基于稀疏表达的ambisonics声场重放方法研究

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1、中文图书分类号：TN912.12密级：公开UDC：38学校代码：10005硕士学位论文MASTERALDISSERTATION论文题目：基于稀疏表达的Ambisonics声场重放方法研究论文作者：潘建红学科：信息与通信工程指导教师：鲍长春论文提交日期：2017年4月UDC：38学校代码：10005中文图书分类号：TN912.12学号：S201402082密级：公开北京工业大学工学硕士学位论文题目：基于稀疏表达的Ambisonics声场重放方法研究英文题目：AMBISONICSSOUNDFIELDREP

2、RODUCTIONBASEDONSPARSEREPRESENTATION论文作者：潘建红学科：信息与通信工程研究方向：三维音频信号处理申请学位：工学硕士指导教师：鲍长春教授所在单位：信息学部答辩日期：2017年5月授予学位单位：北京工业大学独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研

3、究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：潘建红日期：2017年05月19日关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：潘建红日期：2017年05月19日导师签名：鲍长春日期：2017年05月19日本论文的研究工作得到了国家自然科学基金重点项目(No.61231015)的资助。摘要

4、摘要作为三维（ThreeDimension，3D）音频主流技术之一——Ambisonics声场重放技术，因其采集和重建过程相互独立，为多数研究员所推崇。基于球谐函数展开可以对目标声场进行分解与重构是Ambisonics声重发系统的理论基础，且重放准确度与球谐函数阶数成正相关性。然而，在声场录制过程中获取声场的高阶Ambisonics（HigherOrderAmbisonics，HOA）声场系数所需要的麦克风数量是相当多的，尤其是在重放高频大区域声场条件下。基于此，本文结合压缩感知思想对Ambisoni

5、cs声场重放进行深入研究，实现麦克风系统的精简，并将其应用于混响条件下声场重放中，尤其是房间内声传递函数(AcousticTransferFunction，ATF)的测量上。本文的研究工作主要体现在以下三点：（1）本文对基于Ambisonics的3D声场重放方法进行了深入研究。基于两种常见的3D声场重放方法包括模式匹配法和连续扬声器阵列假设法，本文给出了扬声器激励信号的详细推导过程及一般表达形式，实现了3D声场的准确重放。在模式匹配方法的基础之上，针对求解扬声器激励信号时欠定方程组求伪逆引起的听音区边

6、界重放误差急剧增大的问题，结合稀疏分解算法，本文提出了一种基于稀疏表达的Ambisonics的3D声场重建优化方法，避免了矩阵求伪逆导致的病态问题，从而降低了重放区域内的声场重放误差。（2）本文提出一种自由场下基于稀疏表达的HOA声场录制方法。HOA声场录制系统的关键在于拾取给定声场的谐波成份，即声场系数，根据Ambisonics理论基础，声场系数可以根据球麦克风阵列采集到的声场声压计算得出。然而，阵列中有限的麦克风数量限制了其所能准确录制声场的声源频率及声场区域大小。另外，分析了贝塞尔零值对声场录制

7、的影响。本文根据声场的一般模型，声场在源域具有稀疏性，应用稀疏分解算法，得到球谐函数的稀疏表示形式，然后将声场系数上采样至高阶，从而实现减少所需麦克风数量的目的。（3）本文提出一种混响下基于稀疏表达的3D声场重放方法。在实际场景中，混响是一个不可避免的问题，由于ATF随着声源与接收点位置的变化而快速变化，测量混响房间内ATF是一个相当繁琐的过程。另外在测量过程中最关键的问题是如何利用有限的麦克风来获取ATF的高阶球谐函数系数，同时，测量设备的噪声也是影响ATF准确测量的一个重要影响因子。本文基于ATF

8、的一般模型，假设ATF在源域是稀疏的，利用压缩感知技术获得高阶ATF系数，并在从中降低了贝塞尔零值对测量稳定性的干扰。实验结果表明，首先，本文提出的基于稀疏表达的Ambisonics声场重放优I北京工业大学工学硕士学位论文化方法，解决了扬声器激励信号求解时矩阵求伪逆引起的听音区域声场重放误差增大的问题，扩大了有效听音区范围。其次，自由场下基于稀疏表达的Ambisonics声场录制方法能够在保障录制准确度的条件下，大幅度减少了所需麦克风的数量并降低了贝塞尔