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TWI635753B - 使用向上發聲驅動器之用於反射聲音呈現的虛擬高度濾波器 - Google Patents

使用向上發聲驅動器之用於反射聲音呈現的虛擬高度濾波器 Download PDF

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Publication number
TWI635753B
TWI635753B TW102147981A TW102147981A TWI635753B TW I635753 B TWI635753 B TW I635753B TW 102147981 A TW102147981 A TW 102147981A TW 102147981 A TW102147981 A TW 102147981A TW I635753 B TWI635753 B TW I635753B
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Application number
TW102147981A
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Inventor
布雷特 克基特
克里斯多夫 查班尼
馬克 塔非
艾倫 席弗爾特
希 布朗
派翠克 特麥爾
Original Assignee
美商杜比實驗室特許公司
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Publication date
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Publication of TW201440541A publication Critical patent/TW201440541A/zh
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Abstract

各實施例係有關使聲音自天花板反射到離開揚聲器有一段距離的聆聽位置之揚聲器及電路。反射聲音提供了高度提示信號，而重現具有頭上音頻成分之音頻物件。該揚聲器包含用於使聲音自上表面反射之向上發聲驅動器，且代表一虛擬上方揚聲器。將基於一定向聽覺模型之一虛擬高度濾波器施加到該向上發聲驅動器信號，以便改善對該虛擬上方揚聲器傳輸的音頻信號的高度之感知，而提供頭上反射聲音之最佳重現。該虛擬高度濾波器可被加入作為用於分離全頻寬信號且將高頻聲音傳送到該向上發聲驅動器之一分頻電路的一部分。

Description

使用向上發聲驅動器之用於反射聲音呈現的虛擬高度濾波器
一或多個實施例係大致有關音頻信號處理，且尤係有關使用向上發聲揚聲器產生的反射信號呈現適應性音訊內容之揚聲器及電路。
數位電影的出現已產生了電影音效的新標準，例如，採用多聲道而可使內容創作者能夠有更豐富的創意，且使觀眾能夠得到更有圍繞感及更逼真的聽覺體驗。已開發出基於模型的音頻描述(audio description)，而延伸到超越傳統的揚聲器饋源(speaker feed)及基於聲道的音訊，作為一種散佈空間音訊內容且以不同的播放組態呈現之方式。聲音在真實三維(Three-Dimensional；簡稱3D)或虛擬3D環境中之播放已成為加強研究及開發的領域。聲音的空間呈現利用了音頻物件(audio object)，這些音頻物件是具有聲源(apparent source)位置(例如，3D座標)、聲源寬度、及其他參數的相關聯參數音源描述之音頻信號。基於物件之音訊可被用於諸如數位電影、視訊遊戲、及模擬器等的許多的多媒體應用，且在揚聲器的數目及揚聲器的擺放通常受到限制或被較小聆聽環境的邊界限制的家庭環境中是尤其重要。
已開發出各種技術，以便在完整的電影院環境及較小規模的家庭環境中都能更精確地捕獲且重現創作者於音軌中之藝術意圖。已開發出下一代的空間音訊(也被稱為"適應性音訊"("adaptive audio")格式，該空間音訊格式包含音頻物件、傳統的基於聲道之揚聲器饋源、以及音頻物件之位置元資料(metadata)之組合。在一空間音訊解碼器中，各聲道被直接傳送到其相關聯的揚聲器，或被縮混(down-mix)為現有的揚聲器組，且該解碼器以一種彈性的方式呈現該等音頻物件。諸如3D空間中之位置軌跡以及被連接到該解碼器的揚聲器之數目及位置等的與每一物件相關聯之參數音源描述被取用為輸入。該呈現器利用某些演算法散佈與被連接的揚聲器組上的每一物件相關聯之音訊。因而經由聆聽環境中存在的特定揚聲器組態而以最佳方式呈現每一物件之被創建的空間意圖。
現行的空間音頻系統通常係針對電影用途而被開發，且因而涉及大型房間中之部署以及較昂貴的設備之使用，此類較昂貴的設備包括分佈在電影院周圍的多揚聲器陣列。然而，愈來愈多的先進音訊內容已經由串流技術及諸如藍光光碟等的先進媒體技術而可在家庭環境中播 放。此外，諸如3D電視、高階電腦遊戲、及模擬器等的新興技術正鼓勵在家庭及其他聆聽環境中使用諸如大螢幕監視器、環繞聲接收器及揚聲器陣列等的較複雜之設備。雖然可使用此類內容，但是設備成本、安裝複雜性、及房間大小仍然是阻礙在大部分的家庭環境中完全利用空間音訊的實際限制。例如，先進的基於音頻物件之音頻系統通常將高架揚聲器(overhead speaker)或上方揚聲器(height speaker)用來播放意圖在聆聽者的頭部之上發出的聲音。在許多情形中，尤其在家庭環境中，可能無法使用此種上方揚聲器。在此種情形中，如果只經由落地揚聲器(floor speaker)或壁掛式揚聲器(wall-mounted speaker)播放此類聲音物件，則將失掉高度資訊。
因此，目前需要一種可在可能只包含用於播放的完整揚聲器陣列的一部分(例如，只具有有限的高架揚聲器或不具有任何高架揚聲器)且可利用向上揚聲器將聲音反射到直接揚聲器可能不存在的地方之聆聽環境中重現適應性音頻系統的完整空間資訊之系統。
進一步需要一種施加所需頻率轉移函數(frequency transfer function)以便減少或消除來自音頻信號中之高度聲音成分之直接聲音成分而意圖自聆聽環境的上表面反射之濾波方法。
進一步需要一種將該所需頻率轉移函數直接加入被配置成使聲音自該等上表面反射的揚聲器的轉換器設計之揚聲器系統。
本"先前技術"一節中述及的主題不應其只是在本"先前技術"一節中被提到即被認為是先前技術。同樣地，在本"先前技術"一節中提到的問題或與本"先前技術"一節的主題相關聯之問題不應被認為先前已在先前技術中被認知。本"先前技術"一節中之主題只代表不同的方法，該主題在本質上或本身也可以是發明。
各實施例係有關將聲音自天花板或上表面反射到與揚聲器有相當距離的聆聽位置之揚聲器及電路。該反射聲音提供了用來重現具有高架音訊組件的音頻物件之高度提示信號。該揚聲器包含一或多個向上發聲驅動器，用以使聲音自該上表面反射，且代表一虛擬上方揚聲器。基於一定向聽覺模型(directional hearing model)之一虛擬高度濾波器被施加到向上發聲驅動器信號，以便改善被該虛擬上方揚聲器發射的音頻信號的高度之感知，而提供頭上反射聲音的最佳重現。此外，該虛擬高度濾波器可被包含作為分頻電路(crossover circuit)的一部分，該分頻電路將全頻帶分離，且將高頻音傳送到該向上發聲驅動器。房間修正程序(room correction process)也被用於提供校準且在執行自動化房間等化(automatic room equalization)及其他異常否定程序之系統中維持虛擬高度濾波。
此類揚聲器及電路被配置成連同使用反射聲 音元件而呈現聲音的適應性音頻系統而被使用，該適應性音頻系統包含：分佈在一聆聽環境中之一陣列的音訊驅動器，其中該等驅動器中之某些驅動器是直接驅動器，且其他驅動器是朝向該聆聽環境的天花板投射聲波而反射到一特定聆聽環區之向上發聲驅動器；一呈現器，用以處理音訊流及一或多個元資料集，該一或多個元資料集係與每一音訊流相關聯，且指定各別音訊流在聆聽環境中之播放位置，其中該等音訊流包含一或多個反射音訊流及一或多個直接音訊流；以及一播放系統，用以根據該一或多個元資料集而將該等音訊流呈現到該陣列的音訊驅動器，且其中該一或多個反射音訊流被傳輸到該等反射音訊驅動器。
各實施例係進一步有關將所需頻率轉移函數直接加入被配置成使聲音自該等上表面反射的揚聲器的轉換器設計之揚聲器或揚聲器系統，其中該所需頻率轉移函數將來自呈現器產生的適應性音頻信號中之高度聲音成分之直接聲音成分濾波。
各實施例又係進一步有關使用將來自音訊播放系統中之高度聲音成分之直接聲音成分濾波之頻率轉移函數而將反射聲音內容的呈現及播放最佳化的揚聲器、電路、及轉換器設計之製造及使用或部署方法。
援引加入
本發明特此引用本說明書中提及的每一公告、專利、及/或專利申請案之全文以供參照，且參照之 程度如同特別且個別地指出引用每一個別的公告及/或專利申請案以供參照。
106‧‧‧聆聽位置
108‧‧‧聲波
102‧‧‧天花板
104‧‧‧特定點
112，407，714，1020‧‧‧向前發聲揚聲器
110，408，418，504，712‧‧‧向上發聲揚聲器
602‧‧‧揚聲器箱體
206，606‧‧‧向前發聲驅動器
204，604，1002，1004，1606‧‧‧向上發聲驅動器
202‧‧‧揚聲器音箱
302‧‧‧平均濾波器響應
400，410，700‧‧‧系統
402‧‧‧適應性音訊處理器
406，416，708‧‧‧高度濾波器
412，702，1102‧‧‧呈現器
414‧‧‧放大器
502，828，8008，1108，1204‧‧‧虛擬高度濾波器
608‧‧‧角度
610‧‧‧傳輸軸
706，802，821‧‧‧分頻電路
804，824，8006，8014‧‧‧高通濾波器
806，825，8004，8016‧‧‧低通濾波器
807，830，8010，8018‧‧‧高頻驅動器
808，832，8020‧‧‧低頻驅動器
820，1400‧‧‧電路
826‧‧‧旁路開關
822‧‧‧位置資訊
902‧‧‧截止頻率
904，906，202，1204，1422，1424，1522，1524‧‧‧頻率響應曲線
908‧‧‧虛擬高度濾波器曲線
1001，1010，1702‧‧‧揚聲器
8012‧‧‧向前發聲揚聲器分頻電路
8002‧‧‧虛擬上方揚聲器分頻電路
8007‧‧‧組件
1106‧‧‧虛擬上方揚聲器
1104‧‧‧房間修正
1105‧‧‧偵測/校準組件
1600‧‧‧揚聲器系統
1602‧‧‧高音驅動器
1604‧‧‧低音驅動器
1610‧‧‧吸音泡沫塑料
1700‧‧‧聆聽環境
1802‧‧‧線性曲線
1804‧‧‧高度提示信號轉移曲線
在下列的圖式中，相像的參考編號將被用於參照到相像的元件。雖然下列圖式示出各種例子，但是該一或多個實施例不限於該等圖式中示出的例子。
第1圖示出使用反射聲音模擬一聆聽環境中之高架揚聲器的一向上發聲驅動器之使用。
第2圖示出在在一實施例下之一整合式虛擬上方及向前發聲揚聲器。
第3圖是在一實施例下而自一定向聽覺模型推導的一虛擬高度濾波器的振幅響應之一圖。
第4A圖示出在一實施例之下被加入作為具有一向上發聲驅動器的一揚聲器單元的一部分之一虛擬高度濾波器。
第4B圖示出在一實施例下被加入作為用於驅動一向上發聲驅動器的一呈現單元的一部分之一虛擬高度濾波器。
第5圖示出在一實施例下接收位置資訊及旁路信號之一高度濾波器。
第6圖示出在一實施例下而被用於一虛擬上方揚聲器的一向上發聲驅動器之一傾斜角。
第7圖示出在一實施例下而包含分頻電路之 一虛擬高度濾波器系統。
第8A圖是在一實施例下而配合諸如一虛擬高度濾波器使用的兩頻帶分頻濾波器之一高階電路圖。
第8B圖示出在一實施例下而在高通濾波路徑中實施虛擬高度濾波的二頻帶分頻電路。
第8C圖示出在一實施例下而合併向上發聲及向前發聲揚聲器分頻濾波器網路以便配合不同的高頻驅動器使用之一分頻電路。
第9圖示出在一實施例下的第8圖所示二頻帶分頻電路之頻率響應。
第10圖示出在一實施例下而配合一虛擬高度濾波器使用之各種不同的向上發聲以及直接或向前發聲揚聲器組態。
第11圖是在一實施例下而包含房間修正及虛擬上方揚聲器偵測能力的一虛擬高度呈現系統之一方塊圖。
第12圖是顯示在一實施例下而用於校準的預強調濾波的效果之一圖。
第13圖是在一實施例下而在一適應性音頻系統中執行虛擬高度濾波的一方法之一流程圖。
第14A圖是在一實施例下的一類比虛擬高度濾波器電路之一電路圖。
第14B圖示出第14A圖的電路之一例示頻率響應曲線以及一所需響應曲線。
第15A圖示出在一實施例下的一虛擬高度濾波器的一數位實施例之例示係數值。
第15B圖示出第15A圖的濾波器之一例示頻率響應曲線以及一所需響應曲線。
第16圖示出在一實施例下而在一整合式箱體中整合直接及向上發聲驅動器之一揚聲器。
第17圖示出一聆聽環境內之具有向上發聲驅動器及虛擬高度濾波器組件的揚聲器之一例示置放。
第18圖示出在一實施例下而被用於特定高度轉換器設計之一高度提示信號濾波器轉移函數。
本發明說明了用於經由向上發聲揚聲器而呈現適應性音頻系統的反射信號之適應性音頻系統之系統及方法，該等向上發聲揚聲器包含使用反射信號重現頭上聲音物件而呈現基於物件之音訊內容之一些虛擬高度濾波器電路，且提供虛擬高度提示信號。可在一影音(Audio-Visual；簡稱AV)系統中實施本發明所述的一或多個實施例之各觀點，該AV系統處理包含用於執行軟體指令的一或多個電腦或處理裝置的一混音、呈現、及播放系統中之來源音頻資訊。可單獨使用或以任何組合之方式相互配合使用該等所述實施例之任何實施例。雖然可能在本說明書的一或多個段落中述及或提到之先前技術的各種缺點可能啟發了各實施例，但是各實施例不必然解決這些缺點中 之任何缺點。換言之，不同的實施例可能解決本說明書中可能述及之不同的缺點。某些實施例可能只部分地解決可能在本說明書中述及的某些缺點、或只是一個缺點，且某些實施例可能不解決這些缺點中之任何缺點。
為了本發明之說明，下列的術語具有相關聯的意義：術語"聲道"意指音頻信號加上位置被編碼為諸如前左或上右環繞聲等的聲道識別碼之元資料；"基於聲道之音訊"是針對經由具有諸如5.1及7.1等的相關標稱位置的一組預定揚聲器區的播放而格式化之音訊；術語"物件"或"基於物件之音訊"意指具有諸如音源位置(例如，3D座標)及音源寬度等的參數音源描述之一或多個聲道；"適應性音訊"意指基於聲道及/或基於物件之音頻信號加上根據播放環境而呈現音頻信號之元資料，且呈現時係使用音訊流加上位置被編碼為空間中之3D位置的元資料；且"聆聽環境"意指開放區、部分封閉區、或完全封閉區，例如，可被用於播放單獨之音訊內容或具有視訊或其他內容之音訊內容而且可在家庭、電影院、劇場、禮堂、錄音室、及遊戲機等的場所實施之房間。此類區域可具有被配置在其中且可直接或擴散地反射聲波之諸如牆壁或障板(baffle)等的一或多個表面。
各實施例係有關一種反射聲音呈現系統，該反射聲音呈現系統被配置成配合一聲音格式及可被稱為"空間音頻系統"或"適應性音頻系統"之處理系統而工作，且該處理系統係基於可實現增強的聽眾沈浸程度、較大的 藝術控制、以及系統彈性及擴充性之一音訊格式及重現技術。一整體適應性音頻系統通常包含被配置成產生含有傳統的基於聲道之音訊元素及音頻物件編碼元素的一或多個位元流之一音訊編碼、散佈、及解碼系統。此種結合式方法提供了比個別採用基於聲道或基於物件之方法時更高的編碼效率及呈現彈性。於2012年4月20日提出申請的美國臨時專利申請案61/636,429 "System and Method for Adaptive Audio Signal Generation,Coding and Rendering"中述及了可配合本發明實施例而使用的一種適應性音頻系統之一例子，本發明特此引用該專利申請案以供參照，且該專利申請案被附加到本說明書作為附錄1。
一般而言，可將音頻物件視為可感知自聆聽環境中之一或多個特定實體位置發出的音素(sound element)群組。這些物件可以是靜態的(不動的)或動態的(移動的)。用來界定聲音在特定時點上的位置且具有其他功能之元資料控制音頻物件。當物件被播放時，並不是必然將該等物件輸出到預定的實體聲道，而是根據該位置元資料而使用存在的揚聲器呈現該等物件。
適應性音頻系統及相關聯的音訊格式之一例示實施方式是Dolby®AtmosTM平台。該系統加入了可被實施為9.1環繞聲系統或類似的環繞聲組態(例如，11.1、13.1、或19.4等的組態)之一高度(上/下)維度。9.1環繞聲系統可包含在地板面(floor plane)上的五個揚聲器、以及在高度面(height plane)上的四個揚聲器。一般 而言，這些揚聲器可被用來在聆聽環境內大致精確地產生被設計成自任何位置發出之聲音。在典型的商用或專業實施例中，通常以吸頂揚聲器(ceiling mounted speaker)或被安裝在觀眾之上的牆壁高處的揚聲器(例如，通常在電影院中看到的安裝方式)之方式提供在該高度面上的揚聲器。這些揚聲器針對意圖在聆聽者之上被聽到的信號而提供高度提示信號，其方式為自頭上位置將聲波直接向下傳輸到聆聽者。
虛擬上方揚聲器系統
在諸如典型家庭環境等的許多情形中，無法使用或現實上無法安裝高架的吸頂揚聲器。在此種情形中，必須以落地揚聲器在低壁掛式揚聲器提供該高度維度。在一實施例中，由藉由自天花板反射聲音而模擬上方揚聲器之向上發聲揚聲器提供該高度維度。在一適應性音頻系統中，以呈現器實施某些虛擬化技術，而經由這些向上發聲揚聲器重現頭上音訊內容，且該等揚聲器使用與應使哪些音頻物件呈現在標準水平面之上有關的特定資訊，而相應地導引音頻信號。
為了說明之用，術語"驅動器"意指一種回應電氣音頻輸入信號而產生聲音之單一電聲轉換器(electroacoustic transducer)。可以任何適當的類型、幾何形狀、及尺寸實施驅動器，且該驅動器可包括號角、紙盆、絲帶(ribbon)轉換器等的驅動器。術語"揚聲器"意 指單一音箱中之一或多個驅動器，且術語"箱體"("cabinet")或"外殼"("housing")意指包封一或多個驅動器之該單一音箱。
第1圖示出使用反射聲音模擬一或多個高架揚聲器的一向上發聲驅動器之使用。圖100示出一聆聽位置106被設置在一聆聽環境內之一特定地區之一例子。該系統不包含用於傳輸含有高度提示信號的音訊內容之任何上方揚聲器。該揚聲器箱體或揚聲器陣列替代地包含一向上發聲驅動器以及一或多個向前發聲驅動器。該向上發聲驅動器被(以與位置及傾斜角有關之方式)配置成將其聲波108傳送到天花板102上的一特定點104，且該聲波自該特定點向下反射回到聆聽位置106。假定由適當的材料及成分製成該天花板，以便將聲音適當地向下反射到該聆聽環境。可根據天花板成分、房間尺寸、及該聆聽環境的其他相關特性而選擇該向上發聲驅動器的相關特性(例如，尺寸、功率、及位置等的相關特性)。
第1圖之實施例示出了該一或多個向前發聲驅動器被包封在一第一箱體112內且該向上發聲驅動器被包封在一分離的第二箱體110內之情形。被用於虛擬上方揚聲器之該向上發聲揚聲器110通常被放置在該向前發聲揚聲器112的頂部，但是其他的方位也是可能的。請注意，可組合地使用任何數目的向上發聲驅動器，以便創造多個模擬上方揚聲器。或者，可將任何數目的向上發聲驅動器配置成將聲音傳輸到天花板上實質上相同的點，以便 實現某一聲音強度或效果。
第2圖示出在相同箱體中提供一或多個向上發聲驅動器及一或多個向前發聲驅動器之一實施例。如第2圖所示，揚聲器箱體202包含向前發聲驅動器206及向上發聲驅動器204。雖然第1圖及第2圖只示出一個向上發聲驅動器，但是在某些實施例中，可將多個向上發聲驅動器加入一重現系統。對於第1及2圖之實施例而言，請注意：該等驅動器可根據所需之頻率響應特性以及諸如尺寸、額定功率(power rating)、及組件成本等的相關限制而是認適當的形狀、尺寸、及類型。
如第1及2圖所示，該等向上發聲驅動器被定位成使其在一角度下將聲音投射到天花板，然後可自天花板向下反射回到一聆聽者。可根據聆聽環境特性及系統要求而設定該傾斜角。例如，可使向上驅動器204向上傾斜20度到60度，且可將向上驅動器204定位在揚聲器音箱202中之前發聲驅動器206之上，以便將與自前發聲驅動器206產生的聲波間之干擾最小化。可在一固定角度下安裝向上發聲驅動器204，或者可將向上發聲驅動器204安裝成使傾斜角可被以手動方式調整。或者，可將一伺服機構用來進行該向上發聲驅動器的傾斜角及投射方向的自動或電氣控制。對於諸如環境聲音(ambient sound)等的某些聲音而言，可將該向上發聲驅動器定位成自揚聲器音箱202的上表面垂直向上，而創造可被稱為"頂部發聲"驅動器之驅動器。在此種情形中，根據天花板的聲音特性， 聲音的很大成分可被向下反射回到該揚聲器。然而，在大部分的情形中，通常將某一傾斜角用來協助使聲音自天花板經由反射而投射到聆聽環境內之一不同的或更多的中央位置。
在一實施例中，該適應性音頻系統將向上發聲驅動器用於提供頭上音頻物件之高度元素。利用對第1及2圖所示的自上方反射的聲音之感知，而實現上述目的。然而，實際上，聲音並不以一種完全定向之方式自向上發聲驅動器沿著反射路徑發射。來自該向上發聲驅動器的某些聲音將沿著自該驅動器至聆聽者的一條路徑直接行進，因而減少了對來自該反射位置的聲音之感知。與所需反射聲音比較下的該不想要的直接聲音之量通常是該一或多個向上發聲驅動器的指向性型樣(directivity pattern)之一函數。為了補償該不想要的直接聲音，已證明加入聲音處理而將高度提示信號導入被饋入該等向上發聲驅動器之音頻信號將改善虛擬上方信號的定位及感知品質。例如，已開發出一種用於創造虛擬高度濾波器之定向聽覺模型，而當使將該定向聽覺模型用於處理向上發聲驅動器重現的音訊時，將改善重現的感知品質。在一實施例中，自與聆聽位置相關的實體揚聲器位置(大約為聆聽者之高度)及反射揚聲器位置(在聆聽者之上)推導出該虛擬高度濾波器。對於該實體揚聲器位置而言，根據自該揚聲器位置直接行進到該聆聽位置上的聆聽者的耳朵的聲音之一模型，決定一第一方向濾波器。可自諸如頭部相關轉移函 數(Head Related Transfer Function；簡稱HRTF)量測資料庫、參數雙耳聽覺模型(parametric binaural hearing model)、耳廓模型(pinna model)、或利用可協助感知高度的提示信號之其他類似之轉移函數模型等的一定向聽覺模型推導出該濾波器。雖然考慮到耳廓模型的模型因其有助於界定感知高度的方式而通常是有用的，但是該濾波函數並不意圖隔離耳廓效應(pinna effect)，而是處理一方向與另一方向間之聲音位準(sound level)比率，且該耳廓模型是可使用的一個此類雙耳聽覺模型中之一例子，但是也可使用其他的模型。
然後決定該濾波器的一逆濾波器，且將該逆濾波器用於去除沿著直接自該實體揚聲器位置至該聆聽者的一路徑行進的聲音之定向提示信號。然後，對該反射揚聲器位置而言，根據直接自該反射揚聲器位置至相同聆聽位置上的聆聽者耳朵行進的聲音之一模型，使用相同的定向聽覺模型決定一第二方向濾波器。直接施加該濾波器，而本質上提供了猶如正自該聆聽者之上的該反射揚聲器位置發射聲音的耳朵將聽到之定向提示信號。實際上，可以一種可使單一濾波器既可至少部分地去除來自該實體揚聲器位置的定向提示信號且又可至少部分地插入來自該反射揚聲器位置的定向提示信號之方式合併這些濾波器。該單一濾波器提供了在本發明中被稱為"高度濾波器轉移函數"、"虛擬高度濾波器響應曲線"、"所需頻率轉移函數"、"高度提示信號響應曲線"、或用於描述對來自一音訊播放 系統中之高度聲音成分的直接聲音成分進行濾波的一濾波器或濾波器響應曲線的類似詞語之一頻率響應曲線。
關於該第一模型，如果P1代表將來自該實體揚聲器位置的聲音傳輸模型化的該第一濾波器的以分貝表示之頻率響應，且P2代表將來自該反射揚聲器位置的聲音傳輸模型化的該第二濾波器的以分貝表示之頻率響應，則可將以分貝表示的該虛擬高度濾波器的總響應PT表示為：PT=α(P2-P1)，其中α是控制該濾波器的強度之一比例因數(scaling factor)。當α=1時，最大地施加該濾波器；且當α=0時，該濾波器不執行任何處理(0分貝的響應)。實際上，根據反射聲音至直接聲音的相對平衡而將α設定為0與1間之某一值(例如，α=0.5)。當直接聲音的位準相較於反射聲音增加時，應相應地增加α，以便將反射揚聲器位置的定向提示信號更完全地提供給該不想要的直接聲音路徑。然而，不應使α大到損及沿著已經含有適當的定向提示信號的反射路徑行進的音訊之感知音色。實際上，已發現α=0.5的值與一向上發聲組態中之標準揚聲器驅動器的指向性型樣配合良好地運作。一般而言，濾波器P1及P2的確切值將是與聆聽者相關的實體揚聲器位置的方位(azimuth)及反射揚聲器位置的高度(elevation)之一函數。該高度又是該實體揚聲器位置離開該聆聽者的距離以及天花板高度與揚聲器高度(假定該聆聽者的頭部是在該揚聲器的相同高度)間之差異之一函數。
第3圖示出自基於對一大組物件計算平均值的一HRTF響應資料庫的一定向聽覺模型推導的α=1時之虛擬高度濾波器響應PT。黑線303代表對應於合理的揚聲器距離及天花板高度的一方位角(azimuth angle)範圍及一仰角(elevation angle)範圍計算之該濾波器PT。檢視PT的這些實例時，首先注意到：每一濾波器的變化之大部分發生在高於4千赫的較高頻率。此外，每一濾波器在大約7千赫的位置上呈現一峰值(peak)，且在大約12千赫的位置上呈現一陷波(notch)。峰值及陷波的確切位準在各響應曲線之間有幾分貝的變化。在該組響應間之峰值及陷波位置的此種非常一致之情形下，已發現：灰色粗線所示的一單一平均濾波器響應302可被用來作為大多數合理的實體揚聲器位置及房間尺寸之一通用高度提示信號濾波器。在在發現下，可針對一虛擬上方揚聲器而設計一單一濾波器PT，且不需要知道確切的揚聲器位置及房間尺寸即可得到合理的性能。例如，對於較佳的性能而言，可能要將此種確切的揚聲器位置及房間尺寸之知識用來該濾波器PT設定為第3圖中對應於特定揚聲器位置及房間尺寸的該等特定黑色曲線中之一黑色曲線。
用於虛擬高度呈現的該虛擬高度濾波器之典型用途是先由顯出第3圖所示該等振幅響應(magnitude response)中之一振幅響應(例如，平均曲線302)的一濾波器預先處理音訊，然後經由該向上發聲虛擬上方揚聲器播放該音訊。可以該揚聲器單元的一部分之方式提供該 濾波器，或者該濾波器可以是該呈現器、放大器、或其他中間音訊處理組件的一部分之方式提供的一分離組件。第4A圖示出在一實施例之下被加入作為具有一向上發聲驅動器的一揚聲器單元的一部分之一虛擬高度濾波器。如第4A圖之系統400所示，一適應性音訊處理器402輸出含有分離的高度聲音成分及直接聲音成分之音頻信號。該等高度聲音成分是要經由向上發聲揚聲器408播放，且該直接聲音成分是要經由一直接或向前發聲揚聲器407播放。該等信號成分在頻率內容或音訊內容上不必然是不同的，而是可替代地根據音頻物件或信號中存在的高度提示信號而差異化。對於第4A圖之實施例而言，一高度濾波器406被包含在向上發聲揚聲器408內，或以其他方式與向上發聲揚聲器408相關聯。高度濾波器406藉由將可感知高度提示信號提供到該高度信號以改善虛擬信號的定位及感知品質，而補償該高度信號中可能存在之不想要的直接聲音成分。該高度濾波器可加入第3圖所示之該參考曲線。
在一替代實施例中，可先在呈現設備中進行虛擬高度濾波器預先處理，然後才輸入到一揚聲器放大器(例如，一AV收音擴大機或前級放大器)。第4B圖示出在一實施例下被加入作為用於驅動一向上發聲驅動器的一呈現單元的一部分之一虛擬高度濾波器。如第4B圖的系統410所示，呈現器412經由放大器414輸出分離的高度及直接信號，而分別驅動向上發聲揚聲器418及直接揚 聲器417。如前文中以與第4A圖有關之方式所述的，呈現器412內之一高度濾波器406經由一陷波濾波器(notch filter)(例如，參考曲線302)將直接聲音補償提供給向上發聲揚聲器418。此種方式可將高度濾波器功能提供給沒有任何內建的虛擬高度濾波之揚聲器。
在一實施例中，將某些位置資訊以及用來啟用或停用揚聲器系統內的虛擬高度濾波器之一旁路信號提供給該高度濾波器。第5圖示出在一實施例下接收位置資訊及旁路信號之一高度濾波器。如第5圖所示，將位置資訊提供給耦合到向上發聲揚聲器504之虛擬高度濾波器502。該位置資訊可包括被用於自第3圖所示的該等虛擬高度濾波器響應中選擇適當的虛擬高度濾波器響應之揚聲器位置及房間尺寸。此外，如果可經由自動或手動的方式調整聲揚聲器504之傾斜角，則該位置資料可被用於改變該傾斜角。大部分情形中之典型且有效的角度是大約20度。第6圖示出在一實施例下而被用於一虛擬上方揚聲器的一向上發聲驅動器之一傾斜角。如圖600所示，揚聲器箱體602包含一或多個向前發聲驅動器606及向上發聲驅動器604。該向上發聲驅動器被定位成相對於界定向前發聲驅動器606的傳輸軸610之地平面或水平面成一角度608。第6圖示出角度等於20度的一例示情形。然而，如前文所述，理想上應將該角度設定成將聆聽位置上的反射聲音與直接聲音比率最大化。如果已知該向上發聲揚聲器之指向性型樣，則在已知確切的揚聲器距離及天花板高度 之情形下可計算出該最佳角度，且如果可諸如經由一鉸鏈箱體或伺服控制配置等的以與向前發聲驅動器606有關之方式移動向上發聲驅動器604，則可調整角度608。根據控制電路的實施方式(例如，類比式、數位式、或機電式)，可經由電氣信號傳送方法、機電裝置、或其他類似的機制提供該位置資訊。
在某些情形中，經由手動或自動方式進一步調整該傾斜角時，可能需要與聆聽環境有關的額外資訊。該額外資訊可包括該天花板極為吸音或非常高之情形。在此類情形中，沿著反射路徑行進之聲音的量可被削弱，且因而可能最好是使該驅動器進一步向前傾斜，而增加來自該驅動器之直接路徑聲音的量，以便提高重現效率。如前文所述，當該直接路徑成分增加時，此時需要增加濾波器比例參數α。因此，可以可變傾斜角以及與直接聲音比率有關的其他變數的一函數之方式自動設定該濾波器比例參數α。對於第6圖之實施例而言，虛擬高度濾波器502也接收一旁路信號，該旁路信號可在不需要虛擬高度濾波時自電路中斷開該濾波器。
如第4A及4B圖所示，該呈現器將分離的高度及直接信號直接輸出到各別的向上發聲及直接揚聲器。或者，該呈現器可輸出單一音頻信號，且一分立式分離或分頻電路將該單一音頻信號分成高度及直接成分。在此種情形中，自該呈現器輸出的音訊將被一分離電路分成其組成之高度及直接成分。在某些情形中，該高度及直接成分 不是頻率相依，且一外部分離電路被用於將音訊分成高度及直接聲音成分且將這些信號傳送到適當的各別驅動器，其中虛擬高度濾波將被施加到該向上發聲揚聲器信號。
然而，在大部分常見情形中，該高度及直接成分可能是頻率相依的，且該分離電路包含分頻電路，用以將該全頻寬信號分成低頻及高頻(或帶通)成分，以便傳輸到適當的驅動器。這通常是最適用之情形，這是因為高度提示信號通常不是在低頻信號而是在高頻信號中更為普遍，且在該應用中，可配合虛擬高度濾波器組件使用一分頻電路，或將該分頻電路整合在該虛擬高度濾波器組件，以便將高頻信號傳送到該一或多個向上發聲驅動器，且將較低頻信號傳送到該一或多個直接發聲驅動器。第7圖示出在一實施例下而包含分頻電路之一虛擬高度濾波器系統。如系統700所示，自呈現器702經由一放大器(圖中未示出)之輸出是一全頻寬信號，且一虛擬高度揚聲器濾波器708被用於將所需之高度濾波器轉移函數提供給被傳送到向上發聲揚聲器712之信號。一分頻電路706將來自呈現器702之該全頻寬信號分成高頻(上方)及低頻(直接)成分，以便傳輸到適當的揚聲器712(向上發聲)及714(直接)。可將分頻電路706與高度濾波器708整合，或使分頻電路706與高度濾波器708分離，且可在該信號處理鍊內之任何位置上提供這些分離的或合併的電路，例如，在該呈現器與揚聲器系統之間提供這些電路(如圖所示)，以該鍊中之一放大器或前級放大器的一 部分之方式提供這些電路，在該揚聲器系統本身之內提供這些電路，或以被緊密耦合到呈現器702或被整合到呈現器702內之組件之方式提供這些電路。可在該虛擬高度濾波功能之前或之後實施該分頻功能。
分頻電路通常將音訊分成兩個或三個頻帶，而來自不同頻帶的濾波音訊被傳送到揚聲器內之適當的驅動器。例如，在兩頻帶分頻中，較低頻率被傳送到能夠忠實重現低頻的較大驅動器(例如，低音驅動器/中音驅動器)，且較高頻率通常被傳送到更能夠忠實重現較高頻率的較小之轉換器(例如，高音驅動器)。第8A圖是在一實施例下而配合諸如第7圖所示的一虛擬高度濾波器而使用的兩頻帶分頻濾波器之一高階電路圖。請參閱圖800，被輸入到分頻電路802之一音頻信號被傳送到一高通濾波器804及一低通濾波器806。以用於界定分頻點(crossover point)的一特定截止頻率(cut-off frequency)設定或編程該分頻電路802。該頻率可以是靜態的，或者該頻率可以是可變的(亦即，經由一類比實施例中之一可變電阻電路或一數位實施例中之一可變分頻參數)。高通濾波器804切除低頻信號(低於該截止頻率的那些頻率)，且將高頻成分傳送到高頻驅動器807。同樣地，低通濾波器806切除高頻率(高於該截止頻率的那些頻率)，且將低頻成分傳送到低頻驅動器808。三路分頻功能以類似之方式運作，但是不同之處在於：有兩個分頻點及三個帶通濾波器，用以將輸入的音頻信號分成三個頻 帶，以便傳輸到諸如高音驅動器、中音驅動器、及低音驅動器等的三個各別的驅動器。
可使用習知的類比組件(例如，電容、電感、及電阻等的類比組件)及習知的電路設計將分頻電路802實施為一類比電路。或者，可使用數位信號處理器(Digital Signal Processor；簡稱DSP)組件、邏輯閘、可程式陣列、或其他數位電路將分頻電路802實施為一數位電路。
第8A圖所示之分頻電路可被用於實施諸如第7圖之虛擬高度濾波器708等的虛擬高度濾波器之至少一部分。如第3圖所示，大部分的虛擬高度濾波發生高於4千赫的頻率，這些頻率高於許多二路分頻電路之截止頻率。第8B圖示出在一實施例下而在高通濾波路徑中實施虛擬高度濾波的二頻帶分頻電路。如圖820所示，分頻電路821包含低通濾波器825及高通濾波器824。該高通濾波器是包含一虛擬高度濾波器組件828的一電路820之一部分。該虛擬高度濾波器先將諸如曲線302等的所需高度濾波器響應施加到該高通濾波信號，然後才傳輸到高頻驅動器830。
可提供一旁路開關826，用以讓該系統或使用者在校準或設置期間可跳過該虛擬高度濾波器電路，使其他音頻信號程序可在不干擾該虛擬高度濾波器的情形下操作。開關826可以是該揚聲器或該濾波器電路所在的呈現組件上提供的一使用者手動操作之撥動開關，或者開關 826可以是受軟體控制之一電子開關，或者可以是任何其他適當類型的開關。亦可將位置資訊822提供給虛擬高度濾波器828。
第8B圖之實施例示出一種配合一分頻電路的高通濾波器級而使用之虛擬高度濾波器。請注意，在一替代實施例中，可配合低通濾波器而使用一虛擬高度濾波器，使較低頻帶亦可被修改，以便模擬第3圖所示該響應之較低頻率。然而，在大部分的實際應用中，根據低頻範圍中出現的最小高度提示信號的分頻電路可能是過於複雜的。
第9圖示出在一實施例下的第8B圖所示二頻帶分頻電路之頻率響應。如圖900所示，該分頻電路具有一截止頻率902，而產生了切除高於該截止頻率902的頻率之低通濾波器之一頻率響應曲線904、以及切除低於該截止頻率902的頻率之高通濾波器之一頻率響應曲線906。當該虛擬高度濾波器被施加到該高通濾波器級之後的音頻信號時，虛擬高度濾波器曲線908被重疊到高通濾波器曲線906上。
第8B圖所示之該分頻電路實施例假定使用兩個驅動器實施該向上發聲虛擬上方揚聲器，該等兩個驅動器中之一驅動器係用於低頻，且另一驅動器係用於高頻。然而，該組態在大部分的情況下可能不是理想的。向上發聲揚聲器的特定且受控制之指向性對於有效的虛擬化經常是關鍵性的。例如，單一轉換器之揚聲器在實施該虛擬上 方揚聲器時通常是更有效的。此外，較小的單一轉換器(例如，直徑為3英寸的單一轉換器)是較佳的，這是因為此種轉換器在較高頻率下有更佳的指向性，且比較大的轉換器更為實惠。
在一實施例中，該向上發聲揚聲器可包含一對或一陣列的具有不同尺寸及/或特性之兩個或更多個揚聲器。第10圖示出在一實施例下而配合一虛擬高度濾波器而使用之各種不同的向上發聲以及直接或向前發聲揚聲器組態。如第10圖所示，一向上發聲揚聲器可包含被安中在相同的箱體1001內且以相同的角度向上發聲之兩個驅動器1002及1004。根據應用需求，該等驅動器可具有相同的組態，或者該等驅動器可具有不同的組態(尺寸、功率、頻率響應等的組態)。向上發聲(Upward Firing；簡稱UF)音頻信號被傳輸到該揚聲器1001，且可將內部處理用來將適當的音訊傳送到驅動器1002及1004中之一者或兩者。在一替代實施例中，如揚聲器1010所示，可將該等向上發聲驅動器中之一驅動器(例如，1004)之角度配置成與另一驅動器之角度不同。在此種情形中，向上發聲驅動器1004被導向自箱體1010實質上向前發聲。請注意，可為驅動器1002及1004中之一者或兩者選擇任何適當的角度，且該揚聲器組態可包括任何適當數目之各種類型(例如，紙盆、絲帶、號角等的類型)的驅動器或驅動器陣列。在一實施例中，可將向上發聲揚聲器1001及1002安裝在一向前發聲或直接發聲揚聲器1020上，該向 前發聲揚聲器1020包含一或多個自該主要箱體向外直接傳輸聲音之驅動器1020。該揚聲器接收與向上發聲音頻信號分離的主要音頻輸入信號。
第8C圖示出在一實施例下而合併向上發聲及向前發聲揚聲器分頻濾波器網路以便配合諸如第10圖所示之不同的高頻驅動器而使用之一分頻電路。圖8000示出將各別的分頻電路提供給向前發聲揚聲器及虛擬上方揚聲器之一實施例。向前發聲揚聲器分頻電路8012包含饋入低頻驅動器8020之一低通濾波器8016、以及饋入高頻驅動器8018之一高通濾波器8014。虛擬上方揚聲器分頻電路8002包含一低通濾波器8004，該低通濾波器8004經由與分頻電路8012中之低通濾波器8016的輸出合併而也饋入低頻驅動器8020。虛擬上方揚聲器分頻電路8002包含一高通濾波器8006，該高通濾波器8006加入了虛擬高度濾波器功能8008。該組件8007之輸出饋入高頻驅動器8010。驅動器8010是一向上發聲驅動器，且通常比向前發聲低頻驅動器8020小，且是具有與低頻驅動器8020可能不同的成分之驅動器。舉例而言，可將向前發聲低頻驅動器8020之有效頻率範圍設定為自40赫至2千赫，可將向前發聲高頻驅動器8018之有效頻率範圍設定為自2千赫至20千赫，且可將向上發聲高頻驅動器8010之有效頻率範圍設定為自400赫至20千赫。
以第10圖所示之方式將向上發聲及向前發聲揚聲器之分頻網路(crossover network)合併時，有數種 好處。第一，較佳之較小的驅動器將無法有效地重現較低頻率，且實際上可能在響度(loud level)有失真。因此，執行濾波且將低頻重導向該向前發聲揚聲器的低頻驅動器時，將可讓該較小的揚聲器被用於虛擬上方揚聲器，且將導致較高的傳真。此外，研究已證明低於400赫茲的音頻信號只有很小的虛擬高度效應，因而只將較高頻率傳送到虛擬上方揚聲器1010時，將代表對該驅動器的最佳使用。
以虛擬上方揚聲器執行之房間修正
如前文所述，將虛擬高度濾波加入虛擬上方揚聲器時，將可感知的提示信號加入音頻信號，因而增加或改善了向上發聲揚聲器對高度的感知。將虛擬高度濾波技術加入揚聲器及/或呈現器時，可能需要解決由播放設備執行之其他音頻信號程序。一種此類程序是房間修正，房間修正是一種市場上可購得的AV收音擴大機(AVR)常見的程序。房間修正技術利用被放置在聆聽環境中之一麥克風量測經由具有被連接的揚聲器的一AVR播放的音頻測試信號之時間及頻率響應。測試信號及麥克風量測之目的是量測及補償諸如其中包括房間節點(空節點及峰值節點)、播放揚聲器之不理想的頻率響應、多個揚聲器與聆聽位置間之時間延遲、以及其他類似因素之房間及環境對音訊的音響效果等的幾個關鍵因素。可將自動頻率等化及/或音量補償施加到該信號，以便克服房間修正系統偵測 到的任何效應。例如，對前兩個因素而言，通常將等化用來修改經由AVR/揚聲器系統播放的音訊，以便調整該音訊的頻率響應振幅，而使房間節點(空節點及峰值節點)及揚聲器響應不準確度被修正。
如果虛擬上方揚聲器被用於該系統，且虛擬濾波被啟用，則房間修正系統可能將該虛擬高度濾波器偵測為一房間節點或揚聲器異常，且嘗試將該虛擬高度振幅響應等化為平坦。如果該虛擬高度濾波器在諸如傾斜角較高時顯現一顯著的高頻陷波，則此種嘗試的修正將特別顯著。
虛擬上方揚聲器系統之實施例包括防止房間修正系統取消虛擬高度濾波之技術及組件。第11圖是在一實施例下而包含房間修正及虛擬上方揚聲器偵測能力的一虛擬高度呈現系統之一方塊圖。如圖1100所示，一AVR或其他呈現組件1102被連接到一或多個加入了虛擬高度濾波器程序1108之虛擬上方揚聲器1106。該濾波器產生諸如第7圖所示的一頻率響應，而該頻率響應可被呈現器1102執行之房間修正1104或其他異常補償技術影響到。
在一實施例中，該房間修正補償組件包括可讓該AVR或其他呈現組件偵測到一虛擬上方揚聲器與其相連接之一組件1105。其他的偵測技術是使用一房間校準使用者介面以及用於將某種類型的揚聲器指定為虛擬或非虛擬上方揚聲器之一揚聲器定義。現有的音頻系統通常 包含詢問使用者是否要指定每一揚聲器位置上的諸如小型、中型、大型等的揚聲器大小之一介面。在一實施例中，將一虛擬上方揚聲器類型加入該定義集。因此，該系統可經由諸如小型、中型、大型、虛擬上方等的一額外之資料單元而預期虛擬上方揚聲器的存在。在一替代實施例中，虛擬上方揚聲器可包含信令硬體，用以陳述其為一虛擬上方揚聲器而不是一非虛擬上方揚聲器。在此種情形中，呈現裝置(諸如一AVR)可探測揚聲器，且尋找與任何揚聲器是否加入了虛擬高度技術有關之資訊。可經由一界定之通訊協定而提供該資料，該通訊協定可以是無線的、直接數位連接、或經由使用現有的揚聲器線或獨立的連接之一專用類比路徑。在一進一步的替代實施例中，可利用測試信號及量測程序而執行偵測，該等測試信號及量測程序被配置成或修改成：識別揚聲器中之虛擬高度濾波器的獨特頻率特性，且經由對該被量測的測試信號之分析而決定一虛擬上方揚聲器被連接。
一旦具有房間修正能力的一呈現裝置偵測到被連接到該系統的一或多個虛擬上方揚聲器的存在之後，執行一校準程序1105，以便在不會對虛擬高度濾波功能1108有不利影響之情形下正確地校準該系統。在一實施例中，可使用可讓該呈現裝置使虛擬上方揚聲器1106跳過虛擬高度濾波程序1108之一通訊協定執行校準。如果該揚聲器處於現用狀態，且可跳過該濾波，則可執行該校準。可將該旁路功能實施為使用者可選擇的一開關，或者 可將該旁路功能實施為一軟體指令(在以一DSP實施濾波器1108之情形下)，或者可將該旁路功能實施為一類比信號(在將該濾波器實施為一類比電路之情形下)。
在一替代實施例中，可使用預強調濾波(pre-emphasis filtering)執行系統校準。在該實施例中，房間修正演算法1104對其產生的測試信號執行預強調濾波，且輸出到該等揚聲器，以供用於該校準程序。第12圖是顯示在一實施例下而用於校準的預強調濾波的效果之一圖。圖1200示出一虛擬高度濾波器之一典型頻率響應1204、以及一互補的預強調濾波器頻率響應1202。該預強調濾波被施加到該房間修正程序中使用的音頻測試信號，因而經由該虛擬上方揚聲器播放時，如圖1200的較高頻率範圍中之兩條曲線1202及1204的該等互補圖形所示，抵消了濾波器的效應。在此種方式下，猶如使用正常的非虛擬上方揚聲器一般，將施加校準。
在又一進一步的替代實施例中，可將該虛擬高度濾波器響應加入該校準系統之目標響應，而執行校準。
在這兩種情形(預強調濾波、或目標響應的修改)的任一種情形中，可將被用來修改該校準程序之該虛擬高度濾波器選擇成恰好匹配該揚聲器中使用的濾波器。然而，如果在該揚聲器之內使用的該虛擬高度濾波器是不以揚聲器位置及房間尺寸的一函數之方式修改之諸如曲線302等的一通用濾波器，則該校準系統可在該系統可 得知該實際位置及尺寸的資訊之情形下，替代地選擇對應於該資訊之一虛擬高度濾波器響應。在此種方式下，該校準系統施加了等同於更精確的位置相依之虛擬高度濾波器響應與該揚聲器中使用的該通用響應間之差異之一修正。在該混合式系統中，該揚聲器中之固定式濾波器提供了良好的虛擬高度效應，且AVR中之該校準系統利用對聆聽環境更多知識進一步完善了該效應。
第13圖是在一實施例下而在一適應性音頻系統中執行虛擬高度濾波的一方法之一流程圖。第13圖之程序示出第11圖所示的該等組件執行之功能。程序1300開始時在行動1302中將一或多個測試信號傳送到具有內建的虛擬高度濾波之虛擬上方揚聲器。該內建的虛擬高度濾波產生諸如第7圖所示的一頻率響應曲線，而該頻率響應曲線可被視為將被任何房間修正程序修正之異常。在行動1304中，該系統偵測到該等虛擬上方揚聲器的存在，因而可在行動1306中修改或補償由於房間修正方法的施加所造成之任何修改，而可執行該等虛擬上方揚聲器的虛擬高度濾波之操作。
如前文所述且如第4A-B及7圖所示，可以一揚聲器自己實施該虛擬高度濾波器，或以將輸入音頻分成高頻帶及低頻帶之一分頻電路實施該虛擬高度濾波器，或以該分頻電路的一部分之方式實施該虛擬高度濾波器，或以更與該分頻電路設計相依之方式實施該虛擬高度濾波器。可將這些電路中之任何電路實施為一數位DSP電 路、或實施有限脈衝響應(Finite Impulse Response；簡稱FIR)或無限脈衝響應(Infinite Impulse Response；簡稱IIR)而近似諸如第3圖所示的虛擬高度濾波器曲線之其他電路。可將該分頻電路、分離電路、及/或虛擬高度濾波器中之任一者實施為被動或主動電路，其中主動電路需要獨立的電源以供運作，且被動電路使用其他系統組件或信號提供之電力。
對於提供高度濾波器或分頻電路作為一揚聲器系統(箱體加上驅動器)的一部分之一實施例而言，可以一類比電路實施該組件。第14A圖是在一實施例下的一類比虛擬高度濾波器電路之一電路圖。電路1400包含一虛擬高度濾波器，該虛擬高度濾波器包含一些類比組件的連接，該等類比組件針對具有至18千赫的標稱平坦響應3英寸6歐姆揚聲器而具有被選擇成近似具有比例參數α=0.5的等同於曲線302之值。第14B圖中將該電路之頻率響應示出為一黑色曲線1422、以及灰色的所需曲線1424。第14圖之該例示電路1400只是為了代表虛擬高度濾波器電路的可能電路設計或布局之一例子，且其他的設計也是可能的。
第15A圖示出採用DSP或主動電路的一主動式揚聲器(powered speaker)中使用之高度提示信號濾波器之一數位實施方式。該濾波器被實施為具有針對48千赫的抽樣率而選擇的係數之四階IIR濾波器。可利用熟悉此項技術者習知的方式將該濾波器替代地轉換為一等效主 動式類比電路。第15B圖示出該濾波器之一例示頻率響應曲線1524、以及一所需響應曲線1522。
揚聲器規格
針對家庭劇院(home theater)或類似聆聽環境實施虛擬高度濾波的適應性音頻系統中使用之揚聲器可使用基於現有環繞聲組態(例如，5.1、7.1、9.1等的組態)之一組態。在此種情形中，根據習知的環繞聲規範而提供且界定一些驅動器，且針對向上發聲聲音組件而提供額外的驅動器及定義。
如第10圖所示，可以單一箱體中之不同的獨立驅動器單元及驅動器組合之各種不同的組態包裝向上發聲及直接驅動器。第16圖示出在一實施例下而用於利用虛擬高度濾波的反射聲音應用之向上發聲及直接發聲揚聲器之組態。在揚聲器系統1600中，一箱體含有一些直接發聲驅動器，該等直接發聲驅動器包含低音驅動器1604及高音驅動器1602。一向上發聲驅動器1606被配置成自該箱體的頂部傳輸信號，以便自聆聽房間的天花板反射。如前文所述，可將傾斜角設定為諸如20度等的任何適當角度，且驅動器1606可以與該傾斜角關之方式手動地或自動地移動。吸音泡沫塑料1610或任何類似的阻擋材料可被包含在該向上發聲驅動器口，以便使該驅動器在聲音上與該揚聲器系統的其餘部分隔離。第16圖之組態只意圖提供一種例示，且許多其他的組態也是可能的。可根據 音訊內容、呈現系統、及聆聽環境的要求及限制而以不同的方式配置箱體尺寸、驅動器尺寸、驅動器類型、驅動器置放、及其他揚聲器設計特性。
在一典型適應性音頻環境中，一些揚聲器音箱將被包含在該聆聽環境內。第17圖示出一聆聽環境內之具有向上發聲驅動器及虛擬高度濾波器組件的揚聲器之一例示置放。如第17圖所示，聆聽環境1700包含四個個別的揚聲器1702，每一揚聲器具有至少一向前發聲、側面發聲、及向上發聲驅動器。該聆聽環境亦可包含被用於環繞聲應用之諸如中央揚聲器及重低音揚聲器(subwoofer)或低頻元件(Low-Frequency Element；簡稱LFE)等的固定驅動器。如第17圖所示，根據該聆聽環境及該等各別揚聲器單元的尺寸，該聆聽環境內之各揚聲器1702的適當置放可提供因來自該等數個向上發聲驅動器的聲音自天花板反射而產生之一豐富的音頻環境。根據音訊內容、聆聽環境尺寸、聆聽位置、聲音特性、及其他相關參數，該等揚聲器之目的在於提供自天花板面的一或多個點之反射。
如前文所述，向上發聲揚聲器的最佳角度是導致聆聽者上有最大反射能量的虛擬上方驅動器之傾斜角。在一實施例中，該角度是離開揚聲器的距離以及天花板高度之一函數。雖然天花板高度對特定房間中之所有虛擬上方驅動器通常都將是相同的，但是該等虛擬上方驅動器與聆聽者或聆聽位置106可能不是等距離的。該等虛擬 上方揚聲器可被用於諸如直接投射及環繞聲應用等的不同之功能。在此種情形中，可使用該等向上發聲驅動器之不同的傾斜角。例如，根據內容及房間狀況，環繞虛擬上方揚聲器可被設定在比前方虛擬上方驅動器淺或陡峭的角度。此外，不同的α比例因數可被用於不同的揚聲器，例如，用於環繞虛擬上方驅動器相對於用於前上方驅動器。同樣地，不同形狀的振幅響應曲線可被用於被施加到不同的揚聲器之虛擬高度模型。因此，在具有多個不同的虛擬上方揚聲器之被部署系統中，可將該等揚聲器之方位設定在不同的角度，且/或用於這些揚聲器的虛擬高度濾波器可顯現不同的濾波器曲線。
原生轉換器設計
已說明了特定電路或數位處理組件提供了適用於向上發聲驅動器的虛擬高度頻率曲線之實施例。該電路可能增加了音訊播放系統的某些量之成本及複雜度，這是不受歡迎的。在一實施例中，可將所需的虛擬高度轉移函數設計到該向上發聲驅動器的原生頻率響應中。許多揚聲器部分地具有固有的高頻誤差，這些固有的高頻誤差在揚聲器工作範圍中並未保持性，且可能類似於所需的高度濾波器轉移函數。在目前的揚聲器設計中，通常將這些誤差作小化，以便製造更線性的揚聲器。然而，可將用於改善高度提示資訊的特定非線性響應直接設計到意圖使聲音自天花板表面反射之驅動器。可修改向上發聲揚聲器的驅動器或 轉換器之某些特性及組件，以便加入諸如第18圖的圖1800中所示的特定高度提示信號轉移曲線。第18圖示出與一最佳線性化驅動器的一線性曲線1802比較下之一所需高度提示信號轉移曲線1804。曲線1804可對應於虛擬高度濾波器曲線302，或者曲線1804可以是針對一或多個向上發聲驅動器的設計而最佳化之一被修改的曲線。
修改向上發聲驅動器的某些元件而在驅動器本身原生地創造出該所需高度轉移函數1804，且該等元件可包括防塵蓋(dust cap)、防塵封(spider)、或其他元件。
在一實施例中，可修改驅動器紙盆及/或紙盆邊緣(cone edge)。可使用具有紙盆周圍上的薄條紋(band)或具有多圈不同厚度的條紋之紙盆邊緣總成。該紙盆可替代地包含使用該紙盆上的"u"或"v"形區之一鉸接部分或多個鉸接部分。該驅動器亦可利用該紙盆區中不與主要紙盆剖面正切之條紋(亦即，鋸齒狀剖面)；或者可利用與產生實質上平坦區的揚聲器前面成極小角度之紙盆外圍的一部分。或者，可將與該揚聲器的前面成極小角度的內邊緣周圍之一部分用來產生可獨立於紙盆本體而發射聲音的一實質上平坦區。亦可以與該揚聲器的前面成一極銳角的內邊緣周圍中之力臂質量大幅增加的紙盆/邊緣總成的接面上之一部分實現該實質上平坦區。該紙盆亦可使用該邊緣上之"u"或"v"形區加入一鉸接部分或多個鉸接部分；或者可加入前向與後向振幅實質上不對稱且因而在所 需頻帶上產生諧波(harmonics)之一邊緣。這些設計變化都是為了有助於為該驅動器產生所需響應曲線1804之諧波。
通常被定位在紙盆圓形中心的一防塵蓋給驅動器紙盆加蓋。該防塵蓋亦可被配置成有助於產生該所需之頻率曲線。例如，可使用具有鉸接紙盆部分或薄紙盆部分之紙盆防塵蓋總成，該鉸接紙盆部分或薄紙盆部分可讓該防塵蓋在實質上去耦合模式下在高頻振動。或者，可使該防塵蓋的形狀成為一種在所需高度頻率範圍下之有效率的輔助輻射器(radiator)。同樣地，可使用具有紙盆形風輪或其他旋轉或振動元件之防塵蓋，此種旋轉或振動元件之形狀可使其成為一種在該高度頻率範圍下之有效率的輔助輻射器。可單獨修改及使用此種防塵蓋，或配合經過修改的紙盆總成而使用此種防塵蓋。
通常以被稱為防塵封之一塑膠或金屬框架支承該紙盆。在一實施例中，可以替代或配合紙盆及/或防塵蓋使用之方式修改該防塵封。例如，可使用前向與後向振幅實質上不對稱且因而在所需頻帶上產生諧波之防塵封。
可將某些規格界定成將向上發聲驅動器最佳化。例如，該規格可界定一種加入具有不同的橫斷面形狀的紙盆之轉換器，該橫斷面形狀產生在7千赫上升5分貝且接續在12千赫下降7分貝之高頻響應，且該不同的橫斷面形狀可包含一環形部分，該環形部分產生了可讓該部 分的紙盆與紙盆本體的其餘部分成反相地振動之一鉸接部分。請注意，可單獨使用或相互配合使用對驅動器元件的所有所述之修改，以閃生所需的頻率響應曲線。
可不使用驅動器的紙盆部分，而使用其他的或額外的揚聲器組件將所需頻率曲線內建到到揚聲器。在一實施例中，獨立地使用或配合向上發聲驅動器而使用一波導(wave guide)(例如，號角、聲波透鏡(lens)等的波導)，而產生所需目標函數1804。該實施例將一波導用於藉由控制指向性而產生所需轉移函數。對於該實施例而言，以波導形狀產生該所需轉移函數本身，且/或配合被最佳化的驅動器使用波導以產生所需轉移函數。
一般而言，可將加入本發明所述的虛擬高度濾波技術之向上發聲揚聲器用於自硬天花板表面反射聲音，而模擬被設定在天花板中之高架/上方揚聲器的存在。適應性音訊內容的一引人注目之屬性在於：使用一陣列的高架揚聲器重現在空間上多變化的音訊。然而，如前文所述，在許多情形中，在家庭環境中安裝高架揚聲器是過於昂貴或是不切實際。藉由使用水平面上的正常定位揚聲器模擬上方揚聲器，可以易於定位的揚聲器產生令人信服的3D體驗。在此種情形中，適應性音頻系統正在以一種新的方式使用向上發聲/高度模擬驅動器，其中音頻物件及其空間重現資訊被用來產生由該等向上發聲驅動器重現之音訊。虛擬高度濾波組件有助於調解或最小化在與反射聲音比較下可能被直接傳輸到聆聽者的高度提示信號， 因而該等頭上反射信號適當地提供了對高度的感知。
可在用於處理數位或數位化音訊檔案之適當的基於電腦之聲音處理網路環境中實施本發明所述的該等系統之各種觀點。該適應性音頻系統的一些部分可包括一或多個網路，該一或多個網路包含任何所需數目的個別機器，其中包括被用於緩衝及傳送在該等電腦之間傳輸的資料之一或多個路由器(圖中未示出)。此種網路可被建立在各種不同的網路協定上，且可以是網際網路、廣域網路(Wide Area Network；簡稱WAN)、區域網路(Local Area Network；簡稱LAN)、或以上各項的任何組合。
可經由控制該系統的基於處理器的計算裝置之執行之一電腦程式而實施一或多個該等組件、方塊、程序、或其他功能組件。亦請注意，可使用硬體、韌體、及/或以各種機器可讀取的或電腦可讀取的媒體實施的資料及/或指令之任何數目的組合而以其行為上的暫存器轉移、邏輯組件、及/或其他特性之方式描述本發明揭示的各種功能。可實施此類格式化資料及/或指令之電腦可讀取的媒體其中包括(但不限於)諸如光學、磁性、或半導體儲存媒體等的各種形式之實體(非短暫性)非揮發性儲存媒體。
除非在上下文中另有清楚地要求，否則在整個說明及申請專利範圍中，並不以排外或耗盡的方式，而是將以蘊含的方式詮釋"包含"("comprise"、"comprising")等的詞語；換言之，以"包括(但不限於) "之方式詮釋。使用單數或複數的詞語也將分別包括複數或單數。此外，"於此"、"下文"、"前文"、"後文"、及類似意義的詞語參照到本申請案的整體，且並非參照到本申請案的任何特定部分。當詞語"或"被用於參照到兩個或更多個項目所構成的一列表時，該詞語將涵蓋對該詞語的下列詮釋：該列表中之任何項目、該列表中之所有項目、以及該列表中之該等項目的任何組合。
雖然已根據特定實施例而以舉例方式說明了一或多個實施例，但是我們應可了解：一或多個實施例不限於該等揭示之實施例。相反地，本發明意圖涵蓋熟悉此項技術者易於得知的各種修改及類似配置。因此，最後的申請專利範圍之範圍應符合最廣義的詮釋，以便包含所有此類修改及及類似配置。

Claims (16)

  1. 一種用於呈現聲音而自聆聽環境的上表面反射之揚聲器驅動器，包含：一驅動器紙盆；被固定到該驅動器紙盆的一中央部分之一紙盆防塵蓋；以及用於固定該紙盆以便安裝在一揚聲器箱體內之一框架，其中該驅動器紙盆、防塵蓋、及框架中之至少一者被配置成施用具有一頻率響應曲線的一高度濾波器，該頻率響應曲線配置成自一揚聲器位置至少部分地去除定向提示信號，且自一反射揚聲器位置至少部分地插入該定向提示信號，該頻率響應曲線係基於：模擬聲音從該反射揚聲器位置直接行進到聆聽位置上聽者的耳朵的濾波器之一第一頻率響應，以用於該自該反射揚聲器位置插入定向提示信號的步驟；模擬聲音從該揚聲器位置直接行進到該聆聽位置上該聽者的耳朵的濾波器之一第二濾波器頻率響應，以用於針對沿著直接從該揚聲器位置到該聽者的路徑行進的音頻去除定向提示信號。
  2. 如申請專利範圍第1項之揚聲器驅動器，其中該頻率響應曲線為一通用高度濾波器頻率響應曲線，其代表複數個個別高度濾波器頻率響應之平均，其中該個別的高度濾波器頻率響應之各者對應反射揚聲器位置、聆聽位置及實體揚聲器位置之不同的組合。
  3. 如申請專利範圍第2項之揚聲器驅動器，其中該通用高度濾波器頻率響應在大約7kHz的位置上呈現一峰值，且在大約12kHz的位置上呈現一陷波。
  4. 一種使用反射聲音元件呈現聲音之系統，包含：被放置在一揚聲器位置且包含一外殼之一揚聲器，該外殼包封了一向上發聲驅動器，該向上發聲驅動器之方位係在相對於地平面之一傾斜角，且該向上發聲驅動器被配置成使聲音自一聆聽環境的一上表面反射而產生一反射揚聲器位置；以及一虛擬高度濾波器，該虛擬高度濾波器將一頻率響應曲線施加到被傳輸到該向上發聲驅動器之一音頻信號，其中該虛擬高度濾波器自該揚聲器位置至少部分地去除定向提示信號且自該反射揚聲器位置至少部分地插入定向提示信號，該頻率響應曲線係基於：模擬聲音從該反射揚聲器位置直接行進到聆聽位置上聽者的耳朵的濾波器之一第一頻率響應，以用於該自該反射揚聲器位置插入定向提示信號的步驟；以及模擬聲音從該揚聲器位置直接行進到該聆聽位置上該聽者的耳朵的濾波器之一第二濾波器頻率響應，以用於針對沿著直接從該揚聲器位置到該聽者的路徑行進的音頻去除定向提示信號。
  5. 如申請專利範圍第4項的系統，該頻率響應曲線為一通用高度濾波器頻率響應曲線，其代表複數個個別高度 濾波器頻率響應之平均，其中該個別的高度濾波器頻率響應之各者對應反射揚聲器位置、聆聽位置及實體揚聲器位置之不同的組合。
  6. 如申請專利範圍第5項之系統，其中該通用高度濾波器頻率響應在大約7kHz的位置上呈現一峰值，且在大約12kHz的位置上呈現一陷波。
  7. 如申請專利範圍第4項之系統，其中該傾斜角是可變的，該系統進一步包含：一定位組件，該定位組件被配置成決定該聆聽環境內之一最佳聆聽位置；一通訊組件，該通訊組件被配置成將該最佳聆聽位置傳送到該揚聲器；以及一控制組件，該控制組件被配置成改變使聲波自該上表面反射到該最佳聆聽位置之該傾斜角。
  8. 如申請專利範圍第4項之系統，進一步包含：一偵測組件，該偵測組件被配置成偵測該聆聽環境中之該虛擬高度濾波器的存在，或一旁路開關，用以在準備音訊播放設備而將聲波傳輸到該聆聽環境的一校準程序期間跳過該虛擬高度濾波器。
  9. 如申請專利範圍第4項之系統，進一步包含一房間修正組件，用以：對被傳輸到該聆聽環境的聲波執行一預強調濾波操作，而補償被施加到所傳輸到該向上發聲驅動器的信號之虛擬高度濾波，或使用一探測信號而產生該聆聽環境之一 目標響應，且將一內定虛擬高度濾波器響應加入該聆聽環境之該目標響應。
  10. 如申請專利範圍第4項之系統，其中該虛擬高度濾波器實施一演算法，該演算法將一比例因數用於補償通過該聆聽環境而直接傳輸的聲波中存在的高度提示信號，而有利於自該聆聽環境的該上表面反射的聲音中存在之高度提示信號，以及可選擇地，其中該虛擬高度濾波器代表一唯一頻率響應曲線，且其中根據該傾斜角之值而改變該頻率響應曲線的一或多個特性。
  11. 如申請專利範圍第4項之系統，其中該外殼更進一步包封被配置成沿著大約對應於該地平面之一軸傳輸聲波之一向前發聲驅動器。
  12. 如申請專利範圍第11項之系統，其中該揚聲器包含兩個輸入端，其中該第一輸入端被配置成接收對應於自該聆聽環境的該上表面反射的聲音之信號，且該第二輸入端被配置成接收對應於沿著大約對應於該地平面之該軸傳輸的聲波之信號。
  13. 如申請專利範圍第11項之系統，其中該系統更包含一分頻(crossover)濾波器，該分頻濾波器具有被配置成將低於一臨界頻率的低頻信號傳輸到該向前發聲驅動器之一低通部分，以及被配置成將高於該臨界頻率的高頻信號傳輸到該向上發聲驅動器之一高通部分。
  14. 一種用於傳輸將自聆聽環境的上表面反射的聲波 之揚聲器，包含：一外殼；在該外殼內且方位係在相對於一地平面的一傾斜角之一向上發聲驅動器，且該向上發聲驅動器被配置成使聲音自該聆聽環境的該上表面上之一反射點反射；以及一虛擬高度濾波器，用以將一頻率響應曲線施加到被傳輸到該向上發聲驅動器之一信號，該頻率響應曲線係基於：模擬聲音從一反射揚聲器位置直接行進到一聆聽位置上聽者的耳朵的濾波器之一第一頻率響應，以用於自該反射揚聲器位置插入定向提示信號；模擬聲音從一揚聲器位置直接行進到該聆聽位置上該聽者的耳朵的濾波器之一第二濾波器頻率響應，以用於針對沿著直接從揚聲器位置到該聽者的路徑行進的音頻去除定向提示信號。
  15. 如申請專利範圍第14項的揚聲器，其中該頻率響應曲線為一通用高度濾波器頻率響應曲線，其代表複數個個別高度濾波器頻率響應之平均，其中該個別的高度濾波器頻率響應之各者對應反射揚聲器位置、聆聽位置及實體揚聲器位置之不同的組合。
  16. 如申請專利範圍第15項的揚聲器，其中該通用高度濾波器頻率響應在大約7kHz的位置上呈現一峰值，且在大約12kHz的位置上呈現一陷波。
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