自動的揚(yáng)聲器極性檢測的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2013年1月24日提交的美國臨時專利申請第61/756,088號的優(yōu)先 權(quán)，通過引用將其全部內(nèi)容合并到本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及用于檢測音頻播放系統(tǒng)中的揚(yáng)聲器的極性的系統(tǒng)及方法。典型的實施 方式是用于自動檢測被安裝在影院（影劇院）環(huán)境中的揚(yáng)聲器的極性的系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 影院音響行業(yè)目前正在經(jīng)歷從廣泛使用具有少數(shù)聲道的多聲道揚(yáng)聲器系統(tǒng)（例 如，具有5個或7個全范圍聲道的5. 1或7. 1聲道系統(tǒng)）到使用提供更多個聲道（通常，N 個全范圍聲道，其中，12 <N< 64)的新系統(tǒng)的顯著變化。揚(yáng)聲器通常位于聽者上方的整個 半球（hemisphere)之上的這種新系統(tǒng)使得聲音能夠在該半球內(nèi)精確定位和運動，并且可 以重建更真實的"3D"氛圍和混響。在本文中，有時會使用表達(dá)"許多聲道（many-channel) 系統(tǒng)"（相比于"多聲道（multi-channel)"系統(tǒng)）來指代新型系統(tǒng)，在該新型系統(tǒng)中，全范 圍聲道的數(shù)量遠(yuǎn)大于7。
[0005] 預(yù)期的是，在典型使用中，許多聲道系統(tǒng)將基于幅度平移（amplitude-panning) 來平移聲源，對于給定的聲源，幅度平移強(qiáng)烈地依賴于來自參與再現(xiàn)的幾個揚(yáng)聲器（一大 組安裝的揚(yáng)聲器的子集）的信號的相干性。甚至在與立體聲系統(tǒng)一樣簡單的系統(tǒng)中，如果 兩個揚(yáng)聲器的響應(yīng)（幅度和相位）被錯誤地匹配，則聲音的意在在揚(yáng)聲器之間平移的感知 位置可以模糊地被呈現(xiàn)，或者甚至在揚(yáng)聲器之間的區(qū)域外部。
[0006] 因此，對于新的許多聲道揚(yáng)聲器系統(tǒng)的目前全球部署而言必要的是，技術(shù)上可達(dá) 到確保給定的播放場所中的所有聲道被正確地匹配。大多數(shù)現(xiàn)有的均衡（equalization) 處理關(guān)注于對不同聲道的幅度響應(yīng)進(jìn)行校正，這確?？缏暤赖囊糍|(zhì)感知的正確匹配。然而， 為了確保遍及整個系統(tǒng)的正確的聲音成像，需要解決每個聲道的相位響應(yīng)的匹配。
[0007] 在許多聲道安裝中遇到的最常見的問題之一是：大量聲道的極性被反轉(zhuǎn)。這通常 是由于在建立階段期間錯誤的布線或者音頻鏈的部件之一內(nèi)部的錯誤布線。后者更難以由 安裝者檢測和修理，因為所有可見的布線實際上是正確的。然而，在這兩種情況下，當(dāng)具有 錯誤的揚(yáng)聲器極性的聲道參與聲音平移時，將嚴(yán)重地危害聲音成像。
[0008] 此外，在多路有源或無源揚(yáng)聲器系統(tǒng)（具有多個驅(qū)動器）中，極性反轉(zhuǎn)會影響驅(qū)動 器中的僅一個驅(qū)動器。當(dāng)在低音驅(qū)動器中發(fā)生錯誤極性時，如心理聲學(xué)文獻(xiàn)中眾所周知的， 可以如同在全部揚(yáng)聲器極性系統(tǒng)被反轉(zhuǎn)時一樣嚴(yán)重地危害聲音成像。因此，重要的是不僅 確?？缏暤赖恼_的極性匹配而且確?？鐔蝹€聲道中的不同驅(qū)動器的正確的極性匹配。
[0009] 重要的是，將揚(yáng)聲器極性檢測實現(xiàn)為自動的并且避免花費額外時間。發(fā)明人已經(jīng) 認(rèn)識到，為了實現(xiàn)快速和自動的揚(yáng)聲器極性檢測，應(yīng)當(dāng)避免使用聲脈沖群（toneburst)或 非對稱信號（如在1991年10月4日至8日在紐約舉辦的第91屆音頻工程協(xié)會會議上 D.B.Keen,Jr?提出的論文"MeasurementofPolarityBand-LimitedSystems(極性帶限 系統(tǒng)的測量）"）。
[0010] 隨著被安裝在典型的播放場所中的聲道數(shù)量的預(yù)期增大，錯誤極性問題的可能性 相應(yīng)地增大。不幸地，建立許多聲道揚(yáng)聲器系統(tǒng)所需要的時間會較長。因此，預(yù)期的是，許 多聲道系統(tǒng)安裝者檢查和校正錯誤極性問題的時間通常將較少。因此，會期望提供以下方 法：一方面，該方法自動執(zhí)行這種檢測，并且另一方面，該方法不對建立所需要的時間具有 顯著的影響。后一限制喜好以下方法：不要求針對極性分析具體定制的另外信號的發(fā)出和 捕獲，而是能夠重新使用在新安裝的揚(yáng)聲器陣列的常規(guī)的初始校準(zhǔn)或?qū)?zhǔn)（有時稱作均衡 或劇院均衡）期間正常執(zhí)行的測量。
[0011] 最終，期望用于確定揚(yáng)聲器極性的自動方法對于測量麥克風(fēng)在播放場所中的類型 和位置的選擇是魯棒的，以及對于由于在場所中存在不同的揚(yáng)聲器模型以及揚(yáng)聲器在場所 中的位置的差異導(dǎo)致的相位響應(yīng)的細(xì)節(jié)中的自然差異是魯棒的。不幸地，延遲、混響和噪聲 使常規(guī)的極性檢查方法不準(zhǔn)確和/或具有其他問題。
[0012] 在2006年3月9日公開的美國專利申請公開第2006/0050891號中描述了用于自 動確定揚(yáng)聲器相位的常規(guī)方法。該方法包括以下步驟：用脈沖驅(qū)動揚(yáng)聲器，使用麥克風(fēng)捕獲 所產(chǎn)生的發(fā)出的聲音，根據(jù)捕獲的音頻確定脈沖響應(yīng)（從揚(yáng)聲器至麥克風(fēng)），并且通過確定 脈沖響應(yīng)的第一峰（第一峰的幅度的絕對值超過預(yù)定閾值）的符號來確定揚(yáng)聲器的極性。 如果第一峰的幅度的符號為正，則該方法確定揚(yáng)聲器具有正極性。然而，該方法受制于如 下限制：該方法不確定測量的脈沖響應(yīng)的質(zhì)量，并且從而會不期望地根據(jù)錯誤測量的響應(yīng) (例如，僅指示噪聲的響應(yīng)）來確定揚(yáng)聲器極性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 在典型的實施方式中，本發(fā)明是用于自動檢測音頻播放系統(tǒng)的揚(yáng)聲器（例如，安 裝在影院環(huán)境中的揚(yáng)聲器）的相對極性的方法。本發(fā)明的方法的典型實施方式可以在家庭 環(huán)境以及影院環(huán)境中執(zhí)行，例如，其中麥克風(fēng)輸出信號的所需要的信號處理在家庭劇院設(shè) 備（例如，具有用于執(zhí)行該方法的麥克風(fēng)的被運送至用戶的AVR或藍(lán)光播放器）中被執(zhí)行。
[0014] 在第一類實施方式中，本發(fā)明是用于使用播放環(huán)境中的一組M個麥克風(fēng)來確定播 放環(huán)境中的（例如，許多聲道播放系統(tǒng)或其他多聲道播放系統(tǒng)的）一組N個揚(yáng)聲器的相對 極性的方法，其中，M是正整數(shù)（例如，M= 1或2)并且N是大于1的整數(shù)。該方法通常檢 測聲道間的極性反轉(zhuǎn)，其中每個聲道包括揚(yáng)聲器（例如，包括一個或更多個驅(qū)動器的全范 圍揚(yáng)聲器），并且還可以檢測至少一個聲道中的特定驅(qū)動器間（即，單個多驅(qū)動器揚(yáng)聲器的 驅(qū)動器間）的極性反轉(zhuǎn)。在第一類的典型實施方式中，該方法包括以下步驟：
[0015] (a)測量脈沖響應(yīng)，包括每個揚(yáng)聲器麥克風(fēng)對的脈沖響應(yīng)。通常，這通過以下操作 來進(jìn)行：用寬帶激勵（例如，如果使用脈沖確定算法，脈沖或噪聲信號或正弦波掃描）驅(qū)動 每個揚(yáng)聲器，獲得指示在從每個被驅(qū)動的揚(yáng)聲器發(fā)出聲音期間由每個麥克風(fēng)捕獲的聲音的 音頻數(shù)據(jù)，并且通過對音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來確定脈沖響應(yīng)；
[0016] (b)將揚(yáng)聲器聚類成組的集合（一個組或多個組），該集合中的每個組包括在至少 一個方面彼此相似的至少兩個揚(yáng)聲器；以及
[0017] (c)針對每個所述組，確定該組中的揚(yáng)聲器的脈沖響應(yīng)對的互相關(guān)，并且根據(jù)互相 關(guān)來確定所述組中的揚(yáng)聲器的相對極性。
[0018] 由于各自具有域的兩個脈沖響應(yīng)的互相關(guān)是具有相同域的函數(shù)，所以在本文中可 相互交換地使用術(shù)語"互相關(guān)"和"互相關(guān)函數(shù)"。如果與所比較的脈沖響應(yīng)對相對應(yīng)的揚(yáng) 聲器（揚(yáng)聲器或驅(qū)動器）同相，則響應(yīng)的互相關(guān)函數(shù)的峰值為范圍在0與1.0之間的正值 (這假定其正值在指出的范圍內(nèi)的歸一化的互相關(guān)函數(shù)。應(yīng)當(dāng)假定本文中提及的互相關(guān)函 數(shù)是這樣被歸一化的）。如果與所比較的脈沖響應(yīng)對相對應(yīng)的揚(yáng)聲器180°異相，則響應(yīng)的 互相關(guān)函數(shù)的峰值是范圍在〇與-1.0之間的負(fù)值。在典型實施方式中，步驟（c)包括以 下步驟：（針對每個組）確定與該組中的兩個揚(yáng)聲器對應(yīng)的每對脈沖響應(yīng)的互相關(guān)的峰值， 當(dāng)確定該峰值為正并且超過預(yù)定正閾值（通常正閾值的范圍為從〇. 3至0. 5)時確定這兩 個揚(yáng)聲器同相，而當(dāng)確定該峰值為負(fù)并且其絕對值超過預(yù)定正閾值時確定這兩個揚(yáng)聲器異 相。
[0019] 通常，每個麥克風(fēng)生成模擬輸出信號，并且通過對每個所述模擬輸出信號進(jìn)行采 樣來生成音頻數(shù)據(jù)，優(yōu)選地，音頻數(shù)據(jù)被組織成具有足以獲得足夠低的頻率分辨率的幀大 小的幀。
[0020] 可選地，在確定和分析互相關(guān)之前，對脈沖響應(yīng)（或?qū)υ见溈孙L(fēng)輸出信號）執(zhí)行 處理。通常，該方法的結(jié)果是每個組中的具有反轉(zhuǎn)的極性（即，相對于該組中的代表揚(yáng)聲器 的極性）的揚(yáng)聲器的列表，其中該列表指示基于每揚(yáng)聲器（全帶）或基于每驅(qū)動器（其中， 揚(yáng)聲器包括多驅(qū)動器揚(yáng)聲器的驅(qū)動器）的反轉(zhuǎn)的極性。該列表不僅可以指示揚(yáng)聲器同相還 是異相，而且還可以指示不與其他揚(yáng)聲器具有清晰的極性關(guān)系的揚(yáng)聲器，這可以指示有缺 陷的揚(yáng)聲器。這樣的列表可以被自動校正算法使用，或簡明地用于給揚(yáng)聲器系統(tǒng)安裝者標(biāo) 記警告。
[0021] 與其他技術(shù)（例如，峰檢測、時間延遲估計和相位分析）相比，使用互相關(guān)分析提 供了若干優(yōu)點，包括提供連續(xù)估計和魯棒性。
[0022] 對所比較的揚(yáng)聲器進(jìn)行聚類（在本文中有時被稱為分組）是本發(fā)明的典型實施方 式的重要步驟。僅當(dāng)與分組一起使用時，才能夠充分開發(fā)互相關(guān)分析。在不進(jìn)行分組的情 況下，可以根據(jù)迥然不同的揚(yáng)聲器（例如，因為它們具有不同的類型或模型，例如屏幕上揚(yáng) 聲器或環(huán)繞揚(yáng)聲器，或者因為它們位于迥然不同的位置）的脈沖響應(yīng)對來確定互相關(guān)，這 將總是產(chǎn)生很低的峰互相關(guān)，并且將不提供指示相對極性的有用的結(jié)果。對所比較的揚(yáng)聲 器進(jìn)行聚類使得互相關(guān)分析能夠受限于相似的揚(yáng)聲器的組，并且從而提高本發(fā)明的方法在 確定相對極性時的有效性。
[0023] 在本發(fā)明的典型實施方式中執(zhí)行的聚類通常是以下兩種不同類型的聚類中之
[0024] 基于指示揚(yáng)聲器的特性（例如，它們在房間中的位置、每個揚(yáng)聲器的類型、等等） 的數(shù)據(jù)的聚類。這種類型的聚類有時被稱為"類型1聚類"。類型1聚類所基于的數(shù)據(jù)通常 被預(yù)先確定，并且可以按照各種不同的方式中的任意方式，例如通過讀取手工編寫的文件 或通過從測量的脈沖響應(yīng)推斷（例如，通過從測量的脈沖響應(yīng)得到房間中的位置，并且從 測量的脈沖響應(yīng)推斷被測量的揚(yáng)聲器是否是全帶寬）來生成（或被提供至實現(xiàn)本發(fā)明的方 法的處理器）；以及
[0025] 根據(jù)如下算法的聚類，該算法依賴于根據(jù)揚(yáng)聲器對的脈沖響應(yīng)確定的互相關(guān)（例 如，互相關(guān)的峰值）。這種類型的聚類在本文中有時被稱為"類型2聚類"。類型2聚類的 主要目的是形成具有高的揚(yáng)聲器間相關(guān)值的子組。然而，類型1聚類假定相似的揚(yáng)聲器位 置和響應(yīng)將產(chǎn)生高的互相關(guān)值，類型2聚類直接使用測量的互相關(guān)值。
[0026] 在本發(fā)明的一些實施方式中執(zhí)行的聚類是類型1聚類和類型2聚類兩者的組合 (例如，基于指示揚(yáng)聲器的特性的數(shù)據(jù)的初始聚類，在此之后是基于測量的互相關(guān)值初始確 定的集群的修改，或同時執(zhí)行的類型1聚類和類型2聚類）。例如，如果互相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)揚(yáng) 聲器相比于初始確定的集群中的其他揚(yáng)聲器不具有清晰的相關(guān)，則該揚(yáng)聲器可以從該集群 中去除并且被置于另一集群中。
[0027] 在典型實施方式中，在互相關(guān)計算之前，對確定的脈沖響應(yīng)執(zhí)行額外的信號處理， 以增加互相關(guān)值的魯棒性和顯著性或者使得該算法能夠檢測單個（多驅(qū)動器）揚(yáng)聲器中的 各個驅(qū)動器的極性反轉(zhuǎn)。如下面詳細(xì)地說明的，這樣的信號處理通常包括以下處理中至少 之一：帶通濾波以選擇相關(guān)的驅(qū)動器；時間加窗（在本文中也稱為選通或加窗）以降低房 間影響；以及頻帶的加權(quán)（例如，對數(shù)加權(quán)）以避免對高頻進(jìn)行過加權(quán)。時間加窗可以是頻 率相關(guān)的時間加窗。時間加窗也可以用于通過去除所獲取的記錄中的沒有信號僅有噪聲的 時段來降低噪聲影響。
[0028] 通常執(zhí)行兩種時間加窗操作。第一種對原始記錄進(jìn)行選通，原始記錄不一定是脈 沖（通常其不是脈沖，因為脈沖通常具有低SNR)，并且通常在由房間和麥克風(fēng)噪聲居主導(dǎo) 的激勵前后具有"靜默"時段。在得到脈沖響應(yīng)之前，第一選通從記錄中去除靜默時段。第 一選通通常要求原始麥克風(fēng)記錄與原始激勵的時間對準(zhǔn)。在得到全長度脈沖響應(yīng)（其持續(xù) 時間可以是幾秒）之后，第二選通減?。ɑ蛞云渌绞郊哟埃┟}沖響應(yīng)的持續(xù)時間以去除 另外的噪聲和房間影響。
[0029] 在一些實施方式中執(zhí)行的時間加窗包括將脈沖響應(yīng)乘以提供淡入和淡出的函數(shù)。 時間加窗通常是頻率相關(guān)的，例如，較長的脈沖響應(yīng)被保留在低頻處而較短的脈沖響應(yīng)被 保留在尚頻處。
[0030] 在一些實施方式中，本發(fā)明是用于檢測一組揚(yáng)聲器（例如，一組多驅(qū)動器揚(yáng)聲器 的每個驅(qū)動器）的相對極性的方法，所述方法包括以下步驟：
[0031] 1.依次用寬帶激勵驅(qū)動每個揚(yáng)聲器，并且獲得指示在從每個驅(qū)動的揚(yáng)聲器發(fā)出聲 音期間由至少一個麥克風(fēng)捕獲的聲音的音頻數(shù)據(jù)。通常，用寬帶激勵依次驅(qū)動每個揚(yáng)聲器， 使用一個或更多個麥克風(fēng)捕獲從每個驅(qū)動的揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音，并且與對揚(yáng)聲器序列的驅(qū) 動激勵的施加時鐘同步地記錄所捕獲的音頻（每個麥克風(fēng)的輸出）；
[0032] 2.根據(jù)音頻數(shù)據(jù)（例如，原始記錄）確定從每個揚(yáng)聲器（揚(yáng)聲器或其驅(qū)動器）至 每個麥克風(fēng)的脈沖響應(yīng)。雖然保持了房間混響，但是在該操作中隱含的求平均有助于抑制 記錄中存在的任何噪聲；
[0033] 3.優(yōu)選地，對脈沖響應(yīng)進(jìn)行時間加窗以去除由房間反射居主導(dǎo)的部分。通常，針對 寬帶揚(yáng)聲器，窗口周期從-1毫秒延伸至2. 5毫秒（相對于初始峰），而針對低音炮為從-10 毫秒延伸至25毫秒；
[0034] 4.對于每個麥克風(fēng)，針對揚(yáng)聲器（揚(yáng)聲器或驅(qū)動器）脈沖響應(yīng)對來計算互相關(guān)函 數(shù)，并且根據(jù)該互相關(guān)函數(shù)確定揚(yáng)聲器對的相對相位。可選地，在確定互相關(guān)函數(shù)之前，脈 沖響應(yīng)被均衡和/或帶通濾波。雖然不同位置的揚(yáng)聲器通常具有不同的不相關(guān)的混響尾部 (reverberationtail)，但是互相關(guān)的確定傾向于抑制混響，并且從而提供極性相關(guān)的互 相關(guān)結(jié)果。通常，確定每對脈沖響應(yīng)（對應(yīng)于兩個揚(yáng)聲器）的互相關(guān)的峰值，并且該方法包 括以下步驟：當(dāng)確定互相關(guān)的峰值為正并且超過預(yù)定正閾值（通常正閾值的范圍為0. 3至 0. 5)時確定這兩個揚(yáng)聲器同相，當(dāng)確定互相關(guān)的峰值為負(fù)并且其絕對值超過預(yù)定正閾值時 確定這兩個揚(yáng)聲器異相。
[0035] 還可選地，還執(zhí)行以下步驟中至少之一：
[0036] 5.在模棱兩可的情況下，遍及至少三個所使用的麥克風(fēng)測量根據(jù)揚(yáng)聲器（揚(yáng)聲器 或驅(qū)動器）對而確定的互相關(guān)函數(shù)，并且使用投票模式（即，執(zhí)行投票操作或加權(quán)平均）來 選擇揚(yáng)聲器對的最終極性（例如，其中針對N個麥克風(fēng)中的每個確定互相關(guān)，其中N是大于 2的奇整數(shù)，將由N個互相關(guān)中的大多數(shù)指示的極性選擇為揚(yáng)聲器對的極性）；以及
[0037] 6.由于當(dāng)不存在明確定義的寬帶極性關(guān)系時不相似的模型的揚(yáng)聲器有時會產(chǎn)生 極性的偽正指示（正或負(fù)），所以所比較的揚(yáng)聲器（揚(yáng)聲器或驅(qū)動器）被分成不同的組，每 個組由其間存在由針對揚(yáng)聲器對確定的互相關(guān)函數(shù)指示的強(qiáng)相關(guān)的揚(yáng)聲器組成（這是類 型2聚類的示例）。通常，如果由針對揚(yáng)聲器（使用任意麥克風(fēng)）確定的互相關(guān)函數(shù)不指示 強(qiáng)相關(guān)，則揚(yáng)聲器被分配至不同的組。通過在每個揚(yáng)聲器（最初被分配至第一組）與一組 其他揚(yáng)聲器（包括被分配至至少一個其他組的揚(yáng)聲器）中的每個揚(yáng)聲器之間比較互相關(guān)， 并且如果從該揚(yáng)聲器與不同組中的揚(yáng)聲器的互相關(guān)得到較強(qiáng)，更一致的極性指示，則將該 揚(yáng)聲器重新分配至不同的組中，來降低偽正（正或負(fù)相對極性的偽指示）的風(fēng)險。分組也 可以依賴于觀察的頻率響應(yīng)（例如，寬帶揚(yáng)聲器或低音炮應(yīng)當(dāng)被置于不同的組中）。在一些 情況下，系統(tǒng)配置文件對于關(guān)于要比較其極性的揚(yáng)聲器的信息是可用的，然后該信息可以 用于改進(jìn)揚(yáng)聲器至組的分配。
[0038] 在另一類實施方式（實現(xiàn)類型1聚類）中，本發(fā)明是用于檢測揚(yáng)聲器的集合中的 每個揚(yáng)聲器的極性的方法，所述方法包括以下步驟：
[0039] 1.用寬帶激勵驅(qū)動每個揚(yáng)聲器，并且獲得指示在從每個被驅(qū)動的揚(yáng)聲器發(fā)出聲音 期間由至少一個麥克風(fēng)捕獲的聲音的音頻數(shù)據(jù)。通常，用寬帶激勵依次驅(qū)動每個揚(yáng)聲器，使 用一個或更多個麥克風(fēng)捕獲從每個被驅(qū)動的揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音，并且與對揚(yáng)聲器序列的寬 帶激勵的施加時鐘同步地記錄所捕獲的音頻（每個麥克風(fēng)的輸出）；
[0040] 2.根據(jù)音頻數(shù)據(jù)（例如，原始記錄）確定從每個揚(yáng)聲器（揚(yáng)聲器或其驅(qū)動器）至 每個麥克風(fēng)的脈沖響應(yīng)。雖然保持了房間混響，但是在該操作中隱含的求平均有助于抑制 記錄中存在的任何噪聲；
[0041] 3.優(yōu)選地，對脈沖響應(yīng)進(jìn)行時間加窗以去除由房間反射居主導(dǎo)的部