一种基于头戴式扬声器系统的HRTF测量方法及其测量设备与流程

本发明涉及音频分析和处理技术领域，尤其涉及一种基于头戴式扬声器系统的hrtf测量方法及其测量设备。

背景技术：

头相关传输函数（head—relatedtransferfunction，hrtf）又称为atf(anatomicaltransferfunction)，是一种描述声波从音源到收听者双耳传输过程的音效定位算法，它反应了人体结构，诸如头部、耳廓、躯干结构乃至性别对声波的综合滤波结果，包含了关于音源的定位信息，对立体声音效的复现和音源虚拟位置信息的仿真具有非常重要的意义。其主要包括双耳时间差（interauraltimedifference，itd）和双耳声压级差（interauralleveldifference，ild），在实际应用场景中，扬声器可以将经由hrtf处理过的信号转换为声波信号，来展现不同的空间听觉效果。

hrtf具有个性化特征，不同收听者的不同生理结构和尺寸特征决定了其具有独一无二的hrtf特征。华南理工大学物理科学与技术学院声学研究所谢菠荪教授等人在《头相关传输函数数据库及其特性分析》中以52名受试者进行测量，建立了基于中国人采集样本的高空间分辨率hrtf，其研究结果表明，在统计意义上最大itds存在显著的性别差异；并且，通过与国外cipichrtf数据库的比对发现，基于中国人样本的itds与主要基于西方人样本的统计结果具有显著差异，即hrtf的个性化特征存在明显的性别和种群差异。

现有的付诸应用的hrtf模型，是基于样本统计的平均化hrtf模型，特别是基于西方人样本的统计结果，其并不能较为真实的符合实际收听者的hrtf特征，因而基于其建立的再现声场或模拟声场也就不能准确反应该声场中的音源位置信息。

此外，收听者从头戴式扬声器系统获取声音的方式不同于自由场扬声器系统。对于自由场扬声器系统，音源发出的声波经收听者的头部、耳廓、躯干等散射后到达双耳，这一过程声波接触的任何身体结构都将使声波发生改变，令声波的频率与相位有所不同；对于头戴式扬声器系统，扬声器直接被布置在收听者耳道口或耳部附近，音源发出的声波并不经过收听者的躯干。相比自由场扬声器系统，收听者躯干对头戴式扬声器系统所发出的声波的影响较小，因而如何研究头戴式扬声器系统对收听者判断音源位置信息的影响，即收听者在使用头戴式扬声器系统时的个性化头相关传输函数的获取，成为改善头戴式扬声器系统立体声收听效果的关键。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述缺点，本发明提供一种基于头戴式扬声器系统的hrtf测量方法，其具体包括：

步骤s110：将音源信号按照预设hrtf处理为测试信号。

步骤s120：将测试信号由头戴式扬声器转换为测试声信号向收听者播放。

步骤s130：由设置在收听者耳部的收音装置接收所述测试声信号，生成测量信号。

步骤s140：将测量信号由处理设备处理，生成测量hrtf。

步骤s150：将测量hrtf与预设hrtf作比较并获得比较特征量，并将所述比较特征量与阈值比对，若所述比较特征量大于阈值，则重复步骤s110至s140，并将前一次步骤s140中生成的测量hrtf作为预设hrtf与所述音源信号处理为测试信号。

若所述比较特征量小于阈值，将所述测量hrtf作为收听者的个性化hrtf。

优选地，所述比较特征量包括itd特征量和ild特征量；所述itd特征量为所述测量hrtf与所述预设hrtf的itd差异率，所述ild特征量为所述测量hrtf与所述预设hrtf的ild差异率；所述阈值包括itd特征量阈值和ild特征量阈值。

优选地，所述itd阈值为10%，所述ild阈值为2%。

优选地，其特征在于，所述测量方法还包括互易校验步骤，将步骤s120和步骤s130中扬声器和收音装置的位置互换，测量并计算获得互易hrtf，并将其与所述个性化hrtf进行交叉校验。

优选地，所述测量方法还包括耳部外形测量步骤，包括：使用设置在头戴式扬声器内部的光学测量元件采用光学测绘手段获取收听者耳部的轮廓图像，并将所述轮廓图像输出至处理设备。

优选地，所述处理设备识别所述轮廓图像并将所述轮廓图像作参数化处理，获得收听者的耳部轮廓参数。

优选地，所述处理设备将所述轮廓图像以及所述耳部轮廓参数作为索引构建数据库，并将所述个性化hrtf作为目标数据存储在其所对应的耳部轮廓参数索引下。

优选地，将所述数据库中个性化hrtf的平均值作为预设hrtf。

优选地，所述处理设备根据当前被测试收听者的耳部轮廓参数在所述数据库中进行比对，选取与当前收听者最为接近的索引所对应的个性化hrtf作为预设hrtf。

本发明还提供了一种基于头戴式扬声器系统的hrtf测量设备，包括：

合成单元，用于将音源信号按照预设hrtf处理为测试信号；头戴式扬声器，用于将所述测试信号由头戴式扬声器向收听者播放；收音装置，设置在收听者耳部，用于接收所述测试声信号，将所述测试声信号，生成测量信号；解析单元，用于处理所述测量信号，生成测量hrtf；比较单元，用于将所述测量hrtf与预设hrtf作比较并获得比较特征量，并将所述比较特征量与阈值比对，若所述比较特征量大于阈值，则重复步骤s110至s140，并将前一次步骤s140中生成的测量hrtf作为预设hrtf与所述音源信号处理为测试信号；若所述比较特征量小于阈值，将所述测量hrtf作为收听者的个性化hrtf；所述合成单元、解析单元、比较单元组成处理设备；所述头戴式扬声器与收听者面部紧密贴合，其与收听者面部所包围形成的空间内基底噪音不大于10分贝。

优选地，所述头戴式扬声器包括外壳体和弹性耳套；所述外壳体与所述弹性耳套连接，所述弹性耳套用于与收听者头部接触；所述外壳体异于所述弹性耳套的一侧具有多层网结构，多层所述网结构的网格交错设置，所述网格上设置有网格谐振腔。

优选地，多层所述网结构之间相邻两层网格的网格重叠面积不大于20%。

优选地，所述弹性耳套包括弹性层和隔音环，所述弹性层包裹于所述隔音环的外侧；所述隔音环一端与所述外壳体连接，所述隔音环异于外壳体的一侧被所述弹性层包裹；所述头戴式扬声器在佩戴时，收听者的头部与所述隔音环的距离不大于0.8毫米；所述隔音环是一个具有双层壳体的封闭环，所述双层壳体之间为真空层，所述双层壳体的每层壳体的厚度不小于1.6毫米。

优选地，所述双层壳体包括内侧壳体和外侧壳体，所述外侧壳体上布置有环谐振腔，所述环谐振腔为直径0.02毫米至0.12毫米、深0.1毫米至0.35毫米的轴对称孔结构；所述环谐振腔均布于所述外侧壳体，所述环谐振腔的开孔率为50%至90%。

优选地，所述头戴式扬声器还包括光学测量设备，所述处理设备还包括图像处理单元和图像参数处理单元，所述光学测量设备用于获取收听者的耳部轮廓图像，并将所述耳部轮廓图像输出至所述处理设备；所述处理设备通过所述图像处理单元对所述耳部轮廓图像进行参数化处理，获得耳部轮廓参数，并通过所述图像参数处理单元根据所述耳部轮廓图像和所述耳部轮廓参数以及与其相对应的所述个性化hrtf构建基于耳部轮廓参数进行索引的个性化hrtf数据库。

本发明针对头戴式扬声器与自由场扬声器系统在传递路径上的差异造成的头相关传输函数差异，通过一种基于头戴式扬声器系统的hrtf测量方法及其测量设备，能够获得符合使用者身体特征的，特别是在使用头戴式扬声器时的头相关传输函数，可为头戴式扬声器系统的设计和使用提供更为真实的hrtf数据，为头戴式耳机在电影、游戏以及远场音效音乐品鉴场景中的应用提供更好的立体声音效。

附图说明

图1为本发明实施例基于头戴式扬声器系统的hrtf测量方法的流程图。

图2为本发明实施例基于头戴式扬声器系统的hrtf测量设备的工作原理图。

图3为本发明实施例头戴式扬声器局部结构示意图。

图4为本发明实施例弹性耳套局部结构示意图。

图5为本发明实施例隔音环结构示意图。

图6为本发明实施例网结构示意图。

图7为本发明实施例谐振腔截面示意图。

其中，头戴式扬声器-110、外壳体-111、网结构-1111、网格谐振腔-1112、弹性耳套-112、弹性层-1121、隔音环-1122、内侧壳体-11221、外侧壳体-11222、环谐振腔-11223、收音装置-120、处理设备-130、合成单元-131、解析单元-132、比较单元-133；音源信号-20、测试信号-21、测试声信号-22、测量信号-23；个性化hrtf-30、预设hrtf-31、测量hrtf-32。

具体实施方式

为了获得收听者在佩戴头戴式扬声器时的个性化hrtf数据，建立基于收听者耳部轮廓特征的个性化hrtf数据库，本发明所提供的基于头戴式扬声器系统的hrtf测量方法及其测量设备是通过以下技术方案实现的：

实施例1：

请参阅图1，其中，图1为本发明实施例基于头戴式扬声器系统的hrtf测量方法的流程图。

本实施例提供一种基于头戴式扬声器系统的hrtf测量方法，该测量方法由基于头戴式扬声器系统的测量设备完成，其包括：步骤s110：将音源信号20按照预设hrtf31处理为测试信号21；步骤s120：将测试信号21由头戴式扬声器110转换为测试声信号22向收听者播放；步骤s130：由设置在收听者耳部的收音装置120接收所述测试声信号22，生成测量信号23；步骤s140：将测量信号23由处理设备130处理，生成测量hrtf32；步骤s150：将测量hrtf32与预设hrtf31作比较并获得比较特征量，并将所述比较特征量与阈值比对，若所述比较特征量大于阈值，则重复步骤s110至s140，并将前一次步骤s140中生成的测量hrtf32作为预设hrtf31与所述音源信号20处理为测试信号21；若所述比较特征量小于阈值，将所述测量hrtf32作为收听者的个性化hrtf30。

在上述过程中，比较特征量可以包括itd特征量和ild特征量，其分别为测量hrtf32与所述预设hrtf31的itd差异率与ild差异率，其分别对应itd阈值和ild阈值。特别地，上述itd阈值的设定值为10%，ild阈值的设定值为2%。

特别地，头戴式扬声器内还可以布置扬声器阵列。

本实施例针对头戴式扬声器与自由场扬声器系统在传递路径上的差异造成的头相关传输函数差异，通过一种基于头戴式扬声器系统的hrtf测量方法，能够获得符合使用者身体特征的，特别是在使用头戴式扬声器时的头相关传输函数，可为头戴式扬声器系统的设计和使用提供更为真实的hrtf数据，为头戴式耳机在电影、游戏以及远场音效音乐品鉴场景中的应用提供更好的立体声音效。

实施例2：

本实施例提供一种基于头戴式扬声器系统的hrtf测量方法，其还包括互易校验步骤，将步骤s120和步骤s130中扬声器和收音装置的位置互换，执行步骤s210至步骤s250，得到互易hrtf，以与所述个性化hrtf进行交叉校验。其中，步骤s210：将音源信号20按照预设hrtf31处理为测试信号21；步骤s220：将测试信号21由扬声器向头戴式收音装置播放；步骤s230：由设置在头戴式收音装置内部的麦克风接收测试声信号22，生成测量信号23；步骤s240：将测量信号23由处理设备130处理，生成测量hrtf32；步骤s250：将测量hrtf32与预设hrtf31作比较并获得比较特征量，并将所述比较特征量与阈值比对，若所述比较特征量大于阈值，则重复步骤s210至s240，并将前一次步骤s240中生成的测量hrtf32作为预设hrtf与所述音源信号20处理为测试信号21；若所述比较特征量小于阈值，将所述测量hrtf32作为互易hrtf。

在该实施例中，采用互易法对步骤s150中解算得到的个性化hrtf30进行校验。其在收听者耳道口位置布置扬声器，而将头戴式扬声器替换为头戴式收音装置，以求解逆向路径的互易hrtf，并与步骤s110至步骤s150过程中所获得的个性化hrtf30进行比对，若互易hrtf与个性化hrtf30的差异大于预期，则重复步骤s110至步骤s150，直到个性化hrtf30与互易hrtf的差异小于预期。

具体地，上述差异包括itd差异和ild差异。其中，itd差异的预期值为10%，ild差异的预期值为2%。

更具体地，为了保证逆向路径的一致性，头戴式收音装置应与头戴式扬声器具有系统的外形结构，其麦克风的布置位置应与头戴式扬声器中扬声器的布置位置一致；并且，该互易校验步骤测量信号的信噪比与步骤s110至步骤s150过程中所获得的测量信号的信噪比差异不大于5%。

特别地，在互易校验步骤中，收听者应佩戴入耳式防护装置，例如入耳式耳塞，以防止测试过程中近耳声源的噪音对收听者造成生理影响。

更特别地，扬声器可以布置在入耳式防护装置异于接触收听者耳道的一侧，以无线通讯手段从处理设备130获取测试信号21。

本实施例根据亥姆霍兹互易原理，交换扬声器和麦克风的位置，通过互易法对步骤s110至步骤s150过程中所获得的个性化hrtf30进行校验，在声音传递路径差异的容许范围内，复核校验通过正向路径所获得个性化hrtf，提高了测量精度。

实施例3：

本实施例提供一种基于头戴式扬声器系统的hrtf测量方法，其还包括耳部外形测量步骤，其使用设置在头戴式扬声器内部的光学测量元件采用光学测绘手段获取收听者耳部的轮廓图像，并将所述轮廓图像输出至所述处理设备，由处理设备的图像处理单元识别该轮廓图像并将其作参数化处理，获得收听者的耳部轮廓参数。其中，耳部轮廓参数可以包括耳垂与耳廓的面积比、对耳轮脚两脚间的间距、三角窝的深度和面积、二轮的厚度、耳屏与对耳屏上沿高度和下沿宽度、耳甲艇的长度和深度、耳甲腔的深度、对耳轮与耳甲腔间的高度差和投影重叠率、耳道口语耳屏的高度差和投影重叠率以及耳道口的形状参数等。

在本实施例中，处理设备还通过图像参数处理单元将上述轮廓图像和耳部轮廓参数作为索引构建数据库，该数据库将测试过程中所获得的个性化hrtf作为目标数据存储在其所对应的耳部轮廓参数索引下，以便后续检索与调取。

特别地，在测量过程中，可以采用上述数据库中所存储的个性化hrtf的平均值作为预设hrtf；或者可以通过处理设备根据当前被测试收听者的耳部轮廓参数在所述数据库中进行比对，选取与当前收听者最为接近的耳部轮廓参数索引所对应的个性化hrtf作为预设hrtf。

特别地，上述数据库还包括收听者的性别、年龄索引。

特别地，上述光学测绘手段可以为激光成像或红外成像手段，上述耳部轮廓图像为三维图像，上述光学测量元件可以单点、双点、三点或阵列布置。

本实施例提供一种基于头戴式扬声器系统的hrtf测量方法，其根据通过光学测绘方法获得收听者的耳部轮廓信息，并根据该耳部轮廓信息和经测量得到的个性化hrtf构建人体耳部轮廓相关的个性化hrtf数据库，以便更加深入地研究人体耳部结构与hrtf的参数化关系，以及更好地在测量过程中获得初始hrtf的较优解，以缩短hrtf的测量过程，提高hrtf的测量精度。

实施例4：

请参阅图2至图7，其中，图2为本发明实施例基于头戴式扬声器系统的hrtf测量设备的工作原理图；图3为本发明实施例头戴式扬声器局部结构示意图；图4为本发明实施例弹性耳套局部结构示意图；图5为本发明实施例隔音环结构示意图；图6为本发明实施例网结构示意图；图7为本发明实施例谐振腔截面示意图。

本实施例提供一种基于头戴式扬声器系统的hrtf测量设备，其能够构建符合hrtf测试过程的背景环境并完成hrtf的测量。该测量设备包括：合成单元131，用于将音源信号按照预设hrtf处理为测试信号；头戴式扬声器，用于将所述测试信号由头戴式扬声器向收听者播放；收音装置，设置在收听者耳部，用于接收所述测试声信号，将所述测试声信号，生成测量信号；解析单元132，用于处理所述测量信号，生成测量hrtf；比较单元133，用于将所述测量hrtf与预设hrtf作比较并获得比较特征量，并将所述比较特征量与阈值比对，若所述比较特征量大于阈值，则重复步骤s110至s140，并将前一次步骤s140中生成的测量hrtf作为预设hrtf与所述音源信号处理为测试信号；若所述比较特征量小于阈值，将所述测量hrtf作为收听者的个性化hrtf。

为了使收音装置120具有更好的收音效果，杜绝外界环境对测试过程的影响，头戴式扬声器110与收听者面部紧密贴合，其与收听者面部所包围形成的空间内基底噪音不大于10分贝，测量设备的信噪比不小于78分贝。

特别地，头戴式扬声器110包括外壳体111和弹性耳套112，弹性耳套112用于与收听者头部接触，另一侧与外壳体111相连接；外壳体111异于弹性耳套112的一侧具有多层网结构1111，多层所述网结构1111的网格交错设置，所述网格上设置有网格谐振腔1112且每层网结构1111上的谐振腔具有不同尺寸特征，多层所述网结构1111之间相邻两层网格的网格重叠面积不大于20%，使得外壳体111对外界低频噪声在一个较宽的频带范围具有较好的抗性消声效果。

弹性耳套112包括弹性层1121和隔音环1122，弹性层1121包裹于隔音环1122的外侧。隔音环1122的一端与外壳体111相连，隔音环1122异于外壳体111的一端被弹性层1121包裹；头戴式扬声器110在佩戴时，收听者的头部与所述隔音环1122的距离不大于0.8毫米，在保证佩戴舒适度的同时减少了外界噪声通过头戴式扬声器110结构部件的传递路径。

隔音环1122是一个具有双层壳体的封闭环，所述双层壳体之间为真空层，所述双层壳体的每层壳体的厚度不小于1.6毫米。所述双层壳体包括内侧壳体11221和外侧壳体11222，所述外侧壳体11222上布置有环谐振腔11223，所述环谐振腔11223为直径0.02毫米至0.12毫米、深0.1毫米至0.35毫米的轴对称孔结构；所述环谐振腔11223均布于所述外侧壳体11222，所述环谐振腔11223的开孔率为50%至90%，进一步隔绝了外界噪声，特别是低频噪声通过弹性耳套112输入的传递路径，隔音环1122的设置使得弹性耳套112对于10至200赫兹的低频噪音的消声效果可达48分贝。

本实施例通过一套基于头戴式扬声器系统的测量设备实现了使用者在佩戴头戴式扬声器时的个性化hrtf30测量；同时优化头戴式扬声器的被动降噪设计，头戴式扬声器在佩戴时与收听者头部紧密贴合，融合多种高孔隙率谐振腔、吸声材料以及传递路径阻隔布局，兼顾不同频率低频噪声和高频噪声的消声和隔绝处理，使得头戴式扬声器在使用时与收听者头部所形成的密闭空间内基底噪音不大于10分贝，测量设备的信噪比不小于78分贝。

需要注意的是，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，在上述实施例的指导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。