CN109769195A - 一种hrtf中垂面方位增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种HRTF中垂面方位增强方法，涉及声源领域，本发明在知晓正前方或正后方方位与最邻近方位角的ITD后，应用插值法获得头部与正前方或正后方偏差为1°时的ITD，应用该ITD对原始HRTF进行改造，获得新的HRTF，本发明合成的HRTF在频谱上与原始HRTF没有差异，但应用该HRTF可使得听者对方位定位效果有所增强。本发明在不改变原有信号频谱的基础上，对易混淆的方位的ITD进行补偿，应用该补偿获得的HRTF与干音频信号进行卷积，合成的信号方位感良好，能有效提升人耳前后方位听觉感知。

Description

一种HRTF中垂面方位增强方法

技术领域

本发明涉及声源领域，尤其是一种HRTF的方位增强方法。

背景技术

早期的研究认为听觉定位最重要的依据是两耳之间声音信号的差异，这也是双工理论的基本思想。如果声源到双耳的距离不同，从声源发出的直达声波到达双耳时，一般有一个先后的顺序。例如声源离头部的右侧比较近时，直达声波会先传到右耳，然后经过头部的绕射到达左耳。这个过程会形成声波到达双耳的微小时间差异，称为耳间时间差(ITD)，同时由于头部的阻隔使得声波传递到左耳时发生衰减，强度减弱，与声源距离近1的耳朵听到的声音强度要比距离远的耳朵听到的大，形成耳间强度差 (I0LD)。一般ITD和ILD也被称作为双耳特征。

在中垂面上，声源到达双耳的时间差ITD及双耳声级差均相同，此时，应用双工理论进行定位的方法不再可行。文献“Improvement of front-back sound localizationcharacteristics in headphone-based 3D sound generation.In the 7thInternational Conference on Advanced Communication Technology,2005,ICACT2005.”提供了一种对前、后方位进行增强的方法来实现前后方的定位，该方法应用谱差法来实现前后定位。然而该方法改变了原始HRTF信号的频谱。通过分析HRTF与生理参数的相关性可知，影响(0°,0°)处HRTF的生理参数与影响(180°,0°)的生理参数不同，分析应用谱减法进行的方位增强与生理参数的相关性可知，与未经过方位增强的HRTF相比，应用该方法后的HRTF的相关的生理参数发生了改变。这与实际的情形不一致。从听觉感知上该方法是可行的，但从物理意义上来讲，该方法无法解释清楚。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明主要通过一种新的方法来实现方位增强。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤如下：

步骤一：应用10％上升沿法分别获得需要增强的方位角(θ₀,φ))以及与其同俯仰角下相邻方位角(θ₁,φ)的ITD；其中，(θ₀,φ)表示俯仰角为φ方位角为θ₀时需要增强的方位，(θ₁,φ)表示俯仰角为φ时与方位角θ₀最相邻的测试数据库中的方位角θ₁的方位，从而得到：

ITD_lead(θ，φ)＝t_L，η-t_R，η (1)

其中，ITD_lead(θ,φ)表示方位角(θ,φ)处的双耳时间差；t_L,η，t_R,η分别表示左、右耳的 HRIR第一次超过HRIR最大幅值百分比η的起始时间；

步骤二：通过插值方法获得在方位角为与需要增强的方位角1°偏差下的ITD：

其中，为需要增强的方位(θ₀,φ)的ITD；为与增强方位最邻近的方位(θ₁,φ)的ITD；表示方位角为θ₀+1，俯仰角为φ处的双耳时间差，θ₀+1表示比方位角θ₀大1°的方位；

步骤三：对方位角(θ₀,φ)处的ITD进行补偿，补偿后(θ₀,φ)处双耳时间差为

步骤四：对(θ₀,φ)处的HRTF进行如下改造：

若选择的最邻近的方位(θ₁,φ)位于(θ₀,φ)的左侧，则在方位角(θ₀,φ)处左耳HRIR 在左侧进行补零；同时为保证左右耳长度一致，在右耳HRIR的右侧进行补零，改造后的HRIR为

其中，表示改造后方位角为(θ₀,φ)处右耳头相关传递函数；表示改造后方位角为(θ₀,φ)处左耳头相关传递函数；表示行1 列的全零阵列；R表示右耳，L表示左耳；

若选择的最邻近的方位位于待增强方位的右侧，则补零方式为：

将改造后的设置为该被试在方位为θ₀，俯仰角为φ的头相关传递函数，应用该头相关传递函数与干信号进行卷积可获得具有良好方位感的音频信号，该技术可以实现方位为θ₀，俯仰角为φ处的方位增强。

本发明的有益效果是在不改变原有信号频谱的基础上，对易混淆的方位的ITD进行补偿，应用该补偿获得的HRTF与干音频信号进行卷积，合成的信号方位感良好，能有效提升人耳前后方位听觉感知。

附图说明

图1为本发明中垂面方位增强流程图。

图2为本发明具体实施例中原始信号频域图。

图3为本发明具体实施例中应用方位增强后的频域图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，以方位角(0°，0°)为例。

为了克服现有技术的不足，本发明主要通过试图发明一种新的方法来实现方位增强。本发明从头部微小转动能够帮助实现前后位置处的方位增强处获得了灵感。由于在水平方位上，人耳能够识别的方位为3.6°，故人耳很难清晰的分辨出(0°，0°)与(0°， 1°)；同时，(0°，0°)方位处的HRTF本身就是反映人耳对正前方声音的听觉感知，但由于听觉感知本身的影响，使得听出来的声音位于头部中心处。本发明专利在知晓正前方或正后方方位与最邻近方位角的ITD,应用插值法获得头部与正前方或正后方偏差为1°时的ITD，应用该ITD对原始HRTF进行改造，获得新的HRTF。该方法合成的 HRTF在频谱上与原始HRTF没有差异，但应用该HRTF可使得听者对方位定位效果有所增强。

由于通过谱差法获得的方位增强算法虽能增强听者的方位感，但应用该方法获得的前后方位的谱，实际上已经改变了影响频谱的生理因素，这与通过测量获得的HRTF 已经是两个完全不同的HRTF。本发明专利在不改变HRTF频谱的基础上提出一种新的方位增强算法，使得听者能够准确区分信号来源。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤如下：

步骤一：应用10％上升沿法分别获得需要增强的方位角(θ₀,φ))以及与其同俯仰角下相邻方位角(θ₁,φ)的ITD；其中，(θ₀,φ)表示俯仰角为φ方位角为θ₀时需要增强的方位，(θ₁,φ)表示俯仰角为φ时与方位角θ₀最相邻的测试数据库中的方位角θ₁的方位，从而得到：

ITD_lead(θ，φ)＝t_L，η-t_R，η (1)

其中，ITD_lead(θ,φ)表示方位角(θ,φ)处的双耳时间差；t_L,η，t_R,η分别表示左、右耳的HRIR第一次超过HRIR最大幅值百分比η的起始时间；其中，本发明η取10％。

步骤二：通过插值方法获得在方位角为与需要增强的方位角1°偏差下的ITD：

其中，为需要增强的方位(θ₀,φ)的ITD；为与增强方位最邻近的方位(θ₁,φ)的ITD；表示方位角为θ₀+1，俯仰角为φ处的双耳时间差，θ₀+1表示比方位角θ₀大1°的方位；

步骤三：对方位角(θ₀,φ)处的ITD进行补偿，补偿后(θ₀,φ)处双耳时间差为

步骤四：对(θ₀,φ)处的HRTF进行如下改造：

若选择的最邻近的方位(θ₁,φ)位于(θ₀,φ)的左侧，则在方位角(θ₀,φ)处左耳HRIR 在左侧进行补零；同时为保证左右耳长度一致，在右耳HRIR的右侧进行补零，改造后的HRIR为

其中，表示改造后方位角为(θ₀,φ)处右耳头相关传递函数；表示改造后方位角为(θ₀,φ)处左耳头相关传递函数；表示行1 列的全零阵列；R表示右耳，L表示左耳；

若选择的最邻近的方位位于待增强方位的右侧，则补零方式为：

将改造后的HR～IR设置为该被试在方位为θ₀，俯仰角为φ的头相关传递函数，应用该头相关传递函数与干信号进行卷积可获得具有良好方位感的音频信号，该技术可以实现方位为θ₀，俯仰角为φ处的方位增强。

实施例如下：

步骤一：参照图1，应用10％上升沿法分别获得方位(0°,0°)以及与其同俯仰角下相邻方位角(5°,0°)处的ITD：

ITD_lead(θ,φ)＝t_L,10％-t_R,10％ (5)

其中，ITD_lead(θ,φ)表示方位角(θ,φ)处的双耳时间差；t_L,10％、t_R,10％分别表示左、右耳的HRIR第一次超过其幅值最大值的10％时的起始时间。

步骤二：通过插值方法获得在方位角为与需要增强的方位角1°偏差即(1°，0°) 下的ITD。

其中，ITD_(0°,0°)为需要增强的方位(0°,0°)处的ITD，ITD_(5°,0°)为与增强方位最邻近的方位的ITD，在本发明中所用的数据库的最邻近方位为(5°,0°)。

步骤三：对方位角(0°,0°)处的ITD进行补偿。补偿后(0°,0°)处双耳时间差为

步骤四：对(0°,0°)处的HRTF进行改造。

若选择的最邻近的方位(5°,0°)，位于(0°,0°)的右侧，则对方位角(θ₀,φ)处右耳HRIR 在左侧进行补零；同时为保证左右耳长度一致在右耳HRIR的右侧进行补零。HR～IR为改造完成的HRIR。

其中，表示改造后方位角为(0°,φ°)处右耳头相关传递函数；表示改造后方位角为(0°,0°)处左耳头相关传递函数；表示行，1列的全零阵列；(0°,0°)为需要增强的方位角，R表示右耳，L表示左耳。

应用本发明方法重构的方位为(0°,0°)处的HRTF与测量获得的HRTF相比具有更好的方位感。

由图2与图3可知，应用本发明提出的方法进行方位增强后，方位增强后的频域图与原始信号的频域图没有改变。

Claims (1)

1.一种HRTF中垂面方位增强方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一：应用10％上升沿法分别获得需要增强的方位角(θ₀,φ))以及与其同俯仰角下相邻方位角(θ₁,φ)的ITD；其中，(θ₀,φ)表示俯仰角为φ方位角为θ₀时需要增强的方位，(θ₁,φ)表示俯仰角为φ时与方位角θ₀最相邻的测试数据库中的方位角θ₁的方位，从而得到：

ITD_lead(θ，φ)＝t_L，η-t_R，η (1)

其中，ITD_lead(θ,φ)表示方位角(θ,φ)处的双耳时间差；t_L,η，t_R,η分别表示左、右耳的HRIR第一次超过HRIR最大幅值百分比η的起始时间；

步骤二：通过插值方法获得在方位角为与需要增强的方位角1o偏差下的ITD：

其中，为需要增强的方位(θ₀,φ)的ITD；为与增强方位最邻近的方位(θ₁,φ)的ITD；表示方位角为θ₀+1，俯仰角为φ处的双耳时间差，θ₀+1表示比方位角θ₀大1°的方位；

步骤三：对方位角(θ₀,φ)处的ITD进行补偿，补偿后(θ₀,φ)处双耳时间差为

步骤四：对(θ₀,φ)处的HRTF进行如下改造：

若选择的最邻近的方位(θ₁,φ)位于(θ₀,φ)的左侧，则在方位角(θ₀,φ)处左耳HRIR在左侧进行补零；同时为保证左右耳长度一致，在右耳HRIR的右侧进行补零，改造后的HRIR为

其中，表示改造后方位角为(θ₀,φ)处右耳头相关传递函数；表示改造后方位角为(θ₀,φ)处左耳头相关传递函数；表示行1列的全零阵列；R表示右耳，L表示左耳；

若选择的最邻近的方位位于待增强方位的右侧，则补零方式为：

将改造后的设置为该被试在方位为θ₀，俯仰角为φ的头相关传递函数，应用该头相关传递函数与干信号进行卷积可获得具有良好方位感的音频信号，该技术可以实现方位为θ₀，俯仰角为φ处的方位增强。