具体实施方式

以下结合附图对发明技术方案进行说明。

本发明实施例提供的一种基于滑动轨道的移动音源3D音频系统，包括3D音频处理系统和自动滑动音响播放系统。

3D音频处理系统包括数据输入端、数据输出端和中央处理器，数据输入端用于输入音频数据，数据输出端用于输出中央处理器处理后得到的音频数据、各个音响的增益系数，以及各个音响的最佳发声位置和相应移动距离，各个音响的移动距离发送到滑轮控制装置。

滑动音响播放系统包括若干分层设置的音响和声卡设备，其中所有或部分分层设置轨道，其他分层设置固定位置的音响；每层轨道上设置一个或者以上带滑轮的音响，设置滑轮控制装置，滑轮控制装置接收到各个音响的移动距离后，通过滑轮带动音响在轨道上滑动，改变音响间的距离；每个音响连接声卡设备的不同声道，数据输出端输出的音频数据接入到相应声道，数据输出端输出的增益系数接入到每个音响。

优选地，选用的轨道材料尽量光滑，包括但不限于磁悬浮轨道，与单轨列车轨道同材质的锰钢材料。

优选地，选用的轨道形状包括但不限于椭圆形、圆形、矩形。

优选地，滑轮是和音响一体的方式，滑轮嵌套在音响下。

优选地，声卡设备与播放设备(音响)无线连接，解决播放设备移动过程中受到线路影响的问题。一个声道对应一个音响，一个声卡会有多个声道，比如市面上常见的6声道的声卡，实施例中的12个音响就需要用到两个6声道的声卡形成的声卡矩阵。

自动滑动音响播放设备为分层结构，根据不同的轨道形状和实际环境，可设置不同的层数，各层数的音响个数也可根据需求进行适当调整。例如实施例优选使用由环形轨道组成的球形装置，设置4层，其中上层1个音响，中上层4个音响，中下层6个音响，下层1个音响；具体实施时还可以设置上层1个音响，中下层4个音响，中上层6个音响，下层1个音响。可以中上层和中下层设置轨道，相应设置带滑轮的音响，上层和下层音响的位置固定；也可以中上层和中下层、下层设置轨道，相应设置带滑轮的音响，上层音响的位置固定。根据人耳感知特性，人耳对前方的声音最敏感，对两边的声音不敏感，对后方的声音比较敏感，因此在设置音响的间隔时，应该使前方的音响间隔小于后方的音响间隔，即前方音响的移动范围普遍小于后方音响。根据实际需要也可修改各音响的初始位置信息和可移动的区间。滑轮控制装置可控制滑轮在轨道上带动音响设备移动。

优选地，在以听众人脸为圆心位置的圆球面上设置分层，各分层与地面平行；设置支架支撑分层上的轨道。实施例的装置主体如图1和图2所示，由一个半径为1米的圆球型支架和两条光滑的圆形滑动轨道组成，其中球形的顶部有1个不可移动的音响，中上层有4个音响，中层有6个音响，底部正前方有1个不可移动音响，本发明设置人在圆球形装置里的正中间，正对人脸正前方的音响的水平角为0度，垂直角为0度，人的右侧水平角为正数，人的左侧的水平角为负数，每个音响的初始位置信息和可移动区间如表1所示。根据输入的音频信息和位置信息，来确定发声的音响组，根据算法得出音响组中的音响怎么移动才会产生最佳的3D效果。这样配置不仅节约了空间，而且使用少的音响提高了3D效果。

表1每个音响的初始位置信息和可移动区间

具体实施时，根据所选轨道的材质和构建的区域形状，可以修改每个音响的初始位置信息，还可修改各个音响的移动区间，可将各个音响的移动范围改为垂直角。

本发明实施例提供的基于滑动轨道的移动音源3D音频系统，在使用时音响播放过程的实现流程如图3所示，主要分为以下几个步骤：

步骤1，开启滑动轨道3D音频系统，输入初始化系统的一些配置信息，这些信息包括音响的初始方位信息、音响的编号、每个音响的可滑动范围、音响分组和分组的作用范围。也可以根据现有的方法自动采集各个音响的相关信息。

音响的分组规则为：每3个音响为一组，每3个音响所围成的区域为该组的作用范围，各个音响组的选择条件为，将球面上的扬声器的坐标参数转换为平面直角坐标系中的点坐标，横坐标为水平角、纵坐标为垂直角，这样在平面直角坐标系中以三个扬声器为顶点所围成的三角形区域就是该组的作用范围，按照VBAP(幅度矢量合成定位)声源生成方法，当声源空间坐标数据在这个三角形区域内时，即表示这个声源能用这三个扬声器模拟出来，这样就能得到身临其境的3D音频效果。

由于不同的环境下，各个音响的一些配置信息可能会有一些差异，但配置的方式基本相同。具体实施前，本领域技术人员可以根据具体环境预设配置。实施例针对具体的环境来配置信息，进行以下几个子步骤：

步骤1.1，输入音响的相关信息，包括音响的初始方位信息、音响的编号、每个音响的可滑动范围。音响的方位信息用水平角和垂直角来表示，人头顶正上方音响的水平角为0度，垂直角为90度，人的正前方的音响的水平角为0度，垂直角为0度。本系统所有音响的相关信息如表1所示。

步骤1.2，输入音响的分组信息和各组的作用范围。

本系统中共有12个音响，分组时应该选择初始位置相邻近的3个音响组成一组，这样扬声器组的作用范围可以尽可能小，且各组的作用范围会比较平均，划分结束后，可以再进行整体调整。这样会展现出好的3D效果。具体实施时，本领域技术人员可根据实际情况预先进行分组设置。3D音频系统所产生的标准声场为球形声场，为了确定各个音响组的选择条件，本发明可以将球形声场展开到平面直角坐标系中，横坐标为水平角，纵坐标为垂直角，如图4所示，A(X₁，Y₁)、B(X₂,Y₂)、C(X₃,Y₃)分别表示为一个音响组的3个音响的位置信息，则其作用范围为ABC三点所围成的三角形区域，则当声源V(X₀,Y₀)在此三角形区域内时，此音响组生效。判断点V是否在此三角形区域内只需满足以下关系式即可。这个三角形区域可以看做是ABC三点所围成的三角形面积，L₁、L₂、L₃分别是三角形的三条边。

L₁:(Y₃-Y₂)·X₀-(X₃-X₂)·Y₀≥(Y₃-Y₂)·X₂-(X₃-X₂)·Y₂

L₂:(Y₂-Y₁)·X₀-(X₂-X₁)·Y₀≥(Y₂-Y₁)·X₁-(X₂-X₁)·Y₁

L₃:(Y₃-Y₁)·X₀-(X₃-X₁)·Y₀≤(Y₃-Y₁)·X₁-(X₃-X₁)·Y₁

步骤2，输入带有运动轨迹的音频文件(音频数据)。在3D音频中，发声的位置可能是连续像一个方向移动，也可能是不按规律的随意变动，因此本发明可以每间隔若干毫秒(例如实施例取20毫秒)截取一个方位点，并把这些所有的位置点存在一个矩阵中，供系统依次提取这些点并进行相关计算。

实施例中提取音频文件中的运动轨迹，每20毫秒截取一个方位点，并把这些所有的方位点存在一个矩阵中。同时将音频文件输出到不同的声道中。

通常情况下，空间音源信号的位置参数可以表示为(α，β，δ)，α为虚拟音源在3D声场中的水平角，β为虚拟音源在3D声场中的垂直角，δ为虚拟音源在3D声场中距离中心的距离，通过这三个变量，可以在3D声场所包含的球形区域内定义任意一点，在现有的3D音频系统中，很少涉及到距离δ参数，因此本实施例只需要方位点的水平角α和垂直角β。

本步骤输入带有运动轨迹的音频文件，并将音频文件输入到不同声道中。将运动轨迹离散成多个方位信息点，并依次进行处理，每处理一个方位点都要进行后续步骤操作：根据方位点信息得到选定音响组、音响组内这三个音响怎么移动组合能达到最优发声效果、以及这三个音响的移动距离和增益系数，通过增益系数来调整音响的播放音量，将要移动的音响的编号和移动距离发送给自动滑动音响播放系统，自动滑动音响播放系统控制滑轮带动音响到最佳位置点。为了减少系统播放延迟，可以设置提前t毫秒处理方位信息点数据。具体实施时，可由用户设置t取值。

步骤3，依次提取一个矩阵中的方位点并开始对当前提取的方位点进行处理。根据方位点和各音响组的作用范围可得出选定音响组。计算出选定音响组内各个音响的最佳发声位置点。

音响组的选择根据音响组的作用范围和声源的方位信息来确定，如音响组ABC的作用范围为水平角在α₁到α₂区间(α₁<α₂)且垂直角在β₁到β₂区间(β₁<β₂),当声源的方位信息的水平角α和垂直角β均在此区间时，即满足α₁<α<α₂和β₁<β<β₂,则此音响组选定。

根据VBAP原理，音源容易在三角形内通过算法来生成，而且当这个三角形为正三角形时，能展现出最好的效果，基于此，当选中的音响组的音响在可移动范围内什么时候能组成正三角形且要发声的音源也在此覆盖范围时(因为音响在移动过程中，其作用范围可能会改变)，则这三个音响的位置点即为所求，如果不能组成正三角形，则当三条边的差异之和最小，即三条边的长度最接近时，此时的三个音响位置点为所得最佳位置点。

实施例中，设A(α₁，β₁)、B(α₂,β₂)、C(α₃，β₃)分别是生效音响组内的三个音响的位置坐标，V(α，β)为虚拟音源的位置点。计算过程主要包括以下步骤：

步骤3.1，计算AB、AC、BC的弧长。以AB弧长计算为例，AB的弧长计算方法可以根据球面上两点间距离的求法来计算，计算实现说明如下：

如图5所示，球面的半径为R，O为球的球心，球面上有两点A(α₁,β₁)，B(α₂,β₂)，其中α₁、α₂为点的经度数，β₁、β₂为点的纬度数，过A、B两点的大圆劣弧所对的圆心角为θ。⊙O₁与⊙O₂分别为过A、B的纬度圈，过A、C的大圆，过B、D的大圆分别为过A、B的经度圈，而经度圈与纬度圈所在的平面互相垂直，作AE⊥面O₂BC，垂足E位于O₂C上，连接EB、AB。

则

在△O₂BE中，由余弦定理，得：

BE²＝O₂E²+O₂B²+2O₂E·O₂Bcos(α₁-α₂)

＝O₁A²+O₂B²-2O₁A·O₂Bcos(α₁-α₂)

＝(Rcosβ₁)²+(Rcosβ₂)²-2Rcosβ₁·Rcosβ₂·cos(α₁-α₂)

＝R²[(cos²β₁+cos²β₂-2cosβ₁·cosβ₂·cos(α₁-α₁))]

故AB²＝AE²+BE²＝R²[2-2sinβ₁sinβ₂-2cosβ₁cosβ₂gcos(α1-α2)]

又

比较上述两式，化简整理得：

cosθ＝cos(α₁-α₂)cosβ₁cosβ₂+sinβ₁sinβ₂

过AB两点的大圆劣弧所对的圆心角为θ

θ＝arccos[(α₁-α₂)cosβ₁cosβ₂+sinβ₁sinβ₂](弧度)

A、B间的球面距离为：

L＝Rθ＝Rarccos[(α₁-α₂)cosβ₁cosβ₂+sinβ₁sinβ₂]

通过此方法，可计算出BC、AC的球面距离。

步骤3.2，计算音响组内音响的最佳发声位置点，在计算的同时还需判断这三个音响是否能模拟出发声方位点的位置坐标，因为音响在移动过程中，其作用的范围可能也会随着变化。在3D音频系统中，当三个音响的摆放能组成一个正三角形时，此时能展现出最好的3D音频效果，所以本发明需要计算出何时能组成正三角形。

通过步骤3.1得到AB、BC、AC的弧长后，比较它们大小，看ABC所组成的曲面三角形是否是曲面正三角形，如果能则不用进行后续的计算和移动步骤。如果不能，则记录下三条弧长的差值和。然后在许可范围内循环改变三个扬声器的角度信息，例如以1度为一个基础，当A的水平角改变1度时，再根据3.1提供的球面距离公式计算AB、BC、AC的弧长，然后再进行比对看能否组成正三角形，并记录其差值和，在比对看能否组成正三角形的同时，还需执行是否能模拟出音源点，如果不能模拟出音源点，则将其差值和设置为999(设置为999的作用是后续取差值和最小的点时，取不到不能模拟出音源点的位置信息点)。使用三层循环能很容易实现此功能，直到找到差值和为0(差值为0即表示三条弧长相等，能组成正曲面三角形)的位置信息则退出，如果循环结束，依然没有找到差值和为0的位置信息，则取三条弧长的差值和最小时，他们的位置点信息。

步骤4，根据最佳位置点的信息，计算出每个音响的移动距离，并控制滑轮带动音响移动到最佳位置点。也就是计算组内各个音响的当前位置点和最佳位置点的弧长。将步骤3中得到的最佳位置点的信息和音响的当前位置点信息代入步骤3.1的球面距离公式中，可很方便求出组内各音响的移动距离，将音响组内的三个音响的编号和移动距离数据发送给滑轮控制装置，控制滑轮带动音响移动到最佳位置点，并更新系统内的所有音响的位置信息数据。

根据步骤3所得各音响组内各音响的最佳位置点，通过音响的最佳位置点和音响的当前位置点计算出音响的移动距离。设在如图1所示的半径为R的圆球形环境中，音响只能水平滑动，音响A的垂直角为β不可改变，音响A的当前位置点的水平角为α₁，音响A的最佳位置点的水平角为α₂，水平滑动度数为α＝|α₁-α₂|，则音响的移动距离为因为音响移动可能是逆时针移动，也可能是顺时针移动，因此本发明可以使用正负移动距离来表示各音响是顺时针还是逆时针移动，当α₂>α₁时，即音响顺时针移动时，移动距离为正。反之距离为负值。

步骤5，计算各个音响的增益系数，然后改变各音响的增益系数，除当前选定的音响组外，其他音响的增益系数都为0，音响组内的音响增益系数g₁、g₂、g₃可以使用以下公式来计算。其中的角度信息都为音响的最佳位置信息，并非初始位置信息。

根据选中的三个音响的新位置信息A(α₁，β₁)、B(α₂,β₂)、C(α₃，β₃),声源的坐标V(α，β)，计算如下，

步骤6，检测音频方位信息矩阵内的数据是否都处理完毕，如果没有则继续返回至步骤3，依次提取一个矩阵中的方位点并开始对当前提取的方位点进行处理；如果处理完毕，则执行步骤7。

步骤7，各个音响再移动回初始位置点。

具体实施时，以上流程可由3D音频处理系统的中央处理器采用计算机软件技术实现自动运行。

通过以上技术方案，本发明能实现音响移动的最佳位置点的确定，能用更少的音响提供更好的3D音频体验。本发明的装置结构简单、易于实现，使用范围广，还可以应用于影院和家庭中，促进了3D音频的理论研究并提供了硬件和方法支持。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。