CN102984642A - 一种五个扬声器的三维平移方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种五个扬声器的三维平移方法，包括步骤：判断虚拟声源（被替换的单个扬声器）与五个替换扬声器的位置关系；所有扬声器位置测量与记录；按照虚拟声源（被替换单个扬声器）在接收点处产生的时间平均声音强度和声压与五个替换扬声器在接收点处产生的平均声音强度和声压相等的原则，计算被替换单个扬声器的信号分配到五个替换扬声器信号的分配系数；删除虚拟声源，分配信号。本发明提供的五个扬声器的三维平移方法，可以用五个替换扬声器替换一个虚拟声源（被替换扬声器），相较于扬声器数目较少的平移方法避免了五个扬声器情形下的分组和信号分配的多次调整，有利于在五个扬声器的情况下快速进行信号分配。

Description

一种五个扬声器的三维平移方法

技术领域

本发明属于声学领域，尤其涉及一种五个扬声器的三维平移方法。

背景技术

相对于5.1声音系统，一些多声道声音系统增强空间声像，这其中一些系统可以提供三维声音。然而，这些系统之中仅有为数不多的试图发展用于三维音频内容。产生三维音频的一个困难是当使用传统的声音重建系统时，三维平移花费大量的时间。三维平移是一种在三维声场中使用若干扬声器制造虚拟声源的技术。在三维平移方法中，基于向量的幅度平移技术（vector based amplitude panning简记为VBAP）被广泛认可。在三维VBAP中，虚拟声源用三个扬声器合成，起点在接收点，终点在虚拟声源所在位置的单位向量可以用另外三个向量线性表示（每个向量起点在接收点，终点在每个向量所对应扬声器所在位置，长度为1）。三个向量表示的系数经过归一化之后，作为权重系数使得虚拟声源的信号分配到表示向量所对应的三个扬声器。如果表示虚拟声源使用的扬声器数目多于三个，VBAP技术将整个重建扬声器空间按三个扬声器一组分为若干个子空间，在每个子空间中按照VBAP进行信号分配。2007年日本广播协会实验室的AkioAndo提出了另外一种三维平移方法，其基本思想是在多声道系统中，实现单个扬声器（视作虚拟声源）在接收点处的声音物理性质与取代虚拟声源的三个扬声器在接收点处的声音物理性质不变。他自定义了声压向量作为物理性质。条件是被替代扬声器（虚拟声源）与接收点构成的向量（起点在接收点，终点在被替代扬声器所在位置）的方向在三个替代扬声器组构成球面三角形的内部（球面对应的中心为接收点）。当所有扬声器与接收点之间距离相等时，Akio Ando提出了三维平移方法的结果与VBAP的结果一样，可视为是VBAP技术的推广。2009年日本广播协会实验室的Akio Ando又提出了一种三维平移方法，其基本思想与他在2007年提出的三维平移方法一样，但是所采取的物理性质是时间平均声音强度和声压。时间平均声音强度是指在一个时间段内声音信号通过单位面积的平均声功率，它是一个向量，能够很好的表示声音定位。Akio Ando还证明了通过该种方法利用三个扬声器组替代一个虚拟声源（单个扬声器）得到的结果与VBAP方法和2007年提出的三维平移方法一样，但是VBAP方法、2007年Akio Ando提出的三维平移方法以及2009年Akio Ando提出的三维平移方法都需要是三个替代扬声器组替代一个虚拟声源（单个扬声器），当扬声器数目较多时，必须进行扬声器分组，即每三个扬声器分为一组来替代虚拟声源，较为麻烦。当替代扬声器组数目为四个时，为了避免每三个扬声器分组，Akio Ando通过提出的三维平移方法推出了使用四个扬声器组替代一个虚拟声源（单个扬声器）的情况，使得在实际应用中信号分配变得简便易行。但是实际应用场景极其复杂，当替代扬声器数目为五个及其以上是时，四个扬声器替代一个虚拟声源（单个扬声器）的方法又不够简便，因此我们需要寻找更多扬声器替代一个虚拟声源（单个扬声器）的信号分配方法。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种五个扬声器的三维平移方法。

本发明技术方案提供一种五个扬声器的三维平移方法，替换扬声器组中的五个扬声器均摆放在同一球面上，被替换的单个扬声器也位于替换扬声器组所在的球面上，将被替换的单个扬声器视为虚拟声源，球面的球心位置为接收点；实现三维平移包含以下步骤，

步骤1，判断虚拟声源与替换扬声器组的位置关系，确认虚拟声源位于五个替换扬声器构成球面多边形区域内部；

步骤2，进行扬声器位置测量与记录，包括以接收点为坐标原点O建立三维直角坐标系XYZ，测量得到被替换的单个扬声器Sp0在三维直角坐标系XYZ中的极坐标记为

其余五个替换扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4、Sp5在三维直角坐标系XYZ中的极坐标分别记为

步骤3，计算五个替换扬声器的分配系数w₁,w₂,w₃,w₄,w₅，设w₄＝g₁，w₅＝g₂，计算按照以下公式实现， $w_1=\frac{D_1}{D},$ $w_2=\frac{D_2}{D},$ $w_3=\frac{D_3}{D},$ w₄＝g₁,w₅＝g₂                (6)

D₄=g₁D    (10)

D₅=g₂D    (11)

其中参数g₁、g₂分别为替换扬声器Sp4、Sp5的预设分配因子；

步骤4，删除虚拟声源，将虚拟声源的信号乘以步骤3中的分配系数w₁,w₂,w₃,w₄,w₅分配到五个替换扬声器中。

采用本发明提供的五个扬声器的三维平移方法，可以用五个替换扬声器替换一个虚拟声源（被替换扬声器），相较于三个和四个扬声器的平移方法避免了五个扬声器情形下的分组和信号分配的多次调整，有利于在五个扬声器的情况下快速进行信号分配。本专利不仅可用于一个虚拟声源（被替换扬声器）被五个替换扬声器替换的情形，还可用于包含更多扬声器的系统中，将其中若干个扬声器逐个按照本专利使用的方法进行替换的情形。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图

图2是本发明实施例的扬声器和虚拟声源相对位置图。

图3是本发明实施例的所选择的替换扬声器组构成球面多边形示意图。

具体实施方式

本发明针对摆放在同一球面上的五个扬声器组，提出了一种五个扬声器的三维平移方法，以下结合附图和具体实施例详细说明本发明技术方案。

如图1所示，实施例采用上述五个扬声器的三维平移方法实现五个扬声器替换一个虚拟声源（被替换单个扬声器），包含以下步骤：

步骤1，判断虚拟声源（被替换的单个扬声器）与替换扬声器组的位置关系。替换扬声器的数目为五个，虚拟声源（被替换的单个扬声器）需要位于五个替换扬声器构成球面多边形区域内部，否则不能替换，并且五个替换扬声器构成球面多边形区域的面积越小越好。参见图2，空心点表示虚拟声源（被替换扬声器）的位置，实心点表示替换扬声器所在位置：替换扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4、Sp5分别位于球O表面的点C、D、E、F、G处，虚拟声源（被替换的单个扬声器）Sp0位于球O表面的点B处，且点B位于球面多边形CDEFG区域内部。替换扬声器所在点处构成的球面多边形应是替换扬声器所在点处构成的两个球面多边形中相对较小的球面多边形，如图3所示，其中空心点表示虚拟声源（被替换扬声器）的位置，实心点表示替换扬声器所在位置。

步骤2，扬声器位置测量与记录。在步骤1中的替换扬声器组中，测量被替换单个扬声器与五个替换扬声器组中每个扬声器所在的位置并记录下来；

设以接收点为坐标原点O建立三维直角坐标系XYZ，本发明采用极坐标形式，如点A(ρ_A,θ_A,

坐标中，ρ_A表示点A与坐标原点O之间的距离，θ_A表示点A与原点O之间连线在XOY平面的射影与X轴之间的夹角，

表示点A与原点O之间连线与XOY平面之间的夹角。假设测量得到被替换单个扬声器Sp0坐标为

其余五个替换扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4、Sp5的坐标分别为

本实施例中被替换单个扬声器Sp0坐标为B(2,0°,48°)，其余五个替换扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4、Sp5的坐标分别为C(2,0°,90°)、D(2,270°,30°)、E(2,90°,30°)、F(2,315°,0°)、G(2,45°,0°)。

步骤3，分配系数计算。按照虚拟声源（被替换单个扬声器）在接收点处产生的时间平均声音强度和声压与五个替换扬声器在接收点处产生的时间平均声音强度和声压相等的原则，计算被替换单个扬声器的信号分配到五个替换扬声器信号的分配系数。

被替换单个扬声器在接收点处产生的时间平均声音强度为：

其中：

ρ表示被替换扬声器Sp0所在位置与坐标原点O之间的距离；

θ表示被替换扬声器Sp0所在位置与原点O之间连线在XOY平面的射影与X轴之间的夹角；

表示被替换扬声器Sp0所在位置与原点O之间连线与XOY平面之间的夹角；

G表示在与一个扬声器单位距离处该扬声器的声压与扬声器处产生声压之比例系数；

s(ω)表示扬声器输入信号的傅里叶变换。

五个替换扬声器在接收点处产生的时间平均声音强度

为：

θ_l表示替换扬声器l所在位置与原点O之间连线在XOY平面的射影与X轴之间的夹角，(l=1,2,3,4,5)；

表示替换扬声器l所在位置与原点O之间连线与XOY平面之间的夹角，l=1,2,3,4,5；

w_l、w_j分别表示替换扬声器l、j的信号分配系数，j=1,2,3,4,5。

被替换的单个扬声器Sp0在接收点处产生的声压P_B为：

$P_B=G\frac{e^{-\mathrm{ik\ρ}}}{\mathrm{\ρ}}s\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(3\right)$

其中，i为虚部单位，k为波数，f为声音的频率，c为声音在空气中传播的速度；

五个替换扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4、Sp5在接收点处产生的声压P′为：

$P^{\′}=G\underset{j=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\frac{e^{-\mathrm{ik\ρ}}}{\mathrm{\ρ}}{w}_{j}s\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(4\right)$

由(3)与(4)式相等计算得到：

w₁+w₂+w₃+w₄+w₅=1                (5)

(1)与(2)相等，并且设w₄=g₁，w₅=g₂，联立(5)式得到： $w_1=\frac{D_1}{D},$ $w_2=\frac{D_2}{D},$ $w_3=\frac{D_3}{D},$ w₄=g₁,w₅=g₂       (6)

D₄=g₁D            (10)D₅=g₂D            (11)

其中参数g₁，g₂为第四（Sp4、F处），第五（Sp5、G处）个替换扬声器的分配系数，可以人为设定调整，g₁，g₂的变化范围是0~1，g₁，g₂的变化将会引起w₁,w₂,w₃的变化。

本实施例中假设g₂=g₁+0.1，由于g₁+g₂=w₄+w₅≤1，g₁的变化范围是0~0.4，g₂的变化范围是0.1~0.5，g₁，g₂变化步长都为0.1，当然在实际应用中也可以在0~1范围内任意设定，本实施例只是为了简化说明的方便。根据公式(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12),可以计算得到w₁,w_2,w₃,w₄,w₅的一系列值，参见表1。由于信号分配系数一般取正值，所以本实施例中分配到扬声器的信号分配系数取表1中w₁,w₂,w₃,w₄,w₅全为正数的一组，即w₁=0.2853，w₂=0.1482，w₃=0.0665，w₄=0.2，w₅=0.3。因此分配到C，D，E，F，G处扬声器信号的分配系数分别对应为0.2853，0.1482，0.0665，0.2，0.3。

表1信号分配系数

w1	w2	w3	w4＝g1	w5＝g2
					-0.7429	0.8623	0.7806	0	0.1
-0.2288	0.5052	0.4236	0.1	0.2
					0.2853	0.1482	0.0665	0.2	0.3
0.7995	-0.2089	-0.2905	0.3	0.4
					1.3136	-0.566	-0.6476	0.4	0.5

步骤4，信号分配，删除虚拟声源（单个被替换扬声器）。将虚拟声源（被替换扬声器）Sp0的信号乘以步骤3中的分配系数w₁,w₂,w₃,w₄,w₅分配到五个替换扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4、Sp5中。

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)

1.一种五个扬声器的三维平移方法，其特征在于：替换扬声器组中的五个扬声器均摆放在同一球面上，被替换的单个扬声器也位于替换扬声器组所在的球面上，将被替换的单个扬声器视为虚拟声源，球面的球心位置为接收点；实现三维平移包含以下步骤，

步骤1，判断虚拟声源与替换扬声器组的位置关系，确认虚拟声源位于五个替换扬声器构成球面多边形区域内部；

步骤2，进行扬声器位置测量与记录，包括以接收点为坐标原点O建立三维直角坐标系XYZ，测量得到被替换的单个扬声器Sp0在三维直角坐标系XYZ中的极坐标记为

其余五个替换扬声器Sp1、Sp2、Sp3、Sp4、Sp5在三维直角坐标系XYZ中的极坐标分别记为

步骤3，计算五个替换扬声器的分配系数w₁,w₂,w₃,w₄,w₅，设w₄＝g₁，w₅=g₂，计算按照以下公式实现， $w_1=\frac{D_1}{D},$ $w_2=\frac{D_2}{D},$ $w_3=\frac{D_3}{D},$ w₄＝g₁,w₅=g₂            (6)

D₄=g₁D    (10)

D₅=g₂D    (11)

其中参数g₁、g₂分别为替换扬声器Sp4、Sp5的预设分配因子；

步骤4，删除虚拟声源，将虚拟声源的信号乘以步骤3中的分配系数w₁,w₂,w₃,w₄,w₅分配到五个替换扬声器中。

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