一种基于压缩感知的声场参数获取方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于压缩感知的声场参数获取方法，属于数字信号处理【技术领域】。本发明包括球型传声器阵列模块，常数观测矩阵生成模块，观测信号向量生成模块，正交基构造模块，随机观测矩阵生成模块，球谐波基系数重构模块，目标区域声压分布重构模块。在所述的确定球型传声器阵列设计模块中，考虑到可实现性及阵列小型化，人为确定球型传声器阵列半径，在确定下的球型半径下，球谐波基系数具有稀疏性，从而依据压缩感知理论，分别在正交基构造模块和随机观测矩阵生成模块中，构造出正交基和随机观测矩阵，同时输入球谐波基系数重构模块中，重构出球谐波基系数，最后将这些系数输入目标区域声压分布重构模块中重构出目标区域声压分布。
【专利说明】一种基于压缩感知的声场参数获取方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于压缩感知的声场参数获取方法，属于数字信号处理【技术领域】。
【背景技术】
[0002]三维音频重现是产生能给听众带来真实、自然感受的声场，在通信、数字娱乐、人机交互等众多领域有着广泛的应用。此处说一下声场重现的含义与应用领域。Ambisonics方法是在物理意义上能重现三维音频声场的技术之一，其最初由Gerzon提出并用于二维声场复制。Ambisonics方法的基本思路是将声场表示成圆谐波的线性组合。近年来，随着技术的发展，多采用球谐波分解来表示声场，用于高阶声场的重现，如三维声场重现[2]，即高阶Ambisonics方法。该方法将声场分布在无穷阶球谐波域中进行分解展开，这样只要采集到各球谐波域中的分量，理论上就可重现出声场。该方法不受声场重现系统的限制，可任意放置扬声器位置，但在声场数据采集时，其性能与麦克风数目以及麦克风指向性密切相关。
[0003]目前已有的采集方案中，采集N阶声场至少需要(N+1)2个传声器，随着声场阶数N增大，传声器数目也增大，大量传声器置于声场中易造成声场畸变。本发明提出使用压缩感知方法来解决该问题。
[0004]设在自由空间中，有一单极子声源位于S (I米，O米，O米)处，单极子声源作球的伸缩运动产生球面波，单极子声源引起的声压为
[0005]
【权利要求】
1.一种基于压缩感知的声场参数获取方法，其特征在于:包括球型传声器阵列模块，常数观测矩阵生成模块，观测信号向量生成模块，正交基构造模块，随机观测矩阵生成模块，球谐波基系数重构模块，目标区域声压分布重构模块；所述的球型传声器阵列的输出端、常数观测矩阵生成模块的输出端连接到观测信号向量生成模块的输入端，所述的正交基构造模块的输出端连接到随机观测矩阵生成模块的输入端，所述的观测信号向量生成模块的输出端、正交基构造模块的输出端，随机观测矩阵生成模块的输出端连接到球谐波基系数重构模块的输入端，所述的球谐波基系数重构模块的输出端连接到目标区域声压分布重构模块的输入端；将所述的球型传声器阵列模块安放在特定空间位置，所述的球型传声器阵列模块采集特定空间位置的声压信号与所述的常数观测矩阵生成模块生成的常数观测矩阵在观测信号向量生成模块中相乘，得到观测信号向量，所述的正交基构造模块输出的正交矩阵输入到随机观测矩阵生成模块，用于选择适当的随机观测矩阵，所述的随机观测矩阵生成模块生成的的随机观测矩阵、所述的观测信号向量生成模块生成的观测信号向量在球谐波基系数重构模块中构造出球谐波基系数，根据所述的球谐波基系数重构模块构造的球谐波基系数在所述的目标区域声压分布重构模块中可以计算出特定空间中任意位置处的声压，达到重构出目标区域声压分布的目的。
2.根据权利要求1所述的一种基于压缩感知的声场参数获取方法，其特征在于:所述球型传声器阵列模块处理方法如下: 在声场采集区域A中，把M个传声器等立体角地均匀布置在给定半径r的球形采集面就构成了本发明使用的球型传声器阵列；其中，M、r由采集声场的精度确定；传声器的位置由以球形采集面的球心为原点，极坐标系下不同的方位角-、仰角9描述。
3.根据权利要求1所述的一种基于压缩感知的声场参数获取方法，其特征在于:所述常数观测矩阵生成模块设计如下: 对一封闭球体空间A内任意一点r处的声压能用Fourier-Bessel级数展开为
4.根据权利要求1所述的一种基于压缩感知的声场参数获取方法，其特征在于:观测信号向量生成模块处理方法如下: 考虑到物理可实现性及阵列小型化便于操作，采集区域A半径设定为r=4厘米；同时，在r=4厘米的球面上等立体角地均匀布置M，M〈 (N+1)2，个传声器，用于采集这M个位置处由不同-及Θ所区分的声压pm，m=l，2，…，M，构成声压信号向量ρ=[ρι，ρ2，…，pM]，然后转换为观测信号向量X，
x=Cp, 其中，C为常数观测矩阵生成模块设计出的MXM维的常数观测矩阵C。
5.根据权利要求1所述的一种基于压缩感知的声场参数获取方法，其特征在于:正交基构造模块处理方法如下: 要用压缩感知理论，首先要构造出一个正交基，即在球面A上选择L=(N+1)2点处采集声压，一次构成L维的声压信号P,其每一维声压可以用式(2)表不；以矩阵形式表不P，则有
6.根据权利要求1所述的一种基于压缩感知的声场参数获取方法，其特征在于:随机观测矩阵生成模块处理方法如下: 定义声压信号向量P在球谐波正交基W上的投影为Y，使用随机数发生器，生成MX L维高斯随机矩阵O，高斯随机矩阵O均值为Q，方mni4M?’ φ的选择应使其与W之间具有较高不相关性，O的任意列向量与W的任意列向量之间相关系数越小越好，至少小于0.1 ;用O将Y降维为M维观测信号X
X=O Y o
7.根据权利要求1所述的一种基于压缩感知的声场参数获取方法，其特征在于:球谐波基系数重构模块处理方法如下: 根据压缩感知理论，在I1-范数约束条件下，X能重构Y，即式(4)表示的优化问题有解，
8.根据权利要求1所述的一种基于压缩感知的声场参数获取方法，其特征在于:目标区域声压分布重构模块处理方法如下: 根据重构出的Y以及式(2)，可获得整个球面A上的声压分布，这样，可以使用M，M< (N+1)2，个传声器获取到的声场信息来重构N阶的声场信息，从而可减少传感器的数目，更进一步，利用重构的球面A上的声压分布信息以及记录的音频信号，在重放空间可高度近似重现真实的声场。
【文档编号】G01H11/06GK103453980SQ201310347919
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月8日 优先权日:2013年8月8日
【发明者】陈喆, 殷福亮, 彭钰林 申请人:大连理工大学