[发明专利]一种沉浸式宽带3D声场重放方法

说明书

本发明公开一种沉浸式宽带3D声场重放方法，首先，计算在指定空间位置放置的场景A的虚拟声源到场景B中各个听音点的声学传输函数，将该函数值作为虚拟声源辐射声场的声压值；其次，设定场景B中某一墙面的扬声器阵列为规则的矩形等间距布局，并基于声波的波动特性，利用格林函数来建模所有扬声器到听音点的声学传播特征；再次，基于线性凸优化理论，将l₁范数作为稀疏规则算子利用交替方向乘子法进行正则化运算，选取1倍频程内八个频带的中心频率计算扬声器权值，进行激活扬声器选取。最后，利用l₂范数正则化，计算重放系统中激活扬声器的权值信号，使得在最小均方准则下，待重放声源的辐射声场和激活扬声器的辐射声场最接近。

技术领域

本发明属于声学技术领域，尤其涉及一种沉浸式宽带3D声场重放方法。

背景技术

空间声重放是三维音频技术中最为关键的一项内容，目的是尽可能准确地重现一个期望的声场景，给听音者以临场感和沉浸感。主要的实现方式是利用一组扬声器阵列在指定的空间内重构一个与期望声场一致的声学环境。现有的声场重放系统中，扬声器阵列的布局方式通常是利用环形或球形阵列，在实际摆放时需要利用球架等大型设备，给用户带来了操作的困难与体验的不便。近年来，随着虚拟现实和增强现实的发展，用户对于沉浸式体验的需求越来越迫切，迎来了沉浸式空间声场重放的巨大发展机遇。沉浸式重放根本目的是给参与者创造一种共享同一个环境氛围的感觉，将一个与用户存在地理区隔的声源利用扬声器阵列进行重放，宛如用户处于声源所在环境当中，从而使用户达到身临其境的体验。对个人用户而言，复杂的环形/球形扬声器阵列布局方式已远远不能满足现实需要。针对此问题，本发明利用基于平面阵列的扬声器布局方式设计了一种面对沉浸式宽带语音信号场景下的3D声场重放系统。

在沉浸式交互中，3D视频在视觉角度为用户提供了声源的位置信息，而声场重放在这个过程可以作为视觉信息的补充从听觉角度加深用户的临场感。而这种沉浸感依赖于音视频的同步播放，这就要求重放算法的实时性要高，延迟要低。目前，大多数精度较高的声场重放算法是以场景中听音区域内的声压值为目标声场信息，利用扬声器阵列来恢复声压信息。重建过程中通常利用柱/球面坐标的球谐展开形式进行计算，辅以高阶汉克尔、贝塞尔函数及缔合勒让德函数。因此，其计算复杂度较高，在实际场景中应用较为困难。为此，本设计采用声压匹配技术来恢复目标声场，同时引入l₁与l₂正则化来控制对原始声压信息的拟合程度，用以提升算法的鲁棒性。在求解正则化问题的过程中，引入交替方向乘子法降低计算复杂度，提升算法的运行速度，达到较高的实时性要求。

发明内容

本发明针对于现有多声道音频重放系统中扬声器布局繁琐及算法复杂度较高的问题，提供一种沉浸式宽带3D声场重放方法，适用于沉浸式应用场景下的宽带语音信号3D声场重放，利用一组布置在墙面上的扬声器通过声压匹配的方式来重建目标声场。

本发明用于解决实际场景中对目标声源进行精确感知重放困难的问题，包括以下步骤：

步骤1，以扬声器所在墙面的中心位置为原点，建立空间直角坐标系，其中，x轴平行于地面，y轴垂直于地面，z轴垂直于墙面。指定待重放的虚拟声源的坐标位置为s，设所使用的扬声器数最多为N个，在听音区域内选取M个位置进行听音(即，听音点个数为M)。

步骤2，构建虚拟声源辐射声场。基于声学传输函数构建全指向性的虚拟声源到听音点的声学传播特征，将该函数值作为声源在指定区域内辐射声场的声压值。本发明考虑应用对象为宽带语音信号，故将所需计算的频率上限值定为16kHz，下限值定为100Hz，按一倍频程将100Hz～16kHz划分为8个频带，取每个频带的中心频率，故选定8个单频率虚拟声源进行计算。

步骤3，构建扬声器辐射声场。设定N个扬声器的位置，分别计算各扬声器在所有听音点位置处产生的声压值，作为扬声器辐射声场的声压值集合。