CN101360359A - 产生立体音效的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种产生立体音效的方法，该方法先求出人体头部同侧的头部相关转移函数，然后通过反映人体头部两侧声音信号关联度的特征关联函数找出人体头部异侧的头部相关转移函数，从而简单地得到同侧及异侧输出信号；其中该特征关联函数是通过下述步骤得到：提供人体头部一侧基于头部相关转移函数而得到的信号作为目标信号；提供人体头部另一侧基于头部相关转移函数而得到的信号作为原始信号；将原始信号输入一合成器中，由该合成器对该原始信号进行补偿后并与上述目标信号进行比较，基于使补偿后的信号与目标信号的差异最小为原则，于该合成器中得到反映人体头部两侧声音信号关联度的上述特征关联函数。本发明还包括一种产生立体音效的装置。

Description

产生立体音效的方法及装置
技术领域
本发明是涉及一种产生立体音效的方法及装置，特别是涉及一种利用头部相关转移函数(Head-related Transfer Function，HRTF)技术产生立体音效的方法及装置。
背景技术
声音为人类沟通最重要的桥梁之一。随着社会的不断进步以及人们生活水平的不断提高，聆听者对声音的品质的要求也越来越高，因此如何产生逼真的立体音效使聆听者具有身临其境的感觉已显得相当重要。
目前，业者常用头部相关转移函数技术产生立体音效，首先提供一头部相关转移函数资料库，该资料库内建有在360度空间中测量每一既定位置上所发出的声音传送至两耳时，耳朵及大脑感受到的频率响应特性。利用一数位信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)将上述频率响应特性作运算，计算出具有立体音效特征的音波，此音波传送至耳朵，即可使大脑感受到具有360度真实感的立体音效。由于声源方位的不同，声音到达两耳的时间有差别，两耳收到声音的强度也不一样，即形成两耳间声音时间差(InterauralTime Difference，ITD)与两耳间声音强度差(Interaural Intensity Difference，IID)。如此，现有技术大多是利用一单声源分别对两耳作头部相关转移函数测量及纪录，以完成头部相关转移函数资料库的建立。然而，记录于头部相关转移函数资料库中的数据会随着单声源的方位角、仰角、范围及频率的变化而变化，且因人而异，因此建立单耳的头部相关转移函数资料库的过程已经非常复杂，更何况是建立两耳的头部相关转移函数资料库，其运算量相当于单耳的两倍，需要储存空间也就更大。
另外，虽有部分业者采用无限脉冲响应(Infinite Impulse Response，IIR)滤波器的方法来简化合成，但无限脉冲响应滤波器存在反馈，其测量结果的稳定性得不到保证，而且因为其简化过程中多以最小相位模态(MinimumPhase Realization)来近似，此方法已舍弃一些原本测量的头部相关转移函数的特性，因此在实际的应用效果上并不如采用直接量测的头部相关转移函数逼真。
再者，为了减少计算量，还有部分业者在建立头部相关转移函数资料库时，加设一个三十二阶(tap)滤波器，只储存头部相关转移函数的前三十二阶，以模拟近似的立体效果，此方法同样舍弃了一些原本测量的头部相关转移函数的特性，重现立体声的效果不佳。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种运算量低且能产生逼真的立体音效的方法及装置。
一种产生立体音效的方法，包括如下步骤：提供人体头部一侧的头部相关转移函数，并将该头部相关转移函数储存于一滤波器中；提供反映人体头部两侧声音信号关联度的一特征关联函数，并将该特征关联函数储存于一合成器中；输入声音信号至所述滤波器中，该滤波器将该声音信号转化为与上述人体头部一侧相同的同侧端输出信号输出，该合成器接收该同侧端输出信号并将该同侧端输出信号转化为与上述人体头部一侧相反的异侧端输出信号输出；其中该特征关联函数是通过下述步骤得到：提供人体头部一侧基于头部相关转移函数而得到的一第一输出信号作为目标信号；提供人体头部另一侧基于头部相关转移函数而得到的一第二输出信号作为原始信号；将原始信号输入一合成器中，由该合成器对该原始信号进行补偿后并与上述目标信号进行比较，基于使补偿后的信号与目标信号的差异最小为原则，于该合成器中得到反映人体头部两侧声音信号关联度的上述特征关联函数。
一种产生立体音效的装置，包括一滤波器及一合成器，该滤波器中储存有人体头部一侧的头部相关转移函数，该滤波器将一输入声音信号转化为与上述人体头部一侧相同的同侧端输出信号输出，该合成器中储存有反映人体头部两侧声音信号关联度的一特征关联函数，该合成器接收该同侧端输出信号并将该同侧端输出信号转化为与上述人体头部一侧相反的异侧端输出信号输出。
与现有技术相比，上述方法是先求出人体头部一侧的头部相关转移函数，然后通过反映人体头部两侧声音信号关联度的特征关联函数找出人体头部另一侧的头部相关转移函数，从而简单地得到同侧及异侧输出信号，其可减少运算量，无需太大的系统储存量，而且还可有效地重现声源定位的效果，在实际的应用效果上较为逼真，使聆听者具有身临其境的感觉。
附图说明
图1为本发明中人体头部同侧的头部相关转移函数的一较佳实施例的测量图。
图2为本发明产生立体音效的方法及装置的一较佳实施例。
图3为本发明产生立体音效的方法及装置的另一较佳实施例。
图4为图2所示方法及装置中特征关联函数的合成图。
图5为图2与图3所示方法产生的立体音效与直接量测头部相关转移函数的方法产生的立体音效的比较图。
具体实施方式
本发明产生立体音效的方法是先求出人体头部一侧(同侧(靠近声源的一侧)或异侧(远离声源的一侧))的头部相关转移函数，然后通过反映人体头部两侧声音信号关联度的特征关联函数找出人体头部另一侧的头部相关转移函数，从而简单地得到异侧及同侧输出信号。
下面参照附图，结合实施例作进一步说明。
图1为本发明中人体头部同侧的头部相关转移函数的一较佳实施例的测量图，某一人的头部10位于O点处，一扩音器20设于C点处，其置于距离O点1.4米远的地方，用以传送声音至该人的头部10的耳朵中。在测量头部相关转移函数时，只对人体头部一侧的耳朵进行测量，本实施例中，只测量与扩音器20同侧的耳朵的头部相关转移函数，在每一个测量点(预设好具体方位角QAOB及仰角QAOC的A点处)纪录由麦克风以44.1KHZ取样从扩音器20播出的声音，在频率领域中记录一组滤波器系数(脉冲响应)并求出他们之间的转换函数式，即可建立人体头部同侧的头部相关转移函数资料库。
如图2所示，为本发明产生立体音效的方法及装置的一较佳实施例，完成人体头部同侧的头部相关转移函数资料库的建立后，将头部相关转移函数储存于一滤波器中，将输入声音信号通过该滤波器，经过储存于其内的人体头部同侧的头部相关转移函数的处理，转换成同侧端输出信号，该同侧端输出信号一方面由同侧端输出，另一方面进入一合成器，该合成器内储存有反映人体头部两侧声音信号关联度的一特征关联函数，该同侧端输出信号经过合成器内的特征关联函数的处理，将同侧端输出信号转化为异侧端输出信号输出，即先通过合成器内的特征关联函数与输入至合成器的同侧端输出信号找出异侧端输出信号与同侧端输出信号之间的差异，然后通过该两侧端输出信号的差异在同侧端输出信号的基础上进行补偿得到异侧端输出信号并输出。
当然，本发明也可先利用图1所示类似的方法求出人体头部异侧的头部相关转移函数，然后通过反映人体头部两侧声音信号关联度的特征关联函数找出人体头部同侧的头部相关转移函数。如图3所示，为本发明产生立体音效的方法及装置的另一较佳实施例，其与图2所示的实施例不同的是：输入声音信号是经过储存有人体头部异侧的头部相关转移函数的滤波器处理后，转换成异侧端输出信号，该异侧端输出信号一方面由异侧端输出，另一方面进入储存有反映人体头部两侧声音信号关联度的特征关联函数的合成器，并经过该合成器内的特征关联函数的处理，将异侧端输出信号转化为同侧端输出信号输出。
下面关键是如何找出上述反映人体头部两侧声音信号关联度的特征关联函数，该特征关联函数是在事先算出的，并储存于两侧特征关联函数合成器内，以为上述方法及装置产生立体声音作准备。如图4所示，本发明是采用白噪音(white noise)信号作为输入信号，因为白噪音可以涵盖人耳所能听到的不同频率的声音(20Hz～20KHz)，从而可使本发明的方法具有普遍适用性，白噪音信号输入，一方面经过一滤波器，该滤波器内储存有预先测得的人体头部异侧的头部相关转移函数，白噪音信号经过该储存有人体头部异侧的头部相关转移函数的滤波器的处理，其输出信号作为目标信号进入比较器，另一方面，白噪音信号经过另一滤波器，该滤波器内储存有预先测得的人体头部同侧的头部相关转移函数，白噪音信号经过该储存有人体头部同侧的头部相关转移函数的滤波器的处理，其输出信号作为原始信号进入一合成器，让原始信号通过该合成器之后会完全或近似等于目标信号，即要使该合成器对该原始信号经过补偿后通过比较器与目标信号进行比较，基于比较结果差异最小为原则，经过反复调整从而于该合成器中得到反映人体头部两侧声音信号关联度的最佳的特征关联函数。
上述找出最佳的特征关联函数的方法中所采用的合成器是以维纳(wiener)滤波器为架构，上述基于头部相关转移函数而得到的原始信号经过该架构处理所得到的结果为有限脉冲响应(Finite Impulse Response，FIR)，在阶数相近的情况下，比一般无限脉冲响应滤波器更稳定且效率更高，由此方法找出的两侧特征关联函数不仅包括两耳间声音时间差(ITD)与两耳间声音强度差(IID)的特性，还包括头部及躯干影响(head and torso effect)、外耳部分的影响(声波反射及绕射)、空间的临场感等参数，在运算过程中，因不需将两个测得的头部相关转移函数相除，所以不需对头部相关转移函数进行简化，由此找出的反映人体头部两侧声音信号关联度的特征关联函数较为精确，因此，图2所示产生立体音效的方法中，同侧端信号经过合成器中较为精确的特征关联函数处理后，其得到的异侧端输出信号也更为逼真，再加上直接量测得到的同侧端输出信号，便能够较为完整地重现立体音效。
如图5所示，为本发明的方法产生的立体音效与直接量测头部相关转移函数的方法产生的立体音效的比较图，其中实线表示本发明的方法产生的立体音效，虚线表示直接量测头部相关转移函数的方法产生的立体音效，横坐标表示产生立体音效的频率，纵坐标表示产生立体音效的频率响应的声压级，由图5可看出，实线与虚线几乎完全重合，这就说明本发明产生的立体音效的方法可有效地重现声源定位的效果，在实际的应用效果上较为逼真，使聆听者具有身临其境的感觉。
另外，本发明产生立体音效的方法是先求出人体头部一侧的头部相关转移函数，然后通过反映人体头部两侧声音信号关联度的特征关联函数找出人体头部另一侧的头部相关转移函数，从而简单地得到同侧及异侧输出信号，其可减少运算量，无需太大的系统储存量，为进一步验证上述结论，发明人就本发明的方法产生立体音效所需的计算量与直接量测头部两侧相关转移函数的方法产生立体音效所需的计算量进行比较，实验结果如表一所示，其中MAC表示运算乘加数：
                        表一
  同侧端信号   异侧端信号   IID   ITD   MAC
  直接量测所需的计算量(taps)   256   256   0   0   512
  本发明所需的计算量(taps)   256   40   1   1   296
由上述表一可知，本发明产生立体音效的方法及装置可节省40％左右的系数储存量及计算量。
当然，上述图4中找出反映人体头部两侧声音信号关联度的特征关联函数的方法也可将异侧头部相关转移函数滤波器与同侧头部相关转移函数滤波器对调，白噪音信号一方面经过该同侧头部相关转移函数滤波器的处理，作为目标信号进入比较器，另一方面，经过该异侧头部相关转移函数滤波器的处理，作为原始信号进入合成器，由该合成器对该原始信号进行补偿后并与上述目标信号进行比较，基于比较结果差异最小为原则，经过反复调整于该合成器中得到反映人体头部两侧声音信号关联度的最佳的特征关联函数。

Claims (4)

1.一种产生立体音效的方法，包括如下步骤：
提供人体头部一侧的头部相关转移函数，并将该头部相关转移函数储存于一滤波器中；
提供反映人体头部两侧声音信号关联度的一特征关联函数，并将该特征关联函数储存于一合成器中；
输入声音信号至所述滤波器中，该滤波器将该声音信号转化为与上述人体头部一侧相同的同侧端输出信号输出，该合成器接收该同侧端输出信号并将该同侧端输出信号转化为与上述人体头部一侧相反的异侧端输出信号输出；其中该特征关联函数是通过下述步骤得到：
提供人体头部一侧基于头部相关转移函数而得到的一第一输出信号作为目标信号；
提供人体头部另一侧基于头部相关转移函数而得到的一第二输出信号作为原始信号；
将原始信号输入一合成器中，由该合成器对该原始信号进行补偿后并与上述目标信号进行比较，基于使补偿后的信号与目标信号的差异最小为原则，于该合成器中得到反映人体头部两侧声音信号关联度的上述特征关联函数。
2.如权利要求1所述的产生立体音效的方法，其特征在于：得到上述第一、第二输出信号的方式是将白噪音信号分别输入至一储存有对应头部相关转移函数的一滤波器中，经由该滤波器而转化得到。
3.如权利要求1所述的产生立体音效的方法，其特征在于：得到特征关联函数时采用的合成器是以维纳滤波器为架构。
4.一种产生立体音效的装置，其特征在于：包括一滤波器及一合成器，该滤波器中储存有人体头部一侧的头部相关转移函数，该滤波器将一输入声音信号转化为与上述人体头部一侧相同的同侧端输出信号输出，该合成器中储存有反映人体头部两侧声音信号关联度的一特征关联函数，该合成器接收该同侧端输出信号并将该同侧端输出信号转化为与上述人体头部一侧相反的异侧端输出信号输出。
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