專利名稱：一種基于耳機(jī)的虛擬3d重放方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及3D語音重構(gòu)領(lǐng)域，具體涉及到一種基于耳機(jī)的虛擬3D重放方法。
背景技術(shù)：
基于耳機(jī)的虛擬3D重放技術(shù)是通過模擬空間某點(diǎn)聲源在兩耳產(chǎn)生的聲場，使聽者感覺到虛擬聲源是從空間對應(yīng)位置發(fā)出。該種技術(shù)主要采用的是頭相關(guān)傳遞函數(shù)(Head-Related Transfer Function, HRTF)及模擬房間混響的方法來虛擬空間某點(diǎn)聲源。頭相關(guān)傳遞函數(shù)HRTF是ー種聲音定位的處理技木，在自由場條件下聲源到耳膜之間的傳遞函數(shù)，其包括頭、耳廓、肩等對聲音傳輸?shù)挠绊?。而房間混響的合成常采用映像image方法，它是將原聲源經(jīng)墻面反射后的點(diǎn)用原聲源的映像來表示，而映像后的點(diǎn)又作為新的聲源。在某一時刻聽者雙耳的聲壓是包括映像點(diǎn)的所有聲源在該時刻的聲壓之和。傳統(tǒng)的映像image方法在實(shí)現(xiàn)過程中未詳細(xì)考察聲音在真實(shí)環(huán)境中傳輸?shù)奶匦?，例如聲音在空氣中傳輸時不同頻率的衰減差異問題、墻面材料對聲源不用頻率成分吸收的程度變化問題等。因此，在合成虛擬3D效果時存在“頭外”不明顯、距離感不強(qiáng)、及空間感知不自然等問題。“頭外”通常是指聽者感覺到的音像位置在頭的外部。那么，如何克服以上的問題，實(shí)現(xiàn)“頭外”效果明顯，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的虛擬3D效果，是本發(fā)明所要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于耳機(jī)的虛擬3D重放方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)的虛擬3D重放方法中存在的虛擬效果距離感不強(qiáng)?？臻g感知不自然以及“頭外”效果不明顯的問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一方面提供了一種基于耳機(jī)的虛擬3D重放方法，該方法包括設(shè)定虛擬3D聲源的參數(shù)；計(jì)算空氣對聲音的吸收值，據(jù)以計(jì)算聲音的聲壓衰減因子；計(jì)算房間脈沖響應(yīng)RIR ；計(jì)算RIR每樣點(diǎn)與接收點(diǎn)位置距離，據(jù)以計(jì)算原聲源經(jīng)傳輸該距離后的聲壓；以插值法處理墻面頻率點(diǎn)的吸收系數(shù)，以獲得増加空氣衰減及墻面吸收后的房間脈沖響應(yīng)；計(jì)算聲源點(diǎn)和頭位置之間的水平角度和仰角，以選擇最接近的頭相關(guān)傳輸函數(shù)HRTF ；將HRTF與増加空氣衰減及墻面吸收后的房間脈沖響應(yīng)卷積，以獲得雙耳房間脈沖響應(yīng)BRIR ；將BRIR與輸入聲信號卷積，以實(shí)現(xiàn)基于耳機(jī)的虛擬3D聲信號。 本發(fā)明的一實(shí)施例依照用耳機(jī)播放與揚(yáng)聲器播放的差異，増加聲音在空氣中傳輸?shù)奶匦?、墻面對聲音吸收特性及HRTF與image方法的聯(lián)合實(shí)現(xiàn)技術(shù)，解決耳機(jī)重放時的“頭內(nèi)”問題、距離方位感、房間特性等問題，從而實(shí)現(xiàn)基于耳機(jī)的虛擬3D效果。


圖I為依據(jù)本發(fā)明ー實(shí)施例的基于耳機(jī)的虛擬3D重放方法的實(shí)現(xiàn)原理圖；圖2為依據(jù)本發(fā)明ー實(shí)施例的基于耳機(jī)的虛擬3D重放方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面通過附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)ー步的詳細(xì)描述。 當(dāng)聲源經(jīng)過揚(yáng)聲器播放時，人能比較準(zhǔn)確的感知到頭外聲源的方位，距離感以及房間特性。本發(fā)明就是依照耳機(jī)播放與揚(yáng)聲器播放的差異，來補(bǔ)償用耳機(jī)重放時導(dǎo)致3D效果不明顯的問題。具體地說，増加聲音在空氣中傳輸?shù)奶匦?、墻面對聲音吸收特性及HRTF與image方法的聯(lián)合實(shí)現(xiàn)等技術(shù)，來解決耳機(jī)重放時的聽者感覺到的音像位置位于頭的內(nèi)部的“頭內(nèi)”問題、距離方位感、房間特性等問題，從而實(shí)現(xiàn)基于耳機(jī)的虛擬3D效果。如圖I所示，其為依據(jù)本發(fā)明ー實(shí)施例的基于耳機(jī)的虛擬3D重放方法的實(shí)現(xiàn)原理圖。為解決基于耳機(jī)的虛擬3D中的“頭外”、距離感以及對房間特性感知等問題，本發(fā)明在傳統(tǒng)image方法的基礎(chǔ)上模擬聲音在房間中真實(shí)的傳輸特性，如考慮空氣對不同頻率成分的衰減、墻面對聲音吸收以及對每個映像點(diǎn)作HRTF方向定位。其中，改進(jìn)房間模型模塊除包括映像image方法生成的沖擊響應(yīng)外，還將聲音在空氣中傳輸?shù)恼鎸?shí)特性集成，并且模擬真實(shí)特定的墻面對聲音的吸收以及對每個聲源點(diǎn)(包括image映像點(diǎn))對沖擊響應(yīng)的影響?；贖RTF的雙耳合成模塊首先根據(jù)所需虛擬的3D位置，如與頭中心相應(yīng)的角度及距離，在MIT KEMAR數(shù)據(jù)庫中獲取對應(yīng)的HRTF函數(shù)；然后將HRTF與房間沖擊響應(yīng)作卷積模擬出雙耳房間脈沖響應(yīng)(Binaural Room Impulse Response, BRIR),最后將模擬出的BRIR與輸入的聲源作卷積，即實(shí)現(xiàn)耳機(jī)虛擬3D效果。當(dāng)聲音在空氣中傳輸時，隨著距離的增加，會有能量衰減的特性；而且空氣對聲音的不同頻率成分的衰減程度也不相同，其中，對高頻成分衰減比低頻成分要大?？諝馕展饺缦? = /2[1.84xl0-11(^)-1(^r)1/2 +( -572
PsO 1OT0
ル278x10-2 exp(-2239.1/n 1.068X10'1 exp(-3352/r),_, (1){----+----}]
fr,0 +f 丨 fr，0fr,N + f 丨 fr，N其中，f為頻率，ps為大氣壓，Ps0為參考大氣壓(101. 325kPa)，T0為參考空氣溫度(293. 16)，fr,0、f；,N分別為氧氣與氮?dú)獾慕刂诡l率。通過增加空氣對聲音的衰減可以更自然的合成聲音的傳輸，從而增加對房間特性及聲源距離的感知，提高虛擬3D的真實(shí)感。另ー方面，由于墻面的材料對不同的頻率成分吸收也不同，本發(fā)明將此墻面的材料對不同的頻率成分吸收特性引入至虛擬3D的效果中，對不同的頻率成分按照頻率點(diǎn)125，250，500，1000，2000，4000 (Hz)的吸收系數(shù)作處理，而對這些頻率點(diǎn)之外的頻率通過插值算法處理，以模擬真實(shí)房間墻面的特性，増加虛擬3D的自然感。最后，根據(jù)映像法image方法原理，將每個映像點(diǎn)重新作為新的聲源，也就是說針對這些映像點(diǎn)也有對應(yīng)的方位信息，將所有映像點(diǎn)作為新的聲源，然后計(jì)算映像點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)映像點(diǎn)的坐標(biāo)判斷出映像點(diǎn)與接收點(diǎn)之間的角度，據(jù)此采用與此方位在在MIT KEMAR數(shù)據(jù)庫中查找最接近的HRTF與之卷積，從而更準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)虛擬3D效果。請參考圖2，其為具體實(shí)現(xiàn)上述原理的方法流程圖。在步驟S201中，設(shè)定虛擬3D聲源的參數(shù)； 這些參數(shù)包括，如墻面吸收材料，空氣特性參數(shù)(濕度，溫度)、房間大小 、源位置、接收mic位置等。在步驟S202中，計(jì)算空氣對聲音的吸收值a,依據(jù)a和公式p = exp (~a)計(jì)算聲音的聲壓衰減因子P ；在步驟S203中，以計(jì)算房間脈沖響應(yīng)RIR ；優(yōu)選采用映像法來計(jì)算房間脈沖響應(yīng)，但是也可以采用其他的方法，不作為限制。在步驟S204中，計(jì)算RIR每樣點(diǎn)與接收點(diǎn)位置距離d，依據(jù)d計(jì)算原聲源經(jīng)傳輸d距離后的聲壓；求出沖擊響應(yīng)的每樣點(diǎn)與接收mic位置的距離，記為d，然后依據(jù)步驟B求出的衰減因子P求出增加空氣衰減后的聲壓，即P(d) = p0exp (-ad),其中pQ為原聲源經(jīng)過傳輸距離d之后的聲壓。在步驟S205中，以插值法處理墻面頻率點(diǎn)的吸收系數(shù)，以獲得増加空氣衰減及墻面吸收后的房間脈沖響應(yīng)；針對墻面對其它頻率點(diǎn)的吸收系數(shù)采用插值的方法進(jìn)行處理，將兩頻率點(diǎn)之間插256個點(diǎn)以近似實(shí)現(xiàn)墻面對不同頻率的吸收，公式如下
權(quán)利要求
1.一種基于耳機(jī)的虛擬3D重放方法，其特征在于，包括 設(shè)定虛擬3D聲源的參數(shù)； 計(jì)算空氣對聲音的吸收值，據(jù)以計(jì)算聲音的聲壓衰減因子； 計(jì)算房間脈沖響應(yīng)RIR; 計(jì)算RIR每樣點(diǎn)與接收點(diǎn)位置距離，據(jù)以計(jì)算原聲源經(jīng)傳輸該距離后的聲壓； 以插值法處理墻面頻率點(diǎn)的吸收系數(shù)，以獲得増加空氣衰減及墻面吸收后的房間脈沖響應(yīng)； 計(jì)算聲源點(diǎn)和頭位置之間的水平角度和仰角，以選擇最接近的頭相關(guān)傳輸函數(shù)HRTF ；將HRTF與增加空氣衰減及墻面吸收后的房間脈沖響應(yīng)卷積，以獲得雙耳房間脈沖響應(yīng) BRIR ； 將BRIR與輸入聲信號卷積，以實(shí)現(xiàn)基于耳機(jī)的虛擬3D聲信號。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述設(shè)定虛擬3D聲源的參數(shù)的步驟中虛擬3D聲源的參數(shù)包括墻面吸收材料、空氣特性參數(shù)、房間尺寸、源位置以及接收點(diǎn)位置。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在計(jì)算空氣對聲音的吸收值的步驟中，按照公式
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述據(jù)以計(jì)算聲音的聲壓衰減因子的步驟中采用指數(shù)函數(shù)P = exp (-a),計(jì)算聲壓衰減因子P。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在據(jù)以計(jì)算原聲源經(jīng)傳輸該距離后的聲壓的步驟中以出p(d) = p0exp (-ad)計(jì)算增加空氣衰減后的聲壓,其中,P(!為原聲源經(jīng)過傳輸距離d之后的聲壓。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在以插值法處理墻面頻率點(diǎn)的吸收系數(shù)的步驟中，插值法對墻面的兩頻率點(diǎn)之間插256個點(diǎn)。
7.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述計(jì)算聲源點(diǎn)和頭位置之間的水平角度和仰角的步驟中，所述聲源點(diǎn)包括映像點(diǎn)。
8.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在選擇最接近的頭相關(guān)傳輸函數(shù)HRTF的步驟中，所述最接近的HRTF是在HRTF數(shù)據(jù)庫中選取的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于耳機(jī)的虛擬3D重放方法，其包括設(shè)定虛擬3D聲源的參數(shù)；計(jì)算空氣對聲音的吸收值，計(jì)算聲音的聲壓衰減因子；計(jì)算房間脈沖響應(yīng)RIR；計(jì)算RIR每樣點(diǎn)與接收點(diǎn)位置距離d，依據(jù)d計(jì)算原聲源經(jīng)傳輸d距離后的聲壓；以插值法處理墻面頻率點(diǎn)的吸收系數(shù)，以獲得增加空氣衰減及墻面吸收后的房間脈沖響應(yīng)；計(jì)算聲源點(diǎn)和頭位置之間的水平角度和仰角，以選擇最接近的頭相關(guān)傳輸函數(shù)；將HRTF與增加空氣衰減及墻面吸收后的房間脈沖響應(yīng)卷積，以獲得雙耳房間脈沖響應(yīng)BRIR；將BRIR與輸入聲信號卷積，以實(shí)現(xiàn)基于耳機(jī)的虛擬3D聲信號。依照本發(fā)明提供的方法可較好地解決耳機(jī)重放時的“頭內(nèi)”問題、距離方位感、房間特性等問題，從而實(shí)現(xiàn)基于耳機(jī)的虛擬3D效果。
文檔編號H04R1/10GK102665156SQ20121008375
公開日2012年9月12日 申請日期2012年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月27日
發(fā)明者付強(qiáng), 夏日升, 李軍鋒, 顏永紅 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所, 北京中科信利技術(shù)有限公司