TWI675366B - 從三維度空間性高階保真立體音響聲頻訊號解碼立體聲擴音器訊號之方法及裝置，以及所用解碼矩陣之決定方法 - Google Patents

從三維度空間性高階保真立體音響聲頻訊號解碼立體聲擴音器訊號之方法及裝置，以及所用解碼矩陣之決定方法 Download PDF

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Abstract

已知對立體聲擴音器裝備的保真立體音響表示法之解碼，可用於第一階保真立體音響聲頻訊號。但此等第一階保真立體音響解決方略，不是有高度負旁波瓣，便是在前區域有不良局限。本發明涉及高階保真立體音響(HOA)的立體聲解碼器之處理。從擴音器間置設虛擬源之泛移律，可推論所需泛移函數。對於各擴音器，需界定在取樣點對全部可能輸入方向之所需泛移函數。泛移函數係以圓形諧函數概算，提高保真立體音響位階，所需泛移函數即減少誤差。對於擴音器間的前區，使用泛移律，像正切律或向量基準波幅泛移(VBAP)。對於後方向，是以來自此等方向的聲音稍微減弱來界定泛移函數。

Description

從三維度空間性高階保真立體音響聲頻訊號解碼立體聲擴音器訊號之方法及裝置，以及所用解碼矩陣之決定方法
本發明係關於使用圓圈上取樣點之泛移函數(panning function)，從高階保真立體音響聲頻訊號解碼立體聲擴音器訊號之方法和裝置。
已知對立體聲擴音器或頭戴式受話器裝備的保真立體音響表示法之解碼，可用於第一階保真立體音響，例如J.S.Bamford,J.Vender-kooy合著〈為我等之保真立體音響聲音〉中之方程式(10)，見音響工程協會預刊本，第99屆會議提出論文4138，1995年10月，紐約，以及XiphWiki-Ambisonics http：//wiki.xiph.org/index.php/Ambisonics#Default_channel_conversions_from_B-Format。此等解決方略係根據英國專利394325號揭示之Blumlein立體聲。另一解決 方略是使用模態匹配：M.A.Poletti〈根據球形諧波之三維周圍聲音系統〉，J.Audio Eng.Soc.,vol.53(11),pp.1004-1025，2005年11月。
此等第一階保真立體音響解決方略具有高度負旁波瓣(negative side lobes)，一如根據Blumlein立體聲之保真立體音響解碼器(GB 394325)，其虛擬麥克風有8字形態(參見S.Weinzierl著《聲頻技術手冊》第3.3.4.1節，柏林Springer出版社，2008)，或在前方向之不良局限。以負旁波瓣，例如來自正背後方向之聲音客體，會在左方立體聲擴音器回放。
本發明要解決的問題是，提供具有改進立體聲訊號輸出之保真立體音響訊號解碼。此問題是以申請專利範圍第1和2項揭示之方法解決。利用此等方法之裝置載於申請專利範圍第3項。
本發明記載高階保真立體音響HOA聲頻訊號的立體聲解碼器之處理。所需泛移函數可由擴音器間置設虛擬源之泛移律推衍。對各擴音器，要界定對全部可能輸入方向之所需泛移函數。保真立體音響解碼矩陣之計算，類似J.M.Batke,F.Keiler的相對應說明，見〈使用VBAP衍生之泛移函數於3D保真立體音響解碼〉，第二屆國際保真立體音響和球形聲學會議議事錄，2010年5月6-7日，法國巴黎，URL http：//ambisonics10.ircam.fr/drupal/ files/proceedings/presentations/O14_47.pdf，以及WO 2011/117399 A1。泛移函數係利用圓形諧函數概算，提高保真立體音響位階，所需泛移函數隨著降低誤差。尤其是對介置於擴音器間的前區，可用泛移律，像正切律或向量基準波幅泛移(VBAP)。對於背面超越擴音器位置之方向，使用泛移函數，來自此等方向的聲音稍微減弱。特別情況是使用對背面方向針對擴音器方向的半心臟形態。在本發明中，特別在前區開拓高階保真立體音響之較高空間解像度，而且在背面方向的負旁波瓣減弱，隨保真立體音響位階提高而增加。
本發明亦可用於有二個擴音器以上排成半圓形，或小於半圓之圓形段之擴音器裝備。又可方便對立體音的技巧性混合調降通道數(artistic downmixes)，使有些空間區域接收到更加減弱。此舉有利於創造改進直接音對擴散音之比，以致對話更為清晰。
本發明立體聲解碼器符合若干重要性質：擴音器間前方向之良好局限，所得泛移函數只有小負旁波瓣，以及背方向之輕微減弱。又可減弱或遮蔽空間區域，否則在諦聽二通道版時，會感受到干擾或困擾。
與WO 2011/117399 A1相較之下，所需泛移函數界定為圓形弓段方式，在介入擴音器中間的前區域內，可用公知的泛移處理(例如VBAP或正切律)，而在後方向可稍微減弱。使用第一階保真立體音響解碼器時，此等性質不宜用。
原則上，本發明方法適於從第一階保真立體音響聲頻訊號 a (t)解碼立體聲擴音器訊號 l (t)，該方法包含步驟為：從左、右擴音器的方位角度數，以及從圓圈上虛擬取樣點數 S ，計算含有對全部虛擬取樣點的所需泛移函數之 矩陣 G ，其中，而g L ()和g R ()元素為 S 不同取樣點之泛移函數；決定該保真立體音響聲頻訊號 a (t)的位階 N ；從該數 S 和該位階 N ，計算模態矩陣Ξ，以及該模態矩陣Ξ的相對應擬似反逆Ξ+，其中 ，而係該保 真立體音響聲頻訊號 a (t)的圓形諧向量之複共軛，Y m ()為圓形諧函數；從該矩陣 G 和Ξ+計算解碼矩陣 D = GΞ +；計算擴音器訊號 l (t)= Da (t)。
原則上，本發明方法適於從2-D高階保真立體音響聲頻訊號 a (t)，決定可用於解碼立體聲擴音器訊號 l (t)= Da (t)之解碼矩陣 D ，該方法包含步驟為：接收該保真立體音響聲頻訊號 a (t)之位階 N ；從左、右擴音器的所需方位角度數(,)，以及圓圈上虛擬取樣點數 S ，計算含有對全部虛擬取樣點的所 需泛移函數之矩陣 G ，其中，而g L ()和 g R ()元素為 S 不同取樣點之泛移函數；從該數 S 和該位階 N ，計算模態矩陣Ξ，以及該模態 矩陣Ξ之相對應擬似反逆Ξ+，其中 ，而係該保 真立體音響聲頻訊號 a (t)的圓形諧向量之複共軛，Y m ()為圓形諧函數；從該矩陣 G 和Ξ+計算解碼矩陣 D=GΞ + 。
原則上，本發明裝置適於從高階保真立體音響聲頻訊號 a (t)，解碼立體聲擴音器訊號 l (t)，該裝置包含：適於從左、右擴音器的方位角度數，以及從圓圈上虛擬取樣點數 S ，計算含有對全部虛擬取樣點的所需泛移函 數之矩陣 G 之機構，其中，而g L ()和 g R ()元素為 S 不同取樣點之泛移函數；適於決定該保真立體音響聲頻訊號 a (t)的位階 N 之機構；適於從該數 S 和該位階 N ，計算模態矩陣Ξ，以及該模態矩陣Ξ的相對應擬似反逆Ξ+之機構，其中 ，而係該保 真立體音響聲頻訊號 a (t)的圓形諧向量之複共軛，Y m ()為圓形諧函數；適於從該矩陣 G 和Ξ+計算解碼矩陣 D = GΞ +之機構；適於計算擴音器訊號 l (t)= Da (t)之機構。
本發明有益之其他具體例，載於申請專利範圍各附屬項。
51‧‧‧計算所需泛移函數
52‧‧‧取得位階
53‧‧‧計算模態矩陣
54‧‧‧計算模態擬似反逆
55‧‧‧計算解碼矩陣
56‧‧‧計算擴音器訊號
57‧‧‧3D變換成2D(視情形)
第1圖表示所需泛移函數，擴音器位置，， 第2圖表示極座標上所需泛移函數，擴音器位置， 第3圖表示對N=4所得泛移函數，擴音器位置， 第4圖表示對N=4極座標上所得泛移函數，擴音器位置，，；第5圖為本發明處理之方塊流程圖。
茲參照附圖說明本發明具體例。
解碼處理第一步驟，必須界定諸擴音器的位置。假設諸擴音器與聆聽位置的距離相同，因而擴音器位置是以方位角界定。此方位角以標示，按反時鐘方向測量。左、右擴音器之方位角為和，呈對稱配置。典型度數為。在下述說明中，所有度數可解釋為2π(弧度)整數倍數或360°之偏差值。
圓圈上之虛擬取樣點有待界定。此等為保真立體音響解碼處理中所用虛擬源方向，為此等方向對例如二真實擴音器位置界定所需泛移函數值。虛擬取樣點以 S 標示，相對應方向等距分佈於圓圈周圍，導致 S 應大於2N+1，其中 N 指保真立體音響位階。實驗顯示有益數值為 S=8N 。
左右擴音器所需泛移函數g L ()和g R ()，需加以界定。與WO 2011/117399 A1和上述Batke/Keiler論文之策略相反的是，泛移函數係為複數節而界定，其中諸節使用不同泛移函數。例如，對於使用三節之所需泛移函數：
(a)對二擴音器間之前方向，使用公知泛移律，例如正切律，或等效之向量基準波幅泛移(VBAP)，如V.Pulkki在〈使用向量基準波幅泛移之虛擬聲音源定位〉所述，J.Audio Eng.Society,45(6)，第456-466頁，1997年6月。
(b)對超過擴音器圓圈段位置之方向，界定背方向之稍微減弱，因而此部份泛移函數在擴音器位置大約對立角度，接近零值。
(c)其餘部份之所需泛移函數設定於零，以避免右邊聲音回放到左邊擴音器，和左邊聲音回放到右邊擴音器。
所需泛移函數達到零的點或角度數值，左擴音器界定為，右邊擴音器。左、右擴音器所需泛移函數可表達成為：
泛移函數g L,1()和g R,1()界定擴音器位置間之泛移律，而泛移函數g L,2()和g R,2()典型界定背方向之減弱。在交叉點，應滿足以下性質：
所需泛移函數在虛擬取樣點取樣。含有全部虛擬取樣點所需泛移函數之矩陣界定為：
實質或複值保真立體音響圓形諧函數為Y m ()，其中m=-N,...,N，而 N 為上述保真立體音響位階。圓形諧波係以球形諧波的方位角依賴性部份表示，參見Earl G.Williams〈傅立葉聲學〉，應用學數科學第93卷，學術出版社，1999年。
以實值圓形諧波： 函數典型上以下式界定： 其中和N m 係定標因數，視所用常態化綱要而定。
圓形諧波在向量上組合： 以(．)*標示之複共軛得： 虛擬取樣點之模態矩陣以下式界定： 所得2-D解碼矩陣由下式計算： D=GΞ + (14)Ξ+係矩陣Ξ之擬似反逆。對於方程式(1)內所指定同等分佈的虛擬取樣點，其擬似反逆可改為ΞH定標版，係Ξ之伴隨(轉置和複共軛)。在此情況，解碼矩陣為： D=αGΞ H (15)其中定標因數 α 視圓形諧波之常態化綱要和設計方向數 S 而定。
向量 l (t)代表在時點t的擴音器樣本訊號，由下式計算： l (t)= Da (t) (16)
當使用3維度高階保真立體音響訊號 a (t)為輸入訊號時，施以適當變換為2維度空間，得變換後保真立體音響係數 a' (t)。在此情況，方程式(16)改變成 l (t)= Da' (t)。
亦可界定已包含3D/2D變換之矩陣D 3D ，直接應用於保真立體音響訊號 a (t)。
以下說明之實施例，為立體聲擴音器裝備之泛移函數。介於擴音器位置之間，使用方程式(2)和(3)所得泛移函數g L,1()和g R,1()，以及按照VBAP之泛移增益。 此等泛移函數連續半心臟形態，其最大值在擴音器位置。界定角度和，以便具有在擴音器位置之對立位置：
常態化泛移增益滿足g L,1()=1和g R,1()=1。指向和之心臟形態以下式界定：
為評估解碼，對隨意輸入方向所得泛移函數，由下式求得： W=Dγ (21)其中γ為所考慮輸入方向之模態矩陣。 W 為應用保真立體音響解碼過程時，含有所用輸入方向和所用擴音器位置所用泛移權值之矩陣。
第1和2圖分別繪示所需(即理論上或是完美)泛移函數對照線性角度比例尺以及極座標格式。所得保真立體音響之泛移權值，係為所用輸入方向，使用方程式(21)算出。第3和4圖分別表示為計算保真立體音響位階 N=4，相對應所得泛移函數對照線性角度比例尺，以及極座標格式。就第3和4圖與第1和2圖比較，顯示所需泛移函數很相配，而所得負旁波瓣很小。
以下提供複值球形和圓形諧波由3D變換成2D之例(實值基函數可按類似方式進行)。3D保真立體音響之球形諧波為： 其中n=0,...,N是位階指數，m=-n,...,n是角度指數，Mn,m是視常態化綱要而定之常態化因數，θ為傾角，而(．)是關聯之Legendre函數。對3D情況，以指定之保真立體音響係數，可由式計算2D係數： 使用定標因數：
在第5圖，所需泛移函數之計算步驟51，接收左、右擴音器之方位角和度數，以及虛擬取樣點數 S ，由此按上述計算矩陣 G ，含有全部虛擬取樣點之所需泛移函數值。在步驟52，從保真立體音響訊號a(t)推算位階 N 。在步驟53，根據方程式(11)至(13)，從 S 和 N 計算模態矩陣Ξ。步驟54計算矩陣Ξ計算擬似反逆Ξ+。在步驟55，按照方程式(15)，從矩陣 G 和Ξ+計算解碼矩陣 D 。在步驟56，使用解碼矩陣 D ，從保真立體音響訊號a(t)計算擴音器訊號l(t)。若保真立體音響輸入訊號a(t)為三維度空間訊號，在步驟57進行3D變換為2D，而步驟56接收2D保真立體音響訊號a'(t)。

Claims (15)

  1. 一種用於將經編碼的高階保真立體音響(HOA)聲頻訊號解碼之方法，所述方法包含：接收所述經編碼的HOA聲頻訊號；決定包含2D擴音器設定的轉列設定，並且選擇用於所述2D擴音器設定的解碼矩陣 D ；以及藉由至少一個處理器，基於所述解碼矩陣 D 來將所述經編碼的HOA聲頻訊號解碼並且轉列，其中所述解碼矩陣 D 係基於矩陣 G 與矩陣Ξ + ，其中所述矩陣 G 包含所有虛擬取樣點的期望泛移函數值，並且係基於所述經編碼的HOA聲頻訊號的位階 N 且基於擴音器的方位角度數與球面上的虛擬取樣點的數目 S ，其中所述擴音器的方位角度數界定對應的擴音器位置，以及其中所述矩陣Ξ + 係基於所述數目 S 與所述經編碼的HOA聲頻訊號的所述位階 N 。
  2. 如申請專利範圍第1項的方法，其中所述泛移函數係界定用於所述球面上的多個節，且對於所述多個節使用不同的泛移函數。
  3. 如申請專利範圍第1項的方法，其中對於介置於所述擴音器間的前區，使用正切律或向量基準波幅泛移VBAP做為泛移律。
  4. 如申請專利範圍第1項的方法，其中對於超出所述擴音器位置之後面方向，使用具有將來自此等方向的聲音減弱之泛移函數。
  5. 如申請專利範圍第1項的方法，其中兩個以上的擴音器被放置在所述球面的節上。
  6. 如申請專利範圍第1項的方法，其中 S=8N 。
  7. 如申請專利範圍第1項的方法，其中在同等分佈的虛擬取樣點的情況下，所述解碼矩陣 D 係由解碼矩陣 D=αGΞ H 來替換，其中Ξ H 係Ξ之伴隨，以及定標因數α取決於圓形諧波之常態化綱要與 S 。
  8. 一種用於將經編碼的高階保真立體音響(HOA)聲頻訊號解碼之設備，所述設備包含：至少一輸入，適配以接收所述HOA聲頻訊號；至少一處理器，配置以決定包含2D擴音器設定的轉列設定，並且選擇用於所述2D擴音器設定的解碼矩陣 D ；以及基於所述解碼矩陣 D 來將所述經編碼的HOA聲頻訊號解碼並且轉列，其中所述解碼矩陣 D 係基於矩陣 G 與矩陣Ξ + ，其中所述矩陣 G 包含所有虛擬取樣點的期望泛移函數值，並且係基於所述經編碼的HOA聲頻訊號的位階 N 且基於擴音器的方位角度數與球面上的虛擬取樣點的數目 S ，其中所述擴音器的方位角度數界定對應的擴音器位置，以及其中所述矩陣Ξ + 係基於所述數目 S 與所述經編碼的HOA聲頻訊號的所述位階 N 。
  9. 如申請專利範圍第8項的設備，其中所述泛移函數係界定用於所述球面上的多個節，且對於所述多個節使用不同的泛移函數。
  10. 如申請專利範圍第8項的設備，其中對於介置於所述擴音器間的前區，使用正切律或向量基準波幅泛移VBAP做為泛移律。
  11. 如申請專利範圍第8項的設備，其中對於超出所述擴音器位置之後面方向，使用具有將來自此等方向的聲音減弱之泛移函數。
  12. 如申請專利範圍第8項的設備，其中兩個以上的擴音器被放置在所述球面的節上。
  13. 如申請專利範圍第8項的設備，其中 S=8N 。
  14. 如申請專利範圍第8項的設備，其中在同等分佈的虛擬取樣點的情況下，所述解碼矩陣 D 係由解碼矩陣 D=αGΞ H 來替換，其中Ξ H 係Ξ之伴隨，以及定標因數α取決於圓形諧波之常態化綱要與 S 。
  15. 一種用於處理音頻訊號的電腦程式產品，所述電腦程式產品係實質地儲存在非暫態電腦可讀取媒體上並且包含機器可執行指令，當所述機器可執行指令被執行時，致使所述機器用以執行如申請專利範圍第1項的方法的步驟。
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