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虚拟3D声音技术研究和基于DSP技术的实时系统实现

陆静艳  
【摘要】: “虚拟现实”成为信息技术领域内一个十分活跃的研究方向,虚拟听觉空间正是其中一个重要部分,利用虚拟声的方法可产生各种不同的声音空间听觉。在许多重要的领,域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。 本文通过对头相关传输函数(Head-Related Transfer Function,HRTF)及其相关算法的深入的研究,采用CIPIC实验室公布的HRTF数据构建了一套基于耳机和基于扬声器的虚拟3D声音系统。 文章首先介绍了虚拟3D声音系统的整体架构。为了实现虚拟3D声音系统,本文回顾了人耳的听觉特性,并根据目前的研究结果,总结了影响人耳方位辨别的主要因素。然后介绍了传统的人耳定位理论,双工理论;最后引入了双耳听觉传输理论的核心部分——HRTF理论,并提出了应用HRTF理论实现本系统时的约束。 本文提出采用主成分分析(PCA)对HRTF进行分析建模实现系统的构想。模型的建立可以大幅度降低DSP运算所需要的内存,从而避免在系统中使用外部高速内存,大幅度降低虚拟3D声音系统的成本。 针对HRTF的标准主成分分析法的结果进行误差分析,本文提出和采用了的归一化的主成分分析法,降低了采用主成分分析引入的误差。在同样精度要求下,归一化的主成分分析法也可以进一步减少系统的主成分因素,从而降低虚拟3D声音系统对于DSP系统的内存要求。 依据本文提出的HRTF的归一化PCA模型,文章提出了虚拟3D声音耳机重发系统的算法设计;并提出和采用了生理特征数据与最大ITD相关的数据库匹配算法,解决了HRTF数据的个性化问题;接着,本文实现了虚拟扬声器系统的算法设计。 最后本文完成了虚拟3D声音系统的软硬件设计,采用ATMEL公司的基于ARM7TDMI和40位浮点DSP mAgic处理器DIOPSIS,实现了实时虚拟3D声音系统,。通过主观性实验证明,在听音效果上,与立体声系统以及其他一些虚拟3D声音系统相比,本系统具有很大的优越性。


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