一種5.1多聲道聲源方向重建方法與裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種5.1多聲道聲源方向重建裝置與方法，根據(jù)已知的聲源信號s(t)，在原始聲場中建立笛卡爾直角坐標系，計算聽音點接收到的聲源的方向矢量v0；選擇包括該方向的4個揚聲器，將s(t)分別乘以4個權值因子后分配到所選的四個揚聲器上；計算重建聲場中揚聲器發(fā)出信號后聽音點處所感知的聲源的方向矢量v，建立原始聲源的方向矢量v0和重建聲場中聲像的方向矢量v等價模型，求解該模型獲得權值因子的值；利用求解的權值因子的值，進行揚聲器的信號分配。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術，能夠準確提取影響重建聲像的方向信息的參數(shù)，從而能精確恢復原聲源空間中的聲源的方向信息。摒棄其它無關參數(shù)和冗余參數(shù)，計算效率高，操作簡單，穩(wěn)定性好。
【專利說明】一種5. 1多聲道聲源方向重建方法與裝置

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及多媒體信號處理領域，尤其涉及一種5. 1多聲道聲源方向重建方法與 裝直。

【背景技術】
[0002] DolbyDigital環(huán)繞聲系統(tǒng)是一個典型的多聲道環(huán)繞聲系統(tǒng)，在全球范圍內得到 了廣泛的使用。
[0003] DolbyDigital環(huán)繞聲系統(tǒng)由5個全頻域聲道和1個超低音聲道組成，5個聲 道分別是左前、右前、前中置、左環(huán)繞和右環(huán)繞聲道。超低音聲道主要負責傳送低音信息 (< 120Hz)，其目的是為了補充其他聲道的低音內容，使一些包含爆炸、撞擊等低音的場景 的聲效更好。DoblyDigital將6個聲道通過有損壓縮的方式編碼為一個數(shù)據(jù)流，它所采用 的壓縮算法將人耳不易聽到的部分聲音細節(jié)信息刪除，從而能夠實現(xiàn)10:1的壓縮比。Dolby Digital標準在電影工業(yè)中得到了非常廣泛的應用，在大多數(shù)DVD影碟中都能看到它的身 影，而且?guī)缀跛械腄VD機都能支持這一標準。
[0004] 盡管杜比5. 1多聲道系統(tǒng)對各種背景聲進行了大量渲染，能為用戶帶來一定程度 上的音頻環(huán)繞感，對音頻質量的還原也十分出色，但是杜比5. 1系統(tǒng)并沒有在音頻重現(xiàn)上 給用戶帶了明確的聲像的方位信息，對于聲源移動時也沒有給用戶感知到聲源的變化，使 得聽眾對聲源的位置的動態(tài)感知十分模糊，嚴重削弱了用戶的3D感受。


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于為克服現(xiàn)有技術的缺陷，而提供一種5. 1多聲道聲源方向重建 裝置與方法。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明米用以下技術方案：一種5. 1多聲道聲源方向重建方法， 包括以下步驟：
[0007] Sl:根據(jù)已知的聲源信號s(t)，在原始聲場中以聽音點為原點建立笛卡爾直角坐 標系后，計算與聲源距離為r的聽音點處接收到的聲源的方向矢量Vtl,
[0008] S2 :根據(jù)步驟1中計算的聲源的方向矢量Vtl，選擇包括該方向的4個揚聲器L1,L2, L3，L4 ;
[0009] S3 :由聲源信號S(t)和步驟2中的揚聲器L1,L2,L3,L4，將S(t)分別乘以4個權 值因子Wl，w2,w3,W4后分配到所選的4個揚聲器上；
[0010] S4 :在回放端，計算重建聲場中揚聲器L1,L2,L3,L4發(fā)出信號后聽音點處所感知的 聲像的方向矢量V;
[0011]S5 :根據(jù)步驟1計算的原始聲源的方向矢量Vtl和步驟4中計算的重建聲場中聲像 的方向矢量V，建立方向等價模型；
[0012]S6 :在步驟5的方向等價模型中，以步驟3中設置的權值因子W1, w2, w3, W4為未知 量，求解該模型獲得權值因子的值；
[0013] S7 :利用步驟6中求解的權值因子^^?，進行揚聲器的信號分配^吏重建的 聲音方向與原聲源的方向一致。
[0014] 進一步，在步驟S2中所述選擇的4個揚聲器L1,L2,L3,L4滿足如下條件：分別將聽 音點r(x，y，z)與L1,L2,L3,L4連接，形成一多面體，聲源的方向矢量Vci位于所述的多面體 內部。
[0015] 進一步，所述步驟Sl中與聲源距離為r的聽音點處接收到的聲源的方向矢量V。的 方法包括以下步驟：
[0016] SlOl:利用傅立葉變換將聲源的時域信號s(t)由時域轉換到頻域，得到頻域信號 s(c〇)，
[0017] s(ω) =FT(s(t))
[0018] 其中FT表示對時域信號s(t)進行傅立葉變換，將時間信號s(t)轉換至頻域；
[0019] S102 :以聽音點為原點，即聽音點的坐標r(x,y,z)為（0,0,0)，由頻域信號s(c〇) 及聲源在聲場中的位置向量ε= (εχ，ey，εζ)、聽音點位置坐標（〇,〇,〇)，根據(jù)聲學物理 屬性粒子速度的定義，計算聽音點處接收到的粒子速度PVci :

【權利要求】
1. 一種5. 1多聲道聲源方向重建方法，其特征在于，包括以下步驟： 51 :根據(jù)已知的聲源信號s (t)，在原始聲場中以聽音點為原點建立笛卡爾直角坐標系 后，計算與聲源距離為r的聽音點處接收到的聲源的方向矢量Vtl ; 52 :根據(jù)步驟1中計算的聲源的方向矢量Vtl，選擇包括該方向的4個揚聲器L 1, L2, L3, L4 ; 53 :由聲源信號s (t)和步驟2中的揚聲器L1, L2, L3, L4，將s (t)分別乘以4個權值因 子W1, w2, w3, W4后分配到所選的4個揚聲器上； 54 :在回放端，計算重建聲場中揚聲器L1, L2, L3, L4發(fā)出信號后聽音點處所感知的聲像 的方向矢量V ; 55 :根據(jù)步驟1計算的原始聲源的方向矢量Vtl和步驟4中計算的重建聲場中聲像的方 向矢量V,建立方向等價模型； 56 :在步驟5的方向等價模型中，以步驟3中設置的權值因子WpWyWyW4為未知量，求 解該模型獲得權值因子的值； 57 :利用步驟6中求解的權值因子Wl，w2, w3, W4，進行揚聲器的信號分配，使重建的聲音 方向與原聲源的方向一致。
2. 根據(jù)權利要求1所述的5. 1多聲道聲源方向重建方法，其特征在于，在步驟S2中所 述選擇的4個揚聲器L1, L2, L3, L4滿足如下條件：分別將聽音點r(x, y, z)與L1, L2, L3, L4連 接，形成一多面體，聲源的方向矢量％位于所述的多面體內部。
3. -種權利要求1或2所述的5. 1多聲道聲源方向重建方法，其特征在于，所述步驟 Sl中與聲源距離為r的聽音點處接收到的聲源的方向矢量Vtl的方法包括以下步驟： 5101 :利用傅立葉變換將聲源的時域信號s(t)由時域轉換到頻域，得到頻域信號 S(W)， s〇) = FT(s(t)) 其中FT表示對時域信號s (t)進行傅立葉變換，將時間信號s (t)轉換至頻域； 5102 :以聽音點為原點，即聽音點的坐標r(x, y, z)為（0,0,0),由頻域信號s〇)及聲 源在聲場中的位置向量e = (ex，ey，〇、聽音點位置坐標（〇,〇,〇)，根據(jù)聲學物理屬性 粒子速度的定義，計算聽音點處接收到的粒子速度Pvci :
其中k表示波數(shù)，與聲音信號的頻率和聲速有關，e為常數(shù)，i為虛數(shù)單位，《為信號 s(t)的角頻率，I e I表示聲源與聽音點之間的距離，e = (ex，ey，ez)為聲源在聲場中 的位置向量； 5103 :由于粒子速度的方向與聲波的傳播方向一致，由粒子速度Pvci，計算得出聲源的 方向矢量：
其中k表示波數(shù)，與聲音信號的頻率和聲速有關，e為常數(shù)，i為虛數(shù)單位，《為信號 S(t)的角頻率，I e I表示聲源與聽音點之間的距離，e = (ex，ey，ez)為聲源在聲場中 的位置向量。
4. 根據(jù)權利要求3所述的5. 1多聲道聲源方向重建方法，其特征在于，在步驟S3中將 s (t)分別乘以4個權值因子Wl，w2, w3, W4后分配到步驟S2中所選的4個揚聲器上，得到4 個揚聲器預分配的信號Q1 (t)，q2 (t)，q3 (t)，q4 (t);
q(t) = (口1(1:)，92(1:)，93(1:)，94(1:)) 1表示揚聲器11，12,1^，14所分配的信號矢量，1'表 示轉置運算。
5. 根據(jù)權利要求4所述的5. 1多聲道聲源方向重建方法，其特征在于，所述步驟S4中 計算重建聲場中由揚聲器L1, L2, L3, L4發(fā)出信號后聽音點處所感知的聲源的方向矢量V具 體包括以下步驟： 5401 :在回放端，以5. 1聲道組成的環(huán)繞聲系統(tǒng)的正中心為原點，建立笛卡爾坐標系， 揚聲器Li的坐標記為Li (Lix，Liy，Liz)，聽音點的位置與中心點的位置一致，即聽音點的坐標 為 r (rx，ry，rz) = (0, 0, 0); 5402 :將揚聲器L1, L2, L3, L4發(fā)出的信號qi(t)，q2(t)，q3(t)，q 4(t)轉換至頻域：
5403 :由揚聲器L1, L2, L3, L4發(fā)出信號qjt)，q2(t)，q3(t)，q4(t)計算聽音點處的粒子 速度的頻域pv:
5404 :提取粒子速度pv的方向，得到重建聲場中聽音點處感知到的聲像的方向矢量v:
6. 根據(jù)權利要求5所述的5. 1多聲道聲源方向重建方法，其特征在于，根據(jù)步驟S103 計算的原始聲源的方向矢量V。和步驟S404中計算的重建聲場中聲像的方向矢量V，建立方 向等價模型如下：
求解的獲得權值因子W1, W2, W3, W4，供揚聲器L1, L2, L3, L4進行信號分配，使重建的聲音 方向與原聲源的方向一致。
7. 根據(jù)權利要求6所述的5. 1多聲道聲源方向重建方法，其特征在于，所述揚聲器L1, L2, L3, L4獲得的信號如下式：
8. -種5. 1多聲道聲源方向重建裝置，其特征在于，包括聲源空間聽音點方向信息計 算模塊、揚聲器選擇模塊、信號預分配模塊、重建聲場聲源方向信息計算模塊、模型建立模 塊、模型求解模塊； 所述聲源空間聽音點方向信息計算模塊用于計算原聲源所在的聲源空間中聽音點感 知到的聲源的方向，根據(jù)聲源的信號s(t)計算最佳位置的粒子速度，由粒子速度的方向確 定聲源的方向矢量％，并將方向矢量Vtl輸出至模型建立模塊； 所述的揚聲器選擇模塊用于建立重建的5. 1多聲道系統(tǒng)中揚聲器的選取原則，確定重 建5. 1多聲道系統(tǒng)中選擇的揚聲器L1, L2, L3, L4，并將所選擇的揚聲器輸出至信號預分配模 塊； 所述的信號預分配模塊用于將原始音頻信號s(t)乘以權重因素 W1, w2, w3,《4后分配給 揚聲器選擇模塊中選擇出的揚聲器L1, L2, L3, L4，然后將分配后的信號輸出至重建聲場聲源 方向信息計算模塊； 所述的重建聲場聲像方向信息計算模塊用于計算多聲道系統(tǒng)中聽音點處接收到聲像 的方向，根據(jù)信號預分配模塊中對揚聲器預分配的信號，計算重建的5. 1多聲道系統(tǒng)中聽 音點處接收到聲像的方向矢量V，并且將V輸出至模型建立模塊； 所述的模型建立模塊用于建立聽音點處方向感知一致性模型，由聲源空間聽音點方向 信息計算模塊輸出的聲源方向矢量％，和重建聲場聲源方向信息計算模塊中輸出的聲源方 向矢量V，建立兩者相等的模型，并將此模型輸出至模型求解模塊； 所述的模型求解模塊用于求解模型建立模塊中建立的模型，進而得到四個權值因子 W1, w2, w3, W4的值，最后將權值代入信號預分配模塊可得到每個揚聲器L1, L2, L3, L4的信號。
【文檔編號】H04S3/00GK104363555SQ201410524837
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年9月30日 優(yōu)先權日:2014年9月30日
【發(fā)明者】胡瑞敏, 張茂勝, 姚雪春, 王曉晨, 姜林, 涂衛(wèi)平, 王松, 楊乘 申請人:武漢大學深圳研究院