CN105246001A - 双耳录音耳机重放系统及方法 - Google Patents

Abstract

提出一种双耳录音重放系统及方法，在常规耳机的基础上，每侧耳机壳体内增加一前向辐射单元，将额外拾取的声学头模中央通道信号按照一定的规则进行加权处理后馈给耳机两侧前向辐射单元，以此增强前方声源空间定位信息、提高声像方位感。

Description

双耳录音耳机重放系统及方法

技术领域

本发明属于电声技术领域，特别涉及耳机重放技术。

背景技术

由于双耳声压包含了声音的主要空间信息，因而可采用放置在人工头(或真人受试者)双耳处的一对微缩传声器进行捡拾。所得的双耳声信号仅放大、传输、记录等过程后，再用一对耳机进行重放，从而在倾听者双耳处产生和原声场一致的主要空间信息，实现声音空间信息的重放。这是双耳录音和重放系统的工作原理。采用基于双耳信号的虚拟听觉重放系统产生的空间听觉效果更为真实、自然。但是在采用耳机重放双耳信号的时候，由于耳机放音方式与原始声场的不同，会丢失了用于判断前后方位的认知信息，出现一定的前后声像混淆问题，即将来自前方的声像判断成来至后方镜像方向，或将来自后方的声像判断成来至前方镜像方向。而且将前方声像误判为后方的概率要远大于将后方声像误判为前方的概率。因此如何改善、降低双耳重放时声像的前后混淆问题是提高耳机音频重放效果的一个迫切需要解决的问题。

分析采用耳机重放双耳信号时产生声像混淆的原因可知，在各种声源方向定位因素中，双耳因素ITD和ILD只能决定声源所处的混乱锥，而并不能决定声源的方向。耳廓等带来的高频谱因素和头部转动所带来的动态定位因素对区分前后镜像方向的声源有着重要的作用。高频谱因素具有明显的个性化特征是听者建立前后声像认知依据的基础，所以采用与倾听者不匹配的人工头录音，或采用与倾听不匹配的HRTF进行虚拟声像信号处理，都不能得到完全准确的高频谱因素。因此改善声像混淆问题的一个途径就是采用个性化录音(即对特定的真人受试者分别进行双耳录音，然后重放时将双耳声信号重放给本人听)。但个性化双耳录音技术根本没有办法普及到消费领域。另一种改善途径就是增加头部动态跟踪系统，由于硬件系统的复杂性以及佩戴不方便该方法也仅限于实验室研究。目前也有研究提出对非个性化的HRTF进行人工修改并用于虚拟声像处理,但这类方法仅适用于虚拟声像合成,不适用于对实际双耳录音进行后期处理。

在传统的双耳录音中，采用人工头模进行录音可以获得两路独立的双耳声压信号——左耳信号和右耳信号，经放大、均衡处理后左、右耳两通道信号直接馈送给耳机的左右通道进行重放，但前后声像混淆现象时有发生。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明主要的创新点在于在常规耳机的基础上，每侧耳机壳体内增加一前向辐射单元，将额外拾取的声学头模中央通道信号按照一定的规则进行加权处理后馈给耳机两侧前向辐射单元，以此增强前方声源空间定位信息、提高声像方位感。

附图说明

图1表示两辐射单元耳机示意图。

图2为三通道声学头模示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施方式进行示例性的说明：

本发明的思路是从双耳录音的拾音方式和重放模式两方面入手。一方面采用具有三通道的头模(具有左耳通道、右耳通道和头部正前方的C通道)头模录音拾取声音信息；重放时采用的耳机亦不同于普通耳机，该耳机中每个耳机单元壳体内共有两个辐射单元(一个为侧向辐射单元，一个为位于前向辐射单元)。声学头模C通道的信号通过加权处理后馈给耳机的前向辐射单元，可以起到提高前方声像感的作用。

两辐射单元耳机示意图如图1所示。1——为侧向辐射单元，其辐射面正对佩戴耳机听音者耳部，辐射面方向与人头侧垂面平行；2——前向辐射单元，位于头部侧向前方，其辐射面与侧向辐射单元正交。因为前向辐射单元位于人耳外侧前方，所以该单元的引入可有效改善头中声像、以及前后声像混淆的问题。

图2为按照中国成年人面部尺寸国家标准设计的三通道声学头模，带有一对仿真耳，在左、右耳耳道入口以及头部前方中央位置共布放三只微缩传声器，因此采用该头模进行双耳录音共可拾取三通道声音信号。其中3——C通道，4——L(左)通道，5——R(右)通道。

重放时，利用声学头模拾取的L通道信号馈给耳机左侧壳体中的侧向辐射单元，声学头模R通道信号馈给耳机右侧壳体中的侧向辐射单元。声学头模C通道输出经过方向频率计权处理后馈给耳机左右两侧的前向辐射单元。即

L_headphone＝L(1)

R_headphone＝R(2)

C_headphone,L＝w_L(θ,f)·C(3)

C_headphone,R＝w_R(θ,f)·C(4)

L_headphone为耳机左侧侧向辐射单元的输入信号；

R_headphone为耳机右侧侧向辐射单元的输入信号；

L、R分别为声学头模L通道、R通道输出信号；

C_headphon,eL、C_headphon,eR分别为耳机左侧、右侧前向辐射单元的输入信号；

C为声学头模中央通道信号；

w_L(θ,f)、w_R(θ,f)为加权系数；

θ为声源水平方位角(与声学头模正前方夹角)；

f为信号频率。

若自由场条件下测量得到的声学头模左、右耳以及C通道的头相关传输函数(HRTF)分别为：H_L(θ,f)、H_R(θ,f)和H_C(θ,f)，有

w_L(θ,f)＝a·H_C(θ,f)/H_L(θ,f)(5)

w_L(θ,f)＝a·H_C(θ,f)/H_R(θ,f)(6)

其中a为常系数，取值范围在0～1之间。经主观评价实验评价比较，这里选取的推荐值为0.7。

需要指出的是，并不是只有所采用上述的中国人声学头模才能实现本发明，本领域技术人员知晓，声学头模是根据特定人群的头面部平均尺寸及结构制成的一种符合声学特性的头部模型，可根据不同国籍、不同性别的人群进行数据采集，制作不同的头模，本领域技术人员应该理解，本发明并不仅限于采用该头模，采用代表其他特定人群平均生理尺寸与结构的人工头模也可以实现本发明；甚至提供人工头模也不是必要的，根据测量得到的HRTF数据库也可实现本发明，具体的双耳信号合成方法是本领域的公知技术，不再赘述。

Claims (10)

1.一种双耳录音耳机重放系统，包括人工头模及耳机；

人工头模具有左、右两个仿真耳廓，在两个耳廓及头部前方中央位置分别设置有传声器，传声器拾取来自声源的声信号并形成左耳通道信号L、右耳通道信号R及中央通道信号C；

耳机具有左、右两个部分，每部分均具有侧向辐射单元及前向辐射单元；

将左耳通道信号L、右耳通道信号R分别馈送给耳机左、右两个部分的侧向辐射单元，

将中央通道信号C进行处理后分别馈送给耳机左、右两个部分的前向辐射单元。

2.如权利要求1所述的双耳录音耳机重放系统，侧向辐射单元辐射方向与头模侧垂面平行，前向辐射单元位于头部侧向前方，其辐射面与侧向辐射单元正交。

3.如权利要求2所述的双耳录音耳机重放系统，中央通道信号C经过计权处理后分别馈送给左、右两个前向辐射单元。

4.如权利要求3所述的双耳录音耳机重放系统，其中，

C_headphone,L＝w_L(θ,f)·C(1)

C_headphone,R＝w_R(θ,f)·C(2)

其中C_headphon,eL、C_headphon,eR分别为耳机左侧、右侧前向辐射单元的输入信号；C为声学头模中央通道信号；w_L(θ,f)、w_R(θ,f)为加权系数；θ为声源水平方位角也即与声学头模正前方夹角；f为信号频率。

若自由场条件下测量得到的声学头模左、右耳以及C通道的头相关传输函数HRTF分别为：H_L(θ,f)、H_R(θ,f)和H_C(θ,f)，则有

w_L(θ,f)＝a·H_C(θ,f)/H_L(θ,f)(3)

w_L(θ,f)＝a·H_C(θ,f)/H_R(θ,f)(4)

其中a为常系数，取值范围在0～1之间。

5.如权利要求4所述的双耳录音耳机重放系统，其中a取0.7。

6.如权利要求4、5所述的双耳录音耳机重放系统，其中馈送给耳机的信号的加权系数采用头相关传输函数HRTF数据库合成得到。

7.一种双耳录音耳机重放方法，用设置于人工头模左、右两个仿真耳廓及头部前方中央位置的传声器拾取来自声源的声信号并形成左耳通道信号L、右耳通道信号R及中央通道信号C；

将左耳通道信号L、右耳通道信号R分别馈送给设置于耳机左、右两个部分的侧向辐射单元，将中央通道信号C进行处理后分别馈送给设置于耳机左、右两个部分的前向辐射单元。

8.如权利要求7所述的双耳录音耳机重放方法，其中，

C_headphone,L＝w_L(θ,f)·C(1)

C_headphone,R＝w_R(θ,f)·C(2)

其中C_headphon,eL、C_headphon,eR分别为耳机左侧、右侧前向辐射单元的输入信号；C为声学头模中央通道信号；w_L(θ,f)、w_R(θ,f)为加权系数；θ为声源水平方位角(与声学头模正前方夹角)；f为信号频率。

若自由场条件下测量得到的声学头模左、右耳以及C通道的头相关传输函数(HRTF)分别为：H_L(θ,f)、H_R(θ,f)和H_C(θ,f)，则有

w_L(θ,f)＝a·H_C(θ,f)/H_L(θ,f)(3)

w_L(θ,f)＝a·H_C(θ,f)/H_R(θ,f)(4)

其中a为常系数，取值范围在0～1之间。

9.如权利要求8所述的双耳录音耳机重放方法，其中a取0.7。

10.如权利要求8、9所述的双耳录音耳机重放方法，其中馈送给耳机的信号的加权系数采用头相关传输函数HRTF数据库合成得到。