CN115297423B - 用于真人hrtf测量的声源空间布局方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于真人HRTF测量的声源空间布局方法，该方法包括：在声源空间分布球上设置呈稀疏点阵分布的声源测点；利用所述声源测点进行HRTF测量。利用本发明方案，可以减少HRTF测量点数量，提高HRTF测量效率，而且声源稀疏分布还可以减小音箱几何尺寸对测量结果的影响。

Description

用于真人HRTF测量的声源空间布局方法

技术领域

本发明涉及虚拟空间听觉的声信号处理与测量技术领域，具体涉及一种用于真人HRTF测量的声源空间布局方法。

背景技术

头相关传递函数（Head Realated Transfer Functions，HRTF）是自由声场中从声源到双耳的频域传输函数，描述了自由声场中声源到双耳的声学传输关系，表达了人体生理结构对声波的综合滤波效果。它与声源位置、频率等参数有关，包含了声波到达双耳的声级差（Interaural Level Difference，ILD）、时间差（Interaural Time Difference，ITD）、以及相位差（Interaural Phase Difference，IPD）等因素，是人脑听觉定位的重要线索，也是空间虚拟听觉研究的重要基础。HRTF将空间各方位声音到双耳的传播过程描述为左右的两个传播信道，用以构建双声道虚拟声，重现空间三维声音。

实验测量是获取 HRTF最直接的方法，通过测量消声室内空间球面上各点声源到双耳的信号传输数据，可以得到人头HRTF。在HRTF测量中，声源布置在距离人头中心一定半径的空间球面上，声源测点越稠密HRTF空间分辨率越高，但实际测量的声源并非理想的点声源，而是具有一定几何尺寸的物理音箱。因此声源空间测点不可能无限稠密，而且如果相邻两个测点足够近，音箱产生的反射噪声就不能忽略，会给测量数据带来误差，不仅不能提高HRTF测量的空间分辨率，而且还会影响测量精度。一旦HRTF测量环境和测量设备确定，实际上就已经固定了测量的最高空间分辨率，而且空间测量点过多会严重影响测量效率，长时间消声室环境中测量还容易造成测量者和被测者生理心理上的不适。

发明内容

本发明提供了一种用于真人HRTF测量的声源空间布局方法，以解决现有的HRTF测量中声源空间稠密分布对测量分辨率、精度和效率限制的问题。

为此，本发明提供如下技术方案：

一种用于真人HRTF测量的声源空间布局方法，所述方法包括：

在声源空间分布球上设置呈稀疏点阵分布的声源测点；

利用所述声源测点进行HRTF测量。

可选地，所述在声源空间分布球上设置呈稀疏点阵分布的声源测点包括：根据镜像关系在声源空间分布球上设置声源测点和声源不测点。

可选地，所述根据镜像关系在声源空间分布球上设置声源测点和声源不测点包括：

根据人头的位置和声源的位置确定镜面；所述声源分布在距离所述人头中心一定半径的空间球面上，将所述空间球面包围的空间作为所述声源空间分布球；

在所述镜面一侧的声源空间分布球上设置声源测点和声源不测点；

将所述声源测点和声源不测点镜像到所述镜面的另一侧，得到声源空间分布球上对应的镜像点；

将所述测点的镜像点设置为声源不测点，将所述不测点的镜像点设置为声源测点。

可选地，所述人头中心与所述声源空间分布球的球心三维重合；

所述根据人头的位置和声源的位置确定镜面包括：

将人头双耳连线所在垂直平面作为人头的矢状面；

将与所述声源空间分布球的最大水平截面垂直、并且与所述人头的矢状面平行的平面作为所述声源空间分布球的矢状面；

将所述人头和所述声源空间分布球的共同矢状面作为镜面。

可选地，所述在所述镜面一侧的声源空间分布球上设置声源测点和声源不测点包括：在所述镜面一侧的声源空间分布球每个纬度的水平面上间隔设置声源测点和声源不测点。

可选地，同一纬度的水平面上相邻的声源测点和声源不测点的间隔相同。

可选地，不同纬度的水平面上声源测点的数量相同或不同。

可选地，所述在所述镜面一侧的声源空间分布球上设置声源测点和声源不测点还包括：在所述声源空间分布球的矢状面和冠状面上设置声源测点，所述声源空间分布球的冠状面是与所述声源空间分布球的最大水平截面垂直、并且与所述矢状面正交垂直的平面。

可选地，所述方法还包括：根据声源测点的HRTF函数确定其镜像对应的声源不测点的HRTF函数。

本发明提供的用于真人HRTF测量的声源空间布局方法，在声源空间分布球上设置呈稀疏点阵分布的声源测点，利用所述声源测点进行HRTF测量，从而避免HRTF测量中声源空间稠密分布对测量分辨率、精度和效率限制的问题。

进一步地，根据镜像关系在声源空间分布球上设置声源测点和声源不测点，根据人头的位置和声源的位置确定镜面，在镜面一侧的声源空间分布球每个纬度的水平面上设置声源测点和声源不测点，利用镜像原理，得到对应的分布在镜面另一侧的镜像点，并且将测点的镜像点设置为声源不测点，将不测点的镜像点设置为声源测点。这样，只需对镜面两侧的声源测点进行HRTF测量，这样将测量点数量减少了近一半，既可以保证测量分辨率和精度，也大大提高了测量效率。

进一步地，由一点的HRTF函数来映射其镜像点的HRTF函数，可以通过理论计算实现，也可以在HRTF数据后期处理的过程中由数值模拟实现，或者先通过实验测量得到二者之间的映射关系。

附图说明

图1是现有的人头中心在声源空间分布球心定位的三剖面重合方法的示意图；

图2是本发明提供的用于真人HRTF测量的声源空间布局方法的流程图；

图3是本发明提供的用于真人HRTF测量的声源空间布局方法的一种具体实现流程图；

图4是本发明实施例中以矢状面为镜面的声源空间分布球面任一点的镜像示意图；

图5是本发明实施例中声源空间分布球面以矢状面互为镜像两点的映射原理图；

图6是本发明实施例中声源空间分布球任一水平面声源分布示意图；

图7是本发明实施例中HRTF测量中测点的空间稀疏点阵分布示意图；

图8是本发明实施例中HRTF测量声源空间稀疏与现有的稠密点阵分布比较示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例进一步详细说明。

HRTF测量是通过测量预先设定于空间各个方位角上的声源信号而得到的，测量过程及其耗时。高空间分辨率大样本HRTF测量，不仅人数多，而且测量点数量也大，更加耗时耗力，对测试者和被测者都是极大考验。这也严重制约大样本高分辨真人HRTF数据库的建设。

HRTF测量的声源空间分布在相对头中心（坐标原点）距离ｒ(０≤ｒ＜∞）， 方位角θ（0°≤θ＜360°）和仰角φ（-90°＜φ＜90°）的球形空间表面。其中，仰角φ=-90°，0°和90°分别表示正下方、水平面和正上方。在水平面，方位角θ=-90°，0°，90°和180°分别代表左、前、右和后方向。

在距离ｒ一定的情况下，球面上的任何一个点A都能以矢状面找到其唯一镜像点B，即A（ｒ，θ，φ）与B（ｒ，-θ，φ）镜像。如果人头中心与声源分布球心三维重合，由于人头的左右镜像对称，点A、B也以人头矢状面成镜像。

HRTF的函数表达式如下：

其中，α是人体尺寸参数，ω为角频率，r、θ、φ是球面坐标；P _L 、P _R 分别表示人双耳获取的频域复数声压，P ₀ 为在头部不存在情况下，声源到达近似头部中心处的频域复数声压，P ₀ 满足空间点声源的格林函数：

其中，r _k 为声源位置的空间矢量，r为声源到达的空间位置矢量，即声源空间分布球半径；j是虚数单位，k是第k个声源。

声源空间分布球面上互为镜像的两点A、B的HRTF函数H _i （H _Li ，H _Ri ）为：

以矢状面成镜像的两点A（ｒ，θ，φ）与B（ｒ，-θ，φ）是一一对应关系，声源分布球面镜像两点A、B的HRTF存在一定的映射关系。通过声源分布球面任一点的HRTF函数映射就可以得到其镜像点的HRTF函数。

如图1所示，示出了现有的人头中心在声源空间分布球心定位的三剖面重合方法示意图，球心为210的声源分布空间虚拟球的赤道面211、冠状面212和矢状面213，头心220的赤道面221、冠状面222和矢状面223，对应剖面分别重合可以确保头心和球心三维重合。所述三维重合是指人头的标定和定位，即人头的水平面、矢状面、冠状面与声源空间分布球的水平面、矢状面、冠状面重合所确定的头心和球心的重合。具体可参见申请号为202111059364.3提供的用于真人HRTF测量的头位自标定和自定位方法。

基于此，本发明提供一种用于真人HRTF测量的声源空间布局方法，如图2所示，是本发明提供的用于真人HRTF测量的声源空间布局方法的流程图，包括以下步骤：

步骤S201，在声源空间分布球上设置呈稀疏点阵分布的声源测点。

比如，可以根据镜像关系在声源空间分布球上设置声源测点和声源不测点。

步骤S202，根据所述声源测点进行HRTF测量。

由于声源呈球形空间分布，人头为左右对称分布，而且HRTF函数存在基于互为镜像两点的映射关系，为此，在一种具体实施例中，以镜面先预设一侧测点，再将其镜像到另一侧，然后将原像侧预设测点间隔设置测点和不测点，再相反设置预设测点对应的镜像点，使每对镜像点只测一个，进而使声源空间分布呈稀疏分布，间隔设置而且分布均匀。

所述的映射关系是由所述镜像关系、以及声学互异和HRTF函数所形成的一一映射关系，声源分布球面任一点的HRTF可以映射其镜像点的HRTF，这也是本发明测量点设置和声源空间布置的理论基础。

如图3所示，是本发明用于真人HRTF测量的声源空间布局方法的一种具体实现流程图，包括以下步骤：

步骤S301，根据人头的位置和声源的位置确定镜面；所述声源分布在距离所述人头中心一定半径的空间球面上，将所述空间球面包围的空间作为所述声源空间分布球。

需要说明的是，在测量中，所述人头中心与所述声源空间分布球的球心三维重合。

在本发明实施例中，将人头双耳连线所在垂直平面作为人头的矢状面；将与所述声源空间分布球的最大水平截面垂直、并且与所述人头的矢状面重合的平面作为所述声源空间分布球的矢状面；将所述人头和所述声源空间分布球的共同矢状面作为镜面。

步骤S302，在所述镜面一侧的声源空间分布球上设置声源测点和声源不测点。

需要说明的是，所述声源测点和声源不测点可以任意选择，对此本发明实施例不做限定。当然，为了使测点分布均匀，得到更好的测量效果，也可以间隔设置声源测点和声源不测点。

在一种非限制性实施例中，可以在所述镜面一侧的声源空间分布球每个纬度的水平面上间隔设置声源测点和声源不测点。

进一步地，同一纬度的水平面上相邻的声源测点和声源不测点的间隔可以相同，当然也可以不同。不同纬度的水平面上声源测点的数量相同或不同。

进一步地，还可在所述声源空间分布球的矢状面和冠状面上设置声源测点。所述声源空间分布球的冠状面是与所述声源空间分布球的最大水平截面垂直、并且与所述矢状面正交垂直的平面。

在纬度线上交替设置声源测点和声源不测点，在矢状面和冠状面上设置声源测点，这样经纬线上间隔选取设置测点，可以使声源在空间呈均匀分布。

步骤S303，将所述声源测点和声源不测点镜像到所述镜面的另一侧，得到声源空间分布球上对应的镜像点。

步骤S304，将所述测点的镜像点设置为声源不测点，将所述不测点的镜像点设置为声源测点。

如图4所示，示出了以矢状面为镜面的测点空间分布球面任一点的镜像示意图。

声源分布空间虚拟球面上任一点301以矢状面213为镜面的镜像点302，两点坐标分别为点301（ｒ，θ，φ）、点302（ｒ，-θ，φ）。ｒ是球半径，θ，φ为方位角，球面上任何一个点以矢状面为镜面的镜像点是唯一的。

如图5所示，示出了声源空间分布球面以矢状面互为镜像两点的映射原理图。

声源分布球表面上任一点401，以声源分布球矢状面为镜面的镜像点402。当头心、球心三维重合，利用人头左右镜像对称性，点401和点402的测试信号到人头左右耳的传输也成镜像，再由HRTF函数的对称性，从而基于镜像对称原则下，点401和点402存在一定的映射关系。据此，互为镜像两点的HRTF理论上可以由其中一点的HRTF的映射关系得到。

如图6所示，示出了声源空间分布球任一水平面测点分布示意图，声源空间分布球水平面与矢状面、冠状面的交点501、502、503、504设置为测点，在矢状面一侧的半圆上间隔设置测点，然后将不测点镜像到另外一侧，将不测点对应的镜像点设置为测点。

步骤305，根据所述声源空间分布球上的所有声源测点进行HRTF测量。

如图7所示，是本发明实施例中HRTF测量中测点的空间稀疏点阵分布图，自声源分布空间球顶端向下的每一个水平面上，以黑色实心点代表的测点和黑色空心点表示的不测点间隔均匀分布，与测点镜像的点为不测点，这样使原来稠密分布变成稀疏分布，减少了将近一半的HRTF测量工作量。

本发明提供的用于真人HRTF测量的声源空间布局方法，通过人头和声源空间分布球矢状面左右两侧互为镜像点的HRTF数据存在相互映射关系，进行HRTF测量声源的空间布局。在HRTF测量的每个水平面将左右两侧测点互为镜像对应，交替间隔选取测点布置测量声源，形成均匀分布的空间稀疏点阵。声源空间稀疏点阵分布保持HRTF测量精度和空间分辨率不变的条件下，极大减少HRTF测量点数量，提高HRTF测量效率，而且声源稀疏分布还可以减小音箱几何尺寸对测量结果的影响。

进一步地，在本发明方法另一实施例中，还可根据声源测点的HRTF函数确定其镜像对应的声源不测点的HRTF函数。具体地，可以通过理论计算实现，也可以在HRTF数据后期处理的过程中由数值模拟实现，或者先通过实验测量得到二者之间的映射关系，对此本发明实施例不做限定。

如图8所示， 示出了声源空间分布球HRTF测量声源分布示意图。

其中，点601、602分别是本发明所述方法在一个水平面的声源分布、以及空间稀疏点阵分布。603、604是所有点都分布声源的一个水平面的声源分布，以及空间稠密点阵分布。

由图8可以看出，本发明所述方法在测点数量上能够减小近一半，从而达到提高测量效率的目的。

本发明所例举的实施例，只作为本发明所述方法的一种，实际并不限于此，凡能实现此方法的实例均属于本发明所述范畴。本发明所述方法可以用于HRTF测量声源的空间分布，也可以直接通过基于镜像对称原则的映射升级已有HRTF数据库。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及装置，其仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于真人HRTF测量的声源空间布局方法，其特征在于，所述方法包括：

在声源空间分布球上设置呈稀疏点阵分布的声源测点；

利用所述声源测点进行HRTF测量;

其中，所述在声源空间分布球上设置呈稀疏点阵分布的声源测点包括：

根据镜像关系在声源空间分布球上设置声源测点和声源不测点;

其中，所述根据镜像关系在声源空间分布球上设置声源测点和声源不测点包括：

根据人头的位置和声源的位置确定镜面；所述声源分布在距离所述人头中心一定半径的空间球面上，将所述空间球面包围的空间作为所述声源空间分布球；

在所述镜面一侧的声源空间分布球上设置声源测点和声源不测点；

将所述声源测点和声源不测点镜像到所述镜面的另一侧，得到声源空间分布球上对应的镜像点；

将所述测点的镜像点设置为声源不测点，将所述不测点的镜像点设置为声源测点；

所述在所述镜面一侧的声源空间分布球上设置声源测点和声源不测点包括：

在所述镜面一侧的声源空间分布球每个纬度的水平面上间隔设置声源测点和声源不测点；同一纬度的水平面上相邻的声源测点和声源不测点的间隔相同；

声源空间分布球水平面与矢状面、冠状面的交点设置为测点；根据声源测点的HRTF函数确定其镜像对应的声源不测点的HRTF函数，具体为包括：

HRTF测量的声源空间分布在相对头中心即坐标原点距离ｒ为０≤ｒ＜∞，方位角θ为0°≤θ＜360°和仰角φ为-90°＜φ＜90°的球形空间表面；其中，仰角φ=-90°，0°和90°分别表示正下方、水平面和正上方；在水平面，方位角θ=-90°，0°，90°和180°分别代表左、前、右和后方向；

在距离ｒ一定的情况下，球面上的任何一个点A都能以矢状面找到其唯一镜像点B，即A（ｒ，θ，φ）与B（ｒ，-θ，φ）镜像；如果人头中心与声源分布球心三维重合，由于人头的左右镜像对称，点A、B也以人头矢状面成镜像；

HRTF的函数表达式如下：

其中，α是人体尺寸参数，ω为角频率，r、θ、φ是球面坐标；P _L 、P _R 分别表示人双耳获取的频域复数声压，P ₀ 为在头部不存在情况下，声源到达近似头部中心处的频域复数声压，P ₀ 满足空间点声源的格林函数：

其中，r _k 为声源位置的空间矢量，r为声源到达的空间位置矢量，即声源空间分布球半径；j是虚数单位，k是第k个声源，声源空间分布球面上互为镜像的两点A、B的HRTF函数H _i （H _Li ，H _Ri ）为：

以矢状面成镜像的两点A（ｒ，θ，φ）与B（ｒ，-θ，φ）是一一对应关系，声源分布球面镜像两点A、B的HRTF存在一定的映射关系，通过声源分布球面任一点的HRTF函数映射就可以得到其镜像点的HRTF函数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述人头中心与所述声源空间分布球的球心三维重合；

所述根据人头的位置和声源的位置确定镜面包括：

将人头双耳连线所在垂直平面作为人头的矢状面；

将与所述声源空间分布球的最大水平截面垂直、并且与所述人头的矢状面平行的平面作为所述声源空间分布球的矢状面；

将所述人头和所述声源空间分布球的共同矢状面作为镜面。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，不同纬度的水平面上声源测点的数量相同或不同。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在所述镜面一侧的声源空间分布球上设置声源测点和声源不测点还包括：

在所述声源空间分布球的矢状面和冠状面上设置声源测点，所述声源空间分布球的冠状面是与所述声源空间分布球的最大水平截面垂直、并且与所述矢状面正交垂直的平面。

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