一种虚拟环绕声扩大听音区的方法 【技术领域】
本发明涉及音频信号处理， 尤其涉及一种虚拟环绕声扩大听音区的方法。背景技术 虚拟环绕声技术实际上是将多声道音频通过两声道重放出来， 并让人感觉到还有 环绕效果， 从而达到占用较少的扬声器和空间， 特别是对于电视机、 移动电话等本身只有两 个扬声器的设备， 有较大的实用价值。
声音信号通过扬声器重放和通过耳机重放是不同的。扬声器与耳机的区别在于， 耳机的声音是直接传到两耳， 而扬声器与人耳之间有一段距离， 根据声音传播原理， 左耳不 仅能听到单纯由左扬声器传来的声音， 还包括右扬声器的声音， 同样右耳听到的也并非是 单纯由右扬声器传来的声音， 还包括左扬声器的声音， 这种现象称为耳间串音， 一般通过均 衡网络消除扬声器的耳间串扰。
通常的串音消除处理方法中， 为了得到虚拟声源的信号处理模型， 假设声源来自 正对听者左耳的位置， 先利用一对麦克风记录下真实声音， 再通过音箱重发。 在声源发出一 个声音信号之后， 先被左边的麦克风记录， 然后被右边的麦克风记录。 两个麦克风距离接近 于一个头部宽度， 则时延大约为 580μs。判断声源来自于左音箱位置。因此包含其中的真 实方位信息就受到破坏， 从而不能还原原始声像位置， 影响虚拟立体声的逼真效果。
具体而言， 如果用 (T11， T21)、 (T12， T22) 分别代表左、 右音箱到双耳的声学传递函数， H 是由虚拟声源到理想输出的传输矩阵， DL、 DR 是最终到达人耳的信号。假设期望两耳接收 到的信号为 xL、 xR。由图 1 所示， 在没有经过处理之前， 到达双耳的信号为 ：
显然， 此时得到的实际信号 DL、 DR 与期望的信号 xL、 xR 存在一定的差异。因此为使 得最终到达人耳的信号为理想信号， 需要在音箱前置一个串音消除网络 C， 用于抵消实际音 箱的传递函数。这样实际音箱的输入信号为
最终到达双耳的实际信号为若使得实际信号与期望信号相同， 应有即 C ＝ T-1。因此构建网络 C 就是使得实际音箱到双耳的传递函数得到抵消， 还原 虚拟声源所在的位置信息， 真正实现声音传输 “透明化” 。
从而串音消除网络的实质就是构建逆滤波器， 网络的设计也影响着最终的消除效
果， 决定了听者能否接受到稳定的信号。
为避免对音箱传递函数矩阵 T 求逆， 引入反馈式的消除网络， 如图 2 所示， 设反馈 矩阵为 F， 前向传输矩阵为 Q， 则串音消除网络的输出为
因此有 S ＝ (I-F)-1Q·X 从而反馈式网络的消除矩阵为 C ＝ (I-F)-1Q 从整个系统定义可知， 串音消除矩阵应该是音箱传递矩阵 T 的逆矩阵， 即 -1 -1 (I-F) Q ＝ T 或者表示为 F ＝ I-Q·T 为简化设计， 令 Q 为对角化矩阵
则由上式可得到
该方案结构简单， 将所有的串音都抵消掉了， 但这也使得听者对位置具有依赖性， 如果听者头部在前方转动超过 10 度， 就会使听者感到声像偏到头的内部， 从而降低了听音 效果。发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中完全消除串音， 使得最佳听音位置 比较窄， 听者的头部活动范围也比较小的缺陷， 提供一种能够扩大听音区， 听者的头部活动 范围较大的虚拟环绕声扩大听音区的方法及其系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 ：
提供一种虚拟环绕声扩大听音区的方法， 包括以下步骤 ：
S1、 将左声源信号和右声源信号分别通过交叉滤波通道进行传输， 其传递函数为 其中， x 为衰减因子， A 为扬声器到听者远耳端的传输路径的 HRTF 传递函数， S 为扬 声器到听者近耳端的传输路径的 HRTF 传递函数 ；
S2、 将所述左声源信号和经过所述交叉通道滤波器的右声源信号叠加后进行校正 和增益处理， 处理的传递函数为 G， 且
S3、 对所述右声源信号和经过所述交叉通道滤波器的左声源信号叠加后进行校正和增益处理， 处理的传递函数也为 G ；
S4、 将经过校正和增益处理后的左声源信号和右声源信号进行数模转换后再分别 传给左扬声器和右扬声器。
本发明所述的虚拟环绕声扩大听音区的方法中， 所述衰减因子 x 的取值范围为 ： 0 ≤ x ≤ 1。
本发明所述的虚拟环绕声扩大听音区的方法中， 所述衰减因子 x 的取值范围为 ： 0.5 ≤ x ≤ 0.8。
本发明所述的虚拟环绕声扩大听音区的方法中， 所述左扬声器和右扬声器的放置 角度为 30 度。
本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是 ：
提供一种虚拟环绕声扩大听音区的系统， 包括左声源和右声源， 以及左扬声器和 右扬声器， 该系统还包括 ：
交叉通道滤波器， 包括两个交叉的传输通道， 分别用于传输左声源信号和右声源 信号， 其交叉通道的传递函数为 其中， x 为衰减因子， A 为扬声器到听者远耳端的传输路径的 HRTF 传递函数， S 为扬声器到听者近耳端的传输路径的 HRTF 传递函数 ； 左信号叠加器， 用于将所述左声源信号和经过所述交叉通道滤波器的右声源信号 进行叠加 ；
左校正增益滤波器， 用于对所述左信号叠加器叠加后的信号进行校正和增益处
理， 该滤波器的传递函数为 G， 且 右信号叠加器， 用于将所述右声源信号和经过所述交叉通道滤波器的左声源信号 进行叠加 ；
右校正增益滤波器， 用于对所述右信号叠加器叠加后的信号进行校正和增益处 理， 该滤波器的传递函数也为 G ；
左数模转换器， 用于将所述左校正增益滤波器的处理后的信号进行数模转换再传 给左扬声器 ；
右数模转换器， 用于将所述右校正增益滤波器的处理后的信号进行数模转换再传 给右扬声器。
本发明所述的虚拟环绕声扩大听音区的系统中， 所述衰减因子 x 的取值范围为 ： 0.5 ≤ x ≤ 0.8。
本发明所述的虚拟环绕声扩大听音区的系统中， 所述衰减因子 x 的取值范围为 ： 0 ≤ x ≤ 1。
本发明所述的虚拟环绕声扩大听音区的系统中， 所述左扬声器和右扬声器的放置 角度为 30 度。
本发明产生的有益效果是 ： 将声源信号通过交叉通道滤波器， 交叉通道滤波器的
传递函数为其中， x 为衰减因子， A 为扬声器到听者远耳端的传输路径的 HRTF 传递函数， S 为扬声器到听者近耳端的传输路径的 HRTF 传递函数， 再将通过交叉通道滤波器的信号进行校正和增益处理， 处理的传递函数为 G， 且对经过校正和增益处理后的声源信号进行数模转换后再传给扬声器， 可保留部分必要的串音， 扩大了听音区的范围， 使得听者的头部可以在较大范围内活动而保持较好的音像效果。 附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明， 附图中 ：
图 1 是现有技术中通过均衡网络消除串音的模型 ；
图 2 是现有技术中串音消除的反馈法模型 ；
图 3 是本发明实施例虚拟环绕声扩大听音区的方法的流程图 ；
图 4 是本发明实施例虚拟环绕声扩大听音区系统的结构示意图 ；
图 5 是本发明实施例虚拟环绕声扩大听音区系统的模型 ；
图 6 是本发明较佳实施例中衰落因子 x 和最佳听音点尺寸的关系图 ；
图 7 是本发明较佳实施例中衰减因子与信号感知角度的关系图。 具体实施方式
为了使本发明的目的、 技术方案及优点更加清楚明白， 以下结合附图及实施例， 对 本发明进行进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明， 并不 用于限定本发明。
如图 4 所示， 本发明实施例虚拟环绕声扩大听音区的系统， 该系统包括左声源 11、 交叉通道滤波器 20、 左信号叠加器 12、 左校正增益滤波器 13、 左数模转换器 14、 左扬声器 15 以及左扬声器 16， 本系统还包括右声源 31、 右信号叠加器 32、 右校正增益滤波器 33、 右数模 转换器 34、 右扬声器 35 以及右扬声器 36。左声源 11 用于产生左声源信号， 右声源 31 用于 产生右声源信号， 左声源信号和右声源信号均为数字信号。
交叉通道滤波器 20， 包括两个交叉的传输通道 ( 可通过一分枝节点将左声源信 号变为两路相同的信号， 其中一路通过交叉通道滤波器 20 的一个传输通道传输， 另一路 则不经过交叉通道滤波器 20 的传输通道传输而直接通过左校正增益滤波器 13， 对右声源 信号可做同样处理 )， 分别用于传输左声源信号和右声源信号， 其交叉通道的传递函数为 其中， x 为衰减因子， A 为扬声器到听者远耳端的传输路径的 HRTF 传递函数， S 为扬 声器到听者近耳端的传输路径的 HRTF 传递函数 ； 其中 HRTF 传递函数即头部反应传送函数 (Head-Response Transfer Function)。HRTF 可以通过大量的个人 HRTF 的统计平均来获 得， 也可以通过建模的方法由实验室得到。本发明实施例中选择的 HRTF 数据是麻省理工学 院 (MIT) 媒体实验室提供的一组数据。
左信号叠加器 12， 用于将左声源信号和经过交叉通道滤波器 20 的右声源信号进 行叠加 ；
左校正增益滤波器 13， 用于对左信号叠加器叠加后的信号进行校正和增益处理， 该滤波器的传递函数为 G， 且
右信号叠加器 32， 用于将右声源信号和经过交叉通道滤波器的左声源信号进行叠加； 右校正增益滤波器 33， 用于对右信号叠加器叠加后的信号进行校正和增益处理， 该滤波器的传递函数也为 G ；
左数模转换器 14， 用于将左校正增益滤波器的处理后的信号进行数模转换再传给 左扬声器 15 ；
右数模转换器 34， 用于将右校正增益滤波器的处理后的信号进行数模转换再传给 右扬声器 35。
如图 5 所示， 为本发明实施例虚拟环绕声扩大听音区系统的模型， 由此可以更清 楚地了解本发明虚拟环绕声扩大听音区系统的结构， 该模型包括两大传输通道 ： 左通道和 右通道， 每个通道有一个独立的输入 4L， R， 用于接收双耳信号， 每个通道由分枝节点 6L， R、 求和节点 8L， R、 校正增益滤波器 10L， R， 交叉通道滤波器 12L， R 和一个数模转换器 13L， R 组成， 信号经过以上通道， 进入扬声器 15L， R， 扬声器通过直达路径 ( 即从传感器到听者 16 临近的耳朵 18L， R， 这样的传输路径的传递函数是 S 和间接传输路径 ( 即从扬声器到听者 16 的远耳端 20L， R， 这样的传输路径的传递函数是 A 到达听者。其中 12L， R 为引入衰减因
子的交叉通道滤波器 10L， R 的两个传输通道， 其传递函数为 传递函数，
G 为校正增益滤波器的假设虚拟的双声道信号为 WL、 WR， 以 WR 传到右耳为例， 即以右声源信号传到右耳为 例， 右声源信号其实是通过两路的传输最终传入人耳的， 其中一路右声源信号经过交叉通 道滤波器 20、 右校正增益滤波器 33， 再经过右数模转换器 34 和右扬声器 35 到达人右耳， 该 路的传递函数为 ：
另一路右声源信号经过右校正增益滤波器 33， 再经过右数模转换器 34 和右扬声 器 35 到达人右耳的传递函数为 ：
Rr2(f) ＝ GS............................(2)
所以， 右声源信号到右耳的传递函数为 ：
为保证该传递函数对右声源信号是 “透明的” ， 即右声源信号传导右耳是不失真 的， 则 Rr(f) ＝ 1， 那么 G 为 ：
2同理， 右声源信号到左耳的传递函数为 ：即使低频段中声音到两耳的传递函数 S 和 A 近似相等的， 由于 x 的引入， 使得 (S -xA ) 是有限的， 从而保证了滤波器的稳定性。2左声源信号到左耳的传递函数为 ：得到 ：左声源信号到右耳的传递函数为 ：传统的串音抵消是将串音完全抵消掉， 这样使得最佳听音位置比较窄， 听者的头 部活动范围也比较小。根据本实施例中右声源信号到左耳的传递函数可知， 串音信号没有 完全消除， 因此当听者的位置发生变化时， 人耳接收的串音信号不会发生明显的变化， 这样 2 2 剩余一些串音信号扩大了听音区域。又由于 x 的引入， 使得 (S -xA ) 是有限的， 从而保证了 滤波器的稳定性， 且通过耳机重放时会获得更好的音像质量。
进一步地， 本发明实施例的虚拟环绕声扩大听音区的系统中衰减因子 x 的取值范 围为 ： 0 ≤ x ≤ 1， 如图 6 所示， 当 x 在 0.2 和 0.8 变化时， 最佳听音区域的范围变化缓慢， 小 于 10 英寸 (25cm) ； 当 x 小于 0.2 时， 最佳听音区域的范围变化很快。x 为 0 时， 则完全没有 进行串音的消除 ； x 为 1 时， 只有一个特殊的最佳听音点， 超出这个位置， 重放的音频效果就 会降低 ； x 为 0.95 时， 最佳听音区的尺寸达几个英寸， 听者可以向前、 向后以及垂直的运动 或者旋转头部 ； x 为 0.5 时， 最佳听音范围是 10 英寸 (25cm)， 听者移动椅子的位置仍然可以 获得最佳的听音效果。
如图 7 所示， 为到达双耳的声源信号被感知的角度 ( 即图 5 中的 θ 角 ) 和衰减因 子 X 的关系。在一个完善的双耳系统中， 最理想的是声音能从超过扬声器角度的方向到达 双耳， 并且声音信号能够从一个与耳朵垂直的方向 ( 方位角为 90 度 ) 到达双耳。
根据图 7 所示， x 为 1 时， 串音被全部抵消， 声音到达的方位角是 90 度。x 为 0 时， 完全没有进行串音的消除， 声音到达的方位角是 30 度， 这正是本发明一个实施例中扬声器 的放置角度。x 为 0.5 是一个下限值， 声音到达的方位角是 50 度， 如果 x 低于 0.5， 听音专 家就会感到音质下降。
进一步地， 本发明较佳实施例中为了保证音质， 可以选择衰减因子 x 的取值范围 为： 0.5 ≤ x ≤ 0.8。
如图 3 所示， 本发明实施例虚拟环绕声扩大听音区的方法包括以下步骤 ：
S1、 将左声源信号和右声源信号分别通过交叉滤波通道进行传输 ( 可通过一分枝 节点将左声源信号变为两路相同的信号， 其中一路通过交叉滤波通道传输， 对右声源信号
可做同样处理 )， 其传递函数为其中， x 为衰减因子， A 为扬声器到听者远耳端的传输路径的 HRTF 传递函数， S 为扬声器到听者近耳端的传输路径的 HRTF 传递函数， 左声源信号 和右声源信号均为数字信号 ； 本发明实施例中选择的 HRTF 数据是麻省理工学院 (MIT) 媒体 实验室提供的一组 HRTF 数据。S2、 将左声源信号和经过交叉通道滤波器的右声源信号叠加 ( 可以通过一求和节 本实施点进行信号叠加 ) 后进行校正和增益处理， 处理的传递函数为 G， 且 例中 G 的推导过程在上文中已经详细描述， 在此不再赘述 ；
S3、 对右声源信号和经过交叉通道滤波器的左声源信号叠加 ( 可以通过另一求和节点进行信号叠加 ) 后进行校正和增益处理， 处理的传递函数也为 G， 且 S4、 将经过校正和增益处理后的左声源信号和右声源信号进行数模转换后再分别 传给左扬声器和右扬声器。左扬声器和右扬声器可以一定的方位角传给人耳。本发明实施 例中可设左扬声器和右扬声器的放置角度为 30 度时， 人耳可以感受到更好的音像效果。
进一步地， 本发明实施例的虚拟环绕声扩大听音区的方法中衰减因子 x 的取值范 围为 ： 0 ≤ x ≤ 1， 如图 6 所示， 当 x 在 0.2 和 0.8 变化时， 最佳听音区域的范围变化缓慢， 小 于 10 英寸 (25cm) ； 当 x 小于 0.2 时， 最佳听音区域的范围变化很快。x 为 0 时， 则完全没有 进行串音的消除 ； x 为 1 时， 只有一个特殊的最佳听音点， 超出这个位置， 重放的音频效果就 会降低 ； x 为 0.95 时， 最佳听音区的尺寸达几个英寸， 听者可以向前、 向后以及垂直的运动 或者旋转头部 ； x 为 0.5 时， 最佳听音范围是 10 英寸 (25cm)， 听者移动椅子的位置仍然可以 获得最佳的听音效果。
本发明较佳实施例中可以选择衰减因子 x 的取值范围为 ： 0.5 ≤ x ≤ 0.8。 本发明将声源信号通过交叉通道滤波器， 交叉通道滤波器的传递函数为 其中， x 为衰减因子， A 为扬声器到听者远耳端的传输路径的 HRTF 传递函数， S 为扬声器到听 者近耳端的传输路径的 HRTF 传递函数， 再将通过交叉通道滤波器的信号进行校正和增益 处理， 处理的传递函数为 G， 且 对经过校正和增益处理后的声源信号进行数模转换后再传给扬声器， 可保留部分必要的串音， 扩大了听音区的范围， 使得听者的头部可 以在较大范围内活动而保持较好的音像效果。
应当理解的是， 对本领域普通技术人员来说， 可以根据上述说明加以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。