近场头相关传输函数的多声源快速测量系统设计与验证

近场头相关传输函数(HRTF)是双耳听觉科学研究和虚拟听觉重放应用的重要基础数据。近场HRTF测量系统要求具有高的测量效率、精度和重复性,以至于目前未见文献解决真人受试者的近场HRTF测量困难。本文研究并实现了一种计算机控制的近场HRTF的高效测量系统,并提出系统的快速校准方法,首先实现了真人受试者的近场HRTF测量。通过声学、机械与电子硬件和软件的综合设计,提高了测量效率。通过准确校准声源、受试者和双耳传声器的位置,提高了测量精确度和重复性。系统可用于1.0 m范围内不同声源距离的真人受试者以及人工头的近场HRTF测量,单个声源距离的全空间近场HRTF测量时间减少至20 min以内。测量结果表明,系统测量精度满足实际需求,可用于科学研究和个性化近场HRTF测量及数据库建立。      

不同测量对头相关传输函数的听觉影响

头相关传输函数(HRTF)是虚拟听觉重放的核心·目前,HRTF的实验室测量缺乏统一的规范。本文研究了不同测量对HRTF的听觉影响。首先提出了扩散场均衡的预处理方法,并对来自5个不同数据库的KEMAR假人的HRTF数据进行了扩散场均衡;然后,采用谱差异评估了不同数据库HRTF测量的频谱差异;最后,采用HRTF合成的虚拟声信号开展了一系列的主观听音实验,包括定位实验和区分实验·结果表明,扩散场均衡是一种有效的HRTF预处理方法,可以减小不同测量对HRTF频谱的影响;不同测量基本上不影响HRTF在12 kHz以下的定位效果,但对音色的影响较大,从而导致听觉上的可区分.      

头相关传输函数与虚拟听觉

头相关传输函数(HRTF)是自由场情况下点声源到双耳的声学传输函数,它包含了有关声源的主要空间信息,因而在双耳空间听觉的研究方面有非常重要的意义.作为HRTF的一个重要的应用,虚拟听觉则是近二十年发展起来的新技术,它利用HRTF进行信号处理,模拟出声波从声源到双耳的传输,从而在耳机或扬声器重放中虚拟出相应的空间听觉.虚拟听觉技术在有关听觉的科学实验、通信、多媒体与虚拟现实、家用声重放、室内声学设计等科学研究、工程技术、消费电子领域都有重要的应用价值.近十多年来,国际上有关HRTF和虚拟听觉技术的研究发展很快,已成为声学、信号处理、听觉等研究领域的热门与前沿课题,并已在众多的领域得到应用.     

头相关传输函数幅度谱的听觉空间分辨阈值的分析

提出一种分析头相关传输函数(head-related transfer function,HRTF)幅度谱的听觉空间分辨阈值模型。采用数值计算得到的高空间分辨率HRTF数据,计算了声源空间位置变化引起的HRTF幅度谱的变化,进一步利用Moore响度模型分析双耳响度级差、双耳响度级谱和总响度级等三个听觉感知量的变化。根据现有的3个听觉感知量最小可察觉差异,模型利用双耳响度级差和双耳响度级谱的变化得到的估计结果与心理声学实验一致,因此是一种有效预测听觉空间分辨阈值的方法,可用于为简化虚拟听觉信号处理和数据储存。     

头相关传输函数幅度谱的听觉空间分辨阈值的分析

提出一种分析头相关传输函数(head-related transfer function,HRTF)幅度谱的听觉空间分辨阈值模型。采用数值计算得到的高空间分辨率HRTF数据,计算了声源空间位置变化引起的HRTF幅度谱的变化,进一步利用Moore响度模型分析双耳响度级差、双耳响度级谱和总响度级等三个听觉感知量的变化。根据现有的3个听觉感知量最小可察觉差异,模型利用双耳响度级差和双耳响度级谱的变化得到的估计结果与心理声学实验一致,因此是一种有效预测听觉空间分辨阈值的方法,可用于为简化虚拟听觉信号处理和数据储存。      

重放自由场虚拟源距离信息的动态双耳Ambisonics方法

双耳重放的目标之一是在耳机重放中产生不同方向和距离的虚拟源感知。本文研究了动态双耳Ambisonics重放自由场虚拟源方向和距离信息的简化信号处理方法。该信号处理方法包括两步:第1步是基于目标声场的球谐函数分解,合成采用扬声器的近场Ambisonics重放中逐级重构目标声场的信号;第2步是采用虚拟扬声器重放的方法,用动态头相关函数滤波处理将Ambisonics的扬声器重放信号转换为双耳重放信号并用耳机重放。进一步研究了动态双耳Ambisonics的阶数对定位效果的影响,为简化信号处理提供依据。对重放产生的双耳声压分析表明,5阶动态双耳Ambisonics重放足以提供听觉方向定位和距离感知的重要信息。同时心理声学的实验结果表明,结合声源距离相关的响度因素,5阶动态双耳Ambisonics重放可产生不同方向和1.0 m以下不同近场距离的自由场虚拟源的听觉感知。本文的方法仅需要固定距离的48个均匀空间方向的远场非个性化HRTF处理,实现了信号处理的简化。      

5.1通路环绕声的耳机虚拟重放

提出了一种改进的5.1通路环绕声的耳机虚拟重放信号处理方法。在对现有的信号处理方法进行分析,指出它会产生不自然主观听觉效果后,通过理论和心理声学实验证明,采用HRTF信号处理、环绕声信号去相关等方法,在克服普通耳机声重放的“头中定位”的缺点、虚拟出多环绕扬声器效果的同时,并未带来新的不自然听觉效果。因此信号处理方法可增加听觉上的包围感,从而改善耳机重放的主观听觉效果。     

头相关传输函数空间采样、插值与环绕声重放

从空间方向采样的角度对头相关传输函数(HRTF)空间插值、多通路环绕声重放进行了分析,证明了它们在数学上是完全等价的,不同的HRTF空间插值方法对应于不同的多通路环绕声信号馈给,并给出了多通路环绕声信号馈给以及立体声的正弦定理更严格的数学推导。分析指出企图用相邻线性插值的方法得到侧向的HRTF是错误的,并从保证声像定位的角度,对现有的HRTF相邻线性插值公式进行了修正。分析最后指出,HRTF以及虚拟声的许多分析方法可与多通路环绕声相互借鉴。     

民乐与国画交互审美的增效效果研究

利用视觉和听觉的交互和整合特性,探究视听交互匹配方式在民乐与国画欣赏中的审美增效作用。首先构建具有美感属性类别和情感维度信息标签的民乐和国画样本集,然后根据不同美感类别在共享情感空间下的分布情况,提出了基于情感维度比例关系的近似距离类别匹配法。通过基于耳机重放虚拟听音与视觉刺激相结合的实验方式验证了该视听匹配方法的有效性,并创新性的提出基于模糊统计理论的美感测度计算方法以及审美增益的量化数值计算模型。该计算结果显示听觉对视觉的美感平均增益率约36%,视觉对听觉的美感平均增益率约33%。视觉对于正性审美情绪的作用相对较大,听觉对于负性审美情绪的影响较大。      

基于个体张量分解与模态的头相关传输函数重构

远场头相关传输函数(HRTF)随声源方向、频率以及个体变化。完整HRTF的数据量很大,且测量或计算每个人的高方向分辨率HRTF是很困难的。本文提出一种从少量方向的测量或计算重构高方向分辨率HRTF的方法。基于HRTF张量分解,远场HRTF可分解为方向模态、频率模态和少量个体模态的张量组合。通过对已有的基线HRTF数据库进行统计分析,可得到与个体无关的方向模态矩阵和频率模态矩阵。而对于任何新的个体,只要少量方向的测量或计算HRTF即可估计出个体模态的变化,并重构出高方向分辨率的HRTF数据。对两个HRTF数据库的计算表明,采用11个个体模态即可表示超过98%的个体相关的HRTF能量变化,并从大约30个方向的测量或计算HRTF重构出高方向分辨率的HRTF幅度。心理声学实验验证了提出的方法。该方法可用于简化个性化HRTF的测量或计算。     

头相关传递函数测试新方法

正头相关传递函数(Head-related transfer function,HRTF)描述了自由声场的声波从声源发出传播到双耳的过程中由于人体反射和散射引起的信号频谱改变。HRTF在双耳定位、虚拟声像合成以及串音消除的研究中发挥着重要的作用。在有关HRTF的研究工作中,HRTF数据库的获取是一个重要的问题。HRTF是高度个性化的。为了使得测试数据具有足够的空间分辨率,需要在一系列的仰角和方位角进     

前方空间环绕声的四扬声器虚拟重放

考虑头部转动带来的动态因素对听觉垂直定位的贡献,提出了前方空间环绕声的四扬声器虚拟重放方法。4个扬声器分别布置在水平面左前、右前以及高仰角的左前上、右前上方向,并采用听觉传输信号处理的方法将多通路空间环绕声信号转换为4个扬声器的重放信号。以9.1通路空间环绕声虚拟重放为例,采用头相关传输函数对双耳声压及其包含的定位因素进行分析表明,该方法可以产生正确的双耳时间差及其随头部转动的变化,从而产生合适的侧向定位双耳因素和垂直定位的动态因素。而心理声学实验结果表明,该方法可以重放稳定的前方空间的水平和垂直虚拟源。因此,四扬声器布置结合听觉传输处理足以重放前方空间环绕声的垂直定位信息,实现多通路空间环绕声的向下混合与简化。      

一种用于手持式播放装置的立体声扩展方法

手持式播放装置的一对立体声扬声器相对倾听者的张角窄、距离近,影响立体声重放效果。针对这类应用提出了一种立体声扩展方法,它采用远场和近场头相关传输函数(HRTF)设计听觉传输滤波器并将低频信号滤除。该方法适应了近距离扬声器重放并避免了窄张角扬声器布置带来的信号处理中过分的低频提升问题。该方法不但能改善重放性能,且对计算和存储量要求较低,适合于手持式播放装置的信号处理硬件配置。声像定位实验验证了该方法的效果。     

一种快速合成多虚拟声源的头相关传输函数模型

提出了一种用于实时快速合成多个虚拟声源的头相关传输函数(HRTF)模型。首先对水平面的头相关脉冲响应(HRIR,头相关传输函数的时域形式)数据进行两层小波包分解,然后用一组子带滤波器和综合滤波器建立模型。子带滤波器的系数由HRIR小波系数的零插值得到,综合滤波器的系数由小波函数计算得到。通过使用阈值法对小波系数进行压缩,即可达到简化模型、减小运算量的目的。计算表明,只需要使用30点的小波系数建模,可使模型的重构误差控制在1%的量级。而心理声学实验表明,使用35点的小波系数,模型可得到和原始的HRTF滤波器相当的听觉效果。在同时合成多个虚拟声源的实时计算中,模型的运算量明显小于普通的HRTF滤波器。      

扬声器的特性不匹配对虚拟声像的影响

本文从理论和实验上探讨了扬声器的特性不匹配对重放虚拟声像的影响。结果表明,用两扬声器进行虚拟听觉重放时,在某些频率段和虚拟声像角度,两扬声器间很小的幅频特性差异或相频特性差异都足以对虚拟声像方向产生明显的影响。扬声器特性的差异对前方范围的声像影响较小,但对侧向范围的声像影响较大,因而两扬声器的特性不匹配也是导致虚拟听觉重放时侧向声像位置畸变的重要原因之一。而在实际应用中要特别注意两扬声器的特性匹配,或者要用信号处理的方法对两扬声器的特性进行校正。     

两扬声器虚拟声重放的双耳声压控制与定位性能

在两扬声器虚拟声重放中,通过精确重构双耳声压而产生不同的空间听觉感知。其重放的定位性能应该是由双耳声压控制的代价和稳定性所共同决定的。过去研究主要对双耳声压控制的稳定性进行分析,并以此作为扬声器布置和信号处理的依据。该文研究表明仅对双耳声压的稳定性分析是不足以完全衡量扬声器虚拟声重放的定位性能的。进一步采用虚拟声信号处理滤波器响应平均功率对双耳声压控制的代价进行分析。结果表明,缩窄左右对称扬声器布置的张角或采用非对称扬声器布置会明显增加产生侧向目标虚拟源时的双耳声压控制代价。虚拟源(虚拟声像)定位实验表明,双耳声压控制代价增加会引起虚拟源定位缺陷。实际应用中,为了有效产生侧向虚拟源,应避免采用过窄张角(如立体声偶极)和非对称的扬声器布置。     

球谐函数展开的个性化双耳时间差模型

基于空间球谐函数展开,提出了一种空间方向连续的个性化双耳时间差(ITD)模型,并导出了ITD测量的空间采样理论。52名受试者的计算结果表明,本文模型所包含的前六阶球谐展开项可充分表征ITD的空间变化特性,包括左右对称和前后不对称。利用39个空间方向的ITD测量值可准确重构空间方向连续的个性化ITD函数,而利用头部和耳部的四个生理参数的测量值,也可近似预测空间方向连续的个性化ITD函数。本文模型的结构和精度均优于现有的同类模型,可应用于个性化ITD的简化测量以及生理参数定制。      

环绕声重放中通路信号相关性与听觉空间印象

通过心理声学实验研究了5.1通路环绕声重放中前方左、右,以及左环绕、右环绕四个扬声器通路信号相关性与听觉空间印象之间的关系。结果表明,对前方左、右扬声器重放或左环绕、右环绕扬声器重放,都可以通过控制通路信号的相关系数在一定程度上改变前方或后方声像的宽度。对不同频率范围的信号,声像宽度与通路信号的相关系数之间的定量关系有所不同。但对一对侧向扬声器重放,基本上不能通过控制通路信号相关系数来改变声像的宽度,并且声像宽度很窄。对于前方和环绕两对扬声器同时重放,对粉红噪声和中心频率不大于1 kHz的倍频程信号,适当控制各扬声器对通路信号的相关系数可以获得较强的包围感;但是对中心频率为2 kHz和4 kHz的倍频程信号则无法获得包围感。进一步的理论计算和实验测量结果表明,重放声像宽度和双耳听觉互相关系数(IACC)并没有唯一对应的关系,这可能和IACC的计算方法有关。对于IACC的计算方法和适用性还需要进一步的实验验证。本文的结果将有助于实际的环绕声节目制作和评价。      

推介谢菠荪教授的专著《头相关传输函数与虚拟听觉》

非常欣喜地向大家推介谢菠荪教授的专著《头相关传输函数与虚拟听觉》一书(国防工业出版社出版,北京,2008年1月)。这是我国的第一部系统论述"头相关传输函数(HRTF)"与"虚拟听觉(Virtual Audi- tory)"的专著,也是近15年来国际上第一本全面论述这些领域研究和应用的著述,它包含了国际上在这个领域的理论、实验与应用的主要内容。     

Ambisonics声捡拾与重放音色的双耳听觉模型分析与实验

提出用双耳听觉模型对空间声音色进行分析的普遍方法,并以Ambisonics为例进行了分析。Ambisonics是基于物理声场重构的空间声系统,其最终重构声场误差以及音色改变是由传声器捡拾和重放空间混叠误差共同引起的。采用修正的Moore双耳响度模型计算了Ambisonics重构声场的双耳响度级谱并和目标声场的情况比较,从而定量评价重构声场的音色改变。结果表明,在理想捡拾信号的情况下,无音色改变重放的上限频率和区域大小随Ambisonics的阶数而增加。而对于传声器阵列捡拾的情况,只要阵列的上限频率大于Ambisonics重放的上限频率,在重放的上限频率以下,传声器阵列空间混叠误差对最终重构声场及其感知音色的影响就可以忽略。在此基础上,提出了一种综合考虑捡拾与重放性能的Ambisonics系统优化设计方法。心理声学实验得到了和双耳听觉模型一致的结果,从而也验证了模型分析的有效性。