汽车虚拟环绕音响系统
技术领域
本发明涉及音讯处理的技术，特别是涉及一种汽车虚拟环绕音响系统。
背景技术
目前的播放内容如CD、MP3和广播仍为两声道音源，然而汽车音响皆配有四个扬声器。针对此现象，现有技术将左声道音源送到前左和后左的扬声器，并将右声道音源送到前右和后右的扬声器。此种技术会因为前后播放的内容太相近而没有环绕的感觉，没有充分应用到多声道音响的好处。
汽车音响的扬声器装置于门边，加上聆听者没有位于中间的聆听位置，声音听起来会偏向某一边且仰角较低。同时，位于后座的人常会被头后方扬声器的声音所主导，聆听音乐的时候感觉是从后方传过来的。当在观赏多声道电影的时候，常常只能听到环绕声道的声音，无法清楚地重现主要负责定位的前置声道音源，这样会造成定位不明的问题。
针对上述问题，于美国第USP6,501,843号专利公告中，使用头部相关转移函数求得相对应的反算滤波器，然而，该技术是假设一受控体(plant)为对称，且将假人(Dummy)置于汽车中央以测量获得受控体参数，此不符合真实的情况，仅考虑两声道输入及仅考虑前座聆听者，同时后座扬声器仅播放低频的信号，没有充分应用到多声道扬声器系统的特点。
于美国第USP7,206,413号专利公告中，使用核心为一个交越矩阵混和器(Crossbar matrix mixer)以将N个输入信号转换成M个输出。然而，该技术只利用不同的权重做声道混合，无法解决聆听者受到最近扬声器主导音场的状况。同时，多声道内容(如DVD)需要的定位感也会因为混音造成定位不明。
于美国第USP7,164,773号专利公告中，使用七个扬声器，分别配置于四个门边(四个)、前挡风玻璃(一个)和后座后方(一个)。位于前座的3个扬声器分别播放前左、前右和中置声道音源，而最后方的两个扬声器则播放后左与后右声道音源。后门边的两个扬声器则一方面当成前座乘客的环绕声道，另一方面作为后座乘客的前置声道，故会播放所有的音讯，如左边播放前左、后左和中置。该现有技术主要利用数目众多的喇叭配置在汽车上而达到多声道系统的目的。然而该现有技术需要比较多个扬声器，且无法解决聆听者与扬声器不对称的问题，同时后门边的两个扬声器混有所有的信号，容易造成定位混乱的问题。
于美国第USP5,193,118号专利公告中，使用四个全音域扬声器和一重低音扬声器，四个全音域扬声器置于四个门边，而重低音扬声器放在前座座位底下。其两声道输入信号是直接输出到扬声器。如左声道信号放到前左和后左扬声器。该现有技术仅定义扬声器摆放位置，无法解决车内不良聆听空间的问题。同时，只针对两声道输入，且声道扩展技术仅是将原有两声道复制到环场声道。由此可知，现有汽车虚拟环绕音响系统仍有改善的空间。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种汽车虚拟环绕音响系统，从而能解决现有技术中仅将音源信号信号送到汽车后面扬声器，没有立体音的感觉的问题。同时，本发明利用空间合成器(Reverberator)产生环绕声道的信号，除了让前后播放内容有不同之外，也产生适当的空间感来补足定位的不足。
依据上述目的，本发明提出一种汽车虚拟环绕音响系统，其设置于一汽车上以接收一二声道音源，从而重现正确虚拟音像位置，该系统包含一空间合成器、一加权装置、一第一滤波器及一第二滤波器。该空间合成器接收该二声道音源播出的一左声道音源及一右声道音源，并扩展为一暂时后左声道音源、一暂时后右声道音源。该加权装置接收该二声道音源播出的一左声道音源及一右声道音源，经加权运算产生一暂时前左声道音源及一暂时前右声道音源。该第一滤波器接收该暂时前左声道音源及该暂时前右声道音源，经滤波而产生一虚拟前左声道音源及一虚拟前右声道音源。该第二滤波器接收该暂时后左声道音源及该暂时后右声道音源，经滤波而产生一虚拟后左声道音源及一虚拟后右声道音源。
依据本发明的目的，本发明还提出一种汽车虚拟环绕音响系统，其设置于一汽车上以接收一二声道音源，从而重现正确虚拟音像位置，该系统包含一空间合成器及一第三滤波器。该空间合成器接收该二声道音源播出的一左声道音源及一右声道音源，并扩展为一暂时后左声道音源、一暂时后右声道音源、一暂时前左声道音源及一暂时前右声道音源。该第三滤波器连接至该空间合成器，并接收该暂时后左声道音源、该暂时后右声道音源、该暂时前左声道音源及该暂时前右声道音源，经滤波而产生一虚拟后左声道音源、一虚拟后右声道音源、一虚拟前左声道音源及一虚拟前右声道音源。其中，该虚拟前左声道音源是由该暂时前左声道音源加上该暂时后左声道音源，该虚拟后左声道音源是该虚拟前左声道音源经一加权运算及一迟延运算而产生，该虚拟前右声道音源是由该暂时前右声道音源加上该暂时后右声道音源，该虚拟后右声道音源是该虚拟前右声道音源经该加权运算及该迟延运算而产生。
依据本发明的目的，本发明又提出一种汽车虚拟环绕音响系统，其设置于一汽车上以接收一五声道音源，从而重现正确虚拟音像位置，该系统包含一空间合成器、一第一滤波器及一第二滤波器。该空间合成器接收该五声道音源播出的一前左声道音源、一前右声道音源及一中央声道音源，并扩展为一暂时前左声道音源及一暂时前右声道音源。该第一滤波器连接至该空间合成器，并接收该暂时前左声道音源及该暂时前右声道音源，经滤波而产生一虚拟前左声道音源及一虚拟前右声道音源。该第二滤波器接收该五声道音源播出的一后左声道音源及一后右声道音源，经滤波而产生一虚拟后左声道音源及一虚拟后右声道音源。
依据本发明的目的，本发明再提出一种汽车虚拟环绕音响系统，其设置于一汽车上以接收一五声道音源，从而重现正确虚拟音像位置，该系统包含一空间合成器及一第三滤波器。该空间合成器接收该五声道音源播出的一前左声道音源、一前右声道音源、一后左声道音源、一后右声道音源及一中央声道音源，并扩展为一暂时后左声道音源、一暂时后右声道音源、一暂时前左声道音源及一暂时前右声道音源该第三滤波器连接至该空间合成器，并接收该暂时后左声道音源、该暂时后右声道音源、该暂时前左声道音源及该暂时前右声道音源，经滤波而产生一虚拟后左声道音源、一虚拟后右声道音源、一虚拟前左声道音源及一虚拟前右声道音源。该虚拟前左声道音源是由该暂时前左声道音源加上该暂时后左声道音源，该虚拟后左声道音源是该虚拟前左声道音源经一加权运算及一迟延运算而产生，该虚拟前右声道音源是由该暂时前右声道音源加上该暂时后右声道音源，该虚拟后右声道音源是该虚拟前右声道音源经该加权运算及该迟延运算而产生。
本发明的有益效果在于：原本扬声器装置于汽车门边，加上聆听者没有位于中间的聆听位置，声音听起来会偏向某一边且仰角较低。经过本发明技术处理之后，音源会在聆听者正前方与耳朵差不多高度的地方，产生虚拟音像，让整个聆听的感觉贴近于在一般聆听空间。同时，由于位于后座的人常会被头后方扬声器的声音所主导，聆听音乐的时候感觉是从后方传过来的。当在观赏多声道电影的时候，常常只能听到环绕声道的声音，无法清楚地重现主要负责定位的中央声道，这样会造成定位不明的问题。经过本发明技术处理之后，可以解决受到后方扬声器主导的问题且可以定位出正确的虚拟音像。
附图说明
图1是本发明的汽车虚拟环绕音响系统的方块图。
图2是标准5.1声道摆设的示意图。
图3是本发明梳型滤波器的方块图。
图4是本发明合成器的方块图。
图5是本发明的汽车虚拟环绕音响系统另一实施例的方块图。
图6是本发明的汽车虚拟环绕音响系统再一实施例的方块图。
图7是本发明的汽车虚拟环绕音响系统又一实施例的方块图。
主要元件符号说明：
空间合成器110 加权装置120
第一滤波器130 第二滤波器140
合成器111
梳型滤波器112 3层巢状全通滤波器113
空间合成器510 第三滤波器520
空间合成器610 第一滤波器620
第二滤波器630
空间合成器710 第三滤波器720
具体实施方式
图1是本发明的汽车虚拟环绕音响系统的方块图，其设置于一汽车上以接收一二声道音源，从而重现正确虚拟音像位置。该系统包括：一空间合成器110、一加权装置120、一第一滤波器130、及一第二滤波器140。
该空间合成器110其接收该二声道音源播出的一左声道音源L及一右声道音源R，并扩展为一暂时后左声道音源RL’及一暂时后右声道音源RR’。
该加权装置120其接收该二声道音源播出的一左声道音源L及一右声道音源R，经加权运算产生一暂时前左声道音源FL’及一暂时前右声道音源FR’。
亦即，输入信号为左声道音源L及右声道音源R，并先将输入信号扩展成四声道。暂时前左声道音源FL’和暂时前右声道音源FR’即为输入信号(L，R)乘上一权重。
将(L+R)经过空间合成器110然后加上左声道音源L减去右声道音源R进而产生暂时后左声道音源RL’，而一暂时后右声道音源RR’则是将暂时后左声道音源RL’执行180度反相位所得出。
接着利用两组2×2的第一滤波器130及第二滤波器140分别处理前面和后面两声道。第一滤波器130及第二滤波器140的目的有二：(1)一为空间的响应等化(de-reverberation)，处理小空间反射的问题。(2)为定位正确的虚拟音像位置。图2是标准5.1声道摆设的示意图。根据标准5.1声道摆设，前方扬声器夹角为±30度而后方为±110度，可以用头部相关转移函数(Head-Related Transfer Function，HRTF)来定位这些虚拟音像的方位。
该第一滤波器130接收该暂时前左声道音源FL’及该暂时前右声道音源FR’，经滤波而产生一虚拟前左声道音源VFL及一虚拟前右声道音源VFR。
该第二滤波器140接收该暂时后左声道音源RL’及该暂时后右声道音源RR’，经滤波而产生一虚拟后左声道音源VRL及一虚拟后右声道音源VRR。
该空间合成器110由一个合成器111、三个加法器及两个乘法器所组成。该合成器111包含三个梳型滤波器112及一3层巢状全通滤波器(3-layer nested all-pass filter)113。图3是本发明梳型滤波器112的的方块图，图4是本发明合成器111的的方块图。
该虚拟前左声道音源VFL及该虚拟前右声道音源VFR所对应的扬声器夹角为±30°。该虚拟前左声道音源VFL及该虚拟前右声道音源VFR可用下列公式表示：
VFL(n)VFR(n)=C11F(n)C12F(n)C21F(n)C22F(n)⊗FL′(n)FR′(n),]]>
当中VFL(n)为该虚拟前左声道音源VFL，VFR(n)为该虚拟前右声道音源VFR，FL′(n)为该暂时前左声道音源FL’，FR′(n)为该暂时前右声道音源FR’。该参数C11F(n)、C12F(n)、C21F(n)、C22F(n)可用下列公式表示：
Hi30(n)Hc30(n)Hc30(n)Hi30(n)=PL,FLPL,FRPR,FLPR,FR⊗C11F(n)C12F(n)C21F(n)C22F(n),]]>
当中Hi30(n)为一30度的同侧头部转移函数，Hc30(n)为一30度的异侧头部转移函数，PL，FL为一前左扬声器到一左耳的转移函数，PR，FL为一前左扬声器到一右耳的转移函数，PL，FR为一前右扬声器到该左耳的转移函数，PR，FR为一前右扬声器到该右耳的转移函数。
该虚拟后左声道音源VRL及该虚拟后右声道音源VRR可用下列公式表示：
VRL(n)VRR(n)=C11R(n)C12R(n)C21R(n)C22R(n)⊗RL′(n)RR′(n),]]>
当中VRL(n)为该虚拟后左声道音源VRL，VRR(n)为该虚拟后右声道音源VRR，RL′(n)为该暂时后左声道音源RL’，RR′(n)为该暂时后右声道音源RR’。该参数C11R(n)、C12R(n)、C21R(n)、C22R(n)可用下列公式表示：
Hi110(n)Hc110(n)Hc110(n)Hi110(n)=PL,RLPL,RRPR,RLPR,RR⊗C11R(n)C12R(n)C21R(n)C22R(n),]]>
当中Hi110(n)为一110度的同侧头部转移函数，Hc110(n)为一110度的异侧头部转移函数，PL，RL为一后左扬声器到一左耳的转移函数，PR，RL为一后左扬声器到一右耳的转移函数，PL，RR为一后右扬声器到该左耳的转移函数，PR，RR为一后右扬声器到该右耳的转移函数。
图5是本发明的汽车虚拟环绕音响系统另一实施例的方块图，其设置于一汽车上以接收一二声道音源，从而重现正确虚拟音像位置。该系统包括：一空间合成器510及一第三滤波器520。
该空间合成器510其接收该二声道音源播出的一左声道音源L及一右声道音源R，并扩展为一暂时后左声道音源RL’、一暂时后右声道音源RR’、一暂时前左声道音源FL’及一暂时前右声道音源FR’。
该第三滤波器520连接至该空间合成器510，并接收该暂时后左声道音源RL’、该暂时后右声道音源RR’、该暂时前左声道音源FL’及该暂时前右声道音源FR’，经滤波而产生一虚拟后左声道音源VRL、一虚拟后右声道音源VRR、一虚拟前左声道音源VFL及一虚拟前右声道音源VFR。
该虚拟前左声道音源VFL是由该暂时前左声道音源FL’加上该暂时后左声道音源RL’。该虚拟后左声道音源VRL是该虚拟前左声道音源FL经一加权运算及一迟延运算而产生。该虚拟前右声道音源VFR是由该暂时前右声道音源FR’加上该暂时后右声道音源RR’。该虚拟后右声道音源VRR是该虚拟前右声道音源FR经该加权运算及该迟延运算而产生。
该加权运算的加权系数为0.65。该迟延运算的迟延时间为20毫秒。该空间合成器510可如图2所示由一个合成器111、三个加法器及六个乘法器所组成。该合成器111包含三个梳型滤波器112及一3层巢状全通滤波器(3-layer nested all-pass filter)113。
其是先利用输入两信号(L、R)扩展成四声道(FL’、FR’、RL’、及RR’)。接着将暂时前左声道音源FL’加上该暂时后左声道音源RL’以产生该虚拟前左声道音源VFL，该暂时前右声道音源FR’加上该暂时后右声道音源RR’以产生该虚拟前右声道音源VFR。相加后的该虚拟前左声道音源VFL及该虚拟前右声道音源VFR输出到前方扬声器，经过适当权重和延迟(10ms～30ms)后的该虚拟后左声道音源VRL及该虚拟后右声道音源VRR输出到后方扬声器。
此种音讯的处理技术与原音(亦即利用两声道输入，将左声道输出至前左和后左、右声道输出至前右和后右)比起来有以下的差异：(1)原音仅将原本信号送到后面扬声器，前后播放内容相近会比较没有立体音的感觉。本发明利用空间合成器产生环绕声道的信号，除了让前后播放内容有不同之外，也产生适当的空间感来补足定位的不足。(2)如果直接将产生得四声道信号输出至各相对应的扬声器，会造成前座聆听者听到的声音大部分是没有处理的两声道信号，而后座的人则是受到空间合成器产生的残响所主导。为了避免这个问题，本发明先将前后信号混音，让前后音场比较平衡。(3)混音后的信号变成两声道，如果照现有技术直接将信号输出至四声道扬声器，会有前后内容相近的问题，而本发明将信号经过适当延迟(延迟大于等于10ms)和权重之后再送到环场声道，以避免前述问题的产生。
图6是本发明的汽车虚拟环绕音响系统再一实施例的方块图，其设置于一汽车上以接收一五声道音源，从而重现正确虚拟音像位置，该系统包含：一空间合成器610、一第一滤波器620及一第二滤波器630。
该空间合成器610该空间合成器包含一个加权器及二个加法器。该空间合成器610接收该五声道音源播出的一前左声道音源FL、一前右声道音源FR及一中央声道音源C，并扩展为一暂时前左声道音源FL’及一暂时前右声道音源FR’。
该第一滤波器620连接至该空间合成器610，并接收该暂时前左声道音源FL’及该暂时前右声道音源FR’，经滤波而产生一虚拟前左声道音源VFL及一虚拟前右声道音源VFR。
该第二滤波器630接收该五声道音源播出的一后左声道音源RL及一后右声道音源RR，经滤波而产生一虚拟后左声道音源VRL及一虚拟后右声道音源VRR。
该虚拟前左声道音源VFL及该虚拟前右声道音源VFR可用下列公式表示：
VFL(n)VFR(n)=C11F(n)C12F(n)C21F(n)C22F(n)⊗FL′(n)FR′(n),]]>
当中VFL(n)为该虚拟前左声道音源VFL，VFR(n)为该虚拟前右声道音源VFR，FL′(n)为该暂时前左声道音源，FR′(n)为该暂时前右声道音源。该参数C11F(n)、C12F(n)、C21F(n)、C22F(n)可用下列公式表示：
Hi30(n)Hc30(n)Hc30(n)Hi30(n)=PL,FLPL,FRPR,FLPR,FR⊗C11F(n)C12F(n)C21F(n)C22F(n),]]>
当中Hi30(n)为一30度的同侧头部转移函数，Hc30(n)为一30度的异侧头部转移函数，PL，FL为一前左扬声器到一左耳的转移函数，PR，FL为一前左扬声器到一右耳的转移函数，PL，FR为一前右扬声器到该左耳的转移函数，PR，FR为一前右扬声器到该右耳的转移函数。
该虚拟后左声道音源VRL及该虚拟后右声道音源VRR可用下列公式表示：
VRL(n)VRR(n)=C11R(n)C12R(n)C21R(n)C22R(n)⊗RL′(n)RR′(n),]]>
当中VRL(n)为该虚拟后左声道音源VRL，VRR(n)为该虚拟后右声道音源VRR，RL′(n)为该暂时后左声道音源，RR′(n)为该暂时后右声道音源。该参数C11R(n)、C12R(n)、C21R(n)、C22R(n)可用下列公式表示：
Hi110(n)Hc110(n)Hc110(n)Hi110(n)=PL,RLPL,RRPR,RLPR,RR⊗C11R(n)C12R(n)C21R(n)C22R(n),]]>
当中Hi110(n)为一110度的同侧头部转移函数，Hc110(n)为一110度的异侧头部转移函数，PL，RL为一后左扬声器到一左耳的转移函数，PR，RL为一后左扬声器到一右耳的转移函数，PL，RR为一后右扬声器到该左耳的转移函数，PR，RR为一后右扬声器到该右耳的转移函数。
本实施例技术是针对输入信号为5.1声道如DVD，因为输入信号为多声道，所以不需要做声道扩展。由于扬声器只有四个，必须先把中央声道(C)混到前面两声道。
图7是本发明的汽车虚拟环绕音响系统又一实施例的方块图，其设置于一汽车上以接收一五声道音源从而重现正确虚拟音像位置，该系统包含一空间合成器710及一第三滤波器720。
该空间合成器710其接收该五声道音源播出的一前左声道音源FL、一前右声道音源FR、一后左声道音源RL、一后右声道音源RR及一中央声道音源C，并扩展为一暂时后左声道音源RL’、一暂时后右声道音源RR’、一暂时前左声道音源FL’及一暂时前右声道音源FR’。
该第三滤波器720连接至该空间合成器710，并接收该暂时后左声道音源RL’、该暂时后右声道音源RR’、该暂时前左声道音源FL’及该暂时前右声道音源FR’，经滤波而产生一虚拟后左声道音源VRL、一虚拟后右声道音源VRR、一虚拟前左声道音源及VFL一虚拟前右声道音源VFR。
该虚拟前左声道音源VFL是由该暂时前左声道音源FL’加上该暂时后左声道音源RL’，该虚拟后左声道音源VRL是该虚拟前左声道音源VFL经一加权运算及一迟延运算而产生。该虚拟前右声道音源VFR是由该暂时前右声道音源FR’加上该暂时后右声道音源RR’，该虚拟后右声道音源VRR是该虚拟前右声道音源VFR经该加权运算及该迟延运算而产生。该加权运算的加权系数为0.65。该迟延运算的迟延时间为20毫秒。
此种音讯的处理技术与原音(5.1声道信号)比起来有以下的差异：(1)5.1声道的环绕声道负责产生环场的(ambient)感觉，不负责定位。照原音直接播出的话，后座乘客听到的都是环场音效。本发明利用第一和第二滤波器正确的重现5.1声道的位置，修正聆听者受到某一扬声器主导的问题。(2)混音后的信号变成两声道，如果照现有技术直接将信号输出至四声道扬声器，会有前后内容相近的问题。因此本发明将信号经过适当延迟(延迟大于等于10ms)和权重之后再送到环场声道。
由上述说明可知，原本扬声器装置于汽车门边，加上聆听者没有位于中间的聆听位置，声音听起来会偏向某一边且仰角较低。经过本发明技术处理之后，音源会在聆听者正前方与耳朵差不多高度的地方，产生虚拟音像，让整个聆听的感觉贴近于在一般聆听空间。同时，由于位于后座的人常会被头后方扬声器的声音所主导，聆听音乐的时候感觉是从后方传过来的。当在观赏多声道电影的时候，常常只能听到环绕声道的声音，无法清楚地重现主要负责定位的中央声道，这样会造成定位不明的问题。经过本发明技术处理之后，可以解决受到后方扬声器主导的问题且可以定位出正确的虚拟音像。
上述实施例仅为了方便说明而举例而已，本发明所要求保护的范围应以权利要求书的范围所述为准，而非仅限于上述实施例。