专利名称：一种普通环境中头相关传递函数的测量系统及测量方法
技术领域：
本发明涉及声信号处理技术领域，更具体地，本发明涉及一种普通环境中头相关 传递函数的测量系统及测量方法，可以在普通房间环境中快速测量获得倾听者个性化头相 关传递函数及其头型参数和姿态参数。
背景技术：
近年来，头相关传输函数(Head-Related Transfer Function，简称HRTF)及其虚 拟听觉技术在有关听觉心理和生理的科学实验、多媒体与虚拟现实、人工智能、通信、室内 声学设计、声音节目制作、家用声重放等科学研究、工程技术、消费电子领域都有重要的应 用价值。虚拟听觉技术是一种模拟声波从声源到双耳的传输，从而在耳机或扬声器重发中 虚拟出空间声像的技术。从物理的角度讲，声源发出的声波经过人的头部、躯干和耳廓等 部分反射和散射后到达双耳，其特征可以由声源到双耳的传输函数完全描述。该头相关传 输函数HRTF，描述了自由场中声源到双耳的声学传输关系。它与声源位置、频率等参数有 关且具有个性化特征，包含了声波到达两耳的声级差(Interaural Level Difference，简 称 ILD)、时间差(Interaural TimeDifference，简称 ITD)以及相位差(Interaural Phase Difference，简称IPD)等重要信息，在空间听觉及虚拟听觉中起着核心的作用。由于HRTF与生理结构和人头尺寸密切相关，因而是具有明显个性化特征的物理 量。在虚拟听觉重放的应用中，采用倾听者的个性化HRTF会得到更好的效果，而采用其它 的HRTF的效果则是取决于该数据与倾听者个性化HRTF的相似程度。目前，获得个性化HRTF 最准确的方法是实验室测量。近十年来，国内外已有多个课题组对HRTF进行了测量和建库 工作。虽然不同的作者所用的测量方法、装置等在细节上会有所不同，但测量的基本原理和 设计思路是近似的。最通常采用的技术首先是在受试者的耳道入口附近或者鼓膜附近放置测量传声 器，接着利用一个安置在固定水平角Θ、仰角Φ和距离人头固定距离的扬声器播放测试信 号s (η)。声波从声源到双耳的传输可看成一个线性时不变的滤波过程，而HRTF就是该线 性时不变系统的传输函数。因此，各种适用于声学系统传输函数的测量方法，如脉冲法、傅 里叶分析法、相关法等都适用于HRTF的测量。HRTF是空间方向的连续函数，而由于空间采 样，实际测量只能在有限的方向上进行。目前，已有一些课题组对HRTF进行了测量，建立了空间不同方位的HRTF数据库。麻省理工学院的媒体实验室(GardnerW G, Martin K D. HRTF measurement of aKEMAR. J. Acoust. Soc. Am.，1995，97 (6) 3907-3908)在 MIT 的消声室里，对假人 KEMAR(Knowles Electronics model DB-4004)进行了实验。KEMAR被垂直安置在一个可水 平转动的平台上。每次测量时，将扬声器固定在一个合适的仰角，然后，依次改变KEMAR的 水平张角。美国加州大学戴维德分校的CIPIC接口实验室(Algazi V R，Duda R 0,ThompsonD M et al. The CIPIC HRTF Database. Proceedings of 2001 IEEE Workshop onApplicationof Signal Processing to Audio and Acoustics，2001，99—102)在 25 个不同的水平方位 50个不同的垂直方位上对45个测试者(包括43个实验者以及大耳朵和小耳朵两个人造 头)的每个耳朵进行了测量。实验中，测试者坐在半径为1米的球中心位置，扬声器则放在 球面的不同位置。听者的耳道被堵塞，用放在耳道口的麦克风接收信号。CIPIC实验室还对 每个实验者都进行了较精确的生理结构的测量。有石幵究者(Kimitoshi Fukudome, Toshimitsu Suetsugu, the fast measurement of headrelated impulse response for all azimuth directions using the continuous measurementmethod with a servo-swiveled chair. Applied Acoustics 68 (2007)， 864-884)也开始关注于如何提高HRTF的测量效率。他们设计了一个水平转速为6° /s的 可连续转动的椅子，利用计算机和电机设备对椅子的转动进行控制。这样，在一个固定的仰 角上测量所有水平角方位的HRIR只需要一分钟，提高了测试效率。总体而言，目前HRTF的测量需要复杂的测试环境和设备，包括消声室、高质量的 音频设备、头部姿态跟踪器或者转台与身体固定装置等，并且由于需要不断移动声源位置， HRTF的测量是非常耗时的工作，建立较大的库则需要较大的人力物力。此外，这种固定角度 的测量方法对实验设备的条件及倾听者要求较高，长时间测量容易引起倾听者的不适。因 此，无论从实验条件还是人力物力耗资上来说，在实际应用中，如此精确的针对个人的个性 化HRTF测量是不现实的。
发明内容
本发明的目的在于，解决如何快速获得在普通环境中倾听者头相关传递函数，及 其头型参数和运动参数的问题，克服普通测量方法的测试环境要求高、设备复杂、测试时间 长，人力损耗大等缺点，从而基于扬声器阵列和双耳麦克风阵列联合处理的方式，提供了一 种普通环境中头相关传递函数的测量系统及测量方法。为了实现上述发明目的之一，本发明提供了一种普通环境中头相关传递函数的测 量系统，包括扬声器、麦克风、声信号AD/DA转换设备、功率放大器、数据存储终端、数据处 理终端和显示设备，其特征在于，所述的扬声器为包括两个或两个以上扬声器组成的扬声 器阵列；所述的麦克风为双耳麦克风阵列，设置于扬声器阵列的声波发射方向上，佩戴于人 双耳位置；各路测试信号首先经过声信号DA转换设备和功率放大器后馈给扬声器阵列，经 由各个扬声器播放，各路测试信号互不相关；所述的双耳麦克风阵列，用于捡拾声信号，经过声信号AD转换设备输出到数据处 理终端；所述的数据处理终端，利用相关分析法计算各扬声器播放信号与麦克风捡拾信号 的互相关函数，处理后得到各扬声器到人头左右耳的头相关传递函数HRTF ；并由此计算得 到各扬声器到人头左右耳的双耳时间差ITD，再利用时间差ITD及人头与扬声器之间的几 何位置关系，计算得到人头半径参数a和每次测量位置的姿态数据；所述的数据存储终端或显示设备，用于存储或显示每次测量位置的HRTF及姿态 数据。上述技术方案中，所述的数据存储终端或/和数据处理终端采用普通PC机或者数
4字信号处理器。为了实现上述发明的另一目的，本发明还提供了一种普通环境中头相关传递函数 的测量方法，该方法基于扬声器阵列和双耳麦克风阵列联合处理的方式，将双耳麦克风阵 列设置于两个或两个以上扬声器组成的扬声器阵列的声波发射方向上；实现普通房间中的 头相关传递函数及倾听者头型和姿态参数的快速测量，包括如下步骤(1)倾听者佩戴人头可戴式双耳麦克风，位于扬声器阵列声波发射方向上，测试信 号经过声信号DA转换设备和功率放大器后馈给扬声器阵列，各扬声器播放的测试信号互 不相关，双耳麦克风捡拾声信号，经过声信号AD转换设备输出到数据处理终端；(2)数据处理终端利用相关分析法计算各扬声器播放信号与麦克风捡拾信号的互 相关函数，经过处理后得到各扬声器到人头左右耳的头相关传递函数HRTF ；(3)由此计算得到各扬声器到人头左右耳的双耳时间差ITD ；(4)再利用双耳时间差ITD及人头与扬声器之间的几何位置关系，计算得到人头 半径参数a及其每次测量位置的姿态数据；(5)将每次测量位置的HRTF及姿态数据进行存储。上述技术方案中，所述的步骤⑴中所使用的测试信号可以是正弦信号、扫频信 号、脉冲信号、随机噪声信号或伪随机噪声信号。上述技术方案中，所述的伪随机噪声信号 为MLS序列或Golay Codes序列。MLS序列是循环周期为NpΔ t，自相关函数近似于δ函 数的一种随机序列，它具有输入净扰动小，幅值、周期、时钟节拍容易控制等优点，其统计特 性近似于白噪声。Golay Codes序列是另一种常用于HRTF测量的伪随机噪声信号，其测量 HRTF的特性与MLS序列类似。但Golay Codes序列测量对受试者微小的移动更为敏感。将各扬声器实际播放的信号作为参考信号计算与麦克风捡拾信号的互相关函数， 可以避免系统设备自身造成的延迟误差，参考信号可利用软件对播放信号与接收信号进行 控制获得，也可将声信号AD/DA转换设备提供的播放信号同时也反馈回该设备而获得。上述技术方案中，所述步骤(3)中ITD可通过计算双耳声压相延时差、双耳声压平 均时间差、相关法、上升沿法等方法获得。本发明的优点在于利用扬声器阵列和双耳麦克风阵列联合处理以快速获得普通 环境中倾听者头相关传递函数及其头型参数和姿态参数，与现有技术相比1、不同于常规的HRTF测量技术以环境的“纯净”为追求从而获得极高信噪比下的 测量结果，本发明着眼于普通房间测试环境下的HRTF测量，对测试环境的要求更宽容，更 具有普适性；2、以扬声器阵列取代普通单个扬声器进行测试，通过多个扬声器进行多点测量， 可同时获得各方向的HRTF，大大提高测试速度；3、无需人工测量，可直接利用声学方法获得关键的头部尺寸参数；4、本发明不限制在封闭耳道口或耳道内测量，获得与设备直接相关的HRTF ；5、本发明不需要精确的人头定位跟踪装置，依靠系统本身利用声学方法定位。6、本发明为实验室环境下建立较大的HRTF数据库及普通家庭听音环境中测试个 性化的HRTF提供了有效的方法。
图1是本发明的测量系统的一个实施例的示意图；图2是本发明的测量方法的一个实施例的流程图；图3是人头钢球模型与入射波示意图；图4是测量人头半径尺寸时人头与两扬声器位置的简单示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述。实施例1如图1所示，本发明的测量系统，包括了一个双扬声器阵列101，人头可戴式麦克 风102，声信号AD/DA转换设备的四个输入输出通道103、104和105，这里AD/DA转换设备采 用的是BK公司的pUlse3560c型号的多通道分析仪，数据处理、存储及显示设备106利用的 是普通个人电脑。双扬声器阵列101，用于播放测试信号，本实施例中，馈给左、右扬声器的 测试信号为两路白噪声信号，一路是MLS序列，另一路是该序列的逆序列，因此，这两路信 号是互不相关的。本例中，测试信号采样频率为65536Hz，一个周期的序列长度为32767点， 采用五个周期的重复，该双声道信号由PC机106通过输入输出通道103馈给，同时输入输出 通道103的输出通过外接线路反馈给输入输出通道104，以输入输出通道104接收到的信号 作为后续处理中的参考信号，这样就避免了由AD/DA设备自身造成的信号畸变误差。麦克风 102捡拾来自两个扬声器的声信号，并通过输入输出通道105转化为数字信号馈给PC机106， 由PC机106对参考信号和麦克风捡拾的信号作相关处理得到头相关传输函数HRTF。如图2所示，本实施例的头相关传递函数HRTF快速测量方法的具体步骤如下步骤201 :PC机106读取输入输出通道105馈给的麦克风捡拾的信号，左、右声道 分别为LSig和RSigo步骤202 由于播放信号之前就开始录音，因此，LSig和RSig在有用信号之前也 包含了一小段噪声，通常是用手动方法找出信号的起始点，在本发明中，设计了一种利用相 关峰值获得信号起始点的方法。由于参考信号已知，当接收信号与参考信号起始点及长度 完全吻合时，其相关函数的峰值正好位于相关序列正中间。根据此特性，可以得到LSig和 RSig中有用信号的起始点位置。步骤203 参考信号是由输入输出通道104反馈回来的经过AD/DA设备的参考信 号Ref，PC机106读取参考信号Ref，根据参考信号Ref的长度截取LSig和RSig，去掉头尾 两个周期的数据；由于Ref左、右两路信号互不相关，因此人头戴的麦克风左、右耳接收到的信号与 左路或右路参考信号的相关函数即为该方向的HRTF，于是可以利用相关法分别计算参考信 号Ref与LSig和RSig的互相关函数
权利要求
一种普通环境中头相关传递函数的测量系统，包括扬声器、麦克风、声信号AD/DA转换设备、功率放大器、数据存储终端、数据处理终端和显示设备，其特征在于，所述的扬声器为包括两个或两个以上扬声器组成的扬声器阵列；所述的麦克风为双耳麦克风阵列，设置于扬声器阵列的声波发射方向上佩戴于人双耳位置；各路测试信号首先经过声信号DA转换设备和功率放大器后馈给扬声器阵列，经由各个扬声器播放，各路测试信号互不相关；所述的双耳麦克风阵列，用于捡拾声信号，经过声信号AD转换设备输出到数据处理终端；所述的数据处理终端，利用相关分析法计算各扬声器播放信号与麦克风捡拾信号的互相关函数，处理后得到各扬声器到人头左右耳的头相关传递函数HRTF；并由此计算得到各扬声器到人头左右耳的双耳时间差ITD，再利用时间差ITD及人头与扬声器之间的几何位置关系，计算得到人头半径参数a和每次测量位置的姿态数据；所述的数据存储终端或显示设备，用于存储或显示每次测量位置的HRTF及姿态数据。
2.根据权利要求1所述的普通环境中头相关传递函数的测量系统，其特征在于，所述 的数据存储终端或/和数据处理终端采用普通PC机或者数字信号处理器。
3.—种普通环境中头相关传递函数的测量方法，该方法基于扬声器阵列和双耳麦克风 阵列联合处理的方式，将双耳麦克风阵列设置于两个或两个以上扬声器组成的扬声器阵列 的声波发射方向上，实现普通房间中的头相关传递函数及倾听者头型和姿态参数的快速测 量，包括如下步骤(1)倾听者佩戴人头可戴式双耳麦克风，测试信号经过声信号DA转换设备和功率放大 器后馈给扬声器阵列，各扬声器播放的测试信号互不相关，双耳麦克风捡拾声信号，经过声 信号AD转换设备输出到数据处理终端；(2)数据处理终端利用相关分析法计算各扬声器播放信号与麦克风捡拾信号的互相关 函数，经过处理后得到各扬声器到人头左右耳的头相关传递函数HRTF ；(3)由此计算得到各扬声器到人头左右耳的双耳时间差ITD；(4)再利用双耳时间差ITD及人头与扬声器之间的几何位置关系，计算得到人头半径 参数a及其每次测量位置的姿态数据；(5)将每次测量位置的HRTF及姿态数据进行存储。
4.根据权利要求3所述的普通环境中头相关传递函数的测量方法，其特征在于，所述 的步骤(1)中所使用的测试信号可以是正弦信号、扫频信号、脉冲信号、随机噪声信号或伪 随机噪声信号。
5.根据权利要求3所述的普通环境中头相关传递函数的测量方法，其特征在于，所述 的步骤(3)中ITD采用计算双耳声压相延时差、双耳声压平均时间差、相关法或上升沿法获得。
全文摘要
本发明涉及一种普通环境中头相关传递函数的测量系统及测量方法，该测量系统包括水平设置的两个或两个以上扬声器组成的扬声器阵列；所述的麦克风为双耳麦克风阵列，设置于扬声器阵列的声波发射方向上；测试信号首先经过声信号DA转换设备和功率放大器后馈给扬声器阵列，经由各个扬声器播放，各路测试信号互不相关；所述的双耳麦克风阵列捡拾声信号，经过声信号AD转换设备输出到数据处理终端；所述的数据处理终端利用相关分析法计算各扬声器播放信号与麦克风捡拾信号的互相关函数，处理后得到各扬声器到人头左右耳的头相关传递函数HRTF。本发明利用扬声器阵列和双耳麦克风阵列联合处理以快速获得倾听者头相关传递函数及其头型参数和姿态参数。
文档编号H04S1/00GK101938686SQ201010218048
公开日2011年1月5日 申请日期2010年6月24日 优先权日2010年6月24日
发明者叶青华, 李晓东, 章艳, 董秋洁, 陈佳路 申请人:中国科学院声学研究所