專利名稱：一種三維多聲道音頻系統(tǒng)揚(yáng)聲器組精簡布設(shè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于聲學(xué)設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種三維多聲道音頻系統(tǒng)揚(yáng)聲器組精簡布設(shè)方法。
背景技術(shù)：
2009年底上演的三維電影《阿凡達(dá)》不僅在全球三十多個國家登上票房榜首，而且到2010年9月初，全球票房累計超過27億美元?！栋⒎策_(dá)》所展現(xiàn)的絢麗畫面與逼真聲效不僅震撼了觀眾，也使得業(yè)界有了“電影進(jìn)入三維時代”的斷言。2010年I月美國拉斯維加斯舉行的國際消費(fèi)電子產(chǎn)品展上，各彩電巨頭紛紛亮出的電視新品表明三維已經(jīng)成為全球各大彩電制造商競爭的新焦點，與此同時，中國三維電視機(jī)銷量在2011年底猛增到年初的十幾倍，這些都說明三維影視視覺體驗已走入千家萬戶。但要想達(dá)到更好的視聽體驗，需 要有與三維視頻內(nèi)容同步的三維聲場聽覺效果，才能真正達(dá)到身臨其境的視聽感受。早期的三維音頻系統(tǒng)(如Ambisonics系統(tǒng))由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對采集和回放設(shè)備要求較高，難以推廣實用。近年來日本NHK公司推出了 22. 2聲道系統(tǒng)，并通過24個揚(yáng)聲器再現(xiàn)原來的三維聲場。因其結(jié)構(gòu)簡單，并能兼容5. I環(huán)繞立體聲揚(yáng)聲器配置方案，得到了 MPEG的高度重視，并在2011年準(zhǔn)備著手制定三維音頻的國際標(biāo)準(zhǔn)，希望在達(dá)到一定編碼效率的同時能通過比較少的揚(yáng)聲器或耳機(jī)來還原三維聲場，以便能將該技術(shù)推廣到普通家庭用戶。由此可見三維音視頻技術(shù)已成為多媒體技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點和進(jìn)一步發(fā)展的重要方向?！跋禄旌?Down Mixing)”是減少多聲道音頻系統(tǒng)聲道數(shù)并進(jìn)行音頻信號編碼傳輸?shù)钠毡榉椒?，ITU-R也已經(jīng)制定了 5. I聲道下混合標(biāo)準(zhǔn)并應(yīng)用于一些電視信號的接收，但是這種下混合標(biāo)準(zhǔn)并不適用于任意數(shù)目的揚(yáng)聲器配置情況，尤其是在目前多聲道音頻系統(tǒng)研究通過更多的聲道以增強(qiáng)聲音空間表達(dá)的情況下，更需要通過一種基于聲場重建的技術(shù)用較少的聲道保留較多的聲場信息，然后再利用某種下混合方法得到待編碼的音頻信號。與此同時,傳統(tǒng)聲場重建技術(shù)(如WFS、Ambisonics等)的思想是將一個如音樂廳現(xiàn)場音樂會所形成的聲場在另一個空間重建，其目標(biāo)是重現(xiàn)音樂廳現(xiàn)場等原始聲場。但是受到實際聲場采集方法的限制，完全重建原始聲場的目標(biāo)很難實現(xiàn)。然而，將混音室內(nèi)通過多聲道系統(tǒng)生成的重建聲場在另一個室內(nèi)環(huán)境內(nèi)進(jìn)行重建聲場的再次重建則比較容易實現(xiàn)，這種在其他環(huán)境內(nèi)再次重建聲場的問題可以等效于找尋一種方法將原重建聲場中多聲道音頻信號轉(zhuǎn)換為再次重建聲場中多聲道音頻信號。為方便描述，一般將由原多聲道系統(tǒng)得到的重建聲場稱為“原聲場”，而通過不同聲道數(shù)的替代音頻系統(tǒng)再次重建的聲場稱為“重建聲場”。因此，為能將三維音頻系統(tǒng)更方便地適應(yīng)于家庭應(yīng)用環(huán)境，需要設(shè)計一種方法既能簡化原多聲道系統(tǒng)揚(yáng)聲器組，又能保證重建聲場與原聲場誤差最小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種將三維η聲道音頻系統(tǒng)中η個揚(yáng)聲器精簡為三維m聲道音頻系統(tǒng)中的m個揚(yáng)聲器的方法，以獲得精簡后的m聲道系統(tǒng)中揚(yáng)聲器組最優(yōu)空間位置信息。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種三維多聲道音頻系統(tǒng)揚(yáng)聲器組精簡布設(shè)方法，用于將三維η聲道音頻系統(tǒng)中η個揚(yáng)聲器精簡為m個揚(yáng)聲器,構(gòu)成三維m聲道音頻系統(tǒng),其中m < η,包含以下步驟，步驟1，設(shè)當(dāng)前剩余的揚(yáng)聲器數(shù)目為η，采集三維η聲道音頻系統(tǒng)中η個揚(yáng)聲器分別的空間位置信息，實現(xiàn)方式如下，將η個揚(yáng)聲器排布在與中心點之間距離為P的球面上，以聽音區(qū)域中心點O為頂點構(gòu)造三維坐標(biāo)系ΧΥΖ，揚(yáng)聲器在平面XOY上的投影與X軸所成的角度記為Θ，揚(yáng)聲器與XOY平面所成角度記為爐,則揚(yáng)聲器的空間位置(ΡΛφ )簡化為(θ,φ )；步驟2，分析球面三角形揚(yáng)聲器組的所有組合，得到集合S ;分析方式如下，·
當(dāng)η個揚(yáng)聲器中任意三個能構(gòu)成球面三角形時，構(gòu)成一個球面三角形揚(yáng)聲器組；步驟3，從集合S中挑選僅包含單個揚(yáng)聲器的球面三角形揚(yáng)聲器組，得到集合T ;實現(xiàn)方式如下，設(shè)集合S中的任一球面三角形揚(yáng)聲器組由揚(yáng)聲器ξ P ξ 2和ξ 3構(gòu)成，當(dāng)只存在一個揚(yáng)聲器 的空間位置處于球面三角形Δ 6的區(qū)域內(nèi)部或三條邊上，且揚(yáng)聲器(的空間位置不等于揚(yáng)聲器ξ” 12或ξ3的空間位置時，則揚(yáng)聲器ξρ 12和13構(gòu)成的球面三角形揚(yáng)聲器組加入集合T ；步驟4，計算集合T中所有球面三角形揚(yáng)聲器組所對應(yīng)球面三角形的面積，并按面積排序，得到序列Q ;步驟5，剔除序列Q中面積最小的球面三角形揚(yáng)聲器組所包含的單個揚(yáng)聲器，實現(xiàn)方式如下，設(shè)序列Q中面積最小的球面三角形揚(yáng)聲器組由揚(yáng)聲器ξρ 12或ξ3構(gòu)成，該球面三角形揚(yáng)聲器組包含揚(yáng)聲器ζ，刪除揚(yáng)聲器ζ，將揚(yáng)聲器ζ的輸出信號分配到揚(yáng)聲器ξP€2或13上；并從集合S中剔除與揚(yáng)聲器ζ有關(guān)的球面三角形揚(yáng)聲器組，當(dāng)前剩余的揚(yáng)聲器數(shù)目減I ;步驟6，判斷當(dāng)前剩余的揚(yáng)聲器數(shù)目是否大于m，若大于m，轉(zhuǎn)入步驟3繼續(xù)剔除，否則結(jié)束迭代，取出當(dāng)前剩余的揚(yáng)聲器空間位置信息，得到m聲道精簡系統(tǒng)揚(yáng)聲器組最優(yōu)空間位置排布。而且，步驟5中，將揚(yáng)聲器ζ的輸出信號分配到揚(yáng)聲器ξρξ2* ξ3上的實現(xiàn)方式包括以下子步驟，步驟5.1，將揚(yáng)聲器ξρ ξ2、〖3和ζ的時域信號經(jīng)傅里葉變換得到對應(yīng)的頻域
信號;步驟5.2，根據(jù)揚(yáng)聲器ξ” ξ2、〖3和ζ的空間位置信息，計算權(quán)值分配；步驟5. 3，將揚(yáng)聲器ζ的頻域信號按照相應(yīng)權(quán)值大小分配到揚(yáng)聲器ξ P ξ 2、ξ 3的頻域信號上；步驟5. 4，將步驟5. 3所得揚(yáng)聲器的頻域信號經(jīng)過逆傅里葉變換為對應(yīng)時域信號。采用本發(fā)明提供的三維多聲道音頻系統(tǒng)揚(yáng)聲器精簡方法，采集待精簡三維多聲道音頻系統(tǒng)中揚(yáng)聲器的空間位置信息，經(jīng)過揚(yáng)聲器組精簡迭代算法后可得到精簡系統(tǒng)揚(yáng)聲器組最優(yōu)空間配置，最終實現(xiàn)對三維多聲道音頻系統(tǒng)精簡揚(yáng)聲器最優(yōu)空間排布。揚(yáng)聲器組精簡迭代算法可以保證精簡過程不影響聽音中心點處的聲音的物理特性。


圖I為本發(fā)明實施例的揚(yáng)聲器組精簡方法流程圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和實施例詳細(xì)說明本發(fā)明技術(shù)方案。本發(fā)明提供的一種三維多聲道音頻系統(tǒng)揚(yáng)聲器組精簡布設(shè)方法，用于將三維η聲道音頻系統(tǒng)中η個揚(yáng)聲器精簡為m個揚(yáng)聲器,構(gòu)成三維m聲道音頻系統(tǒng),其中m< η。顯然，η和m為自然數(shù)，m的最低取值一般為3，實際上建議取值為8 10。本發(fā)明技術(shù)方案可采用計算機(jī)軟件技術(shù)實現(xiàn)自動運(yùn)行，如圖I所示，實施例的實現(xiàn)流程包含以下步驟
步驟1，采集精簡前三維η聲道音頻系統(tǒng)中各個揚(yáng)聲器的空間位置信息三維η聲道音頻系統(tǒng)對應(yīng)有η個揚(yáng)聲器，設(shè)以聽音區(qū)域中心點O為頂點構(gòu)造三維坐標(biāo)系ΧΥΖ，揚(yáng)聲器與中心點之間的距離記為P，揚(yáng)聲器在平面XOY上的投影與X軸所成的角度記為Θ，揚(yáng)聲器與XOY平面所成角度記為爐,揚(yáng)聲器空間位置參數(shù)標(biāo)記為(P，久爐)，在三維聲場重建中,可以設(shè)將η個揚(yáng)聲器排布在與中心點之間距離為P的球面上,實施例中設(shè)P的值為2米。因為重建聲場中揚(yáng)聲器與中心點之間距離與原聲場中揚(yáng)聲器與中心點距離相等，所以在實施例中采集精簡前音頻系統(tǒng)中揚(yáng)聲器空間位置參數(shù)簡化為(θ,φ )。步驟2，分析球面三角形揚(yáng)聲器組的所有組合當(dāng)η個揚(yáng)聲器中任意三個能構(gòu)成球面三角形時，構(gòu)成一個球面三角形揚(yáng)聲器組。實施例在當(dāng)前待精簡的η個揚(yáng)聲器中任選三個的所有組合中分析能構(gòu)成球面三角形的所有揚(yáng)聲器組合，構(gòu)成球面三角形揚(yáng)聲器組集合，記為集合S。例如，從η個揚(yáng)聲器中任意挑選三個構(gòu)成一個揚(yáng)聲器組合(ξ P ξ2, ξ3)，可以得到三個揚(yáng)聲器ξρ 12和ξ3的空間位置為4汛肩)石(爲(wèi)肩)，點的肩)。因為只有在這個揚(yáng)聲器組合中的三個揚(yáng)聲器空間位置不同時共弧線才能將這三個揚(yáng)聲器所對應(yīng)的空間位置點構(gòu)成球面三角形，所以若希望揚(yáng)聲器組合(I1, I2, I3)能作為一個球面三角形揚(yáng)聲器組，則必須滿足Qp 和Q 3不同時相等或ft、識2和約不同時相等。步驟3，挑選僅包含單個揚(yáng)聲器的三角形揚(yáng)聲器組實施例從當(dāng)前的集合S中挑選出其球面三角形內(nèi)僅包含單個揚(yáng)聲器的球面三角形揚(yáng)聲器組，得到包含單個揚(yáng)聲器球面三角形揚(yáng)聲器組，記為集合T。設(shè)集合S中的任一球面三角形揚(yáng)聲器組由揚(yáng)聲器ξ P ξ 2和ξ 3構(gòu)成,一個揚(yáng)聲器ζ被一個球面三角形Δ ι&δ所包含是指揚(yáng)聲器ζ的空間位置坐標(biāo)αα的不等于揚(yáng)聲器ξ”ξ 2和ξ 3的空間位置點⑷肩)，4(慫為)桃系)，且α艮妁在由三個揚(yáng)聲器空間構(gòu)成球面三角形區(qū)域內(nèi)部或在球面三角形的三條邊上。則當(dāng)有且只有一個揚(yáng)聲器ξ的空間位置處于球面三角形 ,&的區(qū)域內(nèi)部或三條邊上，且揚(yáng)聲器 的空間位置不等于揚(yáng)聲器ξρ ξ2或ξ3的空間位置時，揚(yáng)聲器ξ P 和ξ 3構(gòu)成的球面三角形揚(yáng)聲器組加入集合τ。步驟4，滿足要求的球面三角形面積排序?qū)嵤├嬎慵蟃中所有球面三角形揚(yáng)聲器組所對應(yīng)的球面三角形面積，并按面積從小到大順序進(jìn)行排序，得到序列Q。步驟5，剔除球面三角形面積最小揚(yáng)聲器組所包含的單個揚(yáng)聲器實施例取出序列Q的第一個元素，設(shè)該球面三角形揚(yáng)聲器組由揚(yáng)聲器ξ i、ξ 2或ξ 3構(gòu)成，該球面三角形揚(yáng)聲器組包含揚(yáng)聲器ζ，刪除揚(yáng)聲器ζ將揚(yáng)聲器ζ的輸出信號分配到揚(yáng)聲器ξ i、ξ 2或ξ 3上；并從集合S中剔除與揚(yáng)聲器ζ有關(guān)的球面三角形揚(yáng)聲器組，當(dāng)前剩余的揚(yáng)聲器數(shù)目減I。通過將揚(yáng)聲器ζ的輸出信號分配到揚(yáng)聲器ξ i、ξ 2或ξ 3，避免聲場恢復(fù)出現(xiàn)明顯損失。本發(fā)明進(jìn)一步提供揚(yáng)聲器組替代方法，實施例包括以下步驟步驟5. 1，將揚(yáng)聲器ξ P ξ 2、ξ 3和ζ輸出的時域信號經(jīng)傅里葉變換得到對應(yīng)的頻域信號.v,, (1°)、-ν:: (ω)(ω)和 s ( ω )。步驟5. 2，根據(jù)揚(yáng)聲器ξ P ξ 2、ξ 3和ζ的空間位置信息，計算權(quán)值分配
·
當(dāng)已知揚(yáng)聲器ξ” ξ2、ξ3和ζ的空間位置信息(說外的肩)石( 為)4( 為)，根據(jù)以下公式計算權(quán)值分配，得到相應(yīng)的權(quán)值W1、W2、W3。W1 =—, w, =·^ =—
1 D …η -’ η其中，參數(shù)D、Α、/)2、/\計算如下
D1 = sin(03 -ft)cos^ Cos^2 sin φ+ [sin(0-烏)cos 砰 sin 約一sin(0-ft) cos 砰 sin 畀]cos 滬
D1 =sin(^-03)cosfl Qmcpi sin^+Jsm^-^Jcos^sm^-smi^-^icos^sm^jcos^
D3 =sin(4_ 烤)cos^eos^sin^+[sin(0—02)cos^sin^-sin(0—^)cos^sin^]cos^/)=/V4+4步驟5. 3，將揚(yáng)聲器ζ的頻域信號按照相應(yīng)權(quán)值大小分配到揚(yáng)聲器ξ P ξ 2和ξ 3的頻域信號上計算分配了揚(yáng)聲器ζ頻域信號后揚(yáng)聲器ξ P ξ 2和ξ 3的頻域信號如下qSl (ω) = 4 (ω) + W1Sf (ω) O) =( ) + MVVr (ω)qSi (to) = s,} (ω) + W3S,. (ω)步驟5. 4，將步驟5. 3所得揚(yáng)聲器ξ” ξ 2和ξ 3的頻域信號^ ( )、%' ( )、％ ( )經(jīng)過逆傅里葉變換為對應(yīng)時域信號。具體實施時，輸入的時域信號可以從輸入音頻文件中得到，輸出的時域信號形成新的輸出音頻文件。步驟6，迭代條件判斷實施例判斷當(dāng)前待精簡揚(yáng)聲器數(shù)是否大于m，若大于m，轉(zhuǎn)入執(zhí)行步驟3，否則結(jié)束迭代，取出當(dāng)前剩余的揚(yáng)聲器空間位置信息(可從當(dāng)前集合S中取出各球面三角形揚(yáng)聲器組元素所對應(yīng)的揚(yáng)聲器空間位置信息)，得到m聲道精簡系統(tǒng)揚(yáng)聲器組最優(yōu)空間位置排布。本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的 范圍。
權(quán)利要求
1.一種三維多聲道音頻系統(tǒng)揚(yáng)聲器組精簡布設(shè)方法，用于將三維η聲道音頻系統(tǒng)中η個揚(yáng)聲器精簡為m個揚(yáng)聲器,構(gòu)成三維m聲道音頻系統(tǒng),其中m < η,其特征在于包含以下步驟， 步驟I，設(shè)當(dāng)前剩余的揚(yáng)聲器數(shù)目為η，采集三維η聲道音頻系統(tǒng)中η個揚(yáng)聲器分別的空間位置信息，實現(xiàn)方式如下， 將η個揚(yáng)聲器排布在與中心點之間距離為P的球面上，以聽音區(qū)域中心點O為頂點構(gòu)造三維坐標(biāo)系XYZ ;揚(yáng)聲器在平面XOY上的投影與X軸所成的角度記為Θ，揚(yáng)聲器與XOY平面所成角度記為供,則揚(yáng)聲器的空間位置(Ρ φ )簡化為(θ,φ ), 步驟2，分析球面三角形揚(yáng)聲器組的所有組合，得到集合S ;分析方式如下，當(dāng)η個揚(yáng)聲器中任意三個能構(gòu)成球面三角形時，構(gòu)成一個球面三角形揚(yáng)聲器組； 步驟3，從集合S中挑選僅包含單個揚(yáng)聲器的球面三角形揚(yáng)聲器組，得到集合T ;實現(xiàn)方式如下， 設(shè)集合S中的任一球面三角形揚(yáng)聲器組由揚(yáng)聲器ξ i、ξ 2和ξ 3構(gòu)成，當(dāng)只存在一個揚(yáng)聲器ζ的空間位置處于球面三角形的區(qū)域內(nèi)部或三條邊上，且揚(yáng)聲器ζ的空間位置不等于揚(yáng)聲器ξ” 12或I3的空間位置時，則揚(yáng)聲器I、12和I3構(gòu)成的球面三角形揚(yáng)聲器組加入集合T ； 步驟4，計算集合T中所有球面三角形揚(yáng)聲器組所對應(yīng)球面三角形的面積，并按面積排序，得到序列Q ; 步驟5，剔除序列Q中面積最小的球面三角形揚(yáng)聲器組所包含的單個揚(yáng)聲器，實現(xiàn)方式如下， 設(shè)序列Q中面積最小的球面三角形揚(yáng)聲器組由揚(yáng)聲器。、匕或I3構(gòu)成，該球面三角形揚(yáng)聲器組包含揚(yáng)聲器ζ，刪除揚(yáng)聲器ζ，將揚(yáng)聲器ζ的輸出信號分配到揚(yáng)聲器Ipi2或€3上；并從集合S中剔除與揚(yáng)聲器ζ有關(guān)的球面三角形揚(yáng)聲器組，當(dāng)前剩余的揚(yáng)聲器數(shù)目減I ; 步驟6，判斷當(dāng)前剩余的揚(yáng)聲器數(shù)目是否大于m，若大于m，轉(zhuǎn)入步驟3繼續(xù)剔除，否則結(jié)束迭代，取出當(dāng)前剩余的揚(yáng)聲器空間位置信息，得到m聲道精簡系統(tǒng)揚(yáng)聲器組最優(yōu)空間位置排布。
2.如權(quán)利要求I所述三維多聲道音頻系統(tǒng)揚(yáng)聲器組精簡布設(shè)方法，其特征在于步驟5中，將揚(yáng)聲器 的輸出信號分配到揚(yáng)聲器I、€2或ξ3上的實現(xiàn)方式包括以下子步驟， 步驟5.1，將揚(yáng)聲器ξρ ξ2、13和ζ輸出的時域信號經(jīng)傅里葉變換得到對應(yīng)的頻域信號; 步驟5. 2，根據(jù)揚(yáng)聲器ξρ ξ2、13和ζ的空間位置信息，計算權(quán)值分配； 步驟5. 3，將揚(yáng)聲器ζ的頻域信號按照相應(yīng)權(quán)值大小分配到揚(yáng)聲器ξ” ξ2、ξ3的頻域信號上； 步驟5. 4，將步驟5. 3所得揚(yáng)聲器的頻域信號經(jīng)過逆傅里葉變換為對應(yīng)時域信號。
全文摘要
一種三維多聲道音頻系統(tǒng)揚(yáng)聲器組精簡布設(shè)方法，包括采集精簡前三維n聲道音頻系統(tǒng)中各個揚(yáng)聲器的空間位置信息，分析球面三角形揚(yáng)聲器組的所有組合并挑選僅包含單個揚(yáng)聲器的球面三角形揚(yáng)聲器組，剔除球面三角形面積最小的揚(yáng)聲器組所包含的單個揚(yáng)聲器，判斷當(dāng)前待精簡揚(yáng)聲器數(shù)是否大于m，若大于m，繼續(xù)執(zhí)行簡化過程，否則結(jié)束迭代，直到等于m，得到m聲道精簡系統(tǒng)揚(yáng)聲器組最優(yōu)空間位置排布。采用本發(fā)明提供技術(shù)方案可以保證精簡過程不影響聽音中心點處的聲音的物理特性。
文檔編號H04R5/02GK102883246SQ201210408900
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月24日
發(fā)明者胡瑞敏, 李登實, 楊珊珊, 王櫻, 張茂勝, 王曉晨, 涂衛(wèi)平, 王松, 楊玉紅 申請人:武漢大學(xué)