CN105263075A - 一种带方位传感器耳机及其3d声场还原方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种带方位传感器耳机及其3D声场还原方法，包括设定虚拟3D声源的参数，得到声源信号；通过实时获取耳机方位传感器组的陀螺仪、加速度计和指南针的参数信息，来获得耳机相对虚拟3D声源的物理位置信息；依据耳机相对虚拟3D声源的物理位置信息和虚拟3D声源的辐射特性，计算虚拟3D声源的直达声函数和混响声函数；将虚拟3D声源的直达声函数和混响声函数进行运算，计算虚拟3D声源的双耳传递函数；将虚拟3D声源的双耳传递函数与虚拟3D声源的声源信号进行卷积，得到重构的3D声场信号。本发明提供的方法能够实现自由实时地产生动态3D声场，满足人们对音乐的现场感和动态声场的体验需求。

Description

一种带方位传感器耳机及其3D声场还原方法
技术领域
本发明涉及电声技术领域，具体涉及一种带方位传感器耳机及其3D声场还原方法。
背景技术
传统的3D声场是混音师通过影视作品或者音乐的需求，加入3D声场，让人们被动的欣赏3D声场，此3D声场只是考虑了静态，也就是人头部固定的情况，缺少了动态3D声场。但在现实中人们所听到的声音并不是一成不变的，而是随着我们的移动、声源与人耳相对位置的不断变化而做着相应的即时变化，同时3D声源本身也是根据用户或者实际需求不断变化的，就是我们所说的“动态”3D声场还原方法。当人们对音乐的现场感和动态声场需求不断提高，人们需要主观的调整3D声场并与其动作情绪相匹配，如何让用户自由实时地产生动态3D声场效果，是本发明所要解决的问题。
发明内容
为了解决用户希望能够自由实时地产生动态3D声场效果的需求，本发明提供一种带方位传感器耳机及其3D声场还原方法。
本发明的技术方案如下：
一种带方位传感器的3D声场还原方法，包括：
设定虚拟3D声源的参数，得到声源信号；
通过实时获取耳机方位传感器组的陀螺仪、加速度计和指南针的参数信息，来获得耳机相对虚拟3D声源的物理位置信息；
依据耳机相对虚拟3D声源的物理位置信息和虚拟3D声源的辐射特性，计算虚拟3D声源的直达声函数和混响声函数；
将虚拟3D声源的直达声函数和混响声函数进行运算，计算虚拟3D声源的双耳传递函数；
将虚拟3D声源的双耳传递函数与虚拟3D声源的声源信号进行卷积，得到重构的3D声场信号。
优选的，所述虚拟3D声源的参数包括虚拟3D声源所处空间的尺寸和虚拟3D声源所处空间材料的吸声系数。
进一步的，在实时获取耳机方位传感器组的陀螺仪、加速度计和指南针的参数信息步骤之前，还包括对方位传感器组的陀螺仪、加速度计和指南针进行校准。
进一步的，所述陀螺仪用于测量耳机的动态角速度，所述加速度计用于测量耳机的静态倾角和加速度信息，所述指南针用于校准耳机的方向。
其中，所述虚拟声源的直达声函数和混响声函数通过实时计算获得。
一种带方位传感器的耳机，所述耳机包括微处理器单元，所述耳机还包括方位传感器组，所述方位传感器组包括陀螺仪，加速度计和指南针，所述微处理器单元包括：
虚拟3D声源设定模块，用于设定虚拟3D声源的参数，得到声源信号；
物理位置信息获取模块，用于通过实时获取耳机方位传感器组的陀螺仪、加速度计和指南针的参数信息，来获得耳机相对虚拟3D声源的物理位置信息；
计算模块，用于依据耳机相对虚拟3D声源的物理位置信息和虚拟3D声源的辐射特性，计算虚拟3D声源的直达声函数和混响声函数，以及用于将虚拟3D声源的直达声函数和混响声函数进行运算，来计算虚拟3D声源的双耳传递函数；
3D声场信号获取模块，用于将虚拟3D声源的双耳传递函数与虚拟3D声源的声源信号进行卷积，得到重构的3D声场信号。
进一步的，在物理位置信息获取模块实时获取耳机方位传感器组的陀螺仪、加速度计和指南针的参数信息之前，还包括对方位传感器组的陀螺仪、加速度计和指南针进行校准。
进一步的，所述陀螺仪用于测量耳机的动态角速度，所述加速度计用于测量耳机的静态倾角和加速度信息，所述指南针用于校准耳机的方向。
其中，所述物理位置信息包括虚拟3D声源到耳机位置之间的水平夹角和仰角，虚拟3D声源到耳机位置的距离。
优选的，所述耳机还包括接收模块，用于接收移动终端设备的传感器信息。
本发明的有益效果：
本发明提供一种带方位传感器耳机及其3D声场还原方法，设定虚拟3D声源的参数，得到声源信号；通过实时获取耳机方位传感器组的陀螺仪、加速度计和指南针的参数信息，来获得耳机相对虚拟3D声源的物理位置信息；依据耳机相对虚拟3D声源的物理位置信息和虚拟3D声源的辐射特性，计算虚拟3D声源的直达声函数和混响声函数；将虚拟3D声源的直达声函数和混响声函数进行运算，计算虚拟3D声源的双耳传递函数；将虚拟3D声源的双耳传递函数与虚拟3D声源的声源信号进行卷积，得到重构的3D声场信号。依照本发明提供的方法能够实现自由实时地产生动态3D声场，满足人们对音乐的现场感和动态声场的体验需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种带方位传感器耳机的3D声场还原方法的流程图；
图2为本发明一种带方位传感器耳机的3D声场还原方法的球空间直达声和两次反射声传递函数声学路径的几何示意图；
图3是本发明一种带方位传感器的耳机与虚拟声源坐标几何示意图；
图4是本发明一种带方位传感器的耳机结构示意图；
图5是本发明一种带方位传感器的耳机的方位传感器组组成结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，其为本发明一种带方位传感器的3D声场还原方法的流程图。
在步骤101中，设定虚拟3D声源的参数，得到声源信号。
这些参数包括虚拟3D声源所处空间的尺寸和虚拟3D声源所处空间材料的吸声系数。为了提高运算效率，我们建立模型如图2所示，我们把实际的空间或房间假想成一个密闭的球空间10，佩戴耳机1的听音者在球空间10的球心位置(即耳机1亦代表听音者，在球空间10的球心位置)，密闭球空间10的半径为L。其中，虚拟3D声源所处空间材料的吸声系数设为α。
其中，虚拟3D声源的位置信息可以是人为在后期制作虚拟得到的，也可以是录制过程中记录下来的实际声源运动轨迹。在虚拟3D声源的录音过程中，虚拟3D声源与附有若干传感器的设备绑定，传感器包括陀螺仪、加速度计和指南针，这些传感器与录音设备同步记录信息，包括但不限于声音录制时刻虚拟3D声源所处的位置及其指向特性，其中指向特性用于设置虚拟3D声源全空间辐射声音的方向性，即对各方向和各频带的声信号作用相应的增益控制，该增益控制最终体现在传递函数的增益控制。
在步骤102中，通过实时获取耳机方位传感器组的陀螺仪、加速度计和指南针的参数信息，来获得耳机相对虚拟3D声源的物理位置信息。
通过实时获取耳机方位传感器组3的陀螺仪31、加速度计33和指南针33的参数信息，参数信息包括动态角速度、加速度和方向。在方位传感器组3中，陀螺仪31用于测量耳机1的动态角速度，加速度计32用于测量耳机1的静态倾角和加速度信息，指南针33用于校准耳机1的方向，以消除累计误差。
具体的，在建立模型中，当佩戴耳机1的听音者相对于声源5进行移动时，会产生位移和加速度，其中加速度包括角加速度和运动方向的加速度，角加速度是描述佩戴耳机1的听音者相对于虚拟3D声源5角速度的大小和方向对时间变化率的物理量，加速度是描述佩戴耳机1的听音者相对于虚拟3D声源5在运动方向上速度的大小对时间变化率的物理量。
优选的，在实时获取耳机方位传感器组3的陀螺仪31、加速度计32和指南针33的参数信息步骤之前，还包括对方位传感器组3的陀螺仪31、加速度计32和指南针33进行校准。
具体的，获得佩戴耳机1的听音者相对虚拟3D声源5的物理位置信息是微处理器2通过方位传感器组3提供的参数信息，利用微积分原理，通过对动态角速度和加速度的积分计算得出的。其中佩戴耳机1的听音者相对于虚拟3D声源5的物理位置信息包括：虚拟3D声源5到佩戴耳机1的听音者位置之间的水平夹角θ和仰角虚拟3D声源5到佩戴耳机1的听音者位置的距离r。
具体的，θ为虚拟3D声源5到佩戴耳机1的听音者之间连成的线与正北方向在水平面上的投影的夹角，为虚拟3D声源5到佩戴耳机1的听音者之间连成的线与水平面的夹角，r为虚拟3D声源5到佩戴耳机1的听音者位置的距离，其中佩戴耳机1的听音者以听音者的中点为参考。其中θ的取值范围是[0，360°]，的取值范围是[-90°，90°]，r的取值范围是[0，L]。如图3所示。
所述虚拟3D声源的辐射特性由虚拟3D声源播放设备的频响决定，设为函数T。
在步骤103中，依据耳机相对虚拟3D声源的物理位置信息和虚拟3D声源的辐射特性，计算虚拟3D声源的直达声函数和混响声函数。
依据耳机1相对虚拟3D声源5的物理位置信息和虚拟3D声源的辐射特性T，通过人头传递函数数据库中的数据，可获得人耳在自由场中对各个方向信号的响应。所述虚拟3D声源的左右耳直达声传递函数公式如下：
其中，和是测量值，即预先测量获得的自由场的双耳传递函数库中的标准函数。当实际位置的角度落入某个测量角度区间内，即可通过公式(1)取得角度所对应的左右耳直达声传递函数。其中θ1≤θ≤θ2，θ、θ1和θ2的取值范围是[0，360°]， 和的取值范围是[-90°，90°]，Kmn是加权权重。
所述虚拟3D声源的左右耳混响声传递函数公式如下：
其中，α是墙面材料的声学反射系数。
为了提高运算效率，我们在建立模型的基础上，我们把实际的空间或房间假想成一个密闭的球空间10，佩戴耳机1的听音者在球空间10的球心位置(即耳机1亦代表听音者，在球空间10的球心位置)。以此近似实际空间的声学场景，计算虚拟3D声源5与佩戴耳机1的听音者之间直达声路径6的直达声函数和多次反射声路径7、8的混响声函数，其中佩戴耳机1的听音者与虚拟3D声源5之间连成的直线距离为r，密闭球空间10的半径为L。
其中和通过实时计算得出结果，也可以来自于互联网平台的现有结果。即所述虚拟声源的直达声函数和混响声函数可以通过实时计算获得，也可以通过互联网平台的现有结果获得。
在步骤104中，将虚拟3D声源的直达声函数和混响声函数进行运算，计算虚拟3D声源的双耳传递函数。
将虚拟3D声源的直达声函数和混响声函数进行运算，运算方法可以采用叠加原理的运算方法。
所述虚拟3D声源的双耳传递函数公式如下：
在步骤105中，将虚拟3D声源的双耳传递函数与虚拟3D声源的声源信号进行卷积，得到重构的3D声场信号。
实际中，假设人在移动或者设定的虚拟3D声源在移动，实时计算佩戴耳机1的听音者相对虚拟3D声源5的物理位置变化信息，并获得变化后的双耳声学路径传递函数，听音者就会感觉：
1)如果仅仅声源的位置变化时，变化后的双耳传递函数与虚拟3D声源的声源信号进行卷积，得到重构的3D声场信号，会让听音者就会感觉声源的位置在变化。
2)如果仅仅听音者的位置变化时，变化后的双耳传递函数与虚拟3D声源的声源信号进行卷积，得到重构的3D声场信号，会让听音者感觉声源的位置是固定的。比如人移动一米，就会感觉音源也相对移动了一米，但是音源绝对位置不变，有补偿的作用。
3)上述(1)和(2)的情况都存在。
具体而言，请参阅图4和5，图4是本发明一种带方位传感器的耳机结构示意图，图5是本发明一种带方位传感器的耳机的方位传感器组组成结构示意图。
本发明提供另一个实施方式，提供一种带方位传感器的耳机1，所述耳机1包括微处理器单元2，所述耳机1还包括方位传感器组3，所述方位传感器组3包括陀螺仪31，加速度计32和指南针33，所述微处理器单元2包括：
虚拟3D声源设定模块，用于设定虚拟3D声源的参数，得到声源信号。
物理位置信息获取模块，用于通过实时获取耳机方位传感器组的陀螺仪、加速度计和指南针的参数信息，来获得耳机相对虚拟3D声源的物理位置信息。
计算模块，用于依据耳机相对虚拟3D声源的物理位置信息和虚拟3D声源的辐射特性，计算虚拟3D声源的直达声函数和混响声函数，以及用于将虚拟3D声源的直达声函数和混响声函数进行运算，来计算虚拟3D声源的双耳传递函数。
3D声场信号获取模块，用于将虚拟3D声源的双耳传递函数与虚拟3D声源的声源信号进行卷积，得到重构的3D声场信号。
进一步的，在物理位置信息获取模块实时获取耳机方位传感器组3的陀螺仪31、加速度计32和指南针33的参数信息之前，还包括对方位传感器组3的陀螺仪31、加速度计32和指南针33进行校准。
进一步的，所述陀螺仪31用于测量耳机1的动态角速度，所述加速度计32用于测量耳机1的静态倾角和加速度信息，所述指南针33用于校准耳机1的方向，以消除累计误差。
其中，物理位置信息获取模块来获得耳机1相对虚拟3D声源5的物理位置信息，即所述微处理器2的物理位置信息获取模块通过方位传感器组3提供的参数信息，利用微积分原理，通过对动态角速度和加速度的积分计算得出佩戴耳机1的听音者相对于虚拟3D声源5的物理位置信息，所述物理位置信息包括虚拟3D声源5到佩戴耳机1的听音者位置之间的水平夹角θ和仰角虚拟3D声源5到佩戴耳机1的听音者位置的距离r，其中佩戴耳机1的听音者以听音者的中点为参考。
具体而言，θ为虚拟3D声源5到佩戴耳机1的听音者之间连成的线与正北方向在水平面上的投影的夹角，为虚拟3D声源5到佩戴耳机1的听音者之间连成的线与水平面的夹角，r为虚拟3D声源5到佩戴耳机1的听音者中点位置的距离，其中θ的取值范围是[0，360°]，的取值范围是[-90°，90°]，r的取值范围是[0，L]。
优选的，所述耳机还包括接收模块4，无线接收模块尤佳，如蓝牙，WIFI等，可以接收移动终端设备的传感器信息，如手机、Ipad等移动终端设备中的传感器所获取的位置和倾角信息等。
以上对本发明实施例所提供的一种带方位传感器耳机及其3D声场还原方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，因此，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种带方位传感器耳机的3D声场还原方法，其特征在于，包括：
设定虚拟3D声源的参数，得到声源信号；
通过实时获取耳机方位传感器组的陀螺仪、加速度计和指南针的参数信息，来获得耳机相对虚拟3D声源的物理位置信息；
依据耳机相对虚拟3D声源的物理位置信息和虚拟3D声源的辐射特性，计算虚拟3D声源的直达声函数和混响声函数；
将虚拟3D声源的直达声函数和混响声函数进行运算，计算虚拟3D声源的双耳传递函数；
将虚拟3D声源的双耳传递函数与虚拟3D声源的声源信号进行卷积，得到重构的3D声场信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述虚拟3D声源的参数包括虚拟3D声源所处空间的尺寸和虚拟3D声源所处空间材料的吸声系数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在实时获取耳机方位传感器组的陀螺仪、加速度计和指南针的参数信息步骤之前，还包括对方位传感器组的陀螺仪、加速度计和指南针进行校准。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陀螺仪用于测量耳机的动态角速度，所述加速度计用于测量耳机的静态倾角和加速度信息，所述指南针用于校准耳机的方向。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述虚拟声源的直达声函数和混响声函数通过实时计算获得。
6.一种带方位传感器的耳机，其特征在于，所述耳机包括微处理器单元，所述耳机还包括方位传感器组，所述方位传感器组包括陀螺仪，加速度计和指南针，所述微处理器单元包括：
虚拟3D声源设定模块，用于设定虚拟3D声源的参数，得到声源信号；
物理位置信息获取模块，用于通过实时获取耳机方位传感器组的陀螺仪、加速度计和指南针的参数信息，来获得耳机相对虚拟3D声源的物理位置信息；
计算模块，用于依据耳机相对虚拟3D声源的物理位置信息和虚拟3D声源的辐射特性，计算虚拟3D声源的直达声函数和混响声函数，以及用于将虚拟3D声源的直达声函数和混响声函数进行运算，来计算虚拟3D声源的双耳传递函数；3D声场信号获取模块，用于将虚拟3D声源的双耳传递函数与虚拟3D声源的声源信号进行卷积，得到重构的3D声场信号。
7.根据权利要求6所述的耳机，其特征在于，在物理位置信息获取模块实时获取耳机方位传感器组的陀螺仪、加速度计和指南针的参数信息之前，还包括对方位传感器组的陀螺仪、加速度计和指南针进行校准。
8.根据权利要求6所述的耳机，其特征在于，所述陀螺仪用于测量耳机的动态角速度，所述加速度计用于测量耳机的静态倾角和加速度信息，所述指南针用于校准耳机的方向。
9.根据权利要求6所述的耳机，其特征在于，所述物理位置信息包括虚拟3D声源到耳机位置之间的水平夹角和仰角，虚拟3D声源到耳机位置的距离。
10.根据权利要求6所述的耳机，其特征在于，所述耳机还包括接收模块，用于接收移动终端设备的传感器信息。
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