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1、上海交通大学 硕士学位论文 多通道立体声虚拟重建技术研究 姓名：王超 申请学位级别：硕士 专业：信号与信息处理 指导教师：支琤 20090101 上海交通大学工学硕士毕业论文 - VI - 多通道立体声虚拟重建技术研究 摘要 多通道立体声虚拟重建技术研究 摘要 随着数字信号处理和计算机技术的不断发展， “虚拟现实”技术已 经成为人们广泛研究的课题。 其中的虚拟声重建技术是近年来发展比 较迅速的一门边缘交叉科学，涉及听觉心理学、听觉生理学、人工智 能和高性能计算机系统等多个研究领域。 虚拟声重建技术广泛应用到 多媒体技术、各种计算机 3D 游戏以及虚拟战场等科学研究和消费电 子领域。 本文研究的
2、主要目的是对多通路立体声进行相互之间的虚拟重 建。在声像定位研究的基础上，把 5.1 通路立体声转换为 2 通路立体 声（以下简称为 5-2） ，实现 2 通路耳机对 5.1 通路声源的有效播放， 增强耳机播放的环绕效果； 把 2 通路立体声转换为 5.1 通路立体声 （以 下简称为 2-5） ，实现 5.1 通路播放设备对 2 通路声源的有效播放， 达到一定的环绕效果；最后把两者相结合，实现 2 通路立体声到 5.1 通路立体声再到 2 通路立体声的转换（以下简称为 2-5-2） ，增强了 原始 2 通路立体声的环绕感与包围感。 本文的 5-2 转换算法主要基于声像定位技术，介绍了基于 HR
3、TF 的声像定位原理，通过对常用定位方法的分析，利用虚拟头部转动的 方法，改进了水平面声像定位的方法，有效提高了水平面上声像定位 的准确率，并且提出了三维空间的虚拟声信号处理方法，即用三维空 间的 HRTF 数据进行信号的馈给， 进行了三维声像定位角度的理论分 析和实验研究， 在转换以后听者可以感受到更好的三维立体感与包围 上海交通大学工学硕士毕业论文 - VII - 感。 本文的 2-5 转换算法主要基于信号去相关处理， 对已有的去相关 方法进行分析，提出了基于 24 个临界频带的子带随机延迟法，即把 声频信号分为 24 个子带信号，分别对左右声道各个子带信号进行随 机延迟处理，提高了算法的
4、去相关性能，使得生成的后方环绕声不影 响前方的声像定位，并且提供一种三维立体感与包围感。 本文将 5-2 和 2-5 转换算法相结合，把 2-5 转换以后的结果， 再依据 5-2 的转换方法，生成新的 2 通路立体声。在 2-5 转换中产 生了后方环绕声信号， 并且在 5-2 转换中引入一个 3D 处理模块， 同 原始两声道信号相比， 转换后的 2 声道信号将具有更好的环绕感和立 体感。 本文的研究最终在 PC 平台上实现了一个多通道立体声的相互虚 拟重建系统。实验结果表明，该系统能够对不同通道数的音频信号进 行相互之间的有效转换，可以提供给不同的音频播放系统。尤其是经 过 2-5-2 处理以
5、后的普通 2 声道信号，用耳机重放具有更好的立体 感与环绕感。 关键字： 头相关传输函数，虚拟立体声重建，声像定位，三维环绕 声 上海交通大学工学硕士毕业论文 - VIII - The Study of Virtual Multichannel Surround Sound Reproduction Abstract With the development of digital signal process and computer science, “virtual reality” technology has become a very hot researching point. I
6、n recent years, “virtual sound reproduction”, as one branch of “virtual reality”, has developed a lot. It includes Psychoacoustics, Physioacoustic, Artificial Intelligence and High Performance Computer System fields. “Virtual sound reproduction” technology has been widely applied in multi-media, 3D-
7、game and virtual battlefield and so on. The purpose of this research is to realize the transforming between Multichannel Surround Sounds with different channel numbers. Based on the research of sound image location, transform 5.1 channel stereo sound to 2 channel stereo sound (use 5-2 for short), us
8、ing 2 channel earphone to listen to the 5.1 channel stereo sound, enhance the surround effect of earphone playing. And transform 2 channel stereo sound to 5.1 channel stereo sound (use 2-5 for short), using 5.1 channel system to play the 2 channel stereo sound, with surround sound effect. And finall
9、y by combining these two methods, realize the transform of 2 channel signal to 5.1 channel signal and then to 2 channel again (use 2-5-2 for short), the surround sound effect is greatly enhanced. 上海交通大学工学硕士毕业论文 - IX - The 5-2 transform method is mainly based on the sound image locating technology. P
10、resented HRTF based sound image locating technology, and by analyzing the general locating method, introduced a novel horizontal sound image locating method, which increased the precision of horizontal sound image locating. And put forward a three-dimensional virtual sound process method, which usin
11、g 3D HRTF data when processing the sound signal. And analyzed three-dimensional sound image locating theory, did related experiments. After introducing the three-dimensional method, can get a better surround sound effect. The 2-5 transform method is mainly based on the signal de-correlating arithmet
12、ic, analyzing the existed method, put forward a 24 critical sub-bands random delay method. Through this method, enhanced the performance of de-correlate process, lowed the relativity between the front sound and the back surround sound, and brought forward a three-dimensional stereo effect. We combin
13、ed the 5-2 and 2-5 transform methods. Using the 2-5 transform method, transformed a 2 channel source stereo sound to 5.1 channel stereo sound, and using the 5-2 transform method, transformed the new 5.1 channel stereo sound to a new 2 channel stereo sound. In the 2-5 transform process, produced new
14、surround sound; and in the 5-2 transform process, introducing the 3D process module, produced surround sound with 3D effect. Compared to the original 2 channel sound, 上海交通大学工学硕士毕业论文 - X - the new 2 channel sound has a better stereo surround effect. We realized the Virtual Multichannel Surround Sound
15、 Reproduction system on a personal computer. The experiment results showed that this system can realize the transforming between Multichannel Surround Sounds for different play system. Especially for the 2-5-2 transform method, we can get a new 2 channel stereo sound with better surround effect comp
16、ared to the original sound. KEYWORDS: Head-related Transfer Function, Virtual Sound Reproduction, Sound Image Location, Three-dimensional Surround Sound 上海交通大学工学硕士毕业论文 - III - 上海交通大学工学硕士毕业论文 - IV - 上海交通大学工学硕士毕业论文 第 1 章 绪论 - 1 - 第 1 章 绪论 第 1 章 绪论 虚拟声重建技术是对原始多通路信号经过头相关传输函数(HRTF)处理， 利用 少量真实扬声器将多通路声的其它扬声器虚拟出来。通过虚拟声重建技术，可以 达到节省扬声器、简化系统的目的，同时又较好地保留
