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。      

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。      

个性化头相关传输函数的近似获取——现状和问题

虚拟听觉重放采用头相关传输函数(HRTF)合成双耳声信号,并用耳机重放,以产生所需的空间听觉事件。理想的虚拟听觉重放需要个性化HRTF。个性化HRTF可通过实验测量或数值计算相对地准确获得。然而,测量每个潜在使用者的高空间分辨率HRTF是困难的,而数值计算HRTF的频段往往受限于计算机性能。近年发展了多种HRTF的近似获取方法,并成为热门研究课题,但效果有待验证和提高。本文评述了个性化HRTF近似的研究进展,指出了存在的问题和今后的方向。     

5.1通路环绕声的虚拟重放系统

提出了一种改进的5.1通路环绕声虚拟重放系统及其信号处理方法。首先对5.1通路环绕声的虚拟重放声场进行了分析,指出现有的系统存在听音区域窄、声像位置畸变、重放音色改变等缺陷。在此基础上,通过理论分析提出将一对前方重放扬声器布置缩窄到士±15°、音色均衡的信号处理等措施,可较好地克服现有系统的缺陷,且信号处理也相对简单。心理声学实验验证了理论分析,证明系统可重放出整个前半平面(约±90°)的立体声像。因此所提出的系统及其扬声器布置是适合于电视和多媒体计算机的应用。     

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.     

一种5.1通路环绕声的动态双耳重放方法

为改善5.1通路环绕声的双耳重放性能,提出一种基于低价头踪迹跟踪模块的动态双耳重放方法。头踪迹跟踪模块通过单片机采集磁传感器、加速度传感器的输出数据,计算出倾听者头部水平方向信息,并将其经USB接口传给计算机进行动态双耳声信号合成。心理声学实验表明,本文提出的方法可以消除虚拟声源前后混乱和头中定位现象,提升5.1通路环绕声双耳重放的虚拟声源定位性能。     

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。      

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.      

基于听觉感知特性的双耳音频处理技术*

自20世纪30年代引入立体声以来,人类对逼真的听觉体验一直进行着孜孜不倦的追求。双耳音频处理技术基于人耳听觉感知特性,利用计算机和数字信号处理等技术在听者双耳鼓膜处模拟出与真实场景相同的声压,以期给人以“身临其境”的体验,一直是音频信号处理领域的重要研究内容,特别是近两年随着虚拟现实等应用的蓬勃发展,得到更多关注。该文主要围绕双耳音频处理技术中所涉及的关键环节:双耳录音、双耳合成、耳机重放、扬声器重放、头跟踪等领域,以及相关典型应用场景进行较为系统的介绍,最后给出总结与展望。     

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。     

人工头制式录声用扬声器重发

人工头制式录声技术的概念是众所周知的。但技术上必须用耳机重放。如果用扬声器重发,由于串扰使立体声效果损坏。串扰是指右耳听右扬声器的声音时也听到左扬声器的声音,反之左耳也如此。数字信号处理技术提供了可以加入人工串扰以抵消自然串扰的前景,从而保存用耳机重放所具有的立体声效果,如图1所示,其中X_l和X_r表示在两耳鼓膜处重发声压的两通路信号,下标l和r分别相应于左、右耳;Y_l和Y_4是输入扬声器的信号;Z_l和Z_r为用扬声器重发时耳膜处声压。H表示由Z到Z的转移函数。因此     

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。     

相位均衡对耳机重放影响研究*

均衡耳机到鼓膜的传递函数可有效提高耳机声重放效果。通过主客观实验对比研究幅度均衡方法、相位均衡方法和幅度相位同时均衡方法,结果表明相比于幅度均衡,相位均衡对耳机瞬态响应的影响更大：当系统相位为线性时,瞬态响应衰减越快,线性相位对耳机重放提升音色有显著作用;而以平直幅频响应为目标的幅度均衡对提升耳机重放效果有限。     

相位均衡对耳机重放的影响

均衡耳机到鼓膜的传递函数可有效提高耳机声重放效果。通过主客观实验对比研究幅度均衡方法、相位均衡方法和幅度相位同时均衡方法,结果表明相比于幅度均衡,相位均衡对耳机瞬态响应的影响更大:当系统相位为线性时,瞬态响应衰减越快,线性相位对耳机重放提升音色有显著作用;而以平直幅频响应为目标的幅度均衡对提升耳机重放效果有限。     

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。     

Mel频率倒谱系数平滑的耳机均衡

适当均衡耳机到鼓膜的传递函数可有效提高耳机声重放效果。耳廓与耳道滤波效应引起的幅度峰谷有助于人耳听觉感知,以平直幅频响应为目标的幅度均衡无法保持适当的峰谷。该文提出了基于roex滤波器与Mel频率倒谱系数的耳机到鼓膜的传递函数平滑方法,用于模拟人耳听觉感知特性和平滑耳机到鼓膜的传递函数,使均衡后的幅频响应保持相应的峰谷,避免了幅度峰谷过渡均衡。实验结果表明,进行耳机到鼓膜的传递函数平滑的幅度均衡对提高耳机的音色有显著作用,基于Mel频率倒谱系数平滑的幅度均衡对提高耳机的音色最为显著。     

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。      

基于手机的多通路环绕声动态双耳重放*

随着VR眼镜技术的发展,普通的智能手机已可以作为虚拟现实和动态声、视频重放的平台。该文提出了一种基于手机的多通路环绕声动态双耳重放技术及其信号处理的高效实现方法。利用手机内的加速度传感器、电子罗盘、陀螺仪组成头踪迹跟踪器,实时检测倾听者头部的方向,并利用手机的信号处理芯片实现动态双耳合成。采用头相关脉冲响应的最小相位近似和主成分分解的方法简化双耳合成处理,提高了信号处理的效率。文中给出了系统的结构和软、硬件设计方法,并给出了实现22.2通路空间环绕声动态双耳重放的例子。客观测量和心理声学实验验证了所提出的方法。     

人耳辨识非语言声目标能力的实验研究

以主观听觉测试实验为手段,研究人耳听觉系统辨识能力与声音特性、评价主体训练程度及噪声干扰的关系.实验结果发现：人耳辨识声音能力主要由声信号的谱时结构决定,人耳对于谐音信号的辨识能力明显强于非谐音,对于稳态信号的辨识能力略强于瞬态信号;评价主体的训练可以提高辨识效果及准确性,但与声音特性密切相关;不同的噪声干扰对人耳目标辨识能力的影响主要取决于声音频谱结构;比对测听方式能提高非受训人员的辨识准确性,但不影响受训人员的辨识效果. 关键词： 听觉系统 主观听觉测试 目标辨识     

多通路空间声的前方四扬声器局域Ambisonics信号馈给法*

典型的多通路空间声扬声器布置一般包含水平面左前、右前,高仰角左前上、右前上四个方向的扬声器。 本文提出一种利用该四个扬声器产生前方水平与垂直方向虚拟源的一阶局域Ambisonics 信号馈给法。该信号馈给法是通过对目标和重放声场进行球谐函数展开并取一阶近似得到。采用简化的头部模型和精确的头相关传输函数模型分析表明,一阶局域Ambisonics 信号馈给法可以产生合适的低频听觉定位因素,包括双耳时间差及其随头部转动的动态变化。虚拟源定位实验结果表明,该方法可以在扬声器布置的范围内,甚至在略超出扬声器布置的范围内产生不同方位角和仰角的虚拟源。因而本文的方法可用在多通路空间声重放中产生与图像配合的虚拟源定位效果。