專利名稱：聲像定位設(shè)備和方法以及記錄媒介的制作方法
相關(guān)應(yīng)用參照本發(fā)明包含涉及2005年5月31日在日本專利局申請的日本專利申請JP2004-162322的主題，其整個內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及聲像定位設(shè)備，且適合應(yīng)用于定位通過耳機復(fù)制的聲像到任意位置的聲像定位設(shè)備。
相關(guān)技術(shù)簡述多信道音頻信號大量用作隨同諸如電影的圖像一起的聲音。假設(shè)這樣將被記錄的多信道音頻信號使用安排在諸如屏幕的圖像表示平面兩邊和中央的揚聲器來再生，且這個揚聲器放在聽者的后面或兩邊?？梢允褂冒才旁谶@樣固定位置一組揚聲器，通過再生這些音頻信號，來建立對于實際聽起來象圖像中聲源位置的再生聲音的聲像位置來說，具有自然增寬的聲場。
然而，當(dāng)這樣的音頻信號在耳機設(shè)備上復(fù)制時，再生聲音的聲像定位在聽者的頭部。由此再生聲音的聲像位置不是和圖像中聲源的位置成一直線，引起一個非常不自然的聲場。同樣，每個信道的音頻信號的定位位置不能個別地獨立地再生，因此類似交響樂團(tuán)的多于一個的音樂聲音在頭部均一定位，來組成不自然的聲場。
為了改善這樣耳機設(shè)備中不自然的聲像定位，提出了一種耳機設(shè)備，其中測量或計算從揚聲器的任意位置到聽者二個耳朵的脈沖響應(yīng)，使用數(shù)字濾波器在音頻信號中旋繞有關(guān)的脈沖響應(yīng)，再生音頻信號，從而獲得剛剛從實際揚聲器再生的自然聲像的聽覺定位(例如指的是日本專利申請公開號碼2000-227350)。


圖1表示了用于聽覺定位一個信道上音頻信號的聲像的耳機設(shè)備100的結(jié)構(gòu)。耳機設(shè)備100在模數(shù)變換電路2中，把經(jīng)由輸入端子1輸入在一個信道上的模擬音頻信號SA變換成數(shù)字形式，來產(chǎn)生數(shù)字音頻信號SD，把它提供到數(shù)字處理電路3L和3R。數(shù)字處理電路3L和3R對數(shù)字音頻信號SD執(zhí)行聽覺定位的信號處理。
當(dāng)要被定位的聲源SP在聽者M(jìn)的前面時，如圖2所示，從聲源SP輸出的聲音經(jīng)由具有轉(zhuǎn)移函數(shù)HL和HR的路徑到達(dá)聽者M(jìn)的左右耳朵。在其中轉(zhuǎn)移函數(shù)HL和HR被變換成時間軸的左右信道上的脈沖響應(yīng)被預(yù)先測量或計算。
數(shù)字處理電路3L和3R把左右信道上的脈沖響應(yīng)旋繞成為數(shù)字音頻信號SD，并輸出數(shù)字音頻信號SDL和SDR。在這方面，數(shù)字處理電路3L和3R中的每個是由有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器組成，如圖3所示。
數(shù)模變換電路4L和4R把數(shù)字音頻信號SDL和SDR變換成模擬形式，來產(chǎn)生模擬音頻信號SAL和SAR，其在對應(yīng)的放大器5L和5R中被放大，并提供給耳機6。且耳機6的聲學(xué)單元(電聲傳感器單元)6L和6R把模擬音頻信號SAL和SAR變換成聲音并輸出它。
因此，從耳機6輸出的左右再生聲音變成等同于從聲源SP經(jīng)由具有轉(zhuǎn)移函數(shù)的HL和HR的路徑獲得的聲音，如圖2所示。從而，當(dāng)聽者戴上耳機6聽重現(xiàn)聲音時，如圖2所示聲像定位在聲源SP的位置(即聽覺定位)。
參考圖4，下面將說明用于定位頭外部多信道視頻數(shù)字信號的聲像的耳機設(shè)備101。在此耳機設(shè)備101中，三個信道上音頻信號在頭外部被定位到與聲源SPa、SPb和SPc相對應(yīng)的位置，如圖5所示。在其中從聲源SPa到聽者M(jìn)的二個耳朵的轉(zhuǎn)移函數(shù)HaL和HaR，從聲源SPb到聽者M(jìn)的二個耳朵的轉(zhuǎn)移函數(shù)HbL和HbR，從聲源SPc到聽者M(jìn)的二個耳朵的轉(zhuǎn)移函數(shù)HcL和HcR變換在時間軸的該脈沖響應(yīng)被事先測量和計算。
在圖4中，耳機設(shè)備101的模數(shù)變換電路2a把經(jīng)由輸入端子1a輸入的模擬音頻信號SAa變換成為數(shù)字形式，來產(chǎn)生數(shù)字音頻信號SDa，其提供給后級的數(shù)字處理電路3aL和3aR。同樣，模數(shù)變換電路2b把經(jīng)由輸入端子1b輸入的模擬音頻信號SAb變換成為數(shù)字形式，來產(chǎn)生數(shù)字音頻信號SDb，其提供給后級的數(shù)字處理電路3bL和3bR。同樣，模數(shù)變換電路2c把經(jīng)由輸入端子1c輸入的模擬音頻信號SAc變換成為數(shù)字形式，來產(chǎn)生數(shù)字音頻信號SDc，其提供給后級的數(shù)字處理電路3cL和3cR。
數(shù)字處理電路3aL、3bL和3cL把用于左耳的脈沖響應(yīng)旋繞成為數(shù)字音頻信號SDa、SDb和SDc，并提供數(shù)字音頻信號SDaL、SDbL和SDcL給加法電路7L。同樣，數(shù)字處理電路3aR、3bR和3cR把用于右耳的脈沖響應(yīng)旋繞成為數(shù)字音頻信號SDa、SDb和SDc，并提供數(shù)字音頻信號SDaR、SDbR和SDcR給加法電路7R。數(shù)字處理電路3aL和3aR、3bL和3bR、3cL和3cR中每個由和數(shù)字處理電路3L和3R相同的FIR濾波器組成，如圖1所示。
加法電路7L將脈沖響應(yīng)被旋繞成的數(shù)字音頻信號SDaL、SDbL和SDcL相加，以產(chǎn)生在左信道上的數(shù)字音頻信號SDL。同樣，加法電路7R將脈沖響應(yīng)被旋繞成的數(shù)字音頻信號SDaR、SDbR和SDcR相加，以產(chǎn)生在右信道上的數(shù)字音頻信號SDR。
數(shù)模變換電路4L和4R把數(shù)字音頻信號SDL和SDR變換成模擬形式，來產(chǎn)生模擬音頻信號SAL和SAR，其在對應(yīng)的放大器5L和5R中被放大，并提供給耳機6。且耳機6的聲學(xué)單元把模擬音頻信號SAL和SAR變換成為聲音并輸出它。
這時，從耳機6輸出的左右重現(xiàn)聲音變成等同于從聲源SPa、SPb和SPc經(jīng)由具有轉(zhuǎn)移函數(shù)的HaL和HaR、HbL和HbR、HcL和HcR的路徑獲得的聲音，如圖5所示。從而，當(dāng)聽者戴上耳機6聽重現(xiàn)聲音時，如圖5所示聲像定位在聲源SPa、SPb和SPc的位置。在處理在四個或更多信道上的音頻信號時，聲像以相同的方式被聽覺定位。
另一個方面，當(dāng)在揚聲器上再生多信道音頻信號時，存在一個問題，即由于收聽室的有限面積，對應(yīng)信道的大量揚聲器不能被安排。根據(jù)一個實施例，試圖采用有限數(shù)量的揚聲器來組成聽者周圍若干聲像。
圖6示出采用二個揚聲器9L和9R，用于定位聲像在任何位置的揚聲器設(shè)備200，其中經(jīng)由輸入端子1輸入的模擬音頻信號SA通過模數(shù)變換電路2被變換成數(shù)字形式，來產(chǎn)生提供給數(shù)字處理電路8L和8R的數(shù)字音頻信號SD。
數(shù)字處理電路8L和8R把定位聲像的脈沖響應(yīng)(下文所描述的)旋繞成為數(shù)字音頻信號SD，并輸出數(shù)字音頻信號SDL和SDR。數(shù)字處理電路8L和8R中的每個是由和圖1所示的數(shù)字處理電路3L和3R相同的FIR濾波器組成。
數(shù)模變換電路4L和4R把數(shù)字音頻信號SDL和SDR變換成模擬形式，來產(chǎn)生模擬音頻信號SAL和SAR，其在對應(yīng)的放大器5L和5R中被放大，并提供給揚聲器9L和9R。且揚聲器9L和9R把模擬音頻信號SAL和SAR變換成為聲音并輸出它。
下面將描述數(shù)字處理電路8L和8R中聲像定位處理的概念。將考慮在聽者M(jìn)的左右前方安排聲源SPL和SPR，通過聲源SPL和SPR等價地再現(xiàn)(定位)在任何位置的虛擬聲源SPx的情況，如圖7所示。
在此，假如轉(zhuǎn)移函數(shù)HLL從聲源SPL到聽者M(jìn)左耳的轉(zhuǎn)移函數(shù)HLR從聲源SPL到聽者M(jìn)右耳的轉(zhuǎn)移函數(shù)HRL從聲源SPR到聽者M(jìn)左耳的轉(zhuǎn)移函數(shù)HRR從聲源SPR到聽者M(jìn)右耳的轉(zhuǎn)移函數(shù)HXL從虛擬聲源SPX到聽者M(jìn)左耳的轉(zhuǎn)移函數(shù)HXR從虛擬聲源SPX到聽者M(jìn)右耳的轉(zhuǎn)移函數(shù)通過下面的表達(dá)式給出聲源SPL和SPR。
SPL＝(HXL×HRR-HXR×HRL)/(HLL×HRR-HLR×HRL)×SPX ...(1)SPR＝(HXR×HLL-HXL×HLR)/(HLL×HRR-HLR×HRL)×SPX ...(2)因此，數(shù)字處理電路8L和8R把如表達(dá)式(1)或(2)中的轉(zhuǎn)移函數(shù)被轉(zhuǎn)換成時間軸的脈沖響應(yīng)旋繞成數(shù)字音頻信號SD，來定位聲像在虛擬聲源SPx的位置。
雖然在上面的描述中，用二個揚聲器9L和9R把在一個信道上的音頻信號聲音定位在任何位置，但是，采用與如圖4所示多信道耳機設(shè)備101相同的結(jié)構(gòu)，用二個揚聲器可以把每個多信道音頻信號的聲音定位在任何位置。
發(fā)明概述在上面耳機設(shè)備或揚聲器設(shè)備中，通過把基于轉(zhuǎn)移函數(shù)的脈沖響應(yīng)旋繞成為音頻信號，聲像被定位在任何位置。然而，當(dāng)多信道音頻信號中的每個被再生作為在任何位置的具有明晰空間定位的聲像時，有可能要求對每個聲源旋繞具有足夠長度的脈沖響應(yīng)，將導(dǎo)致一個問題是數(shù)字處理電路具有大量的運算，使得設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。
因此，需要聲像定位設(shè)備顯著地降低運算的數(shù)量來實現(xiàn)聲像的定位。
本發(fā)明提供用于基于從聲源的定位位置到聽者左右耳朵的脈沖響應(yīng)，通過產(chǎn)生用于在左右信道定位的音頻信號，來把重現(xiàn)聲像定位到聲源定位位置的聲像定位設(shè)備，包括用于向下抽樣定位到聽者后面聲源的定位位置的后方音頻信號的抽樣速率變化裝置，和用于基于從聽者后面聲源的定位位置到聽者左右耳朵的脈沖響應(yīng)，對通過抽樣速率變化裝置向下抽樣的后方音頻信號執(zhí)行信號處理，并產(chǎn)生用于定位的音頻信號的信號處理裝置。
基于向下抽樣定位到聽者后面聲源定位位置的音頻信號之后的脈沖響應(yīng)執(zhí)行信號處理，為此可以降低信號處理裝置中的運算數(shù)量，而不損壞聲像的空間定位。
同樣，在發(fā)明中，聲源定位設(shè)備設(shè)置用于從輸入音頻信號產(chǎn)生后方音頻信號的后方音頻信號產(chǎn)生裝置。
此外，信號處理裝置基于從聽者后面聲源定位的第一個位置到聽者左右耳朵的脈沖響應(yīng)，對向下抽樣后的后方音頻信號執(zhí)行信號處理，來產(chǎn)生使聲像定位在聲源定位的第一個位置的定位用第一音頻信號，并通過反相定位用第一音頻信號，經(jīng)由聽者頭部的中心平面，產(chǎn)生用于聲像定位在與聲源定位的第一個位置相反位置的聲源定位的第二個位置的定位用第二音頻信號。
從而，可以大大降低信號處理裝置中的運算數(shù)量。
采用本發(fā)明，定位聽者后面聲像的運算數(shù)量可以被大大降低，使聲像定位設(shè)備具有更簡單的結(jié)構(gòu)。
結(jié)合附圖，本發(fā)明的特性、原理和效用將變得更加明顯，圖中相同的部分使用相同的參考號碼或字符來表示。
附圖簡述在附圖中圖1是表示傳統(tǒng)耳機設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)的方框圖；圖2是說明耳機設(shè)備中聲像定位的示意圖；圖3是表示FIR濾波器結(jié)構(gòu)的方框圖；圖4是表示多信道耳機設(shè)備結(jié)構(gòu)的方框圖；圖5是說明多信道的轉(zhuǎn)移函數(shù)的示意圖；圖6是表示傳統(tǒng)揚聲器設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)的方框圖；圖7是說明揚聲器設(shè)備中轉(zhuǎn)移函數(shù)的示意圖；圖8是表示根據(jù)本發(fā)明第一實施例的耳機設(shè)備整體結(jié)構(gòu)的方框圖；圖9是說明第一實施例中聲像定位的示意圖；圖10A和10B是轉(zhuǎn)移函數(shù)頻率的特性圖表；圖11是表示FIR濾波器結(jié)構(gòu)的方框圖12是表示IIR濾波器結(jié)構(gòu)的方框圖；圖13是表示根據(jù)本發(fā)明第二實施例的耳機設(shè)備整體結(jié)構(gòu)的方框圖；圖14是說明第二實施例中聲像定位的示意圖；圖15是表示根據(jù)本發(fā)明第三實施例的耳機設(shè)備整體結(jié)構(gòu)的方框圖；和圖16是用于定位向后音頻信號的信號處理程序的流程圖。
較佳實施例詳述下面將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的較佳實施例。
(1)第一實施例(1-1)耳機的整體結(jié)構(gòu)圖8中，其中圖1和4那些共同部分用相同符號表示，參考號碼10表示作為根據(jù)本發(fā)明第一實施例聲像定位設(shè)備的耳機設(shè)備。圖8中，二個信道上的輸入音頻信號SAa和SAb被聽覺定位在聲源SPa和SPb的位置，如圖9所示。其中從聲源SPa到聽者M(jìn)的二個耳朵的轉(zhuǎn)移函數(shù)HaL和HaR，以及從聲源SPb到聽者M(jìn)的二個耳朵的轉(zhuǎn)移函數(shù)HbL和HbR被變換成時間軸的脈沖響應(yīng)，被預(yù)先測量或計算。
眾所周知，從后方到人耳朵的傳輸頻率特性(圖10A)在高頻區(qū)域中在頭部或外耳影響下低于從前方到人耳朵的傳輸頻率特性(圖10B)(即從后面來的聲音在高頻特性方面下降)。從而，后分定位的脈沖響應(yīng)與用于前方定位的脈沖響應(yīng)相比，可以去除高頻成分。
考慮到這點，耳機設(shè)備10以比執(zhí)行前方定位處理的數(shù)字處理電路12aL和12aR更低的抽樣速率，運行執(zhí)行后方定位處理的數(shù)字處理電路12bL和12bR。
換句話說，圖8中，耳機設(shè)備10的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路2a作為聲像定位設(shè)備，以預(yù)設(shè)抽樣速率把經(jīng)由輸入端子1a輸入的模擬音頻信號SAa變換成為數(shù)字形式，來產(chǎn)生數(shù)字音頻信號SDa，其被提供給用于前方定位的數(shù)字處理電路12aL和12aR。
數(shù)字處理電路12aL把其中從聲源SPa到聽者M(jìn)左耳的轉(zhuǎn)移函數(shù)HaL(圖9)被變換成時間軸的脈沖響應(yīng)旋繞成為數(shù)字音頻信號SDa，提供數(shù)字音頻信號SDaL到用于左信道的加法電路7L。同樣，數(shù)字處理電路12aR把其中從聲源SPa到聽者M(jìn)右耳的轉(zhuǎn)移函數(shù)HaR(圖9)被變換成時間軸的脈沖響應(yīng)旋繞成為數(shù)字音頻信號SDa，把數(shù)字音頻信號SdaR提供到用于右信道的加法電路7R。
相反，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路2b，以和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路2a一樣的抽樣速率把經(jīng)由輸入端子1b輸入的模擬音頻信號Sab變換成為數(shù)字形式，來產(chǎn)生數(shù)字音頻信號SDb，其被提供給抽選過濾器(decimation filter)11。抽選過濾器11作為抽樣速率變化裝置，以1/n抽樣速率(n是2或更大的整數(shù))對數(shù)字音頻信號SDb執(zhí)行向下抽樣，并提供向下抽樣后的信號給用于后方定位的數(shù)字處理電路12bL和12bR。
數(shù)字處理電路12bL作為信號處理裝置，旋繞其中從聲源SPb到聽者M(jìn)左耳的轉(zhuǎn)移函數(shù)HbL(圖9)被變換成時間軸的脈沖響應(yīng)成為數(shù)字音頻信號SDb，把數(shù)字音頻信號SDbL提供到內(nèi)插濾波器13L。內(nèi)插濾波器13L以抽樣速率的n倍對數(shù)字音頻信號SDbL進(jìn)行向上抽樣，來恢復(fù)原始數(shù)字音頻信號SDb的相同抽樣速率，并提供向上抽樣之后的信號給用于左信道的加法電路7L。
同樣，數(shù)字處理電路12bR作為信號處理裝置，把其中從聲源SPb到聽者M(jìn)右耳的轉(zhuǎn)移函數(shù)HbR(圖9)被變換成時間軸的脈沖響應(yīng)旋繞成為數(shù)字音頻信號SDb，把數(shù)字音頻信號SDbR提供到內(nèi)插濾波器13R。內(nèi)插濾波器13R以n倍的抽樣速率對數(shù)字音頻信號SDbR進(jìn)行向上抽樣，來恢復(fù)原始數(shù)字音頻信號SDb的相同抽樣速率，并提供向上抽樣之后的信號給用于右信道的加法電路7R。
加法電路7L將數(shù)字音頻信號SDaL和SDbL相加，來產(chǎn)生左信道上的數(shù)字音頻信號SDL。同樣，加法電路7R將數(shù)字音頻信號SDaR和SDbR相加，來產(chǎn)生右信道上的數(shù)字音頻信號SDR。
數(shù)模變換電路4L和4R把數(shù)字音頻信號SDL和SDR變換成模擬形式，來產(chǎn)生模擬音頻信號SAL和SAR，其被對應(yīng)的放大器5L和5R放大，并提供給耳機6。且耳機6的聲學(xué)單元6L和6R把模擬音頻信號SAL和SAR變換成為聲音并輸出它。
這時，從耳機6輸出的左右重現(xiàn)聲音構(gòu)與成當(dāng)模擬音頻信號SAa和SAb提供給放在聲源SPa和SPb的位置的揚聲器(圖9)時的幾乎相同的聲場，其中重現(xiàn)聲音的聲像被定位在聽者M(jìn)的頭外部。
(1-2)減少在耳機設(shè)備中運算的數(shù)量數(shù)字處理電路12bL、12bR、12aL和12aR的每個由如圖11所示的FIR濾波器組成。用于后方定位的數(shù)字處理電路12bL和12bR以用于前方定位數(shù)字處理電路12aL和12aR的抽樣速率的1/n運行。
例如，取n＝2，假設(shè)數(shù)字處理電路12bL和12bR中分接頭的數(shù)量是T，數(shù)字處理電路12aL和12aR，在數(shù)字音頻信號SDb的每二個抽樣對2T(＝2×T)個分接頭執(zhí)行旋繞運算，從而在每個抽樣對T個分接頭執(zhí)行旋繞運算。相反，如果沒有執(zhí)行向下抽樣，數(shù)字處理電路12bL和12bR中分接頭的數(shù)量是雙倍或2T，數(shù)字處理電路12aL和12aR，在數(shù)字音頻信號SDb的每個抽樣對2T(＝2×T)分接頭執(zhí)行旋繞運算。
如此，耳機設(shè)備10以1/n抽樣速率運行用于后方定位的數(shù)字處理電路12bL和12bR，且和沒有執(zhí)行向下抽樣時比較，運算數(shù)量降低成1/n2。
在此，為了使數(shù)字處理電路12bL和12bR能以低抽樣速率運行，可能要求如上所述用于向下抽樣的抽選濾波器11和用于向上抽樣的內(nèi)插濾波器13L、13R，使得在耳機設(shè)備10中的運算數(shù)量被相應(yīng)地增加。
實際上，抽選濾波器11和內(nèi)插濾波器13L、13R中每個可以由如圖12所示的無限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器組成。抽選濾波器11和內(nèi)插濾波器13L、13R與用于旋繞具有足夠長度的脈沖響應(yīng)的FIR濾波器的數(shù)字處理電路12aL、12aR、12bL和12bR相比，以可忽視的很少的運算來運行。從而，耳機設(shè)備10大大降低了在整個設(shè)備上運算的數(shù)量。
采用上面的結(jié)構(gòu)，用于后方定位的數(shù)字處理電路12aL和12aR以1/n的抽樣速率運行，為此耳機設(shè)備10的結(jié)構(gòu)通過降低運算數(shù)量被簡化，而不損壞聲像的空間定位。
(2)第二實施例(2-1)耳機設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)圖13中，與圖8中那些共同部分用相同的符號表示，參考號碼20表示作為根據(jù)本發(fā)明第二實施例的聲像定位設(shè)備的耳機設(shè)備。二個信道上的輸入音頻信號SAa和SAb被聽覺定位在聲源SPa和SPb到聽者M(jìn)前方左右的位置，如圖14所示。從音頻信號SAa和SAb產(chǎn)生用于后方定位的音頻信號SAc和SAd，并聽覺定位在聲源SPc和SPd到聽者M(jìn)后方左右的位置。其中從聲源SPa到聽者M(jìn)的二個耳朵的轉(zhuǎn)移函數(shù)HaL和HaR，從聲源SPb到聽者M(jìn)的二個耳朵的轉(zhuǎn)移函數(shù)HbL和HbR，從聲源SPc到聽者M(jìn)的二個耳朵的轉(zhuǎn)移函數(shù)HcL和HcR和從聲源SPd到聽者M(jìn)的二個耳朵的轉(zhuǎn)移函數(shù)HdL和HdR被變換成時間軸的脈沖響應(yīng)，被預(yù)先測量或計算。
在此，耳機設(shè)備20，類似耳機設(shè)備10，以比用于執(zhí)行對前方定位處理的數(shù)字處理電路12aL和12aR、12bL和12bR更低的抽樣速率，運行用于對視頻信號SAc和SAd執(zhí)行后方定位處理的數(shù)字處理電路12cL、12cR、12dL和12dR。從而降低在整個設(shè)備的運算數(shù)量。
換句話說，耳機設(shè)備20的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路2a作為聲像定位設(shè)備，B3經(jīng)由輸入端子1a輸入的模擬音頻信號Saa變換成為數(shù)字形式，來產(chǎn)生數(shù)字音頻信號SDa，其被提供給數(shù)字處理電路12aL和12aR和加法電路14c和14d。數(shù)字處理電路12aL旋繞其中從聲源SPa到聽者M(jìn)左耳的轉(zhuǎn)移函數(shù)HaL(圖14)被變換成時間軸的脈沖響應(yīng)成為數(shù)字音頻信號SDa，并提供數(shù)字音頻信號SDaL到用于左信道的加法電路7L。同樣，數(shù)字處理電路12aR把其中從聲源SPa到聽者M(jìn)右耳的轉(zhuǎn)移函數(shù)HaR被變換成時間軸的脈沖響應(yīng)旋繞成為數(shù)字音頻信號SDa，提供數(shù)字音頻信號SDaR到用于右信道的加法電路7R。
同樣，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路2b把經(jīng)由輸入端子1b輸入的模擬音頻信號Sab變換成為數(shù)字形式，來產(chǎn)生數(shù)字音頻信號SDb，其被提供給數(shù)字處理電路12bL和12bR和加法電路14c和14d。數(shù)字處理電路12bL把其中從聲源SPb到聽者M(jìn)左耳的轉(zhuǎn)移函數(shù)HbL變換成時間軸的脈沖響應(yīng)旋繞成為數(shù)字音頻信號SDb，并提供數(shù)字音頻信號SDbL到用于左信道的加法電路7L。同樣，數(shù)字處理電路12bR把其中從聲源SPb到聽者M(jìn)右耳的轉(zhuǎn)移函數(shù)HbR變換成時間軸的脈沖響應(yīng)旋繞成為數(shù)字音頻信號SDb，提供數(shù)字音頻信號SDbR到用于右信道的加法電路7R。
加法電路14c從數(shù)字音頻信號SDb減去數(shù)字音頻信號SDa，來產(chǎn)生如圖14所示用于定位到聲源SPc左后方的數(shù)字音頻信號SDc，并提供給抽選過濾器11c。抽選過濾器11c作為抽樣速率變化裝置以1/n抽樣速率(n是2或更大的整數(shù))對數(shù)字音頻信號SDc執(zhí)行向下抽樣，并提供向下抽樣的信號給用于后方定位的數(shù)字處理電路12cL和12cR。
數(shù)字處理電路12cL作為信號處理裝置，把其中從聲源SPc到聽者M(jìn)左耳的轉(zhuǎn)移函數(shù)HcL變換成時間軸的脈沖響應(yīng)旋繞成為數(shù)字音頻信號SDc，并提供數(shù)字音頻信號SDcL到加法電路14L。同樣，數(shù)字處理電路12cR作為信號處理裝置，把其中從聲源SPc到聽者M(jìn)右耳的轉(zhuǎn)移函數(shù)HcR變換成時間軸的脈沖響應(yīng)旋繞成為數(shù)字音頻信號SDc，并提供數(shù)字音頻信號SDcR到加法電路14R。
同樣，加法電路14d從數(shù)字音頻信號SDa減去數(shù)字音頻信號SDb，來產(chǎn)生用于定位到聲源SPd右后方的數(shù)字音頻信號SDd，并提供給抽選過濾器11d。抽選過濾器11d作為抽樣速率變化裝置以1/n抽樣速率對數(shù)字音頻信號SDd執(zhí)行向下抽樣，并提供向下抽樣的信號給用于后方定位的數(shù)字處理電路12dL和12dR。
數(shù)字處理電路12dL作為信號處理裝置，把其中從聲源SPd到聽者M(jìn)左耳的轉(zhuǎn)移函數(shù)HdL變換成時間軸的脈沖響應(yīng)旋繞成為數(shù)字音頻信號SDd，提供數(shù)字音頻信號SDdL到加法電路14L。同樣，數(shù)字處理電路12dR作為信號處理裝置，把其中從聲源SPd到聽者M(jìn)右耳的轉(zhuǎn)移函數(shù)HdR變換成時間軸的脈沖響應(yīng)旋繞成為數(shù)字音頻信號SDd，提供數(shù)字音頻信號SDdR到加法電路14R。
加法電路14L將數(shù)字音頻信號SDcL和SDdL相加來產(chǎn)生從后方二個聲源SPc和SPd到左耳的成分的數(shù)字音頻信號SDrL，并提供它給內(nèi)插濾波器13L。內(nèi)插濾波器13L以n倍的抽樣速率對數(shù)字音頻信號SDrL進(jìn)行向上抽樣，并提供向上抽樣的信號給用于左信道的加法電路7L。
同樣，加法電路14R將數(shù)字音頻信號SDcR和SDdR相加來產(chǎn)生從后方二個聲源SPc和SPd到右耳的成分的數(shù)字音頻信號SDrR，并提供它給內(nèi)插濾波器13R。內(nèi)插濾波器13R以n倍的抽樣速率對數(shù)字音頻信號SDrR進(jìn)行向上抽樣，并提供向上抽樣的信號給用于右信道的加法電路7R。
加法電路7L將數(shù)字音頻信號SDaL、SDbL和SDrL相加來產(chǎn)生左信道上的數(shù)字音頻信號SDL。同樣加法電路7R將數(shù)字音頻信號SDaR、SDbR和SDrR相加來產(chǎn)生右信道上的數(shù)字音頻信號SDR。
數(shù)模變換電路4L和4R把數(shù)字音頻信號SDL和SDR變換成模擬形式，來產(chǎn)生模擬音頻信號SAL和SAR，其被對應(yīng)的放大器5L和5R放大，并提供給耳機6。且耳機6的聲學(xué)單元6L和6R把模擬音頻信號SAL和SAR變換成為聲音并輸出它。
這時，從耳機6輸出的左右重現(xiàn)聲音構(gòu)成與當(dāng)如圖14所示那樣揚聲器放在聲源SPa到SPd時的幾乎相同的聲場，其中重現(xiàn)聲音的每個聲像是聽者M(jìn)的聽覺定位。
(2-2)減少在耳機設(shè)備中的算術(shù)操作用于后方定位的數(shù)字處理電路12cL、12cR、12dL和12dR的每個以用于前方定位的數(shù)字處理電路12aL、12aR、12bL和12bR的1/n的抽樣速率運行。
因此，耳機設(shè)備20，類似于第一實施例的耳機設(shè)備10，和不執(zhí)行向下抽樣相比，可以把用于后方定位的數(shù)字處理電路12cL、12cR、12dL和12dR中運算的數(shù)量降低成1/n2。用于向下抽樣的抽選濾波器11c和11d以及用于向上抽樣的內(nèi)插濾波器13L和13R中的每個由IIR濾波器組成，其中運算的數(shù)量小到可以被忽略。
采用上面的結(jié)構(gòu)，用于后方定位的數(shù)字處理電路12cL、12cR、12dL和12dR以1/n的抽樣速率操作，從而耳機設(shè)備20的結(jié)構(gòu)通過降低運算數(shù)量被簡化，而不損壞聲像的空間定位。
(3)第三實施例雖然第二實施例中耳機設(shè)備20中，從輸入音頻信號SAa和SAb產(chǎn)生用于后方定位的音頻信號SAc和SAd，但是當(dāng)定位用于后方定位的音頻信號SAc和Sad的聲源SPc和SPd位置(圖14)在聽者M(jìn)的頭部中心平面的兩邊時，可以進(jìn)一步簡化用于后方定位的數(shù)字處理電路(如圖13所示的12cL、12cR、12dL和12dR)。
換句話說，圖13中，從內(nèi)插濾波器13L提供給用于左信道的加法電路7L的數(shù)字音頻信號SDrL通過下面表達(dá)式來給出。
SDrL＝SDcL+SDdL＝SDc×HcL+SDd×HdL＝(SDb-SDa)HcL+(SDa-SDb)HdL＝(SDa-SDb)×(HdL-HcL)...(3)另一方面，從內(nèi)插濾波器13R提供給用于右信道的加法電路7L的數(shù)字音頻信號SDrR通過下面表達(dá)式來給出。
SDrR＝SDcR+SDdR＝SDc×HcR+SDd×HdR＝(SDb-SDa)HcR+(SDa-SDb)HdR＝(SDa-SDb)×(HcR-HdR)...(4)在此，當(dāng)聲源SPc和SPd的位置在聽者M(jìn)頭部中心平面的兩邊時，HcL＝HdR且HcR＝HdL，從而，數(shù)字音頻信號SDrL和SDrR通過下面表達(dá)式(5)和(6)來給出。
SDrL＝(SDa-SDb)×(HdL-HcL)＝(SDa-SDb)×(HdR-HcL)...(5)SDrR＝(SDb-SDa)×(HcR-HdR)
＝(SDb-SDa)×(HcR-HcL)...(6)因為表達(dá)式(5)和(6)中所有的轉(zhuǎn)移函數(shù)是HcR-HcL，假設(shè)Hz＝HcR-HcL，且SDz＝SDb-SDa，則數(shù)字音頻信號SDrL和SDrR通過下面表達(dá)式(7)和(8)來給出。
SDrL＝(SDa-SDb)×(HdL-HcL)＝-SDz×Hz...(7)SDrR＝(SDb-SDa)×(HcR-HcL)＝SDz×Hz ...(8)因此，通過反相數(shù)字音頻信號SDrL產(chǎn)生數(shù)字音頻信號SDrR，由此可以從一個數(shù)字處理電路產(chǎn)生數(shù)字音頻信號SDrL和SDrR。
圖15中，與圖13中那些共同部件用相同的符號表示，參考號碼30表示作為根據(jù)本發(fā)明第三實施例的聲像定位設(shè)備的耳機設(shè)備，其中用于模數(shù)變換電路2a和2b以及數(shù)字處理電路12aL、12aR、12bL、12bR和圖13所示的用于耳機設(shè)備20的那些電路相同，省略對這些電路的說明。
加法電路14z從數(shù)字音頻信號SDb減去數(shù)字音頻信號SDa，來產(chǎn)生數(shù)字音頻信號SDz，并提供給抽選過濾器11z。抽選過濾器11z作為抽樣速率變化裝置以1/n抽樣速率(n是2或更大的整數(shù))對數(shù)字音頻信號SDz執(zhí)行向下抽樣，并提供向下抽樣后的信號給用于后方定位的數(shù)字處理電路12z。
數(shù)字處理電路12z作為信號處理裝置，把其中轉(zhuǎn)移函數(shù)Hz(＝HcR-HcL)變換成時間軸的脈沖響應(yīng)旋繞成為數(shù)字音頻信號SDz，并把右后方的數(shù)字音頻信號SDrR提供到內(nèi)插濾波器13z。內(nèi)插濾波器13z以n倍的抽樣速率對數(shù)字音頻信號SDrR進(jìn)行向上抽樣，并提供向上抽樣后的信號給用于右信道的加法電路7R和反相電路15。反相電路15反相數(shù)字音頻信號SDrR來產(chǎn)生左后方的數(shù)字音頻信號SDrL，并提供它給用于左信道的加法電路7L。
且加法電路7L將數(shù)字音頻信號SDaL、SDbL和SDrL相加來產(chǎn)生左信道上的數(shù)字音頻信號SDL。同樣加法電路7R將數(shù)字音頻信號SDaR、SDbR和SDrR相加來產(chǎn)生右信道上的數(shù)字音頻信號SDR。
數(shù)模變換電路4L和4R把數(shù)字音頻信號SDL和SDR變換成模擬形式，來產(chǎn)生模擬音頻信號SAL和SAR，其被對應(yīng)的放大器5L和5R放大，并提供給耳機6。且耳機6的聲學(xué)單元6L和6R把模擬音頻信號SAL和SAR變換成為聲音并輸出它。
這時，當(dāng)如圖14所示揚聲器放在聲源SPa到SPd時，從耳機6輸出的左右重現(xiàn)聲音組成幾乎相同的聲場，其中重現(xiàn)聲音的每個聲像是聽者M(jìn)的聽覺定位。
在這個耳機設(shè)備30中，一個數(shù)字處理電路12a執(zhí)行作為第二實施例的耳機設(shè)備20中信號處理裝置的四個數(shù)字處理電路12cL、12cR、12dL和12dR等同的處理，從而通過大大減少運算的數(shù)量，耳機設(shè)備30的結(jié)構(gòu)被簡化，而不損壞聲像的空間定位。
(4)其他實施例雖然在第一到第三實施例中，這個發(fā)明被應(yīng)用到用于聽覺定位聲像的耳機設(shè)備中，但是這個發(fā)明不局限于這些實施例，而可能應(yīng)用到如圖6所示的用于定位聲像到任何位置的揚聲器設(shè)備。
雖然在第一到第三實施例中，以1/n(n是2或更大的整數(shù))用于后方定位的數(shù)字處理電路的抽樣頻率來執(zhí)行向下抽樣，但是這個發(fā)明不局限于此，但可能以1/m(m是實數(shù))用于后方定位的數(shù)字處理電路的抽樣頻率來執(zhí)行向下抽樣。
同樣，雖然在第二實施例中，通過從數(shù)字音頻信號SDb中減去數(shù)字音頻信號SDa來產(chǎn)生用于定位到聲源SPc的數(shù)字音頻信號SDc，通過從數(shù)字音頻信號SDa中減去數(shù)字音頻信號SDb來產(chǎn)生用于定位到聲源SPd的數(shù)字音頻信號SDd，且在向下抽樣數(shù)字音頻信號SDc和數(shù)字音頻信號SDd之后旋繞脈沖響應(yīng)，但是這個發(fā)明不局限于此，而可能通過反相數(shù)字音頻信號SDc來產(chǎn)生數(shù)字音頻信號SDd，且在向下抽樣數(shù)字音頻信號SDc和數(shù)字音頻信號SDd之后旋繞脈沖響應(yīng)。此外，數(shù)字音頻信號SDc可以被向下抽樣和反相，且脈沖響應(yīng)在向下抽樣后可以被旋繞成作為數(shù)字音頻信號SDd的反相信號。從而，耳機設(shè)備20的整個運算數(shù)量可以進(jìn)一步減少。
此外，雖然在第二和第三實施例中，通過增加或減去多個輸入音頻信號來產(chǎn)生用于后方定位的音頻信號，但是這個發(fā)明不局限于此，而可以通過各種方法產(chǎn)生用于后方定位的音頻信號，包括把具有抽取頻寬的部分輸入音頻信號作為用于后方定位的音頻信號。
此外，雖然在第一到第三實施例中，包括向下抽樣用于后方定位的音頻信號、脈沖響應(yīng)的旋繞和向上抽樣的一系列信號處理通過諸如抽選濾波器、數(shù)字處理電路和內(nèi)插濾波器的硬件來執(zhí)行，但是這個發(fā)明不局限于此，而可以通過在諸如數(shù)字信號處理器(DSP)的信息處理裝置上來執(zhí)行的信號處理程序來執(zhí)行用于定位聲像的一系列處理。
參考圖16的流程圖，下面將描述用于執(zhí)行這樣處理的聲像定位處理程序。耳機設(shè)備的信息處理裝置進(jìn)入聲像定位處理常規(guī)程序RT1的開始步驟，并進(jìn)行到向下抽樣用于后方定位的數(shù)字音頻信號的步驟SP1。然后，程序進(jìn)行到下一個步驟SP2。
在步驟SP2，耳機設(shè)備的信息處理裝置旋繞其中預(yù)先測量或計算的轉(zhuǎn)移函數(shù)被變換成時間軸的脈沖信號成為向下抽樣后的數(shù)字音頻信號。然后，程序進(jìn)行到下一個步驟SP3。在步驟SP3，耳機設(shè)備的信息處理裝置在旋繞脈沖響應(yīng)之后方上抽樣數(shù)字音頻信號來恢復(fù)原始抽樣速率，并輸出向上抽樣后的音頻信號給在后級的加法電路(未表示)。然后程序回到步驟SP1。
以此方式，即使當(dāng)通過聲像定位處理程序來對用于后方定位的音頻信號執(zhí)行信號處理，脈沖響應(yīng)在向下抽樣用于后方定位的音頻信號后被旋繞，由此信息處理裝置具有較低的處理負(fù)擔(dān)。
這個信號處理程序可以被存儲或分配到諸如CD-ROM、DVD或半導(dǎo)體存儲器的記錄媒介中，并在聽者使用的個人計算機上或信號處理設(shè)備上執(zhí)行。當(dāng)然，這個信號處理程序可以通過網(wǎng)絡(luò)下載到個人計算機。
這個發(fā)明適用于為了定位音頻信號的聲像到任何位置的目的。
那些業(yè)內(nèi)技術(shù)熟練人士應(yīng)該可以理解成，可基于設(shè)計的要求和其他因素進(jìn)行各種修改、組合、子組合和變更，因為它們在所附的權(quán)利要求書或等同的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種聲像定位設(shè)備，用于基于從聲源定位的所述位置到聽者左右耳朵的脈沖響應(yīng)，定位聲像在聲源定位的位置，以產(chǎn)生用于在左右信道定位的音頻信號，其特征在于，所述聲像定位設(shè)備包括抽樣速率變化裝置，用于向下抽樣定位到聽者后面聲源定位的所述位置的后方音頻信號；和信號處理裝置，用于基于從聽者后面聲源定位的所述位置到聽者左右耳朵的脈沖響應(yīng)，對通過所述抽樣速率變化裝置向下抽樣后的所述后方音頻信號執(zhí)行信號處理，來產(chǎn)生用于定位的所述音頻信號。
2.如權(quán)利要求1所述的聲像定位設(shè)備，其特征在于，還包括后方音頻信號產(chǎn)生裝置，用于從輸入音頻信號產(chǎn)生所述后方音頻信號。
3.如權(quán)利要求2所述的聲像定位設(shè)備，其特征在于，所述后方音頻信號產(chǎn)生裝置從大量所述輸入音頻信號產(chǎn)生大量用于定位聲像在聽者后面聲源的不同位置的后方音頻信號；和所述信號處理裝置基于相應(yīng)的脈沖響應(yīng)對向下抽樣后的所述大量后方音頻信號的每個執(zhí)行信號處理，來產(chǎn)生用于定位的所述音頻信號。
4.如權(quán)利要求2所述的聲像定位設(shè)備，其特征在于，所述信號處理裝置基于從聽者后面聲源定位的第一個位置到聽者左右耳朵的脈沖響應(yīng)對向下抽樣后的所述后方音頻信號執(zhí)行信號處理，來產(chǎn)生使聲像定位在聲源定位的所述第一個位置的定位用第一音頻信號，并通過反相定位用所述第一音頻信號，經(jīng)由聽者頭部的中心平面，產(chǎn)生用于聲像定位在與該聲源定位的所述第一個位置相反位置的聲源定位的第二個位置的定位用第二音頻信號。
5.一種聲像的定位方法，用于基于從聲源定位的所述位置到聽者左右耳朵的脈沖響應(yīng)，定位重現(xiàn)聲像在聲源的定位位置，以產(chǎn)生用于在左右信道定位的音頻信號，其特征在于，所述聲像定位方法包括向下抽樣定位到聽者后面聲源定位的所述位置的后方音頻信號的抽樣速率變換步驟；和基于從聽者后面聲源定位的所述位置到聽者左右耳朵的脈沖響應(yīng)，對在所述抽樣速率變換步驟向下抽樣后的所述后方音頻信號執(zhí)行信號處理，來產(chǎn)生用于定位的所述音頻信號。
6.一種記錄聲像定位程序的程序記錄媒介，該聲像定位程序用于基于從聲源定位的所述位置到聽者左右耳朵的脈沖響應(yīng)，定位重現(xiàn)聲像在聲源定位的位置，以產(chǎn)生用于在左右信道定位的音頻信號，其特征在于，所述程序記錄媒介包括向下抽樣定位到聽者后面聲源定位的所述位置的后方音頻信號的抽樣速率變換步驟；和基于從聽者后面聲源定位的所述位置到聽者左右耳朵的脈沖響應(yīng)，對在所述抽樣速率變換步驟向下抽樣后的所述后方音頻信號執(zhí)行信號處理，來產(chǎn)生用于定位的所述音頻信號的信號處理步驟。
全文摘要
為了使定位聲像的運算數(shù)量比相關(guān)技術(shù)更小，用于定位重現(xiàn)聲像在聲源位置的聲像定位設(shè)備把經(jīng)由從聲源定位的任選位置到聽者左右耳朵的每個路徑的脈沖信號旋繞成為音頻信號，來產(chǎn)生用于在左右信道上定位的音頻信號。在向下抽樣定位到聽者后面的聲源位置的音頻信號之后，旋繞脈沖響應(yīng)，從而用于旋繞脈沖響應(yīng)的信號處理裝置的運算數(shù)量大大降低，而不損壞聲像的空間定位。
文檔編號H04R5/00GK1705408SQ20051007546
公開日2005年12月7日 申請日期2005年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月31日
發(fā)明者沖本越, 山田裕司 申請人:索尼株式會社