【正文】 .....................................................................38致 謝 ........................................................................................................................40參考文獻(xiàn) ....................................................................................................................41附錄 1 Matlab 實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)繞聲重放的程序 .........................................................42附錄 2 基于 AC3 的虛擬環(huán)繞聲實(shí)現(xiàn)的 C 程序 ...................................................46⑴ 子函數(shù)程序 IMDCT.................................................................................46⑵ 子函數(shù)程序 Downmix..............................................................................53⑶ 主程序 decode ..........................................................................................55西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文1第 1 章 緒 論 課題背景、目的及意義 課題背景1. AC3 的發(fā)展背景自 1976 年杜比環(huán)繞聲（Dolby stereo optical,4－ch）首次應(yīng)用于電影后，已成為最受歡迎的多聲道立體聲系統(tǒng)之一，用于家庭的杜比環(huán)繞聲（Dolby Surround,3－ch,1982 ）和杜比定向邏輯環(huán)繞聲（Dolby Surround Pro Logic,4－ch,1987），更能讓你在家中享受電影院的環(huán)繞聲效果。1992 年杜比公司又開發(fā)了最新一代的杜比數(shù)碼環(huán)繞聲系統(tǒng)（Dolby Digital）并應(yīng)用于電影，該系統(tǒng)基于先進(jìn)的感覺編碼（perceptual coding）和數(shù)字壓縮編碼技術(shù)，即杜比AC3。其優(yōu)良的特點(diǎn)使之在 1995 年被選作 DVD 播放機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)多聲道音頻格式（在 NTSC 制電視的國家）及多項(xiàng)其它系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)音頻格式。杜比數(shù)碼環(huán)繞聲系統(tǒng)有六個(gè)完全獨(dú)立的聲道，全頻帶的左 L、右 R、中置 C、左環(huán)繞 LR、右環(huán)繞 RS，再加上一個(gè) 20～120Hz 的超重低音的聲道 LFE（以 聲道計(jì)），故又稱作 聲道。在杜比 AC3 規(guī)格中超重低音的音量比其它全頻帶聲道大 10dB，可得到震撼力非凡的低頻效果。杜比 AC3 原理上是它將每一聲道的音頻根據(jù)人耳聽覺特性劃分為許多最優(yōu)的狹窄頻段，利用音響心理學(xué)“聽覺掩蔽效應(yīng)” ，刪除人耳所聽不到或可忽略的部分，并采用數(shù)字信號(hào)壓縮編碼。同時(shí)，利用狹窄頻段的劃分使部分頻段噪聲在編碼時(shí)可被幾乎全部濾除，使其余噪聲的頻譜靠近在信號(hào)頻譜附近，而這些噪聲可被信號(hào)所抑制。因此杜比 AC3 系統(tǒng)實(shí)際上是一種具選擇性及強(qiáng)抑噪的系統(tǒng)。它可以將 通路的環(huán)繞聲信息壓縮到 384kb/s（或 320kb/s）。不難理解杜比 AC3 的特點(diǎn)：以較低的碼率支持全音頻多聲道，并具優(yōu)良的回放音質(zhì)和效果[1~2]。2. 虛擬環(huán)繞聲的發(fā)展 [3~4]環(huán)繞聲是近年出現(xiàn)的一大類新的系統(tǒng)。它們的基礎(chǔ)是聽覺傳輸技術(shù)，通過頭相關(guān)傳輸函數(shù)（HRTF ，也就是聲源到雙耳的傳輸函數(shù)）來實(shí)現(xiàn)聲場空間信息的傳輸、重發(fā)或模擬。而稱為虛擬環(huán)繞聲的系統(tǒng)有以下的三類。(1) 聽覺傳輸立體聲系統(tǒng)西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文2這是真正的虛擬環(huán)繞聲系統(tǒng)。它根據(jù)聽覺傳輸技術(shù)的原理，利用假頭進(jìn)行檢拾，或利用信號(hào)處理的方法模擬出聲源到雙耳的傳輸。所得到的兩路信號(hào)經(jīng)放大、記錄和傳輸?shù)冗^程后，再經(jīng)耳機(jī)進(jìn)行重發(fā)，也可以經(jīng)過串聲抵消網(wǎng)絡(luò)后由揚(yáng)聲器進(jìn)行重發(fā)。這種方法相當(dāng)于用電聲學(xué)的方法把傾聽者的聽覺器官轉(zhuǎn)移到原聲場中去，從而得到原聲場的空間信息。它的突出優(yōu)點(diǎn)是聲像逼真、自然，且只需要兩個(gè)獨(dú)立的傳輸信號(hào)就有可能重發(fā)三維空間的聲像，這些優(yōu)點(diǎn)是多通路系統(tǒng)所沒有的。但是，與多通路系統(tǒng)不同，這種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的并不是空間一定的區(qū)域的聲場的傳輸與重發(fā)，而是通過傳輸和重發(fā)雙耳（空間上兩點(diǎn)）聲信號(hào)來實(shí)現(xiàn)聲場空間信息的傳輸與重發(fā)的。系統(tǒng)的這種特點(diǎn)使它存在著內(nèi)在的缺陷：① 由于真實(shí)聽覺中，傾聽者頭部不自覺的微小轉(zhuǎn)動(dòng)以及耳殼對聲波的散射作用所引起的梳狀濾波效應(yīng)對區(qū)分前后鏡像位置和中垂面的聲源有重大的作用，但是耳殼效應(yīng)僅在高頻（f＞5～6kHz）才起作用。而在聽覺傳輸系統(tǒng)中，通常也只考慮了耳殼的作用，并沒有考慮原聲場中傾聽者頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)。因而在重發(fā)時(shí)，特別是中低頻的情況，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)前后鏡像位置的聲像倒置的情況。因此系統(tǒng)所傳輸?shù)碾p耳信號(hào)并沒有完全地包含原聲場的空間信息。為了克服這缺陷，國外也提出了一種采用四耳的假頭作為檢拾體系，或采用傳感器對重發(fā)時(shí)傾聽者頭部的位置進(jìn)行跟蹤的方法，但這相當(dāng)于增加了系統(tǒng)的獨(dú)立傳輸信號(hào)，且并不是所有場合都適用。② 由于 HRTF 是與聲源到雙耳的相對位置有關(guān)（特別是高頻），而在揚(yáng)聲器重發(fā)中，交叉串聲抵消網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性是取決于揚(yáng)聲器到雙耳的 HRTF。因而嚴(yán)格來說對一定的抵消網(wǎng)絡(luò)，只能在一個(gè)特定的聽音位置上有效。傾聽者偏離理想的聽音位置將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的聲像失真（這在高頻的情況尤為嚴(yán)重）。所以系統(tǒng)的聽音區(qū)域較窄。針對這缺點(diǎn)，國外也提出了用多個(gè)揚(yáng)聲器或前方兩個(gè)相距很近的揚(yáng)聲器（稱為立體聲偶極子）重發(fā)聽覺傳輸信號(hào)的方法，但這只能起到部分改善的作用。值得指出的是，上述的缺陷有一定的共通性，在所有涉及到聽覺傳輸原理（HRTF）的系統(tǒng)中都存在。而由于存在上述缺陷，目前聽覺傳輸系統(tǒng)較少獨(dú)立地用在要求有較大的聽音區(qū)域的聲重發(fā)，如家庭影院等。它主要用在計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)，廳堂音質(zhì)聽覺化等科學(xué)研究中。(2) 3D “準(zhǔn)”虛擬環(huán)繞聲系統(tǒng)西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文3這類系統(tǒng)的代表是 SRS， Spatialize，Qxpander 等。它們利用聽覺傳輸技術(shù)的原理，在普通的雙通路立體聲重發(fā)中，通過模擬空間不同方向到雙耳的HRTF，從而模擬反射聲，增加主觀聽覺上的空間感與包圍感，達(dá)到模擬 3D 環(huán)繞聲的目的。這類系統(tǒng)是后處理系統(tǒng)，也就是“準(zhǔn) ”虛擬環(huán)繞聲系統(tǒng)，所起到的僅是模擬環(huán)繞聲信息的作用。雙通路立體聲信號(hào)本身并沒有很好地包含三維空間的聲音方向信息，因而用任何現(xiàn)有的辦法都不可能將方向信息“提取” 出來，否則的話也無需要發(fā)展多通路環(huán)繞聲系統(tǒng)了。并且如前所述，HRTF 是與聲源與雙耳的相對位置有關(guān)（特別是高頻），所以嚴(yán)格來說，利用 HRTF 進(jìn)行處理的方法僅對特定的聽音位置（空間一點(diǎn)）有效。在實(shí)際的重發(fā)中，由于對雙通路的立體聲信號(hào)的處理改變了信號(hào)的頻譜與相位，使得雙通路信號(hào)的相關(guān)性下降。對于各個(gè)位置的傾聽者來說，低相關(guān)性的立體聲信號(hào)難以在聽覺中產(chǎn)生有確定位置的空間聲像，從而產(chǎn)生一種類似于聲音來自四面八方的包圍感，所以系統(tǒng)起到的是“ 歪打正著” 的效果。實(shí)際的傾聽也表明，經(jīng)過 3D 處理的立體聲信號(hào)對單獨(dú)的聲像定位較差，但主觀的包圍感增強(qiáng)。雖然存在上述問題，但這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，并且也能達(dá)到一定聽覺的效果，因而在要求不高的非專業(yè)場合，和不宜采用多通路系統(tǒng)時(shí)（如多媒體計(jì)算機(jī)）還是有較大的應(yīng)用前景。(3) 多通路環(huán)繞聲的虛擬重放由于多通路環(huán)繞聲系統(tǒng)需要較多的重發(fā)通路（揚(yáng)聲器），有時(shí)會(huì)給應(yīng)用上帶來困難，例如，由于房間條件不夠的限制，并不一定適合布置多個(gè)揚(yáng)聲器的情況。因而國外也提出了采用聽覺傳輸技術(shù)中的虛擬聲源的方法，通過對HRTF 的模擬，利用一對（一般是前方）揚(yáng)聲器虛擬出多通路聲系統(tǒng)的多個(gè)揚(yáng)聲器，從而實(shí)現(xiàn)多通路聲的兩揚(yáng)聲器虛擬重發(fā)。類似的原理也可用于多通路聲的耳機(jī)重發(fā)中。從本質(zhì)上來說，這類系統(tǒng)混合采用了聲級(jí)差與聽覺傳輸?shù)脑怼＿@方法已應(yīng)用到 Dolby Pro－Logic 和 通路系統(tǒng)的重發(fā)中（SRS 實(shí)驗(yàn)室的Tru－Surround 和 Spatialize 的 N－N－2 是這類系統(tǒng)的代表，并已通過 Dolby 實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證）。但是在這種方法中，上面所說的聽覺傳輸技術(shù)所帶來的缺陷仍然存在，即聽音區(qū)域窄和容易產(chǎn)生前后鏡像位置的聲像倒置（特別是通過 HRTF 中的耳殼效應(yīng)，用前方揚(yáng)聲器模擬重發(fā)后方聲像時(shí)）。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文43. 多通路環(huán)繞聲虛擬重放技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與傳統(tǒng)的多通路重發(fā)系統(tǒng)相比較，雖然虛擬聲技術(shù)具有一定的使用局限性，但它具有結(jié)構(gòu)較為簡單、重發(fā)的空間聽覺真實(shí)自然等優(yōu)點(diǎn)，使得它在多媒體技術(shù)與虛擬實(shí)現(xiàn)、心理聲學(xué)研究、家用聲重發(fā)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。國外有許多公司分別提出了 通路環(huán)繞聲的兩個(gè)揚(yáng)聲器虛擬重發(fā)方法，它們的結(jié)構(gòu)大同小異，基本原理相同。它可以用于多通路環(huán)繞聲的耳機(jī)重發(fā)中。當(dāng)多通路環(huán)繞聲的信號(hào)直接用耳機(jī)重發(fā)時(shí)，存在著“頭中定位 ”效應(yīng)，不但造成不自然的聽覺效果，還有可能對聽覺系統(tǒng)造成慢性損害。采用 HRTF 信號(hào)處理的方法，利用一對耳機(jī)虛擬出多個(gè)揚(yáng)聲器，使多通路聲從這些虛擬的揚(yáng)聲器重發(fā)，從而改善主觀聽覺效果。Dolby 實(shí)驗(yàn)室已提出了一種稱為 Dolby 耳機(jī)的多通路環(huán)繞聲耳機(jī)重發(fā)技術(shù)。在多通路環(huán)繞聲的虛擬重發(fā)中，虛擬聲存在有內(nèi)在缺陷，包括重發(fā)音色改變，揚(yáng)聲器重發(fā)時(shí)聽音區(qū)域變窄，耳機(jī)重發(fā)的聲像位置畸變及其它不自然的主觀聽覺效果等。2022 年起華南理工大學(xué)、北京郵電大學(xué)與 TCL 王牌電子有限公司合作，對揚(yáng)聲器和耳機(jī)的虛擬重發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，已提出了多項(xiàng)國家發(fā)明專利申請。 課題的目的及意義AC3 的 通路系統(tǒng)已被推薦為環(huán)繞聲的國際標(biāo)準(zhǔn)，并被廣泛用在DVD、 HDTV、家庭影院等方面。系統(tǒng)采用前方左 L、中 C、右 R，以及左環(huán)繞LS、右環(huán)繞 RS，再加上一路可選擇的低頻效果通路 LFE，從而播放出環(huán)繞傾聽者的聽覺效果。但是系統(tǒng)需要至少六個(gè)的單獨(dú)的全頻帶揚(yáng)聲器，較為復(fù)雜，并且在一些實(shí)際的應(yīng)用中，如電視、多媒體計(jì)算機(jī)、移動(dòng)數(shù)碼音樂設(shè)備，以及由于房間條件不夠的限制等，并不一定適合布置六個(gè)全頻帶揚(yáng)聲器。因而提出了 通路的環(huán)繞聲的虛擬重放系統(tǒng)，它通過信號(hào)處理的方法，利用前方 L 和 R揚(yáng)聲器將系統(tǒng)的其他揚(yáng)聲器虛擬出來，從而達(dá)到節(jié)約揚(yáng)聲器，簡化系統(tǒng)的目的，極具研究價(jià)值。而且環(huán)繞聲的虛擬重放技術(shù)首先是由國外提出來的，發(fā)展也較我們先進(jìn)。我國的這些技術(shù)都是從國外引進(jìn)，或者說引進(jìn)的不是技術(shù)，而是別人的產(chǎn)品。我國這門技術(shù)的發(fā)展是在研究別人產(chǎn)品的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，相對落后于國外，產(chǎn)品的開發(fā)較為困難。然而數(shù)字音響市場是一個(gè)極為廣闊的市場，如果我們能夠擁有自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，就能夠在這個(gè)市場上占有一席之地。所以，通過這次西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文5設(shè)計(jì)，讓自己對環(huán)繞聲的虛擬重放有更多的認(rèn)識(shí)，為以后能夠從事這方面的工作打下基礎(chǔ)，就達(dá)到了我預(yù)想的目的。 論文的主要內(nèi)容和框架 在基于 AC3 的虛擬環(huán)繞聲實(shí)現(xiàn)中，我的工作是通過收集和閱讀資料，對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的原理進(jìn)行深入的了解，預(yù)計(jì)其實(shí)現(xiàn)方法。先分析系統(tǒng)功能，對公式進(jìn)行推導(dǎo)，確定相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的數(shù)學(xué)公式。然后分別在 Matlab和 VC 環(huán)境下進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。首先分析程序設(shè)計(jì)步驟，畫出大致原理框圖，然后對框圖中的模塊確定子程序流程圖，設(shè)計(jì)子程序。VC 下的編程是利用已有的 AC3 的 C 語言解碼程序，對經(jīng)過子程序 IMDCT 解碼后的獨(dú)立聲道數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬環(huán)繞聲處理，然后混合輸出，以實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)繞聲。本文的大致框架如下：第一章，在了解課題設(shè)計(jì)背景的情況下，認(rèn)識(shí)到進(jìn)行該課題設(shè)計(jì)的目的與意義；并且對整篇論文的大致內(nèi)容做簡要介紹。第二章，在明確了課題目的和意義的前提下，確定大致的設(shè)計(jì)方案，明確設(shè)計(jì)思路，對 Matlab 和 C 語言實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)繞聲系統(tǒng)的基本原理簡要介紹。第三章，介紹 Dolby AC3 的特點(diǎn)、應(yīng)用和編碼、解碼的基本原理，還對虛擬環(huán)繞聲的關(guān)鍵技術(shù) HRTF 做了詳細(xì)介紹，為后面進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。第四章，在 Matlab 環(huán)境下對虛擬環(huán)繞聲系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，把單聲道信號(hào)重AC3 音頻中提取出來，作為系統(tǒng)的輸入；推導(dǎo)出系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體步驟原理。第五章，進(jìn)行基于 AC3 的虛擬環(huán)繞聲系統(tǒng)。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是把 AC3 解碼程序和虛擬環(huán)繞聲技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)環(huán)繞聲的虛擬重放。第六章，對整個(gè)設(shè)計(jì)是否成功得出結(jié)論，對設(shè)計(jì)過程中遇到的問題進(jìn)行分析，并分析系統(tǒng)存在的不足和提出改進(jìn)方法。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文6第 2 章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理虛擬環(huán)繞立體聲是一種新的雙聲道環(huán)繞立體聲，這就說明它既具有雙聲道輸出又具有真正環(huán)繞播放音效的雙重特性。 圖 21 常規(guī)重放系統(tǒng)和虛擬重放系統(tǒng)對比虛擬重放實(shí)現(xiàn)的實(shí)質(zhì)是充分利用人類聽覺系統(tǒng)的生理與心理因素,用虛擬現(xiàn)實(shí)的方法,借助于兩個(gè)實(shí)際存在的左、右聲道揚(yáng)聲器,分別虛擬出原多聲道播放系統(tǒng)中的中央揚(yáng)聲器，左、右環(huán)繞揚(yáng)聲器，低頻聲道揚(yáng)聲器，來實(shí)現(xiàn)環(huán)繞聲重放效果和輸出通道壓縮。具體可見圖 21，其中 L:左聲道，C:中央聲道，R:右聲道，LS:左環(huán)繞聲道， RS:右環(huán)繞聲道，LEF:低頻增強(qiáng)聲道，陰影:可聽音區(qū)域。對比可以發(fā)現(xiàn)：在新的播放系統(tǒng)中