一种多声道系统声场重建方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种多声道系统声场重建方法及装置，获取原始多声道系统中扬声器组位置信息和信号信息、重建多声道系统中扬声器组位置信息、听音区域采样点位置信息，构建中心听音区域与非中心听音区域，并在这些区域上选取采样点，计算得到原始多声道系统中每个扬声器分配给重建多声道系统中所有扬声器的分配系数矩阵，计算得到重建多声道系统中所有扬声器的最终分配信号。传统方法仅能在中心听音点或中心听音区域再现高品质三维声场，不能满足人们在非中心点听音的实际需求。基于声场的物理特性，本发明专利技术提出的技术方案可以使得听音者在中心听音区域或者非中心听音区域等重建声场中任意位置获得最佳的听音感受。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于声学领域，尤其涉及一种多声道系统声场重建方法及装置。
技术介绍
近年来，音频技术取得了巨大发展，传统环绕声、立体声技术逐渐发展到现在的三维音频技术，重建声场效果从零维逐渐扩展到包含水平方位角、高度角、距离信息的三维。其中基于向量的幅度平移技术(vectorbasedamplitudepanning简记为VBAP)由于其使用简单方便而被广泛认可，VBAP技术基于数学矢量合成的方法，可以使用三个扬声器合成一个虚拟声源。基于VBAP技术，日本广播协会实验室提出22.2多声道系统，可以用于重建逼真的三维音频效果，但是由于声道数目过多，摆放困难，不利于家庭环境下的推广使用。2011年日本广播协会实验室的AkioAndo提出一种多声道系统精简方法，可以将22.2多声道系统精简到10声道和8声道系统，重建声音定位效果与原始22.2多声道系统相差不大，大大简化了22.2多声道系统，为22.2系统的推广应用提供了技术支持。但是传统22.2多声道系统和基于AkioAndo方法的22.2的精简系统，都只能在中心听音点或中心听音区域处高品质的再现原始声源的三维听音效果，然而在实际听音环境中，听音者有时候位于中心听音点或中心听音区域，有时候也可能需要发生位置变动而不在中心听音点或中心听音区域，由于听音者具有不在中心听音区域的需要和可能，听音者不可能一直位于系统的中心听音点或中心听音区域，此时在非中心听音点处或非中心听音区域处，由于传统22.2多声道系统和基于AkioAndo方法的22.2的精简系统的理论局限性，这些技术将会带来较大的重建误差，不能很好地在非中心听音区域重建三维声场，为听音者提供最佳的听音体验。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提供一种多声道系统在非中心区域声场重建技术方案。本专利技术技术方案提供一种多声道系统精简方法，支持实现在非中心区域声场重建，包括以下步骤，步骤1，提取信息，实现如下，设原始多声道系统中包括m个扬声器Ldo1、Ldo2、…、Ldom，重建多声道系统中包括n个扬声器Ldr1、Ldr2、…、Ldrn，设待替换扬声器组Ldo1、Ldo2、…、Ldom的扬声器原始信号分别为替换扬声器组扬声器Ldr1、Ldr2、…、Ldrn的信号为要求解的信号，记为获取原始多声道系统中扬声器组位置信息和信号信息重建多声道系统中扬声器组位置信息听音区域采样点位置信息；所述听音区域采样点位置信息包括中心听音区域采样点的位置信息d＝1,2,…s和非中心听音区域采样点的位置信息d＝1,2,…s，s为预设的采样点数目；步骤2，计算得到原始多声道系统中每个扬声器分配给重建多声道系统中n个扬声器Ldr1、Ldr2、…、Ldrn的分配系数矩阵D，计算公式如下，D＝(Vr1HVr1+γI)-1Vr1HVr0其中，H表示厄密共轭转置；γ表示规则化因子；I表示单位矩阵；-1表示矩阵求逆运算；其中，表示扬声器Ldoh在采样点上相应径向质子速度成分中间变量，h＝1，2，…，m；表示扬声器Ldoq在采样点上相应径向质子速度成分中间变量，q＝1，2，…，n；dqh表示扬声器Ldoh信号分配给扬声器Ldrq的信号分配系数；Vr0、Vr1表示原始多声道系统和重建多声道系统分别的径向质子速度成分中间变量构成的矩阵；步骤3，求解得到重建多声道系统中n个扬声器Ldr1、Ldr2、…、Ldrn最终分配的信号，分别为fs1、fs2、…、fsn，计算公式如下，而且，n和m为正整数，n大于等于3、m大于3，并且m大于n。而且，步骤1中，设原始多声道系统中的扬声器组和重建多声道系统中的扬声器组均位于同一球面上，球面的球心位置为中心听音点O；听音区域采样点位置信息获取方式如下，以中心听音点O为中心，构建三维球形的中心听音区域，并在中心听音区域的球面上均匀采样，获取中心听音区域采样点的位置信息d＝1,2,…s；以非中心听音点N为中心，构建三维球形的非中心听音区域，并在非中心听音区域的球面上均匀采样，获取非中心听音区域采样点的位置信息d＝1,2,…s，s为预设的采样点数目。而且，中心听音区域半径f为声音信号频率，c为声音在空气中的传播速度，n为重建多声道系统扬声器数目；中心听音区域与非中心听音区域具有相同的半径。而且，步骤2中，原始多声道系统中单个扬声器Ldoh，h＝1，2，…，m在中心听音区域V0的采样点d＝1,2,…s上产生的径向质子速度成分为，其中，表示扬声器Ldoh在采样点上相应径向质子速度成分；表示扬声器Ldoh在采样点上相应径向质子速度成分中间变量；表示扬声器Ldoh信号；表示扬声器Ldoh在采样点上相应质子速度中间变量；表示中心听音区域V0中径向朝内的单位向量；h＝1，2，…，m；·表示内积；e为数学常数；j为虚部单位；k为波数，f为声音信号频率；c为声音在空气中的传播速度；重建多声道系统中单个扬声器Ldrq，q＝1，2，…，n在非中心听音区域V1的采样点d＝1,2,…s上产生的径向质子速度成分为：其中，表示扬声器Ldoq在采样点上相应径向质子速度成分；表示扬声器Ldoq在采样点上相应径向质子速度成分中间变量；表示扬声器Ldrq信号；表示扬声器Ldoq在采样点上相应质子速度中间变量；表示非中心听音区域V1中径向朝内的单位向量；q＝1，2，…，n；·表示内积；e为数学常数；j为虚部单位；k为波数，f为声音信号频率；c为声音在空气中的传播速度。本专利技术还相应提供一种多声道系统精简装置，用于支持实现在非中心区域声场重建，包括以下模块，第一模块，用于提取信息，实现如下，设原始多声道系统中包括m个扬声器Ldo1、Ldo2、…、Ldom，重建多声道系统中包括n个扬声器Ldr1、Ldr2、…、Ldrn，设待替换扬声器组Ldo1、Ldo2、…、Ldom的扬声器原始信号分别为替换扬声器组扬声器Ldr1、Ldr2、…、Ldrn的信号为要求解的信号，记为获取原始多声道系统中扬声器组位置信息和信号信息重建多声道系统中扬声器组位置信息听音区域采样点位置信息；所述听音区域采样点位置信息包括中心听音区域采样点的位置信息d＝1,2,…s和非中心听音区域采样点的位置信息d＝1,2,…s，s为预设的采样点数目；第二模块，用于计算得到原始多声道系统中每个扬声器分配给重建多声道系统中n个扬声器Ldr1、Ldr2、…、Ldrn的分配系数矩阵D，计算公式如下，D＝(Vr1HVr1+γI)-1Vr1HVr0其中，H表示厄密共轭转置；γ表示规则化因子；I表示单位矩阵；-1表示矩阵求逆运算；其中，表示扬声器Ldoh在采样点上相应径向质子速度成分中间变量，h＝1，2，…，m；表示扬声器Ldoq在采样点上相应径向质子速度成分中间变量，q＝1，2，…，n；dqh表示扬声器Ldoh信号分配给扬声器Ldrq的信号分配系数；Vr0、Vr1表示原始多声道系统和重建多声道系统分别的径向质子速度成分中间变量构成的矩阵；第三模块，用于求解得到重建多声道系统中n个扬声器Ldr1、Ldr2、…、Ldrn最终分配的信号，分别为fs1、fs2、…、fsn，计算公式如下，而且，n和m为正整数，n大于等于3、m大于3，并且m大于n。而且，第一模块中，设原始多声道系统中的扬声器组和重建多声道系统中的扬声器组均位于同一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多声道系统精简方法，其特征在于：支持实现在非中心区域声场重建，包括以下步骤，步骤1，提取信息，实现如下，设原始多声道系统中包括m个扬声器Ldo1、Ldo2、…、Ldom，重建多声道系统中包括n个扬声器Ldr1、Ldr2、…、Ldrn，设待替换扬声器组Ldo1、Ldo2、…、Ldom的扬声器原始信号分别为替换扬声器组扬声器Ldr1、Ldr2、…、Ldrn的信号为要求解的信号，记为获取原始多声道系统中扬声器组位置信息和信号信息重建多声道系统中扬声器组位置信息听音区域采样点位置信息；所述听音区域采样点位置信息包括中心听音区域采样点的位置信息d＝1,2,…s和非中心听音区域采样点的位置信息d＝1,2,…s，s为预设的采样点数目；步骤2，计算得到原始多声道系统中每个扬声器分配给重建多声道系统中n个扬声器Ldr1、Ldr2、…、Ldrn的分配系数矩阵D，计算公式如下，D＝(Vr1HVr1+γI)‑1Vr1HVr0其中，H表示厄密共轭转置；γ表示规则化因子；I表示单位矩阵；‑1表示矩阵求逆运算；Vr0=vrc(η1→,α1→)vrc(η1→,α2→)...vrc(η1→,αm→)vrc(η2→,α1→)vrc(η2→,α2→)...vrc(η2→,αm→)............vrc(ηs→,α1→)vrc(ηs→,α2→)...vrc(ηs→,αm→);]]>Vr1=vrc(χ1→,β1→)vrc(χ1→,β2→)...vrc(χ1→,βn→)vrc(χ2→,β1→)vrc(χ2→,β2→)...vrc(χ2→,βn→)............vrc(χs→,β1→)vrc(χs→,β2→)...vrc(χs→,βn→);]]>D=d11d12...d1md21d22...d2m............dn1dn2...dnm;]]>其中，表示扬声器Ldoh在采样点上相应径向质子速度成分中间变量，h＝1，2，…，m；表示扬声器Ldoq在采样点上相应径向质子速度成分中间变量，q＝1，2，…，n；dqh表示扬声器Ldoh信号分配给扬声器Ldrq的信号分配系数；Vr0、Vr1表示原始多声道系统和重建多声道系统分别的径向质子速度成分中间变量构成的矩阵；步骤3，求解得到重建多声道系统中n个扬声器Ldr1、Ldr2、…、Ldrn最终分配的信号，分别为fs1、fs2、…、fsn，计算公式如下，fs1fs2...fsn=d11d12...d1md21d22...d2m............dn1dn2...dnmb(α1→)b(α2→)...b(αm→)22×1.]]>...

【技术特征摘要】
1.一种多声道系统精简方法，其特征在于：支持实现在非中心区域声场重建，包括以下步骤，步骤1，提取信息，实现如下，设原始多声道系统中包括m个扬声器Ldo1、Ldo2、…、Ldom，重建多声道系统中包括n个扬声器Ldr1、Ldr2、…、Ldrn，设待替换扬声器组Ldo1、Ldo2、…、Ldom的扬声器原始信号分别为替换扬声器组扬声器Ldr1、Ldr2、…、Ldrn的信号为要求解的信号，记为获取原始多声道系统中扬声器组位置信息和信号信息重建多声道系统中扬声器组位置信息听音区域采样点位置信息；所述听音区域采样点位置信息包括中心听音区域采样点的位置信息d＝1,2,…s和非中心听音区域采样点的位置信息d＝1,2,…s，s为预设的采样点数目；步骤2，计算得到原始多声道系统中每个扬声器分配给重建多声道系统中n个扬声器Ldr1、Ldr2、…、Ldrn的分配系数矩阵D，计算公式如下，D＝(Vr1HVr1+γI)-1Vr1HVr0其中，H表示厄密共轭转置；γ表示规则化因子；I表示单位矩阵；-1表示矩阵求逆运算；Vr0=vrc(η1→,α1→)vrc(η1→,α2→)...vrc(η1→,αm→)vrc(η2→,α1→)vrc(η2→,α2→)...vrc(η2→,αm→)............vrc(ηs→,α1→)vrc(ηs→,α2→)...vrc(ηs→,αm→);]]>Vr1=vrc(χ1→,β1→)vrc(χ1→,β2→)...vrc(χ1→,βn→)vrc(χ2→,β1→)vrc(χ2→,β2→)...vrc(χ2→,βn→)............vrc(χs→,β1→)vrc(χs→,β2→)...vrc(χs→,βn→);]]>D=d11d12...d1md21d22...d2m............dn1dn2...dnm;]]>其中，表示扬声器Ldoh在采样点上相应径向质子速度成分中间变量，h＝1，2，…，m；表示扬声器Ldoq在采样点上相应径向质子速度成分中间变量，q＝1，2，…，n；dqh表示扬声器Ldoh信号分配给扬声器Ldrq的信号分配系数；Vr0、Vr1表示原始多声道系统和重建多声道系统分别的径向质子速度成分中间变量构成的矩阵；步骤3，求解得到重建多声道系统中n个扬声器Ldr1、Ldr2、…、Ldrn最终分配的信号，分别为fs1、fs2、…、fsn，计算公式如下，fs1fs2...fsn=d11d12...d1md21d22...d2m............dn1dn2...dnmb(α1→)b(α2→)...b(αm→)22×1.]]>2.根据权利要求1所述多声道系统精简方法，其特征在于：n和m为正整数，n大于等于3、m大于3，并且m大于n。3.根据权利要求2所述多声道系统精简方法，其特征在于：步骤1中，设原始多声道系统中的扬声器组和重建多声道系统中的扬声器组均位于同一球面上，球面的球心位置为中心听音点O；听音区域采样点位置信息获取方式如下，以中心听音点O为中心，构建三维球形的中心听音区域，并在中心听音区域的球面上均匀采样，获取中心听音区域采样点的位置信息d＝1,2,…s；以非中心听音点N为中心，构建三维球形的非中心听音区域，并在非中心听音区域的球面上均匀采样，获取非中心听音区域采样点的位置信息d＝1,2,…s，s为预设的采样点数目。4.根据权利要求3所述多声道系统精简方法，其特征在于：中心听音区域半径f为声音信号频率，c为声音在空气中的传播速度，n为重建多声道系统扬声器数目；中心听音区域与非中心听音区域具有相同的半径。5.根据权利要求4所述多声道系统精简方法，其特征在于：步骤2中，原始多声道系统中单个扬声器Ldoh，h＝1，2，…，m在中心听音区域V0的采样点d＝1,2,…s上产生的径向质子速度成分为，rpv(ηd→,αh→)=vrc(ηd→,αh→)b(αh→)]]>其中，vrc(ηd→,αh→)=v(ηd→,αh→)·ri(ηd→,αh→)]]>v(ηd→,αh→)=jke-jk|ηd→-αh→|4π|ηd→-αh→|2(1+1jk|ηd→-αh→|)ηxd-xohηyd-yohηzd-zoh]]>表示扬声器Ldoh在采样点上相应径向质子速度成分；表示扬声器Ldoh在采样点上相应径向质子速度成分中间变量；表示扬声器Ldoh信号；表示扬声器Ldoh在采样点上相应质子速度中间变量；表示中心听音区域V0中径向朝内的单位向量；h＝1，2，…，m；·表示内积；e为数学常数；j为虚部单位；k为波数，f为声音信号频率；c为声音在空气中的传播速度；重建多声道系统中单个扬声器Ldrq，q＝1，2，…，n在非中心听音区域V1的采样点d＝1,2,…s上产生的径向质子速度成分为：rpv(χd→,βq→)=vrc(χd→,βq→)b(βq→)]]>其中，vrc(χd→,βq→)=v(χd→,βq→)·ri(χd→,βq→)]]>v(χd→,βq→)=jke-jk|χd→-βq→|4π|χd→-βq→|2(1+1jk|χd→-βq→|)χxd-xrqχyd-yrqχzd-zrq]]>表示扬声器Ldoq在采样点上相应径向质子速度成分；表示扬声器Ldoq在采样点上相应径向质子速度成分中间变量；表示扬声器Ldrq信号；表示扬声器Ldoq在采样点上相应质子速度中间变量；表示非中心听音区域V1中径向朝内的单位向量；q＝1，2，…，n；·表示内积；e为数学常数；j为虚部单位；k为波数，f为声音信号频率；c为声音在空气中的传播速度。6.一种多声道...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡瑞敏，王松，王晓晨，杨乘，陈玮，杨玉红，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42