一种多区域不同语音声源的2.5D重放方法技术

本发明专利技术公开一种多区域不同语音声源的2.5D重放方法，将S路语音信号变换到频域，提取各频率系数的幅度信息，并基于幅度信息得到空间内各相应目标子声场的二维柱谐展开表达式；基于空间柱谐系数转换理论，通过空间转移算子把S组子区域声场系数转换为一组整体的声场柱谐展开系数；基于空间声场的线性叠加理论和球贝塞尔函数的附加理论，得到高阶扬声器阵列重建声场的三维球谐表达式，在最小均方准则下计算出2.5D重放系统中各高阶扬声器的模式权值；将高阶扬声器模式权值变换到时域，得到高阶扬声器内各指向性扬声器的时域重放信号。本发明专利技术解决了实际三维扬声器和二维重建声场间的维度不匹配问题，同时能够在S个区域重放S个不同的声源信号。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于声场重放
，尤其涉及多声道空间音频系统的多区域重放方法，进一步涉及一种多区域不同语音声源的2.5D重放方法。
技术介绍
三维音频的研究热点问题是空间声场重放，其目标是通过采用扬声器阵列在指定空间内重构一个与目标声场一致的声场。在现有的声场重放中，通常进行的是单区域重放，即在扬声器阵列中只有一个独立的重建区域(也称作，最佳听音区域)。重建区域位于扬声器阵列中心处，其面积受扬声器数量所影响，通过增加扬声器的数量可扩大重放区域面积。随着音频播放技术的提高与播放设备广泛普及，单区域声场重放技术已远远不能满足日常生活、娱乐的需求。企业和学术界也开始研究多区域重放技术，使得在特定的阵列空间内部可以出现多个不相邻的重建区域。利用扬声器阵列在给定的多个区域内进行不同声音的重放有多种应用环境。如：车载娱乐系统中，利用此项技术可在车内不同乘客位置处播放不同的音乐；在办公室环境下的个人扬声器系统中，利用本技术可以在办公室内，每个人所在区域播放各自独立数据，不同人间互不干扰；多语言会议中，利用本技术不同的区域可以独立播放各自国家的语言。目前，现有空间声场重放中要么是2D声场重放要么是3D声场重放。在2D声场重放中，利用2D线声源作为2次声源在线声源阵列内部重建2D水平面波。因为线性声源只存在于理论条件下，所以这种重放方式无法真实实现。在3D声场重建中，利用3D点声源或扬声器阵列在空间区域内进行3D空间声场重建。因为所搭建的是3D空间扬声器阵列，所以重建单位空间内的目标声场所需的扬声器数量巨大，给实际应用带来了困难。由空间听觉感知特性可知，人耳对与其处于同一水平面的声波更为敏感，因此重建2D声场比重建3D声场更具实际意义。要想将2D声场重建问题实际可实现，就需要选用实际的3D声源/扬声器来进行重放。用3D声源重建2D声场的方式，称为2.5D声场重放。相对于3D声场重放而言，2.5D声场重放仅需要在水平面内放置一组扬声器，所使用的扬声器数量大大减少，更适合于实际应用，但是目前还没有一种2.5D声场重放技术实际应用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，提供一种多区域不同语音声源的2.5D重放方法。为解决上述问题，本专利技术采用如下的技术方案：一种多区域不同语音声源的2.5D重放方法包括以下几个步骤：步骤1、设定需要重放的声场数量及声源的方位；步骤2、对每路语音信号进行时-频变换，求得语音信号的频率系数并保留每个频率所对应的相位；步骤3、建立各子区域声场的柱谐展开模型，计算每个声场所需的柱谐展开阶数，并在截断阶数下进行声场柱谐展开；步骤4、建立全局声场的柱谐展开模型，并计算全局声场所需的柱谐展开阶数，利用空间柱谐转移算子将各个子声场的柱谐系数转换成全局声场展开系数步骤5、基于声场的线性叠加原理，构建高阶扬声器阵列重建声场的展开表达式，然后利用空间球汉克尔函数的附加性质，求得重建声场的最终球谐展开表达式；步骤6、基于重建声场和目标声场在各个观察点的声压匹配模型关系，采用正则化最小二乘法求解扬声器阵列中每个高阶扬声器所分配的模式权值向量Al，进而最终求解出整个扬声器阵列的ω；步骤7、将解出整个扬声器阵列的权值系数向量ω进行时-频反变换，得到高阶扬声器的时域重放信号。作为优选，所述步骤2首先将每路语音信号sperson_i(n)，i＝1,2,…,S，进行时-频变换得到频域系数为：其中，n＝1,2,…,N为时域样点标号，f为频率，N为时-频变换点数，T为离散信号采样周期。Sperson_i(f)为频域系数。作为优选，所述步骤3具体为：在S个互补交叠的区域重放S个不同的声源，即：扬声器阵列内有S个互不交叠的听音区域，每个区域对应重建一个语音声源场，当波数频率为k时，阵列外第i个声源进行辐射，在听音区域中任意观测点(R(i),φ(i))处产生的声压值为：Pd(i)(R(i),φ(i);k)=Σm=-∞∞Samp_i(k)αmd(i)(k)Jm(kR(i))ejmφ(i)]]>其中，i为听音区域标号，i＝1,2,…,S。R(i)为观测点相对于该区域中心点的距离，φ(i)为观测点相对于区域中心x轴方向的方位角，代表第i个区域内声源辐射声场的柱谐展开系数，Jm(·)为m阶柱贝塞尔函数；对于上式，可根据柱贝塞尔函数的带通特性，对其进行Mi阶截断，得到第i个区域内声场的有限阶数下的声场表达式：Pd(i)(R(i),φ(i);k)=Σm=-MiMiSamp_i(k)αmd(i)(k)Jm(kR(i))ejmφ(i)]]>作为优选，步骤4具体为：基于空间柱谐系数转换理论，利用转换算子构建各子区域声场系数与全局声场系数间的关系，此关系可以由以下公式表示：其中：因此，根据求得的全局柱谐展开系数βd构建整体2D声场表达式，则空间内任意点处的声压为：Pd(R,φ;k)=Σm=-M0M0βmd(k)Jm(kR)ejmφ]]>其中，M0为最远重放区域圆心到坐标原点所对应的阶段阶数，(R,φ)为整体声场区域内的观察点位置。作为优选，步骤5具体为：选用3D高阶扬声器作为二次声源进行声场重建，每个扬声器在三维空间内进行声场辐射，则水平面内3D高阶扬声器在任意位置x处产生的声压为：Tl(x,k)=Σm^=-N^N^Σn^=|m^|wn^,m^(l)(k)h′n^(kr0)hn^(k||x-xl||)Yn^,m^(y^l)]]>其中,xl＝(Rl,φl),l＝1,2,…,L为高阶扬声器的位置，Rl为第l个扬声器相对于区域中心点的距离，φl为第l个扬声器相对于区域中心x轴方向的方位角，为球汉克尔函数的一阶导数，r0代表高阶扬声器的半径，为3D高阶扬声器的阶数，为高阶扬声器的模式权值，也是最终合成声场的扬声器信号，代表阶次实数域球谐函数，即：Yn^,m^(y^l)=(-1)m^An^,m^Pn^,||m^||(cos(π/2))Em^(φ‾l)]]>其中，是缔合勒让德函数，为归一化系数，为此，首先基于物理声线性叠加理论，将L个3D高阶扬声器辐射的声场进行线性相叠加，得到重建叠加声场的球谐展开表达式，即，空间内任意点x处L个高阶扬声器的合成声压为：Pr(x,k)=Σl=1LTl(x,k)=Σl=1LΣm^=-N^N^Σn^=||m^||wn^,m^(l)(k)h′n^(kr0)hn^(k||x-xl||)Yn^,m^(y^l)]]>其中，Pr(x,k)为重建声场在观察点x处的声压值。作为优选，步骤6具体为：将虚拟声源辐射的目标声场与L个扬声器的重建声场建立联系，令二者相等Pd(R,φ；k)＝Pr(x,k)，即：Σm=-M0M0βmd(k)Jm(kR)ejmφ=Σl=1LΣm^=-N^N^Σn^=||m^||wn^,m^(l)(k)h′n^(kr0)hn^(k||x-xl||)Yn^,m^(y^l)]]>根据球汉克本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多区域不同语音声源的2.5D重放方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤1、设定需要重放的声场数及声源的方位；步骤2、对每路语音信号进行时‑频变换，求得语音信号的频率系数并保留每个频率所对应的相位；步骤3、建立各子区域声场的柱谐展开模型，计算每个声场所需的柱谐展开阶数，并在截断阶数下进行声场柱谐展开；步骤4、建立全局声场的柱谐展开模型，并计算全局声场所需的柱谐展开阶数，利用空间柱谐转移算子将各个子声场的柱谐系数转换成全局声场展开系数步骤5、基于声场的线性叠加原理，构建高阶扬声器阵列重建声场的展开表达式，然后利用空间球汉克尔函数的附加性质，求得重建声场的最终球谐展开表达式；步骤6、基于重建声场和目标声场在各个观察点的声压匹配模型关系，采用正则化最小二乘法求解扬声器阵列中每个高阶扬声器所分配的模式权值向量Al，进而最终求解出整个扬声器阵列的ω；步骤7、将解出整个扬声器阵列的权值系数向量ω进行时‑频反变换，得到高阶扬声器的时域重放信号。

【技术特征摘要】
1.一种多区域不同语音声源的2.5D重放方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤1、设定需要重放的声场数及声源的方位；步骤2、对每路语音信号进行时-频变换，求得语音信号的频率系数并保留每个频率所对应的相位；步骤3、建立各子区域声场的柱谐展开模型，计算每个声场所需的柱谐展开阶数，并在截断阶数下进行声场柱谐展开；步骤4、建立全局声场的柱谐展开模型，并计算全局声场所需的柱谐展开阶数，利用空间柱谐转移算子将各个子声场的柱谐系数转换成全局声场展开系数步骤5、基于声场的线性叠加原理，构建高阶扬声器阵列重建声场的展开表达式，然后利用空间球汉克尔函数的附加性质，求得重建声场的最终球谐展开表达式；步骤6、基于重建声场和目标声场在各个观察点的声压匹配模型关系，采用正则化最小二乘法求解扬声器阵列中每个高阶扬声器所分配的模式权值向量Al，进而最终求解出整个扬声器阵列的ω；步骤7、将解出整个扬声器阵列的权值系数向量ω进行时-频反变换，得到高阶扬声器的时域重放信号。2.如权利要求1所述多区域不同语音声源的2.5D重放方法，其特征在于，所述步骤2首先将每路语音信号sperson_i(n)，i＝1,2,…,S，进行时-频变换得到频域系数为：其中，n＝1,2,…,N为时域样点标号，f为频率，N为时-频变换点数，T为离散信号采样周期。Sperson_i(f)为频域系数。3.如权利要求2所述的多区域不同语音声源的2.5D重放方法，其特征在于，所述步骤3具体为：在S个互补交叠的区域重放S个不同的声源，即：扬声器阵列内有S个互不交叠的听音区域，每个区域对应重建一个语音声源场，当波数频率为k时，阵列外第i个声源进行辐射，在听音区域中任意观测点(R(i),φ(i))处产生的声压值为：Pd(i)(R(i),φ(i);k)=Σm=-∞∞Samp_i(k)αmd(i)(k)Jm(kR(i))ejmφ(i)]]>其中，i为听音区域标号，i＝1,2,…,S。R(i)为观测点相对于该区域中心点的距离，φ(i)为观测点相对于区域中心x轴方向的方位角，代表第i个区域内声源辐射声场的柱谐展开系数，Jm(·)为m阶柱贝塞尔函数；对于上式，可根据柱贝塞尔函数的带通特性，对其进行Mi阶截断，得到第i个区域内声场的有限阶数下的声场表达式：Pd(i)(R(i),φ(i);k)=Σm=-MiMiSamp_i(k)αmd(i)(k)Jm(kR(i))ejmφ(i)]]>4.如权利要求3所述的多区域不同语音声源的2.5D重放方法，其特征在于，步骤4具体为：基于空间柱谐系数转换理论，利用转换算子构建各子区域声场系数与全局声场系数间的关系，此关系可以由以下公式表示：其中：因此，根据求得的全局柱谐展开系数βd构建整体2D声场表达式，则空间内任意点处的声压为：Pd(R,φ;k)=Σm=-M0M0βmd(k)Jm(kR)ejmφ]]>其中，M0为最远重放区域圆心到坐标原点所对应的阶段阶数，(R,φ)为整体声场区域内的观察点位置。5.如权利要求4所述的多区域不同语音声源的2.5D重放方法，其特征在于，步骤5具体为：选用3D高阶扬声器作为二次声源进行声场重建，每个扬声器在三维空间内进行声场辐射，则水平面内3D高阶扬声器在任意位置x处产生的声压为：Tl(x,k)=Σm^=-N^N^Σn^=|m^|wn^,m^(l)(k)h′n^(kr0)...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾懋珅，王文倍，鲍长春，孙俊岱，张家铭，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11