专利名称：声音重现系统、程序和数据载体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种声音重现系统，它包含声音重现装置；带有滤波器的音频处理器，布置成使第一头部关联传递函数(HRTF)施加到来自音频信号源的输入音频信号上，并对声音重现装置产生输出音频信号；以及第一数据源，布置成使第一头部关联传递函数的第一滤波器系数传输至滤波器上。
本发明还涉及一种计算机程序，它由一个处理器执行以说明声音重现的方法，包含步骤从第一数据源上得到第一头部关联传递函数滤波器的系数；以及使第一头部关联传递函数的滤波施加到来自音频信号源的输入音频信号上，产生输出音频信号。
本发明还涉及一种数据载体，它存储由处理器执行的计算机程序，以说明声音重现的方法，包含步骤从第一数据源上得到第一头部关联传递函数滤波器的系数；以及使第一头部关联传递函数的滤波施加到来自音频信号源的输入音频信号上，产生输出音频信号。
本发明还涉及一种数据载体，它存储第一预定频率范围上的第一头部关联传递函数。
本发明还涉及一种信号发送系统，它在第一预定频率范围上发送第一头部关联传递函数。
一种这样的声音重现系统可从WO-A-0149066中得知。该已知系统的优选实施例由一对耳机组成，称之为耳机虚拟器，它布置成可仿真出围绕戴耳机者产生任何的声源。该对耳机能够仿真例如是杜比数字5.1环绕声(也即一个左扬声器、一个中置扬声器、一个右扬声器、至少一个左环绕和一个右环绕扬声器、以及需要时的一个低频效果扬声器)所需的扬声器，因此可以免去使用所有这些扬声器的需求。此外，能够仿真比如在环绕声氛围内真三维的声场。另外，能够仿真任何的室内音响。
为了使远离的扬声器中输入音频信号所激励的声音在紧贴听音者耳朵的耳机内呈现出同样的远距离声效，需由头部关联传递函数使输入音频信号滤波，产生要输入给耳机的输出音频信号。该HRTF应反映出远处扬声器声音传输至耳朵时的特征，例如是经过墙壁的反射，与听音者身体和耳廓的相互作用等。通常，耳机虚拟器使用比如是普通人们的标准头部关联传递函数。这种方法的缺点在于，听音者要学会以其自身具体的身体和耳廓形状来定位声音，因此，不正确的HRTF在声音感觉上好象声音来自头颅内部，或是对前后方向发生混淆。已知的系统克服这一缺点的办法是在耳机内采用了拾音器，它测量进入耳朵的远处扬声器来的声音。在这类测量的基础上，对具体的听音者可给出其HRTF。
已知系统的缺点在于，测得的HRTF在某些频率区域上数值不精确，导致对实际声源的定位不精确。
本发明的第一目的是提供一种在开头一节中所述种类的声音重现系统，它定位相对精确。
本发明的第二目的是提供一种在开头一节中所述的、按照本发明的计算机程序。
本发明的第三目的是提供一种存储按照本发明之计算机程序的数据载体。
本发明的第四目的是提供一种存储两个互补HRTF的数据载体。
本发明的第五目的是提供一种传输两个互补HRTF的传输系统。
第一目的在实现中配置一个第二数据源，它能够向滤波器传输第二头部关联传递函数的第二滤波器系数，用以滤波输入音频信号以产生输出音频信号。该滤波器能够在第一HRTF的系数精确时于第一频率范围上应用第一HRTF，而当第一HRTF的系数例如在第二频率范围上不精确时于该频率范围上应用第二HRTF。那时，第二HRTF的系数能够以更可靠的方法确定，例如在专用的实验室中测量出。
使用两个或多个HRTF的额外优点在于，能够更容易地实现所需的效果，例如是改变实际房间的音响效果。例如，可以通过在较高频率的频率范围内改变HRTF来模仿在房间中加上一块实际地毯时地毯对此频率范围的高吸声效应。
对于第一、第二、需要时还有其他的频率范围也可以预先规定它们有重叠而不是分开的，例如在一种应用场合中可以选择其一个频率范围以供方便的后期处理。
如果有一个拾音器用于实施声音测量，并且第一数据源包含系数计算装置用于计算由声音测量给出的第一滤波器系数，以及第二数据源包含一个存储器用于存储与第二头部关联传递函数相关的数据，这是有利的。那时，存储器内可以包含例如是较高频率上用的标准HRTF的系数，它们是在实验室中测量出的。
另外，如果第二数据源中包含计算装置用于根据存储器的数据计算第二头部关联传递函数滤波器的系数，也是有利的。那时，计算装置比如能根据对听音者耳朵的几何特性和音频特性的测量在较高频率上得出例如一种参量HRTF。所需的参数和公式可存储于存储器内。
第二和第三目的在实现中是按照本发明的数据载体上所存储的、按照本发明之计算机程序的方法，进一步包含步骤从第二数据源中得到第二头部关联传递函数的系数；以及应用第二头部关联传递函数对音频信号源来的输入音频信号进行滤波，产生输出音频信号。
第四和第五目的的实现是借助在第二预定频率范围(F2)上又存储和分别传输第二头部关联传递函数；以及第二头部关联传递函数中包含互补信息，以改善声音重现装置中扬声器给出的声音的仿真。
按照本发明的声音重现系统的这些和其他方面、计算机程序和数据载体，参考后面叙述的实现法和实施例以及参考附图的解释可以十分明白，但这些只起示例的作用而不是限制性的。
附图中
图1概略地示出按照本发明的声音重现系统；图2概略地示出一种头部关联传递函数(HRTF)；以及图3示出HRTF测量装置。
这些图中，取决于所需的实施例，虚线示明的部分是可选的。
图1示出一种音频信号源110，例如是收音机或DVD播放机，它向扬声器120传送输入音频信号106用于声音重现。图中又示出一对耳机101和103，它们在听音者155的耳朵旁产生出来自输入音频信号106的、与扬声器120的重放基本上一样的声音。为做到这一点，要配置一个音频处理器105，它包含滤波器130用于滤波输入信号106而产生供耳机101和103用的输出信号108。另外，配置第一数据源131，用于向滤波器130传输第一头部关联传递函数200(图2中所示)的第一滤波器系数，并且有第二数据源100，用于向滤波器130传输第二头部关联传递函数例如202的第二滤波器系数。第二数据源100中可包含存储器150。该存储器150内能存储多个HRTF，例如象实验室内对多个受测试人员的测量数那样多。存储器150内还能存储由计算装置152用于建模HRTF所需的参数和公式。反之，由计算装置152建模产生的系数也能存储入存储器150以供随后应用，取代向滤波器130直接地传送。可以配置数据装载装置180用于将数据装载入存储器，例如，附装一个用于数据载体300的驱动器，或是附装一个对互联网的连接。数据也可以是在工厂里预装入存储器150内的。听音者155例如能选择存储器150内存储的HRTF之一，该HRTF对于频率范围高于12kHz内的数值是人们最需要的，因为它们例如能给出最佳的声音定位。扬声器120应理解为是取决于应用场合的一个预定声源，例如是在家庭影院应用场合中的左环绕扬声器；在虚拟空间内某个位置上由计算机游戏或虚拟现实应用中的虚拟角色发出的声音；或是在语言通信应用中，诸如在指挥中心内应用时与多个通信信道之一相关联的、一个特定方向来的声音。
声音通过直达路径160传播到听音者155的耳内，但又通过间接路径诸如由物体140反射的反射路径161到达。物体还能吸收和散射声音，比如窗户则又能透射声音。声音在最后进入听音者155耳内之前还会与他的各个身体部位发生相互作用。这一过程的结果使得由耳朵在特定声音频率上感知的相对功率比之扬声器120发出的功率会增大或减小，这方面可以用滤波器函数模仿。该滤波器函数称为头部关联传递函数(HRTF)，它与听音者有关、与房间有关、依赖于比如扬声器声源的方向、并依赖于室内听音者155和扬声器120的位置。借助于耳机103或者一般地另一个室内扬声器，通过对耳朵施加基本上相同的声场，有可能使听音者155的耳朵感知扬声器120所产生声音的仿真声音。输入音频信号106不能直接加到耳机103上，否则听音者155会感知到声音来自耳机103的位置处，而不是来自扬声器120的位置处。为做到令人信服的扬声器120的仿真，通过在音频处理器105中由滤波器130作用到第一HRTF上以对输入音频信号进行滤波，基本上可对具体的听音者155及其位置等特征提供出真正的HRTF200。通常，耳机虚拟器中使用固定的HRTF，或是对于不同的人们预先从多个存储的、测得的HRTF中选择出一个HRTF。如果使用的HRTF并不对应于具体的听音者155，则一般不会产生精确的声音定位。例如，对背后的声源会错误地感觉来自前方，对声音的高度会判断错误，或是可能感知声音来自头颅内部。为得到HRTF200，放置左拾音器113用于测量比如进入听音者155耳内的声音，并为了类同地得到从扬声器120到达另一只耳内的HRTF，又放置右拾音器111。WO-A-0149066中说明了一种算法，用以得到由拾音器111和113的测量给出的HRTF。它应用位于听音者155环境内的扬声器比如是扬声器120来产生由拾音器111和113测量的声音。在测量之后可以去掉扬声器120，因为得到的测量数据可以存储入存储器内，需要时应用来获得HRTF系数。系数计算装置132内采用一种算法用以从拾音器的测量中得到HRTF系数。
有许多应用场合可以从使用第二HRTF中得益。
首先，从所有频率上的拾音器测量中不能精确地得到真正的HRTF200。例如，在比如是9kHz之上高频上对拾音器111和113的位置规定很严格，因而对高频得到的HRTF值不会精确，这也将导致仿真声源的定位不准。在用户应用时，不希望拾音器进入耳道，这将在高频上降低HRTF系数的精确度。此外，如果实施HRTF测量时采用噪声消除技术，则在高频上要得到精确的HRTF系数意味着听音者必须坐得纹丝不动。对于低频的测量，往往存在环境噪声，然而，在获得HRTF的算法中没有方法判定该噪声是否出自扬声器120。这一点会在例如200Hz以下的低频区域内导致不精确的HRTF值。对于在预定的频率区域F2上获得较可靠的HRTF值，应采用不同于现场拾音器测量的声源来获得与预定的第一频率范围F1不一样频率上的HRTF，例如进行专门的实验室测量。这些更可靠的值应用于第二HRTF。
其次，在听音者155希望改变某部分HRTF，例如是希望在其实际房间内仿真出更象是歌剧院或室外的声音而不是出自他所在房间的声音的场合，最好以尽可能少的操作做到这一点，不需任何额外的拾音器测量。借助于使用几个HRTF有助于方便地予以实现。
第三，选用可能的HRTF滤波器结构有多种多样做法。典型地，使用有限冲击响应(FIR)滤波器来实现HRTF。然而，对于低频来说，声音从墙壁上来回反射会维持较长时间，这要求FIR滤波器带有许多抽头系数。有利地做到这一点的方法是应用无限冲击响应(IIR)滤波器对较低频率进行滤波。例如，在实现时由滤波器130构成第一HRTF滤波器，它对较高频率进行滤波而保持低频不变化，并将第二HRTF滤波器做成IIR滤波器，它只滤波低频。两种滤波器可以是单独的装置，或是在处理器中顺序地实施。
图2概略地示出以实线表示的真正HRTF200，它是对具体的听音者155以及对听音者155比如是正前方某个高度上的扬声器测得的。对于不同频率f上所示的音频信号幅度A的测量，是借助位于例如人耳入口附近的拾音器113实现的。由此，可反映出声音从扬声器120传播至拾音器113位置上时诸如耳廓的环境物体的影响特征。当声音由比如是由紧邻拾音器113的耳机103发出时，并且其声音不与听音者155周围的比如是墙壁发生相互作用，该影响特征并不相同。低频性能其中尤其决定于房间和听音者155的身体。4kHz周围的峰值是耳道的正效应干扰造成的。在陷频fp周围处(例如，6-12kHz之间)存在负效应干扰，是由于称为“耳廓凹陷”的耳廓反射造成的。示意的真正HRTF中，在高于例如12kHz的第二频率范围F2上，拾音器测量并不精确。按照本发明的声音重现系统的简单实施例中，在高至12kHz的第一频率范围F1上将例如第一HRTF具体化为真正HRTF200，并在例如由虚线表示的建模HRTF202中应用为第二HRTF，用于12kHz之上第二频率范围F2内的频率上。在该第二频率范围F2内，通过例如头部遮蔽模型能对声音的变更如下地建模ITD=rc[θ+sinθ],]]>以及IID＝1+sinθf0.8，式中，ITD是双耳间声音时间差，r是听音者155或平均人士的头部的半径，c是声音速度，θ是声源的方位角，IID是双耳间声音强度差，以及f是频率。如果第一HRTF在足够大的频率范围内基本上有真正的HRTF200，并且第二HRTF包含相当正确的系数，则能产生完美的声音定位。也能采用其他的模型，例如，从较简单的HRTF或者比方是实验室内测得的HRTF中得出的Kahunen-Loeve扩展。可以应用外耳和耳道几何参数或是声音滤波参数来获得所需的HRTF模型，参数的得到例如是通过由拾音器111和113测量出耳机101和103射出的声音。另一个实施例中包含有使耳廓凹陷模型化。陷频fp随声源高度偏移。在电子游戏场合，飞机的声源比如可如下地仿真。本实施例中，在整个频率范围上第一HRTF比如等于真正的HRTF200，但6-12kHz内不发生滤波这一点除外。第二HRTF上施加陷频fp的凹陷，它取决于在比如6-12kHz的频率范围内飞机声源的高度。也可以配置头部跟踪装置以获得头部位置参数用于得到建模的HRTF202。对声音重现系统可以实现的另一个功能例子是房间变化时的飞行仿真。例如，在地板上放置一块实际的地毯时将增大对较高频率的吸收，它的建模可以用点线表示的房间特点模型HRTF204取代建模的HRTF202来实现。计算装置152实施必需的建模计算以得到第一和/或第二HRTF的正确数值。应当注意，第一和第二HRTF的幅度电平是互相协调的，在切换不同的第二HRTF的场合下，实施转移策略时应避免出现类同于可闻的咔哒声的缺陷。
应当明白，所提出的HRTF的实施可以在时域和频域内实现。如WO-A-0149066中的说明，采用位于房间内类似扬声器120那样的扬声器，可以取代那种用耳机101和103使对应于环境内实际声源的声场作用到听音者155的耳朵上的做法。音频处理器105或其构成成分中的任一个都能以独立的实体实现，或是组成为音频信号源110或耳机的一部分。
图3示出用于HRTF测量的装置。此种专业装置例如在专门的音乐器材商店内有供应。取代在耳机内装入便宜的拾音器111，可以配置更专业的拾音器302，它例如可以在听音者310耳道内的深处进行测量。此外，可以配置专业扬声器305和306以及专业声壁覆盖物。音频处理装置301可以进一步计算从专业拾音器302上接收到的数据，诸如由此仿真特别的房间混响以模仿音乐厅环境。这些计算可以直接在专业拾音器302的信号上实施，或是在从那里得到的HRTF上实施。第二HRTF用的数据比如能从互联网数据库上下载，但只是店主可经由信号传输系统304进行访问。然后，两个HRTF可存储到数据载体303上，数据载体303例如可以是光盘或者听音者310之MP3播放器内的闪存。另一种情况，HRTF可以通过信号传输系统304传输，例如是通过互联网或用于便携装置之类的无线连接。在第二频率范围F2的选择上，要使第二头部关联传递函数202、204中包含与第一头部关联传递函数200互补的信息，以使得由滤波器130将两个HRTF一起使用时通过声音重现装置101能模拟来自扬声器120的声音，就例如是声音定位方面而言，它比之只使用其某一个HRTF来说有改善的效果。在存储或传输之前，可将两个HRTF组合成单个HRTF。另一种做法是在第二频率区间上存储多个额外的HRTF，比如多个耳廓凹陷HRTF，以快速地仿真声源的垂直位置。
应当指出，上述实施例不是用于限制本发明，本领域的技术人员能作出另外的设计，而不偏离本权利要求书的范围。除了如权利要求书中那样组合出本发明各单元之组合外，本领域技术人员发觉的、在本发明范畴内各单元的其他组合，也为本发明所覆盖。各单元的任何组合都能以单个专用单元实现。权利要求书内括号之间任何标号并非意在限制本权利要求书。词语“包含”不排除权利要求书内未列出的单元或特征的存在。单元之前的量词“一”或“一个”不排除多个此种单元的存在。
本发明的实施可借助于硬件，或者借助于运行在计算机上以及先前存储于数据载体上或经由信号传输系统传输的软件。
权利要求
1.一种声音重现系统，包含带有滤波器的音频处理器，布置成使预定的第一频率范围上的第一头部关联传递函数施加到来自音频信号源的输入音频信号上，并对声音重现装置产出输出音频信号；以及第一数据源，布置成使第一头部关联传递函数的第一滤波器系数传输至滤波器上，其特征在于，还包含第二数据源，布置成在不同于第一频率范围的一个预定的第二频率范围上使第二头部关联传递函数的第二滤波器系数传输至滤波器上，以滤波输入信号，产生输出音频信号。
2.权利要求1的声音重现系统，其特征在于，包括一个拾音器用以实现声音测量；以及第一数据源包含系数计算装置，用于计算来自声音测量的第一滤波器系数；以及第二数据源包含存储器，用于存储与第二头部关联传递函数滤波器相关的数据。
3.权利要求2的声音重现系统，其特征在于，第二数据源包含计算装置，用于根据来自存储器的数据计算第二滤波器系数。
4.一种由处理器执行的计算机程序，表达了声音重现的方法，其包含步骤从第一数据源上得到第一头部关联传递函数的系数；使第一头部关联传递函数的滤波施加到来自音频信号源的输入音频信号上，产生输出音频信号，其特征在于，计算机程序在其方法中还包含步骤从第二数据源上得到第二头部关联传递函数的系数；以及使第二头部关联传递函数的滤波施加到来自音频信号源的输入音频信号上，产生输出音频信号。
5.一种存储由处理器执行的计算机程序的数据载体，表达了声音重现的方法，其包含步骤从第一数据源上得到第一头部关联传递函数的系数；使第一头部关联传递函数的滤波施加到来自音频信号源的输入音频信号上，产生输出音频信号，其特征在于，数据载体还存储该方法的步骤从第二数据源上得到第二头部关联传递函数的系数；以及使第二头部关联传递函数的滤波施加到来自音频信号源的输入音频信号上，产生输出音频信号。
6.一种在第一预定频率范围上存储第一头部关联传递函数的数据载体，其特征在于，还存储在第二预定频率范围上的第二头部关联传递函数，以及第二头部关联传递函数包含互补信息，可改善声音重现装置中扬声器给出的声音的仿真。
7.在第一预定频率范围上发送第一头部关联传递函数的信号发送系统，其特征在于，还在第二预定频率范围上发送第二头部关联传递函数，以及第二头部关联传递函数包含互补信息，可改善声音重现装置中扬声器给出的声音的仿真。
全文摘要
一种声音重现系统，包含例如是耳机的声音重现装置(101)；以及音频处理器(105)，它能够将第一头部关联传递函数(130)施加到来自音频信号源(110)的输入音频信号(106)上，并能够将输出音频信号(108)传输给声音重现装置(101)。音频处理器布置成在第一频率范围上施加第一头部关联传递函数(200)，在第二频率范围上施加第二头部关联传递函数(202，204)。第二头部关联传递函数(202，204)可以用计算装置(152)模式化或者是从存储器(150)中选择。
文档编号H04S5/00GK1685762SQ03822576
公开日2005年10月19日 申请日期2003年9月16日 优先权日2002年9月23日
发明者D·W·E·肖本 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司