧边之间均匀增加位置点。
在本实施例中，所述在所述三维模型中确定顶部音箱的摆放位置，包括：
S31，确定有效区域在空间顶部的投影区域，均匀布置多排或单排的多个音箱；
S32，在投影区域之外均匀布置音箱，间隔同前；
S33，设置音箱朝向正下方。
在本实施例中，所述均匀布置多排或单排的多个音箱的音箱间隔为1.2-1.5米。
在本实施例中，所述在所述三维模型中确定中底部音箱的摆放位置，包括：
S41，将声源朝向有效区域中心50cm处定为主音箱点，并将距离低于60cm的主音箱点合并至中间点；
S42，通过合并最近点对主音箱点进行合并，此时合并圆半径不得大于30cm；
S43，针对狭长型的桌台，可以采用单排点，此时主音箱点根据声源位置均匀分布在桌台中轴线或者附近；
S44，处理后的主音箱点即为音箱摆放点。
在本实施例中，所述对确定位置的音箱进行调节音响参数及输出，包括：
S51，计算各个声源与所有音箱的距离；
S52，在单声源情况下，声源声音通过话筒，进入音频处理设备，声信号经过降噪和自动增益控制处理后，复制为N路相同信号，其中N为音箱总数，对每路信号进行不同的延时与增益处理，N路信号输出至N个音箱；
S53，在多人同时讲话情况下，先对不同声源的声信号进行前两步骤的处理，得到Q×N路处理过的信号，其中Q为同时讲话的人数，N为音箱总数；再将对应同一个音箱的Q路信号输入至音频处理设备，对Q路信号进行相加与动态范围控制处理，处理后输出至原Q路信号对应的音箱。
在本实施例中，所述在单声源情况下，距离其最近的中底部音箱对应信号的延时为n ms，增益为t dB；
其他中底部音箱对应信号的延时为增益为(-20log(sa)-t1)dB；
边界面音箱对应信号的延时为增益为(-20log(sa)-t2)dB；
顶部音箱对应信号的延时为增益为(-20log(sa)-t3)dB；
其中，sa为该音箱与声源的距离(m)，v0为该环境温度下的声速(一般取340m/s)，nx(x∈{1,2,3})为延时控制量，一般取[3,10]，tx(x∈{1,2,3})为增益控制量，一般取[2,6]。
下面结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
基础测量：
1.确定空间边界，测量空间尺寸；
2.确定声源位置与听众区域，测量每个可能的声源位置与听众的位置坐标；
3.确定有效区域。有效区域为包含所有声源、听众的多边形向外扩张0.8米后的范围，若有效区域和空间边界线接触，则接触部分以空间边界线为有效区域边界；
4.根据测量信息对空间进行三维建模，模型包含空间立体形状，声源与听众位置，有效区域，之后的测量与计算在模型上进行；
四周边界面音箱摆放：
5.确定边界音箱高度h，一般来说，有椅凳时，h＝椅凳面高度+0.7m；无椅凳需站立时，h＝1.7m；h可根据具体情况小范围内更改；
6.测量确定各个听众后侧180°范围内(一个或多个)空间边界面上h高度处与该听众距离最短的点(并记录其距离)，称为“最近点”，标注在模型上；
7.合并各个边界面的最近点，方法为：在边界面上h高度处，以与边界面某一侧距离最小的最近点为圆边，做直径为d米(d可改变，直径越小，音箱总数越多，效果越好)的圆，将圆内包含的最近点合并为圆心上的点，若作为该边界面音箱的位置点；若相邻位置点距离大于d米，可在其中间点增加位置点；若靠近侧边音箱距离侧边大于d米时，可在该音箱与侧边之间均匀增加位置点；
8.边界面音箱朝向与水平面平行，与该边界面音箱连线垂直，指向有效区域；
顶部音箱摆放：
9.确定有效区域在空间顶部的投影区域，均匀布置多排(或单排)多个音箱，音箱间隔以1.2-1.5米为宜；为增强扩声效果，可在投影区域之外均匀布置音箱，间隔同前；音箱朝向正下方。
中底部音箱摆放
10.将声源朝向有效区域中心50cm处定为主音箱点，并将距离低于60cm的主音箱点合并至中间点；或者采用第七步骤中合并最近点的方式对主音箱点进行合并，此时合并圆半径不得大于30cm；针对狭长型的桌台，可以采用单排点，此时主音箱点根据声源位置均匀分布在桌台中轴线(或者附近)；处理后的主音箱点即为音箱摆放点。
参数调节及输出
11.计算各个声源与所有音箱的距离；
12.在单声源情况下，声源声音通过话筒，进入音频处理设备1，声信号经过降噪和自动增益控制处理后，复制为N路相同信号(N为音箱总数)，对每路信号进行不同的延时与增益处理，N路信号输出至N个音箱；其中降噪与自动增益控制为现有算法，对N路信号进行的延时与增益处理遵循本发明在实验中得到的规律；
13.在单声源情况下：
距离其最近的中底部音箱对应信号的延时为n ms，增益为t dB；
其他中底部音箱对应信号的延时为增益为(-20log(sa)-t1)dB；
边界面音箱对应信号的延时为增益为(-20log(sa)-t2)dB；
顶部音箱对应信号的延时为增益为(-20log(sa)-t3)dB；
其中，sa为该音箱与声源的距离(m)，v0为该环境温度下的声速(一般取340m/s)，nx(x∈{1,2,3})为延时控制量，一般取[3,10]，tx(x∈{1,2，3})为增益控制量，一般取[2，6]；
在多人同时讲话情况下，先对不同声源的声信号进行前两步骤的处理，得到Q×N路(Q为同时讲话的人数，N为音箱总数)处理过的信号，再将对应同一个音箱的Q路信号输入至音频处理设备2，对Q路信号输进行相加与动态范围控制处理，处理后为1路信号，输出至原Q路信号对应的音箱，其他路信号依此法处理。
本发明结合了不同领域的多种技术的优点，具有以下有益效果：
1、在扩大声源声音的过程中，声场均匀，听众可以辨别声源的具体方位，
从而将听众感知的声音与声源合为一体，增强听众的自然感、亲切感、参与感，创造良好的声场氛围；
2、因为在声信号处理中应用了不同的延时，所以能够极大减少扬声器对麦克风的反馈量，降低扩声***啸叫几率，使得扩声***更加稳定；
3、该方案不需复杂的后期制作，预先调整好后可一直使用，设置简单使用便捷；相关领域技术人员可通过说明书快速搭建***使用，并且可结合具体情况对方案进行微调以适合所需场景；
4、该方案可与人脸识别(签到、行为分析等)、无纸化等方案结合使用，共同打造一个智能、便捷、人性的讲-听***。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种虚拟现实扩声实现方法，其特征在于，包括：
对需要实施的空间进行基础测量，并根据测量信息建立三维模型；
在所述三维模型中确定四周边界音箱的摆放位置；
在所述三维模型中确定顶部音箱的摆放位置；
在所述三维模型中确定中底部音箱的摆放位置；
对确定位置的音箱进行调节参数及输出。
2.如权利要求1所述的虚拟现实扩声实现方法，其特征在于，所述对需要实施的空间进行基础测量，并根据测量信息建立三维模型，包括：
确定空间边界，测量空间尺寸；
确定声源与听众区域，测量每个声源与听众的位置坐标；
确定有效区域，所述有效区域为包含所有声源、听众的多边形向外扩张0.8米后的范围，若有效区域和空间边界线接触，则接触部分以空间边界线为有效区域边界；
根据测量信息对空间进行三维建模，所述模型包含空间立体形状，声源与听众位置，以及有效区域。
3.如权利要求2所述的虚拟现实扩声实现方法，其特征在于，所述在所述三维模型中确定四周边界音箱的摆放位置，包括：
确定边界音箱高度h；
测量确定各个听众后侧180°范围内一个或多个空间边界面上h高度处与该听众距离最短的点，并记录其距离，得到最近点，标注在模型上；
合并各个边界面的最近点，得到音箱的摆放位置点；
将边界面音箱朝向与水平面平行，并与该边界面音箱连线垂直，指向有效区域作为音箱的摆放方向。
4.如权利要求3所述的虚拟现实扩声实现方法，其特征在于，在所述确定边界音箱高度h时：当有椅凳时，h＝椅凳面高度+0.7m；当无椅凳需站立时，h＝1.7m。
5.如权利要求4所述的虚拟现实扩声实现方法，其特征在于，所述合并各个边界面的最近点，得到音箱的摆放位置点，包括：
在边界面上h高度处，以与边界面某一侧距离最小的最近点为圆边，做直径为d米的圆，将圆内包含的最近点合并为圆心上的点，若作为该边界面音箱的位置点；
若相邻位置点距离大于d米，在其中间点增加位置点；
若靠近侧边音箱距离侧边大于d米时，可在该音箱与侧边之间均匀增加位置点。
6.如权利要求5所述的虚拟现实扩声实现方法，其特征在于，所述在所述三维模型中确定顶部音箱的摆放位置，包括：
确定有效区域在空间顶部的投影区域，均匀布置多排或单排的多个音箱；
在投影区域之外均匀布置音箱，间隔同前；
设置音箱朝向正下方。
7.如权利要求6所述的虚拟现实扩声实现方法，其特征在于，所述均匀布置多排或单排的多个音箱的音箱间隔为1.2-1.5米。
8.如权利要求7所述的虚拟现实扩声实现方法，其特征在于，所述在所述三维模型中确定中底部音箱的摆放位置，包括：
将声源朝向有效区域中心50cm处定为主音箱点，并将距离低于60cm的主音箱点合并至中间点；
通过合并最近点对主音箱点进行合并，此时合并圆半径不得大于30cm；
针对狭长型的桌台，可以采用单排点，此时主音箱点根据声源位置均匀分布在桌台中轴线或者附近；
处理后的主音箱点即为音箱摆放点。
9.如权利要求8所述的虚拟现实扩声实现方法，其特征在于，所述对确定位置的音箱进行调节音响参数及输出，包括：
计算各个声源与所有音箱的距离；
在单声源情况下，声源声音通过话筒，进入音频处理设备，声信号经过降噪和自动增益控制处理后，复制为N路相同信号，其中N为音箱总数，对每路信号进行不同的延时与增益处理，N路信号输出至N个音箱；
在多声源情况下，先对不同声源的声信号进行前两步骤的处理，得到Q×N路处理过的信号，其中Q为同时讲话的人数，N为音箱总数；再将对应同一个音箱的Q路信号输入至音频处理设备，对Q路信号进行相加与动态范围控制处理，处理后输出至原Q路信号对应的音箱。
10.如权利要求9所述的虚拟现实扩声实现方法，其特征在于，所述在单声源情况下，距离其最近的中底部音箱对应信号的延时为n ms，增益为t dB；
其他中底部音箱对应信号的延时为增益为(-20log(sa)-t1)dB；
边界面音箱对应信号的延时为增益为(-20log(sa)-t2)dB；
顶部音箱对应信号的延时为增益为(-20log(sa)-t3)dB；
其中，sa为该音箱与声源的距离m，v0为该环境温度下的声速，nx(x∈{1,2,3})为延时控制量，tx(x∈{1,2,3})为增益控制量。
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