CN102883246B - 一种三维多声道音频系统扬声器组精简布设方法 - Google Patents

Abstract

一种三维多声道音频系统扬声器组精简布设方法，包括采集精简前三维n声道音频系统中各个扬声器的空间位置信息，分析球面三角形扬声器组的所有组合并挑选仅包含单个扬声器的球面三角形扬声器组，剔除球面三角形面积最小的扬声器组所包含的单个扬声器，判断当前待精简扬声器数是否大于m，若大于m，继续执行简化过程，否则结束迭代，直到等于m，得到m声道精简系统扬声器组最优空间位置排布。采用本发明提供技术方案可以保证精简过程不影响听音中心点处的声音的物理特性。

Description

一种三维多声道音频系统扬声器组精简布设方法

技术领域

本发明属于声学设备领域，尤其涉及一种三维多声道音频系统扬声器组精简布设方法。

背景技术

2009年底上演的三维电影《阿凡达》不仅在全球三十多个国家登上票房榜首，而且到2010年9月初，全球票房累计超过27亿美元。《阿凡达》所展现的绚丽画面与逼真声效不仅震撼了观众，也使得业界有了“电影进入三维时代”的断言。2010年1月美国拉斯维加斯举行的国际消费电子产品展上，各彩电巨头纷纷亮出的电视新品表明三维已经成为全球各大彩电制造商竞争的新焦点，与此同时，中国三维电视机销量在2011年底猛增到年初的十几倍，这些都说明三维影视视觉体验已走入千家万户。但要想达到更好的视听体验，需要有与三维视频内容同步的三维声场听觉效果，才能真正达到身临其境的视听感受。早期的三维音频系统（如Ambisonics系统）由于其结构复杂，对采集和回放设备要求较高，难以推广实用。近年来日本NHK公司推出了22.2声道系统，并通过24个扬声器再现原来的三维声场。因其结构简单，并能兼容5.1环绕立体声扬声器配置方案，得到了MPEG的高度重视，并在2011年准备着手制定三维音频的国际标准，希望在达到一定编码效率的同时能通过比较少的扬声器或耳机来还原三维声场，以便能将该技术推广到普通家庭用户。由此可见三维音视频技术已成为多媒体技术领域的研究热点和进一步发展的重要方向。

“下混合（Down Mixing）”是减少多声道音频系统声道数并进行音频信号编码传输的普遍方法，ITU-R也已经制定了5.1声道下混合标准并应用于一些电视信号的接收，但是这种下混合标准并不适用于任意数目的扬声器配置情况，尤其是在目前多声道音频系统研究通过更多的声道以增强声音空间表达的情况下，更需要通过一种基于声场重建的技术用较少的声道保留较多的声场信息，然后再利用某种下混合方法得到待编码的音频信号。

与此同时，传统声场重建技术（如WFS、Ambisonics等）的思想是将一个如音乐厅现场音乐会所形成的声场在另一个空间重建，其目标是重现音乐厅现场等原始声场。但是受到实际声场采集方法的限制，完全重建原始声场的目标很难实现。然而，将混音室内通过多声道系统生成的重建声场在另一个室内环境内进行重建声场的再次重建则比较容易实现，这种在其他环境内再次重建声场的问题可以等效于找寻一种方法将原重建声场中多声道音频信号转换为再次重建声场中多声道音频信号。为方便描述，一般将由原多声道系统得到的重建声场称为“原声场”，而通过不同声道数的替代音频系统再次重建的声场称为“重建声场”。因此，为能将三维音频系统更方便地适应于家庭应用环境，需要设计一种方法既能简化原多声道系统扬声器组，又能保证重建声场与原声场误差最小。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种将三维n声道音频系统中n个扬声器精简为三维m声道音频系统中的m个扬声器的方法，以获得精简后的m声道系统中扬声器组最优空间位置信息。

本发明的技术方案为一种三维多声道音频系统扬声器组精简布设方法，用于将三维n声道音频系统中n个扬声器精简为m个扬声器，构成三维m声道音频系统，其中m＜n，包含以下步骤，

步骤1，设当前剩余的扬声器数目为n，采集三维n声道音频系统中n个扬声器分别的空间位置信息，实现方式如下，

将n个扬声器排布在与中心点之间距离为ρ的球面上，以听音区域中心点O为顶点构造三维坐标系XYZ，扬声器在平面XOY上的投影与X轴所成的角度记为θ，扬声器与XOY平面所成角度记为则扬声器的空间位置简化为

步骤2，分析球面三角形扬声器组的所有组合，得到集合S；分析方式如下，

当n个扬声器中任意三个能构成球面三角形时，构成一个球面三角形扬声器组；

步骤3，从集合S中挑选仅包含单个扬声器的球面三角形扬声器组，得到集合T；实现方式如下，

设集合S中的任一球面三角形扬声器组由扬声器ξ₁、ξ₂和ξ₃构成，当只存在一个扬声器ζ的空间位置处于球面三角形的区域内部或三条边上，且扬声器ζ的空间位置不等于扬声器ξ₁、ξ₂或ξ₃的空间位置时，则扬声器ξ₁、ξ₂和ξ₃构成的球面三角形扬声器组加入集合T；

步骤4，计算集合T中所有球面三角形扬声器组所对应球面三角形的面积，并按面积排序，得到序列Q；

步骤5，剔除序列Q中面积最小的球面三角形扬声器组所包含的单个扬声器，实现方式如下，

设序列Q中面积最小的球面三角形扬声器组由扬声器ξ₁、ξ₂或ξ₃构成，该球面三角形扬声器组包含扬声器ζ，删除扬声器ζ，将扬声器ζ的输出信号分配到扬声器ξ₁、ξ₂或ξ₃上；并从集合S中剔除与扬声器ζ有关的球面三角形扬声器组，当前剩余的扬声器数目减1；

步骤6，判断当前剩余的扬声器数目是否大于m，若大于m，转入步骤3继续剔除，否则结束迭代，取出当前剩余的扬声器空间位置信息，得到m声道精简系统扬声器组最优空间位置排布。

而且，步骤5中，将扬声器ζ的输出信号分配到扬声器ξ₁、ξ₂或ξ₃上的实现方式包括以下子步骤，

步骤5.1，将扬声器ξ₁、ξ₂、ξ₃和ζ的时域信号经傅里叶变换得到对应的频域信号；

步骤5.2，根据扬声器ξ₁、ξ₂、ξ₃和ζ的空间位置信息，计算权值分配；

步骤5.3，将扬声器ζ的频域信号按照相应权值大小分配到扬声器ξ₁、ξ₂、ξ₃的频域信号上；

步骤5.4，将步骤5.3所得扬声器ξ₁、ξ₂、ξ₃的频域信号经过逆傅里叶变换为对应时域信号。

采用本发明提供的三维多声道音频系统扬声器精简方法，采集待精简三维多声道音频系统中扬声器的空间位置信息，经过扬声器组精简迭代算法后可得到精简系统扬声器组最优空间配置，最终实现对三维多声道音频系统精简扬声器最优空间排布。扬声器组精简迭代算法可以保证精简过程不影响听音中心点处的声音的物理特性。

附图说明

图1为本发明实施例的扬声器组精简方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

本发明提供的一种三维多声道音频系统扬声器组精简布设方法，用于将三维n声道音频系统中n个扬声器精简为m个扬声器，构成三维m声道音频系统，其中m＜n。显然，n和m为自然数，m的最低取值一般为3，实际上建议取值为8~10。本发明技术方案可采用计算机软件技术实现自动运行，如图1所示，实施例的实现流程包含以下步骤：

步骤1，采集精简前三维n声道音频系统中各个扬声器的空间位置信息：

三维n声道音频系统对应有n个扬声器，设以听音区域中心点O为顶点构造三维坐标系XYZ，扬声器与中心点之间的距离记为ρ，扬声器在平面XOY上的投影与X轴所成的角度记为θ，扬声器与XOY平面所成角度记为扬声器空间位置参数标记为在三维声场重建中，可以设将n个扬声器排布在与中心点之间距离为ρ的球面上，实施例中设ρ的值为2米。因为重建声场中扬声器与中心点之间距离与原声场中扬声器与中心点距离相等，所以在实施例中采集精简前音频系统中扬声器空间位置参数简化为

步骤2，分析球面三角形扬声器组的所有组合：

当n个扬声器中任意三个能构成球面三角形时，构成一个球面三角形扬声器组。实施例在当前待精简的n个扬声器中任选三个的所有组合中分析能构成球面三角形的所有扬声器组合，构成球面三角形扬声器组集合，记为集合S。

例如，从n个扬声器中任意挑选三个构成一个扬声器组合（ξ₁,ξ₂,ξ₃），可以得到三个扬声器ξ₁、ξ₂和ξ₃的空间位置为 因为只有在这个扬声器组合中的三个扬声器空间位置不同时共弧线才能将这三个扬声器所对应的空间位置点构成球面三角形，所以若希望扬声器组合（ξ₁,ξ₂,ξ₃）能作为一个球面三角形扬声器组，则必须满足θ₁、θ₂和θ₃不同时相等或 和不同时相等。

步骤3，挑选仅包含单个扬声器的三角形扬声器组：

实施例从当前的集合S中挑选出其球面三角形内仅包含单个扬声器的球面三角形扬声器组，得到包含单个扬声器球面三角形扬声器组，记为集合T。

设集合S中的任一球面三角形扬声器组由扬声器ξ₁、ξ₂和ξ₃构成，一个扬声器ζ被一个球面三角形所包含是指扬声器ζ的空间位置坐标不等于扬声器ξ₁、ξ₂和ξ₃的空间位置 且在由三个扬声器空间构成球面三角形区域内部或在球面三角形的三条边上。则当有且只有一个扬声器ζ的空间位置处于球面三角形的区域内部或三条边上，且扬声器ζ的空间位置不等于扬声器ξ₁、ξ₂或ξ₃的空间位置时，扬声器ξ₁、ξ₂和ξ₃构成的球面三角形扬声器组加入集合T。

步骤4，满足要求的球面三角形面积排序：

实施例计算集合T中所有球面三角形扬声器组所对应的球面三角形面积，并按面积从小到大顺序进行排序，得到序列Q。

步骤5，剔除球面三角形面积最小扬声器组所包含的单个扬声器：

实施例取出序列Q的第一个元素，设该球面三角形扬声器组由扬声器ξ₁、ξ₂或ξ₃构成，该球面三角形扬声器组包含扬声器ζ，删除扬声器ζ将扬声器ζ的输出信号分配到扬声器ξ₁、ξ₂或ξ₃上；并从集合S中剔除与扬声器ζ有关的球面三角形扬声器组，当前剩余的扬声器数目减1。

通过将扬声器ζ的输出信号分配到扬声器ξ₁、ξ₂或ξ₃，避免声场恢复出现明显损失。本发明进一步提供扬声器组替代方法，实施例包括以下步骤：

步骤5.1，将扬声器ξ₁、ξ₂、ξ₃和ζ输出的时域信号经傅里叶变换得到对应的频域信号 和s_ζ(ω)。

步骤5.2，根据扬声器ξ₁、ξ₂、ξ₃和ζ的空间位置信息，计算权值分配：

当已知扬声器ξ₁、ξ₂、ξ₃和ζ的空间位置信息 根据以下公式计算权值分配，得到相应的权值w₁、w₂、w₃。

$w_1=\frac{{\tilde{D}}_1}{D},w_2=\frac{{\tilde{D}}_2}{D},w_3=\frac{{\tilde{D}}_3}{D}$

其中，参数D、 计算如下：

$D={\tilde{D}}_1+{\tilde{D}}_2+{\tilde{D}}_3$

步骤5.3，将扬声器ζ的频域信号按照相应权值大小分配到扬声器ξ₁、ξ₂和ξ₃的频域信号上：

计算分配了扬声器ζ频域信号后扬声器ξ₁、ξ₂和ξ₃的频域信号如下：

$q_{{\mathrm{\ξ}}_1}\left(\mathrm{\ω}\right)=s_{{\mathrm{\ξ}}_1}\left(\mathrm{\ω}\right)+w_1{s}_{\mathrm{\ζ}}\left(\mathrm{\ω}\right)$

$q_{{\mathrm{\ξ}}_2}\left(\mathrm{\ω}\right)=s_{{\mathrm{\ξ}}_2}\left(\mathrm{\ω}\right)+w_2{s}_{\mathrm{\ζ}}\left(\mathrm{\ω}\right)$

$q_{{\mathrm{\ξ}}_3}\left(\mathrm{\ω}\right)=s_{{\mathrm{\ξ}}_3}\left(\mathrm{\ω}\right)+w_3{s}_{\mathrm{\ζ}}\left(\mathrm{\ω}\right)$

步骤5.4，将步骤5.3所得扬声器ξ₁、ξ₂和ξ₃的频域信号 经过逆傅里叶变换为对应时域信号。

具体实施时，输入的时域信号可以从输入音频文件中得到，输出的时域信号形成新的输出音频文件。

步骤6，迭代条件判断：

实施例判断当前待精简扬声器数是否大于m，若大于m，转入执行步骤3，否则结束迭代，取出当前剩余的扬声器空间位置信息（可从当前集合S中取出各球面三角形扬声器组元素所对应的扬声器空间位置信息），得到m声道精简系统扬声器组最优空间位置排布。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种三维多声道音频系统扬声器组精简布设方法，用于将三维n声道音频系统中n个扬声器精简为m个扬声器，构成三维m声道音频系统，其中m＜n，其特征在于：包含以下步骤，

步骤1，设当前剩余的扬声器数目为n，采集三维n声道音频系统中n个扬声器分别的空间位置信息，实现方式如下，

将n个扬声器排布在与中心点之间距离为ρ的球面上，以听音区域中心点O为顶点构造三维坐标系XYZ；扬声器在平面XOY上的投影与X轴所成的角度记为θ，扬声器与XOY平面所成角度记为则扬声器的空间位置(ρ,θ,)简化为(θ,)；

步骤2，分析球面三角形扬声器组的所有组合，得到集合S；分析方式如下，

当n个扬声器中任意三个能构成球面三角形时，构成一个球面三角形扬声器组；

步骤3，从集合S中挑选仅包含单个扬声器的球面三角形扬声器组，得到集合T；实现方式如下，

设集合S中的任一球面三角形扬声器组由扬声器ξ₁、ξ₂和ξ₃构成，当只存在一个扬声器ζ的空间位置处于球面三角形的区域内部或三条边上，且扬声器ζ的空间位置不等于扬声器ξ₁、ξ₂或ξ₃的空间位置时，则扬声器ξ₁、ξ₂和ξ₃构成的球面三角形扬声器组加入集合T；

步骤4，计算集合T中所有球面三角形扬声器组所对应球面三角形的面积，并按面积排序，得到序列Q；

步骤5，剔除序列Q中面积最小的球面三角形扬声器组所包含的单个扬声器，实现方式如下，

设序列Q中面积最小的球面三角形扬声器组由扬声器ξ₁、ξ₂或ξ₃构成，该球面三角形扬声器组包含扬声器ζ，删除扬声器ζ，将扬声器ζ的输出信号分配到扬声器ξ₁、ξ₂或ξ₃上；并从集合S中剔除与扬声器ζ有关的球面三角形扬声器组，当前剩余的扬声器数目减1；所述将扬声器ζ的输出信号分配到扬声器ξ₁、ξ₂或ξ₃上的实现方式包括以下子步骤，

步骤5.1，将扬声器ξ₁、ξ₂、ξ₃和ζ输出的时域信号经傅里叶变换得到对应的频域信号；

步骤5.2，根据扬声器ξ₁、ξ₂、ξ₃和ζ的空间位置信息，计算权值分配；

步骤5.3，将扬声器ζ的频域信号按照相应权值大小分配到扬声器ξ₁、ξ₂、ξ₃的频域信号上；

步骤5.4，将步骤5.3所得扬声器ξ₁、ξ₂、ξ₃的频域信号经过逆傅里叶变换为对应时域信号；

步骤6，判断当前剩余的扬声器数目是否大于m，若大于m，转入步骤3继续剔除，否则结束迭代，取出当前剩余的扬声器空间位置信息，得到m声道精简系统扬声器组最优空间位置排布。