专利名称：优化三维音响的系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及三维音响的个性化及优化的系统和方法。更具体说，本发明涉及在扬声器已经定位的收听空间，建立收听的悦耳区的系统和方法。
背景技术：
环绕声和多声道声迹逐渐取代立体声，成为声记录的优选标准，已是不争的事实。今天，许多新的音频装置都装备环绕声能力。今天出售的绝大多数新的音响系统，都是装有多个扬声器和环绕声解码器的多声道系统。事实上，许多公司已经设计了各种修改老立体声记录的算法，使声音听起来仿佛它们是按环绕记录似的。其他公司已经发展更新老立体声系统的算法，只用两个扬声器便能产生类似环绕的声响。立体扩展算法，例如根据SRS Labs和Spatializer AudioLaboratories的算法，可增强感觉的气氛；许多声卡和扬声器系统，包含传送扩展立体声必需的电路。
三维定位算法更进了一步，它自始至终地随着显示的图象，把声音对准环绕收听者的特定位置，即他的左面或右面，上面或下面。这些算法的基础，是模仿心理声学暗示，重现360°空间中收听声音的实际情况，并且常常使用人脑相关传递函数(Head-Related TransferFunction,HRTF)，计算收听者耳朵在声源的空间各坐标上听到的声音。例如，位于收听者左方的声源发出的声音，首先被左耳接收，仅在一秒的若干分之一以后，才被右耳接收。由于方向性和收听者自身头脑的阻挡，不同频率的相对振幅还会改变。如果收听者坐在扬声器之间的“悦耳区”，该模仿一般是逼真的。
在消费音响市场，立体声系统正被家庭影院系统取代，家庭影院系统一般使用六个扬声器。受商业电影院的启发，家庭影院采用5.1重放声道，它包括五个主扬声器和一个亚低音扬声器。两种相互竞争的技术，Dolby Digital和DTS，都采用5.1声道处理。该两种技术是较老的环绕标准，如Dolby Pro Logic的改进，在Dolby Pro Logic中，声道的分离受到限制，且后方声道是用非立体声的。
虽然5.1重放声道改进了真实感，但把六个扬声器放在一普通的起居室中，可能是个麻烦问题。因此，有许多环绕综合技术公司，已经发展了各种算法，专门用于在两个扬声器上重放诸Dolby Digital的多声道格式，能产生虚拟的扬声器，传送准确的空间感。这种多声道虚拟化处理，类似于环绕综合技术的发展。虽然两扬声器环绕系统尚比不上五扬声器系统的性能，但虚拟扬声器能在收听者周围提供良好的声音定位。
所有上面说明的虚拟环绕技术，只在居室内指定区域中提供环绕的模仿，该指定区域被称为“悦耳区”。悦耳区是收听环境中的一个区域，其大小和位置与各扬声器的位置和方向有关。音响设备制造商提供各扬声器的专门安装指示。除非完全符合所有这些安装指示，否则环绕的模仿将不准确。在两扬声器环绕系统中，悦耳区的大小明显小于多声道系统。事实上，在大多数情况下，它不适宜供多于一个收听者使用。
另一个与多声道系统和两扬声器系统两者有关的共同问题是，诸如居室布局、家具、等等的物理限制，妨碍了收听者精确地遵从安装指示。
此外，悦耳区的位置和形状，受收听环境的声学特征的影响。大多数用户既没有手段，也没有知识来辨别和解决各种声学问题。
有关音响再现的另一个共同问题是，居室中的物体与表面可能在某些频率上共振。共振的物体产生干扰的嗡嗡声和蜂音。
因此，希望提供一种系统和方法，给出最佳的声音模仿，同时与收听者在声音环境中的位置以及居室的声学特征无关。这样的系统不要求改变收听环境，却能自动地提供优化的性能。
发明内容
因此，本发明的一个目的，是提供一种系统和方法，用于在声音环境内对收听者位置和扬声器位置进行定位。此外，为了解决上述位置固有的问题，本发明提供一种处理声音的系统和方法。
按照本发明，提供一种优化三维音响收听的系统和方法，该三维音响有一媒体播放器和放在收听空间内的多个扬声器，所述系统包括有多个换能器的便携式传感器，该多个换能器考究地围绕所述传感器排列，用于接收来自所述各扬声器的测试信号及发送所述信号至一可接入该系统的处理器，该系统从所述媒体播放器接收多声道音频信号，并把所述多声道音频信号发送至所述多个扬声器；所述处理器包括(a)启动测试信号的发送并接收所述测试信号的装置，把所述测试信号发送至每一个所述扬声器，又从所述扬声器接收所述测试信号供处理，以便在所述传感器放置所确定的空间内，确定每一个所述扬声器相对于收听地点的位置；(b)按照每一扬声器的相对位置，操纵所述多声道声信号每一声迹(sound track)强度、相位、和/或均衡的装置，以便在需要的位置建立虚拟声源，和(c)在所述传感器和所述处理器间通信的装置。
本发明还提供一种使用某种系统来优化三维音响收听的方法，该系统包括一媒体播放器、放在收听空间内的多个扬声器、和一处理器，所述方法包括在所述收听空间内选出收听者的悦耳区；用电子技术确定所述悦耳区与每一个所述扬声器的距离；和按照每一扬声器相对于所述悦耳区的位置，操纵每一个所述扬声器的强度、相位、和/或均衡。
本发明的方法测量收听环境各种特征，包括居室的声学效应。然后处理音频信号，使它在各扬声器上再现时，令收听者感到他仿佛就准确地位于该悦耳区内。本发明的设备，虚拟地移动悦耳区至环绕收听者周围，而不是强迫收听者移至悦耳区内。本系统提供的一切调整和处理，给予收听者最大可能的音响感受。
本发明的系统显示如下优点1)模拟的环绕效果常常是最佳的；
2)收听者在放置扬声器时几乎不受约束；3)收听者能在声环境中自由移动，而收听的感受仍是最佳的；4)由共振物体产生的嗡嗡声和蜂音显著降低；5)收听环境引起的声学问题数目显著减少，和6)包含多于一个驱动源的扬声器，将更好地再会合成一个点声源。
为了更充分地了解本发明，现在参照附图，结合某些优选实施例说明本发明。
现在详细地具体参照所附各图，但要强调，出示的各个具体例子，仅为举例和说明本发明优选实施例的目的，也为提供一种相信是最有用的、且易于了解本发明原理和概念方面的说明。就这一方面而言，不试图指出比本发明必需的基本了解更详细的本发明结构细节，结合图示所作的说明，是让本领域熟练人员易于明白，本发明的各种形式在实践中如何体现。
附图有图1是示意图，表明扬声器相对于收听者所坐位置的理想定位；图2是示意图，表明在声环境内悦耳区的位置和大小；图3是示意图，画出悦耳区和坐在它外面的收听者；图4是示意图，表明因扬声器位置不当而产生形变的悦耳区；图5是示意图，表明因扬声器位置不当而产生形变的悦耳区，其中收听者坐在该形变悦耳区之外；图6是示意图，表明因PC的扬声器位置不当而产生形变的悦耳区，PC用户位于该形变悦耳区之外；图7是示意图，表明收听者位于原来悦耳区之外，遥控传感器使该悦耳区移向收听者；图8是遥控传感器的示意图；图9a是示意图，表明遥控传感器的微音器检测的声波延迟；
图9b是传感器接收的信号的定时图；图10是示意图，表明扬声器相对于遥控传感器的定位；图11是示意图，画出遥控传感器、扬声器、和音响设备；图12是系统的处理单元和传感器的方框图；和图13是流程图，表明本发明的工作原理。
应当指出，各扬声器的推荐位置可能因所选环绕协议和扬声器的生产商而变化。
图2画出图1的布局，圆圈21代表悦耳区。圆圈21是环绕效应被最佳模仿的区域。由于各扬声器放在推荐的位置，所以悦耳区呈对称的形状。
图3说明一种典型情况，其中收听者11与后方扬声器15和16成一直线。收听者位于悦耳区22之外，因而不能享受可能的最佳环绕效果。从他身后发出的声音仿佛位于他的左侧和右侧。此外，收听者坐得太靠近后方扬声器，因而感受不平衡的音量级别。
图4表明后方扬声器15、16位置不当，导致悦耳区22形变。收听者位于形变的悦耳区内，会感受不平衡的音量级别和声场的错位。图4中的收听者11坐在形变的悦耳区外。
在图5，画出一典型的环绕居室。扬声器12、14、15、和16错误配置，导致悦耳区22形变。收听者11坐在形变的悦耳区22外，且太靠近左后方扬声器15。这种安排导致环绕效果极大地恶化。图上没有一个坐位23位于悦耳区22内。
图6所示是典型的PC环境。收听者11正在使用PC24的两扬声器环绕系统。PC的扬声器25和26位置不当，导致悦耳区22形变，且收听者坐在悦耳区22之外。
本发明的一个优选实施例画在图7。扬声器12、13、14、15、16位置和收听的悦耳区位置与图5所示完全一样。差别在于，收听者11拿着一遥控位置传感器27，该传感器能精确测量收听者相对于扬声器的位置。一旦完成测量，系统将操纵每一扬声器的声迹，使悦耳区从它的原来位置移至收听位置。声音的操纵还把悦耳区整形并恢复最佳的收听感受。收听者仅在改变座位或移动某个扬声器之后，才须再次执行这样的校正。
还可以用遥控位置传感器27来测量共振物体的位置。把该传感器靠近共振物体放置，能提供位置信息，之后用该位置信息来降低到达该物体的能量。处理单元能降低全部能量或物体发生共振的特定频率上的能量。
遥控位置传感器27还能用来测量每一扬声器的脉冲响应，并分析每一扬声器的传递函数，以及居室的声学特征。然后，处理单元可以利用该信息，对各扬声器的非线性进行补偿，并降低不需要的回声和/或交混回响，以增强收听的感受。
在图8中看到的是遥控位置传感器27，它包括微音器或换能器28、29、30、31阵列。微音器的数目和排列，可以按照设计者的选择而改变。
一个扬声器的测量过程示于图9a。为了测量位置，系统转换至测量模式。在该模式中，扬声器之一产生一短促的声音(“乒”)。该声波32通过空气以声速传播。该声音被微音器28、29、30、和31接收。该扬声器的距离和角度，决定了声音的接收顺序和定时。
图9b画出各微音器接收的一声“乒”。测量可以在正常的重播中进行，不会与音乐发生干扰。这一点是通过使用“乒”的频率比人耳可听的范围(即在20,000Hz)更高而达到的。但是，微音器和电子技术对该“乒”的频率是灵敏的。系统将从每一扬声器启动不同频率的若干“乒”(例如，一声“乒”在低音扬声器范围，另一声“乒”在高音扬声器范围)。这一方法能按照收听者位置，对高音扬声器或低音扬声器定位，因此能使系统调整扬声器的分量的电平，和送出甚至更佳的音频环境的调整。一旦收集了该种信息，系统将使用相同方法，测量居室中其他扬声器的距离和位置。处理结束时，系统转换回重放模式。
应当指出，为便于理解，说明的实施例每次测量一个扬声器的位置。但是，系统能同时对多个扬声器进行定位测量。一个优选的实施例从多个扬声器的每一个，同时发送多个“乒”，每一个都有唯一的频率、相位或振幅。处理单元能识别多个“乒”的每一个，并同时处理每一扬声器的位置。
对接收的信号的进一步分析，能提供居室的声学、反射表面、等等的信息。
虽然为了更便于理解的缘故，本文的说明用特殊产生的“乒”，但应当指出，相对于选择的悦耳区，确定每一扬声器的距离和位置所需的信息，同样能够通过分析播放的音乐来收集。
现在转向图10，图上表明系统测量的各种参数。微音器29、30、31定义一水平平面HF。微音器28和30定义系统的北极(NP)。任一扬声器33在空间的位置，能够用三个坐标表示该扬声器的距离R，与NP的水平角a，和在水平面(HP)以上的角度或高度坐标ε。
图11是系统的简要方框图。性质上已知的媒体播放器34产生一多声道声迹。处理器35和遥控位置传感器27执行测量。处理器35按照测量结果，用HRTF对强度、相位和/或均衡的参数，根据现有技术的信号处理算法，操纵多声道声迹。用功率放大器36放大操纵后的多声道声迹。多声道声迹中每一放大了的声道，被路由至适当的扬声器12至16。遥控位置传感器27最好使用无线声道与处理器36通信。通信声道的性质由熟练的系统设计师确定，可以用无线，也可以用有线。无线通信可以用红外、射频、超声、或任何其他方法实现。通信声道可以是双向的，也可以是单向的。
图12画出处理器35和遥控位置传感器27优选实施例的方框图。处理器的输入是多声道声迹37。矩阵开关38能按照中央处理单元(CPU)39的指令，把“乒”添加到每一声道上。滤波器和延迟40按照CPU39的命令，应用HRTF算法，操纵每一声迹。系统的输出41是多声道声迹。
信号发生器42按需要的特征产生“乒”。无线单元43、44管理处理单元35与遥控位置传感器27间的通信。定时单元45测量从扬声器发送“乒”到被微音器阵列46接收的时间。定时的测量由CPU39分析，以计算每一扬声器的坐标(图10)。
由于居室的声学性质能改变发自扬声器的声音特征，测试音调(“乒”)也受该声学性质的影响。微音器阵列46和遥控位置传感器27能用CPU39测量该种影响并处理它们。之后，可以用该种信息进一步增强收听的感受。可以用该种信息来降低噪声电平、回声的更佳控制、自动均衡、等等。
多声道输出41的数目可以与声迹37的输入声道数目不同。例如，系统可以有多声道输出和单声的或立体声的输入，在这种情况下，外部的环绕处理器应按照预设的指令，产生额外的空间信息。系统还能用复合的环绕声道输入(如，Dolby AC-3，Dolby Pro-Logic，DTS，THX，等等)，在这种情况下，需要用环绕声解码器。
系统输出41可以是多声道声迹或复合的环绕声道。此外，能够设计两扬声器环绕系统，它只使用两个输出声道在两个扬声器上再产生环绕声。
位置信息接口47能使处理器35与外部设备，如电视机、光衰减开关、PC、空调机、等等，共享位置信息。
外部设备利用位置接口47，也能控制该处理器。该类控制最好由PC编程器或电影管理器控制。它们能根据画面的艺术要求，改变扬声器的虚位置。
图13画出典型的操作流程图。系统在48开始后，在49，系统恢复缺省的HRTF参数。这些参数是系统最后测量的参数，或是制造商存储在系统存储器中的参数。在50，当系统接通，表示在播放音乐时，系统使用它当前的HRTF参数。在51，系统转换至校准模式，在52，系统检测校准过程是否结束。如果校准过程已经结束，则在53，系统计算新的HRTF参数，并用它们取代49的缺省参数。这些步骤甚至在重放时也能完成。自然，结果是悦耳区移向收听者位置，最后，形变的声像得到校正。如果校准过程没有结束，在54，系统发送“乒”信号至扬声器之一，并在55，同时令所有4个定时器复位。系统在56利用这些定时器，计算“乒”的到达时间，并根据该时间，按照收听者的位置计算该扬声器的准确位置。在完成一个扬声器的测量后，系统前进至下一步57。当所有扬声器的处理过程都结束时，系统计算校准的HRTF参数，并用校准的各参数取代缺省的参数。
本领域熟练人员显然知道，本发明不限于前面说明的实施例细节，并且本发明可以用其他具体形式体现，而不偏离本发明的精神或实质。因此，现在给出的各实施例，应当认为在一切方面都是说明性的而非限制性的，本发明的范围由附于后的权利要求书指出，而不是由前面的说明指出，并且所有与权利要求书的意义和范围等价的变化，都因此被权利要求书所涵盖。
权利要求
1.一种优化三维音响收听的系统，该三维音响在收听空间内有媒体播放器和多个扬声器，所述系统包括便携式传感器，有多个换能器考究地排列在所述传感器周围，用于从所述扬声器接收测试信号，和把所述信号发送至可接入该系统的处理器，该系统从所述媒体播放器接收多声道音频信号，并把所述多声道音频信号发送至所述多个扬声器，所述处理器包括a)发送测试信号的启动装置，把测试信号发送至每一所述扬声器，和从所述扬声器接收所述测试信号供处理，以便在所述传感器放置所确定的空间内，确定每一所述扬声器相对于收听地点的位置；b)按照每一扬声器的相对位置，就强度、相位、和/或均衡，操纵所述多声道声信号的每一声迹的装置，以便在需要的位置上建立虚拟声源，和c)在所述传感器与所述处理器之间进行通信的装置。
2.按照权利要求1的系统，其中所述传感器的换能器的排列，用于在水平面内和在高度上，确定每一所述扬声器相对于传感器位置的配置。
3.按照权利要求1的系统，其中所述传感器接收并发送至所述处理器的测试信号，是在比人类可听范围更高的频率上。
4.按照权利要求1的系统，其中所述传感器包括定时单元，用于测量送至每一所述扬声器的所述测试信号，从启动到所述测试信号被所述换能器接收所经历的时间。
5.按照权利要求1的系统，其中所述传感器与所述处理器之间的通信是无线的。
6.一种优化三维音响收听的方法，使用的系统包括媒体播放器、放在收听空间内的多个扬声器、和处理器，所述方法包括在所述收听空间内，选出收听者的悦耳区；用电子技术确定从所述悦耳区到每一所述扬声器的距离的水平角和高度，和按照所述扬声器相对于所述悦耳区的位置，就强度、相位、和/或均衡，操纵所述扬声器。
7.按照权利要求6的方法，其中从所述悦耳区到每一所述扬声器的距离的确定，是通过发送测试信号至所述扬声器，用位于所述悦耳区的传感器接收所述信号，测量从开始发送所述测试信号至每一所述扬声器，到所述信号被所述传感器接收所经历的时间，以及把所述测量发送至所述处理器。
8.按照权利要求7的方法，其中所述测试信号，是在比人类可听范围更高的频率上发送的。
9.按照权利要求7的方法，其中所述测试信号，包括播放的音乐信号。
10.按照权利要求7的方法，其中所述测试信号的发送，是无线的。
11.按照权利要求7的方法，其中所述传感器能测量每一所述扬声器的脉冲响应和分析每一扬声器的传递函数，并能分析居室的声学特征。
12.按照权利要求11的方法，其中所述测量经过处理，用于补偿所述扬声器的非线性、校正所述扬声器的频率响应、和降低不需要的回声和/或交混回响，以增强悦耳区的声音质量。
全文摘要
本发明提供一种优化三维音响收听的系统，该三维音响在收听空间内有一媒体播放器和多个扬声器，该系统包括一便携式传感器，有多个换能器考究地排列在该传感器周围，用于从各扬声器接收测试信号，和把该信号发送至可接入该系统的处理器，该系统从媒体播放器接收多声道音频信号，并把多声道音频信号发送至多个扬声器，该处理器包括(a)启动测试信号的发送并接收该测试信号的装置，把测试信号送至每一扬声器，又从扬声器接收该测试信号供处理，以便在传感器放置所确定的空间内，确定每一个扬声器相对于收听地点的位置；(b)按照每一扬声器的相对位置，操纵多声道声信号每一声迹强度、相位、和/或均衡的装置，以便在需要的位置建立虚拟声源，和(c)在传感器和处理器间通信的装置。本发明还提供一种使用上述系统来优化三维音响收听的方法。
文档编号H04S5/02GK1440629SQ01806251
公开日2003年9月3日 申请日期2001年3月7日 优先权日2000年3月9日
发明者约沃·科恩, 阿米尔·巴·昂, 卓拉·纳维 申请人:Be4有限公司