CN102231868A - 一种基于高阶录制方式的3d音频重发系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高阶录制方式的3D音频重发系统，它包括录制模块，该模块包括高阶球形传声器阵列、NI的虚拟仪器，NI的虚拟仪器包含数据采集系统和labview软件；预处理模块，该模块包括AD转换器、计算机和DSP处理器；上述发送模块，该模块安装在预处理模块上；上述接收模块，该模块安装在编解码模块上；编解码模块；阵列重发模块，该模块包括同步单元、乘法器单元、D/A转换器单元、线型扬声器阵列。该系统通过录制模块采集高阶声场信息，提高声场的空间分割程度；通过发送模块和接收模块提高数据传输的实时性；通过阵列重发模块以波束形式营造目标声场，能再现原始声场环境。

Description

一种基于高阶录制方式的3D音频重发系统

技术领域

本发明涉及的是一种基于高阶录制方式的3D音频重发系统。

背景技术

随着数字信号处理技术的发展以及人们对音效的不断追求，音频的真实感越来越受到人们的重视，人们希望通过器件重现目标声场，让聆听者可以通过这个虚拟的声场来真实地感受到目标声场的声音信息，使声音效果接近真实的环境。因此音频重发系统广泛应用在虚拟现实世界的技术当中，以及许多关于可听化技术的科学研究。

音频重发系统主要包括两部分，分别是音频录制和音频重发，其中音频录制为传声器的声场采集，音频重发是通过扬声器进行声场再现。传统的音频录制方式都是在两个8字型传声器技术的基础上发展起来的，例如在英国专利公开说明书（专利号为394325）公开了这种音频录制方式（Blumlein, A.  Improvements in and relating to Sound-transmission Sound recording and Sound reproducing Systems[P]. British Patent Application 394325. 1931. ）。但是，这种音频重发系统中传声器采集的声场信息有限，不能营造出与目标声场类似的重发声场。后来人们又提出声全息系统（Holophony）和波场合成系统（WFS），前者具有宽阔的可听区域，适合于多人共用的声重发要求，但受空间采样定理的限制，Holophony需要大量的扬声器和DSP处理通路，不易于实现；后者主要用于水平面式的重发用途，同样受空间采样定理的限制而需要大量的扬声器等硬件设备，也不易于实现。

另一种可以营造目标声场的系统是Ambisonic系统，该系统在理论上是使声场被一系列球谐函数分解和重构。球谐函数是用于空间声场分解的函数，用它可以营造声场特性，球谐函数在空间上有相同的中心。这样，Ambisonic系统不受空间采样定理的约束，不管其阶数如何，在Ambisonic系统扬声器阵列的中心可以重构出精确的声场。Michael Gerzon（Michael A.Gerzon, Periphony with height sound reproduction[J]. In AES Journal, volume 21, pages 2–10. AES, 1973）最早提出了1阶的Ambisonic系统。根据1阶Ambisonic系统的原理，英国Soundfield公司制造出型号为STS250的可用于实际录音的符合以上要求的传声器。该Ambisonic系统采用具有空间分布的4个传声器录制声场，对空间音频进行采样，但是，采样所得的空间信息的精细程度仍然不够，声场的空间分割程度不够细致，音频重发时由此得到的重构声场精度不高。在重发端扬声器的布线复杂，配置高，例如杜比5.1、7.1，声场再现时必须按声场重构的原理，将扬声器排列在整个听域空间，否则就会使营造的目标声场失真，而且扬声器的分布结构非常繁琐，在重发时只是把声源虚拟出方向性，并不一定就是真实的声源方向。因此，上述Ambisonic系统不适用于大型会议及大型展览会等开放场合。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于高阶录制方式的3D音频重发系统，该系统能获取声场高阶信息的球形传声器阵列录制声场，通过一组线型扬声器SP-i排列的线型扬声器阵列重发再现原始的声场环境。

为解决上述技术问题，本发明采用下列技术方案，

一种基于高阶录制方式的3D音频重发系统，该系统包括录制模块、预处理模块、发送模块、接收模块、编解码模块和阵列重发模块，录制模块、预处理模块、发送模块、接收模块、编解码模块、阵列重发模块6依次连接，其特征在于：

上述录制模块，该模块包括高阶球形传声器阵列、NI的虚拟仪器，NI的虚拟仪器包含数据采集系统和labview软件，其中，高阶球形传声器阵列用于采集音频数据，采集的音频数据经NI虚拟仪器存储后，再通过串行接口传送给预处理模块； 

上述预处理模块，该模块包括AD转换器、计算机和DSP处理器，AD转换器用于对从录制模块传来的音频数据进行模数转换，然后将转换后的数据存储在计算机上，计算机通过JTAG接口与DSP处理器相连，将转换后的数据通过算法处理形成音频分类数据；

上述发送模块，该模块安装在预处理模块上，根据数据传输的协议将预处理模块处理后获得的音频分类数据转换成各类数据包，经网络将数据包向发送模块进行远程传输；

上述接收模块，该模块安装在编解码模块上，接收网络传来的发送模块发送的数据包，对数据包做逆向转换得到音频分类数据，转送编解码模块；

上述编解码模块，该模块用于对音频分类数据的编解码，将接收模块传来的音频分类数据进行实时转换，传送到阵列重发模块；

上述阵列重发模块，该模块包括同步单元、乘法器单元、D/A转换器单元、线型扬声器阵列，同步单元、乘法器单元，D/A转换器单元、线型扬声器阵列依次连接，同步单元采用并行传输方式接收编解码模块传来的音频分类数据，通过线型扬声器阵列以波束的形式营造目标声场，再现原始声场环境。

本发明的一种基于高阶录制方式的3D音频重发系统与现有技术相比较具有的有益效果是：该系统通过录制模块采用的高阶球形传声器阵列和NI的虚拟仪器采集数据，提高声场的空间分割程度；通过发送模块和接收模块能支持数据的远程传输，提高数据传输的实时性；通过阵列重发模块的一组线型扬声器SP-i以波束输出的形式营造目标声场，再现原始声场环境，适用于大型会议及大型展览会等开放场合，市场应用范围广阔。    

附图说明

图1为本发明的一种基于高阶录制方式的3D音频重发系统的结构示意图；

图2为本发明的录制模块1的结构示意图；

图3为本发明的高阶球形传声器阵列11的结构示意图；

图4为本发明的预处理模块2的示意图；

图5为本发明的阵列重发模块6的结构示意图。

具体实施方式

以下将对本发明的3D音频重发系统作进一步的说明。

参阅图1，本发明的一种基于高阶录制方式的3D音频重发系统，该系统包括录制模块1、预处理模块2、发送模块3、接收模块4、编解码模块5和阵列重发模块6，录制模块1、预处理模块2、发送模块3、接收模块4、编解码模块5、阵列重发模块6依次连接，其中：

如图2、所示，所述的录制模块1包括高阶球形传声器阵列11、NI的虚拟仪器12，NI的虚拟仪器12包含数据采集系统121和labview软件122，高阶球形传声器阵列11用于采集音频数据，音频数据经NI虚拟仪器存储12后，再通过串行接口传送给预处理模块2，所述的高阶球形传声器阵列11由25个传声器MC-i组成，其中，i=1至12，按等距离方式分布于刚性球球壳上，传声器距离取10cm，球阵的阶数为3阶。如图3所示，图中，小圆点表示传声器MC-i，相邻小圆点之间的距离为10cm。在NI的虚拟仪器12的扩展槽上开辟25个采集通道NIX-i，其中，i=1至25，每一个通道分别连接一个传声器，采集音频数据，经数据采集系统121采样，设置采样率为45kHz，由labview软件122读取并在线存储，将存储的音频数据通过串行接口传输给预处理模块2。

如图4所示，所述的预处理模块2包括A/D转换器21、计算机22和DSP处理器23，由录制模块1传输过来的音频数据通过A/D转换器21进行模数转换，然后通过USB接口将数据存储在计算机22上，计算机22通过JTAG接口与DSP处理器23相连，将音频数据从计算机22下载到DSP处理器23，在DSP处理器23中通过算法处理对音频进行分类，形成音频分类数据，音频分类数据包括语音类、背景类、噪声类和声源方位类。

所述的发送模块3，该模块安装在预处理模块2上，根据数据传输的协议将预处理模块2处理后获得的音频分类数据转换成各类数据包，然后经网络将数据包向发送模块2进行远程传输。

所述的接收模块4，该模块安装在编解码模块5上，收到网络传来的发送模块3发送的数据包，对数据包做逆向转换得到音频分类数据，转送编解码模块5，接收模块4起到数据缓存的作用，在网络堵塞时，防止数据包的丢失，在发送模块3和接收模块4上分别设置IP地址等通信参数，连接通信的双方。

所述的编解码模块5，该模块用于对音频分类数据的编解码，将接收预处理模块2传来的音频分类数据进行实时转换，采用空间参数编码技术压缩音频数据、提取空间参数，并行传送到阵列重发模块5。                                                                 

参考图5，所述的阵列重发模块6，该模块包括一组同步单元61、一组乘法器单元62，一组D/A转换器单元63、一组线型扬声器阵列64，一组同步单元61、一组乘法器单元62，一组D/A转换器单元63、一组线型扬声器阵列64分别依次连接，音频数据从编解码模块5并行传输至一组同步单元61，一组同步单元61采用并行传输方式接收编解码模块5传来的音频分类数据并做同步处理，使音频分类数据同步播放。一组同步单元61设置一个缓存单元611，通过数据线与计算机612相连，把音频数据短暂存储后供计算机612实时下载并保存。一组乘法器单元62分别由12个乘法器MU-i组成，其中，i=1至12，乘法器MU-i用于将音频数据转换为数字电信号，进行功率放大。一组D/A转换器单元63分别由12个D/A转换器D/A-i组成，其中，i=1至12，D/A转换器D/A-i用于将数字电信号转化成模拟电信号供线型扬声器阵列64重发，一组乘法器MU-i与一组D/A转换器D/A-i依次对应连接。一组线型扬声器阵列64分别由12个Renkus-HeinzPN102LA扬声器SP-i组成，其中，i=1至12，扬声器SP-i之间的距离为30cm，一组扬声器SP-i为线型排列，一组扬声器SP-i与一组D/A转换器D/A-i依次对应连接。一组线型扬声器SP-i以波束输出的形式营造目标声场，再现原始声场环境。

Claims (1)

1.一种基于高阶录制方式的3D音频重发系统，该系统包括录制模块(1)、预处理模块(2)、发送模块(3)、接收模块(4)、编解码模块(5)和阵列重发模块(6)，录制模块(1)、预处理模块(2)、发送模块(3)、接收模块(4)、编解码模块(5)、阵列重发模块(6)依次连接，其特征在于：

上述录制模块(1)，该模块包括高阶球形传声器阵列(11)、NI的虚拟仪器(12)，NI的虚拟仪器(12)包含数据采集系统(121)和labview软件(122)，其中，高阶球形传声器阵列(11)用于采集音频数据，采集的音频数据经NI虚拟仪器(12)存储后，再通过串行接口传送给预处理模块(2)；

上述预处理模块(2)，该模块包括AD转换器(21)、计算机(22)和DSP处理器(23)，AD转换器用于对从录制模块(1)传来的音频数据进行模数转换，然后将转换后的数据存储在计算机(22)上，计算机通过JTAG接口与DSP处理器(23)相连，将转换后的数据通过算法处理形成音频分类数据；

上述发送模块(3)，该模块安装在预处理模块(2)上，根据数据传输的协议将预处理模块(2)处理后获得的音频分类数据转换成各类数据包，经网络将数据包向发送模块(2)进行远程传输；

上述接收模块(4)，该模块安装在编解码模块(5)上，接收网络传来的发送模块(3)发送的数据包，对数据包做逆向转换得到音频分类数据，转送编解码模块(5)；

上述编解码模块(5)，该模块用于对音频分类数据的编解码，将接收模块(4)传来的音频分类数据进行实时转换，传送到阵列重发模块(6)；

上述阵列重发模块(6)，该模块包括同步单元(61)、乘法器单元(62)、D/A转换器单元(63)、线型扬声器阵列(64)，同步单元(61)、乘法器单元(62)，D/A转换器单元(63)、线型扬声器阵列(64)依次连接，同步单元(61)采用并行传输方式接收编解码模块(5)传来的音频分类数据，通过线型扬声器阵列(64)以波束的形式营造目标声场，再现原始声场环境。

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