本發(fā)明涉及3d虛擬聲技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于遠(yuǎn)場信息的近場中垂面虛擬聲的合成方法。

背景技術(shù)：

虛擬聲重放采用聲信號處理的方法模擬特定空間方位的虛擬聲像，從而使聽者產(chǎn)生沉浸感和臨場感。由于重放設(shè)備(通常是耳機(jī))簡單、便攜，虛擬聲重放在多媒體電腦、個人音頻移動終端等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。頭相關(guān)傳輸函數(shù)(head-relatedtransferfunction,hrtf)是虛擬聲信號處理的關(guān)鍵。hrtf是自由場情況下聲源到雙耳的聲學(xué)傳輸函數(shù)，和聲源方位、距離、聲波頻率、聽者生理結(jié)構(gòu)等相關(guān)。當(dāng)聲源到聽者頭部的距離大于1.0米，hrtf幾乎不隨距離而改變，稱為遠(yuǎn)場hrtf；而當(dāng)聲源到聽者頭部的距離小于1.0米，hrtf隨距離發(fā)生明顯變化，稱為近場hrtf。近場hrtf包含了聲源距離定位的信息，因此它在雙耳距離定位機(jī)理的研究中具有重要意義；同時，隨著手持播放設(shè)備的普及(例如手機(jī))，也需要采用近場hrtf進(jìn)行近場虛擬聲重放的信號處理。

目前，近場hrtf數(shù)據(jù)主要通過測量得到。在實際的近場hrtf測量中，主要存在以下三個方面的困難：(1)由于測量聲源和受試者較近，聲波將不可避免地發(fā)生多重散射和繞射問題，因此需要特定的小尺寸聲源；(2)由于近場hrtf和距離有關(guān)，因此需要分別測量不同距離的hrtf，其工作量非常大。(3)hrtf和受試者的生理結(jié)構(gòu)有關(guān)(例如頭部大小、耳廓細(xì)微結(jié)構(gòu)等)。原則上，為了獲得最佳的聲重放效果，需要測量每一個聽者(即受試者)的近場hrtf。目前，已有多個課題組建立了遠(yuǎn)場hrtf數(shù)據(jù)庫，并在互聯(lián)網(wǎng)上公開，例如mit和cipichrtf數(shù)據(jù)庫。如果可以采用已知的遠(yuǎn)場hrtf推導(dǎo)出不同距離的近場hrtf，那就可以避免上述近場hrtf測量的困難，實現(xiàn)近場hrtf的便捷獲取。

聲像的空間定位主要分為水平方向定位和垂直方向定位。水平方位定位主要取決于左耳和右耳hrtf的差異，而垂直方向定位(特別是中垂面上的聲像定位)主要依賴hrtf的頻譜特征。因此，hrtf的頻譜特征的準(zhǔn)確度決定了中垂面聲像定位的準(zhǔn)確度；在中垂面遠(yuǎn)場hrtf推導(dǎo)近場hrtf的過程中，需要特別關(guān)注近場hrtf頻譜特征的準(zhǔn)確再現(xiàn)。

通常，hrtf的相關(guān)研究(包括現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫)采用頭中心坐標(biāo)系，其中hrtf的角度定義為聲源相對于頭中心的角度。然而，hrtf本身定義為聲源到雙耳的傳輸函數(shù)，hrtf數(shù)據(jù)也是在雙耳處進(jìn)行撿拾的。因此，在遠(yuǎn)場hrtf推導(dǎo)近場hrtf的過程中，為了保證近場hrtf頻譜特征的準(zhǔn)確性，需要考慮聲源相對于耳(而不是頭中心)的角度。計算表明，遠(yuǎn)場聲源相對于頭中心和相對于耳的角度大致相等；而近場聲源相對于頭中心和相對于耳的角度存在較大偏差，甚至可以達(dá)到30°。這意味著在通常的頭中心坐標(biāo)系情況下，不能直接用遠(yuǎn)場hrtf推導(dǎo)同角度的近場hrtf，需要考慮近場聲源在雙耳坐標(biāo)系和頭中心坐標(biāo)系兩種情況下的角度偏差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對遠(yuǎn)場hrtf推導(dǎo)近場hrtf過程中的角度偏差問題，本發(fā)明提供了一種基于角度修正的中垂面近場hrtf的獲取方法。本發(fā)明以遠(yuǎn)、近聲源對耳具有相同的角度為出發(fā)點，推導(dǎo)出中垂面近場hrtf在頭中心坐標(biāo)系中所對應(yīng)的遠(yuǎn)場hrtf的角度(即修正角度)，進(jìn)而從已有的采用頭中心坐標(biāo)系的遠(yuǎn)場hrtf數(shù)據(jù)庫中提取相應(yīng)的雙耳hrtf數(shù)據(jù)，供后續(xù)合成中垂面近場虛擬聲像。該方法可以準(zhǔn)確、便捷地合成中垂面任意聲源距離處的虛擬聲像。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)。

一種中垂面上近場虛擬聲像的合成方法，包括步驟：

步驟1、輸入已知數(shù)據(jù)，包括遠(yuǎn)場hrtf基線數(shù)據(jù)庫、三個距離參數(shù)，所述的三個距離參數(shù)包括遠(yuǎn)場聲源和頭中心的距離d、人頭半徑a、中垂面上近場目標(biāo)聲像和頭中心的距離d；

步驟2根據(jù)公式，計算右耳r的修正角度θ：

其中，改變中垂面上近場目標(biāo)聲像和頭中心的距離d，就可以獲得不同近場距離的修正角度；

步驟3、提取遠(yuǎn)場hrtffar(θ，r)作為近場目標(biāo)聲像的右耳hrtf，即hrtfnear(r)；提取遠(yuǎn)場hrtffar(-θ，l)作為近場目標(biāo)聲像的左耳hrtf，即hrtfnear(l)；

步驟4、將近場目標(biāo)聲像的雙耳hrtfnear和輸入聲信號進(jìn)行卷積，并饋給耳機(jī)或揚聲器進(jìn)行聲重放。

進(jìn)一步地，所述遠(yuǎn)場為距離頭中心1米以外的區(qū)域，所述近場為距離頭中心1米以內(nèi)的區(qū)域。

進(jìn)一步地，所述遠(yuǎn)場的hrtf的特征不隨距離而變化，而近場的hrtf的特征隨距離而變化。

進(jìn)一步地，步驟1中所述hrtf基線數(shù)據(jù)庫指目前已有公開的多個遠(yuǎn)場hrtf數(shù)據(jù)庫，包括美國麻省理工學(xué)院mithrtf數(shù)據(jù)庫、美國加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校cipichrtf數(shù)據(jù)庫。

進(jìn)一步地，步驟1中所述的人頭半徑a取平均值為8.75cm。

進(jìn)一步地，步驟1中所述的人頭半徑a通過直接測量獲得。

進(jìn)一步地，步驟4中合成的雙耳聲信號直接饋給耳機(jī)重放；當(dāng)采用揚聲器重放時，則需要插入串聲消除算法。

本發(fā)明的原理是：空間任一聲源發(fā)出的聲波，經(jīng)過和聽者生理結(jié)構(gòu)(例如頭、耳廓、軀干等)的相互作用后，到達(dá)雙耳。hrtf反映了上述聲傳輸過程中聲波的改變。無論遠(yuǎn)場或近場，只要聲源相對于耳的方位角相同，對應(yīng)的聲傳輸過程是相同的，因此同角度(相對于耳而言)的遠(yuǎn)近場hrtf具有高度相似的頻譜結(jié)構(gòu)。這就是采用遠(yuǎn)場hrtf推知近場hrtf的理論基礎(chǔ)。然而，遠(yuǎn)場hrtf的研究以及數(shù)據(jù)庫往往采用頭中心坐標(biāo)系。研究發(fā)現(xiàn)，由于近場聲源相對于頭中心和相對于耳存在明顯的角度偏差。這意味著相對于耳而言的同角度遠(yuǎn)近場hrtf在頭中心坐標(biāo)系是不同角度的。如果利用現(xiàn)有的頭中心坐標(biāo)系的遠(yuǎn)場hrtf推導(dǎo)近場hrtf必須進(jìn)行角度修正，以確保提取的遠(yuǎn)場hrtf與近場目標(biāo)hrtf相對于耳而言是同角度的?？紤]到hrtf頻譜的準(zhǔn)確性對于中垂面虛擬聲像的準(zhǔn)確再現(xiàn)是至關(guān)重要的，本發(fā)明重點推導(dǎo)了中垂面上的角度修正公式。類似的方法也可以推廣到中垂面以外。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)勢在于：

(1)采用已有的遠(yuǎn)場hrtf數(shù)據(jù)推導(dǎo)近場hrtf數(shù)據(jù)，可以徹底避免繁雜的近場hrtf測量；

(2)考慮了近場hrtf相對于耳和相對于頭中心的角度偏差，采用了相應(yīng)的修正公式，從而提高了遠(yuǎn)場hrtf推導(dǎo)近場hrtf的準(zhǔn)確性；

(3)本發(fā)明可以采用算法語言編制的軟件在多媒體計算機(jī)上實現(xiàn)，也可以采用信號處理芯片電路或?qū)Ｓ玫募呻娐穼崿F(xiàn)，用于多媒體計算機(jī)、各種手持便攜式音頻播放設(shè)備(例如手機(jī))等方面的近距離虛擬聲重放。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的實現(xiàn)原理圖。

圖2是本發(fā)明角度修正的示意圖。

圖3是本發(fā)明實施例的多媒體計算機(jī)實現(xiàn)的信號流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明要求保護(hù)范圍并不局限于實施例表示的范圍。

圖1是本發(fā)明一種中垂面上近場虛擬聲像的合成方法的實現(xiàn)原理圖。它考慮了近場情況下聲源相對于頭中心和相對于耳的角度偏差，推導(dǎo)出了相應(yīng)的角度修正公式。根據(jù)角度修正公式，可以從遠(yuǎn)場已知hrtf基線數(shù)據(jù)庫中準(zhǔn)確提取近場目標(biāo)hrtf數(shù)據(jù)，從而確保中垂面上近場虛擬聲像合成的準(zhǔn)確性。這種中垂面上近場虛擬聲像的合成方法可以避開復(fù)雜的近場hrtf的測量，可以便捷地獲取任意近場距離的虛擬聲像。

一種中垂面上近場虛擬聲像的合成方法，包括步驟：

步驟1、輸入已知數(shù)據(jù)，包括遠(yuǎn)場hrtf基線數(shù)據(jù)庫、三個距離參數(shù)，所述的三個距離參數(shù)包括遠(yuǎn)場聲源和頭中心的距離d、人頭半徑a、中垂面上近場目標(biāo)聲像和頭中心的距離d；

步驟2、根據(jù)公式，計算右耳r的修正角度θ：

其中，改變中垂面上近場目標(biāo)聲像和頭中心的距離d，就可以獲得不同近場距離的修正角度；

步驟3、提取遠(yuǎn)場hrtffar(θ，r)作為近場目標(biāo)聲像的右耳hrtf，即hrtfnear(r)；提取遠(yuǎn)場hrtffar(-θ，l)作為近場目標(biāo)聲像的左耳hrtf，即hrtfnear(l)；

步驟4、將近場目標(biāo)聲像的雙耳hrtfnear和輸入聲信號進(jìn)行卷積，并饋給耳機(jī)或揚聲器進(jìn)行聲重放。

具體而言，所述遠(yuǎn)場為距離頭中心1米以外的區(qū)域，所述近場為距離頭中心1米以內(nèi)的區(qū)域。

具體而言，所述遠(yuǎn)場的hrtf的特征不隨距離而變化，而近場的hrtf的特征隨距離而變化。

具體而言，步驟1中所述hrtf基線數(shù)據(jù)庫指目前已有公開的多個遠(yuǎn)場hrtf數(shù)據(jù)庫，包括美國麻省理工學(xué)院mithrtf數(shù)據(jù)庫、美國加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校cipichrtf數(shù)據(jù)庫。其中，公開的hrtf基線數(shù)據(jù)庫都會指明其數(shù)據(jù)的測量距離，即遠(yuǎn)場聲源和頭中心的距離d。

具體而言，步驟1中所述的人頭半徑a取平均值為8.75cm，也可以通過直接測量獲得。例如，可以采用體感設(shè)備(如微軟公司出品的kinect)捕獲聽者頭部的三維尺寸，進(jìn)而確定特定聽者的頭半徑。

具體而言，步驟4中合成的雙耳聲信號可以直接饋給耳機(jī)重放；如果采用揚聲器重放，則需要插入串聲消除算法。其中，串聲消除算法的具體數(shù)學(xué)形式和揚聲器的數(shù)量、擺放方式都有關(guān)。

圖2是角度修正的示意圖。由于圖的視角是自頭頂向下俯視，所以中垂面(定義為將人體左右均分的切面)呈現(xiàn)為左右平分頭部的一條虛線。雖然現(xiàn)實中人頭并非一個理想的球形，但是已有研究證實球形是人頭的一種良好近似；同時，由于人類的聽覺具有一定的分辨率，這種近似不會引起聽覺畸變。圖中，o點代表頭中心，a點代表右耳，b點代表期望合成的近場目標(biāo)聲像，∠boc＝θ代表修正角，c點代表根據(jù)修正角確定的遠(yuǎn)場已知聲像，oa＝a，ob＝d，oc＝d。從圖中可以看出，ab和ac在同一條直線上，近場聲像b和遠(yuǎn)場聲像c相對于右耳的角度相同，相應(yīng)的遠(yuǎn)場和近場hrtf具有相似的頻譜結(jié)構(gòu)。因此，提取遠(yuǎn)場c點的hrtf作為近場b點的hrtf，即從遠(yuǎn)場c點hrtf推導(dǎo)出近場b點hrtf，具有合理性。圖3是計算機(jī)實現(xiàn)的流程圖，可以采用matlab或者c++語言編程實施。

本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。