專利名稱：一種三維音頻系統(tǒng)距離調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于聲學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及多聲道三維音頻系統(tǒng)的精簡(jiǎn)、優(yōu)化技木。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的5.1聲道是為了制造包圍感而不是為了定位，因此側(cè)面音響數(shù)目較少，聲像位置不穩(wěn)定，因此，負(fù)責(zé)制定日本的移動(dòng)電話及數(shù)碼廣播等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的日本廣播協(xié)會(huì)和日本最大的媒體機(jī)構(gòu)NHK(Nippon Hoso Kyoka1-NHK)科學(xué)技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室于2004年正式提出22. 2多聲道原型系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)列入面向下一代超高清電視的三維音頻標(biāo)準(zhǔn)。日本廣播協(xié)會(huì)將該系統(tǒng)中的揚(yáng)聲器陣列設(shè)置為三層結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)三維沉浸效果，中間層距下層間隔2米，上層距下層間隔6. 28米，在三層揚(yáng)聲器共同作用下，在聽(tīng)者周圍重建三維聲像，克服了環(huán)繞聲在高度感知方面的不足。 K. Hiyama等研究發(fā)現(xiàn)在水平方向上的揚(yáng)聲器之間若滿足夾角為45度，即可獲得足夠的水平聲音包絡(luò)，Keiichi Kubota通過(guò)主觀測(cè)試顯示垂直方向上揚(yáng)聲器之間滿足夾角45度，就能很好的保持高度方向上的一致性。因此，在22. 2多聲道系統(tǒng)中，在中間層設(shè)置了 10個(gè)揚(yáng)聲器，其中8個(gè)按照兩兩水平方位角度間隔45度，并在屏幕方向増加兩個(gè)揚(yáng)聲器用來(lái)匹配視頻圖像的聲音定位，其水平方位角大致在60度和120度的位置上；在上層設(shè)置了 9個(gè)揚(yáng)聲器，其中8個(gè)揚(yáng)聲器兩兩水平方位角度間隔45度，與中間層的8個(gè)揚(yáng)聲器保持一致，其目的是為了保持垂直空間一致性，剩下ー個(gè)揚(yáng)聲器位于上層平面正中間；在下層屏幕方向設(shè)置5個(gè)揚(yáng)聲器，其中3個(gè)兩兩水平方位角間隔45度，剩下2個(gè)為低頻揚(yáng)聲器，這5個(gè)揚(yáng)聲器與中間層和上層在屏幕方向的揚(yáng)聲器保持在同一垂直面上。22. 2多聲道系統(tǒng)能夠在聽(tīng)音者周圍重建ー個(gè)3D聲象，在整個(gè)屏幕區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的聲音定位。使用語(yǔ)義差異法的主觀測(cè)試結(jié)果顯示，22. 2聲道在450英寸UHDTV的影院環(huán)境中對(duì)各種效果的體驗(yàn)都比2聲道或5.1聲道要好近5% ;通過(guò)音效工程師和音效設(shè)計(jì)師對(duì)22. 2聲道中每個(gè)聲道的量度估計(jì)(Magnitude estimation)顯示22. 2的姆個(gè)聲道均能被有效使用。2011年NHK通過(guò)二次重建進(jìn)ー步將22. 2聲道下混為10聲道或8聲道，依然可以達(dá)到原22. 2聲道的重建效果。IS0/IEC的MPEG標(biāo)準(zhǔn)工作組也著手制定基于22. 2聲道三維音頻系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，并在2011年的需求提案中指出感知無(wú)失真壓縮編碼是該系統(tǒng)的重要需求之一。2011年8月，日本廣播協(xié)會(huì)(NHK)實(shí)驗(yàn)室的Akio Ando將22. 2多聲道3D音頻系統(tǒng)(如圖2)精簡(jiǎn)為10. 2聲道，該成果發(fā)表在IEEE Transactions on Audio, Speech andLanguageProcessing上。其精簡(jiǎn)的原理是用ー個(gè)揚(yáng)聲器代替包圍該揚(yáng)聲器的三個(gè)揚(yáng)聲器，重新調(diào)整揚(yáng)聲器的分配信號(hào)以保持中心點(diǎn)處的聲壓和粒子速度不變。雖然中心點(diǎn)處的聲場(chǎng)物理特性未變，但是聲源到中心點(diǎn)處的距離被損失，導(dǎo)致聽(tīng)音者缺少對(duì)音源的真實(shí)的距離感受。同時(shí)，不同的應(yīng)用環(huán)境配置的聲道數(shù)不同，如家庭應(yīng)用環(huán)境的面積不同、娛樂(lè)環(huán)境的需求不同，都會(huì)導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用中揚(yáng)聲器在數(shù)量上有差異，為了適應(yīng)多聲道系統(tǒng)配置上的區(qū)另IJ，提高重現(xiàn)聲場(chǎng)的包圍感與沉浸感，必須在各種應(yīng)用環(huán)境中調(diào)制出聲場(chǎng)的距離感知，為聽(tīng)音者在三維聲場(chǎng)中提供真實(shí)的三維音頻空間感受。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有的多聲道音頻系統(tǒng)距離感知的丟失問(wèn)題，提出一種能恢復(fù)重現(xiàn)聲場(chǎng)中距離感知的技術(shù)方法。達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種三維音頻系統(tǒng)距離調(diào)制方法，包括以下步驟步驟1:按照中心點(diǎn)處聲壓不變且粒子速度不變準(zhǔn)則，將M聲道三維音頻系統(tǒng)簡(jiǎn)化成N聲道三維音頻系統(tǒng)；步驟2 :將M聲道三維音頻系統(tǒng)的M路音頻信號(hào)及參數(shù)傳送至N聲道三維音頻系統(tǒng)，所述參數(shù)包括從M路信號(hào)中的粒子速度V，以及從采集信號(hào)中提取出的聲源與聽(tīng)音點(diǎn)之間的距離dQ、中心點(diǎn)聲壓p和雙耳聲壓Pu1、pK。，其中dQ、p、Pui和Pkq無(wú)損傳輸；步驟3 :在N聲道三維音頻系統(tǒng)中，從接收的輸入信號(hào)中提取出M聲道三維音頻系統(tǒng)的參數(shù)； 步驟4 :在N聲道三維音頻系統(tǒng)中，計(jì)算中心點(diǎn)處的聲壓P和雙耳聲壓PpPK，計(jì)算虛擬聲像到中心點(diǎn)的距離山求解出虛擬聲像到中心點(diǎn)的距離d用揚(yáng)聲器的功率Wp揚(yáng)聲器與中心距離も、左右耳距離du和dKi的表示式，計(jì)算中心點(diǎn)處的粒子速度V’ ；步驟5 :建立距離調(diào)制最優(yōu)模型，求解各揚(yáng)聲器信號(hào)調(diào)整的權(quán)值因子Wi ;所述距離調(diào)制最優(yōu)模型用于通過(guò)調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器信號(hào)的功率來(lái)改變虛擬聲像到中心的距離山使距離d與原始的距離も盡量接近，同時(shí)保持中心點(diǎn)處聲壓與粒子速度V’不變；步驟6 :利用步驟5求解的權(quán)值因子&，調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器輸入信號(hào)，使虛擬聲像到中心點(diǎn)的距離d與原始的距離も的差異最小。而且，步驟I的實(shí)現(xiàn)方式為，按照以下公式，用重建聲場(chǎng)中ー個(gè)揚(yáng)聲器(替代原聲場(chǎng)中三個(gè)揚(yáng)聲器し、し和し，替代條件是揚(yáng)聲器(在揚(yáng)聲器I p I 2和し所構(gòu)成的球面三角形內(nèi)，
權(quán)利要求
1.一種三維音頻系統(tǒng)距離調(diào)制方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟1:按照中心點(diǎn)處聲壓不變且粒子速度不變準(zhǔn)則，將M聲道三維音頻系統(tǒng)簡(jiǎn)化成N聲道三維音頻系統(tǒng)； 步驟2 :將M聲道三維音頻系統(tǒng)的M路音頻信號(hào)及參數(shù)傳送至N聲道三維音頻系統(tǒng)，所述參數(shù)包括從M路信號(hào)中的粒子速度V，以及從采集信號(hào)中提取出的聲源與聽(tīng)音點(diǎn)之間的距離屯、中心點(diǎn)聲壓P和雙耳聲壓ΡΙΧΙ、ΡΚ(|，其中dpP、Plo和Pkci無(wú)損傳輸； 步驟3 :在N聲道三維音頻系統(tǒng)中，從接收的輸入信號(hào)中提取出M聲道三維音頻系統(tǒng)的參數(shù)； 步驟4 :在N聲道三維音頻系統(tǒng)中，計(jì)算中心點(diǎn)處的聲壓P和雙耳聲壓PpPk,計(jì)算虛擬聲像到中心點(diǎn)的距離d，求解出虛擬聲像到中心點(diǎn)的距離d用揚(yáng)聲器的功率Wp揚(yáng)聲器與中心距離屯、左右耳距離du和dKi的表示式，計(jì)算中心點(diǎn)處的粒子速度V’ ； 步驟5 :建立距離調(diào)制最優(yōu)模型，求解各揚(yáng)聲器信號(hào)調(diào)整的權(quán)值因子Wi ;所述距離調(diào)制最優(yōu)模型用于通過(guò)調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器信號(hào)的功率來(lái)改變虛擬聲像到中心的距離山使距離d與原始的距離Cltl盡量接近，同時(shí)保持中心點(diǎn)處聲壓與粒子速度V’不變； 步驟6 :利用步驟5求解的權(quán)值因子Wi，調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器輸入信號(hào)，使虛擬聲像到中心點(diǎn)的距離d與原始的距離Cltl的差異最小。
2.如權(quán)利要求1所述三維音頻系統(tǒng)距離調(diào)制方法，其特征在于步驟I的實(shí)現(xiàn)方式為，按照以下公式，用重建聲場(chǎng)中一個(gè)揚(yáng)聲器ζ替代原聲場(chǎng)中三個(gè)揚(yáng)聲器I P 和替代條件是揚(yáng)聲器 在揚(yáng)聲器ξρ 12和ξ3所構(gòu)成的球面三角形內(nèi)，
3.如權(quán)利要求2所述三維音頻系統(tǒng)距離調(diào)制方法，其特征在于步驟4具體實(shí)現(xiàn)方式如下，計(jì)算中心點(diǎn)處的聲壓P和雙耳聲壓Pli, >pE如下式，
4.如權(quán)利要求3所述三維音頻系統(tǒng)距離調(diào)制方法，其特征在于步驟5所述距離調(diào)制最優(yōu)模型如下， 目標(biāo)函數(shù)=HiinAd = d-d0約束條件Γ1 :
全文摘要
本發(fā)明涉及一種三維音頻系統(tǒng)距離調(diào)制方法，包括將M路多聲道三維音頻信號(hào)簡(jiǎn)化為N路多聲道三維音頻信號(hào)，計(jì)算多聲道系統(tǒng)中虛擬聲像與聽(tīng)音點(diǎn)處的距離；計(jì)算中心點(diǎn)處的聲學(xué)特征，包括中心點(diǎn)處接收的聲壓、粒子速度及雙耳聲壓；建立距離最優(yōu)模型，重新分配揚(yáng)聲器信號(hào)恢復(fù)距離感知。本發(fā)明基于基礎(chǔ)聲學(xué)中的部分原理，理論基礎(chǔ)完善，計(jì)算代價(jià)小，能還原出原始距離感知，可以應(yīng)用于各種精簡(jiǎn)揚(yáng)聲器系統(tǒng)當(dāng)中。
文檔編號(hào)G10L19/008GK103021414SQ201210516039
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月4日
發(fā)明者胡瑞敏, 張茂勝, 王實(shí), 涂衛(wèi)平, 王曉晨, 王松, 李登實(shí), 姜林 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)