本公開(kāi)涉及用于增強(qiáng)音頻信號(hào)的系統(tǒng)，并且更具體地涉及用于增強(qiáng)通過(guò)頭戴式耳機(jī)進(jìn)行的聲音再現(xiàn)的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

錄音業(yè)中的進(jìn)步包括再現(xiàn)來(lái)自多聲道聲音系統(tǒng)的聲音，諸如再現(xiàn)來(lái)自環(huán)繞聲系統(tǒng)的聲音。這些進(jìn)步已經(jīng)使收聽(tīng)者能夠享受增強(qiáng)的收聽(tīng)體驗(yàn)，尤其是通過(guò)環(huán)繞聲系統(tǒng)(諸如5.1和7.1環(huán)繞聲系統(tǒng))。這些年來(lái)，即使雙聲道立體聲系統(tǒng)也已經(jīng)提供增強(qiáng)的收聽(tīng)體驗(yàn)。

通常，環(huán)繞聲或雙聲道立體聲錄音被記錄，然后被處理以便通過(guò)揚(yáng)聲器再現(xiàn)，這限制了此類錄音在通過(guò)頭戴式耳機(jī)再現(xiàn)時(shí)的質(zhì)量。例如，立體聲錄音通常意在通過(guò)揚(yáng)聲器再現(xiàn)，而不是通過(guò)頭戴式耳機(jī)來(lái)回放。這導(dǎo)致立體聲全景出現(xiàn)在位于兩耳中間的線路上或出現(xiàn)在收聽(tīng)者的頭部?jī)?nèi)，這可能是不自然且使人疲勞的收聽(tīng)體驗(yàn)。

為了解決通過(guò)頭戴式耳機(jī)再現(xiàn)聲音的問(wèn)題，設(shè)計(jì)者已經(jīng)得到用于頭戴式耳機(jī)的立體聲和環(huán)繞聲增強(qiáng)系統(tǒng)；然而，多數(shù)情況下這些增強(qiáng)系統(tǒng)已經(jīng)引入了不想要的偽像，諸如不想要的染色、共振、混響和/或音色失真或聲源角度和/或位置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案涉及用于增強(qiáng)聲音再現(xiàn)的方法。所述方法可包括：在第一音頻信號(hào)接口處接收音頻輸入信號(hào)，并且從安裝到頭戴式耳機(jī)組件的數(shù)字陀螺儀接收指示頭部旋轉(zhuǎn)角的輸入。所述方法還可包括：基于頭部旋轉(zhuǎn)角來(lái)更新一對(duì)參數(shù)頭部相關(guān)傳遞函數(shù)(hrtf)模型中的每一個(gè)中的至少一個(gè)雙耳呈現(xiàn)濾波器，并且使用至少一個(gè)雙耳呈現(xiàn)濾波器將音頻輸入信號(hào)變換成音頻輸出信號(hào)。音頻輸出信號(hào)可包括左頭戴式耳機(jī)輸出信號(hào)和右頭戴式耳機(jī)輸出信號(hào)。

根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，接收指示頭部旋轉(zhuǎn)角的輸入可包括：從安裝到頭戴式耳機(jī)組件的數(shù)字陀螺儀接收角速度信號(hào)，并且在角速度信號(hào)超過(guò)預(yù)定閾值或小于預(yù)定閾值持續(xù)小于預(yù)定樣本計(jì)數(shù)時(shí)，根據(jù)角速度信號(hào)計(jì)算頭部旋轉(zhuǎn)角?？商娲?，接收指示頭部旋轉(zhuǎn)角的輸入可包括：從安裝到頭戴式耳機(jī)組件的數(shù)字陀螺儀接收角速度信號(hào)，并且在角速度信號(hào)小于預(yù)定閾值持續(xù)多于預(yù)定樣本計(jì)數(shù)時(shí)，作為先前頭部旋轉(zhuǎn)角測(cè)量結(jié)果的分?jǐn)?shù)來(lái)計(jì)算頭部旋轉(zhuǎn)角。

根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，音頻輸入信號(hào)是多聲道音頻輸入信號(hào)?？商娲?，音頻輸入信號(hào)可以是單聲道音頻輸入信號(hào)。

根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，基于頭部旋轉(zhuǎn)角更新至少一個(gè)雙耳呈現(xiàn)濾波器可包括：基于頭部旋轉(zhuǎn)角從至少一個(gè)查找表檢索至少一個(gè)雙耳呈現(xiàn)濾波器的參數(shù)。另外，基于頭部旋轉(zhuǎn)角從至少一個(gè)查找表檢索至少一個(gè)雙耳呈現(xiàn)濾波器的參數(shù)可包括：基于頭部旋轉(zhuǎn)角生成左表指針?biāo)饕岛陀冶碇羔標(biāo)饕?，并且基于左表指針?biāo)饕岛陀冶碇羔標(biāo)饕祻闹辽僖粋€(gè)查找表檢索至少一個(gè)雙耳呈現(xiàn)濾波器的參數(shù)。

根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，至少一個(gè)雙耳呈現(xiàn)濾波器可包括坡型濾波器(shelvingfilter)和陷波濾波器。此外，基于頭部旋轉(zhuǎn)角更新至少一個(gè)雙耳呈現(xiàn)濾波器可包括：基于頭部旋轉(zhuǎn)角更新坡型濾波器和陷波濾波器中的每一個(gè)的增益參數(shù)。至少一個(gè)雙耳呈現(xiàn)濾波器還可包括耳間時(shí)間延遲濾波器。此外，基于頭部旋轉(zhuǎn)角更新至少一個(gè)雙耳呈現(xiàn)濾波器可包括：基于頭部旋轉(zhuǎn)角更新耳間時(shí)間延遲濾波器的延遲值。

本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)附加實(shí)施方案涉及用于增強(qiáng)聲音再現(xiàn)的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)可包括頭戴式耳機(jī)組件，所述頭戴式耳機(jī)組件包括頭帶、一對(duì)頭戴式耳機(jī)和數(shù)字陀螺儀。所述系統(tǒng)還可包括用于從音頻源接收音頻輸入信號(hào)的聲音增強(qiáng)系統(tǒng)(ses)。ses可與數(shù)字陀螺儀和所述一對(duì)頭戴式耳機(jī)通信。ses可包括微控制器單元(mcu)，所述微控制器單元(mcu)被配置來(lái)從數(shù)字陀螺儀接收角速度信號(hào)并且根據(jù)角速度信號(hào)計(jì)算頭部旋轉(zhuǎn)角。ses還可包括與mcu通信的數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)。dsp可包括被配置來(lái)將音頻輸入信號(hào)變換成音頻輸出信號(hào)的一對(duì)動(dòng)態(tài)參數(shù)頭部相關(guān)傳遞函數(shù)(hrtf)模型。所述一對(duì)動(dòng)態(tài)參數(shù)hrtf模型可至少具有交叉濾波器，其中交叉濾波器的至少一個(gè)參數(shù)基于頭部旋轉(zhuǎn)角來(lái)更新。

根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，交叉濾波器可包括坡型濾波器和陷波濾波器。交叉濾波器的至少一個(gè)參數(shù)可包括坡型濾波器增益和陷波濾波器增益。所述一對(duì)動(dòng)態(tài)參數(shù)hrtf模型還可包括具有延遲參數(shù)的耳間時(shí)間延遲濾波器，其中延遲參數(shù)基于頭部旋轉(zhuǎn)角來(lái)更新。

mcu還可以被配置來(lái)基于頭部旋轉(zhuǎn)角來(lái)計(jì)算表指針?biāo)饕?。此外，交叉濾波器的至少一個(gè)參數(shù)可使用查找表根據(jù)表指針?biāo)饕祦?lái)更新。mcu還可以被配置來(lái)在角速度信號(hào)超過(guò)預(yù)定閾值或者小于預(yù)定閾值持續(xù)小于預(yù)定樣本計(jì)數(shù)時(shí)，根據(jù)角速度信號(hào)計(jì)算頭部旋轉(zhuǎn)角。mcu還可進(jìn)一步被配置來(lái)在角速度信號(hào)小于預(yù)定閾值持續(xù)大于預(yù)定樣本計(jì)數(shù)時(shí)，逐漸減小頭部旋轉(zhuǎn)角。

本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)附加實(shí)施方案涉及聲音增強(qiáng)系統(tǒng)(ses)，所述聲音增強(qiáng)系統(tǒng)(ses)包括處理器、距離呈現(xiàn)器模塊、雙耳呈現(xiàn)模塊和均衡模塊。距離呈現(xiàn)器模塊可以可由處理器執(zhí)行來(lái)從音頻源接收至少左聲道音頻輸入信號(hào)和右聲道音頻輸入信號(hào)。距離呈現(xiàn)器模塊還可以可由處理器執(zhí)行來(lái)生成至少左聲道音頻輸入信號(hào)和右聲道音頻輸入信號(hào)的延遲像。

可由處理器執(zhí)行的雙耳呈現(xiàn)模塊可與距離呈現(xiàn)器模塊通信。雙耳呈現(xiàn)模塊可包括至少一對(duì)動(dòng)態(tài)參數(shù)頭部相關(guān)傳遞函數(shù)(hrtf)模型，其被配置來(lái)將左聲道音頻輸入信號(hào)和右聲道音頻輸入信號(hào)的延遲像變換成左頭戴式耳機(jī)輸出信號(hào)和右頭戴式耳機(jī)輸出信號(hào)。所述一對(duì)動(dòng)態(tài)參數(shù)hrtf模型可具有坡型濾波器、陷波濾波器和耳間時(shí)間延遲濾波器。來(lái)自坡型濾波器、陷波濾波器和時(shí)間延遲濾波器中的每一個(gè)的至少一個(gè)參數(shù)可基于頭部旋轉(zhuǎn)角來(lái)更新。

可由處理器執(zhí)行的均衡模塊可與雙耳呈現(xiàn)模塊通信。均衡模塊可包括固定的一對(duì)均衡濾波器，其被配置來(lái)使左頭戴式耳機(jī)輸出信號(hào)和右頭戴式耳機(jī)輸出信號(hào)均衡，以便提供左均衡頭戴式耳機(jī)輸出信號(hào)和右均衡頭戴式耳機(jī)輸出信號(hào)。

根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，坡型濾波器和陷波濾波器中的每一個(gè)的增益參數(shù)可基于頭部旋轉(zhuǎn)角來(lái)更新。此外，時(shí)間延遲濾波器的延遲值可基于頭部旋轉(zhuǎn)角來(lái)更新。

附圖說(shuō)明

圖1是示出根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的連接到頭戴式耳機(jī)組件以用于改進(jìn)聲音再現(xiàn)的聲音增強(qiáng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示例性示意圖；

圖2是根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的聲音增強(qiáng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示例性框圖；

圖3是根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的雙耳呈現(xiàn)模塊的示例性信號(hào)流圖；

圖4a是示出根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的可變坡型濾波器的一組頻率響應(yīng)的圖；

圖4b是示出根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的頭部跟蹤角度到坡型衰減的映射的圖；

圖5a是示出根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的可變陷波濾波器的一組頻率響應(yīng)的圖；

圖5b是示出根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的頭部跟蹤角度到陷波增益的映射的圖；

圖6是示出根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的頭部跟蹤角度到延遲值的映射的圖；

圖7是根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的包括距離呈現(xiàn)器模塊、雙耳呈現(xiàn)模塊和均衡模塊的聲音增強(qiáng)系統(tǒng)的示例性信號(hào)流圖；

圖8是示出根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的用于增強(qiáng)聲音再現(xiàn)的方法的流程圖；以及

圖9是示出根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的用于增強(qiáng)聲音再現(xiàn)的方法的另一個(gè)流程圖。

具體實(shí)施方式

按照需要，本文公開(kāi)了本發(fā)明的詳細(xì)實(shí)施方案；然而，應(yīng)理解，所公開(kāi)的實(shí)施方案僅僅是可以用各種替代形式體現(xiàn)的本發(fā)明的示例。附圖不一定按比例繪制；一些特征可能被放大或最小化以便展示特定部件的細(xì)節(jié)。因此，本文中公開(kāi)的具體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和功能細(xì)節(jié)不應(yīng)被解釋為是限制性的，而是僅僅作為教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員以不同方式運(yùn)用本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。

參考圖1，示出了根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的用于增強(qiáng)聲音再現(xiàn)的聲音系統(tǒng)100。聲音系統(tǒng)100可包括連接(例如，通過(guò)有線連接或無(wú)線連接)到頭戴式耳機(jī)組件112的聲音增強(qiáng)系統(tǒng)(ses)110。ses110可從音頻源114接收音頻輸入信號(hào)113，并且可向頭戴式耳機(jī)組件112提供音頻輸出信號(hào)115。頭戴式耳機(jī)組件112可包括頭帶116和一對(duì)頭戴式耳機(jī)118。每個(gè)頭戴式耳機(jī)118可包括定位在用戶的耳朵122附近的換能器120或驅(qū)動(dòng)器。頭戴式耳機(jī)可定位在用戶的耳朵頂部上(貼耳式)、環(huán)繞用戶的耳朵(包耳式)或在耳朵內(nèi)(入耳式)。ses110向頭戴式耳機(jī)組件112提供音頻輸出信號(hào)，所述音頻輸出信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)換能器120來(lái)向佩戴頭戴式耳機(jī)組件112的用戶126產(chǎn)生呈聲波124形式的可聽(tīng)聲音。每個(gè)頭戴式耳機(jī)118還可包括定位在換能器120與耳朵122之間的一個(gè)或多個(gè)麥克風(fēng)128。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，ses110可集成在頭戴式耳機(jī)組件112內(nèi)，諸如集成在頭帶116中或一個(gè)頭戴式耳機(jī)118中。

ses110可增強(qiáng)頭戴式耳機(jī)118所發(fā)射的聲音的再現(xiàn)。ses110通過(guò)模擬期望的聲音系統(tǒng)而不包括通常與聲音系統(tǒng)模擬相關(guān)聯(lián)的不想要的偽像來(lái)改進(jìn)聲音再現(xiàn)。ses110借助于通過(guò)一組一個(gè)或多個(gè)加法濾波器和/或交叉濾波器變換聲音系統(tǒng)輸出來(lái)促進(jìn)此類改進(jìn)，其中此類濾波器已經(jīng)從已知的直接和間接頭部相關(guān)傳遞函數(shù)(hrtf)(分別也稱為同側(cè)和對(duì)側(cè)hrtf)的數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)出。頭部相關(guān)傳遞函數(shù)是表征耳朵如何接收來(lái)自空間中一點(diǎn)的聲音的響應(yīng)。用于兩只耳朵的一對(duì)hrtf可用于合成似乎來(lái)自空間中特定點(diǎn)的雙耳聲。例如，hrtf可被設(shè)計(jì)來(lái)呈現(xiàn)在收聽(tīng)者前面±45度處的聲源。

在頭戴式耳機(jī)實(shí)現(xiàn)方式中，最終，ses110的音頻輸出信號(hào)115是直接hrtf和間接hrtf，并且ses110可將任何單聲道或多聲道音頻輸入信號(hào)變換成雙聲道信號(hào)，諸如用于直接hrtf和間接hrtf的信號(hào)。此外，此輸出可維持立體聲或環(huán)繞聲增強(qiáng)并且限制不想要的偽像。例如，ses110可將音頻輸入信號(hào)(諸如用于5.1或7.1環(huán)繞聲系統(tǒng)的信號(hào))變換成用于頭戴式耳機(jī)或另一類型的雙聲道系統(tǒng)的信號(hào)。此外，ses110可在維持5.1或7.1環(huán)繞聲的增強(qiáng)并且限制不想要的偽像量的同時(shí)執(zhí)行這種變換。

如果在用戶126處測(cè)量的話，聲波124表示ses110所產(chǎn)生的相應(yīng)的直接hrtf和間接hrtf。多數(shù)情況下，用戶126通過(guò)頭戴式耳機(jī)118在每個(gè)相應(yīng)耳朵122處接收聲波124。從ses110產(chǎn)生的相應(yīng)的直接hrtf和間接hrtf具體地是ses110的一個(gè)或多個(gè)加法濾波器和/或交叉濾波器的結(jié)果，其中一個(gè)或多個(gè)加法濾波器和/或交叉濾波器從已知的直接hrtf和間接hrtf導(dǎo)出。這些加法濾波器和/或交叉濾波器連同耳間延遲濾波器可統(tǒng)稱為雙耳呈現(xiàn)濾波器。

頭戴式耳機(jī)組件112還可包括傳感器130，諸如數(shù)字陀螺儀。如圖1所示，傳感器130可安裝在頭帶116的頂部上?？商娲?，傳感器30可以安裝在一個(gè)頭戴式耳機(jī)118中。通過(guò)傳感器130，ses110的雙耳呈現(xiàn)濾波器可響應(yīng)于如反饋路徑131所指示的頭部旋轉(zhuǎn)而得到更新。雙耳呈現(xiàn)濾波器可被更新，使得所得的立體聲像在轉(zhuǎn)動(dòng)頭部時(shí)保持穩(wěn)定。這向大腦提供指示聲像位于前面或后面的重要方向提示。因此，可消除所謂的“前后混淆”。在自然空間聽(tīng)覺(jué)情況下，人大多執(zhí)行無(wú)意識(shí)的、自發(fā)的、小的頭部移動(dòng)以幫助定位聲音。將這種效應(yīng)包括在頭戴式耳機(jī)再現(xiàn)中可因令人信服的頭部外成像而產(chǎn)生大大改進(jìn)的三維音頻體驗(yàn)。

ses110可包括多個(gè)模塊。術(shù)語(yǔ)“模塊”可被定義為包括多個(gè)可執(zhí)行模塊。如本文所描述的，模塊被定義為包括可由處理器(諸如數(shù)字信號(hào)處理器(dsp))執(zhí)行的軟件、硬件或硬件和軟件的某種組合。軟件模塊可包括存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的可由所述處理器或另一個(gè)處理器執(zhí)行的指令。硬件模塊可包括可由處理器執(zhí)行、引導(dǎo)和/或控制以用于執(zhí)行的各種裝置、部件、電路、門(mén)、電路板等。

圖2是ses110的示意性框圖。ses110可包括音頻信號(hào)接口231和數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)232。音頻信號(hào)接口231可從音頻源114接收音頻輸入信號(hào)113，所述音頻輸入信號(hào)113隨后可被饋送到dsp232。音頻輸入信號(hào)113可以是具有左聲道音頻輸入信號(hào)lin和右聲道音頻輸入信號(hào)rin的雙聲道立體聲信號(hào)。一對(duì)頭部相關(guān)傳遞函數(shù)參數(shù)模型234可在dsp232中實(shí)現(xiàn)，以便生成左頭戴式耳機(jī)輸出信號(hào)lh和右頭戴式耳機(jī)輸出信號(hào)rh。如先前解釋的，頭部相關(guān)傳遞函數(shù)(hrtf)是表征耳朵如何接收來(lái)自空間中一點(diǎn)的聲音的響應(yīng)。用于兩只耳朵的一對(duì)hrtf可用于合成似乎來(lái)自空間中特定點(diǎn)的雙耳聲。例如，hrtf234可被設(shè)計(jì)來(lái)呈現(xiàn)在收聽(tīng)者前面(例如，相對(duì)于收聽(tīng)者處于±30度或±45度)的聲源。

根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，所述一對(duì)hrtf234還可以響應(yīng)于頭部旋轉(zhuǎn)角u(i)動(dòng)態(tài)地更新，其中i＝采樣時(shí)間索引。為了動(dòng)態(tài)地更新所述一對(duì)hrtf，ses110還可包括傳感器130，所述傳感器130可以是如圖2所示的數(shù)字陀螺儀230。如先前所提出，數(shù)字陀螺儀230可安裝在頭戴式耳機(jī)組件112的頭帶116的頂部上。數(shù)字陀螺儀230可使用例如來(lái)自陀螺儀測(cè)量結(jié)果的z軸分量來(lái)生成指示用戶的頭部移動(dòng)的時(shí)間采樣的角速度信號(hào)v(i)。角速度信號(hào)v(i)的典型更新速率可以是5毫秒，這對(duì)應(yīng)于200hz的采樣速率。然而，可采用在0毫秒至40毫秒范圍內(nèi)的其他更新速率。為了維持自然聲音并產(chǎn)生期望的頭部外體驗(yàn)，對(duì)頭部旋轉(zhuǎn)的響應(yīng)時(shí)間(即，延遲)應(yīng)不超過(guò)10-20毫秒，所述期望的頭部外體驗(yàn)是指對(duì)從空間中一點(diǎn)發(fā)出的聲音的感覺(jué)。

ses110還可包括微控制器單元(mcu)236，以處理來(lái)自數(shù)字陀螺儀230的角速度信號(hào)v(i)。mcu236可含有對(duì)從數(shù)字陀螺儀230接收的原始速度數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理的軟件。mcu236還可基于從角速度信號(hào)v(i)提取的后處理速度數(shù)據(jù)，在每個(gè)時(shí)刻i處提供頭部旋轉(zhuǎn)角u(i)的樣本。

參考圖3，更詳細(xì)地示出了根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的動(dòng)態(tài)參數(shù)hrtf模型的實(shí)現(xiàn)方式。具體地，圖3是ses110的實(shí)施方案的雙耳呈現(xiàn)模塊300的信號(hào)流圖，所述雙耳呈現(xiàn)模塊300具有用于變換音頻信號(hào)的雙耳呈現(xiàn)濾波器310。雙耳呈現(xiàn)模塊300增強(qiáng)通過(guò)頭戴式耳機(jī)118進(jìn)行的音樂(lè)再現(xiàn)的逼真度。雙耳呈現(xiàn)模塊300包括左輸入端312和右輸入端314，它們連接到音頻源(未示出)以用于接收音頻輸入信號(hào)，分別諸如左聲道音頻輸入信號(hào)lin和右聲道音頻輸入信號(hào)rin。如以下詳細(xì)描述的，雙耳呈現(xiàn)模塊300對(duì)音頻輸入信號(hào)進(jìn)行濾波。雙耳呈現(xiàn)模塊300包括左輸出端316和右輸出端318以用于提供音頻信號(hào)(諸如左頭戴式耳機(jī)輸出信號(hào)lh和右頭戴式耳機(jī)輸出信號(hào)rh)，以便驅(qū)動(dòng)頭戴式耳機(jī)組件112的換能器120(在圖1中示出)向用戶126提供可聽(tīng)聲音。雙耳呈現(xiàn)模塊300可與其他音頻信號(hào)處理模塊(諸如距離呈現(xiàn)器模塊和均衡模塊)組合，以便在將音頻信號(hào)提供到頭戴式耳機(jī)組件112之前對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步濾波。

根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，雙耳呈現(xiàn)模塊300可包括左聲道頭部相關(guān)濾波器(hrtf)320和右聲道頭部相關(guān)濾波器(hrtf)322。每個(gè)hrtf濾波器320、322可分別包括對(duì)應(yīng)于前面聲源的耳間交叉函數(shù)(hcfront)324、326和耳間時(shí)間延遲(tfront)328、330，由此模仿收聽(tīng)者前面(例如，相對(duì)于收聽(tīng)者處于±30°或±45°)的一對(duì)揚(yáng)聲器。在其他實(shí)施方案中，雙耳呈現(xiàn)模塊300還包括對(duì)應(yīng)于側(cè)面聲源和后面聲源的hrtf。雙耳呈現(xiàn)模塊300的設(shè)計(jì)在2012年3月14日提交并且作為美國(guó)專利申請(qǐng)公布號(hào)2013/0243200a1公布的授予horbach的美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/419,806中有所描述，所述申請(qǐng)通過(guò)引用整體并入本文。

圖3中的信號(hào)流類似于在美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/419,806中針對(duì)靜態(tài)情況描述的信號(hào)流，所述靜態(tài)情況不涉及頭部跟蹤。每個(gè)交叉路徑(hcfront)324、326、可變坡型濾波器332、334和可變陷波濾波器336、338中使用兩個(gè)二階濾波器段。坡型濾波器332、334可包括參數(shù)“f”(表示轉(zhuǎn)角頻率)、“q”(表示品質(zhì)因數(shù))和“α”(表示以db為單位的坡型濾波器增益)。陷波濾波器336、338可包括參數(shù)“f”(表示陷波頻率)、“q”(表示品質(zhì)因數(shù))和“α”(表示以db為單位的陷波濾波器增益)。耳間時(shí)間延遲濾波器(tfront)328、330被采用來(lái)模擬左耳與右耳之間的路徑差。確切地，延遲濾波器328、330模擬聲波在其首先到達(dá)一只耳朵之后到達(dá)另一只耳朵所花費(fèi)的時(shí)間。

在相對(duì)于收聽(tīng)者處于45度角的固定呈現(xiàn)的靜態(tài)情況下，如美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/419,806中提出的參數(shù)可以是：

坡型濾波器：q＝0.7，f＝2500hz，α＝-14db；

陷波濾波器：q＝1.7，f＝1300hz，α＝-10db；以及

延遲值：17個(gè)樣本。

在動(dòng)態(tài)情況下，根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，頭部移動(dòng)范圍可限制于±45度以便降低復(fù)雜性。例如，使頭部朝向處于45度的源移動(dòng)將使所需的呈現(xiàn)角從45度降低到0度，而使頭部移動(dòng)遠(yuǎn)離所述源將使角增加至90度。超過(guò)這些角，雙耳呈現(xiàn)濾波器可以保持在其極限位置，即0度或90度。因?yàn)楦鶕?jù)本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的頭部跟蹤的主要目的是處理小的、自發(fā)的頭部移動(dòng)，由此提供更好的頭部外定位，所以此限制是可接受的。

如圖3所示，每個(gè)坡型濾波器、陷波濾波器和延遲濾波器的參數(shù)可基于頭部移動(dòng)根據(jù)相應(yīng)查找表來(lái)更新。確切地，動(dòng)態(tài)雙耳呈現(xiàn)模塊300可包括具有針對(duì)不同頭部角的濾波器參數(shù)的坡型表340、陷波表342和延遲表344。例如，90度hrtf模型可使用相同的坡型濾波器參數(shù)q和f，但是具有增加的衰減(例如，增益α＝-20db)。這可允許通過(guò)表查找平滑地操控濾波器系數(shù)，而不需要移動(dòng)濾波器極點(diǎn)位置(這將引入可聽(tīng)咔嗒聲)。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，坡型濾波器和陷波濾波器可被實(shí)現(xiàn)為傳遞函數(shù)是兩個(gè)二次函數(shù)之比的數(shù)字雙二階濾波器。坡型濾波器和陷波濾波器的雙二階實(shí)現(xiàn)方式含有以分子多項(xiàng)式表示的三個(gè)前饋系數(shù)和以分母多項(xiàng)式表示的兩個(gè)反饋系數(shù)。分母限定極點(diǎn)的位置，極點(diǎn)的位置在此實(shí)施方式中可以是固定的，如先前所陳述。因此，僅需要切換濾波器的三個(gè)前饋系數(shù)。

一旦被確定，頭部旋轉(zhuǎn)角u(i)就可以用于生成左表指針?biāo)饕?index_left)和右表指針?biāo)饕?index_right)。左表指針?biāo)饕岛陀冶碇羔標(biāo)饕惦S后可用于從相應(yīng)的濾波器查找表檢索坡型、陷波和延遲濾波器參數(shù)。對(duì)于轉(zhuǎn)向角u＝-45...+45度以及0.5度的角分辨率，左表指針指數(shù)和右表指針指數(shù)如下：

index_left=round[2*(u+45)]等式1

index_right＝181-index_left等式2

因此，如果頭部朝向左側(cè)源移動(dòng)，那么它移動(dòng)遠(yuǎn)離右側(cè)源，并且反之亦然。

圖4a示出當(dāng)頭部旋轉(zhuǎn)角u(i)從-45度移動(dòng)到+45度時(shí)有效的可變坡型濾波器332、334的一組頻率響應(yīng)(總共180條曲線)。如圖4b所示，頭部旋轉(zhuǎn)角u(i)到坡型衰減的映射可以是非線性的。在此實(shí)例中使用逐步線性函數(shù)(多邊形)，所述函數(shù)通過(guò)將感知像與預(yù)期像進(jìn)行比較來(lái)憑經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化。還可以采用諸如線性函數(shù)或指數(shù)函數(shù)的其他函數(shù)。

類似地，如圖5b所示，陷波濾波器336、338可以僅通過(guò)其增益參數(shù)“α”來(lái)操控。另外兩個(gè)參數(shù)q和f也可以保持固定。圖5a示出當(dāng)頭部旋轉(zhuǎn)角u(i)從-45度移動(dòng)到+45度時(shí)有效的可變陷波濾波器336、338的一組所得頻率響應(yīng)(總共180條曲線)。如圖5b所示，陷波濾波器增益“α”可從u＝-45時(shí)的0db變化到u＝0(即，標(biāo)稱頭部位置)時(shí)的-10db。隨后對(duì)于正頭部旋轉(zhuǎn)角，陷波濾波器增益“α”可以保持在-10db。此映射已經(jīng)憑經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證。

使用如圖6所示的映射，可通過(guò)在0個(gè)樣本與34個(gè)樣本之間的可變延遲表344來(lái)操控延遲濾波器值。非整數(shù)延遲值可通過(guò)使用縮放系數(shù)c和(1-c)(其中c是延遲值的小數(shù)部分)來(lái)在相鄰延遲線抽頭之間進(jìn)行線性內(nèi)插、并且隨后對(duì)兩個(gè)縮放信號(hào)求和來(lái)呈現(xiàn)。

圖7是描繪根據(jù)ses110的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的具有頭部跟蹤的示例性頭戴式耳機(jī)呈現(xiàn)模塊700的框圖。模塊700可使用另外的距離呈現(xiàn)級(jí)，如已經(jīng)通過(guò)引用并入的美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/419,806中所描述。模塊700將距離呈現(xiàn)器模塊702與參數(shù)雙耳呈現(xiàn)模塊704(諸如圖3的模塊300)和頭戴式耳機(jī)均衡器模塊706組合起來(lái)。確切地，模塊700可以將雙聲道音頻(其中可模擬環(huán)繞聲信號(hào))變換成頭戴式耳機(jī)的直接hrtf和間接hrtf。模塊700還可被實(shí)現(xiàn)用于將音頻信號(hào)從多聲道環(huán)繞變換成頭戴式耳機(jī)的直接hrtf和間接hrtf。在這種情況下，模塊700可包括六個(gè)初始輸入，以及頭戴式耳機(jī)的右輸出和左輸出。

關(guān)于距離和位置呈現(xiàn)，模塊704的雙耳模型提供方向信息，但是聲源仍可能似乎非常靠近收聽(tīng)者的頭部。這在不存在很多關(guān)于聲源位置的信息(例如，干錄音通常被感知為非?？拷章?tīng)者的頭部或甚至在頭部?jī)?nèi))的情況下可能尤其如此。距離呈現(xiàn)器模塊702可限制此類不想要的偽像。距離呈現(xiàn)器模塊702可包括兩條延遲線，初始左聲道音頻輸入信號(hào)lin和右聲道音頻輸入信號(hào)rin中的每一個(gè)分別對(duì)應(yīng)一條延遲線。在ses的其他實(shí)施方案中，可以使用一條或多于兩條抽頭延遲線。例如，六條抽頭延遲線可用于6聲道環(huán)繞信號(hào)。

借助于長(zhǎng)的抽頭延遲線，可生成左聲道音頻輸入信號(hào)l和右聲道音頻輸入信號(hào)r的延遲像并將其饋送到模擬源，所述模擬源分別在頭部周?chē)挥凇?0度(左環(huán)繞ls和右環(huán)繞rs)和±135度(左后環(huán)繞lrs和右后環(huán)繞rrs)處。因此，距離呈現(xiàn)器模塊702可提供六個(gè)輸出，其表示左聲道輸入信號(hào)l和右聲道輸入信號(hào)r、左環(huán)繞信號(hào)ls和右環(huán)繞信號(hào)rs、以及左后環(huán)繞信號(hào)lrs和右后環(huán)繞信號(hào)rrs。

雙耳呈現(xiàn)模塊704可包括動(dòng)態(tài)參數(shù)hrtf模型708，用于呈現(xiàn)收聽(tīng)者前面±45度處的聲源。另外地，參數(shù)雙耳呈現(xiàn)模塊704可包括另外的環(huán)繞hrtf710、712，用于呈現(xiàn)±90度和±135度處的模擬聲源?？商娲?，ses110的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案可以針對(duì)具有其他源角度(諸如80度和145度)的源采用其他hrtf。這些環(huán)繞hrtf710、712可模擬具有離散反射的房間環(huán)境，所述房間環(huán)境導(dǎo)致被感知為離頭部更遠(yuǎn)的聲像(距離呈現(xiàn))。然而，反射不一定需要通過(guò)頭部旋轉(zhuǎn)角u(i)來(lái)調(diào)控。如圖7所示，兩個(gè)選項(xiàng)(靜態(tài)和動(dòng)態(tài))是可能的。雙耳呈現(xiàn)模塊704可使用hrtf來(lái)變換從距離呈現(xiàn)器模塊702接收的音頻信號(hào)，以生成左頭戴式耳機(jī)輸出信號(hào)lh和右頭戴式耳機(jī)輸出信號(hào)rh。

此外，圖7示出頭戴式耳機(jī)均衡模塊706，其包括可使hrtf的輸出(即左頭戴式耳機(jī)輸出信號(hào)lh和右頭戴式耳機(jī)輸出信號(hào)rh)均衡的一對(duì)固定的均衡濾波器714、716。參數(shù)雙耳模塊704之后的頭戴式耳機(jī)均衡器模塊706還可以減輕染色并且提高所呈現(xiàn)的hrtf和定位的質(zhì)量。因此，頭戴式耳機(jī)均衡器模塊706可使左頭戴式耳機(jī)輸出信號(hào)lh和右頭戴式耳機(jī)輸出信號(hào)rh均衡，以便提供左均衡頭戴式耳機(jī)輸出信號(hào)lh'和右均衡頭戴式耳機(jī)輸出信號(hào)rh'。

圖8是示出根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的用于增強(qiáng)聲音再現(xiàn)的方法800的流程圖。具體地，圖8示出可在諸如mcu236的微控制器中實(shí)現(xiàn)的后處理算法。在步驟810處，mcu236可從數(shù)字陀螺儀230接收角速度信號(hào)v(i)(其中i＝時(shí)間索引)。如先前所解釋，僅角速度信號(hào)v(i)的z軸分量可用于頭部跟蹤。除角速度信號(hào)v(i)之外，mcu236還可能接收不想要的偏移v0，所述偏移v0可隨時(shí)間緩慢漂移。在步驟820處，mcu236可在啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行校準(zhǔn)程序。校準(zhǔn)程序可在每次頭戴式耳機(jī)組件通電時(shí)執(zhí)行。可替代地，校準(zhǔn)程序可較不頻繁地執(zhí)行，諸如在工廠中在例如通過(guò)服務(wù)軟件由命令觸發(fā)時(shí)執(zhí)行一次。如果滿足“頭戴式耳機(jī)不在運(yùn)動(dòng)中”(即，mcu236確定頭戴式耳機(jī)組件112不移動(dòng))的條件，那么校準(zhǔn)程序可以將偏移作為v(i)的平均值來(lái)測(cè)量。在校準(zhǔn)期間，頭戴式耳機(jī)組件112必須在通電之后保持靜止持續(xù)短的時(shí)間段(例如，1秒)。

在校準(zhǔn)之后，如步驟830所示，可以根據(jù)以下等式，在環(huán)路中通過(guò)累加來(lái)自角速度信號(hào)v(i)的速度矢量的元素來(lái)生成頭部旋轉(zhuǎn)角u(i)：

u(i)＝u(i-1)+v(i)等式3

根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，環(huán)路可含有閾值檢測(cè)器，其將角速度信號(hào)v(i)的絕對(duì)值與預(yù)定閾值thr進(jìn)行比較。因此，在步驟840處，mcu236可確定v(i)的絕對(duì)值是否大于閾值thr。

如果角速度信號(hào)v(i)的絕對(duì)值低于閾值持續(xù)連續(xù)數(shù)目的樣本(例如，樣本計(jì)數(shù)超過(guò)預(yù)定限值)，那么mcu236可假定數(shù)字陀螺儀230中的傳感器不在運(yùn)動(dòng)中。因此，如果步驟840的結(jié)果為否，那么所述方法可以轉(zhuǎn)到到步驟850。在步驟850處，樣本計(jì)數(shù)器(cnt)可以遞增1。在步驟860處，mcu236可確定樣本計(jì)數(shù)器是否超過(guò)表示連續(xù)數(shù)目的樣本的預(yù)定限值。如果滿足步驟860處的條件，那么在步驟870處，可通過(guò)以下等式將頭部旋轉(zhuǎn)角u(i)斜降到零：

u(i)＝a*u(i-1)，其中a＜1(例如，a＝0.995）等式4

這導(dǎo)致ses110自動(dòng)地將聲像移回到其在頭戴式耳機(jī)用戶126的頭部前面的正常位置，從而忽略數(shù)字陀螺儀230中的傳感器的任何剩余的長(zhǎng)期漂移。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，保持時(shí)間(由限制計(jì)數(shù)器限定)和衰減時(shí)間可以是大約數(shù)秒。

在步驟880處，可輸出從步驟870所得的頭部旋轉(zhuǎn)角u(i)。另一方面，如果未滿足步驟860處的條件，那么所述方法可直接轉(zhuǎn)到步驟880，其中可輸出在步驟830處計(jì)算的頭部旋轉(zhuǎn)角u(i)。

返回到步驟840，如果角速度信號(hào)v(i)的絕對(duì)值高于閾值(thr)，那么mcu236可確定數(shù)字陀螺儀230中的傳感器在運(yùn)動(dòng)中。因此，如果步驟840處的結(jié)果為是，那么所述方法可轉(zhuǎn)到步驟890。在步驟890處，mcu236可將樣本計(jì)數(shù)器(cnt)重置為零。所述方法隨后可轉(zhuǎn)到步驟880，其中可輸出在步驟830處計(jì)算的頭部旋轉(zhuǎn)角u(i)。因此，無(wú)論頭戴式耳機(jī)組件112被確定為在運(yùn)動(dòng)中還是不在運(yùn)動(dòng)中，頭部旋轉(zhuǎn)角u(i)最終可在步驟880處輸出，或以其他方式用于更新坡型濾波器332、334、陷波濾波器336、338和延遲濾波器328、330的參數(shù)。

現(xiàn)參考圖9，描繪了示出根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的用于進(jìn)一步增強(qiáng)聲音再現(xiàn)的方法900的另一個(gè)流程圖。具體地，圖9示出后處理算法，所述后處理算法可在諸如mcu236的微控制器中、或者在諸如dsp232的數(shù)字信號(hào)處理器中、或者在這兩種處理裝置的組合中實(shí)現(xiàn)。圖9具體示出用于基于從結(jié)合圖8描述的方法800探知的頭部旋轉(zhuǎn)角u(i)更新hrtf濾波器并且基于更新的hrtf進(jìn)一步變換音頻輸入信號(hào)的方法。

在步驟910處，ses可在音頻信號(hào)接口231處接收音頻輸入信號(hào)，所述音頻輸入信號(hào)可被饋送到dsp232。如相對(duì)于圖8所解釋的，mcu236可根據(jù)從數(shù)字陀螺儀230獲得的角速度信號(hào)v(i)連續(xù)地確定頭部旋轉(zhuǎn)角u(i)。在步驟920處，mcu236或dsp232可檢索或接收頭部旋轉(zhuǎn)角u(i)。在步驟930處，隨后可使用新頭部旋轉(zhuǎn)角u(i)來(lái)生成左表指針?biāo)饕?index_left)和右表指針?biāo)饕?index_right)。如先前所描述的，左表指針?biāo)饕岛陀冶碇羔標(biāo)饕悼煞謩e根據(jù)等式1和等式2來(lái)計(jì)算。左表指針?biāo)饕岛陀冶碇羔標(biāo)饕悼捎糜诓檎覟V波器參數(shù)。例如，在步驟940處，隨后可使用左表指針?biāo)饕岛陀冶碇羔標(biāo)饕祦?lái)從坡型、陷波和延遲濾波器參數(shù)的相應(yīng)濾波器查找表檢索這些參數(shù)。

根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，僅坡型濾波器和陷波濾波器的增益參數(shù)“α”可隨左表指針?biāo)饕岛陀冶碇羔標(biāo)饕档母淖兌兓?。此外，僅延遲濾波器所取得的樣本數(shù)目可隨左表指針?biāo)饕岛陀冶碇羔標(biāo)饕档母淖兌兓?。根?jù)一個(gè)或多個(gè)替代性實(shí)施方案，諸如質(zhì)量因子“q”或者坡型/陷波頻率“f”的其他濾波器參數(shù)也可以隨左表指針?biāo)饕岛陀冶碇羔標(biāo)饕档母淖兌兓?/p>

一旦從坡型、陷波和延遲濾波器參數(shù)的查找表檢索到這些參數(shù)，dsp232就可在步驟950處更新雙耳呈現(xiàn)模塊300的動(dòng)態(tài)參數(shù)hrtf320、322的相應(yīng)坡型濾波器332、334、陷波濾波器336、338和延遲濾波器328、330。在步驟960處，dsp232可使用更新的hrtf將從音頻源114接收的音頻輸入信號(hào)113變換成包括左頭戴式耳機(jī)輸出信號(hào)lh和右頭戴式耳機(jī)輸出信號(hào)rh的音頻輸出信號(hào)。響應(yīng)于頭部旋轉(zhuǎn)而更新這些雙耳呈現(xiàn)濾波器310導(dǎo)致在轉(zhuǎn)動(dòng)頭部時(shí)保持穩(wěn)定的立體聲像。這向大腦提供指示聲像位于前面或后面的重要方向提示。因此，可消除所謂的“前后混淆”。

雖然上文描述示例性實(shí)施方案，但并不意味著這些實(shí)施方案描述了本發(fā)明的所有可能形式。實(shí)際上，在說(shuō)明書(shū)中使用的措詞是用于描述而非限制性的措辭，并且應(yīng)理解，可在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下做出各種改變。另外，各種實(shí)現(xiàn)實(shí)施方案的特征可加以組合以形成本發(fā)明的其他實(shí)施方案。