表示聲場的方法和系統的製作方法

2023-07-23 09:39:51

專利名稱：表示聲場的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種從獲取裝置發出的信號表示聲場的方法和設備。
背景技術：
當前用於獲取並表示聲音環境的方法和系統使用基於物理上無法實現的獲取裝置的模型，特別就涉及這些獲取裝置的電聲學和/或結構特性而言。
例如獲取裝置包括一組測量元件或基本傳感器，排布在特定的空間位置並有固有的電聲學獲取特性。
當前的系統受到獲取裝置的結構特性，諸如基本傳感器的物理排布與電聲學特性的限制，並發出所獲取的聲音環境的退化表示。
例如納入術語「立體混響聲」的系統只考慮與包括多個基本傳感器的獲取裝置的中心相對應的聲源方向，其結果是獲取裝置等價於點微音器。
然而，不可能在一單個的點配置所有的基本傳感器，這限制了這些系統的功效。
此外，這些系統通過對虛擬聲源建模來表示聲音環境，這些虛擬聲源圍繞中心的角度的分布理論上允許獲得這類聲音環境。
然而，不可能獲得具有高方向特性的基本傳感器，限制了這些系統達到表示精確度的一定的水平，按稱為球諧函數基礎的數學基礎，其通常稱為「一階」。
在諸如採用專利申請No.WO-01-58209中公開的方法和獲取裝置的其他系統中，獲取基於在一平面中對表示被獲取的聲音環境的信息的測量。
然而這些系統使用了基於最優基本傳感器的模型，這些傳感器必須排布在一個圓圈並引起傳感器背景噪聲的明顯的放大。
從而這些系統要求其固有背景噪聲極低的傳感器，因而是不實際的。
此外，在這些系統中，聲音環境只是由二維模型描述，這引起實際聲音特性明顯降低的近似。
因而看來由當前系統形成的聲音環境的表示是不完善且不良的，因而還沒有使能獲得可靠的表示的系統。

發明內容
本發明的目的是要通過提供一種方法和裝置解決這一問題，其發出的聲場的表示基本上與獲取裝置的特性無關。
本發明涉及一種用於表示聲場的方法，包括涉及獲取由獲取裝置發出的測量信號的一步驟，該裝置包括暴露在所述聲場的一個或多個基本傳感器，該方法的特徵在於包括-涉及確定編碼濾波器的步驟，這些濾波器表示至少所述獲取裝置的結構特性；以及-涉及通過向這些信號使用編碼濾波器來處理所述測量信號的步驟，以便確定在時間上和三維空間中表示所述聲場的有限數目的係數，所述係數允許獲得基本上獨立於所述獲取裝置的特性的所述聲場的表示。
根據其他特徵-所述結構特性至少包括所述基本傳感器相對於所述獲取裝置的預定基準點的位置特性；-編碼濾波器還代表獲取裝置的電聲特性；-所述電聲特性至少包括與所述基本傳感器的固有電聲獲取容量相關的特性；-允許要獲得的聲場的表示的係數是所謂的付立葉-貝塞爾係數和/或付立葉-貝塞爾係數的線性組合；-涉及確定編碼濾波器的步驟包括
-涉及確定代表所述獲取裝置的獲取容量的採樣矩陣的一子步驟；-涉及確定互相關矩陣的子一步驟，該矩陣代表由形成所述獲取裝置的基本傳感器發出的所述測量信號之間的相似性；以及-一子步驟，該步驟從所述採樣矩陣、所述互相關矩陣、代表聲場表示可靠性與由獲取裝置引起的背景噪聲最小化之間理想折中的參數，確定編碼矩陣，該矩陣代表所述編碼濾波器；-涉及矩陣確定的子步驟對有限數目的工作頻率進行；-涉及採樣矩陣確定的子步驟從以下參數對形成所述獲取裝置的每一所述基本傳感器進行-代表所述傳感器相對於所述獲取裝置中心位置的參數；和/或-代表所述傳感器的獲取容量的有限數目的係數；-涉及從以下參數至少之一進行採樣矩陣(B)確定的步驟-代表所有或某些傳感器頻率響應的參數；-代表所有或某些傳感器方向模式的參數；-代表所有或某些傳感器的指向即它們最大敏感方向的參數；-代表所有或某些傳感器背景噪聲的功率譜密度的參數；-規定表示所進行的階(order)的參數；-代表其功率必須等於被表示的聲場中對應係數的功率的係數列表的參數；-其包括一個定標步驟，允許在涉及確定編碼濾波器的所述步驟中使用的所有或某些參數被發出；-定標步驟，對於形成所述獲取裝置的所述基本傳感器至少之一包括-涉及獲取代表所述至少一個傳感器的獲取容量的信號的子步驟；以及-涉及確定代表所述至少一個傳感器的電聲和/或結構特性的參數的子步驟；
-定標步驟還包括-涉及特定聲場向所述至少一個傳感器發射的子步驟，所述獲取子步驟對應於當傳感器暴露在所述特定聲場時獲取由所述傳感器發出的信號；以及-涉及以有限數目的係數對所述特定聲場建模的子步驟，以便允許執行涉及確定代表傳感器的電聲和/或結構特性的參數的步驟；-所述定標步驟包括一個子步驟，其涉及接收代表形成所述獲取裝置的所述傳感器的電聲和結構特性的有限數目信號，在涉及確定所述獲取裝置的電聲和/或結構特性的所述子步驟期間這些信號被直接使用；以及-其包括一個輸入步驟，允許在所述涉及確定編碼濾波器的步驟期間使用的所有或某些參數被確定。
本發明還涉及一種電腦程式，其包括當在計算機上執行所述程序時用於實現上述方法的步驟的程序代碼指令。
本發明還涉及包括至少一個操作處理器和一個非易失存儲器元件的可移動支撐，其特徵在於所述存儲器包括一個程序，該程序包含當所述處理器執行所述程序時用於實現上述方法步驟的代碼指令。
本發明還涉及一種用於表示聲場的設備，該設備可連接到包括一個或多個基本傳感器的獲取裝置，這些傳感器當暴露在所述聲場時發出測量信號，其特徵在於包括通過對這些測量信號應用代表至少所述獲取裝置的結構特性的編碼濾波器用於處理測量信號的一個模塊，以便發出包括在時間上和三維空間中代表所述聲場的有限數目係數的信號，所述係數允許實質上與所述獲取裝置特性無關的所述聲場表示被獲得。
根據本發明的其他特性-編碼濾波器還代表所述獲取裝置的電聲特性；-其進而包括用於確定代表所述獲取裝置的結構和/或電聲特性的所述編碼濾波器的裝置；-用於確定編碼濾波器的所述裝置在輸入接收以下參數至少之一-代表所有或某些傳感器相對於所述獲取裝置中心位置的參數；-代表所有或某些傳感器獲取容量的有限數目的係數；-代表所有或某些傳感器頻率響應的參數；-代表所有或某些傳感器的方向模式的參數；-代表所有或某些傳感器的指向即它們的最大敏感性方向的參數；-代表所有或某些傳感器背景噪聲的功率譜密度的參數；-代表在聲場表示的可靠性與由獲取裝置引起的背景噪聲最大化之間理想折中的參數；-規定編碼進行的階的參數；-代表功率必須等於被表示的聲場的對應係數的功率的係數列表的參數；-其與用於確定由用來確定編碼濾波器的所述裝置接收的所有或某些參數的裝置相關聯，所述裝置包括至少以下元件-用於輸入參數的裝置；和/或-定標裝置；-其與用于格式化所述測量信號的裝置相關聯，以發出對應的格式化信號。


通過閱讀以下只以例子的方式並參照附圖給出的描述，將易於更好地理解本發明，其中圖1是球面基準圖的表示；圖2是表示使用的獲取裝置的圖示；圖3是本發明方法的總體流程圖；圖4是本發明方法定標步驟的一個實施例的詳細流程圖；圖5是涉及本發明方法確定的編碼濾波器步驟的一個實施例的詳細流程圖；
圖6是涉及採用編碼濾波器步驟的一個實施例的詳細圖示；以及圖7是適於執行本發明方法的一個設備的框圖。
具體實施例方式
圖1示出傳統的球面基準圖，以表明文本中涉及的坐標系。
這一基準圖是正交基準圖，有原點O並包括三個軸(OX)，(OY)和(OZ)。
在這基準圖中，標記為 的位置藉助於球面坐標(γ，θ，φ)描述，其中γ表示相對於原點O的距離，θ是在垂直平面中的指向，φ是在水平平面中的指向。
在這類基準圖中，如果在每一點和每一時刻t定義了表示為p(γ，θ，φ，t)的聲壓，其付立葉變換標記為P(γ，θ，φ，f)，其中f表示頻率，則即知道了聲場。
本發明的方法基於空間-時間函數的使用，其允許任何聲場在時間上和三維空間中被描述。
在所述的實施例中，這些函數稱為第一類球面付立葉-貝塞爾函數，以下稱之為付立葉-貝塞爾函數。
在沒有源和障礙的區域，付立葉-貝塞爾函數對應于波方程的解，並形成生成由位於這一區域之外的源產生的所有聲場的基礎。
這樣，根據以下所表示的付立葉-貝塞爾逆變換，任何三維聲場可由付立葉-貝塞爾函數的線性組合表示P(r,,,f)=4l=0m=-1lPl,m(f)jljl(kr)ylm(,)]]>在這方程式中，項Pl，m(f)定義為場p(γ，θ，φ，t)的付立葉-貝塞爾係數，k＝2πf/c，c是空氣中的聲速(340ms-1)，jl(kr)是由jl(x)=2xJl+1,2(x)]]>定義的l階第一類球面貝塞爾函數，其中Jv(x)是v階第一類球面貝塞爾函數，以及ylm(θ，φ)是l階和m項的實球諧函數，m的範圍從-1到1，由以下定義ylm(,)=Pl|m|(cos)trgm]]>
其中 在這方程式中，Plm(x)是由以下定義的相關的Legendre函數Plm(x)=2l+12(l-m)!(l+m)!(l-x2)m/2dmdxmPl(x)]]>其中Pl(x)是由以下定義的Legendre多項式Pl(x)=1dl2ll!dxl(x2-1)l]]>付立葉-貝塞爾係數在時間域還由對應於係數Pl，m(x)的逆時間付立葉變換的係數pl，m(t)表示。
在另一實施例中，聲場基於一個函數被分解，其中每一個函數由付立葉-貝塞爾函數潛在的有限線性組合表示。
圖2在原理上示出包括N個基本傳感器21到2N的獲取裝置。
這些基本傳感器在圍繞指定為獲取裝置1的中心的預定點4的空間中排布在規定的點上。
這樣，每一基本傳感器的位置可在空間中以諸如參照圖1所述的以獲取裝置1中心為中心的球面基準圖表示。
當暴露在聲場P時，獲取裝置1的每一傳感器2n發出測量信號cn，其對應於由該傳感器在聲場中進行的測量。
這樣獲取裝置1發出多個信號c1到cN，它們由獲取裝置1進行的聲場P的測量信號。
這樣由獲取裝置1發出的這些測量信號c1到cN直接與基本傳感器21到2N的獲取容量相關。
圖3示出本發明方法的總體流程圖。
該方法以涉及參數輸入的步驟10以及涉及獲取裝置定標的步驟20開始，它們允許代表獲取裝置1的結構和/或電聲特性的一組參數被定義。
某些參數，特別是代表電聲特性的參數，是與頻率相關的。
將在參照圖4更為詳細說明的輸入步驟10與定標步驟20，它們可同時或以任意順序執行。
同樣地，本發明的方法可只包含輸入步驟10。
輸入步驟10和定標步驟20允許對於一個或多個傳感器確定所有或某些下列參數-代表傳感器2n相對於獲取裝置1中心4的位置的參數 它們以球面坐標(γn，θn，φn)書寫；-代表傳感器2n的方向圖的參數dn(f)，其可取0與1之間的任何值，並允許以全向及雙向圖的組合描述傳感器2n的方向如果dn(f)＝0，則傳感器是全方向的如果dn(f)＝1/2，則傳感器是心形線的如果dn(f)＝0，則傳感器是雙向的；-代表傳感器2n指向即其最大靈敏度方向的參數αn(f)，這參數由角度對(θnα，φnα)(f)給出；代表傳感器2n頻率響應的參數Hn(f)，對於每一頻率f其對應於傳感器2n在方向αn(f)的靈敏度；-代表傳感器2n背景噪聲功率譜密度的參數σ2n(f)；-代表傳感器2n的獲取容量即傳感器2n收集聲場P信息方式的參數Bn，l，m(f)。這樣，每一個Bn，l，m(f)代表傳感器的獲取容量，並特別是其在空間中的位置，且所有Bn，l，m(f)代表由獲取裝置1進行的聲場P的採樣；-參數μ(f)，其規定了聲場P表示的可靠性與傳感器21到2N產生的背景噪聲最小化之間的折中，並可取0到1之間所有的值-如果μ(f)＝0，則背景噪聲最小；-如果μ(f)＝1，則空間的質量最大；-規定表示進行的階的參數L(f)；以及-代表係數列表的參數{lk，mk}(f)，其功率必須等於被表示的聲場中對應的係數的功率。
在簡化的實施例中，所有或某些所述的參數認為是頻率無關的。
參數μ(f)，L(f)和{lk，mk}(f)代表最優策略，允許從測量信號c1到cN最優抽取聲場P的空間-時間信息，並在輸入步驟10輸入。其他的參數可在輸入步驟10期間輸入，或在定標步驟20期間確定。
在簡化的實施例中，只使用參數μ(f)，L(f)及所有參數 或所有參數Bn，l，m(f)或參數 與Bn，l，m(f)的組合執行本發明的方法，使得每個基本傳感器2n有至少一個參數。
當然，使用的所有或某些參數可通過存儲器或專用的裝置發出，使操作者能夠把這些過程與所述的直接輸入步驟10視為等同。
在輸入步驟10和/或定標步驟20之後，該方法包括一步驟30，其涉及代表獲取裝置1的至少結構特性並最好是電聲特性的編碼濾波器的確定。
將參照圖5更為詳細說明的這一步驟30，允許考慮在輸入步驟10和/或定標步驟20期間確定的所有參數。
因而這些編碼濾波器至少代表基本傳感器2n相對於獲取裝置1的基準點4的位置特性。
這些濾波器最好還代表獲取裝置1的其他結構特性，諸如基本傳感器21到2N的指向與相互影響，以及它們的電聲獲取容量，並特別是它們的背景噪聲，它們的方向圖，它們的頻率響應等等。
在步驟30的末尾獲得的編碼濾波器可被存儲，於是步驟10，20及30隻在獲取裝置1的修改或優化策略的情形下重複。
在涉及從基本傳感器21到2N取得的信號c1到cN的處理的步驟40期間，使用這些編碼濾波器。
該處理引起對信號的濾波並組合濾波的信號。
在涉及通過對其施加編碼濾波器而處理測量信號的步驟40之後，發出代表在聲場P的時間上和三維空間中有限個數的係數。
這些係數稱為付立葉-貝塞爾係數，標記為Pl，m(f)，並對應於聲場P的表示，其實質上與獲取裝置1的特性無關。
因而顯然，本發明的方法允許其時間和空間特性正被轉錄(transcribe)的聲場一種可靠的表示，而不論使用什麼獲取裝置。
圖4示出定標步驟20一實施例的流程圖。
在這一實施例中，定標步驟20允許直接確定代表獲取裝置1的獲取容量的係數Bn，l，m(f)。
這一步驟20以子步驟22開始，其涉及向獲取裝置1發出特定的聲場，並具有子步驟24，其涉及通過暴露在發出的聲場的獲取裝置1獲取測量信號。
對於Q個特定的不同聲場這些子步驟22和24被重複，並需要產生特定聲場的裝置，以及移動和/或轉動獲取裝置1的裝置。
例如，使用只包含一個固定揚聲器的產生聲場的裝置執行定標步驟20，該揚聲器假設為具有平坦頻率響應的點揚聲器，揚聲器與獲取裝置1放置在無回聲的環境中。
在每一產生子步驟22，揚聲器發出相同的聲場且獲取裝置1放置在相同的位置，但是它們指向不同且已知的方向。
當然還能夠移動揚聲器。
因而，在獲取裝置1的參照圖中，對於每一產生的聲場q，揚聲器處於不同的位置(rqhp，θqhp，φqhp)。
這樣獲取裝置1暴露在聲場q，在獲取裝置1的參照圖中其付立葉-貝塞爾係數Pl，m，q(f)已知到給定的階，標記為L3。
在所述的實施例中，獲取子步驟24之後發出的測量信號為有限個數係數，其代表產生的聲場q，以及獲取裝置1的獲取容量。
參數L3與Q的選擇考慮到條件Q≥(L3+1)2優選地，該方法隨後包括一建模子步驟26，以允許確定在子步驟22期間發出的Q個聲場的表示。
這樣在步驟26期間確定建模矩陣P，其代表獲取裝置相繼對其暴露的所有已知的Q個聲場。這一矩陣P是大小為(L3+1)2×Q((L3+1)2over Q)的一個矩陣，其包括元素Pl，m，q(f)，下標(l，m)標記行(l2+l+m)，而下標q標記列q。因而矩陣P有以下形式
P0,0,1(f)P0,0,2(f)P0,0,Q(f)P1,-1,1(f)P1,-1,2(f)P1,-1,Q(f)P1,0,1(f)P1,0,2(f)P1,0,Q(f)P1,1,1(f)P1,1,2(f)P1,1,Q(f)PL3,-L3,1(f)PL3,-L3,2(f)PL3,-L3,Q(f)PL3,0,1(f)PL3,0,2(f)PL3,0,Q(f)PL3,L3,1(f)PL3,L3,2(f)PL3,L3,Q(f)]]>在所述的實施例中，由揚聲器產生的聲場按球面輻射建模，使得在獲取裝置1的參照圖中，這樣產生的每一聲場q的係數Pl，m，q(f)由於以下關係而獲知Pl,m,q(f)=1rqhpe-j2rqhpfcl(rqhp,f)ylm(qhp,qhp)]]>其中l(rqhp,f)=k=0l(l+k)!2kk!(l-k)!(j2rqhpfc)-k]]>在子步驟26獲得的係數然後用於子步驟28，以便確定代表獲取裝置1的結構和/或聲音特性的參數。
在所述的實施例中，這一子步驟28還使用在子步驟26確定的建模矩陣P。
這一子步驟以確定矩陣C開始，其代表在N個傳感器的輸出響應Q個已知的場取得的所有信號cn，q(t)。C是一個N×Q的矩陣，包括元素Cn，q(f)，下標n表示行n，下標q表示列q。元素Cn，q(f)是從信號cn，q(t)通過付立葉變換推導的。因而矩陣C有以下形式C1,1(f)C1,2(f)C1,Q(f)C2,1(f)C2,2(f)C2,Q(f)CN,1(f)CN,2(f)CN,Q(f)]]>矩陣C代表獲取裝置1的獲取容量及Q個發射的聲場。
在所述的實施例中，從矩陣C和B在子步驟28使用施加到連結C到P的關係的一般矩陣求逆的傳統方法確定係數Bn，l，m(f)。例如，係數Bn，l，m(f)置於由以下關係確定的矩陣BB＝C PT(P PT)-1
矩陣B是在大小為N×(L3+1)2(N over(L3+1)2)具有係數Bn，l，m(f)的矩陣，下標n標記行n，而下標(l，m)標記列l2+l+m。因而矩陣B有以下形式B1,0,0(f)B1,1,-1(f)B1,1,0(f)B1,1,1(f)B1,L3,-L3(f)B1,L3,0(f)B1,L3,L3(f)B2,0,0(f)B2,1,-1(f)B2,1,0(f)B2,1,1(f)B2,L3,-L3(f)B2,L3,0(f)B2,L3,L3(f)BN,0,0(f)BN,1,-1(f)BN,1,0(f)BN,1,1(f)BN,L3,-L3(f)BN,L3,0(f)BN,L3,L3(f)]]>這些子步驟26和28對每一工作頻率執行，且這樣確定的係數直接形成代表獲取裝置1的獲取容量的參數。
定標步驟20的子步驟26和28，作為必須被確定的參數的函數，可以各種方式執行。
例如，在定標步驟20允許每一傳感器2n的位置 被確定的情形下，子步驟26和28使用由揚聲器發射的波到達傳感器2n的傳播時間。根據三角形測量方法使用至少三個傳播時間測量確定每一傳感器2n的位置。
在另一種情形下，當揚聲器發出給定的脈衝時，子步驟26和28允許從信號cn，q(t)確定每一傳感器2n的脈衝響應。
例如在這種情形下使用確定脈衝響應的標準方法，諸如MLS(最大長度序列)。
定標標準20最好允許確定傳感器的電聲特性。通過對於每一給定的頻率f確定每一傳感器2n的方向圖，例如對於多個方向確定每一傳感器2n的頻率響應，開始。
在第二階段，確定以下所有或某些參數-代表每一傳感器2n的指向即其最大靈敏度方向的參數αn(f)，由角度(θnα，φnα)(f)給出，對於該角度方向圖對於共同的頻率f賦予最大值-在最大靈敏度方向代表每一傳感器2n頻率響應的參數Hn(f)，這樣對於方向(θnα，φnα)(f)其對應於方向圖的值；以及-代表每一傳感器方向圖的參數dn(f)，其允許通過包括以方向αn(f)指向的全向和雙向圖的組合的一模型描述每一傳感器的方向性，使用以下方向性模型1-dn(f)+dn(f)cos(αn(f).(θ，φ))其中αn(f)·(θ，φ)指定了方向αn(f)與(θ，φ)之間的數量積。
可使用估計參數的標準方法確定這一參數dn(f)，例如通過採用提供值dn(f)的最小二乘法，該方法使實際的方向圖與建模的方向圖之間的誤差最小。
定標標準20最好還允許確定參數σ2n(f)，其對應於傳感器背景噪聲的功率譜密度。這樣由傳感器2n發出的信號在這一步驟20期間在沒有聲場的情況下取得。使用估計功率譜密度的方法，例如所謂周期圖方法確定參數σ2n(f)。
取決於實施例，重複所有或某些子步驟22到28，例如以允許確定多個類型的參數，其中某些子步驟對於各種類型參數的確定可以是共用的。
還可以使用與所述諸如方向測量裝置不同的裝置，例如使用光學測量每一基本傳感器2n相對於獲取裝置1的中心4的位置的裝置，執行定標步驟20。
此外，例如定標步驟20可使用一計算機進行代表基本傳感器2n的獲取容量的信號的仿真。
因而顯然這一定標步驟20允許確定代表獲取裝置1的結構和/或電聲特性的所有或某些參數，在涉及編碼濾波器的確定的步驟30期間使用了這些獲取裝置。
圖5示出涉及編碼濾波器確定的步驟30的實施例一流程圖。
步驟30包括一子步驟32，其涉及代表獲取裝置1的獲取容量的矩陣B或採樣矩陣的確定。
在所述的實施例中，從參數 Hn(f)，dn(f)，αn(f)與Bn，l，m(f)確定矩陣B，該矩陣是N×(L(f)+1)2大小的矩陣，具有元素Bn，l，m(f)，下標n指定行n，而下標(l，m)指定列l2+l+m。因而矩陣B具有以下形式B1,0,0(f)B1,1,-1(f)B1,1,0(f)B1,1,1(f)B1,L,-L(f)B1,L,0(f)B1,L,L(f)B2,0,0(f)B2,1,-1(f)B2,1,0(f)B2,1,1(f)B2,L,-L(f)B2,L,0(f)B2,L,L(f)BN,0,0(f)BN,1,-1(f)BN,1,0(f)BN,1,1(f)BN,L,-L(f)BN,L,0(f)BN,L,L(f)]]>
在步驟10或20期間可直接確定矩陣B具體的元素。然後對矩陣B補充從傳感器建模確定的元素。
在這一實施例中，對每一傳感器n通過放置在位置 的點傳感器建模，其顯示了由部分dn(f)的全向和雙向圖組成的方向性，指向方向αn(f)並具有頻率響應Hn(f)。
然後根據以下關係確定補充的元素Bn，l，m(f)Bn,l,m(f)=4Hn(f)jl{(1-dn(f))jl(krn)ylm(n,n)-jdn(f)]]>(j*l(krn)ylm(n,n)ur-jl(krn)krnRl|m|(cosn)trgmu+mjl(krn)krnsinnyl-m(n,n)u)}]]>其中j*l(krn)=ljl-1(krn)-(l+1)jl+1(krn)2l+1]]> 且其中ur=sinnsinn(f)cos(n-n(f))+cosncosn(f)]]>u=cosnsinn(f)cos(n-n(f))-sinncosn(f)]]>u=sinn(f)sin(n(f)-n)]]>在傳感器輻射指向的情形下，該關係給出較簡單的表示Bn,l,m(f)=4Hn(f)jlylm(n,n)((1-dn(f))jl(krn)-jdn(f)ljl-1(krn)-(l+1)jl+1(krn)2l+1)]]>這時步驟30包括一子步驟34，其涉及代表由傳感器21到2N發出的信號c1到cN之間的相似性的互相關矩陣A的確定，因為這些傳感器21到2N對單個聲場P進行測量的事實。矩陣A從採樣矩陣B確定。A是大小為N×N的藉助於以下關係獲得的矩陣A＝B BT根據前一步驟的方法，最好使用補充到L2階的矩陣B更加精確地確定矩陣A。
由於矩陣A只能表示為矩陣B的函數，涉及確定互相關矩陣A的子步驟34可被認為是中間計算步驟，並這樣可併入步驟30的另一子步驟。
這時步驟30包含一子步驟36，其涉及代表對於給定頻率編碼濾波器的編碼矩陣E(f)的確定。矩陣E(f)從矩陣A和B以及從參數L(f)，H(f)，{(lk，mk)}(f)與σn2(f)確定。矩陣E(f)是(L(f)+1)2×N大小的矩陣，包括元素El，m，n(f)，下標(l，m)標記行l2+l+m，而下標n標記列n。因而矩陣E(f)有以下形式E0,0,1(f)E0,0,2(f)E0,0,N(f)E1,-1,1(f)E1,-1,2(f)E1,-1,N(f)E1,0,1(f)E1,0,2(f)E1,0,N(f)E1,1,1(f)E1,1,2(f)E1,1,N(f)EL,-L,1(f)EL,-L,2(f)EL,-L,N(f)EL,0,1(f)EL,0,2(f)EL,0,N(f)EL,L,1(f)EL,L,2(f)EL,L,N(f)]]>矩陣E(f)是逐行被確定的。對於每一工作頻率f，矩陣E(f)下標(l，m)的每一行El，m呈現以下的形式[El，m，1(f)El，m，2……El，m，N(f)]行El，m的元素El，m，n(f)通過以下表達式獲得-如果(l，m)屬於列表{(lk，mk)}(f)，則El,m=(f)Bl,mT(((f)-)A+(1-(f))N)-1]]>其中λ滿足以下關係((f))2Bl,mT(((f)-)A+(1-(f))N)-1A(((f)-)A+(1-(f))N)-1Bl,m=1]]>且其中使用考察方程根的分析或數值方法，可選地使用矩陣對角化方法確定λ；以及-如果(l，m)不屬於列表{(lk，mk)}(f)，則El,m=(f)Bl,mT((f)A+(1-(f))N)-1]]>這些表達式中，Bl，m是矩陣B的列(l，m)，而∑N是大小N×N的對角矩陣，其代表傳感器的背景噪聲，其中對角線的元素n是σn2(f)。
對每一工作頻率重複涉及確定矩陣A，B及E(f)的子步驟32，34和36。
當然，在簡化的實施例中，參數是頻率無關的，且子步驟32，34和36隻執行一次。這時子步驟36允許直接確定頻率無關的矩陣E。
在後繼的步驟38期間，從矩陣E(f)確定代表編碼濾波器的參數FD。矩陣E(f)的每一元素El，m，n(f)表示編碼濾波器的頻率響應。每一編碼濾波器可通過參數FD以不同的形式描述。
例如，如果代表濾波器El，m，n(f)的參數為-頻率響應，則參數FD是對於特定頻率f直接計算的El，m，n(f)；-通過El，m，n(f)的逆付立葉變換計算的有限脈衝響應cl，m，n(t)，對每一脈衝響應cl，m，n(t)採樣，然後對於每一響應截短為適當的長度；以及-以從El，m，n(f)計算的無限脈衝響應使用適應方法遞推濾波器係數。
這樣涉及編碼濾波器確定的步驟30發出參數FD，其描述代表至少獲取裝置1的結構和/或電聲容量的編碼濾波器。
特別地，這些濾波器代表以下特性-傳感器21到2N的位置；-傳感器21到2N的固有電聲特性，特別是背景噪聲的特定的功率譜密度以及聲場的獲取容量；以及-優化策略，特別是聲場的獲取空間可靠性與由傳感器產生的背景噪聲最小化之間的折中。
圖6詳細示出步驟40的一個實施例，涉及通過對這些信號應用編碼濾波器和通過對濾波的信號求和，處理由獲取裝置1發出的測量信號。
在步驟40中，通過按以下方式採用頻率響應編碼濾波器El，m，n(f)，從基本傳感器21到2N得到的信號c1到cN推導代表聲場P的係數 P^l,m(f)=n=1NEl,m,n(f)Cn(f)]]>其中 是 的付立葉變換，且Cn(f)是cn(t)的付立葉變換。該例子描述了通過有限脈衝響應濾波的情形。這一濾波要求對於每一響應el，m，n(t)首先確定對應於適當數目樣本的參數Tl，n，m，其結果為以下卷積表達式p^l,m[t]=n=1N=0Tn,l,m-1en,l,m[]cn[t-]]]>這些係數 為代表時間上和聲場的三維空間中有限個係數，並形成這一聲場的可靠表示。
取決於參數FD的性質，根據各種濾波方法由El，m，n(f)可執行其他的濾波過程，諸如-如果參數FD直接提供頻率響應El，m，n(f)，則使用頻域中的濾波方法進行濾波，諸如塊卷積過程；-如果參數FD提供有限個脈衝響應cl，m，n(t)，則通過卷積在時域中進行濾波；以及-如果參數FD提供帶有有限脈衝響應的遞歸濾波器係數，則藉助於該遞歸關係在時域中進行濾波。
因而明顯的是，本發明藉助於基本上與獲取裝置特性無關的表示，以付立葉-貝塞爾係數的形式，允許可靠地表示聲場。
此外，如上所述，本發明的方法可按簡化的實施例執行。
例如，如果所有的傳感器21到2N基本上是全向的，並基本上在靈敏度與背景噪聲電平方面相同，則本發明的方法可只基於代表傳感器2n相對於獲取裝置1的中心4的位置的參數 以及與優化策略有關的參數μ和L的知識執行。
此外，在這一簡化的實施例中，認為參數是頻率無關的。
這樣在步驟32和34期間，使用這些參數，同時或按任何次序順序地計算矩陣A和B。
這時按以下方式組織矩陣B的元素Bl，n，m(f)B1,0,0(f)B1,1,-1(f)B1,1,0(f)B1,1,1(f)B1,L,-L(f)B1,L,0(f)B1,L,L(f)B2,0,0(f)B2,1,-1(f)B2,1,0(f)B2,1,1(f)B2,L,-L(f)B2,L,0(f)B2,L,L(f)BN,0,0(f)BN,1,-1(f)BN,1,0(f)BN,1,1(f)BN,L,-L(f)BN,L,0(f)BN,L,L(f)]]>其中
Bn,l,m(f)=4jljl(krn)ylm(n,n)]]>類似地，按以下方式組織矩陣A的元素An1，n2(f)A1,1(f)A1,2(f)A1,N(f)A2,1(f)A2,2(f)A2,N(f)AN,1(f)AN,2(f)AN,N(f)]]>在這一實施例中，藉助於以下關係從矩陣B獲得矩陣AA＝B BT最好藉助於以下關係以較大的精確度確定矩陣A的元素An1，n2(f)An1,n2(f)=4l=0L2(2l+1)jl(krn1)jl(krn2)P1(cosn1cosn2+sinn1sinn2cos(n1-n2))]]>其中L2是進行矩陣A的確定的階並且是大於L的整數。對於L2所選擇的值越大，An1，n2(f)的計算將越精確，但計算越長。
在子步驟36中，根據以下表達式從矩陣A和B以及參數μ確定代表編碼濾波器的編碼矩陣EE＝μBT(μA+(1-μ)IN)-1矩陣E的元素El，m，n(f)按以下方式組織E0,0,1(f)E0,0,2(f)E0,0,N(f)E1,-1,1(f)E1,-1,2(f)E1,-1,N(f)E1,0,1(f)E1,0,2(f)E1,0,N(f)E1,1,1(f)E1,1,2(f)E1,1,N(f)EL,-L,1(f)EL,-L,2(f)EL,-L,N(f)EL,0,1(f)EL,0,2(f)EL,0,N(f)EL,L,1(f)EL,L,2(f)EL,L,N(f)]]>對於所有的工作頻率f，重複涉及矩陣A和B然後E的確定的子步驟32，34和36。
每一元素El，m，n(f)對應於一編碼濾波器，其結合了傳感器2n的空間分布還有優化策略。
在階段40中，使用由參數FD描述的編碼濾波器濾波從傳感器21到2N取得的信號c1到cN。通過按以下方式施加濾波器從信號c1到cN推導發出的每一係數 P^l,m(f)=n=1NEl,m,n(f)Cn(f)]]>其中 是 的付立葉變換，而Cn(f)是cn(t)的付立葉變換。
在這實施例中，使用頻域中的濾波方法諸如塊卷積方法，確定係數 因而聲場的表示考慮了傳感器的位置及選擇的優化參數，並構成聲場可靠的估計。
圖7是適於執行本發明的方法的一框圖。
在這圖中，如參照圖2所述，用於表示適場P的裝置50連接到獲取裝置1。
裝置50或編碼裝置，還在輸入處連接到裝置60，其用於確定代表獲取裝置1的結構和/或電聲特性的參數。
這些裝置60具體包括用於輸入參數的裝置62，以及分別適於執行如上所述本發明的方法的步驟10和20的定標裝置64。
編碼裝置50從用於確定參數的裝置60接收多個參數，它們代表獲取裝置1的特性，這些特性分布在用於定義結構特性的信號CL與用於結構和/或電聲特性的參數化的信號CP之間。
該裝置還接收在用於優化表示的信號OS中與表示策略相關的參數。
在這些信號中，參數按以下方式分布-在定義信號CL中-代表傳感器2n的位置的參數 -在參數化信號CP中-代表傳感器2n頻率響應的參數Hn(f)；-代表傳感器2n方向圖的參數dn(f)；-代表傳感器2n指向的參數αn(f)；-代表傳感器2n背景噪聲功率譜密度的參數σ2n(f)；以及-代表傳感器2n獲取容量的參數Bn，l，m(f)；以及-在優化信號OS中
-規定表示聲場可靠性與由傳感器產生的背景噪聲最小化之間的折中的參數μ(f)；-規定表示進行的階的參數L(f)；以及-代表其功率必須等於被表示的聲場P中的對應的係數的功率係數列表的參數{(lk』，mk)}(f)。
這一裝置50最好包括用于格式化輸入信號的裝置51，這些輸入信號適於從信號c1到cN發出對應的格式化信號SI。
例如，裝置51包括模擬-數字轉換器，放大器或均勻濾波系統。
裝置50還包括用於確定編碼濾波器的裝置52，該裝置包括用於計算採樣矩陣B的模塊55，以及用於計算互相關矩陣A的模塊56，這兩者都連接到用於計算編碼矩陣E(f)的模塊57。
編碼矩陣E(f)由模塊58用於確定發出信號SFD的編碼濾波器，該信號包含代表編碼濾波器的參數FD。
這一信號SFD由處理模塊59使用，該模塊向信號SI應用編碼濾波器，以便發出包含代表聲場P的付立葉-貝塞爾係數的信號SIFB。
可選地，裝置50包括一非易失存儲器，其中存儲先前已確定的形成信號SFD的參數。
例如，由它們的製造商對獲取裝置1測試並定標，以便直接提供包含結合到編碼裝置中的信號SFD的所有參數的一存儲器，以獲取聲場並發出其可靠的表示。
類似地在一種變形中，這一存儲器只包含矩陣B並可選地包含矩陣A，且裝置50包括用於輸入形成優化信號OS的參數的裝置，以便執行編碼矩陣E(f)的確定及代表編碼濾波器的參數FD的確定。
當然可按需要設想所述各種模塊之間的其他分布。
權利要求
1.一種用於表示聲場的方法，包括涉及獲取由獲取裝置(1)發出的測量信號(cn)的一步驟，該獲取裝置包括暴露在所述聲場(P)的一個或多個基本傳感器(2n)，該方法的特徵在於包括-涉及確定編碼濾波器的步驟(30)，這些濾波器代表至少所述獲取裝置(1)的結構特性；以及-涉及通過對所述測量信號(cn)應用編碼濾波器來處理所述測量信號(cn)的步驟(40)，以便確定在時間上和三維空間中表示所述聲場(P)的有限數目的係數，所述係數允許獲得基本上獨立於所述獲取裝置(1)的特性的所述聲場(P)的表示。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於所述結構特性至少包括所述基本傳感器(2n)關於所述獲取裝置(1)的預定基準點(4)的位置特性。
3.根據權利要求1或2的方法，其特徵在於所述編碼濾波器還代表獲取裝置(1)的電聲特性。
4.根據權利要求3的方法，其特徵在於所述電聲特性至少包括與所述基本傳感器(2n)的固有電聲獲取容量相關的特性。
5.根據權利要求1到4任何之一的方法，其特徵在於，允許表示要獲得的聲場(P)的係數是所謂的付立葉-貝塞爾係數和/或付立葉-貝塞爾係數的線性組合。
6.根據權利要求1到5任何之一的方法，其特徵在於，涉及確定編碼濾波器的所述步驟包括-涉及確定代表所述獲取裝置(1)的獲取容量的採樣矩陣(B)的子步驟(32)；-涉及確定互相關矩陣(A)的子步驟(34)，該矩陣代表由形成所述獲取裝置(1)的基本傳感器(2n)發出的所述測量信號(cn)之間的相似性；以及-子步驟(36)，它涉及從所述採樣矩陣(B)、所述互相關矩陣(A)、及代表聲場表示的可靠性與由獲取裝置(1)引起的背景噪聲最小化之間的理想折中的參數(μ(f))，確定一編碼矩陣(E(f)；E)，該編碼矩陣代表所述編碼濾波器。
7.根據權利要求6的方法，其特徵在於，涉及矩陣確定的所述子步驟對有限數目的工作頻率進行。
8.根據權利要求6或權利要求7的方法，其特徵在於，涉及採樣矩陣(B)確定的子步驟根據以下參數對形成所述獲取裝置(1)的每一所述基本傳感器(2n)進行-代表所述傳感器(2n)相對於所述獲取裝置(1)中心(4)的位置的參數 和/或-代表所述傳感器(2n)的獲取容量的有限數目的係數(Bn，l，m(f))。
9.根據權利要求8的方法，其特徵在於，涉及採樣矩陣(B)確定的步驟根據以下參數至少之一進行-代表所有或某些傳感器(2n)頻率響應的參數(Hn(f))；-代表所有或某些傳感器(2n)方向圖的參數(dn(f))；-代表所有或某些傳感器(2n)的指向即它們最大靈敏度方向的參數(αn(f))；-代表所有或某些傳感器(2n)背景噪聲的功率譜密度的參數(σ2n(f))；-規定表示所進行的階的參數(L(f))；-代表其功率必須等於被表示的聲場(P)中對應係數的功率的係數列表的參數({(1k，mk)}(f))；
10.根據權利要求1到9任何之一的方法，其特徵在於，其包括一個定標步驟(20)，允許在涉及確定編碼濾波器的所述步驟(30)中使用的所有或某些參數被發出。
11.根據權利要求10的方法，其特徵在於，所述定標步驟(20)，對於形成所述獲取裝置(1)的所述基本傳感器(2n)至少之一包括-涉及獲取代表所述至少一個傳感器(2n)的獲取容量的信號的子步驟(24)；以及-涉及確定代表所述至少一個傳感器(2n)的電聲和/或結構特性的參數的子步驟(28)。
12.根據權利要求11的方法，其特徵在於，所述定標步驟(20)還包括-涉及特定聲場向所述至少一個傳感器(2n)發射的子步驟，所述獲取子步驟(24)對應於當所述傳感器暴露在所述特定聲場時獲取由所述傳感器(2n)發出的信號；以及-涉及以有限數目的係數對所述特定聲場建模的子步驟(26)，以便允許執行涉及確定代表傳感器(2n)的電聲和/或結構特性的參數的子步驟(28)。
13.根據權利要求10到12任何之一的方法，其特徵在於，所述定標步驟包括一個子步驟，其涉及接收代表形成所述獲取裝置(1)的所述傳感器(2n)的電聲和結構特性的有限數目信號，在涉及確定所述獲取裝置(1)的電聲和/或結構特性的所述子步驟期間上述有限數目信號被直接使用。
14.根據權利要求1到13任何之一的方法，其特徵在於，其包括一個輸入步驟(10)，允許在所述涉及確定編碼濾波器的步驟(30)期間使用的所有或某些參數被確定。
15.一種電腦程式，其包括當在計算機上執行所述程序時用於實現根據任何權利要求1到14任何之一方法的步驟的程序代碼指令。
16.一種可移動支撐，包括至少一個操作處理器和一個非易失存儲器元件，其特徵在於所述存儲器包括一個程序，該程序包含代碼指令，用於當所述處理器執行所述程序時實現根據權利要求1到14任何之一方法的步驟。
17.一種用於表示聲場的設備，該設備可連接到包括一個或多個基本傳感器(2n)的獲取裝置(1)，上述傳感器當暴露在所述聲場時發出測量信號(cn)，其特徵在於該設備包括通過對所述這些測量信號(cn)應用代表至少所述獲取裝置(1)的結構特性的編碼濾波器，用於處理測量信號(cn)的一個模塊(59)，以便發出包括在時間上和三維空間中代表所述聲場(P)的有限數目係數的信號(SIFB)，所述係數允許獲得實質上與所述獲取裝置(1)特性無關的所述聲場(P)的表示。
18.根據權利要求17的設備，其特徵在於，所述編碼濾波器還代表所述獲取裝置(1)的電聲特性。
19.根據權利要求17或權利要求18的設備，其特徵在於還包括用於確定代表所述獲取裝置(1)的結構和/或電聲特性的所述編碼濾波器的裝置(52)。
20.根據權利要求19的設備，其特徵在於，用於確定編碼濾波器的所述裝置(52)在輸入處接收以下參數至少之一-代表所有或某些傳感器(2n)相對於所述獲取裝置(1)中心的位置的參數 -代表所有或某些傳感器(2n)獲取容量的有限數目的係數(Bn，l，m(f))；-代表所有或某些傳感器(2n)頻率響應的參數(Hn(f))；-代表所有或某些傳感器(2n)的方向模式的參數(dn(f))；-代表所有或某些傳感器(2n)的指向即它們的最大靈敏度方向的參數(αn(f))；-代表所有或某些傳感器(2n)背景噪聲的功率譜密度的參數(σ2n(f))；-代表在聲場表示的可靠性與由獲取裝置(1)引起的背景噪聲最大化之間的理想折中的參數(μ(f))；-規定編碼進行的階的參數(L(f))；-代表其功率必須等於被表示的聲場(P)的對應係數的功率的係數列表的參數({(lk，mk)}(f))。
21.根據權利要求20的設備，其特徵在於，它與用於確定由用來確定編碼濾波器的所述裝置(52)接收的所有或某些參數的裝置(60)相關聯，所述裝置(60)包括至少以下元件-用於輸入參數的裝置(62)；和/或-定標裝置(64)。
22.根據權利要求17到21任何之一的設備，其特徵在於，其與用于格式化所述測量信號(c1到cN)的裝置(51)相關聯，以發出對應的格式化的信號(SI)。
全文摘要
本發明涉及表示聲場的一種方法。發明的方法包括涉及獲取測量信號(c
文檔編號G10K15/00GK1659926SQ03813224
公開日2005年8月24日 申請日期2003年5月6日 優先權日2002年5月7日
發明者雷米·布魯諾, 阿諾·拉伯裡, 塞巴斯蒂安·蒙託亞 申請人:雷米·布魯諾, 阿諾·拉伯裡, 塞巴斯蒂安·蒙託亞