模拟虚拟空间的声音使听者欣赏虚拟仿真声音感受的方法和设备技术

本发明专利技术声音模拟能使听者在现实空间欣赏任意设定的虚拟空间的声音。按本模拟，瞬时信号由多个声辐射线向量代表；每当声辐射线向量从边界反射并继续传播时，确定与声辐射线向量相关的势能；以及通过对势能求和确定瞬时响应信号。再有按本模拟：虚拟空间中的观测点叠置在现实空间中的监听点上；在经过对应于瞬时信号的延迟时间后确定作用于观测点的势能；把朝向观测点的势能分割成分配给单个扬声器的多个部分；以及对各势能求和确定用于每个扬声器的瞬时响应信号。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于确定任意空间中声音的声学特性，以使处于现实空间中的听者能够感受到在其他任意空间中声音的声学效果的方法和设备。更具体地讲，本专利技术涉及一种根据声音的声学特性在现实空间中再现任意空间中声音的方法和设备。过去已经有一些计算现实空间及虚拟空间中的声音的声学特性的方法。例如，许多传统的被广泛应用的计算方法，诸如声辐射线法、虚象法以及基于正则几何声学的类似方法。然而，这些计算方法是有缺陷的，在计算结果中都忽略声音和相位信息的波特性，导致相当大的计算误差。另一方面，还有一些计算方法，如有限元法、边界元法以及类似计算方法，这些方法考虑到了声音的波特性，因而在确定声音的实际声学特性方面，其精确度是很好的。然而，这些计算方法如有限元法及边界元法也有不足之处，对所谓的高频的如16HKz和类似频率的声频带，需要很大的计算量，才能获得计算结果。这些事实使得即使用目前正在开发的高级计算机来得到计算结果也是很困难的。于是，显然需要有一种能在比较短的时间内高精度地确定声音的声学特性、并且与声音的现实声学特性相比，所确定的声学特性具有很小的误差的方法和设备。待测的声学特性被定义为一到达预定观测点，例如听众席的一簇声波，这簇声波由体现为具有尖锐前沿的单脉冲瞬时信号如Δ近似函数的基本声波构成，瞬时信号作为在预定位置例如舞台上产生的，并在空间进行三维传播，被限定空间的墙壁反射，到达预定观测点如听众席的基本声波。一般，这簇中的声波被称为瞬时响应信号。所以，瞬时响应信号代表从瞬时信号得到的并在空间从不同方向经不同延时到达相同观测点的声波叠加之结果。通过应用此种瞬时响应信号，可以再现语音和如音乐之类的声音，以及类似的一般声音。所以，能使一个听者感到仿佛他就坐在听众席上欣赏舞台上演奏的音乐。根据本专利技术的第一基本方法确定的并在下文详细描述的声音的声学特性是能够实现高度现实性的瞬时响应信号。因而，这些瞬时响应信号形成一簇高精度地代表频率调整、相位延迟等的无数个脉冲。所以，如下文所述，当利用瞬时响应信号精确再现一种声音时，则需要一种能高速处理数据声音再现设备。换言之，为了按数字模式存贮这种精确的瞬时响应信号，需要按信号幅度用数字表示在每一所谓的取样时间间隔内的瞬时响应信号的响应脉冲，这种脉冲随时间而变化，并在从瞬时信号发出至瞬时响应信号消失的时期内用很短的时间间隔(例如取样时间间隔，即取样频率的倒数)将其划分。然后，利用这些瞬时响应信号再现在实际的音乐演奏或类似场合中产生的声音。在声音的再现过程中，如图9所示，采用了用于产生分立的数字信号的中央处理76(下文称CPU76)。该CPU76包括设定和存贮瞬时响应信号83的存储器，在存储器中将多个响应脉冲以数字形式沿时间轴排列；及乘积之和计算器84，其中，在实际音乐演奏中产生的并沿用离散信号80数字化表示的声音与其瞬时信号83一起进行实时卷积变换，由此产生数字信号86。根据这样存贮的瞬时响应信号，再现显现音乐性能的声音。为此目的，CPU76必须连续不停地在每个取样时间间隔内实时地将所有瞬时响应信号数据加在一起。例如为了再现20KHz的频率，必须进行48KHz的数字取样。在混响时间，即瞬时响应信号渐渐消亡到基本上可被忽略不计的点所花费的时间为1.3秒的情况下，所需取样次数为65,536次。所以，为了再现声音，每20.8毫秒(48KHz的倒数)必须将65,536个脉冲数据相加，并将其加算结果输出。这种高速卷积变换函数仅由很昂贵的CPU76提供。由于其价格高，使用这种昂贵的CPU76是不实际的。因此，需要有一种不减弱其现实性的再现声音的简单方法和设备。另一方面，目前，广泛使用视频设备使我们在自己家中或在自己的个人房间内通过视频盒式播放机欣赏各种电影和类似画面，为了丰富我们的欣赏，再现这些画面的伴音是极为重要的。为此目的，电视机设有用于环绕语音声音系统的常规扬声器输出终端。某些电视机还设有模拟声音再现系统，如Dolby环绕系统等等。然而，在实际的影剧院里，为使听众欣赏到二维或三维声场，在影院的侧面墙壁或在影院的电影银幕附近的适当位置设置大量扬声器，例如10个或更多扬声器。所以，当通过我们家中的电视机的环绕语音声音系统的扬声器终端再现该画面的伴音时，不可能欣赏到我们可在影院中体验到的三维声场的感受。另一方面，近来，对诸如虚拟画面等所谓虚拟现实性的要求增加。因为虚拟现实性能使我体验到实际环境的感觉，仿佛我们就在现实环境中，人们期望将虚拟现实性应用于各种场合。然而，时至今日，基本上仅考虑了画面图像的虚拟现实性，而很少对画面图像的伴音再现加以考虑。因而，在开发虚拟现实性时，显然需要有一种能使我们有种仿佛我们就在随时间变化的虚拟环境中的感觉的声音再现方法。由于画面场面随时间变化，因此往往需要其声音也随时间变化。例如，先是一个房间的场面，跟着是大草原的后续场面。或者是情形逐渐变得更加突出的一系列场面。在此情况下，至今，根据每种场面的场景，按操作者的人为感觉增添或去掉混响。所以，实际再现的声音不一定适合该场面，因而常常给听众一种毫无自然规律的感觉，或往往损害虚拟现实性的效果。目前，对现实性的需求比以往更强烈。所以，需要适合于每一电影场面的空间的声音再现以给该空间最大的现实性。如上所述，根据在每一电影场面所用的空间，自动处理并精确地再现声音，以便配合出现在空间内的场面。这可改善娱乐节目的声音，从而能使我们欣赏到不同于影剧院中使用Dolby环绕语音声音系统所得到的现实性得到改善的声场。如上所述，显然需要有一种用于确定声音的实际和有效声学特性的声音模拟方法和设备；以及一种实际利用上述模拟结果来产生更逼真的声音的方法和设备。本专利技术之目的在于提供一种在任意设定的三维空间(下文称作虚拟空间)中在相对短时间用相对低速的处理单元高精度地产生声音的声学特性的声音模拟方法和设备。本专利技术的另一目的在于提供用上述虚拟空间中显现的声音的声学特性产生使听者具有仿佛他就在虚拟空间的现实感觉的声音的方法和设备。本专利技术的再一个目的在于提供一种用瞬时响应信号(上述虚拟空间中显现的声音的准确声学特性的信号)简单地产生声音同时在空间中保持该声音的基本声学特性的方法和设备。本专利技术的又一个目的在于提供一种用于产生能使使用者在其家中或在其自己个人房间中欣赏电影和类似图像而使其具有仿佛他就是处在诸如影剧院和类似音乐厅之类的大厅中的听者的现实感觉的声音的方法和设备。本专利技术的另一目的在于提供一种用来产生能使使用者有当场面随时间变化时仿佛他就在每一电影和类似图像场面的空间中的现实感觉的声音的方法和设备。本专利技术的再一个目的在于提供一种产生适合于通过电缆、光缆或无线通信传至用户家中或其个人房间的图像场面的声音的方法和设备。根据本专利技术的第一方面，本专利技术的上述各项目的是由下述措施实现的在从任意设定的虚拟空间中的任意位置分布的声源发出的瞬时信号通过该虚拟空间进行波动传播时，确定作用于预定观测点的瞬时响应信号的声音模拟方法中，其改进在于用从虚拟空间中的声源辐射的多个声辐射线向量代表瞬时信号；以及该声音模拟方法还包括至少一确定从限定虚拟空间边界的每一部分到达观测点的势能的步骤，在每一部分反射多个声辐射线向量的每一个。通过使用本专利技术的声音模拟方法，可以按简单方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种声音模拟方法，用于当由位于任意设定的虚拟空间中的任意位置的声源所产生的瞬时信号以波动方式在所述虚拟空间传播时，确定作用于预定观测点的瞬时响应信号，其特征在于包括以下各步骤：用多个在所述声源的所述位置产生的并由此在所述虚拟空间的所有方 向辐射的声辐射线向量代表所述瞬时信号；以及每当每个所述声辐射线向量被所述边界所述部分反射并继续前进时，确定从限定所述虚拟空间边界的一部分到达所述观测点的势能。

【技术特征摘要】
JP 1996-9-6 236481/96;JP 1996-3-4 46109/961.一种声音模拟方法，用于当由位于任意设定的虚拟空间中的任意位置的声源所产生的瞬时信号以波动方式在所述虚拟空间传播时，确定作用于预定观测点的瞬时响应信号，其特征在于包括以下各步骤用多个在所述声源的所述位置产生的并由此在所述虚拟空间的所有方向辐射的声辐射线向量代表所述瞬时信号；以及每当每个所述声辐射线向量被所述边界所述部分反射并继续前进时，确定从限定所述虚拟空间边界的一部分到达所述观测点的势能。2.一种声音模拟方法，用于当由位于任意设定的虚拟空间中的任意位置的声源所产生的瞬时信号以波动方式在所述虚拟空间传播时，确定作用于预定观测点的瞬时响应信号，其特征在于包括以下各步骤用多个在所述声源的所述位置产生的并由此在所述虚拟空间的所有方向辐射的声辐射线向量代表所述瞬时信号；每当所述声辐射线向量入射到限定所述虚拟空间的边界的一部分并由此反射时存贮传播沿革数据，所述传播沿革数据包括所述声辐射线的入射数据和反射数据以及所述边界的所述部分的数据；以及基于所述传播沿革数据和所述边界的每块区域，确定从所述边界的每个所述部分到达所述观测点的势能，所述区域是被所述边界的所述部分的所述声辐射线向量每个入射和反射声辐射线向量占据。3.如权利要求1或2记述的声音模拟方法，其特征在于提供一形成为时阵列数的存储器部；以及在所述存储器部内的所述阵列的各个部分中，被分配给由所述到达所述观测点的势能引起的延时的单个部分通过一附加处理存贮所述势能，以便按时序模式确定瞬时响应信号。4.一种声音模拟方法，包括以下各步骤(a)设定一任意虚拟空间；(b)设定一预定的在其内设有多个扬声器的现实空间；(c)在所述现实空间内的听音点上叠置所述虚拟空间内的观测点；(d)在经历对应于在所述虚拟空间内的声源所产生并在其中传播的瞬时信号的延时后，确定作用于所述观测点的势能(e)将所述朝向所述观测点的势能分割为分配给设置在如此叠置的现实空间中的所述各个扬声器的多个部分；以及(f)通过对所述势能的所述部分求和来确定每个所述扬声器的瞬时响应信号，以便对应于所述延时。5.如权利要求4所记述的声音模拟方法，其特征在于，所述步骤(d)是用于检测如权利要求1或2记载的所述势能的步骤。6.如权利要求4所记述的声音模拟方法，其特征在于，所述步骤(f)是对每个所述扬声器按时序模式通过下列各步骤来确定所述瞬时响应信号的步骤相对于每个所述扬声器提供多个所述形成为时序阵列的存储器部；以及当所述势能到达所述观测点时，对应于由所述势能所引起的所述延时，在所述时序阵列中的所述存储器部之一中相加并存贮分配给每个所述扬声器的所述势能的所述部分；以及因而按时序模式确定每个所述扬声器的所述瞬时响应信号。7.如权利要求4～6任意一项所记述的声音模拟方法，其特征在于所述声源包括多个声源；以及对所述多个声源的每一个确定每个所述扬声器的所述瞬时响应信号。8.如权利要求4～7任意一项所记述的声音模拟方法，其特征在于将所希望的现存的大厅之一设定为所述虚拟空间；以及将所述声源设定在安装于所述大厅内的所述扬声器的位置。9.如权利要求4～7任意一项所记述的声音模拟方法，其特征在于所述虚拟空间的大小是可变的；以及对所述大小可变的虚拟空间的每个相位进行所述步骤(d)～(f)。10.如权利要求4～7任意一项所记述的声音模拟方法，其特征在于所述声源的位置是可变的；以及对在其位置是可变的所述声源的每个位置进行所述步骤(d)～(f)。11.如权利要求4～7任意一项所记述的声音模拟方法，其特征在于所述虚拟空间的大小是可变的；所述声源存在于所述虚拟空间的每一相位并且其位置是可变的；以及对所述其位置是可变的并存在于所述大小可变的虚拟空间的每一相位中的所述声源的每一位置进行所述步骤(d)～(f)。12.一种声音模拟方法，其特征在于包括以下各步骤从代表一空间的声学特性的瞬时响应信号中取样预定的信号脉冲；以及基于如此取样的所述预定信号脉冲确定一新的瞬时响应信号。13.如权利要求12所记述的声音模拟方法，其特征在于在所述取样步骤中，多个所述预定信号脉冲是按所述脉冲的幅度峰值的绝对值递增的顺序从所述瞬时响应信号中取样的。所述瞬时响应信号在延迟的时基上是变化的。14.如权利要求12所记述的声音模拟方法，其特征在于在所述取样步骤中，多个所述预定信号脉冲是按所述脉冲的幅度峰值的绝对值递增的顺序从所述瞬时响应信号中取样的。所述瞬时响应信号在延迟的时基上是变化的；以及对跟在正脉冲之后的负脉冲也进行取样的所述步骤。15.如权利要求12所记述的声音模拟方法，其特征在于在所述取样步骤中，设定对应于产生所述瞬时响应信号的每个脉冲的延时的阈值；以及在所述瞬时响应信号的所述脉冲中，对其幅度峰值的绝对值超过所述阈值的脉冲取样。16.如权利要求12所记述的声音模拟方法，其特征在于在所述取样步骤中，所述瞬时响应信号的所述脉冲被分割为预定数目的脉冲组；以及从每个所述脉冲组中至少取样一个脉冲。17.如权利要求12所记述的声音模拟方法，其特征在于所述取样步骤中，所述瞬时响应信号的所述脉冲被分割为预定数目的脉冲组；从每个所述脉冲组中至少取样一个脉冲；以及也对跟随如此取样的所述一个脉冲之后的...

【专利技术属性】
技术研发人员：浅山宏，
申请(专利权)人：株式会社泰姆韦尔，
类型：发明
国别省市：JP[日本]