一种基于稀疏平面波分解的声场重放空间解码方法技术

本发明专利技术属于空间声场重放技术领域，具体涉及一种基于稀疏平面波分解的高阶Ambisonics的声场重放空间解码方法。该方法通过两个阶段实现声场重放，第一阶段预先获得扬声器系统重放不同方向平面波的驱动函数，称之为预计算阶段；第二阶段将目标声场进行稀疏平面波分解计算重放驱动函数，称之为重放解码阶段。本发明专利技术利用球谐域稀疏平面波分解方法重放声场，在目标声场是由少量声源产生的情况下，有效提高了声场重放精度。本发明专利技术方法简便，成本较低，可以使用较低阶数的目标声场球谐系数实现更高精度的重放；具有较好的运算速度，对重放系统的平面波发生器可以预先测量并计算获得，在重放阶段中可以快速获取扬声器系统驱动信号；于此同时，保证了更大的最佳听音范围。保证了更大的最佳听音范围。保证了更大的最佳听音范围。

【技术实现步骤摘要】
一种基于稀疏平面波分解的声场重放空间解码方法


[0001]本专利技术属于空间声场重放
，具体涉及一种基于稀疏平面波分解的高阶Ambisonics的声场重放空间解码方法。

技术介绍

[0002]利用扬声器阵列重放声场是实现声虚拟现实的重要途径，近几十年来得到了广泛的研究。声场重放的目的是为听众提供不同的听觉体验，如听音乐、看电影或玩电子游戏等。高阶Ambisonics(High Order Ambisonics，HOA)是一种常见的声场重放方法。HOA分为编码与解码阶段。在编码阶段，对目标声场在球谐域进行分解，得到一组代表原始声场的球谐系数。在解码阶段获得扬声器阵列驱动函数，使得重放声场的球谐系数与在编码阶段获得的球谐系数相同。
[0003]现有的HOA解码方法通常为模态匹配法(Poletti M A.Three
‑
dimensional surround sound systems based on spherical harmonics[J].J.Audio Eng.Soc,2005,53(11):1004
–
1025.)，即将声场在球坐标系下分解成一组球谐函数(基函数)的叠加，利用初级声场和重放声场之间的球谐函数模态进行匹配求解出次级声源(扬声器阵列)的驱动函数。然而，利用模态匹配法的声场重放方法，目标声场的记录声场阶数对测量精度和最佳点大小有很大的影响。最佳点的尺寸范围与频率成反比，与模式阶数成正比。在恒定模态阶数为4的情况下，在频率为2kHz时，最佳点的大小缩小到小于人类头部的大小。
[0004]为了提高重放性能，同时保证最佳点尺寸在一定范围内，在目标声场由少量声源控制的情况下，本专利技术提出了一种基于稀疏平面波分解的高阶Ambisonics解码方法。

技术实现思路

[0005]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种基于稀疏平面波分解的高阶Ambisonics解码方法。
[0006]技术方案
[0007]本专利技术采用球谐函数域的平面波稀疏分解方法，将目标声场分解为有限数量的平面波，根据预先获得的重放系统平面波驱动函数从而重放目标声场。
[0008]本专利技术通过两个阶段实现声场重放，第一阶段预先获得扬声器系统重放不同方向平面波的驱动函数，称之为预计算阶段；第二阶段将目标声场进行稀疏平面波分解计算重放驱动函数，称之为重放解码阶段。以下为两个阶段的具体实现步骤：
[0009]预计算阶段：
[0010]步骤1：确定目标声场的声压，为利用高阶Ambisonics传声器阵列记录声场环境声压，也可为合成的期望声学场景声压。
[0011]步骤2：目标声场的球谐系数测量。测量的到的目标声场的声压可以有效地由球形传声器阵列采集并在球谐函数域进行分解，得到一组声场球谐系数。通常使用的球形传声器阵列有空心球阵、心型传声器球阵、双半径空心球阵、刚性球阵等。
[0012]步骤3：将测量得到的或合成得到的目标声场声压在球谐域进行平面波分解。目标声场的球谐系数可以表示为一组平面波球谐系数的加权组合。
[0013]步骤4：将目标声场的球谐系数表示为一组平面波球谐系数的加权组合。平面波权重是稀疏的，可以利用1范数求出平面波权重的稀疏解。
[0014]重放解码阶段
[0015]步骤1：对于一个固定的扬声器系统和重放，对扬声器到重放区域的传递函数进行测量。
[0016]步骤2：计算平面波生成器权重矩阵。在整个重放区域内，可通过计算使重放声场与平面波声场之间的误差最小获得平面波生成器。计算获得产生不同方向平面波的扬声器驱动信号。
[0017]步骤3：将计算得到的平面波权重与平面波生成器结合，得到本专利技术高阶Ambisonics解码方法中扬声器的驱动函数。
[0018]有益效果
[0019]本专利技术提出利用球谐域稀疏平面波分解方法重放声场，在目标声场是由少量声源产生的情况下，有效提高了声场重放精度。本专利技术方法简便，与传统方法相比成本较低，可以使用较低阶数的目标声场球谐系数实现更高精度的重放；本专利技术具有较好的运算速度，对重放系统的平面波发生器可以预先测量并计算获得，在重放阶段中可以快速获取扬声器系统驱动信号；于此同时，与传统方法相比较，本专利技术保证了更大的最佳听音范围。另外，本文提出的方法也可以适用于混响环境中的重放系统。通过实际测试，验证了本专利技术相对于传统方法有更高的重放精度，因而可以适用于在混响环境下的目标声场重放。
附图说明
[0020]图1为实施例中某空间中扬声器的分布示意图
[0021]图2为实施例中混响环境中不同最佳听音范围内2种方法的重放误差对比图
[0022]图3为实施例中本专利技术声场重放方法的流程图
具体实施方式：
[0023]现结合实例、附图详细描述本专利技术的声场重放方法，但本专利技术的实施方式不限于此。
[0024]重放距离为(3,0,0)点声源辐射的声场。重放扬声器阵列为半径为1m，均匀球形分布的144个扬声器组成。重放的目标声场为0.5m
×
0.5m的正方形区域，其中心与扬声器中心均为坐标原点。
[0025]预处理阶段：
[0026]步骤1：确定目标声场的声压p，为利用高阶Ambisonics传声器阵列记录的声场环境声压，也可为合成的期望声场场景声压。则目标声场声压在球谐域分解表示为：
[0027][0028]其中，ω＝2πf为角速度，f为频率，r为距离，θ为方位角，为俯仰角，k＝ω/c为波数，c为声速，n为阶数，m为角度。为与频率相关的球谐系数，j
n
(
·
)为n阶球贝塞尔函
数。为球谐函数：
[0029][0030]其中，P
n
为n阶勒让德多项式。
[0031]步骤2：球谐域的平面波分解。期望声场的球谐系数可以表示为一组平面波球谐系数的加权组合：
[0032][0033]其中L
w
为平面波基的数量，w
l
为第l个平面波的权重，“*”为共轭符号。
[0034]步骤3：考虑所有阶数与所有角度，将公式(3)表示为矩阵形式：
[0035]Pw＝A (4)
[0036]其中P为(N+1)2×
L
w
维矩阵，包含不同阶数与角度的平面波球谐系数。w为L
w
×
1向量，表示不同方向的平面波权重。
[0037]步骤4：求公式(4)的1范数稀疏解：
[0038][0039]解码阶段：
[0040]步骤1：假设扬声器权重向量d生成由L
w
平面波控制的声场，表示为
[0041][0042]其中第l
w
个平面波表示为X为生成器权重矩阵。
[0043]步骤2：当扬声器阵列与重放声学环境固定时，X可以预计算。则第l
w
平面波为：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于稀疏平面波分解的声场重放空间解码方法，其特征在于，通过两个阶段实现声场重放，第一阶段预先获得扬声器系统重放不同方向平面波的驱动函数，称之为预计算阶段；第二阶段将目标声场进行稀疏平面波分解计算重放驱动函数，称之为重放解码阶段，所述预计算阶段的具体过程如下：步骤1：确定目标声场的声压，为利用高阶Ambisonics传声器阵列记录声场环境声压，也可为合成的期望声学场景声压；步骤2：目标声场的球谐系数测量；测量的到的目标声场的声压可以有效地由球形传声器阵列采集并在球谐函数域进行分解，得到一组声场球谐系数；通常使用的球形传声器阵列有空心球阵、心型传声器球阵、双半径空心球阵、刚性球阵等；步骤3：将测量得到的或合...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾向阳，洪汐，杜博凯，路东东，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：