球形传声器阵列捡拾与双耳虚拟重放系统的研究

发布时间：2017-03-26 10:04

  本文关键词：球形传声器阵列捡拾与双耳虚拟重放系统的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：球形传声器阵列捡拾与双耳虚拟重放是一种新的声场空间信息的捡拾和重放方法。它利用球形传声器阵列捡拾空间声场信号,然后通过相应的信号处理,动态合成双耳声信号并利用耳机(或扬声器)重放。这种重放方法不但能较准确地实现声场空间信息的重放,且具有较大的灵活性和通用性,在听觉相关的科学研究、多媒体和虚拟现实等领域有非常重要的应用价值。目前国际上已有研究发展了球形传声器阵列捡拾与双耳虚拟重放系统,但总体而言,这方面的研究还处于起始阶段,仍有许多有待完善的地方。主要体现为:真正完整实现从捡拾到重放的课题组非常少,特别是国内还没有这方面的系统;双耳声信号处理有待优化,目前还未见基于球形传声器阵列捡拾和双耳重放系统的虚拟源定位实验验证与评估的报道等。为此,本文开展了以下的工作:系统分析了测量方法对测量球形传声器阵列空间脉冲响应的影响,尤其研究了球形传声器阵列散射和非线性失真在脉冲响应上测量的作用,解释了不同测量方法在球形传声器阵列测量结果差异的原因。为了减少非线性失真引起的误差,建议采用对数扫频的方法进行测量。并通过设计合理的测量系统,获取了全空间方位角间隔5°(0°至355°),仰角间隔10°(-50°至90°)的远场声源空间脉冲响应数据库。这些数据将成为研究球形传声器阵列实际捡拾和重放性能的重要参考数据。在双耳虚拟重放中引入了使用数值计算获取的空间高分辨率HRTF。通过对头部模型定标方法的改进和计算参数的优化,利用边界元计算获取了准确的空间高分辨率的远场HRTF,其中频率上限16000Hz,并且全空间采样间隔达到1°。对双耳重放中所需要的HRTF空间分辨率进行了分析,提出了一种双耳听觉模型评价方法,并通过了心理声学实验验证。这种方法能够有效辨别由谱因素和ILD引起的角度差异感知,用于双耳重放中幅度谱的空间阈值分辨,为合理设计双耳重放提供了基础。提出了一种联合HRTF主成分分析与球型传声器阵列Beamforming输出的高效动态双耳合成方法。首先利用近似均匀空间分布方法,使用M=900个虚拟扬声器重构声场。然后针对这种多虚拟声源重放,采用主成分分析方法优化信号处理,采用66个滤波器或时域卷积即可有效重构信号,结合有效的动态插值方法,明显提高了信号处理的效率。构建了国内第一个完整的基于球形传声器阵列捡拾和动态双耳重放系统,利用64通路球形传声器阵列可准确实现6阶球谐信号(空间谐波)的捡拾,并使用包含有头踪迹跟踪器的动态双耳虚拟重放系统实现同等阶数的虚拟Ambisonics重放。并设计了主观评价基于此系统的定位实验方法,对系统进行了实验验证。研究了动态因素、稳态信号等不同信号对系统重放的影响,得到非常有参考价值的实验结果。本文的工作不但验证和改善了球形阵列捡拾和双耳重放系统的性能,且为今后相关的研究提供了基础。
【关键词】：球型传声器阵列 双耳虚拟重放 高阶Ambisonics 头相关传输函数
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN912.3;TN641
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 引言12-13
• 1.2 空间听觉机理概述13-14
• 1.3 声场空间信息的捡拾14-16
• 1.4 声场空间信息的重放16-19
• 1.4.1 基于心理声学简化的声场重放17
• 1.4.2 双耳重放17-18
• 1.4.3 物理声场的重放18-19
• 1.5 基于球形传声器阵列捡拾的双耳（虚拟）重放系统19-20
• 1.6 本文工作20-24
• 1.6.1 研究意义20-21
• 1.6.2 主要工作内容21-22
• 1.6.3 创新点22-24
• 第二章 球形传声器阵列捡拾与平面波分解24-40
• 2.1 引言24
• 2.2 捡拾和平面波分解的基本理论24-27
• 2.2.1 坐标系统定义24-25
• 2.2.2 球面声压的球谐函数分解和重构25-26
• 2.2.3 基于球谐函数波束形成的平面波分解26-27
• 2.3 影响球形传声器阵列捡拾的因素27-30
• 2.3.1 空间采样分布方式27-28
• 2.3.2 球形传声器阵列的球体设计28-30
• 2.3.3 球形传声器阵列捡拾误差的讨论30
• 2.4 64 通路球形传声器阵列捡拾性能仿真30-39
• 2.4.1 六十四通路球形传声器阵列参数31-33
• 2.4.2 球形传声器阵列捡拾性能仿真分析33-39
• 2.5 本章小结39-40
• 第三章 球形传声器阵列空间脉冲响应的测量40-66
• 3.1 引言40-41
• 3.2 声场空间脉冲响应的测量原理41-44
• 3.2.1 最大长度序列42-43
• 3.2.2 对数扫频信号法43-44
• 3.3 球形传声器阵列空间脉冲响应测量系统设计44-48
• 3.3.1 测量系统概述45-46
• 3.3.2 测量环境46
• 3.3.3 测量声源46-47
• 3.3.4 测量系统的空间位置定标47-48
• 3.3.5 传声器的校准48
• 3.4 空间脉冲响应的初步分析48-51
• 3.4.1 实际测量信号以及评价指标48-49
• 3.4.2 测量结果分析49-51
• 3.5 测量系统的非线性失真分析51-57
• 3.5.1 仿真模型52-54
• 3.5.2 单传声器测量的仿真结果54-55
• 3.5.3 球形传声器阵列捡拾的非线性失真仿真55-57
• 3.5.4 讨论57
• 3.6 测量结果验证57-63
• 3.7 小结63-66
• 第四章 双耳虚拟重放与听觉模型分析66-88
• 4.1 引言66-68
• 4.2 HRTF的BEM计算获取68-74
• 4.2.1 边界元方法的计算原理68-70
• 4.2.2 头部模型和边界条件设定70-72
• 4.2.3 HRTF数据库及有效性验证72-74
• 4.3 基于双耳听觉模型的HRTF空间分辨率评价方法74-78
• 4.3.1 Moore双耳响度模型74-76
• 4.3.2 基于双耳响度模型的听觉判据76-78
• 4.4 HRTF幅度谱空间分辨阈值分析78-87
• 4.4.1 分析方法79
• 4.4.2 心理声学实验方法79-81
• 4.4.3 分析结果和讨论81-85
• 4.4.4 耳机频响与个性化头相关传输函数的影响85-87
• 4.5 本章小结87-88
• 第五章 球形传声器阵列捡拾信号的双耳虚拟听觉重放88-120
• 5.1 引言88
• 5.2 传声器阵列捡拾信号的双耳虚拟重放原理88-89
• 5.3 捡拾信号的双耳虚拟重放误差分析89-97
• 5.3.1 虚拟扬声器的空间采样分布90-92
• 5.3.2 重构误差分析92-97
• 5.4 多方向Beamforming信号双耳虚拟重放的简化方法97-103
• 5.4.1 HRTF或HRIR主成分分析的方法98-99
• 5.4.2 HRTF的PCA分解分析99-102
• 5.4.3 双耳虚拟重放信号处理的简化方法102-103
• 5.4.4 动态双耳信号处理103
• 5.5 动态双耳虚拟重放系统的构建103-109
• 5.5.1 系统硬件设计104-106
• 5.5.2 系统软件设计106-108
• 5.5.3 双耳虚拟重放系统的动态特性108-109
• 5.6 动态双耳虚拟重放系统的主观定位实验109-117
• 5.6.1 实验目的与设计109-110
• 5.6.2 实验数据的统计方法110-111
• 5.6.3 实验结果及分析111-117
• 5.7 本章小结117-120
• 结论与展望120-124
• 参考文献124-132
• 攻读博士学位期间取得的研究成果132-133
• 致谢133-134
• 附件134

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 孙文彬;赵学胜;高彦丽;王洪斌;;球面似均匀格网的剖分方法及特征分析[J];地理与地理信息科学;2009年01期

2 赵跃英;盛胜我;赵松龄;;单传声器实现声场空间特性测量的研究[J];声学技术;2007年06期

3 钟小丽;谢菠荪;;球谐函数展开的个性化双耳时间差模型[J];声学学报;2013年04期

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本文编号：268629