虚拟听觉空间实现中与头相关传递函数的特征分析和高效建模

论文摘要

空间听觉（Spatial Hearing）主要研究人类听觉系统对于声源空间方位辨别的原理,在听觉心理学、计算机虚拟现实等领域都有着广泛的应用。心理声学的研究已经表明,声源产生的直达声波经头部等的绕射后到达双耳,产生耳间时间差（Interaural Time Difference,简称ITD）和耳间声强差（Interaural Intensity Difference,简称IID）;头、肩以及耳廓等部位的反射、散射、衍射声波会与直达声波在耳道入口干涉产生频谱的改变;此外头部的转动所引起的双耳差线索的改变等也提供了听觉系统用以判断声源方位的重要线索。所有这些特征线索可以用与头相关的传递函数（Head Related Transfer Functions,简称HRTFs）或对应的时域表示HRIRs（Head Related Impulse Responses）来统一表述。大脑听觉系统利用HRTFs提供的这些线索并和过去的听觉经验相比较,从而判断声源的方位。由此可见,空间听觉的研究以及虚拟听觉空间的实现中,HRTFs的有关声源方位特征线索的准确、高效的模型有着极其重要的作用,本文即主要针对该问题开展了广泛和深入的研究工作。首先,本文第一章综述了声源定位研究在整个虚拟现实技术中的地位和作用;并对该课题的研究情况,特别是与HRTFs相关的心理声学的实验和结论,进行了回顾。在分析了该课题研究状况的基础上,提出了本文主要的研究内容。接下来,第二章详细介绍了本文仿真实验采用的HRTFs的KEMAR数据包和CIPIC数据包,包括其测试方法、测试对象的人体结构参数等。同时,观察有关联的方位之间的HRTFs的变化规律,简单分析了其定位的基本原理。第三章通过对CIPIC数据包提供的HRTFs数据和相应的头、耳等人体测量参数进行统计回归分析,定性地判断和定量地近似了人体测量参数与空间听觉线索ITDmax以及HRTFs等的影响。第四章应用改进的遗传算法对HRTFs进行了空间听觉零极点以及共用声学极点的零极点模型（Common Acoustical Pole and Zero,简称CAPZ）的构建,得到了优于Prony, Yule-Walker等传统处理方法的结果。第五章和章六章基于对HRTFs数据分布特征的分析和判断,采用小波变换的非线性缩减策略对HRTFs进行了空间听觉逼近模型的构建,并分析比较了HRIRs的非正交基追踪逼近与其PCA模型、小波基、最优小波包基以及局部余弦基等不同的自适应建模效果。最后,作为对本论文工作的总结,第七章综述性地指出了虚拟听觉空间的缺陷和改进途径,并提出今后可以继续研究的几个方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 人耳声源定位的基本原理
• 1.2.1 耳间时间差（ITD）
• 1.2.2 耳间声强差（IID）
• 1.2.3 声波的头部绕射、耳廓衍射及躯体反射效应
• 1.3 HRTFS 数据的获取
• 1.4 HRTFS 的建模逼近
• 1.5 HRTFS 测量数据的不足及其个人化意义
• 1.5.1 测量方位的不连续性
• 1.5.2 测量者之间身体结构特征的差异
• 1.5.3 HRTFs 的个人化方法
• 1.5.3.1 数值建模
• 1.5.3.2 数据库匹配
• 1.5.3.3 频率标度
• 1.6 HRTFS 在虚拟听觉空间中的应用
• 1.6.1 虚拟现实与多媒体的应用
• 1.6.2 电话会议与语声通信系统
• 1.6.3 医学上的应用
• 1.7 本论文的工作安排
• 第二章 HRTFS 的测量及其典型数据分析
• 2.1 KEMAR 数据包
• 2.2 CIPIC 数据包
• 2.2.1 测量方法及预处理
• 2.2.2 测量数据描述
• 2.3 HRTFS 的声源方位特征观察及其与声源定位的联系
• 2.4 本章小结
• 第三章 人体测量参数与HRTFS 特征线索间的相关性分析
• 3.1 多元线性回归模型
• 3.2 用人体测量参数估计ITDMAX
• 3.2.1 用于ITDmax估计分析的回归自变量的选择
• 3.2.2 对ITDmax的线性回归及估计
• 3.3 人体测量参数与HRTFS 间的相关分析
• 3.3.1 用于HRTFs 估计的回归自变量的选择
• 3.3.2 对HRTFs 的线性回归及估计
• 3.4 人体测量参数在HRTFS 主元估计中的应用
• 3.4.1 HRTFs 第一主元的线性回归及估计
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于遗传算法的零极点型HRTFS 优化逼近
• 4.1 HRTFS 的均衡预处理
• 4.2 应用GA 逼近零极点型DTFS
• 4.3 GA 应用于HRTFS 的CAPZ 模型
• 4.3.1 HRTFs 的CAPZ模型
• 4.3.2 实验数据和模型参数的选取
• 4.3.3 GA 的改进及其在CAPZ模型求解中的应用
• 4.3.4 CAPZ模型不同算法的结果比较
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于小波非线性自适应逼近原理的人耳空间听觉模型
• 5.1 HRIRS 的小波非线性自适应逼近模型
• 5.1.1 HRIRs 数据的特征分析
• 5.1.2 HRIRs 的小波非线性自适应逼近原理
• 5.1.3 HRIRs 数据模型效果的比较
• 5.2 基于小波变换模极大值重构原理的人耳空间听觉模型
• 5.2.1 多孔小波变换与信号的奇异性检测
• 5.2.2 不同HRIRs 逼近模型的实验结果分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 HRIRS非线性自适应逼近的基追踪算法应用
• 6.1 HRIRS 信号的非线性逼近分析及其基追踪算法
• 6.2 不同的基类下HRIRs 逼近模型的比较
• 6.3 本章小节
• 第七章 全文总结
• 作者在博士期间参加的科研项目和发表的论文
• 致谢
• 参考文献