專利名稱:雙揚聲器的立體聲擴展網絡的制作方法
技術領域:
本發明一般涉及音頻處理,尤其是涉及當使用兩個揚聲器時對雙通道輸入進行擴展的音頻處理。
背景技術:
可以通過包括用于不同音頻通道的不同揚聲器的環繞系統來產生空間聲。在雙揚聲器立體聲系統的標準設置中,所述揚聲器跨度有60度。為了給出聲源在兩個揚聲器之間的區域內移動的效果,可以利用幅值移位(amplitude panning)技術。這種聲源的位置對應于遠離揚聲器的位置并且該聲源通常被稱為“虛擬源”或“幻像聲像(phantom image)”。換句話說,一個虛擬聲源不是由該位置處的揚聲器產生的,而是由聽眾來定位的。
美國專利公開US 3,236,949提供了一種串音消除網絡,首次描述了如何使聲音聽起來是來自揚聲器跨越的角度范圍以外的。該公開假定寬間隔揚聲器和自由場聲音傳播,這意味著不需要考慮收聽者頭部對于入射聲波的影響。正是因為這種假設才使得模擬電子技術的實施是直截了當的。
收聽者頭部的影響在美國專利公開US 5,136,651中曾經有過介紹。該專利公開描述了這種影響可以如何被包含在虛擬系統中。因此串音消除系統的設計相對于自由場情況更加復雜,并且所介紹的“shuffler”是一種執行二乘二濾波器矩陣的有效方法。
專利公開WO 95/15069中曾考慮過當使用兩個寬間隔揚聲器時對頭部移動的靈敏度問題。在該專利公開中,降低對稱的二乘二濾波器矩陣的非對角元素的增益,從而以性能的適當減低為代價提高了最佳位置的尺寸。假如源素材是雙耳音的,那就意味著它是準備用于通過耳機進行回放的。
而且,專利公開文件EP0880871B1描述了使用兩個較近間隔放置的揚聲器來增強空間的多種途徑。在此存在一些討論是關于如何避免串音消除網絡中和揚聲器輸入中的低頻提升問題,其中該揚聲器輸入用于該揚聲器所跨越角度外部的虛擬聲像。它沒有考慮如何調節空間效果的強度或者如何相對于未經處理的聲音來限制處理過的聲音。重點主要集中于用于在高保真應用中在特定位置處實現虛擬源所必需的數字濾波器的設計和特性。
很容易理解,當兩個揚聲器距離很近時,它們之間的區域對于將源在這個區域內移動而產生的空間效果來說寬度是不夠的。在這種情況下,有必要產生一種聲音是來自兩個揚聲器所跨越角度之外的感覺。實現這種效果的原理是基于處理通往這兩個揚聲器的輸入,從而使得在收聽者耳朵處所再現的聲音在某種程度上接近于一個實際聲源在那里所產生的聲音。眾所周知,所述原理的結果在于要求有一個強大的異相(out-of-phase)低頻輸出以便于在揚聲器跨越的角度之外產生虛擬源。因此這是一個很好的原因來考慮對通往揚聲器的輸入進行限制的方法,尤其是對于便攜式設備。
通常音場(sound stage)的中心是最重要的部分。然而在空間增強系統的情況中,這一部分并沒有引起人們的太多關注。在立體聲音樂音軌中,例如聲樂通常位于中心。與之相似的是,在電影中語音的目標在中心。有利的是,這一部分沒有被空間處理過分粉飾。除了保證音質外,聲場中心的可靠再現保證了來自便攜設備的小型揚聲器的合理響度的聽覺輸出。
可以看出,相關技術的解決方案并不能滿足所有當前電子設備的需要。例如可以使用那些包括兩個彼此間距離非常近(例如位于顯示器的兩側)的揚聲器的設備。通過這些設備,聲音的方向可以扮演一個非常重要的角色。本發明的考慮主要是用于虛擬源基本上靜態的情況。因此,應用的實例是對雙聲道立體聲格式或5.1多通道格式的音樂和視頻的增強,以及參加者的聲音被分配到相對較少量的位置的電話會議。然而,對于其中虛擬源不一定是靜態的其他類型音頻材料而言,本發明也可用作后處理模塊。
發明內容
因此,在改進的用于擴展揚聲器空間輸出的方法中,接收并均衡第一音頻通道和第二音頻通道,將所述第一均衡通道與經過延遲、縮小和反轉的第二均衡通道混合,將所述第二均衡通道與經過延遲、縮小和反轉的第一均衡通道混合,由此輸出混合后的第一通道和第二通道。
根據一個實施例,一種用于擴展揚聲器輸出的系統,該系統至少包括輸入裝置,用于接收第一和第二音頻通道;濾波器,用于均衡所述第一和第二音頻通道;用于將所述第一均衡通道與經過延遲、縮小和反轉后的所述第二均衡通道相混合并將所述第二均衡通道與經過延遲、縮小和反轉后的所述第一均衡通道相混合的裝置;以及輸出裝置,用于輸出混合的第一和第二音頻通道。
根據一個實施例,一種用于擴展音頻輸出的模塊,該模塊包括輸入裝置,用于接收第一和第二音頻通道;均衡器,用于均衡所述第一和第二音頻通道;用于將所述第一均衡通道與經過延遲、縮小和反轉后的所述第二均衡通道相混合并將所述第二均衡通道與經過延遲、縮小和反轉后的所述第一均衡通道相混合的裝置;以及輸出裝置,用于輸出混合的第一和第二音頻通道。
根據一個實施例,一種具有兩個揚聲器的電子設備,該電子設備包括用于擴展所述揚聲器輸出的裝置,所述裝置至少包括輸入裝置,用于接收第一和第二音頻通道;均衡器,用于均衡所述第一和第二音頻通道;用于將所述第一均衡通道與經過延遲、縮小和反轉后的所述第二均衡通道相混合并將所述第二均衡通道與經過延遲、縮小和反轉后的所述第一均衡通道相混合的裝置;以及輸出裝置,用于輸出混合的第一和第二音頻通道。
根據一個實施例,一種用于擴展揚聲器空間輸出的計算機程序產品,該計算機程序產品包括計算機可讀指令,該計算機可讀指令用于接收至少第一音頻通道和一個第二音頻通道并均衡所述音頻通道;將所述第一均衡通道與經過延遲、縮小和反轉后的第二濾波后通道相混合并將所述第二均衡通道與經過延遲、縮小和反轉后的第一濾波后通道相混合;輸出混合后的第一和第二音頻通道。
其他實施例在從屬權利要求中進行說明。
本發明描述了一種數字信號處理算法,該算法可以使聲場延伸到兩個揚聲器所跨越的角度之外。由于空間效果的強度是可調節的,因此在來自兩個小型揚聲器的有限聲學輸出的約束下,可以實現空間效果、響度以及音質之間的任何折衷。
立體聲擴展網絡用于給收聽者聲音是來自于兩個揚聲器所跨越角度之外的位置的感覺。因此本發明大大的改善了兩個近間隔的揚聲器的輸出,例如那些設置在屏幕不同側(左側、右側、上邊、下邊)的揚聲器,就像移動電話或另一類型的便攜式設備中那樣。自然,揚聲器可以是能夠以公知方式依附于電子設備的分離組件。
根據該解決方案,音質最好處于聲場的中心位置,這大大的改善了相關技術的解決方案,因為之前中心完全沒有受到關注。此外,空間效果可以連續的方式進行調節。
更進一步說,即便當使用小型揚聲器時,由于本發明主題,也可以確保合理響度的聲學輸出。
通過可選的預處理模塊,這里還存在可替換方式來調節空間效果的強度,從而給音質提供有利條件。
根據本發明的技術方案在計算上是非常有效的,它不僅給便攜式設備帶來巨大好處,對于其他的電子設備也是如此。
通過以下結合附圖的描述,可以對本發明有更好的理解。
圖1圖示了根據一個實施例的立體聲擴展網絡的實例;圖2圖示了根據一個實施例的立體聲擴展網絡的另一實例;
圖3a圖示了根據一個實施例的設備實例;以及圖3b圖示了根據一個實施例的設備的框圖實例。
具體實施例方式
盡管為了清楚起見在以下的描述中運用了一些特定的術語,但是這些術語僅僅是為了對本發明附圖所選的特定結構進行說明,并不是試圖定義或者限制本發明的范圍。
圖1圖示了一個立體聲擴展網絡100的可行配置。在此實例中,該網絡包括左(Lin)右(Rin)輸入以及相應的左右輸出(Lout,Rout)。兩個音頻通道被所述網絡100接收并處理。立體聲擴展網絡100中的兩個主要部分是均衡器110和串音網絡120。均衡器110的功能是對每個音頻通道(Lin,Rin)進行濾波,例如通過兩個IIR梳狀濾波器(無限沖擊響應)112、115。對于每個通道(Lin,Rin)而言該功能可以是相似的EQ(z)=11-gz-N,]]>串音網絡120的功能是混合直接通道(來自均衡器)和相對通道。該相對通道在混合程序中通過N個采樣(122,125)進行延遲并通過增益g(126,123)縮小。串音網絡H(z)(120)為H(z)=1-gz-N-gz-N1]]>串音網絡120除了簡單的縮放和延遲外不需要包括任何濾波操作。依賴于頻率的濾波操作相對于均衡器110隔離,因此均衡對于兩個通道來說是共有的。增益g的值位于0到1之間,它確定空間效果的強度。當增益為0時,串音網絡120成為一個旁路,而當增益值接近1時,均衡器就會產生大量的串音和強烈的低頻提升。實踐當中,可產生令人滿意的空間效果的增益值范圍典型的為0.3到0.8。N的值取決于揚聲器跨越的角度。實踐當中,對于48kHz的采樣頻率而言,N約為若干個采樣。當距離收聽者頭部的距離約為40cm時,對于間隔為5cm的揚聲器,N=1時效果最佳。而對于間隔為10cm的揚聲器,N=2時效果最佳。對于低采樣頻率和非常窄的揚聲器跨度,可以使用分數延遲,因為最佳的延遲小于一個采樣。另外,分數延遲在特定使用情況下可用于精確地調節延遲。例如,具有三個系數的拉格朗日FIR濾波器(有限沖擊響應)可用于將分數延遲連續地從0個采樣改變到2個采樣,同時依然允許簡單的均衡器EQ(z)實現。
圖1所示出的立體聲擴展網絡實現了一個典型的該類型的二乘二矩陣乘法運算LoutRout=EQ(z)H(z)LinRin,]]>可以很容易地證明,如果不考慮增益g的值,當兩個輸入相同(Lin=Rin)時,則輸出與該輸入相同(Lout=Rout=Lin=Rin)。這一性質保證了聲場的中心總是可以被如實地再現。
形成立體聲擴展網絡100要首先通過用以下公式表示矩陣C(z)C(z)=1gz-Ngz-N1,]]>這是美國專利公開US 3,236,949的自由場傳遞函數矩陣的數字形式。C(z)的逆矩陣為C-1(z)=11-g2z-2N1-gz-N-gz-N1.]]>圖1所示出的立體聲擴展網絡100的傳遞矩陣可以根據C(z)的逆矩陣寫成,EQ(z)H(z)=(1+gz-N)C-1(z),這根據一個實施例示出了這里存在與濾波器串聯的串音消除器。盡管該串音消除器在某些方面與專利公開US 3,236,949中所述的有些相似,但是本技術主題本身與它有很大的差別。根據一個實施例的串音網絡120主要是針對與近距離間隔而非遠距離間隔的揚聲器一起使用。串音網絡120針對的是主要與包含水平差異(這通常是具有音頻CD上音樂的情況)而不是時間差異(這通常是具有雙耳聲信號的情況)的立體聲信號一起使用。增益用來調節空間效果的強度,并且不取決于通過傳遞矩陣的物理基礎(physical ground)。根據一個實施例的串音網絡120包括約束,其確保當兩個輸入一致時該串音網絡充當旁路。
圖2圖示了本技術主題的另一個實施例。可選擇的預處理模塊P(206)是實現基本的幅值移位的混合器,它可以被用作一個聲場“寬度控制器”。例如,提供源材料是雙通道立體聲音樂(Lin,Rin)的情況,預處理模塊206具有如下形式P=1-ααα1-α]]>其中例如0<α<0.5。可以證明當兩個輸入一致時,預處理模塊206充當旁路,就像是EQ(z)和H(z)的級聯。因此,可以針對任何的α值來保持聲場中心。當α從0增加到0.5時,預處理模塊206逐漸地將聲場從整個立體寬度縮窄至中心的單個點。因此,預處理模塊206提供了另外一種調節空間效果強度的途徑。實踐中,為了實現最大化的立體聲擴展效果,采用剛好大于0的α值往往是非常有利的。在電話會議應用中,不同的α值可用于跨越聲場將參與者定位。上述的幅值移位技術是已知的,其已用于產生混合起來以通過兩個寬距離間隔的揚聲器進行重放的音樂。然而,通過根據本發明的立體聲擴展網絡,提供了一種可替代的方式來調節空間效果的強度。
立體聲擴展網絡100可配置于能夠進行音頻輸出的設備中。例如,提出了具有兩個彼此接近的揚聲器的設備。這種設備可以是移動終端、PDA設備、有線或無線計算機、通信裝置或者手持式游戲機等等。該立體聲擴展網絡可以是作為模塊安裝到所述設備中的數字音頻信號處理的一部分。圖3a、3b以非常簡單的方式圖示了該設備的一個實例。該設備300可以包括具有發射器321和接收器322的通信裝置320。還可以是具有發射器381和接收器382的其他通信裝置380。第一通信裝置320可適用于遠程通信,而另一通信裝置380可以是一種短程通信裝置,例如藍牙TM系統、WLAN系統(無線局域網)或者任何適合本地應用并能與其他設備進行通信的其他系統。根據該實例的設備300還包括一個顯示可視信息的顯示器350。除此之外,設備包括鍵區351,用于輸入數據、控制音頻設置以及玩游戲等。設備300還包括音頻裝置360,如耳機353和麥克風353,以及可選地包括用于對音頻數據進行編碼(如果需要也可以解碼)的編解碼器。設備300還包括控制單元330用以對設備300的功能進行控制。該控制單元330可以包括一個或者多個處理器(CPU,DSP)。該設備可以進一步包括存儲器370,用于存儲數據、程序等。
本說明所公開的技術方案主要用于音樂和視頻的空間增強以及用于電話會議。
本領域技術人員可以認識到本立體聲擴展系統可以集合任何數量的適合提高效率的性能和功能。很明顯,只要沒有背離權利要求書中所闡述的技術主題的保護范圍,都可以對所述實施例進行任何變化和改進。
權利要求
1.一種用于擴展揚聲器空間輸出的方法,其中,接收并均衡第一音頻通道和第二音頻通道以形成第一均衡通道和第二均衡通道;將所述第一均衡通道在所述第二均衡通道經過延遲、縮小和反轉后與所述第二均衡通道相混合,并將所述第二均衡通道在所述第一均衡通道經過延遲、縮小和反轉后與所述第一均衡通道相混合;以及輸出所混合后的第一通道和第二通道。
2.根據權利要求1所述的方法,其中所述第一通道和第二通道通過值在0到1之間的增益來縮小。
3.根據權利要求1所述的方法,其中所述第一通道和第二通道通過值在0.3到0.8之間的增益來縮小。
4.根據權利要求1所述的方法,其中由IIR濾波器來實現均衡。
5.根據權利要求1所述的方法,其中使用分數延遲來調節延遲。
6.根據權利要求5所述的方法,其中使用FIR濾波器來改變所述分數延遲。
7.根據權利要求1所述的方法,其中用于擴展空間輸出的公式為EQ(z)H(z)=(1+gz-N)C-1(z),其中C-1(z)=11-g2z-2N1-gz-N-gz-N1.]]>
8.根據權利要求1所述的方法,其中空間輸出的強度通過幅值移位進行調整P=1-ααα1-α.]]>
9.根據權利要求8所述的方法,其中通過將a從0增加到0.5來縮窄所述空間輸出。
10.根據權利要求8的方法,其中a被保持于正好大于0以實現立體聲擴展效果的最大化。
11.一種用于擴展揚聲器輸出的系統,該系統至少包括輸入裝置,用于接收第一音頻通道和第二音頻通道;濾波器,用于均衡所述第一音頻通道和第二音頻通道以形成第一均衡通道和第二均衡通道;用于將所述第一均衡通道在第二均衡通道經過延遲、縮小和反轉后與第二均衡通道相混合并將所述第二均衡通道在第一均衡通道經過延遲、縮小和反轉后與第一均衡通道相混合的裝置;以及輸出裝置,用于輸出所混合后的第一音頻通道和第二音頻通道。
12.根據權利要求11所述的系統,包括用于每個音頻通道的延遲裝置。
13.根據權利要求11所述的系統,其中所述濾波器是IIR濾波器。
14.根據權利要求11所述的系統,包括FIR濾波器,用于改變用于調節所述延遲的分數延遲。
15.根據權利要求11所述的系統,包括用于向揚聲器傳送輸出的裝置。
16.根據權利要求11所述的系統,包括用于幅值移位的預處理裝置。
17.一種用于擴展音頻輸出的模塊,包括輸入裝置,用于接收第一音頻通道和第二音頻通道;均衡器,用于均衡所述第一音頻通道和第二音頻通道;用于將所述第一均衡通道在第二均衡通道經過延遲、縮小和反轉后與第二均衡通道相混合并將所述第二均衡通道在第一均衡通道經過延遲、縮小和反轉后與第一均衡通道相混合的裝置;以及輸出裝置,用于輸出所混合后的第一音頻通道和第二音頻通道。
18.根據權利要求17所述的模塊,包括用于每個音頻通道的延遲裝置。
19.根據權利要求17所述的模塊,其中所述均衡器是IIR濾波器。
20.根據權利要求17所述模塊,包括FIR濾波器,用于改變用于調節所述延遲的分數延遲。
21.根據權利要求17所述模塊,進一步包括用于幅值移位的預處理裝置。
22.一種具有兩個揚聲器的電子設備,該電子設備包括用于擴展所述揚聲器輸出的裝置,所述裝置至少包括輸入裝置,用于接收第一音頻通道和第二音頻通道;均衡器,用于均衡所述第一音頻通道和第二音頻通道;用于將所述第一均衡通道在第二均衡通道經過延遲、縮小和反轉后與第二均衡通道相混合并將所述第二均衡通道在第一均衡通道經過延遲、縮小和反轉后與第一均衡通道相混合的裝置;以及輸出裝置,用于輸出所混合后的第一音頻通道和第二音頻通道。
23.根據權利要求22所述的設備,包括用于每個音頻通道的延遲裝置。
24.根據權利要求22所述的設備,其中所述均衡器是IIR濾波器。
25.根據權利要求22所述的設備,包括FIR濾波器,用于改變用于調節所述延遲的分數延遲。
26.根據權利要求22所述的模塊,進一步包括用于幅值移位的預處理裝置。
27.一種用于擴展揚聲器空間輸出的計算機程序產品,該計算機程序產品包括存儲于可讀介質上并用于在處理器上執行的計算機可讀指令,所述計算機程序產品用于至少接收第一音頻通道和第二音頻通道,并均衡所述音頻通道以形成第一均衡通道和第二均衡通道;將所述第一均衡通道在第二均衡通道經過延遲、縮小和反轉后與第二均衡通道相混合,并將所述第二均衡通道在第一均衡經過延遲、縮小和反轉后與第一均衡通道相混合,以及輸出混合后的第一音頻通道和第二音頻通道。
28.根據權利要求27所述的計算機程序產品,進一步包括用于通過幅值移位來調整所述空間輸出的強度的指令。
全文摘要
本發明涉及一種用于擴展雙通道輸入的方法、系統、模塊、電子設備及計算機程序產品。輸入兩個音頻通道并通過均衡所述通道來對其進行濾波。濾波后的通道和與其相對的通道在一個串音網絡中相混合,并從揚聲器輸出,以此提供一種音頻的空間感。
文檔編號H04S1/00GK101065989SQ200580040788
公開日2007年10月31日 申請日期2005年11月25日 優先權日2004年11月29日
發明者O·基爾克比 申請人:諾基亞公司