一種三維環繞聲重放系統的揚聲器環境自適應校準方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于三維環繞聲重放技術領域，本發明提出了一種揚聲器環境自適應校準 方法，解決了三維環繞聲重放系統對揚聲器擺放位置固定，幅頻特性一致的要求。
【背景技術】
[0002] 3D多媒體的時代已經到來，3D音視頻系統也正迅速走向電影院，家庭影院，及手 持終端設備，成為全球各大電子制造商的新焦點。環繞聲重放技術在3D音視頻系統占有 重要的地位，目前主流的技術包括VBAP(VectorBaseAmplitudePanning)、Ambisonics， WFS(WaveFieldSynthetize)。其中Ambisonics方法是 1973 年由牛津大學的Michael Gerzon提出的（參考：GerzonM."Periphony:With_HeightSoundReproduction,"Journal oftheAudioEngineeringSociety,vol. 21(1)，pp. 2-10, 1973)，主要是通過基于球諧函數 對原始聲場的分解與重建來控制虛擬聲源的方位。以Ambisonics聲重放系統為例，基于 Ambisonics聲重放系統技術特點是編解碼分離，在編碼階段，根據虛擬聲源的方向得到各 球諧基函數的投影值；在聲場重放階段，根據重發揚聲器的數量、方位和編碼環節得到的投 影值，得到不同通道信號的輸出增益，把此增益輸送給對應的揚聲器重發，達到在揚聲器陣 列中心位置處重建源聲場的目的。
[0003] 盡管Ambisonics方法編解碼分離的方案給3D聲音錄音和重放帶來了很大的優 勢，但在走向市場的道路中卻遇到困難，原因之一就是Ambisonics是基于聲場重構方法通 過復雜的數學計算得到的，它假設復現聲場為自由聲場，播放設備各通道幅頻特性一致，揚 聲器大致均勻分布在一個以聽者為中心的球面上。而這些條件在影院尤其是家庭影院等實 際應用中很難滿足，導致基于Ambisonics重建的聲場出現較大重構誤差，無法滿足聽音需 求。
【發明內容】
[0004] 針對現有技術中存在的技術問題，本發明的目的在于提供一種應用于三維環繞聲 重放系統的環境自適應揚聲器校準方法，可均衡非自由聲場，非一致性信道，以及揚聲器非 球面分布帶來的影響。
[0005] 本發明的具體思想是，首先測出聽音環境中各通道揚聲器到聽音位置的沖擊響應 函數（沖擊響應函數記錄了播放系統及揚聲器的幅頻特性，聲場中揚聲器位置到預先設定 的聽音位置的混響特性），其次求出沖激響應函數的逆系統，最后將計算得到的理想三維環 繞聲重放系統中各揚聲器應播放的音頻信號卷積上此逆系統的沖激響應，可均衡非自由聲 場，非一致性信道，以及揚聲器非球面分布帶來的影響，解決三維環繞聲重放系統中虛擬聲 源定位不準的問題。
[0006] 圖1為本發明流程框圖，分為四個步驟，
[0007] 1、測量各通道揚聲器到聽音位置的傳遞函數Un)，M為揚聲器總數。
[0008] 2、計算傳遞函數hiOi)的逆函數區?，使i=1…M。式中5 (n) 為單位沖擊函數，n代表時間，n= 0時，該函數值為1，其他均為0。
[0009] 3、已知信號S，測量信號源的虛擬方位（0，S)以及各揚聲器的擺放位置（0i， S;)，依據三維環繞聲算法（比如Ambisonics算法），計算各揚聲器理想輸出信號tyi= 1…M〇
[0010] 4、把各通道揚聲器理想的輸出信號與相應通道的逆函數gi(n)進行卷積得到各 揚聲器的實際輸出信號t'；，i= 1…M。
[0011] 與現有技術相比，本發明的積極效果為：
[0012] 本發明在聽者的位置放置一個麥克風，用MLS序列測量各揚聲器的傳遞函數，再 求其逆函數，最后，把逆函數作用于基于三維環繞聲技術求出的各音箱播放信號，此方法可 均衡由揚聲器性能、非球面均勻分布、傳輸信道的不一致性，以及室內混響帶來的影響，通 過對理想系統、未均衡系統以及均衡后系統的球諧函數分解系數進行比較可得，均衡后系 統優于未均衡系統。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發明方法流程圖；
[0014] 圖2為傳遞函數測量系統圖；
[0015] 圖3為基于MLS序列測量傳遞函數的流程圖；
[0016] 圖4為揚聲器擺放位置圖；
[0017] 圖5為二維空間三階球諧函數分解系數圖；其中，
[0018] (a)為理想系統系數圖，（b)為未均衡系統為g系數圖，（c)為均衡后系統4& 系數圖，
[0019] (d)為理想系統』II系數圖，（e)為未均衡系統鐵I.系數圖，（f)為均衡后系統J截系 數圖，
[0020] (g)為理想系統巧A系數圖，（h)為未均衡系統d系數圖，⑴為均衡后系統,4= 系數圖，
[0021] (j)為理想系統系數圖，（k)為未均衡系統系數圖，⑴為均衡后系統』:|1 系數圖；
[0022] 圖6為三種系統的空間系數相關圖；其中，
[0023] (a)為理想系統的相關系數，（b)未均衡系統的相關系數，（c)為均衡后系統的相 關系數；
[0024] 圖7為空間指向圖；其中，
[0025] (a)為理想系統水平角10度，（b)為未均衡系統水平角10度，（c)為均衡后系統 水平角10度，（d)為理想系統水平角20度，（e)為未均衡系統水平角20度，（f)均衡化系 統水平角20度。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖對本發明進行進一步詳細描述，本發明的流程如圖1所示。
[0027] 步驟1 :各通道揚聲器到聽音位置傳遞函數測量：
[0028] 傳遞函數測量方法的激勵信號包括最大長度偽隨機序列（MLS:MaXimumLength Sequence)，Gelay碼及掃頻信號等，本發明中采用最大長度偽隨機序列（MLS)作為激勵信 號，測量聽音環境內各揚聲器到聽音位置的傳遞函數。具體方法為：
[0029] 聲源到達聽音者的位置在音量不是很大時可近似滿足線性時不變的條件，我們可 以將這個過程看成是一個線性時不變系統，任何系統都有自己的傳輸特性，即傳遞函數。我 們把輸入激勵信號用x(n)表示，測試系統的傳遞函數用h(n)表示，輸出信號用yi(n)表 示，則常用的測量問題總是通過測量x(n)和yi (n)，來求解二者之間的關系h(n)，如圖2所 示。其中，yi(n)Shjn)與x(n)的卷積。在測量傳遞函數時，測試信號x(n)作為輸入信號 進入系統，通過測量最后得到的輸出信號yi(n)。根據二者關系求得整個系統的傳遞函數， 即為我們想得到的傳遞函數。
[0030] 理想的測量傳遞函數的激勵信號應滿足的特點：激勵信號的序列可重復再生；激 勵信號是確定信號，激勵信號是寬帶信號，具有最大的信噪比SNR，具有最小的非線性時變 誤差。可選用MLS序列，Golay碼和掃頻彳目號。本發明米用MLS序列，但不限于MLS序列。
[0031] 首先，假設測量系統是線性時不變系統。長度為L的MLS序列x(n)的圓自相關函 數為：
[0032]
[0033] 以上性質說明，x(n)的自相關函數若除以序列長度，則近似于一個脈沖信號。利 用MLS序列的以上性質，我們可以推導出MLS序列測量傳遞函數的原理：
[0036] 其中，h'Jn)為實際測量得到的傳遞函數，hjn)為待測系統的傳遞函數，x(n) 為輸入系統的MLS序列，y(n)為系統測量得到的輸出信號。
[0037] 系統得到的輸出信號y(n)與輸入的MLS序列x(n)計算互相關后，除以序列長度 L。當序列長度L足夠時，f近似于一個脈沖信號。這樣的方法得到的h'Jn)近似為 h(n)。在測量時需要注意，MLS序列的長度L需要大于室內環境的混響時間，否則x(n)與 互相關中的圓卷積和線性卷積并不相等，會出現時間混疊的問題。測試流程如圖3。
[0038] 所以利用MLS序列測量傳遞函數的具體過程如下：
[0039] 1)生成N階長度為L= 2N1的MLS序列x(n);
[0040] 2)測量得到系統的輸出信號y(n);
[0041] 3)計算x(n)與y(n)的互相關，并除以序列長度L得到h' ? ;
[0042] 4)多次測量取平均值。
[0043] 步驟2 :傳遞函數的逆系統計算
[0044] 步驟1測量的傳遞函數包含了播放系統及揚聲器的幅頻特性，聲場中揚聲器位置 到聽音位置的混響特性，本發明第二步采用最小二乘方法，但不限于最小二乘方法，估計步 驟1中得到傳遞函數的逆系統的傳遞函數，來均衡非自由聲場，非一致性信道，以及揚聲器 非球面分布帶來的影響。具體方法描述為，
[0045] 測得的傳遞函數h(n)，則逆函數gi(n)應滿足
[0046] gj(/?) 0 /v,-(n)-S(n-J") i4)
[0047] 式中T為系統延遲，如果直接對此式求解，解得的gl(n)會出現不穩定的情況，因 此本發明采用最小二乘算法，在最小均方意義上解得gl (n)的穩定近似解。
[0048] 引入w(n)為隨機白噪聲序列，得到序列f(n)滿足下式，
[0049] /(/?) =uin)?g, (/?) ?h：in) (s)
[0050] 式中h(n)為傳遞函數，gdn)為傳遞函數(n)的逆函數。
[0051] 理想情況下f(n) =w(n-T)，將上式展開：
[0052]
_
[0053] 式中= d為逆濾波器的長度，n的取值限定值為e，應大于等于 d，保證方程超定。
[0054] 轉化為矩陣形式，
[0055] F=B