阅读说明：本技术 一种扬声器虚拟声重放的音色均衡方法 (Tone equalization method for virtual sound reproduction of loudspeaker ) 是由 刘路路 谢菠荪 于 2020-04-20 设计创作，主要内容包括：本发明提供的一种扬声器虚拟声重放的音色均衡方法,输入原始的单通路声频信号<I>E</I><Sub>0</Sub>；对单通路声频信号经过一对听觉传输合成滤波器进行处理,得到两通路的信号<I>E</I><Sub><I>L</I></Sub>和<I>E</I><Sub><I>R</I></Sub>,所述一对听觉传输合成滤波器采用包括高频段功率均衡和低频段乘以与频率无关的增益因子的扬声器虚拟声信号处理函数对单通路声频信号进行滤波,将两通路信号<I>E</I><Sub><I>L</I></Sub>和<I>E</I><Sub><I>R</I></Sub>分别馈给对称布置在水平面前方的左扬声器和右扬声器重放。通过引入分频频率,在分频频率以上的高频段对扬声器虚拟声信号进行功率均衡,而保持低频段幅度谱的形状不变,改善了扬声器虚拟声重放的音色,并且可以避免重放的低频不足,且本发明不影响重放的虚拟源定位。(The invention provides a tone equalization method for virtual sound reproduction of a loudspeaker, which inputs an original single-channel audio signal E 0 (ii) a Processing the single-channel audio signal by a pair of auditory transmission synthesis filters to obtain two-channel signals E L And E R the pair of auditory transmission synthesis filters the single-path audio signal using a speaker virtual acoustic signal processing function including high-band power equalization and low-band multiplication by a frequency-independent gain factor, filtering the two-path signal E L And E R respectively fed to the left and right loudspeakers symmetrically arranged in front of the horizontal plane. By passingThe invention introduces the crossover frequency, carries out power equalization on the virtual sound signal of the loudspeaker in a high frequency band above the crossover frequency, keeps the shape of a low frequency band amplitude spectrum unchanged, improves the tone color of the virtual sound replay of the loudspeaker, can avoid the insufficient low frequency of the replay, and does not influence the virtual source positioning of the replay.)

一种扬声器虚拟声重放的音色均衡方法

技术领域

本发明涉及电声技术领域，具体涉及一种扬声器虚拟声重放的音色均衡方法。

背景技术

扬声器虚拟声重放，也称为听觉传输重放，是一种空间声重放技术。它利用头相关传输函数信号处理，在扬声器重放中控制双耳声压，从而利用少量扬声器产生不同空间方向的感知虚拟源。扬声器虚拟声重放的一个典型应用是虚拟环绕声重放，它利用一对布置在倾听者前方的扬声器产生前半水平面的虚拟扬声器，从而实现用少量扬声器重放多通路环绕声的信号。该方法已应用到5.1通路和其它多通路环绕声的虚拟重放，如Dolby虚拟环绕声技术，SRS和Qsurround的技术等。扬声器虚拟声重放的另一典型应用是计算机游戏中的声音重放，利用布置在计算机显示器两侧的一对扬声器实现空间声定位效果。

扬声器虚拟声重放的一个问题是重放时会产生音色改变，从而影响重放的效果。因而需要增加音色均衡信号处理，改善重放效果。在国家发明专利授权(ZL02134416.7)中公开了一种在20Hz到20kHz范围内的全(可听声)频带功率均衡方法。该方法可在一定程度上减少重放的音色改变。在国家发明专利授权(ZL200610037495.0)中，对信号处理的头相关传输函数滤波器进行了简化，并进一步减少了重放音色的改变。但是，这两个国家发明专利授权所涉及的音色均衡信号处理仍然会存在重放声的低频不足问题。

发明内容

本发明是在现有技术的基础上，进一步提供一种扬声器虚拟重放的音色均衡方法。该方法在在扬声器虚拟声信号处理中引入分频段的音色均衡方法，能进一步减少重放过程中音色的改变，特别是减少低频损失，同时不会感知虚拟源方向。

本发明所述的一种扬声器虚拟声重放的音色均衡方法，包括如下步骤：

输入原始的单通路声频信号E₀；

对单通路声频信号经过一对听觉传输合成滤波器进行处理，得到两通路的信号E_L和E_R，所述一对听觉传输合成滤波器采用包括高频段功率均衡和低频段乘以与频率无关的增益因子的扬声器虚拟声信号处理函数对单通路声频信号进行滤波，

将两通路信号E_L和E_R分别馈给对称布置在水平面前方的左扬声器和右扬声器重放。

其中一个实施例中，所述包括高频段功率均衡和低频率乘以与频率无关的增益因子的扬声器虚拟声信号处理函数具体如下：

E_L＝G'_L(θ_S,f)E₀ E_R＝G'_R(θ_S,f)E₀

其中，G'_L(θ_S,f)为左扬声器信号处理函数，G'_R(θ_S,f)为右扬声器信号处理函数，α和β分别代表两扬声器到同侧耳和异侧耳的传输函数；H_L(θ_S,f)和H_R(θ_S,f)分别代表方位角为θ_S的目标虚拟源的到左耳和右耳的传输函数；f代表频率；f₀为分频频率，代表高频与低频的分频点，大于f₀的则为高频段，小于f₀的则为低频段；G₀是代表低频增益的常数。

其中一个实施例中，所述分频频率f₀通过以下方式获得：

在扩散声场近似中，中心频率为f_C的声信号在两个相距Δr的受声点产生的归一化互相关系数为：

其中，Ψ代表归一化互相关系数，k_c代表波数，c＝343m/s是声速，由于|sin(k_CΔr)|≤1,归一化互相关系数的最大值|Ψ|_max≤(k_CΔr)^-1,给定该最大值，即可得到分频频率：

其中一个实施例中，所述Δr取为双耳间的平均距离，对应的分频频率f₀＝1.5kHz。

其中一个实施例中，低频增益常数G₀按高频段和低频段的功率谱在分频频率f₀附近连续的条件选取。

本发明的原理是：在扬声器虚拟声重放中，虚拟源位置是由通路信号间的相对振幅和相对相位决定。对各扬声器信号同时乘以或除以一个与频率有关的公共因子不会影响虚拟源的位置，但改变了各扬声器信号的功率谱，从而可对重放的音色进行均衡。在理想扩散场中，多个扬声器在受声点产生的声压是非相关叠加的，因而对各扬声器信号进行功率均衡，使其总功率谱不随频率变化较为合适。但实际应用中，重放房间内的声场并不是理想扩散声场。特别是在低频，受声点的声压并不是各扬声器产生声压的非相关叠加。整个全频带范围(从20Hz到20kHz)的功率均衡会导致过多的低频衰减，引起重放声的低频不足。由于在一定的频率以上，实际重放房间的声场相对接近扩散声场，因而可以在一定频率以上的高频带对扬声器虚拟声信号进行功率均衡，一定频率以下的低频段乘以与频率无关的增益因子保持信号的幅度谱形状不变。这样就可以在改善重放高频音色的同时避免了低频的不足。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1.本发明引入分频频率，在分频频率以上的为高频段，在分频频率以下的为低频段，在高频段对扬声器虚拟声信号进行功率均衡，在低频段保持信号的幅度谱形状不变，改善扬声器虚拟声重放的音色，并且可以避免重放的低频不足，且本发明不影响重放的虚拟源定位。

2.本发明可用于各种多通路(如5.1通路)环绕声的虚拟重放，也可用于计算机声音重放与游戏重放。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种扬声器虚拟声重放的音色均衡方法的方框图。

图2是虚拟重放扬声器布置及扬声器到双耳的传输示意图。

图3是验证本发明的虚拟源定位实验结果。

图4是验证本发明的音色主观评价实验的结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。

本发明系统的方框图如图1所示。一对真实的水平扬声器布置在倾听者左前和右前方向。输入原始的单通路声频信号E₀；对单通路声频信号经过一对听觉传输合成滤波器进行处理，得到两通路的信号E_L和E_R，所述一对听觉传输合成滤波器采用包括高频段功率均衡和低频段乘以与频率无关的增益因子的扬声器虚拟声信号处理函数对单通路声频信号进行滤波，将两通路信号E_L和E_R分别馈给对称布置在水平面前方的左扬声器和右扬声器重放。

声频信号经过一对听觉传输合成滤波器处理后，分别馈给左前和右前扬声器重放。听觉传输合成滤波器的响应是通过使两扬声器重放的双耳声压与目标声源的情况相等，并增加音色均衡处理得到。

水平面方位角选取为0°≤θ<360°，其中θ＝0°,90°,180°和270°分别代表正前、正右、正后和正左方向。对自由场中水平方位角为θ_S的真实声源，双耳声压可以分别由声源到左耳的头相关传输函数(HRTF)H_L(θ_S,f)和右耳的头相关传输函数(HRTF)H_R(θ_S，f)得到：

P_L(f)＝H_L(θ_S,f)E₀(f) P_R(f)＝H_R(θ_S,f)E₀(f) (2)

这里f代表频率，E₀＝E₀(f)是声源振幅信号，H_L(θ_S,f)和H_R(θ_S,f)分别代表方位角为θ_S的目标虚拟源到左耳和右耳的传输函数。

对图2给出的两扬声器虚拟重放，两扬声器的方位角分别为θ_L和θ_R。两扬声器到双耳的四个传输函数(HRTF)分别为H_LL(θ_L，f)，H_RL(θ_L，f)，H_LR(θ_R，f)和H_RR(θ_R，f)，两扬声器信号分别为E_L和E_R。重放产生的双耳声压为两个扬声器产生双耳声压的叠加：

考虑左右对称性，两扬声器到同侧耳的传输函数相等，到异侧耳的传输函数也相等：

H_LL(θ_L,f)＝H_RR(θ_R,f)＝α H_LR(θ_R,f)＝H_RL(θ_L,f)＝β (4)

(3)式成为

P'_L(f)＝αE_L+βE_R P'_R(f)＝βE_L+αE_R (5)

令(2)式与(5)式相等，也就是虚拟重放产生的双耳声压等于目标声源的情况，可得到两扬声器的信号为：

E_L＝G_L(θ_S,f)E₀ E_R(f)＝G_R(θ_S,f)E₀ (6)

这里一对听觉传输波器的响应为

因而两扬声器信号是采用一对听觉传输滤波器G_L(θ_S,f)和G_R(θ_S,f)对输入信号E₀滤波得到。

高频率功率均衡就是对(7)式的一对听觉传输响应用一个与频率有关的公共因子进行均衡。采用恒定功率因子进行均衡，会使得听觉传输滤波器的响应变为：

上式的分母为恒定功率的公共因子，其与频率有关。均衡后保持高频段信号总的功率不变：

|G'_L(θ_S,f)|²+|G'_R(θ_S,f)|²＝1 (9)

本实施例采用分频带的音色均衡方法：在分频频率f₀以上的高频段，增加功率均衡处理；对分频频率f₀以下的低频段，不增加与频率有关的均衡，而仅乘以与频率无关的增益因子G₀使得高频段和低频段的功率谱在分频频率附近连续。经上述均衡处理后，得到(1)式所示的一对听觉传输滤波器响应。

E_L＝G'_L(θ_S,f)E₀ E_R＝G'_R(θ_S,f)E₀

分频频率f₀按以下的方式选取。在扩散声场近似中，中心频率为f_C声信号在两个相距Δr的受声点产生的归一化互相关系数为：

其中c＝343m/s是声速。由于|sin(k_CΔr)|≤1，归一化互相关系数的最大值|Ψ|_max≤(k_CΔr)^-1，给定该最大值，可以得到分频频率

如果选取Δr＝0.175m为双耳间的平均距离，对相关系数|Ψ|_max＝0.1，0.2和0.3，则分频频率f₀分别为3.1kHz，1.6kHz和1.0kHz。考虑到1.5kHz的低频双耳时间差是扬声器虚拟声重放的主要定位因素，为了使该因素不受均衡的影响，本发明的实施例中分频频率取f₀＝1.5kHz，这样也可以使相关系数接近0.2。

本发明实施例的原理是：

在扬声器虚拟声重放中，虚拟源位置是由通路信号间的相对振幅和相对相位决定。对各扬声器信号同时乘以或除以一个与频率有关的公共因子不会影响虚拟源的位置，但改变了各扬声器信号的功率谱，从而可对重放的音色进行均衡。在理想扩散场中，多个扬声器在受声点产生的声压是非相关叠加的，因而对各扬声器信号进行功率均衡，使其总功率谱不随频率变化较为合适。但实际应用中，重放房间内的声场并不是理想扩散声场。特别是在低频，受声点的声压并不是各扬声器产生声压的非相关叠加。整个全频带范围(从20Hz到20kHz)的功率均衡会导致过多的低频衰减，引起重放声的低频不足。由于在一定的频率以上，实际重放房间的声场相对接近扩散声场，因而本实施例在一定频率以上的高频带对扬声器虚拟声信号进行功率均衡而保持低频带信号的幅度谱形状不变，从而可以在改善重放高频音色的同时避免了低频的不足。

本实施例可采用通用DSP硬件电路或专用的集成电路实现，也可采用算法语言(如VC++)编制的软件在多媒体计算机上实现。

本实施例可设计成专用硬件或通用软件而用在数字电视、智能扬声器系统等方面的声音重放，也可作为硬件或软件用在多媒体计算机的声音重放。

为了便于理解，以下介绍本发明方案在多媒体计算机的应用。

由计算机读取存储在硬盘的单通信号，或通过互联网的等数字传输媒体得到单通信号，然后用计算机软件实行图1的虚拟信号处理(也可以在计算机的声卡上用专用的硬件电路实现)，得到两通路信号E_L和E_R后分别馈给外接或计算机自带的两个全频带扬声器进行重放。

本发明实施例中信号处理所用的是KEMAR人工头的头相关传输函数数据，长度512点采样频率44.1kHz。采用有限脉冲响应(FIR)滤波器实现虚拟信号处理。

具体实施的步骤：

第一步：输入单通路声频信号E₀；

第二步：将单通路信号分别用左通路的分频段滤波器G’_L(θ_S,f)和右通路的分频段滤波器G’_R(θ_S,f)滤波，分别得到两通路输出信号E_L和E_R；

采用心理声学实验来验证本发明实施例的实际效果。评价本发明实施例的一个关键是各虚拟源的感知方向和主观音色质量。本实施例将对以下三种采用不同均衡方法的扬声器虚拟声信号处理进行对比评价。

(1)方法一：无音色均衡的虚拟声信号处理。两扬声器信号是根据前面(6)和(7)式的信号处理得到。

(2)方法二：在20Hz-20kHz全可听声频带范围内的功率均衡方法。两扬声器信号是根据前面(6)到(8)式得到。

(3)方法三：高频带的功率均衡方法，分频点为f₀＝1.5kHz。两扬声器信号根据(1)式得到，即本发明所提出的音色均衡方法。

单通路声频信号经过上述方法之一处理得到两扬声器信号。信号处理采用KEMAR人工头(配DB-060/061小号耳廓)。信号处理滤波器的采样频率44.1kHz，长度512点。信号处理在计算机用软件实现，信号通过声卡(RME Fireface UC)和一对扬声器重放。

实验是在一间混响时间为0.15s的听音室内进行。扬声器布置在水平面±15°方位角的方向，距离倾听者头中心1.45m。重放声压级大约为80dB。

实验分为两部分。第一部分是虚拟源定位实验。实验信号为一段管弦乐(选自伯辽兹，幻想交响曲)，长度10s。选择θ_S＝0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°共7个目标方向。实验中，受试者判断感知虚拟源方向。共12名受试者，年龄22-30岁。每名受试者重复判断三次。因而每个条件下总共有3重复×12受试者＝36个判断。

首先用Kruskal-Wallis H试验分析实验数据的一致性。将36个判断的平均值和标准差作为最后的实验结果。同时用方差分析的方法检验三种均衡方法的结果。

Kruskal-Wallis H试验的结果表明，在显著性水平α＝0.05，所有试验无显著性差别，因而所有受试者和重复的定位结果是一致的，所以实验结果是稳定和可信的。在所有实验结果中，没有出现前后混乱。图2是虚拟源定位实验的平均感知方位角和对应的标准差。在0°到60°范围内时，平均感知方位角与目标虚拟源一致。对θ_S＝75°和90°的侧向目标虚拟源，平均感知方向有向前移动的趋势。这是前方两扬声器虚拟重放的普遍问题。进一步方差分析的结果表明，在显著性水平α＝0.05下，三种均衡方法的定位结果无显著性差别，感知方位角的显著性为0.85，感知仰角的显著性为0.352，均大于0.05。

第二部分实验是感知音色质量的主观评价。采用国际电信联盟推荐的多试验信号、包括隐藏参考和锚信号的定量评价方法(MUSHRA，ITU-R，BS.1534-3，2015)，对不同均衡方法的音色质量进行比较。对上述三种均衡方法的每一种，对θ_S＝0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°共7个水平目标方向的虚拟源音色进行评价。评价所用的信号包括以下五段音乐信号：

(1)柴可夫斯基，1812序曲片段

(2)伯辽兹，幻想交响曲片段

(3)多尼采蒂，多美好的一天片段，选自歌剧军中女郎

(4)罗西尼，威廉退尔序曲片段

(5)墨索尔斯基，展览会上的图画片段

对每一种情况(给定均衡方法，目标虚拟源角和信号)，参考和隐藏参考是用目标方向的单一扬声器重放原始的单通路信号。低锚信号是经过7kHz低通滤波的上述均衡方法一的信号。因而每种情况共有六个信号，包括一个参考信号，一个隐藏参考信号，一个低锚信号，三个不同均衡方法的信号。受试者以0到100分的标准对五个目标进行评价，包括一个隐藏参考信号，一个低锚信号，三个不同均衡方法的信号。其中：0到2 0分表示很差，20到40分表示差，40到60分表示尚可，60到80分表示好，80到100分表示很好。每名受试者对每个目标评价三次，因而共有3重复×12受试者＝36评分。

对原始的评价结果进行置信水平0.05的多元方差分析。方差分析包括三个因素，均衡方法，信号和目标虚拟源方向。同时检验各因素之间的交互。

初步的统计t检验表明，隐藏参考的音色平均分数与100分满分无显著性差异，而低锚的平均分数与100分存在显著性差异。Kruskal-Wallis H试验表明，在显著性水平α＝0.05，所有重复试验无显著性差别。因而音色评价的结果是有效的。

表1对感知音色进行多元方差分析的结果

表1是对感知音色进行多元方差分析的结果。均衡方法、目标方位角对感知音色有显著影响。但信号对感知音色无显著影响。均衡方法和目标方位角两者之间有显著交互；但信号和目标方位角之间以及均衡方法、信号和目标方位角三者之间无显著交互。因而三种均衡方法之间有显著性差异，虽然差异与目标方位角有关。

图4是音色主观评价实验的结果，也就是在三种不同均衡方法和不同目标虚拟源方位角的条件下，对评价所用的前述五段音乐信号、十二名受试者和三次重复判断的平均感知音色分数。基本结果是，音色高分到低分的排序是：均衡方法三，均衡方法二，均衡方法一。

进一步的方差分析表明：

(1)在目标虚拟源方位角(即图中的目标方位角)θ_S＝0°，均衡方法三和二无显著差别；但均衡方法三和一以及均衡方法二和一有显著差别。

(2)在目标虚拟源方位角θ_S＝15°(实际扬声器方向)，三种均衡方法无显著差别。

(3)在其它目标虚拟源方位角θ_S＝30°，45°，60°和90°，三种均衡方法有重要的差别。

高频带的功率均衡方法的平均音色主要在60-70分的“较好”范围，优于全可听声频带范围内的功率均衡方法的50-60分(“尚可”范围)，明显优于无音色均衡的40分左右(“较差”范围)。

上述实验表明高频带的功率均衡方法可以进一步改善感知音色质量，并且对虚拟源定位无影响。因此实验验证了本发明的效果。

如上，为了便于理解，本发明实施例具体介绍多媒体计算机应用。但本发明并不限定于多媒体计算机的应用，也包括其它的应用，如蓝光光盘播放机的应用、电视的应用，将蓝光光盘播放机解码输出或从数字传输媒体得到的多通路环绕声的每一通路(数字)信号按图1的方法进行处理后，得到两通路信号E_L和E_R，然后馈给电视机上的一对立体声扬声器重放，重放出空间环绕声的效果。其中，虚拟信号处理可作为蓝光光盘播放机内的一部分硬件电路，也可作为电视机的一部分硬件电路，或者有源扬声器系统内部的硬件电路；又如，在家庭影院的应用，将蓝光光盘播放机解码输出或从数字传输媒体得到的多通路环绕声(数字)信号馈给家庭影院的放大器，图1的虚拟信号处理是作为放大器内的一部分功能电路。得到两通路信号E_L和E_R后分别馈给外接的左右全频带扬声器进行重放。本发明也不限定于在计算机中用软件实现，也可以用其他方式实现，如通用的DSP实现，设计成专用的集成电路芯片实现。