CN107231599A - 一种3d声场构建方法和vr装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种3D声场构建方法和VR装置，根据音源与收听者的位置关系，产生含有音源位置信息的音频信号；并根据所述含有音源位置信息的音频信号，进行3D声场空间环境复原重建。实现了VR中的全景音频的输出模式，使得3D声场更加具有现实感，给VR产品带来声音上的沉浸感，提升了用户体验。
Description
技术领域
本发明涉及声场构建技术领域，特别是涉及一种3D声场构建方法和VR装置。
背景技术
随着VR(Virtual Reality，虚拟现实)技术的迅速发展，及用户追求的视觉听觉的沉浸感，对于在VR产品中对3D图像和3D声场的技术也要求越来越高。目前，3D图像等相关的技术都发展得很成熟了，再现现实和虚幻世界中的物体并不困难。但如果只有图像上的沉浸感，没有声音的渲染，那么无法使用户真正沉浸在虚拟世界里。
我们知道VR的一个重要特性就是信息的选择性摄入，在传统显示方式中所有的信息都在用户的面前，没法选择。但VR不同，它提供了全景的观看模式，有更丰富的画面供选择，需要引导。比如：当一位美女在你左侧拍手，你在现实中正常的反应就应该是向左侧转身，然后获取拍手的人是美女这个信息。可见，声音在这里起到的作用是行为产生的最初始依据。这就是全景音频对VR体验的价值。
那么如何提供一种VR中的3D声场构建的方法和VR装置，模拟出现实世界中的声场，实现全景音频，成为目前很多VR研究者面临的难题。
发明内容
本发明实施例提供一种3D声场构建方法和VR装置，用以解决现有技术中VR中无法实现3D声场构建的缺陷，实现VR中的全景音频的输出模式。
为了解决上述问题，本发明公开了一种3D声场构建方法，应用于VR产品，其中，包括：
根据音源与收听者的位置关系，产生含有音源位置信息的音频信号；
根据所述含有音源位置信息的音频信号，进行3D声场空间环境复原重建。
本发明所述的方法，其中，所述根据音源与收听者的位置关系，产生含有音源位置信息的音频信号的步骤进一步包括：
根据音源与收听者的位置关系，选取头相关变换函数HRTF，将音源信号及音源的HRTF脉冲响应信号做卷积获得含有音源位置信息的音频信号。
本发明所述的方法，其中，进一步包括：
根据音源与收听者的位置关系，选取HRTF函数，将音源信号及音源的HRTF脉冲响应信号通过FFT运算变换到频域上做乘积得到含有音源位置信息的音频信号。
本发明所述的方法，其中，所述根据所述含有音源位置信息的音频信号，进行3D声场空间环境复原重建的步骤进一步包括：
根据所述含有音频位置信息的音频信号，采用数字混响的延迟反馈网络进行3D空间环境复原重建。
本发明所述的方法，其中，进一步包括：
对3D声场空间环境重建后的声音信号与3D声场空间环境重建后的声音信号本身本身经过二阶低通滤波后的声音信号进行混合并输出。
为了解决上述问题，本发明还公开了一种VR装置，包括：
声音定位模块，用于根据音源与收听者的位置关系，产生含有音源位置信息的音频信号；
3D声场空间环境复原重建模块，用于根据所述含有音源位置信息的音频信号，进行3D声场空间环境复原重建。
本发明所述的装置，其中，
所述声音定位模块，进一步用于根据音源与收听者的位置关系，选取HRTF函数，将音源信号及音源的HRTF脉冲响应信号做卷积获得含有音源位置信息的音频信号。
本发明所述的装置，其中，
所述声音定位模块，进一步用于根据音源与收听者的位置关系，选取HRTF函数，将音源信号及音源的HRTF脉冲响应信号通过FFT运算变换到频域上做乘积得到含有音源位置信息的音频信号。
本发明所述的装置，其中，
所述3D声场空间环境复原重建模块，进一步用于根据所述含有音频位置信息的音频信号，采用数字混响的延迟反馈网络进行3D空间环境复原重建。
本发明所述的装置，其中，进一步包括：
低音增强模块，用于对3D声场空间环境重建后的声音信号与3D声场空间环境重建后的声音信号本身本身经过二阶低通滤波后的声音信号进行混合并输出。
本发明实施例提供的一种3D声场构建方法和VR装置，通过根据音源与收听者的位置关系，产生含有音源位置信息的音频信号；并根据所述含有音源位置信息的音频信号，进行3D声场空间环境复原重建。实现了VR中的全景音频的输出模式，根据收听者位置的变动而声场随时重建。进一步通过对3D声场空间环境重建后的声音信号与其本身进行二阶低通滤波后进行混合并输出，使得将低音部分的损失进行了弥补，3D声场更加具有现实感，给VR产品带来声音上的沉浸感，提升了用户体验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种3D声场构建方法实施例的步骤流程图；
图2是本发明一种3D声场构建方法另一实施例的步骤流程图；
图3是本发明一种VR装置实施例的结构框图；
图4是本发明实施例采用8个延迟线模拟声音的反射的结构示意图；
图5是本发明实施例低音增强模块的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
参照图1，示出了本发明实施例一种3D声场构建方法的步骤流程图。
本实施例的一种3D声场构建方法，应用于VR产品，包括以下步骤：
步骤10：根据音源与收听者的位置关系，产生含有音源位置信息的音频信号；即收听者根据听到的声音确定音源位置，可以采用现有类似家庭影院或者影院的音响系统回放还原或采用双声道来实现声音的空间定位，比如通过头相关传递函数HRTF(Head RelatedTransfer Function)来实现。通常可以根据纬度和经度将收听者周围空间划分成若干等份(比如MIT以15度为间隔)，在每个采样点，音源处产生脉冲信号，收听者处收到信号经过去处理等操作获得该方位点的HRTF，由此得到一系列的头相关传递函数。现在有了收听者和音源的方位信息就可以查表获取正确的头相关传递函数。另外，考虑到距离衰减的问题，根据收听者所处的位置和音源之间的距离，还可以用一个函数计算距离产生的衰减，该函数可以采用指数衰减模型。
步骤20：根据所述含有音源位置信息的音频信号，进行3D声场空间环境复原重建。
本实施例的本步骤中，采用现有的数字混响的延迟反馈网络模型，也就是使用延迟线来模拟声音的反射。这样可以根据调节反射线的增益以及反射线的延迟时间来控制混响时间和混响密度。通过低通滤波器来消除高频分量增强后引起得啸叫声。本发明基于实现8个延迟线来模拟声音的反射。如图4所示。
在闭室声场中声波传播，室内任一点听到的声音都要包括两大部分：直达声和反声。直达声是声波不经过任何障碍物直接到达人耳的那部分，其传播路径较短，所以能量损失少，幅度很强。反射声中，把与直达声间隔时间小于50ms的反射声称早期反射声，与直达声间隔时间大于50ms的反射声称混响声。早期反射声通常只经过一、二次反射，其能量较大，且相互之间的间隔也较大。混响声则经过多次反射，其能量较小，而且彼此间的间隔比较小。本发明采用延迟反馈网络来模拟实际场景实现最终的混响效果。如图所示：使用8个延迟单元来模拟声音到达人耳经过的8种不同路径延时。输入x(n)与输出y(n)的-2/N(本发明N＝8)混合后作为每一延迟线的外来输入。每一延迟线的输出也会反馈到该延迟线作为反馈输入，反馈输入和外来输入混合，经过延迟单元的延迟后，再经过低通滤波，作为该延迟线的输出。所有延迟线输出混合后作为该时刻的输出y(n)。可以用8条延时线实现混响的早期反射声。而输出y(n)的反馈可以作为混响声。
通过本方法实施例，根据音源与收听者的位置关系，产生含有音源位置信息的音频信号；并根据所述含有音源位置信息的音频信号，进行3D声场空间环境复原重建。实现了VR中的全景音频的输出模式，根据收听者位置的变动而声场随时重建。
实施例二
参照图2，示出了本发明一种3D声场构建方法的另一实施例步骤流程图。本实施例的一种3D声场构建方法，应用于VR产品，包括以下步骤：
步骤101：根据音源与收听者的位置关系，产生含有音源位置信息的音频信号；这里，根据音源与收听者的位置关系，选取头相关变换函数HRTF函数，将音源信号及音源的HRTF脉冲响应信号做卷积获得含有音源位置信息的音频信号。相关研究机构根据纬度和经度将收听者周围空间划分成若干等份(比如MIT以15度为间隔)，在每个采样点，音源处产生脉冲信号，收听者处收到信号经过去处理等操作获得该方位点的HRTF，由此得到一系列的头相关传递函数。现在有了收听者和音源的方位信息就可以查表获取正确的头相关传递函数。
具体地，对于音源定位本实施例采用MIT数据库。从信号与系统的角度看，有了该位置点的头相关变换函数HRTF：该函数是一种音效定位算法，对应时域的头相关冲击响应(Head Related Inpulse Response,HRIR)，那么跟输入源进行卷积得到的音频信号就包含有音源的位置信息:
公式一：
其中，y(n)表示：经过头相关脉冲响应处理的输出音频序列；x(n)表示：输入的音频序列，表示第n个样点；h(n)表示：头相关脉冲响应序列；n表示：代表时间的序号。
另外，由于卷积会占用大量的存储空间，所以可以将输入信号和HRTF的脉冲响应进行FFT运算变换到频域上。时域的卷积对应的是频域上的乘积，因此，公式一就变成：
公式二：Y(w)＝X(w)*H(w)
其中，Y(w)表示：经过头相关脉冲响应处理的输出序列的傅立叶变换；X(w)表示：输入音频序列的傅立叶变换；H(w)表示：头相关的脉冲响应序列的傅立叶变换；w表示：离散频率点。
由于输入的音频序列是一个很长的输入信号，而且为了减小算法处理带来的缓存延迟，一般都会讲输入序列x(n)分为许多段后处理，于是输出可分解为：
其中：
由此表明，只要将x(n)的每一小段分别与h(n)卷积，然后再将这些卷积结果相加起来就可以得到输出序列，这样，每一段的卷积都可用上面讨论的快速卷积来计算。先对h(n)以及xi(n)补零，补到具有N点长度，N＝N1+N2-1其中，N1是h(n)的长度，N2是xi(n)的序列长度。一般选择N＝2M，然后用基2FFT算法通过正反变换计算得到N一般既不能取得太大也不能取得太小，如果太大会导致缓存延时的增加以及占用较多的内存，如果太小那么CPU的占用率就会上升以及under-run发生的概率会增大。本发明采用了512个sample，处理一次的时间差不多是1ms左右。
由于yi(n)长度为N，而xi(n)的长度为N2，因此相邻两yi(n)序列必然有N-N2＝N1-1点发生重叠，这个重叠部分应该相加起来才能构成最后的输出序列。
另外，考虑到距离衰减的问题，根据收听者所处的位置和音源之间的距离，还可以用一个函数计算距离产生的衰减，该函数可以采用指数衰减模型。
步骤102：根据所述含有音源位置信息的音频信号，进行3D声场空间环境复原重建；
本实施例的本步骤中，采用现有的数字混响的延迟反馈网络模型，也就是使用延迟线来模拟声音的反射。这样可以根据调节反射线的增益以及反射线的延迟时间来控制混响时间和混响密度。通过低通滤波器来消除高频分量增强后引起得啸叫声。本发明基于实现8个延迟线来模拟声音的反射。如图4所示。
在闭室声场中声波传播，室内任一点听到的声音都要包括两大部分：直达声和反声。直达声是声波不经过任何障碍物直接到达人耳的那部分，其传播路径较短，所以能量损失少，幅度很强。反射声中，把与直达声间隔时间小于50ms的反射声称早期反射声，与直达声间隔时间大于50ms的反射声称混响声。早期反射声通常只经过一、二次反射，其能量较大，且相互之间的间隔也较大。混响声则经过多次反射，其能量较小，而且彼此间的间隔比较小。本发明采用延迟反馈网络来模拟实际场景实现最终的混响效果。如图所示：使用8个延迟单元来模拟声音到达人耳经过的8种不同路径延时。输入x(n)与输出y(n)的-2/N(本发明N＝8)混合后作为每一延迟线的外来输入。每一延迟线的输出也会反馈到该延迟线作为反馈输入，反馈输入和外来输入混合，经过延迟单元的延迟后，再经过低通滤波，作为该延迟线的输出。所有延迟线输出混合后作为该时刻的输出y(n)。可以用8条延时线实现混响的早期反射声。而输出y(n)的反馈可以作为混响声。
步骤103：参照图5，对3D声场空间环境重建后的声音信号与3D声场空间环境重建后的声音信号本身本身经过二阶低通滤波后的生意信号进行混合并输出，使得将低音部分的损失进行了弥补，进一步提升用户体验。
通过本方法实施例，通过根据音源与收听者的位置关系，产生含有音源位置信息的音频信号；并根据所述含有音源位置信息的音频信号，进行3D声场空间环境复原重建。实现了VR中的全景音频的输出模式，根据收听者位置的变动而声场随时重建。进一步通过对3D声场空间环境重建后的声音信号与其本身进行二阶低通滤波后进行混合并输出，使得将低音部分的损失进行了弥补，3D声场更加具有现实感，给VR产品带来声音上的沉浸感，提升了用户体验。
实施例三
参照图3，示出了本发明实施例一种VR装置的结构框图。
本实施例的VR装置1，包括：声音定位模块2、3D声场空间环境复原重建模块3和低音增强模块4。
其中，声音定位模块2根据音源与收听者的位置关系，产生含有音源位置信息的音频信号，3D声场空间环境复原重建模块3根据声音定位模块2输出的所述含有音源位置信息的音频信号，进行3D声场空间环境复原重建。低音增强模块4对3D声场空间环境重建模块3输出的声音信号与3D声场空间环境重建模块3输出的声音信号经过二阶低通滤波后的声音信号进行混合并输出。低音增强模块采用如图5所示结构。
在本实施例中，对于声音定位模块2是根据音源与收听者的位置关系，选取HRTF函数，将音源信号及音源的HRTF脉冲响应信号做卷积获得含有音源位置信息的音频信号。为了节约存储空间，还可以将音源信号及音源的HRTF脉冲响应信号通过FFT运算变换到频域上做乘积得到含有音源位置信息的音频信号。这样既可以有效定位音源的位置，又节约了存储空间。
在本实施例中，对于3D声场空间环境复原重建模块3采用现有的数字混响的延迟反馈网络模型，也就是使用延迟线来模拟声音的反射。
本实施例的一种VR装置用于实现前述实施例一中相应的3D声场构建方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种3D声场构建方法，应用于VR产品，其特征在于包括：
根据音源与收听者的位置关系，产生含有音源位置信息的音频信号；
根据所述含有音源位置信息的音频信号，进行3D声场空间环境复原重建。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述根据音源与收听者的位置关系，产生含有音源位置信息的音频信号的步骤进一步包括：
根据音源与收听者的位置关系，选取头相关变换函数HRTF，将音源信号及音源的HRTF脉冲响应信号做卷积获得含有音源位置信息的音频信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于进一步包括：
根据音源与收听者的位置关系，选取HRTF函数，将音源信号及音源的HRTF脉冲响应信号通过FFT运算变换到频域上做乘积得到含有音源位置信息的音频信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述根据所述含有音源位置信息的音频信号，进行3D声场空间环境复原重建的步骤进一步包括：
根据所述含有音频位置信息的音频信号，采用数字混响的延迟反馈网络进行3D空间环境复原重建。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括：
对3D声场空间环境重建后的声音信号与3D声场空间环境重建后的声音信号本身经过二阶低通滤波后的声音信号进行混合并输出。
6.一种VR装置，其特征在于包括：
声音定位模块，用于根据音源与收听者的位置关系，产生含有音源位置信息的音频信号；
3D声场空间环境复原重建模块，用于根据所述含有音源位置信息的音频信号，进行3D声场空间环境复原重建。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：
所述声音定位模块，进一步用于根据音源与收听者的位置关系，选取HRTF函数，将音源信号及音源的HRTF脉冲响应信号做卷积获得含有音源位置信息的音频信号。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：
所述声音定位模块，进一步用于根据音源与收听者的位置关系，选取HRTF函数，将音源信号及音源的HRTF脉冲响应信号通过FFT运算变换到频域上做乘积得到含有音源位置信息的音频信号。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：
所述3D声场空间环境复原重建模块，进一步用于根据所述含有音频位置信息的音频信号，采用数字混响的延迟反馈网络进行3D空间环境复原重建。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于进一步包括：
低音增强模块，用于对3D声场空间环境重建后的声音信号与3D声场空间环境重建后的声音信号本身经过二阶低通滤波后的声音信号进行混合并输出。
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