基于空间听觉的声源定位和三维声再现技术研究

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1、东南大学博士学位论文基于空间听觉的声源定位和三维声再现技术研究姓名：马浩申请学位级别：博士专业：信号与信息处理指导教师：吴镇扬20080902摘要摘要空间听觉是兴起于二十世纪八十年代的研究课题，以心理声学和现代数字信号处理为理论基础，重点研究声音中包含的空间方位信息与听觉环境对听觉定位的影响。空间听觉的研究主要集中在两个方面：一是研究声音中可以体现方位感的听觉线索，并从声音中提取方位线索用于声源位置的判断，即空间听觉定位：另一方面是为原始声音信号增加一定的空间方位线索，使听者感受到期望的声源方位感和环

2、境内容，再现三维声场。因为人类听觉系统的结构复杂，听觉的生理过程和心理过程没有被全面了解，空间听觉的研究仍然处于探索阶段。还存在很多问题未解决，其中主要有：听觉方位特征的提取与利用；听觉定位的模型与方法：三维声再现的方式与实现等，对这些问题的研究都有待于不断深入完善。论文首先概述了空间听觉研究的背景、发展过程和应用，并介绍了空间听觉的基本理论与基本概念。对现有的声源定位方法进行总结和比较，分析空间听觉定位的特点。引出空间听觉的方位特征。研究表明，与头相关传递函数(HeadRelatedTransfer

3、Function：HRTF)体现了声波传递过程中外耳、头部、躯干等对来自不同方向声音信号的滤波作用，既包含频谱特征，也综合了耳间差异特征，是重要的方位特征。因此，本文以HRTF作为研究方位特征的对象，对空间听觉定位和三维声再现中的一些问题进行探索，开展了一系列的研究工作，主要内容包括：针对利用机器进行声源定位的问题，简要介绍已有的机器人声源定位方案，分析了传统的麦克风阵列定位方法和入耳听觉定位方法的差异。基于减小装置复杂性和节约空间的目的，本文提出一种基于空间听觉机理的声源定位方案。该方案利用人工头的

4、双耳拾取两路声信号进行声源定位，包括以下两部分研究内容：(1)定位模型与方法。从人工头拾取的双耳信号中提取出HRTF数据，利用神经网络模型实现从HRTF频谱特征到声源方位的映射，通过多种编码方式进行加权估计。确定声源的方位。仿真表明这种方法的定位精度较高，而且声源方位的识别具有连续性，流程简单：(2)方位特征的预处理。为提高映射模型进行声源定位的性能，给出提取有效方位特征的方法。通过放大不同方位HRTF频谱的差异，增强方位闻的频谱区别：同时选择HRTF频谱中包含方位信息最丰富的中间频带，精炼定位线索。

5、仿真结果表明这种预处理能够突出方位特征，简化定位模型结构。相邻方位的HRTF频谱存在较多共性，间隔较大的方位之间HRTF频谱差异较大。为更好地展现HRTF频谱变化与声源方向之间的内在联系，简化空间听觉模型，论文对HRTF方位特征分类的问题进行探讨。先将有序连接的左右耳HRTF频谱进行主元素分析(PcA)，获得各方位频谱的PCA系数作为方位特征，再利用适当的聚类方法对这些方位特征分类，得到声源方位的区域划分和相应的代表方位。代表方位的HRTF频谱就体现了该区域的共性特征，不同区域说明了方位间的差异。对代

6、表方位的PCA系数作内插可以恢复出整个空间HRTF数据，建立简化模型，大大压缩了数据量，便于三维声再现的实时应用。l东南大学博士学位论文三维声再现中经常需要使用扬声器进行声音重发，这会出现交叉串音现象，需要设计适当的串音消除系统来解决。本文针对串音消除系统的两个问题做出改进：(1)经典串音消除结构设计中较高的逆滤波器阶数。为简化结构、便于应用，根据扬声器到两耳传递函数的特点提出一种简化的级联结构方案，使用公共逆滤波器的方法简化整体结构，降低阶数，并设计了相应的串音消除滤波器参数调节算法，计算机仿真结果

7、和真实环境测试结果验证了该方案的有效性；(2)因听者移动造成的基于固定位置设计的串音消除系统性能下降。针对听者在较小范围内移动的问题，本文提出一种鲁棒的串音消除滤波器设计方案。对头部移动范围内多个位置的扬声器到两耳传递函数建立共用声学极点模型，利用共同极点构成均衡滤波器，对整个区域内的多个位置加权综合设计，得到一个结构简单的鲁棒串音消除系统，改善了头部移动时的串音消除性能。关键词：空间听觉：声源定位；三维声再现：与头相关传递函数；映射模型；加权估计；特征分类；内插逼近：串音消除：逆滤波器设计nAbst

8、ractSpatialhearingisallinterdisciplinaryresearcharearosein1980s，whichemphasizesonthespatialinformationanalysisofsoundsourceandtheenvironmentalinfluenceonspatiallocalizationonthebaseofpsychoacousticsandmodemsignalprocessingtheory．