基于球谐函数的头相关传输函数的稀疏建模方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于球谐函数的头相关传输函数的稀疏建模方法和系统。其中，该方法包括：对待测量的头相关传输函数进行处理，生成最小相位头相关传输函数，并去除全测量方向的最小相位幅度均值，得到空间差异性最小相位头相关传输函数；对空间差异性最小相位头相关传输函数进行建模，得到稀疏球谐系数；通过稀疏球谐系数插值，并根据空间的方位生成全空间的连续头相关传输函数。由此，降低了全空间连续HRTF的插值谱失真程度，降低了计算复杂度，所需要的存储量小，便于应用到实际虚拟现实系统中进行动态环境绘制，不受个体个性的限制，具有高鲁棒性，便于在实际环境中的应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术实施例涉及信号处理
，具体涉及一种基于球谐函数的头相关传输函数的稀疏建模方法和系统。
技术介绍
虚拟现实领域的爆发使得虚拟听觉受到越来越多的关注。虚拟现实包含虚拟视觉和虚拟听觉，其中，虚拟听觉技术的重点问题是恢复与自然听觉相同的定位特征。人类的听觉过程通常可视为声源-信道-接收模型，其中信道包含声源经过人体不同部位的衍射、干扰，最终到达鼓膜的过程，可看作一个空间数字滤波器，称为头相关传输函数(Head-RelatedTransferFunction,HRTF)，它包含了声波与身体部位之间的交互引起的所有谱特征。由于每个人的生理结构不尽相同，HRTF谱特征是极其个性化的。然而，很难对每个个体在全空间内测量HRTF。另一个问题是很难对密集测量的HRTF数据库有效存储。对此，一种解决方法是将HRTF建模到低维空间，诸如采用主成分分析方法或者空间主成分分析，将空间的变化建模为少量主成分的联合。然而，这些方法很难将离散测量的HRTF插值成全空间的连续HRTF。另一种方法是采用基于表面球谐函数的建模(SphericalHarmonics-basedModeling,SHM))方法，它的主要优点在于HRTF可以在全空间建模为相对少量的球谐扩展系数的线性组合，因此，整个HRTF数据库仅需要少量数据表示。球谐函数采用度进行截断，度在基于球谐函数的建模中起到非常重要的作用。度的选择影响着模型的复杂度与谱失真性能。传统方法中直接选择一个偏大的数，或者根据人的主观听觉选择。然而，存在两个问题：(1)由于人的听觉感知中不同的子带的重要性是不同的，因此，对所有子带分配相同的度是不合理的，而一些子带设置不同度数的研究没有太多理论依据；(2)如果选择的度数偏小，将会造成模型欠拟合，从而在插值为全空间连续HRTF时将会以高概率产生较大的谱失真。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
为解决上述的一个或多个问题，本专利技术提供了一种基于球谐函数的头相关传输函数的稀疏建模方法，能够简单地得到低谱失真的全空间连续头相关传输函数。此外，本专利技术实施例还提供一种基于球谐函数的头相关传输函数的稀疏建模系统。为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了以下技术方案：一种基于球谐函数的头相关传输函数的稀疏建模方法，所述方法至少包括：获取待测量的所述头相关传输函数；处理所述待测量的头相关传输函数，生成最小相位头相关传输函数，并去除全测量方向的最小相位幅度均值，得到空间差异性最小相位头相关传输函数；对所述空间差异性最小相位头相关传输函数进行建模，得到稀疏球谐系数；通过所述稀疏球谐系数插值，并根据空间的方位生成全空间的连续头相关传输函数。进一步地，所述处理所述待测量的头相关传输函数，生成最小相位头相关传输函数，并去除全测量方向的最小相位幅度均值，得到空间差异性最小相位头相关传输函数，具体包括：去除所述待测量的头相关传输函数中非最小相位部分，得到最小相位头相关传输函数；根据以下公式计算全测量方向的最小相位幅度均值，得到方向相关的共性分量：其中，所述dj表示第j个位置处的水平角和仰角；所述S表示测量位置的总数目；所述|Hmin(dj,fi)|表示所述最小相位头相关传输函数的幅度；所述fi表示第i个频带；所述i取正整数；所述Havg(fi)表示所述方向相关的共性分量；根据以下公式在每个头相关传输函数的测量方位上，从最小相位对数幅度中去除所述方向相关的共性分量，得到空间差异性最小相位头相关传输函数：Hp(ds,fi)＝20log10|Hmin(ds,fi)|-Havg(fi),其中，所述ds表示第s个位置处的水平角和仰角；所述|Hmin(ds,fi)|表示所述最小相位头相关传输函数的幅度；所述Havg(fi)表示所述方向相关的共性分量；所述Hp(ds,fi)表示第s个位置、第i个频带fi的空间差异性最小相位幅度。进一步地，所述对所述空间差异性最小相位头相关传输函数进行建模，得到稀疏球谐系数，具体包括：根据以下公式计算设定测量位置处的球谐函数：其中，所述l表示所述球谐函数的度数；所述m表示所述球谐函数的阶数；所述n表示勒让德函数的度数；所述表示所述度数为n、所述阶数为m的所述勒让德函数；所述表示所述测量位置为d处的球谐函数；所述d＝(θ,φ)表示所示测量位置d，其中水平角为θ，仰角为φ；对所述空间差异性最小相位头相关传输函数幅度与其所述球谐函数的平方误差进行L1规整，得到误差最小化的模型；通过K次交叉验证方法获取所述模型最优的稀疏度，从而得到稀疏球谐系数。进一步地，所述通过所述稀疏球谐系数插值，并根据空间的方位生成全空间的连续头相关传输函数，具体包括：根据以下公式通过所述稀疏球谐系数重建测量位置上的最小相位连续头相关传输函数幅度估计与声波到达左耳与右耳的时间差估计：其中，所述表示所述测量位置ds处第i个频带的左、右耳空间差异性最小相位连续头相关传输函数幅度的估计；所述表示l从集合中取值，l＝0,...,Nm；所述表示第i个频带的Nm个球谐系数中不为0的系数所在的位置；所述表示所述测量位置ds处声波到达左耳与右耳的时间差估计；所述表示所述稀疏球谐系数；所述Yl(ds)表示所述测量位置ds处的所述球谐函数；L取正整数；根据以下公式确定左、右耳连续头相关传输函数：其中，所述表示所述左耳头相关传输函数；所述表示所述右耳头相关传输函数；所述T0表示声波到达右耳的时间，T0＝Lr/v，其中，所述Lr表示声波距离右耳的距离，所述v表示声速；根据空间不同的方位，确定所述左、右耳连续头相关传输函数，得到所述全空间的连续头相关传输函数。进一步地，所述方法还包括：根据下式对所述全空间的连续头相关传输函数进行对数谱失真评估：其中，所述S表示空间内测量点数目，所述Nf表示子带数目；所述表示所述左、右耳连续头相关传输函数；所述H(d,fk)表示测量得到的所述左右耳头相关传输函数；所述fk表示第k个频带；所述k1和所述k2分别表示对比的频带范围为从第k1个频带到第k2个频带；所述表示所有的测量头相关传输函数的空间位置集合；对所述全空间的连续头相关传输函数进行绝对对数谱失真和相对对数谱失真评估。为了实现上述目的，根据本专利技术的另一个方面，还提供了一种基于球谐函数的头相关传输函数的稀疏建模系统，所述系统至少包括：一种基于球谐函数的头相关传输函数的稀疏建模系统，所述系统至少包括：获取模块，用于获取待测量的所述头相关传输函数；处理模块，与所述获取模块相连，用于处理所述待测量的头相关传输函数，生成最小相位头相关传输函数，并去除全测量方向的最小相位幅度均值，得到空间差异性最小相位头相关传输函数；建模模块，与所述处理模块相连，用于对所述空间差异性最小相位头相关传输函数进行建模，得到稀疏球谐系数；生成模块，与所述建模模块相连用于通过所述稀疏球谐系数插值，并根据空间的方位生成全空间的连续头相关传输函数。进一步地，所述处理模块具体包括：第一去除模块：用于去除所述待测量的头相关传输函数中非最小相位部分，得到最小相位头相关传输函数；方向相关的共性分量获取模块，与所述第一去除模块相连，用于根据以下公式计算全测量方向的最小相位幅度均值，得到方向相关的共性分量：其中，所述dj表示第j个位置处的水平角和仰角本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于球谐函数的头相关传输函数的稀疏建模方法，其特征在于，所述方法至少包括：获取待测量的所述头相关传输函数；处理所述待测量的头相关传输函数，生成最小相位头相关传输函数，并去除全测量方向的最小相位幅度均值，得到空间差异性最小相位头相关传输函数；对所述空间差异性最小相位头相关传输函数进行建模，得到稀疏球谐系数；通过所述稀疏球谐系数插值，并根据空间的方位生成全空间的连续头相关传输函数。

【技术特征摘要】
1.一种基于球谐函数的头相关传输函数的稀疏建模方法，其特征在于，所述方法至少包括：获取待测量的所述头相关传输函数；处理所述待测量的头相关传输函数，生成最小相位头相关传输函数，并去除全测量方向的最小相位幅度均值，得到空间差异性最小相位头相关传输函数；对所述空间差异性最小相位头相关传输函数进行建模，得到稀疏球谐系数；通过所述稀疏球谐系数插值，并根据空间的方位生成全空间的连续头相关传输函数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述处理所述待测量的头相关传输函数，生成最小相位头相关传输函数，并去除全测量方向的最小相位幅度均值，得到空间差异性最小相位头相关传输函数，具体包括：去除所述待测量的头相关传输函数中非最小相位部分，得到最小相位头相关传输函数；根据以下公式计算全测量方向的最小相位幅度均值，得到方向相关的共性分量：Havg(fi)=Σj=1S20log10|Hmin(dj,fi)|]]>其中，所述dj表示第j个位置处的水平角和仰角；所述S表示测量位置的总数目；所述|Hmin(dj,fi)|表示所述最小相位头相关传输函数的幅度；所述fi表示第i个频带；所述i取正整数；所述Havg(fi)表示所述方向相关的共性分量；根据以下公式在每个头相关传输函数的测量方位上，从最小相位对数幅度中去除所述方向相关的共性分量，得到空间差异性最小相位头相关传输函数：Hp(ds,fi)＝20log10|Hmin(ds,fi)|-Havg(fi),其中，所述ds表示第s个位置处的水平角和仰角；所述|Hmin(ds,fi)|表示所述最小相位头相关传输函数的幅度；所述Havg(fi)表示所述方向相关的共性分量；所述Hp(ds,fi)表示第s个位置、第i个频带fi的空间差异性最小相位幅度。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述空间差异性最小相位头相关传输函数进行建模，得到稀疏球谐系数，具体包括：根据以下公式计算设定测量位置处的球谐函数：Ylm(θ,φ)=2n+14π(l-|m|)!(l+|m|)!Pn|m|(cosθ)ejmφ,]]>其中，所述l表示所述球谐函数的度数；所述m表示所述球谐函数的阶数；所述n表示勒让德函数的度数；所述表示所述度数为n、所述阶数为m的所述勒让德函数；所述表示所述测量位置为d处的球谐函数；所述d＝(θ,φ)表示所示测量位置d，其中所述θ表示水平角，所述φ表示仰角；对所述空间差异性最小相位头相关传输函数幅度与其所述球谐函数的平方误差进行L1规整，得到误差最小化的模型；通过K次交叉验证方法获取所述模型最优的稀疏度，从而得到稀疏球谐系数。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述通过所述稀疏球谐系数插值，并根据空间的方位生成全空间的连续头相关传输函数，具体包括：根据以下公式通过所述稀疏球谐系数重建测量位置上的最小相位连续头相关传输函数幅度估计与声波到达左耳与右耳的时间差估计：其中，所述表示所述测量位置ds处第i个频带的左、右耳空间差异性最小相位连续头相关传输函数幅度的估计；所述表示l从集合中取值，l＝0,...,Nm；所述表示第i个频带的Nm个球谐系数中不为0的系数所在的位置；所述表示所述测量位置ds处声波到达左耳与右耳的时间差估计；所述表示所述稀疏球谐系数；所述Yl(ds)表示所述测量位置ds处的所述球谐函数；所述L取正整数；根据以下公式确定左、右耳连续头相关传输函数：H^L(ds,fi)=H^min(ds,fi)e-j2πfi(T0+T^(ds))]]>H^R(ds,fi)=H^min(ds,fi+L)e-j2πfiT0]]>其中，所述表示所述左耳头相关传输函数；所述表示所述右耳头相关传输函数；所述T0表示声波到达右耳的时间，T0＝Lr/v，其中，所述Lr表示声波距离右耳的距离，所述v表示声速；根据空间不同的方位，确定所述左、右耳连续头相关传输函数，得到所述全空间的连续头相关传输函数。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：根据下式对所述全空间的连续头相关传输函数进行对数谱失真评估：其中，所述S表示空间内测量点数目，所述Nf表示子带数目；所述表示所述左、右耳连续头相关传输函数；所述H(d,fk)表示测量得到的所述左右耳头相关传输函数；所述fk表示第k个频带；所述k1和所述k2分别表示对比的频带范围为从第k1个频带到第k2个频带；所述表示所有的测量头相关传输函数的空间位置集合；对所述全空间的连续头相关传输函数进行绝对对数谱失真和相对对数谱失真评估。6.一种基于球谐函数的头相关传输函数的稀疏建模系统，其特征在于，所述系统至少包括：获取模块，用于获取待测量的所述头相关传输函数；处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶建华，戚肖克，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11