随机信号处理案例——双耳时间差的计算

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1、随机信号案例——相关法计算双耳时间差ITD1.人耳对声源的定位在自然听音中，人的听觉系统对声源的定位取决于多个因素——双耳接收到的号差异用来决定声源的水平位置，由外耳对高频信号的反射所引起的耳郭效应决定声源的垂直位置，而人耳的某些心理声学特性对于声源的定位也起到很大的作用。2.双耳效应在自然听音环境中，双耳信号之间的差异对于声源的定位是非常重要的。该因素可以在直达声场的听音环境中得到最好解释，如图2-1所示。图2-1声源S与镜像声源S′引入最大程度相似的双耳因素声源位于水平面上，水平方位角为θ，与人头中心的距离为r，到达左右耳的距

2、离分别为SL和SR。由于SL>SR，声音首先到达右耳，从而在到达双耳的时间先后上形成时间差。这种时间差被定义为双耳时间差（interauraltimedifference，ITD），它与声源的水平方位角θ有关。当θ=0°时，=0；当θ=±90°时，达到最大值，对一般人头来说，为0.6～0.7ms的数量级。在低中频（f<1.5kHz）情况下，双耳时间差是定位的主要因素。3.头相关传输函数简介头相关传输函数(head-relatedtransferfunction,HRTF)描述了自由场声波从声源到双耳的传输过程，它反映了头部、耳廓和

3、躯干等构成的生理系统对声波散射(综合滤波)的结果。HRTF是声源方向、距离、频率的连续函数,它是声源到双耳的频域传输函数。自由场的情况下，HRTF定义为，，其中r为声源到头中心的距离，f为声波的频率；方位角0°≤θ<360°和仰角−90°≤≤90°表示声源的方向,其中φ=0°和90°分别表示水平面和正上方,而(θ=0°，φ=0°)和(θ=90°，φ=0°)分别表示水平面上正前和正右方向。HRTF的时域表示是头相关脉冲响应,和简记为HRIR，它们与HL,HR互为Fourier变换。4.ITD的相关法定义ITD的定义四[2]（相关法）

4、双耳脉冲响应HRIR的归一化互相关函数定义为：（3-2-7）按定义，0≤

5、

6、≤1。由式（3-2-7）可计算出函数在

7、

8、在

9、

10、≤1ms范围内的最大值，与此相应的=即为相关法定义的双耳时间差ITDcorre，即因而相关法是利用左、右耳HRIR的相似性求出ITD。实际中通常得到的是经过离散时间采样的HRIR，即和。因而（3-2-7）对连续时间t的积分将变成对离散时间n的求和。例如在44.1KHz的采样率下，时间分辨率约为23。为了提高时间分辨率，在进行（3-2-7）计算之前，可先对和进行过采样处理。例如10倍过采样可将时间分辨率变为2.

11、3。下面图a[1]是有26名女性受试者的平均ITD。图a不同纬度面φ的ITD与方位角θ的关系5.MATLAB仿真实验本实验中采用的数据库中采样率为44.1KHz，时间分辨率为Ts=23的512点的离散序列——HRIR序列。ITD的单位是。参数具体是：-45°≤φ≤90°，0°≤θ≤360°。而HRIR序列是按不同φ确定的不同纬度面上，θ以人头正前方为0°开始的，每5°变化一个方向取得和离散值。θ=0:5:355，这样对于给定俯仰角φ的纬度面上就有72个方向的和离散值。为了方便记录，将不同俯仰角下的双耳时间差记为：ITD。（1）俯仰

12、角φ=0°，方位角θ=0°；程序如下：ITD0=[];Ts=23;loadD:Signalshrtfselev0L0e000a.dat;hl0=L0e000a;loadD:Signalshrtfselev0R0e000a.dat;hr0=R0e000a;c0=normxcorr2(hl0,hr0);[max_c0,imax]=max(abs(c0(:)));[yspeak,xspeak]=ind2sub(size(c0),imax(1));n0=[yspeak-size(hl0,1),xspeak-size(hl0

13、,2)];t0=n0(1)*Ts;ITD0=[ITD0t0];运行结果为：ITD0=23；（2）仰角φ=0°，方位角θ=5°；运行结果为：ITD0=[2369]；（3）仰角φ=0°，方位角θ=10°;运行结果为：ITD0=[236992]；这样得到俯仰角φ=0°即水平面上的双耳时间差ITD01×72=[23699216120723027634536843748350655259864466769071373692082882885185162141439134529927623018413892460-46-92-138-184-

14、230-276-322-368-414-437-483-506-828-575-598-736-713-713-667-667-690-598-552-506-460-414-391-345-322-253-207-184-115-92-460]（