專利名稱：一種三維多聲道音頻系統揚聲器組精簡布設方法
技術領域：
本發明屬于聲學設備領域，尤其涉及一種三維多聲道音頻系統揚聲器組精簡布設方法。
背景技術：
2009年底上演的三維電影《阿凡達》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。《阿凡達》所展現的絢麗畫面與逼真聲效不僅震撼了觀眾，也使得業界有了“電影進入三維時代”的斷言。2010年I月美國拉斯維加斯舉行的國際消費電子產品展上，各彩電巨頭紛紛亮出的電視新品表明三維已經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。但要想達到更好的視聽體驗，需 要有與三維視頻內容同步的三維聲場聽覺效果，才能真正達到身臨其境的視聽感受。早期的三維音頻系統(如Ambisonics系統)由于其結構復雜，對采集和回放設備要求較高，難以推廣實用。近年來日本NHK公司推出了 22. 2聲道系統，并通過24個揚聲器再現原來的三維聲場。因其結構簡單，并能兼容5. I環繞立體聲揚聲器配置方案，得到了 MPEG的高度重視，并在2011年準備著手制定三維音頻的國際標準，希望在達到一定編碼效率的同時能通過比較少的揚聲器或耳機來還原三維聲場，以便能將該技術推廣到普通家庭用戶。由此可見三維音視頻技術已成為多媒體技術領域的研究熱點和進一步發展的重要方向。“下混合(Down Mixing)”是減少多聲道音頻系統聲道數并進行音頻信號編碼傳輸的普遍方法，ITU-R也已經制定了 5. I聲道下混合標準并應用于一些電視信號的接收，但是這種下混合標準并不適用于任意數目的揚聲器配置情況，尤其是在目前多聲道音頻系統研究通過更多的聲道以增強聲音空間表達的情況下，更需要通過一種基于聲場重建的技術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,傳統聲場重建技術(如WFS、Ambisonics等)的思想是將一個如音樂廳現場音樂會所形成的聲場在另一個空間重建，其目標是重現音樂廳現場等原始聲場。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很難實現。然而，將混音室內通過多聲道系統生成的重建聲場在另一個室內環境內進行重建聲場的再次重建則比較容易實現，這種在其他環境內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得到的重建聲場稱為“原聲場”，而通過不同聲道數的替代音頻系統再次重建的聲場稱為“重建聲場”。因此，為能將三維音頻系統更方便地適應于家庭應用環境，需要設計一種方法既能簡化原多聲道系統揚聲器組，又能保證重建聲場與原聲場誤差最小。
發明內容
本發明針對現有技術的不足，提供一種將三維η聲道音頻系統中η個揚聲器精簡為三維m聲道音頻系統中的m個揚聲器的方法，以獲得精簡后的m聲道系統中揚聲器組最優空間位置信息。本發明的技術方案為一種三維多聲道音頻系統揚聲器組精簡布設方法，用于將三維η聲道音頻系統中η個揚聲器精簡為m個揚聲器,構成三維m聲道音頻系統,其中m < η,包含以下步驟，步驟1，設當前剩余的揚聲器數目為η，采集三維η聲道音頻系統中η個揚聲器分別的空間位置信息，實現方式如下，將η個揚聲器排布在與中心點之間距離為P的球面上，以聽音區域中心點O為頂點構造三維坐標系ΧΥΖ，揚聲器在平面XOY上的投影與X軸所成的角度記為Θ，揚聲器與XOY平面所成角度記為爐,則揚聲器的空間位置(ΡΛφ )簡化為(θ,φ )；步驟2，分析球面三角形揚聲器組的所有組合，得到集合S ;分析方式如下，·
當η個揚聲器中任意三個能構成球面三角形時，構成一個球面三角形揚聲器組；步驟3，從集合S中挑選僅包含單個揚聲器的球面三角形揚聲器組，得到集合T ;實現方式如下，設集合S中的任一球面三角形揚聲器組由揚聲器ξ P ξ 2和ξ 3構成，當只存在一個揚聲器 的空間位置處于球面三角形Δ 6的區域內部或三條邊上，且揚聲器(的空間位置不等于揚聲器ξ” 12或ξ3的空間位置時，則揚聲器ξρ 12和13構成的球面三角形揚聲器組加入集合T ；步驟4，計算集合T中所有球面三角形揚聲器組所對應球面三角形的面積，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聲器組所包含的單個揚聲器，實現方式如下，設序列Q中面積最小的球面三角形揚聲器組由揚聲器ξρ 12或ξ3構成，該球面三角形揚聲器組包含揚聲器ζ，刪除揚聲器ζ，將揚聲器ζ的輸出信號分配到揚聲器ξP€2或13上；并從集合S中剔除與揚聲器ζ有關的球面三角形揚聲器組，當前剩余的揚聲器數目減I ;步驟6，判斷當前剩余的揚聲器數目是否大于m，若大于m，轉入步驟3繼續剔除，否則結束迭代，取出當前剩余的揚聲器空間位置信息，得到m聲道精簡系統揚聲器組最優空間位置排布。而且，步驟5中，將揚聲器ζ的輸出信號分配到揚聲器ξρξ2* ξ3上的實現方式包括以下子步驟，步驟5.1，將揚聲器ξρ ξ2、〖3和ζ的時域信號經傅里葉變換得到對應的頻域
信號;步驟5.2，根據揚聲器ξ” ξ2、〖3和ζ的空間位置信息，計算權值分配；步驟5. 3，將揚聲器ζ的頻域信號按照相應權值大小分配到揚聲器ξ P ξ 2、ξ 3的頻域信號上；步驟5. 4，將步驟5. 3所得揚聲器的頻域信號經過逆傅里葉變換為對應時域信號。采用本發明提供的三維多聲道音頻系統揚聲器精簡方法，采集待精簡三維多聲道音頻系統中揚聲器的空間位置信息，經過揚聲器組精簡迭代算法后可得到精簡系統揚聲器組最優空間配置，最終實現對三維多聲道音頻系統精簡揚聲器最優空間排布。揚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為本發明實施例的揚聲器組精簡方法流程圖。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例詳細說明本發明技術方案。本發明提供的一種三維多聲道音頻系統揚聲器組精簡布設方法，用于將三維η聲道音頻系統中η個揚聲器精簡為m個揚聲器,構成三維m聲道音頻系統,其中m< η。顯然，η和m為自然數，m的最低取值一般為3，實際上建議取值為8 10。本發明技術方案可采用計算機軟件技術實現自動運行，如圖I所示，實施例的實現流程包含以下步驟
步驟1，采集精簡前三維η聲道音頻系統中各個揚聲器的空間位置信息三維η聲道音頻系統對應有η個揚聲器，設以聽音區域中心點O為頂點構造三維坐標系ΧΥΖ，揚聲器與中心點之間的距離記為P，揚聲器在平面XOY上的投影與X軸所成的角度記為Θ，揚聲器與XOY平面所成角度記為爐,揚聲器空間位置參數標記為(P，久爐)，在三維聲場重建中,可以設將η個揚聲器排布在與中心點之間距離為P的球面上,實施例中設P的值為2米。因為重建聲場中揚聲器與中心點之間距離與原聲場中揚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中揚聲器空間位置參數簡化為(θ,φ )。步驟2，分析球面三角形揚聲器組的所有組合當η個揚聲器中任意三個能構成球面三角形時，構成一個球面三角形揚聲器組。實施例在當前待精簡的η個揚聲器中任選三個的所有組合中分析能構成球面三角形的所有揚聲器組合，構成球面三角形揚聲器組集合，記為集合S。例如，從η個揚聲器中任意挑選三個構成一個揚聲器組合(ξ P ξ2, ξ3)，可以得到三個揚聲器ξρ 12和ξ3的空間位置為4汛肩)石(爲肩)，點的肩)。因為只有在這個揚聲器組合中的三個揚聲器空間位置不同時共弧線才能將這三個揚聲器所對應的空間位置點構成球面三角形，所以若希望揚聲器組合(I1, I2, I3)能作為一個球面三角形揚聲器組，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，挑選僅包含單個揚聲器的三角形揚聲器組實施例從當前的集合S中挑選出其球面三角形內僅包含單個揚聲器的球面三角形揚聲器組，得到包含單個揚聲器球面三角形揚聲器組，記為集合T。設集合S中的任一球面三角形揚聲器組由揚聲器ξ P ξ 2和ξ 3構成,一個揚聲器ζ被一個球面三角形Δ ι&δ所包含是指揚聲器ζ的空間位置坐標αα的不等于揚聲器ξ”ξ 2和ξ 3的空間位置點⑷肩)，4(慫為)桃系)，且α艮妁在由三個揚聲器空間構成球面三角形區域內部或在球面三角形的三條邊上。則當有且只有一個揚聲器ξ的空間位置處于球面三角形 ,&的區域內部或三條邊上，且揚聲器 的空間位置不等于揚聲器ξρ ξ2或ξ3的空間位置時，揚聲器ξ P 和ξ 3構成的球面三角形揚聲器組加入集合τ。步驟4，滿足要求的球面三角形面積排序實施例計算集合T中所有球面三角形揚聲器組所對應的球面三角形面積，并按面積從小到大順序進行排序，得到序列Q。步驟5，剔除球面三角形面積最小揚聲器組所包含的單個揚聲器實施例取出序列Q的第一個元素，設該球面三角形揚聲器組由揚聲器ξ i、ξ 2或ξ 3構成，該球面三角形揚聲器組包含揚聲器ζ，刪除揚聲器ζ將揚聲器ζ的輸出信號分配到揚聲器ξ i、ξ 2或ξ 3上；并從集合S中剔除與揚聲器ζ有關的球面三角形揚聲器組，當前剩余的揚聲器數目減I。通過將揚聲器ζ的輸出信號分配到揚聲器ξ i、ξ 2或ξ 3，避免聲場恢復出現明顯損失。本發明進一步提供揚聲器組替代方法，實施例包括以下步驟步驟5. 1，將揚聲器ξ P ξ 2、ξ 3和ζ輸出的時域信號經傅里葉變換得到對應的頻域信號.v,, (1°)、-ν:: (ω)(ω)和 s ( ω )。步驟5. 2，根據揚聲器ξ P ξ 2、ξ 3和ζ的空間位置信息，計算權值分配
·
當已知揚聲器ξ” ξ2、ξ3和ζ的空間位置信息(說外的肩)石( 為)4( 為)，根據以下公式計算權值分配，得到相應的權值W1、W2、W3。W1 =—, w, =·^ =—
1 D …η -’ η其中，參數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，將揚聲器ζ的頻域信號按照相應權值大小分配到揚聲器ξ P ξ 2和ξ 3的頻域信號上計算分配了揚聲器ζ頻域信號后揚聲器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所得揚聲器ξ” ξ 2和ξ 3的頻域信號^ ( )、%' ( )、％ ( )經過逆傅里葉變換為對應時域信號。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前待精簡揚聲器數是否大于m，若大于m，轉入執行步驟3，否則結束迭代，取出當前剩余的揚聲器空間位置信息(可從當前集合S中取出各球面三角形揚聲器組元素所對應的揚聲器空間位置信息)，得到m聲道精簡系統揚聲器組最優空間位置排布。本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的 范圍。
權利要求
1.一種三維多聲道音頻系統揚聲器組精簡布設方法，用于將三維η聲道音頻系統中η個揚聲器精簡為m個揚聲器,構成三維m聲道音頻系統,其中m < η,其特征在于包含以下步驟， 步驟I，設當前剩余的揚聲器數目為η，采集三維η聲道音頻系統中η個揚聲器分別的空間位置信息，實現方式如下， 將η個揚聲器排布在與中心點之間距離為P的球面上，以聽音區域中心點O為頂點構造三維坐標系XYZ ;揚聲器在平面XOY上的投影與X軸所成的角度記為Θ，揚聲器與XOY平面所成角度記為供,則揚聲器的空間位置(Ρ φ )簡化為(θ,φ ), 步驟2，分析球面三角形揚聲器組的所有組合，得到集合S ;分析方式如下，當η個揚聲器中任意三個能構成球面三角形時，構成一個球面三角形揚聲器組； 步驟3，從集合S中挑選僅包含單個揚聲器的球面三角形揚聲器組，得到集合T ;實現方式如下， 設集合S中的任一球面三角形揚聲器組由揚聲器ξ i、ξ 2和ξ 3構成，當只存在一個揚聲器ζ的空間位置處于球面三角形的區域內部或三條邊上，且揚聲器ζ的空間位置不等于揚聲器ξ” 12或I3的空間位置時，則揚聲器I、12和I3構成的球面三角形揚聲器組加入集合T ； 步驟4，計算集合T中所有球面三角形揚聲器組所對應球面三角形的面積，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聲器組所包含的單個揚聲器，實現方式如下， 設序列Q中面積最小的球面三角形揚聲器組由揚聲器。、匕或I3構成，該球面三角形揚聲器組包含揚聲器ζ，刪除揚聲器ζ，將揚聲器ζ的輸出信號分配到揚聲器Ipi2或€3上；并從集合S中剔除與揚聲器ζ有關的球面三角形揚聲器組，當前剩余的揚聲器數目減I ; 步驟6，判斷當前剩余的揚聲器數目是否大于m，若大于m，轉入步驟3繼續剔除，否則結束迭代，取出當前剩余的揚聲器空間位置信息，得到m聲道精簡系統揚聲器組最優空間位置排布。
2.如權利要求I所述三維多聲道音頻系統揚聲器組精簡布設方法，其特征在于步驟5中，將揚聲器 的輸出信號分配到揚聲器I、€2或ξ3上的實現方式包括以下子步驟， 步驟5.1，將揚聲器ξρ ξ2、13和ζ輸出的時域信號經傅里葉變換得到對應的頻域信號; 步驟5. 2，根據揚聲器ξρ ξ2、13和ζ的空間位置信息，計算權值分配； 步驟5. 3，將揚聲器ζ的頻域信號按照相應權值大小分配到揚聲器ξ” ξ2、ξ3的頻域信號上； 步驟5. 4，將步驟5. 3所得揚聲器的頻域信號經過逆傅里葉變換為對應時域信號。
全文摘要
一種三維多聲道音頻系統揚聲器組精簡布設方法，包括采集精簡前三維n聲道音頻系統中各個揚聲器的空間位置信息，分析球面三角形揚聲器組的所有組合并挑選僅包含單個揚聲器的球面三角形揚聲器組，剔除球面三角形面積最小的揚聲器組所包含的單個揚聲器，判斷當前待精簡揚聲器數是否大于m，若大于m，繼續執行簡化過程，否則結束迭代，直到等于m，得到m聲道精簡系統揚聲器組最優空間位置排布。采用本發明提供技術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 優先權日2012年10月24日
發明者胡瑞敏, 李登實, 楊珊珊, 王櫻, 張茂勝, 王曉晨, 涂衛平, 王松, 楊玉紅 申請人:武漢大學