基于无线智能耳机的环境声音拟真系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于无线智能耳机的环境声音拟真系统，包括：扬声器单元，被配置于无线耳机上，用于接收电讯号，转化形成音频并播放；声波单元，用于发出声波定位信号；声波检测单元，用于检测声波单元发出的直达声波定位信号；处理器，与扬声器单元、声波单元、声波检测单元联通，处理声波单元与声波检测单元采集到的位置信息，并用于控制扬声器单元；环境模拟单元，与处理器联通，用于模拟声源位置，为处理器提供声源位置信息；所述声波单元或者声波检测单元配置于无线耳机上。本发明通过分别布置在无线耳机和场景/设备上的声波检测单元与声波单元，配合环境模拟单元模拟的实时声源位置，为用户提供随其动作状态变化的拟真环境声音。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于无线智能耳机的环境声音拟真系统及方法，属于声波技术领域。

背景技术

虚拟现实技术(Virtual Reality)，又称灵境技术，是20世纪发展起来的一项全新的实用技术，虚拟现实技术囊括计算机、电子信息、仿真技术，其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。其实质是利用现实生活中的数据，通过计算机技术产生的电子信号，将其与各种输出设备结合使其转化为能够让人们感受到的现象，这些现象可以是现实中真真切切的物体，也可以是我们肉眼所看不到的物质，通过三维模型表现出来。

虚拟现实的最终目的是实现真正意义上的人机交互，在虚拟人类一切感知(听觉、视觉、触觉、味觉、嗅觉等)的同时，使人在操作过程中，可以随意受，常结合现实场地进行动态模拟，从视觉上结合用户的动态动作，完成拟真，此时，佩戴有虚拟设备的用户，环境声音的模拟全部来自于耳机中，无论模拟环境中声源自何方，佩戴有虚拟设备的用户听到的声音均来自耳机，其优点是音源不受场景环境阻碍，传达直接无损耗，但是基于虚拟现实的最终目的而言，耳机传播声音具有一缺点，即：声音为预先设定好的，用户虽然能够实现与视觉场景的交互，但是难以实现与场景声音的实时交互。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于无线智能耳机的环境声音拟真系统及方法，该拟真系统及方法解决了现有技术中佩戴收听设备的用户难以与音频信息实现实时交互，环境声音模拟难以达到动态拟真的问题；还解决了现有无线耳机音频播放功能单一，智能性差的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于无线智能耳机的环境声音拟真系统，包括：

扬声器单元，被配置于无线耳机上，用于接收电讯号，转化形成音频并播放；

声波单元，用于发出声波定位信号；

声波检测单元，用于检测声波单元发出的直达声波定位信号；

处理器，与扬声器单元、声波单元、声波检测单元联通，处理声波单元与声波检测单元采集到的位置信息，并用于控制扬声器单元；

环境模拟单元，与处理器联通，用于模拟声源位置，为处理器提供声源位置信息；

所述声波单元或者声波检测单元配置于无线耳机上。

上述技术方案中进一步改进的方案如下：

1.上述方案中，当所述声波单元配置于无线耳机上时，所述声波单元为无线耳机自带的扬声器单元。

2.上述方案中，当所述声波单元配置于无线耳机上时，每个无线耳机单体上至少具有一个声波单元。

3.上述方案中，当所述声波检测单元配置于无线耳机上时，所述声波检测单元为无线耳机自带的麦克风模块。

4.上述方案中，当所述声波检测单元配置于无线耳机上时，每个无线耳机单体上至少具有一个声波检测单元。

5.上述方案中，所述位置信息包括声波单元与声波检测单元的相对距离和相对角度。

6.上述方案中，所述声波定位信号为超声波定位信号。

为达到上述目的，本发明还提供了一种技术方案是：一种基于无线智能耳机的环境声音拟真方法，包括以下步骤：

用户佩戴上无线耳机后，声波单元发射出声波定位信号，声波检测单元检测到直达的声波定位信号后，将数据传输给处理器，处理器解算出声波单元与声波检测单元的相对位置，确定无线耳机的初始位置；

环境模拟单元根据虚拟现实中虚拟发声物体与用户的相对位置，配合用户在实际场景中的初始位置模拟出声源在场景中的位置；

处理器根据声源位置与初始位置的相对位置判断在实际场景中，用户能够收听到的音频，处理器控制扬声器单元发出模拟音频。

1.上述方案中，所述声波检测单元安装于无线耳机上，所述声波单元阵列分布于场景顶部。

2.上述方案中，当无线耳机单独使用时，所述环境模拟单元模拟的声源位置为自由设置项。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、本发明基于无线智能耳机的环境声音拟真系统及方法，通过分别布置在无线耳机和场景/设备上的声波检测单元与声波单元，实时收发声波定位信号，得到无线耳机在场景中的实时位置和动态变化，配合环境模拟单元模拟的实时声源位置，使得处理器能够控制扬声器实时调节播放音频的音量、频率、音域等，从而为用户提供随其动作状态变化的拟真环境声音，增强人机交互，提高用户体验。

2、本发明基于无线智能耳机的环境声音拟真系统及方法，随着声波单元和/或声波检测单元数量的递增，定位信息从相对距离、相对角度到绝对定位，完全捕捉到用户在三维空间中的动态变化和运动轨迹，即使左右摇头，两耳听到的声音也是有不同变化的，进一步提高了拟真系统的拟真精度。

3、本发明基于无线智能耳机的环境声音拟真系统及方法，仅佩戴耳机使用时，通过环境模拟单元将声源位置定位到播放设备：手机、音响、电视等智能终端或其他虚拟位置，使得用户能够配合任意设备实现听觉上的环境拟真效果，提高适用性。

附图说明

附图1为本发明实施例1中基于无线智能耳机的环境声音拟真系统的工作模块示意图。

附图标记说明：1、无线耳机；2、扬声器单元；3、声波检测单元；4、声波单元；5、处理器；6、环境模拟单元。

具体实施方式

以下实施例中，声波检测模块与声波模块的时间同步，如果存在不同步情况，优先将其同步后再进行交互；如果存在难以同步的情况，通过两次收发信号筛除时间差也能得到精确的飞行时间，从而解算出相对准确的位置信息，本司过往申请文件中(202011329162.1)已有详解，这里不再赘述。

实施例1：一种基于无线智能耳机的环境声音拟真系统，参照附图1，包括布置在无线耳机1上的扬声器单元2，这里，扬声器单元2接收设备发送的电讯号，转化形成音频播放，向用户传达声音信号；另外，这里的扬声器单元2不仅限于扬声器本体，还包括支持扬声器实现音量、音色、音域、频率调节的其他模块，实际调节效果根据需求或耳机已有器件决定。

还包括声波单元4和声波检测单元3，由于声波单元4需要能够发出超声波定位信号，声波单元4为具有扬声器发音功能的单元模块，由于声波检测单元3需要能够接收到直达的超声波定位信号，声波检测单元3为具有麦克风收听功能的单元模块，这里，声波单元4布置于场景顶面的墙壁上，且呈点阵式分布，每个声波单元4在场景中的位置和相对距离已知，且数量最少为3个；这里，声波检测单元3为无线耳机1上自带的麦克风模块，两侧的无线耳机1单体上分别具有一个声波检测单元3，使用过程中，声波单元4实时发出超声波定位信号分别被两侧的声波检测单元3收到，声波单元4具有超声波定位信号的发射时刻，声波检测单元3具有收到超声波定位信号的时刻，通过飞行时间即可解算出一个声波单元4到一个声波检测单元3的距离，基于任意3个声波单元3，以其作为圆心，它们到声波检测单元3的距离为半径作球，排除不可能位置的交点后，就能够找到该声波检测单元3在三维空间中的具体位置。

还包括环境模拟单元6和处理器5，其中，环境模拟单元6被配置用于模拟声源位置，从而为处理器5提高声源位置信息，同时，与声波单元4和声波检测单元3联通的处理器5接收到声波单元4和声波检测单元3传来的数据后，能够实时解算出用户在三维空间中的位置，基于用户位置和模拟的声源位置信息，处理器5根据物理规律得出此时用户能够从该位置听到的声音是怎样的，从而驱动与其连接的扬声器单元2模拟发出相似的音频。

一种基于无线智能耳机的环境声音拟真方法，包括以下步骤：

S1：用户佩戴上无线耳机1后，布置于顶部的多个声波单元4发射出超声波定位信号，无线耳机1上的声波检测单元3检测到直达的超声波定位信号后，将采集到的数据传输给处理器5，处理器5根据时间信息解算出声波单元4与声波检测单元3的相对距离，并根据多个相对距离计算出声波检测单元的精确位置，记录此个声波检测单元的初始位置，此位置近似等于用户耳朵位置。

S2：环境模拟单元6根据虚拟现实中虚拟发生物体与用户的相对位置，在实际场景中选定一相对位置相同的地方模拟出声源位置，并将模拟声源位置的位置信息传递给处理器5。

S3：处理器5根据模拟声源位置与初始位置的相对位置，判断在实际场景中，用户能够听到的音频特点，并控制扬声器单元2发出模拟音频；

其中，判断种类根据实际情况和耳机部件决定，包括音量大小、频率高低等等。

此时，配合VR眼镜等视觉设备，用户在虚拟环境中走动时或与虚拟视觉环境交互时，能够捕捉到用户的动态变化和轨迹，靠近虚拟发声物体时，无线耳机中的音量即逐步增大，远离虚拟发声物体时，无线耳机中的音量逐步减小，从而给予用于更加真实的体验和交互效果。

实施例2：一种基于无线智能耳机的环境声音拟真系统，包括布置在无线耳机1上的扬声器单元2，这里，扬声器单元2接收设备发送的电讯号，转化形成音频播放，向用户传达声音信号；另外，这里的扬声器单元2不仅限于扬声器本体，还包括支持扬声器实现音量、音色、音域、频率调节的其他模块，实际调节效果根据需求或耳机已有器件决定。

还包括声波单元4和声波检测单元3，由于声波单元4需要能够发出超声波定位信号，声波单元4为具有扬声器发音功能的单元模块，由于声波检测单元3需要能够接收到直达的超声波定位信号，声波检测单元3为具有麦克风收听功能的单元模块，这里，声波单元4布置在智能手机上；这里，声波检测单元3为无线耳机1上自带的麦克风模块，两侧的无线耳机1单体上分别具有一个声波检测单元3，使用过程中，智能手机上的声波单元4实时发出超声波定位信号分别被两侧的声波检测单元3收到，声波单元4具有超声波定位信号的发射时刻，声波检测单元3具有收到超声波定位信号的时刻，通过飞行时间即可解算出一个声波单元4到一个声波检测单元3的距离，基于两个飞行距离和两个耳机的不变距离，可解算出夹角及其变化情况。

还包括环境模拟单元6和处理器5，其中，环境模拟单元6被配置用于模拟声源位置，从而为处理器5提高声源位置信息，同时，与声波单元4和声波检测单元3联通的处理器5接收到声波单元4和声波检测单元3传来的数据后，能够实时解算出用户在三维空间中的位置，基于用户位置和模拟的声源位置信息，处理器5根据物理规律得出此时用户能够从该位置听到的声音是怎样的，从而驱动与其连接的扬声器单元2模拟发出相似的音频。

一种基于无线智能耳机的环境声音拟真方法，包括以下步骤：

S1：用户佩戴上无线耳机1后，布置于智能手机上单个声波单元4发射出超声波定位信号，无线耳机1上的声波检测单元3检测到直达的超声波定位信号后，将采集到的数据传输给处理器5，处理器5根据时间信息解算出声波单元4与声波检测单元3的相对距离，并根据2个相对距离计算出所夹角度，记录此刻的2个相对距离和夹角大小。

S2：环境模拟单元6此时根据用户需求(输入数据)，将声源位置放置在智能手机处或者模拟至其他位置，记录此位置与智能手机的相对位置信息，并上报给处理器5。

S3：用户佩戴者无线耳机1在环境中位移，由于使用场景原因，基本可将这种位移看做是在一个平面中的移动，移动后2个声波检测单元3与声波单元4的相对距离及其夹角均发生了变化，处理器5判断2个声波检测单元3的距离相对模拟声源位置分别是变近了还是变远了，从而控制扬声器单元2音量随之变化。

其中，距离变远时，控制扬声器单元2音量减小，距离变近时，控制扬声器单元2音量变大。

此时，不仅可以模拟未佩戴耳机时的效果，为用户提供更多操控乐趣，还可以用于寻找智能设备，耳机寻找手机或手机寻找手机，在接近时提示音放大，在远离时声音变小等等。

采用上述方案，通过分别布置在无线耳机和场景/设备上的声波检测单元与声波单元，实时收发声波定位信号，得到无线耳机在场景中的实时位置和动态变化，配合环境模拟单元模拟的实时声源位置，使得处理器能够控制扬声器实时调节播放音频的音量、频率、音域等，从而为用户提供随其动作状态变化的拟真环境声音，增强人机交互，提高用户体验。

另外，随着声波单元和/或声波检测单元数量的递增，定位信息从相对距离、相对角度到绝对定位，完全捕捉到用户在三维空间中的动态变化和运动轨迹，即使左右摇头，两耳听到的声音也是有不同变化的，进一步提高了拟真系统的拟真精度。

另外，仅佩戴耳机使用时，通过环境模拟单元将声源位置定位到播放设备：手机、音响、电视等智能终端或其他虚拟位置，使得用户能够配合任意设备实现听觉上的环境拟真效果，提高适用性。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。