[发明专利]5.1通路环绕声的耳机动态虚拟重放方法及其实现装置

说明书

技术领域

本发明专利涉及电声技术领域，具体涉及一种5.1通路环绕声的耳机动态虚拟重放方法及其实现装置。 

背景技术

5.1通路环绕声具有前方左(L)、中(C)、右(R)以及左环绕(LS)、右环绕(RS)5个全频带通路，加上一个低频效果通路(LFE)。各通路信号馈给按国际电信联盟所推荐标准扬声器布置的进行重放，可以得到水平面环绕声的听觉效果。但在一些应用中，如各种手持或便携式播放设备，多媒体计算机的等，有时也需要通过耳机来重放5.1通路环绕声信号。这种重放方式使得声音空间信息受损，不能获得正确的立体声像，产生头中定位效应。 

为改善耳机重放5.1通路环绕声效果，可通过各扬声器方向的头相关传输函数(head related transfer functions,HRTF)对信号进行滤波，合成双耳声信号并馈给耳机进行重放。国内外已经有多个这方面的专利技术，如dolby耳机技术和华南理工大学的耳机虚拟环绕声技术(中华人民共和国国家发明专利授权，ZL02134415.9)。这相当于用信号处理的方法虚拟出5.1通路扬声器。虽然这类耳机虚拟重放技术可以改善声音空间信息的重放，但还是存在一定缺陷，例如声像前后混乱、感知的声像方向与理论值有偏差、不能完全消除头中定位等。通过采用个性化HRTF进行信号处理以及进行个性化的耳机-外耳传输特性均衡，可以提高合成双耳信号的精确度，但也只能部分改善上述缺陷。 

上面的方法只是考虑了静态，也就是头部固定的情况。而现实中倾听者头部的运动会带来动态信息，这对听觉主观感知非常重要。现有研究表明，包含了动态信息处理的耳机虚拟听觉实时绘制可以明显降低声像前后混乱率、提高声像定位准确度、消除头中定位效应并使感知的声像距离更远。动态信息是通过头踪迹跟踪器来检测倾听者头部运动来获取，共包括6个自由度(3个平移自由度和3个转动自由度)。动态处理有两个重要的参数：场景刷新率和系统滞后时间。场景刷新率指的是单位时间内的信号处理(场景)刷新次数，主要取决于头踪迹跟踪器的性能；系统滞后时间指的是从倾听者运动到某个位置与系统输出相应的响应信号之间的时间差。已有研究结果表明，为了达到可接受的主观听觉效果，场景刷新率需大于20Hz，系统滞后时间应少于60ms。头踪迹跟踪器性能对这两项参数都有重要影响。目前各种专业的头踪迹跟踪器产品的指标可以做到很高，例如Polhemus FASTRAK可输出6个自由度参数，只接1个接收器时数据刷新率为120Hz，数据输出的滞后时间为4ms，距离测量 精度0.08cm、分辨率0.0005cm，角度测量精度0.15°、分辨率0.025°。现有的各种虚拟听觉环境实时绘制系统就是采用这类的头踪迹跟踪器。 

若在5.1通路环绕声的耳机虚拟重放也加入动态信息，原则上也可有效的改善听觉效果。然而现上述的头踪迹跟踪器产品一般体积大并且价格较高，所需要的计算资源很大，其功耗也较大，因而只适合于虚拟听觉环境实时绘制科学研究、工程技术等专业的应用，而不适用于便携的消费类电子产品应用。但由于5.1通路环绕声只考虑产生平面上的声音空间信息，因此对于5.1通路环绕声的耳机虚拟重放，可以只处理水平角这一个自由度的动态信息。这样对头踪迹跟踪器的性能要求可以降低，只要能输出水平角一个自由度参数即可。并且对于消费电子类的应用，对信号处理的精确性的要求可以降低。而对于各种手持或便携式播放设备，则要求头踪迹跟踪器及相关的信号处理装置体积小、重量轻、价格低，且还要求功耗小。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了5.1通路环绕声的耳机动态虚拟重放方法及其实现装置。该方法通过磁传感器、加速度传感器和单片机获取头部运动引起的物理信息变化来计算倾听者的头部的水平转动角度，动态、实时地模拟5.1通路环绕声的各个虚拟扬声器，实现水平方向的声像的实时绘制，能完全消除头中定位效应，产生类似扬声器重放的5.1通路环绕声效果。 

本发明的目的通过如下技术方案实现。 

5.1通路环绕声的耳机动态虚拟重放方法，其包括如下步骤： 

1)输入初始数据，包括5.1通路环绕声信号、5.1通路虚拟扬声器的位置参数和头相关传输函数数据； 

2)采用头踪迹跟踪模块实时检测倾听者头部水平转动角度； 

3)根据倾听者头部水平转动角度调用相应的头相关传输函数数据,并用其对5.1通路环绕声信号进行滤波，合成虚拟5.1通路环绕声的各个扬声器的双耳信号； 

4)将各虚拟扬声器的双耳声信号混合并经过耳机—耳道传输特性均衡处理后馈给耳机重放。