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。     

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。     

稳态和动态虚拟听觉重放对近场距离感知的影响

已有的物理分析和基于真实声源的实验研究表明, 响度和近场头相关传输函数(HRTF, 包括双耳声级差ILD和耳的声压谱)是自由场下听觉距离感知因素。但近年基于虚拟听觉重放(VAD)平台的相关实验结论却与此不一致, 特别是在近场HRTF中的ILD是否为自由场距离感知的重要因素问题上存在争议。为解决这些争议并进一步研究不同因素的贡献及其协同作用, 利用动态VAD平台和准确的近场HRTF合成的双耳声信号并使用耳机重放, 采用心理声学实验研究了距离感知因素。结果表明, 首先不同距离感知因素的贡献与声源的方向有关: (1) 响度因素在所有方向都有重要贡献; (2) ILD主要在侧向有重要贡献, 其贡献随着声源向前、后或高仰角偏离侧向而减少; (3) 谱是较弱的因素, 只有在中垂面ILD为零时才有可能检测到其贡献。其次, 不同因素间存在协同交互作用和一定冗余: (1) 响度与ILD的交互作用明显增强侧向距离感知; (2) 响度与谱因素交互作用一定程度上增强后方的距离感知; (3) 单一的ILD或响度可在一定程度上产生侧向距离感知。近年距离感知研究中的争议主要是因为这些实验是在稳态VAD平台上进行的, 稳态VAD容易引起头中定位, 影响距离感知; 同时不准确的近场HRTF数据、不合适的实验方法与数据统计也会导致不一致的实验结论。

     

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。     

自由场听觉距离感知因素的动态虚拟实验研究

已有的物理分析和基于真实声源的实验研究表明, 响度和近场头相关传输函数(HRTF, 包括双耳声级差ILD和耳的声压谱)是自由场下听觉距离感知因素。但近年基于虚拟听觉重放(VAD)平台的相关实验结论却与此不一致, 特别是在近场HRTF中的ILD是否为自由场距离感知的重要因素问题上存在争议。为解决这些争议并进一步研究不同因素的贡献及其协同作用, 利用动态VAD平台和准确的近场HRTF合成的双耳声信号并使用耳机重放, 采用心理声学实验研究了距离感知因素。结果表明, 首先不同距离感知因素的贡献与声源的方向有关: (1) 响度因素在所有方向都有重要贡献; (2) ILD主要在侧向有重要贡献, 其贡献随着声源向前、后或高仰角偏离侧向而减少; (3) 谱是较弱的因素, 只有在中垂面ILD为零时才有可能检测到其贡献。其次, 不同因素间存在协同交互作用和一定冗余: (1) 响度与ILD的交互作用明显增强侧向距离感知; (2) 响度与谱因素交互作用一定程度上增强后方的距离感知; (3) 单一的ILD或响度可在一定程度上产生侧向距离感知。近年距离感知研究中的争议主要是因为这些实验是在稳态VAD平台上进行的, 稳态VAD容易引起头中定位, 影响距离感知; 同时不准确的近场HRTF数据、不合适的实验方法与数据统计也会导致不一致的实验结论。     

近场头相关传输函数的测量与分析

设计了测量距离可调整的头相关传输函数的实验测量方法,并采用人工头进行近场头相关传输函数的测量,建立了高空间分辨率的近场头相关传输函数数据库,为进一步开展双耳听觉的研究和虚拟听觉的应用提供了数据基础。根据实验数据,初步分析了远、近场情况下,距离、仰角、方位角等参量对头相关传输函数的影响规律。     

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.     

稳态和动态虚拟听觉重放对近场距离感知的影响*

虚拟听觉重放是研究距离感知的一种重要工具,它可分为传统的稳态虚拟听觉重放和动态虚拟听觉重放。然而,稳态虚拟听觉重放经常会产生头中定位而影响距离感知的判断,从而影响最终的实验结果。过去的实验大多采用稳态虚拟听觉重放,因此其结论也存在较大的争议性结论。本文对比研究稳态和动态的虚拟听觉重放对绝对距离感知效果的影响。实验采用非个性化HRTF进行双耳合成,将分布在水平面0.20 m至1.00 m的七个距离、0°至180°的七个方位角下的信号通过耳机进行虚拟重放。心理声学实验结果表明,在稳态虚拟听觉重放条件下,受试者不同程度地报告了存在头中定位。而动态虚拟听觉重放系统能够利用动态因素,从而产生头外化的听觉感知。统计分析表明动态虚拟听觉重放下的距离感知效果与稳态重放存在明显的差异。由于动态虚拟重放更接近真实声源的感知效果,应选用这种方法作为实验工具。同时,在实际的空间声应用中,也应该采用动态虚拟听觉重放产生不同的距离感知。     

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。     

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。     

Head-related transfer function database and its analyses

Based on the measurements from 52 Chinese subjects (26 males and 26 females), a high-spatial-resolution head-related transfer function (HRTF) database with corre- sponding anthropometric parameters is established. By using the database, cues relating to sound source localization, including interaural time difference (ITD), interaural level difference (ILD), and spectral features introduced by pinna, are analyzed. Moreover, the statistical relationship between ITD and anthropometric parameters is estimated. It is proved that the mean values of maximum ITD for male and female are significantly different, so are those for Chinese and western sub- jects. The difference in ITD is due to the difference in individual anthropometric parameters. It is further proved that the spectral features introduced by pinna strongly depend on individual; while at high frequencies (f≥ 5.5 kHz), HRTFs are left-right asymmetric. This work is instructive and helpful for the research on bin- aural hearing and applications on virtual auditory in future.     

Transfer effects on sound localization performances from playing a virtual three-dimensional auditory game

Transfer effects of playing an auditory game with a virtual auditory display (VAD) were investigated. Furthermore, we analyzed the effects of playing the VAD game on sound localization performance under subjects’ own head-related transfer functions (HRTFs) and HRTFs fitted from those of 16 other adults. Participants performed sound localization tasks initially and 2 weeks later to show the effects. The VAD game players were of three groups, using own HRTFs, fitted HRTFs, and no playing (control). The VAD game-playing results revealed that: (1) the hit rate of the sound localization task for real sound sources increased approximately 20%; (2) the vertical and horizontal localization error decreased significantly; (3) sound localization performance using fitted HRTFs was similar to performance using own HRTFs. Follow-up tests revealed that transfer effects persisted more than 1 month, suggesting that the effects of playing the VAD game transfer to sound localization performance.     

HRTF personalization based on artificial neural network in individual virtual auditory space

The synthesis of individual virtual auditory space (VAS) is an important and challenging task in virtual reality. One of the key factors for individual VAS is to obtain a set of individual head related transfer functions (HRTFs). A customization method based on back-propagation (BP) artificial neural network (ANN) is proposed to obtain an individual HRTF without complex measurement. The inputs of the neural network are the anthropometric parameters chosen by correlation analysis and the outputs are the characteristic parameters of HRTFs together with the interaural time difference (ITD). Objective simulation experiments and subjective sound localization experiments are implemented to evaluate the performance of the proposed method. Experiments show that the estimated non-individual HRTF has small mean square error, and has similar perception effect to the corresponding one obtained from the database. Furthermore, the localization accuracy of personalized HRTF is increased compared to the non-individual HRTF.     

Modulation transfer function of a liquid crystal spatial light modulator

The modulation transfer function (MTF) of a pixelated liquid crystal spatial light modulator (LC-SLM) has been derived as a function of the fill factor. Based on the formula, we have investigated the dependence of the MTF on the orientations and spatial frequency of the input patterns. Furthermore, we have proposed and demonstrated a method for improving the MTF of a LC-SLM.     

人类对超声的听觉感知及应用前景

本文对人类通过骨传导所产生的超声听觉感知,就以下四方面进行介绍：１．感知的方法、频率和强度范围;２．感知机理;３．可能的应用;４．值得研究的问题。