处的声压值，其中距离为0. 1米时声 压值为Pn，距离为1米时为Pf:
[0055]
[0056] 公式 1
[0057] 其中，k为波数，可由声源信号的频率和声速得到，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，针对近场声源距离和远场声源距离计算时分别取I = r，1 =R ;a为声源到硬质球体上某点（本发明取用来表征耳朵的点，分别有左耳和右耳）的距 离，ω为声源信号的频率（角频率），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；kC)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。
[0058] 左右耳分别相应的距离a和夹角Θ不同，将分别进行相应计算所得近场声源距离 r条件下左耳声压值和右耳声压值记为Pl\ p/，声源距离R条件下左耳声压值和右耳声压 值记为ρΛρΛ
[0059] 步骤2、计算左右耳对应硬质球体上位置的距离变量函数值：
[0060] 利用步骤1的计算结果来计算距离变量函数的值，通过近点声源在听音点处的声 压值与远点声源在听音点的声压值的比值就可以确定用于合成适用于某距离的头相关传 递函数的距离变量函数的值，针对左右耳位于人头两侧，对应于硬质球体上两不同点，分别 得到两个点处的距离变量函数值。
[0061] 实施例利用公式2得到相应的距离变量函数值DVF :
[0062]
[0063] 公式 2
[0064] 其中，p(a，ω，0，r)为近场声源距离r相应声压值， p(a，ω，0，R)为近场声源距 离R相应声压值。
[0065] 具体地，左耳相应的距离变量函数值记为DVF1，'
：，右耳相应的距离变量 函数值记为DVF2,
[0066] 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：
[0067] 远场头相关传递函数库是用来存储已有的远场头相关传递函数的，一般情况下该 库包含有不同人体参数的测试者的头相关传递函数的数据，可从中提取同一个测试者的左 右耳头相关传递函数。
[0068] 实施例在远场头相关传递函数库中任意选取一个测试者的头相关传递函数，记为 HRTFr，此时实施例从CIPIC HRTF库中任意选择一个对象作为实施例合成近场头相关传递 函数时使用的远场头相关传递函数，需要注意的是由于CIPIC HRTF库实际存储的是头相关 传递响应，即HRIR，故实施例需要先对头相关传递响应HRIR做一步时频变换得到对应的远 场头相关传递函数HRTF r;设左耳对应的远场头相关传递函数HRTF R记为HRTF Λ右耳对应 的远场头相关传递函数HRTFr记为HRTF R2。
[0069] 步骤4、将步骤3所得左右耳分别对应的头相关传递函数数据与对应距离变量函 数值进行计算，得到对应的左右耳近场头相关传递函数数据：
[0070] 计算单耳的近场头相关传递函数，是通过将该耳对应的硬质球体上一点的距离变 量函数的值与的远场头相关传递函数做乘，即可得到对应耳的对应于人工给定的声源到硬 质球体中心的距离的头相关传递函数。
[0071] 实施例利用公式3,计算相应的近场头相关传递函数记为HRTFp注意在进行近场 头相关传递函数合成时，应对左右耳分别进行处理，分别得到相应的HRTF 1^;
[0072] HRTFr= Dvfxhrtfr
[0073] 公式 3
[0074] 具体的，根据左耳的距离变量函数值DVF1，和对应的远场头相关传递函数HRTF r1, 计算HRTF1/= DVF i XHRTFr1得到左耳相应的近场头相关传递函数HRTF Λ根据右耳的距离 变量函数值DVF2，和对应的远场头相关传递函数HRTFr 2,计算HRTF12= DVF 2 X HRTFr2得到右 耳相应的近场头相关传递函数HRTF/。
[0075] 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
[0076] 具体实施时，可将步骤4合成的左右耳的近场头相关传递函数按照预设的存储格 式进行封装。
[0077] -般不同的头相关传递函数库有不同的存储格式，不同格式合成3D音频时的具 体过程不完全相同，因此建议合成后与原有的远场头相关传递函数库的存储格式保存一 致。即根据远场头相关传递函数库预设存储格式，最终将左右耳分别的近场头相关传递函 数HRTF 1^ HRTF12合成为满足选取的远场头相关传递函数库存储格式的文件，从而得到完整 的近场头相关传递函数。
[0078] 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：
[0079] 具体实施时，金额将步骤5记录近场头相关传递函数读取出来，进行时频变换得 到对应的近场头相关传递冲激响应，与输入的音频信号进行卷积，得到最终播放的3D音 频。
[0080] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领 域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替 代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
【主权项】
1. 一种双声道3D音频生成装置，其特征在于，包括以下模块： 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/; 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DVh和右耳对应的距离 变量函数值DVF2如下，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^，右耳对应的远场头相关传递 函数记为HRTFr2; 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， HRTFri=DVFiXHRTFR1 HRTFr2=DVF2XHRTFr2 其中，HRTF/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； 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HRTF1/和HRTF 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。2. 根据权利要求1所述双声道3D音频生成装置，其特征在于：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，《，0，1)采用下式，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，《为声源信号的频率，9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，PnSm度的纳然德多项式。3. -种双声道3D音频生成方法，其特征在于，包括以下步骤： 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 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DVF2如下，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;，右耳对应的远场头相关传递函数记为HRTFr2; 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， HRTFri=DVFiXHRTFR1 HRTFr2=DVF2XHRTFr2 其中，HRTF/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； 步骤5、记录步骤4所得左右耳的近场头相关传递函数HRTF1/和HRTF 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。4.根据权利要求3所述双声道3D音频生成方法，其特征在于：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，co, 0，1)采用下式，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，《为声源信号的频率，9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，PnSm度的纳然德多项式。
【专利摘要】本发明提供双声道3D音频生成装置及方法，装置包括左右耳声压模拟模块、距离变量函数确定模块、远场头相关传递函数提取模块、近场头相关传递函数记录模块、卷积模块，首先计算距离不同的声源在硬质球体的某点上产生的声压，然后将不同距离下声源在该点处的声压比较得到距离变量函数值，再根据距离变量函数值与已有的远程头相关传递函数得到近场头相关传递函数，再利用该头相关传递函数进行时频变换得到头相关传递冲激响应与音频信号进行卷积，最终得到3D音频。利用本发明技术方案基于近场头相关传递函数合成的3D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。
【IPC分类】H04S1/00
【公开号】CN105120418
【申请号】CN201510422527
【发明人】胡瑞敏, 徐家望, 张茂胜, 王晓晨, 姚雪春, 杨玉红, 涂卫平
【申请人】武汉大学
【公开日】2015年12月2日
【申请日】2015年7月17日