[发明专利]两声道音效硬件输出四声道仿真信号的系统及其方法

说明书

本发明涉及一种两声道音效硬件输出四声道仿真信号的系统及其方法，尤指一种使输出两声道音效的硬件输出四声道仿真音效信号的方法。

随着信息及电脑市场不断的发展，电子产品在轻薄短小、多功能、速度快的趋势推动下，个人电脑已变成工作和娱乐的标准配备。伴随着整合科技及其外围设备的开发，娱乐及运算的效果不断地提高，且以PC为平台的DVD多声道家庭剧院播放系统，使市场及服务范围更加扩大。此外，近年来电脑游戏已经开始增加3D定位音效的功能，使原本画面就很吸引人的游戏增加了听音辨位的效果，另外也由于DVDROM的普及，多数的PC已经配备有DVD播放的能力。多声道的影片也让PC的音效效果迈入多声道系统。以目前而言，3D定位技术一般包含HRTF(Head Related Transfer Function)及Panning两种。HRTF主要利用人类耳朵的模型，找出大脑判断方位的方法，然后用DSP复制出可以欺骗大脑的声音。而声音定位的三要素，两耳震幅大小差别(IAD)、两耳听到的时间差别(ITD)和频率响应，可以让大脑产生高度和后方的感觉。

理论上，用一个良好的HRTF Library再加上卓越的串音消除电路(TCC)来增加甜蜜音场(Sweet spot)应该才是理想的3D定位系统，而且只要两个喇叭就可以产生上/下，前/后的效果。一般而言，系统没有那么理想，因为串音消除电路也是由假人头测量出来的(HRTF Library)所导出的公式。而假人头毕竟和真人头不一样(每个人的人头都不完全一样的)，所以喇叭彼此之间的串音不可能完全消除。另外，一般PC用的喇叭频率响应不是很理想，根本没办法发出无失真的波形让预先准备好的串音抵消信号成功地通过喇叭推动空气到达人的耳朵。尤其是一些高频信号更是很难通过喇叭传到人的耳朵后抵销。此时，原本应该在后方形成音像的声音，却会在前方出现。这固然是由于前方的喇叭离人较近而造成的，但是，高频成份就是大脑用来判断前后上下的要素。所以，如果喇叭失真较严重的话，3D音场的效果就不会太好。

改良式的四声道HRTF系统可以解决这个问题，如果前后声道都利用HRTF产生音场，让最难产生的后方音场，由人类的大脑配合耳壳的构造自己产生。这样我们只要处理高度和其他方向的信号就可以了，利用两声道HRTF Library改良成的四声道，可以成功的将HRTF的优点表现出来，在高度和水平面的方向感是相当顺畅的，而四声道的甜蜜音场(Sweet spot)也会相对加大，让更多使用者可以同时享受到声音来自四面八方的三维空间音效效果。

另一种称做Panning技术，一般说来，HRTF技术都会涉及有权利授权的问题，所以为了节省使用HRTF Library的授权费用，也有部份音效芯片采用Panning技术。Panning技术，其实也使用到IAD和ITD两项因素的定位系统，利用后方的喇叭来弥补音场的不足。这样的四声道音效系统在水平方向上的效果是可以接受的。

目前CPU的运算能力可以很顺畅地在播放software DVD的同时提供AC35.1的音场输出。AC3的音轨分为：左前方、右前方、左后方、右后方、中置喇叭、超重低音等六声道。如果用四个喇叭来表现的时候，四个方向的声音会直接的送到PC的四个喇叭，中置喇叭的声音则由前方左、右两侧喇叭合成出来，也就是中间的声音只要平均分到前方的两个喇叭，人类的大脑自然会在正前方感觉到一个音像。大脑接受到的音波波长如果超过头部的直径，大脑就没有办法分辨方位。所以一个长波的低音喇叭就可以有不错的效果，在PC的四声道系统里，业界设计了4.1D喇叭的规格，也就是四声道加上一个超重低音喇叭。重低音的声音来源，就是将前方两声道信号中用低通滤波器过滤出没有方向性的低频成份，送到单声道的低音放大器驱动扬声器。因此AC3的重低音信号，也就利用这个方法将低音成份加到前声道的两个喇叭中。然后再由外部的滤波器自动分离出来。由上面的说明我们可以得知：四声道为核心的3D定位音效技术，利用后方新增的卫星喇叭可以大幅改善两个喇叭音场的限制，也就成为小型家庭剧院的必备的播放环境。1999年以后，高级的PCI声卡几乎都是四声道以上的音效。

图1所示为传统PCI高级多声道音效软、硬件处理方法的流程示意图。方块100中，应用软件中的音效应用程序借助高级界面将音效信息或信号送到操作系统中的操作系统核心程序110进行处理；上述的应用软件包含3D游戏、CD、MP3播放程序或DVD多声道家庭剧院播放软件。此外，此处所称的操作系统至少包含Windows系列、Linux、BeOS。