听声辨位的方法及装置与流程

本发明属于声音处理与人机交互技术领域，尤其涉及一种听声辨位的方法及装置。

背景技术：

人类的听觉系统非常神奇，在大脑的作用下，人们可以很好的分辨出声源产生的方向。当人们闭上眼睛，聚精会神聆听的时候，这种听声辨位的能力会更加强大，因此如果能够对这种能力不断的进行练习，那么这将有助于充分发挥人类大脑在空间信息感受方面的潜能。

目前，各种手机游戏和电脑游戏充斥于人们的生活之中，而且几乎所有的游戏都同时具有视觉和听觉的因素，但是游戏开发者往往只注重视觉上的体验和交互性，听觉只是作为渲染游戏气氛的辅助手段。如果能够充分发挥人类听觉系统的空间感知能力，使得听觉可以作为代替视觉的游戏操控手段，那么这将有助于游戏开发者开发出更多具有创新性和趣味性的游戏作品。

为此，我们需要开发一种基于人类听觉的方法来对人类在听觉方面的潜力进行挖掘，同时也为游戏开发者提供一种利用人类听觉来开发游戏的手段。

技术实现要素：

本发明的目的是要提供一种能够对人类听觉能力进行锻炼并且帮助游戏开发者开发听觉游戏的方法及装置。

为了达到上述目的，提出一种听声辨位的方法，包括如下步骤：

步骤1，系统根据用户头部当前方位建立一个极坐标系；

步骤2，系统在该坐标系中选择任意一个角度作为用户需要辨别的目标角度；

步骤3，系统根据目标角度与用户头部正前方向在极坐标系中的角度之差调整耳机中播放的声音；

步骤4，用户根据耳机中的声音来判断声源相对于自己的方位角并将头部转向声源方向，系统的角速度传感器实时采集用户头部的角速度数据，系统对该数据进行积分运算得到用户头部正前方向当前在极坐标系中的角度；

步骤5，检测用户是否按下确定键或者停止键，如果都没按下则返回步骤3，如果按下确定键则计算出目标角度与用户头部正前方向当前在极坐标系中的角度之差，根据该角度之差计算出用户此次判断方位的准确度得分，显示该得分并且将准确度得分进行累加，返回步骤1，如果按下停止键则计算出目标角度与用户头部正前方向当前在极坐标系中的角度之差，根据该角度之差计算出用户此次判断方位的准确度得分，将准确度得分累加后求平均值，显示平均得分，操作结束。

优选的，所述步骤1中，系统以用户头部当前位置为极点，以用户当前头部正前方向为极轴建立极坐标系，每次执行该步骤建立极坐标系时将角速度数据积分的初始角度设置为0度。

优选的，所述步骤2中，目标角度的范围为负180度到正180度。

优选的，所述步骤3中，耳机声音的调整方法为：

(1)按照如下公式计算角度之差：αdelt＝αtarget-αuser；

(2)分别计算耳机左右两个声道声音信号的电压幅值，计算公式如下：

如果αtarget>＝0，则：

如果αtarget<0，则：

其中，αtarget为目标角度，αuser为用户头部正前方向在极坐标系中的角度，αdelt为角度之差，ul为耳机左声道声音信号的电压幅值，ur为耳机右声道声音信号的电压幅值，uref为左右声道声音信号电压幅值的参考电压，参考电压uref的峰峰值为0.01-1.5伏。

优选的，其特征在于，所述步骤3中，耳机中播放的声音需要事先录制获取，录制方法为：将一个立体声麦克风固定在同一个位置，以立体声麦克风所在位置为圆心，以半径r建立一个圆，以立体声麦克风正前方向为0度，在圆周上0度到180度以及0度到负180度的角度范围内，将声源每隔1度角度移动一次，使用立体声麦克风录制不同位置时的声源音频信号，其中，r为半径，半径r为0.5-10米；

耳机声音的调整方法为：

(1)按照如下公式计算角度之差：αdelt＝αtarget-αuser，其中，αtarget为目标角度，αuser为用户头部正前方向在极坐标系中的角度，αdelt为角度之差；

(2)根据角度之差αdelt在耳机中播放立体声麦克风在圆周上αdelt角度的位置录制的声源音频信号。

优选的，所述步骤3中，耳机中播放的声音为频率为20-20000赫兹的正弦波。

优选的，所述步骤4中，系统每隔1-100毫秒采集一次角速度传感器的数据。

优选的，所述步骤5中，准确度得分满分为100分，用户判断方位的准确度得分的计算方法为：score＝100-|αdelt|，αdelt＝αtarget-αuser，其中，score为用户判断方位准确度的得分，αtarget为目标角度，αuser为用户头部正前方向在极坐标系中的角度，αdelt为角度之差，|αdelt|为角度之差的绝对值。

为了实现上述目的，提出一种听声辨位的装置，包括：耳机、角速度传感器、微控制器、声音播放模块、增益控制模块、显示模块、按键、电源模块；

所述耳机为头戴式耳机，具有左右两个声道，用于将音频电压信号转化为声音，角速度传感器、微控制器、声音播放模块、增益控制模块、显示模块、按键和电源模块都安装在耳机上；

所述角速度传感器用于采集耳机转动时的角速度数据；

所述微控制器用于控制角速度传感器进行实时测量，对角速度数据进行积分处理以得到用户当前的角度并根据声源角度与用户当前角度之差控制声音播放模块与增益控制模块，微控制器还用于检测按键的控制信号，控制显示模块进行显示；

所述声音播放模块用于根据微控制器的命令播放相应的声音数据，产生双轨音频电压信号；

所述增益控制模块用于根据微控制器的命令分别对声音播放模块产生的双轨音频电压 信号的每条音轨电压信号的幅值进行放大和缩小；

所述显示模块用于显示用户听声辨位的准确度得分；

所述按键用于接收用户发出的确认和停止命令；

所述电源模块用于为系统供电。

优选的，所述声音播放模块存储声源在不同角度时通过立体声麦克风录制的双音轨声音数据，显示模块采用液晶显示屏。

本发明具有以下优点：

(1)充分利用了人类听觉系统对于空间位置的感知能力，对使用者的听声辨位能力进行了量化，有助于使用者在练习中不断提高空间位置感知的能力。

(2)该方法具有很强的趣味性。

(3)设备简单小巧，操作方法具有一般性，因此便于集成到各种游戏的设计中。

附图说明

图1为本发明所述方法的极坐标系示意图。

图2为本发明所述方法工作流程示意图。

图3为本发明所述装置的原理图。

具体实施方式

本发明通过角速度传感器实时的检测用户头部转动的角速度数据，通过角速度数据计算出用户头部的角度，再根据用户头部角度与目标角度之差调整耳机中播放的声音，使得用户感觉到自己目前的转动状态是在接近目标角度还是在远离目标角度。通过这种方式可以有助于充分发挥人类大脑在空间信息感受能力方面的能力，同时该方式还可以为游戏开发者提供更多的开发手段。

为了对本发明进行更为清晰的表述，下面结合附图进行进一步的详细说明。

实施例1：

本实施例的步骤3中采用了调整左右两个声道的声音音量的方式进行声音调整，该实施例具体包括以下步骤：

步骤1，如图1所示，系统以用户头部当前位置6为极点，以用户当前头部正前方向10为极轴建立极坐标系，将角速度数据积分的初始角度设置为0度。

步骤2，在该极坐标系的0度到180度范围3和0度到负180度范围7内任意选择一个角度作为用户需要辨别的目标角度9，例如目标角度9为40度，声源位置1为用户大脑中想象的声源在极坐标系中的位置。

步骤3，如果此时用户将头部转动到位置4，那么用户头部正前方向为11，用户当前角度8为21度，目标角度9与用户当前角度8的角度之差2为40-21＝19度，然后分别计算耳机左右两个声道声音信号的电压幅值，取参考电压峰峰值uref为0.5伏，由于角度之差2为19度，大于0度，所以左声道声音信号的电压幅值ul＝uref＝0.5伏，右声道声音信号的电压幅值根据两个声道声音信号的电压幅值控制耳机的声音大小，所播放的声音信号为频率为1500赫兹的正弦波信号，其中，ul为计算出的耳机左声道声音信号的电压幅值，ur为耳机右声道声音信号的电压幅值，uref为左右声道声音信号电压幅值的参考电压。

步骤4，用户根据耳机中的声音来判断声源位置1相对于自己的方位角并将头部转向声源位置1的方向，系统的角速度传感器每隔10毫秒采集一次用户头部的角速度数据，系统对该数据进行积分运算得到用户头部正前方向当前在极坐标系中的角度；

步骤5，系统检测用户是否按下确定键或者停止键，如果都没按下则返回步骤3，如果按下确定键，假设此时用户头部转动到位置15，用户头部正前方向为12，用户当前角度14为44度，则角度之差13为40-44＝-4度，此次用户判断方位的准确度得分score＝100-|-4|＝96分，通过显示器显示该得分并且将准确度得分进行累加，返回步骤1，如果按下停止键，假设此时用户头部转动到位置15，用户头部正前方向为12，用户当前角度14为44度，则角度之差13为40-44＝-4度，此次用户判断方位的准确度得分score＝100-|-4|＝96分，将准确度得分累加后求平均值，通过显示器显示平均得分，操作结束。

实施例2：

本实施例的步骤3中，耳机中播放的声音需要事先录制获取，录制方法为：将一个立体声麦克风固定在同一个位置，以立体声麦克风所在位置为圆心，以3米为半径建立一个圆，以立体声麦克风正前方向为0度，在圆周上0度到180度以及0度到负180度的角度范围内，将声源每隔1度角度移动一次，使用立体声麦克风录制不同位置时的声源音频信号，声源音频信号采用频率为1500赫兹的正弦波信号。该实施例具体包括以下步骤：

步骤1，如图1所示，系统以用户头部当前位置6为极点，以用户当前头部正前方向10为极轴建立极坐标系，将角速度数据积分的初始角度设置为0度。

步骤2，在该极坐标系的0度到180度范围3和0度到负180度范围7内任意选择一个角度作为用户需要辨别的目标角度9，例如目标角度9为40度，声源位置1为用户大脑中想象的声源在极坐标系中的位置。

步骤3，如果此时用户将头部转动到位置4，那么用户头部正前方向为11，用户当前角度8为21度，目标角度9与用户当前角度8的角度之差2为40-21＝19度，耳机中播放声源在圆周上19度位置时立体声麦克风录制的声源音频信号。

步骤4，用户根据耳机中的声音来判断声源位置1相对于自己的方位角并将头部转向声源位置1的方向，系统的角速度传感器每隔10毫秒采集一次用户头部的角速度数据，系统对该数据进行积分运算得到用户头部正前方向当前在极坐标系中的角度；

步骤5，系统检测用户是否按下确定键或者停止键，如果都没按下则返回步骤3，如果按下确定键，假设此时用户头部转动到位置15，用户头部正前方向为12，用户当前角度14为44度，则角度之差13为40-44＝-4度，此次用户判断方位的准确度得分score＝100-|-4|＝96分，通过显示器显示该得分并且将准确度得分进行累加，返回步骤1，如果按下停止键，假设此时用户头部转动到位置15，用户头部正前方向为12，用户当前角度14为44度，则角度之差13为40-44＝-4度，此次用户判断方位的准确度得分score＝100-|-4|＝96分，将准确度得分累加后求平均值，通过显示器显示平均得分，操作结束。

本发明提供的听声辨位的装置原理图如图3所示，包括：耳机、角速度传感器、微控制器、声音播放模块、增益控制模块、显示模块、按键、电源模块。

耳机为头戴式耳机，具有左右两个声道，用于将音频电压信号转化为声音，角速度传感器、微控制器、声音播放模块、增益控制模块、显示模块、按键和电源模块都安装在头戴式 耳机上。

角速度传感器采用mpu6050芯片，量程设置为±500度每秒，数据速率设置为100赫兹，用于定时采集耳机转动时的角速度数据。

微控制器采用单片机，用于控制角速度传感器进行实时测量并对角速度数据进行积分处理以得到用户当前的角度，系统开始运行时，单片机内随机生成一个0度到180度或者0度到负180度的角度作为用户需要辨别的目标角度，如果单片机检测到用户当前角度小于目标角度时，保持左声道音量不变，通过增益控制模块减小右声道的音频电压信号幅值，使用户产生声源位于自己左侧的感觉，如果单片机检测到用户当前角度大于目标角度，则保持右声道音量不变，通过增益控制模块减小左声道的音频电压信号幅值，使用户产生声源位于自己左侧的感觉，音频电压信号减小的倍数和目标角度与用户当前角度的角度之差的绝对值成正比关系。微控制器还用于检测按键的控制信号，控制显示模块显示用户判断方位准确度的得分。

声音播放模块采用e711-l48立体声语音芯片，声源音频信号采用频率为1500赫兹的正弦波信号。在单片机控制该语音芯片放音之前，将一个立体声麦克风固定在某一个位置，在该立体声麦克风周围360度的范围内，将声源每隔1度角度移动一次，使用立体声麦克风录制声源在不同位置时的声音数据，并将该声音数据写入该立体声语音芯片的rom空间，该立体声语音芯片用于根据单片机的命令播放相应的声音数据，产生双轨音频电压信号。

增益控制模块采用e711-l48立体声语音芯片内置的两组eq-op信号放大器，可以线性的调节音量，用于根据单片机的命令分别对声音播放模块产生的双轨音频电压信号的每条音轨信号的幅值进行放大和缩小。

显示模块采用液晶显示屏，用于显示用户听声辨位的准确度得分。

按键采用轻触开关，用于接收用户发出的确认和停止命令，当检测到确认命令时计算出本次判断方位准确度的得分，通过显示器显示本次得分并将本次得分进行累加，再开始下一次听声辨位操作，如果检测到停止命令，则计算完本次得分后将本次得分进行累加，根据得分累加值计算出平均得分并通过显示器进行显示，听声辨位的准确度得分是在100分的基础上减掉按下按键时目标角度与用户当前角度的角度之差的绝对值来计算的。

电源模块采用锂电池，用于为系统供电。