具体实施方式

本发明的构思是基于头相关传递函数(以下简称为HRTF函数)对输入的原始声音信号进行处理的同时，对原始声音信号进行音色均衡，以调整其音色失真的效果。HRTF函数是一类可以通过精密实验测量得到的数据库，该数据库中包含了HRTF函数相关的所有数据，如待虚拟声源的角度、距离、频率等；通过待虚拟声源的空间方位信息可在HRTF数据库中查找到对应的HRTF左耳函数和HRTF右耳函数。在HRTF函数对原始声音信号进行处理的研究中发现，HRTF函数对原始声音信号的低频段和中高频段的影响特性是不同的，并且HRTF函数主要是会导致原始声音信号中的中高频段部分的频谱发生畸变。因此本发明首先对声音信号进行分频，按低频段及中高频段两种频段级别进行不同的音色调整处理。其中，对于低频段声音信号采用整体增益因子进行音色调整，对于中高频段声音信号则以整体增益因子和均衡增益因子补偿经过HRTF函数滤波处理的原始声音信号的音色损失，以减少原始声音信号音色的改变。

基于此，本发明提供一种耳机虚拟空间声回放方法、装置及存储介质，以及具有虚拟空间声回放效果的耳机，具体通过以下多个实施例进行说明。

实施例1

请参阅图2，其为本发明实施例1的耳机虚拟空间声回放方法的流程框图。本发明实施例1的耳机虚拟空间声回放方法包括以下步骤：

S1：获取原始声音信号A₀及待虚拟声源的空间方位信息；

在步骤S1中，获取的原始声音信号A₀是一段来自播放器或系统输入的音频信号。

所述待虚拟声源的空间方位信息是听者期望原始声音信号A₀经虚拟空间声回放处理后得到的虚拟声源的空间方位信息。例如，听者期望经虚拟空间声回放处理后听到的声音效果是如同声源来自于自己的正前方位置，则此时该正前方位置的空间方位信息就定义为待虚拟声源的空间方位信息。

在本发明中，待虚拟声源的空间方位信息以听者头部作为参照中心，以所述待虚拟声源相对于头部的水平面方位角θ和垂直面方位角来表征。本实施例通过一空间坐标系定义待虚拟声源的空间方位信息，请参阅图3，其为所述空间坐标系的示意图。所述空间坐标系以头部中心为参考原点，以听者期望的待虚拟声源在水平面上与头正前方的夹角为水平面方位角θ，当听者期望的待虚拟声源位于头部左侧时，所述水平面方位角θ的取值范围为0°≤θ≤180°；当听者期望的待虚拟声源位于头部右侧时，所述水平面方位角θ的取值范围为-180°≤θ≤0°。以听者期望的待虚拟声源与水平面的夹角为垂直面方位角当听者期望的待虚拟声源位于水平面上方时，所述垂直面方位角的取值范围为当听者期望的待虚拟声源位于水平面下方时，所述垂直面方位角的取值范围为

在本实施例中，待虚拟声源的空间方位信息的水平面方位角θ和垂直面方位角可由听者根据自身对待虚拟声源的空间方位效果的需求进行设置调节。

S2：对所述原始声音信号A₀进行音色均衡滤波处理，得到均衡声音信号A_C；

在步骤S2中，通过音色均衡函数C在所述原始声音信号A₀的频域上对所述原始声音信号A₀进行均衡滤波处理，得到均衡声音信号A_C。所述均衡声音信号A_C与所述原始声音信号A₀的关系表达式为：A_C＝A₀C。

所述音色均衡函数C的表达式定义为

其中f为所述原始声音信号A₀的频率，f₀为分频点，H为HRTF函数的幅度谱，K₀为均衡增益因子，G₀为整体增益因子。原始声音信号A₀为包含不同频率的一段信号，该音色均衡函数C首先对原始声音信号A₀进行分频，以分频点f₀为分界点分为低频段及中高频段两组类型的信号。其中，对原始声音信号A₀的低频段声音信号采用整体增益因子G₀进行调整；对于原始声音信号A₀的中高频段声音信号则以整体增益因子G₀、均衡增益因子K₀和HRTF函数的幅度谱H进行调整。

实际上，本发明设定的上述分频点f₀、HRTF函数的幅度谱H、均衡增益因子K₀、整体增益因子G₀均与所述待虚拟声源的空间方位信息的水平面方位角θ、垂直面方位角有关，因此，所述音色均衡函数C会根据所述待虚拟声源的空间方位信息的水平面方位角θ、所述垂直面方位角变化而变化。下面将对上述变量逐一说明。

由于所述分频点f₀与所述HRTF函数的频响曲线有关，在说明所述分频点f₀之前请参阅图4，其为待虚拟声源的空间方位信息的水平面方位角为θ＝30°、垂直面方位角为的原始声音信号A₀频响曲线和处于待虚拟声源同侧耳的HRTF函数的频响曲线图，其中虚线为原始声音信号A₀频响曲线，实线为处于待虚拟声源同侧耳的HRTF函数，即HRTF左耳函数的频响曲线。当声音频率小于200Hz时，此时处于待虚拟声源同侧耳的HRTF函数频响曲线为与原始声音信号A₀频响曲线相似的平坦曲线，这是由于当声音频率小于200Hz时，声音波长大于头部尺寸，头部对声波的散射作用可以被忽略；当声音频率大于200Hz且小于1.5kHz时，此时处于待虚拟声源同侧耳的HRTF函数频响曲线在经过一段快速单调的增加之后增幅会趋于平稳，另外，处于待虚拟声源异侧耳的HRTF函数频响曲线由于头部的阴影作用而被衰减，这是由于当声音频率大于200Hz且小于1.5kHz时，头部对于同侧耳的声源的声音起到一种近似镜像反射面的作用，但此时声音波长仍然大于头部尺寸；当声音频率大于1.5kHz时，此时处于待虚拟声源异侧耳的HRTF函数频响曲线变化具有一定不规则性，这是由于当声音频率大于1.5kHz时声音波长开始小于头部的尺寸，头部对于声波的阻挡作用会进一步扩大，各种由于耳道、耳廓等对于声波产生的影响将更加明显的体现频率的幅度谱上。可见，经过HRTF函数的声音信号的频响曲线在中高频段开始发生变形，中高频段的声音信号发生了频谱畸变。因此本发明以所述分频点f₀为分界，将所述原始声音信号A₀的频域分为低频段和中高频段，并对中高频段做不同于低频段的音色均衡处理。

所述分频点f₀应选择为HRTF函数对声源低频和中高频影响特性不同的分界点，根据上述分析，其通常在200Hz与1.5kHz之间。此外，由于HRTF函数对声源低频和中高频影响特性不同的分界点还受到待虚拟声源的空间方位信息的影响，通过实际分析HRTF特性，该分频点f₀优选取值范围为400Hz≤f₀≤1.5kHz。由于HRTF函数是一个非常个性化的参数模型且听觉滤波器的设计是一个多维度衡量的工作，并且由于满足数学和物理最佳设计的值实际未必满足听感上的需求，因此，为了满足个性化的听感需求下音色均衡的要求，在本实施例中分频点f₀还可由听者根据自身需求来调节设置。此外，为达到听者需求的特殊声音效果，如当只需要对高频段进行均衡增益时，听者对分频点f₀还可以选取为1.5kHz<f₀<20kHz。

此外，为了保持音色均衡函数C以分频点f₀为分界的两段函数的连续性，还需要在分频点f₀附近插值做常规平滑处理。

在确定分频点f₀后，对于原始声音信号A₀的频率f小于分频点f₀的低频段，将其乘以整体增益因子G₀以对原始声音信号A₀的声压级进行调节，所述整体增益因子G₀为可根据需要设定的任意常数。

对于原始声音信号A₀的频率f大于分频点f₀的频段，即中高频段，将其乘以整体增益因子G₀、均衡增益因子K₀以及HRTF函数的幅度谱H的倒数。其中HRTF函数的幅度谱H为与待虚拟声源同侧耳的HRTF函数的幅度谱，其表达式为

其中为HRTF左耳函数，为HRTF右耳函数。当待虚拟声源位于头部左侧，即0°<θ<180°时，所述HRTF函数的幅度谱H取HRTF左耳函数的幅度谱即当待虚拟声源位于头部右侧，即-180°<θ<0°时，所述HRTF函数H取HRTF右耳函数的幅度谱即当待虚拟声源位于头部中垂面上，即θ＝0°或θ＝±180°时，所述HRTF函数H可取HRTF左耳函数的幅度谱即或者HRTF右耳函数的幅度谱即由于如果HRTF函数对称，则HRTF左耳函数与HRTF右耳函数相等，如果HRTF函数不对称，则HRTF左耳函数与HRTF右耳函数近似，因此在θ＝0°或θ＝±180°时，所述HRTF函数H可按实际需求选取，其不会影响本方法的实施。

所述均衡增益因子K₀的选取与待虚拟声源的空间方位相关，其表达式定义为

其中为所述HRTF函数的幅度谱H在分频点f₀的取值 为HRTF左耳函数H_L在分频点f₀的取值 为HRTF右耳函数H_R在分频点f₀的取值

为便于说明所述均衡增益因子K₀与所述待虚拟声源的水平方位角θ的关系，本实施例对空间坐标进行分区。请参阅图5，其为空间坐标的水平方位角θ分区示意图，其中区域a为靠近头部左耳区域，该区域的水平方位角θ取值为30°≤θ≤150°；区域b为靠近头部右耳区域，该区域的水平方位角θ取值为-150°≤θ≤-30°；区域c为头部左侧靠近中垂面的区域，该区域的水平方位角θ取值为0°≤θ<30°和150°<θ≤180°；区域d为头部右侧靠近中垂面的区域，该区域的水平方位角θ取值为-180°≤θ<-150°和-30°<θ≤0°。

当待虚拟声源的空间方位设定在区域a或区域b时，由于头部的作用使得声音的中高频部分到达同侧耳的声压级远大于到达异侧耳的声压级，即待虚拟声源中的高频部分到达同侧耳的声压级同样远大于到达异侧耳的声压级，可以近似地将待虚拟声源到达同侧耳的中高频声压级等于原始声音信号A₀的声压级，因此，此时所述均衡增益因子K₀的表达式为K₀＝1。

当声源的空间方位设定在区域c或区域d时，由于声音的中高频部分到达异侧耳的声压级逐渐逼近到达同侧耳的声压级，即待虚拟声源的中高频部分到达异侧耳的声压级同样逐渐逼近到达同侧耳的声压级，此时待虚拟声源到达异侧耳的声压级将不可再被忽略，为了保证待虚拟声源低频与中高频的能量平衡，需要使待虚拟声源到达左右耳的声功率和与原始声音信号A₀的功率相等，即声功率守恒原则，因此，据该原则可得出所述均衡增益因子K₀的表达式为

进一步，为适应不同的音色均衡需求，当待虚拟声源的空间方位选择在区域c或区域d时，均衡增益因子K₀可设置为由听者根据自身听感需求对进行一定范围的调节，根据可推导出所述均衡增益因子K₀的取值范围为在此范围内均衡增益因子K₀均可以实现音色均衡的目的。则当均衡增益因子K₀设置为可由听者根据自身听感进行调节时，所述均衡增益因子K₀的取值表达式简化为：当选择的待虚拟声源的空间方位在区域a或区域b时，所述均衡增益因子K₀的表达式为K₀＝1；当选择的待虚拟声源的空间方位在区域c或区域d时，所述均衡增益因子K₀为中的任意数，即所述均衡增益因子K₀的自由取值表达式为：

S3：分别通过HRTF左耳函数和HRTF右耳函数对所述均衡声音信号A_C进行滤波处 理，分别输出左耳声音信号A_L和右耳声音信号A_R。

在步骤S3中，经过音色均衡后获得的均衡声音信号A_C分别通过HRTF左耳函数和HRTF右耳函数进行滤波处理，最终输出的声音信号包括左耳声音信号A_L和右耳声音信号A_R。其中，所述左耳声音信号A_L为所述均衡声音信号A_C经HRTF左耳函数滤波处理的声音信号，其与所述均衡声音信号A_C的关系表达式为所述左耳声音信号A_L通过耳机左耳输出；所述右耳声音信号A_R为所述均衡声音信号A_C经HRTF右耳函数滤波处理的声音信号，其与所述均衡声音信号A_C的关系表达式为所述右耳声音信号A_R通过耳机右耳输出。

请参阅图6，其为本实施例1以待虚拟声源的空间方位信息的水平面方位角为θ＝30°、垂直面方位角为为例的原始声音信号A₀和左耳声音信号A_L的频响曲线图，其中虚线为原始声音信号A₀的频响曲线，实线为左耳声音信号A_L的频响曲线。由于待虚拟声源的空间方位信息的水平面方位角为θ＝30°，即待虚拟声源位于头部左侧，所以仅对比原始声音信号A₀和左耳声音信号A_L的频响曲线，可见，经过均衡后的左耳声音信号A_L的频响曲线的中高频段与原始声音信号A₀的频响曲线的中高频段相近，实现了音色改善的效果。

综上，在应用本实施例1的具有音色均衡效果的耳机虚拟空间声回放的方法过程中，使用者首先可对待虚拟声源的空间方位(水平面方位角θ、垂直面方位角)进行选择，同时，还可根据其听感需求调节分频点f₀、均衡增益因子K₀和整体增益因子G₀的取值。

此外，除了进行音色均衡的调节，为了满足使用者的调节音调的需求，所述均衡增益因子K₀还可为其它取值，如：当需要升高原始声音信号A₀音调时，增强中高频段声功率，使声音听感明亮，此时K₀的取值范围为K₀>1；当需要降低原始声音信号A₀音调时，衰减中高频段声功率，使声音听感沉闷，此时K₀的取值范围为另外，当需要截断中高频部分以达到一些特殊效果时，使K₀＝0。

在使用者选择确定了各参数值后，所述音色均衡函数C即可确定，原始声音信号A₀经过音色均衡函数C滤波后，其低频段的声音信号的响度将得到增益，其中高频段的声音信号将得到音色均衡增益，最后经过HRTF函数滤波后将得到音色均衡的虚拟空间声。

基于本发明实施例1的耳机虚拟空间声回放方法，本实施例还提供一种耳机虚拟空间声回放装置。该装置包括音色均衡滤波模块和HRTF滤波模块，其中音色均衡滤波模块获取原始声音信号A₀及待虚拟声源的空间方位信息，然后依据待虚拟声源的空间方位信息对原始声音信号A₀通过音色均衡函数C进行滤波处理，输出均衡声音信号A_C；HRTF滤波模块获取均衡声音信号A_C对并对其通过HRTF函数进行滤波处理，输出左耳声音信号A_L和右耳声音信号A_R。

相对于现有技术，本发明对输入的原始声音信号A₀以分频点f₀为界分频调节，对全频段使用整体增益因子G₀调节整体声压级，对中高频段使用均衡增益因子K₀调节中高频段整体声功率，使经过HRTF函数滤波处理后的左耳声音信号A_L和右耳声音信号A_R的整体声功率与输入原始声音信号A₀声功率保持近似，从而改善音色。另外，对分频点f₀、整体增益因子G₀和均衡增益因子K₀的还可以根据特殊需求进行特殊取值，以调节音频整体响度、音调和截取音频频段，从而实现不同声音效果，满足不同的听众需求。

实施例2

请参阅图7，其为本发明实施例2的耳机虚拟空间声回放方法的流程框图。本发明实施例2的应用为模拟多通路环绕声的场景，即定义多个固定的待虚拟声源的空间位置，同时通过播放器或系统输入多个与定义的待虚拟声源数量相等的原始声音信号，分别对每个原始声音信号根据其特定的待虚拟声源的空间位置进行音色均衡和HRTF函数空间声回放处理，在左右耳机中分别同时输出多个左耳声音信号和右耳声音信号，实现立体环绕声的声效。具体步骤如下：

S1：获取原始声音信号，所述原始声音信号包括子原始声音信号A₀₁、A₀₂……A_0n及对应的n个子待虚拟声源的空间方位信息；

在步骤S1中，子原始声音信号A_0n为第n个输入音频，n≥2。同时子待虚拟声源的空间方位信息包括n个子水平面方位角θ₁、θ₂……θ_n和子垂直面方位角分别与子原始声音信号A₀₁、A₀₂……A_0n一一对应。

子水平面方位角θ₁、θ₂……θ_n和子垂直面方位角根据实际场景分别设置为不同的固定值，如模拟5.1声道环绕声时，有6个输入音频包括中央声道、前置左声道、前置右声道、后置左环绕声道、后置右环绕声道和重低音声道，对应有6个子原始声音信号A₀₁、A₀₂、A₀₃、A₀₄、A₀₅、A₀₆，对应的子水平方位角θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅、θ₆分别设置为0°、30°、-30°、120°、-120°、0°，子垂直面方位角均设置为0°。

S2：对所述子原始声音信号A₀₁、A₀₂……A_0n分别进行音色均衡滤波处理，得到对应的n个子均衡声音信号A_C1、A_C2……A_Cn；

在步骤S2中，通过音色均衡函数C_n分别对子原始声音信号A₀₁、A₀₂……A_0n逐一进行均衡滤波处理，所述子均衡声音信号A_Cn与所述子原始声音信号A_0n的关系表达式为：A_Cn＝A_0nC_n，其中音色均衡函数C_n的表达式为其中分频点f_0n、整体增益因子G_0n和均衡增益因子K_0n的取值方法与实施例1中音色均衡函数C的分频点f₀、整体增益因子G₀和均衡增益因子K₀相同，在此不再赘述。分频点f_0n、整体增益因子G_0n和均衡增益因子K_0n可对应子原始声音信号A₀₁、A₀₂……A_0n进行不同的设置，从而调试整体声功率，使声音回放达到期望的声音效果。

S3：通过n个与子待虚拟声源的空间方位信息对应的HRTF左耳函数和HRTF右耳函数对所述子均衡声音信号A_C1、A_C2……A_Cn分别进行滤波处理，得到n个子左耳声音信号A_L1、A_L2……A_Ln和n个子右耳声音信号A_R1、A_R2……A_Rn。

在步骤S3中，每个子均衡声音信号A_C1、A_C2……A_Cn分别通过其对应的HRTF左耳函数和HRTF右耳函数进行滤波处理，对应输出的子左耳声音信号A_Ln与子均衡声音信号A_Cn的表达式为对应输出的子右耳声音信号A_Rn与子均衡声音信号A_Cn的表达式为在该方法具体的实施中，将n个子左耳声音信号A_L1、A_L2……A_Ln合成为一个左耳声音信号并通过左耳机输出，将n个子右耳声音信号A_R1、A_R2……A_Rn合成为一个右耳声音信号并通过右耳机输出。

基于实施例2的耳机虚拟空间声回放方法，以下对应用该方法的一种耳机虚拟空间声回放装置进行说明。该耳机虚拟空间声回放装置包括n个音色均衡滤波模块和n个HRTF滤波模块，其中音色均衡滤波模块分别获取子原始声音信号A₀₁、A₀₂……A_0n及对应的n个子待虚拟声源的空间方位信息，然后分别依据待虚拟声源的空间方位信息对对应的子原始声音信号A₀₁、A₀₂……A_0n通过音色均衡函数C进行滤波处理，分别输出子均衡声音信号A_C1、A_C2……A_Cn；HRTF滤波模块分别获取对应的子均衡声音信号A_C1、A_C2……A_Cn对并对其分别通过HRTF函数进行滤波处理，将获得的子左耳声音信号A_L1、A_L2……A_Ln合成为一个左耳信号并输出，同时将获得的子右耳声音信号A_R1、A_R2……A_Rn合成为一个右耳信号并输出。

在实施例2中，本发明实现了同时对多个原始声音信号处理，每个原始声音信号对应不同的待虚拟声源的空间方位信息，产生音色均衡后的空间回放效果的双耳声音信号，听者通过该双耳声音信号可以听到多个声音并能感到声音来自多个特定空间位置。基于此，本发明可应用于模拟多通路环绕声的场景，仅通过耳机就可以实现由多个扬声器才能实现的立体环绕效果，特别是原始声音信号为高品质音频时，可以实现如同置身于影院的沉浸效果。

基于实施例1、实施例2的耳机虚拟空间声回放方法，本发明还提供应用该方法的一种耳机虚拟空间声回放的存储介质，该存储介质作为计算机可读存储介质，主要用于存储程序，该程序可以是实施例1、实施例2中耳机虚拟空间声回放方法对应的程序代码。

基于实施例1、实施例2的耳机虚拟空间声回放方法，本发明还提供应用该方法的一种具有耳机虚拟空间声回放效果的耳机，该耳机包括虚拟空间声回放装置、左耳扬声器和右耳扬声器，其中虚拟空间声回放装置为实施例1、实施例2中的耳机虚拟空间声回放装置，左耳扬声器和右耳扬声器用于输出所述虚拟空间声回放装置的左耳声音信号和右耳声音信号到耳机外部。

基于同一发明构思，本发明还提供一种虚拟空间声回放的音色均衡方法，其技术方案包括：在对原始声音信号A₀进行HRTF函数滤波前，根据待虚拟声源的空间方位信息，对原始声音信号A₀通过音色均衡函数C进行音色均衡滤波处理，获得均衡声音信号A_C。所述音色均衡函数C与实施例1、实施例2中的方法相同，在此不再赘述。

本发明可采用通用DSP硬件电路或软件代码的形式实现，也可以在HRTF/HRIR的数据文件中作为头相关传递函数数据库的一部分实现。本发明的方法可以运用于耳机和自由场条件下的HRTF/HRIR。本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。