空间环绕声的水平面扬声器布置重放方法、系统及介质

电子通信装置的制造及其应用技术1.本发明涉及电声技术领域，尤其涉及一种空间环绕声的水平面扬声器布置重放方法、系统及介质。背景技术：2.多通路环绕声正逐步由水平环绕声向空间环绕声发展。水平面环绕声的多个扬声器是布置在水平面的。例如国际电信联盟推荐的家用5.1通路水平环绕声是采用水平面前方左l、中c、右r，侧后方左环绕ls、侧后方右环绕rs共五个全频带扬声器布置，加上可选择的次低频扬声器。空间环绕声的多个扬声器一般是采用分层布置，即除了在水平层布置扬声器，还需要在上层甚至下层布置扬声器。例如在家用9.1通路空间环绕声采用水平层和上层两层扬声器布置，其中水平层有5个全频带扬声器且和国际电信联盟推荐的5.1通路水平环绕声的布置一致；上层有4个全频带扬声器并在水平层左l、右r、左环绕ls和右环绕rs扬声器的上方。3.与水平环绕声相比空间环绕声改善了垂直听觉效果，但同时需要更复杂的三维扬声器布置。而在一些实际的应用场景，例如家庭重放中，会受重放环境的限制不便于布置上层扬声器。可以采用向下混合重放方法，通过水平面扬声器布置重放空间环绕声的信号。而水平面的扬声器布置一般只用于产生水平面的虚拟源，从而导致垂直定位信息的丢失。技术实现要素：4.为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种空间环绕声的水平面扬声器布置重放方法、系统及介质。5.本发明所采用的技术方案是：6.一种空间环绕声的水平面扬声器布置重放方法，包括以下步骤：7.将四个扬声器分别布置在水平面的左前、右前、左后、右后的位置上，其中第一扬声器(左前)和第二扬声器(右前)关于左右对称，第三扬声器(左后)和第四扬声器(右后)关于左右对称，第一扬声器和第三扬声器在左右对称轴的同一侧；8.获取单通路声频信号e0；9.对单通路声频信号e0进行幅度调节，获得四个扬声器对应的信号e1、e2、e3、e4；10.将信号e1、e2、e3、e4分别反馈给四个扬声器，实现扬声器重放。11.进一步地，四个信号e1、e2、e3、e4通过以下方式获得：[0012][0013][0014][0015]式中，θ1代表第一扬声器的方位角，θ3代表第三扬声器的方位角；θ′i表示目标虚拟源的方位角，φ′i表示目标虚拟源的仰角；const表示恒定的功率；信号e1对应第一扬声器，信号e2对应第二扬声器，信号e3对应第三扬声器，信号e4对应第四扬声器。[0016]进一步地，所述对单通路声频信号e0进行幅度调节，获得四个扬声器对应的信号e1、e2、e3、e4，包括：[0017]根据目标虚拟源产生的双耳时间差以及其随头部模型转动的变化调节幅度，获取四个扬声器对应的信号e1、e2、e3、e4；[0018]其中，所述目标虚拟源为四个扬声器合成获得的虚拟源。[0019]进一步地，所述根据目标虚拟源产生的双耳时间差以及其随头部模型转动的变化调节幅度，包括：[0020]设第i个扬声器的方位角和仰角分别为θi和φi，信号幅度为ei；头部固定不动时合成的虚拟源的方向为：[0021][0022]头部绕垂直轴旋转时合成的虚拟源方向为：[0023][0024]头部绕前后轴摆动时合成的虚拟源方向为：[0025][0026]因为扬声器是左右对称布置在水平面，即对左前和右前扬声器的方向有：[0027]θ1＝-θ2；φ1＝φ2＝0°ꢀꢀꢀ(4)[0028]左后和右后扬声器的方向有：[0029]θ3＝-θ4；φ3＝φ4＝0°ꢀꢀꢀ(5)[0030]且左右对称布置的扬声器馈给相同幅度的信号，根据公式(1)头部固定不动时有：[0031]sinθicosφi＝0ꢀꢀꢀ(6)[0032]即感知方位角θi＝0°或180°，或者φi＝90°；因此头部固定不动时，合成虚拟源在中垂面上；[0033]根据式(2)头部绕垂直轴旋转时有：[0034][0035]由于合成虚拟源在中垂面上，故有cosθ′i＝1或-1，所以cosφi会随e3/e1的幅度比而变化；因此调节e3/e1的幅度比可以合成中垂面上不同仰角的虚拟源。[0036]本发明所采用的另一技术方案是：[0037]一种空间环绕声的水平面扬声器布置重放系统，包括：[0038]位置布置模块，根据左右对称布置扬声器，其中第一扬声器和第二扬声器关于左右对称，第三扬声器和第四扬声器关于左右对称，第一扬声器和第三扬声器在左右对称轴的同一侧；信号输入模块，用于获取单通路声频信号e0；[0039]信号调幅模块，用于对单通路声频信号e0进行幅度调节，获得四个扬声器对应的信号e1、e2、e3、e4；[0040]信号合成模块，用于将信号e1、e2、e3、e4分别反馈给四个扬声器，实现扬声器重放。[0041]本发明所采用的另一技术方案是：[0042]一种空间环绕声的水平面扬声器布置重放系统，包括：[0043]至少一个处理器；[0044]至少一个存储器，用于存储至少一个程序；[0045]当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。[0046]本发明所采用的另一技术方案是：[0047]一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如上所述方法。[0048]本发明的有益效果是：本发明采用水平面的扬声器布置实现空间环绕声的向下混合重放，且保留垂直信息；另外，本发明中扬声器布置和信号处理简单，硬件资源利用率高。附图说明[0049]为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。[0050]图1是本发明实施例中空间环绕声的水平面扬声器布置的示意图；[0051]图2是本发明实施例中头部绕垂直轴和前后轴向左转动的示意图；[0052]图3是本发明实施例中5.1通路环绕声系统扬声器布置示意图；[0053]图4是本发明实施例中验证本发明的虚拟源主观评价实验的结果图。具体实施方式[0054]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。[0055]在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。[0056]在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。[0057]本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。[0058]为了解决由于水平面的扬声器布置只用于产生水平面的虚拟源，导致垂直定位信息的丢失的问题，本实施例根据空间听觉和多通路声的心理声学原理在向下混合的过程中进行适当的信号处理，从而尽可能地将垂直信息重放出来。[0059]在普通的立体声重放中，当采用宽张角的扬声器布置时会出现前方虚拟源向上提升的经典现象，leakey指出该现象是由于不匹配的动态因素引起。因此可以根据类似的原理，通过合成目标方向的双耳时间差及其随头部转动的变化，从而来实现水平面扬声器布置重放垂直虚拟源的目的。为了合成目标双耳时间差及其随头部转动的变化需要调节重放扬声器的幅度，具体的幅度可以根据由简化头部模型推导得到的合成定位公式组计算得到。首先为了合成中垂面的虚拟源，根据合成定位公式调节左前扬声器的幅度等于右前扬声器的幅度；左后扬声器的幅度等于右后扬声器的幅度。进一步的为了合成不同仰角的虚拟源，根据合成定位公式调节左前扬声器和左后扬声器的幅度比即可合成目标虚拟源。因此只需要水平面布置的扬声器重放即可合成不同仰角的虚拟源，实现空间环绕声的向下混合重放。[0060]本实例提供一种空间环绕声的水平面扬声器布置重放方法。坐标选取为仰角-90°≤φ≤90°，方位角-180°《θ≤180°。其中φ＝-90°，0°和90°分别表示正下方、水平面和正上方；在水平面，θ＝0°,90°和180°分别表示正前、正左和正后方。[0061]图1为扬声器布置的示意图，四个真实的水平扬声器布置在倾听者左前、右前、左后和右后方向。声频信号经过幅度调节后，分别馈给这四个扬声器重放。具体的幅度根据目标虚拟源产生的双耳时间差及其随头部转动的变化调节。[0062]基于简化的头部模型和多通路声重放的合成定位理论，有m个扬声器作环绕倾听者布置，第i个扬声器的方位角和仰角分别为θi和φi，信号幅度为ei。头部固定不动时合成的虚拟源的方向为：[0063][0064]参见图2(a)，头部绕垂直轴旋转时合成的虚拟源方向为：[0065][0066]参见图2(b)，头部绕前后轴摆动时合成的虚拟源方向为：[0067][0068]因为扬声器是左右对称布置在水平面，即对左前和右前扬声器的方向有：[0069]θ1＝-θ2；φ1＝φ2＝0°ꢀꢀꢀ(5)[0070]左后和右后扬声器的方向有：[0071]θ3＝-θ4；φ3＝φ4＝0°ꢀꢀꢀ(6)[0072]且左右对称布置的扬声器馈给相同幅度的信号，根据式(2)头部固定不动时有，[0073]sinθicosφi＝0ꢀꢀꢀ(7)[0074]即感知方位角θi＝0°或180°，或者φi＝90°。因此头部固定不动时，合成虚拟源在中垂面上。[0075]根据式(3)头部绕垂直轴旋转时有，[0076][0077]由于合成虚拟源在中垂面上，故有cosθ′i＝1或-1，所以cosφi会随e3/e1的幅度比而变化。因此调节e3/e1的幅度比可以合成中垂面上不同仰角的虚拟源。[0078]根据式(4)头部绕前后轴摆动时有，[0079]sinφ″i＝0ꢀꢀꢀ(9)[0080]于是有φ″i＝0°，又由于感知虚拟源在中垂面，故确定感知虚拟源在水平面。这与式(8)的结论不一致。因而头部绕前后轴摆动没有提供区分上下定位的信息。因而虚拟源的仰角应该由式(8)决定。并且实际中听觉系统感知虚拟源在上半球面。因此，当采用上述信号馈给时可以合成上半球面不同仰角的虚拟源。[0081]实施例一：家庭影院的应用[0082]将蓝光光盘播放机解码输出或从数字传输媒体得到的多通路空间环绕声(数字)信号馈给家庭影院的放大器，图1的幅度调节处理是作为放大器内的一部分功能电路。得到四通路信号e1、e1、e2和e2后分别馈给外接的四个全频带扬声器进行重放。[0083]实施例二：多媒体计算机的应用[0084]由计算机的蓝光光驱读取，或通过数字传输媒体并经解码得到的多通路空间环绕声(数字)信号，然后用计算机软件实行图1的幅度调节处理(也可以在计算机的声卡上用专用的硬件电路实现)，得到四通路信号e1、e1、e2和e2后分别馈给外接的四个全频带扬声器进行重放。[0085]本发明实施例具体介绍多媒体计算机应用作为其中的实施例子。但本发明并不限定于多媒体计算机的应用，也包括其它的应用，如蓝光光盘播放机的应用、家庭影院的应用、通路声节目制作应用等。本发明也不限定于在计算机中用软件实现，也可以用其他方式实现，如通用的dsp实现，设计成专用的集成电路芯片实现。[0086]本发明实施例中扬声器布置采用如图3所示的5.1通路环绕声的左l、右r，左环绕ls以及右环绕rs。因此重放的四个水平面扬声器的方位角和仰角分别为：[0087]θ1＝30°ꢀθ2＝-30°ꢀθ3＝110°ꢀθ4＝-110°ꢀꢀꢀ(10)[0088]φ1＝φ2＝φ3＝φ4＝0°ꢀꢀꢀ(11)[0089]第一步：输入单通路声频信号e0；[0090]第二步：对e0进行幅度调节，使得：[0091]e1＝e2；e3＝e4ꢀꢀꢀ(12)[0092]第三步：进一步根据目标仰角调节前后对扬声器的幅度比：[0093][0094]第四步：根据归一化功率调节确定馈给四个扬声器的信号e1,e2,e3,e4的幅度为[0095][0096][0097]如上所述，即可较好地实现本实施例的方法。[0098]由于采用5.1通路环绕声布置的其中四个扬声器重放，因而本发明的信号处理与现有的5.1通路环绕声重放完全兼容。[0099]主观评价实验验证了本发明的实际效果。评价本发明的一个关键是不同垂直虚拟源的感知效果；如图4所示。[0100]实验是在一间混响时间为0.15s的听音室进行，四个重放扬声器按(10)式的方位方位角作水平布置，扬声器与倾听者头中心的距离为1.45m。原始的实验信号，即e0为音乐信号(管弦乐:约翰.斯特劳施,蓝色的多瑙河片段)。首先按(12)式调节e1,e2,e3,e4的幅度，使得左右对称的扬声器幅度一样，并进一步的调节前后对扬声器的声级差d＝20log10(e3/e1)(db)＝20log10(e4/e2)(db)。选择声级差d在-24db～+24db以6db为间隔变化。实验中，鼓励受试者转动头部来判断感知虚拟源方向。共8名受试者，每名受试者重复判断3次。因而每个条件下总共有3重复×8受试者＝24个判断。[0101]首先用kruskal-wallis h试验分析实验数据的一致性。将24个判断的平均值和标准差作为最后的实验结果。[0102]kruskal-wallis h试验的结果表明，在显著性水平α＝0.05，所有试验无显著性差别，因而所有受试者和重复的定位结果是一致的，所以实验结果是稳定和可信的。在所有实验结果中，没有出现前后混乱。图4是在不同的声级差下虚拟源定位实验的平均感知方位角和对应的标准差。并根据合成定位公式(8)绘制了通路声级差与目标虚拟源关系的曲线。[0103]从图中可以看出平均感知极仰角都会随着通路声级差的增大而增大，且感知极仰角的整体趋势和式(8)理论计算的结果一致。上述实验结果表明本发明可以有效的合成不同仰角的垂直虚拟源，包括正上方的虚拟源。因此虚拟源定位实验验证了本发明。[0104]综上所述，本实施例方法相对于现有技术，具有如下优点和有益效果：[0105](1)本发明可采用水平面的扬声器布置实现空间环绕声的向下混合重放，且保留垂直信息。[0106](2)本发明在实现空间环绕声向下混合重放的同时，还可兼容5.1通路环绕声的重放，也可用于家庭重放环境。[0107](3)本发明也可用于多通路水平面环绕声的节目制作，直接在水平面扬声器布置中产生垂直方向的虚拟源。[0108](4)本发明扬声器布置和信号处理简单，硬件资源利用率高。[0109](5)本发明可设计成专用硬件或通用软件而用在家庭影院等方面的声音重放，也可作为硬件或软件用在多媒体计算机的声音重放。也可作为多通路水平面环绕声的节目制作硬件或软件算法的一部分。[0110]本实施例还提供一种空间环绕声的水平面扬声器布置重放系统，包括：[0111]位置布置模块，根据左右对称布置扬声器，其中第一扬声器和第二扬声器关于左右对称，第三扬声器和第四扬声器关于左右对称，第一扬声器和第三扬声器在左右对称轴的同一侧；信号输入模块，用于获取单通路声频信号e0；[0112]信号输入模块，用于获取单通路声频信号e0；[0113]信号调幅模块，用于对单通路声频信号e0进行幅度调节，获得四个扬声器对应的信号e1、e2、e3、e4；[0114]信号合成模块，用于将信号e1、e2、e3、e4分别反馈给四个扬声器，实现扬声器重放。[0115]本实施例的一种空间环绕声的水平面扬声器布置重放系统，可执行本发明方法实施例所提供的一种空间环绕声的水平面扬声器布置重放方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。[0116]本实施例还提供一种空间环绕声的水平面扬声器布置重放系统，包括：[0117]至少一个处理器；[0118]至少一个存储器，用于存储至少一个程序；[0119]当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。[0120]本实施例的一种空间环绕声的水平面扬声器布置重放系统，可执行本发明方法实施例所提供的一种空间环绕声的水平面扬声器布置重放方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。[0121]本实施例还提供了一种存储介质，存储有可执行本发明方法实施例所提供的一种空间环绕声的水平面扬声器布置重放方法的指令或程序，当运行该指令或程序时，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。[0122]在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。[0123]此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。[0124]所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。[0125]在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。[0126]计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。[0127]应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。[0128]在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。[0129]尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。[0130]以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。[0131]本发明的研究得到了国家重点研发计划(2018yfb1403800)的资助。









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