双声道3d音频生成装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及3D音视频技术领域，尤其涉及双声道3D音频生成装置及方法。
【背景技术】
[0002] 随着3D音视频的快速发展，传统的立体声及环绕声技术已经满足不了人们对于 更好视听体验的需求。声学研究表明，头相关传递函数中包含的双耳间级差、双耳间时差以 及频谱信息可以用来合成含有声源位置信息的音频信号。而且头相关传递术适用于耳机环 境下的特点，使得该技术适合在移动设备上使用，具有广阔的市场前景。但头相关传递函数 与听音者的人体参数相关，为了得到更好的效果，需要对大量测试者进行测量，然而近场的 头相关传递函数在测量时存在着多种缺陷：1、没有合适的扬声器满足测量头相关传递函数 时实验对于对声源的要求；2、测试者的头部需要保持严格静止；3、大量位置点的头相关传 递函数测量会造成测试者的疲劳等问题，从而很难得到能使得合成的音频信号的感知距离 和方位感较好的近场头相关传递函数。因此，也无法得到理想的双声道3D音频。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供新的双声道3D音频生成方法及装置，通过避免获取真人近 场头相关传递函数时的不便，达到改善近距离的声源感知准确性的目的，从而完成在双声 道系统中3D音频的更好合成。
[0004] 为到达上述目的，本发明技术方案提供一种双声道3D音频生成装置，包括以下模 块：
[0005] 左右耳声压模拟模块，用于设待合成的近场头相关传递函数的适用距离为近场声 源距离r，设已有的远场头相关传递函数库相应测量时声源与测试者的距离记为远场声源 距离R，利用硬质球体模拟人头，并将左耳和右耳模拟为硬质球体上的两点，计算近场声源 距离r下声源到硬质球体上左耳相应点的声压和右耳相应点的声压p /，计算远场声源 距离R下声源到硬质球体上左耳相应点的声压PlR和右耳相应点的声压p
[0006] 距离变量函数确定模块，用于计算左耳对应的距离变量函数值DVF1和右耳对应的 距离变量函数值DVF 2如下，
[0007]
[0008]
[0009] 远场头相关传递函数提取模块，用于在远场头相关传递函数库中任意挑选一个远 场头相关传递函数，设左耳对应的远场头相关传递函数记为HRTF r1,右耳对应的远场头相关 传递函数记为HRTFr2;
[0010] 左右耳近场头相关传递函数生成模块，用于基于左右耳分别对应的远场头相关传 递函数与对应距离变量函数值，得到对应的近场头相关传递函数，
[0011] HRTFr1 = DVF ! X HRTFr1
[0012] HRTFr2= DVF2XHRTFr2
[0013] 其中，HRTF11为左耳相应的近场头相关传递函数，HRTF /为右耳相应的近场头相关 传递函数；
[0014] 近场头相关传递函数记录模块，用于记录左右耳近场头相关传递函数生成模块所 得左右耳的近场头相关传递函数HRTF 1/和HRTF Λ
[0015] 卷积模块，用于进行3D音频的合成，包括将输入的音频信号与记录的近场头相关 传递函数对应的时域的左右耳近场头相关传递冲激响应分别进行卷积，得到用于双声道系 统中左右声道播放的3D音频。
[0016] 而且，左右耳声压模拟模块中，计算不同声源距离下到硬质球体某点的声压 p(a, ω, θ，1)采用下式，
[0017]
[0018] 其中，k为波数，e为自然底数，i为虚数单位，1为声源到硬质球体中心的距离；a 为声源到硬质球体上某点的距离，ω为声源信号的频率，Θ为声源到球体中心的连线和球 体中心到球体上某点间的连线的夹角；hj.)是m阶的第一类汉克尔函数，h'J.)是它的一 阶导数，P ni为m度的纳然德多项式。
[0019] 本发明还相应提供一种双声道3D音频生成方法，包括以下步骤：
[0020] 步骤1，设待合成的近场头相关传递函数的适用距离为近场声源距离r，设已有的 远场头相关传递函数库相应测量时声源与测试者的距离记为远场声源距离R，利用硬质球 体模拟人头，并将左耳和右耳模拟为硬质球体上的两点，计算近场声源距离r下声源到硬 质球体上左耳相应点的声压和右耳相应点的声压P /，计算远场声源距离R下声源到硬 质球体上左耳相应点的声压PlR和右耳相应点的声压P /;
[0021] 步骤2,计算左耳对应的距离变量函数值DVFJP右耳对应的距离变量函数值DVF 2 如下，
[0022]
[0023]
[0024] 步骤3,在远场头相关传递函数库中任意挑选一个远场头相关传递函数，设左耳对 应的远场头相关传递函数记为HRTF r1,右耳对应的远场头相关传递函数记为HRTFr2;
[0025] 步骤4,基于步骤3所得左右耳分别对应的远场头相关传递函数与步骤2所得对应 距离变量函数值，得到对应的近场头相关传递函数，
[0026] HRTFr1 = DVF ! X HRTFr1
[0027] HRTFr2= DVF2XHRTFr2
[0028] 其中，HRTF11为左耳相应的近场头相关传递函数，HRTF /为右耳相应的近场头相关 传递函数；
[0029] 步骤5、记录步骤4所得左右耳的近场头相关传递函数HRTF11和HRTF Λ
[0030] 步骤6、进行3D音频的合成，包括将输入的音频信号与记录的近场头相关传递函 数对应的时域的左右耳近场头相关传递冲激响应分别进行卷积，得到用于双声道系统中左 右声道播放的3D音频。
[0031] 而且，步骤1中，计算不同声源距离下到硬质球体某点的声压p(a，ω，Θ，1)采用 下式，
[0032]
[0033] 其中，k为波数，e为自然底数，i为虚数单位，1为声源到硬质球体中心的距离；a 为声源到硬质球体上某点的距离，ω为声源信号的频率，Θ为声源到球体中心的连线和球 体中心到球体上某点间的连线的夹角；hj.)是m阶的第一类汉克尔函数，h'J.)是它的一 阶导数，P ni为m度的纳然德多项式。
[0034] 使用本发明技术方案能够避免测量头相关传递函数时实验对于对扬声器的过高 要求；测试者的头部需要保持严格静止；大量位置点的头相关传递函数测量造成测试者疲 劳的问题，实现简单方便，用自动化方式取代人工参与，效率高。所得到的基于近场头相关 传递函数合成的音频信号，具有更好的距离感知效果、更明确的方位感和更少的前后混淆 效应。
【附图说明】
[0035] 图1是本发明实施例的系统结构框图。
[0036] 图2是本发明实施例的方法流程图。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步说明。
[0038] 参见图1，本发明实施例提供了双声道3D音频生成装置，包括以下模块：
[0039] 左右耳声压模拟模块，用于设待合成的近场头相关传递函数的适用距离为近场声 源距离r，设已有的远场头相关传递函数库相应测量时声源与测试者的距离记为远场声源 距离R，利用硬质球体模拟人头，并将左耳和右耳模拟为硬质球体上的两点，计算近场声源 距离r下声源到硬质球体上左耳相应点的声压和右耳相应点的声压p /，计算远场声源 距离R下声源到硬质球体上左耳相应点的声压PlR和右耳相应点的声压p 开始工作时，可 以先输入声源距离r和R ;
[0040] 距离变量函数确定模块，用于计算左耳对应的距离变量函数值DVF1和右耳对应的 距离变量函数DVF 2如下，
[0041 ]
[0042]
[0043] 远场头相关传递函数提取模块，用于在远场头相关传递函数库中任意挑选一个远 场头相关传递函数，设左耳对应的远场头相关传递函数记为HRTF r1,右耳对应的远场头相关 传递函数记为HRTFr2;
[0044] 左右耳近场头相关传递函数生成模块，用于基于左右耳分别对应的远场头相关传 递函数与对应距离变量函数，得到对应的近场头相关传递函数，
[0045] HRTFr1 = DVF ! X HRTFr1
[0046] HRTFr2= DVF2XHRTFr2
[0047] 其中，HRTF11为左耳相应的近场头相关传递函数，HRTF /为右耳相应的近场头相关 传递函数；
[0048] 近场头相关传递函数记录模块，用于记录左右耳近场头相关传递函数生成模块所 得左右耳的近场头相关传递函数HRTF 1/和HRTF Λ
[0049] 卷积模块，用于进行3D音频的合成，包括将输入的音频信号与记录的近场头相关 传递函数对应的时域的左右耳近场头相关传递冲激响应分别进行卷积，得到用于双声道系 统中左右声道播放的3D音频。具体实施时，根据近场头相关传递函数记录模块的记录结 果，输入一段音频即可进行卷积得到所需3D音频。
[0050] 参见图2,本发明实施例提供相应的双声道3D音频生成方法，具体实施时可以采 用计算机软件技术手段自动进行其流程，具体包括以下步骤：
[0051] 步骤1、计算不同距离下到硬质球体某点的声压：
[0052] 预先确定需要合成的近场头相关传递函数的适用距离，即近场声源距离r，具体实 施时可以由本领域技术人员预先设定适用距离r的取值，流程开始时直接输入即可。实施 例中r定为0. 1米。已有的远场头相关传递函数库中测量时声源与测试者的距离记为远场 声源距离R，由于实施例中远场头相关传递函数库选取的是CIPIC HRTF库，故此时R为1 米。
[0053] 具体实施时，硬质球体采用不吸收声波的全反射的材质即可，本领域技术人员可 自行指定具体材质。计算利用硬质球体模拟的听音者在听距离不同的声源发出的声音信号 时双耳处的声压值，是用来计算基于距离变量函数的值的前导工作，计算得到两个值：声源 为一个近点声源时硬质球体某点处的声压值，此近点声源到球体中心的距离由人工给定， 一般情况下应该小于一米；该球体上同一点处，声源为一个远点声源时该点处的声压值，该 远点声源距离球体中心的距离一般由已知的头相关传递函数库决定。
[0054] 实施例利用硬质球体模拟人头，并将左右耳模拟为硬质球体上的两点，则r和R都 是声源到硬质球体中心的距离，近场声源距离r小于远场声源距离R。分别利用公式1计算 到硬质球体中心距离为r = 0. 1米和R = 1米时两点