人力資源知識(shí)

用HRTF進(jìn)行虛擬聲源定位報(bào)告介紹：我們?nèi)粘Ｂ?tīng)到的立體聲錄音，雖然有左右聲道之分，但就整體效果而言，立體聲音樂(lè)來(lái)自聽(tīng)者面前的某個(gè)平面。但希望的是一個(gè)在虛擬環(huán)境中能辨別聲源精確位置的聲音系統(tǒng)，而當(dāng)您聽(tīng)到三維虛擬聲音時(shí)，音樂(lè)聲是來(lái)自圍繞您的一個(gè)球形中的任何地方，即聲音出現(xiàn)在您頭的上方、后方或者在您的鼻子前方。我們把在虛擬場(chǎng)景中的能使用戶準(zhǔn)確地判斷出聲源精確位置、符合人們?cè)谡鎸?shí)境界中聽(tīng)覺(jué)方式的聲音系統(tǒng)稱為三維虛擬聲音。1傳統(tǒng)音頻定位理論耳間時(shí)間差(ITD)：從聲源發(fā)出的聲音到達(dá)人的左耳和右耳時(shí)，有一個(gè)先后的過(guò)程，這段時(shí)間差就是耳間時(shí)間差。耳間時(shí)間差與聲音信號(hào)的頻率有關(guān)，是聲源角位置，頭部半徑r和聲速c的函數(shù)，在人類聽(tīng)覺(jué)定位中占有重要位置。耳間強(qiáng)度差(IID)：由于聲音的傳播媒質(zhì)對(duì)聲波的衰減作用，聲音的強(qiáng)度隨距離而變化，再加上耳廓和頭部的遮擋，最終到達(dá)兩耳的聲音所經(jīng)過(guò)的路徑是不同的，使得距離聲源近的耳朵聽(tīng)到的聲音要強(qiáng)一些，這就是耳間強(qiáng)度差。在中、低頻(fvl.6kHz)，ITD是定位的主要因素;在中頻段(f在1.5-4.0kHz),ITD和IID共同起作用；而在高頻(f>4kHz),IID起主要作用［1。傳統(tǒng)的音頻定位理論的缺陷：無(wú)法解釋單耳條件下的定位機(jī)理。存在錐面模糊現(xiàn)象。ITD和IID對(duì)左右方位的定位效果非常明顯，但對(duì)前后和上下方位存在模糊現(xiàn)象。如圖1中同一垂直面內(nèi)的X和Y到達(dá)兩耳的路徑是對(duì)稱的，以及同一水平面內(nèi)的A和B到達(dá)兩耳的路徑也是對(duì)稱的，這就無(wú)法依賴ITD和IID來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。圖1混淆錐示意圖2用HRTF進(jìn)行虛擬聲源定位有一種更為完備的音頻定位模型，這就是HRTF。與頭部關(guān)聯(lián)的傳遞函數(shù)(Head-RelatedTransferFunction,HRTF)描述了聲波從聲源到雙耳的傳輸過(guò)程。事實(shí)上從某一方位的聲源發(fā)出的聲信號(hào)在到達(dá)聽(tīng)者的耳膜之前經(jīng)過(guò)了復(fù)雜的傳輸過(guò)程，聲信號(hào)與聽(tīng)者的頭部、肩部以及軀干，耳廓發(fā)生了反射、折射、衍射和散射等聲學(xué)作用，人體的這些部位對(duì)聲信號(hào)的調(diào)制作用可以統(tǒng)一的用一個(gè)函數(shù)來(lái)表示即與頭部關(guān)聯(lián)的傳遞函數(shù)HRTF。與之相對(duì)應(yīng)的時(shí)域表示稱

為與頭部相關(guān)聯(lián)的沖激響應(yīng)(Head-RelatedImpulseResponse,H)RHRTF數(shù)據(jù)中包含的方位信息圖2畫出方位角-45。，仰角0°時(shí)的左右耳HRIR波形及對(duì)應(yīng)的頻譜圖。圖2畫出方位角-45。，仰角0°時(shí)的左右耳HRIR波形及對(duì)應(yīng)的頻譜圖。AyJWShrtf孵毗圖2方位角-45°，仰角0°時(shí)的左右耳HRIR及對(duì)應(yīng)的HRTF(1)耳間時(shí)間差(ITD):由于聲源靠近左耳，從圖2可以看出右耳的HRIR比左耳的HRIR有明顯的時(shí)間延遲，體現(xiàn)了耳間時(shí)間差。耳間強(qiáng)度差(IID)：左耳的HRTF比右耳的HRTF幅度要強(qiáng)一些，體現(xiàn)耳間強(qiáng)度差。HRTF會(huì)出現(xiàn)明顯的峰值點(diǎn)和谷值點(diǎn)，有研究表明峰點(diǎn)頻率、谷點(diǎn)頻率對(duì)前后定位起關(guān)鍵作用，且谷點(diǎn)頻率是進(jìn)行定位的主要依據(jù)。HRIR在某些時(shí)刻變化劇烈，這是由于耳廓對(duì)入射聲波的反射作用，左耳的HRIR波形較右耳的HRIR波形起伏變化更為劇烈。在頻譜特性上則表現(xiàn)為左耳的HRTF高頻分量要充足些。為了更加突出HRTF中的峰值點(diǎn)和谷值點(diǎn)，人們使用了一些方法對(duì)HRTF數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。文獻(xiàn)⑶中對(duì)不同頻率的HRTF數(shù)據(jù)加權(quán)，來(lái)放大原HRTF數(shù)據(jù)頻率間的差異，設(shè)H(x)為原HRTF數(shù)據(jù)，H'(x)為處理后的HRTF數(shù)據(jù)，則H'(x)=W(x)H(x)權(quán)函數(shù)HRTF反映了人體結(jié)構(gòu)對(duì)聲音信號(hào)的不同響應(yīng)，因此HRTF有明顯的個(gè)體差異，人們總是希望使用個(gè)性化的HRTF數(shù)據(jù)進(jìn)行3D音效的合成，然而對(duì)每個(gè)人進(jìn)行HRTF數(shù)據(jù)的測(cè)量是不現(xiàn)實(shí)的，有學(xué)者建議使用非個(gè)性化(non-individualized)的HRTF數(shù)據(jù)⑷。虛擬聽(tīng)覺(jué)空間系統(tǒng)Vasaudio將輸入的音頻信號(hào)分別與指定的方位和距離的左右耳HRTF數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積，然后通過(guò)耳機(jī)重發(fā)就可以得到具有方位信息的雙通道音頻信號(hào)，如式(1)?；谶@個(gè)原理我們用VC++編程開(kāi)發(fā)了虛擬聽(tīng)覺(jué)空間系統(tǒng)Vasaudio[5]可以實(shí)時(shí)播放wav格式的音頻文件，圖3是我們的實(shí)現(xiàn)框圖。y(n)=Gx(n)*h(n)L L L (1)y(n)=Gx(n)*h(n)R R R式中?表示乘法，*表示卷積，x(n)表示輸入的音頻信號(hào)，h(n)和h(n)分別表示LR左右耳的hrir數(shù)據(jù)，込和Gr分別表示左右耳的增益，y⑺和兒⑺分別表示饋給耳機(jī)的左右聲道信號(hào)放尢器Hrii■生成＞即離檢測(cè)＞ 藝歷垃選擇聞?lì)^部位置翻檢感器瘵放尢器Hrii■生成＞即離檢測(cè)＞ 藝歷垃選擇聞?lì)^部位置翻檢感器瘵?￡匸在積運(yùn)算雄—右耳卷積運(yùn)算常＞耳機(jī)均衡?斗機(jī)購(gòu)衡存儲(chǔ)器圖3虛擬聽(tīng)覺(jué)空間系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖3虛擬聲源定位測(cè)試實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備為1臺(tái)計(jì)算機(jī)、1個(gè)高質(zhì)量聲卡、1幅高質(zhì)量耳塞式耳機(jī)。被測(cè)試人員為我們實(shí)驗(yàn)室的5名聽(tīng)覺(jué)正常的同學(xué)。同時(shí)我們選擇音頻測(cè)試常用的粉紅噪聲作為測(cè)試音源。測(cè)試所用的軟件系統(tǒng)為本文前面介紹的VasAudio。我們實(shí)驗(yàn)的目的有兩個(gè)：一是通過(guò)測(cè)試比較HRTF的個(gè)體化差異，二是我們希望找出幾套對(duì)大多數(shù)人都相對(duì)比較適合的HRTF數(shù)據(jù)，已備我們以后的實(shí)驗(yàn)使用。3.1測(cè)試數(shù)據(jù)為了比較HRTF數(shù)據(jù)的個(gè)體差異，我們使用了12套數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，分別為（1） CIPIC數(shù)據(jù)庫(kù)提供的數(shù)據(jù)：hrir_final_003,hrir_final_162,hrir_final_163,hrir_final_165；（2） 做回歸分析得到的數(shù)據(jù)：hrir_final_h_003,hrir_final_h_162,hrir_final_h_163,hrir_final_h_165；（3） 在時(shí)域做平均得到的數(shù)據(jù)：hrir_final_avg；（4） 用PCA分析綜合出來(lái)的數(shù)據(jù)：hrir_final_large_6,hrir_final_middle_6,hrir_final_small_6。3.2測(cè)試步驟和結(jié)果為減小辨別難度，只對(duì)水平面和中垂面上的角度進(jìn)行定位測(cè)試，其中方位角是15°的倍數(shù)，角度從－180°到180°，共有24個(gè)方位。垂直方位角為90°（正上方）、60°、30°、0°、－45°共有5個(gè)方位。（1）水平方位角具體測(cè)試步驟：步驟1：先給測(cè)試者聽(tīng)分布在前、后、左、右四個(gè)方向的聲音信號(hào)，并告知實(shí)際方向；步驟2：然后分別在這四個(gè)聲源的附近位置選擇一個(gè)方位，要求聽(tīng)者進(jìn)行判斷，并給出四個(gè)聲源的位置（要求說(shuō)出具體的方位角度）；步驟3：重新隨機(jī)選擇分布在前、后、左、右四個(gè)方向的聲音信號(hào)，重復(fù)步驟1，步驟2。（2）垂直方位角具體測(cè)試步驟：步驟1：對(duì)給定的一組數(shù)據(jù)先給測(cè)試者聽(tīng)垂方位90°、60°、30°、0°、－45°五個(gè)方向聲音信號(hào)步驟2：從上述五個(gè)方向隨機(jī)給出一個(gè)方向的聲音信號(hào)，要求聽(tīng)者指出其具體方向角度。重復(fù)該步驟五次直至測(cè)完一組數(shù)據(jù)；步驟3：重復(fù)步驟1，步驟2，直至測(cè)完全部數(shù)據(jù)。我們給出了數(shù)據(jù)標(biāo)號(hào)為hrir_final_162和hrir_final_163的測(cè)試結(jié)果散點(diǎn)圖，見(jiàn)圖4和圖5。200150100El'GOo口50n-■11iii-GO6皐250r200-1G0-100-150200150100El'GOo口50n-■11iii-GO6皐250r200-1G0-100-1500 GO100 150200圖4hrir_final_162測(cè)試結(jié)果散點(diǎn)圖

圖5hrir_final_163測(cè)試結(jié)果散點(diǎn)圖我們給出水平方位最終的測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見(jiàn)表1。同時(shí)我們給出垂直方位最終的測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見(jiàn)表2表1水平方位測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表HRIT轍測(cè)斤者1疋斛側(cè)諸2正確率斷者3正解晰者4正確率JE解毎份齡瞬正確$岫'曲1血0.750.50.790.61D.420.670.5B0.79075D.64limfilial16SD.7L0.790.460.580540.620.630.670.540.670.42D.58lirirfilialli003D.710.670.50.540.750.63liiu'filialli162D.&30.750.540.670.79D72liru'finfilli162D.540.750.290.880.71D.6311血-曲1」1-唸0.710.750.790.46D.S4liTirfilial,small6出0.630420.710.710.62liru'find,middle6D.&B0.790.5S0.880.67D76liru1finfillaive60.630.670.330.330540.511血'險(xiǎn)1的￥0.50.50.630.710.670.6解D.640.70490.670.65D.63表2垂直方位測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

HRIFO傾聽(tīng)者1正確率傾聽(tīng)者2正確率W3正確率傾聽(tīng)者4正確率傾聽(tīng)者5正確率每份數(shù)據(jù)總體正確率lirirfinalD030.40'.20.40.40.20.32hrirfmal1620.20.8D.60.20.60.48hrirfiiial1630.20.80.80.400.44hrirfnwl16500.20.20.20.60.24hrirfimlh00300.40.60.20.40.32hmfuRlh1620.40.6■：■0.20.60.36hfiffinilh1630.60.60.40.400.40.60.2■-0.40.60.36lirirfinal^1160.200.40.40.40.28lirirfinalmiddle60.80.60.60.40.40.56lirirfinallai'se6— ■口一0.40.6D.20.40032lii'i^final^jivg0.20■■0.610.37每位傾聽(tīng)者總體正確率0.40.20.40.40.20.32測(cè)試結(jié)果分析（1）HRTF數(shù)據(jù)包含了大量的方位信息，用HRTF對(duì)聲源進(jìn)行定位可以提高定位的準(zhǔn)確性，克服傳統(tǒng)定位理論的不足。我們?cè)跍y(cè)試中使用的HRTF數(shù)據(jù)是非個(gè)性化的，因此HRTF數(shù)據(jù)并不一定對(duì)每個(gè)人都是適合的，這是造成錯(cuò)誤率較高的一個(gè)原因，另外測(cè)試中只有被測(cè)試者認(rèn)定的方位和我們實(shí)際使用的方位完全一致時(shí)，我們才認(rèn)為辨別正確，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的要求有些苛刻（實(shí)際上5°到20°的偏差是允許的），這是造成錯(cuò)誤率較高的另一個(gè)原因。（2） 測(cè)試中發(fā)現(xiàn)被測(cè)試者對(duì)標(biāo)號(hào)為hrir_final_middle_6的HRTF數(shù)據(jù)的辨別正確率較高，原因可能是5位被測(cè)試者的頭部和外耳尺寸比較中等，與該數(shù)據(jù)的外耳參數(shù)比較吻合。（3） 測(cè)試中發(fā)現(xiàn)聲源定位的前后顛倒和上下顛倒比較嚴(yán)重。前后顛倒從圖5和圖6可以很明顯的看出。垂直方位的測(cè)試結(jié)果尤為不好，如傾聽(tīng)者1號(hào)在使用標(biāo)號(hào)為hrir_final_165和hrir_final_h_003的HRTF數(shù)據(jù)處理過(guò)的音頻信號(hào)進(jìn)行垂直方位的辨別時(shí),5個(gè)方位完全辨別錯(cuò)誤，其他被測(cè)試者也有這樣的問(wèn)題。（4） 用耳機(jī)重放時(shí)存在“頭中定位效應(yīng)”，傾聽(tīng)者感到聲像分布在人頭內(nèi)部，這也影響了定位的準(zhǔn)確性。有文獻(xiàn)［6］指出，增加混響可以加強(qiáng)聲像的立體感和深度感，從而改善定位效果，這也是音頻定位、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展的趨勢(shì)。4.結(jié)束語(yǔ)HRTF包含了大量的方位信息，用HRTF進(jìn)行虛擬聲源定位是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，已經(jīng)有很多相關(guān)成熟的產(chǎn)品和系統(tǒng)出現(xiàn)。本文介紹了HRTF包含的方位信息和個(gè)體差異，并用我們開(kāi)發(fā)的Vasaudio系統(tǒng)進(jìn)行了虛擬聲源定位的實(shí)際測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明用非個(gè)性化HRTF進(jìn)行定位存在一些問(wèn)題，如辨別錯(cuò)誤率較高，聲像的前后混淆和上下混淆比較嚴(yán)重，頭中定位效應(yīng)等，我們的工作僅是初步的，還要采取其他措施來(lái)提高虛擬聲源定位的準(zhǔn)確性。鐘小麗，謝菠蓀.頭相關(guān)傳輸函數(shù)的研究進(jìn)展(一)J].立體聲與環(huán)繞聲,20XX,12:44-48.AlgaziV.R.,DudaR.O.,ThompsonD.M.,AvendanoC..TheCIPICHRTFdatabase[C].ApplicationsofSignalProcessingtoAudioandAcoustics,2001IEEEWorkshoponthe21-24Oct,2001,Page(s):99-102.趙自力，黃成偉，高宏，李慶祥.HRTF在虛擬3D立體聲中的應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2001,41(11):74－76.ElizabethM.Wenzel,M