處理用于產(chǎn)生聲場的高保真度立體聲響復(fù)制表示的剛性球上的球面麥克風(fēng)陣列的信號的 ...的制作方法
【專利摘要】球面麥克風(fēng)陣列捕捉三維聲場{P(Ωc,t))以產(chǎn)生高保真度立體聲響復(fù)制表示{Amn(t))，其中，通過陣列的炭精盒對在球的表面上的壓力分布進行采樣。使用逆麥克風(fēng)傳遞函數(shù)移除麥克風(fēng)對所捕捉的聲場的影響。麥克風(fēng)陣列的傳遞函數(shù)的等化是大問題，因為傳遞函數(shù)的倒數(shù)對在傳遞函數(shù)中的較小的值造成高增益并且這些較小的值受到換能器噪聲影響。本發(fā)明通過在頻域中使用維納濾波器處理(34)使該噪聲最小化，其中，根據(jù)麥克風(fēng)陣列的信噪比針對每個波數(shù)自動地控制(33)該處理。
【專利說明】處理用于產(chǎn)生聲場的高保真度立體聲響復(fù)制表示的剛性球上的球面麥克風(fēng)陣列的信號的方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及處理用于產(chǎn)生聲場的高保真度立體聲響復(fù)制(Ambisonics)表示的剛性球上的球面麥克風(fēng)陣列的信號的方法及裝置，其中，對逆麥克風(fēng)陣列響應(yīng)施加校正濾波器。
【背景技術(shù)】
[0002]球面麥克風(fēng)陣列提供了捕捉三維聲場的能力。一種存儲并處理聲場的方式是Ambisonics表示。Ambisonics使用正交球面函數(shù)描述在原點(也被稱為“最佳聽音位置(sweet spot) ”)周圍的區(qū)域中的聲場。描述的準(zhǔn)確度取決于Ambisonics階N,其中，有限數(shù)量的Ambisonics系數(shù)描述聲場。球面陣列的最高Ambisonics階受限于麥克風(fēng)炭精盒的數(shù)量，其中，該數(shù)量必須等于或大于Ambisonics系數(shù)的數(shù)量O = (N+1)2。
[0003]Ambisonics表示的一個有利之處在于，聲場的再現(xiàn)可以單獨地適用于任何指定的揚聲器布置。而且，該表示使得能夠在后期制作時使用音束成形技術(shù)對不同的麥克風(fēng)特征進行仿真。
[0004]B格式是Ambisonics的一個已知示例。B格式麥克風(fēng)需要在四面體上有四個炭精盒以捕捉Ambisonics階為I的聲場。
[0005]階大于I的Ambisonics被稱為高階Ambisonics (HOA),典型地,HOA麥克風(fēng)是在剛性球上的球面麥克風(fēng)陣列，例如mhAcoustics的Eigenmike。為了進行Ambisonics處理，陣列的炭精盒對在球的表面上的壓力分布進行采樣。然后，將采樣壓力轉(zhuǎn)換為Ambisonics表示。這種Ambisonics表示描述了聲場，但是包含了麥克風(fēng)陣列的影響。使用將平面波的聲場變換為在麥克風(fēng)炭精盒測量的壓力的逆麥克風(fēng)陣列響應(yīng)移除麥克風(fēng)對所捕捉的聲場的影響。對炭精盒的方向性和麥克風(fēng)陣列對聲場的干擾進行仿真。
[0006]麥克風(fēng)陣列的傳遞函數(shù)的等化對于HOA記錄是大問題。如果陣列響應(yīng)的Ambisonics表示是已知的,貝U可以通過Ambisonics表示與逆陣列響應(yīng)的相乘來移除影響。然而，使用傳遞函數(shù)的倒數(shù)可能在傳遞函數(shù)中對較小的值和零造成高增益。因此，應(yīng)當(dāng)考慮健壯的逆?zhèn)鬟f函數(shù)來設(shè)計麥克風(fēng)陣列。例如，B格式麥克風(fēng)使用心形(cardioid)炭精盒來克服在全向炭精盒的傳遞函數(shù)中的零。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明涉及在剛性球上的球面麥克風(fēng)陣列。剛性球的遮擋效應(yīng)使具有相對于陣列直徑的較小的波長的頻率能夠具有良好的方向性。另一方面，這些麥克風(fēng)陣列的濾波器響應(yīng)對于低頻和高Ambisonics階(亦即大于I)具有非常小的值。因此，捕捉的壓力的Ambisonics表示具有較小的更高階系數(shù),其表示與陣列大小相比較長的波長的在炭精盒上的小壓差。壓差受換能器噪聲影響，并且因此更高階系數(shù)也受換能器噪聲影響。因此，對于低頻，逆濾波器響應(yīng)主要是放大噪聲而不是放大更高階Ambisonics系數(shù)。[0008]用于克服該問題的已知技術(shù)是使低頻的高階逐漸消失(或者高通濾波器)(亦即，在該處限制濾波器增益)，其一方面減少了低頻的空間分辨率，但另一方面移除了(高度失真的)Η0Α系數(shù)，從而破壞了完整的Ambisonics表示。在S6bastien Moreau、Jerome Daniel、 Stephanie Bertet 的《3D Sound field Recording with HigherOrder Ambisonics - Objective Measurements and Validation of4th Order SphericalMicrophone》(Audio Engineering Society 會議論文，2006 年 5 月 20 日至 23 日第 120 屆會議，法國巴黎)的第4節(jié)中描述了一種嘗試使用Tikhonov正則化濾波器解決該問題的對應(yīng)的補償濾波器設(shè)計。Tikhonov正則化濾波器使由Ambisonics階的限制導(dǎo)致的均方誤差最小化。然而，Tikhonov濾波器需要必須通過“試錯”手動地調(diào)整以適應(yīng)所記錄的信號的特征的正則化參數(shù)，并且沒有定義該參數(shù)的解析式。根據(jù)Boaz Rafaely的《Analysis andDesign of Spherical Microphone Arrays》 (IEEE Transactions on Speech and AudioProcessing,第13卷,第I號,第135至143頁,2005年)的關(guān)于球面麥克風(fēng)陣列的分析,本發(fā)明示出如何根據(jù)麥克風(fēng)信號的信號統(tǒng)計自動地得到正則化參數(shù)。
[0009]本發(fā)明要解決的問題是使在布置在剛性球上的球面麥克風(fēng)陣列的信號的Ambisonics表示中的噪聲(特別是低頻噪聲)最小化。該問題通過在權(quán)利要求1中公開的方法得以解決。在權(quán)利要求2中公開了一種利用該方法的裝置。
[0010]本發(fā)明的處理用于依賴平均聲場功率與麥克風(fēng)炭精盒的噪聲功率的信噪比計算正則化Tikhonov參數(shù)，亦即，根據(jù)記錄的麥克風(fēng)陣列信號的信噪比計算該最優(yōu)化參數(shù)。對最優(yōu)化或正則化的參數(shù)的計算包含以下步驟:
[0011]-將表示在所述麥克風(fēng)陣列的表面上的壓力的麥克風(fēng)炭精盒信號Ρ(Ω。，t)轉(zhuǎn)換為球面諧波(或者相等的Ambisonics)表示A;;'(?;
[0012]-針對每個波數(shù)k，計算麥克風(fēng)炭精盒信號Ρ(Ω。，t)的時變信噪比SNR(k)的估計，其中使用從麥克風(fēng)陣列記錄的平面波的平均源功率Ipci(k) I2以及表示由在麥克風(fēng)陣列中的模擬處理產(chǎn)生的空間不相關(guān)的噪聲的對應(yīng)的噪聲功率|Pn()ise(k) I2，亦即，包含通過分別計算參考信號和噪聲信號來計算平均空間功率，其中，參考信號是能夠通過所使用的麥克風(fēng)陣列創(chuàng)建的聲場的表不，并且噪聲信號是由麥克風(fēng)陣列的模擬處理產(chǎn)生的空間不相關(guān)的噪聲；
[0013]-通過使用對每個階η對離散的有限的波數(shù)k根據(jù)信噪比估計SNR(k)設(shè)計的時變維納(Wiener)濾波器，將維納濾波器的傳遞函數(shù)乘以麥克風(fēng)陣列的逆?zhèn)鬟f函數(shù)以便得到適應(yīng)傳遞函數(shù)Fn, array (k)；
[0014]-使用線性濾波器處理將對球面諧波表示4%)施加該適應(yīng)傳遞函數(shù)Fn，amy(k)，得到適應(yīng)方向系數(shù) <十)。
[0015]濾波器設(shè)計需要對聲場的平均功率的估計以便得到記錄的SNR。根據(jù)在球面諧波表示中的對在陣列的炭精盒上的平均信號功率的仿真推出該估計。該估計包含在球面諧波表示中的對炭精盒信號的空間一致性的計算。已知根據(jù)平面波的連續(xù)的表示計算空間一致性，但是根據(jù)本發(fā)明對在剛性球上的球面陣列計算空間一致性，因為不能以連續(xù)的表示計算在剛性球上的平面波的聲場。亦即，根據(jù)本發(fā)明，根據(jù)炭精盒信號估計SNR。
[0016]本發(fā)明包含以下優(yōu)點:
[0017]-Ambisonics表示的階最優(yōu)地適合于每個頻率子帶的記錄的SNR。這降低了在Ambbisonics表示的再現(xiàn)時的可聽噪聲。
[0018]-濾波器設(shè)計需要對SNR的估計。其可以通過使用查找表以較低的計算復(fù)雜度實現(xiàn)。這有助于以可管理的計算工作量進行時變自適應(yīng)濾波器設(shè)計。
[0019]-通過降噪，為低頻部分地恢復(fù)方向信息。
[0020]基本上，本發(fā)明的方法適于處理在剛性球上的球面麥克風(fēng)陣列的麥克風(fēng)炭精盒信號，所述方法包含以下步驟:
[0021]-將表示在所述麥克風(fēng)陣列的表面上的壓力的所述麥克風(fēng)炭精盒信號Ρ(Ω。，t)轉(zhuǎn)換為球面諧波或者Ambisonics表示A:'(?;
[0022]-針對每個波數(shù)k，使用從所述麥克風(fēng)陣列記錄的平面波的平均源功率IpciGOI2以及表示由在所述麥克風(fēng)陣列中的模擬處理產(chǎn)生的空間不相關(guān)的噪聲的對應(yīng)的噪聲功率|Pn()ise(k) I2，計算所述麥克風(fēng)炭精盒信號Ρ(Ωε，υ的時變信噪比SNR(k)的估計；
[0023]-通過使用對每個階η對離散的有限的波數(shù)k根據(jù)所述信噪比估計SNR(k)設(shè)計的時變維納濾波器，將所述維納濾波器的傳遞函數(shù)乘以所述麥克風(fēng)陣列的逆?zhèn)鬟f函數(shù)以便得至Ij適應(yīng)傳遞函數(shù)Fn，amy(k)；
[0024]-使用線性濾波器處理對所述球面諧波表示施加所述適應(yīng)傳遞函數(shù)Fn，amy(k)，得到適應(yīng)方向系數(shù)CW。
[0025]基本上，本發(fā)明的裝置適于處理在剛性球上的球面麥克風(fēng)陣列的麥克風(fēng)炭精盒信號，所述裝置包含:
[0026]-適用于將表示在所述麥克風(fēng)陣列的表面上的壓力的所述麥克風(fēng)炭精盒信號Ρ(Ω。，t)轉(zhuǎn)換為球面諧波或者Ambisonics表示的部件；
[0027]-適用于針對每個波數(shù)k，使用從所述麥克風(fēng)陣列記錄的平面波的平均源功率|P0(k) I2以及表示由在所述麥克風(fēng)陣列中的模擬處理產(chǎn)生的空間不相關(guān)的噪聲的對應(yīng)的噪聲功率|Pn()ise(k) I2，計算所述麥克風(fēng)炭精盒信號P(Qc^t)的時變信噪比SNR(k)的估計的部件；
[0028]-適用于通過使用對每個階η對離散的有限的波數(shù)k根據(jù)所述信噪比估計SNR(k)設(shè)計的時變維納濾波器，將所述維納濾波器的傳遞函數(shù)乘以所述麥克風(fēng)陣列的逆?zhèn)鬟f函數(shù)以便得到適應(yīng)傳遞函數(shù)Fn，amy(k)的部件；
[0029]-適用于使用線性濾波器處理對所述球面諧波表示施加所述適應(yīng)傳遞函數(shù)
\amy(k)，從而得到適應(yīng)方向系數(shù)的部件。
[0030]在各個從屬權(quán)利要求中公開了本發(fā)明的有利的另外的實施例。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]參考【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的示例性的實施例，其中:[0032]圖1示出在剛性球上具有32個炭精盒的麥克風(fēng)陣列的得到的揚聲器權(quán)數(shù)中的參考、混置及噪聲分量的功率；
[0033]圖2示出對于SNR (k) = 20dB的降噪濾波器；
[0034]圖3示出基于框的自適應(yīng)Ambisonics處理的框圖；
[0035]圖4示出在圖2的最優(yōu)化濾波器之后的權(quán)數(shù)分量的平均功率。
【具體實施方式】
[0036]在以下部分中說明球面麥克風(fēng)陣列處理。
[0037]Ambisonics 理論
[0038]通過假設(shè)福射平面波的聲場的揚聲器定義Ambisonics解碼,參見M.A Poletti的((Three-Dimensional Surround Sound Systems Based on Spherical Harmonics)) (JournalAudio Engineering Society,第 53 卷,第 11 號，第 1004 至 1025 頁，2005 年):
[0039]
【權(quán)利要求】
1.一種處理在剛性球上的球面麥克風(fēng)陣列的麥克風(fēng)炭精盒信號(Ρ(Ω。^))的方法，所述方法包含以下步驟: 將表示在所述麥克風(fēng)陣列的表面上的壓力的所述麥克風(fēng)炭精盒信號(P(Qc^t))轉(zhuǎn)換(31)為球面諧波或者高保真度立體聲響復(fù)制表示 針對每個波數(shù)k，使用從所述麥克風(fēng)陣列記錄的平面波的平均源功率IpciGO I2以及表示由在所述麥克風(fēng)陣列中的模擬處理產(chǎn)生的空間不相關(guān)的噪聲的對應(yīng)的噪聲功率IPnoise(k) I2，計算(33)所述麥克風(fēng)炭精盒信號(Ρ(Ω。，t))的時變信噪比SNR(k)的估計；通過使用對每個階n(34)對離散的有限的波數(shù)k根據(jù)所述信噪比估計SNR(k)設(shè)計的時變維納濾波器，將所述維納濾波器的傳遞函數(shù)乘以(34)所述麥克風(fēng)陣列的逆?zhèn)鬟f函數(shù)以便得到適應(yīng)傳遞函數(shù)Fn,my(k)； 使用線性濾波器處理對所述球面諧波表示施加(32)所述適應(yīng)傳遞函數(shù)Fn，am”(k)，得到適應(yīng)方向系數(shù) <七)。
2.一種用于處理在剛性球上的球面麥克風(fēng)陣列的麥克風(fēng)炭精盒信號(Ρ(Ω。^))的裝置，所述裝置包含: 部件(31)，適用于 將表示在所述麥克風(fēng)陣列的表面上的壓力的所述麥克風(fēng)炭精盒信號(P ( Ω。，t))轉(zhuǎn)換為球面諧波或者高保真度立體聲響復(fù)制表示A;:'(?; 部件(33)，適用于針對每個波數(shù)k，使用從所述麥克風(fēng)陣列記錄的平面波的平均源功率Ipci(k) I2以及表示由在所述麥克風(fēng)陣列中的模擬處理產(chǎn)生的空間不相關(guān)的噪聲的對應(yīng)的噪聲功率IPntjise(k) I2，計算所述麥克風(fēng)炭精盒信號(Ρ(Ω。^))的時變信噪比SNR(k)的估計； 部件(34)，適用于通過使用對每個階η對離散的有限的波數(shù)k根據(jù)所述信噪比估計SNR(k)設(shè)計的時變維納濾波器，將所述維納濾波器的傳遞函數(shù)乘以所述麥克風(fēng)陣列的逆?zhèn)鬟f函數(shù)以便得到適應(yīng)傳遞函數(shù)Fn,my(k)； 部件(32)，適用于使用線性濾波器處理對所述球面諧波表示4的施加所述適應(yīng)傳遞函數(shù)Fn,arrary (k)，得到適應(yīng)方向系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，或者根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，在沒有任何聲源使得|Po(k) I2 = O的安靜的環(huán)境中得到所述噪聲功率IPntjise(k) I2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的方法，或者根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置，其中，根據(jù)在麥克風(fēng)炭精盒測量的壓力Pmie(Qyk)通過比較在麥克風(fēng)炭精盒上的壓力的期望值與所測量的在麥克風(fēng)炭精盒上的平均信號功率估計所述平均源功率Ipci(k) I2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、3和4中的任一項所述的方法，或者根據(jù)權(quán)利要求2到4中的任一項所述的裝置，其中，在頻域中確定陣列的所述傳遞函數(shù)Fn,my(k)，包含: 使用FFT將系數(shù)的變換到頻域，然后乘以所述傳遞函數(shù)Fn，mmy (k)； 實施乘積的逆FFT以得到時域系數(shù)， 或者，在時域中通過FIR濾波器實施逼近，包含:實施逆FFT ；實施循環(huán)移位；對得到的濾波器脈沖響應(yīng)施加錐形窗口以便平滑對應(yīng)的傳遞函數(shù)；對于η與m的每個組合實施得到的濾波 器系數(shù)與系數(shù)的卷積。
【文檔編號】H04R3/00GK103931211SQ201280055175
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月11日
【發(fā)明者】S.科登, J-M.巴特克, A.克魯格 申請人:湯姆遜許可公司