虛擬聽覺空間實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)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(guān)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(jié)構(gòu)對(duì)來自不同方位聲音信號(hào)的濾波效果；與之對(duì)應(yīng)的時(shí)域表示稱為與頭相關(guān)脈沖響應(yīng)(Head-RelatedImpulseResponse，簡稱HRIR)。因

2、此，HRTF既與聲源相對(duì)于聽者的方向有關(guān)，同時(shí)也因人體部位形狀及大小的不同而存在很大的個(gè)體差異?；贖RTF的VAS可以通過信號(hào)處理技術(shù)，利用HRTF將聲音定位在空間的不同方位，只需一對(duì)耳機(jī)(或者揚(yáng)聲器)就可以實(shí)現(xiàn)聲音空間信息的重放，設(shè)備簡單，成本低。VAS已廣泛應(yīng)用于多媒體計(jì)算機(jī)，醫(yī)學(xué)研究應(yīng)用，軍事戰(zhàn)場(chǎng)模擬，殘障人員的導(dǎo)航系統(tǒng)，駕駛模擬訓(xùn)練，指揮控制系統(tǒng)以及智能機(jī)器人的開發(fā)等許多領(lǐng)域。但是現(xiàn)有的VAS實(shí)現(xiàn)中還存在很多技術(shù)有待改進(jìn)，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(shí)現(xiàn)的。這種方法忽略了HRTF的個(gè)體差異，常常會(huì)因?yàn)槁犝咦陨淼腍RTF與通用HRTF不匹配而產(chǎn)生失真，如較嚴(yán)重的頭中效應(yīng)、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(gè)人化HRTF是合成理想VAS的前提，也是實(shí)現(xiàn)具有較高聽覺感知度VAS的關(guān)鍵所在。理論上要得到個(gè)人化的HRTF就必須測(cè)量每個(gè)人所有方向的HRTF，這不僅需

4、要專門的設(shè)備和技術(shù)，而且測(cè)量過程復(fù)雜耗時(shí)，難以實(shí)際應(yīng)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(gè)研究熱點(diǎn)，具有很大的研究價(jià)值。 本文主要在HRTF的個(gè)人化及基于耳機(jī)虛擬聲系統(tǒng)的外部化兩方面展開研究。在該領(lǐng)域已有研究成果的基礎(chǔ)上，提出了三種HRTF的個(gè)人化方法，并通過聯(lián)合使用個(gè)人化HRTF和環(huán)境線索實(shí)現(xiàn)了耳機(jī)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(jié)構(gòu)、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(jī)重放VAS合成的原理、應(yīng)用和實(shí)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(huì)議上發(fā)表的關(guān)于HRTF及其個(gè)人化方面的文章，在此基礎(chǔ)上討論了HRTF個(gè)人化研究的必要性以及目前已有的一些個(gè)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(jié)構(gòu)特征，進(jìn)一步驗(yàn)證了VAS中使用個(gè)人化HRTF的必要性；然后對(duì)該數(shù)據(jù)包提供的HRTF數(shù)據(jù)

6、和相應(yīng)人體參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，選出了幾個(gè)與HRTF主要特征相關(guān)較大，且對(duì)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(jìn)行HRTF個(gè)人化奠定了基礎(chǔ)。 第4章，在早期個(gè)人化研究和論文前面章節(jié)分析的基礎(chǔ)上，提出了基于最小二乘多元線性回歸的HRTF個(gè)人化方法。由該方法估計(jì)的個(gè)人化HRTF的主客觀分析結(jié)果都優(yōu)于非個(gè)人化HRTF。 第5章，對(duì)多元線性回歸的個(gè)人化方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了基于偏最小二乘回歸的HRTF個(gè)人化方法。客觀誤

7、差分析和主觀聲音定位測(cè)試結(jié)果表明：估計(jì)的HRTF與實(shí)際測(cè)量的HRTF之間不僅均方誤差較小，而且感知區(qū)別不大；同時(shí)由偏最小二乘回歸估計(jì)的個(gè)人化HRTF在水平面上的主觀測(cè)聽定位準(zhǔn)確率明顯優(yōu)于非個(gè)人化HRTF，也優(yōu)于由最小二乘回歸估計(jì)的個(gè)人化HRTF。 第6章，考慮到身體結(jié)構(gòu)對(duì)聲音復(fù)雜的散射作用，采用了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(guān)系，得到了比最小二乘和偏最小二乘多元回歸更精確的個(gè)人化HRTF模型。