[发明专利]一种中垂面上近场虚拟声像的合成方法

说明书

本发明涉及一种中垂面上近场虚拟声像的合成方法，包括以下步骤：已知远场头相关传输函数HRTF_far，其中声源和头中心的距离D；确定人头半径a以及中垂面上近场目标声像和头中心的距离d；根据公式，计算右耳R的修正角度θ；提取远场HRTF_far(θ，R)作为近场目标声像的右耳HRTF；根据中垂面的左右对称性，提取远场HRTF_far(‑θ，L)作为近场目标声像的左耳HRTF；将近场目标声像的双耳HRTF和输入声信号进行卷积，可实现基于耳机的中垂面近场声像的3D虚拟重放。本发明提供的方法利用远场HRTF推知近场HRTF，可以简便地实现中垂面近场虚拟声像的合成，省去近场HRTF繁琐的测量过程。

技术领域

本发明涉及3D虚拟声技术领域，具体涉及一种基于远场信息的近场中垂面虚拟声的合成方法。

背景技术

虚拟声重放采用声信号处理的方法模拟特定空间方位的虚拟声像，从而使听者产生沉浸感和临场感。由于重放设备(通常是耳机)简单、便携，虚拟声重放在多媒体电脑、个人音频移动终端等领域具有广泛的应用。头相关传输函数(head-related transferfunction,HRTF)是虚拟声信号处理的关键。HRTF是自由场情况下声源到双耳的声学传输函数，和声源方位、距离、声波频率、听者生理结构等相关。当声源到听者头部的距离大于1.0米，HRTF几乎不随距离而改变，称为远场HRTF；而当声源到听者头部的距离小于1.0米，HRTF随距离发生明显变化，称为近场HRTF。近场HRTF包含了声源距离定位的信息，因此它在双耳距离定位机理的研究中具有重要意义；同时，随着手持播放设备的普及(例如手机)，也需要采用近场HRTF进行近场虚拟声重放的信号处理。

目前，近场HRTF数据主要通过测量得到。在实际的近场HRTF测量中，主要存在以下三个方面的困难：(1)由于测量声源和受试者较近，声波将不可避免地发生多重散射和绕射问题，因此需要特定的小尺寸声源；(2)由于近场HRTF和距离有关，因此需要分别测量不同距离的HRTF，其工作量非常大。(3)HRTF和受试者的生理结构有关(例如头部大小、耳廓细微结构等)。原则上，为了获得最佳的声重放效果，需要测量每一个听者(即受试者)的近场HRTF。目前，已有多个课题组建立了远场HRTF数据库，并在互联网上公开，例如MIT和CIPICHRTF数据库。如果可以采用已知的远场HRTF推导出不同距离的近场HRTF，那就可以避免上述近场HRTF测量的困难，实现近场HRTF的便捷获取。

声像的空间定位主要分为水平方向定位和垂直方向定位。水平方位定位主要取决于左耳和右耳HRTF的差异，而垂直方向定位(特别是中垂面上的声像定位)主要依赖HRTF的频谱特征。因此，HRTF的频谱特征的准确度决定了中垂面声像定位的准确度；在中垂面远场HRTF推导近场HRTF的过程中，需要特别关注近场HRTF频谱特征的准确再现。

通常，HRTF的相关研究(包括现有的数据库)采用头中心坐标系，其中HRTF的角度定义为声源相对于头中心的角度。然而，HRTF本身定义为声源到双耳的传输函数，HRTF数据也是在双耳处进行捡拾的。因此，在远场HRTF推导近场HRTF的过程中，为了保证近场HRTF频谱特征的准确性，需要考虑声源相对于耳(而不是头中心)的角度。计算表明，远场声源相对于头中心和相对于耳的角度大致相等；而近场声源相对于头中心和相对于耳的角度存在较大偏差，甚至可以达到30°。这意味着在通常的头中心坐标系情况下，不能直接用远场HRTF推导同角度的近场HRTF，需要考虑近场声源在双耳坐标系和头中心坐标系两种情况下的角度偏差。

发明内容

针对远场HRTF推导近场HRTF过程中的角度偏差问题，本发明提供了一种基于角度修正的中垂面近场HRTF的获取方法。本发明以远、近声源对耳具有相同的角度为出发点，推导出中垂面近场HRTF在头中心坐标系中所对应的远场HRTF的角度(即修正角度)，进而从已有的采用头中心坐标系的远场HRTF数据库中提取相应的双耳HRTF数据，供后续合成中垂面近场虚拟声像。该方法可以准确、便捷地合成中垂面任意声源距离处的虚拟声像。