雙聲道3d音頻生成裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及3D音視頻技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及雙聲道3D音頻生成裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著3D音視頻的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的立體聲及環(huán)繞聲技術(shù)已經(jīng)滿足不了人們對于 更好視聽體驗的需求。聲學(xué)研究表明，頭相關(guān)傳遞函數(shù)中包含的雙耳間級差、雙耳間時差以 及頻譜信息可以用來合成含有聲源位置信息的音頻信號。而且頭相關(guān)傳遞術(shù)適用于耳機環(huán) 境下的特點，使得該技術(shù)適合在移動設(shè)備上使用，具有廣闊的市場前景。但頭相關(guān)傳遞函數(shù) 與聽音者的人體參數(shù)相關(guān)，為了得到更好的效果，需要對大量測試者進行測量，然而近場的 頭相關(guān)傳遞函數(shù)在測量時存在著多種缺陷：1、沒有合適的揚聲器滿足測量頭相關(guān)傳遞函數(shù) 時實驗對于對聲源的要求；2、測試者的頭部需要保持嚴格靜止；3、大量位置點的頭相關(guān)傳 遞函數(shù)測量會造成測試者的疲勞等問題，從而很難得到能使得合成的音頻信號的感知距離 和方位感較好的近場頭相關(guān)傳遞函數(shù)。因此，也無法得到理想的雙聲道3D音頻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供新的雙聲道3D音頻生成方法及裝置，通過避免獲取真人近 場頭相關(guān)傳遞函數(shù)時的不便，達到改善近距離的聲源感知準確性的目的，從而完成在雙聲 道系統(tǒng)中3D音頻的更好合成。
[0004] 為到達上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案提供一種雙聲道3D音頻生成裝置，包括以下模 塊：
[0005] 左右耳聲壓模擬模塊，用于設(shè)待合成的近場頭相關(guān)傳遞函數(shù)的適用距離為近場聲 源距離r，設(shè)已有的遠場頭相關(guān)傳遞函數(shù)庫相應(yīng)測量時聲源與測試者的距離記為遠場聲源 距離R，利用硬質(zhì)球體模擬人頭，并將左耳和右耳模擬為硬質(zhì)球體上的兩點，計算近場聲源 距離r下聲源到硬質(zhì)球體上左耳相應(yīng)點的聲壓和右耳相應(yīng)點的聲壓p /，計算遠場聲源 距離R下聲源到硬質(zhì)球體上左耳相應(yīng)點的聲壓PlR和右耳相應(yīng)點的聲壓p
[0006] 距離變量函數(shù)確定模塊，用于計算左耳對應(yīng)的距離變量函數(shù)值DVF1和右耳對應(yīng)的 距離變量函數(shù)值DVF 2如下，
[0007]
[0008]
[0009] 遠場頭相關(guān)傳遞函數(shù)提取模塊，用于在遠場頭相關(guān)傳遞函數(shù)庫中任意挑選一個遠 場頭相關(guān)傳遞函數(shù)，設(shè)左耳對應(yīng)的遠場頭相關(guān)傳遞函數(shù)記為HRTF r1,右耳對應(yīng)的遠場頭相關(guān) 傳遞函數(shù)記為HRTFr2;
[0010] 左右耳近場頭相關(guān)傳遞函數(shù)生成模塊，用于基于左右耳分別對應(yīng)的遠場頭相關(guān)傳 遞函數(shù)與對應(yīng)距離變量函數(shù)值，得到對應(yīng)的近場頭相關(guān)傳遞函數(shù)，
[0011] HRTFr1 = DVF ! X HRTFr1
[0012] HRTFr2= DVF2XHRTFr2
[0013] 其中，HRTF11為左耳相應(yīng)的近場頭相關(guān)傳遞函數(shù)，HRTF /為右耳相應(yīng)的近場頭相關(guān) 傳遞函數(shù)；
[0014] 近場頭相關(guān)傳遞函數(shù)記錄模塊，用于記錄左右耳近場頭相關(guān)傳遞函數(shù)生成模塊所 得左右耳的近場頭相關(guān)傳遞函數(shù)HRTF 1/和HRTF Λ
[0015] 卷積模塊，用于進行3D音頻的合成，包括將輸入的音頻信號與記錄的近場頭相關(guān) 傳遞函數(shù)對應(yīng)的時域的左右耳近場頭相關(guān)傳遞沖激響應(yīng)分別進行卷積，得到用于雙聲道系 統(tǒng)中左右聲道播放的3D音頻。
[0016] 而且，左右耳聲壓模擬模塊中，計算不同聲源距離下到硬質(zhì)球體某點的聲壓 p(a, ω, θ，1)采用下式，
[0017]
[0018] 其中，k為波數(shù)，e為自然底數(shù)，i為虛數(shù)單位，1為聲源到硬質(zhì)球體中心的距離；a 為聲源到硬質(zhì)球體上某點的距離，ω為聲源信號的頻率，Θ為聲源到球體中心的連線和球 體中心到球體上某點間的連線的夾角；hj.)是m階的第一類漢克爾函數(shù)，h'J.)是它的一 階導(dǎo)數(shù)，P ni為m度的納然德多項式。
[0019] 本發(fā)明還相應(yīng)提供一種雙聲道3D音頻生成方法，包括以下步驟：
[0020] 步驟1，設(shè)待合成的近場頭相關(guān)傳遞函數(shù)的適用距離為近場聲源距離r，設(shè)已有的 遠場頭相關(guān)傳遞函數(shù)庫相應(yīng)測量時聲源與測試者的距離記為遠場聲源距離R，利用硬質(zhì)球 體模擬人頭，并將左耳和右耳模擬為硬質(zhì)球體上的兩點，計算近場聲源距離r下聲源到硬 質(zhì)球體上左耳相應(yīng)點的聲壓和右耳相應(yīng)點的聲壓P /，計算遠場聲源距離R下聲源到硬 質(zhì)球體上左耳相應(yīng)點的聲壓PlR和右耳相應(yīng)點的聲壓P /;
[0021] 步驟2,計算左耳對應(yīng)的距離變量函數(shù)值DVFJP右耳對應(yīng)的距離變量函數(shù)值DVF 2 如下，
[0022]
[0023]
[0024] 步驟3,在遠場頭相關(guān)傳遞函數(shù)庫中任意挑選一個遠場頭相關(guān)傳遞函數(shù)，設(shè)左耳對 應(yīng)的遠場頭相關(guān)傳遞函數(shù)記為HRTF r1,右耳對應(yīng)的遠場頭相關(guān)傳遞函數(shù)記為HRTFr2;
[0025] 步驟4,基于步驟3所得左右耳分別對應(yīng)的遠場頭相關(guān)傳遞函數(shù)與步驟2所得對應(yīng) 距離變量函數(shù)值，得到對應(yīng)的近場頭相關(guān)傳遞函數(shù)，
[0026] HRTFr1 = DVF ! X HRTFr1
[0027] HRTFr2= DVF2XHRTFr2
[0028] 其中，HRTF11為左耳相應(yīng)的近場頭相關(guān)傳遞函數(shù)，HRTF /為右耳相應(yīng)的近場頭相關(guān) 傳遞函數(shù)；
[0029] 步驟5、記錄步驟4所得左右耳的近場頭相關(guān)傳遞函數(shù)HRTF11和HRTF Λ
[0030] 步驟6、進行3D音頻的合成，包括將輸入的音頻信號與記錄的近場頭相關(guān)傳遞函 數(shù)對應(yīng)的時域的左右耳近場頭相關(guān)傳遞沖激響應(yīng)分別進行卷積，得到用于雙聲道系統(tǒng)中左 右聲道播放的3D音頻。
[0031] 而且，步驟1中，計算不同聲源距離下到硬質(zhì)球體某點的聲壓p(a，ω，Θ，1)采用 下式，
[0032]
[0033] 其中，k為波數(shù)，e為自然底數(shù)，i為虛數(shù)單位，1為聲源到硬質(zhì)球體中心的距離；a 為聲源到硬質(zhì)球體上某點的距離，ω為聲源信號的頻率，Θ為聲源到球體中心的連線和球 體中心到球體上某點間的連線的夾角；hj.)是m階的第一類漢克爾函數(shù)，h'J.)是它的一 階導(dǎo)數(shù)，P ni為m度的納然德多項式。
[0034] 使用本發(fā)明技術(shù)方案能夠避免測量頭相關(guān)傳遞函數(shù)時實驗對于對揚聲器的過高 要求；測試者的頭部需要保持嚴格靜止；大量位置點的頭相關(guān)傳遞函數(shù)測量造成測試者疲 勞的問題，實現(xiàn)簡單方便，用自動化方式取代人工參與，效率高。所得到的基于近場頭相關(guān) 傳遞函數(shù)合成的音頻信號，具有更好的距離感知效果、更明確的方位感和更少的前后混淆 效應(yīng)。
【附圖說明】
[0035] 圖1是本發(fā)明實施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0036] 圖2是本發(fā)明實施例的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0037] 下面結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步說明。
[0038] 參見圖1，本發(fā)明實施例提供了雙聲道3D音頻生成裝置，包括以下模塊：
[0039] 左右耳聲壓模擬模塊，用于設(shè)待合成的近場頭相關(guān)傳遞函數(shù)的適用距離為近場聲 源距離r，設(shè)已有的遠場頭相關(guān)傳遞函數(shù)庫相應(yīng)測量時聲源與測試者的距離記為遠場聲源 距離R，利用硬質(zhì)球體模擬人頭，并將左耳和右耳模擬為硬質(zhì)球體上的兩點，計算近場聲源 距離r下聲源到硬質(zhì)球體上左耳相應(yīng)點的聲壓和右耳相應(yīng)點的聲壓p /，計算遠場聲源 距離R下聲源到硬質(zhì)球體上左耳相應(yīng)點的聲壓PlR和右耳相應(yīng)點的聲壓p 開始工作時，可 以先輸入聲源距離r和R ;
[0040] 距離變量函數(shù)確定模塊，用于計算左耳對應(yīng)的距離變量函數(shù)值DVF1和右耳對應(yīng)的 距離變量函數(shù)DVF 2如下，
[0041 ]
[0042]
[0043] 遠場頭相關(guān)傳遞函數(shù)提取模塊，用于在遠場頭相關(guān)傳遞函數(shù)庫中任意挑選一個遠 場頭相關(guān)傳遞函數(shù)，設(shè)左耳對應(yīng)的遠場頭相關(guān)傳遞函數(shù)記為HRTF r1,右耳對應(yīng)的遠場頭相關(guān) 傳遞函數(shù)記為HRTFr2;
[0044] 左右耳近場頭相關(guān)傳遞函數(shù)生成模塊，用于基于左右耳分別對應(yīng)的遠場頭相關(guān)傳 遞函數(shù)與對應(yīng)距離變量函數(shù)，得到對應(yīng)的近場頭相關(guān)傳遞函數(shù)，
[0045] HRTFr1 = DVF ! X HRTFr1
[0046] HRTFr2= DVF2XHRTFr2
[0047] 其中，HRTF11為左耳相應(yīng)的近場頭相關(guān)傳遞函數(shù)，HRTF /為右耳相應(yīng)的近場頭相關(guān) 傳遞函數(shù)；
[0048] 近場頭相關(guān)傳遞函數(shù)記錄模塊，用于記錄左右耳近場頭相關(guān)傳遞函數(shù)生成模塊所 得左右耳的近場頭相關(guān)傳遞函數(shù)HRTF 1/和HRTF Λ
[0049] 卷積模塊，用于進行3D音頻的合成，包括將輸入的音頻信號與記錄的近場頭相關(guān) 傳遞函數(shù)對應(yīng)的時域的左右耳近場頭相關(guān)傳遞沖激響應(yīng)分別進行卷積，得到用于雙聲道系 統(tǒng)中左右聲道播放的3D音頻。具體實施時，根據(jù)近場頭相關(guān)傳遞函數(shù)記錄模塊的記錄結(jié) 果，輸入一段音頻即可進行卷積得到所需3D音頻。
[0050] 參見圖2,本發(fā)明實施例提供相應(yīng)的雙聲道3D音頻生成方法，具體實施時可以采 用計算機軟件技術(shù)手段自動進行其流程，具體包括以下步驟：
[0051] 步驟1、計算不同距離下到硬質(zhì)球體某點的聲壓：
[0052] 預(yù)先確定需要合成的近場頭相關(guān)傳遞函數(shù)的適用距離，即近場聲源距離r，具體實 施時可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員預(yù)先設(shè)定適用距離r的取值，流程開始時直接輸入即可。實施 例中r定為0. 1米。已有的遠場頭相關(guān)傳遞函數(shù)庫中測量時聲源與測試者的距離記為遠場 聲源距離R，由于實施例中遠場頭相關(guān)傳遞函數(shù)庫選取的是CIPIC HRTF庫，故此時R為1 米。
[0053] 具體實施時，硬質(zhì)球體采用不吸收聲波的全反射的材質(zhì)即可，本領(lǐng)域技術(shù)人員可 自行指定具體材質(zhì)。計算利用硬質(zhì)球體模擬的聽音者在聽距離不同的聲源發(fā)出的聲音信號 時雙耳處的聲壓值，是用來計算基于距離變量函數(shù)的值的前導(dǎo)工作，計算得到兩個值：聲源 為一個近點聲源時硬質(zhì)球體某點處的聲壓值，此近點聲源到球體中心的距離由人工給定， 一般情況下應(yīng)該小于一米；該球體上同一點處，聲源為一個遠點聲源時該點處的聲壓值，該 遠點聲源距離球體中心的距離一般由已知的頭相關(guān)傳遞函數(shù)庫決定。
[0054] 實施例利用硬質(zhì)球體模擬人頭，并將左右耳模擬為硬質(zhì)球體上的兩點，則r和R都 是聲源到硬質(zhì)球體中心的距離，近場聲源距離r小于遠場聲源距離R。分別利用公式1計算 到硬質(zhì)球體中心距離為r = 0. 1米和R = 1米時兩點