CN112584277B - 一种室内音频均衡的方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种室内音频播放均衡的方法，由处理器执行，该方法包括：在室内测试状态下，将第一音频信号通过扬声器播放；在聆听者随时间改变聆听方位时，通过头跟随器获取聆听方位，通过传声器获取的与聆听方位对应的第二音频信号，根据第一音频信号、第二音频信号计算与聆听方位对应的室内传递函数；遍历室内的聆听方位，获得室内传递函数集；根据室内传递函数集，以个性化的头相关传递函数集为优化目标，计算聆听方位对应的均衡函数，获得所有聆听方位对应均衡器的集合；在聆听状态下时，通过头跟随器实时获取室内聆听方位；从均衡器的集合中获取与聆听方位对应的均衡函数；将第一音频信号通过均衡器；将均衡后的第一音频信号输入至扬声器播放。

Description

一种室内音频均衡的方法

技术领域

本申请涉及音频播放领域，具体而言，涉及一种室内音频均衡的方法。

背景技术

在音频播放***中，一个有限的室内空间播放的音频其声学特性会受到扬声器的***响应、室内墙壁及内部物体的声反射、声吸收等冲击响应的影响而产生失真。这种失真会影响音频信号的音质和音色，使聆听者对音频产生负面的感知。在一些播放***中，可以通过对扬声器的输入信号进行频谱调整来纠正上述室内传递函数对音频造成的失真。这种频谱调整的过程被称为室内均衡。在进行室内均衡之前，需要计算室内传递函数的特性。但是在传统方法测试室内传递函数的过程中，利用传统传声器仅能测量一个或几个测试点的冲击响应，难以遍历测试室内所有待聆听位置的冲击响应；且即使测试了聆听位置的冲击响应，传统方法摆放的传声器也不能准确录制聆听者在聆听位置时双耳鼓膜处的声压，难以开展聆听位置精准化的测试。不同于聆听者在固定位置聆听到的扬声器播放的音频，聆听者在移动时聆听到的扬声器播放的音频需满足在不同位置时音色和音质能达到感知平衡的效果。

在实际情况中，聆听者个体双耳位置、相对扬声器的方位、耳廓滤波特性等不同使得传统的室内音频均衡器无法开展个体精准化的音频信号感知优化，而且在聆听者走动时更难保证聆听感知的音频的音质和音色不随聆听者的移动位置改变。

发明 内容

为了解决上述问题，本申请实施例提供了一种室内音频均衡的方法,由处理器执行，所述方法包括：在室内测试状态下，将第一音频信号通过所述扬声器播放；在聆听者随时间改变聆听方位时，通过头跟随器获取第一聆听方位，通过传声器获取的与所述第一聆听方位对应的第二音频信号，其中所述传声器设置于所述聆听者的耳内，并且所述头跟随器设置于聆听者头部；根据所述第一音频信号、所述第二音频信号确定与所述第一聆听方位对应的室内传递函数；遍历室内的第一聆听方位，获得室内传递函数集；根据所述室内传递函数集，以头相关传递函数集为优化目标，获得所述第一聆听方位对应的均衡函数；根据所述第一聆听方位对应的均衡函数获得所有第一聆听方位对应均衡器的集合；所述头跟随器、扬声器和传声器与所述处理器为通信关系；在佩戴着所述头跟随器的聆听者处于聆听状态下时，通过所述头跟随器实时获取室内第二聆听方位；所述第二聆听方位包括所述扬声器相对于所述聆听者的头部位置的距离、方位角和仰角；从所述均衡器的集合中获取与所述第二聆听方位对应的均衡函数；将所述第一音频信号通过所述均衡函数进行均衡；将均衡后的第一音频信号输入至所述扬声器进行播放。

在一种实施方式中，所述方法还包括：在佩戴着所述头跟随器的聆听者处于边聆听边测试状态下，将所述第一音频信号通过所述扬声器播放；通过所述头跟随器获取随时间变化的聆听方位，通过所述传声器获取的与所述聆听方位对应的第二音频信号，其中所述传声器设置于所述聆听者的耳内；根据所述第一音频信号、所述第二音频信号计算所述聆听方位对应室内传递函数；以所述实时聆听方位对应的头相关传递函数为优化目标，计算所述聆听方位对应的均衡器；将所述第一音频信号通过所述均衡器进行均衡；将均衡后的第一音频信号反馈至所述扬声器进行播放。

在一种实施方式中，所述所述通过所述传声器获取的与所述第一聆听方位对应的第二音频信号，包括通过所述传声器获取的与所述第一聆听方位对应的左耳音频信号和右耳音频信号。

在一种实施方式中，所述根据所述第一音频信号、所述第二音频信号确定与所述第一聆听方位对应的室内传递函数，包括：根据所述随时间变化的聆听方位获得所述时段对应的聆听方位；将所述第一音频信号按照设定的时段切分，获得短时输入信号；将所述第二音频信号按照设定的时段切分，获得左、右耳短时传声信号；根据所述短时输入信号和所述短时传声信号，通过计算获得所述聆听方位对应的室内传递函数。

在一种实施方式中，所述根据所述室内传递函数集，以头相关传递函数集为优化目标，获得所述第一聆听方位对应的均衡函数；根据所述第一聆听方位对应的均衡函数获得所有第一聆听方位对应均衡器的集合，包括：从头相关传递函数库中获取与聆听者的耳廓、头部和肩部的个性化参数对应的全方位的头相关传递函数，获得头相关传递函数集；对所述全方位头相关传递函数集进行频谱平滑，获取左、右耳头相关传递函数频谱；对所述室内传递函数集进行时域截断，去除后期混响声，再进行频谱平滑，获得左、右耳响应平滑函数集；对所述室内传递函数集进行时域截断，去除后期混响声，再进行频谱平滑，获得左、右耳响应平滑函数集；根据所述左、右耳响应平滑函数集计算公共峰值部分和各个聆听方位对应的个性化部分；以所述左、右耳头相关传递函数频谱为优化目标，对所述公共峰值部分进行均衡，获得公共均衡函数；对所述个性化部分通过计算代价函数均衡，获得个性化均衡函数；将所述公共均衡函数和个性化均衡函数在时域卷积或者频域相乘得到所述至少一个聆听方位对应的均衡器；将所述公共均衡函数和个性化均衡函数在时域卷积或者频域相乘得到所述至少一个聆听方位对应的均衡器；遍历室内所有的聆听方位，获得所有第一聆听方位的均衡器的集合。

在一种实施方式中，所述根据所述室内传递函数集，以头相关传递函数集为优化目标，获得所述第一聆听方位对应的均衡函数；根据所述第一聆听方位对应的均衡函数获得所有第一聆听方位对应均衡器的集合，包括：从头相关传递函数库中获取与聆听者的耳廓、头部和肩部的个性化参数对应的全方位的头相关传递函数，获得头相关传递函数集；对所述全方位头相关传递函数集进行频谱平滑，获取左、右耳头相关传递函数频谱；对所述室内传递函数集进行时域截断，去除后期混响声，再进行频谱平滑，获得左、右耳响应平滑函数集；以左、右耳头相关传递函数频谱为优化目标，根据至少一个聆听方位下的左、右耳响应平滑函数集,迭代计算所述至少一个聆听方位下第二代价函数，当所述第二代价函数小于阈值时，获得所述至少一个聆听方位对应的均衡函数；遍历室内所有的聆听方位，获得所有第一聆听方位的均衡器的集合。

在一种实施方式中，所述从头相关传递函数库中获取与聆听者耳廓、头部和肩部的个性化参数对应的全方位的头相关传递函数，获得头相关传递函数集，包括：通过所述聆听者的耳廓、头部和肩部的个性化参数与已有的头相关传递函数数据库进行模板匹配，提取所述聆听者的全方位的头相关传递函数，获得头相关传递函数集。

在一种实施方式中，所述从头相关传递函数库中获取与聆听者耳廓、头部和肩部的个性化参数对应的全方位的头相关传递函数，获得头相关传递函数集，包括：通过稀疏测量法在全消声室测量所述聆听者的至少一个设定的聆听方位的第一头相关传递函数；根据对应先验知识和聆听者的耳廓、头部和肩部的个性化参数在头相关传递函数数据库中提取所述聆听者的其他聆听方位的第二头相关传递函数；将所述至少一个第一头相关传递函数和所述第二头相关传递函数结合获得全方位头相关传递函数集。

在一种实施方式中，所述以所述左、右耳头相关传递函数频谱为优化目标，对所述公共峰值部分进行均衡，获得公共均衡函数；对所述个性化部分通过计算代价函数均衡，获得个性化均衡函数，包括：以所述左、右耳头相关传递函数频谱为均衡目标，计算至少一个聆听方位的第一代价函数；将所述第一代价函数进行正则化，得到个性化均衡函数的幅值；将所述个性化均衡函数的幅值进行最小相位重构获得个性化均衡函数。

在一种实施方式中，所述迭代计算所述至少一个聆听方位下第二代价函数，还包括根据所述室内传递函数集的峰值分布设置随频率变化权重系数，根据所述随频率变化权重系数迭代计算所述至少一个聆听方位下第二代价函数。

通过本申请的室内音频均衡的方法，在室内均衡时让聆听者佩戴头跟随器和探针式传声器，既可以在不同的聆听位置实时精确获取双耳鼓膜处的音频信号，又可以精准测量扬声器-双耳的室内传递函数；通过室内均衡函数实时均衡个性化室内传递函数，且在设计室内均衡函数时保留双耳耳廓、头部、肩部等个性化特征的对声音的滤波特性，优化聆听者双耳处的听觉体验；使聆听者在精准方位获取最优的音频听觉体验，且聆听者在室内随意移动时依然能感知音频的一致。该方法使得聆听者在室内聆听扬声器播放的音频时可以获得最佳的听觉感知体验。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书披露的多个实施例的技术方案，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说明书披露的多个实施例，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它的附图。

图1为本申请实施例提出的室内音频均衡的方法的示意图；

图2为本申请实施例提出的室内音频均衡的方法中计算室内传递函数的具体流程图；

图3为本申请实施例提出的室内音频均衡的方法中生成各个聆听方位对应的音频均衡器的具体流程图；

图4为本申请的一个实施例提供的室内音频均衡的方法的流程图；

图5为本申请的一个实施例提供的室内音频均衡的方法中计算各个聆听方位对应的均衡函数的一个实施方式的流程图；

图6为本申请的一个实施例提供的室内音频均衡的方法中计算各个聆听方位对应的均衡函数的另一个实施方式的流程图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本申请的技术方案做进一步的详细描述。

先介绍一下本申请的构思。头跟随器是一种可以跟踪聆听者的移动方位的装置，可以用于实时获取室内待均衡的扬声器相对聆听者的方位信息。传声器是一种传声装置，采用探针式的传声器可以分别***聆听者双耳，以实时录制聆听者移动时接近鼓膜处的音频信号。在一个室内音频播放***中，当聆听者移动时，可以联合使用头跟随器和探针式的传声器测量扬声器-双耳的室内传递函数，实时跟踪测量与聆听位置相关的室内传递函数，实时更新相关均衡函数的参数，以此对输入给扬声器的音频信号进行实时动态均衡。

在室内声场多个位置均衡扬声器-双耳室内传递函数时，需要去除室内和扬声器频响引起的室内传递函数中的噪声峰谷，但保留聆听者耳廓、头部、肩部等个性化参数引起的室内传递函数关键峰谷，同时对室内声场多个位置的固有零极点开展一致性均衡，力求既动态跟踪聆听者的移动轨迹，以精准个性化室内均衡，又保证聆听者感知的音频信号即使身处在室内不同位置也能保持一致。

因此，在室内均衡时让聆听者佩戴头跟随器和探针式传声器，即可以在不同的聆听位置实时精确获取双耳鼓膜处的音频信号，又可以精准测量扬声器-双耳的室内传递函数，构建室内均衡函数，通过室内均衡函数实时均衡个性化的室内传递函数，且在设计室内均衡函数时保留双耳耳廓、头部、肩部等个性化特征的对声音的滤波特性，优化聆听者双耳处的听觉体验。

在测试状态下，扬声器固定放音方位，聆听者佩戴头跟随器和探针式双耳传声器在房间移动，遍历房间所有待聆听位置，测试室内所有待聆听方位对应的扬声器-双耳房间传递函数，整理成聆听者个性化的室内传递函数库。可以根据不同的聆听者标识个性化的室内传递函数。基于该函数库开展房间特性相关的零极点分析、人头耳廓等生理特性相关的声学滤波特性分析、以及扬声器相关的频谱特性失真分析，计算室内均衡算法；在聆听状态下，利用头跟随器跟踪聆听者移动方位，利用测试状态下已经计算存储的均衡算法实时调整室内均衡参数，优化聆听者在移动时聆听扬声器音色的平衡感知效果。

在边聆听边测试状态下，利用头跟随器跟踪聆听者移动方位，利用对应时段输入给扬声器的音频信号和传声器接收的信号计算室内传递函数，根据对应方位的头相关传递函数构建室内均衡目标，计算对应方位的室内均衡函数，并将待播放的音频信号通过室内均衡函数均衡后输入给扬声器播放。

本申请提出了一种室内音频均衡的方法，该方法由处理器执行，该处理器与头跟随器、传声器和扬声器相连。其中，头跟随器设置于聆听者头部，用来跟踪聆听者的移动轨迹；处理器可以根据聆听者的移动轨迹实时获取室内待均衡的扬声器相对聆听者的方位信息。传声器设置聆听者的耳部，用来实时录制聆听者移动时接近鼓膜处的音频信号，处理器可以利用该音频信号精准测量扬声器-双耳的室内传递函数，构建室内均衡函数，生成均衡器，通过该均衡器实现随聆听者移动轨迹对播放的音频信号实时均衡，通过该方法生成的均衡器可以有效地增强聆听者在室内随意走动时的音频感知效果。

本申请提出的室内音频均衡的方法在测试阶段要进行以下预备操作：在室内固定待均衡的扬声器的放音方位，使聆听者配戴一个头跟随器，双耳分别置入传声器，该传声器可以为探针式传声器，使传声器尽可能接近左右耳道鼓膜位置。

图1为本申请实施例提出的室内音频均衡的方法的流程示意图。如图1所示，S101,处理器将音频信号输入待均衡的扬声器，通过该扬声器在室内播放该音频信号，该音频信号可以记为第一音频信号。S102,使聆听者在室内移动，遍历室内所有位置，同时处理器通过头跟随器记录聆听者随时间变化的移动轨迹，获得随时间变化的聆听方位，将该聆听方位记为第一聆听方位；通过传声器记录聆听者双耳鼓膜附近的随时间变化的音频信号，该音频信号记为第二音频信号。该移动轨迹与第一音频信号和第二音频信号在时间上相对应。S103,处理器根据扬声器的音频信号、传声器记录的音频信号和各个聆听方位计算各个聆听方位对应的室内传递函数，获得与室内各个聆听方位相对应的室内传递函数集。S104，处理器从头相关传递函数库中获取与各个聆听方位对应的个性化的全方位头相关传递函数集。S105,根据各个聆听方位对应的室内传递函数集，以个性化的全方位头相关传递函数集中的头相关传递函数为优化目标，计算各个聆听方位对应的均衡函数；获得各个聆听方位对应的音频均衡器。

具体地，步骤S101处理器在获取该聆听者的个性化的全方位头相关传递函数集时，可以通过聆听者的耳廓、头部和肩部的个性化生理参数特征与已有的头相关传递函数数据库进行模板匹配，以获取聆听者的各个聆听方位的个性化的头相关传递函数HRTF，或者通过稀疏测量法在全消声室仅测量聆听者少数方位的头相关传递函数HRTF，来预测聆听者全方位的个性化的头相关传递函数。

在执行S103时，处理器可以按照图2提供的计算室内传递函数的流程计算以获得室内传递函数集。如图2所示，S1031，处理器根据头跟随器记录聆听者的随时间变化的移动轨迹，获得随时间变化的聆听方位。S1032,分别根据不同的聆听方位对应的时段对输入给扬声器的第一音频信号和双耳探针式传声器记录的第二音频信号进行切分，使每个时段的每个音频信号与该时段聆听方位对应。S1033,根据各个聆听方位对应的输入给扬声器的第一音频信号和传声器记录的第二音频信号，利用归一化最小均方自适应滤波方法(NLMS，Normalized Least Mean Square)计算移动轨迹中不同的聆听方位对应时段的扬声器-双耳的室内传递函数。在时域上，各短时段的输入扬声器的音频信号与同一时段对应聆听方位的室内传递函数的时域卷积结果逼近相应时段探针式传声器记录的音频信号。S1034,根据各时段对应的聆听方位和各聆听方位对应的室内传递函数，记录整理不同聆听方位对应的室内传递函数，获得室内传递函数集。

在执行S105时，可以按照图3提供的流程图生成各个聆听方位对应的音频均衡器。如图3所示，S1051,对室内传递函数集进行时域截断，去除后期混响声，再进行频谱平滑。所去除的混响声包括室内和扬声器频响引起的噪声响应。S1052,分析计算室内传递函数的频响共同峰值部分和聆听方位对应的个性化部分。共同峰值代表室内的典型声学传递特性，以及受试者耳廓、头部、肩部等引起的室内传递函数的关键峰值。个性化部分为室内传递函数集中的不同聆听方位对应的峰值。S1053,对头相关传递函数集进行频谱平滑，以获取频域的典型峰谷结构。S1054,以聆听方位对应的头相关传递函数在频域的的典型峰谷结构为优化目标，对室内冲击响应函数的频响共同峰值部分展开均衡获得公共均衡函数，对个性化部分展开均衡，获得个性化均衡函数。S1055, 将公共均衡函数和个性化均衡函数在时域卷积或者频域相乘进行级联得到各个聆听方位对应的均衡器，存储不同聆听方位对应的均衡器，获得全方位均衡器的集合。

在用户实际移动聆听阶段，用户戴上头跟随器，通过所述头跟随器实时获取室内聆听方位；将该聆听方位记为第二聆听方位，包括扬声器相对于聆听者头部位置的距离、方位角和仰角；从全方位均衡器的集合中获取与聆听方位对应的均衡器；将音频信号通过该均衡器进行均衡；将均衡后的音频信号输入扬声器进行播放。

通过本申请的室内音频均衡的方法使聆听者在精准方位获取最优的音频听觉体验，且聆听者在室内随意移动时依然能感知音频的一致。该方法使得聆听者在室内聆听扬声器播放的音频时可以获得最佳的听觉感知体验。

本申请的一个实施例提供的室内音频均衡的方法，基于聆听者生理特征参数匹配个性化全方位头相关传递函数集，以该函数集作为均衡优化目标，通过头跟随器和传声器测量辨识不同聆听方位下的扬声器-双耳室内传递函数，计算所有聆听方位下室内传递函数的共极点模型，对共极点模型设计统一的均衡函数，对各室内传递函数的个性化模型分别以各聆听方位对应的头相关传递函数为均衡目标开展均衡，对两个模型的均衡函数级联形成各聆听方位对应的均衡器。该方法不仅实现聆听方位精准均衡，而且保证在聆听者移动时感知的音频保持不变。

首先进行预备操作，在待均衡室内，聆听者戴上头跟随器，双耳分别置入传声器，传声器尽可能接近左右耳道鼓膜位置。

图4为本申请的一个实施例提供了一种室内音频均衡的方法的流程图。如图4所示， S201,将音频信号S输入扬声器，通过该扬声器在室内播放。该音频信号可以记为第一音频信号。

S202,聆听者在室内移动，遍历室内所有位置。在此过程中，头跟随器记录聆听者随时间t变化的移动轨迹M(t)＝(x(t),y(t),z(t))，(x,y,z)为聆听者的空间位置信息；传声器记录双耳鼓膜附近的音频信号，记为第二音频信号，包括左耳音频信号Record_L 和右耳音频信号Record_R。

S203,根据头跟随器记录的移动轨迹M(t)，确定扬声器相对聆听者随时间变化的方位信息,记为聆听方位

其中，

分别表示扬声器相对于聆听者头部位置的距离、方位角和仰角信息。

S204,对输入给扬声器的音频信号S和双耳探针式传声器记录的左耳音频信号Record_L和右耳音频信号Record_R根据不同的聆听方位对应的时段进行切分，使第i 个时段t_i的音频信号对应某个聆听方位

i为索引值，i＝1,2,…n，例如：

第i个时段t_i对应的音频信号为S(t_i)，记为短时输入信号；左耳音频信号为Record_L(t_i)，右耳音频信号为Record_R(t_i)，记为左、右耳短时传声信号；对应聆听方位为

S205，根据短时输入信号、短时传声信号和该时段对应的聆听方位，利用NLMS 算法计算与聆听方位对应的室内传递函数。

具体地，根据各短时段输入给扬声器对应的音频信号S(t_i)、左耳音频信号Record_L(t_i)和右耳音频信号Record_R(t_i)，利用NLMS算法计算不同的聆听方位对应的室内传递函数，包括左、右耳室内传递函数BRIR_L(t_i)和BRIR_R(t_i)。使得在时域表达上，各短时段的扬声器输入音频信号S(t_i)与相应时段对应的聆听方位的左、右耳室内传递函数BRIR_L(t_i)和BRIR_R(t_i)的时域卷积结果逼近相应时段双耳传声器记录的左、右耳音频信号Record_L(t_i)和Record_R(t_i)。

NLMS算法的计算公式为：

其中，室内传递函数w(n)＝[w₀(n)...w_N(n)]^T，w(n)为N阶列向量，N代表估计的声传递路径阶数，e(n)代表预测误差信号，w(·)按照公式(1)和(2)不断迭代，直至收敛，收敛的条件是e(n)小于指定的阈值。

为输入扬声器的音频信号(记为第一音频信号)，

d(n)为探针式传声器记录的音频信号，记为第二音频信号，μ为收敛因子。

传声器记录的音频信号d(n)包括左、右耳音频信号Record_L和Record_R，根据扬声器输入信号

和Record_L和Record_R可以分别计算第i个时段t_i的对应的左右耳的室内传递函数为BRIR_L(t_i)和BRIR_R(t_i)。

S206，记录i个时段对应不同聆听方位下的室内传递函数，获得室内传递函数集，包括i个时段对应的左耳传递函数集

和右耳传递函数集

S207,根据室内传递函数集，以头相关传递函数集中的头相关传递函数为优化目标，计算聆听方位对应的均衡函数；获得各个聆听方位的均衡器。

具体地，根据室内传递函数集进行分析计算，计算所有室内响应的在频域的共同峰值部分，代表该室内的典型声学传递特性；将各室内传递函数分成两部分，一部分是所有室内传递函数响应的频响共同峰值部分，记做共极点模型；另一部分是各房间响应中的其他部分，记做个性化模型。对共极点模型以1为优化目标计算公共均衡函数，对于个性化模型以头相关传递函数集中的头相关传递函数为优化目标，计算各个不同聆听方位对应的个性化均衡函数，使得室内传递函数的均衡目标逼近HRTF的典型峰谷结构；获得各个不同聆听方位对应的均衡器的集合。

S208，存储各个聆听方位对应的均衡器，得到全方位均衡器的集合：

在聆听者实际移动聆听阶段时，聆听者戴上头跟随器，头跟随器实时跟踪获取当前聆听者的时刻的聆听方位

从全方位均衡器的集合中，选取与聆听方位对应的均衡器

对室内中扬声器的输入音频信号开展均衡。

在上述步骤中，S207计算各个聆听方位对应的均衡函数的一个实施方式的流程如图5所示，S2071，处理器对左、右耳室内传递函数集进行时域截断，去除后期混响声，再进行频谱平滑，记为左、右耳响应平滑函数集

和

S2072，对

和

构造全极点模型：

在公式(2)和(3)中全极点模型包括两模型，一个模型是所有室内响应的共极点模型，标记为H_c(z)，z表示室内传递函数的z变换；另一模型是各室内响应中的除共极点以外的个性化模型，个性化模型包括左耳个性化模型

和右耳个性化模型

S2073，计算全极点模型的共同峰值，获得共极点模型：

在公式(5)中H_c(z)为共极点模型，P表示阶数，a(n)为系数。对共极点模型的优化目标为1，以去除室内和扬声器频响引起的室内传递函数中的峰谷，H_c(z)F_c(z)＝1，根据共极点模型H_c(z)获得公共均衡函数F_c(z)为：

S2074，获取与聆听者对应的个性化的全方位头相关传递函数集。

具体地，在已有的多聆听者的头相关传递函数数据库中挑选出与聆听者耳廓、头部和肩部的个性化生理参数接近的头相关传递函数，包括该环绕聆听者头部各个方位的头相关传递函数，形成与聆听者的个性化的全方位头相关传递函数集。其中个性化的全方位头相关传递函数集包括左、右耳全方位头相关传递函数集

和

其中，

表示扬声器相对于聆听者头部位置的距离为r、方位角为θ和仰角为

头相关传递函数(Headrelated Transfer Function,HRTF)的定义为自由场情况下从声源到双耳的频域声学传输函数，它表达了聆听者耳部生理结构对声波的综合滤波效果：

其中，P_L、P_R分别是简谐点声源在左、右耳产生的频域复数声压；P₀是头移开后点声源在原头中心位置处的频域复数声压,f为频率。

S2075，对全方位头相关传递函数集进行频谱平滑，获取频域的典型峰谷结构，记为左、右耳头相关传递函数频谱

和

设个性化模型相应的个性化均衡器为F_i(z)，总均衡器为F(z)，则：

F(z)＝F_i(z)F_c(z) (9)

以频域f内的左、右耳头相关传递函数频谱为均衡目标，计算代价函数

使得公式(10)的频域误差最小。

由于H_c(z)F_c(z)＝1因此

因而代价函数

可化简成如下形式

其中|·|表示幅值，f表示频率。由公式(11)可见房间传递函数的个性化均衡函数F_i(z)以平滑后的头相关传递函数HRTF为均衡目标。代价函数

记为第一代价函数。第一代价函数衡量的是待均衡频率响应和目标响应在某个关注频段之间的差异。

对个性化模型求解第i个聆听方位的个性化均衡函数F_i，以左、右耳头相关传递函数频谱为均衡目标，通过代价函数E_mag(·)，使得公式(11)的频域误差最小。在个性化均衡函数F_i求解过程中，为了防止出现病态，需要将代价函数E_mag(·)进行正则化，如下式所示：

公式(12)中β(f)为正则化因子，对

求导，使得偏导数为零，得到正则化后的最佳个性化均衡函数F_i的幅值为：

经最小相位重构转换成

S2076，将公共均衡函数和各聆听方位对应的个性化均衡函数通过在时域卷积或者频域相乘进行级联，得到各聆听方位对应的均衡函数

即各聆听方位对应的均衡器：

本申请的另一个实施例提供的室内音频均衡的方法基于稀疏测量法测量聆听者少数方向的头相关传递函数，少数方向为设定的至少一个方向，未测量方向的头相关传递函数HRTF借助高空间分辨率HRTF数据库的先验知识恢复聆听者全空间个性化头相关传递函数HRTF集。以该个性化头相关传递函数HRTF集作为均衡优化目标，通过头跟随器和传声器测量辨识不同方位下的扬声器-双耳的室内传递函数，设计均衡误差代价函数时对公共峰值模型的对应的频点设置公共的误差权重系数，且使公共误差权重系数偏大，以此着重均衡室内响应的共极点模型。该方法不仅实现聆听方位精准均衡，而且保证在聆听者移动聆听方位时感知的音频的音色和音质保持不变。

具体地，在测试状态下，首先在待均衡的室内扬声器固定放音方位，使聆听者配戴一个头跟随器，双耳分别置入传声器，该传声器可以为探针式传声器，使传声器尽可能接近左右耳道鼓膜位置。其中该方法的总体的流程图可以参考图5。

S301,将音频信号

输入扬声器，通过该扬声器在室内播放该音频信号。该音频信号可以记为第一音频信号。

S302,聆听者在室内移动，遍历室内所有位置。聆听者佩戴的头跟随器记录聆听者随时间t变化的空间位置信息(x,y,z)，获得移动轨迹M(t)＝(x(t),y(t),z(t))；同时，双耳内的探针式传声器记录双耳鼓膜附近的音频信号d(n)，记为第二音频信号包括左耳音频信号Record_L(n)和右耳音频信号Record_R(n)。

S303,根据头跟随器记录的移动轨迹M(t)，通过计算获取扬声器相对聆听者的方位随时间变化的轨迹,记为

其中，

分别表示扬声器相对于聆听者头部位置的距离、方位角和仰角。

S304,根据扬声器相对聆听者的方位随时间变化的移动轨迹，提取不同的聆听方位对应的时段，对音频信号

Record_L(n)和Record_R(n)进行时段切分，使第i 个短时段t_i的音频信号对应聆听者的某个聆听方位

i为索引值， i＝1,2,...n。其中如：第i个短时段t_i的音频信号为S(t_i)，记为短时输入信号；左、右耳音频信号为Record_L(t_i)，Record_R(t_i)，记为左、右耳短时传声信号；对应聆听方位为

S305,根据各短时段对应的短时输入信号、短时传声信号和该时段对应的聆听方位，利用NLMS算法计算不同的聆听方位对应的室内传递函数，包括左、右耳室内传递函数BRIR_L(t_i)和BRIR_R(t_i)。使得在时域上，各短时段的扬声器输入音频信号S(t_i)与相应时段的左、右耳室内传递函数BRIR_L(t_i)和BRIR_R(t_i)的卷积逼近相应时段双耳传声器记录的左耳音频信号Record_L(t_i)和右耳音频信号Record_R(t_i)。

S306,记录i个时段对应不同聆听方位下的室内传递函数，获得室内传递函数集，该室内传递函数集包括左、右耳传递函数集

和

S307,根据所述室内传递函数集，以所述全方位头相关传递函数集中的头相关传递函数为优化目标，计算各个聆听方位对应的均衡函数；获得各个聆听方位对应的音频均衡器。与S207的不同之处在于S3071-S3074：

如图6所示，S3071，处理器对左、右耳传递函数集分别进行时域截断，去除后期混响声，再进行频谱平滑，获得左、右耳响应平滑函数集

和

S3072，基于稀疏测量法获取该聆听者的个性化头相关传递函数集。

具体地，基于稀疏测量法在全消声室测量少数方向的自由场头相关传递函数HRTF，少数方向为设定的至少一个方向，未测量方向的HRTF借助高空间分辨率现有的HRTF数据库的先验知识恢复聆听者全角度空间个性化HRTF。左右耳对应的个性化头相关传递函数分别为

和

其中，

分别表示表示扬声器相对于聆听者头部位置的距离、方位角和仰角。

S3073，对个性化头相关传递函数集进行频谱平滑，以获取频域的典型峰谷结构，记为

和

S3074，以频域的典型峰谷结构为优化目标,计算代价函数以求解各聆听方位对应的均衡器。在代价函数中设置不同频段权重系数，对共同峰值部分采用统一的权重系数，对其他位置个性化部分采用各自的权重系数。

具体地，对左、右耳响应平滑函数集进行频谱分析，以f频点的左耳头相关传递函数

为优化目标，对聆听方位

下的

开展均衡,以f频点的右耳头相关传递函数

为优化目标,对不同聆听方位

下的

开展均衡，其中i＝1,2,...n，左右两耳的均衡采用同一均衡函数,设为

计算不同聆听方位

下均衡优化的代价函数

为：

公式(15)中代价函数

记为第二代价函数，第二代价函数衡量的是待均衡频率响应和目标响应在某个关注频段之间的差异。n_j和n_k分别表示聆听方位

下待均衡音频信号的起始频率n_j和终止频率n_k；W(·)是随频率变化f变化的权重系数，对于室内传递函数集其在频域的公共峰值对应的频点采用较大且公共的权重系数W(·)，对于室内传递函数集其频域的个性化模型部分采用的权重系数W(·)偏小，且根据各自的峰值分布情况进行权重系数大小分配。

S3075，对公式(15)进行随机迭代，直至收敛，收敛的条件是

小于指定的阈值，获得均衡函数Eq的具体函数表示式。

S308，存储各个聆听方位对应的均衡器，得到全方位均衡器的集合：

在聆听者实际移动聆听状态下，聆听者戴上头跟随器，头跟随器实时跟踪记录聆听者的聆听方位，从全方位均衡器的集合中，选取聆听方位对应的均衡器对室内中扬声器的输入音频信号开展均衡。

本申请的又一个实施例提供的室内音频均衡的方法，还可以在佩戴所述头跟随器的聆听者处于边聆听边测试状态下进行，具体地，可以将第一音频信号通过扬声器播放，通过头跟随器获取随时间变化的聆听方位，通过所述传声器获取的与聆听方位对应的第二音频信号，其中传声器设置于所述聆听者的耳内；根据第一音频信号和第二音频信号计算聆听方位对应室内传递函数；以实时聆听方位对应的头相关传递函数为优化目标，计算聆听方位对应的均衡器；将所述第一音频信号通过所述均衡器进行均衡；将均衡后的第一音频信号反馈至所述扬声器进行播放。

本申请提供的室内音频均衡的方法，利用头跟随器跟踪聆听者移动轨迹开展室内均衡，可促进对室内均衡技术的进步，精准优化聆听者在室内聆听音频时的听觉感知和在不同聆听位置音频感知的平衡性。

本领域普通技术人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执轨道，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域普通技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执轨道的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种室内音频均衡的方法，由处理器执行，其特征在于，所述方法包括：

在室内测试状态下，将第一音频信号通过扬声器播放；在聆听者随时间改变聆听方位时，通过头跟随器获取第一聆听方位，通过传声器获取的与所述第一聆听方位对应的第二音频信号，其中所述传声器设置于所述聆听者的耳内，并且所述头跟随器设置于聆听者头部；根据所述第一音频信号、所述第二音频信号确定与所述第一聆听方位对应的室内传递函数；遍历室内的第一聆听方位，获得室内传递函数集；

根据所述室内传递函数集，以头相关传递函数集为优化目标，获得所述第一聆听方位对应的均衡函数；根据所述第一聆听方位对应的均衡函数获得所有第一聆听方位对应均衡器的集合,包括：

从头相关传递函数库中获取与聆听者的耳廓、头部和肩部的个性化参数对应的全方位的头相关传递函数，获得头相关传递函数集；对所述全方位头相关传递函数集进行频谱平滑，获取左、右耳头相关传递函数频谱；对所述室内传递函数集进行时域截断，去除后期混响声，再进行频谱平滑，获得左、右耳响应平滑函数集；根据所述左、右耳响应平滑函数集计算公共峰值部分和各个聆听方位对应的个性化部分；以所述左、右耳头相关传递函数频谱为优化目标，对所述公共峰值部分进行均衡，获得公共均衡函数；对所述个性化部分通过计算代价函数均衡，获得个性化均衡函数；将所述公共均衡函数和个性化均衡函数在时域卷积或者频域相乘得到至少一个聆听方位对应的均衡器；遍历室内所有的聆听方位，获得第一所有聆听方位的均衡器的集合；

所述头跟随器、扬声器和传声器与所述处理器为通信关系；

在佩戴着所述头跟随器的聆听者处于聆听状态下时，通过所述头跟随器实时获取室内第二聆听方位；所述第二聆听方位包括所述扬声器相对于所述聆听者的头部位置的距离、方位角和仰角；从所述均衡器的集合中获取与所述第二聆听方位对应的均衡函数；将所述第一音频信号通过所述均衡函数进行均衡；将均衡后的第一音频信号输入至所述扬声器进行播放。

2.根据权利要求1所述的室内音频均衡的方法，其特征在于，所述方法还包括：在佩戴着所述头跟随器的聆听者处于边聆听边测试状态下，将所述第一音频信号通过所述扬声器播放；通过所述头跟随器获取随时间变化的聆听方位，通过所述传声器获取的与所述聆听方位对应的第二音频信号，其中所述传声器设置于所述聆听者的耳内；根据所述第一音频信号、所述第二音频信号计算所述聆听方位对应室内传递函数；以所述聆听方位对应的头相关传递函数为优化目标，计算所述聆听方位对应的均衡器；将所述第一音频信号通过所述均衡器进行均衡；将均衡后的第一音频信号反馈至所述扬声器进行播放。

3.根据权利要求1所述的室内音频均衡的方法，其特征在于，所述通过所述传声器获取的与所述第一聆听方位对应的第二音频信号，包括通过所述传声器获取的与所述第一聆听方位对应的左耳音频信号和右耳音频信号。

4.根据权利要求1所述的室内音频均衡的方法，其特征在于，所述根据所述第一音频信号、所述第二音频信号确定与所述第一聆听方位对应的室内传递函数，包括：

根据随时间变化的聆听方位获得设定的时段对应的聆听方位；

将所述第一音频信号按照设定的时段切分，获得短时输入信号；

将所述第二音频信号按照设定的时段切分，获得左、右耳短时传声信号；

根据所述短时输入信号和所述短时传声信号，通过计算获得所述聆听方位对应的室内传递函数。

5.根据权利要求1所述的室内音频均衡的方法，其特征在于，所述根据所述室内传递函数集，以头相关传递函数集为优化目标，获得所述第一聆听方位对应的均衡函数；根据所述第一聆听方位对应的均衡函数获得所有第一聆听方位对应均衡器的集合，包括：

从头相关传递函数库中获取与聆听者的耳廓、头部和肩部的个性化参数对应的全方位的头相关传递函数，获得头相关传递函数集；

对所述全方位头相关传递函数集进行频谱平滑，获取左、右耳头相关传递函数频谱；

对所述室内传递函数集进行时域截断，去除后期混响声，再进行频谱平滑，获得左、右耳响应平滑函数集；

以左、右耳头相关传递函数频谱为优化目标，根据至少一个聆听方位下的左、右耳响应平滑函数集,迭代计算所述至少一个聆听方位下第二代价函数，当所述第二代价函数小于阈值时，获得所述至少一个聆听方位对应的均衡函数；

遍历室内所有的聆听方位，获得所有第一聆听方位的均衡器的集合。

6.根据权利要求1或5所述的室内音频均衡的方法，其特征在于，所述从头相关传递函数库中获取与聆听者耳廓、头部和肩部的个性化参数对应的全方位的头相关传递函数，获得个性化的头相关传递函数集，包括：

通过所述聆听者的耳廓、头部和肩部的个性化参数与已有的头相关传递函数数据库进行模板匹配，提取所述聆听者的全方位的头相关传递函数，获得头相关传递函数集。

7.根据权利要求1或5所述的室内音频均衡的方法，其特征在于，所述从头相关传递函数库中获取与聆听者耳廓、头部和肩部的个性化参数对应的全方位的头相关传递函数，获得头相关传递函数集，包括：

通过稀疏测量法在全消声室测量所述聆听者的至少一个设定的聆听方位的第一头相关传递函数；

根据对应先验知识和聆听者的耳廓、头部和肩部的个性化参数在头相关传递函数数据库中提取所述聆听者的其他聆听方位的第二头相关传递函数；

将所述至少一个第一头相关传递函数和所述第二头相关传递函数结合获得全方位头相关传递函数集。

8.根据权利要求1所述的室内音频均衡的方法，其特征在于，所述以所述左、右耳头相关传递函数频谱为优化目标，对所述公共峰值部分进行均衡，获得公共均衡函数；对所述个性化部分通过计算代价函数均衡，获得个性化均衡函数，包括：

以所述左、右耳头相关传递函数频谱为均衡目标，计算至少一个聆听方位的第一代价函数；

将所述第一代价函数进行正则化，得到个性化均衡函数的幅值；

将所述个性化均衡函数的幅值进行最小相位重构获得个性化均衡函数。

9.权利要求5所述的室内音频均衡的方法，其特征在于，所述迭代计算所述至少一个聆听方位下第二代价函数，还包括根据所述室内传递函数集的峰值分布设置随频率变化权重系数，根据所述随频率变化权重系数迭代计算所述至少一个聆听方位下第二代价函数。

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