[發明專利]一種沉浸式寬帶3D聲場重放方法

有效

• 申請號: 201810352481.0
• 申請日: 2018-04-19
• 公開（公告）號: CN108632709B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發明（設計）人: 賈懋珅;張家銘;鮑長春;吳宇軒
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H04R3/00
• 分類號: H04R3/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

本發明公開一種沉浸式寬帶3D聲場重放方法，首先，計算在指定空間位置放置的場景A的虛擬聲源到場景B中各個聽音點的聲學傳輸函數，將該函數值作為虛擬聲源輻射聲場的聲壓值；其次，設定場景B中某一墻面的揚聲器陣列為規則的矩形等間距布局，并基于聲波的波動特性，利用格林函數來建模所有揚聲器到聽音點的聲學傳播特征；再次，基于線性凸優化理論，將l₁范數作為稀疏規則算子利用交替方向乘子法進行正則化運算，選取1倍頻程內八個頻帶的中心頻率計算揚聲器權值，進行激活揚聲器選取。最后，利用l₂范數正則化，計算重放系統中激活揚聲器的權值信號，使得在最小均方準則下，待重放聲源的輻射聲場和激活揚聲器的輻射聲場最接近。

技術領域

本發明屬于聲學技術領域，尤其涉及一種沉浸式寬帶3D聲場重放方法。

背景技術

空間聲重放是三維音頻技術中最為關鍵的一項內容，目的是盡可能準確地重現一個期望的聲場景，給聽音者以臨場感和沉浸感。主要的實現方式是利用一組揚聲器陣列在指定的空間內重構一個與期望聲場一致的聲學環境。現有的聲場重放系統中，揚聲器陣列的布局方式通常是利用環形或球形陣列，在實際擺放時需要利用球架等大型設備，給用戶帶來了操作的困難與體驗的不便。近年來，隨著虛擬現實和增強現實的發展，用戶對于沉浸式體驗的需求越來越迫切，迎來了沉浸式空間聲場重放的巨大發展機遇。沉浸式重放根本目的是給參與者創造一種共享同一個環境氛圍的感覺，將一個與用戶存在地理區隔的聲源利用揚聲器陣列進行重放，宛如用戶處于聲源所在環境當中，從而使用戶達到身臨其境的體驗。對個人用戶而言，復雜的環形/球形揚聲器陣列布局方式已遠遠不能滿足現實需要。針對此問題，本發明利用基于平面陣列的揚聲器布局方式設計了一種面對沉浸式寬帶語音信號場景下的3D聲場重放系統。

在沉浸式交互中，3D視頻在視覺角度為用戶提供了聲源的位置信息，而聲場重放在這個過程可以作為視覺信息的補充從聽覺角度加深用戶的臨場感。而這種沉浸感依賴于音視頻的同步播放，這就要求重放算法的實時性要高，延遲要低。目前，大多數精度較高的聲場重放算法是以場景中聽音區域內的聲壓值為目標聲場信息，利用揚聲器陣列來恢復聲壓信息。重建過程中通常利用柱/球面坐標的球諧展開形式進行計算，輔以高階漢克爾、貝塞爾函數及締合勒讓德函數。因此，其計算復雜度較高，在實際場景中應用較為困難。為此，本設計采用聲壓匹配技術來恢復目標聲場，同時引入l₁與l₂正則化來控制對原始聲壓信息的擬合程度，用以提升算法的魯棒性。在求解正則化問題的過程中，引入交替方向乘子法降低計算復雜度，提升算法的運行速度，達到較高的實時性要求。

發明內容

本發明針對于現有多聲道音頻重放系統中揚聲器布局繁瑣及算法復雜度較高的問題，提供一種沉浸式寬帶3D聲場重放方法，適用于沉浸式應用場景下的寬帶語音信號3D聲場重放，利用一組布置在墻面上的揚聲器通過聲壓匹配的方式來重建目標聲場。

本發明用于解決實際場景中對目標聲源進行精確感知重放困難的問題，包括以下步驟：

步驟1，以揚聲器所在墻面的中心位置為原點，建立空間直角坐標系，其中，x軸平行于地面，y軸垂直于地面，z軸垂直于墻面。指定待重放的虛擬聲源的坐標位置為s，設所使用的揚聲器數最多為N個，在聽音區域內選取M個位置進行聽音(即，聽音點個數為M)。

步驟2，構建虛擬聲源輻射聲場。基于聲學傳輸函數構建全指向性的虛擬聲源到聽音點的聲學傳播特征，將該函數值作為聲源在指定區域內輻射聲場的聲壓值。本發明考慮應用對象為寬帶語音信號，故將所需計算的頻率上限值定為16kHz，下限值定為100Hz，按一倍頻程將100Hz～16kHz劃分為8個頻帶，取每個頻帶的中心頻率，故選定8個單頻率虛擬聲源進行計算。

步驟3，構建揚聲器輻射聲場。設定N個揚聲器的位置，分別計算各揚聲器在所有聽音點位置處產生的聲壓值，作為揚聲器輻射聲場的聲壓值集合。