專利名稱：三揚(yáng)聲器虛擬5.1通路環(huán)繞聲的信號處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及5.1通路環(huán)繞聲技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三揚(yáng)聲器虛擬5.1通路環(huán)繞聲的信號處理方法。
背景技術(shù)：
5.1通路系統(tǒng)已被推薦為環(huán)繞聲的國際標(biāo)準(zhǔn)，并已被廣泛應(yīng)用于家用聲重發(fā)。它采用前方左L0、中C0、右R0以及左環(huán)繞LS0、右環(huán)繞RS0共五個獨(dú)立的全頻帶通路及揚(yáng)聲器，再加上一路可選擇的低頻效果通路LFE0，從而重發(fā)出環(huán)繞傾聽者的聲音聽覺效果。按國際電信聯(lián)盟(ITU)推薦的標(biāo)準(zhǔn)，各揚(yáng)聲器的方位角分別為(水平面內(nèi)坐標(biāo)選取為-180°＜θ≤180°，θ＝0°為正前方，θ＝90°為正左方)θL＝30°θR＝-30°θC＝0°θLS＝110°θRS＝-110° (1)但是5.1通路系統(tǒng)需要多個獨(dú)立的揚(yáng)聲器，較為復(fù)雜。而對于電視及多媒體計(jì)算機(jī)等應(yīng)用，以及由于室內(nèi)條件的限制，有時并不一定適合布置環(huán)繞聲的多個揚(yáng)聲器。
近年，國外有人提出了5.1通路環(huán)繞聲的兩揚(yáng)聲器虛擬重發(fā)系統(tǒng)，如圖1所示。其基本原理是將(來自DVD等的)5.1通路信號經(jīng)過頭相關(guān)傳輸函數(shù)(HRTF)進(jìn)行信號處理和混合后(這里略去了低頻效果通路LFE0，事實(shí)上，對LFE通路信號的處理和C0信號是類似的)，變成兩通路信號，再利用一對布置在前方±30°的真實(shí)左、右揚(yáng)聲器進(jìn)行重發(fā)，從而將多通路系統(tǒng)的其它揚(yáng)聲器虛擬出來，達(dá)到節(jié)省揚(yáng)聲器，簡化系統(tǒng)的目的。這類系統(tǒng)普遍存在一定的缺陷，特別是聽音區(qū)域較窄。
為了擴(kuò)大聽音區(qū)域，O.Kirkeby提出一種稱為“立體聲偶極”的虛擬重發(fā)系統(tǒng)，它的基本原理和兩揚(yáng)聲器虛擬重發(fā)系統(tǒng)一樣，但將左、右揚(yáng)聲器布置在±5°的位置上。由于“立體聲偶極”需要對信號的低頻部分作較大的提升，信號處理較為困難。
而J.L.Bauck和D.H.Copper提出采用前方左、中、右三個全頻帶揚(yáng)聲器的三揚(yáng)聲器虛擬重發(fā)系統(tǒng)，如圖2所示。其基本原理是將(來自DVD等的)5.1通路信號經(jīng)過頭相關(guān)傳輸函數(shù)(HRTF)進(jìn)行信號處理和混合后，變成三通路信號，再利用前方布置在±30°和0°的真實(shí)的左、右、中置揚(yáng)聲器進(jìn)行重發(fā)。雖然三揚(yáng)聲器系統(tǒng)可提高虛擬聲像的穩(wěn)定性，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于正前方已放置了電視機(jī)(或計(jì)算機(jī)的顯示器)，再布置一個全頻帶的中置揚(yáng)聲器較困難，通常只能將中置揚(yáng)聲器布置在電視機(jī)的上方。但這經(jīng)常會導(dǎo)致中置與左右揚(yáng)聲器不在同一水平面上，以及中置揚(yáng)聲器系統(tǒng)的高低音單元不在正前方的位置，這些都會影響重發(fā)聲像的定位。
J.L.Bauck提出采用兩對不同張角的揚(yáng)聲器的虛擬重發(fā)系統(tǒng)，如圖3所示。其中張角較大(如布置在電視機(jī)兩邊)的一對揚(yáng)聲器重發(fā)低頻虛擬聲信號，另一對體積較小(布置在電視機(jī)上方)的“立體聲偶極”重發(fā)高頻虛擬聲信號。雖然這種重發(fā)方法改善了高頻聲像的穩(wěn)定性，但信號處理和揚(yáng)聲器布置較為復(fù)雜，且不易與普通立體聲兼容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種三揚(yáng)聲器虛擬5.1通路環(huán)繞聲的信號處理方法，本發(fā)明采用高頻中置揚(yáng)聲器，該方法能擴(kuò)大重發(fā)時的聽音區(qū)域，在電視、多媒體計(jì)算機(jī)等實(shí)際應(yīng)用中揚(yáng)聲器也易于布置，同時也和普通立體聲兼容。
本發(fā)明的三揚(yáng)聲器虛擬5.1通路環(huán)繞聲的信號處理方法，包括如下步驟第一步輸入原始的5.1通路信號左通路信號L0、右通路信號R0、中心通路信號C0、左環(huán)繞通路信號LS0、右環(huán)繞通路信號RS0、低頻效果通路信號LFE0；第二步將原始的左、右通路信號L0、R0分別直接饋到左、右全頻帶揚(yáng)聲器的信號混合器；第三步將原始的中心通路信號C0經(jīng)傳輸函數(shù)為HHP的高通濾波后饋到高頻中置揚(yáng)聲器的信號混合器，以直接產(chǎn)生高頻的前方聲像；而中心通路信號C0經(jīng)過傳輸函數(shù)為HLP的低通濾波和-3dB衰減后，同時饋給左、右全頻帶揚(yáng)聲器的信號混合器，以合成低頻的前方聲像；第四步原始的左環(huán)繞通路信號LS0經(jīng)過虛擬處理，也就是分別與三個從水平面90°頭相關(guān)傳輸函數(shù)得到的函數(shù)A’(90°，ω)、B’(90°，ω)、D’(90°，ω)進(jìn)行頻域相乘，得到三個信號A’(90°，ω)LS0、B’(90°，ω)LS0、D’(90°，ω)LS0，然后分別饋到左、右全頻帶揚(yáng)聲器和高頻中置揚(yáng)聲器的信號混合器，虛擬出90°方向的左環(huán)繞揚(yáng)聲器；第五步原始的右環(huán)繞通路信號RS0經(jīng)過虛擬處理，也就是分別與三個從水平面-90°頭相關(guān)傳輸函數(shù)得到的函數(shù)A’(-90°，ω)、B’(-90°，ω)、D’(-90°，ω)進(jìn)行頻域相乘，得到三個信號A’(-90°，ω)RS0、B’(-90°，ω)RS0、D’(-90°，ω)RS0，然后分別饋到左、右全頻帶揚(yáng)聲器和高頻中置揚(yáng)聲器的信號混合器，虛擬出-90°方向的右環(huán)繞揚(yáng)聲器；第六步原始的低頻效果通路信號LFE0經(jīng)-3dB衰減后，同時饋給左、右全頻帶揚(yáng)聲器的信號混合器；第七步分別對饋給左、右全頻帶揚(yáng)聲器和高頻中置揚(yáng)聲器的輸入信號進(jìn)行混合(相加)，得到L″、R″、C″三個信號，然后分別饋給布置在±30°的左、右全頻帶揚(yáng)聲器和0°的高頻中置揚(yáng)聲器重發(fā)。
本發(fā)明的原理是在采用揚(yáng)聲器的虛擬聲重發(fā)中，傾聽者偏離理想的聽音位置時，雙耳處的迭加聲壓將會改變。但對一定偏離距離，由于低頻聲波的波長較長，雙耳處迭加聲壓的相位改變較少，因而引起的聲像畸變較少；反之高頻聲波的波長較短，聲像畸變較大。本發(fā)明提出對高頻部分信號，采用左、中、右三個揚(yáng)聲器重發(fā)，以提高聲像的穩(wěn)定性，擴(kuò)大聽音區(qū)域。低頻部分信號是由左、右兩揚(yáng)聲器重發(fā)，由于低頻聲像隨傾聽者的位置漂移較少，所以也可以接受。實(shí)際應(yīng)用中，可采用兩個全頻帶的左、右揚(yáng)聲器，而中置揚(yáng)聲器可采用體積較小的高頻揚(yáng)聲器，這樣也容易布置(如中置揚(yáng)聲器布置在電視機(jī)的上方)。同時，對于低頻信號，由于左、右揚(yáng)聲器之間的張角不至于太小(相對立體偶極而言)，因而不會給信號處理帶來太大的困難，并且與普通的雙通路立體聲的揚(yáng)聲器布置兼容。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果1.本發(fā)明對來自DVD等的5.1通路環(huán)繞聲的5+1個獨(dú)立原始(也可以是Dolby Surround的四路)信號進(jìn)行處理后，用前方一對真實(shí)的左、右全頻帶揚(yáng)聲器和一個高頻中置揚(yáng)聲器進(jìn)行重發(fā)，可產(chǎn)生整個前半平面的環(huán)繞聲效果，從而達(dá)到節(jié)省重發(fā)揚(yáng)聲器的目的；2.本發(fā)明將重發(fā)虛擬環(huán)繞聲的一對左、右全頻帶揚(yáng)聲器布置在±30°的位置，并采用高頻中置揚(yáng)聲器，該布置可擴(kuò)大聽音區(qū)域，方便于實(shí)際應(yīng)用，信號處理也簡單可行，并且與普通的雙通路立體聲的揚(yáng)聲器布置兼容，這種新的揚(yáng)聲器布置特別適用于電視和多媒體計(jì)算機(jī)的應(yīng)用；3.本發(fā)明可采用通用信號處理芯片(DSP硬件)電路或?qū)Ｓ玫募呻娐穼?shí)現(xiàn)，也可采用算法語言(如VC++)編制的軟件在多媒體計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)；
4.本發(fā)明可作為算法寫入專用硬件芯片，用于DVD、電視(包括DTV和HDTV)、家庭影院等方面的聲音重發(fā)，也可作為硬件或軟件用在多媒體計(jì)算機(jī)的聲音重發(fā)。


圖1是5.1通路環(huán)繞聲的兩揚(yáng)聲器虛擬重發(fā)系統(tǒng)；圖2是三揚(yáng)聲器虛擬聲重發(fā)系統(tǒng)；圖3是兩對不同張角的揚(yáng)聲器的虛擬重發(fā)系統(tǒng)；圖4是本發(fā)明的三揚(yáng)聲器虛擬5.1通路環(huán)繞聲的信號處理方法的原理圖；圖5是圖4中5.1通路環(huán)繞聲的揚(yáng)聲器布置及揚(yáng)聲器到雙耳的傳輸示意圖；圖6是采用高頻中置揚(yáng)聲器虛擬聲的原理圖；圖7是本發(fā)明的信號處理流程和揚(yáng)聲器布置圖；圖8是信號處理軟件的流程圖；圖9是聲像定位的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步地說明。
圖4是本發(fā)明的三揚(yáng)聲器虛擬5.1通路環(huán)繞聲的信號處理方法的原理圖，它對輸入的5.1通路環(huán)繞聲信號進(jìn)行虛擬處理后，用一對布置在前方±30°的左、右全頻帶揚(yáng)聲器和一個布置在正前方0°的高頻中置揚(yáng)聲器重發(fā)。
對于5.1通路環(huán)繞聲原始的左、右通路信號L0和R0，本發(fā)明是分別直接饋給左、右全頻帶揚(yáng)聲器，以產(chǎn)生前方范圍的立體聲像分布。
對于5.1通路環(huán)繞聲原始的中心通路信號C0，本發(fā)明利用高通和低通濾波器將其高頻和低頻部分分開。其中高頻部分是直接饋給高頻中置揚(yáng)聲器重發(fā)，而低頻部分經(jīng)-3dB衰減后同時饋給左、右全頻帶揚(yáng)聲器重發(fā)(衰減-3dB是為保證信號的功率守恒)，以產(chǎn)生正前方的虛擬聲像。
對于5.1通路環(huán)繞聲原始的低頻效果通路信號LFE0，本發(fā)明是經(jīng)-3dB衰減后同時饋給左、右全頻帶揚(yáng)聲器重發(fā)。
對于5.1通路環(huán)繞聲原始的左、右環(huán)繞通路信號LS0、RS0，本發(fā)明提出利用高通和低通濾波器將其高頻和低頻部分分開。對信號的低頻部分，采用左、右兩真實(shí)的全頻帶揚(yáng)聲器進(jìn)行虛擬重發(fā)；對信號的高頻部分，采用左、右全頻帶揚(yáng)聲器和高頻中置揚(yáng)聲器進(jìn)行虛擬重發(fā)，也就是利用左、右全頻帶揚(yáng)聲器和高頻中置揚(yáng)聲器將兩個環(huán)繞揚(yáng)聲器虛擬出來。由于左、右環(huán)繞通路信號LS0、RS0的低頻和高頻部分分別用兩個和三個揚(yáng)聲器進(jìn)行虛擬重發(fā)，因而信號的高、低頻部分的處理是不同的。
圖5是圖4中5.1通路環(huán)繞聲的揚(yáng)聲器布置及揚(yáng)聲器到雙耳的傳輸示意圖。以左環(huán)繞通路信號LS0為例，在真實(shí)的5.1通路環(huán)繞聲重發(fā)中，布置在θ＝θLS方向的左環(huán)繞揚(yáng)聲器到雙耳的頻域傳輸函數(shù)(HRTF)分別為HlLS、HrLS，它產(chǎn)生的雙耳聲壓PL，PR分別為PL＝HlLSLS0PR＝HrLSLS0(2)本發(fā)明中，左環(huán)繞通路信號LS0的低頻部分由布置在±30°的左、右全頻帶揚(yáng)聲器虛擬重發(fā)。設(shè)左、右全頻帶揚(yáng)聲器到傾聽者雙耳的四個頻域傳輸函數(shù)(HRTF)分別為H11、Hrl、H1r、Hrr(如圖1所示)，左、右全頻帶揚(yáng)聲器的信號分別為L、R，那么傾聽者雙耳處的聲壓為PL′＝HllL+HlrRPR′＝HrlL+HrrR (3)如果適當(dāng)選擇L和R，使得全頻帶揚(yáng)聲器重發(fā)時的雙耳聲壓與單聲源時的情況相等，也就是(2)式與(3)式相等，就可在聽覺中虛擬出θLS方向的左環(huán)繞揚(yáng)聲器(聲像)?？紤]到揚(yáng)聲器布置和人類聽覺器官的左右對稱性，可設(shè)Hll＝Hrr＝α，Hlr＝Hrl＝β，由此可得L=αHlLS-βHrLSα2-β2LS0---R=αHrLS-βHlLSα2-β2LS0---(4)]]>因而在兩揚(yáng)聲器重發(fā)中，只要對輸入的左環(huán)繞通路信號LS0的低頻部分按上式進(jìn)行處理即可得到相應(yīng)方向的(低頻)虛擬揚(yáng)聲器。
本發(fā)明中，左環(huán)繞通路信號LS0的高頻部分由左、右、中三個真實(shí)揚(yáng)聲器進(jìn)行虛擬重發(fā)。設(shè)新增加的高頻中置揚(yáng)聲器到傾聽者左、右耳的傳輸函數(shù)為HlC＝HrC＝γ(如圖2所示)，和(4)式的推導(dǎo)類似，可以證明，當(dāng)輸入的左環(huán)繞通路信號LS0的高頻部分按下式處理(式中α，β同(4)式，*號表示復(fù)數(shù)共軛)，并饋給三個揚(yáng)聲器，即可在聽覺中產(chǎn)生θLS方向的虛擬左環(huán)繞揚(yáng)聲器L′＝(XHlLS+YHrLS)LS0C′＝Z(HlLS+HrLS)LS0R′＝(YHlLS+XHrLS)LS0(5)X=Mα*-Pβ*M2-P2---Y=Mβ*-Pα*M2-P2---Z=Qγ*M2-P2---(6)]]>M＝|α|2+|β|2+|γ|2P＝|γ|2+αβ*+βα*Q＝|α|2+|β|2-αβ*-βα*圖6是采用高頻中置揚(yáng)聲器虛擬聲的原理圖。輸入的左環(huán)繞通路信號LS0經(jīng)低通和高通濾波器后，分別按(4)和(5)式進(jìn)行兩揚(yáng)聲器和三揚(yáng)聲器虛擬聲信號處理，分別得到兩組信號L、R和L’、R’、C’，再把它們混合后饋給揚(yáng)聲器。設(shè)低通和高通濾波器的頻域傳輸函數(shù)分別為HLP(ω，ω0)、HHP(ω，ω0)，ω0為濾波器的分頻角頻率。由圖5和(4)、(5)兩式，實(shí)際重發(fā)中饋給左、右和中置三個揚(yáng)聲器的信號分別為L′′=L+L′=[αHlLS-βHrLSα2-β2HLP(ω,ω0)+(XHlLS+YHrLS)HHP(ω,ω0)]LS0]]>R′′=R+R′=[αHrLS-βHlLSα2-β2HLP(ω,ω0)+(YHlLS+XHrLS)HHP(ω,ω0)]LS0]]>C″＝C′＝[Z(HlLS+HrLS)HHP(ω，ω0)]LS0(7)其中，X、Y、Z由(6)式給出。
低通和高通濾波器的設(shè)計(jì)與通常的揚(yáng)聲器系統(tǒng)的分頻網(wǎng)絡(luò)類似。它們的傳輸函數(shù)為|HLP|=11+(ω/ω0)2n---|HHP|=(ω/ω0)n1+(ω/ω0)2n---|HLP|2+|HHP|2=1---(8)]]>n為濾波器的階數(shù)(這里取n＝6)，在ω＝ω0時，濾波器有-3dB衰減，而右邊的式表明濾波器的輸出總功率與頻率無關(guān)。
(7)式還可以寫成以下的形式L″＝A(θLS，ω)LS0R″＝B(θLS，ω)LS0C″＝D(θLS，ω)LS0(9)其中A(θLS，ω)、B(θLS，ω)和D(θLS，ω)分別表示(7)式給出的三個公式中方括號內(nèi)的量。
(9)式表明，輸入的左環(huán)繞通路信號LS0分別與A(θLS，ω)、B(θLS，ω)、D(θLS，ω)三個函數(shù)進(jìn)行頻域相乘后即可得到L″、R″和C″，將它們分別饋給左、右全頻帶揚(yáng)聲器和高頻中置揚(yáng)聲器后，即可虛擬出θLS方向的左環(huán)繞揚(yáng)聲器。而A、B、D三個函數(shù)是和擬產(chǎn)生的虛擬環(huán)繞揚(yáng)聲器方向θLS有關(guān)的。事實(shí)上，(9)式相當(dāng)于把圖4的信號處理的頻率分頻、兩揚(yáng)聲器和三揚(yáng)聲器虛擬處理、信號混合等步驟合在一起進(jìn)行。由于圖4的系統(tǒng)是線性系統(tǒng)，這顯然是可行的。
用類似的方法，只要將輸入的右環(huán)繞通路信號RS0分別與A(θRS，ω)、B(θRS，ω)、D(θRS，ω)三個函數(shù)進(jìn)行頻域相乘后可得到L″、R″和C″，將它們分別饋給左、右全頻帶揚(yáng)聲器和高頻中置揚(yáng)聲器后，即可虛擬出θRS方向的右環(huán)繞揚(yáng)聲器。而A、B、C三個函數(shù)只要在(7)式方括號內(nèi)的量中，將HlLS、HrLS換為HlRS、HrRS(布置在θ＝θRS方向的右環(huán)繞揚(yáng)聲器到雙耳的頻域傳輸函數(shù))即可。
至于虛擬環(huán)繞揚(yáng)聲器布置角度θLS、θRS的選擇，由于在虛擬重發(fā)中，利用前半平面的揚(yáng)聲器布置是不可能產(chǎn)生穩(wěn)定的后半平面聲像的，后半平面聲像會出現(xiàn)在前半平面的鏡像位置上。作為一種妥協(xié)的方法，本發(fā)明為確保前半平面±90°范圍內(nèi)的聲像，將兩個環(huán)繞揚(yáng)聲器虛擬在±90°的方向而不是±110°方向上。事實(shí)上，按Dolby實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際的5.1通路環(huán)繞聲重發(fā)中，當(dāng)房間條件受到限制時，是可以將兩個環(huán)繞揚(yáng)聲器前移到±90°的方向的。
但是(9)式的信號處理是和頻率有關(guān)的，因而會引起重發(fā)的音色改變。為了減少重發(fā)中音色的改變，本發(fā)明還引入了對音色進(jìn)行重新均衡的信號處理。由于在立體聲的揚(yáng)聲器重發(fā)中，聲像位置只是由通路信號間的相對振幅和相對相位所決定的，各通路的信號同時乘(除)以一個頻率的函數(shù)并沒有改變信號的相對振幅和相位關(guān)系，因而不會引起虛擬聲像位置的改變。但這種處理改變了系統(tǒng)輸出的總功率譜，因而就改變了音色?？衫眠@種方法對音色進(jìn)行重新均衡。以左環(huán)繞通路信號LS0為例，在(9)式的信號處理中，如果各式同時除以一個因子(|A|2+|B|2+|D|2)1/2，則可得到經(jīng)過均衡后的重發(fā)信號L″＝A′(θLS，ω)LS0R″＝B′(θLS，ω)LS0C″＝D′(θLS，ω)LS0(10)其中(11)A′(θLS,ω)=A(θLS,ω)|A(θLS,ω)|2+|B(θLS,ω)|2+|D(θLS,ω)|2]]>B′(θLS,ω)=B(θLS,ω)|A(θLS,ω)|2+|B(θLS,ω)|2+|D(θLS,ω)|2]]>D′(θLS,ω)=D(θLS,ω)|A(θLS,ω)|2+|B(θLS,ω)|2+|D(θLS,ω)|2]]>可以看出，(10)式的信號滿足|L″|2+|R″|2+|C″|2＝|LS0|2(12)所以經(jīng)過均衡后，各通路信號的總功率將等于或正比于原始左環(huán)繞通路信號LS0的功率|LS0|2，而信號處理不會引起音色的改變。
類似地，也可對右環(huán)繞通路信號RS0的信號處理進(jìn)行音色均衡。只要在(10)和(11)式中，將參數(shù)θLS換為θRS即可。
圖7是本發(fā)明的信號處理流程和揚(yáng)聲器布置圖。本發(fā)明可以利用通用的信號處理芯片所做成的硬件電路實(shí)現(xiàn)，也可以設(shè)計(jì)成專用的集成電路芯片實(shí)現(xiàn)，還可以設(shè)計(jì)成軟件在多媒體計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明可用于DVD、電視、家庭影院、多媒體計(jì)算機(jī)等方面。
實(shí)施例一 DVD與電視的應(yīng)用將DVD解碼輸出或從數(shù)字電視廣播得到的5.1通路環(huán)繞聲(數(shù)字)信號按圖7的方法進(jìn)行虛擬處理后，得到三路信號L″、R″和C″，然后分別饋給一對前方±30°的全頻帶揚(yáng)聲器和一個布置在正前方(電視機(jī)上方)的高頻中置揚(yáng)聲器，重發(fā)出環(huán)繞聲的效果。其中，虛擬信號處理可作為DVD機(jī)內(nèi)的一部分硬件電路，也可作為電視機(jī)的一部分硬件電路。
實(shí)施例二 家庭影院的應(yīng)用將DVD解碼輸出的5.1通路環(huán)繞聲(數(shù)字)信號饋給家庭影院的放大器，圖7的虛擬信號處理是作為放大器內(nèi)的一部分功能電路。得到三路信號L″、R″和C″，然后分別饋給外接的全頻帶左、右和高頻中置揚(yáng)聲器進(jìn)行重發(fā)。
實(shí)施例三 多媒體計(jì)算機(jī)的應(yīng)用由計(jì)算機(jī)的DVD-ROM讀取，并經(jīng)解碼得到5.1通路環(huán)繞聲(數(shù)字)信號，然后用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)行圖7的虛擬信號處理，也可以在計(jì)算機(jī)的聲卡上用專用的硬件電路實(shí)現(xiàn)，得到三路信號L″、R″和C″，由聲卡輸出到外接的全頻帶左、右和高頻中置揚(yáng)聲器進(jìn)行重發(fā)。
本發(fā)明具體介紹用軟件在多媒體計(jì)算機(jī)上的實(shí)現(xiàn)信號處理所用的頭相關(guān)傳輸函數(shù)HRTF可通過理論計(jì)算或?qū)嶒?yàn)測量得到，這里所用的HRTF函數(shù)采樣頻率為是44.1kHz，長度512點(diǎn)(也可以是256點(diǎn)或128點(diǎn))，分辨率16bit，自由場均衡。
圖8是信號處理軟件的流程圖，信號處理過程就是(從DVD-ROM或硬盤)讀入原始的5.1通路環(huán)繞聲信號，在對它進(jìn)行虛擬處理后，饋給揚(yáng)聲器重發(fā)。假定5.1通路環(huán)繞聲的原始信號是時域的數(shù)字信號第一步在DVD-ROM中讀入原始的5.1通路時域信號，記為l0、r0、c0、ls0、rs0、lfe0。
第二步利用FFT算法將5.1通路時域信號轉(zhuǎn)換為原始的頻域信號左通路信號L0、右通路信號R0、中心通路信號C0、左環(huán)繞通路信號LS0、右環(huán)繞通路信號RS0、低頻效果通路信號LFE0，并存入緩存器。
第三步將原始的中心通路信號C0與高通濾波器的傳輸函數(shù)HHP相乘，得到HHPC0；將原始的中心通路信號C0與低通濾波器的傳輸函數(shù)HLP相乘，并乘0.707，得到0.707 HLPC0。
第四步將原始的低頻效果通路信號LFE0乘0.707，得到0.707 LFE0。
第五步將原始的左環(huán)繞通路信號LS0分別與頻域函數(shù)A’(90°，ω)、B’(90°，ω)、D’(90°，ω)進(jìn)行相乘，得到A’(90°，ω)LS0、B’(90°，ω)LS0、D’(90°，ω)LS0。
第六步將原始的右環(huán)繞通路信號RS0分別與頻域函數(shù)A’(-90°，ω)、B’(-90°，ω)、D’(-90°，ω)進(jìn)行頻域相乘，得到A’(-90°，ω)RS0、B’(90°，ω)RS0、D’(90°，ω)RS0。
第七步將左通路信號L0、0.707 HLPC0、A’(90°，ω)LS0、A’(-90°，ω)RS0、0.707 LFE0相加，得到L″。
第八步右通路信號R0、0.707 HLPC0、B’(90°，ω)LS0、B’(-90°，ω)RS0、0.707 LFE0相加，得到R″。
第九步將HHPC0、D’(90°，ω)LS0、D’(-90°，ω)RS0相加，得到C″。
第十步將L″、R″、C″三個信號分別用IFFT變換到時域，并經(jīng)D/A變換為模擬信號，饋給揚(yáng)聲器。
如上所述，即可較好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
用聲像定位實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明的實(shí)際效果。用軟件(Cooledit Pro 1.2)在計(jì)算機(jī)聲頻工作站中產(chǎn)生原始的5.1通路信號，信號采樣頻率為44.1kHz，量化精度為16bit，并存在硬盤上。由于在原始的5.1通路系統(tǒng)中，信號是通過分立一對的方法饋給揚(yáng)聲器的，也就是將信號只饋給某一揚(yáng)聲器而其它揚(yáng)聲器的信號為零，利用單一揚(yáng)聲器產(chǎn)生其方向上的聲像。而將信號(同相位)饋給一對相鄰的揚(yáng)聲器，利用信號的聲級差產(chǎn)生這對揚(yáng)聲器之間的聲像。例如將信號饋給圖5的前方C0揚(yáng)聲器(0°)和L0揚(yáng)聲器(30°)，而其它揚(yáng)聲器信號為零，通過調(diào)節(jié)中心通路信號C0和左通路信號L0的振幅比(聲級差)，就可以得到這對揚(yáng)聲器之間的聲像。因此，在本發(fā)明中也是按分立--對的方法產(chǎn)生具有不同的通路聲級差的原始5.1通路信號。
將原始的5.1通路信號按圖7進(jìn)行虛擬信號處理后，饋給左、右和高頻中置三個真實(shí)揚(yáng)聲器進(jìn)行重發(fā)。實(shí)驗(yàn)在一混響時間為0.15s的聽音室內(nèi)進(jìn)行，揚(yáng)聲器布置在半徑為2.0m的圓周上，其中左、右揚(yáng)聲器布置張角分別取±15°和±30°兩種情況。信號處理所用的HRTF采用的剛球模型計(jì)算所得的數(shù)據(jù)。而高通和低通濾波器的分頻點(diǎn)f0＝300Hz。實(shí)驗(yàn)所用的是語言信號(普通話男聲)，信號時間長度為20秒。
實(shí)驗(yàn)時，讓傾聽者判斷具有不同的通路聲級差的5.1原始通路信號在虛擬重發(fā)時的聲像位置，取八名傾聽者的平均值作為最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并算出相應(yīng)的均方差σ。
由于重發(fā)虛擬聲的左、右全頻帶揚(yáng)聲器的位置與原始的5.1通路系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)完全一致(見(1)式)，并不需要虛擬的方法。因而對于前方(0°≤θI≤30°)聲像，是由兩個±30°真實(shí)揚(yáng)聲器和一個正前方(0°)的高頻(真實(shí))揚(yáng)聲器產(chǎn)生，其原理和普通的聲級差型立體聲類似，并且過去研究已有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在此就不再重復(fù)。
5.1通路環(huán)繞聲的側(cè)向聲像是通過左通路和左環(huán)繞通路產(chǎn)生的，在原始的5.1通路信號中，左通路信號L0、左環(huán)繞通路信號LS0不為零，而其他通路的信號R0＝C0＝RS0＝0。而對虛擬重發(fā)的情況，側(cè)向聲像是由位于30°的真實(shí)揚(yáng)聲器和90°的虛擬揚(yáng)聲器共同產(chǎn)生。通過調(diào)節(jié)原始通路信號的聲級差d＝20log(LS0/L0)(dB)，可產(chǎn)生不同方向的側(cè)向聲像。圖9是聲像定位的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，它給出了虛擬重發(fā)的側(cè)向聲像方向θI的實(shí)驗(yàn)值和均方差。為比較，圖9中還給出了用以下的多通路環(huán)繞聲聲像定位公式計(jì)算所得到的，把左通路信號L0、左環(huán)繞通路信號LS0饋給假設(shè)布置于30°和90°揚(yáng)聲器的聲像位置的理論值。
sinθI=0.5L0+LS0L0+LS0---(13)]]>由圖9可以看出，在原始通路信號聲級差d＝20log(LS0/L0)由-24dB變化到24dB的過程中，聲像位置的實(shí)驗(yàn)值和(13)式的理論值(理想值)的變化趨勢是一致的(當(dāng)d由-∞dB連續(xù)變化到+∞dB時，θI的理論值由+30°連續(xù)變化到+90°)，但數(shù)值上有一定的差別。特別是側(cè)向聲像，實(shí)驗(yàn)值較理論值向前方偏移。例如，對d＝24dB，θI的理論值為76.2°，實(shí)驗(yàn)值為64.0°。側(cè)向聲像位置畸變主要是由實(shí)際的傾聽者的頭部尺寸與虛擬聲信號處理所用頭部模型的尺寸的差別引起的。
對真正的5.1通路環(huán)繞聲重發(fā)，后方聲像是通過布置在±110°左、右環(huán)繞揚(yáng)聲器產(chǎn)生。但在虛擬重發(fā)中，布置在前半平面的真實(shí)揚(yáng)聲器是不能產(chǎn)生穩(wěn)定的后半平面的聲像的。事實(shí)上，在真正的5.1通路環(huán)繞聲重發(fā)中，如果將兩個環(huán)繞揚(yáng)聲器布置在±90°的方向上，也不能產(chǎn)生穩(wěn)定的后半平面聲像。因此這里沒有給出虛擬重發(fā)時后方聲像的定位結(jié)果。
本發(fā)明用前方一對真實(shí)的左、右全頻帶揚(yáng)聲器和一個高頻中置揚(yáng)聲器進(jìn)行重發(fā)，可產(chǎn)生整個前半平面的環(huán)繞聲效果，從而達(dá)到節(jié)省重發(fā)揚(yáng)聲器的目的；另外本發(fā)明將重發(fā)虛擬環(huán)繞聲的一對左、右全頻帶揚(yáng)聲器布置在±30°的位置，并采用高頻中置揚(yáng)聲器，該布置可擴(kuò)大聽音區(qū)域，方便于實(shí)際應(yīng)用，信號處理也簡單可行，并且與普通的雙通路立體聲的揚(yáng)聲器布置兼容，這種新的揚(yáng)聲器布置特別適用于電視和多媒體計(jì)算機(jī)的應(yīng)用。
本發(fā)明的研究得到《國家自然科學(xué)基金，編號10374031》的資助。
權(quán)利要求
1.一種三揚(yáng)聲器虛擬5.1通路環(huán)繞聲的信號處理方法，其特征是，包括如下步驟第一步輸入原始的5.1通路信號左通路信號L0、右通路信號R0、中心通路信號C0、左環(huán)繞通路信號LS0、右環(huán)繞通路信號RS0、低頻效果通路信號LFE0；第二步將原始的左、右通路信號L0、R0分別直接饋到左、右全頻帶揚(yáng)聲器的信號混合器；第三步將原始的中心通路信號C0經(jīng)傳輸函數(shù)為HHP的高通濾波后饋到高頻中置揚(yáng)聲器的信號混合器，以直接產(chǎn)生高頻的前方聲像；中心通路信號C0經(jīng)過傳輸函數(shù)為HLP的低通濾波和-3dB衰減后，同時饋給左、右全頻帶揚(yáng)聲器的信號混合器，以合成低頻的前方聲像；第四步原始的左環(huán)繞通路信號LS0經(jīng)過虛擬處理，得到三個信號A’(90°，ω)LS0、B’(90°，ω)LS0、D’(90°，ω)LS0，然后分別饋到左、右全頻帶揚(yáng)聲器和高頻中置揚(yáng)聲器的信號混合器，虛擬出90°方向的左環(huán)繞揚(yáng)聲器；第五步原始的右環(huán)繞通路信號RS0經(jīng)過虛擬處理，得到三個信號A’(-90°，ω)RS0、B’(-90°，ω)RS0、D’(-90°，ω)RS0，然后分別饋到左、右全頻帶揚(yáng)聲器和高頻中置揚(yáng)聲器的信號混合器，虛擬出-90°方向的右環(huán)繞揚(yáng)聲器；第六步原始的低頻效果通路信號LFE0經(jīng)-3dB衰減后，同時饋給左、右全頻帶揚(yáng)聲器的信號混合器；第七步分別對饋給左、右全頻帶揚(yáng)聲器和高頻中置揚(yáng)聲器的輸入信號進(jìn)行混合，得到L″、R″、C″三個信號，然后分別饋給布置在±30°的左、右全頻帶揚(yáng)聲器和0°的高頻中置揚(yáng)聲器重發(fā)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三揚(yáng)聲器虛擬5.1通路環(huán)繞聲的信號處理方法，其特征是，第四步中對原始的左環(huán)繞通路信號LS0的虛擬處理，就是將左環(huán)繞通路信號LS0分別與三個從水平面90°頭相關(guān)傳輸函數(shù)得到的函數(shù)A’(90°，ω)、B’(90°，ω)、D’(90°，ω)進(jìn)行頻域相乘。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三揚(yáng)聲器虛擬5.1通路環(huán)繞聲的信號處理方法，其特征是，第五步中對原始的右環(huán)繞通路信號RS0的虛擬處理，就是將原始的右環(huán)繞通路信號RS0分別與三個從水平面-90°頭相關(guān)傳輸函數(shù)得到的函數(shù)A’(-90°，ω)、B’(-90°，ω)、 D’(-90°，ω)進(jìn)行頻域相乘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三揚(yáng)聲器虛擬5.1通路環(huán)繞聲的信號處理方法，它先輸入5.1通路信號L
文檔編號H04S5/00GK1596037SQ20041002806
公開日2005年3月16日 申請日期2004年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月14日
發(fā)明者謝菠蓀, 仝菁 申請人:華南理工大學(xué)