[发明专利]用于控制波场合成呈现装置的设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及波场合成领域，更具体地，涉及利用要处理的数据对波场合成呈现装置的控制。

本发明涉及波场合成概念，具体涉及结合多呈现器系统的有效波场合成概念。

背景技术

对于在娱乐电子设备领域中的新技术和创新产品有着日益增长的需求。对于新多媒体系统的成功来说，提供最佳功能或容量是非常重要的先决条件。这通过使用数字技术、特别是使用计算机技术来实现。其示例是提供了增强的接近现实的视听印象的应用。在先前的音频系统中，实质性缺点在于自然以及虚拟环境的三维声音再现的质量。

许多年来，已知音频信号的多信道扬声器再现的方法并对该方法进行了标准化。所有常用技术具有以下缺点：扬声器的地点和收听者的位置已经在传输格式中有所体现。扬声器相对于收听者的错误设置使音频质量显著下降。仅在再现空间的小区域内(所谓有效点(sweetspot))可能有最佳声音。

在新技术的帮助下，可以实现较好的自然空间感以及音频再现的更大范围或包层。TU Delft处已经研究了所谓波场合成(WFS)的技术原理，并首次在80年代后期提出(Berkout，A.J.；de Vries，D.；Vogel，P.：Acoustic control by Wave field Synthesis.JASA93，1993)。

由于该方法对于计算机功率和传输速率的极大需求，波场合成直到现在在实际中也很少采用。目前，只有微处理器技术领域中的进步和音频编码允许在具体应用中采用该技术。期望明年出现在专业领域中的第一个成果。设想在一些年后，消费领域内的第一波场合成应用开始投放市场。

WFS的基本思想基于波动说的惠更斯原理的应用：

波所捕获的每一点是以球或圆方式传播的元波的起点。

应用于声学，通过彼此相邻设置的大量扬声器(所谓扬声器阵列)，来复制每个到来的波阵面(wave front)的任意形状。在最简单的情况下，即要再现单个点源并且扬声器按照线性设置，则每个扬声器的音频信号必须以时间延迟的方式馈入，并进行振幅缩放，从而各个扬声器的辐射声场适当地重叠。利用多个声源，对于每个源，单独地计算对于每个扬声器的贡献，并将所产生的信号相加。如果要再现的源在具有反射壁的室内，则也必须作为附加源，经由扬声器阵列来再现反射。因此，在计算中的消耗很大程度上取决于声源的个数、录音室的反射属性和扬声器的个数。

具体地，该技术的优点在于，可以在大区域的再现空间上有自然的三维声音印象。与已知技术相反，以非常精确的方式再现声源的方向和距离。在有限程度上，甚至可以在真实的扬声器阵列与收听者之间定位虚拟声源。

尽管波场合成很好地用于具有已知属性的环境，但是如果属性改变或基于不匹配环境实际属性的环境属性而执行波场合成，则会出现紊乱。

周围环境的属性还可以由周围环境的脉冲响应来进行描述。

这将基于后续的示例更加详细地提出。假设扬声器朝墙壁发出声音信号，但不希望有反射。使用波场合成的空间补偿将包括以下事实：首先，确定该墙壁的反射，以确定在已从墙壁反射回来的声音信号何时再次到达扬声器、以及该反射的声音信号具有多大振幅。如果不期望来自该墙壁的反射，则可以利用波场合成，通过施加具有相应振幅、并具有与扬声器上的反射信号相反相位的信号来消除来自该墙壁的反射，从而传播补偿波抵消反射波，使得在所考虑的周围环境中消除了来自该墙壁的反射。这可以通过以下实现：首先计算周围环境的脉冲响应，然后基于该周围环境的脉冲响应来确定墙壁的属性和位置，其中，将墙壁当作镜面源，即反射入射声音的声源。

如果首先测量该周围环境的脉冲响应，然后计算必须以在音频信号上叠加的方式施加于扬声器上的补偿信号，则将会发生来自该墙壁反射的抵消，从而在该周围环境中的收听者具有该墙壁根本不存在的声音印象。

然而，对于反射波的最佳补偿，关键是精确地确定房间的脉冲响应，从而不会出现过补偿或欠补偿。

因此，波场合成允许在大的再现区域上恰当地映射虚拟声源。同时，在非常复杂的声音场景的创建过程中，向音响大师(sound master)和录音师提供了新技术和创造潜力。80年代末在TU Delft开发的波场合成(WFS，或者也称为声场合成)表示声音再现的全息方式。Kirchhoff-Helmholtz积分用作该方式的基础。它阐述了可以通过封闭体积表面上的单极和双极声源(扬声器阵列)的分布来产生该体积内的任意声场。