CN101065989A - 双扬声器的立体声扩展网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于扩展双通道输入的方法、系统、模块、电子设备及计算机程序产品。输入两个音频通道并通过均衡所述通道来对其进行滤波。滤波后的通道和与其相对的通道在一个串音网络中相混合，并从扬声器输出，以此提供一种音频的空间感。

Description

双扬声器的立体声扩展网络

技术领域

本发明一般涉及音频处理，尤其是涉及当使用两个扬声器时对双通道输入进行扩展的音频处理。

背景技术

可以通过包括用于不同音频通道的不同扬声器的环绕系统来产生空间声。在双扬声器立体声系统的标准设置中，所述扬声器跨度有60度。为了给出声源在两个扬声器之间的区域内移动的效果，可以利用幅值移位(amplitude panning)技术。这种声源的位置对应于远离扬声器的位置并且该声源通常被称为“虚拟源”或“幻像声像(phantom image)”。换句话说，一个虚拟声源不是由该位置处的扬声器产生的，而是由听众来定位的。

美国专利公开US 3,236,949提供了一种串音消除网络，首次描述了如何使声音听起来是来自扬声器跨越的角度范围以外的。该公开假定宽间隔扬声器和自由场声音传播，这意味着不需要考虑收听者头部对于入射声波的影响。正是因为这种假设才使得模拟电子技术的实施是直截了当的。

收听者头部的影响在美国专利公开US 5,136,651中曾经有过介绍。该专利公开描述了这种影响可以如何被包含在虚拟系统中。因此串音消除系统的设计相对于自由场情况更加复杂，并且所介绍的“shuffler”是一种执行二乘二滤波器矩阵的有效方法。

专利公开WO 95/15069中曾考虑过当使用两个宽间隔扬声器时对头部移动的灵敏度问题。在该专利公开中，降低对称的二乘二滤波器矩阵的非对角元素的增益，从而以性能的适当减低为代价提高了最佳位置的尺寸。假如源素材是双耳音的，那就意味着它是准备用于通过耳机进行回放的。

而且，专利公开文件EP0880871B1描述了使用两个较近间隔放置的扬声器来增强空间的多种途径。在此存在一些讨论是关于如何避免串音消除网络中和扬声器输入中的低频提升问题，其中该扬声器输入用于该扬声器所跨越角度外部的虚拟声像。它没有考虑如何调节空间效果的强度或者如何相对于未经处理的声音来限制处理过的声音。重点主要集中于用于在高保真应用中在特定位置处实现虚拟源所必需的数字滤波器的设计和特性。

很容易理解，当两个扬声器距离很近时，它们之间的区域对于将源在这个区域内移动而产生的空间效果来说宽度是不够的。在这种情况下，有必要产生一种声音是来自两个扬声器所跨越角度之外的感觉。实现这种效果的原理是基于处理通往这两个扬声器的输入，从而使得在收听者耳朵处所再现的声音在某种程度上接近于一个实际声源在那里所产生的声音。众所周知，所述原理的结果在于要求有一个强大的异相(out-of-phase)低频输出以便于在扬声器跨越的角度之外产生虚拟源。因此这是一个很好的原因来考虑对通往扬声器的输入进行限制的方法，尤其是对于便携式设备。

通常音场(sound stage)的中心是最重要的部分。然而在空间增强系统的情况中，这一部分并没有引起人们的太多关注。在立体声音乐音轨中，例如声乐通常位于中心。与之相似的是，在电影中语音的目标在中心。有利的是，这一部分没有被空间处理过分粉饰。除了保证音质外，声场中心的可靠再现保证了来自便携设备的小型扬声器的合理响度的听觉输出。

可以看出，相关技术的解决方案并不能满足所有当前电子设备的需要。例如可以使用那些包括两个彼此间距离非常近(例如位于显示器的两侧)的扬声器的设备。通过这些设备，声音的方向可以扮演一个非常重要的角色。本发明的考虑主要是用于虚拟源基本上静态的情况。因此，应用的实例是对双声道立体声格式或5.1多通道格式的音乐和视频的增强，以及参加者的声音被分配到相对较少量的位置的电话会议。然而，对于其中虚拟源不一定是静态的其他类型音频材料而言，本发明也可用作后处理模块。

发明内容

因此，在改进的用于扩展扬声器空间输出的方法中，接收并均衡第一音频通道和第二音频通道，将所述第一均衡通道与经过延迟、缩小和反转的第二均衡通道混合，将所述第二均衡通道与经过延迟、缩小和反转的第一均衡通道混合，由此输出混合后的第一通道和第二通道。

根据一个实施例，一种用于扩展扬声器输出的系统，该系统至少包括：输入装置，用于接收第一和第二音频通道；滤波器，用于均衡所述第一和第二音频通道；用于将所述第一均衡通道与经过延迟、缩小和反转后的所述第二均衡通道相混合并将所述第二均衡通道与经过延迟、缩小和反转后的所述第一均衡通道相混合的装置；以及输出装置，用于输出混合的第一和第二音频通道。

根据一个实施例，一种用于扩展音频输出的模块，该模块包括：输入装置，用于接收第一和第二音频通道；均衡器，用于均衡所述第一和第二音频通道；用于将所述第一均衡通道与经过延迟、缩小和反转后的所述第二均衡通道相混合并将所述第二均衡通道与经过延迟、缩小和反转后的所述第一均衡通道相混合的装置；以及输出装置，用于输出混合的第一和第二音频通道。

根据一个实施例，一种具有两个扬声器的电子设备，该电子设备包括用于扩展所述扬声器输出的装置，所述装置至少包括：输入装置，用于接收第一和第二音频通道；均衡器，用于均衡所述第一和第二音频通道；用于将所述第一均衡通道与经过延迟、缩小和反转后的所述第二均衡通道相混合并将所述第二均衡通道与经过延迟、缩小和反转后的所述第一均衡通道相混合的装置；以及输出装置，用于输出混合的第一和第二音频通道。

根据一个实施例，一种用于扩展扬声器空间输出的计算机程序产品，该计算机程序产品包括计算机可读指令，该计算机可读指令用于：接收至少第一音频通道和一个第二音频通道并均衡所述音频通道；将所述第一均衡通道与经过延迟、缩小和反转后的第二滤波后通道相混合并将所述第二均衡通道与经过延迟、缩小和反转后的第一滤波后通道相混合；输出混合后的第一和第二音频通道。

其他实施例在从属权利要求中进行说明。

本发明描述了一种数字信号处理算法，该算法可以使声场延伸到两个扬声器所跨越的角度之外。由于空间效果的强度是可调节的，因此在来自两个小型扬声器的有限声学输出的约束下，可以实现空间效果、响度以及音质之间的任何折衷。

立体声扩展网络用于给收听者声音是来自于两个扬声器所跨越角度之外的位置的感觉。因此本发明大大的改善了两个近间隔的扬声器的输出，例如那些设置在屏幕不同侧(左侧、右侧、上边、下边)的扬声器，就像移动电话或另一类型的便携式设备中那样。自然，扬声器可以是能够以公知方式依附于电子设备的分离组件。

根据该解决方案，音质最好处于声场的中心位置，这大大的改善了相关技术的解决方案，因为之前中心完全没有受到关注。此外，空间效果可以连续的方式进行调节。

更进一步说，即便当使用小型扬声器时，由于本发明主题，也可以确保合理响度的声学输出。

通过可选的预处理模块，这里还存在可替换方式来调节空间效果的强度，从而给音质提供有利条件。

根据本发明的技术方案在计算上是非常有效的，它不仅给便携式设备带来巨大好处，对于其他的电子设备也是如此。

附图说明

通过以下结合附图的描述，可以对本发明有更好的理解。

图1图示了根据一个实施例的立体声扩展网络的实例；

图2图示了根据一个实施例的立体声扩展网络的另一实例；

图3a图示了根据一个实施例的设备实例；以及

图3b图示了根据一个实施例的设备的框图实例。

具体实施方式

尽管为了清楚起见在以下的描述中运用了一些特定的术语，但是这些术语仅仅是为了对本发明附图所选的特定结构进行说明，并不是试图定义或者限制本发明的范围。

图1图示了一个立体声扩展网络100的可行配置。在此实例中，该网络包括左(L_in)右(R_in)输入以及相应的左右输出(L_out，R_out)。两个音频通道被所述网络100接收并处理。立体声扩展网络100中的两个主要部分是均衡器110和串音网络120。均衡器110的功能是对每个音频通道(L_in，R_in)进行滤波，例如通过两个IIR梳状滤波器(无限冲击响应)112、115。对于每个通道(L_in，R_in)而言该功能可以是相似的：

$\mathrm{EQ}\left(z\right)=\frac{1}{1-g{z}^{-N}},$

串音网络120的功能是混合直接通道(来自均衡器)和相对通道。该相对通道在混合程序中通过N个采样(122，125)进行延迟并通过增益g(126，123)缩小。串音网络H(z)(120)为：

$H\left(z\right)=\left[\begin{array}{cc}1& -g{z}^{-N}\\ -g{z}^{-N}& 1\end{array}\right]$

串音网络120除了简单的缩放和延迟外不需要包括任何滤波操作。依赖于频率的滤波操作相对于均衡器110隔离，因此均衡对于两个通道来说是共有的。增益g的值位于0到1之间，它确定空间效果的强度。当增益为0时，串音网络120成为一个旁路，而当增益值接近1时，均衡器就会产生大量的串音和强烈的低频提升。实践当中，可产生令人满意的空间效果的增益值范围典型的为0.3到0.8。N的值取决于扬声器跨越的角度。实践当中，对于48kHz的采样频率而言，N约为若干个采样。当距离收听者头部的距离约为40cm时，对于间隔为5cm的扬声器，N＝1时效果最佳。而对于间隔为10cm的扬声器，N＝2时效果最佳。对于低采样频率和非常窄的扬声器跨度，可以使用分数延迟，因为最佳的延迟小于一个采样。另外，分数延迟在特定使用情况下可用于精确地调节延迟。例如，具有三个系数的拉格朗日FIR滤波器(有限冲击响应)可用于将分数延迟连续地从0个采样改变到2个采样，同时依然允许简单的均衡器EQ(z)实现。

图1所示出的立体声扩展网络实现了一个典型的该类型的二乘二矩阵乘法运算：

$\left[\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{out}}\\ R_{\mathrm{out}}\end{array}\right]=\mathrm{EQ}\left(z\right)H\left(z\right)\left[\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{in}}\\ R_{\mathrm{in}}\end{array}\right],$

可以很容易地证明，如果不考虑增益g的值，当两个输入相同(L_in＝R_in)时，则输出与该输入相同(Lout＝Rout＝L_in＝R_in)。这一性质保证了声场的中心总是可以被如实地再现。

形成立体声扩展网络100要首先通过用以下公式表示矩阵C(z)：

$C\left(z\right)=\left[\begin{array}{cc}1& g{z}^{-N}\\ {\mathrm{gz}}^{-N}& 1\end{array}\right],$

这是美国专利公开US 3,236,949的自由场传递函数矩阵的数字形式。C(z)的逆矩阵为：

$C^{-1}\left(z\right)=\frac{1}{1-g^2{z}^{-2N}}\left[\begin{array}{cc}1& -g{z}^{-N}\\ -g{z}^{-N}& 1\end{array}\right].$

图1所示出的立体声扩展网络100的传递矩阵可以根据C(z)的逆矩阵写成，

              EQ(z)H(z)＝(1+gz^-N)C^-1(z)，

这根据一个实施例示出了这里存在与滤波器串联的串音消除器。尽管该串音消除器在某些方面与专利公开US 3,236,949中所述的有些相似，但是本技术主题本身与它有很大的差别。根据一个实施例的串音网络120主要是针对与近距离间隔而非远距离间隔的扬声器一起使用。串音网络120针对的是主要与包含水平差异(这通常是具有音频CD上音乐的情况)而不是时间差异(这通常是具有双耳声信号的情况)的立体声信号一起使用。增益用来调节空间效果的强度，并且不取决于通过传递矩阵的物理基础(physical ground)。根据一个实施例的串音网络120包括约束，其确保当两个输入一致时该串音网络充当旁路。

图2图示了本技术主题的另一个实施例。可选择的预处理模块P(206)是实现基本的幅值移位的混合器，它可以被用作一个声场“宽度控制器”。例如，提供源材料是双通道立体声音乐(L_in，R_in)的情况，预处理模块206具有如下形式：

$P=\left[\begin{array}{cc}1-\mathrm{\α}& \mathrm{\α}\\ \mathrm{\α}& 1-\mathrm{\α}\end{array}\right]$

其中例如0＜α＜0.5。可以证明：当两个输入一致时，预处理模块206充当旁路，就像是EQ(z)和H(z)的级联。因此，可以针对任何的α值来保持声场中心。当α从0增加到0.5时，预处理模块206逐渐地将声场从整个立体宽度缩窄至中心的单个点。因此，预处理模块206提供了另外一种调节空间效果强度的途径。实践中，为了实现最大化的立体声扩展效果，采用刚好大于0的α值往往是非常有利的。在电话会议应用中，不同的α值可用于跨越声场将参与者定位。上述的幅值移位技术是已知的，其已用于产生混合起来以通过两个宽距离间隔的扬声器进行重放的音乐。然而，通过根据本发明的立体声扩展网络，提供了一种可替代的方式来调节空间效果的强度。

立体声扩展网络100可配置于能够进行音频输出的设备中。例如，提出了具有两个彼此接近的扬声器的设备。这种设备可以是移动终端、PDA设备、有线或无线计算机、通信装置或者手持式游戏机等等。该立体声扩展网络可以是作为模块安装到所述设备中的数字音频信号处理的一部分。图3a、3b以非常简单的方式图示了该设备的一个实例。该设备300可以包括具有发射器321和接收器322的通信装置320。还可以是具有发射器381和接收器382的其他通信装置380。第一通信装置320可适用于远程通信，而另一通信装置380可以是一种短程通信装置，例如蓝牙^TM系统、WLAN系统(无线局域网)或者任何适合本地应用并能与其他设备进行通信的其他系统。根据该实例的设备300还包括一个显示可视信息的显示器350。除此之外，设备包括键区351，用于输入数据、控制音频设置以及玩游戏等。设备300还包括音频装置360，如耳机353和麦克风353，以及可选地包括用于对音频数据进行编码(如果需要也可以解码)的编解码器。设备300还包括控制单元330用以对设备300的功能进行控制。该控制单元330可以包括一个或者多个处理器(CPU，DSP)。该设备可以进一步包括存储器370，用于存储数据、程序等。

本说明所公开的技术方案主要用于音乐和视频的空间增强以及用于电话会议。

本领域技术人员可以认识到本立体声扩展系统可以集合任何数量的适合提高效率的性能和功能。很明显，只要没有背离权利要求书中所阐述的技术主题的保护范围，都可以对所述实施例进行任何变化和改进。

Claims (28)

1.一种用于扩展扬声器空间输出的方法，其中，

接收并均衡第一音频通道和第二音频通道以形成第一均衡通道和第二均衡通道；

将所述第一均衡通道在所述第二均衡通道经过延迟、缩小和反转后与所述第二均衡通道相混合，并将所述第二均衡通道在所述第一均衡通道经过延迟、缩小和反转后与所述第一均衡通道相混合；以及

输出所混合后的第一通道和第二通道。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一通道和第二通道通过值在0到1之间的增益来缩小。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一通道和第二通道通过值在0.3到0.8之间的增益来缩小。

4.根据权利要求1所述的方法，其中由IIR滤波器来实现均衡。

5.根据权利要求1所述的方法，其中使用分数延迟来调节延迟。

6.根据权利要求5所述的方法，其中使用FIR滤波器来改变所述分数延迟。

7.根据权利要求1所述的方法，其中用于扩展空间输出的公式为：

          EQ(z)H(z)＝(1+gz^-N)C^-1(z)，

其中

$C^{-1}\left(z\right)=\frac{1}{1-g^2{z}^{-2N}}\left[\begin{array}{cc}1& -g{z}^{-N}\\ -{\mathrm{gz}}^{-N}& 1\end{array}\right].$

8.根据权利要求1所述的方法，其中空间输出的强度通过幅值移位进行调整：

$P=\left[\begin{array}{cc}1-\mathrm{\α}& \mathrm{\α}\\ \mathrm{\α}& 1-\mathrm{\α}\end{array}\right].$

9.根据权利要求8所述的方法，其中通过将a从0增加到0.5来缩窄所述空间输出。

10.根据权利要求8的方法，其中a被保持于正好大于0以实现立体声扩展效果的最大化。

11.一种用于扩展扬声器输出的系统，该系统至少包括：

输入装置，用于接收第一音频通道和第二音频通道；

滤波器，用于均衡所述第一音频通道和第二音频通道以形成第一均衡通道和第二均衡通道；

用于将所述第一均衡通道在第二均衡通道经过延迟、缩小和反转后与第二均衡通道相混合并将所述第二均衡通道在第一均衡通道经过延迟、缩小和反转后与第一均衡通道相混合的装置；以及

输出装置，用于输出所混合后的第一音频通道和第二音频通道。

12.根据权利要求11所述的系统，包括用于每个音频通道的延迟装置。

13.根据权利要求11所述的系统，其中所述滤波器是IIR滤波器。

14.根据权利要求11所述的系统，包括FIR滤波器，用于改变用于调节所述延迟的分数延迟。

15.根据权利要求11所述的系统，包括用于向扬声器传送输出的装置。

16.根据权利要求11所述的系统，包括用于幅值移位的预处理装置。

17.一种用于扩展音频输出的模块，包括：

输入装置，用于接收第一音频通道和第二音频通道；

均衡器，用于均衡所述第一音频通道和第二音频通道；

用于将所述第一均衡通道在第二均衡通道经过延迟、缩小和反转后与第二均衡通道相混合并将所述第二均衡通道在第一均衡通道经过延迟、缩小和反转后与第一均衡通道相混合的装置；以及

输出装置，用于输出所混合后的第一音频通道和第二音频通道。

18.根据权利要求17所述的模块，包括用于每个音频通道的延迟装置。

19.根据权利要求17所述的模块，其中所述均衡器是IIR滤波器。

20.根据权利要求17所述模块，包括FIR滤波器，用于改变用于调节所述延迟的分数延迟。

21.根据权利要求17所述模块，进一步包括用于幅值移位的预处理装置。

22.一种具有两个扬声器的电子设备，该电子设备包括用于扩展所述扬声器输出的装置，所述装置至少包括：

输入装置，用于接收第一音频通道和第二音频通道；

均衡器，用于均衡所述第一音频通道和第二音频通道；

用于将所述第一均衡通道在第二均衡通道经过延迟、缩小和反转后与第二均衡通道相混合并将所述第二均衡通道在第一均衡通道经过延迟、缩小和反转后与第一均衡通道相混合的装置；以及

输出装置，用于输出所混合后的第一音频通道和第二音频通道。

23.根据权利要求22所述的设备，包括用于每个音频通道的延迟装置。

24.根据权利要求22所述的设备，其中所述均衡器是IIR滤波器。

25.根据权利要求22所述的设备，包括FIR滤波器，用于改变用于调节所述延迟的分数延迟。

26.根据权利要求22所述的模块，进一步包括用于幅值移位的预处理装置。

27.一种用于扩展扬声器空间输出的计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储于可读介质上并用于在处理器上执行的计算机可读指令，所述计算机程序产品用于：

至少接收第一音频通道和第二音频通道，并均衡所述音频通道以形成第一均衡通道和第二均衡通道；

将所述第一均衡通道在第二均衡通道经过延迟、缩小和反转后与第二均衡通道相混合，并将所述第二均衡通道在第一均衡经过延迟、缩小和反转后与第一均衡通道相混合，以及

输出混合后的第一音频通道和第二音频通道。

28.根据权利要求27所述的计算机程序产品，进一步包括用于通过幅值移位来调整所述空间输出的强度的指令。

Images