【文章內容簡介】 （21）?30,30,011oooRLCLFESS???????在虛擬環(huán)繞聲中 AC3 提供的六聲道信號經處理后，利用兩個前方左右揚聲器進行重放，系統(tǒng)的基本原理如圖 22 所示7 / 62LFERSLSR’LFECL’＋＋虛擬環(huán)繞聲處理－3DB－3DBLCRRSLS圖 22 通道環(huán)繞聲的虛擬重放頻域的左、右重放信號 L’和 R’可以寫為： ?112239。()39。LCLFELSRR S??????（22）即 L 和 R 的信號是直接饋給揚聲器，以產生前方范圍的立體聲像分布。而C 和 LFE 信號經過 衰減后，同時饋給左右揚聲器。由式（22），當其他3dB信號 時，有 ，系統(tǒng)產生正前方S=()39。39。=+的聲像，從而達到虛擬前方揚聲器的目的。至于環(huán)繞通路信號 LS 和0OqRS，經過一 2 2 的矩陣處理后再饋給揚聲器，當其他信號?時，由式（22）可得：0LRCFE 1239。39。LLSRR?????????????（23）如圖 23 所示，設布置在 （標準布置取 ）的一對左、右揚RLq=30ORq=聲器到傾聽者的左、右耳的頻域傳輸函數（即頭相關傳輸函數 HRTF）分別為HLL、 Hrl、 Hlr、 Hrr（它們是頻率的函數，并且和揚聲器與傾聽者之間的相對位置有關）。虛擬重放時環(huán)繞通路信號在雙耳處所產生的聲壓為： 8 / 62HrrHlrHrlHllHlLSHrLSHrRSHlRSLSLCLFERRS圖 23 揚聲器到雙耳的傳輸 39。 39。39。 39。12llrLrR LllrrLHPRSH?????????????????（24）矩陣的下標表示是 揚聲器布置的傳輸函數。另一方面，在實際的RLq=環(huán)繞聲重放中，設布置在 方向的一對左、右對稱的環(huán)繞揚聲器到傾聽S者的雙耳的傳輸函數分別為 HlLS、 HrLS、 HlRS、 HrRS,環(huán)繞揚聲器在雙耳處產生的聲壓為 lLSlRSLRrrLSPHR??????????????（25 ）矩陣的下標表示是 的方向，但這里對 并沒有具體的限制，雖RSLq=LSq然通常取 。如果在上兩式中令：10ORSLq 39。 39。,LRPP?（26）即虛擬環(huán)繞聲重放與實際重放時的雙耳聲壓相等，就可以達到虛擬環(huán)繞聲的目的。由此可以解出： 12 1llrlLSlRSr rrL LSHH??????????????????（27）9 / 62由左右對稱性，可設 ， ，()lrLHAq=()lrlLHBq=， ，可得：()lLSrRLSHAq=rLSlRSB ??????????????12221222LLSLLSLLSLLSABBAA?????????????（28 ）由此可以看出，已知六路獨立音頻信號的情況下，計算出 、1a、 、 ，就可以通過式（22）進行信號處理，再經 L 和 R 揚聲器重放，2a1b2就可以得到和 LS、 RS 揚聲器重放相同的雙耳聲壓。即利用一對位于前方揚聲器可虛擬出一對位于 環(huán)繞揚聲器的聲音。再通過式（2RLq= RSLq=2）加入 L、 R、 C、 LFE 四路信號，就可以實現 聲道的虛擬重放。 Matlab 仿真實現虛擬環(huán)繞聲的設計首先要利用軟件從 DVD 的 VOB 文件中提取出以 AC3 為后綴的 AC3 音頻文件，然后用 AC3 解碼軟件對 AC3 音頻文件進行解碼并分離聲道，分離成六個不同的單音軌 PCM 文件，流程見圖 24。Soft EncodeAC3 SplitterGRAPHEDITVOB 文件 長的 AC3 文件 短的 AC3 文件六個聲道的 PCM 文件圖 24 AC3 音頻文件解碼及聲道分離流程然后對環(huán)繞聲道數據用 HRTF 進行卷積濾波處理，然后混合成兩聲道數據，再把兩聲道數據交替地寫入 WAV 文件。最后按標準位置布置前方左、右兩個揚聲器，來驗證系統(tǒng)是否設計成功。 C 語言編程實現基于 AC3 的虛擬環(huán)繞聲系統(tǒng)基于 AC3 的虛擬環(huán)繞聲 C 語言編程實現，其前提是在 AC3 解碼程序的下屬子程序做相應的修改。虛擬環(huán)繞聲系統(tǒng)是對六個單聲道數據進行處理的，而AC3 解碼程序中的 IMDCT 子程序就是對 AC3 幀進行解碼，實現音頻數據從頻域到時域的轉換。環(huán)繞聲的虛擬處理即對 IMDCT 子程序的輸出的左環(huán)繞和右10 / 62環(huán)繞聲道數據進行 FIR 濾波處理。 AC3 解碼程序的 Downmix 子程序實現的功能是把解碼后的聲道數據進行混合，輸出想要的聲道數據。而本系統(tǒng)接下來的步驟就是對 Downmix 程序添加程序，以混合出兩聲道的虛擬環(huán)繞聲，實現虛擬環(huán)繞聲的系統(tǒng)設計。 本章小結本章首先對系統(tǒng)實現的原理進行了介紹，推導出系統(tǒng)實現的原理公式。并且對在 Matlab 和 C 環(huán)境下編程實現基于 AC3 的虛擬環(huán)繞聲的設計流程作了整體規(guī)劃。11 / 62第 3 章 主要技術簡介 Dolby AC3Dolby AC3 是杜比實驗室開發(fā)的一種感覺數字音頻編碼技術，它在編碼效率，聲音質量，通用性方面是空前的。它從 1992 年以來在電影院里提供多聲道數字聲音，在 1994 年開始用在雙通道 DBS（數字廣播系統(tǒng)），它顯示出的提供多通道數字環(huán)繞的能力已在消費電子領域產生了轟動，它被選中提供美國1997 年開始的 HDTV 廣播的環(huán)繞聲。Dolby AC3 是一種高效靈活的數字壓縮標準，它能壓縮從 1 到 個音頻聲道的 PCM 信號成 32kps640kps 的比特流，音頻數據一般壓縮到原始數據的1/10。AC3 比特流容許 48kHz，或者 32kHz 的采樣頻率，支持多種音頻模式：1+1，1/0，2/0， 3/0，2/1，3/1，2/2，3/2 。DVD 和美國數字電視的音頻都采用 Dolby AC3 標準，另外在衛(wèi)星數字廣播，數字演播室，家庭影院，娛樂媒體設備等領域也得到廣泛應用。AC3 采用利用人耳的掩蔽效應的先進感覺模型編碼，保持了極高的音質，又極大的壓縮了數據 [7~8]。 Dolby AC3 的特點、配置和應用1. Dolby AC3 的特點是?向下混合?聲音響度控制?向后兼容性?完整的動態(tài)范圍控制系統(tǒng)?高分辨率音頻包絡編碼?復合前向/后項自適應比特分配?復雜度適中，非常高的編碼增益?利用耦合技術避免了極端信號要求時的比特不足的情況?低的終端到終端延遲模式2. Dolby AC3 的配置如下?AC3 的比特流中可以嵌入相關服務，包括為視覺損壞者的（可視場景的語音簡述），聽覺損壞者的（帶增強可理解性的對話），解說詞，以及第二立體聲節(jié)目。12 / 62?提供了一個條件訪問的方法?數據廣播?聲音翻譯?跟輔助媒體的同步3. Dolby AC3 可以應用到以下幾個方面?用于有線電視的消費電子設備?通過衛(wèi)星的數字廣播?預先錄制的媒體?CD 播放機?數字演播室和家庭影院?固體錄音機?娛樂媒體和電影院的環(huán)繞系統(tǒng)?消費電子（光碟， DVD） Dolby AC3 的編碼原理Dolby AC3 數字音頻壓縮標準在 1994 年 11 月被采納為 ATSC（advanced television systems mittee）采納為標準。數字音頻壓縮的目的是產生音頻信號的最少數字表示，使它解碼以后聽起來和初始聲音一樣。AC3 encoder 將 聲道的信號多于 5Mbps（6 聲道*48kHz*18bits=）的 PCM 信號變成384bps 的比特流，解碼后又變?yōu)樵瓉淼? 聲道音頻節(jié)目。AC3 接收器接收 PCM 信號并產生跟標準一致的比特流，解碼后產生滿足特定應用的音頻信號。AC3 算法通過粗略的量化音頻信號的頻域信號的頻域表示實現了高的編碼效率（輸入和輸出的比特率之比）。編碼的第一步是，把時域內的 PCM 取樣數據變換成頻域內成塊的一系列變換系數,每個變換系數以二進制指數形式表示，即由一個指數和一個尾數構成。指數集反映信號的頻譜包絡，用頻譜包絡決定分配給每個尾數多少比特。最后由六個塊的頻譜包絡、粗量化的尾數及相應的參數組成 AC3 數據幀格式，連續(xù)的幀匯成數碼流輸出。AC3 比特流是一系列 AC3 幀。編碼原理框圖如圖 31 所示13 / 62窗處理分析濾波器組窗處理頻譜包絡編碼核心比特分配比特分配AC3 數 據 幀 格 式AC3碼流比特分配信息編碼頻譜包絡耦合參數量化尾數尾數指數六聲道PCM 數據圖 31 AC3 編碼器原理框 Dolby AC3 的解碼原理AC3 解碼器的解碼原理基本上是編碼的反過程，解碼器首先必須與編碼數據流同步，經過誤碼糾正后從數碼流中分離出控制數據、系統(tǒng)配置參數、編碼后的頻譜包絡及量化后的尾數等數據。然后根據聲音的頻譜包絡產生比特分配信息，對尾數部分進行反量化，恢復變換系數的指數和尾數。再經過合成濾波器組，把數據由頻域變換到時域，最后輸出重建的 PCM 樣值信號。解碼原理框圖如圖 32 所示。AC3 數據幀格式 糾錯 解幀尾數反量化比特分配頻譜包絡解碼 合成濾波器組指 數比特分配信息PCM 數據編碼數據流圖 32 AC3 解碼器原理框圖 頭相關傳輸函數在各類虛擬重放系統(tǒng)中，都會用到一個重要技術——頭相關傳輸函數，可14 / 62以說，沒有頭相關函數的產生和發(fā)展，就不會有虛擬重放系統(tǒng)的出現和完善。頭相關傳輸函數作為 通路虛擬環(huán)繞聲系統(tǒng)設計的關鍵，下面將對其做必要的介紹 [8]。頭相關傳輸函數（HeadRelated Transfer Function，HRTF，也稱雙耳傳輸函數，后面統(tǒng)稱 HRTF）描述了聲波從聲源到雙耳的傳輸過程。它是人的生理結構（如頭、耳廓以及軀干等）對聲波進行綜合濾波的結果。因為 HRTF 包含了有關聲源定位的信息，所以它對于雙耳聽覺和心理聲學的研究具有非常重要的意義；在實際應用中，利用耳機或揚聲器重發(fā)用 HRTF 處理過的信號，可以虛擬出各種不同的空間聽覺效果。這已廣泛應用于虛擬聲技術、多媒體與虛擬實現、室內聲學模擬和家用聲重發(fā)等領域。 HRTF 的定義聲源發(fā)出的聲波經頭部、耳廓、軀干等散射后到達雙耳，其中的物理過程可視為一個線性時不變（LTI ）的聲濾波系統(tǒng)，其特性可由系統(tǒng)的頻域傳輸函數完全描述，HRTF 正是這個聲濾波系統(tǒng)的頻域傳輸函數。在自由場的情況下，HRTF 定義為 ????????, , ,LL oRR oPraHrarrP?????????????（31）其中，P L，P R 分別是簡諧點聲源在傾聽者左、右耳產生的復數聲壓。 是oP人頭不存在時，頭中心位置處的復數聲壓。一般情況下，H L，H R 是聲源的水平方位角 、仰角 φ、聲源到頭中心的距離 r 以及聲波的角頻率 ω的函數（對于q遠場，即 t 的情況， HL，H R 基本上與 r 無關） 。另外，由于不同人的頭部、耳廓、軀干等的尺寸和形狀不同，因而嚴格來說每個人的 HRTF 是不同的，也就是說 HRTF 是一個具有個性化特征的物理量。公式中 表示具有個性化特征a的參量，如頭部的尺寸。由于 HRTF 描述了聲波從聲源到雙耳的傳輸過程及其與頭部、耳廓、軀干等的相互作用，因而它包含了有關聲源定位的大部分信息。其中頭部對聲波的散射作用產生傳統(tǒng)的聲源定位因素，即雙耳時間差（ITD）和雙耳聲級差（ILD） ，在不同的頻段中兩者的重要性不同。在中、低頻（f ） ，雙耳時15 / 62間差（ITD）是定位的主要因素；在中頻（f：~） ，ITD 和 ILD 共同起作用。而在高頻（f4kHz ） ，ILD 起主要作用。當聲源位于中垂面上，相應的ITD 和 ILD 近似為零，這時傳統(tǒng)的雙耳定位機理解釋不了中垂面的聲源定位。進一步的研究發(fā)現，在高頻（f5kHz） ，當耳廓的尺度與波長可比時，它對聲波的散射主要表現為 HRTF 函數在高頻的前后不對稱和頻譜上的峰谷，這對區(qū)分前后鏡像位置的聲源和中垂面的定位有著重要的作用。HRTF 在時域的表述稱為頭相關脈沖響應（HeadRelated Impulse Response,HRIR，也稱為雙耳脈沖響應） ，它與頭相關傳輸函數 HL，H R 互為傅立葉變換對：（3????1, ,2, ,jtl Ljtr RhrtaHrtaedt rt????? ??????2）hl，h r 可推廣為雙耳（或頭相關）房間脈沖響應（ Binaural Room Impulse Response,BRIR） 。BRIR 包含了直達聲和特定的房間反射聲的空間信息 [9]。 HRTF 數據的獲取HRTF 對雙耳聽覺和虛擬聲的研究具有重要的意義。它與聲源的方向、距離、頻率以及傾聽者的生理結構有關，是一個具有個性化特征的物理量，可以通過對真人或人工頭進行實驗測量得到，也可通過理論計算得到。本次設計采用的是 MIT 實驗室用 KEMAR 人工頭模型測量得到的 HRTF 參數，見圖 33。圖 33 KEMAR 人工頭模型16 / 62MIT 實驗室用 KEMAR 人工頭模型進行 HRTF 的測量，整個測量在專業(yè)的回聲消除室中進行。測量對象兩耳的對稱中心位于球面坐標系的