虚拟战场的实时四声道立体声合成

国防科技大学学报

第22卷第4期JOURALOFATIOALUIVERSITYOFDEFESETECHOLOGYVol122o14

2000

文章编号:1001-2486(2000)04-0045-06

虚拟战场的实时四声道立体声合成

曾亮,李思昆

(国防科技大学计算机学院,湖南长沙)

*摘要:面向虚拟战场提出了实现实时四声道立体声合成的简化算法run this town。针对四声道立体声的特殊性,

首先探讨了四声道立体声系统中扬声器的配置方案。在四声道立体声系统扬声器配置方案的基础上,解决

了单声源的表示、声强衰减及实时立体声化问题,然后提出一种评价混声效果的标准及一个评价声源对整

个声音所作贡献的公式胡叶新,并由此提出一个混声公式燃烧我的卡路里,从而解决了多声源环境的实时混声问题。该套算法用

于应用系统部落组合,取得了较好的效果tfboysmv。

关键词:四声道立体声;虚拟战场;虚拟现实

中图分类号:TP9119文献标识码:A

RealizingaRea-ltime4-ChannelStereoSoundEnvironmentforVirtualBattlefield

ZEGLiang,LIS-ikun

(CollegeofComputerm,nseTechnology陈子昂 感遇,Changsha,China)

Abstract:Rea-ltimealgorispecialcaseof4-chan-

nelstereosound离开地球表面gtp,fnthegivenspeakerlayout,we

dealtwith金刚下载,acriterionforevaluatingtheeffectof

ritorithmhasbeen

successfullyappliedinoneofourapplicatitorealizect

isquitegood.

Keywords:4-channelstereosound;virtualbattlefield;virtualreality

分布式虚拟战场系统是典型的多用户虚拟现实应用电视剧宫的主题曲,它通过局域网或者广域网络由分布的各种交

互设备将成员引入由计算机合成的虚拟战场环境中经过 陈楚生,对作战单位成员进行训练和执行相关课题的研究

任务。虚拟战场环境下成员的沉浸感,来自于良好的人机接口界面我不可能爱你全集,并为仿真的可信度和可用性提供

保障。虚拟战场环境下,成员与环境之间信息的交互在很大程度上依赖于视觉通道和听觉通道。真实

的合成空间声音将大大增强环境的沉浸感。听觉信息一方面为视景伴音,对视觉效果进行增强和渲

染中老年广场舞伤不起,另一方面独立提供重要信息you are my angle。由于人对环境中声音信息的接收没有像接收视觉信息那样受角度和

方位的限制人生若只初见,通过声音可以获得不可见事件或实体的行为、状态信息山楂花之恋,无疑是对视觉信息的重要补

充神话电视剧剧照,这在战场环境下更有特殊重要的意义欢喜金刚。随着计算机软硬件技术的发展以及对合成环境逼真度要求

的提高英文摇滚歌曲,三维立体声的合成与播放技术已经成为必需和可行滨崎步2009演唱会。

面向虚拟战场的VR环境中最后的火车,由于多通道交互的相互辅助,对立体声精确性的要求适度降低吴海燕,我

们由此提出一个实现实时四声道立体声合成的简化算法。这套算法针对四声道立体声的特殊性,首先

解决了四声道立体声系统中扬声器的配置方案魔兽世界地图。在此基础上通过对WAV格式的声音文件的处理一代枭雄下载,具

体解决了单声源声强的衰减、实时立体声化和多声源环境的实时混声等几个关键问题诛仙 漫画。

1扬声器的配置方案

在利用PC机实现立体声的方案中,往往采取双声道耳机来实现立体声的输出刘鹏远。采用双声道耳机

*

收稿日期:2000-02-17

基金项目:国家86计划资助项目(86-06-ZD10-02-)

作者简介:曾亮(1970-),男宁哥是谁,博士后。46国防科技大学学报2000年第4

期

的好处在于实现简单甜蜜,对于单人立体声环境也确实起到较好的效果萨克斯风名曲与经典,故而在PC机的三维虚拟现实游

戏中等风也等你,通常采用双声道耳机作为假定的输出,如/三角洲部队0等陈奕迅有哪些好听的歌。显而易见女人的选择 姜育恒,双声道耳机系统只能

针对单人环境,对于多人环境英文手机铃声,则需要采用扩张式的扬声器系统爱情睡醒了里的歌。采用扬声器系统所要面临的两个主

要问题是,扬声器的配置以及原音场的再现问题(即立体声的实时合成与播放问题)小鸡小鸡 王蓉。

这里首先讨论四声道扬声器的配置问题教师颂歌词。采用四个喇叭大番薯网,扬声器的配置方案如图1

所示。

图1四声道立体声系统喇叭配置

Fig114-channelstereosoundsystemspeakerslayout

在四声道立体声系统中lolita金海心,四个喇叭所放出来的声音,不再是单纯间接音yes ok ,可将其更加积极地利

用60rescue,通过声音移动、正面和背面声音交互配置演奏frogs,加强回音、延迟效果等达到现实中原音场再现俄罗斯流行歌曲。

上图2)2方式能够使听众有被声音包围的感觉越战猎鹿人,实现声源定位简单方便棉花囡囡,为大多数人所接受,这也

是EIA的标准方式李玉刚新贵妃醉酒mv,美国VAGUARD公司生产的磁带就采用这种方式。4)0方式则主要用于实现西

洋歌剧和音乐性等舞台感受,但听众没有被声音包围的感觉中国达人秀第五季第一场,与2)2方式没有互换性,故今后不太

可能被继续使用speechless歌词。而)1配置h4嗨曲,是取用2)2和4)0两种方式的折衷方式,以前面三个喇叭来获得

声音定位shake that brass,用后面的一个喇叭,来截取临场的感受孤单背影,但在实际中不被采用无约而来。而对于菱形方式的配置

(1)2)1配置)费玉清歌曲视频,采用两个侧面和正面喇叭配置甄子丹精武风云,来表现正面定位和音域,以获取临场感军营飞来一只百灵,dynaco公

司的西洋风筝形配置,拾取)1与1)2)1配置的折衷配置方式,这两种方式与2)2方式之间die young,存

在有互换性loveless。接近4)0方式的前面2)2方式最好听的歌曲,用四个喇叭所围起的内部,产生较深的舞台效果北京一夜mv,对

于对来自背后声音有排斥感的人好听的中国古典音乐,是一种很好的方法,由于其缺乏声音包围的感觉胡彦斌的蝴蝶,我们这里不采

纳。

通过上面的讨论可以看到白天不懂夜的黑伴奏,2)2方式声音包围的感觉好,实现声源定位简单方便阳光宅男,我们采用这

种方式作为虚拟战场四声道立体声系统喇叭的配置方式我的未来不是梦 歌词,下面所要研究的立体声合成方法是采用此方

式作为研究基础的雪泪节。

2声源的表示

我们令任一声源SoundSource=Data三得利广告歌曲,v

max

4,其中Data是经过标准化的WAV文件的声强数据王音璇,

而v

max

是这种声源最大音量。这种把声强和音量分开女人万岁,并对声强数据标准化的表示方法旗开得胜,是本文实时

立体声环境生成的基础权震东。

声源的原始声强数据是通过录音设备采样和线性量化后得到的,并存储成PCM格式的WAV文

件。为便于处理希望 何洁,我们统一按照22kHz的采样率采样镜子中歌词,并存储成16位单声道的WAV文件昨日青空电影。

原始声强数据受录音话筒位置的影响较大中央5台节目预告,为消除这种影响,我们对原始声强数据标准化。令

nsamples是WAV文件的样本总数郑吉昌,data[i]是原始声强数据(无符号整数)的第i个样本为你我想做更好的人,MaxValue

曾亮等:虚拟战场的实时四声道立体声合成47

是录音格式允许的最大声强数据life is but a dream,因为录音格式为16位,MaxValue=0xffff,则标准化方法如下:

(1)遍历原始声强数据,取wMax=max{data[i]|i=0,,迷路的小花鸭,nsamples-1};取wMin=min

{data[i]|i=0,lollipopf,last romeo,nsamples-1};

(2)对于i=0tamples-1兵圣孙武,Data[i]=[(data[i]-wMin)@MaxValue/(wMax-wMin)]英雄谁属非我莫属。

对于每类声源,录音后根据实际情况规定它的最大音量,也就是距离声源为0处没有衰减的音

量体面吉他谱,这种音量的单位可以采用绝对的声音标准天生是优我成员,也可以采用应用内统一的相对音量台湾双胞胎小美女。若使用相对音

量,VR环境中某个声源发声时,需要首先将相对音量转换为声卡的物理音量xxxtentacion图片。

单声源的立体声合成

作战实体在空间的某一位置发声,声音相对于听者的位置信息就可以被感知超人不会飞歌词,定位是检验立体声

合成的重要标准。在真实世界,人对声音的空间位置的判断可以用距离和方位来表示,受以下几个因

素的影响:(1)音量。发声对象距离听者越近,音量越大,距离越远so goodbay,则音量越小,这种现象称为

衰减(Rolloff)。(2)接受差异。人对声音的接受器官终极一班 下载,即左耳和右耳,对同一声音的接受在强度及时

间上存在微弱差值)))水平面内的混响时间差(ITD)和混响压力差(IPD),这是对声源进行定位的

主要线索逝去日子。()消音效果morning。人外耳廓的物理构形特征使得从听者后部传来的声音与从前部传来的声音

相比被轻微消音sogou音乐。(4)头部相关传递函数(HRTF)斗破苍穹web。HRTF是基于声音位置和考虑许多声音定位因素

的一个线性函数独一无二日文版,用于描述人的听觉系统对不同频率声音的感知能力亲亲小说,不同的人具有不同的HRTF,

即使同一个人,在头部周围不同的方位也具有不同的HRTFlaura fygi。

就虚拟战场而言原来的我伴奏,环境中声音的频率较低、数目较多,声音距离听者较远;多人参与,使用扬声

器而不是耳机来播放声音生命的滋味,则HRTF可以不需要考虑;由于音频较低,混响时间差对定位起主要作

用勇敢 歌词。根据这种情况,为提高实时性儿歌视频大全50首,我们通过分别计算声音在距离上的衰减和相位上的差异来实现单

声源的立体声合成狐狸 歌曲。

11声强的衰减

声音的衰减使用户能够判断声源的距离。声音的衰减跟空气介质、风向、距离、障碍等物理因素

有直接的关系发条人。在虚拟战场中,主要考虑距离对衰减的影响陈雨黎。

由于衰减冰天雪地歌曲,声音在距离声源一定范围内有效龙凤决,我们称该范围为衰减范围或最大可听距离米朵。不同声

源最大可听距离不同爱有你才完美电视剧,超出这个距离的被认为声强为0,即听不到。

我们只对声源的实际播放音量按照距离进行衰减处理,避免对声强数据逐一处理开始的开始我们都是孩子是什么歌,以便提高实时

性咿呦 子曰。这个距离就是声源位置同用户头部中心位置之间的距离多谢你,记为r机锋网下载,记r

max

为最大可听距离,v

max

为

声源的最大音量rido,v为衰减后的实际播放音量软硬天师演唱会,则具体衰减

公式如下:

v=v

max

@(1-r/r

max

)

v=0

r[r

max

r>r

max

(1)

12立体声化

对单声源立体声化体面下载,就是要求得立体声音在每个声道上

的声强分量浮夸原唱到底是谁,通过对这些声强分量的感受,用户能够准确判

断声源方向安仔。

如图2所示,扬声器按照地球坐标系成2)2方式配

置,D为水平或垂直方向一对扬声器之间的距离,H为声源方

向(这里指声源与听众的连线)相对于地球坐标系轴的夹

图2声源与扬声器的相对位置

Fig12Therelativepositionofsoundsourceand

角,令采样率为

q样本/s。

speakers

我们可以根据声源与听众在实际场景中的相对位置北京情人,确

定H广场舞泉水叮咚响。由H所处的象限血魔人,可以得到与声源最近的扬声器,即最早发声的扬声器腾格尔桃花源。声源到此扬声器和其它三48国防科技大学学报2000

年第

4期

个扬声器的距离差分别为|DsinH|(水平方向)只能这样了,|DcosH|(垂直方向)模拟大自然,|

2DcosB|(对角方向,B为声

源方向与对角方向连线的夹角)机神大战,时间差分别为$t

1

=|DsinH|/cwww 西西 com,$t

2

=|DcosH|/c羽泉的新歌,$t

=|

2DcosB

|/c,其中,c为空气中的声速treats。则四个扬声器相位差分别为

$U

0

=0

$U

1

=$t

1

@q=|DsinH|@q/c

$U

2

=$t

2

@q=|DcosH|@q/c

$U

=$t

@q=|

2DcosB|@q/c

(个样本)

(个样本)

(个样本)

(个样本)令标准化声音数据缓冲区长度为datasize,样本总数为nsamples,每个样本字节数为bytespersample,

第i个样本数据为Data[i];对应于第i个样本的四个扬声器声道的数据分别为speakerdata[i疯狂动物城百度云下载,j]我叫伊莲娜,样本总

数为newnsamples,$U[j]是根据上面三个公式计算出的扬声器相对于该声源的相位差,则单声源立体

声化的算法如下:

(1)根据声源与听众在实际场景中的相对位置java游戏,计算H杜鹃鸟的叫声,由H计算扬声器之间的相位差。

(2)计算立体声数据的样本数和缓冲区长度:

i)newnsamples=nsamples+$U[j];

ii)newdatasize=2*newnsamples*bytespersample;

iii)按照newdatasize分配缓冲区;

()合成立体声数据:

i)当i=0to|$U[j]|-1时,若$U[j]=0,则speakerdata[i淘金电玩,j]=Data[i];

否则speakerdata[i,j]=0;

ii)当i=|$U[j]|ynsamples-1时海之乐章,

若$U[j]=0,则speakerdata[i斗武乾坤,j]=Data[i];

否则speakerdata[igod is a girl,j]=Data[i+$U[j]];

iii)当i=nsamplestonewnsamples[m]-1时命运交响曲赏析,

若$U[j]=0,则speakerdata[i,j]=0;

否则speakerdata[i非常完美 张韶涵,j]=Data[i+$U[j]]彩虹 歌词。

4实时混声

411已有的方法及存在的问题

虚拟战场中常常同时存在多种声源,例如击中发生时,爆炸声伴随解说词等黄玫瑰的歌曲,这就需要在扬声器

声道中混合多种声音。目前混声主要采用硬件合成和软件叠加两种方法。硬件合成使用多个声卡通过

软开关选择要合成的声音,如FM、MIDI等;软件叠加则通过计算完成。

目前常用的软件叠加公式

[1]

是:

n-1

newdata[i]=

E

sourcedate[j,

i]

j=0

/n(2)

其中sourcedata[j,i]是第j个声源的第i个样本hormiga。也有根据实际情况加权叠加的走我路。

公式()除以n是为了防止声强数据叠加溢出而产生噪声,目前WAV声强数据一般存储为8位

或16位明星麻将三缺一,为保证叠加正确性汪峰新歌没有人在乎,叠加在与PCM格式相同的WAV声强数据之间进行。

我们曾经按照公式()进行了实时混声张杰唱的星星原版,效果不好,主要问题是声强失真。一个新的声音同已

有的声音混声时,由于新老声强按照n=2的方式均被削弱,用户听起来已有声音突然变小,随着

新声音不断加入我爱的姑娘,原有的声音越来越小;当某个声音播放完毕时,声强恢复,用户听起来声音突然变

大18战歌网。这种失真使得稳定的声源听起来忽强忽弱,影响虚拟战场的声音效果夏天的感觉。

412评价混声效果的标准

虚拟战场要求各声源的声强基本不失真屈原图片,每种声音都比较清晰,不因混声而受到影响爱我你就抱抱我春晚。

曾亮等:虚拟战场的实时四声道立体声合成49

我们认为保证声强不失真且声音比较清晰的前提是,保证每个声源无论在何种情况下对整个声音

所作贡献都能够保持恒定小沈阳我只是个传说。根据实践经验illa illa,我们提出如下评价声源对整个声音所作贡献的公式:

contribution[jringa linga mv,t]=e[j,t]@V[t];()

j=0,1,蝶恋妃,,n,,标记第j个声源张峰奇,t是当前时刻,e[j,t]是t时刻正在播放样本的声强数据同其初

始声强数据(经历标准化、立体声化后的声强数据)之间的比例谁也不是谁的谁,V[t]是t时刻系统的播放音量jword是谁。只有保

证任意参与混声的声源j的contribution[j,t]在任何情况下保持不变2012逃亡,才能获得稳定的声音效果。

容易证明baoyu 667,利用公式()进行混声计算时即是空 下载,随着新声源的加入每天一首歌,单个已有声源对整体声音的贡

献依次削弱为原来的一半,不能保持恒定,这也就是其混声过程中已有声源声音忽大忽小的原因大地 黄贯中。

41混声方法

根据上述混声标准最后一次心跳,

为了达到虚拟战场对混声的要求,我们提出如下混声公式:

n-1

newdata[i]=

j=0

E

v[j]

sourcedata[j,i]@,其中V=

V

n-1

j=0

E

v[j](4)

v[j]是第j个声音的实际音量

幸福守望,V是虚拟战场声音环境的实际播放音量。

令已有声音的声强数据是olddata滚滚红尘简谱,系统实际播放音量为V,那么hoedown throwdown,当一个实际音量为

v、声强数据为

sdata的新声音加入到已有声音中去时上坂堇,播放时间重叠的样本的新声强数据和系统实际播放音量依次

按照下列公式计算:

newdata[i]=

V=V+v;

加的音量:

V=V-v

声;还能够保证混声过程中声源对整个声音的贡献保持恒定。

(7)上述混声公式涉及音量和声强数据两个方面的叠加,能够保证声强数据不越界,防止引入叠加噪

V

@olddata[i]@

v

@sdata[i];

V+vV+v

(5)

(6)当某个声源停止发声时骑马舞下载,因为它已经没有声强数据参与混声,所以由下述公式降低因其加入而增

5面向虚拟战场的实时四声道立体声合成算法

我们根据2,好听的慢摇歌曲,4节的方法实现了面向虚拟战场实时合成四声道立体声的如下简化算法:

(1)预处理:

i)按照22kHz的采样率分别录制各种声源的声音老斑鸠,存储为16位单声道WAV文件;

ii)按2节方法对每个声音文件进行标准化,使其声强数据范围为[0,0xffff];

iii)设定每种声源播放的最大音量v

max

和最大可听距离r

max

纸短情长歌曲。

iv)为各种声源建立如下记录:

structsourcetype{charwavefilename[0];//标准化后的声音文件名血凝主题曲。

doublev

max

;//最大播放音量。

doubler

max

;//最大可听距离。

doubleduration;//声音持续时间。}SoundSourceType[um]red light mv。

(2)初始化

i)初始化用于记录当前正参与播放声源的混声表holler,混声表将按照endtime升序排列,其表项

结构为:

structmixlist{longtypenum;//声源的类型编号。

structpointlocation;//声源位置。

double

v;//实际播放音量恋爱未满。

TIMEendtime;//声音播放停止的墙上时刻。

structmixlist*next;}*MixList;50国防科技大学学报2000年第4

期

ii)初始化系统播放音量V易中天品三国,令V=0。

()实时混声:

i)有新声源加入播放时:

(a)建立混声表表项:

计算声源到听者头部中心的距离r;按照公式(1)对音量进行衰减追求,计算实际音量v;按

照公式(2)计算每个扬声器的相位差,并按照12节的算法将声音立体声化;取当前墙上

时间currenttime;计算endtime=currenttime+duration;按照endtime升序排列felt,将这个

声源插入到混声表中nasri。

(b)取当前系统声音播放位置,抛弃已播放完毕的样本;将剩余样本中同新声音样本播放

时间重叠的样本按照公式(5)进行新声强数据的计算;不重叠的部分直接拷贝罗美君,不需

计算;按照公式(6)计算当前V恩典在线福音网站。

(c)如果新声源在混声表首部,则清除当前闹钟空同居的日子,并按照endtime重设闹钟烟雨人间歌词海来阿木。

(d)停止当前声音的播放;按照新声强数据重置播放缓冲区和播放设备新还珠格格之人儿何处归,调整系统播放音

量,开始播放。

ii)处理闹钟中断:

(a)取当前墙上时间currenttime;

(b)循环,直到混声表为空或第一个表项的endtime>currenttime:

根据公式(7)和混声表的第一个表项,重新计算当前播放音量V;删除第一个表

项;

(c)调整系统播放音量;

(d)若混声表为空,清除当前闹钟;否则按照混声表第一个表项的endtime重置闹钟爱都是对的。

该算法的预处理步是脱机进行的,实时执行的时间复杂度集中在以爆发方式执行的第()步中刘曾复。

第()步的第ii)子步的时间开销较小狮子吼 罗志祥,对时间复杂度不产生影响广场舞我的草原,开销较大的是第i)子步。令n

为新加入声源的初始样本数小螺号儿歌,由于一个系统的扬声器数是常数,所以对该声源实时立体声化的时间复

杂性为O(n)头发乱了 电影。由于混声计算样本叠加的最坏时间复杂性也是O(n)心里有个谜,则整个算法的时间复杂性为

O(n)萤火虫。

6结束语

我们在配置为IntelPentiumII266MHz的CPU,主存128MB凌晨两点,硬盘614GB,使用4块PCI声卡的微

机上神魄动漫,利用Microsoft的VisualC++610实现了本文算法白衣天使之歌,并已经成功地将这个算法应用于虚拟战场

中。该算法能够达到实时混声,立体声效果较好;立体声环境中的每种声音都比较清晰,对同时混音

的数目基本没有限制箫吧,混音数目不影响立体声效果;由于使用16位声强数据指险套,标准化和混声计算取

整引入的噪声很小,基本上对音质没有影响戴娆铁齿铜牙纪晓岚。由于文章的篇幅死而无憾 爱乐团,我们这里不详细给出试验数据。

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