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1、基于 AC 的虚拟环绕 声实现 西南科技大学 毕业设计（论文） 题目名称：基于 AC3 的虚拟环绕声实现 年级：2003 级本科专科 学生学号：20035303 学生姓名：黄小宝指导教师：詹曦 学生单位：信息工程学院技术职称：助教 学生专业：通信工程教师单位：信息工程学院 西南科技大学教务处制 基于 AC3 的虚拟环绕声实现 摘要：DolbyAC3 提供的 5.1 声道音频模式是当前应用得最广泛、声音质量较 高、编码效率最高的一种音频编码模式。基于 AC3 的虚拟环绕声系统能够满足 人们在不允许布置多个扬声器的情况对环绕声音质的要求，而且简化了系统， 降低了消费；它特别适用于耳机这类只有两个扬
2、声器的设备。本文论述了用软 件实现虚拟环绕声的两种途径，即用 Matlab 和 C 语言编程来仿真 5.1 声道虚 拟环绕声重放。用 Matlab 进行虚拟环绕声的仿真是通过对 AC3 音频文件解码 后得到的六个声道信号进行虚拟环绕声滤波处理。C 程序设计将多通道虚拟环 绕声处理技术与 AC3 解码程序相结合，实现基于 AC3 的 5.1 声道虚拟环绕声 重放系统。Matlab 和 C 语言的实现结果通过标准布置的左、右两个扬声器播 放，在正确的听音位置进行试听，能够感觉到声音有明显的空间感和立体感， 实现结果良好。 关键词：虚拟环绕声；DolbyAC3；HRTF；AC3 解码器 Virtua
3、lReproductionofSurroundSoundBasedonA C3 Abstract:Themodelof5.1channelaudiosuppliedbyDolbyAC3iswidelyused. Thequalityof5.1channelaudioisgood,andthecodingefficiencyofthecoding modelisthehighestatpresent.TheSystemoftheVirtualReproductionofSurro undSoundbasedonAC3willbeabletomeetpeoplesrequirementoftheh
4、ig herqualityofsurroundsound,whileitisnotallowedtoplacemorespeakersdue tothelimitedconditions,anditcouldsimplifythesystemandreducetheconsu mption.Itisespeciallyfittotheequipmentsthathaveonlytwospeakers,suchas headphones.Thispaperdiscussedthetwomethodsofmakingvirtualsurroun dsoundcometrue,i.e.,useMat
5、labandClanguagetosimulatethevirtualrepro ductionofAC35.1channelsurroundsound.Becauseofprocessingthesixchan nelssignalofAC3byusingthevirtualsurroundsoundfilteringtechnology,the simulationofthevirtualreproductionofsurroundsoundunderMatlabcomes true.WhileprogrammingbyClanguage,TheSystemoftheVirtualRepr
6、oducti onofSurroundSoundbasedonAC3comestruebycombiningthevirtualsurro undsoundfilteringtechnologyandAC3decoder.WhiletheresultsofMatlabp rogramandClanguageprogrambeplayedbytwospeakersthatplacedatthest andardposition,youcouldfeelthefeelingofspaciousnessandthirddimensio nobviously.So,theresultoftheimpl
7、ementationiswell. Keywords:VirtualSurroundSound,DolbyAC3,HRTF,AC3decoder 目录 第 1 章绪论 1 1.1 课题背景、目的及意义 1 1.1.1 课题背景 1 1.1.2 课题的目的及意义 4 1.2 论文的主要内容和框架 4 第 2 章系统总体设计 6 2.1 系统实现原理 6 2.2MATLAB 仿真实现虚拟环绕声的设计 9 2.3C 语言编程实现基于 AC3 的虚拟环绕声系统 9 2.4 本章小结 10 第 3 章主要技术简介 11 3.1DolbyAC311 3.1.1DolbyAC3 的特点、配置和应用 11 3
8、.1.2DolbyAC3 的编码原理 12 3.1.3DolbyAC3 的解码原理 13 3.2 头相关传输函数 13 3.2.1HRTF 的定义 14 3.2.2HRTF 数据的获取 15 3.3 本章小结 17 第 4 章 Matlab 编程实现虚拟环绕声的设计 18 4.1Matlab 的特点 18 4.2 系统设计 18 4.2.1 从 AC3 文件中分离出 5.1 独立声道数据 19 4.2.2 程序设计 22 4.3 结论分析 23 4.4 本章小结 24 第 5 章 C 语言编程实现基于 AC3 的虚拟环绕声系统 25 5.1VC+6.0 软件介绍 25 5.2 程序设计背景 2
9、5 5.2.1 解码原理 25 5.2.2MDCT 和 IMDCT28 5.3 程序设计 30 5.3.1 子函数 IMDCT30 5.3.2 子函数 Downmix35 5.4 结论分析 36 5.5 本章小结 37 结论 38 致谢 40 参考文献 41 附录 1Matlab 实现虚拟环绕声重放的程序 42 附录 2 基于 AC3 的虚拟环绕声实现的 C 程序 46 子函数程序 IMDCT46 子函数程序 Downmix53 主程序 decode55 第 1 章绪论 1.1 课题背景、目的及意义 1.1.1 课题背景 1.AC3 的发展背景 自 1976 年杜比环绕声（Dolbystere
10、ooptical,4ch）首次应用于电影后， 已成为最受欢迎的多声道立体声系统之一，用于家庭的杜比环绕声 （DolbySurround,3ch,1982）和杜比定向逻辑环绕声 （DolbySurroundProLogic,4ch,1987），更能让你在家中享受电影院的环 绕声效果。1992 年杜比公司又开发了最新一代的杜比数码环绕声系统 （DolbyDigital）并应用于电影，该系统基于先进的感觉编码 （perceptualcoding）和数字压缩编码技术，即杜比 AC3。其优良的特点使之 在 1995 年被选作 DVD 播放机的标准多声道音频格式（在 NTSC 制电视的国 家）及多项其它系
11、统的标准音频格式。杜比数码环绕声系统有六个完全独立的 声道，全频带的左L、右R、中置C、左环绕LR、右环绕RS，再加上一个 20120Hz 的超重低音的声道LFE（以 0.1 声道计），故又称作 5.1 声道。在 杜比 AC3 规格中超重低音的音量比其它全频带声道大 10dB，可得到震撼力非 凡的低频效果。 杜比 AC3 原理上是它将每一声道的音频根据人耳听觉特性划分为许多最优 的狭窄频段，利用音响心理学“听觉掩蔽效应”，删除人耳所听不到或可忽略 的部分，并采用数字信号压缩编码。同时，利用狭窄频段的划分使部分频段噪 声在编码时可被几乎全部滤除，使其余噪声的频谱靠近在信号频谱附近，而这 些噪声可
12、被信号所抑制。因此杜比 AC3 系统实际上是一种具选择性及强抑噪的 系统。它可以将 5.1 通路的环绕声信息压缩到 384kb/s（或 320kb/s）。不难 理解杜比 AC3 的特点：以较低的码率支持全音频多声道，并具优良的回放音质 和效果12。 2.虚拟环绕声的发展34 环绕声是近年出现的一大类新的系统。它们的基础是听觉传输技术，通过 头相关传输函数（HRTF，也就是声源到双耳的传输函数）来实现声场空间信息 的传输、重发或模拟。而称为虚拟环绕声的系统有以下的三类。 (1)听觉传输立体声系统 这是真正的虚拟环绕声系统。它根据听觉传输技术的原理，利用假头进行 检拾，或利用信号处理的方法模拟出声
13、源到双耳的传输。所得到的两路信号经 放大、记录和传输等过程后，再经耳机进行重发，也可以经过串声抵消网络后 由扬声器进行重发。这种方法相当于用电声学的方法把倾听者的听觉器官转移 到原声场中去，从而得到原声场的空间信息。它的突出优点是声像逼真、自然， 且只需要两个独立的传输信号就有可能重发三维空间的声像，这些优点是多通 路系统所没有的。但是，与多通路系统不同，这种系统实现的并不是空间一定 的区域的声场的传输与重发，而是通过传输和重发双耳（空间上两点）声信号 来实现声场空间信息的传输与重发的。系统的这种特点使它存在着内在的缺陷： 由于真实听觉中，倾听者头部不自觉的微小转动以及耳壳对声波的散射 作用所
14、引起的梳状滤波效应对区分前后镜像位置和中垂面的声源有重大的作用， 但是耳壳效应仅在高频（f56kHz）才起作用。而在听觉传输系统中，通常 也只考虑了耳壳的作用，并没有考虑原声场中倾听者头部的转动。因而在重发 时，特别是中低频的情况，经常会出现前后镜像位置的声像倒置的情况。因此 系统所传输的双耳信号并没有完全地包含原声场的空间信息。为了克服这缺陷， 国外也提出了一种采用四耳的假头作为检拾体系，或采用传感器对重发时倾听 者头部的位置进行跟踪的方法，但这相当于增加了系统的独立传输信号，且并 不是所有场合都适用。 由于 HRTF 是与声源到双耳的相对位置有关（特别是高频），而在扬声 器重发中，交叉串声
15、抵消网络的传输特性是取决于扬声器到双耳的 HRTF。因 而严格来说对一定的抵消网络，只能在一个特定的听音位置上有效。倾听者偏 离理想的听音位置将会导致严重的声像失真（这在高频的情况尤为严重）。所 以系统的听音区域较窄。针对这缺点，国外也提出了用多个扬声器或前方两个 相距很近的扬声器（称为立体声偶极子）重发听觉传输信号的方法，但这只能 起到部分改善的作用。值得指出的是，上述的缺陷有一定的共通性，在所有涉 及到听觉传输原理（HRTF）的系统中都存在。而由于存在上述缺陷，目前听觉 传输系统较少独立地用在要求有较大的听音区域的声重发，如家庭影院等。它 主要用在计算机虚拟现实，厅堂音质听觉化等科学研究中
16、。 (2)3D“准”虚拟环绕声系统 这类系统的代表是 SRS，Spatialize，Qxpander 等。它们利用听觉传输技 术的原理，在普通的双通路立体声重发中，通过模拟空间不同方向到双耳的 HRTF，从而模拟反射声，增加主观听觉上的空间感与包围感，达到模拟 3D 环 绕声的目的。这类系统是后处理系统，也就是“准”虚拟环绕声系统，所起到 的仅是模拟环绕声信息的作用。双通路立体声信号本身并没有很好地包含三维 空间的声音方向信息，因而用任何现有的办法都不可能将方向信息“提取”出 来，否则的话也无需要发展多通路环绕声系统了。并且如前所述，HRTF 是与 声源与双耳的相对位置有关（特别是高频），所以严格来说，利用 HRTF 进行 处理的方法仅对特定的听音位置（空间一点）有效。 在实际的重发中，由于对双通路的立体声信号的处理改变了信号的频谱与 相位，使得双通路信号的相关性下降。对于各个位置的倾听者来说，低相关性 的立体声信号难以在听觉中产生有确定位置的空间声像，从而产生一种类似于 声音来自四面八方的包围感，所以系统起到的是“歪打正着”的效果。实际的 倾听也表明，经过 3D
