Harbin Institute of Technology
影视录音结课论文
（2011年春季学期）
院 系： 媒体技术与艺术系 班 级： 0830102 学 号： 1083010212 姓 名： 冯 剑
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虚拟3D声音技术 1.虚拟3D声音技术的研究意义 对于人的听觉，除了能感知声音的强度，音调和音色外，还具有空间方位的感 觉。不同空间方位的声源在听觉系统产生不同的声像位置，人的听觉系统能够区分 出声源空间方位的不同。为了满足听觉的空间方位感，就出现了各种各样的立体声 音频定位系统。 根据环境，通过电子技术对声音重建，已经从我们熟悉的立体声系统发展到了 今天的多声道系统，如杜比5.1声道系统、杜比7.1声道系统:最简单的3D声音建 立方法就是多声道系统，即在各个合适的空间点上放上扬声器。但是这种方法在实 施的时候非常麻烦、昂贵、不灵活，并且特容易受到具体应用的限制，所以用两个 声道来合成多声道声音具有很强的实用性。而且，人耳本身是一个双声道的接收 器，所以用两个声道来虚拟重发多声道的声源，给人真实的临场感，也是可行的。 在过去的几年间，计算机虚拟3D声音重发技术取得很重大的发展【日，在许多重 要的领域，如工作站的人机交互系统、可穿戴式计算机、电脑游戏的音响效果、视 觉障碍者的辅助设备、虚拟现实系统、对飞行员和空中交通管理员的自由眼显示系 统、空间声场对会议电话的影响等，精确的空间声音合成具有重要的价值，并日益 显示出其重要性。 2．虚拟3D声音技术的应用 虚拟现实是一种逼真的模拟人在自然环境中的视觉，听觉，运动等行为的人机 界面技术，利用虚拟声的方法可产生各种不同的声音空间听觉。它在许多领域有着 广泛的应用。 美国NASA使用虚拟3D声定位并结合自适应双耳噪声消除科技来增强飞行模 拟的效果，在虚拟座舱的声音信息中，三维空间声可为飞行员提供导航，状况替示 1
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以及目标的位置和运动方向，所以声音的定位是虚拟座舱中声音渲染的主要内容。 虚拟声的方法也可运用到宇航通讯中，这不但可以提高语音可懂度，而且可能会减 轻航天员由于失重带来的平衡问题。 虚拟录声，用人工头构成的双耳捡拾系统早已用于音乐等文艺节目的录声和制 作中，而将虚拟声信号处理的方法用于录声制作却是近年发展的技术，利用计算机 虚拟声信号处理方法，不但可以在节目录制中人工的产生不同方向的声像，而且可 以虚拟出各种声学环境的主观听觉效果。 可作为声学设计的辅助工具及评价手段，目前，室内声学的计算机仿真技术已 经成为建筑声学设计及厅堂音质评价的有力手段，可以进一步提高设计效率，缩短 设计周期，并且切实保证设计的成功。 另外，在游戏、教育、娱乐中的应用，用虚拟声系统能构造出非常逼真的自然 声场效果，从而增强用户的沉浸感并改善人机交互的效果。在语音通讯系统中，比 如在远程会议系统中采用该项技术，可以增强参会者的临场感，改善语音通讯的效 果。 3虚拟3D声技术研究历史及现状 人耳对声音的定位理论是虚拟3D声音技术的关键。 LDrdRaleigh等人早在1907年就提出了双工理论，该理论主要提出了在800H比以下，双耳间时间差对人耳对声音的定位起到主要作用，而高于16(沁到匕以后，则双耳间声级差(ILD)起重要作用。这也是双耳分开的一个自然结果.根据这个理论，很多研究者提出了很多的估计算法。然而ITD和ILD并没有提供单耳条件下的听觉定位机理以及声源在双耳对称面上的听觉定位机理，对声音定位是远远不够的。 声源发出的声波经头部，耳廓，躯干等衍射后到达双耳Is1，其中的物理过程可视为一个线性时不变的声滤波系统，其特性可由系统的频域传输函数描述，定义为 2
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头部相关的传递函数担盯F)161。心理学研究表明，由于头、肩、耳廓等部位的相互 作用，抵达耳膜的入射声波已发生了变化，此变化的特性取决于入射的方向。这样 一个传输过程所引起的谱特性变化在空间声源定位中起着重要的作用头部关联传输 函数与相对方向、频率、和听者有关，并与它们之间存在极其复杂的非线性关系， 所以不可能有一个确定的解析表达式来定义头部关联传输函数。国外已有多个课题 组对人类的双耳传输函数进行了精确的实验测量，部分的数据库己在互联网上公 布，然而这些数据都是非个人头部相关传输函数，数据量非常庞大，还有许多未测 量方位的传输数据。 后来的研究者考虑了更多因素，提出很多计算模型，然而这些计算模型都非常 复杂。所以在上个世纪，也有很多国外研究者对心理声学和信号处理进行研究，不 断提出新的简化的双耳传输函数近似估计方法[v，s，9，101，这些方法主要是对实现义吓的数字滤波器进行改进和优化。然而，现在对这一课题的研究还存在很多困 难，因此双耳传输函数与生理结构以及主观听觉的关系、它的简化方法及其评价也 是今后的重要课题。 而在国内，对这一课题的研究还比较初级，国内的研究资料也比较少，大多研 究所用的数据都是国外的测量数据，还没有中国人的双耳传输数据，由于和邝与 人的生理特征密切相关，所以外国人的数据并不一定完全适合中国人。对这方面研 究最多的是华南理工大学，目前他们也正在进行中国人双耳传输定位的研究测量工 作。 注：参考文献 谢菠荪，管善群，虚拟声技术及其应用(上)，应用声学，2004，2:43一47 谢菠荪，管善群，虚拟声技术及其应用(下)，应用声学，2004，4:41一44 3
