[發明專利]一種優化的基于耳機重放的虛擬聲合成方法

在審

• 申請號: 201410438557.3
• 申請日: 2014-08-29
• 公開（公告）號: CN104240695A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發明（設計）人: 鐘小麗;張亮
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G10L13/02
• 分類號: G10L13/02;H04S7/00
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

技術領域

本發明涉及3D聲重放技術，具體涉及一種優化的基于耳機重放的虛擬3D聲合成方法，特別適合在硬件水平不高的情況下（如手持移動通訊終端）實現3D虛擬聲。

背景技術

人類聽覺系統通過雙耳聲信號感知外部聲學信息。虛擬聲技術通過信號處理的方法人為地合成雙耳聲信號，并采用耳機重放，使傾聽者獲得虛擬的外部聲信息（含聲源信息和環境信息），進而產生“身臨其境”的聽覺效果。

在現實的環境中，聲源聲波和環境（例如墻壁）、傾聽者生理結構（例如頭部、肩部）發生相互作用后，最終到達傾聽者雙耳。這個聲學傳輸可視為一個線性時不變的過程，其物理特征用雙耳房間脈沖響應BRIR(Binaural?Room?Impulse?Response)表示。其中，聲波和環境的相互作用可采用房間脈沖響RIR(Room?Impulse?Response)表示，RIR表征了聲波和環境發生相互作用所形成的直達聲和反射聲的時間、空間的傳輸特性。將單通路聲源信號與一對BRIR（左右耳各一）進行卷積得到模擬或合成的雙耳聲信號,?采用一對耳機重放，就可以實現3D虛擬聲。可見，BRIR是實現3D虛擬聲的關鍵。

通常，BRIR的合成采用參數化模擬的方法，即將聲源到傾聽者雙耳的聲學過程分解為直達聲部分和一系列不同階次的反射聲部分，分別對它們進行模擬。直達聲部分的模擬相對簡單：根據RIR確定直達聲的到達方位，采用相應方位的頭相關脈沖響應HRIR(Head-Related?Impulse?Response，描述自由場情況下傾聽者生理結構與聲波的相互作用)和RIR中直達聲部分進行卷積。而反射聲的模擬通常采用幾何聲學的虛聲源法（image-source?method），也就是將環境界面的每次反射用一個位于鏡像方位的等效自由場虛聲源代替。根據RIR中反射聲部分的空間分布，逐個確定每個反射聲的等效自由場虛聲源，選取對應自由場虛聲源空間方位的HRIR，將其和RIR中反射聲部分進行卷積。最終，將直達聲部分和反射聲部分的卷積結果進行疊加得到合成BRIR.

在實際的應用中，等效自由場虛聲源的數目隨著反射聲階數的增加而呈指數增加，特別是對于復雜的界面環境。由于每一個等效虛聲源信號都需要用一對HRIR進行卷積(或HRTF濾波，HRTF為HRIR的頻率域等價表示)處理；如果考慮傾聽過程中傾聽者和聲源之間可能發生的相對位置變化（即動態重放），還需要根據頭部的位置不斷地對HRIR進行刷新。這使得運算量很快就超過了普通系統軟硬件的處理能力。事實上，3D虛擬聲處理的大部分計算資源是消耗在各階等效虛聲源信號與HRIR卷積上。所以，現有3D虛擬聲的模擬方法在較大程度上制約了其在消費類電子領域（如多媒體電腦、手持移動通訊終端）的應用。在計算資源和能力有限的情況下，目前（動態）3D虛擬聲系統基本上只模擬2－3階的反射聲，以減少虛聲源的數目。

耳機重放是3D虛擬聲重放的主要方式。相對于揚聲器重放，耳機重放具有占空間小、便于攜帶、對他人干擾小等優點，被廣泛應用于個人電腦、便攜式移動通訊、電腦游戲等方面。在耳機重放階段，由于耳機到耳道的聲傳輸頻譜HpTF（Headphone-to-ear-canal?Transfer?Function）不是平直的，所以直接將合成雙耳聲信號饋給耳機重放，將破壞雙耳聲信號的頻譜特性，引起聽覺畸變（包括定位錯誤、前后混亂等），降低3D重放的聽覺質量。

發明內容

本發明為解決上述現有技術中存在的缺陷，提供一種優化的基于耳機重放的虛擬聲合成方法。

本發明采用如下技術方案：

一種優化的基于耳機重放的虛擬聲合成方法包括如下步驟：

步驟1、根據需要虛擬的聲環境的物理和幾何特性，確定到達傾聽者位置的房間脈沖響應RIR；

步驟2、根據RIR中直達聲和各個反射聲相對于傾聽者頭中心的到達空間方位，選取對應的頭相關脈沖響應HRIR和RIR中直達聲和反射聲部分分別進行卷積，得到雙耳房間脈沖響應BRIR；

步驟3、將虛擬聲源的單通路信號和BRIR進行卷積，得到雙耳聲信號；

步驟4、雙耳聲信號和耳機傳輸函數HpTF的逆函數進行卷積，得到耳機補償后的雙耳聲信號，饋給耳機進行重放。

具體地，所述的HRIR數據取自一個包含多個聲源空間方位的測量數據庫，未測空間方位的HRIR可利用已測HRIR的空間插值獲得。

較佳地，在本發明的一個實施例中，所述步驟2具體包括：