一种三维空间方位感知敏感度的测试装置及方法

摘要

一种三维空间方位感知敏感度的测试装置及方法，包括能够转动的底盘、支脚、半圆弧形支架、人工头、长杆和无线扬声器，半圆弧支架采用左右两个支脚支撑在底盘上方，支脚和半圆弧支架之间采用轴承连接，以支持半圆弧支架转动；底盘中心上方设置人工头，人工头处于半圆弧支架的圆心；长杆设置在半圆弧支架的顶端，长杆能够沿着指向半圆弧支架的圆心的方向移动，无线扬声器设置在长杆接近半圆弧支架的圆心的一端。通过旋转人工头、半圆环以及移动长杆，就可以采集三维空间任意一点的声音。通过人工头采集即保证了实验数据采集的一致性，不受周围环境及采集人员的干扰，通过相应自适应的测试方法，能在电脑上完成测试，大大缩短了测试周期和工作量。

说明书

技术领域

本发明属于声学领域，尤其涉及一种三维空间方位感知敏感度的测试装置及方法。 

背景技术

2009年底，三维电影《阿凡达》在全球三十多个国家登上票房榜首，到2010年9月初，全球累计票房超过27亿美元。《阿凡达》之所以能取得如此辉煌的票房成绩，在于它所采用了全新的三维特效制作技术带给人们感官上的震撼效果。《阿凡达》所展现的绚丽画面与逼真声效不仅震撼了观众，也使得业界有了“电影进入三维时代”的断言。不仅如此，它还将催生更多的相关影视、录音、播放方面的技术和标准。2010年1月在美国拉斯维加斯举行的国际消费电子产品展上，各彩电巨头纷纷亮出的电视新品带给了人们新的期待——三维已经成为全球各大彩电制造商竞争的新焦点。要想达到更好的视听体验，需要有与三维视频内容同步的三维声场听觉效果，才能真正达到身临其境的视听感受。早期的三维音频系统（如Ambisonics系统）由于其结构复杂，对采集和回放设备要求较高，难以推广实用。近年来日本NHK公司推出了22.2声道系统，能通过24个扬声器再现原来的三维声场。2011年MPEG着手制定三维音频的国际标准，在达到一定编码效率的同时希望能通过比较少的扬声器或耳机来还原三维声场，以便能将该技术推广到普通家庭用户。由此可见三维音视频技术已成为多媒体技术领域的研究热点和进一步发展的重要方向。 

传统音频技术在对信号进行采集、编码和播放时通过利用人耳听音的感知特性来提升效率或简化系统：如在对声音进行采集时，依据奈奎斯特定理，采样频率应为人耳感知声音最高频率的两倍以上才能无感知失真地还原原始信号；在对信号进行编码时，依据人耳的掩蔽效应去除了声道内的感知冗余，利用人耳对空间参数的感知敏感特性去除了声道间的参数感知冗余；在回放端，根据人耳对正前方定位比较敏感，对后方的环境声感知较敏感的特性，采用在正前方放置用于定位的主声道扬声器，在后方放置环境声扬声器的排布方式。因此为了使三维音频技术更好的应用和推广，有必要对三维空间的感知机理进行深入研究，特别是用于空间定位的方位角线索的感知特性进行测试与分析，建立三维空间人耳的听觉感知理论模型，为三维音频的采集、编码、重建和回放等提供理论支撑。 

传统对空间方位感知特性的研究主要是针对某些特定位置进行敏感度测量，所采用的测试方法大多是让人在现场测听不同空间位置的感知阈值。这种方法对实验的要求较高，周围环境和人自身的变化都会造成数据的较大变化，而且每一个测试数据的获得需要大量的工作才能获得。如果要获得整个三维空间方位感知灵敏度阈值将是一个非常困难的事情，因此急需一种简化测试的系统来完成这一重要的工作。 

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种三维空间方位感知敏感度的测试装置及方法。 

本发明提供的一种三维空间方位感知敏感度的测试装置，包括能够转动的底盘、支脚、 半圆弧形支架、人工头、长杆和无线扬声器， 

半圆弧支架采用左右两个支脚支撑在底盘上方，支脚和半圆弧支架之间采用轴承连接，以支持半圆弧支架转动； 

底盘中心上方设置人工头，人工头处于半圆弧支架的圆心； 

长杆设置在半圆弧支架的顶端，长杆能够沿着指向半圆弧支架的圆心的方向移动，无线扬声器设置在长杆接近半圆弧支架的圆心的一端。 

本发明还提供了相应三维空间方位感知敏感度方法，包含以下步骤： 

步骤1，采集空间音源信号，通过转动底盘、转动半圆弧支架及移动长杆改变无线扬声器的位置，采集不同位置的空间音源信号； 

设以半圆弧支架的圆心O为顶点的三维坐标系XYZ中，无线扬声器与圆心之间的距离记为ρ，无线扬声器与平面XOY的角度记为α，无线扬声器与平面XOZ的角度记为β，空间音源信号的位置参数标记为（ρ,α,β）； 

步骤2，保存空间音源信号及相应位置参数进数据库； 

步骤3，从数据库中提取空间音源信号作为参考音和测试音，测试三维空间方位感知敏感度。 

而且，步骤3的实现方式包括以下子步骤， 

步骤3.1，在一个测试频率下，根据预设的参考音的位置参数SP_ref与位置变化参数SP_d从数据库提取相应参考音和测试音并生成测试序列，所述测试频率记为X；测试序列的实时生成方法为，以预设的时间间隔将参考音与测试音组合成一个测试序列，组合时前后顺序随机排列，测试音的位置参数由参考音的位置参数SP_ref和位置变化参数SP_d得到；第一次执行步骤3.1时，位置变化参数SP_d采用预设的初值；所述位置变化参数为水平角α、高度角β和距离ρ之一的变化值； 

步骤3.2，根据采用步骤3.1所得测试序列进行测试的判断结果实时改变位置变化参数SP_d的值，实现方式如下， 

置正确数N_R=0为初始状态，当判断结果正确时，则将错误数N_W置为0，将正确数N_R加1，直到连续N_R=N1次判断结果正确后，则减小位置变化参数SP_d的值，并将正确数N_R和错误数N_W置0，判断是否出现反转，是则保存当前反转次数和位置变化参数SP_d当前的值并 进入步骤3.3，否则返回步骤3.1根据位置变化参数SP_d当前的值从数据库提取相应测试音并生成测试序列；当判断结果错误时，将正确数N_R置为0，将错误数N_W加1，当连续N_W=N2次判断结果错误后，则增加位置变化参数SP_d的值，并将正确数N_R和错误数N_W置0，判断是否出现反转，是则保存当前反转次数和位置变化参数SP_d当前的值并进入步骤3.3，否则返回步骤3.1根据位置变化参数SP_d当前的值从数据库提取相应测试音并生成测试序列；其中，N1和N2分别为预设的减小SP_d值次数阈值和增加SP_d值次数阈值； 

所述反转，是指位置变化参数SP_d从增加变化为减小或者从减小变为增加，则称为一次反转，从第一次执行步骤3.2到当前总共的反转次数即是当前反转次数； 

步骤3.3，根据预设的反转次数阈值L，若当前反转次数达到L次，则进入步骤3.4，若当前反转次数没有达到L次，则返回步骤3.1根据位置变化参数SP_d当前的值从数据库提取相应测试音并生成测试序列； 

步骤3.4，对最近t次反转时的位置变化参数SP_d的值取平均，得到测试频率X下测试的恰可感知差异平均值，t为预设次数值。 

采用本发明提供的测试装置，通过旋转人工头、半圆环以及移动长杆，就可以采集三维空间任意一点的声音，还可以按照一定的编码规则建立不同条件下的测试音源数据库，通过自适应的测试方法就能在电脑上完成测试。通过人工头采集即保证了实验数据采集的一致性，不受周围环境及采集人员的干扰；采用本发明提供的自适应的测试方法，为测试的大规模开展提供了有力保障，从而大大缩短了测试周期和工作量。 

附图说明

图1为本发明实施例的测试装置结构图。 

图2是本发明实施例的自适应测试方法的流程图。 

图3是本发明实施例的听音训练流程图。 

图4是本发明实施例的变化步长的调整流程图。 

图5是本发明实施例的变化步长自适应变化示意图。 

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。 

如图1所示，实施例提供的三维空间方位感知敏感度的测试装置，包括能够转动的底盘、支脚、半圆弧形支架、人工头、长杆和无线的扬声器。 

半圆弧支架采用左右两个支脚支撑在底盘上方，支脚和半圆弧支架之间采用轴承连接，以支持半圆弧支架转动。具体实施时，可以安装一个刻度盘，来记录半圆弧转动的角度，可设置转动范围为-45度至225度。 

底盘中心上方设置人工头，人工头处于半圆弧支架的圆心。具体实施时，底盘也可以通过装个轴承支持转动，并装一个刻度盘，来记录底盘转动的角度，可设置转动范围为0度至360度 

长杆设置在半圆弧支架的顶端，长杆能够沿着指向半圆弧支架的圆心的方向移动，无线扬声器设置在长杆接近半圆弧支架的圆心的一端。具体实施时，长杆始终是指向圆心的方向，上面标有刻度，通过移动长杆可以调节扬声器和圆心之间的距离。 

实施例设置半圆弧半径为2米，长杆长度为4米，固定无线扬声器的一端刻度为0。 

实施例采用上述三维空间方位感知敏感度的测试装置实现的三维空间方位感知敏感度方法，包含以下步骤： 

步骤1，采集空间音源信号，通过转动底盘、转动半圆弧支架及移动长杆改变无线扬声器的位置，采集不同位置的空间音源信号。 

设以半圆弧支架的圆心O为顶点的三维坐标系XYZ中，无线扬声器与圆心之间的距离记为ρ，无线扬声器与平面XOY的角度记为α，无线扬声器与平面XOZ的角度记为β，空间音源信号的位置参数标记为（ρ,α,β）。 

移动长杆，可以改变扬声器与圆心之间的距离ρ。 

转动半圆弧支架，可以改变扬声器的竖直方向位置，即可以改变扬声器与XOY平面的角度α。 

转动底盘，可以改变扬声器的水平方向位置，即可以改变扬声器与XOZ平面的角度β。 

再在不同的空间位置播放一段指定特性的声音信号，通过人工头对不同属性的空间声音信号进行录音。通过移动长杆、转动半圆弧支架、转动底盘就可以遍历到空间所有位置。 

例如，要采集空间位置（1，45，45）的声源信号，声源信号的采集环境为静音室内，类型为高斯白噪声信号，信号频带为巴克带的第10个频带，具体操作方式如下： 

移动长杆，将长杆向圆心方向移动1米，即移动长杆到刻度为1米的地方，由于圆弧半径为2米，移动后扬声器与圆心间的距离为2-1=1米。 

转动半圆弧，使与半圆弧连接的刻度盘上的指针指向45°位置，也即表示扬声器与水平面的夹角为45°。 

转动底盘，使底盘刻度盘上面的指针指向45°位置，也即表示扬声器与XOZ平面的夹角为45°。 

在室内静音的环境下，通过电脑控制向扬声器播放一段窄带高斯白噪声信号，信号带宽范围与巴克带的第10个频带的带宽范围一样，通过人工头对播放的声源信号进行录音。步骤2，保存空间音源信号及相应位置参数进数据库。 

具体实施时，采集到空间音源信号后，可以对采集的空间音源信号进行编码，例如编码格式为：环境-信号类型-频带-半径-水平角-高度角。环境编号可按照：0代表静音室条件、1代表室内混响条件、2代表室外等，信号类型编号可分为：0代表高斯白噪声、1代表窄带噪音、2代表纯音等，如果是窄带噪声或者纯音则还需分频带进行采集，将全频带按照人耳的感知特性分为24个频带，以中心频率作为该频带的采集频率，频率的编号如表1所示，半径、水平角和高度角的编码以实际角度的数值来编号。 

表124个频带的划分方法及其编码 

对所有采集到的声源信号进行编码后即可建立不同属性空间声源信号的数据库。 

如之前采集空间声源信号的例子，对采集到得空间声源信号编码的方式可以表示为：0-1-10-1-45-45。 

步骤3，从数据库中提取空间音源信号作为参考音和测试音，测试三维空间方位感知敏感度。 

本发明提供的方法能够用计算机软件技术实现流程。参见图2，实施例以水平角α为例对本发明的流程进行一个具体的阐述，如下： 

步骤3.1，在一个测试频率下，根据预设的参考音的位置参数SP_ref与位置变化参数SP_d从数据库提取相应参考音和测试音并生成测试序列，所述测试频率记为X；测试序列的实时生成方法为，以预设的时间间隔将参考音与测试音组合成一个测试序列，组合时前后顺序随机 排列，测试音的位置参数由参考音的位置参数SP_ref和位置变化参数SP_d得到；第一次执行步骤3.1时，位置变化参数SP_d采用预设的初值；所述位置变化参数为角度α、角度β和距离ρ之一的变化值。 

根据SP_ref值与SP_test值从数据库提取相应参考音和测试音并生成测试序列时，以相应时间为间隔将参考音与测试音组合成一个测试序列，前后顺序随机排列。设a为以生成的参考音，设b为生成的测试音，可以先播放a,再间隔一段时间播放b，也可以先播放b，再间隔一段时间播放a，a和b的播放顺序是随机的。间隔的相应时间一般是固定值，例如取0.5秒。 

若为第一次生成测试序列，位置变化参数SP_d采用预设的初值，之后则采用步骤3.2重新调整后的位置变化参数SP_d的值。 

因为只测试一个变化值，位置变化参数SP_d也只取相应变量即可，然后计算SP_test=SP_ref+SP_d。以水平角JND测试为例，变量为水平角α。参考音的位置参数SP_ref取参考音的水平角值α_ref，位置变化参数SP_d即测试的目标JND值α_d，α_test为测试音的水平角值，则α_test＝α_ref+α_d。 

可以采用第一次生成的测试序列对听音者进行听音训练，根据训练结果判断听音者的听力是否符合测试标准。如果符合测试标准，再进行正式测听，采用测试序列进行正式测试的结果用于步骤3.2。如图2中所示，具体流程可为，配置自适应测试实验参数，即导入预设的SP_ref和SP_d值，生成听音测试序列，判断是否为首次测听，是则进行听音训练，不符合要求则结束流程，符合则进入步骤3.2。也可以预先采用其他测试序列进行听音训练，执行本发明技术方案时则无需进行听音训练。 

为便于实施参考起见，本发明建议提出判断听音者的听力是否符合测试标准的具体方式如下， 

训练阶段SP_d值保持不变，设训练总数max，训练m次需达到的正确率为a%，通过判断最近m次的训练结果来确定是否符合测试标准，具体是逐个判断区间1-m,2-(m+1),3-(m+2)…，(max-m+1)-max的训练正确率，分别表示第1次到第m次、第2次到第m+1次，第3次到第m+2次…第(max-m+1)到第max次，如果进行到某个区间正确率大于等于a%，则符合测试标准；若进行到最后一个区间正确率都小于a%，则认为听音者的听力没有达到测听标准，结束测试。 

实施例具体的实施方案如下： 

首先，预先拟定训练总数max=50，训练m=10次需达到的正确率为80%。通过判断最近10次的训练结果来确定是否符合测试标准。具体训练结果判断区间1-10,2-11,3-12…，41-50。最少测试10次，最多测试50次。具体可参见图3所提供训练阶段中最近m次正确率判断方法的流程：训练测听，判断训练次数是否>=m，否则返回训练测听，是则判断最近m次训练结果的正确率，大于等于a%，则符合听音测试标准，训练结束，进入正式测听；小于a%，则判断训练总数是否>max，否则返回继续听音训练，是则说明不满足听音测试标准，训练结束。 

然后，实时判断如上所述的每个区间的训练正确率。如果进行到某个区间正确率大于等于80%,则可以结束训练，认为达到测听标准，转入步骤3.3。若训练次数到50次了正确率都小于80%，则认为听音者的听力没有达到测听标准，结束听音测试。 

步骤3.2，根据采用步骤3.1所得测试序列进行测试的判断结果实时改变位置变化参数SP_d的值，实现方式如下， 

置正确数N_R=0为初始状态，当判断结果正确时，则将错误数N_W置为0，将正确数N_R加1，直到连续N_R=N1次判断结果正确后，则减小位置变化参数SP_d的值，并将正确数N_R和错误数N_W置0，判断是否出现反转，是则保存当前反转次数和位置变化参数SP_d当前的值并进入步骤3.3，否则返回步骤3.1根据位置变化参数SP_d当前的值从数据库提取相应测试音并生成测试序列；当判断结果错误时，将正确数N_R置为0，将错误数N_W加1，当连续N_W=N2次判断结果错误后，则增加位置变化参数SP_d的值，并将正确数N_R和错误数N_W置0，判断是否出现反转，是则保存当前反转次数和位置变化参数SP_d当前的值并进入步骤3.3，否则返回步骤3.1根据位置变化参数SP_d当前的值从数据库提取相应测试音并生成测试序列；其中，N1和N2分别为预设的减小SP_d值次数阈值和增加SP_d值次数阈值； 

所述反转，是指位置变化参数SP_d从增加变化为减小或者从减小变为增加，则称为一次反转，从第一次执行步骤3.2到当前总共的反转次数即是当前反转次数。 

如图4所示，具体流程中，可以在判断结果是正确时，首先判断是否N_W＞0，是则设错误数N_W=0，正确数N_R=1。否则直接N_R=N_R+1，在N_R＜N1时都保持SP_d值不变，测试序 列也保持不变（SP_test=SP_test），继续判断下一次听音测试的结果是否正确，直到N_R=N1时，SP_d=SP_d/gain–step，根据SP_test=SP_ref+SP_d生成新的测试序列，设N_R=0。可以在判断结果是错误时，首先判断是否为N_R＞0，是则设正确数N_R=0，错误数N_W=1，否则直接N_W=N_W+1，在N_W＜N2时都保持SP_d值不变，测试序列也保持不变（SP_test=SP_test），继续判断下一次听音测试的结果是否正确，直到N_W=N2时，SP_d=SP_d*gain+step，根据SP_test=SP_ref+SP_d生成新的测试序列，设N_W=0。这样减少了冗余的置0操作，效率更高。因为N1可能为1，在N_W＞0并设错误数N_W=0，正确数N_R=1后，判断是否N1=1，是则令SP_d=SP_d/gain–step，根据SP_test=SP_ref+SP_d生成新的测试序列，设N_R=0，否则保持SP_d值不变，测试序列也保持不变（SP_test=SP_test），继续判断下一次听音测试的结果是否正确。同样的，因为N2可能为1，在N_R＞0并设错误数N_W=1，正确数N_R=0后，判断是否N2=1，是则令SP_d=SP_d*gain+step，根据SP_test=SP_ref+SP_d生成新的测试序列，设N_W=0，否则保持SP_d值不变，测试序列也保持不变（SP_test=SP_test），继续判断下一次听音测试的结果是否正确。 

实施例具体实施方案为： 

预设N1=3，N2=1，根据步骤3.1生成的测试序列判断感知方位偏左的序列。置N_R=0为初始状态，当判断正确时，则将正确数N_R加1，保持位置变化参数SP_d当前的值转入步骤3.2。直到连续N_R=3次判断正确，则减小测试值，即SP_d=SP_d/gain-step，使参考音SP_ref值与测试音SP_test值更加接近。当有N_w=1次判断错误，则增加测试值，即SP_d=SP_d*gain+step，使参考音SP_ref值与测试音SP_test值的差值变大。 

gain和step是用来使SP_d值增大或减小的两个参数，其中，gain是指数变化参数，可让SP_d值按指数变化，step是线性变化参数，可让SP_d值按线性变化。gain和step可以采用预设的固定值，为了使测试值快速逼近目标值，还可以根据当前反转次数实时改变gain和step的值，这样就能通过SP_d=SP_d/gain-step和SP_d=SP_d*gain+step这两个式子来调节SP_d的值大 小。 

步骤3.3，根据预设的反转次数阈值L，若当前反转次数达到L次，则进入步骤3.4，若当前反转次数没有达到L次，则返回步骤3.1根据位置变化参数SP_d当前的值从数据库提取相应测试音并生成测试序列。 

实施例的反转次数阈值L=12，具体的实施方案为：当反转数达到12次时，则转入步骤3.5。若反转次数没有达到12次，则转入步骤3.1，根据当前的SP_d信息重新生成序列继续进行听音测试。 

为进一步提供自适应调整效率起见，实施例中gain的取值有g1,g2,g3,g4四种，step的取值有s1,s2,s3,s4四种。设当前反转次数记为reversals，实施例为reversals设置R1，R2，R3，R4四种临界取值，R1＜R2＜R3＜R4=L，当达到某一种临界值时就要改变gain和step的取值。并为位置变化参数SP_d的值设置SP₁、SP₂、SP₃三种临界取值，SP₁＜SP₂＜SP₃，参考位置变化参数SP_d当前的值实现自适应变化。如图5所提供实施例的测试过程中测试值的自适应变化流程，连续N_R=N1次判断结果正确后需要减小SP_d值时，或连续N_W=N2次判断结果错误后需要增加SP_d值时，执行以下步骤： 

输入当前SP_d值，通过自适应处理， 

判断是否reversals>R1，是则判断是否reversals>R2，否则执行步骤A1，即gain=g1、step=s1，之后执行步骤3.2时按照gain=g1、step=s1执行Up计算或Down计算，即Up（增加SP_d值计算）:SP_d=SP_d*gain+step或Down（减小SP_d值计算）:SP_d=SP_d/gain–step； 

若reversals>R2，则判断是否reversals>R3，否则判断是否SP_d>SP₁，是则跳转步骤A1，之后执行步骤3.2时按照gain=g1、step=s1执行Up计算或Down计算，否则执行步骤A2，即gain=g2、step=s2，之后执行步骤3.2时按照gain=g2、step=s2执行Up计算或Down计算； 

若reversals>R3，则判断是否reversals>R4，否则判断是否SP_d>SP₂，是则跳转步骤A2，之后执行步骤3.2时按照gain=g2、step=s2执行Up计算或Down计算，否则执行步骤A3，即gain=g3、step=s3，之后执行步骤3.2时按照gain=g3、step=s3执行Up计算或Down计算； 

若reversals>R4，则自适应变化流程完成，进入步骤3.4，否则判断是否SP_d>SP₃，是则跳转步骤A3，然后之后执行步骤3.2时按照gain=g3、step=s3执行Up计算或Down计算，否则执 行步骤A4，即gain=g4、step=s4，之后执行步骤3.2时按照gain=g4、step=s4执行Up计算或Down计算。 

实施例过程涉及数据如下表为： 

  R1   R2   R3   R4   g1   g2   g3   g4   1   3   6   12   0.6   1   1   1   s1   s2   s3   s4   SP₁  SP₂  SP₃   0   0.5   0.3   0.1   3   1.5   0.8  

即R1=1、R2=3、R3=6、R4=L=12，g1=0.6、g2=g3=g4=1，s1=0、s2=0.5、s3=0.3、s4=0.1，SP₁=3、SP₂=1.5、SP₃=0.8。具体的位置变化参数SP_d改变方式跟SP_ref及测试频率相关，本领域技术人员可以需要根据具体情况设定其他方式，或者参照本发明实施例提供的方式自行设置表中数值。 

步骤3.4，对最近t次反转时的位置变化参数SP_d的值取平均，得到测试频率X下测试的恰可感知差异平均值，t为预设次数值。 

本领域人员可自行根据具体情况设定t值。例如t=4时，如果测试结束后总共有7次反转，则计算第4、5、6、7次的SP_d平均值。 

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。