【正文】 x17 / 62對 HRTF 數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到其中包含的空間方位信息，這些信息是實(shí)現(xiàn)環(huán)繞聲的關(guān)鍵。40o9 0o35o仰角和方位角表明了聲源與模擬人頭的方位關(guān)系， 仰角表示直接在模擬人頭90o的正上方，仰角 ，方位角 表示模擬人頭的正右方，等等。每個(gè)目錄名稱有格式“elevEE”， EE 代表仰角的度數(shù)。部分HRTF 數(shù)據(jù)庫已經(jīng)在互聯(lián)網(wǎng)上公布，本次設(shè)計(jì)所用 HRTF 數(shù)據(jù)是從互聯(lián)網(wǎng)上下載?？偣矞y得 710 個(gè)不同空間方向上的采樣率為 的 HRTF 單位取樣響應(yīng)。測量的仰角從 （水平面下 ）到40o40o（頭部正上方） 。圖 33 KEMAR 人工頭模型16 / 62MIT 實(shí)驗(yàn)室用 KEMAR 人工頭模型進(jìn)行 HRTF 的測量，整個(gè)測量在專業(yè)的回聲消除室中進(jìn)行。它與聲源的方向、距離、頻率以及傾聽者的生理結(jié)構(gòu)有關(guān)，是一個(gè)具有個(gè)性化特征的物理量，可以通過對真人或人工頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量得到，也可通過理論計(jì)算得到。BRIR 包含了直達(dá)聲和特定的房間反射聲的空間信息 [9]。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，在高頻（f5kHz） ，當(dāng)耳廓的尺度與波長可比時(shí)，它對聲波的散射主要表現(xiàn)為 HRTF 函數(shù)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。而在高頻（f4kHz ） ，ILD 起主要作用。其中頭部對聲波的散射作用產(chǎn)生傳統(tǒng)的聲源定位因素，即雙耳時(shí)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。公式中 表示具有個(gè)性化特征a的參量，如頭部的尺寸。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(shù)（對于q遠(yuǎn)場，即 t 的情況， HL，H R 基本上與 r 無關(guān)） 。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(diǎn)聲源在傾聽者左、右耳產(chǎn)生的復(fù)數(shù)聲壓。這已廣泛應(yīng)用于虛擬聲技術(shù)、多媒體與虛擬實(shí)現(xiàn)、室內(nèi)聲學(xué)模擬和家用聲重發(fā)等領(lǐng)域。它是人的生理結(jié)構(gòu)（如頭、耳廓以及軀干等）對聲波進(jìn)行綜合濾波的結(jié)果。頭相關(guān)傳輸函數(shù)作為 通路虛擬環(huán)繞聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，下面將對其做必要的介紹 [8]。解碼原理框圖如圖 32 所示。然后根據(jù)聲音的頻譜包絡(luò)產(chǎn)生比特分配信息，對尾數(shù)部分進(jìn)行反量化，恢復(fù)變換系數(shù)的指數(shù)和尾數(shù)。AC3 比特流是一系列 AC3 幀。指數(shù)集反映信號的頻譜包絡(luò)，用頻譜包絡(luò)決定分配給每個(gè)尾數(shù)多少比特。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(shí)現(xiàn)了高的編碼效率（輸入和輸出的比特率之比）。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。12 / 62?提供了一個(gè)條件訪問的方法?數(shù)據(jù)廣播?聲音翻譯?跟輔助媒體的同步3. Dolby AC3 可以應(yīng)用到以下幾個(gè)方面?用于有線電視的消費(fèi)電子設(shè)備?通過衛(wèi)星的數(shù)字廣播?預(yù)先錄制的媒體?CD 播放機(jī)?數(shù)字演播室和家庭影院?固體錄音機(jī)?娛樂媒體和電影院的環(huán)繞系統(tǒng)?消費(fèi)電子（光碟， DVD） Dolby AC3 的編碼原理Dolby AC3 數(shù)字音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)在 1994 年 11 月被采納為 ATSC（advanced television systems mittee）采納為標(biāo)準(zhǔn)。AC3 采用利用人耳的掩蔽效應(yīng)的先進(jìn)感覺模型編碼，保持了極高的音質(zhì)，又極大的壓縮了數(shù)據(jù) [7~8]。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 。它從 1992 年以來在電影院里提供多聲道數(shù)字聲音，在 1994 年開始用在雙通道 DBS（數(shù)字廣播系統(tǒng)），它顯示出的提供多通道數(shù)字環(huán)繞的能力已在消費(fèi)電子領(lǐng)域產(chǎn)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。并且對在 Matlab 和 C 環(huán)境下編程實(shí)現(xiàn)基于 AC3 的虛擬環(huán)繞聲的設(shè)計(jì)流程作了整體規(guī)劃。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(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)繞聲的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。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(shù)據(jù)進(jìn)行 FIR 濾波處理。 C 語言編程實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)，其前提是在 AC3 解碼程序的下屬子程序做相應(yīng)的修改。Soft EncodeAC3 SplitterGRAPHEDITVOB 文件 長的 AC3 文件 短的 AC3 文件六個(gè)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(shù)據(jù)用 HRTF 進(jìn)行卷積濾波處理，然后混合成兩聲道數(shù)據(jù)，再把兩聲道數(shù)據(jù)交替地寫入 WAV 文件。再通過式（2RLq= RSLq=2）加入 L、 R、 C、 LFE 四路信號，就可以實(shí)現(xiàn) 聲道的虛擬重放。由此可以解出： 12 1llrlLSlRSr rrL LSHH??????????????????（27）9 / 62由左右對稱性，可設(shè) ， ，()lrLHAq=()lrlLHBq=， ，可得：()lLSrRLSHAq=rLSlRSB ??????????????12221222LLSLLSLLSLLSABBAA?????????????（28 ）由此可以看出，已知六路獨(dú)立音頻信號的情況下，計(jì)算出 、1a、 、 ，就可以通過式（22）進(jìn)行信號處理，再經(jīng) L 和 R 揚(yáng)聲器重放，2a1b2就可以得到和 LS、 RS 揚(yáng)聲器重放相同的雙耳聲壓。 39。另一方面，在實(shí)際的RLq=環(huán)繞聲重放中，設(shè)布置在 方向的一對左、右對稱的環(huán)繞揚(yáng)聲器到傾聽S者的雙耳的傳輸函數(shù)分別為 HlLS、 HrLS、 HlRS、 HrRS,環(huán)繞揚(yáng)聲器在雙耳處產(chǎn)生的聲壓為 lLSlRSLRrrLSPHR??????????????（25 ）矩陣的下標(biāo)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 。 39。 39。LLSRR?????????????（23）如圖 23 所示，設(shè)布置在 （標(biāo)準(zhǔn)布置取 ）的一對左、右揚(yáng)RLq=30ORq=聲器到傾聽者的左、右耳的頻域傳輸函數(shù)（即頭相關(guān)傳輸函數(shù) HRTF）分別為HLL、 Hrl、 Hlr、 Hrr（它們是頻率的函數(shù)，并且和揚(yáng)聲器與傾聽者之間的相對位置有關(guān)）。至于環(huán)繞通路信號 LS 和0OqRS，經(jīng)過一 2 2 的矩陣處理后再饋給揚(yáng)聲器，當(dāng)其他信號?時(shí)，由式（22）可得：0LRCFE 1239。39。而C 和 LFE 信號經(jīng)過 衰減后，同時(shí)饋給左右揚(yáng)聲器。()39。在常規(guī)的 通道環(huán)繞聲重放中，前方左 L、右 R、中 C、低音 LFE，以及左環(huán)繞 LS、右環(huán)繞 RS 六路獨(dú)立信號是分別饋給相應(yīng)的六個(gè)揚(yáng)聲器進(jìn)行重放的，各揚(yáng)聲器的方位角為（坐標(biāo)選取為： ， 為正前方，180ooq163。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。6 / 62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。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。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。然后分別在 Matlab和 VC 環(huán)境下進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。 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。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產(chǎn)權(quán)，就能夠在這個(gè)市場上占有一席之地。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。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。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。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。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)。當(dāng)多通路環(huán)繞聲的信號直接用耳機(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。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。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)）。從本質(zhì)上來說，這類系統(tǒng)混合采用了聲級差與聽覺傳輸?shù)脑怼Ｒ蚨鴩庖蔡岢隽瞬捎寐犛X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)。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。對于各個(gè)位置的傾聽者來說，低相關(guān)性的立體聲信號難以在聽覺中產(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。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。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。(2) 3D “準(zhǔn)”虛擬環(huán)繞聲系統(tǒng)3 / 62這類系統(tǒng)的代表是 SRS， Spatialize，Qxpander 等。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。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)聽覺傳輸信號的方法，但這只能起到部分改善的作用。傾聽者偏離理想的聽音位置將會導(dǎo)致嚴(yán)重的聲像失真（這在高頻的情況尤為嚴(yán)重）。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。因此系統(tǒng)所傳輸?shù)碾p耳信號并沒有完全地包含原聲場的空間信息。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。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)）聲信號來實(shí)現(xiàn)聲場空間信息的傳輸與重發(fā)的。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，或利用信號處理的方法模擬出聲源到雙耳的傳輸。而稱為虛擬環(huán)繞聲的系統(tǒng)有以下的三類。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)。它可以將 通路的環(huán)繞聲信息壓縮到 384kb/s（或 320kb/s）。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頻譜附近，而這些噪聲可被信號所抑制。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。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。關(guān)鍵詞：虛擬環(huán)繞聲；Dolby AC3；HRTF；AC3 解碼器II / 62Virtual Reproduction of Surround Sound Based on AC3Abstract : The model of channel audio supplied by Dolby AC3 is widely used. The quality of channel audio is good, and the coding efficiency of the coding model is the highest at present. The System of the Virtual Reproduction of Surround Sound based on AC3 will be able to meet people’s requirement of the higher quality