處理用于產生聲場的高保真度立體聲響復制表示的剛性球上的球形麥克風陣列的信號的 ...的制作方法
【專利摘要】球形麥克風陣列捕獲三維聲場(P(Ωc，t))，用于生成高保真度立體聲響復制表示其中球體表面上的壓力分布由該陣列的碳精盒采樣。使用逆麥克風傳遞函數消除麥克風對所捕獲的聲場的影響。麥克風陣列的傳遞函數的均衡是一個很大的問題，因為該傳遞函數的倒數對于傳遞函數中的小的值引起高的增益，而這些小的值受變換器噪聲影響。本發明估計(73)平均聲場功率和來自麥克風陣列碳精盒的噪聲功率之間的信噪比，為擴散聲場計算(74)原點處的平均空間信號功率，并根據給定基準功率和原點處的模擬功率的分數的平方根設計頻域中的均衡濾波器的頻率響應。
【專利說明】處理用于產生聲場的高保真度立體聲響復制表示的剛性球上的球形麥克風陣列的信號的方法和裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于處理用于產生聲場的高保真度立體聲響復制表示的剛性球上的球形麥克風陣列的信號的方法和裝置，其中均衡濾波器被應用到逆麥克風陣列響應。
【背景技術】
[0002]球形麥克風陣列提供捕獲三維聲場的能力。存儲和處理聲場的一種方法是高保真度立體聲響復制表示。高保真度立體聲響復制使用正交球面函數來描述圍繞原點的區域(也被稱為最佳聽音位置)中的聲場。該描述的精度是由高保真度立體聲響復制的階N確定的，其中有限數目的高保真度立體聲響復制系數描述該聲場。球形陣列的最大高保真度立體聲響復制階由麥克風碳精盒的數目限定，該數目必須等于或大于高保真度立體聲響復制系數的數目ο = (N+1)2。
[0003]高保真度立體聲響復制表示的一個優點是聲場的再現可以單獨適應于任何給定的揚聲器布置。此外，該表示使得能夠在后期制作時使用波束成形技術來模擬不同的麥克風特性。
[0004]B-格式是一種已知的高保真度立體聲響復制的示例。B-格式麥克風需要在四面體上有四個碳精盒以在高保真度立體聲響復制階為一的情況下捕獲聲場。
[0005]階數大于一的高保真度立體聲響復制被稱為高階高保真度立體聲響復制(HOA)，并且HOA麥克風通常是剛性球上的球形麥克風陣列,例如mhAcoustics的Eigenmike。對于高保真度立體聲響復制處理，球體表面上的壓力分布由該陣列的碳精盒進行采樣。然后將采樣的壓力轉換為高保真度立體聲響復制表示。這樣的高保真度立體聲響復制表示描述聲場，但包括麥克風陣列的影響。麥克風對所捕獲的聲場的影響使用逆麥克風陣列響應來消除，它將平面波的聲場變換為在麥克風碳精盒處測得的壓力。它模擬碳精盒的方向性和麥克風陣列對聲場的干擾。

【發明內容】

[0006]由球形麥克風陣列捕獲的重構的高保真度立體聲響復制信號的失真頻譜功率應被均衡。一方面，該失真是由空間混疊信號的功率所造成的。另一方面，由于剛性球上球形麥克風陣列的噪聲降低，高階系數在球面諧波表示中缺失，并且這些缺失的系數使重構信號的頻譜功率譜失去平衡，尤其對波束成形應用。
[0007]本發明要解決的一個問題是減少由球面麥克風陣列捕獲的重構的高保真度立體聲響復制信號的頻譜功率的失真，并且均衡頻譜功率。這個問題由權利要求1中公開的方法解決。利用該方法的裝置在權利要求2中公開。
[0008]本發明的處理用作確定平衡重構的高保真度立體聲響復制信號的頻譜的濾波器。分析經濾波和重構的高保真度立體聲響復制信號的信號功率，由此為高保真度立體聲響復制解碼和波束成形應用描述平均空間混疊功率和缺失的高階高保真度立體聲響復制系數的影響。從這些結果得出平衡重構的高保真度立體聲響復制信號的平均頻譜的容易使用的均衡濾波器:取決于所使用的解碼系數和記錄的信噪比SNR，估計原點處的平均功率。
[0009]從以下獲得均衡濾波器:
[0010]-估計平均聲場功率和來自麥克風陣列碳精盒的噪聲功率之間的信噪比。
[0011]-對于每個波數k為擴散聲場計算原點處的平均空間信號功率。該模擬包括所有的信號功率分量(基準、混疊和噪聲)。
[0012]-均衡濾波器的頻率響應從給定基準功率和所計算的原點處的平均空間信號功率的分數的平方根而形成。
[0013]-對于每個波數k將均衡濾波器的頻率響應乘以得自信噪比估計的噪聲最小化濾波器的傳遞函數(對于每個階數η在離散有限波數k處)并乘以麥克風陣列的逆傳遞函數，以便得到適應的傳遞函數Fn,may(k)。
[0014]所得到的濾波器被應用到所記錄的聲場的球面諧波表示，或者被應用到重構的信號。這種濾波器的設計是計算上高度復雜的。有利地，該計算復雜的處理可以通過使用恒定濾波器設計參數的計算來減少。這些參數對于給定的麥克風陣列是常數，并且可以存儲在查找表中。這便于以可管理的計算復雜度實現時變的自適應濾波器設計。有利地，該濾波器消除高頻處增加的平均信號功率。此外，該濾波器平衡低頻處球面諧波表示中波束形成解碼器的頻率響應。不使用本發明的濾波器，來自球面麥克風陣列記錄的重構的聲音聽起來是不平衡的，因為所記錄的聲場的功率并沒有在所有的頻率子帶中被正確地重構。
[0015]原則上，本發明的方法適合于處理剛性球上的球形麥克風陣列的麥克風碳精盒信號，所述方法包括以下步驟:
[0016]-將表示所述麥克風陣列的表面上的壓力的所述麥克風碳精盒信號轉換為球面諧波或高保真度立體聲響復制表示
[0017]-使用從所述麥克風陣列記錄的平面波的平均源功率IpciGOI2和表示由所述麥克風陣列中的模擬處理產生的空間上不相關的噪聲的對應的噪聲功率IPnt5iseGO I2，對于每個波數k計算所述麥克風碳精盒信號的時變的信噪比SNR(k)的估計；
[0018]-使用基準、混疊和噪聲信號功率分量對于每個波數k為擴散聲場計算原點處的平均空間信號功率，以及從給定基準功率和所述原點處的平均空間信號功率的分數的平方根形成均衡濾波器的頻率響應；
[0019]并且對于每個階數η在離散有限波數k處，對于每個波數k將所述均衡濾波器的所述頻率響應乘以得自所述信噪比估計SNR(k)的噪聲最小化濾波器的傳遞函數，并乘以所述麥克風陣列的逆傳遞函數，以便得到適應的傳遞函數Fn,amy(k)。
[0020]-使用線性濾波處理將所述適應的傳遞函數Fn,array(k)應用到所述球面諧波表示
W(t)，從而得到適應的方向系數rfJT(0。
[0021]原則上，本發明的裝置適合于處理剛性球上的球形麥克風陣列的麥克風碳精盒信號，所述裝置包括:
[0022]-適應于將表示所述麥克風陣列的表面上的壓力的所述麥克風碳精盒信號轉換為球面諧波或高保真度立體聲響復制表示丨l(t)i的部件；
[0023]-適應于使用從所述麥克風陣列記錄的平面波的平均源功率IpciGOI2和表示由所述麥克風陣列中的模擬處理產生的空間上不相關的噪聲的對應的噪聲功率IPnt5iseOO I2散，對于每個波數k計算所述麥克風碳精盒信號的時變的信噪比SNR(k)的估計的部件；
[0024]-部件，適應于使用基準、混疊和噪聲信號功率分量對于每個波數k為擴散聲場計算原點處的平均空間信號功率，以及從給定基準功率和所述原點處的平均空間信號功率的分數的平方根形成均衡濾波器的頻率響應；
[0025]并且對于每個階數η在離散有限波數k處，對于每波數k將所述均衡濾波器的所述頻率響應乘以得自所述信噪比估計SNR(k)的噪聲最小化濾波器的傳遞函數，并乘以所述麥克風陣列的逆傳遞函數，以便得到適應的傳遞函數Fn,amy(k)。
[0026]-適應于使用線性濾波處理將所述適應的傳遞函數Fn,array (k)應用到所述球面諧
波表示木?(t)，從而得到適應的方向系數的部件。
[0027]本發明的有利的更多的實施例在相應的從屬權利要求中公開。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]參照附圖描述本發明的示例性實施例，附圖中:
[0029]圖1示出對于剛性球上的具有32個碳精盒的麥克風陣列，來自得到的揚聲器權重的基準、混疊和噪聲分量的功率；
[0030]圖2示出SNR(k) = 20dB的降噪濾波器；
[0031]圖3示出使用傳統高保真度立體聲響復制解碼器的跟隨圖2的優化濾波器的權重分量的平均功率；
[0032]圖4示出使用波束成形應用了噪聲優化濾波器之后的權重分量的平均功率，其中
【權利要求】
1.一種用于處理剛性球上的球形麥克風陣列的麥克風碳精盒信號(Ρ(Ωεα))的方法，所述方法包括以下步驟: -將表示在所述麥克風陣列的表面上的壓力的所述麥克風碳精盒信號(Ρ(Ω。^))轉換(71)為球面諧波或高保真度立體聲響復制表示^ (?)； -使用從所述麥克風陣列記錄的平面波的平均源功率Ipci(k) I2和表示由所述麥克風陣列中的模擬處理產生的空間上不相關的噪聲的對應的噪聲功率|Pn()ise(k) I2，對于每個波數k計算(73)所述麥克風碳精盒信號(Ρ(Ω。，t))的時變的信噪比SNR(k)的估計； -使用基準、混疊和噪聲信號功率分量對于每個波數k為擴散聲場計算(74)原點處的平均空間信號功率， 以及從給定基準功率和所述原點處的平均空間信號功率的分數的平方根形成(74)均衡濾波器的頻率響應， 并且對于每個階數η在離散有限波數k處，對于每個波數k將所述均衡濾波器的所述頻率響應乘以(74)得自所述信噪比估計SNR(k)的噪聲最小化濾波器的傳遞函數，并乘以所述麥克風陣列的逆傳遞函數，以便得到適應的傳遞函數Fn,amy(k)； -使用線性濾波處理將所述適應的傳遞函數Fn,amy(k)應用(72)到所述球面諧波表示 (?)，從而產生適應的方向系數
2.一種用于處理剛性球上的球形麥克風陣列的麥克風碳精盒信號(P(Qe，t))的裝置，所述裝置包括: -適應于將表示所述麥克風陣列的表面上的壓力的所述麥克風碳精盒信號(P ( Ω。，t))轉換為球面諧波或高保真度立體聲響復制表示iff (t)的部件(71)； -適應于使用從所述麥克風陣列記錄的平面波的平均源功率Ipci(k) I2和表示由所述麥克風陣列中的模擬處理產生的空間上不相關的噪聲的對應的噪聲功率|PMise(k) I2，對于每個波數k計算所述麥克風碳精盒信號(Ρ(Ω。，t))的時變的信噪比SNR(k)的估計的部件(73)； -部件(74)，適應于使用基準、混疊和噪聲信號功率分量對于每個波數k為擴散聲場計算原點處的平均空間信號功率， 以及從給定基準功率和所述原點處的平均空間信號功率的分數的平方根形成均衡濾波器的頻率響應， 并且對于每個階數η在離散有限波數k處，對于每個波數k將所述均衡濾波器的所述頻率響應乘以得自所述信噪比估計SNR(k)的噪聲最小化濾波器的傳遞函數，并乘以所述麥克風陣列的逆傳遞函數，以便得到適應的傳遞函數Fn,amy(k)； -適應于使用線性濾波處理將所述適應的傳遞函數Fn, array(k)應用到所述球面諧波表示哎(0，從而得到適應的方向系數的部件(72)。
3.根據權利要求1所述的方法，或者根據權利要求2所述的裝置，其中在沒有任何聲音源的安靜環境中獲得所述噪聲功率|pn()ise(k) I2以使得IPtlGO I2 = O。
4.根據權利要求1或3所述的方法，或者根據權利要求2或3所述的裝置，其中通過比較麥克風碳精盒處 的壓力的期望值和麥克風碳精盒處測得的平均信號功率來從麥克風碳精盒處測得的壓力Pmie(Qc^k)估計所述平均源功率IpciGO I2。
5.根據權利要求1、3和4中的一項所述的方法，或者根據權利要求2至4中的一項所述的裝置，其中所述陣列的傳遞函數Fn,may(k)在頻域中確定，包含: -使用FFT將系數Ci W變換到頻域，之后乘以所述傳遞函數Fn,may(k)； -對該乘積執行逆FFT以得到時域系數, 或者，通過時域中的FIR濾波器進行近似，包含: —執行逆FFT ； 一執行循環移位； -對所得到的濾波器脈沖響應應用沖擊窗以便平滑對應的傳遞函數； -對每個η和m的組合，對所得到的濾波器系數和系數木Amn(t).執行卷積。
6.根據權利要求1、3至5中的一項所述的方法，或者根據權利要求2至5中的一項所述的裝置，其中所述均衡濾波器的傳遞函數通過下式確定

【文檔編號】H04R5/027GK104041074SQ201280066109
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2012年10月31日 優先權日:2011年11月11日
【發明者】S.科頓, J-M.貝特克, A.克魯格 申請人:湯姆遜許可公司