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.     

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。     

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。     

采用无耳壳头相关传输函数的虚拟声信号处理

本文提出采用无耳壳、封闭耳道的头相关传输函数（HRTF）进行虚拟声信号处理的方法。理论分析表明，在包含功率均衡的扬声器虚拟声信号处理中，采用无耳壳、封闭耳道的头相关传输函数可有效地减少信号处理函数的谷点，从而减少声重发的音色改变。心理声学的实验结果表明，新处理方法的声像定位与传统的带耳壳、耳道的HRTF处理无显著区别，但音色较后者有所改善。因而新的方法更适合实际的虚拟声信号处理应用。     

头相关传输函数空间对称性的分析

提出了分析头相关传输函数空间对称性的方法。利用对KEMAR人工头/躯干系统和真人受试者进行测量得到的头相关传输函数,分析了生理结构对头相关传输函数空间对称性的影响。结果表明,在5 kHz至6 kHz以上的频率,耳廓破坏了头相关传输函数的前后对称性；而受耳道入口位置的影响,真人受试者的头相关传输函数在2．5 kHz以上的频率就开始出现前后不对称。另一方面,在中、低频的情况下,头相关传输函数近似左右对称,然而随着频率的升高,生理外形在细微结构上的左右差异将导致头相关传输函数的左右不对称。这种左右不对称的起始频率和程度存在个体差异。上述分析可以反映出头相关传输函数空间对称性的规律和现有双耳听觉模型的适用范围。     

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。     

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。      

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.      

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。      

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。