用HRTF进行虚拟声源定位报告12404.docx

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1、用HRTTF进行行虚拟声声源定位位报告介绍：我我们日常常听到的的立体声声录音，虽然有左右声道之分，但就整体效果而言，立体声音乐来自听者面前的某个平面。但希望的是一个在虚拟环境中能辨别声源精确位置的声音系统，而当您听到三维虚拟声音时，音乐声是来自围绕您的一个球形中的任何地方，即声音出现在您头的上方、后方或者在您的鼻子前方。我们把在虚拟场景中的能使用户准确地判断出声源精确位置、符合人们在真实境界中听觉方式的声音系统称为三维虚拟声音。1 传统统音频定定位理论论耳间时间间差（IITD）：从声源源发出的的声音到到达人的的左耳和和右耳时时，有一一个先后后的过程程，这段段时间差差就是耳耳间时间间差。耳耳间时

2、间间差与声声音信号号的频率率有关，是是声源角角位置，头头部半径径和声速速的函数数，在人人类听觉觉定位中中占有重重要位置置。耳间强度度差（IIID）：由于声声音的传传播媒质质对声波波的衰减减作用，声声音的强强度随距距离而变变化，再再加上耳耳廓和头头部的遮遮挡，最最终到达达两耳的的声音所所经过的的路径是是不同的的，使得得距离声声源近的的耳朵听听到的声声音要强强一些，这这就是耳耳间强度度差。在中、低低频(ff4 kkHz), IIID起起主要作作用11。传统的音音频定位位理论的的缺陷：（1）无无法解释释单耳条条件下的的定位机机理。（2）存存在锥面面模糊现现象。IITD和和IIDD对左右右方位的的定位

3、效效果非常常明显，但但对前后后和上下下方位存存在模糊糊现象。如如图1中中同一垂垂直面内内的X和和Y到达达两耳的的路径是是对称的的，以及及同一水水平面内内的A和和B到达达两耳的的路径也也是对称称的，这这就无法法依赖IITD和和IIDD来进行行准确定定位。图1 混混淆锥示示意图2 用HHRTFF进行虚虚拟声源源定位有一种更更为完备备的音频频定位模模型，这这就是HHRTFF。与头头部关联联的传递递函数(Heaad-RRelaatedd Trranssferr Fuuncttionn, HHRTFF)描述述了声波波从声源源到双耳耳的传输输过程。事事实上从从某一方方位的声声源发出出的声信信号在到到达听者

4、者的耳膜膜之前经经过了复复杂的传传输过程程，声信信号与听听者的头头部、肩肩部以及及躯干，耳廓发发生了反反射、折折射、衍衍射和散散射等声声学作用用，人体体的这些些部位对对声信号号的调制制作用可可以统一一的用一一个函数数来表示示即与头头部关联联的传递递函数HHRTFF。与之之相对应应的时域域表示称称为与头头部相关关联的冲冲激响应应（Heead-Rellateed IImpuulsee Reespoonsee,HRIIR）。2.1 HRRTF数数据中包包含的方方位信息息图2画出出方位角角-455,仰角角0时的左左右耳HHRIRR波形及及对应的的频谱图图。图2 方方位角-45,仰角角0时的左左右耳HH

5、RIRR及对应应的HRRTF（1）耳耳间时间间差（IITD）：由于声声源靠近近左耳，从从图2可可以看出出右耳的的HRIIR比左左耳的HHRIRR有明显显的时间间延迟，体体现了耳耳间时间间差。（2）耳耳间强度度差（IIID）：左耳的的HRTTF比右右耳的HHRTFF幅度要要强一些些，体现现耳间强强度差。（3）HHRTFF会出现现明显的的峰值点点和谷值值点，有有研究表表明峰点点频率、谷谷点频率率对前后后定位起起关键作作用，且且谷点频频率是进进行定位位的主要要依据。（4）HHRIRR在某些些时刻变变化剧烈烈，这是是由于耳耳廓对入入射声波波的反射射作用，左左耳的HHRIRR波形较较右耳的的HRIIR波

6、形形起伏变变化更为为剧烈。在在频谱特特性上则则表现为为左耳的的HRTTF高频频分量要要充足些些。为了更加加突出HHRTFF中的峰峰值点和和谷值点点，人们们使用了了一些方方法对HHRTFF数据进进行处理理。文献献3中对不不同频率率的HRRTF数数据加权权，来放放大原HHRTFF数据频频率间的的差异，设设为原HHRTFF数据，为处理后的HRTF数据，则权函数HRTFF反映了了人体结结构对声声音信号号的不同同响应，因因此HRRTF有有明显的的个体差差异，人人们总是是希望使使用个性性化的HHRTFF数据进进行3DD音效的的合成，然然而对每每个人进进行HRRTF数数据的测测量是不不现实的的，有学学者建议

7、议使用非非个性化化（noon-iindiividduallizeed）的的HRTTF数据据4。2.2 虚拟拟听觉空空间系统统Vassauddio将输入的的音频信信号分别别与指定定的方位位和距离离的左右右耳HRRTF数数据进行行卷积，然然后通过过耳机重重发就可可以得到到具有方方位信息息的双通通道音频频信号，如如式（11）。基基于这个个原理我我们用VVC+编程开开发了虚虚拟听觉觉空间系系统Vaasauudioo5可以实实时播放放wavv格式的的音频文文件，图图3是我我们的实实现框图图。 (1)式中表示示乘法，表示卷积，表示输入的音频信号，和分别表示左右耳的HRIR数据，和分别表示左右耳的增益，和分

8、别表示馈给耳机的左右声道信号。图3 虚虚拟听觉觉空间系系统实现现框图3 虚虚拟声源源定位测测试实验验测试设备备为1台计算算机、11个高质质量声卡卡、1 幅高质质量耳塞塞式耳机机。被测测试人员员为我们们实验室室的5名名听觉正正常的同同学。同同时我们们选择音音频测试试常用的的粉红噪噪声作为为测试音音源。测测试所用用的软件件系统为为本文前前面介绍绍的VaasAuudioo。我们实验验的目的的有两个个：一是是通过测测试比较较HRTTF的个个体化差差异，二二是我们们希望找找出几套套对大多多数人都都相对比比较适合合的HRRTF数数据，已已备我们们以后的的实验使使用。3.1 测试试数据为了比较较HRTTF数

9、据据的个体体差异，我我们使用用了122套数据据进行测测量，分分别为（1）CCIPIIC数据据库提供供的数据据：hrrir_finnal_0033, hrrir_finnal_1622,hrirr_fiinall_1663, hrrir_finnal_1655；（2）做做回归分分析得到到的数据据：hrrir_finnal_h_0003, hriir_ffinaal_hh_1662,hrirr_fiinall_h_1633, hrrir_finnal_h_1165；（3）在在时域做做平均得得到的数数据：hhrirr_fiinall_avvg；（4）用用PCAA分析综综合出来来的数据据：hriir_

10、ffinaal_llargge_66, hhrirr_fiinall_miiddlle_66,hrirr_fiinall_smmalll_6。3.2 测试试步骤和和结果为减小辨辨别难度度，只对对水平面面和中垂垂面上的的角度进进行定位位测试，其其中方位位角是115的倍数数，角度度从1180到1880，共有有24个个方位。垂垂直方位位角为990（正上上方）、60、30、0、45共有5个方位。（1）水水平方位位角具体体测试步步骤：步骤1：先给测测试者听听分布在在前、后后、左、右右四个方方向的声声音信号号，并告告知实际际方向；步骤2：然后分分别在这这四个声声源的附附近位置置选择一一个方位位，要求求听者

11、进进行判断断，并给给出四个个声源的的位置（要要求说出出具体的的方位角角度）；步骤3：重新随随机选择择分布在在前、后后、左、右右四个方方向的声声音信号号，重复复步骤11，步骤骤2。（2）垂垂直方位位角具体体测试步步骤：步骤1：对给定定的一组组数据先先给测试试者听垂垂方位900、60、30、0、455五个方方向声音音信号；步骤2：从上述述五个方方向随机机给出一一个方向向的声音音信号，要要求听者者指出其其具体方方向角度度。重复该步骤骤五次直直至测完完一组数数据；步骤3：重复步步骤 11，步骤骤2，直直至测完完全部数数据。我们给出出了数据据标号为为hriir_ffinaal_1162和和hriir_f

12、finaal_1163的的测试结结果散点点图，见见图4和和图5。图4 hriir_ffinaal_1162测测试结果果散点图图图5 hriir_ffinaal_1163测测试结果果散点图图我们给出出水平方方位最终终的测试试统计结结果，见见表1。同时我们们给出垂垂直方位位最终的的测试统统计结果果，见表表2。表1水平平方位测测试结果果统计表表表2 垂直方方位测试试结果统统计表3.3 测试试结果分分析（1）HHRTFF数据包包含了大大量的方方位信息息，用HHRTFF对声源源进行定定位可以以提高定定位的准准确性，克克服传统统定位理理论的不不足。我我们在测测试中使使用的HHRTFF数据是是非个性性化的，

13、因因此HRRTF数数据并不不一定对对每个人人都是适适合的，这这是造成成错误率率较高的的一个原原因，另另外测试试中只有有被测试试者认定定的方位位和我们们实际使使用的方方位完全全一致时时，我们们才认为为辨别正正确，对对试验结结果的要要求有些些苛刻（实实际上55到20的偏差差是允许许的），这这是造成成错误率率较高的的另一个个原因。（2）测测试中发发现被测测试者对对标号为为hriir_ffinaal_mmidddle_6的HHRTFF数据的的辨别正正确率较较高，原原因可能能是5位位被测试试者的头头部和外外耳尺寸寸比较中中等，与与该数据据的外耳耳参数比比较吻合合。（3）测测试中发发现声源源定位的的前后颠

14、颠倒和上上下颠倒倒比较严严重。前前后颠倒倒从图55和图66可以很很明显的的看出。垂垂直方位位的测试试结果尤尤为不好好，如倾倾听者11号在使使用标号号为hrrir_finnal_1655和hrrir_finnal_h_0003的的HRTTF数据据处理过过的音频频信号进进行垂直直方位的的辨别时时，5个个方位完完全辨别别错误，其其他被测测试者也也有这样样的问题题。（4）用用耳机重重放时存存在“头中定定位效应应”，倾听听者感到到声像分分布在人人头内部部，这也也影响了了定位的的准确性性。有文文献66指出出，增加加混响可可以加强强声像的的立体感感和深度度感，从从而改善善定位效效果，这这也是音音频定位位、多

15、媒体体和虚拟拟现实发发展的趋趋势。4. 结束语语HRTFF包含了了大量的的方位信信息，用用HRTTF进行行虚拟声声源定位位是当前前研究的的热点，已已经有很很多相关关成熟的的产品和和系统出出现。本本文介绍绍了HRRTF包包含的方方位信息息和个体体差异，并并用我们们开发的的Vassauddio系系统进行行了虚拟拟声源定定位的实实际测试试。测试试结果表表明用非非个性化化HRTTF进行行定位存存在一些些问题，如如辨别错错误率较较高，声声像的前前后混淆淆和上下下混淆比比较严重重，头中中定位效效应等，我我们的工工作仅是是初步的的，还要要采取其其他措施施来提高高虚拟声声源定位位的准确确性。参考文献献：1钟钟

16、小丽，谢谢菠荪.头相关关传输函函数的研研究进展展(一)J.立体体声与环环绕声,20004,112:444-448.2 AlggaziiV.R., Duuda R.OO., Thhomppsonn D.M., AvvenddanooC.Thee CIIPICC HRRTF dattabaaseC.Apppliccatiionss off Siignaal PProccesssingg too Auudioo annd AAcouustiics, 20001 IEEEE WWorkkshoop oon tthe 21-24 Octt,20001, Paage(s):99 -1002.3 赵自力力，

17、黄成成伟，高高宏，李李庆祥. HRRTF在在虚拟33D立体体声中的的应用及及实验J.清华大大学学报报(自然然科学版版)，220011,411(111):774776.4 Eliizabbethh M. Weenzeel, Marriannne Arrrudaa, Dooriss J. Kiistller, annd FFredderiic LL. WWighhtmaan. Loccaliizattionn ussingg nooninndivviduualiizedd heead-rellateed ttrannsfeer ffuncctioonsJ, J.Acooustt. SSoc. Amm, ,Jully ,19993, 94 (1):1111-1123.5 王生九九.虚拟拟听觉空空间和虚虚拟环绕绕声技术术的研究究及其DDSP实实现DD.东东南大学学硕士学学位论文文，20006.3.6 张承云云，谢菠菠荪，谢谢志文.立体声声耳机重重发中头头中定位位效应的的消除J.电声技技术，220000, 88: 44-6.