虛擬聽覺空間實現(xiàn)中的關鍵技術研究.pdf

1、虛擬聽覺空間(VirtualAuditorySpace，簡稱VAS)可以根據(jù)人類心理聽覺特征，通過雙聲道播放系統(tǒng)再現(xiàn)聲源的空間信息。與頭相關傳遞函數(shù)(HeadRelatedTransferFunctions，簡稱HRTFs)描述了聲波從聲源到耳道口的傳播特征，反映了外耳、頭部和軀干等身體結構對來自不同方位聲音信號的濾波效果；與之對應的時域表示稱為與頭相關脈沖響應(Head-RelatedImpulseResponse，簡稱HRIR)。因

2、此，HRTF既與聲源相對于聽者的方向有關，同時也因人體部位形狀及大小的不同而存在很大的個體差異。基于HRTF的VAS可以通過信號處理技術，利用HRTF將聲音定位在空間的不同方位，只需一對耳機(或者揚聲器)就可以實現(xiàn)聲音空間信息的重放，設備簡單，成本低。VAS已廣泛應用于多媒體計算機，醫(yī)學研究應用，軍事戰(zhàn)場模擬，殘障人員的導航系統(tǒng)，駕駛模擬訓練，指揮控制系統(tǒng)以及智能機器人的開發(fā)等許多領域。但是現(xiàn)有的VAS實現(xiàn)中還存在很多技術有待改進，比如

3、HRTF數(shù)據(jù)本身就是決定基于HRTF的VAS合成效果的主要因素之一。目前絕大部分空間聽覺系統(tǒng)都是基于通用HRTF實現(xiàn)的。這種方法忽略了HRTF的個體差異，常常會因為聽者自身的HRTF與通用HRTF不匹配而產(chǎn)生失真，如較嚴重的頭中效應、前后顛倒以及仰角誤判等現(xiàn)象。因此，如何獲得因人而異的個人化HRTF是合成理想VAS的前提，也是實現(xiàn)具有較高聽覺感知度VAS的關鍵所在。理論上要得到個人化的HRTF就必須測量每個人所有方向的HRTF，這不僅需

4、要專門的設備和技術，而且測量過程復雜耗時，難以實際應用。因此，如何通過簡單的方法獲取一套合適的HRTF是目前VAS的一個研究熱點，具有很大的研究價值。 本文主要在HRTF的個人化及基于耳機虛擬聲系統(tǒng)的外部化兩方面展開研究。在該領域已有研究成果的基礎上，提出了三種HRTF的個人化方法，并通過聯(lián)合使用個人化HRTF和環(huán)境線索實現(xiàn)了耳機VAS系統(tǒng)的優(yōu)化，具體包括以下幾方面工作： 第1章，介紹了耳朵的結構、聽覺感知系統(tǒng)傳輸特性和

5、空間聽覺定位原理，并討論了基于HRTF的耳機重放VAS合成的原理、應用和實現(xiàn)中存在的問題及其可能的解決方案。 第2章，回顧了近30年中，在一些國際期刊和會議上發(fā)表的關于HRTF及其個人化方面的文章，在此基礎上討論了HRTF個人化研究的必要性以及目前已有的一些個人化方法。 第3章，介紹了HRTF數(shù)據(jù)庫，并分析了該數(shù)據(jù)庫中HRTF數(shù)據(jù)的結構特征，進一步驗證了VAS中使用個人化HRTF的必要性；然后對該數(shù)據(jù)包提供的HRTF數(shù)據(jù)

6、和相應人體參數(shù)進行了統(tǒng)計分析，選出了幾個與HRTF主要特征相關較大，且對正確感知影響較顯著的人體參數(shù)，為后面通過人體參數(shù)進行HRTF個人化奠定了基礎。 第4章，在早期個人化研究和論文前面章節(jié)分析的基礎上，提出了基于最小二乘多元線性回歸的HRTF個人化方法。由該方法估計的個人化HRTF的主客觀分析結果都優(yōu)于非個人化HRTF。 第5章，對多元線性回歸的個人化方法進行了改進，提出了基于偏最小二乘回歸的HRTF個人化方法?？陀^誤

7、差分析和主觀聲音定位測試結果表明：估計的HRTF與實際測量的HRTF之間不僅均方誤差較小，而且感知區(qū)別不大；同時由偏最小二乘回歸估計的個人化HRTF在水平面上的主觀測聽定位準確率明顯優(yōu)于非個人化HRTF，也優(yōu)于由最小二乘回歸估計的個人化HRTF。 第6章，考慮到身體結構對聲音復雜的散射作用，采用了基于神經(jīng)網(wǎng)絡的非線性回歸模型來描述HRTF和人體參數(shù)之間的非線性關系，得到了比最小二乘和偏最小二乘多元回歸更精確的個人化HRTF模型。