房間聲學(xué)建模

房間聲學(xué)建模房間聲學(xué)建模/NUMPAGES11房間聲學(xué)建模房間聲學(xué)建模Begault’spaper‘DirectComparisonoftheimpactofheadtracking,reverberationandindividualizedHRTFonthespatialperceptionofVAS’指出3D虛擬聲信號(hào)包含3個(gè)部分：頭部跟蹤器、真實(shí)散射環(huán)境合成技術(shù)以及個(gè)人化HRTF，不同的因素對(duì)VAS的影響是不同的。個(gè)人化HRTF可以提高定位準(zhǔn)確性、改善外部化，以及減少前、后聲像倒置，但Moller指出非個(gè)人化HRTF會(huì)引起前、后聲像倒置，但對(duì)外部化沒有影響，但這些實(shí)驗(yàn)是在混響情況以及沒有頭部跟蹤器的條件下進(jìn)行。其它的文獻(xiàn)也指出，混響和很少的早期反射聲(即使是衰減后的延遲信號(hào))足以產(chǎn)生外部的聲像。當(dāng)前研究中，可變的實(shí)驗(yàn)條件包括消聲室仿真、HRTF濾波后的早期反射聲仿真(0-80ms)，全部聲學(xué)環(huán)境的混響(早期反射聲以及80ms-2.2s的后期混響)。Anechoic/earlyreflection/fullAuralizaiton分別表示仿真的散射環(huán)境等級(jí)。進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試后，仿真結(jié)果表明：方位角誤差：混響聲明顯降低了方位角誤差，earlyreflection和fullauralization對(duì)方位角誤差的差別也不是很明顯。忽略其它因素影響，頭部跟蹤器對(duì)方位角誤差的影響處于中等水平。頭部跟蹤器與不同HRTF數(shù)據(jù)類型進(jìn)行組合，方位角誤差的區(qū)別很小，總的來說，頭部跟蹤器與非個(gè)人化HRTF組合，方位角定位精度提高的幅度更大。即若使用非個(gè)人化HRTF數(shù)據(jù)，應(yīng)盡可能使用頭部跟蹤器。仰角誤差與混響聲(包括早期反射聲和后期混響)能夠降低方位角誤差不同，加入混響后的虛擬聲反而會(huì)提高仰角判斷誤差，同時(shí)earlyreflection和fullauralization在仰角判斷誤差上差別不是很明顯。并且頭部跟蹤器和個(gè)人化HRTF對(duì)仰角判斷誤差也沒有太大的影響。這表明仰角判斷精度與混響、個(gè)人化以及頭部跟蹤器的聯(lián)系不是很緊密。前后聲像倒置文章指出頭部跟蹤器可以明顯降低前、后聲像倒置。其它因素，包括個(gè)人化HRTF、混響對(duì)reversal的改善效果并不十分明顯。外部化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明混響聲對(duì)于外部化有著重要的影響，而其它因素對(duì)外部化的影響不是很明顯Conclusion:加入了混響聲的3D虛擬聲系統(tǒng)的方位角判斷誤差減小，外部化效果明顯，但是犧牲了仰角判斷誤差，并且聲像前后導(dǎo)致問題沒有明顯的改善。頭部跟蹤器明顯改善了聲像前后導(dǎo)致問題，但是沒有明顯提高定位準(zhǔn)確性和外部化。如果沒有共同采用個(gè)人化HRTF和頭部跟蹤器，則單獨(dú)使用個(gè)人化HRTF對(duì)提高定位準(zhǔn)確性、外部化以及聲像前后倒置的效果并不是很清楚，這種情況是針對(duì)語音信號(hào)的虛擬聲系統(tǒng)。個(gè)人化HRTF沒有提高方位角定位準(zhǔn)確性是因?yàn)檎Z音信號(hào)的絕大部分能量都集中在ITD線索比頻譜線索更重要的頻段。有些文獻(xiàn)指出，對(duì)于噪聲激勵(lì)的虛擬聲定位，個(gè)人化HRTF可以減少前后聲像倒置。混響聲能夠改善頭中效應(yīng)，實(shí)際上，即與fullauralization不同，目前研究表明80ms的早期反射聲就可以明顯改善頭中效應(yīng)。實(shí)際上，對(duì)于語音信號(hào)而言，相對(duì)于消聲室的虛擬實(shí)現(xiàn)而言，早期反射聲降低了雙耳聲信號(hào)的耳間相關(guān)性。增加雙耳聲信號(hào)的差異可能會(huì)有外部化效果。值得引起注意的是，混響聲(當(dāng)然是包括了早期反射聲和后期混響)提高了方位角定位的準(zhǔn)確性。通常情況下，混響會(huì)引入‘拖尾效應(yīng)’(模糊效應(yīng))，加寬了聲像，從而降低了定位準(zhǔn)確性。在另一方面，非外部化的聲像不能進(jìn)行正確定位是由于聲像存在于頭內(nèi)部。Parametrization,Auralization,andAuthoringofRoomAcousticsforVirtualRealityApplications虛擬聲學(xué)空間模型聲學(xué)傳播系統(tǒng)分為3個(gè)主要部分：聲源、聲信號(hào)傳播介質(zhì)以及接收者(聽者)聲源：一般而言，聲源信號(hào)可由保存的文件得到，或者實(shí)時(shí)合成、錄制的聲信號(hào)，但聲源信號(hào)都應(yīng)該是理想的干信號(hào)，并且是單聲道，從而避免在可聽化(Auralization)過程中空間聽覺效應(yīng)的重疊。傳播介質(zhì)：重建仿真環(huán)境效應(yīng)，包括在介質(zhì)(空氣)中聲信號(hào)的傳播過程，以及空間中物體對(duì)聲信號(hào)的干擾作用。聽者：考慮接收者的位置以及方向性特征。如計(jì)算單聲道的房間聲學(xué)參數(shù)，則聽者建模為全向麥克風(fēng)。虛擬現(xiàn)實(shí)中，接收者為人的雙耳聽覺系統(tǒng)。房間聲學(xué)模型：基于計(jì)算機(jī)的房間脈沖響應(yīng)房間脈沖響應(yīng)(RIR)在時(shí)域上分為3個(gè)部分：直達(dá)聲、反射聲和后期混響聲。每一部分通過不同的參數(shù)進(jìn)行描述。從物理學(xué)的角度講，直達(dá)聲(DS)和早期反射聲(r1-rn)可以通過方向、延遲、衰減和聲信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的修正(空氣和反射面的吸收作用)來表示，即表示聲學(xué)環(huán)境的幾何形狀、聲源與聽者的位置決定了直達(dá)聲和早期反射聲的時(shí)域表達(dá)。而后期反射聲更類似于隨機(jī)過程，通常有混響時(shí)間RT60決定，后期混響通?？紤]為(近似)散射場，即后期混響與聲源、聽者位置無關(guān)，反射聲信號(hào)從各個(gè)方向傳播而來。從感知角度來講，房間脈沖的直達(dá)聲和早期反射聲反映了房間幾何特征，而后期混響中的反射聲信號(hào)則無法和早期反射聲中明顯的區(qū)分，即在房間聲學(xué)環(huán)境仿真中，沒有必要對(duì)后期混響進(jìn)行詳細(xì)的建模，但是后期混響聲可以增加房間聲學(xué)環(huán)境的仿真效果。從仿真實(shí)現(xiàn)的角度而言，早期反射聲的建模要足夠有效，每一反射聲都要單獨(dú)建模，而后期反射聲則通過濾波器的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，針對(duì)某一房間，后期混響聲通常不會(huì)變化。在實(shí)時(shí)可聽化實(shí)現(xiàn)中，直達(dá)聲、早期反射聲和后期混響都是分別進(jìn)行仿真的。后期混響建模一般而言，IIR濾波器用于對(duì)長時(shí)間的后期混響進(jìn)行建模。最早的人工數(shù)字混響器采用并聯(lián)的梳狀濾波器級(jí)聯(lián)全通濾波器實(shí)現(xiàn)。如果梳狀濾波器采用低通濾波器形式，則會(huì)模擬實(shí)際混響中空氣和反射面對(duì)聲信號(hào)的吸收作用，即聲信號(hào)衰減與頻率相關(guān)。全通濾波器用于增加反射聲信號(hào)的密度，從而仿真出散射效果。但是梳狀濾波器的缺點(diǎn)在于缺少建模信號(hào)的密度(導(dǎo)致了金屬聲效應(yīng))，以及隨著時(shí)間增加，反射聲密度不會(huì)提高。FDN(FeedbackDelayNetwork)提供了解決方法：減少了染色效應(yīng)，提供了更好的反射聲密度，同時(shí)可以控制混響時(shí)間。其它的混響器結(jié)構(gòu)還包括全通濾波器的級(jí)聯(lián)和嵌套結(jié)構(gòu)。FDN法和波導(dǎo)網(wǎng)格法(waveguidemesh)在后期混響聲建模中不同也有文獻(xiàn)進(jìn)行了比較。也有簡化算法用于聲信號(hào)與采樣房間脈沖響應(yīng)的卷積。相應(yīng)的算法將梳狀濾波器、全通濾波器和FDN算法進(jìn)行了結(jié)合?？傮w而言，房間聲學(xué)環(huán)境建模通常可以分為兩類：物理方法和感知方法。前者根據(jù)聲學(xué)環(huán)境的結(jié)構(gòu)對(duì)聲信號(hào)的傳播過程進(jìn)行建模，相對(duì)于物理法精確模擬房間脈沖響應(yīng)不同，后者則對(duì)聲學(xué)環(huán)境的聽覺感知特性進(jìn)行模擬。一般而言，物理法用于建筑聲學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)和評(píng)估，而感知法通常在多媒體場合中用于建立空間聽覺效應(yīng)。物理法：物理法中聲學(xué)空間通常由其幾何尺寸定義，并且通常針對(duì)固定位置上的單一聲源和單個(gè)接收者。聲學(xué)特征包括反射面的反射系數(shù)，聲源的方位。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，通過模擬聲信號(hào)在聲學(xué)環(huán)境中的傳播過程，生成人工的脈沖響應(yīng)。如果房間結(jié)構(gòu)，或者聲源、聽者的位置發(fā)生變化，則整個(gè)房間脈沖響應(yīng)都需要重新計(jì)算。目前的物理聲學(xué)研究對(duì)動(dòng)態(tài)聲學(xué)參數(shù)，如聽者的位置等進(jìn)行實(shí)時(shí)建模，這不可避免的需要對(duì)聲信號(hào)傳播模型的簡化，以及當(dāng)參數(shù)改變時(shí)，信號(hào)處理過程的小心設(shè)計(jì)，以避免可聽的人工聲信號(hào)。在實(shí)時(shí)物理聲學(xué)環(huán)境建模中，早期反射聲的數(shù)目和階數(shù)都有一定的上限，同時(shí)后期混響聲通過可控的混響器來實(shí)現(xiàn)(以上提及的混響器設(shè)計(jì))。感知法：感知法依賴于對(duì)房間聲學(xué)脈沖響應(yīng)感知質(zhì)量的參數(shù)描述。通常情況下，這種方法只是利用了房間聲學(xué)效應(yīng)，而非聲信號(hào)傳播的精確模擬。相關(guān)文獻(xiàn)根據(jù)人耳的心理聲學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究了聲學(xué)環(huán)境和聲源信號(hào)的不同特征參數(shù)對(duì)房間脈沖響應(yīng)的感知影響。在DSP的濾波器設(shè)計(jì)中，定義了3種濾波器分別對(duì)直達(dá)聲、散射房間響應(yīng)(早期反射聲和后