一种头相关传递函数的个性化方法及系统技术方案

本发明专利技术属于信号处理技术领域，提供了一种头相关传递函数的个性化方法及系统。该方法及系统首先建立距离模型，得到与距离相关的声源信号，之后利用PCA分别给水平角和高度角建模，在HRTF的个性化调节过程中，利用与距离相关的声源信号对模型参数进行个性化调节，以感受到声源的正确方位，继而获得个性化的HRTF，实现了结构化HRTF模型与PCA系数调节的结合，由于建立的距离模型考虑到了声源与双耳之间的距离因素，使得测量者可以感受到距离的变化，因而获得的HRTF的个性化效果好、精确度高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于信号处理领域，尤其涉及一种基于结构模型和主成分分析的头相关传递函数的个性化方法、系统。
技术介绍
随着虚拟现实技术的快速发展，3D音频以其“临场感”、“沉浸感”受到追捧。双耳听觉技术利用头相关传递函数(Head-Related Transfer Function，HRTF)还原三维声场。HRTF为耳膜处的声压与自由空间(当没有观察者时，头的中心点处)的声压之比，它是方向、距离、频率的函数，它的时域表示是头相关冲击响应(Head-Related Impulse Response，HRIR)，左右耳有各自的HRTF。双耳听觉技术将声源与给定空间位置左右耳的HRIR卷积，用耳机播放给双耳听，得到虚拟的空间位置，从而还原三维声场。由于每个人的生理结构不同，HRTF也不同，为了更好的还原三维声场，需要得到个性化的HRTF。现有技术中，HRTF的个性化方法主要有：一、结构模型法。该方法将不同的生理结构用各种滤波器结构进行表示，每个生理结构单独考虑将每个部分的贡献用一子滤波器结构代表，所有子滤波器的组合效果代表完整的HRTF。该方法中的滤波器系统较多，获得个性化HRTF时，需要调节的滤波器系统多；并且，该方法没有考虑声源与双耳之间的距离因素，而在HRTF的个性化调节过程中，人耳的听觉反馈是调节的依据，为了还原真实的三维声场，有必要考虑距离因素，否则，获得的HRTF的个性化效果较差、精确度较差。二、主成分分析(Principal Components Analysis，PCA)法。该方法用PCA给HRTF或HRIR建模，选取标准差最大的3～5个基向量(Principal Component，PC)，测试者通过调节界面不断调整基向量系数(Principal Component Weight，PCW)来获得较为准确的空间感。同样地，该方法没有考虑声源与双耳之间的距离因素，致使获得的HRTF的个性化效果较差、精确度较差。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种头相关传递函数的个性化方法及系统，旨在解决现有技术提供的HRTF的个性化方法没有考虑声源与双耳之间的距离因素，致使获得的HRTF的个性化效果较差、精确度较差的问题。本专利技术实施例是这样实现的，一种头相关传递函数的个性化方法，所述方法包括以下步骤：S1：对单声道声源输入信号进行与距离相关的增益滤波处理，得到与距离相关的左耳声源输出信号以及与距离相关的右耳声源输出信号；S2：基于HRTF数据库的测量数据，对双耳极坐标系下的水平角进行主成分分析，以重构HRIR，并结合所述左耳声源输出信号和所述右耳声源输出信号，调整HRIR，得到个性化的HRIR；S3：基于HRTF数据库的测量数据，对双耳极坐标系下的高度角进行主成分分析，以重构PRIR，并结合所述左耳声源输出信号和所述右耳声源输出信号，调整PRIR，得到个性化的PRIR。本专利技术实施例的另一目的在于提供一种头相关传递函数的个性化系统，所述系统包括：增益滤波模块，用于对单声道声源输入信号进行与距离相关的增益滤波处理，得到与距离相关的左耳声源输出信号以及与距离相关的右耳声源输出信号；水平角个性化模块，用于基于HRTF数据库的测量数据，对双耳极坐标系下的水平角进行主成分分析，以重构HRIR，并结合所述增益滤波模块得到的所述左耳声源输出信号和所述右耳声源输出信号，调整HRIR，得到个性化的HRIR；高度角个性化模块，用于基于HRTF数据库的测量数据，对双耳极坐标系下的高度角进行主成分分析，以重构PRIR，并结合所述增益滤波模块得到的所述左耳声源输出信号和所述右耳声源输出信号，调整PRIR，得到个性化的PRIR。本专利技术提供的头相关传递函数的个性化方法及系统首先建立距离模型，得到与距离相关的声源信号，之后利用PCA分别给水平角和高度角建模，在HRTF的个性化调节过程中，利用与距离相关的声源信号对模型参数进行个性化调节，以感受到声源的正确方位，继而获得个性化的HRTF，实现了结构化HRTF模型与PCA系数调节的结合，由于建立的距离模型考虑到了声源与双耳之间的距离因素，使得测量者可以感受到距离的变化，因而获得的HRTF的个性化效果好、精确度高。附图说明图1是是双耳极坐标系示意图；图2是本专利技术实施例一提供的头相关传递函数的个性化方法的流程图；图3是本专利技术实施例一中，增益滤波处理步骤的详细流程图；图4是本专利技术实施例一中，水平角个性化步骤的详细流程图；图5是本专利技术实施例一中，高度角个性化步骤的详细流程图；图6是本专利技术实施例二中，水平角个性化步骤的详细流程图；图7是本专利技术实施例三提供的头相关传递函数的个性化系统的结构图；图8是本专利技术实施例三中，增益滤波模块的结构图；图9是本专利技术实施例三中，水平角个性化模块的结构图；图10是本专利技术实施例三中，高度角个性化模块的结构图；图11是本专利技术实施例四中，水平角个性化模块的结构图。具体实施方式以下结合技术方案和附图详细叙述本专利技术的具体实施方式。为解决现有技术存在的问题，本专利技术首先建立距离模型，得到与距离相关的声源信号，之后利用PCA分别给水平角和高度角建模，在HRTF的个性化调节过程中，利用与距离相关的声源信号对模型参数进行个性化调节，以感受到声源的正确方位，继而获得个性化的HRTF。本专利技术采用双耳极坐标系来描述声源与人体的相对位置。如图1所示，双耳极坐标系以双耳连线中点作为坐标原点，定义了：水平面，即穿过原点与地面平行的平面；中垂面，即穿过原点将人体左右两侧平分的平面；前平面，即穿过原点及双耳连线、与地面垂直将人体认为前后两部分的平面；水平角θ，即声源与原点连线与中垂面之间的夹角；高度角即声源与双耳连线所构成半平面与前半水平面之间的夹角；左耳的入射角θlinc，即原点到声源的射线与原点到左耳的射线之间的夹角；右耳的入射角θrinc，即原点到声源的射线与原点到右耳的射线之间的夹角；距离r，即声源到原点的距离。在测试者的正前方，水平角θ和高度角都为0°；当水平角θ为0°时，高度角在中垂面变化，上方的为90°，后方的为180°，下方的为270°；当高度角为0°时，水平角θ在水平面变化，右耳为90°，后方为180°，左耳为270°。以下将结合实施例详细说明本专利技术的实现方式：实施例一本专利技术实施例一提供了一种头相关传递函数的个性化方法，如图2所示，包括以下步骤：S1：对单声道声源输入信号进行与距离相关的增益滤波处理，得到与距离相关的左耳声源输出信号以及与距离相关的右耳声源输出信号。进一步地，如图3所示，步骤S1包括以下步骤：S11：计算左耳的直流增益估计值和右耳的直流增益估计值其中，左耳的直流增益估计值可表示为： G ~ l 0 ( θ l i n c , ρ ) = 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种头相关传递函数的个性化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1：对单声道声源输入信号进行与距离相关的增益滤波处理，得到与距离相关的左耳声源输出信号以及与距离相关的右耳声源输出信号；S2：基于HRTF数据库的测量数据，对双耳极坐标系下的水平角进行主成分分析，以重构HRIR，并结合所述左耳声源输出信号和所述右耳声源输出信号，调整HRIR，得到个性化的HRIR；S3：基于HRTF数据库的测量数据，对双耳极坐标系下的高度角进行主成分分析，以重构PRIR，并结合所述左耳声源输出信号和所述右耳声源输出信号，调整PRIR，得到个性化的PRIR。

【技术特征摘要】
1.一种头相关传递函数的个性化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1：对单声道声源输入信号进行与距离相关的增益滤波处理，得到与距离相关的左耳声源输出信号以及与距离相关的右耳声源输出信号；S2：基于HRTF数据库的测量数据，对双耳极坐标系下的水平角进行主成分分析，以重构HRIR，并结合所述左耳声源输出信号和所述右耳声源输出信号，调整HRIR，得到个性化的HRIR；S3：基于HRTF数据库的测量数据，对双耳极坐标系下的高度角进行主成分分析，以重构PRIR，并结合所述左耳声源输出信号和所述右耳声源输出信号，调整PRIR，得到个性化的PRIR。2.如权利要求1所述的头相关传递函数的个性化方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：S11：计算左耳的直流增益估计值和右耳的直流增益估计值满足： G ~ l 0 ( θ l i n c , ρ ) = p 11 ( θ l i n c ) ρ + p 21 ( θ l i n c ) ρ 2 + q 11 ( θ l i n c ) ρ + q 21 ( θ l i n c ) ]]> G ~ r 0 ( θ r i n c , ρ ) = p 11 ( θ r i n c ) ρ + p 21 ( θ r i n c ) ρ 2 + q 11 ( θ r i n c ) ρ + q 21 ( θ r i n c ) ]]>其中，θlinc为左耳的入射角，θrinc为右耳的入射角，ρ为声源与头中心的距离r与头半径的比值，p11、p21、q11、q21分别为多项式的系数；S12：计算左耳的一阶IIR滤波器系数hlsh和右耳的一阶IIR滤波器系数hrsh；S13：计算左耳声源输出信号yl(t)和右耳声源输出信号yr(t)，使得： y l ( t ) = G ~ l 0 · x ( t ) * h l s h ]]> y r ( t ) = G ~ r 0 · x ( t ) * h r s h ]]>其中，x(t)为输入的单声道声源信号，“·”表示相乘，“*”表示卷积。3.如权利要求2所述的头相关传递函数的个性化方法，其特征在于，所述左耳的一阶IIR滤波器系数hlsh的z域表达式为： H l s h ( z ) = 1 + H l 0 2 ( 1 - z - 1 + a l c 1 + a l c z - 1 ) ]]>其中， a l c = V l 0 t a n ( π f ~ l c f s ) - 1 V l 0 tan ( π f ~ l c f s ) + 1 ]]> V l 0 = 10 G ~ l ∞ 20 ]]>Hl0＝Vl0-1其中，fs为采样频率，为左耳的高频增益，为左耳的截断频率，和可分别表示为： G ~ l ∞ ( θ l i n c , ρ ) = p 12 ( θ l i n c ) ρ + p 22 ( θ l i n c ) ρ 2 + q 12 ( θ l i n c ) ρ + q 22 ( θ l i n c ) ]]> f ~ l c ( θ l i n c , ρ ) = p 13 ρ 2 + p 23 ( θ l i n c ) ρ + p 33 ( θ l i n c ) ρ 2 + q 13 ( θ l i n c ) ρ + q 23 ( θ l i n c ) ]]>其中，p12、p22、q12、q22分别为多项式的系数，p13、p23、p33、q13、q23分别为多项式的系数；所述右耳的一阶IIR滤波器系数hrsh的z域表达式为： H r s h ( z ) = 1 + H r 0 2 ( 1 - z - 1 + a r c 1 + a r c z - 1 ) ]]>其中， a r c = V r 0 t a n ( π f ~ r c f s ) - 1 V r 0 tan ( π f ~ r c f s ) + 1 ]]> V r 0 = 10 G ~ r ∞ 20 ]]>Hr0＝Vr0-1其中，fs为采样频率，为右耳的高频增益，为右耳的截断频率，和可分别表示为： G ~ r ∞ ( θ r i n c , ρ ) = p 12 ( θ r i n c ) ρ + p 22 ( θ r i n c ) ρ 2 + q 12 ( θ r i n c ) ρ + q 22 ( θ r i n c ) ]]> f ~ r c ( θ r i n c , ρ ) = p 13 ρ 2 + p 23 ( θ r i n c ) ρ + p 33 ( θ r i n c ) ...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈喆，殷福亮，张古强，袁康，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21